专利名称：一种三电平变流器的模块化结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种功率器件，尤其涉及一种三电平变流器的模块化结构。
背景技术：
随着电力电子技术的发展和进步，变流器功率越来越高。为了提高整个系统的效率，减小系统的热损耗，大功率的变流器系统趋于采用中高压的电压等级。鉴于当前电力电子器件的发展水平，如果继续采用两电平的拓扑结构，在中高压场合需要多只电力电子器件的串联，而串联电力电子器件的静态和动态的均压问题解决起来比较困难，从而降低整个系统的可靠性。三电平拓扑结构由于采用了钳位二极管，顺利地解决了均压的问题，使得低电压等级的电力电子器件在中高压变流器系统的应用成为可能。由于电容钳位的三电平拓扑中钳位电容的电平控制比较复杂，当前应用中多采用二极管钳位的三电平结构。IGBT (绝缘栅双极型晶体管)是电压敏感型器件，如果换流回路中的杂散电感过大，IGBT关断时有可能造成过电压而损坏。尤其是三电平变流器的器件多、连线复杂，三电平电路中功率模块的合理布局可有效减小换流回路，从而降低回路的杂散电感。三电平变流器多工作在逆变状态，此时外管的损耗大约为内管损耗的3-4倍，因此功率器件的均匀散热设计也是系统能否稳定运行的关键所在。
发明内容
本发明的目的在于提供一种三电平变流器的模块化结构，它可以有效地减小电流回路，并且保证功率器件均匀散热，方便地进行系统维护和拓展。实现上述目的的技术方案是:—种三电平变流器的模块化结构，所述三电平变流器包括三个并联的单相三电平电路，每个单相三电平电路包括第一 IGBT至第四IGBT、第一钳位二极管及第二钳位二极管，其中，第一 IGBT的发射极分别连接第二 IGBT的集电极和第一钳位二极管的阴极；第二IGBT的发射极连接第三IGBT的集电极；第三IGBT的发射极分别连接第四IGBT的集电极和第二钳位二极管的阳极；第一钳位二极管的阳极连接第二钳位二极管的阴极；针对每个单相三电平电路:所述第一 IGBT至第四IGBT、第一钳位二极管和第二钳位二极管均固定在一个内含水道的水冷基板的表面；所述第一 IGBT至第四IGBT分别固定于所述水冷基板的四角，并以第一 IGBT和第二 IGBT为一列、第一 IGBT和第四IGBT对角的形式设置；所述第一钳位二极管和第二钳位二极管呈一列并固定于所述水冷基板的中部，并且第一钳位二极管的阴极和第二钳位二极管的阴极一一对应地对着第一 IGBT和第二 IGBT所在侧。上述的三电平变流器的模块化结构，其中，所述第一 IGBT至第四IGBT均以集电极在内侧，发射极在外侧的方式布置。
上述的三电平变流器的模块化结构，其中，所述第一 IGBT至第四IGBT各自的驱动安装在各自发射极的旁侧。上述的三电平变流器的模块化结构，其中，所述内置于水冷基板内部的水道包括竖向进水水道、顶部横向水道、底部横向水道以及三个竖向冷却水道，其中:所述竖向进水水道位于所述水冷基板的左侧，其下端口接一进水口，其上端口接通所述顶部横向水道；所述三个竖向冷却水道分别接通所述顶部横向水道和底部横向水道，并且一一对应于所述第一 IGBT和第二 IGBT所在列、第一钳位二极管和第二钳位二极管所在列以及第三IGBT和第四IGBT所在列；所述底部横向水道的右端口接一出水口。上述的三电平变流器的模块化结构，其中，所述第一 IGBT位于所述水冷基板的左上角或者右上角。上述的三电平变流器的模块化结构，其中，所述第一 IGBT位于所述水冷基板的右上角；所述第二 IGBT位于所述水冷基板的右下角；所述第三IGBT位于所述水冷基板的左下角；所述第四IGBT位于所述水冷基板的左上角；所述第一钳位二极管位于所述水冷基板的中部下方；所述第二钳位二极管位于所述水冷基板的中部上方。上述的三电平变流器的模块化结构，其中，从所述水冷基板的下方，自第二 IGBT和第三IGBT的连接线引出交流引出线；从所述水冷基板的上方，自第一 IGBT的集电极引出直流正线，自第四IGBT的发射极引出直流负线，自第一钳位二极管和第二钳位二极管的连接线引出直流中线。