專利名稱：基于焊接型igbt與壓接型二極管反并聯串聯結構的換流單元的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及電力電子半導體器件應用領域，具體講涉及一種基于焊接型IGBT與壓接型二極管反并聯串聯結構的換流單元。
背景技術：
絕緣柵雙極型晶體管(IGBT,Insulated Gate Bipolar Transistor)是 20 世紀80年代中期出現的一種半導體電力開關器件，它的輸入控制部分為金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET,Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor),輸出級為雙極結型晶體管，兼有MOSFET和電力晶體管的優(yōu)點:高輸入阻抗，電壓控制，驅動功率小，開關速度快，工作頻率可達10 40kHz，飽和壓降低，電壓電流容量較大，安全工作區(qū)寬，但單個IGBT的電壓、電流允許值很難再提高，為了應用于高電壓、大功率的領域，可以采用模塊化多電平和H橋級聯多電平的方法。模塊化多電平技術和H橋級聯多電平技術均為一種多電平換流器技術，每相橋臂采用多個電氣、結構和功能相同的子單元串聯而成，并且將直流側支撐電容分散集成到單個子單元中，每個子單元包含一個直流電源(一般為直流儲能電容)，單個子單元主功率開關管的不同開關組合具備類似于單刀雙擲開關的功能，不同開關組合與直流電源相互配合，從而形成了具有兩種電平輸出的“可控電壓源”，H橋級聯技術區(qū)別模塊化多電平技術在于H橋級聯技術沒有直流母線。傳統(tǒng)模塊化多電平技術和H橋級聯多電平技術的子換流單元受到IGBT器件額定電壓的限制，難以進一步提高電壓，需要通過引入IGBT串聯以提高子模塊的電壓與容量，同時各個換流單元間會產生電壓不平衡的情況，而高電壓、大功率的應用領域決定了一旦出現嚴重的電壓不平衡，IGBT將不可避免的出現失效甚至爆炸，而IGBT出現斷路實現或者發(fā)生爆炸后，又會損壞這些大功率電力電子裝置，造成嚴重的損失。目前半導體器件的封裝形式主要有焊接型和平板壓接型兩種，焊接型具有體積小，安裝方便，結構簡單等優(yōu)點，但器件只能單面散熱，要求地板既要絕緣又要導熱性能好，其失效形式為斷路形式，平板壓接型結構是將器件和雙面散熱器緊固在一起，散熱器既作散熱又作電極之用，散熱性能好，器件工作安全可靠，失效模式為短路形式。

發(fā)明內容
針對現有技術存在的上述缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種基于焊接型IGBT與壓接型二極管反并聯結構的換流單元，焊接型IGBT出現斷路故障時，故障的IGBT為短路失效形式，不影響整個IGBT串聯結構的工作，此外，反并聯二極管耐壓值稍低于IGBT耐壓值，當焊接型IGBT出現電壓超出正常工作電壓的異常工況時，壓接型二極管會過壓擊穿，形成短路失效，保護該IGBT不至于損壞，采用本結構可以省去傳統(tǒng)換流單元必需的保護用晶閘管。本發(fā)明提供的一種換流單元包括=IGBT模塊和電容，所述IGBT模塊包括基于焊接型IGBT與壓接型二極管反并聯串聯結構模塊；所述基于焊接型IGBT與壓接型二極管反并聯串聯結構模塊包括串聯的焊接型IGBT串聯及其相應的壓接型二極管，一個IGBT的發(fā)射極與下一個IGBT的集電極通過低感導線相連接，壓接型二極管反并聯于其相應的焊接型IGBT的集電極和發(fā)射極之間；所述IGBT模塊與所述電容并聯。