CN101222173B - 一种高压igbt变流器模块 - Google Patents

Abstract

一种通用化的高压IGBT变流器模块，包括散热器、高压IGBT元件、高压低感母排、交流母排、高压支撑电容器、高压门极驱动电路、门极驱动电源以及控制盒，各部件层叠安装在抽屉式结构中。该变流器模块能够将直流电转换为频率和幅值都可以调节的交流电，也可以将交流电转换为需要的直流电，适用于铁路及轨道交通运输系统，也可作为工业变流装置使用。

Description

一种高压IGBT变流器模块

技术领域

本发明属于一种将交流电转变为合适的直流电，或将直流电转变为合适的交流电的变流装置，特别是一种通用化的高压IGBT变流器模块。

背景技术

由于使用和发展时间不长，IGBT变流器普遍还存在许多不完善的地方，就中大功率的IGBT变流器来说，目前国内普遍使用的情形是：1)模块化、通用化程度不高。没有进行模块化、通用化的考虑，产品是按照客户提供的尺寸而单独设计的。2)功率增大困难。受功率半导体技术水平的限制，以前研制的系列IGBT牵引变流器模块主要采用3300V或1700V的IGBT，对应的直流回路工作电压为1500V和750V，因此必须对IGBT元件进串、并联使用，这样往往导致变流器的电路和结构上需要很大程度的改动。3)安装维修不方便。许多变流器由于结构设计缺乏模块化、方便性的考虑，给安装维修带来很大不便。4)元件布局不合理，电气性能受到影响。5)散热方式复杂或者效果不佳。

受功率半导体技术水平的限制，以前研制的系列IGBT牵引变流器模块主要采用3300V或1700V的IGBT，对应的直流回路工作电压为1500V和750V，其应用范围主要集中在动车组、地铁、磁悬浮等城轨领域，而铁路机车直流回路工作电压通常为2600V或更高，主要采用GTO元件，也可以采用多个IGBT元件串连或三点式电路，但这会增加牵引变流器的复杂性，降低系统的可靠性。

专利申请书(申请号200310110626.X)公开了一种IGBT牵引变流器模块，该变流器模块为抽屉式结构，由变流单元、直流支撑电容单元、门极驱动电路和控制盒等部件组成，集成度高、通用性强，适用于直流回路工作电压不超过2000V的牵引变流器。随着牵引变流器输出功率的持续增加，直流回路工作电压不断升高，原有的IGBT牵引变流器模块无法满足高压运行要求。

发明内容

本发明解决的问题是提供一种通用化的高压IGBT变流器模块。

为了解决上述问题，本发明提供了一种高压IGBT变流器模块，所述变流器模块为抽屉式结构，包括散热器、高压IGBT元件、高压低感母排、交流母排、高压支撑电容器、高压门极驱动电路、门极驱动电源以及控制盒，各部件层叠安装在抽屉结构中，其中：

所述散热器位于变流器模块抽屉结构的中间层；

高压IGBT元件位于散热器的上方，均匀排列在散热器的上表面，以充分利用散热器散热；

高压低感母排包括相连接的水平侧面和垂直侧面，其中水平侧面安装在高压IGBT元件上方，并且与高压IGBT元件导电连接，垂直侧面安装在抽屉结构的内侧面，与高压支撑电容器导电连接；

交流母排安装在高压低感母排的水平侧面上方，并且与高压IGBT元件导电连接；

控制盒安装在交流母排的上方，并且固定在散热器上；

高压支撑电容器安装在散热器下方层的中间，并且与高压低感母排的垂直侧面导电连接；

高压门极驱动电路跟高压支撑电容器位于散热器下方的同一层，并且均匀排列在高压支撑电容器的两侧；

门极驱动电源跟高压支撑电容器位于散热器下方的同一层，位于抽屉结构中高压支撑电容器的外侧。

其中，所述控制盒包括脉冲分配单元。

其中，所述散热器采用水冷散热器，散热器的进出水口具有水管快速接头，位于变流器模块的抽屉式结构外侧面，散热器元件安装面均匀布置有温度继电器，一旦温度超过特定值，高压IGBT变流器模块将降功率运行或停机。

