一种含吸收及驱动系统的压接式IGBT三电平功率单元的制作方法

该实用新型可用做工业领域的可控整流及逆变单元核心部件使用，具体涉及一种含吸收及驱动系统的压接式IGBT三电平功率单元。

背景技术：

在柔性直流输电换流阀，风力发电、太阳能发电变流器，中高压变频器等工业领域中，IGBT可控整流及逆变单元在其中起着重要的作用。

随着人类社会生产力的发展，可再生能源越来越受到各个国家的重视，清洁能源已经成为了全世界未来发展的方向。因此为了使电力能源以更加高效的方式生产、输送及使用，也成了电力电子从业者的主要工作。在现阶段在太阳能和风能发电为主的变流器，柔性直流输电系统中的换流阀，到用户端的变频器，其核心的变流装置以两电平IGBT功率模块为主。

为了提高电力转换效率，在1980年的IEEE工业应用年会上，日本长冈科技大学的南波江章(A.Nabae)等人提出了二极管中点钳位(neutral-point-clamped，NPC)型三电平电路结构。与传统IGBT两电平结构相比，二极管中点钳位型三电平结构具有如下优点：1)在相同的母线电压情况下，开关器件的耐压等级可以减小一半；2)在相同开关频率下，输出的电压和电流波形的谐波含量可以降低50％；3) 在IGBT器件导通和关断过程中，每只IGBT器件只承担一半的直流侧电压，因此器件的开关损坏比较低。

现阶段虽然IGBT两电平功率模块仍然为主流产品，IGBT三电平功率模块也已经有了广泛的应用。但随着电力电子技术的发展，模块式IGBT器件已经不能满足现有市场的需求，特别是在器件散热方面，由于模块式IGBT功率单元为单面散热，极大的限制了IGBT器件芯片单位面积的功率密度，最终造成模块式IGBT功率单元结构体积巨大，必须耗费高昂的成本来满足散热系统的要求。因此作为可控整流及逆变单元核心的IGBT器件，必须向更高的电压和电流等级以及更好的散热性能发展。压接式IGBT器件采用双面散热的结构，可以大大提高IGBT器件芯片单位面积下的功率密度。与传统的模块式IGBT器件相比，在相同电压和电流等级下，可大大减小IGBT器件以及散热系统的体积。但是对于压接式IGBT器件而言，由于其功率密度大，对器件散热要求非常高，必须采用水冷散热，且必须通过一定的压力使IGBT器件压装在水冷板上才能正常工作；另外由于压接式IGBT的器件特性，决定了压接式IGBT器件的压接平整度，及压接后的压力保持是一个技术难点。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种含吸收及驱动系统的压接式IGBT三电平功率单元，以克服现有IGBT两电平功率单元的技术缺陷，以及克服现有模块式IGBT存在的单位功率下体积偏大，散热性能不好的缺点。

为达到上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种含吸收及驱动系统的压接式IGBT三电平功率单元，包括NPC1型三电平拓扑电路结构，其特征在于：所述NPC1型三电平拓扑电路结构包括四支压接式IGBT器件和两支压接式钳位二极管，四支压接式IGBT器件包括：第一IGBT、第二IGBT、第三IGBT和第四IGBT，两支压接式钳位二极管包括第一二极管和第二二极管；第一IGBT上方安装有第一水冷板，下方安装有第二水冷板；第二IGBT上方安装有第二水冷板，下方安装有第三水冷板；第一二极管上方安装有第四水冷板，下方安装有第五水冷板；第二二极管上方安装有第五水冷板，下方安装有第六水冷板；第三IGBT上方安装有第七水冷板，下方安装有第八水冷板；第四IGBT上方安装有第八水冷板，下方安装有第九水冷板；第一水冷板上方依次安装有上压板、中心顶压装置、上压块和上绝缘块；第三水冷板和第四水冷板之间安装有上过渡绝缘块、上过渡压块；第六水冷板和第七水冷板之间安装有下过渡绝缘块、下过渡压块；第九水冷板下方依次安装有下绝缘块、下压块、碟型弹簧导柱、碟型弹簧和下压板；第一导电排跨接在第二IGBT的发射极和第三IGBT的集电极上；第二导电排跨接在第一二极管的阴极和第一IGBT的发射极和第二IGBT的集电极之间；第三导电排跨接在第二二极管的阳极和第三IGBT的发射极和第四IGBT的集电极之间；锁紧组件连接上压板和下压板，通过碟型弹簧将压力保持在压接式IGBT器件需要的范围之内；绝缘套管套在锁紧组件的4根螺栓上，用来进行电气绝缘隔离。

