專利名稱：一種無感平面母線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及高頻大功率電力電子變流器加工領(lǐng)域，尤其是一種無感平面母線。
背景技術(shù)：
高頻大功率化是當今電力電子技術(shù)的重要方向之一，決定了國民經(jīng)濟中眾多重大問題解決能力，例如1)電力系統(tǒng)，如無功、諧波補償，交、直流輸電，柔性電力控制和大電網(wǎng)安全；2)大功率儲能和降耗節(jié)能，如蓄能電站、磁浮飛輪超導(dǎo)和超級電容儲能、中高壓調(diào)速和制動饋能；3)分布式和可再生能源發(fā)電并網(wǎng)組網(wǎng)，如風(fēng)能、太陽能、煤層氣和小水利發(fā)電等；4)電力牽引，如磁懸浮、電力機車、礦井提升和梯吊設(shè)備；5)機、艦、船全電推進和高能武器供電和控制等。國際上相關(guān)技術(shù)較為成熟，兆瓦級甚至數(shù)百兆瓦的裝置獲得成功應(yīng)用，部分已實現(xiàn)了商業(yè)化生產(chǎn)。國內(nèi)總體落后，其關(guān)鍵技術(shù)之一的平面母線是限制其實際應(yīng)有的技術(shù)瓶頸之一。平面母線在國內(nèi)應(yīng)用或深入的研究都還極少報道，在國外雖已有較為成熟的應(yīng)用，但結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜、制作困難、成本較高。
無感平面母線由若干塊作為導(dǎo)電層的銅板和中間絕緣薄片間隔層疊而成，由于其具有低電感的特點，非常適合在電力電子裝置中用于連接主功率模塊和直流母線電容。其較低的等效電感可以大大減小開關(guān)管的關(guān)斷電壓尖峰，顯著改善了半導(dǎo)體功率器件的工作環(huán)境，是高頻大功率變流器得以實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)。
任何導(dǎo)體都有等效電感。在電力電子電路，特別是在有源電力濾波器(APF)和交流電機傳動中應(yīng)用較多的大功率開關(guān)電路中，當主功率開關(guān)關(guān)斷時，其較高的關(guān)斷速度導(dǎo)致較高電流變化率di/dt，較高的di/dt就就會在直流側(cè)導(dǎo)線的等效電感上感應(yīng)出較大的電壓尖峰。若電壓尖峰太高，超過主功率模塊的耐壓值，主功率模塊就會被擊穿損壞，嚴重威脅變流器的可靠運行。所以，在電力電子裝置中，除了半導(dǎo)體功率器件、電路拓撲和控制方法外，無感母線這一設(shè)計結(jié)構(gòu)相關(guān)的技術(shù)，事實上，已成為高頻大功率變流裝置賴以實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)，嚴重限制了諸如電力機車牽引、艦船電力推進、電能質(zhì)量控制和可再生能源發(fā)電等諸多重大經(jīng)濟領(lǐng)域關(guān)鍵問題的自主解決。
在中小功率應(yīng)用場合，阻容吸收電路通常被用來抑制關(guān)斷電壓尖峰。從本質(zhì)上來說，吸收電路是通過把線路等效電感中的磁場能量裝化成吸收電容中的電場能量來對開關(guān)管兩端電壓進行箝位。但在大功率變流器中，由于磁場能量較大，要求的電容量也較大，但高頻特性良好的大容量吸收電容難以制造。況且，阻尼電阻的功耗也較大，難以實現(xiàn)。
