带有电力半导体开关母线系统的转换模块技术方案

本发明专利技术讲述的为带母线系统的转换模块，母线系统为多个电力半导体开关所用，优选地，供ＩＧＢＴ电力半导体模块（ＩＰＭ）所用。电力半导体开关成对排列时，彼此相对或相背而立，并相互靠近且平行，便可制成极紧凑又节省空间的转换模块。这样还有电感极小、桥臂间不易耦合的特性，也就是说换向电路以及并联电力半导体模块之间的电感极小。半导体引用了曲型的实施方案，其中，交流电通过两个或四个电力半导体开关组成的桥电路馈给单相或两相电路。（*该技术在2018年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及电力电子领域。根据权利要求1与10的前序部分，它建立在一种转换模块与转换器的基础上。先有技术本专利技术涉及到用于大容量转换器的转换模块。转换模块由若干电力半导体开关通过母线系统的方式构成。该母线系统在诸如“GTO-Hochleistungsstromrichter fur Triebfahrzeuge mitDrehstromantrieb”(GTO大容量转换器采用三相发动机来牵引车辆)的文章有过叙述，ABB技术4/1995，第4～13页。电能通过一种DC中介电路供给电力驱动机车，在输入侧，DC中介电路与一DC电网相连，或通过干线转换器与一AC电网相连，通常情况下，利用一种多相驱动转换器，可在输出侧为三相异步牵引电机提供幅值与频率都可变的电功率。母线系统组成了干线转换器-或架空DC电网-与电力半导体开关或驱动转换器各模块之间的电气节点。这样可能十分复杂，可能会限制实现该电气开关系统，而且将导致相当高的成本。在电力半导体开关的发展过程中，已将常规晶闸管或栅极关断晶闸管(GTO)改进为IGBT(绝缘栅极双极晶体管)。IGBT通常集成为一个模块。由于电流及功率较大，多数模块作并联连接。对于不同功率的转换器类型，可以找到相应的母线系统，母线系统允许多相转换器设计为标准型，可按比例缩放且电感较低。在早期的两个德国专利申请中(申请号为19600367.9及19612839.0)，该问题通过电力半导体模块在扁平状DC电极板及平行相线母线的上方组成一种二维排列而得以解决，这样没有什么优点。在扁平模块狭长的一边，沿其纵向带有插入式触头，这些模块便可插入两排母线的突缘里，该突缘起到配套连接作用，且同相线母线平行。相邻最近的模块间彼此互转180度并通过桥电路相互联接起来。由此以形成半桥或桥臂对，也就是说，这些模块联结在极性相反的DC电极板上，然后将半个周期的反极性电流馈至公共相线母线上。相反地，下一组相邻的模块也沿相同方向排列，而且并联起来，起到功率划分作用。这种结构仍然存在着缺点，譬如，对称性不够好，电感不够理想，特别是结构较为复杂。模块间的电流流径途径较长，且有不同路数，便导致了电流不对称与模块负荷的不均匀。随着功率级或每相模块数量的增加，导致部分优化用电增多，功率额定值便降低了。这种排列还在设计方面带来一些问题。各种型号需要大量不同的部件且装配较为复杂。由于正负极节点彼此靠近且相互渗透，因此需特别注意绝缘隔离的最小柔量值以及漏电距离。此外，对于各种应用及功率级，需要制定金属板的剪制尺寸，还要逐个地搭配元件。根据DE 4402425A1的专利技术，先有技术为，沿着相线母线将许多由半导体开关元件组成的桥臂对并联起来。每个桥臂元件作首尾相连排列，或彼此相对，两者可为一样类型，由纵向剖面可看出，它们保持相互接触并由螺丝拧紧。其一个显著的缺点在于，为减小电感，相线母线在末端折叠后再平行返回。专利技术概述因而，本专利技术的目的就是为转换器提供一种新型的母线系统，其特征在于，设计简便，空间节省，装配复杂性降低，而且对称性改善，电感较低且电流容量大。根据本专利技术权利要求1的特征，可以达到上述目的。具体地说，本专利技术的实质就在于优选地采用插入式电力半导体开关，这些开关成对地同DC中介电路的正负极节点及相线母线连结起来，且在排列时，其前侧或后侧彼此相对，相靠颇近。由此，负载电流与换向电流所流经的途径均为对称状，而且设计的电感较低。同时，提供各种转换模块方案，由于模块为标准化设计，所以在装配时比较简单，而且可按照需要的额定值进行简捷的搭配。第一种典型的实施方案为一种单相的转换模块，它包含两个电力半导体开关，其前侧或后侧彼此相对而构成一个桥电路。另一种典型的实施方案为一种单相的转换模块，它包括四个电力半导体开关，其中每两个开关元件为彼此相对且并联为一桥臂，两个桥臂侧面毗邻，也就是说，在相线母线的方向上有一个偏差。