專利名稱：集成化大功率斬波器及高頻開關(guān)電源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種大功率斬波器及高頻開關(guān)電源，特別是能夠抑制開關(guān)毛刺及電磁 干擾的集成化大功率斬波器，以及應(yīng)用該大功率斬波器的高頻開關(guān)電源。
背景技術(shù)：
大功率直流斬波穩(wěn)壓電源，通常是指輸出功率為數(shù)十千瓦——數(shù)兆瓦，甚至更高 功率的高頻開關(guān)電源。這種大功率直流穩(wěn)壓電源可廣泛應(yīng)用于感應(yīng)加熱、冶金、采礦等領(lǐng) 域，可以滿足大功率直流電機調(diào)速以及大功率通信和科研領(lǐng)域?qū)Υ蠊β孰娫吹膽?yīng)用需求， 例如兆瓦級長波發(fā)射等工業(yè)場合。尤其在中高頻感應(yīng)加熱方面，大功率直流穩(wěn)壓電源的應(yīng) 用十分普遍。例如在中高頻鋼管焊接的場合，大功率直流穩(wěn)壓電源通常被用于向逆變裝置 提供大功率的直流電能和加熱調(diào)功用途，由逆變裝置做逆變后，輸出給焊接或熱處理設(shè)備。 以往，大功率直流穩(wěn)壓電源輸出的高頻開關(guān)電能，主要是由大功率可控硅構(gòu)成的整流橋?qū)?三相工頻交流供電電源進行整流調(diào)壓獲得。由于可控硅屬移相調(diào)壓器件，使用大功率可控 硅整流必然會導致功率因數(shù)下降。為了提高功率因數(shù)，降低電網(wǎng)諧波污染，提高供電電源的 有功效率，用電單位通常需要在變電站增加設(shè)置無功補償設(shè)備，但這樣會增加額外的資金 投入。近年來，隨著整個社會對節(jié)約電能，減少電網(wǎng)污染等要求不斷提高，業(yè)界越來越多 地采用脈寬調(diào)制(Pulse Width Modulation，簡稱PWM)技術(shù)，采用大功率絕緣柵雙極晶體 管(Insulated Gate Bipolar Transistor，簡稱IGBT制造大功率直流穩(wěn)壓電源；其中， IGBT被用于大功率直流穩(wěn)壓電源的降壓斬波電路(Buck chopper)，是其中的核心執(zhí)行元 件。這種采用IGBT構(gòu)成的直流穩(wěn)壓電源實質(zhì)上是一種開關(guān)電源，其輸出的電壓波形是方 波。采用IGBT制造的直流穩(wěn)壓電源相比于使用可控硅制造的直流電源，采用的是非相控 整流供電方式，其對于電源功率因數(shù)的影響非常低，對電網(wǎng)的波形畸變影響小，穩(wěn)壓性能更 好。因此，采用IGBT制造開關(guān)電源是大功率直流穩(wěn)壓電源的發(fā)展趨勢。參見圖1，其為一典型的、采用大功率IGBT構(gòu)成的開關(guān)電源的原理圖。其中，IGBT 模塊2和電容器1連接成降壓型單模塊大功率斬波器9。該單模塊大功率斬波器9的輸入 電能由外接的直流電壓源8提供。在具體的工業(yè)場合中，該外接的直流電壓源8通常是三 相工頻交流電經(jīng)大功率不控整流橋整流后獲得。該不控整流橋通常采用大功率整流二極管 構(gòu)成。PWM控制電路板(圖中未示)輸出的PWM控制信號經(jīng)一柵極電阻Rg連接到IGBT模 塊2的控制端，以控制IGBT模塊2執(zhí)行開關(guān)動作。IGBT模塊2由IGBT、續(xù)流二極管D和阻 斷二極管Dr連接構(gòu)成。其中，續(xù)流二極管D和IGBT串接于主回路上；續(xù)流二極管D在IGBT 斷開時，承擔輸出電流的續(xù)流任務(wù)；阻斷二極管Dr與IGBT反向并聯(lián)。圖1所示的電路在 正常工作時，輸出端6、7之間輸出的直流電壓比輸入端4、5之間輸入的直流電壓較低，因此 IGBT的阻斷二極管Dr承受反向電壓而阻斷。既使是大功率的IGBT，由于器件工藝以及散熱等原因，其輸出功率也是有限的，通 常單個IGBT的通過電流只有數(shù)百安培。而在一些工業(yè)應(yīng)用場合中，單一的IGBT模塊不能滿足高功率輸出要求。因此，業(yè)界常常采用多個單模塊大功率斬波器9進行并聯(lián)，構(gòu)成如圖 2所示的大功率斬波器10，以提供更大的輸出功率。參見圖2，該大功率斬波器10主要是由 圖1所示單模塊大功率斬波器9相互并聯(lián)構(gòu)成。其中，主要是采用銅極板、將多個單模塊大 功率斬波器9的輸入端4、5分別相互并接，同時將該些單模塊大功率斬波器9的輸出端6、 7分別相互并接；由此構(gòu)成大功率斬波器10。