一种用于断路器的二极管全桥双级子模块的制作方法

本发明涉及电力电子技术领域，具体涉及一种用于断路器的二极管全桥双级子模块。

背景技术：

断路器是柔性直流输电系统中分断短路电流的核心部件。断路器由转移支路、主支路、能量吸收支路3条并联支路组成。主支路由超高速机械开关和少量全桥模块串联构成；转移支路由多级二极管全桥模块串联构成，用于短时承载和分断直流系统故障电流；耗能支路由多个避雷器组并联构成，用于抑制分断过电压和吸收能量。

接收到系统分断信号，或者达到过电流保护阀值，主支路闭锁，主支路电容产生压差，强迫电流换流至转移支路。主通流支路电流全部换流至转移支路后，快速机械开关分断。快速开关分断后，转移支路闭锁，电流给转移支路电容充电，断路器两端电压迅速增大。分断电压达到避雷器动作水平后，故障电流向避雷器转移，避雷器吸收系统故障电流。

目前转移支路拓扑分为IGBT全桥和二极管全桥两类，其中IGBT全桥拓扑单元需要4个IGBT，成本较高；其中的二极管全桥拓扑单元只需2个IGBT，二极管全桥拓扑将节省近一半的成本。但二极管全桥拓扑存在以下两个问题：

1)由于每个二极管全桥子单元包括：5个二极管、2个IGBT、2个电阻和1个电容。每个二极管全桥子单元中的半导体元器件(即二极管和IGBT)、电容之间共需要11根电气连接线，半导体元器件数量多，电气连接复杂；

2)二极管全桥子单元的7个半导体元器件(即2个二极管和5个IGBT)都需要较大压装力满足其电气性能，传统的半导体元器件压装都采用大组件压装(即7-9个半导体元器件以串联形式压装)，7个半导体元器件之间都有电气连接线，若采用大组件方式，半导体元器件之间接线难度大，这对二极管全桥的装配和维护带来很大困难。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术中半导体元器件数量多、电气连接复杂、接线难度大以及成本高的不足，本发明提供一种用于断路器的二极管全桥双级子模块，包括框架、IGBT压装结构、二极管压装结构、均压电阻R2、均压电阻R4、与均压电阻R2并联的充电电容C1以及与均压电阻R4并联的充电电容C2；IGBT压装结构和二极管压装结构均固定在框架上，二极管压装结构一端通过第一层叠母排和第二层叠母排连接IGBT压装结构，另一端通过第三层叠母排和第四层叠母排分别连接充电电容C1和充电电容C2，半导体元器件数量相对较少，电气连接简单，接线难度小且成本低。

为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：

本发明提供一种用于断路器的二极管全桥双级子模块，包括框架、IGBT压装结构、二极管压装结构、均压电阻R2、均压电阻R4、与均压电阻R2并联的充电电容C1以及与均压电阻R4并联的充电电容C2；

所述IGBT压装结构和二极管压装结构均固定在框架上，所述二极管压装结构一端通过第一层叠母排和第二层叠母排连接IGBT压装结构，另一端通过第三层叠母排和第四层叠母排分别连接充电电容C1和充电电容C2。

所述IGBT压装结构包括IGBT紧固螺钉、IGBT碟簧以及依次压接的第一IGBT压板、第一IGBT绝缘板、第一IGBT导电板、IGBT1、第二IGBT导电板、IGBT2、第三IGBT导电板、第二IGBT绝缘板、第四IGBT导电板、IGBT3、第五IGBT导电板、IGBT4、第六IGBT导电板、第三IGBT绝缘板和第二IGBT压板。

所述第一IGBT压板和第二IGBT压板平行设置，两者的上端和下端分别通过IGBT紧固螺钉连接；

所述IGBT碟簧压接在第三IGBT绝缘板与第二IGBT压板之间。

所述IGBT1的集电极和IGBT2的集电极朝向第二IGBT导电板，所述IGBT1的发射极朝向第一IGBT导电板，所述IGBT2的发射极朝向第三IGBT导电板；

所述IGBT3的集电极和IGBT4的集电极朝向第五IGBT导电板，所述IGBT3的发射极朝向第四IGBT导电板，所述IGBT5的发射极朝向第六IGBT导电板。

所述二极管压装结构包括第一二极管压板、第二二极管压板、第一二极管组件、第二二极管组件、第一二极管导电板、第二二极管导电板、第三二极管导电板、二极管紧固螺钉和二极管碟簧；

所述第一二极管压板与第二二极管压板平行设置，两者通过二极管紧固螺钉连接；

所述第一二极管组件与第二二极管组件之间通过第一二极管导电板、第二二极管导电板和第三二极管导电板连接，两者平行设置于第一二极管压板与第二二极管压板之间，且与第一二极管压板和第二二极管压板垂直；

