基于4.5kV压接式功率器件的适海性柔性直流换流阀功率模块的制作方法

本发明属于柔性直流输电换流阀，尤其涉及基于4.5kv压接式功率器件的适海性柔性直流换流阀功率模块。

背景技术：

1、大容量、远距离的海上风电采用柔性直流技术送出，海上平台占地小，对换流阀紧凑、轻量化设计要求更高。柔性直流换流阀具有系统稳定性好、运行灵活、电力输送能力强、海域使用面积小等诸多优点，因此，柔性直流换流阀能够满足海上风电的传输要求。现有技术中，中国专利申请号cn201910092779.7，公开了一种直流输电换流阀用子模块及直流输电换流阀用阀组模块，采用叠层母排，满足子模块内多电位电气间隙要求，同时节省安装空间，安装结构紧凑，但其无法应用在海上平台。

2、目前，柔性直流换流阀设计面临如下难题：海上平台占地小，换流阀紧凑轻型化技术攻关难；功率模块数量多，海上设备无人值守运维难；海上环境盐雾高，换流阀适海性防腐工艺设计难。

3、因此，需要一种紧凑轻量化的、易维护的适海性柔性直流换流阀功率模块。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种基于4.5kv压接式功率器件的适海性柔性直流换流阀功率模块，该功率模块具有紧凑轻量化性能、易维护性能及适海性防腐性能，提高设备可靠性，减少占地面积。

2、为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

3、基于4.5kv压接式功率器件的适海性柔性直流换流阀功率模块，包括电容单元、功率器件压接组件、板卡箱、旁路开关；功率器件压接组件设置在电容单元的前端，功率器件压接组件上方设有板卡箱，前端设有旁路开关；

4、所述的功率器件压接组件为单压接组件结构，功率器件压接组件包括压接组件框架、igbt、二极管、水冷散热器、均压回路单元及压力传导垫块；均压回路单元安装在压接组件框架外侧，igbt、二极管、水冷散热器、压力传导垫块设置在压接组件框架内，每只igbt、二极管均与水冷散热器连接；所述的igbt为压接式igbt，额定电压为4.5kv；所述的二极管为压接式二极管，额定电压为4.5kv；两只igbt串联压接在功率模块上桥臂，两只igbt串联压接在功率模块下桥臂，两只二极管串联压接在功率模块下桥臂；压力传导垫块压接于最下层的igbt与二极管之间。

5、所述的压力传导垫块为圆饼形结构，材质为al6061-t6，压力传导垫块的直径与igbt的压接面直径相同，厚度为二极管压接面直径的一半。

6、所述的压接组件框架包括顶板、底板、侧板、绝缘挡板，侧板上下两端分别与顶板、底板固定连接，形成框架结构，侧板内侧固定连接有绝缘挡板。

7、所述的绝缘挡板的材质为smc。

8、所述的均压回路单元包括均压电阻一、均压电阻二、均压电容、均压电阻散热器、导电排；均压电阻一直接并联在igbt压接面两端，均压电阻二先与均压电容通过导电排串联组成吸收回路，再并联在igbt压接面两端；均压电阻散热器与均压电阻一、均压电阻二连接。

9、所述的均压电阻散热器为水冷散热器。

10、所述的板卡箱为模块化结构，板卡箱内部安装有二次板卡。

11、还包括安装法兰、立柱，立柱固定连接在功率模块的前部两侧，所述的旁路开关的前端连接有安装法兰，通过安装法兰将旁路开关固定在立柱上。

12、还包括功率模块底座，所述的电容单元、功率器件压接组件均固定在功率模块底座上。

13、还包括功率模块挡板，功率模块底座与功率模块挡板连接，功率器件压接组件设置在由功率模块挡板、功率模块底座、板卡箱形成的封闭空腔内。

14、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

15、1、本发明将两只igbt串联压接在功率模块上桥臂，两只igbt串联压接在功率模块下桥臂，将两只二极管串联压接在功率模块下桥臂。采用此种功率器件串联压接结构，可在小幅增加功率模块高度的情况下使功率模块的额定电压提高了一倍，从而大幅提高了功率模块的紧凑轻量化程度。功率模块额定电压的提高使柔性直流换流阀内的功率模块数量大幅度减少，这样也大幅度降低了柔性直流换流阀整体的占地面积及重量，解决了海上平台占地小，换流阀紧凑轻型化技术攻关难的难题。

16、2、igbt与二极管压接在同一压接组件内，其中，压接式igbt内部为多半导体芯片并联结构，由于igbt的压接面相对于二极管压接面尺寸较大，根据压力传递理论，靠近二极管的igbt压接面就会出现中心区域的芯片压力偏大而边缘区域的芯片压力不足的情况，这样就会导致igbt内部芯片散热不均，产生芯片寿命的短板，从而影响igbt的工作寿命。本发明通过在igbt和二极管之间增加压力传导垫块，通过对压力传导垫块尺寸的合理化设计将二极管压接面的压力均匀扩散到igbt压接面边缘区域，解决了igbt不同区域芯片散热不均问题，提高了igbt的热稳定性和使用寿命。