最后一种典型的实施方案为一种两相的转换模块，它包括四个电力半导体开关，其中每两个开关元件在水平平行的位置上形成一个桥臂对，并且两个桥臂对沿中心而成镜像布置，它们给不同的两相供电。根据本专利技术的母线系统有一个优点，即电力半导体开关元件布置高度均匀，使得各元件的负载电流变得均匀了，由此，总的电流值允许得到增加。尤其有利的是，由于电力半导体开关元件距离公共的栅极驱动电子设备较近，所以并联的电力半导体开关元件可以完全不受干扰而得到控制。另外一个优点为，采用少量的标准元件及插入式电力半导体开关元件，可以实现转换模块的简洁标准化设计。附图简述参考附图及下文详述很容易就能对本专利技术及其各种优点得到更完全的理解，其中附附图说明图1为一种电力半导体开关或电力半导体模块的透视图，它们带有伸长的插入式触头(先有技术)；附图2为本专利技术第一种转换模块的下视平面简图；附图3为附图2所示的第一种转换模块，沿着线A-A的剖面图，而且上面插有电力半导体模块；附图4为本专利技术第二种转换模块的下视平面简图；附图5为附图4所示的第二种转换模块沿着线B-B的剖面图，而且上面插有电力半导体模块；附图6为本专利技术第三种转换模块的下视平面简图。优选实施方案叙述现参考附图，其中，参考数字指示的为几个视图的同一部件或相应的部件，附图1为一种电力半导体开关或电力半导体模块1，具体的说，为一种“智能电力模块”或IPM，它们可用于转换器、电力转换器或变换器等。典型地，电力半导体开关可同电路元件一起装于模块箱2中。该开关通过一种可见的且带DC端子的长形插头3(DC输入)以及一种插头3(相输出)与线连接起来，相输出插头3由绝缘板4掩蔽住，模块的顶部与底部分别指的是前侧与后侧，或称为正面。电力半导体由栅极电子设备或一种栅极驱动器驱动，在此没有表明。装设的模块可为不同性能的电力半导体，优选地，采用IGBT。为了开断大电流及大功能，需要由母线系统联接大量的模块才能达到动力牵引的目的。在IGBT的发展过程中，其开关容易可以再度提高，因此，将来并联的模块数量可以减少。附图2公布本专利技术母线系统的第一种典型实施方案，设计时每相采用数量最少的两个电力半导体模块，并在开关特性、节省空间及设计的简易性方面进行了优化。在平面视图的左手侧，有两个母线形式的正极节点6及负极节点7，它们用来与DC中介电路相连，且位于中心位置以及纵向的两侧，此外，还有第一种突缘9与10、第二种突缘11，突缘9与10分别为正极与负极节点，而突缘11则作为相线节点8，在平面视图的右手侧，有相线节点或相输出母线8，它由右端伸至转换模块之外。第一种及第二种突缘的作用均为固定电力半导体开关并与之保持接触。突缘9、10、11优选地在右角有个突起，并且在排列时与纵向侧面平行，于是各开关彼此相对且相互靠近，即其前侧或后侧彼此相对。沿A-A的剖面(附图3)讲述了本专利技术的排列情况。正极节点6与负极节点7的横断面基本上呈“L”形，而相线母线8的横断面基本呈“W”形，该剖面图也阐述了它与两个电力半导体模块的相互关系。对于相线母线8，其中心脊可表示得多一些或更少些，甚至也可以去掉而成为一种“U”形剖面。所有带剖面的元件同支座12一起，通过绝缘器件固定于底板5上，以形成一个紧凑的部件，绝缘器件在图中没有表示出来。具体地讲，支座与绝缘器件也可直接集成在底板上。在本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种带有电力半导体开关（１）及母线系统的转换模块，它包含一个正极节点（６）、负极节点（７）以及一母线形式的相线节点（８、１４、１５），这些节点为彼此上下叠放，相互之间由绝缘器件隔开，并且安装在底板（５）上，其中ａ）正极节点（６）与负极节 点（７）为母线形式，且在一纵侧上至少有一个第一种突缘（９，１０），ｂ）每相节点（８，１４，１５）在其纵向侧至少有一个第二种突缘（１１，１７，１８），ｃ）第一种突缘及第二种突缘的作用为支撑电力半导体开关并与之保持电接触，ｄ）在正极 ／负极／相线节点相对的纵向侧，每两个电力半导体开关分别组成一对，且其前侧或后侧彼此相对。

【技术特征摘要】
...

【专利技术属性】
技术研发人员：W格罗斯曼，I赫尔布斯特，U梅耶，
申请(专利权)人：戴姆勒格蕾斯勒铁路系统有限公司，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]