專利名稱：一種用于大功率變頻器的功率模塊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種用于大功率變頻器的功率模塊，它是大功率變頻器中點箝位式三電平逆變器的一個橋臂，為中壓大功率變頻器水冷功率模塊，屬于電力推進(jìn)技術(shù)領(lǐng)域， 特別適于用作船舶大功率變頻器的水冷功率模塊。
背景技術(shù)：
隨著電力電子技術(shù)及系統(tǒng)集成技術(shù)的飛速發(fā)展，電力推進(jìn)技術(shù)，特別是船舶綜合電力推進(jìn)技術(shù)備受關(guān)注。船舶綜合電力推進(jìn)有著傳統(tǒng)推進(jìn)方式所不可比擬的優(yōu)點，在軍民用船舶中的應(yīng)用也越來越多，大功率推進(jìn)變頻器是船舶綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)的核心設(shè)備之一，而目前，在現(xiàn)有技術(shù)中，雖然中壓大功率變頻器在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用比較廣泛，技術(shù)也日趨成熟，但常規(guī)的大功率變頻器體積大，且不能滿足象船舶這類環(huán)境下的正面維修及經(jīng)濟(jì)合理使用等要求，在例似船舶環(huán)境條件下的應(yīng)用領(lǐng)域也受到很大限制。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型的一個目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的中壓大功率變頻器在體積、功率密度及可維修性等方面的局限性，提供了一種在保證可靠性和可維修性的前提下，具有結(jié)構(gòu)緊湊、功率密度大等特點的用于大功率變頻器的功率模塊。本實用新型的另一個目的是提供一種用功率模塊組成用于大功率變頻器的中點箝位式三電平逆變器。本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)一種用于大功率變頻器的功率模塊，它包括一個框架及框架正面和框架反面內(nèi)對應(yīng)各安裝的一套模塊器件；框架一端為后端，相對的一端為前端，在框架后端板上豎向安裝有電流連接插件，在框架前端板內(nèi)側(cè)安裝有高壓隔離電源模塊；所述的模塊器件包括功率組件，還有在框架上板的絕緣板上固定的與電流連接插件及功率組件連接的限流電阻； 在框架下部的支架上安裝的限流電感；該限流電感一側(cè)引線通過軟母排與電流連接插件連接，另一側(cè)引線與固定在框架上板和框架下板之間的功率組件連接；所述功率組件輸出引線與電流連接插件連接，箝位電容通過母排直接安裝連接在功率組件上；用于散熱器冷卻水進(jìn)出的分水管直接固定在框架上；框架下板或上板兩外側(cè)面上各固定一個用于安裝框架的滑軌。在上述方案的基礎(chǔ)上進(jìn)一步的技術(shù)方案是所述的用于大功率變頻器的功率模塊，其兩套功率組件中每1套連接2個箝位電容，3個電流連接插件，1個限流電感，3個限流電阻；兩套功率組件共用1套為IGCT提供電源的高壓隔離電源模塊和一套用于散熱器冷卻水進(jìn)出的分水管。所述的用于大功率變頻器的功率模塊，其電流連接插件有四套，每套由插頭和插座組成，其中上面三套為電流輸入端，最下面一套為電流輸出端。所述的用于大功率變頻器的功率模塊，其分水管有兩根，直接固定在框架的前端上方，其中一根為進(jìn)水管，另外一根為出水管；分水管的一端通過水嘴用細(xì)軟管與功率組件的水冷散熱器、限流電感、限流電阻連接，另外一端通過接頭用帶快插接頭的軟管與水冷系統(tǒng)的主水管相連。所述的用于大功率變頻器的功率模塊，其限流電感與功率組件用母排連接，限流電阻與功率組件用16 mm2高壓電纜連接，高壓隔離電源模塊輸出端與功率組件中的IGCT用 1 mm2高壓電纜連接。所述的用于大功率變頻器的功率模塊，其高壓隔離電源模塊輸入端通過電纜與外部220V的工頻交流電源連接，功率組件中的IGCT通過光纖與外部電路連接，同時狀態(tài)信號通過光纖連接方式反饋給外部電路。所述的用于大功率變頻器的功率模塊，其功率組件包括組件上底板和組件下底板，以及組件上底板與組件下底板之間安裝的構(gòu)件，包括絕緣子，水冷散熱器，IGCT，二級管；連接與鎖緊組件上底板與組件下底板的是支撐桿。