一种IGBT压装结构的制作方法

本发明涉及电力电子技术领域，具体涉及一种igbt压装结构。

背景技术：

换流阀是柔性直流输电系统的核心设备，随着容量和电压等级的提高，换流阀的体积/重量大、抗震性能差、成本高等问题将逐渐凸显。为解决这一系列问题，缩小换流阀中子模块的体积成为实现换流阀轻型化的必要条件。

igbt压装结构是子模块中的重要部件，它的外形决定了子模块中不同部件之间的连接方式，影响子模块的体积大小。子模块分为半桥子模块和全桥子模块，在换流阀的实际应用中，其内部的半桥子模块igbt压装结构不具有负电平输出功能，因此其不具备直流故障穿越能力。当柔性直流输电系统出现故障时，半桥子模块igbt压装结构不能自动清除故障，需要换流站闭锁并跳开交流侧断路器才能切断故障电流。对于多端柔性直流输电系统，若直流侧某一条线路发生故障，则所有换流站都要闭锁且跳开交流侧断路器，导致多端柔性直流输电系统运行稳定较差。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术中半桥子模块不具备直流故障穿越能力导致的多端柔性直流输电系统运行稳定较差的不足，本发明提供一种igbt压装结构，包括igbt组件、散热器组件和支撑组件；

所述支撑组件包括第一端板、第二端板和拉杆组件；所述第一端板和第二端板平行设置，所述拉杆组件的两端分别与第一端板和第二端板固定，所述第一端板、第二端板和所述拉杆组件形成容纳空间；

所述igbt组件和散热器组件设置于所述容纳空间内部。

所述igbt组件包括第一igbt、第二igbt、第三igbt和第四igbt；

所述散热器组件包括第一散热器、第二散热器、第三散热器、第四散热器和第五散热器；

所述第一散热器、第一igbt、第二散热器、第二igbt、第三散热器、第三igbt、第四散热器、第四igbt和第五散热器依次排列，且相互接触；

所述第一散热器与所述第一端板接触连接，所述第五散热器与所述第二端板接触连接。

所述第五散热器与所述第二端板之间设有压力组件。

所述压力组件包括增爬垫、承压板和弹簧组件；

所述增爬垫一侧与所述第五散热器接触连接，其另一侧通过所述承压板和所述弹簧组件与所述第二端板连接。

所述弹簧组件包括至少一个弹簧单元，所述弹簧单元包括弹簧和定位销，所述弹簧通过所述定位销与所述承压板固定。

所述弹簧为一个或多个；

当所述弹簧为多个时，多个弹簧采用串联和/或并联的方式组合。

所述承压板设有与所述弹簧单元数目相同的第一凹槽，所述第二端板靠近第五散热器的一侧设有与所述弹簧单元数目相同的第二凹槽；

所述弹簧单元的两端分别与所述承压板和所述第二端板接触，所述定位销的两端分别置于所述第一凹槽和所述第二凹槽内部。

所述增爬垫包括增爬垫底部和增爬垫侧部，所述增爬垫侧部的下边缘与所述增爬垫底部的边缘连接；

所述增爬垫侧部的横截面为口字型，且所述增爬垫侧部的外侧设有凸起。

所述承压板的形状与所述增爬垫底部的形状相同，且所述承压板的尺寸小于所述增爬垫底部的尺寸。

所述增爬垫采用绝缘材料制成；

所述承压板、所述第一端板、所述第二端板和所述散热器组件均采用金属导电材料制成。

所述第一igbt的发射极朝向所述第一散热器，其集电极朝向所述第二散热器；

所述第二igbt的发射极朝向所述第二散热器，其集电极朝向所述第三散热器；

所述第三igbt的发射极朝向所述第四散热器，其集电极朝向所述第三散热器；

所述第四igbt的发射极朝向所述第五散热器，其集电极朝向所述第四散热器。

所述第二散热器为包括所述igbt压装结构的子模块的进出线母排的正极端，所述第四散热器为所述进出线母排的负极端；

所述第三散热器与所述子模块中电容的正极连接，所述电容的负极与第一散热器连接，且所述第一散热器和所述第五散热器通过连接母排连接，或者，所述电容的负极与第一散热器和第二散热器连接。