上述的三电平变流器的模块化结构，其中，所述第一 IGBT位于所述水冷基板的左下角；第二 IGBT位于所述水冷基板的左上角；第三IGBT位于所述水冷基板的右上角；第四IGBT位于所述水冷基板的右下角；第一钳位二极管位于所述水冷基板的中部上方；第二钳位二极管位于所述水冷基板的中部下方。上述的三电平变流器的模块化结构，其中，从所述水冷基板的上方，自第二和第三IGBT的连接线引出交流引出线；从所述水冷基板的下方，自第一 IGBT的集电极引出直流正线，自第四IGBT的发射极引出直流负线，自第一钳位二极管和第二钳位二极管的连接线引出直流中线。本发明的有益效果是:本发明通过将各功率器件在水冷基板上合理地布局，使得上下桥臂的功率器件对称分布，方便了叠层母排的设计，最大化地减小了换流回路，以减低换流回路的杂散电感，从而降低功率器件因关断过电压而造成损坏的可能性；同时，本发明中IGBT的驱动均位于外侧，方便调试和维护；交流引出线在下部引出，直流段在上部引出，可以方便地与其它相并联，便于系统的拓展；并且，水道的设计充分考虑到各IGBT发热量，冷却水由下方流入可以有效去除气泡、提高散热效果，同时冷却水首先流经发热量较大的IGBT从而保证了功率器件的均匀散热，以保证系统的稳定运行。
图1是三电平变流器的原理示意图；图2是本发明的第一具体实施例的结构图3是本发明的水道的结构图；图4是本发明的第二具体实施例的结构图。
具体实施例方式下面将结合附图对本发明作进一步说明。请参阅图1，三电平变流器由三个相同的单相三电平电路200，通过直流正线DC+、直流中线DCO和直流负线DC-并联而成，具有A、B、C三个交流输出端。直流支撑电容Cl、C2串联于DC+、DCO、DC-之间。每个单相三电平电路200包括第一 IGBT (上桥臂外管IGBT) S1、第二 IGBT (上桥臂内管IGBT) S2、第三IGBT (下桥臂内管IGBT) S3、第四IGBT (下桥臂外管IGBT) S4、第一钳位二极管(上钳位二极管)Dl以及第二钳位二极管(下钳位二极管)D2，其中:第一 IGBT SI的集电极连接直流正线DC+，第一 IGBT SI的发射极分别连接第二IGBT S2的集电极和第一钳位二极管Dl的阴极；第二 IGBT S2的发射极连接第三IGBT S3的集电极；第三IGBT S3的发射极分别连接第四IGBT S4的集电极和第二钳位二极管D2的阳极；第四IGBT S4的发射极连接直流负线DC-；第一钳位二极管Dl的阳极分别连接第二钳位二极管D2的阴极和直流中线DC0。请参阅图2、图3和图4，本发明的三电平变流器，针对每个单相三电平电路200:第一至第四IGBT S1-S4以及第一至第二钳位二极管D1-D2均固定在一个内含水道10的水冷基板I的表面；以第一和第二 IGBT S1、S2呈一列、第三和第四IGBT S3、S4呈一列、第一和第三IGBT S1、S3对角并且第二和第四IGBT S2、S4对角的形式，将第一至第四IGBT S1-S4分别固定于水冷基板I的四角；第一和第二钳位二极管Dl、D2呈一列并固定于水冷基板I的中部，并且第一和第二钳位二极管D1、D2各自的阴极靠向第一和第二 IGBT S1、S2所在侧，各自的阳极靠向第三和第四IGBT S3、S4所在侧；这样的布局使得功率器件(S1-S4和D1-D2)之间的连线简单、对称，电流回路小，减低换流回路的杂散电感，降低功率器件(S1-S4和D1-D2)因关断过电压而造成损坏的可能性。第一至第四IGBT S1-S4均以集电极在内侧，发射极在外侧的方式布置，并且第一至第四IGBT S1-S4各自的驱动Dp安装在各自发射极的旁侧，从而不被叠层母排覆盖，方便安装调试和维护。请参阅图3，为水道10的结构图；7jC道10内置于水冷基板I的内部，包括竖向进水水道101、顶部横向水道102、底部横向水道103以及三个竖向冷却水道104、105、106，其中:竖向进水水道101位于水冷基板I的内部左侧，其下端口接进水口 11，其上端口接通顶部横向水道102的左端口 ；三个竖向冷却水道104、105、106相互并联地接通顶部横向水道102和底部横向水道103，并且分别位于第一和第二 IGBT S1、S2所在列、第一和第二钳位二极管Dl、D2所在列以及第三和第四IGBT S3、S4所在列的下方；底部横向水道103的右端口接出水口 12 ；冷却水由左下端的进水口 11进入，经过竖向进水水道101流入水冷基板I的顶部，从而有效去除气泡，提高散热效果，然后流入顶部横向水道102，接着自上而下流经三个竖向冷却水道104、105、106，最后汇合于底部横向水道103，经右下端的出水口 12流出。