由圖1、圖2可以看出上述單模塊大功率斬波器9或者大功率斬波器10在大功率 開關(guān)電源中承擔著全部的功率負荷，在一些具有電壓高，電流大，而且梯度陡(變化突然) 特點的工業(yè)應(yīng)用場合，例如中高頻焊接、大功率直流電機調(diào)速等方面，保證IGBT在高電壓 (數(shù)百伏以上)，大電流(數(shù)百安以上)的條件下能夠可靠運行是非常困難的。在大功率變流技術(shù)應(yīng)用中，IGBT等晶體管承受過電壓過電流的能力有限，其過電 流幅值通常為額定值的2倍，而承受過流的時間也較短，通常僅為1毫秒左右；而在承受過 電壓方面，IGBT不能承受高于標稱電壓的沖擊。為了防止IGBT器件的過壓損壞，應(yīng)當盡量 降低主電路連線的布線電感參數(shù)。但是，由于單個IGBT能夠提供的電流容量有限(僅數(shù)百 安培)，要提供更大額定電流的負載能力，實際上必須要將多個單個IGBT并聯(lián)使用。由于半 導體器件的參數(shù)離散性，IGBT器件并聯(lián)時會產(chǎn)生不均壓和不均流，并且會由于主回路布線 不合理產(chǎn)生過大的開關(guān)尖峰電壓威脅IGBT安全。參見圖3，其為采用示波器記錄到的、輸出 額定電壓為240V的普通斬波電路在60%左右額定電壓(約150V)、電流負荷情況下，IGBT 器件關(guān)斷時出現(xiàn)的尖峰沖擊電壓(對于該沖擊電壓，業(yè)界也俗稱其為毛刺)的波形照片。 圖3中的橫坐標表示時間，縱坐標表示電壓幅值；其中，在縱坐標方向上，每一小格表示50V 的電壓幅值。從圖3可以看出僅在約60%負荷的情況下，關(guān)斷毛刺的幅值較大，為230V左 右；隨著負載電流增加，毛刺會繼續(xù)增大，甚至超出IGBT能夠承受的電壓。顯然，這會威脅 到IGBT器件的運行安全。 為了解決上述毛刺幅值過大的問題，業(yè)界一般的做法是在負載主回路中采用快速 吸收緩沖電路進行保護。但是，在一些負載經(jīng)常頻繁大幅度變化的應(yīng)用場合，例如高頻 焊接、直流電機調(diào)速等，這種手段的作用及其有限?；谏鲜龅姆N種客觀原因，現(xiàn)有的采用 IGBT制造的大功率斬波器常常會在負載較低的時候尚能工作，一旦負載增加到接近額定負 載時，就會出現(xiàn)IGBT器件因毛刺過大，而造成永久性損壞。因此，使用IGBT制造出可靠性 高的大功率斬波器，在客觀上難以實現(xiàn)。這也是到目前為止，業(yè)界還沒有大規(guī)模制造和使用 由IGBT器件構(gòu)成的大功率直流開關(guān)電源的主要原因。為此，一些研究機構(gòu)曾經(jīng)在專業(yè)的技 術(shù)論文中專門進行過討論，認為在高電壓、大電流的應(yīng)用場合，IGBT模塊遠遠不如可控硅 的運行狀態(tài)穩(wěn)定性；但是，如上所述如果使用可控硅制造大功率斬波器，勢必導致功率因 數(shù)降低等不利影響。因此，解決IGBT模塊運行可靠性、安全性的問題是業(yè)界一直在努力的 目標。本發(fā)明人在做出本發(fā)明的過程中，經(jīng)過深入研究發(fā)現(xiàn)盡管圖1、圖2所示的電路 在原理上可以實現(xiàn)，但僅滿足于電氣連接無誤是遠遠不夠的，很多斬波電源開發(fā)失敗的原 因不是電路設(shè)計錯誤，而是功率主電路的關(guān)鍵功率元件布局及連接工藝設(shè)計不合理，導致 過大的開關(guān)毛刺、電磁干擾(Electromagnetic interference簡稱EMI)的存在，電磁兼容 性(ElectroMagnetic Compatibility，簡稱EMC)不能滿足要求。參見圖4，在現(xiàn)有技術(shù)中，在制造圖1、2所示的大功率斬波器時，一般僅僅基于一般的冷卻、導電匯流排 線布置要求，采用分離安裝的方式，將多個IGBT模塊2、PWM控制電路 板60等部件設(shè)置在開關(guān)電源柜80內(nèi)；其中，為了保證散熱，IGBT模塊2通常設(shè)置在水冷板 上(圖中未示)；在這樣的布局設(shè)計中，并沒有妥善考慮前述毛刺、EMI、EMC等問題，對IGBT 模塊2等功率部件在開關(guān)電源柜80中的布局進行針對性設(shè)計，由此導致斬波主回路的分布 參數(shù)因雜散電感較大而變差，引起的毛刺隨負載電流的增加而增加，威脅IGBT的安全。