CN102801285B - 一种高压igbt变流器模块 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高压IGBT变流器模块，该变流器模块采用抽屉或立式结构，各个部件层叠安装在其内。散热器设置在变流器模块的底部，高压IGBT元件设置在散热器上方，均匀排列在散热器的上表面。高压低感母排设置在高压IGBT元件上方，并与高压IGBT元件导电连接。交流母排设置在高压低感母排的水平侧上方，并与高压IGBT元件导电连接。控制盒设置在交流母排的上方，并固定在散热器上。门极驱动电源设置在控制盒旁的电源盒内。高压门极驱动电路设置在变流器模块上层的驱动安装盒内。本发明变流器模块结构简洁，外观美观，安全可靠，各方面性能优越，可维护性和互换性好，能满足城际动车组、磁悬浮列车、机车等高压大功率应用场合。

Description

一种高压IGBT变流器模块

技术领域

本发明涉及电力电子变流技术领域，具体涉及一种应用于轨道机车车辆的新型高压IGBT（Isolated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管）牵引变流器模块结构设计。

背景技术

随着交流传动技术的发展，IGBT变流器模块作为牵引变流器的一个重要部件，正在向模块化、系列化方向发展，应用IGBT变流器模块也日益广泛。国内有企业做过相关尝试，但因为技术不成熟等问题，与国外同类产品相比，存在较大差距。因此，IGBT变流器模块技术问题成为当前制约我国动车组发展的瓶颈之一。受功率半导体技术水平的限制以及IGBT串、并联技术的不完善，要想提高变流器模块的功率等级，就必须使用高压IGBT元件。现有的IGBT变流器模块都装有一个支撑电容，这样使得每个变流器模块都显得十分笨重，组装、拆卸以及维护都极不方便。

另外，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元件，对应的直流回路工作电压为1500V和750V，其应用的范围主要集中在动车组、地铁、磁浮等城轨领域。而铁路机车直流回路工作电压通常为2600V或更高，主要采用了GTO（Gate Turn-Off Thyristor，可关断晶闸管）元件，也可采用多个IGBT元件串连或三点式电路，但这会增加变流器的复杂性，降低系统的可靠性。

由于使用和发展时间不长，IGBT变流器模块还存在很多不完善的地方，就中大功率的IGBT变流器模块来说，目前国内普遍使用的情形是：

（1）模块化、通用化程度不高。用于交流传动牵引变流器一般分为四象限整流器和逆变器两类。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单独设计的。由于两者电路结构和控制不同，因而一般两者不能互换或互换性较差；

（2）功率等级增加困难。受功率半导体技术水平的限制，以前研制的系列牵引变流器模块主要采用3300V或1700V的元件，对应中间直流回路的电压等级为1500V和750V。因此如要提高功率等级，就必须对元件进行串、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。常常为了要维修一个部件或元件而需拆卸很多别的部件或元件，这样除了工作量大以外，还给系统的可靠性及整体寿命带来严重的影响。因为每拆卸一次，相应部件的可靠性都降低一些，如一般接插件的插拔次数是有规定的，超过此数目后该接插件将不再可靠；

（4）元件布局不合理，电气性能受到影响。由于一般变流器的模块化、集成化程度不高或元器件布置不合理，如没有采用低感母排或相关部件布置太远，造成布线电感或线路电感太大等，使整个变流器的电气性能受到了影响，从而不能充分发挥变流器的潜力；

（5）散热方式复杂或者不佳。目前大功率变流器使用较多的散热方式主要是水冷散热器，此类散热器虽然散热量大，效果好，但整个系统制造工艺复杂，价格贵且容易出现漏水的情形。另一种散热方式就是热管散热器的走行风冷方式，原理是利用车行走时产生的风对散热器进行冷却或自然冷却。该方式散热效果较差，由于裸露在车体下面，受环境影响较大，需定期进行维护。再有一种散热方式就是强迫风冷，相对于其它散热方式，它的优点是散热器的设计相对简单，工艺难度较低，成本不高。该方式虽然不如水冷的好，但制造工艺相对来说简单得多，成本较低，也不需要为此设计专门的水循环及冷却系统；相对走行风冷的热管散热器来说，除了散热器效果更好外，可靠性及可维护性也更好，受外界环境影响也小。