由于磁場能量大小與等效電感量大小成正比，減小等效電感量同樣可以抑制關(guān)斷電壓尖峰。環(huán)路面積是電感量的決定性因素。在傳統(tǒng)的采用導(dǎo)線或銅排的連接方式中，減小直流高頻回路的長度是唯一的辦法，但電路的長度受到功率模塊尺寸、散熱要求等多方面限制，并不能無限制地減小。所以傳統(tǒng)的直流母線結(jié)構(gòu)并不能得到較低的等效電感。
減小直流母線環(huán)路面積的另一種選擇是減小正負母線間的距離。顯然，如果把正負母線由原來的電纜或銅排該由銅板代替，兩塊銅板采用薄絕緣片隔開，并把它們緊密貼合在一起，則正負母線間的距離就會非常短，可以預(yù)想到其等效電感也會很小。這就是平面母線概念的由來。平面母線的基本結(jié)構(gòu)非常簡單，兩塊作為正負母線的銅板和中間絕緣片緊密層疊在一起，為了得到最小的直流側(cè)連接電感，電路長度、銅板間的距離和寬度都需要合理確定，這在很大程度上是主電路的優(yōu)化布局問題。主電路的合理布局既要考慮緊湊性，又要考慮散熱、結(jié)構(gòu)的簡單和易于加工，需要進行研究。平面母線雖然結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，但對加工工藝有很高的要求，只有少數(shù)幾家專業(yè)工廠可以代工。雖然這些廠商的產(chǎn)品在性能上的確可以滿足要求，但工藝復(fù)雜、價格昂貴，且加工周期較長。對于最終用戶而言代價較高，特別是對于研發(fā)階段的產(chǎn)品。現(xiàn)有平板母線一般采用軟質(zhì)絕緣片和絕緣薄膜分別作為中間絕緣層和外表面絕緣材料，這些軟質(zhì)材料雖然易于平板母線折彎，但難以鉆孔。平板母線采用的絕緣片和絕緣薄膜是熱粘合材料，該材料受熱就可以和銅板粘結(jié)為一體，但材料和工藝都比較特殊和復(fù)雜?，F(xiàn)有平板母線的筒管側(cè)面和銅板孔洞內(nèi)表面焊接在一起，這樣平板母線的一體性較好，但焊接工藝難以掌握。只有少數(shù)幾家專業(yè)工廠可以代工，雖然這些廠商的產(chǎn)品在性能上的確可以滿足要求，但工藝復(fù)雜、價格昂貴，且加工周期較長。

發(fā)明內(nèi)容
本文發(fā)明提供一種加工簡捷、制作方便的無感平面母線。
一種無感平面母線包括由若干塊間隔疊置的銅板和絕緣片、連接筒管，所述的絕緣片為硬質(zhì)的環(huán)氧樹脂薄板，每塊銅板的兩側(cè)表面均設(shè)有絕緣片，銅板和絕緣片采用螺栓緊固。
每塊銅板的兩側(cè)表面均設(shè)有絕緣片，即整個無感平面母線最外面的兩塊是絕緣片，中間則是若干塊間隔疊置的銅板和絕緣片。
所述的螺栓兩端與銅板間設(shè)有絕緣墊，絕緣墊帶有環(huán)型突起。
所述的連接筒管分為上、下兩部分，內(nèi)有螺栓穿過，通過螺栓使上、下兩部分連接筒管壓緊銅板。
在無感平面母線打孔處，銅板孔徑大于絕緣片的孔徑，打孔斷面形成環(huán)形的凹槽，凹槽內(nèi)灌注絕緣硅膠。
所述的絕緣片的邊緣伸出銅板邊緣2～3mm，形成2～3mm深的凹槽，凹槽內(nèi)灌注絕緣硅膠。
所述的絕緣片采用環(huán)氧樹脂薄板，環(huán)氧樹脂薄板具有較高的絕緣強度，機械強度好，且是硬質(zhì)的板材，可以很容易地使用鉆床進行鉆孔，為了保證加工精度，盡量選擇數(shù)控鉆床進行鉆孔。
平面母線中的各層銅板和絕緣片需要進行緊固以保證一體性，在平板母線上打通孔并采用螺栓緊固是簡單可行的方法。