其中，所述高压IGBT元件的底板紧贴散热器表面安装在散热器上。

其中，所述高压门极驱动电路的安装采用二次绝缘方式，每个门极驱动电路用于驱动一个IGBT元件，门极驱动电路用于IGBT的开通、关断与保护。

其中，所述高压低感母排由铜排层和绝缘层叠压而成，四周边缘用绝缘材料密封，紧贴在IGBT元件上面，并且，高压低感母排的上表面具有绝缘套，下表面具有绝缘条，所述绝缘条位于IGBT元件之间的间隙沟槽内，高压低感母排的水平侧面与控制盒之间布置有绝缘隔板。

其中，所述高压IGBT变流器模块还包括直流母排，所述直流母排由铜排层和绝缘层叠压而成，四周边缘用绝缘材料密封，位于变流器模块抽屉式结构的外侧，与高压低感母排导电连接，用于变流器模块主电路对外接线。

其中，所述高压IGBT变流器模块还包括接线板，用于变流器模块主电路对外接线，并且接线板表面开有沟槽，用于增加各导电端子之间的爬电距离。

其中，所述控制盒与门极驱动电路之间的门极驱动信号采用光纤传输。

其中，所述变流器模块抽屉结构的左右两侧有盖板，外侧面具有拉手和固定座，内侧面具有固定夹，底部有导轨，以及内侧面具有作为变流器模块推入柜体时导向和定位用的两根导柱，变流器模块推入柜体后，内侧面的固定夹会自动夹住柜体内的固定杆，再用螺栓将变流器模块外侧面的固定座与柜体紧固起来。

其中，高压IGBT变流器模块还包括吊耳，安装在散热器上，用来吊起搬运变流器模块。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)该变流器模块工作电压高、通用性强，输出功率范围广，适用于现有各种规格的高压IGBT元件，通过改变高压IGBT元件的型号和数量，可以很容易的实现不同功能和功率等级的变流器模块，如四象限脉冲整流器模块或逆变器模块。适用于轨道交通运输及工业领域。

2)优化了变流器模块的总体布局，使变流器模块结构更为紧凑，方便安装和维护，散热性能更好。

3)散热器采用水冷散热方式，散热效果好，对环境无污染，散热器进出水口采用水管快速接头，插拔快捷方便。

4)体积变得更小，重量更轻。

附图说明

通过附图中所示的本发明的优选实施例的更具体说明，本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按比例绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。

图1是本发明一个实施例的高压IGBT变流器模块结构示意图；

图2是图1的俯视示意图；

图3是高压低感母排的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广。因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

图1是本发明一个实施例的高压IGBT变流器模块结构示意图，图2是图1的俯视示意图。

如图1和图2所示，变流器模块为抽屉式结构，该变流器模块包括散热器110、高压IGBT元件115、高压低感母排120、交流母排125、控制盒130、高压支撑电容器135、高压门极驱动电路140以及门极驱动电源155，各部件层叠安装在抽屉式结构中。

其中散热器110安装在变流器模块抽屉式结构的中间层。高压IGBT元件115安装在散热器的上方，均匀排列在散热器的上表面，各个高压IGBT元件的间距相同，以便于充分地利用散热器散热，同时，高压IGBT元件与散热器紧密相连。

高压低感母排120包括相连接的水平侧面和垂直侧面，其中水平侧面安装在高压IGBT元件115上方，并且与高压IGBT元件115导电连接，垂直侧面安装在抽屉结构的内侧面，与高压支撑电容器135导电连接。

交流母排125安装在高压低感母排120水平侧面上方，与高压IGBT元件115导电连接。

控制盒130安装在交流母排125的上方，通过支柱152固定在散热器110上。

高压支撑电容器135安装在散热器110下方层的中间，并且与高压低感母排120导电连接；

高压门极驱动电路140跟高压支撑电容器135位于散热器下方的同一层，并且均匀排列在支撑电容器135的两侧，也就是抽屉式结构的两个侧面。

门极驱动电源155与高压支撑电容器135安装在抽屉式结构的同一层，并且位于抽屉式结构中高压支撑电容器135的前侧。用于将输入的直流电压转化为合适的直流电压，供给门极驱动电路140。

