UPS逆變單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模塊

1、文檔名稱:UPS逆變單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模塊頁數(shù): 第 14 頁 共 14 頁UPS逆變單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模塊更 改 信 息 登 記 表版本更改原因更改說明更改人更改時(shí)間目 錄前 言4摘 要：5關(guān)鍵詞：5縮略詞解釋5一.來 源5二.適用范圍5三.逆變單元布局與接口5四.典型應(yīng)用案例：7五.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)10六.工藝設(shè)計(jì)要點(diǎn)13七.附錄14八.參考文獻(xiàn)14前 言摘 要： 本設(shè)計(jì)模塊介紹了UPS產(chǎn)品逆變單元的結(jié)構(gòu)形式，該逆變單元結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用于UPS和風(fēng)能產(chǎn)品逆變單元詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中。 關(guān)鍵詞：逆變單元 IGBT 結(jié)構(gòu) 散熱 應(yīng)力 安規(guī) 安全距離 縮略詞解釋IGBT： Insulated Gate Bipolar T

2、ransistor絕緣三雙極型功率管一. 來 源逆變單元是UPS設(shè)備中非常重要的一個(gè)單元，主要作用是將直流電源轉(zhuǎn)變成交流；逆變單元主要由IGBT器件、輔助驅(qū)動(dòng)板、逆變驅(qū)動(dòng)板、散熱器、輸入輸出銅排及安裝套件構(gòu)成；其中IGBT是主要器件，可以單獨(dú)使用，也可以通過并聯(lián)實(shí)現(xiàn)大電流，所以也會(huì)經(jīng)?？吹綆讉€(gè)IGBT并聯(lián)使用的情況；輔助電路有溫度傳感器部分，也有的IGBT自帶溫度傳感器電路。本設(shè)計(jì)模塊中的結(jié)構(gòu)形式來源于UPS產(chǎn)品線主要產(chǎn)品，包括NX系列和Hipulse 系列產(chǎn)品。相關(guān)產(chǎn)品已經(jīng)通過大批量生產(chǎn)并得到驗(yàn)證。二. 適用范圍該結(jié)構(gòu)形式可用于一般的逆變單元模塊中，如UPS和風(fēng)能等。由于應(yīng)用情況各有不同，請(qǐng)

3、根據(jù)推薦使用范圍合理選擇。三. 逆變單元布局與接口 1、布局要點(diǎn)：逆變單元基本原理圖如下圖：圖 1 逆變單元原理示意圖逆變單元各部分構(gòu)成示意圖如下：圖 2 結(jié)構(gòu)各部分構(gòu)成示意圖逆變單元IGBT的布局主要考慮以下因素：A、 每相IGBT熱耗，由熱仿真工程師決定散熱器大小、IGBT的位置和間距等；B、 每相輸出是由幾個(gè)IGBT器件并聯(lián)而成，輸入和輸出關(guān)系；C、 IGBT的外形尺寸；2、逆變單元接口 2.1 電氣接口 如上圖2所示，逆變單元與系統(tǒng)的電連接主要是輸入、輸出銅排，輸入直流電流，輸出交流電流。其余溫度傳感器及驅(qū)動(dòng)板等的線纜連接，這里不作詳細(xì)描述。 輸入端：如下圖所示，與母線電容單元的銅排輸

4、出端連接。 輸出端，通過線纜或者銅排與逆變單元的輸出銅排連接到系統(tǒng)的輸出變壓器(工頻機(jī))。圖 3 逆變單元與系統(tǒng)的接口 2.2 機(jī)械接口 逆變單元與系統(tǒng)的機(jī)械接口主要是通過安裝板將散熱器固定在機(jī)架上，讓散熱器置于散熱風(fēng)道中。目前有兩種作法都可以：A、 只是用上下安裝板將散熱器安裝在機(jī)架上；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低；如圖2及圖4。B、 將散熱器圍起來，對(duì)散熱器翅片有一定的保護(hù)，如下圖6中的安裝固定件。四. 典型應(yīng)用案例：1、 Hipulse U系列產(chǎn)品逆變單元(200K/300K/400K)Hipulse U 200K逆變單元結(jié)構(gòu)示意圖可參考上圖2所示，半橋架構(gòu)，兩個(gè)IGBT并聯(lián)使用。Hipulse U

