UPS逆变单元结构设计模块

1、文档名称:UPS逆变单元结构设计模块页数: 第 14 页 共 14 页UPS逆变单元结构设计模块更 改 信 息 登 记 表版本更改原因更改说明更改人更改时间目 录前 言4摘 要：5关键词：5缩略词解释5一.来 源5二.适用范围5三.逆变单元布局与接口5四.典型应用案例：7五.结构设计要点10六.工艺设计要点13七.附录14八.参考文献14前 言摘 要： 本设计模块介绍了UPS产品逆变单元的结构形式，该逆变单元结构主要应用于UPS和风能产品逆变单元详细结构设计中。 关键词：逆变单元 IGBT 结构 散热 应力 安规 安全距离 缩略词解释IGBT： Insulated Gate Bipolar T

2、ransistor绝缘三双极型功率管一. 来 源逆变单元是UPS设备中非常重要的一个单元，主要作用是将直流电源转变成交流；逆变单元主要由IGBT器件、辅助驱动板、逆变驱动板、散热器、输入输出铜排及安装套件构成；其中IGBT是主要器件，可以单独使用，也可以通过并联实现大电流，所以也会经常看到几个IGBT并联使用的情况；辅助电路有温度传感器部分，也有的IGBT自带温度传感器电路。本设计模块中的结构形式来源于UPS产品线主要产品，包括NX系列和Hipulse 系列产品。相关产品已经通过大批量生产并得到验证。二. 适用范围该结构形式可用于一般的逆变单元模块中，如UPS和风能等。由于应用情况各有不同，请

3、根据推荐使用范围合理选择。三. 逆变单元布局与接口 1、布局要点：逆变单元基本原理图如下图：图 1 逆变单元原理示意图逆变单元各部分构成示意图如下：图 2 结构各部分构成示意图逆变单元IGBT的布局主要考虑以下因素：A、 每相IGBT热耗，由热仿真工程师决定散热器大小、IGBT的位置和间距等；B、 每相输出是由几个IGBT器件并联而成，输入和输出关系；C、 IGBT的外形尺寸；2、逆变单元接口 2.1 电气接口 如上图2所示，逆变单元与系统的电连接主要是输入、输出铜排，输入直流电流，输出交流电流。其余温度传感器及驱动板等的线缆连接，这里不作详细描述。 输入端：如下图所示，与母线电容单元的铜排输

4、出端连接。 输出端，通过线缆或者铜排与逆变单元的输出铜排连接到系统的输出变压器(工频机)。图 3 逆变单元与系统的接口 2.2 机械接口 逆变单元与系统的机械接口主要是通过安装板将散热器固定在机架上，让散热器置于散热风道中。目前有两种作法都可以：A、 只是用上下安装板将散热器安装在机架上；结构简单，成本低；如图2及图4。B、 将散热器围起来，对散热器翅片有一定的保护，如下图6中的安装固定件。四. 典型应用案例：1、 Hipulse U系列产品逆变单元(200K/300K/400K)Hipulse U 200K逆变单元结构示意图可参考上图2所示，半桥架构，两个IGBT并联使用。Hipulse U

5、 400K产品逆变单元结构示意图参见图4所示，全桥架构，四个IGBT并联使用，分两组输出。从上面可以看出，Hipulse U 系列产品IGBT布局方式基本相同。图 4 Hipulse U 400K逆变单元 设计特点：布局简单，因为IGBT相对紧凑，发热量大，造成热点比较集中，目前Hipulse U系列逆变散热器以铜散热器为主。2、 NXL系列产品逆变单元(500K/800K)图 5 Raptor 500K逆变单元图 6 Raptor 800K逆变单元设计特点：布局紧凑，热点很集中，目前500K是铜散热器，因800K系统电流太大，除模块内IGBT并联外，再通过多组逆变单元并联实现大电流；800K

6、是铝冷板散热器。3、 NXa系列产品逆变单元(120K/200K)图 7 NXa 120K逆变单元 设计特点：布局紧凑，集成度比较高；但模块化程度很低，维护不方便，生产装配也不方便。目前不是逆变单元主流发展方向。图 8 NXa 200K逆变单元设计特点：区别于120K，采用模块化结构；与其它产品不同的是，这个逆变单元的输入在下侧，输出在上侧，同时母线电容放倒装配。IGBT的应力消除设计采用的是方法三。五. 结构设计要点1. IGBT应力消除设计IGBT受设计空间限制，一般不会采用编织线缆和电缆的方式连接，而采取铜排“硬连接”，但是铜排硬连接会造成IGBT端子受机械应力，如果机械应力过大将导致该

7、器件功能失效。机械应力主要来源于2个方面：A、 由于铜排、结构件、散热器等的加工误差、装配误差的累计而导致铜排与IGBT电极的连接孔有一定的偏差产生的“机械应力”。B、 在产品的运输过程中，由于结构件、铜排、散热器的震动而产生的“机械应力”； 机械应力结构设计解决：A、 由于加工误差和装配误差的累计而造成的机械应力，可以通过在结构设计时对一些相关的铜排、结构件的安装孔、连接孔做些处理，把它们设计成腰形孔，在装配过程中可以进行位置的调整，基本上就可以避免这种“机械应力”的产生。B、 运输过程中产生的机械应力，是由于相互连接的震动造成，无法根本消除，只能采取设计措施消弱和隔离；强烈推荐下面描述的方