优选的，控制盒130还包括脉冲分配单元，脉冲分配单元用来配合IGBT元件工作，并且显示IGBT工作状态。

优选的，如图1和图2所示，散热器110采用水冷散热器，散热器由两块内部带沟槽的水冷板焊接而成，进出水口位于散热器的背面，冷却液经水泵加压进入散热器的进水口，流经散热器内部的水道，将高压IGBT元件散发的热量带走。散热器的进出水口具有水管快速接头180，水管快速接头位于变流器模块的抽屉式结构的外侧面与外接水管相连，使得插拔方便，并且密封效果良好。散热器除元件安装面外，其余各表面做阳极氧化处理，提高了抗腐蚀能力。散热器元件安装面均匀布置有温度继电器185，一旦温度超过特定值，高压IGBT变流器模块将降功率运行或停机。

优选的，如图1和图2所示，高压IGBT变流器模块包括高压IGBT元件115，高压IGBT元件115在散热器110的上层均匀排列为两列，高压IGBT元件紧贴在散热器的上表面。

优选的，如图1所示，高压IGBT变流器模块包括8个高压门极驱动电路140，所述门极驱动电路采用二次绝缘方式安装，每个门极驱动电路用于驱动一个IGBT元件，门极驱动电路用于IGBT元件的开通、关断与保护。

图3是高压低感母排的结构示意图。优选的，如图3所示，高压低感母排包括相连的水平侧面和垂直侧面。高压低感母排由铜排层310和绝缘层320叠压而成。高压低感母排上表面具有绝缘套330，下表面具有绝缘条340，所述绝缘条340位于IGBT元件之间的间隙沟槽内。所述绝缘套和绝缘条表面开有沟槽，高压低感母排四周边缘用绝缘材料密封处理，这样增加了各导电端子之间的爬电距离和空气间隙。高压低感母排紧贴在IGBT元件上面。并且与控制盒之间布置有绝缘隔板。交流母排的结构为铜板外包敷一层绝缘材料，用于加强电气绝缘。

优选的，控制盒与高压门极驱动电路之间的门极驱动信号采用光纤传输，大大提高了交流器模块的抗电磁干扰性能和电气绝缘性能。

优选的，如图1所示，高压IGBT变流器模块抽屉式结构的底面有两根导轨150，外侧面具有拉手160，内侧面有两根导柱165，作为变流器模块推入柜体时导向和定位用，变流器模块推入柜体后，内侧面具有固定夹170，会自动夹住柜体内的固定杆，再用螺栓将变流器模块外侧面的固定座175与柜体紧固起来。高压IGBT变流器模块的上部还包具有吊耳190，吊耳190安装在散热器110上，用来吊起搬运变流器模块。抽屉式的结构的左右两侧还具有盖板145。

优选的，高压IGBT变流器模块还包括直流母排126，直流母排位于抽屉式结构的外侧面。直流母排由铜排层和绝缘层叠压而成，四周边缘用绝缘材料密封，用于变流器模块主电路对外接线。

优选的，高压IGBT变流器模块还包括接线板195，接线板表面开有沟槽，用于增加各导电端子之间的爬电距离。

下面结合本发明的一个优选实施例的高压IGBT变流器模块，来对本发明做更详细的说明。

如图1和图2所示，变流器模块为抽屉式结构，该变流器模块包括散热器110、高压IGBT元件115、高压低感母排120、交流母排125、直流母排126、控制盒130、高压支撑电容器135以及高压门极驱动电路140，门极驱动电源155，拉手160，导柱165，固定夹170，固定座175，水管快速接头180，温度继电器185，吊耳190，盖板145，导轨150。各部件层叠安装在抽屉式结构中。

其中散热器110安装在变流器模块抽屉结构的中间层。散热器110采用水冷散热器，散热器由两块内部带沟槽的水冷板焊接而成，进出水口位于散热器的背面，冷却液经水泵加压进入散热器的进水口，流经散热器内部的水道，将高压IGBT元件散发的热量带走。散热器的进出水口具有水管快速接头180，水管快速接头位于变流器模块的抽屉式结构的外侧面与外接水管相连，使得插拔方便，并且密封效果良好。散热器除元件安装面外，其余各表面做阳极氧化处理，提高了抗腐蚀能力。散热器的上表面靠近高压IGBT元件115的位置均匀布置有温度继电器185，用于实时监视散热器表面的温度，通过控制导线将信号传送给控制系统，一旦温度超过特定值，控制系统迅速采取相应处理措施将降功率运行或停机。