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明一個方面是提供一種集成化大功率斬波器，其具有能夠抑制開關(guān)毛刺及 電磁干擾的集成化結(jié)構(gòu)，具有集成化結(jié)構(gòu)大功率斬波器，可以集成串并聯(lián)方式連接的多個 IGBT模塊，進而提高整個斬波器的輸出功率，形成便于安裝的一體化部件結(jié)構(gòu)，同時能夠以 較小的分布電感抑制電磁干擾、毛刺對IGBT模塊的影響，確保整個斬波器的運行安全。為了實現(xiàn)上述的發(fā)明目的，本發(fā)明提供了這樣一類集成化大功率斬波器，它由多 個相互并聯(lián)的大功率斬波器構(gòu)成。其中，所謂的大功率斬波器由大功率IGBT模塊、濾波電 容和冷卻裝置連接構(gòu)成。在電氣方面，大功率IGBT模塊的柵極連接PWM控制電路板的PWM 控制信號。在結(jié)構(gòu)方面，大功率IGBT模塊和冷卻裝置及濾波電容集中地固設(shè)在能夠屏蔽電 磁干擾的第一箱體內(nèi)，使得主電路連接的分布電感參數(shù)大幅度減小；前述PWM控制電路板 則設(shè)置在能夠屏蔽電磁干擾的第二箱體內(nèi)。在第一箱體上設(shè)有多個開孔，這樣，連接IGBT 模塊輸出端的電極導體，能夠基于這些開孔的設(shè)置，露出到第一箱體之外，以便于前述這些 電極導體與高頻開關(guān)電源的直流電源輸入、輸出電纜或者端子連接。另外，冷卻裝置上設(shè)置 的用于連接輸送冷卻介質(zhì)的管路接口也經(jīng)由前述的開孔由第一箱體露出。上述的集成化大功率斬波器，相對于現(xiàn)有技術(shù)而言，就是將大功率IGBT模塊和冷 卻裝置及濾波電容等強電部件集中地固設(shè)在能夠屏蔽電磁干擾的第一箱體內(nèi)，將PWM控制 電路板設(shè)置在能夠屏蔽電磁干擾的第二箱體內(nèi)。這樣，一方面使得外界的電磁干擾幾乎不 會對第一箱體和第二箱體內(nèi)的部件及電路造成任何干擾，從而能夠可靠地抑制電磁干擾、 大大減小毛刺的幅值，確保整個斬波器的運行安全；另一方面，基于這種安全可靠的集成化 大功率斬波器，可以采用相互并聯(lián)和/或串聯(lián)的方式將多個集成化大功率斬波器連接在一 起，構(gòu)成具有更大輸出功率的集成化斬波器，能夠在滿足數(shù)十千瓦以上直流開關(guān)電源需求 的同時，一方面能夠保證供電電源的有功功率不會降低，同時亦能降低甚至免除用電單位 因功率補償而花費的投資。本發(fā)明的另一個方面是提供一種采用上述集成化大功率斬波器的高頻開關(guān)電源， 其采用具有集成化結(jié)構(gòu)大功率斬波器制成，能夠安全、有效地提供適于工業(yè)應(yīng)用的大功率 直流開關(guān)電源，同時能夠提高供電電源的有功效率，節(jié)省或者降低因無功補償?shù)馁Y金投入。為了實現(xiàn)本發(fā)明第二個方面的目的，本發(fā)明提供了這樣一類包括上述集成化大功 率斬波器的高頻開關(guān)電源；其中包括用于對工頻交流電源進行整流的不控整流器，連接該 不控整流器的濾波電路；前述的集成化大功率斬波器為多個，且相互并聯(lián)和/或串聯(lián)連接； 集成化大功率斬波器的冷卻裝置與冷卻介質(zhì)輸送管路連接。鑒于上述集成化大功率斬波器相對于現(xiàn)有技術(shù)的優(yōu)點，本發(fā)明的高頻開關(guān)電源能 夠確保運行安全；與此同時，基于上述安全可靠的集成化大功率斬波器，采用相互并聯(lián)和/ 或串聯(lián)的方式將多個集成化大功率斬波器連接在一起，就可以獲得具有更大輸出功率的高頻開關(guān)電源，能夠在滿足數(shù)十千瓦以上直流開關(guān)電源需求的同時，一方面能夠保證供電電 源的有功功率不會降低，同時亦能降低甚至免除用電單位因功率補償而花費的投資。為使本發(fā)明更加有利于理解，以下結(jié)合若干實施例和附圖，對本發(fā)明的一些技術(shù) 方案做進一步的詳細描述。