因为第一和第四IGBT S1、S4的开关频率比第二和第三IGBTS2、S3的开关频率高，所以发热量也为第二和第三IGBT S2、S3的3-4倍，冷却水要从第一和第四IGBT S1、S4带出比第二和第三IGBT S2、S3更高的热量，第一和第二钳位二极管D1、D2由于在反向恢复过程中会有较大的损耗，其发热量与第二和第三IGBT S2、S3相当，所以将第一和第四IGBT S1、S4分别布置于水冷基板I的左上角和右上角，使得冷却水先流过第一和第四IGBT S1、S4的下方，因为其水温较低，散热效果相对更强，以此保证散热的均匀性。请参阅图2，为本发明的第一具体实施例，其中，第一 IGBT SI位于水冷基板I的右上角；第二 IGBT S2位于水冷基板I的右下角；第三IGBT S3位于水冷基板I的左下角；第四IGBT S4位于水冷基板I的左上角；第一钳位二极管Dl位于水冷基板I的中部下方；第二钳位二极管D2位于水冷基板I的中部上方；因此，左侧的竖向冷却水道104用于冷却第三和第四IGBT S3、S4 ;中间的竖向冷却水道105用于冷却第一和第二钳位二极管D1、D2 ;右侧的竖向冷却水道106用于冷却第一和第二 IGBT S1、S2，且冷却水先流经第一和第四IGBTS1、S4的下方，散热均匀；并且，第一和第二 IGBT S1、S2的安装方式均为左侧集电极，右侧发射极；第三和第四IGBT S3、S4的安装方式均为左侧发射极，右侧集电极；第一和第二钳位二极管D1、D2的安装方式均为左侧阳极，右侧阴极；第一至第四IGBT S1-S4各自的驱动Dp安装在各自发射极的旁侧，不被叠层母排覆盖；它们的连线如图2所示，最大化地减少了换流回路；同时，从水冷基板I的下方，交流引出线AC自第二和第三IGBT S2、S3的连接线引出；从水冷基板I的上方，自第一 IGBT SI的集电极引出直流正线DC+，自第四IGBT S4的发射极引出直流负线DC-，自第一和第二钳位二极管Dl、D2的连接线引出直流中线DC，从而方便与其他相的并联，利于系统的拓展。请参阅图4，为本发明的第二具体实施例，其中，第一 IGBT SI位于水冷基板I的左下角；第二 IGBT S2位于水冷基板I的左上角；第三IGBT S3位于水冷基板I的右上角；第四IGBT S4位于水冷基板I的右下角；第一钳位二极管Dl位于水冷基板I的中部上方；第二钳位二极管D2位于水冷基板I的中部下方；因此，左侧的竖向冷却水道104用于冷却第一和第二 IGBT S1、S2 ;中间的竖向冷却水道105用于冷却第一和第二钳位二极管Dl、D2 ;右侧的竖向冷却水道106用于冷却第三和第四IGBT S3、S4，并且冷却水先流经第二和第三IGBT S2、S3的下方，散热效果较图3所示实施例差一些；并且，第一和第二 IGBT S1、S2的安装方式均为左侧发射极，右侧集电极；第三和第四IGBT S3、S4的安装方式均为左侧集电极，右侧发射极；第一和第二钳位二极管Dl、D2的安装方式均为左侧阴极，右侧阳极；第一至第四IGBT S1-S4各自的驱动Dp安装在各自发射极的旁侧，不被叠层母排覆盖；它们的连线如图4所示，最大化地减少了换流回路；同时，从水冷基板I的上方，交流引出线AC自第二和第三IGBT S2、S3的连接线引出；从水冷基板I的下方，自第一 IGBT SI的集电极引出直流正线DC+，自第四IGBT S4的发射极引出直流负线DC-，自第一和第二钳位二极管D1、D2的连接线引出直流中线DC，从而方便与其他相的并联，利于系统的拓展。
权利要求