在现有技术中，与本发明相关的有以下内容：

现有技术1为株洲时代集团公司于2003年12月5日申请，并于2004年11月17日公开，公开号为CN1546340A的中国发明专利申请《一种通用化、集成化、模块化IGBT牵引变流器模块》。该申请公开了一种IGBT牵引变流器模块，该模块为抽屉式结构，由变流单元、直流支撑电容单元、门极驱动单元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。

现有技术2为株洲南车时代电气股份有限公司于2008年01月02日申请，并于2008年07月16日公开，公开号为CN101222173A的中国发明专利申请《一种高压IGBT变流器模块》。该申请公开了一种通用化的高压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。该变流器模块由于高压支撑电容器的存在，显得比较笨重，组装、拆卸及维护都不方便。

在大功率牵引变流器模块的设计当中，合理设计变流器模块的母排，抑制IGBT元件的开关过电压，科学地布置IGBT元件和驱动电路，优化热设计以及选择合适的散热方式，如何做到变流器模块的简统化，模块化，提高变流器模块的可靠性，可维护性等以上几方面对于牵引动力的核心——变流器模块来说非常重要。而就目前现有的各种变流器模块来看，主要存在以下方面的不足：

（1）一般的变流器模块没有使用低感母排技术或使用了一些简单的母排技术，但它们没有达到抑制功率器件的开关过电压的作用或是效果不是很理想；

（2）一般变流器模块的IGBT驱动电路安装采用两种方式。一种是直接安装在IGBT元件上，这样驱动电路引线电感最小，但是在变流器模块上，其检测维护非常困难。另一种方式就是为了安装，更换方便，将驱动电路安装在离IGBT元件较远的空间，但这样会引起引线电感较大，对IGBT元件驱动不利，影响变流器模块的安全运行；

（3）用于交流传动的变流器模块一般分为四象限整流器模块和逆变器模块两类，由于两者电路结构和控制方式不同，因而一般两者不能互换或互换性较差；

（4）受功率半导体技术水平的限制，以前研制的系列变流器模块主要采用3300V或1700V的元件，对应中间直流回路的电压等级为1500V和750V，因此如想提高功率等级，就必须对元件进行串、并联使用，这样往往导致变流器模块的电路和结构上需要很大程度的改动，可靠性相应降低；

（5）由于电路和结构的复杂性，变流器模块在进行检修维护时，拆卸和安装非常不方便，而且操作时需要特殊的装备工具。

发明内容

本发明的目的是提供一种模块化的高压IGBT变流器模块，该模块能够做到结构简洁，外观美观，安全可靠，而且各方面性能优越，可维护性和互换性好，能满足城际动车组、磁悬浮列车、机车等高压大功率的应用场合。

为了实现上述发明目的，本发明具体提供了一种高压IGBT变流器模块的技术实现方案，一种高压IGBT变流器模块，高压IGBT变流器模块采用抽屉式或立式结构，包括散热器、门极驱动电源、高压低感母排、驱动安装盒、高压IGBT元件、交流母排、高压门极驱动电路、电源盒和控制盒在内的各个部件层叠安装在抽屉式或立式结构中。

散热器设置在高压IGBT变流器模块的底部；

高压IGBT元件设置在散热器的上方，均匀排列在散热器的上表面；

高压低感母排设置在高压IGBT元件的上方，并与高压IGBT元件导电连接；

交流母排设置在高压低感母排的水平侧上方，并与高压IGBT元件导电连接；

控制盒设置在交流母排的上方，并且固定在散热器上；

门极驱动电源设置在控制盒旁的电源盒内；

高压门极驱动电路设置在高压IGBT变流器模块上层的驱动安装盒内。

作为本发明一种高压IGBT变流器模块技术方案的进一步改进，控制盒包括脉冲分配单元。

作为本发明一种高压IGBT变流器模块技术方案的进一步改进，散热器采用铝翅片散热器，散热器的元件安装面均匀布置有温度继电器，一旦温度超过设定值，高压IGBT变流器模块将降功运行或停机。

作为本发明一种高压IGBT变流器模块技术方案的进一步改进，高压IGBT元件的底板紧贴散热器的表面安装在散热器上。

作为本发明一种高压IGBT变流器模块技术方案的进一步改进，高压门极驱动电路的安装采用二次绝缘结构，每个高压门极驱动电路用于驱动一个高压IGBT元件，高压门极驱动电路用于高压IGBT元件的开通、关断与保护。

