一种热管型风电变流器功率单元制造技术

本发明专利技术公开了一种风电变流器功率单元，包括由功率开关IGBT组成逆变桥及其控制保护电路，所述逆变桥配有直流输入母线、交流输出引线和散热器；所述散热器包括基板、翅片和热管，基板的上表面设置有凹槽、埋入热管，热管对应发热元件的位置设置，翅片垂直于基板、间隙分布在基板下方；所述热管是中空密闭的铜管，内部充有沸点低的冷凝液。本发明专利技术的风力发电机变流器功率单元，提高了逆变可靠性、安全性，部件形状及空间位置布局更加合理，散热效果好、杂散电感小，可以更加充分地发挥IGBT功率特性，提高逆变效率。

【技术实现步骤摘要】
一种热管型风电变流器功率单元
本专利技术涉及风电变流器控制系统领域，具体是实现变流器逆变过程的一个重要组件一热管型风电变流器功率单元。
技术介绍
随着风力发电功率等级的一再提升，从几十千瓦的变流器到现在几兆瓦变流器，而功率单元的散热手段从开始的风冷逐步演变为液冷散热模式。液冷装置的换热效率很高，但是成本相对也较高。如何在风冷的前提下，尽可能的让IGBT的散热更加高效，成为当下制约变流器功率等级的一个瓶颈。功率单元其核心组件是IGBT，其发热量随着功率等级的提升逐渐增加，而普通铝散热器由于自身的热阻限制，散热效率有限，铜散热器成本又很高，如何能够设计一款性价比极高的功率单元是降低一款大功率变流器成本的重点。本专利申请单位通过多年的研究，分析不同IGBT应用电路以及结构，采用一种新的机械结构和散热方式，更加安全可靠的电路设计，设计出了一款安全、可靠的国内领先水平的功率单元。目前国内的功率单元在技术上存在以下的不足: 1、成本高。很多整机厂家采用进口功率单元，没有自主知识产权，导致生产成本居高不下。2、散热效率低。IGBT的散热决定了功率单元的效率高低，国内很多厂家功率单元由于结构及散热器的原因，未能充分发挥散热的效果，导致功率单元效率不高。3、电路设计不够完善。良好的电路原理设计和布板工艺也是可靠运行功率单元和保护功率单元很重要的手段，国内部分厂家设`计的电路板尚存在很多不足之处。
技术实现思路
本专利技术的目的，是提供一种风力发电机变流器的功率单元，该单元具有一种新型驱动保护电路，可实现正常地逆变转换以及对功率单元进行可靠保护。本专利技术所采用的技术方案是: 一种风电变流器功率单元，包括由功率开关IGBT组成逆变桥及其控制保护电路，所述逆变桥配有直流输入母线、交流输出引线和散热器；所述散热器包括基板、翅片和热管，基板的上表面设置有凹槽、埋入热管，热管对应发热元件的位置设置，翅片垂直于基板、间隙分布在基板下方；所述热管是中空密闭的铜管，内部充有沸点低的冷凝液。所述热管分组设置、且4根热管为一组，这4根热管的中心部位沿基板长度方向均匀分布，外侧热管呈向外设置的“[”型，内侧热管呈向外设置的“c”型、内侧热管的两端相对设置，确保发热元件区域内散热均匀。所述热管铅焊在基板上。所述散热器的基板厚度、翅片厚度、翅片高度、翅片间距的比值为12:1.5:62:2。所述直流输入母线采用三块大面积矩形铜板分别作为正极、负极和及交流输出极，三块矩形铜板重叠布置，板间垫有绝缘层。本专利技术所产生的技术效果是: 本专利技术的风力发电机变流器功率单元，提高了逆变可靠性、安全性，部件形状及空间位置布局更加合理，散热效果好、杂散电感小，可以更加充分地发挥IGBT功率特性，提高逆变效率。【附图说明】图1为风电变流器功率单元的原理图； 图2为死区互锁电路的原理图； 图3为PWM驱动电路的原理图； 图4为短路保护电路的原理图； 图5为有源钳位电路的原理图； 图6为传统铝制散热器的结构示意图； 图7为本专利技术功率单元的3D结构示意图； 图8为本专利技术复合母线的俯视结构示意图； 图9为本专利技术复合母线的爆炸结构示意图； 图10为本专利技术热管散热器俯视结构示意图； 图11为本专利技术热管散热器主视结构示意图。图中标号表不:1_复合母线，1-1-正极板、1-2-负极板、1-3-串接板、1~4~铜塾片、1-5-PET纸、1-6-交流板、2-热管散热器，2-1-热管、2_2_翅片、2_3_基板。【具体实施方式】下面结合附图对本专利技术作进一步阐述。如图1?11所示，本专利技术是一种风电变流器功率单元，包括由功率开关IGBT组成逆变桥及其控制保护电路。逆变桥配有直流输入母线、交流输出弓I线和散热器，控制保护电路设有:死区互锁电路，PWM驱动电路，短路保护电路，有源钳位电路。具体的: 功率单元驱动设计框图，如图1所示，图中描述了一个本设计中基本的功率单元功能，其中包括了电源、死区互锁、驱动、保护等电路的设计。