專利名稱：基于焊接型igbt與壓接型二極管反并聯(lián)串聯(lián)結(jié)構(gòu)的換流單元的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電力電子半導(dǎo)體器件應(yīng)用領(lǐng)域，具體講涉及一種基于焊接型IGBT與壓接型二極管反并聯(lián)串聯(lián)結(jié)構(gòu)的換流單元。
背景技術(shù)：
絕緣柵雙極型晶體管(IGBT,Insulated Gate Bipolar Transistor)是 20 世紀(jì)80年代中期出現(xiàn)的一種半導(dǎo)體電力開關(guān)器件，它的輸入控制部分為金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET,Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor),輸出級(jí)為雙極結(jié)型晶體管，兼有MOSFET和電力晶體管的優(yōu)點(diǎn):高輸入阻抗，電壓控制，驅(qū)動(dòng)功率小，開關(guān)速度快，工作頻率可達(dá)10 40kHz，飽和壓降低，電壓電流容量較大，安全工作區(qū)寬，但單個(gè)IGBT的電壓、電流允許值很難再提高，為了應(yīng)用于高電壓、大功率的領(lǐng)域，可以采用模塊化多電平和H橋級(jí)聯(lián)多電平的方法。模塊化多電平技術(shù)和H橋級(jí)聯(lián)多電平技術(shù)均為一種多電平換流器技術(shù)，每相橋臂采用多個(gè)電氣、結(jié)構(gòu)和功能相同的子單元串聯(lián)而成，并且將直流側(cè)支撐電容分散集成到單個(gè)子單元中，每個(gè)子單元包含一個(gè)直流電源(一般為直流儲(chǔ)能電容)，單個(gè)子單元主功率開關(guān)管的不同開關(guān)組合具備類似于單刀雙擲開關(guān)的功能，不同開關(guān)組合與直流電源相互配合，從而形成了具有兩種電平輸出的“可控電壓源”，H橋級(jí)聯(lián)技術(shù)區(qū)別模塊化多電平技術(shù)在于H橋級(jí)聯(lián)技術(shù)沒有直流母線。傳統(tǒng)模塊化多電平技術(shù)和H橋級(jí)聯(lián)多電平技術(shù)的子換流單元受到IGBT器件額定電壓的限制，難以進(jìn)一步提高電壓，需要通過引入IGBT串聯(lián)以提高子模塊的電壓與容量，同時(shí)各個(gè)換流單元間會(huì)產(chǎn)生電壓不平衡的情況，而高電壓、大功率的應(yīng)用領(lǐng)域決定了一旦出現(xiàn)嚴(yán)重的電壓不平衡，IGBT將不可避免的出現(xiàn)失效甚至爆炸，而IGBT出現(xiàn)斷路實(shí)現(xiàn)或者發(fā)生爆炸后，又會(huì)損壞這些大功率電力電子裝置，造成嚴(yán)重的損失。目前半導(dǎo)體器件的封裝形式主要有焊接型和平板壓接型兩種，焊接型具有體積小，安裝方便，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，但器件只能單面散熱，要求地板既要絕緣又要導(dǎo)熱性能好，其失效形式為斷路形式，平板壓接型結(jié)構(gòu)是將器件和雙面散熱器緊固在一起，散熱器既作散熱又作電極之用，散熱性能好，器件工作安全可靠，失效模式為短路形式。
發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種基于焊接型IGBT與壓接型二極管反并聯(lián)結(jié)構(gòu)的換流單元，焊接型IGBT出現(xiàn)斷路故障時(shí)，故障的IGBT為短路失效形式，不影響整個(gè)IGBT串聯(lián)結(jié)構(gòu)的工作，此外，反并聯(lián)二極管耐壓值稍低于IGBT耐壓值，當(dāng)焊接型IGBT出現(xiàn)電壓超出正常工作電壓的異常工況時(shí)，壓接型二極管會(huì)過壓擊穿，形成短路失效，保護(hù)該IGBT不至于損壞，采用本結(jié)構(gòu)可以省去傳統(tǒng)換流單元必需的保護(hù)用晶閘管。