圖1是采用大功率IGBT構(gòu)成的大功率斬波器的原理圖；圖2是由圖1所示斬波器相互并聯(lián)構(gòu)成的大功率斬波器的原理圖；圖3是示波器顯示的普通斬波電路關(guān)斷IGBT器件時沖擊電壓的波形照片；圖4是現(xiàn)有技術(shù)中斬波器在電源柜中分離設(shè)置的示意圖；圖5是本發(fā)明集成化大功率斬波器第一箱體的示意圖；圖6是本發(fā)明集成化大功率斬波器第二箱體的示意圖；圖7是示波器顯示的本發(fā)明第一實施方式斬波器輸出150V直流電壓的波形照 片；圖8是示波器顯示的本發(fā)明第一實施方式斬波器輸出240V直流電壓的波形照 片；圖9是本發(fā)明另一個實施方式中集成化大功率斬波器的整體展開示意圖；圖10是反映圖9內(nèi)部主要部件結(jié)構(gòu)關(guān)系示意圖；圖11是圖9內(nèi)第一箱體內(nèi)部部件裝配結(jié)構(gòu)示意圖；圖12是圖9所示集成化大功率斬波器完整裝配的示意圖；圖13是本發(fā)明又一具體實施方式
中集成化大功率斬波器的整體展開結(jié)構(gòu)示意 圖；圖14是圖13所示集成化大功率斬波器完整裝配的示意圖。
具體實施例方式參見圖5和圖6，本發(fā)明集成化大功率斬波器的一類實施方式具體包括兩個能夠 屏蔽電磁干擾的箱體，第一箱體40和第二箱體41 ；其中，第一箱體40內(nèi)緊湊地固定設(shè)置多 個相互并聯(lián)的大功率斬波器(圖中未示)，這些大功率斬波器由大功率IGBT模塊、濾波電容 和冷卻裝置構(gòu)成。用于產(chǎn)生PWM控制信號的PWM控制電路板60設(shè)置在圖6所示的第二箱 體41內(nèi)。由于連接安裝在第一箱體40的大功率IGBT模塊輸出端的電極導體55、57和連接 濾波電容的電極導體61、62，連接冷卻裝置的管路接口 48a需要露出第一箱體40，以便于這 些部件與其他電路或者冷卻介質(zhì)管路連接，在第一箱體40上開設(shè)有多個開孔40a、40b。此外，為了減小分布電感，在第一箱體內(nèi)部，可以將輸入到第一箱體內(nèi)的直流電源 與本發(fā)明集成化大功率斬波器的輸出之間的公共端，連接于同一內(nèi)部導體，例如電極銅 板；但分別在該電極板的兩端連接。以本實施方式為例假定濾波電容的電極導體62接輸 入直流電源的負極，大功率IGBT模塊輸出端的負極連接電極導體55。在第一箱體40內(nèi)部， 將電極導體62、55連接于同一電極銅板的兩端；即將直流電源輸入和斬波器輸出的公共 端分開連接。這樣做可以大幅減小集成化大功率斬波器的尖峰毛刺。
如上所述的大功率IGBT模塊相互之間以及與PWM控制信號之間的電氣連接關(guān)系與現(xiàn)有技術(shù)相同。在第一箱體40和第二箱體41分離設(shè)置時，由于大功率IGBT模塊和PWM 控制電路板分處于相互獨立的第一箱體40和第二箱體41，因此，在第一箱體40和第二箱體 41上還需要分別開設(shè)過孔40b、41b，以使連接IGBT模塊柵極和PWM控制電路板的PWM控制 信號的導線穿過該過孔40b、41b，保證PWM控制信號能夠連接到大功率IGBT模塊。本發(fā)明在上述能夠屏蔽電磁干擾的第一箱體40中，集中、緊湊地設(shè)置構(gòu)成大功率 IGBT模塊、濾波電容和冷卻裝置。這樣的設(shè)置結(jié)構(gòu)，一方面確保了大功率IGBT模塊在額定 功率輸出的工作狀態(tài)下，依然能夠得到充分的冷卻。同時，最為重要的是將IGBT模塊與高 頻開關(guān)電源柜體中產(chǎn)生的電磁干擾環(huán)境隔離開來，將電磁干擾屏蔽在第一箱體40之外，改 善了斬波器分布參數(shù)的結(jié)構(gòu)，大幅度地降低了沖擊電壓(毛刺)的幅值。此外，由于將產(chǎn)生 PWM控制信號的PWM控制電路板設(shè)置于能夠屏蔽電磁干擾的第二箱體41中，使得前述的電 磁干擾對PWM控制電路板等弱點部件的影響盡可能地降得最低。參見圖7，其為采用本發(fā)明上述實施方案制造的集成化大功率斬波器輸出150V直 流電壓時的波形照片。150V直流輸出電壓在上述的實施方案中，僅為額定輸出電壓的60% 左右。之所以選擇150V輸出電壓進行測試，是為了與前面所提到的現(xiàn)有技術(shù)斬波器輸出的 毛刺進行直接的比較。從圖7中可以看出同樣輸出150V的直流電壓，本發(fā)明集成化大功 率斬波器IGBT模塊在開通時上沖毛刺的幅值僅為20V左右，在關(guān)斷時，下沖毛刺僅為25V 左右。而現(xiàn)有技術(shù)普通斬波電路在60%左右額定電壓(約150V)的情況下，其關(guān)斷時的下 沖毛刺達到230左右，相當于本發(fā)明集成化大功率斬波器毛刺幅值的11倍左右。由此可見， 采用本發(fā)明的集成化結(jié)構(gòu)制造的大功率斬波器相比于現(xiàn)有技術(shù)的普通斬波器，在抑制毛刺 方面具有非常明顯的優(yōu)勢。請進一步參見圖8，其為采用本發(fā)明上述實施方案制造的集成化大功率斬波器輸 出240V直流電壓(滿負荷，亦即最為惡劣的運行情況)時測得的波形照片。從圖8所顯示 的波形可以看出本發(fā)明集成化大功率斬波器在IGBT模塊開通時的上沖毛刺以及在關(guān)斷 時的下沖毛刺均為25V左右。這說明本發(fā)明集成化大功率斬波器的主回路分布參數(shù)(雜 散電感)很小，使得毛刺得到了非常好地抑制。參見圖9、10、11、12，其為本發(fā)明集成化大功率斬波器又一具體實施方式