所述二极管碟簧压接在第三二极管导电板与第二二极管压板之间。

所述第一二极管组件包括第四二极管绝缘板、第五二极管绝缘板、第六二极管绝缘板、二极管D1、二极管D3、二极管D5、二极管D7、二极管D9、第五二极管导电板、第六二极管导电板和第七二极管导电板；

所述第五二极管导电板为U型导电板；

所述第四二极管绝缘板、第一二极管导电板的一端、二极管D1、第五二极管导电板的一端、二极管D5、第六二极管导电板、第五二极管绝缘板、第五二极管导电板的另一端、二极管D3、第二二极管导电板的一端、二极管D7、第七二极管导电板、二极管D9、第三二极管导电板的一端和第六二极管绝缘板依次压接。

所述二极管D1的阳极朝向第一二极管导电板，其阴极朝向第五二极管导电板；

所述二极管D3的阳极朝向第二二极管导电板，其阴极朝向第五二极管导电板；

所述二极管D5的阳极朝向第五二极管导电板，其阴极朝向第六二极管导电板；

所述二极管D7的阳极朝向第七二极管导电板，其阴极朝向第二二极管导电板；

所述二极管D9的阳极朝向第七二极管导电板，其阴极朝向第三二极管导电板。

所述第二二极管组件包括第一二极管绝缘板、第二二极管绝缘板、第三二极管绝缘板、二极管D2、二极管D4、二极管D6、二极管D8、二极管D10、第四二极管导电板、第八二极管导电板和第九二极管导电板；

所述第一二极管绝缘板、第一二极管导电板的另一端、二极管D2、第四二极管导电板、二极管D4、第二二极管导电板的另一端、二极管D6、第八二极管导电板、第二二极管绝缘板、第九二极管导电板、二极管D10、二极管D8、第三二极管导电板的另一端和第三二极管绝缘板依次压接。

所述二极管D2的阳极朝向第四二极管导电板，其阴极朝向第一二极管导电板；

所述二极管D4的阳极朝向第四二极管导电板，其阴极朝向第二二极管导电板；

所述二极管D6的阳极朝向第二二极管导电板，其阴极朝向第八二极管导电板；

所述二极管D10的阳极朝向第八二极管导电板，其阴极朝向第九二极管导电板；

所述二极管D8的阳极朝向第三二极管导电板，其阴极朝向第八二极管导电板。

所述子模块还包括与二极管压装机构中二极管D5并联的放电电阻R1以及与二极管压装机构中二极管D10并联的放电电阻R3。

所述第一层叠母排的一端连接IGBT压装结构中的第一IGBT导电板、第二IGBT导电板和第三IGBT导电板，其另一端连接二极管压装结构中的第四二极管导电板和第五二极管导电板；

所述第二层叠母排的一端连接IGBT压装结构中的第四IGBT导电板、第五IGBT导电板和第六IGBT导电板，其另一端连接二极管压装结构中的第七二极管导电板和第八二极管导电板；

所述第三层叠母排一端连接二极管压装结构中的第四二极管导电板和第六二极管导电板，所述第四层叠母排一端连接二极管压装结构中的第九二极管导电板和第七二极管导电板。

与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有以下有益效果：

本发明提供的用于断路器的二极管全桥双级子模块包括框架、IGBT压装结构、二极管压装结构、均压电阻R2、均压电阻R4、与均压电阻R2并联的充电电容C1以及与均压电阻R4并联的充电电容C2；IGBT压装结构和二极管压装结构均固定在框架上，二极管压装结构一端通过第一层叠母排和第二层叠母排连接IGBT压装结构，另一端通过第三层叠母排和第四层叠母排分别连接充电电容C1和充电电容C2，半导体元器件数量相对较少，电气连接简单，接线难度小且成本低；

本发明提供的二极管全桥双级子模块通过第一层叠母排、第二层叠母排、第三层叠母排和第四层叠母排作为电气连接线，整体结构紧凑，以整个子模块为单元进行安装，以IGBT压装结构和二极管压装结构为单元进行拆卸，安装和拆卸方便，易于维护；