5、 400K產(chǎn)品逆變單元結(jié)構(gòu)示意圖參見圖4所示，全橋架構(gòu)，四個(gè)IGBT并聯(lián)使用，分兩組輸出。從上面可以看出，Hipulse U 系列產(chǎn)品IGBT布局方式基本相同。圖 4 Hipulse U 400K逆變單元 設(shè)計(jì)特點(diǎn)：布局簡(jiǎn)單，因?yàn)镮GBT相對(duì)緊湊，發(fā)熱量大，造成熱點(diǎn)比較集中，目前Hipulse U系列逆變散熱器以銅散熱器為主。2、 NXL系列產(chǎn)品逆變單元(500K/800K)圖 5 Raptor 500K逆變單元圖 6 Raptor 800K逆變單元設(shè)計(jì)特點(diǎn)：布局緊湊，熱點(diǎn)很集中，目前500K是銅散熱器，因800K系統(tǒng)電流太大，除模塊內(nèi)IGBT并聯(lián)外，再通過多組逆變單元并聯(lián)實(shí)現(xiàn)大電流；800K

6、是鋁冷板散熱器。3、 NXa系列產(chǎn)品逆變單元(120K/200K)圖 7 NXa 120K逆變單元 設(shè)計(jì)特點(diǎn)：布局緊湊，集成度比較高；但模塊化程度很低，維護(hù)不方便，生產(chǎn)裝配也不方便。目前不是逆變單元主流發(fā)展方向。圖 8 NXa 200K逆變單元設(shè)計(jì)特點(diǎn)：區(qū)別于120K，采用模塊化結(jié)構(gòu)；與其它產(chǎn)品不同的是，這個(gè)逆變單元的輸入在下側(cè)，輸出在上側(cè)，同時(shí)母線電容放倒裝配。IGBT的應(yīng)力消除設(shè)計(jì)采用的是方法三。五. 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)1. IGBT應(yīng)力消除設(shè)計(jì)IGBT受設(shè)計(jì)空間限制，一般不會(huì)采用編織線纜和電纜的方式連接，而采取銅排“硬連接”，但是銅排硬連接會(huì)造成IGBT端子受機(jī)械應(yīng)力，如果機(jī)械應(yīng)力過大將導(dǎo)致該

7、器件功能失效。機(jī)械應(yīng)力主要來源于2個(gè)方面：A、 由于銅排、結(jié)構(gòu)件、散熱器等的加工誤差、裝配誤差的累計(jì)而導(dǎo)致銅排與IGBT電極的連接孔有一定的偏差產(chǎn)生的“機(jī)械應(yīng)力”。B、 在產(chǎn)品的運(yùn)輸過程中，由于結(jié)構(gòu)件、銅排、散熱器的震動(dòng)而產(chǎn)生的“機(jī)械應(yīng)力”； 機(jī)械應(yīng)力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)解決：A、 由于加工誤差和裝配誤差的累計(jì)而造成的機(jī)械應(yīng)力，可以通過在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)一些相關(guān)的銅排、結(jié)構(gòu)件的安裝孔、連接孔做些處理，把它們?cè)O(shè)計(jì)成腰形孔，在裝配過程中可以進(jìn)行位置的調(diào)整，基本上就可以避免這種“機(jī)械應(yīng)力”的產(chǎn)生。B、 運(yùn)輸過程中產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力，是由于相互連接的震動(dòng)造成，無法根本消除，只能采取設(shè)計(jì)措施消弱和隔離；強(qiáng)烈推薦下面描述的方

8、法一，此方法在UPS各產(chǎn)品線得到大量應(yīng)用和驗(yàn)證，截至目前是最有效的，也是最可靠的。 方法一：如下圖，在與IGBT相連接的輸入輸出銅排靠近IGBT的一端增加絕緣柱，絕緣柱一端固定在散熱器上另一段固定在銅排上，這樣由于震動(dòng)而產(chǎn)生的“機(jī)械應(yīng)力”只有少量通過銅排傳遞到IGBT的端子上，而大部分應(yīng)力都被絕緣柱承受了。優(yōu)點(diǎn)：不受銅排厚度的限制，可通過較大電流；缺點(diǎn)：絕緣柱占位置空間，有空間限制；因此在有位置空間放置絕緣柱的時(shí)候，應(yīng)該優(yōu)先考慮采用這種結(jié)構(gòu)方式，目前也只應(yīng)用最廣泛，驗(yàn)證最充分的結(jié)構(gòu)方式。圖 9 方法一方法二、如下圖，在與IGBT相連接的母線銅排的折彎處沖一些V形槽，這樣銅排在折彎處的柔軟性將加

9、大并且形成了許多條V字形狀較細(xì)的“銅條”，它們?cè)谕饬Φ淖饔孟驴梢宰冃?，因此它可以緩解多個(gè)方向的外力，從而減少通過銅排傳到IGBT電極上的“機(jī)械應(yīng)力”。優(yōu)點(diǎn)：如下圖無法放置絕緣柱時(shí)可采用這種結(jié)構(gòu)；缺點(diǎn)：銅排的厚度最好不大于2mm，如果太厚的話將沒有明顯的效果；圖 10 方法二方法三、如下圖，在銅排與IGBT相連的一端切兩條細(xì)槽，槽的寬度為1毫米，槽的長(zhǎng)度為2/3銅排的寬度，兩槽的間距為1/3銅排的寬度。這種結(jié)構(gòu)的銅排也可以一定程度地緩解通過銅排傳到IGBT端子上的“機(jī)械應(yīng)力”。優(yōu)點(diǎn)：無法放置絕緣柱時(shí)也可采用這種結(jié)構(gòu)；加工工藝比方法二簡(jiǎn)單；缺點(diǎn)：對(duì)銅排的厚度也是有要求的，最好不大于2毫米；應(yīng)力緩沖