高压IGBT变流器模块包括8个6500V/600A的高压IGBT元件115，在散热器110的上层均匀排列为两列，各个高压IGBT元件的间距相当，以便于充分地利用散热器散热。高压IGBT元件在底板涂敷一层导热硅脂后，通过安装螺栓紧贴在散热器的上表面。每2个高压IGBT元件构成一个相桥臂。各高压IGBT元件之间通过高压低感母排120导电互连。

高压低感母排120由铜排层和绝缘层叠压而成。高压低感母排上表面具有绝缘套，下表面具有绝缘条。所述绝缘套和绝缘条表面开有沟槽，高压低感母排四周边缘用绝缘材料密封处理。高压低感母排120水平放置在高压IGBT元件115上层，并且与高压IGBT元件和高压支撑电容器紧密导电连接，将各高压IGBT元件导电连接起来，所述绝缘条位于IGBT元件之间的间隙沟槽内。高压低感母排和控制盒之间布置有绝缘隔板。

交流母排125的结构为铜板外包敷一层绝缘材料。交流母排表面压装有导电铜柱，安装在高压低感母排120上方，直接与高压IGBT元件115的导电端子连接。

控制盒130通过6根支柱152固定在散热器上。控制盒130安装在交流母排125的上方，与交流母排125之间有一块绝缘隔板。控制盒由控制盒体和盖板两部分组成，盖板可以沿盒体边缘抽出。控制盒体内安装有脉冲分配单元，脉冲分配单元与高压IGBT元件导电连接，用来将输入的脉冲分解为IGBT门极驱动信号，用来保证IGBT最小开通时间，保证IGBT死区时间，IGBT故障时封锁脉冲，以及实现输入输出信号的光电转换。脉冲分配单元具有状态显示灯，能够实时显示各IGBT的工作状态。

控制盒130与高压门极驱动电路140之间的门极驱动信号采用光纤传输。

高压支撑电容器135安装在散热器110下方层的中间，与高压低感母排120导电连接。

高压门极驱动电路140跟高压支撑电容器位于散热器下方的同一层，并且均匀排列在支撑电容器135的两侧，也就是抽屉式结构的左右两个侧面。高压IGBT变流器模块包括8个高压门极驱动电路140，所述门极驱动电路采用二次绝缘方式，每个门极驱动电路140用于驱动一个IGBT元件115，门极驱动电路用于IGBT元件的开通与关断，具有IGBT过流保护、IGBT短路保护、门极驱动电源欠压保护功能。

高压IGBT变流器模块还包括门极驱动电源155。门极驱动电源155与高压支撑电容器135安装在抽屉式结构的同一层，并且位于抽屉式结构中高压支撑电容器的外侧。用于将输入的直流电压转化为合适的直流电压，供给门极驱动电路。

高压IGBT变流器模块抽屉式结构的底面有两根导轨150，外侧面具有两个拉手160，内侧面有两根导柱165，作为变流器模块推入柜体时导向和定位用，内侧面具有固定夹170，变流器模块推入柜体后，固定夹会自动夹住柜体内的固定杆，再用螺栓将变流器模块外侧面的固定座175与柜体紧固起来。高压IGBT变流器模块的上部还包具有吊耳190，吊耳190安装在散热器110上，用来吊起搬运变流器模块。抽屉式的结构的左右两侧还具有盖板145。

高压IGBT变流器模块还包括直流母排126，直流母排位于高压IGBT变流器模块抽屉式结构的外侧面。直流母排由铜排层和绝缘层叠压而成，四周边缘用绝缘材料密封，用于变流器模块主电路对外接线。