进一步地，所述第二水冷板、第三水冷板、第八水冷板、第九水 冷板是集成有IGBT吸收电路及IGBT驱动系统的水冷板。

更进一步地，所述IGBT吸收电路是由无感吸收电容、吸收二极管、水冷吸收电阻组成的RCD型吸收电路，且采用无感母线进行连接；

进一步地，所述IGBT驱动系统是由IGBT驱动盒和IGBT驱动电路组成，IGBT驱动电路放置在IGBT驱动盒里面。

进一步地，所述第一水冷板、第二水冷板、第三水冷板、第四水冷板、第五水冷板、第六水冷板、第七水冷板、第八水冷板、第九水冷板既作为水冷散热器使用，也作为导电母排使用。

进一步地，所述中心顶压装置由螺杆和螺帽组成。

进一步地，所述压接式IGBT器件最大V_CES电压范围为：4500V-6500V，最大I_CP电流范围为：1500A～3000A。

进一步地，所述压接式IGBT器件的压接面是直径五英吋的圆面。

进一步地，所述锁紧组件主要由4根套有绝缘套管的螺栓及防松螺母组成。

有益效果：

本实用新型通过上压板和下压板将压力存储在碟型弹簧中，碟型弹簧受压变形后存储的能量将持续的对组件产生反作用力，可以保证压接式IGBT器件的压接力的要求，保证了压接式IGBT器件具有良好的压接平整度。本实用新型在第二水冷板(22)、第三水冷板(23)、第八水冷板(28)、第九水冷板(29)上增加了IGBT吸收电路及IGBT驱动电路，解决了压接式IGBT的吸收无法安装及驱动电路不易安装的问题。

附图说明

图1为本实用新型的电路拓扑图；

图2为本实用新型的电气结构图；

图3为本实用新型的主视图；

图4为本实用新型的正视图；

图5为本实用新型的侧视图；

图6为本实用新型的剖面图。

如图1～图6所述，本实用新型的具体附图标记如下：1、无感吸收电容；2、吸收二极管；3、水冷吸收电阻；4、IGBT驱动系统；5、上压板；6、锁紧组件；7、绝缘套管；8、第一IGBT；9、第二IGBT；10、第一二极管；11、第二二极管；12、第三IGBT；13、第四IGBT；14、下压板；15、第一导电排；16、第三导电排；17、第二导电排；18、中心顶压装置；19、上压块；20、上绝缘块；21、第一水冷板；22、第二水冷板；23、第三水冷板；24、第四水冷板；25、第五水冷板；26、第六水冷板；27、第七水冷板；28、第八水冷板；29、第九水冷板；30、碟型弹簧导柱；31、碟型弹簧；32、下绝缘块；33、下压块；34、下过渡绝缘块；35、下过渡压块；36、上过渡绝缘块；37、上过渡压块。