本發(fā)明提供的第一優(yōu)選技術方案中:所述IGBT模塊包括半橋結構，所述半橋結構包括一個橋臂，橋臂包括上下兩個所述基于焊接型IGBT與壓接型二極管反并聯串聯結構模塊。本發(fā)明提供的第二優(yōu)選技術方案中:所述IGBT模塊包括H橋結構，所述H橋結構包括對稱的兩個橋臂，每個橋臂包括上下兩個所述基于焊接型IGBT與壓接型二極管反并聯串聯結構模塊。本發(fā)明提供的第三優(yōu)選技術方案中:所述壓接型二極管通過平板壓接的封裝形式封裝進散熱器里，所述焊接型IGBT的集電極與發(fā)射極固定在所述散熱器兩端。本發(fā)明提供的第四優(yōu)選技術方案中:所述壓接型二極管通過20KN-80KN強力壓接與散熱器壓合。本發(fā)明提供的第五優(yōu)選技術方案中:所述壓接型二極管為壓接型碳化硅二極管。本發(fā)明提供的第六優(yōu)選技術方案中:所述壓接型二極管的耐壓值低于IGBT耐壓值。本發(fā)明提供的第七優(yōu)選技術方案中:提供一種模塊化多電平結構電壓源換流器，一端連接高壓直流輸電的直流網絡側(I)，另一端連接三相交流網絡側(2)，所述模塊化多電平結構電壓源換流器包括三相支路，每相支路包括串聯的半橋結構IGBT模塊的換流單
J Li ο本發(fā)明提供的第八優(yōu)選技術方案中:提供一種H橋級聯多電平結構電壓源換流器，一端連接三相中性點，另一端連接三相交流網絡側，所述模塊化多電平結構電壓源換流器包括三相支路，每相支路包括串聯的H橋結構IGBT模塊與電容并聯的換流單元。


圖1是:本發(fā)明提供的一種基于焊接型IGBT與壓接型二極管反并聯串聯結構模塊的結構框圖；圖2是:本發(fā)明實施例提供的一種模塊化多電平換流單元結構框圖；圖3是:本發(fā)明實施例提供的一種H橋級聯型多電平換流單元結構框圖；圖4是:本發(fā)明實施例提供的一種模塊化多電平電壓源換流器結構框圖；圖5是:本發(fā)明實施例提供的一種H橋級聯型電壓源換流器結構框圖。圖中:1、直流網絡側2、三相交流網絡側。
具體實施例方式本發(fā)明提供的一種基于焊接型IGBT與壓接型二極管反并聯串聯結構模塊的結構框圖如圖1所示，由圖1可以看出，該串聯結構模塊包括散熱器、壓接型二極管和焊接型IGBT，多個焊接型IGBT串聯，壓接型二極管壓接于兩個相鄰焊接型IGBT之間，并且焊接型IGBT之間的串聯是一個IGBT的發(fā)射極與下一個IGBT的集電極通過低感導線相連接，壓接型二極管通過平板壓接的散熱器形式連接到IGBT，平板壓接式結構主要是將器件和雙面散熱器緊固在一起，散熱器既作散熱又作電極之用，壓接型二極管通過平板壓接的方式反并聯于其相應的焊接型IGBT的集電極C和發(fā)射極E之間，起到續(xù)流以及保護作用。為了達到較好的保護效果，壓接型二極管的額定耐壓可以稍低于焊接型IGBT額定耐壓值。進一步的，該壓接型二極管為壓接型SiC(碳化硅)二極管。本發(fā)明提供的一種換流單元包括并聯的IGBT模塊和電容，IGBT模塊包括上述基于焊接型IGBT與壓接型二極管反并聯串聯結構模塊。實施例一:本發(fā)明提供的實施例一為一種模塊化多電平換流單元，具體結構示意圖如圖2所示，由圖2可以看出，本實施例提供的一種模塊化多電平換流單元包括并聯的IGBT模塊與電容，本實施例提供的IGBT模塊結構為半橋型,包括一個橋臂,該橋臂包括上下兩個基于焊接型IGBT與壓接型二極管反并聯串聯結構模塊。本實施例提供的一種模塊化多電平換流單元由兩組相互獨立的基于焊接型IGBT與壓接型二極管反并聯串聯結構模塊和一個電容組成，換流單元中的一只IGBT損壞后，此換流單元的電容電壓將不斷升高，進而導致IGBT反并聯的平板壓接式二極管擊穿，并進入短路失效模式，使得該換流單元中故障IGBT級短路，該換流單元繼續(xù)正常工作。