集成化大功率斩波器及高频开关电源制造技术

一种集成化大功率斩波器，包括多个相互并联的大功率斩波器，大功率斩波器由多个大功率ＩＧＢＴ模块、滤波电容和冷却装置构成易于拆装的整体箱型部件结构，大功率ＩＧＢＴ模块的栅极连接ＰＷＭ控制电路板；大功率ＩＧＢＴ模块、冷却装置及滤波电容集中固设在第一箱体内；ＰＷＭ控制电路板设置在第二箱体内；第一箱体开设有多个开孔，使ＩＧＢＴ模块集电极的电极导体，和滤波电容的电极导体能够由第一箱体露出，冷却装置的管路接口经由所述开孔由第一箱体露出。一种高频开关电源；包括不控整流器，连接不控整流器的滤波电路；集成化大功率斩波器为多个，且相互并联和／或串联连接；集成化大功率斩波器的冷却装置与冷却介质输送管路连接。（*该技术在2019年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及一种大功率斩波器及高频开关电源，特别是能够抑制开关毛刺及电磁干扰的集成化大功率斩波器，以及应用该大功率斩波器的高频开关电源。
技术介绍
大功率直流斩波稳压电源，通常是指：输出功率为数十千瓦——数兆瓦，甚至更高功率的高频开关电源。这种大功率直流稳压电源可广泛应用于感应加热、冶金、采矿等领域，可以满足大功率直流电机调速以及大功率通信和科研领域对大功率电源的应用需求，例如：兆瓦级长波发射等工业场合。尤其在中高频感应加热方面，大功率直流稳压电源的应用十分普遍。例如：在中高频钢管焊接的场合，大功率直流稳压电源通常被用于向逆变装置提供大功率的直流电能和加热调功用途，由逆变装置做逆变后，输出给焊接或热处理设备。以往，大功率直流稳压电源输出的高频开关电能，主要是由大功率可控硅构成的整流桥对三相工频交流供电电源进行整流调压获得。由于可控硅属移相调压器件，使用大功率可控硅整流必然会导致功率因数下降。为了提高功率因数，降低电网谐波污染，提高供电电源的有功效率，用电单位通常需要在变电站增加设置无功补偿设备，但这样会增加额外的资金投入。近年来，随着整个社会对节约电能，减少电网污染等要求不断提高，业界越来越多地采用脉宽调制(Pulse Width Modulation，简称：PWM)技术，采用大功率绝缘栅双极晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，简称：IGBT制造大功率直流稳压电源；其中，IGBT被用于大功率直流稳压电源的降压斩波电路(Buck chopper)，是其中的核心执行元件。这种采用IGBT构成的直流稳压电源实质上是一种开关电源，其输出的电压波形是方波。采用IGBT制造的直流稳压电源相比于使用可控硅制造的直流电源，采用的是非相控整流供电方式，其对于电源功率因数的影响非常低，对电网的波形畸变影响小，稳压性能更好。因此，采用IGBT制造开关电源是大功率直流稳压电源的发展趋势。参见图1，其为一典型的、采用大功率IGBT构成的开关电源的原理图。其中，IGBT模块2和电容器1连接成降压型单模块大功率斩波器9。该单模块大功率斩波器9的输入电能由外接的直流电压源8提供。在具体的工业场合中，该外接的直流电压源8通常是三相工频交流电经大功率不控整流桥整流后获得。该不控整流桥通常采用大功率整流二极管构成。PWM控制电路板(图中未示)输出的PWM控制信号经一栅极电阻Rg连接到IGBT模块2的控制端，以控制IGBT模块2执行开关动作。IGBT模块2由IGBT、续流二极管D和阻断二极管Dr连接构成。其中，续流二极管D和IGBT串接于主回路上；续流二极管D在IGBT断开时，承担输出电流的续流任务；阻断二极管Dr与IGBT反向并联。