螺栓本身也要和銅板保持絕緣，可以利用絕緣墊以保證螺栓上部和銅板的安全絕緣距離。絕緣墊的環(huán)形突出部分還可以同時起到各層定位凸起的作用，有效地簡化了定位工作。絕緣墊可以利用絕緣膠木棒通過車床切削和鉆孔進行加工。
平板母線銅板斷面凹槽中的灌膠可以采用黏性較大的絕緣硅膠。采用的708絕緣硅膠具有良好的絕緣性能，且黏性較大，可以方便地灌膠。
為了使IPM模塊和直流母線電容的端子和對應(yīng)的正負銅板保持良好的電氣連接，需要采用筒管作為轉(zhuǎn)接件。筒管可以利用端面作為接觸面并采用壓力連接的方式和銅板進行電氣連接，這要求筒管具有較高的端面平整度和長度精度。利用車床對銅棒進行切削、切割和鉆孔加工就可以制成內(nèi)、外徑和長度都符合要求的筒管。壓接方法簡單，易于實現(xiàn)。
由于這里的平面母線采用硬性的環(huán)氧樹脂片作為絕緣片，這就導(dǎo)致平板母線無法折彎。在必須折彎的場合可以采用變通的方法采用兩塊平板母線拼接，并把其中一塊的外露接頭進行折彎，這就可以實現(xiàn)折彎。
本發(fā)明應(yīng)用普通的加工設(shè)備，采用簡單的結(jié)構(gòu)和工藝方法，完全可以制作出符合要求的平面母線，降低成本，縮短周期，對于平面母線制作工藝的研究具有重要的現(xiàn)實意義。采用本發(fā)明的無感平面母線以后，大大減小了IPM模塊正負端的關(guān)斷電壓尖峰，且平板母線的結(jié)構(gòu)、工藝相對簡單，易于加工，可以節(jié)約成本，加快產(chǎn)品的開發(fā)進度。使用情況表明，本發(fā)明提出的平板母線具有極低的等效電感，工作安全、可靠，且加工簡單，成本較低。


圖1是本發(fā)明無感平面母線中筒管連接結(jié)構(gòu)剖面圖；圖2是本發(fā)明無感平面母線中銅板和絕緣片的螺栓緊固結(jié)構(gòu)剖面圖；圖3是本發(fā)明無感平面母線中銅板和絕緣片凹槽內(nèi)灌注絕緣膠的剖面示意圖；圖4是本發(fā)明無感平面母線中折彎結(jié)構(gòu)示意圖；具體實施方式
以應(yīng)用在50kVA有源電力濾波器(APF)中的平面母線為例進行說明。
平面母線的幾何形狀是多種多樣的，可以完全是平面的，也可以是帶有折彎的三維結(jié)構(gòu)。平面型平板母線結(jié)構(gòu)、加工簡單，非常適合于有限的工藝條件，且這種結(jié)構(gòu)的平板母線適用于大部分應(yīng)用場合。帶折彎的平板母線主要應(yīng)用于對結(jié)構(gòu)緊湊度要求較高的場合，但其工藝較復(fù)雜。一般來說，出于簡單性考慮，優(yōu)先選擇平面型平板母線，所以50kVA APF中采用的平板母線也是平面型的。
變流器直流側(cè)回路的長度對于平板母線等效電感的大小有較大影響，這就要求電路的布局要緊湊。典型的逆變器器直流側(cè)電路的主要元器件就是主功率模塊和直流儲能電容，在二維平面上減小電路長度的唯一方法就是盡量減小它們之間的間距。為了追求最小的間距，三塊智能功率模塊(IPM)緊密排列，直流母線電容盡可能靠近IPM模塊，只留下了安裝間隙。
根據(jù)已經(jīng)確定好的布局以及主要元器件的尺寸就可以確定平板母線的基本幾何尺寸。IPM模塊寬90mm，三塊并排，直流母線電容直徑64mm，兩排并聯(lián)，再考慮安裝間隙，所以平板母線長度為470mm。由前分析，平板母線的寬度越寬，等效電感也就越小?？紤]到IPM模塊和直流電容的尺寸，平板母線寬度定為200mm。銅板厚度根據(jù)載流密度決定，其值定為1.2mm。