若換流單元中一只IGBT出現工作電壓超出正常工作電壓的異常工況時，由于反并聯二極管耐壓值稍低于IGBT耐壓值，壓接型二極管會過壓擊穿，形成短路失效，保護該IGBT不至于損壞，該換流單元繼續(xù)工作。實施例二:本發(fā)明提供的實施例二為一種H橋級聯型多電平換流單元，具體結構如圖3所示，由圖3可以看出，本實施例提供的一種H橋級聯型多電平換流單元包括并聯的IGBT模塊和電容，本實施例提供的IGBT模塊結構為H橋型，包括兩個橋臂，每個橋臂包括上下兩個基于焊接型IGBT與壓接型二極管反并聯串聯結構模塊。本實施例提供的一種H橋級聯型多電平換流單元由四組相互獨立的IGBT、二極管和一個電容組成，換流單元中的一只IGBT損壞后，該換流單元的電容電壓將不斷升高，進而導致該故障IGBT反并聯的平板壓接式二極管擊穿，并進入短路失效模式，使得該換流單元繼續(xù)正常工作。若換流單元中一只IGBT出現工作電壓超出正常工作電壓的異常工況時，由于反并聯二極管耐壓值稍低于IGBT耐壓值，壓接型二極管會過壓擊穿，形成短路失效，保護該IGBT不至于損壞，該換流單元繼續(xù)工作。實施例三:本發(fā)明提供的實施例三為一種模塊化多電平電壓源換流器(Modular MultilevelConverter, MMC)，具體結構如圖4所示，由圖4可知,本實施例提供的一種MMC —端連接高壓直流輸電的直流網絡側1，另一端連接三相交流網絡側2，該MMC包括三相支路，每相支路均有多個子模塊換流單元3串聯而成，每個子模塊換流單元3是相同的，均由開關器件和電容形成，通常開關器件為IGBT，并且，IGBT并有反并聯二極管作為續(xù)流用二極管，開關器件開通或關斷，起到投入和切除電容電壓的作用，通過控制多個子模塊換流單元的投入和切除數目與次序，在三相交流網絡側2得到一個指定的交流輸出波形。本實施例提供的換流單元為本發(fā)明提供的實施例一中的一種模塊化多電平換流單元，三相支路中有一個換流單元中的一只IGBT損壞后，該換流單元的電容電壓將不斷升高，進而導致該故障IGBT反并聯的平板壓接式二極管擊穿，并進入短路失效模式，使得該換流單元繼續(xù)正常工作，不會造成整個換流器的損壞。若換流單元中一只IGBT出現工作電壓超出正常工作電壓的異常工況時，由于反并聯二極管耐壓值稍低于IGBT耐壓值，壓接型二極管會過壓擊穿，形成短路失效，保護該IGBT不至于損壞，該換流單元繼續(xù)工作。實施例四:本發(fā)明提供的實施例四為一種H橋級聯型電壓源換流器，具體結構如圖5所示，由圖5可知，本實施例提供的一種H橋級聯型電壓源換流器，一端連接三相中性點N，另一端連接三相交流網絡A、B、C，H橋級聯型電壓源換流器包括三相支路，每相支路均有多個子模塊換流單元串聯而成，每個子模塊換流單元是相同的，均由開關器件和電容形成，通常開關器件為IGBT，并且，IGBT并有反并聯二極管作為續(xù)流用二極管，開關器件開通或關斷，起到投入和切除電容電壓的作用，通過控制多個子模塊換流單元的投入和切除數目與次序，在三相交流網絡側得到一個指定的交流輸出波形。本實施例提供的換流單元為本發(fā)明提供的實施例二中的一種H橋級聯型多電平換流單元，三相支路中有一個換流單元中的一只IGBT損壞后，該換流單元的電容電壓將不斷升高，進而導致該故障IGBT反并聯的平板壓接式二極管擊穿，并進入短路失效模式，使得該換流單元繼續(xù)正常工作，不會造成整個換流器的損壞。若換流單元中一只IGBT出現工作電壓超出正常工作電壓的異常工況時，由于反并聯二極管耐壓值稍低于IGBT耐壓值，壓接型二極管會過壓擊穿，形成短路失效，保護該IGBT不至于損壞，該換流單元繼續(xù)工作。以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術方案而非對其限制，盡管參照上述實施例對本發(fā)明進行了詳細的說明，所述領域的普通技術人員應當理解:依然可以對本發(fā)明的具體實施方式