8、法一，此方法在UPS各产品线得到大量应用和验证，截至目前是最有效的，也是最可靠的。 方法一：如下图，在与IGBT相连接的输入输出铜排靠近IGBT的一端增加绝缘柱，绝缘柱一端固定在散热器上另一段固定在铜排上，这样由于震动而产生的“机械应力”只有少量通过铜排传递到IGBT的端子上，而大部分应力都被绝缘柱承受了。优点：不受铜排厚度的限制，可通过较大电流；缺点：绝缘柱占位置空间，有空间限制；因此在有位置空间放置绝缘柱的时候，应该优先考虑采用这种结构方式，目前也只应用最广泛，验证最充分的结构方式。图 9 方法一方法二、如下图，在与IGBT相连接的母线铜排的折弯处冲一些V形槽，这样铜排在折弯处的柔软性将加

9、大并且形成了许多条V字形状较细的“铜条”，它们在外力的作用下可以变形，因此它可以缓解多个方向的外力，从而减少通过铜排传到IGBT电极上的“机械应力”。优点：如下图无法放置绝缘柱时可采用这种结构；缺点：铜排的厚度最好不大于2mm，如果太厚的话将没有明显的效果；图 10 方法二方法三、如下图，在铜排与IGBT相连的一端切两条细槽，槽的宽度为1毫米，槽的长度为2/3铜排的宽度，两槽的间距为1/3铜排的宽度。这种结构的铜排也可以一定程度地缓解通过铜排传到IGBT端子上的“机械应力”。优点：无法放置绝缘柱时也可采用这种结构；加工工艺比方法二简单；缺点：对铜排的厚度也是有要求的，最好不大于2毫米；应力缓冲

10、效果不如方法二；图 11 方法三 2、IGBT安规设计IGBT器件设计紧凑，端子之间有足够的安全距离和爬电距离，但是往往IGBT器件的端子比较小，设计的铜排比IGBT端子要宽很多，这个时候就需要特别注意连接IGBT端子之间铜排的安全距离。在必要的情况下，也可以在端子铜排之间增加绝缘介质(如NOMEX纸)，将NOMEX纸折弯成需要的形状压在绝缘柱下，增加了输入铜排之间、IGBT端子与散热器之间的安规距离。图 12 IGBT安规设计下图10为Hipulse U产品安规距离满足要求，但是因为工程现场的复杂环境还是造成此处拉弧打火，后按照上图在输入铜排之间增加绝缘介质。图 13 IGBT安规问题案例3

11、、IGBT散热器设计要点关于冷板散热器方面设计的更多详细内容参见冷板散热器设计规范；这里只涉及部分设计重点。3.1散热器材质选择IGBT的散热器现在主要以冷板散热器为主，散热器基材和翅片的外形和材质在方案阶段已经确定。这里主要强调的是，基材和翅片尽可能选用常用的规格和间距，避免造成成本增加。对于铝制散热器，基板和散热片的原材料优选6063和6061。为降低成本，设计上不要求进行表面处理。对于铜制散热器，基板和散热片的原材料优选T2，表面采用钝化处理。3.2散热器平面度、粗糙度要求基板的器件安装面的粗糙度要求为Ra 1.6，其它表面为Ra 12.5。基板的器件安装面整个面的平面度可以不明确要求，

12、但必须要求在器件安装区域内的平面度满足器件资料上的要求，通常为0.1mm。3.3散热器其他要求A、不允许对散热器基板的工作表面进行拉丝处理；B、重量要求：按照生产要求，重量超过25Kg的零、组件必须使用辅助装配或设备进行搬运和安装。因此，散热器加上装配好的器件总重量不能超过25Kg。 4、输入、输出铜排电流核算 输入为直流，需要注意考虑IGBT并联后的分流，根据每个IGBT管脚的输入电流核算铜排截面积。另外需要注意铜排上腰形孔对截面积的影响。输出为交流，电流小于整流输入电流，请项目组确定准确数据进行核算。如果为全桥架构，每相输出电流有两组，各一半输出电流。六. 工艺设计要点这里只是提出工艺设计中需要考虑的部分重要问题，更多详细内容参考SCR、IGBT器件装配通用工艺规范；1、IGBT对导热硅脂的要求一般要求导热硅脂的厚度为0.08-0.12mm(80um120um)；要求导热硅脂纯净、未受污染、不含任何杂质。取待装配的IGBT，利用丝网工装或滚轮在IGBT散热面基板上均匀涂导热硅脂，硅脂涂覆参考硅脂涂覆通用工艺规范(DMBM0.107.009G)。2、IGBT对安装过程的要求A、IGBT的安装力矩必须按照IGBT器件的要求执行；B、根据器件安装螺钉数量不同，按照如下图示顺序（1-