為了保證變流器安全、可靠運行，平板母線的絕緣是需要嚴格保證的。由于正負銅板需要盡可能緊密地貼合在一起，這就要求中間絕緣片在保證絕緣強度的基礎(chǔ)上盡可能的薄。銅板的外表面也需要進行絕緣處理，以保證安全。比較簡單的方法是在銅板外表面覆蓋和中間絕緣片材質(zhì)相同的絕緣片，從而保證了平板母線外表面的絕緣。
從原理上來說，平面母線是非常簡單的夾層結(jié)構(gòu)，而IPM和直流母線電容各自端子導(dǎo)電面都在一個平面上，為了使端子和對應(yīng)的銅板進行電氣連接，必須使用不同長度的連接件進行連接，一般采用筒管。由于很多時候筒管需要穿過不同導(dǎo)電面的筒板，這就需要考慮它們間的絕緣。同時，由于需要在銅板和絕緣片中穿過筒管和螺栓，在它們上面打孔是必不可少的，而孔洞的位置精度非常關(guān)鍵。
平面母線對銅板上孔洞的位置精度要求非常高，普通臺鉆難以保證各層銅板孔洞的同心，必須采用數(shù)控沖床進行沖孔。數(shù)控沖床在機械加工廠家中被普遍采用，可以比較容易地進行加工。
絕緣片采用0.3mm厚的FR4環(huán)氧樹脂薄板。FR4環(huán)氧樹脂具有較高的絕緣強度，機械強度好，且是硬質(zhì)的板材，可以很容易地使用鉆床進行鉆孔。為了保證加工精度，盡量選擇數(shù)控鉆床進行鉆孔。專業(yè)廠家一般采用軟質(zhì)絕緣片和絕緣薄膜分別作為中間絕緣層和外表面絕緣材料，這些軟質(zhì)材料雖然易于平板母線折彎，但難以鉆孔，必須使用專業(yè)刀具。
平面母線中的各層銅板和絕緣片需要進行緊固以保證一體性，在平板母線上打通孔并采用螺栓緊固是比較簡單可行的方法。螺栓本身也要和銅板保持絕緣，可以利用絕緣墊以保證螺栓上部和銅板的安全絕緣距離。絕緣墊的突出部分還可以同時起到各層定位凸起的作用，有效地簡化了定位工作。絕緣墊可以利用絕緣膠木棒通過車床切削和鉆孔進行加工，并不復(fù)雜。
參見圖2，可以看出銅板1與絕緣片6間隔疊置，為了將銅板1與絕緣片6壓緊，在適當?shù)牟课淮蛉舾蓚€孔，螺釘3穿過該孔，在螺帽與絕緣片6接觸的部位設(shè)有絕緣墊5，絕緣墊5帶有定位凸起4，通過定位凸起4可以使銅板1與絕緣片6定位對齊。專業(yè)廠家制作的平板母線并不需要采用螺栓進行緊固，因為它們采用的絕緣片和絕緣薄膜是熱粘合材料，該材料受熱就可以和銅板粘結(jié)為一體。但材料和工藝都比較特殊。
另外從圖2中也可一看出本發(fā)明平面母線的每塊銅板的兩側(cè)表面均設(shè)有絕緣片，即整個無感平面母線最外面的兩塊是絕緣片，中間則是若干塊間隔疊置的銅板和絕緣片。
平板母線銅板斷面凹槽中的灌膠可以采用黏性較大的絕緣硅膠。絕緣硅膠具有良好的絕緣性能，且黏性較大，可以方便灌膠。
為了使IPM模塊和直流母線電容的端子和對應(yīng)的正負銅板保持良好的電氣連接，需要采用筒管作為轉(zhuǎn)接件。筒管可以利用端面作為接觸面并采用壓力連接的方式和銅板進行電氣連接，這要求筒管具有較高的端面平整度和長度精度。利用車床對銅棒進行切削、切割和鉆孔加工就可以制成內(nèi)、外徑和長度都符合要求的筒管。參見圖1，圖中1是銅板，連接筒管分成銅板上部分2a和銅板下部分2b，螺釘3穿過連接筒管的內(nèi)部，螺釘3旋緊后對筒管形成壓力，使銅板上部分2a和銅板下部分2b將銅板1夾緊。壓接方法簡單，易于實現(xiàn)。
專業(yè)廠商則把筒管側(cè)面和銅板孔洞內(nèi)表面焊接在一起，這樣平板母線的一體性較好，但焊接工藝難以掌握。