所述拉杆组件包括偶数个拉杆；

所述偶数个拉杆均匀平行设置，且与所述第一端板和所述第二端板垂直。

所述拉杆外侧设有绝缘套。

所述弹簧为碟簧。

本发明提供的技术方案具有以下有益效果：

本申请提供的igbt压装结构包括igbt组件、散热器组件和支撑组件；支撑组件包括第一端板、第二端板和拉杆组件；第一端板和第二端板平行设置，拉杆组件的两端分别与第一端板和第二端板固定，第一端板、第二端板和拉杆组件形成容纳空间；igbt组件和散热器组件设置于容纳空间内部。本申请提供的igbt压装结构具备负电平输出功能，因此具有具备直流故障穿越能力，提高了多端柔性直流输电系统运行稳定；

本申请提供的igbt压装结构通过五个散热器、第一端板、第二端板和拉杆组件实现全桥子模块中四个igbt的压装，在不改变子模块体积的基础上，实现了全桥子模块中igbt的压装，使全桥子模块的体积与半桥子模块的体积相同，结构紧凑；

本申请通过承压板承受来自于弹簧组件的压力，并将该压力整体施加到igbt组件和散热器组件上，同时对增爬垫底部进行保护，并通过弹簧组件保证整个承压板的均匀受力，提高了igbt压装结构在实际应用中的稳定性；

本申请中的承压板设有与弹簧单元数目相同的第一凹槽，第二端板靠近第五散热器的一侧设有与弹簧单元数目相同的第二凹槽，定位销的两端分别置于第一凹槽和第二凹槽内部，通过定位销将弹簧单元紧固，避免出现弹簧单元脱落的情况，为承压板所承受的载荷提供缓冲；

本申请中的增爬垫采用绝缘材料制成，实现了第二端板和第五散热器之间的绝缘要求，同时增爬垫侧部的外侧设有凸起，能够增加第二端板和第五散热器之间的爬距；

本申请中的弹簧单元采用的弹簧为碟簧，碟簧为圆锥形盘状，行程短、负荷重、所需空间小、组合使用方便、维修换装容易、经济性高、使用寿命长，多个碟簧既可以单个使用，又可以采用串联和/或并联的方式组合，在上内缘和下外缘处承受沿轴向作用的静态或动态载荷，被压缩后产生变形，直至被压平，以储存能量形式作为活载荷，能够满足igbt组件所需压力和形变量，占用体积小；

本申请中的拉杆外侧设有绝缘套，用于实现拉杆和igbt压装组件中与拉杆距离较近部分的绝缘；

本申请中的第二散热器为包括子模块的进出线母排的正极端，第四散热器为进出线母排的负极端，通过第二散热器、第四散热器和进出线母排实现igbt压装结构与子模块中其他部分的连接；

本申请中的第五散热器通过压力组件中的承压板、弹簧以及定位销与第二端板连接，第一散热器与第一端板连接，且第五散热器与第一散热器之间通过连接母排连接，由于第一端板、第一散热器、第五散热器、第二端板、承压板和弹簧都采用具有导电性的金属材质，保证了第五散热器、压力组件、第二端板、第一端板和第一散热器等电位，进一步实现了igbt压装结构与子模块框架等电位，igbt压装结构可以直接安装在子模块框架上，无需采用绝缘件。