高压IGBT变流器模块还包括接线板195，用于变流器模块主电路对外接线，接线板表面开有沟槽，用于增加各导电端子之间的爬电距离。

另外，主电路输入输出接线端子全部布置在高压IGBT变流器模块抽屉式结构的外侧面，方便接线，

高压IGBT变流器模块内部的控制导线采用高压导线。

在散热器，绝缘隔板，控制盒边缘都开有缺口，以便于布线。

本发明所述变流器模块优化了变流器模块的总体布局，适用于现有各种规格的高压I GBT元件，因此工作电压高、通用性强，输出功率范围广，直流回路工作电压可以在3000V以上，适用于轨道交通运输及工业领域。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (11)

1.一种高压IGBT变流器模块，所述变流器模块为抽屉式结构，包括散热器、高压IGBT元件、高压低感母排、交流母排、高压支撑电容器、高压门极驱动电路、门极驱动电源以及控制盒，各部件层叠安装在抽屉结构中，其特征在于：

所述散热器位于变流器模块抽屉结构的中间层；

高压IGBT元件位于散热器的上方，均匀排列在散热器的上表面，以充分利用散热器散热；

高压低感母排包括相连接的水平侧面和垂直侧面，其中水平侧面安装在高压IGBT元件上方，并且与高压IGBT元件导电连接，垂直侧面安装在抽屉结构的内侧面，与高压支撑电容器导电连接；

交流母排安装在高压低感母排的水平侧面上方，并且与高压IGBT元件导电连接；

控制盒安装在交流母排的上方，并且固定在散热器上；

高压支撑电容器安装在散热器下方层的中间，并且与高压低感母排的垂直侧面导电连接；

高压门极驱动电路跟高压支撑电容器位于散热器下方的同一层，并且均匀排列在高压支撑电容器的两侧；

门极驱动电源跟高压支撑电容器位于散热器下方的同一层，位于抽屉结构中高压支撑电容器的外侧。

2.如权利要求1所述的高压IGBT变流器模块，其特征在于：所述控制盒包括脉冲分配单元。

3.如权利要求1所述的高压IGBT变流器模块，其特征在于：所述散热器采用水冷散热器，散热器的进出水口具有水管快速接头，位于变流器模块的抽屉式结构外侧面，散热器元件安装面均匀布置有温度继电器，一旦温度超过特定值，高压IGBT变流器模块将降功率运行或停机。

4.如权利要求1所述的高压IGBT变流器模块，其特征在于：所述高压IGBT元件的底板紧贴散热器表面安装在散热器上。

5.如权利要求1所述的高压IGBT变流器模块，其特征在于：所述高压门极驱动电路的安装采用二次绝缘方式，每个门极驱动电路用于驱动一个IGBT元件，门极驱动电路用于IGBT的开通、关断与保护。

6.如权利要求1所述的高压IGBT变流器模块，其特征在于：所述高压低感母排由铜排层和绝缘层叠压而成，四周边缘用绝缘材料密封，紧贴在IGBT元件上面，并且，高压低感母排的上表面具有绝缘套，下表面具有绝缘条，所述绝缘条位于IGBT元件之间的间隙沟槽内，高压低感母排的水平侧面与控制盒之间布置有绝缘隔板。

7.如权利要求1所述的高压IGBT变流器模块，其特征在于：还包括直流母排，所述直流母排由铜排层和绝缘层叠压而成，四周边缘用绝缘材料密封，位于变流器模块抽屉式结构的外侧，与高压低感母排导电连接，用于变流器模块主电路对外接线。

8.如权利要求1所述的高压IGBT变流器模块，其特征在于：还包括接线板，用于变流器模块主电路对外接线，并且接线板表面开有沟槽，用于增加各导电端子之间的爬电距离。

9.如权利要求1所述的高压IGBT变流器模块，其特征在于：所述控制盒与门极驱动电路之间的门极驱动信号采用光纤传输。

10.如权利要求1所述的高压IGBT变流器模块，其特征在于：所述变流器模块抽屉结构的左右两侧有盖板，外侧面具有拉手和固定座，内侧面具有固定夹，底部有导轨，以及内侧面具有作为变流器模块推入柜体时导向和定位用的两根导柱，变流器模块推入柜体后，内侧面的固定夹会自动夹住柜体内的固定杆，再用螺栓将变流器模块外侧面的固定座与柜体紧固起来。

11.如权利要求1所述的高压IGBT变流器模块，其特征在于：还包括吊耳，安装在散热器上，用来吊起搬运变流器模块。

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