本发明提供的二极管全桥双级子模块尽量多的压装半导体元器件，减小了子模块的整体重量。

附图说明

图1是本发明实施例中用于断路器的二极管全桥双级子模块电气拓扑图；

图2是本发明实施例中用于断路器的二极管全桥双级子模块立体图；

图3是本发明实施例中用于断路器的二极管全桥双级子模块俯视图；

图4是本发明实施例中IGBT压装结构示意图；

图5是本发明实施例中IGBT压装结构接线侧的二极管压装结构示意图；

图6是本发明实施例中充电电容接线侧的二极管压装结构示意图；

图中，1、框架，2、IGBT压装结构，3、二极管压装结构，4、均压电阻R2，5、均压电阻R4，6、充电电容C1，7、充电电容C2，8、第一层叠母排，9、第二层叠母排，10、第三层叠母排，11、第四层叠母排，12、第一IGBT压板，13、第一IGBT绝缘板，14、第一IGBT导电板，15、IGBT1，16、第二IGBT导电板，17、IGBT2，18、第三IGBT导电板，19、第二IGBT绝缘板，20、第四IGBT导电板，21、IGBT3，22、第五IGBT导电板，23、IGBT4，24、第六IGBT导电板，25、第三IGBT绝缘板，26、第二IGBT压板，27、IGBT压装结构中的IGBT紧固螺钉，28、IGBT压装结构中的IGBT碟簧，29、第一二极管压板，30、第二二极管压板，31、第一二极管绝缘板，32、第二二极管绝缘板，33、第三二极管绝缘板，34、第四二极管绝缘板，35、第五二极管绝缘板，36、第六二极管绝缘板，37、第一二极管导电板，38、第三二极管导电板，39、第四二极管导电板，40、第五二极管导电板，41、第七二极管导电板，42、第八二极管导电板，43、二极管压装结构中的二极管紧固螺钉，44、二极管压装结构中的二极管碟簧，45、第九二极管导电板，46、二极管D1，47、二极管D2，48、二极管D3，49、二极管D4，50、二极管D5，51、二极管D6，52、二极管D7，53、二极管D8，54、二极管D9，55、二极管D10，56、第二二极管导电板，57、第六二极管导电板。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

目前已有断路器的转移支路多为IGBT全桥，由于IGBT成本较高，此设计将增加设备成本，如果能将IGBT数量减半，变为二极管全桥，设备成本将减少近一半。但是二极管全桥中需较多的压装半导体器件，目前大多采用大组件压装方式，此方式不利于设备的安装及维护，若能将每个全桥子单元设计为一个子模块，上下级之间只连接一个母排，安装、维修只需装拆子模块，将提高转移支路的安装、维护性。目前已有的小组件的压装结构中，每一个半导体器件用一对压装钢板，结构重量大大增加。于是本发明实施例提供了一种用于断路器的二极管全桥双级子模块，其立体如图2所示，俯视图如图3所示，该用于断路器的二极管全桥双级子模块包括框架1、IGBT压装结构2、二极管压装结构3、均压电阻R2、均压电阻R4、与均压电阻R2并联的充电电容C1以及与均压电阻R4并联的充电电容C2；具体连接关系如下：

IGBT压装结构2和二极管压装结构3均固定在框架1上，二极管压装结构3一端通过第一层叠母排8和第二层叠母排9连接IGBT压装结构2，另一端通过第三层叠母排10和第四层叠母排11分别连接充电电容C1和充电电容C2。

如图4，IGBT压装结构2包括IGBT紧固螺钉27、IGBT碟簧28以及依次压接的第一IGBT压板12、第一IGBT绝缘板13、第一IGBT导电板14、IGBT1、第二IGBT导电板16、IGBT2、第三IGBT导电板18、第二IGBT绝缘板19、第四IGBT导电板20、IGBT3、第五IGBT导电板22、IGBT4、第六IGBT导电板24、第三IGBT绝缘板25和第二IGBT压板26。

第一IGBT压板12和第二IGBT压板26平行设置，两者的上端和下端分别通过IGBT紧固螺钉27连接，IGBT紧固螺钉27可以设有六个，第一IGBT压板12和第二IGBT压板26两者上端通过三个IGBT紧固螺钉连接，两者的下端通过其余三个IGBT紧固螺钉连接。IGBT碟簧28压接在第三IGBT绝缘板25与第二IGBT压板26之间，IGBT碟簧28可以设置6套，每套IGBT碟簧有4个IGBT碟簧，每套中IGBT碟簧中，2个IGBT碟簧为一组并联，其余2个IGBT碟簧为另一组也并联，之后再串联，即可形成一套IGBT碟簧。

上述IGBT1的集电极和IGBT2的集电极朝向第二IGBT导电板16，IGBT1的发射极朝向第一IGBT导电板14，IGBT2的发射极朝向第三IGBT导电板18；

IGBT3的集电极和IGBT4的集电极朝向第五IGBT导电板22，IGBT3的发射极朝向第四IGBT导电板20，IGBT5的发射极朝向第六IGBT导电板24。

如图5和图6，二极管压装结构3包括第一二极管压板29、第二二极管压板30、第一二极管组件、第二二极管组件、第一二极管导电板37、第二二极管导电板56、第三二极管导电板38、二极管紧固螺钉43和二极管碟簧44；具体的连接关系如下：