一種用上述的功率模塊組裝成用于大功率變頻器的中點箝位式三電平逆變器，它是由三個用于大功率變頻器的功率模塊并聯(lián)組成。本實用新型優(yōu)點是具有功率密度大、結(jié)構(gòu)緊湊、滿足正面維護(hù)、可靠性高和可維修性好等優(yōu)點，具體而言，有以下特點1、采用了 stack壓裝技術(shù)，保證了每個功率組件結(jié)構(gòu)緊湊；各功率器件接觸面保持恒定、均勻的壓力，增強(qiáng)功率組件工作穩(wěn)定性。2、通過精密高強(qiáng)度滑軌與柜體連接，能夠快速的從柜體插入和抽出，便于安裝及檢修。另外，功率模塊采用高壓大電流連接器技術(shù)，使模塊與直流側(cè)及輸出側(cè)母排可以快速且可靠的結(jié)合及分離。3、把水冷系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)設(shè)計巧妙的結(jié)合起來，實現(xiàn)了分支水管和功率組件的一體化設(shè)計，使模塊結(jié)構(gòu)變得更加緊湊。功率器件采用雙面冷卻，增強(qiáng)了器件的散熱效果和工作穩(wěn)定性。

圖1是本實用新型功率模塊的主視示意圖圖2是圖1的右視圖，即框架正面A的示意圖；圖3是圖1的左視圖，即框架反面B的示意圖；圖4是框架正面A的功率組件3a壓裝結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是框架反面B的功率組件北壓裝結(jié)構(gòu)示意圖；圖6是中點箝位式三電平逆變器電氣原理圖。圖中各附圖標(biāo)記的構(gòu)件名稱為A—框架正面；B—框架反面；Aa、Bb—模塊器件；1—框架；1.1 一框架前端板；1.2 —框架后端板；1.3a、l.;3b—框架上板； 1. 4a、1. 4b—框架下板；1. 5—絕緣板； 2—分水管；3a、3b—功率組件；3a. 1、3b. 1—組件上底板； 3a. 2、3b. 2—絕緣子； 3a. 3、3b. 3 —水冷散熱器；3a. 4,3b. 4—IGCT; 3a. 5、3b. 5—二極管； 3a. 6、 3b. 6—組件下底板； 3a. 7、3b. 7—支撐桿； 4a、4b—箝位電容；5a、5b—限流電阻；6a、6b—限流電感；6. 1—支架；7 —電流連接插件；8a、8b—滑軌；9一高壓隔離電源模塊。
具體實施方式
結(jié)合附圖和實施例對功率模塊的工作過程說明如下如圖所示，一種用于大功率變頻器的功率模塊，它有一個框架1，其框架正面A安裝一套模塊器件Aa，框架反面B內(nèi)安裝一套模塊器件恥；框架1 一端為后端，相對的一端為前端，在框架后端板1. 2上豎向安裝有電流連接插件7，在框架前端板1. 1內(nèi)側(cè)安裝有高壓隔離電源模塊9 ；所述框架正面A的模塊器件Aa有一個功率組件3a，還有在框架上板 1. 3a的絕緣板1. 5上固定的與電流連接插件7及功率組件3a連接的限流電阻fe;在框架1下部的支架6. 1上安裝的限流電感6a;該限流電感6a —側(cè)引線通過軟母排與電流連接插件7連接，另一側(cè)引線與固定在框架上板1. 3a和框架下板1.如之間的功率組件3a連接；所述功率組件3a輸出引線與電流連接插件7連接，箝位電容如通過母排直接安裝連接在功率組件3a上；用于散熱器冷卻水進(jìn)出的分水管2直接固定在框架1上；框架下板 1. 或上板1.3a側(cè)面上固定一個用于安裝框架1的滑軌8a。與上述結(jié)構(gòu)相同的是所述框架反面B的模塊器件恥有一個功率組件北，還有在框架上板1. 3b的絕緣板1. 5上固定的與電流連接插件7及功率組件北連接的限流電阻恥；在框架1下部的支架6. 1上安裝的限流電感6b;該限流電感6b—側(cè)引線通過軟母排與電流連接插件7連接，另一側(cè)引線與固定在框架上板1. 和框架下板1.4b之間的功率組件北連接；所述功率組件北輸出引線與電流連接插件7連接，箝位電容4b通過母排直接安裝連接在功率組件北上；用于散熱器冷卻水進(jìn)出的分水管2直接固定在框架1上；框架下板1. 4b或上板1. 3b側(cè)面上固定一個用于安裝框架1的滑軌8b。兩套功率組件3a、3b，其中每1套連接2個箝位電容，3個電流連接插件，1個限流電感，3個限流電阻；兩套功率組件3a、!3b共用1套為IGCT驅(qū)動電路提供電源的高壓隔離電源模塊9和一套用于散熱器冷卻水進(jìn)出的分水管2，限流電感6a、6b均為高壓水冷電感，限流電阻如、恥均為高壓低感水冷電阻。