進行修改或者同等替換，而未脫離本發(fā)明精神和范圍的任何修改或者等同替換，其均應涵蓋在本發(fā)明的權利要求范圍當中。
權利要求
1.一種換流單元，包括=IGBT模塊和電容，其特征在于:所述IGBT模塊包括基于焊接型IGBT與壓接型二極管反并聯串聯結構模塊； 所述基于焊接型IGBT與壓接型二極管反并聯串聯結構模塊包括串聯的焊接型IGBT串聯及其相應的壓接型二極管，一個IGBT的發(fā)射極與下一個IGBT的集電極通過低感導線相連接，壓接型二極管反并聯于其相應的焊接型IGBT的集電極和發(fā)射極之間； 所述IGBT模塊與所述電容并聯。
2.根據權利要求1所述的一種換流單元，其特征在于:所述IGBT模塊包括半橋結構，所述半橋結構包括一個橋臂，橋臂包括上下兩個所述基于焊接型IGBT與壓接型二極管反并聯串聯結構模塊。
3.根據權利要求1所述的一種換流單元，其特征在于:所述IGBT模塊包括H橋結構，所述H橋結構包括對稱的兩個橋臂，每個橋臂包括上下兩個所述基于焊接型IGBT與壓接型二極管反并聯串聯結構模塊。
4.根據權利要求1所述的換流單元，其特征在于:所述壓接型二極管通過平板壓接的封裝形式封裝進散熱器里，所述焊接型IGBT的集電極與發(fā)射極固定在所述散熱器兩端。
5.根據權利要求4所述的換流單元，其特征在于:所述壓接型二極管通過20KN-80KN的強力壓接與散熱器壓合。
6.根據權利要求1所述的換流單元，其特征在于:所述壓接型二極管為壓接型碳化硅二極管。
7.根據權利要求1所述的換流單元，其特征在于:所述壓接型二極管的耐壓值低于IGBT耐壓值。
8.一種模塊化多電平結構電壓源換流器，一端連接高壓直流輸電的直流網絡側(1)，另一端連接三相交流網絡側(2)，其特征在于:所述模塊化多電平結構電壓源換流器包括三相支路，每相支路包括串聯的如權利要求2所述的換流單元。
9.一種H橋級聯多電平結構電壓源換流器，一端連接三相中性點，另一端連接三相交流網絡側，其特征在于:所述模塊化多電平結構電壓源換流器包括三相支路，每相支路包括串聯的如權利要求3所述的換流單元。
全文摘要
本發(fā)明提供一種換流單元，包括IGBT模塊和電容，所述IGBT模塊包括基于焊接型IGBT與壓接型二極管反并聯串聯結構模塊；所述基于焊接型IGBT與壓接型二極管反并聯串聯結構模塊包括串聯的焊接型IGBT串聯及其相應的壓接型二極管，一個IGBT的發(fā)射極與下一個IGBT的集電極通過低感導線相連接，壓接型二極管反并聯于其相應的焊接型IGBT的集電極和發(fā)射極之間；所述IGBT模塊與所述電容并聯。本發(fā)明提供的一種換流單元，包括基于焊接型IGBT與壓接型二極管反并聯串聯結構模塊，在包含多個串聯的換流單元的換流器中，故障的換流單元可以轉化為短路失效模式，保證整個IGBT閥的安全工作。
文檔編號H01L25/03GK103151938SQ20121000183
公開日2013年6月12日 申請日期2012年1月5日 優(yōu)先權日2012年1月5日
發(fā)明者溫家良, 吳銳, 韓健, 陳中圓, 蔚泉清, 賈娜 申請人:中國電力科學研究院