一种含吸收及驱动系统的压接式IGBT三电平功率单元技术方案

本实用新型专利技术涉及一种含吸收及驱动系统的压接式IGBT三电平功率单元，包括含四个压接式IGBT器件和两个压接式钳位二极管，电路结构为NPC1型三电平拓扑；在每个IGBT器件下方均安装有专用水冷板，且水冷板上均集成有相应的IGBT吸收和驱动系统，水冷板在IGBT工作时对整个功率单元进行散热；吸收和驱动系统除具有IGBT门极触发功能外，也具有过压、过流、短路、过热等多重保护功能；本功率单元上压板的下方安装有中心顶压装置，可以使压力均匀分布到每个IGBT器件的压接面上；在功率单元的下压板的上方安装有碟型弹簧，它可以对压接后的压力进行长期保持。该实用新型专利技术可用作为柔性直流输电换流阀，风力发电、太阳能发电变流器，中高压变频器等工业领域的可控整流及逆变单元核心部件使用。

【技术实现步骤摘要】

该技术可用做工业领域的可控整流及逆变单元核心部件使用，具体涉及一种含吸收及驱动系统的压接式IGBT三电平功率单元。
技术介绍
在柔性直流输电换流阀，风力发电、太阳能发电变流器，中高压变频器等工业领域中，IGBT可控整流及逆变单元在其中起着重要的作用。随着人类社会生产力的发展，可再生能源越来越受到各个国家的重视，清洁能源已经成为了全世界未来发展的方向。因此为了使电力能源以更加高效的方式生产、输送及使用，也成了电力电子从业者的主要工作。在现阶段在太阳能和风能发电为主的变流器，柔性直流输电系统中的换流阀，到用户端的变频器，其核心的变流装置以两电平IGBT功率模块为主。为了提高电力转换效率，在1980年的IEEE工业应用年会上，日本长冈科技大学的南波江章(A.Nabae)等人提出了二极管中点钳位(neutral-point-clamped，NPC)型三电平电路结构。与传统IGBT两电平结构相比，二极管中点钳位型三电平结构具有如下优点：1)在相同的母线电压情况下，开关器件的耐压等级可以减小一半；2)在相同开关频率下，输出的电压和电流波形的谐波含量可以降低50％；3) 在IGBT器件导通和关断过程中，每只IGBT器件只承担一半的直流侧电压，因此器件的开关损坏比较低。现阶段虽然IGBT两电平功率模块仍然为主流产品，IGBT三电平功率模块也已经有了广泛的应用。但随着电力电子技术的发展，模块式IGBT器件已经不能满足现有市场的需求，特别是在器件散热方面，由于模块式IGBT功率单元为单面散热，极大的限制了IGBT器件芯片单位面积的功率密度，最终造成模块式IGBT功率单元结构体积巨大，必须耗费高昂的成本来满足散热系统的要求。因此作为可控整流及逆变单元核心的IGBT器件，必须向更高的电压和电流等级以及更好的散热性能发展。压接式IGBT器件采用双面散热的结构，可以大大提高IGBT器件芯片单位面积下的功率密度。与传统的模块式IGBT器件相比，在相同电压和电流等级下，可大大减小IGBT器件以及散热系统的体积。但是对于压接式IGBT器件而言，由于其功率密度大，对器件散热要求非常高，必须采用水冷散热，且必须通过一定的压力使IGBT器件压装在水冷板上才能正常工作；另外由于压接式IGBT的器件特性，决定了压接式IGBT器件的压接平整度，及压接后的压力保持是一个技术难点。
技术实现思路
本技术的目的在于提供一种含吸收及驱动系统的压接式IGBT三电平功率单元，以克服现有IGBT两电平功率单元的技术缺陷，以及克服现有模块式IGBT存在的单位功率下体积偏大，散热性能不好的缺点。为达到上述目的，本技术采用如下技术方案：一种含吸收及驱动系统的压接式IGBT三电平功率单元，包括NPC1型三电平拓扑电路结构，其特征在于：所述NPC1型三电平拓扑电路结构包括四支压接式IGBT器件和两支压接式钳位二极管，四支压接式IGBT器件包括：第一IGBT、第二IGBT、第三IGBT和第四IGBT，两支压接式钳位二极管包括第一二极管和第二二极管；第一IGBT上方安装有第一水冷板，下方安装有第二水冷板；第二IGBT上方安装有第二水冷板，下方安装有第三水冷板；第一二极管上方安装有第四水冷板，下方安装有第五水冷板；第二二极管上方安装有第五水冷板，下方安装有第六水冷板；第三IGBT上方安装有第七水冷板，下方安装有第八水冷板；第四IGBT上方安装有第八水冷板，下方安装有第九水冷板；第一水冷板上方依次安装有上压板、中心顶压装置、上压块和上绝缘块；第三水冷板和第四水冷板之间安装有上过渡绝缘块、上过渡压块；第六水冷板和第七水冷板之间安装有下过渡绝缘块、下过渡压块；第九水冷板下方依次安装有下绝缘块、下压块、碟型弹簧导柱、碟型弹簧和下压板；第一导电排跨接在第二IGBT的发射极和第三IGBT的集电极上；第二导电排跨接在第一二极管的阴极和第一IGBT的发射极和第二IGBT的集电极之间；第三导电排跨接在第二二极管的阳极和第三IGBT的发射极和第四IGBT的集电极之间；锁紧组件连接上压板和下压板，通过碟型弹簧将压力保持在压接式IGBT器件需要的范围之内；绝缘套管套在锁紧组件的4根螺栓上，用来进行电气绝缘隔离。