電流連接插件7有四套，每套由插頭和插座組成，其中上面三套為電流輸入端，下面一套為電流輸出端，電流連接插件7最大載流可達(dá)1000A。分水管2有兩根，直接固定在框架1的前端上方，其中一根為進(jìn)水管，另外一根為出水管；分水管2的一端通過水嘴用細(xì)軟管與功率組件3a、3b的水冷散熱器、限流電感 6a、6b、限流電阻fejb連接，另外一端通過接頭用帶快插接頭的軟管與水冷系統(tǒng)的主水管相連。限流電感6a、6b與功率組件3a、3b用母排對應(yīng)分別連接，限流電阻fejb與功率組件3a、!3b用16 mm2高壓電纜對應(yīng)分別連接，高壓隔離電源模塊9輸出端與功率組件3a、3b 中的IGCT用1 mm2高壓電纜連接。高壓隔離電源模塊9輸入端通過電纜與外部220V的工頻交流電源連接，功率組件3a、3b中的IGCT通過光纖與外部電路連接，同時狀態(tài)信號通過光纖連接方式反饋給外部電路。功率組件3a具有組件上底板3a. 1和組件下底板3a. 6，以及組件上底板與組件下底板之間安裝的構(gòu)件，該所安裝的構(gòu)件為絕緣子3a. 2，水冷散熱器 3a. 3，IGCT3a. 4，二級管3a. 5 ；連接與鎖緊組件上底板3a. 1與組件下底板3a. 6的是支撐桿3a. 7。同樣功率組件北具有組件上底板3b. 1和組件下底板3b. 6，以及組件上底板與組件下底板之間安裝的構(gòu)件，該所安裝的構(gòu)件為絕緣子3b. 2，水冷散熱器3b. 3，IGCT3b. 4，二級管北.5;連接與鎖緊組件上底板3b. 1與組件下底板3b. 6的是支撐桿3b. 7。用上述的功率模塊組裝成用于大功率變頻器的中點箝位式三電平逆變器，它是由三個用于大功率變頻器的功率模塊并聯(lián)組成。對本實用新型結(jié)構(gòu)原理，工作方式及效果進(jìn)一步說明如下單個功率模塊裝配完成后，由三組該功率模塊以共直流母線的連接方式組成一種中點箝位式三電平逆變器。輸入的交流電經(jīng)前端整流器整流后，由柜體內(nèi)公共直流母線提供給各逆變模塊。功率模塊后端上面三個高壓電流連接插件的插頭通過軟連接母排與公共直流母線搭接，然后由對應(yīng)的電流連接插件通過母排經(jīng)限流電感后將電流引入逆變功率組件。逆變后的電流通過母排經(jīng)功率模塊后端下面一個電流連接插件輸出，經(jīng)濾波后給負(fù)載電機(jī)供電。如圖4、5所示，功率組件的組件下底板上面是器件自動調(diào)平裝置，它可以保證功率組件在壓裝過程中，絕緣子、水冷散熱器、IGCT、二極管及組件上底板始終與組件下底板平行。組件上底板下面是壓力鎖緊裝置，它可以保證功率組件壓裝完成后，功率組件內(nèi)始終保持一定的壓力。壓力鎖緊裝置和器件自動調(diào)平裝置使各功率器件接觸面保持恒定、均勻的壓力，減小了功率器件的接觸電阻和接觸熱阻，增加了功率組件工作穩(wěn)定性。本實用新型大功率變頻器的功率模塊用作船舶大功率變頻器逆變器，其直流側(cè)母線電壓可達(dá)6000V，輸出側(cè)電壓可達(dá)3300V，通過多種形式的模塊匹配組合，可以滿足多種不同功率等級船用大功率推進(jìn)變頻器的要求。圖6是中點箝位式三電平逆變器電氣原理圖，它由三個本實用新型所涉及的功率模塊組成。每個功率模塊中二極管DS1、D1和IGCT T1、T2在功率組件3a中，二極管DS2、 D2和IGCT T3、T4在功率組件北中，功率組件3a、!3b共直流中點0和交流輸出U ；CSUCS2 分別為箝位電容4a、4b，L1、L2分別為限流電感6a、6b，RS1、RS2分別為限流電阻5a、5b ；P、 0、N、U分別代表框架后端板1. 2上從上至下的四套電流連接插件。
權(quán)利要求1.一種用于大功率變頻器的功率模塊，其特征在于，它包括一個框架(1)及框架正面 (A)和框架反面(B)內(nèi)對應(yīng)各安裝的一套模塊器件(Aajb);框架(1) 一端為后端，相對的一端為前端，在框架后端板(1.2)上豎向安裝有電流連接插件(7)，在框架前端板(1. 1)內(nèi)側(cè)安裝有高壓隔離電源模塊(9)；所述的模塊器件(Aa、m3)包括功率組件(3a、!3b)，還有在框架上板(1.311. )的絕緣板(1.5)上固定的與電流連接插件(7)及功率組件(3a、3b) 連接的限流電阻(fe、5b)；在框架⑴下部的支架(6. 