本發(fā)明涉及功率器件的結(jié)構(gòu)，具體為一種新型IGBT布局方法。

背景技術(shù)：

現(xiàn)代電力電子應(yīng)用技術(shù)中，功率器件正朝著大功率發(fā)展，與之相關(guān)的變流器和功率模塊卻朝著小型化發(fā)展。功率模塊一般包括功率器件、散熱器、功率器件驅(qū)動器、復(fù)合母排等部件，功率模塊是變流器主電路集成化的體現(xiàn)。由于變流器的小型化要求，希望功率模塊功能越來越集中，外形越來越小。這給功率模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來一定的難度。在功率模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中最基礎(chǔ)的也是最重要的技術(shù)就是IGBT在散熱器上的布局技術(shù)，IGBT布局合理，工作可靠，功能集中，意味著功率模塊的設(shè)計(jì)就越成功。

當(dāng)前的功率模塊結(jié)構(gòu)如下： 1）單個功率模塊實(shí)現(xiàn)一種或兩種功率轉(zhuǎn)化功能；

2）多個功率模塊在變流器中通過外在電氣連接實(shí)現(xiàn)整體功能。

這種技術(shù)方案存在如下缺點(diǎn)：

1）功率模塊功能單一

當(dāng)前的功率模塊功能單一。單個模塊只能完成整流功能，或者逆變斬波功能。甚者有時候單個功率模塊只能完成整流的一部分或逆變斬波的一部分，功率模塊的功率轉(zhuǎn)功能不能高度集中。

2）功率模塊在變流器中所占空間大

由于單個功率模塊功能單一，根據(jù)變流器的需要，往往是多個功率模塊在變流器中通過外在電氣連接才能實(shí)現(xiàn)完整的變流器功能。此外，在變流器結(jié)構(gòu)中，多個功率模塊除了自身放置空間外，模塊之間還應(yīng)留有間隔空間，變流器柜體需要存放模塊而存在機(jī)械支撐，高低壓電氣連接存在銅排連接或線束走線等因素，從而導(dǎo)致功率模塊在變流器中所占大部分空間。

3）變流器成本增高

變流器中完成功能轉(zhuǎn)換的功率模塊數(shù)量增多，自然會使變流器整體成本增高。成本是提高市場競爭力的極大約束因素。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為解決目前電力電子應(yīng)用技術(shù)中功率器件普遍存在功率模塊功能單一、功率模塊在變流器中所占空間大以及變流器成本高的技術(shù)問題，提供一種新型IGBT布局方法。

本發(fā)明是采用以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：一種新型IGBT布局方法，由設(shè)在長方形散熱器上的12個逆變功率器件、1只斬波功率器件和1只續(xù)流二極管組成；所述斬波功率器件和續(xù)流二極管構(gòu)成斬波功率單元；12個逆變功率器件以 3個組成一組逆變功率單元，一共形成四組逆變功率單元；每組逆變功率單元中的三個逆變功率器件均順次排列成與散熱器的短邊平行的形式；所述續(xù)流二極管和斬波功率器件也排列成與散熱器短邊平行的方式；斬波功率單元緊靠散熱器的一條短邊布局，四組逆變功率單元則相互平行的排列在斬波功率單元到散熱器另一條短邊的區(qū)域。

進(jìn)一步的，逆變功率器件采用雙管封裝的3300V/400A的IGBT，斬波功率器件采用單管3300V/1500A的IGBT，續(xù)流二極管為3300V/1000A雙管封裝。

現(xiàn)有的地鐵永磁牽引逆變器技術(shù)中，每臺牽引逆變器采用4×1C1M的地鐵牽引動力配置方式，即每個牽引逆變器中每個逆變單元只為一個牽引電機(jī)供電。牽引逆變斬波功率模塊是該變流器的主要部件，如圖1所示。牽引逆變斬波功率模塊由4組逆變功率單元和1組斬波功率單元組成。