进一步地，所述第二水冷板、第三水冷板、第八水冷板、第九水 冷板是集成有IGBT吸收电路及IGBT驱动系统的水冷板。更进一步地，所述IGBT吸收电路是由无感吸收电容、吸收二极管、水冷吸收电阻组成的RCD型吸收电路，且采用无感母线进行连接；进一步地，所述IGBT驱动系统是由IGBT驱动盒和IGBT驱动电路组成，IGBT驱动电路放置在IGBT驱动盒里面。进一步地，所述第一水冷板、第二水冷板、第三水冷板、第四水冷板、第五水冷板、第六水冷板、第七水冷板、第八水冷板、第九水冷板既作为水冷散热器使用，也作为导电母排使用。进一步地，所述中心顶压装置由螺杆和螺帽组成。进一步地，所述压接式IGBT器件最大VCES电压范围为：4500V-6500V，最大ICP电流范围为：1500A～3000A。进一步地，所述压接式IGBT器件的压接面是直径五英吋的圆面。进一步地，所述锁紧组件主要由4根套有绝缘套管的螺栓及防松螺母组成。有益效果：本技术通过上压板和下压板将压力存储在碟型弹簧中，碟型弹簧受压变形后存储的能量将持续的对组件产生反作用力，可以保证压接式IGBT器件的压接力的要求，保证了压接式IGBT器件具有良好的压接平整度。本技术在第二水冷板(22)、第三水冷板(23)、第八水冷板(28)、第九水冷板(29)上增加了IGBT吸收电路及IGBT驱动电路，解决了压接式IGBT的吸收无法安装及驱动电路不易安装的问题。附图说明图1为本技术的电路拓扑图；图2为本技术的电气结构图；图3为本技术的主视图；图4为本技术的正视图；图5为本技术的侧视图；图6为本技术的剖面图。如图1～图6所述，本技术的具体附图标记如下：1、无感吸收电容；2、吸收二极管；3、水冷吸收电阻；4、IGBT驱动系统；5、上压板；6、锁紧组件；7、绝缘套管；8、第一IGBT；9、第二IGBT；10、第一二极管；11、第二二极管；12、第三IGBT；13、第四IGBT；14、下压板；15、第一导电排；16、第三导电排；17、第二导电排；18、中心顶压装置；19、上压块；20、上绝缘块；21、第一水冷板；22、第二水冷板；23、第三水冷板；24、第四水冷板；25、第五水冷板；26、第六水冷板；27、第七水冷板；28、第八水冷板；29、第九水冷板；30、碟型弹簧导柱；31、碟型弹簧；32、下绝缘块；33、下压块；34、下过渡绝缘块；35、下过渡压块；36、上过渡绝缘块；37、上过渡压块。具体实施方式下面结合图1～图6，对本技术作进一步详细描述：一种含吸收及驱动系统的压接式IGBT三电平功率单元，包括NPC1型三电平拓扑电路结构，其特征在于：所述NPC1型三电平拓扑电路结构包括四支压接式IGBT器件和两支压接式钳位二极管，四支压接式 IGBT器件包括：第一IGBT8、第二IGBT9、第三IGBT12和第四IGBT13，两支压接式钳位二极管包括第一二极管10和第二二极管11；第一IGBT8上方安装有第一水冷板21本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种含吸收及驱动系统的压接式IGBT三电平功率单元，包括NPC1型三电平拓扑电路结构，其特征在于：所述NPC1型三电平拓扑电路结构包括四支压接式IGBT器件和两支压接式钳位二极管，四支压接式IGBT器件包括：第一IGBT(8)、第二IGBT(9)、第三IGBT(12)和第四IGBT(13)，两支压接式钳位二极管包括第一二极管(10)和第二二极管(11)；第一IGBT(8)上方安装有第一水冷板(21)，下方安装有第二水冷板(22)；第二IGBT(9)上方安装有第二水冷板(22)，下方安装有第三水冷板(23)；第一二极管(10)上方安装有第四水冷板(24)，下方安装有第五水冷板(25)；第二二极管(11)上方安装有第五水冷板(25)，下方安装有第六水冷板(26)；第三IGBT(12)上方安装有第七水冷板(27)，下方安装有第八水冷板(28)；第四IGBT(13)上方安装有第八水冷板(28)，下方安装有第九水冷板(29)；第一水冷板(21)上方依次安装有上压板(5)、中心顶压装置(18)、上压块(19)和上绝缘块(20)；第三水冷板(23)和第四水冷板(24)之间安装有上过渡绝缘块(36)、上过渡压块(37)；第六水冷板(26)和第七水冷板(27)之间安装有下过渡绝缘块(34)、下过渡压块(35)；第九水冷板(29)下方依次安装有下绝缘块(32)、下压块(33)、碟型弹簧导柱(30)、碟型弹簧(31)和下压板(14)；第一导电排(15)跨接在第二IGBT(9)的发射极和第三IGBT(12)的集电极上；第二导电排(17)跨接在第一二极管(10)的阴极和第一IGBT(8)的发射极和第二IGBT(9)的集电极之间；第三导电排(16)跨接在第二二极管(11)的阳极和第三IGBT(12)的发射极和第四 IGBT(13)的集电极之间；锁紧组件(6)连接上压板(5)和下压板(14)，通过碟型弹簧(31)将压力保持在IGBT器件需要的范围之内；绝缘套管(7)套在锁紧组件(6)的4根螺栓上，用来进行电气绝缘隔离。...