附图说明

图1是本申请实施例中igbt压装结构一种结构图；

图2是本申请实施例中igbt压装结构另一种结构图；

图3是本申请实施例中igbt压装结构主视图；

图4是本申请实施例中igbt压装结构后视图；

图5是本申请实施例中igbt压装结构左视图；

图6是本申请实施例中拉杆组件和压力组件结构图；

图7是本申请实施例中增爬垫结构图；

图8是本申请实施例中第二端板一种结构图；

图9是本申请实施例中第二端板另一种结构图；

图10是本申请实施例中承压板一种结构图；

图11是本申请实施例中承压板另一种结构图；

图12是本申请实施例中子模块电路图；

图13是本申请实施例中igbt压装结构布局图；

其中，1-第一端板，2-第二端板，3-拉杆，6-第一igbt，7-第二igbt，8-第三igbt，9-第四igbt，10-第一散热器，11-第二散热器，12-第三散热器，13-第四散热器，14-第五散热器，15-第二凹槽，16-增爬垫，161-增爬垫底部，162-增爬垫侧部，17-承压板，171-承压板本体，172-第一凹槽，18-弹簧单元，181-弹簧，182-定位销，19-螺母。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明实施例提供了一种igbt压装结构，包括igbt组件、散热器组件和支撑组件；如图1-图4所示，支撑组件包括第一端板1、第二端板2和拉杆组件；第一端板1和第二端板2平行设置，拉杆组件的两端分别与第一端板1和第二端板2固定，也就是说，拉杆组件的一端通过螺纹与第一端板1固定，拉杆组件的另一端穿过第二端板2的通孔，再用螺母19紧固。第一端板1、第二端板2和拉杆组件形成容纳空间；igbt组件和散热器组件设置于容纳空间内部。

本申请实施例提供的igbt压装结构适用于全桥子模块，由于其具备负电平输出功能，因此具有具备直流故障穿越能力，即本申请实施例提供的igbt压装结构可以自己清除直流侧故障，故障恢复后自启动，直流侧故障自清除能力有利于架空线应用于柔性直流输电线路发展。

如图1-图4所示igbt组件包括第一igbt6、第二igbt7、第三igbt8和第四igbt9，也就是说igbt组件包括四个igbt；

散热器组件包括第一散热器10、第二散热器11、第三散热器12、第四散热器13和第五散热器14；也就是说散热器组件包括五个散热器；

第一散热器10、第一igbt6、第二散热器11、第二igbt7、第三散热器12、第三igbt8、第四散热器13、第四igbt9和第五散热器14依次排列，且相互接触；

第一散热器10与第一端板1接触连接，第五散热器14与第二端板2接触连接。

第一igbt6的发射极朝向第一散热器10，其集电极朝向第二散热器11；第二igbt7的发射极朝向第二散热器11，其集电极朝向第三散热器12；第三igbt8的发射极朝向第四散热器13，其集电极朝向第三散热器12；第四igbt9的发射极朝向第五散热器14，其集电极朝向第四散热器13。本申请实施例中，第二散热器11用于实现第一igbt6和第二igbt7的连接，且用于为第一igbt6和第二igbt7散热，第三散热器12实现第二igbt7和第三igbt8的连接，且用于为第二igbt7和第三igbt8散热，第四散热器13用于实现第三igbt8和第四igbt9的连接，且用于为第三igbt8和第四igbt9散热。

第五散热器14与第二端板2之间设有压力组件。

本申请实施例中igbt压装结构正视图、后视图和左视图分别如图3、图4和图5所示。

如图6所示，压力组件包括增爬垫16、承压板和弹簧组件；

增爬垫16一侧与第五散热器14接触连接，其另一侧通过承压板和弹簧组件与第二端板2连接。承压板承受来自于弹簧组件的压力，并将该压力整体施加到igbt组件和散热器组件上，同时对增爬垫底部161进行保护，并通过弹簧组件保证整个承压板的均匀受力，提高了igbt压装结构在实际应用中的稳定性；

弹簧组件包括至少一个弹簧单元18，如图6所示，弹簧单元18包括弹簧181和定位销182，弹簧181通过定位销182与承压板17固定。

弹簧181为一个或多个；当弹簧为多个时，多个弹簧181采用串联和/或并联的方式组合。

弹簧181为碟簧，碟簧为圆锥形盘状，行程短、负荷重、所需空间小、组合使用方便、维修换装容易、经济性高、使用寿命长，多个碟簧既可以单个使用，又可以采用串联和/或并联的方式组合，在上内缘和下外缘处承受沿轴向作用的静态或动态载荷，被压缩后产生变形，直至被压平，以储存能量形式作为活载荷，能够满足igbt组件所需压力和形变量，占用体积小。

承压板的具体结构图如图10和图11所示，承压板17包括承压板本体171，承压板本体171上设有与弹簧单元18数目相同的第一凹槽172，第二端板2靠近第五散热器14的一侧设有与弹簧单元18数目相同的第二凹槽15(如图8所示)；第二端板2的另一种结构图如图9所示。

弹簧单元18的两端分别与承压板和第二端板2接触，定位销182的两端分别置于第一凹槽172和第二凹槽15内部。通过定位销182将弹簧单元18紧固，避免出现弹簧单元18脱落的情况，为承压板所承受的载荷提供缓冲；

