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1、(10)申请公布号 CN 104242683 A (43)申请公布日 2014.12.24 CN 104242683 A (21)申请号 201410470209.4 (22)申请日 2014.09.16 H02M 7/00(2006.01) (71)申请人 北京金自天正智能控制股份有限公 司 地址 100070 北京市丰台区科学城富丰路 6 号 (72)发明人 王成胜 唐磊 杨琼涛 赵悦 段巍 赵晓坦 兰志明 李凡 李崇坚 路尚书 李向欣 朱春毅 周亚宁 (74)专利代理机构 北京永创新实专利事务所 11121 代理人 周长琪 (54) 发明名称 一种绝缘栅双极型晶体管 NPC/H 桥逆变功。
2、率 模块 (57) 摘要 本发明一种绝缘栅双极型晶体管 NPC/H 桥 逆变功率模块， 包括支架以及支架上安装的第一 NPC 相模块、 第二 NPC 相模块与直流滤波电容。所 述两个 NPC 相模块分别位于直流滤波电容两侧， 且与直流滤波电容见具有间隙 ； 两个 NPC 相模块 结构相同， 均包括板式水冷散热器、 IGBT 元件、 箝 位二极管与层叠母排 A ； 所述 IGBT 元件为 4 只， 箝位二极管为 1 只 ； 4 只 IGBT 元件在水冷散热器 上表面周向均布安装， 箝位二极管安装在水冷散 热器上表面中心位置 ； 4 只 IGBT 元件与 1 只箝位 二极管间的电路连接通过层叠母排。
3、 A 实现 ； 直流 滤波电容的后侧面上覆盖并固定安装有层叠母排 B， 与两个 NPC 相模块中层叠母排 A 相连。本发明 电路布置紧凑， 从而减小相互的杂散电感， 将水路 接口与功率电路接口前后布置， 相互隔开。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 3 页 附图 2 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书3页 附图2页 (10)申请公布号 CN 104242683 A CN 104242683 A 1/1 页 2 1. 一种绝缘栅双极型晶体管 NPC/H 桥逆变功率模块， 其特征在于 ： 包括支架以及支架 上安装的第一 NPC 。
4、相模块、 第二 NPC 相模块与直流滤波电容 ； 所述第一NPC相模块、 第二NPC相模块分别位于直流滤波电容两侧， 与直流滤波电容见 具有间隙， 且三者采用背靠背式的电路结构 ； 第一 NPC 相模块与第二 NPC 相模块结构相同， 均包括板式水冷散热器、 IGBT 元件、 箝位二极管与层叠母排 A ； 所述 IGBT 元件为 4 只， 箝位 二极管为 1 只 ； 4 只 IGBT 元件在水冷散热器上表面周向均布安装， 箝位二极管安装在水冷 散热器上表面中心位置 ； 4 只 IGBT 元件与 1 只箝位二极管间的电路连接通过层叠母排 A 实 现 ； 直流滤波电容的后侧面上覆盖并固定安装有层叠。
5、母排 B， 与第一 NPC 相模块与第二 NPC 相模块中层叠母排 A 相连。 2. 如权利要求 1 所述的绝缘栅双极型晶体管 NPC/H 桥逆变功率模块， 其特征在于 ： 水 冷散热器为长方体板式结构， 铝制材质， 内部加工水道， 进水口、 回水口布置在水冷散热器 的一侧。 3. 如权利要求 1 所述的绝缘栅双极型晶体管 NPC/H 桥逆变功率模块， 其特征在于 ： 所 述层叠母排 A 一侧具有四组外接母排， 分别为直流外接 P 母排， 交流外接母排， 直流外接 M 母排与直流外接 N 母排 ； 层叠母排 B 两侧分别与第一 NPC 相模块和第二 NPC 相模块中层叠 母排 A 的直流外接 。
6、P 母排、 直流外接 M 母排与直流外接 N 母排相连 ； 第一 NPC 相模块与第二 NPC 相模块中层叠母排 A 的交流外接母排， 用来实现与现场电缆间的连接。 4. 如权利要求 1 所述的绝缘栅双极型晶体管 NPC/H 桥逆变功率模块， 其特征在于 ： 具 有四类接口， 分别为 ： 支架上开设的螺纹固定孔构成的机械接口， 用于将功率模块固定在柜 体上 ； 层叠母排延伸出的四组外接母排， 用于电气连接 ； 由水冷散热器侧面布置的进水口、 回水水口组成的水路接口， 用于与外部循环冷却水路相连 ； 由 IGBT 元件 7 的驱动电路引出 的控制电路接口， 用于与外部控制系统相连。 权 利 要 。