本發(fā)明提供的一種換流單元包括=IGBT模塊和電容，所述IGBT模塊包括基于焊接型IGBT與壓接型二極管反并聯(lián)串聯(lián)結(jié)構(gòu)模塊；所述基于焊接型IGBT與壓接型二極管反并聯(lián)串聯(lián)結(jié)構(gòu)模塊包括串聯(lián)的焊接型IGBT串聯(lián)及其相應(yīng)的壓接型二極管，一個(gè)IGBT的發(fā)射極與下一個(gè)IGBT的集電極通過低感導(dǎo)線相連接，壓接型二極管反并聯(lián)于其相應(yīng)的焊接型IGBT的集電極和發(fā)射極之間；所述IGBT模塊與所述電容并聯(lián)。本發(fā)明提供的第一優(yōu)選技術(shù)方案中:所述IGBT模塊包括半橋結(jié)構(gòu)，所述半橋結(jié)構(gòu)包括一個(gè)橋臂，橋臂包括上下兩個(gè)所述基于焊接型IGBT與壓接型二極管反并聯(lián)串聯(lián)結(jié)構(gòu)模塊。本發(fā)明提供的第二優(yōu)選技術(shù)方案中:所述IGBT模塊包括H橋結(jié)構(gòu)，所述H橋結(jié)構(gòu)包括對(duì)稱的兩個(gè)橋臂，每個(gè)橋臂包括上下兩個(gè)所述基于焊接型IGBT與壓接型二極管反并聯(lián)串聯(lián)結(jié)構(gòu)模塊。本發(fā)明提供的第三優(yōu)選技術(shù)方案中:所述壓接型二極管通過平板壓接的封裝形式封裝進(jìn)散熱器里，所述焊接型IGBT的集電極與發(fā)射極固定在所述散熱器兩端。本發(fā)明提供的第四優(yōu)選技術(shù)方案中:所述壓接型二極管通過20KN-80KN強(qiáng)力壓接與散熱器壓合。本發(fā)明提供的第五優(yōu)選技術(shù)方案中:所述壓接型二極管為壓接型碳化硅二極管。本發(fā)明提供的第六優(yōu)選技術(shù)方案中:所述壓接型二極管的耐壓值低于IGBT耐壓值。本發(fā)明提供的第七優(yōu)選技術(shù)方案中:提供一種模塊化多電平結(jié)構(gòu)電壓源換流器，一端連接高壓直流輸電的直流網(wǎng)絡(luò)側(cè)(I)，另一端連接三相交流網(wǎng)絡(luò)側(cè)(2)，所述模塊化多電平結(jié)構(gòu)電壓源換流器包括三相支路，每相支路包括串聯(lián)的半橋結(jié)構(gòu)IGBT模塊的換流單
J Li ο本發(fā)明提供的第八優(yōu)選技術(shù)方案中:提供一種H橋級(jí)聯(lián)多電平結(jié)構(gòu)電壓源換流器，一端連接三相中性點(diǎn)，另一端連接三相交流網(wǎng)絡(luò)側(cè)，所述模塊化多電平結(jié)構(gòu)電壓源換流器包括三相支路，每相支路包括串聯(lián)的H橋結(jié)構(gòu)IGBT模塊與電容并聯(lián)的換流單元。
圖1是:本發(fā)明提供的一種基于焊接型IGBT與壓接型二極管反并聯(lián)串聯(lián)結(jié)構(gòu)模塊的結(jié)構(gòu)框圖；圖2是:本發(fā)明實(shí)施例提供的一種模塊化多電平換流單元結(jié)構(gòu)框圖；圖3是:本發(fā)明實(shí)施例提供的一種H橋級(jí)聯(lián)型多電平換流單元結(jié)構(gòu)框圖；圖4是:本發(fā)明實(shí)施例提供的一種模塊化多電平電壓源換流器結(jié)構(gòu)框圖；圖5是:本發(fā)明實(shí)施例提供的一種H橋級(jí)聯(lián)型電壓源換流器結(jié)構(gòu)框圖。圖中:1、直流網(wǎng)絡(luò)側(cè)2、三相交流網(wǎng)絡(luò)側(cè)。