[发明专利]一种热管型风电变流器功率单元

说明书

技术领域

本发明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——热管型风电变流器功率单元。 

背景技术

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。 

发明内容

本发明的目的，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。 

本发明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。 

本发明所产生的技术效果是： 

本发明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为本发明功率单元的3D结构示意图；

图8为本发明复合母线的俯视结构示意图；

图9为本发明复合母线的爆炸结构示意图； 

图10为本发明热管散热器俯视结构示意图；

图11为本发明热管散热器主视结构示意图。

图中标号表示：1-复合母线，1-1-正极板、1-2-负极板、1-3-串接板、1-4-铜垫片、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

下面结合附图对本发明作进一步阐述。 

如图1～11所示，本发明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、交流输出引线和散热器，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。