10、效果不如方法二；圖 11 方法三 2、IGBT安規(guī)設(shè)計(jì)IGBT器件設(shè)計(jì)緊湊，端子之間有足夠的安全距離和爬電距離，但是往往IGBT器件的端子比較小，設(shè)計(jì)的銅排比IGBT端子要寬很多，這個(gè)時(shí)候就需要特別注意連接IGBT端子之間銅排的安全距離。在必要的情況下，也可以在端子銅排之間增加絕緣介質(zhì)(如NOMEX紙)，將NOMEX紙折彎成需要的形狀壓在絕緣柱下，增加了輸入銅排之間、IGBT端子與散熱器之間的安規(guī)距離。圖 12 IGBT安規(guī)設(shè)計(jì)下圖10為Hipulse U產(chǎn)品安規(guī)距離滿足要求，但是因?yàn)楣こ态F(xiàn)場(chǎng)的復(fù)雜環(huán)境還是造成此處拉弧打火，后按照上圖在輸入銅排之間增加絕緣介質(zhì)。圖 13 IGBT安規(guī)問題案例3

11、、IGBT散熱器設(shè)計(jì)要點(diǎn)關(guān)于冷板散熱器方面設(shè)計(jì)的更多詳細(xì)內(nèi)容參見冷板散熱器設(shè)計(jì)規(guī)范；這里只涉及部分設(shè)計(jì)重點(diǎn)。3.1散熱器材質(zhì)選擇IGBT的散熱器現(xiàn)在主要以冷板散熱器為主，散熱器基材和翅片的外形和材質(zhì)在方案階段已經(jīng)確定。這里主要強(qiáng)調(diào)的是，基材和翅片盡可能選用常用的規(guī)格和間距，避免造成成本增加。對(duì)于鋁制散熱器，基板和散熱片的原材料優(yōu)選6063和6061。為降低成本，設(shè)計(jì)上不要求進(jìn)行表面處理。對(duì)于銅制散熱器，基板和散熱片的原材料優(yōu)選T2，表面采用鈍化處理。3.2散熱器平面度、粗糙度要求基板的器件安裝面的粗糙度要求為Ra 1.6，其它表面為Ra 12.5?；宓钠骷惭b面整個(gè)面的平面度可以不明確要求，

12、但必須要求在器件安裝區(qū)域內(nèi)的平面度滿足器件資料上的要求，通常為0.1mm。3.3散熱器其他要求A、不允許對(duì)散熱器基板的工作表面進(jìn)行拉絲處理；B、重量要求：按照生產(chǎn)要求，重量超過25Kg的零、組件必須使用輔助裝配或設(shè)備進(jìn)行搬運(yùn)和安裝。因此，散熱器加上裝配好的器件總重量不能超過25Kg。 4、輸入、輸出銅排電流核算 輸入為直流，需要注意考慮IGBT并聯(lián)后的分流，根據(jù)每個(gè)IGBT管腳的輸入電流核算銅排截面積。另外需要注意銅排上腰形孔對(duì)截面積的影響。輸出為交流，電流小于整流輸入電流，請(qǐng)項(xiàng)目組確定準(zhǔn)確數(shù)據(jù)進(jìn)行核算。如果為全橋架構(gòu)，每相輸出電流有兩組，各一半輸出電流。六. 工藝設(shè)計(jì)要點(diǎn)這里只是提出工藝設(shè)計(jì)中需要考慮的部分重要問題，更多詳細(xì)內(nèi)容參考SCR、IGBT器件裝配通用工藝規(guī)范；1、IGBT對(duì)導(dǎo)熱硅脂的要求一般要求導(dǎo)熱硅脂的厚度為0.08-0.12mm(80um120um)；要求導(dǎo)熱硅脂純凈、未受污染、不含任何雜質(zhì)。取待裝配的IGBT，利用絲網(wǎng)工裝或滾輪在IGBT散熱面基板上均勻涂導(dǎo)熱硅脂，硅脂涂覆參考硅脂涂覆通用工藝規(guī)范(DMBM0.107.009G)。2、IGBT對(duì)安裝過程的要求A、IGBT的安裝力矩必須按照IGBT器件的要求執(zhí)行；B、根據(jù)器件安裝螺釘數(shù)量不同，按照如下圖示順序（1-