的裝配結(jié) 構(gòu)詳細示意圖。該集成化大功率斬波器主要由第一箱體及其內(nèi)部的大功率IGBT模塊49、冷 卻裝置48、濾波電容以及電極導體61、62、55、57，以及第二箱體45等緊密裝配構(gòu)成。參見圖9，第一箱體40整體上由第一箱體外罩40x和底板46構(gòu)成；在第一箱體外 罩40x和底板46上分別設(shè)置滑軌46a和滑道40d，使得第一箱體外罩40x和底板46可借助 于滑軌46a和滑道40d相互滑動連接。參見圖10、圖11，IGBT模塊49、冷卻裝置48、濾波電容以及電極導體61、62、55、57 等固設(shè)在底板46上；其中，多個IGBT模塊49并列地固定在冷卻裝置48上，并且，IGBT模 塊49的散熱面貼合于冷卻裝置48的熱交換面上，構(gòu)成功率單元。多個IGBT模塊49的發(fā) 射極由銅板50相互并聯(lián)連接，銅板50再進一步經(jīng)銅板58連接于電極導體57 ；該電極導體 57即為圖1所示斬波電路中的正電極輸出端6。濾波電容是由多個電容54并聯(lián)；其中，電 容54的第一電極連接于第一導電極板，也即正極板53，電容54的第二電極連接到第二導電 極板，也即負極板51 ；正極板53和負極板51之間夾設(shè)有絕緣板52，以防止正極板53和負極板51短路。來自不控整流器直流輸入電源的正、負極則由電極導體61、62分別連接到正 極板53和負極板51。負極板51還與電極導體55連接，構(gòu)成本實施例中集成化大功率斬波 器輸出的負電極。電極導體61、62相互絕緣，在電極導體62上連接導電板62a，用于使負極 板51和電極導體62連接。上述第一箱體40內(nèi)設(shè)置的各個部件，均直接或者間接地固設(shè)于 底板46上，為了能夠使電極導體61、62、55、57以及連接冷卻裝置的管路接口 48a能夠露出 第一箱體40，在底板46上還設(shè)置有開孔46b和46c。此外，為了加強對設(shè)置在底板46上各 個部件的機械支撐力，在底板46上還可以固定絕緣板63。為了進一步加強對冷卻裝置48 的機械支撐力，如圖10、11所示，可以增設(shè)支撐板59。上述的各個導電電極可以使用銅板或 者類似于銅、銀等具有良好導電性能的金屬或者合金構(gòu)成。 參見圖9、圖10，第二箱體41整體上是由一槽型面罩45板構(gòu)成，在該槽型面罩45 板內(nèi)固設(shè)PWM控制電路板60，此外，槽型面罩板45上還設(shè)有用于將槽型面罩板45與第一箱 體外罩40x固定的連接部41a。在具體安裝時，通常先借助第一箱體外罩40x上的固定部40c將第一箱體外罩40x 固定于電源柜內(nèi)指定的位置；然后，將固定安裝好IGBT模塊49、冷卻裝置48等各個部件的 底板46經(jīng)過前述的滑軌46a和滑道40d，滑動裝設(shè)于固定到電源柜內(nèi)指定位置的第一箱體 外罩之內(nèi)并固定。需要說明的是第一箱體外罩40x與底板46之間的連接，除了采用上述 的滑動連接方式以外，還可以采用扣合的方式連接，即在第一箱體外罩40x與底板46分別 設(shè)置相互匹配的卡扣；當然也可以選擇螺合等其他任何可以將第一箱體外罩40x與底板46 穩(wěn)固地連接為一體的方式連接。最后，將PWM控制電路板60的PWM控制信號分別連接好各 個IGBT模塊49以后，經(jīng)由第二箱體41上的連接部41a將第二箱體41固定于第一箱體外 罩上，形成如圖12所示的集成化大功率斬波器。同樣，第一箱體外罩與上述第二箱體41的 槽型面罩板45也可以采用上述第一箱體外罩40x與底板46之間的連接方式固定連接。參見圖10和圖11，在負極板51靠近導電電極55的邊緣的區(qū)域設(shè)有多個透孔51a， 并且在透孔51a外邊側(cè)，設(shè)有斷開缺口 51b。這些透孔51a和斷開缺口 51b的設(shè)置使得負極 板51輸出的電流在各個IGBT模塊49上的分配均衡，并能獲得較好抑制毛刺效果。