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明提供的一種基于焊接型IGBT與壓接型二極管反并聯(lián)串聯(lián)結(jié)構(gòu)模塊的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，由圖1可以看出，該串聯(lián)結(jié)構(gòu)模塊包括散熱器、壓接型二極管和焊接型IGBT，多個(gè)焊接型IGBT串聯(lián)，壓接型二極管壓接于兩個(gè)相鄰焊接型IGBT之間，并且焊接型IGBT之間的串聯(lián)是一個(gè)IGBT的發(fā)射極與下一個(gè)IGBT的集電極通過低感導(dǎo)線相連接，壓接型二極管通過平板壓接的散熱器形式連接到IGBT，平板壓接式結(jié)構(gòu)主要是將器件和雙面散熱器緊固在一起，散熱器既作散熱又作電極之用，壓接型二極管通過平板壓接的方式反并聯(lián)于其相應(yīng)的焊接型IGBT的集電極C和發(fā)射極E之間，起到續(xù)流以及保護(hù)作用。為了達(dá)到較好的保護(hù)效果，壓接型二極管的額定耐壓可以稍低于焊接型IGBT額定耐壓值。進(jìn)一步的，該壓接型二極管為壓接型SiC(碳化硅)二極管。本發(fā)明提供的一種換流單元包括并聯(lián)的IGBT模塊和電容，IGBT模塊包括上述基于焊接型IGBT與壓接型二極管反并聯(lián)串聯(lián)結(jié)構(gòu)模塊。實(shí)施例一:本發(fā)明提供的實(shí)施例一為一種模塊化多電平換流單元，具體結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，由圖2可以看出，本實(shí)施例提供的一種模塊化多電平換流單元包括并聯(lián)的IGBT模塊與電容，本實(shí)施例提供的IGBT模塊結(jié)構(gòu)為半橋型,包括一個(gè)橋臂,該橋臂包括上下兩個(gè)基于焊接型IGBT與壓接型二極管反并聯(lián)串聯(lián)結(jié)構(gòu)模塊。本實(shí)施例提供的一種模塊化多電平換流單元由兩組相互獨(dú)立的基于焊接型IGBT與壓接型二極管反并聯(lián)串聯(lián)結(jié)構(gòu)模塊和一個(gè)電容組成，換流單元中的一只IGBT損壞后，此換流單元的電容電壓將不斷升高，進(jìn)而導(dǎo)致IGBT反并聯(lián)的平板壓接式二極管擊穿，并進(jìn)入短路失效模式，使得該換流單元中故障IGBT級(jí)短路，該換流單元繼續(xù)正常工作。若換流單元中一只IGBT出現(xiàn)工作電壓超出正常工作電壓的異常工況時(shí)，由于反并聯(lián)二極管耐壓值稍低于IGBT耐壓值，壓接型二極管會(huì)過壓擊穿，形成短路失效，保護(hù)該IGBT不至于損壞，該換流單元繼續(xù)工作。實(shí)施例二:本發(fā)明提供的實(shí)施例二為一種H橋級(jí)聯(lián)型多電平換流單元，具體結(jié)構(gòu)如圖3所示，由圖3可以看出，本實(shí)施例提供的一種H橋級(jí)聯(lián)型多電平換流單元包括并聯(lián)的IGBT模塊和電容，本實(shí)施例提供的IGBT模塊結(jié)構(gòu)為H橋型，包括兩個(gè)橋臂，每個(gè)橋臂包括上下兩個(gè)基于焊接型IGBT與壓接型二極管反并聯(lián)串聯(lián)結(jié)構(gòu)模塊。本實(shí)施例提供的一種H橋級(jí)聯(lián)型多電平換流單元由四組相互獨(dú)立的IGBT、二極管和一個(gè)電容組成，換流單元中的一只IGBT損壞后，該換流單元的電容電壓將不斷升高，進(jìn)而導(dǎo)致該故障IGBT反并聯(lián)的平板壓接式二極管擊穿，并進(jìn)入短路失效模式，使得該換流單元繼續(xù)正常工作。若換流單元中一只IGBT出現(xiàn)工作電壓超出正常工作電壓的異常工況時(shí)，由于反并聯(lián)二極管耐壓值稍低于IGBT耐壓值，壓接型二極管會(huì)過壓擊穿，形成短路失效，保護(hù)該IGBT不至于損壞，該換流單元繼續(xù)工作。實(shí)施例三:本發(fā)明提供的實(shí)施例三為一種模塊化多電平電壓源換流器(Modular MultilevelConverter, MMC)，具體結(jié)構(gòu)如圖4所示，由圖4可知,本實(shí)施例提供的一種MMC —端連接高壓直流輸電的直流網(wǎng)絡(luò)側(cè)1，另一端連接三相交流網(wǎng)絡(luò)側(cè)2，該MMC包括三相支路，每相支路均有多個(gè)子模塊換流單元3串聯(lián)而成，每個(gè)子模塊換流單元3是相同的，均由開關(guān)器件和電容形成，通常開關(guān)器件為IGBT，并且，IGBT并有反并聯(lián)二極管作為續(xù)流用二極管，開關(guān)器件開通或關(guān)斷，起到投入和切除電容電壓的作用，通過控制多個(gè)子模塊換流單元的投入和切除數(shù)目與次序，在三相交流網(wǎng)絡(luò)側(cè)2得到一個(gè)指定的交流輸出波形。