如图7所示，增爬垫16包括增爬垫底部161和增爬垫侧部162，增爬垫侧部162的下边缘与增爬垫底部161的边缘连接；

增爬垫侧部162的横截面为口字型，且增爬垫侧部162的外侧设有凸起。

承压板的形状与增爬垫底部161的形状相同，且承压板的尺寸小于增爬垫底部161的尺寸。

增爬垫16采用绝缘材料制成；实现了第二端板2和第五散热器14之间的绝缘要求，同时增爬垫侧部162的外侧设有凸起，能够增加第二端板2和第五散热器14之间的爬距；

承压板、第一端板1、第二端板2和散热器组件均采用金属材料制成。本申请实施例中，第一端板1和第二端板2选用的材料为40cr，由于40cr具有良好的综合力学性能，良好的低温冲击韧性和低的缺口敏感性，因此第一端板1和第二端板2在压装过程中不易变形，且第二端板2直接使用螺纹孔与拉杆3连接，尽可能减小厚度。

本申请实施例中的五个散热器均采用铝合金材料，具有较好的导电性能和导热性能，密度小，零件质量较轻，价格比铜低。

本申请实施例中的第五散热器14通过压力组件中的承压板17、弹簧181以及定位销182与第二端板2连接，第一散热器10与第一端板1连接，且第五散热器14与第一散热器10之间通过连接母排连接，由于第一端板1、第一散热器10、第五散热器14、第二端板2、承压板和弹簧都采用具有导电性的金属材质，保证了第五散热器14、压力组件、第二端板2、第一端板1和第一散热器10等电位，进一步实现了igbt压装结构与子模块框架等电位，igbt压装结构可以直接安装在子模块框架上，无需采用绝缘件。

第三散热器12与子模块中电容的正极连接，电容的负极与第一散热器10连接，且第一散热器10和第五散热器14通过连接母排连接，或者，电容的负极与第一散热器10和第二散热器11连接。

本申请实施例中的五个散热器为igbt的两面提供散热，散热采用水冷方式，每片散热器上有进水口和出水口，冷却水从散热器内部循环通过。

拉杆组件包括偶数个拉杆3；偶数个拉杆3均匀平行设置，且与第一端板1和第二端板2垂直。

每个拉杆3外侧设有绝缘套，用于实现拉杆3和igbt压装组件中与拉杆3距离较近部分的绝缘。

本申请实施例提供的igbt压装结构用于图12所示的子模块中，图12中，q11为第二igbt7，q12为第一igbt6，q21为第三igbt8，q22为第四igbt9，d1为与q11反并联的二极管，d2为与q12反并联的二极管，d3为与q22反并联的二极管，d4为与q21反并联的二极管，c为子模块中的电容。

根据图12所示的子模块电路图，本申请实施例提供图13所示的igbt压装布局图，图13中，在第一端板1和第二端板2之间从上到下依次压装第一散热器10、第一igbt6、第二散热器11、第二igbt7、第三散热器12、第三igbt8、第四散热器13、第四igbt9、第五散热器14，第五散热器14与第二段板之间压装弹簧单元18。图13中的bus+连接子模块中电容的正极，bus-连接子模块中电容的负极。第二散热器11为子模块的进出线母排正极端(图13中的+)，第四散热器13为子模块的进出线母排的负极端(图13中的-)。

本申请实施例提供的igbt压装结构通过五个散热器、第一端板1、第二端板2和拉杆组件实现全桥子模块中四个igbt的压装，在不改变子模块体积的基础上，实现了全桥子模块中igbt的压装，使全桥子模块的体积与半桥子模块的体积相同，结构紧凑。在性能以及可靠性等方面具有如下优势：

1)对称结构设计带来了极低的内部杂散电感分布，同时芯片之间杂散电感一致，改善了器件内部的均流特性；

2)可以通过发射极和集电极双面同时散热，理论上拥有双倍于常规焊接灌封器件的传热能力；

3)失效时为短路模式，与传统igbt模块的失效开路特性相比，这种特性可在多模块串联应用的系统中提供器件的冗余备份功能。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员参照上述实施例依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的保护范围之内。