它將濾波后的中間直流電壓逆變成為牽引電機(jī)需要的三相交流電。同時牽引電機(jī)制動時，斬波回路完成地鐵車輛電阻制動功能，實(shí)施電阻制動。如上述所知，按照正常設(shè)計(jì)，一共需要4個功率模塊共26只功率器件才能完成所有的功能轉(zhuǎn)換。但由于該變流器整體外形限制，功率模塊需要最大極限的縮小尺寸，而新型IGBT布局是滿足這一要求的關(guān)鍵。所以經(jīng)過IGBT布局設(shè)計(jì)，主要解決以下問題：

1）4個功率模塊集成1個功率模塊；

2）功率模塊在變流器中安裝的空間減小且集中；

3）由于功率模塊數(shù)量減少，變流器成本降低。

本發(fā)明在現(xiàn)有的地鐵永磁逆變器基礎(chǔ)上，開發(fā)一種新型IGBT布局技術(shù)，將5種功率單元整合在成一個功能模塊，通過對IGBT的布局進(jìn)行研究，滿足逆變器功率模塊小型化，器件集中的要求。

如圖1電氣原理圖所示，功率模塊的功率器件數(shù)量眾多，如何將這么多的功率器件集成在一個散熱器上并可靠工作，需要從以下四個方面考慮：

1）器件選型；

2）器件功率損耗計(jì)算；

3）散熱器選擇；

4）散熱仿真。

1、器件選型

已知技術(shù)參數(shù)如下所示：

最大控制容量 1291kVA（4×1C1M）

額定輸入電壓 DC 1500V

電壓變化范圍 DC 1000V～1800V

瞬時最高電壓（再生時） DC1980V

輸出電壓 三相AC 0-1130V

最大輸出電流 4×165A

輸出頻率范圍 0-280Hz

通過計(jì)算得知，逆變功率器件選雙管封裝的3300V/400A的IGBT，斬波功率器件選單管3300V/1500A的IGBT，續(xù)流二極管為3300V/1000A雙管封裝。

經(jīng)過合理的器件選型，功率器件由最初的26只減少為14只，分別為逆變IGBT12只，1只斬波IGBT，1只續(xù)流二極管。IGBT布局如圖1所示，它由4組逆變功率單元和1組斬波功率單元組成。

為實(shí)現(xiàn)單個功率模塊的結(jié)構(gòu)提供基礎(chǔ)。但14只功率器件能否在一個散熱器上可靠工作，需要對器件的功耗和散熱進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算和仿真。

2、功率器件功耗計(jì)算

P_總功耗=P_{逆變器件IGBT}+P_斬波IGBT+P_{續(xù)流二極管}；

P_{逆變器件IGBT}= IGBT芯片功耗+反并聯(lián)續(xù)流二極管（FWD）損耗=0.72kW；

P_斬波IGBT= I_CP x V_CE（sat）xD=2.2kW；

P_{續(xù)流二極管}=0.72kW；

P_總功耗=P_{逆變器件IGBT}+P_斬波IGBT+P_{續(xù)流二極管}=0.72x12kW+2.2kW+0.72kW=11.56kW。

3、散熱器選擇

為保證所有功率器件正常工作時產(chǎn)生的熱量都能被散熱器全部散去，需要選擇合適的散熱器。本發(fā)明功率器件總功耗為11.56kW，常用在地鐵上的熱管散熱器已不能滿足要求，選擇散熱效果較好的風(fēng)冷散熱器。散熱器采用模壓成型，表面貼裝方式安裝功率器件，為防止翅片氧化，除器件安裝面，其余表面采用陽極氧化發(fā)黑處理。