逆变桥臂采用单管串联结构。-死区互锁电路，对PWM波进行死区设置，保证逆变桥上、下桥臂的电压不会同时为高，且可调节死区时间；死区时间设置的电阻阻值为IKΩ，电容的容值为680pF。由于设计中驱动核SC0435采用直通模式，所以PWM波不可避免的无法进行直通保护，因此在PWM输入前级设置了死区互锁电路。在硬件环节上对PWM波形进行不能同时为高的控制，保证上下桥臂不会同时开通或者关断，并通过设置不同的RC参数，可以设置一定的死区保护时间，如下图2所示。-PWM驱动电路，对PWM波进行处理放大，通过开通电阻、关断电阻对控制IGBT开通、关断；开通电阻为1.3 Ω，关断电阻的阻值为2.8Ω。从图中可以看到，SC0435分为GH和GL两路输出分别驱动IGBT的开通和关断。由于IGBT的驱动特性决定了其开通和关断引起的VCE尖峰电压不同，因此研究人员通过大量实验最终确定了开通关断的驱动电阻的阻值，保证驱动的合理性，避免电压过冲对IGBT的损害，最大限度的将IGBT的特性充分使用，本设计的开通电阻为1.3Ω，关断电阻的阻值为2.8Ω，同时设置的钳位二极管用于保护IGBT的G级在关断的时候不会过压损坏，如图3所/Jn ο-短路保护电路，通过退饱和电路检测由于直通或者外围短路引起的大电流，及时关断IGBT ;短路保护电路的延时关断时间约为7.8us。短路保护电路通过一个阻值很大的电阻限制了对电容的充电电流，并且通过一个反向二极管将直流母线输入给电容的电压限制在15V以下，通过对电容的充放电，达到有效保护IGBT短路引起的过流。通过调整电阻和电容的参数，可以设计出适合自己的功率单元短路保护值得电压和相应速度，同时电阻的阻抗特性可以极大的降低du/dt带来的干扰，来完成功率单元的正常运行，本设计的短路保护时间为7.8us，如下图4所示。-有源钳位电路，当功率开关IGBT非正常关断时，会产生一个较高的直流电压，利用有源钳位电路将功率开关IGBT打开，释放过电压能量，从而对IGBT进行保护。有源钳位电路主要目的在于当IGBT非正常关断，直流母线电压产生一个尖峰电压时，可以有效地保护IGBT不会损坏。通过设置TVS 二极管的电压，可以有效地保护IGBT，又不会误动作开通，本设计中开通电压设为1350V，如下图5所示。功率单元结构采用单管上下布局，极大地保证了 IGBT散热的一致性，直流输入通过电解电容的滤波后，进入上管IGBT的正极。最后通过复合母线合理的设计，从下管IGBT负极流出，整个电路回路杂散电感很小，有效地保证了其安全可靠运行，如下图7所示。直流输入母线(复合母线I)采用三块大面积矩形铜板分别作为正极、负极和及交流输出极，三块矩形铜板重叠布置，板间垫有绝缘层，如图8所示。复合母线I的设计极大的降低了杂散电感，降低了由于IGBT关断带来的尖峰电压，直流输入采用四个引脚，电感较小，可以有效的降低装配尺寸误差带来的安装难度。如下图9所示，其中1-1为正极板、1-2为负极板、1-3为串接板、1-4为铜垫片、1-5为PET纸、1_6为交流板(即交流输出极)。正极板1-1、负极板1-2和交流板(即交流输出极)1-6之间均设置有PET纸1-5 (即绝缘层)，串接板1-3与铜本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种风电变流器功率单元，包括由功率开关IGBT组成逆变桥及其控制保护电路，所述逆变桥配有直流输入母线、交流输出引线和散热器；其特征在于：所述散热器包括基板、翅片和热管，基板的上表面设置有凹槽、埋入热管，热管对应发热元件的位置设置，翅片垂直于基板、间隙分布在基板下方；所述热管是中空密闭的铜管，内部充有沸点低的冷凝液。

【技术特征摘要】
1.一种风电变流器功率单元，包括由功率开关IGBT组成逆变桥及其控制保护电路，所述逆变桥配有直流输入母线、交流输出引线和散热器；其特征在于:所述散热器包括基板、翅片和热管，基板的上表面设置有凹槽、埋入热管，热管对应发热元件的位置设置，翅片垂直于基板、间隙分布在基板下方；所述热管是中空密闭的铜管，内部充有沸点低的冷凝液。2.根据权利要求1所述热管型风电变流器功率单元，其特征在于:所述热管分组设置、且4根热管为一组，这4根热管的中心部位沿基板长度方向均匀分布，外侧热管呈向外设置的“...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭涛，杜浪，闵泽生，陈建国，蒋驰雷，李莉，李华银，
申请(专利权)人：东方电气集团东方汽轮机有限公司，四川东方电气自动控制工程有限公司，
类型：发明
国别省市：