7、求 书 CN 104242683 A 2 1/3 页 3 一种绝缘栅双极型晶体管 NPC/H 桥逆变功率模块 技术领域 0001 本发明属于半导体开关技术领域， 提出一种逆变功率模块， 具体来说， 是一种绝缘 栅双极型晶体管 IGBT 元件 7(Insulated Gate Bipolar Transistor)NPC/H 桥逆变功率模 块， 适用于 0.5 5MVA 大功率变频器中， 可广泛应用于中、 高压传动领域。 背景技术 0002 IGBT 元件 7(Insulated Gate Bipolar Transistor) 绝缘栅双极型晶体管， 是由 BJT( 双极型三极管 ) 和 MOS。
8、( 绝缘栅型场效应管 ) 组成的复合全控型电压驱动式功率半导 体器件 , 兼有 MOSFET 的高输入阻抗和 GTR 的低导通压降两方面的优点。IGBT 元件 7 综合 了以上两种器件的优点， 驱动功率小而饱和压降低。非常适合应用于直流电压为 600V 及以 上的变流系统如交流电机、 变频器、 开关电源、 照明电路、 牵引传动等领域。 0003 在三电平 NPC 的拓扑中， 每一个桥臂由 IGBT 以串联的方式连接， 另外再配上二极 管， 将它们中间节点连接到直流母线的中性点。其中所采用的所有功率半导体都具备相同 的击穿电压。 根据输出电压和电流的特点， 一个周期的基频输出有四个不同续流工作状。
9、态。 在设计三电平 NPC 功率模块时， 如何控制好长换流回路的杂散电感和过压、 散热问题， 是设 计人员所要面临的挑战。 发明内容 0004 针对上述问题， 本发明提出一种绝缘栅双极型晶体管 NPC/H 桥逆变功率模块， 将 以 IGBT 元件为主功率器件的三电平 NPC 单相桥臂作为一个模块， 通过两个 NPC 相模块与直 流滤波电容的结合， 组成一个 NPC/H 桥逆变功率模块， 布局更加合理、 结构更加紧凑、 散热 能力更高。 0005 一种绝缘栅双极型晶体管 NPC/H 桥逆变功率模块， 包括支架以及支架上安装的第 一 NPC 相模块、 第二 NPC 相模块与直流滤波电容。 0006。
10、 所述第一NPC相模块、 第二NPC相模块分别位于直流滤波电容两侧， 与直流滤波电 容见具有间隙， 且三者采用背靠背式的电路结构。第一 NPC 相模块与第二 NPC 相模块结构 相同， 均包括板式水冷散热器、 IGBT元件、 箝位二极管与层叠母排A ； 所述IGBT元件为4只， 箝位二极管为 1 只。4 只 IGBT 元件在水冷散热器上表面周向均布安装， 箝位二极管安装在 水冷散热器上表面中心位置。 4只IGBT元件与1只箝位二极管间的电路连接通过层叠母排 A 实现。直流滤波电容的后侧面上覆盖并固定安装有层叠母排 B， 与第一 NPC 相模块与第二 NPC 相模块中层叠母排 A 相连。 000。
11、7 本发明的优点在于 ： 0008 1、 本发明逆变功率模块采用了将直流滤波电容设置在两个 NPC 相模块之间， 即节 省空间、 同时也利于实现电气连接， 减小电气连接距离， 可以减小回路中的等效电感。 0009 2、 本发明逆变功率模块中两个 NPC 模块采用背靠背结构形式， 实现了主模块的标 准化， 增加了易维护性， 使得两个 NPC 相模块在结构上完全相同 ； 说 明 书 CN 104242683 A 3 2/3 页 4 0010 3、 本发明逆变功率模块采用的四类接口， 可分别独立正常工作， 相互不干扰各自 的运行。 功率模块的结构紧凑， 空间尺寸小， 组装简单、 方便， 适用于0.5。
12、5MVA大功率IGBT 元件变流器 ； 附图说明 0011 图 1 为本发明逆变功率模块整体结构示意图 ； 0012 图 2 为本发明逆变功率模块中 NPC 相模块结构示意图 ； 0013 图 3 为本发明逆变功率模块中 IGBT 元件与箝位二极管分布示意图 ； 0014 图 4 为本发明逆变功率模块中层叠母排 A 与层叠母排 B 连接方式示意图。 0015 图中 ： 0016 1- 支架 2- 第一 NPC 相模块 3- 第二 NPC 相模块 0017 4- 直流滤波电容 5- 箱体 6- 板式水冷散热器 0018 7-IGBT 元件 8- 箝位二极管 9- 层叠母排 A 0019 10- 。