4、散熱仿真

1）IGBT結(jié)溫散熱核算

逆變IGBT結(jié)溫為125℃，考慮10℃安全裕量，取Tｖj =115℃。

IGBT管殼最高溫度為：TC = Tｖj -PT?Rth(j-c) =115-309×0.036=103.876℃；

散熱器基板最高溫度為：Ts = Tc -PT?Rth(c-s) =103.876-309×0.016=98.932℃；

二極管殼最高溫度為：TC-DIODE = Tvj-DIODE-PD?Rth(j-c)-DIODE =115-51×0.072=111.328℃；

散熱器基板最高溫度為：Ts = TC-DIODE-PD?Rth(c-s)-DIODE=111.328-51×0.016=110.512℃；

斬波IGBT結(jié)溫為150℃，考慮10℃安全裕量，取Tｖj =140℃。

IGBT管殼最高溫度為：TC = Tｖj -PT?Rth(j-c) =140-2200×0.0085=121.3℃；

散熱器基板最高溫度為：Ts = Tc -PT?Rth(c-s) =121.3-2200×0.009=101.5℃；

其中：TC ：IGBT殼溫

Tｖj ：IGBT結(jié)溫

PT：IGBT功耗

Ts ：IGBT基板溫度

Rth(j-c) ：IGBT結(jié)殼熱阻

Rth(c-s) ：IGBT基板與殼間熱阻

因此設(shè)計(jì)要求環(huán)境溫度為40℃時，設(shè)計(jì)散熱器基板最高溫度小于98.932℃，即可滿足設(shè)計(jì)要求。

2）散熱仿真

牽引逆變功率模塊單只IGBT的功率損耗為：0.72kW，共0.72×12kW=8.64kW;

斬波IGBT功率損耗為2.2kW；

二極管功率損耗為0.72kW；

散熱仿真結(jié)果圖3所示。

從以上分析并結(jié)合圖示可得知，散熱器表面最高點(diǎn)溫度為88.1℃，低于理論計(jì)算中的散熱器表面溫度98.9℃。該風(fēng)冷散熱設(shè)計(jì)方案完全滿足設(shè)計(jì)要求，此種IGBT布局完全可行。

附圖說明

圖1地鐵永磁牽引逆變器電氣原理圖。

圖2本發(fā)明所述的IGBT布局正視圖。

圖3本發(fā)明所述IGBT布局的散熱仿真結(jié)果。

圖4本發(fā)明所述的IGBT布局的立體示意圖。

圖5 IGBT布局的尺寸圖。

圖6功率模塊的三維模型示意圖。

圖7功率模塊在變流器中的放置位置示意圖。

1-第一逆變功率單元，2-第二逆變功率單元，3-第三逆變功率單元，4-第四逆變功率單元，5-斬波功率單元，6-功率模塊，7-ATI，8-TCU，9-預(yù)充電電阻，10-輸入接觸器。

具體實(shí)施方式

一種新型IGBT布局方法，由設(shè)在長方形散熱器上的12個逆變功率器件、1只斬波功率器件和1只續(xù)流二極管組成；所述斬波功率器件和續(xù)流二極管構(gòu)成斬波功率單元；12個逆變功率器件以 3個組成一組逆變功率單元，一共形成四組逆變功率單元；每組逆變功率單元中的三個逆變功率器件均順次排列成與散熱器的短邊平行的形式；所述續(xù)流二極管和斬波功率器件也排列成與散熱器短邊平行的方式；斬波功率單元緊靠散熱器的一條短邊布局，四組逆變功率單元則相互平行的排列在斬波功率單元到散熱器另一條短邊的區(qū)域。

逆變功率器件采用雙管封裝的3300V/400A的IGBT，斬波功率器件采用單管3300V/1500A的IGBT，續(xù)流二極管為3300V/1000A雙管封裝。

所述散熱器的長度為980mm，寬度為485mm；相鄰逆變功率單元之間的間距為50mm，斬波功率單元和與其鄰近的逆變功率單元之間的間距為70mm；最靠近散熱器另一條短邊的逆變功率單元與該短邊的間距為30mm；每組逆變功率單元的上端與最鄰近的散熱器長邊的間距為40mm；每個逆變功率器件的長度為140mm，寬度為130mm；同組逆變功率單元相鄰的兩個逆變功率器件之間的間距為15mm。

散熱器采用風(fēng)冷散熱器；散熱器采用模壓成型，采用表面貼裝方式安裝功率器件；除器件安裝面，其余表面采用陽極氧化發(fā)黑處理。

如圖2、4、5所示，四個逆變功率單元與一個斬波功率單元排列在散熱器上。