【技术特征摘要】
1.一种含吸收及驱动系统的压接式IGBT三电平功率单元，包括NPC1型三电平拓扑电路结构，其特征在于：所述NPC1型三电平拓扑电路结构包括四支压接式IGBT器件和两支压接式钳位二极管，四支压接式IGBT器件包括：第一IGBT(8)、第二IGBT(9)、第三IGBT(12)和第四IGBT(13)，两支压接式钳位二极管包括第一二极管(10)和第二二极管(11)；第一IGBT(8)上方安装有第一水冷板(21)，下方安装有第二水冷板(22)；第二IGBT(9)上方安装有第二水冷板(22)，下方安装有第三水冷板(23)；第一二极管(10)上方安装有第四水冷板(24)，下方安装有第五水冷板(25)；第二二极管(11)上方安装有第五水冷板(25)，下方安装有第六水冷板(26)；第三IGBT(12)上方安装有第七水冷板(27)，下方安装有第八水冷板(28)；第四IGBT(13)上方安装有第八水冷板(28)，下方安装有第九水冷板(29)；第一水冷板(21)上方依次安装有上压板(5)、中心顶压装置(18)、上压块(19)和上绝缘块(20)；第三水冷板(23)和第四水冷板(24)之间安装有上过渡绝缘块(36)、上过渡压块(37)；第六水冷板(26)和第七水冷板(27)之间安装有下过渡绝缘块(34)、下过渡压块(35)；第九水冷板(29)下方依次安装有下绝缘块(32)、下压块(33)、碟型弹簧导柱(30)、碟型弹簧(31)和下压板(14)；第一导电排(15)跨接在第二IGBT(9)的发射极和第三IGBT(12)的集电极上；第二导电排(17)跨接在第一二极管(10)的阴极和第一IGBT(8)的发射极和第二IGBT(9)的集电极之间；第三导电排(16)跨接在第二二极管(11)的阳极和第三IGBT(12)的发射极和第四 IGBT(13)的集电极之间；锁紧组件(6)连接上压板(5)和下压板(14)，通过碟型弹簧(31)将压力保持在IGBT器件需要的范围之...

【专利技术属性】
技术研发人员：陆继鸣，吴企尧，李卓智，张朝山，
申请(专利权)人：西安开天电力电子技术有限公司，
类型：新型
国别省市：陕西;61