上述能夠屏蔽電磁干擾的第一箱體40、第二箱體41，應(yīng)當由具有良好導磁性能的 材料制成；由于鋼板、鋼板網(wǎng)、內(nèi)設(shè)有鋼網(wǎng)的板材、合金板材等具有良好的導磁效果，可以用 來制造前述的第一箱體和第二箱體。特別是鋼板和鋼板網(wǎng)屬于價格低廉、易于獲得和加工 制造，具有足夠強度的材料，尤其適用于本發(fā)明的集成化大功率斬波器。在上述的實施方式中，第二箱體41僅僅采用一槽型面罩板45扣合在第一箱體外 罩40x1。這屬于將第二箱體與第一箱體一體化連接比較簡單的一種方式。根據(jù)具體的電 源柜設(shè)計要求以及將強、弱電分開等實際需要，也可以將第二箱體與第一箱體分離設(shè)置。這 樣，就需要單獨地將兩個箱體分別采用上述具有良好導磁性能的材料制造。它們都可以分 別采用滑動連接或者扣合連接的方式構(gòu)成。參見圖13、14其為本發(fā)明本另一具體實施方式
中集成化大功率斬波器的整體結(jié) 構(gòu)展開示意圖和裝配完成的示意圖。與圖9-12所示的集成化大功率斬波器的區(qū)別是圖 9-12所示的集成化大功率斬波器由兩組功率單元和兩組濾波電容組成，其集成度較高。而 圖13、14中只有一組功率單元和一組濾波電容，結(jié)構(gòu)相對簡單。圖13中，濾波電容以及功率單元與前述圖9-12所述實施方式中濾波電容以及功率單元的結(jié)構(gòu)基本相同。多個IGBT模塊49并列地固定在冷卻裝置48上，冷卻裝置48上 設(shè)置有露出第一箱體的管路接口 48a ；并且，IGBT模塊49的散熱面貼合于冷卻裝置48的熱 交換面上，構(gòu)成功率單元。多個IGBT模塊49的發(fā)射極由銅板24相互并聯(lián)連接，銅板24再 進一步連接到銅板25，形成圖1所示斬波電路中的正電極輸出端6。濾波電容是由多個電 容54并聯(lián)；其中，電容54的第一電極連接于第一導電極板，也即正極板53，電容54的第二 電極連接到第二導電極板，也即負極板51 ；正極板53和負極板51之間夾設(shè)有絕緣板52，以 防止正極板53和負極板51短路。來自不控整流器直流輸入電源的正負極分別連接上述的 正極板53和負極板51。負極板51和銅板26連接，構(gòu)成本實施例中集成化大功率斬波器輸 出的負電極，銅板25構(gòu)成集成化大功率斬波器輸出的正電極。上述的各個導電電極可以使 用銅板或者類似于銅、銀等具有良好導電性能的金屬或者合金構(gòu)成。 本實施方式中，第一箱體是由外殼端板20、21，以及支架板18、19連接構(gòu)成。絕緣 板22、23安裝外殼端板20、21的內(nèi)側(cè)，以加強外殼端板20、21間的機械強度。冷卻裝置48 設(shè)置在支架板18上，連接冷卻裝置的管路接口 48a設(shè)置于冷卻裝置48上，并經(jīng)由外殼端板 20上的開孔46b露出。整個第一箱體可以借助支架板18、19連接固定到電源柜中。本實施例的第二箱體41也是由一槽形板及蓋板(圖中未示)連接構(gòu)成。PWM控制 電路板60固定設(shè)置在槽形板內(nèi)，槽形板朝向第二箱體的底部設(shè)有過孔41b，它的作用是使 連接IGBT模塊49柵極和PWM控制電路板60的PWM控制信號的導線穿過，保證PWM控制信 號能夠連接到大功率IGBT模塊49。槽形板可以借助于其底部與外殼端板20、21連接，固定 在一起。上述的冷卻裝置48具體可以采用水冷散熱器，當然，也可以是采用風冷、或其他 液體冷卻的方式構(gòu)成的散熱器，只要相應(yīng)的冷卻裝置48能夠適用于IGBT模塊49貼合設(shè) 置，并良好散熱即可。上述各個實施例所披露的各個集成化大功率斬波器，由于都能夠?qū)⒋蠊β蔍GBT 集中地設(shè)置在能夠屏蔽電磁干擾的第一箱體40中，這種集中、緊湊設(shè)置構(gòu)成大功率IGBT模 塊、濾波電容和冷卻裝置的設(shè)置結(jié)構(gòu)，一方面確保了大功率IGBT模塊在額定功率輸出的工 作狀態(tài)下，依然能夠得到充分的冷卻，同時，將IGBT模塊與高頻開關(guān)電源柜體中不可避免 的電磁干擾環(huán)境隔離開來，將電磁干擾屏蔽在第一箱體40之外，改善了斬波器分布參數(shù)的 結(jié)構(gòu)，大幅度地降低了沖擊電壓(毛刺)的幅值。此外，由于將產(chǎn)生PWM控制信號的PWM控 制電路板設(shè)置于能夠屏蔽電磁干擾的第二箱體41中，使得前述的電磁干擾對PWM控制電路 板等弱點部件的影響盡可能地降得最低。