17、3、由于两只4.5kv功率器件串联压接，功率模块的额定电压相比单功率器件功率模块提高了一倍。本发明通过在压接组件侧板和水冷散热器之间安装绝缘挡板来做强制绝缘，解决了9kv额定电压功率模块内部仅靠空气间隙无法满足绝缘要求的难题。

18、4、均压电阻一直接并联在igbt压接面两端起到静态均压作用，均压电阻二先与均压电容通过导电排串联组成吸收回路再并联在igbt压接面两端起到动态均压作用，这样便解决了两只串联的igbt在完全关断状态下和在开通、关断瞬间的不均压问题。

19、5、由于水冷散热器的散热效率要远高于同级别的风冷散热器，通过冷却水将多只均压电阻工作时产生的热量传导到功率模块外部，提高了均压电阻工作的热稳定性。

20、6、板卡箱采用模块化结构，当板卡箱内二次板卡发生故障需要维护时，仅需要拆除外部固定板卡箱的紧固件即可实现板卡箱整体的快速更换，大幅度提高了二次板卡的维护效率，解决了由于功率模块数量多，海上设备无人值守运维难的难题。

21、7、旁路开关采用安装法兰固定在功率模块前端，当旁路开关发生故障需要维护时，仅需要拆除安装法兰上及旁路开关输出排上的紧固件即可实现旁路开关的整体快速更换，大幅度提高了旁路开关的维护效率，解决了由于功率模块数量多，海上设备无人值守运维难的难题。

技术特征：

1.基于4.5kv压接式功率器件的适海性柔性直流换流阀功率模块，其特征在于，包括直流支撑电容单元、功率器件压接组件、板卡箱、旁路开关；功率器件压接组件设置在直流支撑电容单元的前端，功率器件压接组件上方设有板卡箱，前端设有旁路开关；

2.根据权利要求1所述的一种基于4.5kv压接式功率器件的适海性柔性直流换流阀功率模块，其特征在于，所述的压力传导垫块为圆饼形结构，材质为al6061-t6，压力传导垫块的直径与igbt的压接面直径相同，厚度为二极管压接面直径的一半。

3.根据权利要求1所述的一种基于4.5kv压接式功率器件的适海性柔性直流换流阀功率模块，其特征在于，所述的压接组件框架包括顶板、底板、侧板、绝缘挡板，侧板上下两端分别与顶板、底板固定连接，形成框架结构，侧板内侧固定连接有绝缘挡板。

4.根据权利要求3所述的一种基于4.5kv压接式功率器件的适海性柔性直流换流阀功率模块，其特征在于，所述的绝缘挡板的材质为smc。

5.根据权利要求1所述的一种基于4.5kv压接式功率器件的适海性柔性直流换流阀功率模块，其特征在于，所述的均压回路单元包括均压电阻一、均压电阻二、均压电容、均压电阻散热器、导电排；均压电阻一直接并联在igbt压接面两端，均压电阻二先与均压电容通过导电排串联组成吸收回路，再并联在igbt压接面两端；均压电阻散热器与均压电阻一、均压电阻二连接。

6.根据权利要求5所述的一种基于4.5kv压接式功率器件的适海性柔性直流换流阀功率模块，其特征在于，所述的均压电阻散热器为水冷散热器。

7.根据权利要求1所述的一种基于4.5kv压接式功率器件的适海性柔性直流换流阀功率模块，其特征在于，所述的板卡箱为模块化结构，板卡箱内部安装有二次板卡。

8.根据权利要求1所述的一种基于4.5kv压接式功率器件的适海性柔性直流换流阀功率模块，其特征在于，还包括安装法兰、立柱，立柱固定连接在功率模块的前部两侧，所述的旁路开关的前端连接有安装法兰，通过安装法兰将旁路开关固定在立柱上。

9.根据权利要求1所述的一种基于4.5kv压接式功率器件的适海性柔性直流换流阀功率模块，其特征在于，还包括功率模块底座，所述的直流支撑电容单元、功率器件压接组件均固定在功率模块底座上。

10.根据权利要求9所述的一种基于4.5kv压接式功率器件的适海性柔性直流换流阀功率模块，其特征在于，还包括功率模块挡板，功率模块底座与功率模块挡板连接，功率器件压接组件设置在由功率模块挡板、功率模块底座、板卡箱形成的封闭空腔内。

技术总结
本发明涉及一种基于4.5kV压接式功率器件的适海性柔性直流换流阀功率模块，包括电容单元、功率器件压接组件、板卡箱、旁路开关；功率器件压接组件设置在电容单元的前端，功率器件压接组件上方设有板卡箱，前端设有旁路开关；功率器件压接组件为单压接组件结构，两只IGBT串联压接在功率模块上桥臂，两只IGBT串联压接在功率模块下桥臂，两只二极管串联压接在功率模块下桥臂；压力传导垫块压接于最下层的IGBT与二极管之间。优点是：能够在小幅增加功率模块高度的情况下使功率模块的额定电压提高了一倍，从而大幅提高了功率模块的紧凑轻量化程度。大幅度降低了柔性直流换流阀整体的占地面积及重量。

技术研发人员：滕海,张子萍,魏志玉,王景坤,周见豪,余琼,张海涛,易荣,鲁挺
受保护的技术使用者：荣信汇科电气股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/2/1