1)上安裝的限流電感(6a、6b)；該限流電感(6a、6b) —側(cè)引線通過軟母排與電流連接插件(7)連接，另一側(cè)引線與固定在框架上板(1.3a、l.;3b)和框架下板(1.4a、1.4b)之間的功率組件(3a、3b)連接；所述功率組件 (3a、3b)輸出引線與電流連接插件(7)連接，箝位電容Ga、4b)通過母排直接安裝連接在功率組件(3a、3b)上；用于散熱器冷卻水進(jìn)出的分水管( 直接固定在框架(1)上；框架下板(1.如、1.仙)或上板(1.3^1.北)兩外側(cè)面上各固定一個用于安裝框架(1)的滑軌 (8a>8b)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于大功率變頻器的功率模塊，其特征在于，兩套功率組件 (3^北)，其中每1套連接2個箝位電容，3個電流連接插件，1個限流電感，3個限流電阻； 兩套功率組件(3a、3b)共用1套為IGCT提供電源的高壓隔離電源模塊(9)和一套用于散熱器冷卻水進(jìn)出的分水管O)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于大功率變頻器的功率模塊，其特征在于，所述的電流連接插件(7)有四套，每套由插頭和插座組成，其中上面三套為電流輸入端，最下面一套為電流輸出端。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于大功率變頻器的功率模塊，其特征在于，所述的分水管 (2)有兩根，直接固定在框架(1)的前端上方，其中一根為進(jìn)水管，另外一根為出水管；分水管⑵的一端通過水嘴用細(xì)軟管與功率組件(3a、3b)的水冷散熱器、限流電感(6a、6b)、限流電阻(fe、5b)連接，另外一端通過接頭用帶快插接頭的軟管與水冷系統(tǒng)的主水管相連。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于大功率變頻器的功率模塊，其特征在于，限流電感(6a、 6b)與功率組件(3a、!3b)用母排連接，限流電阻(5ajb)與功率組件(3a、3b)用16 mm2高壓電纜連接，高壓隔離電源模塊(9)輸出端與功率組件(3a、!3b)中的IGCT用1 mm2高壓電纜連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于大功率變頻器的功率模塊，其特征在于，高壓隔離電源模塊(9)輸入端通過電纜與外部220V的工頻交流電源連接，功率組件(3a、!3b)中的IGCT 通過光纖與外部電路連接，同時狀態(tài)信號通過光纖連接方式反饋給外部電路。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于大功率變頻器的功率模塊，其特征在于，功率組件(3a、 3b)包括組件上底板(3a. l、3b. 1)和組件下底板(3a. 6,3b. 6)，以及組件上底板與組件下底板之間安裝的構(gòu)件，包括絕緣子(3a. 2,3b. 2)，水冷散熱器(3a. 3,3b. 3)，IGCT (3a. 4、 313.4)，二級管(3￡1.5、313.5)；連接與鎖緊組件上底板(3a. U3b. 1)與組件下底板(3a. 6、 3b. 6)的是支撐桿(3a. 7,3b. 7)0
8.一種用上述任何一個權(quán)利要求所述的功率模塊組裝成用于大功率變頻器的中點箝位式三電平逆變器，其特征在于，由三個用于大功率變頻器的功率模塊并聯(lián)組成。
專利摘要本實用新型涉及一種用于大功率變頻器的功率模塊，特別適于用作中壓大功率船舶大功率變頻器的水冷功率模塊。它包括一個框架及模塊器件;在框架后端板上豎向安裝有電流連接插件，前端板安裝有高壓隔離電源模塊;所述的模塊器件包括功率組件，還有限流電阻，限流電感;所述功率組件輸出引線與電流連接插件連接，箝位電容通過母排直接安裝連接在功率組件上;用于散熱器冷卻水進(jìn)出的分水管直接固定在框架上;框架下板或上板兩外側(cè)面上各固定一個用于安裝框架的滑軌。本實用新型具有功率密度大、結(jié)構(gòu)緊湊、滿足正面維護(hù)、可靠性高和可維修性好等優(yōu)點。
文檔編號H02M1/00GK201956887SQ20112002240
公開日2011年8月31日 申請日期2011年1月24日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月24日
發(fā)明者尹傳濤, 李國棟, 楊濤 申請人:中國船舶重工集團(tuán)公司第七一二研究所