本實(shí)施例提供的換流單元為本發(fā)明提供的實(shí)施例一中的一種模塊化多電平換流單元，三相支路中有一個(gè)換流單元中的一只IGBT損壞后，該換流單元的電容電壓將不斷升高，進(jìn)而導(dǎo)致該故障IGBT反并聯(lián)的平板壓接式二極管擊穿，并進(jìn)入短路失效模式，使得該換流單元繼續(xù)正常工作，不會(huì)造成整個(gè)換流器的損壞。若換流單元中一只IGBT出現(xiàn)工作電壓超出正常工作電壓的異常工況時(shí)，由于反并聯(lián)二極管耐壓值稍低于IGBT耐壓值，壓接型二極管會(huì)過壓擊穿，形成短路失效，保護(hù)該IGBT不至于損壞，該換流單元繼續(xù)工作。實(shí)施例四:本發(fā)明提供的實(shí)施例四為一種H橋級(jí)聯(lián)型電壓源換流器，具體結(jié)構(gòu)如圖5所示，由圖5可知，本實(shí)施例提供的一種H橋級(jí)聯(lián)型電壓源換流器，一端連接三相中性點(diǎn)N，另一端連接三相交流網(wǎng)絡(luò)A、B、C，H橋級(jí)聯(lián)型電壓源換流器包括三相支路，每相支路均有多個(gè)子模塊換流單元串聯(lián)而成，每個(gè)子模塊換流單元是相同的，均由開關(guān)器件和電容形成，通常開關(guān)器件為IGBT，并且，IGBT并有反并聯(lián)二極管作為續(xù)流用二極管，開關(guān)器件開通或關(guān)斷，起到投入和切除電容電壓的作用，通過控制多個(gè)子模塊換流單元的投入和切除數(shù)目與次序，在三相交流網(wǎng)絡(luò)側(cè)得到一個(gè)指定的交流輸出波形。本實(shí)施例提供的換流單元為本發(fā)明提供的實(shí)施例二中的一種H橋級(jí)聯(lián)型多電平換流單元，三相支路中有一個(gè)換流單元中的一只IGBT損壞后，該換流單元的電容電壓將不斷升高，進(jìn)而導(dǎo)致該故障IGBT反并聯(lián)的平板壓接式二極管擊穿，并進(jìn)入短路失效模式，使得該換流單元繼續(xù)正常工作，不會(huì)造成整個(gè)換流器的損壞。若換流單元中一只IGBT出現(xiàn)工作電壓超出正常工作電壓的異常工況時(shí)，由于反并聯(lián)二極管耐壓值稍低于IGBT耐壓值，壓接型二極管會(huì)過壓擊穿，形成短路失效，保護(hù)該IGBT不至于損壞，該換流單元繼續(xù)工作。以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非對(duì)其限制，盡管參照上述實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，所述領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解:依然可以對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
進(jìn)行修改或者同等替換，而未脫離本發(fā)明精神和范圍的任何修改或者等同替換，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求