1.一种三电平变流器的模块化结构，所述三电平变流器包括三个并联的单相三电平电路，每个单相三电平电路包括第一 IGBT至第四IGBT、第一钳位二极管及第二钳位二极管，其中，第一 IGBT的发射极分别连接第二 IGBT的集电极和第一钳位二极管的阴极；第二IGBT的发射极连接第三IGBT的集电极；第三IGBT的发射极分别连接第四IGBT的集电极和第二钳位二极管的阳极；第一钳位二极管的阳极连接第二钳位二极管的阴极； 其特征在于，针对每个单相三电平电路: 所述第一 IGBT至第四IGBT、第一钳位二极管和第二钳位二极管均固定在一个内含水道的水冷基板的表面； 所述第一 IGBT至第四IGBT分别固定于所述水冷基板的四角，并以第一 IGBT和第二IGBT为一列、第一 IGBT和第四IGBT对角的形式设置； 所述第一钳位二极管和第二钳位二极管呈一列并固定于所述水冷基板的中部，并且第一钳位二极管的阴极和第二钳位二极管的阴极一一对应地对着第一 IGBT和第二 IGBT所在侧。
2.根据权利要求1所述的三电平变流器的模块化结构，其特征在于，所述第一IGBT至第四IGBT均以集电极在内侧，发射极在外侧的方式布置。
3.根据权利要求2所述的三电平变流器的模块化结构，其特征在于，所述第一IGBT至第四IGBT各自的驱动安装在各自发射极的旁侧。
4.根据权利要求1或2或3所述的三电平变流器的模块化结构，其特征在于，所述内置于水冷基板内部的水道包括竖向进水水道、顶部横向水道、底部横向水道以及三个竖向冷却水道，其中: 所述竖向进水水道位于 所述水冷基板的左侧，其下端口接一进水口，其上端口接通所述顶部横向水道； 所述三个竖向冷却水道分别接通所述顶部横向水道和底部横向水道，并且一一对应于所述第一 IGBT和第二 IGBT所在列、第一钳位二极管和第二钳位二极管所在列以及第三IGBT和第四IGBT所在列； 所述底部横向水道的右端口接一出水口。
5.根据权利要求4所述的三电平变流器的模块化结构，其特征在于，所述第一IGBT位于所述水冷基板的左上角或者右上角。
6.根据权利要求5所述的三电平变流器的模块化结构，其特征在于，所述第一IGBT位于所述水冷基板的右上角；所述第二 IGBT位于所述水冷基板的右下角；所述第三IGBT位于所述水冷基板的左下角；所述第四IGBT位于所述水冷基板的左上角；所述第一钳位二极管位于所述水冷基板的中部下方；所述第二钳位二极管位于所述水冷基板的中部上方。
7.根据权利要求6所述的三电平变流器的模块化结构，其特征在于， 从所述水冷基板的下方，自第二 IGBT和第三IGBT的连接线引出交流引出线； 从所述水冷基板的上方，自第一 IGBT的集电极引出直流正线，自第四IGBT的发射极引出直流负线，自第一钳位二极管和第二钳位二极管的连接线引出直流中线。
8.根据权利要求4所述的三电平变流器的模块化结构，其特征在于，所述第一IGBT位于所述水冷基板的左下角；第二 IGBT位于所述水冷基板的左上角；第三IGBT位于所述水冷基板的右上角；第四IGBT位于所述水冷基板的右下角；第一钳位二极管位于所述水冷基板的中部上方；第二钳位二极管位于所述水冷基板的中部下方。
9.根据权利要求8所述的三电平变流器的模块化结构，其特征在于， 从所述水冷基板的上方，自第二和第三IGBT的连接线引出交流引出线； 从所述水冷基板的下方，自第一 IGBT的集电极引出直流正线，自第四IGBT的发射极引出直流负线，自第一钳位二极管和`第二钳位二极管的连接线引出直流中线。
全文摘要
本发明公开了一种三电平变流器的模块化结构，所述三电平变流器包括三个并联的单相三电平电路，每个单相三电平电路包括固定在一个内含水道的水冷基板表面的第一至第四IGBT以及第一至第二钳位二极管；通过合理对称的布局，使得电平电路连线简洁，最大化地减小电流回路，以致换流时高频回路的杂散电感较小，从而降低IGBT关断时的电压冲击；同时，本发明也充分考虑了三电平结构中IGBT发热量的差异以及水道设计的便捷性，使得系统的散热效果更加稳定。
文档编号H05K7/20GK103107724SQ20131003290
公开日2013年5月15日 申请日期2013年1月29日 优先权日2013年1月29日
发明者张鲁华, 吴竞之, 薛兆强, 宋小亮, 尹正兵, 陈国栋, 董祖毅 申请人:上海电气集团股份有限公司