第一二极管压板29与第二二极管压板30平行设置，两者通过二极管紧固螺钉43连接；二极管紧固螺钉43一共可以设4个，第一二极管压板29与第二二极管压板30各自的IGBT压装结构接线侧中间位置设有2个，剩余2个设置在第一二极管压板29与第二二极管压板30各自的充电电容侧的上端和下端。

其中第一二极管组件与第二二极管组件之间通过第一二极管导电板37、第二二极管导电板56和第三二极管导电板38连接，两者平行设置于第一二极管压板29与第二二极管压板30之间，且与第一二极管压板29和第二二极管压板30垂直，二极管碟簧44压接在第三二极管导电板38与第二二极管压板30之间，二极管碟簧44可以设置2套，每套二极管碟簧中有2个并联的二极管碟簧。

其中，第一二极管组件包括第四二极管绝缘板34、第五二极管绝缘板35、第六二极管绝缘板36、二极管D1、二极管D3、二极管D5、二极管D7、二极管D9、第五二极管导电板40、第六二极管导电板57和第七二极管导电板41；

上述的第五二极管导电板为U型导电板；

第一二极管组件为图6的下面一串二极管，第一二极管压板29和第二二极管压板30之间从右到左依次压装了第四二极管绝缘板34、第一二极管导电板37的一端、二极管D1、第五二极管导电板40的一端、二极管D5、第六二极管导电板57、第五二极管绝缘板35、第五二极管导电板40的另一端、二极管D3、第二二极管导电板56的一端、二极管D7、第七二极管导电板41、二极管D9、第三二极管导电板38的一端和第六二极管绝缘板36。

上述二极管D1、二极管D3、二极管D5、二极管D7、二极管D9各自的朝向具体如下：

二极管D1的阳极朝向第一二极管导电板37，其阴极朝向第五二极管导电板40；

二极管D3的阳极朝向第二二极管导电板56，其阴极朝向第五二极管导电板40；

二极管D5的阳极朝向第五二极管导电板40，其阴极朝向第六二极管导电板57；

二极管D7的阳极朝向第七二极管导电板41，其阴极朝向第二二极管导电板56；

二极管D9的阳极朝向第七二极管导电板41，其阴极朝向第三二极管导电板38。

第二二极管组件包括第一二极管绝缘板31、第二二极管绝缘板32、第三二极管绝缘板33、二极管D2、二极管D4、二极管D6、二极管D8、二极管D10、第四二极管导电板39、第八二极管导电板42和第九二极管导电板45；

第二二极管组件为图6上面一串二极管，第一二极管压板29和第二二极管压板30之间从右到左依次压装了第一二极管绝缘板31、第一二极管导电板37的另一端、二极管D2、第四二极管导电板39、二极管D4、第二二极管导电板56的另一端、二极管D6、第八二极管导电板42、第二二极管绝缘板32、第九二极管导电板45、二极管D10、二极管D8、第三二极管导电板38的另一端和第三二极管绝缘板33。

上述二极管D2、二极管D4、二极管D6、二极管D8、二极管D10各自的朝向具体如下：

二极管D2的阳极朝向第四二极管导电板39，其阴极朝向第一二极管导电板37；

二极管D4的阳极朝向第四二极管导电板39，其阴极朝向第二二极管导电板56；

二极管D6的阳极朝向第二二极管导电板56，其阴极朝向第八二极管导电板42；

二极管D10的阳极朝向第八二极管导电板42，其阴极朝向第九二极管导电板45；

二极管D8的阳极朝向第三二极管导电板38，其阴极朝向第八二极管导电板42。

本发明实施例提供的二极全桥双级子模块还包括放电电阻R1和放电电阻R2，其中放电电阻R1与二极管压装机构中二极管D5并联，放电电阻R3与二极管压装机构中二极管D10并联。

上述的第一层叠母排8的一端连接第一IGBT导电板14、第二IGBT导电板16和第三IGBT导电板18，其另一端连接第四二极管导电板39和第五二极管导电板40；

上述的第二层叠母排9的一端连接第四IGBT导电板20、第五IGBT导电板22和第六IGBT导电板24，其另一端连接第七二极管导电板41和第八二极管导电板42；

上述的第三层叠母排10一端连接第四二极管导电板39和第六二极管导电板57，其另一端连接充电电容C1；

第四层叠母排11一端连接第九二极管导电板45和第七二极管导电板41，其另一端连接充电电容C2。

为了描述的方便，以上所述装置的各部分以功能分为各种模块或单元分别描述。当然，在实施本申请时可以把各模块或单元的功能在同一个或多个软件或硬件中实现。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员参照上述实施例依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。