具体实施方式

下面结合图1～图6，对本实用新型作进一步详细描述：

一种含吸收及驱动系统的压接式IGBT三电平功率单元，包括NPC1型三电平拓扑电路结构，其特征在于：所述NPC1型三电平拓扑电路结构包括四支压接式IGBT器件和两支压接式钳位二极管，四支压接式 IGBT器件包括：第一IGBT8、第二IGBT9、第三IGBT12和第四IGBT13，两支压接式钳位二极管包括第一二极管10和第二二极管11；第一IGBT8上方安装有第一水冷板21，下方安装有第二水冷板22；第二IGBT9上方安装有第二水冷板22，下方安装有第三水冷板23；第一二极管10上方安装有第四水冷板24，下方安装有第五水冷板25；第二二极管11上方安装有第五水冷板25，下方安装有第六水冷板26；第三IGBT12上方安装有第七水冷板27，下方安装有第八水冷板28；第四IGBT13上方安装有第八水冷板28，下方安装有第九水冷板29；第一水冷板21上方依次安装有上压板5、中心顶压装置18、上压块19和上绝缘块20；第三水冷板23和第四水冷板24之间安装有上过渡绝缘块36、上过渡压块37；第六水冷板26和第七水冷板27之间安装有下过渡绝缘块34、下过渡压块35；第九水冷板29下方依次安装有下绝缘块32、下压块33、碟型弹簧导柱30、碟型弹簧31和下压板14；第一导电排15跨接在第二IGBT9的发射极和第三IGBT12的集电极上；第二导电排17跨接在第一二极管10的阴极和第一IGBT8的发射极和第二IGBT9的集电极之间；第三导电排16跨接在第二二极管11的阳极和第三IGBT12的发射极和第四IGBT13的集电极之间；锁紧组件6连接上压板5和下压板14，通过碟型弹簧31将压力保持在IGBT器件需要的范围之内；绝缘套管7套在锁紧组件6的4根螺栓上，用来进行电气绝缘隔离。

进一步地，所述第一导电排15、第二导电排17和第三导电排16将压接式IGBT器件和二极管按照NPC1型三电平拓扑的形式连接在一起，形成了具有完整电气特性的二极管中点钳位型三电平电路结构。

进一步地，所述第二水冷板22、第三水冷板23、第八水冷板28、第九水冷板29是集成有IGBT吸收电路及IGBT驱动系统(4)的水冷板。

更进一步地，所述IGBT吸收电路是由无感吸收电容1、吸收二极管2、水冷吸收电阻3组成的RCD型吸收电路，RCD型吸收电路可以保证IGBT器件在关断瞬间由杂散电感引起的电压尖峰降到IGBT器件的安全范围之内。

进一步地，所述IGBT驱动系统4是由IGBT驱动盒和IGBT驱动电路组成，其中驱动盒直接安装在水冷板上面，驱动盒内部安装的驱动电路是专用于压接式IGBT的驱动器。

进一步地，所述第一水冷板21、第二水冷板22、第三水冷板23、第四水冷板24、第五水冷板25、第六水冷板26、第七水冷板27、第八水冷板28、第九水冷板29既作为水冷散热器使用，也作为导电母排使用，由于压接式IGBT器件在运行过程中会产生大量的热量，且由于器件的体积较小而造成单位面积功率密度非常大，因此压接式IGBT器件的散热必须为高效的水冷散热器，普通的自然散热或者强迫风冷将无法达到对压接式IGBT器件的有效散热，压接式IGBT器件的压接面为集电极和发射极，因此水冷散热器也兼做导电母排的作用。

进一步地，所述中心顶压装置18由螺杆和螺帽组成，中心顶压装置可以将压接力均匀的分散到每个IGBT器件和二极管器件的压接面上；其主要功能是保证压力能够均匀分布到IGBT器件压接面上，满足IGBT器件要求的压力；另外螺杆和螺帽也可以对压接面的高度进行微 调。

进一步地，所述压接式IGBT器件最大V_CES电压范围为：4500V-6500V，最大I_CP电流范围为：1500A～3000A。

进一步地，所述压接式IGBT器件的压接面是直径五英吋的圆面。

进一步，所述的锁紧组件6主要由4根套有绝缘套管的螺栓及防松螺母组成；在对压接式IGBT三电平功率单元进行压接时，首先使用液压机对组件加压至IGBT器件的额定压力值，此时用力矩扳手锁紧上压板上面的防松螺母，去掉液压机后，锁紧组件和碟型弹簧将持续对组件产生足够的反作用力，以满足压接式IGBT器件对压力的要求。