為了防止爬電，銅板的斷面，包括四邊和孔洞內(nèi)表面都需要進行絕緣處理。絕緣片的邊緣必須伸出銅板邊緣若干長度(2～3mm)，同時銅板的斷面和兩側(cè)伸出的絕緣片形成了凹槽，在該槽中灌注絕緣硅膠就可以徹低杜絕爬電的可能性。參見圖3，絕緣片6邊緣長出銅板1的邊緣，這樣就會形成由絕緣片—銅板—絕緣片圍成的凹槽7，在凹槽7灌注的絕緣膠可以徹底杜絕上下銅板間的爬電。專業(yè)廠家采用外表面絕緣膜閉合以及孔洞套絕緣環(huán)的方法進行斷面絕緣處理，但工藝復(fù)雜，難以在有限的加工條件下實現(xiàn)。
由于這里的平面母線采用硬性的環(huán)氧樹脂片作為絕緣片，這就導(dǎo)致平板母線無法折彎。在必須折彎的場合可以采用變通的方法采用兩塊平板母線拼接，并把其中一塊的外露接頭進行折彎，這就可以實現(xiàn)折彎。參見圖4，當無感平面母線A和無感平面母線B需要連接時，可以將需要連接的銅板1延長伸出并折彎，延長出的銅板接觸后利用螺釘3連接固定，同樣的道理可以根據(jù)要求連接任意層的銅板。專業(yè)廠家的整體折彎法要求使用軟性的絕緣材料，不易加工。
采用本發(fā)明的無感平面母線以后，大大減小了IPM模塊正負端的關(guān)斷電壓尖峰，且平板母線的結(jié)構(gòu)、工藝相對簡單，易于加工，可以節(jié)約成本，加快產(chǎn)品的開發(fā)進度。使用情況表明，本發(fā)明提出的平板母線具有極低的等效電感，工作安全、可靠，且加工簡單，成本較低。
權(quán)利要求
1.一種無感平面母線，包括若干塊間隔疊置的銅板和絕緣片、連接筒管，其特征在于所述的絕緣片為硬質(zhì)的環(huán)氧樹脂薄板，每塊銅板的兩側(cè)表面均設(shè)有絕緣片，銅板和絕緣片采用螺栓緊固。
2.如權(quán)利要求1所述的無感平面母線，其特征在于所述的螺栓兩端與銅板間設(shè)有絕緣墊。
3.如權(quán)利要求2所述的無感平面母線，其特征在于所述的絕緣墊帶有環(huán)型突起。
4.如權(quán)利要求1所述的無感平面母線，其特征在于所述的連接筒管分為上、下兩部分，內(nèi)有螺栓穿過，通過螺栓使上、下兩部分連接筒管壓緊銅板。
5.如權(quán)利要求1所述的無感平面母線，其特征在于在無感平面母線打孔處，銅板孔徑大于絕緣片的孔徑，打孔斷面形成環(huán)形的凹槽，凹槽內(nèi)灌注絕緣硅膠。
6.如權(quán)利要求1所述的無感平面母線，其特征在于所述的絕緣片的邊緣伸出銅板邊緣2～3mm，形成2～3mm深的凹槽，凹槽內(nèi)灌注絕緣硅膠。
全文摘要
本發(fā)明公開一種無感平面母線，包括若干塊間隔疊置的銅板和絕緣片、連接筒管，所述的絕緣片采用硬質(zhì)的環(huán)氧樹脂薄板，銅板和絕緣片采用螺栓緊固。所述的螺栓兩端與銅板間設(shè)有絕緣墊。采用本發(fā)明的無感平面母線以后，大大減小了IPM模塊正負端的關(guān)斷電壓尖峰，且平板母線的結(jié)構(gòu)、工藝相對簡單，易于加工，可以節(jié)約成本，加快產(chǎn)品的開發(fā)進度。使用情況表明，本發(fā)明提出的平板母線具有極低的等效電感，工作安全、可靠，且加工簡單，成本較低。
文檔編號H02M1/00GK101068074SQ20071006834
公開日2007年11月7日 申請日期2007年4月27日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月27日
發(fā)明者陳國柱, 仇志凌 申請人:浙江大學(xué)