尤其是如圖9-12所示，采用多路并聯(lián)并且對稱式 工藝布局，可以使各個IGBT模塊的負載電流平衡得到保證，采用這樣的結(jié)構(gòu)，使得分布參 數(shù)能夠被降得很低，有利于使用I GBT模塊制造的斬波器獲得數(shù)十千瓦到數(shù)兆瓦，甚至更高 的輸出功率。負載電流在數(shù)百安培甚至上千安培的直流斬波器，采用上述的類似變頻器式的獨 立箱型安裝結(jié)構(gòu)，尤其采用多IGBT模塊并聯(lián)的大功率斬波直流電源，有利于實現(xiàn)批量化、 標準化生產(chǎn)，有利于合理布局主要元件的結(jié)構(gòu)，改善電磁兼容指標，使斬波器穩(wěn)定工作。此 夕卜，本發(fā)明采用集成化的設(shè)計，將降壓斬波器制造成一個整體的應(yīng)用部件，在電氣柜中當做 一個獨立單元或標準化部件，配合外部連線就能方便地實現(xiàn)所需的功能；便于大功率斬波 器的安裝維修，能夠保證開關(guān)電源設(shè)備整體的電磁兼容性和機械強度。而采用類似滑軌、滑道等類似于抽屜式組件，使得大功率斬波器能夠在獲得全防護箱體的同時，結(jié)構(gòu)緊湊、易于 實現(xiàn)單箱體雙路或多路組件并聯(lián)安裝。基于上述的集成化大功率斬波器，本發(fā)明還可以提供一種大功率的高頻開關(guān)電 源，這種高頻開關(guān)電源具體由整流器、集成化大功率斬波器相互連接構(gòu)成。該整流器通常主要是由大功率不控整流橋構(gòu)成，該不控整流橋的輸入連接三相工 頻交流電，其輸出經(jīng)過主要由電感器構(gòu)成的濾波電路后，輸送到前述的集成化大功率斬波 器。有關(guān)整流器和濾波電路等可以采用現(xiàn)有技術(shù)實施，本發(fā)明在此不作過多的贅述。該集成化大功率斬波器主要由內(nèi)部多個IGBT模塊串聯(lián)和/或并聯(lián)構(gòu)成，整個高頻 開關(guān)電源可以由若干個集成化大功率斬波器相互串聯(lián)和/或并聯(lián)，構(gòu)成輸出功率更大的高 頻開關(guān)電源。其中，將多個IGBT模塊或者集成化大功率斬波器串聯(lián)主要是為了獲得更高的 的輸出電壓；而將多個IGBT模塊或者集成化大功率斬波器并聯(lián)，主要是為了獲得更大的輸 出電流。由于本發(fā)明的集成化大功率斬波器中均設(shè)置冷卻裝置，因此，在高頻開關(guān)電源中還 需要將輸送冷卻介質(zhì)的管路連接到集成化大功率斬波器中設(shè)置的冷卻裝置上，以提供足夠 的冷卻效果。 鑒于上述集成化大功率斬波器能夠有效地、穩(wěn)定地工作于額定電壓，因此，業(yè)界能 夠利用本發(fā)明所提供的技術(shù)方案，將直流高頻開關(guān)電源的輸出功率大幅度提高的同時，還 能使高頻開關(guān)電源穩(wěn)定、可靠地運行，能夠滿足各種相應(yīng)的工業(yè)場合的需求。同時業(yè)界可以 徹底擺脫使用可控硅制成的直流電源，避免功率因數(shù)降低、電源污染等困擾，在提高用電效 率的同時，還能降低或者免除因補償電源功率因數(shù)降低而花費的投資。
權(quán)利要求
1.一種集成化大功率斬波器，包括連接直流電源輸入端的大功率斬波器，所述大功率 斬波器由大功率IGBT模塊、濾波電容和冷卻裝置構(gòu)成，所述大功率IGBT模塊的柵極連接 PWM控制電路板的PWM控制信號；其特征在于所述大功率IGBT模塊、冷卻裝置及濾波電容集中固設(shè)在能夠屏蔽電磁干擾的第一箱 體內(nèi)；所述PWM控制電路板設(shè)置在能夠屏蔽電磁干擾的第二箱體內(nèi)；所述第一箱體開設(shè)有多個開孔，使連接IGBT模塊輸出端的電極導體，以及連接濾波電 容的電極導體能夠由所述第一箱體露出，且所述冷卻裝置連接的、用于輸送冷卻介質(zhì)的管 路接口經(jīng)由所述開孔由所述第一箱體露出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成化大功率斬波器，其特征在于所述大功率IGBT模塊固 設(shè)于所述冷卻裝置上，與所述冷卻裝置構(gòu)成功率單元。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成化大功率斬波器，其特征在于所述直流電源輸入端和 所述IGBT模塊輸出端的公共端在所述第一箱體內(nèi)部設(shè)置為同一內(nèi)部導體，并且，連接所述 的IGBT模塊的一個電極導體和連接所述直流電源輸入端的一個電極導體分別連接在所述 內(nèi)部導體的兩端。