1.一種換流單元，包括=IGBT模塊和電容，其特征在于:所述IGBT模塊包括基于焊接型IGBT與壓接型二極管反并聯(lián)串聯(lián)結(jié)構(gòu)模塊； 所述基于焊接型IGBT與壓接型二極管反并聯(lián)串聯(lián)結(jié)構(gòu)模塊包括串聯(lián)的焊接型IGBT串聯(lián)及其相應(yīng)的壓接型二極管，一個(gè)IGBT的發(fā)射極與下一個(gè)IGBT的集電極通過低感導(dǎo)線相連接，壓接型二極管反并聯(lián)于其相應(yīng)的焊接型IGBT的集電極和發(fā)射極之間； 所述IGBT模塊與所述電容并聯(lián)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種換流單元，其特征在于:所述IGBT模塊包括半橋結(jié)構(gòu)，所述半橋結(jié)構(gòu)包括一個(gè)橋臂，橋臂包括上下兩個(gè)所述基于焊接型IGBT與壓接型二極管反并聯(lián)串聯(lián)結(jié)構(gòu)模塊。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種換流單元，其特征在于:所述IGBT模塊包括H橋結(jié)構(gòu)，所述H橋結(jié)構(gòu)包括對(duì)稱的兩個(gè)橋臂，每個(gè)橋臂包括上下兩個(gè)所述基于焊接型IGBT與壓接型二極管反并聯(lián)串聯(lián)結(jié)構(gòu)模塊。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的換流單元，其特征在于:所述壓接型二極管通過平板壓接的封裝形式封裝進(jìn)散熱器里，所述焊接型IGBT的集電極與發(fā)射極固定在所述散熱器兩端。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的換流單元，其特征在于:所述壓接型二極管通過20KN-80KN的強(qiáng)力壓接與散熱器壓合。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的換流單元，其特征在于:所述壓接型二極管為壓接型碳化硅二極管。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的換流單元，其特征在于:所述壓接型二極管的耐壓值低于IGBT耐壓值。
8.一種模塊化多電平結(jié)構(gòu)電壓源換流器，一端連接高壓直流輸電的直流網(wǎng)絡(luò)側(cè)(1)，另一端連接三相交流網(wǎng)絡(luò)側(cè)(2)，其特征在于:所述模塊化多電平結(jié)構(gòu)電壓源換流器包括三相支路，每相支路包括串聯(lián)的如權(quán)利要求2所述的換流單元。
9.一種H橋級(jí)聯(lián)多電平結(jié)構(gòu)電壓源換流器，一端連接三相中性點(diǎn)，另一端連接三相交流網(wǎng)絡(luò)側(cè)，其特征在于:所述模塊化多電平結(jié)構(gòu)電壓源換流器包括三相支路，每相支路包括串聯(lián)的如權(quán)利要求3所述的換流單元。
全文摘要
本發(fā)明提供一種換流單元，包括IGBT模塊和電容，所述IGBT模塊包括基于焊接型IGBT與壓接型二極管反并聯(lián)串聯(lián)結(jié)構(gòu)模塊；所述基于焊接型IGBT與壓接型二極管反并聯(lián)串聯(lián)結(jié)構(gòu)模塊包括串聯(lián)的焊接型IGBT串聯(lián)及其相應(yīng)的壓接型二極管，一個(gè)IGBT的發(fā)射極與下一個(gè)IGBT的集電極通過低感導(dǎo)線相連接，壓接型二極管反并聯(lián)于其相應(yīng)的焊接型IGBT的集電極和發(fā)射極之間；所述IGBT模塊與所述電容并聯(lián)。本發(fā)明提供的一種換流單元，包括基于焊接型IGBT與壓接型二極管反并聯(lián)串聯(lián)結(jié)構(gòu)模塊，在包含多個(gè)串聯(lián)的換流單元的換流器中，故障的換流單元可以轉(zhuǎn)化為短路失效模式，保證整個(gè)IGBT閥的安全工作。
文檔編號(hào)H01L25/03GK103151938SQ20121000183
公開日2013年6月12日 申請(qǐng)日期2012年1月5日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月5日
發(fā)明者溫家良, 吳銳, 韓健, 陳中圓, 蔚泉清, 賈娜 申請(qǐng)人:中國(guó)電力科學(xué)研究院