[发明专利]一种大容量水冷功率单元

说明书

【技术领域】

本发明属于大功率电力电子技术领域，具体涉及一种大容量水冷功率单元。

【背景技术】

链式拓扑结构早在20世纪70年代被提出，并在90年代后期在STATCOM中得到应用。MMC拓扑结构由德国工程师于2001年提出，由于其适用于高压大容量场合，迎合了电力电子行业的发展需求，一经提出便成为研究热点。

链式多电平和MMC多电平是一种提高装置容量的思路，功率子模块级联一方面可以提高电压，减小了装置体积，效率也能得到提升，另一方面通过电平的叠加去逼近正弦波，减少了谐波含量，可以减少甚至取消输出滤波装置，实现了高压大容量化和高性能化的结合。利用多电平方案解决STATCOM和HVDC高电压和大容量的问题已经逐渐成为业内的共识。

基于链式多电平的全桥结构和基于MMC多电平的半桥结构，是目前功率单元主要的拓扑结构。目前基于这两种拓扑的高电压、大容量水冷功率单元已经大规模出现在市场上，核心器件高压大容量DC电容、130mmx140mm封装单管IGBT和190mmx140mm封装单管IGBT得到了空前的发展及应用。

但是受制于高压大容量DC电容的尺寸和开关器件的布局方式，功率单元的体积很难做到最小，使的高功率密度的整机设计很难实现。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种大容量水冷功率单元，针对半桥、全桥拓扑结构进行对称开关器件布局及定制化的电容组件，设计高度集成化的功率单元。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种大容量水冷功率单元，包括功率模块和电容组件，功率模块基于单管型IGBT对称布局设置，功率模块上下桥臂对应的两个单管型IGBT对称镜像放置，上桥臂单管型IGBT的驱动控制部分与下桥臂单管型IGBT的驱动控制部分均朝外放置；两个上臂单管的第一个三端接口C与DC正母排压接，通过DC正母排的外接端口与DC电容的正相连接，两个下臂单管的第二个三端接口E与DC负母排压接，通过DC负母排的外接端口与DC电容的负相连接，正母排与负母排相叠压，每个半桥的上桥臂单管型IGBT的第二个三端接口E并联有三端铜排，每个半桥的下桥臂单管型IGBT的第一个三端接口C同时并联有另一三端铜排，两个三端铜排通过跨接铜排连接在一起、且与系统的交流输入或输出回路相连接，跨接铜排通过开孔引出交流母排；所述电容组件包括多个高压大容量的单体电容器，各单体电容器采用并联的方式通过电容叠层母排连接，电容叠层母排与叠压的IGBT正负母排通过过渡母排连接。

进一步，所述功率模块基于单管型IGBT的对称布局，不限于半桥、全桥结构及三相桥的拓扑。

进一步，驱动控制部分采用直接模式，一个两路驱动核驱动一对全桥拓扑结构的两个上管或者两个下管，驱动板的供电电源来自控制板，驱动板通过光纤和控制板交互数据。

进一步，水冷电阻安装在水冷板上，水冷电阻通过连接铜导柱采用直接压接的方式与IGBT正负母排连接。

进一步，所述水冷板的水嘴、光纤接口设置在功率单元的正面。

进一步，所述单管型IGBT的旁路开关采用挂接的方式安装在功率单元的背面。

本发明的有益效果是：

本发明中功率模块基于单管型IGBT对称布局设置，功率模块上下桥臂对应的两个单管型IGBT对称镜像放置，功率模块采用单管型IGBT对称布局的方式，使得IGBT叠层母排方便大面积叠压，减小了回路的杂散电感，提高了开关器件工作的可靠性，而且，跨接铜排通过开孔引出交流母排，会减小对直流母排回路造成影响，且有利于散热，提高了系统的可靠性。所述电容组件包括多个高压大容量的单体电容器，基于定制化单体电容，设计电容组件，方便功率单元的灵活布局；各单体电容器采用并联的方式通过电容叠层母排连接，电容组件通过过渡母排与IGBT叠层母排连接，在保证电气参数最优的情况下，简化了叠层母排的安装方式。

以单体电容为基础单元，设计电容组件，由开关器件构成的功率模块靠近电容组件，可以完全以电容组件为最大外围尺寸，设计功率单元的结构。开关电源，控制系统都可以作为模块化单元，设计在功率模块内部，便于功率模块的最小化设计。旁路单元外挂，可以避免空间的浪费，同时，达到了功率模块的最高集成度。

进一步，水冷电阻安装在水冷板上，水冷电阻通过连接铜导柱采用直接压接的方式与IGBT正负母排连接，避免了连接高压引线的出现，提高了可靠性及可维护性。