[发明专利]基于焊接型IGBT与压接型二极管反并联串联结构的换流单元

说明书

技术领域

本发明涉及电力电子半导体器件应用领域，具体讲涉及一种基于焊接型IGBT与压接型二极管反并联串联结构的换流单元。

背景技术

绝缘栅双极型晶体管(IGBT，Insulated Gate Bipolar Transistor)是20世纪80年代中期出现的一种半导体电力开关器件，它的输入控制部分为金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET，Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor)，输出级为双极结型晶体管，兼有MOSFET和电力晶体管的优点：高输入阻抗，电压控制，驱动功率小，开关速度快，工作频率可达10～40kHz，饱和压降低，电压电流容量较大，安全工作区宽，但单个IGBT的电压、电流允许值很难再提高，为了应用于高电压、大功率的领域，可以采用模块化多电平和H桥级联多电平的方法。

模块化多电平技术和H桥级联多电平技术均为一种多电平换流器技术，每相桥臂采用多个电气、结构和功能相同的子单元串联而成，并且将直流侧支撑电容分散集成到单个子单元中，每个子单元包含一个直流电源(一般为直流储能电容)，单个子单元主功率开关管的不同开关组合具备类似于单刀双掷开关的功能，不同开关组合与直流电源相互配合，从而形成了具有两种电平输出的“可控电压源”，H桥级联技术区别模块化多电平技术在于H桥级联技术没有直流母线。

传统模块化多电平技术和H桥级联多电平技术的子换流单元受到IGBT器件额定电压的限制，难以进一步提高电压，需要通过引入IGBT串联以提高子模块的电压与容量，同时各个换流单元间会产生电压不平衡的情况，而高电压、大功率的应用领域决定了一旦出现严重的电压不平衡，IGBT将不可避免的出现失效甚至爆炸，而IGBT出现断路实现或者发生爆炸后，又会损坏这些大功率电力电子装置，造成严重的损失。

目前半导体器件的封装形式主要有焊接型和平板压接型两种，焊接型具有体积小，安装方便，结构简单等优点，但器件只能单面散热，要求地板既要绝缘又要导热性能好，其失效形式为断路形式，平板压接型结构是将器件和双面散热器紧固在一起，散热器既作散热又作电极之用，散热性能好，器件工作安全可靠，失效模式为短路形式。

发明内容

针对现有技术存在的上述缺陷，本发明的目的是提供一种基于焊接型IGBT与压接型二极管反并联结构的换流单元，焊接型IGBT出现断路故障时，故障的IGBT为短路失效形式，不影响整个IGBT串联结构的工作，此外，反并联二极管耐压值稍低于IGBT耐压值，当焊接型IGBT出现电压超出正常工作电压的异常工况时，压接型二极管会过压击穿，形成短路失效，保护该IGBT不至于损坏，采用本结构可以省去传统换流单元必需的保护用晶闸管。本发明提供的一种换流单元包括：IGBT模块和电容，所述IGBT模块包括基于焊接型IGBT与压接型二极管反并联串联结构模块；

所述基于焊接型IGBT与压接型二极管反并联串联结构模块包括串联的焊接型IGBT串联及其相应的压接型二极管，一个IGBT的发射极与下一个IGBT的集电极通过低感导线相连接，压接型二极管反并联于其相应的焊接型IGBT的集电极和发射极之间；

所述IGBT模块与所述电容并联。

本发明提供的第一优选技术方案中：所述IGBT模块包括半桥结构，所述半桥结构包括一个桥臂，桥臂包括上下两个所述基于焊接型IGBT与压接型二极管反并联串联结构模块。

本发明提供的第二优选技术方案中：所述IGBT模块包括H桥结构，所述H桥结构包括对称的两个桥臂，每个桥臂包括上下两个所述基于焊接型IGBT与压接型二极管反并联串联结构模块。

本发明提供的第三优选技术方案中：所述压接型二极管通过平板压接的封装形式封装进散热器里，所述焊接型IGBT的集电极与发射极固定在所述散热器两端。

本发明提供的第四优选技术方案中：所述压接型二极管通过20KN-80KN强力压接与散热器压合。

本发明提供的第五优选技术方案中：所述压接型二极管为压接型碳化硅二极管。

本发明提供的第六优选技术方案中：所述压接型二极管的耐压值低于IGBT耐压值。

本发明提供的第七优选技术方案中：提供一种模块化多电平结构电压源换流器，一端连接高压直流输电的直流网络侧(1)，另一端连接三相交流网络侧(2)，所述模块化多电平结构电压源换流器包括三相支路，每相支路包括串联的半桥结构IGBT模块的换流单元。