图1所示的电路在正常工作时，输出端6、7之间输出的直流电压比输入端4、5之间输入的直流电压较低，因此IGBT的阻断二极管Dr承受反向电压而阻断。既使是大功率的IGBT，由于器件工艺以及散热等原因，其输出功率也是有限的，通常单个IGBT的通过电流只有数百安培。而在一些工业应用场合中，单一的IGBT模块不能-->满足高功率输出要求。因此，业界常常采用多个单模块大功率斩波器9进行并联，构成如图2所示的大功率斩波器10，以提供更大的输出功率。参见图2，该大功率斩波器10主要是由图1所示单模块大功率斩波器9相互并联构成。其中，主要是采用铜极板、将多个单模块大功率斩波器9的输入端4、5分别相互并接，同时将该些单模块大功率斩波器9的输出端6、7分别相互并接；由此构成大功率斩波器10。由图1、图2可以看出：上述单模块大功率斩波器9或者大功率斩波器10在大功率开关电源中承担着全部的功率负荷，在一些具有电压高，电流大，而且梯度陡(变化突然)特点的工业应用场合，例如：中高频焊接、大功率直流电机调速等方面，保证IGBT在高电压(数百伏以上)，大电流(数百安以上)的条件下能够可靠运行是非常困难的。在大功率变流技术应用中，IGBT等晶体管承受过电压过电流的能力有限，其过电流幅值通常为额定值的2倍，而承受过流的时间也较短，通常仅为1毫秒左右；而在承受过电压方面，IGBT不能承受高于标称电压的冲击。为了防止IGBT器件的过压损坏，应当尽量降低主电路连线的布线电感参数。但是，由于单个IGBT能够提供的电流容量有限(仅数百安培)，要提供更大额定电流的负载能力，实际上必须要将多个单个IGBT并联使用。由于半导体器件的参数离散性，IGBT器件并联时会产生不均压和不均流，并且会由于主回路布线不合理产生过大的开关尖峰电压威胁IGBT安全。参见图3，其为采用示波器记录到的、输出额定电压为240V的普通斩波电路在60％左右额定电压(约150V)、电流负荷情况下，IGBT器件关断时出现的尖峰冲击电压(对于该冲击电压，业界也俗称其为：毛刺)的波形照片。图3中的横坐标表示时间，纵坐标表示电压幅值；其中，在纵坐标方向上，每一小格表示50V的电压幅值。从图3可以看出：仅在约60％负荷的情况下，关断毛刺的幅值较大，为230V左右；随着负载电流增加，毛刺会继续增大，甚至超出IGBT能够承受的电压。显然，这会威胁到IGBT器件的运行安全。为了解决上述毛刺幅值过大的问题，业界一般的做法是在负载主回路中采用快速吸收缓冲电路进行保护。但是，在一些负载经常频繁大幅度变化的应用场合，例如：高频焊接、直流电机调速等，这种手段的作用及其有限。基于上述的种种客观原因，现有的采用IGBT制造的大功率斩波器常常会在负载较低的时候尚能工作，一旦负载增加到接近额定负载时，就会出现IGBT器件因毛刺过大，而造成永久性损坏。因此，使用IGBT制造出可靠性高的大功率斩波器，在客观上难以实现。这也是到目前为止，业界还没有大规模制造和使用由IGBT器件构成的大功率直流开关电源的主要原因。为此，一些研究机构曾经在专业的技术论文中专门进行过讨论，认为：在高电压、大电流的应用场合，IGBT模块远远不如可控硅的运行状态稳定性；但是，如上所述：如果使用可控硅制造大功率斩波器，势必导致功率因数降低等不利影响。因此，解决IGBT模块运行可靠性、安全性的问题是业界一直在努力的目标。