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成化大功率斬波器，其特征在于所述濾波電容由多個電 容并聯(lián)，所述電容的第一電極、第二電極分別連接第一導電極板和第二導電極板，且第一導 電極板和第二導電極板之間相互絕緣；所述濾波電容的電極導體包括第一電容電極導體和 第二電容電極導體，所述第一電容電極導體連接所述第一導電極板，所述第二電容電極導 體連接所述第二導電極板。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的集成化大功率斬波器，其特征在于所述第一導電極板或者 第二導電極板靠近邊緣的區(qū)域設(shè)有多個透孔，且在所述透孔外邊側(cè)，設(shè)有缺口。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成化大功率斬波器，其特征在于所述能夠屏蔽電磁干擾 的第一箱體和/或能夠屏蔽電磁干擾的第二箱體，由具有良好導磁性能的鋼板、鋼板網(wǎng)、內(nèi) 設(shè)有鋼網(wǎng)的板材和/或合金板材構(gòu)成。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或6所述的集成化大功率斬波器，其特征在于所述的第一箱體由 第一罩體和第一底板構(gòu)成，所述第一罩體和第一底板采用滑軌結(jié)構(gòu)可滑動連接，或者采用 扣合結(jié)構(gòu)扣合連接；所述大功率IGBT模塊、冷卻裝置及濾波電容集中固設(shè)在所述的第一底 板上；所述第一罩體或第一底板上設(shè)有用于連接該第一罩體或第一底板到電源柜體內(nèi)的連 接結(jié)構(gòu)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或6所述的集成化大功率斬波器，其特征在于所述的第二箱體由 第二罩體和第二底板構(gòu)成，所述第二罩體和第二底板采用滑軌結(jié)構(gòu)可滑動連接，或者采用 扣合結(jié)構(gòu)扣合連接；所述PWM控制電路板設(shè)置在所述第二底板上；所述第二罩體或第二底 板上設(shè)有用于連接該所述第二罩體或第二底板到電源柜體或者第一箱體上的連接結(jié)構(gòu)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成化大功率斬波器，其特征在于所述的第二箱體蓋設(shè)于 第一箱體上；或者，所述第一箱體和第二箱體分離設(shè)置，且在所述第一箱體和/或第二箱體 上開設(shè)過孔，該過孔用于使連接所述IGBT模塊的柵極和所述PWM控制電路板的PWM控制信 號的導線穿過。
10.一種包括權(quán)利要求1-9所述任一集成化大功率斬波器的高頻開關(guān)電源；包括用 于對工頻交流電源進行整流的不控整流器，連接所述不控整流器的濾波電路；其特征在于所述集成化大功率斬波器為多個，且相互并聯(lián)和/或串聯(lián)連接；所述集成化大功率斬波器 的冷卻裝置與冷卻介質(zhì)輸送管路連接。
全文摘要
一種集成化大功率斬波器，包括多個相互并聯(lián)的大功率斬波器，大功率斬波器由多個大功率IGBT模塊、濾波電容和冷卻裝置構(gòu)成易于拆裝的整體箱型部件結(jié)構(gòu)，大功率IGBT模塊的柵極連接PWM控制電路板；大功率IGBT模塊、冷卻裝置及濾波電容集中固設(shè)在第一箱體內(nèi)；PWM控制電路板設(shè)置在第二箱體內(nèi)；第一箱體開設(shè)有多個開孔，使IGBT模塊集電極的電極導體，和濾波電容的電極導體能夠由第一箱體露出，冷卻裝置的管路接口經(jīng)由所述開孔由第一箱體露出。一種高頻開關(guān)電源；包括不控整流器，連接不控整流器的濾波電路；集成化大功率斬波器為多個，且相互并聯(lián)和/或串聯(lián)連接；集成化大功率斬波器的冷卻裝置與冷卻介質(zhì)輸送管路連接。
文檔編號H05K7/20GK102104332SQ20091026062
公開日2011年6月22日 申請日期2009年12月18日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月18日
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