13、层叠母排 B 11- 直流外接 P 母排 12- 交流外接母排 0020 13- 直流外接 M 母排 14- 直流外接 N 母排 15- 进水口 0021 16- 回水口 具体实施方式 0022 下面结合附图对本发明作进一步说明。 0023 本发明一种绝缘栅双极型晶体管 NPC/H 桥逆变功率模块， 包括支架 1、 第一 NPC 相 模块 2、 第二 NPC 相模块 3 与直流滤波电容 4， 如图 1 所示。据电气原理图， 合理布置各个电 力电子元器件的位置， 构成绝缘栅双极型晶体管 NPC/H 桥逆变功率模块 ； 具体布置方式如 下 ： 0024 所述支架 1 由厚钢板焊接而成 ； 左、 中。
14、、 右设计有空腔 A、 空腔 B 与空腔 C ； 第一 NPC 相模块 2、 第二 NPC 相模块 3 以及直流滤波电容 4 分别安装在空腔 A、 空腔 C 与空腔 B 内 ； 且 使第一NPC相模块2、 第二NPC相模块3与直流滤波电容4间具有等间距间隔， 且三者采用背 靠背式的电路结构， 使第一 NPC相模块 2、 第二 NPC 相模块 3 在结构上完全相同。其中， 第一 NPC 相模块 2 与第二 NPC 相模块 3 均包括箱体 5、 板式水冷散热器 6、 IGBT 元件 7、 箝位二极 管8与层叠母排A9， 如图2、 图3所示。 箱体5采用厚型钢板通过机械加工制成 ； 箱体5内底 面上。
15、安装水冷散热器 ； 水冷散热器采用铝制材质， 内部加工水道， 侧壁上开有进水口 15 与 回水口 16， 与外部循环冷却水路相连， 实现对水冷散热器上表面安装的发热元件 (IGBT 元 件 7、 箝位二极管 8) 的循环水冷却， 同时使功率电路接口与水路接口前后布置， 相互隔开， 避免各接口间的相互干扰。所述 IGBT 元件 7 为 4 只， 箝位二极管 8 为 1 只 ； 4 只 IGBT 元件 7 在水冷散热器上表面周向均布安装， 箝位二极管 8 安装在水冷散热器上表面中心位置。4 只 IGBT 元件 7 与 1 只箝位二极管 8 的上表面覆盖并固定有一块层叠母排 A9， 通过层叠母 A 。
16、排实现 4 只 IGBT 元件 7 与 1 只箝位二极管 8 间的电路连接 ； 采用层叠母排 A9 还起到了减 小了回路中的杂散电感、 节省空间的作用。层叠母排 A9 一侧具有四组外接母排， 分别为直 流外接 P 母排 11， 交流外接母排 12， 直流外接 M 母排 13 与直流外接 N 母排 14， 用来实现第 一NPC相模块2、 第二NPC相模块3与直流滤波电容4间的电器连接， 以及现场电缆的连接。 说 明 书 CN 104242683 A 4 3/3 页 5 0025 直流滤波电容4的后侧面上覆盖并固定安装有层叠母排B10， 层叠母排B10两侧分 别与第一 NPC 相模块 2 和第二 。
17、NPC 相模块 3 中层叠母排 A9 的直流外接 P 母排 11、 直流外接 M 母排 13 与直流外接 N 母排 14 相连， 如图 4 所示， 实现了第一 NPC 相模块 2 与第二 NPC 相 模块 3 与直流滤波电容 4 接线端子的连接 ； 由此缩短了直流滤波电容 4 与第一 NPC 相模块 2 与第二 NPC 相模块 3 中 IGBT 元件 7 之间的距离， 减小杂散电感。第一 NPC 相模块 2 与第 二 NPC 相模块 3 中层叠母排 A9 的交流外接母排 12， 用来实现与现场电缆间的连接。 0026 本发明作为一个独立的绝缘栅双极型晶体管 NPC/H 桥逆变功率模块， 具有四。
18、类接 口， 分别为 ： 支架上开设的螺纹固定孔构成的机械接口， 用于将功率模块固定在柜体上 ； 层 叠母排延伸出的四组外接母排， 用于电气连接 ； 由水冷散热器侧面布置的进水口、 回水水口 组成的水路接口， 用于与外部循环冷却水路相连 ； 由 IGBT 元件 7 的驱动电路引出的控制电 路接口， 用于与外部控制系统相连。 上述四类结构可分别独立正常工作， 相互不干扰各自的 运行。功率模块的结构紧凑， 空间尺寸小， 组装简单、 方便， 适用于 0.5 5MVA 大功率 IGBT 元件变流器。 说 明 书 CN 104242683 A 5 1/2 页 6 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 104242683 A 6 2/2 页 7 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 104242683 A 7 。