本专利技术人在做出本技术的过程中，经过深入研究发现：尽管图1、图2所示的电路在原理上可以实现，但仅满足于电气连接无误是远远不够的，很多斩波电源开发失败的原因不是电路设计错误，而是功率主电路的关键功率元件布局及连接工艺设计不合理，导致过大的开关毛刺、电磁干扰(Electromagnetic interference简称：EMI)的存在，电磁兼容性(ElectroMagnetic Compatibility，简称：EMC)不能满足要求。参见图4，在现有技术中，在制造图1、2所示的大功率斩波器时，一般仅仅基于一-->般的冷却、导电汇流排线布置要求，采用分离安装的方式，将多个IGBT模块2、PWM控制电路板60等部件设置在开关电源柜80内；其中，为了保证散热，IGBT模块2通常设置在水冷板上(图中未示)；在这样的布局设计中，并没有妥善考虑前述毛刺、EMI、EMC等问题，对IGBT模块2等功率部件在开关电源柜80中的布局进行针对性设计，由此导致斩波主回路的分布参数因杂散电感较大而变差，引起的毛刺本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种集成化大功率斩波器，包括连接直流电源输入端的大功率斩波器，所述大功率斩波器由大功率ＩＧＢＴ模块、滤波电容和冷却装置构成，所述大功率ＩＧＢＴ模块的栅极连接ＰＷＭ控制电路板的ＰＷＭ控制信号；其特征在于：　　所述大功率ＩＧＢＴ模块、冷却装置及滤波电容集中固设在能够屏蔽电磁干扰的第一箱体内；　　所述ＰＷＭ控制电路板设置在能够屏蔽电磁干扰的第二箱体内；所述第一箱体开设有多个开孔，使连接ＩＧＢＴ模块输出端的电极导体，以及连接滤波电容的电极导体能够由所述第一箱体露出，且所述冷却装置连接的、用于输送冷却介质的管路接口经由所述开孔由所述第一箱体露出。

【技术特征摘要】
1.一种集成化大功率斩波器，包括连接直流电源输入端的大功率斩波器，所述大功率斩波器由大功率IGBT模块、滤波电容和冷却装置构成，所述大功率IGBT模块的栅极连接PWM控制电路板的PWM控制信号；其特征在于：所述大功率IGBT模块、冷却装置及滤波电容集中固设在能够屏蔽电磁干扰的第一箱体内；所述PWM控制电路板设置在能够屏蔽电磁干扰的第二箱体内；所述第一箱体开设有多个开孔，使连接IGBT模块输出端的电极导体，以及连接滤波电容的电极导体能够由所述第一箱体露出，且所述冷却装置连接的、用于输送冷却介质的管路接口经由所述开孔由所述第一箱体露出。2.根据权利要求1所述的集成化大功率斩波器，其特征在于：所述大功率IGBT模块固设于所述冷却装置上，与所述冷却装置构成功率单元。3.根据权利要求1所述的集成化大功率斩波器，其特征在于：所述直流电源输入端和所述IGBT模块输出端的公共端在所述第一箱体内部设置为同一内部导体，并且，连接所述的IGBT模块的一个电极导体和连接所述直流电源输入端的一个电极导体分别连接在所述内部导体的两端。4.根据权利要求1所述的集成化大功率斩波器，其特征在于：所述滤波电容由多个电容并联，所述电容的第一电极、第二电极分别连接第一导电极板和第二导电极板，且第一导电极板和第二导电极板之间相互绝缘；所述滤波电容的电极导体包括第一电容电极导体和第二电容电极导体，所述第一电容电极导体连接所述第一导电极板，所述第二电容电极导体连接所述第二导电极板。5.根据权利要求4所述的集成化大功率斩波器，其特征在于：所述第一导电极板或者第二导电极板靠近边缘的区域设有多个透孔，且在所述透孔...

【专利技术属性】
技术研发人员：费宽，轩宗志，轩宗震，
申请(专利权)人：保定红星高频设备有限公司，
类型：实用新型
国别省市：13[中国|河北]