作为本发明一种高压IGBT变流器模块技术方案的进一步改进，高压低感母排由正、负的铜排层和中间绝缘层叠压而成，紧贴在高压IGBT元件上。

作为本发明一种高压IGBT变流器模块技术方案的进一步改进，高压低感母排的上表面设置有绝缘套，高压低感母排的下表面设置有绝缘条，绝缘条位于高压IGBT元件的间隙沟槽内，高压低感母排的水平侧面与控制盒之间布置有绝缘隔板。

作为本发明一种高压IGBT变流器模块技术方案的进一步改进，高压IGBT变流器模块还包括接线板，用于高压IGBT变流器模块的电路对外接线，接线板的表面设置有沟槽，用于增加各导电端子的爬电距离。

作为本发明一种高压IGBT变流器模块技术方案的进一步改进，控制盒与高压门极驱动电路之间的IGBT门极驱动信号采用光纤进行传输。

作为本发明一种高压IGBT变流器模块技术方案的进一步改进，高压IGBT变流器模块还包括拉手，拉手安装在散热器上，用于吊运高压IGBT变流器模块。

通过实施上述本发明一种高压IGBT变流器模块的技术方案，具有以下技术效果：

（1）去掉了支撑电容器，更加方便系统设计，系统设计时可以将多个变流器模块的支撑电容器集中设计，节约成本；

（2）去掉了支撑电容器，变流器模块重量减轻了40％，模块维护时间缩短了30％，布局更加合理，能够在不拆卸模块的基础上维护高压门极驱动电路等部件。结构布局更加合理，驱动板和脉冲分配板之间距离减小，方便组装，所有高压门极驱动电路在一个面上，驱动安装盒采用模具加工，降低成本，方便组装和布线；

（3）采用通用性设计，变流器模块可以采用抽屉式安装，也可以采用立式安装，比以前的变流器模块安装方式更加灵活，适应范围更加广泛；

（4）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，可以很容易实现不同功能和功率等级的变流器模块，适用于轨道交通运输及工业领域；

（5）散热器采用风冷散热方式，散热效果好，对环境无污染，散热器的设计相对简单，工艺难度较低，成本不高，而且变流器模块可以灵活的扩展到水冷散热方式；

（6）该变流器模块兼顾了四象限整流器模块和逆变器模块的电路形式和结构特点，使得该变流器模块完全可以适用两种工况的使用，具有完全的互换性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明高压IGBT变流器模块一种具体实施方式的主视图；

图2是本发明高压IGBT变流器模块一种具体实施方式的俯视图；

图3是本发明高压IGBT变流器模块一种具体实施方式的的交流母排安装示意图；

图4是本发明高压IGBT变流器模块一种具体实施方式的的驱动部分安装示意图；

图5是本发明高压IGBT变流器模块一种具体实施方式的高压低感母排的结构示意图；

图中：1-散热器，2-拉手A，3-驱动盒盖，4-脉冲分配单元，5-拉手B，6-控制盒盖，7-绝缘隔板，8-电源散热板，9-门极驱动电源，10-接线板B，11-高压低感母排，12-驱动安装盒，13-高压IGBT元件，14-门极检测单元，15-支柱A，16-温度继电器，17-支柱B，18-交流母排A，19-交流母排B，20-高压门极驱动电路，21-电源盒，22-控制盒，23-铜排层，24-中间绝缘层，25-绝缘套，26-绝缘条。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如附图1至附图5所示，给出了本发明一种高压IGBT变流器模块的具体实施例，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

如附图1和附图2所示分别是本发明高压IGBT变流器模块一种具体实施方式的主视图和俯视图，高压IGBT变流器模块采用抽屉式或立式结构，高压IGBT变流器模块采用抽屉式结构，包括散热器1、门极驱动电源9、高压低感母排11、驱动安装盒12、高压IGBT元件13、交流母排、高压门极驱动电路20、电源盒21和控制盒22在内的各个部件层叠安装在抽屉式或立式结构中。由于本发明具体实施方式所描述的高压IGBT变流器模块去掉了支撑电容器，因此更加方便系统设计，在系统设计时可以将多个模块电容器集中设计，节约成本。同时，整个模块的重量减轻了40％，模块维护时间缩短了30％，布局更加合理，能够在不拆卸模块的基础上维护驱动部分等部件。结构布局更加合理，驱动部分和脉冲分配部分之间距离减小，方便组装，所有驱动部分在一个面上，驱动组件采用模具加工，降低成本，方便组装和布线。采用通用性设计使得变流器模块既可以采用抽屉式安装，也可以采用立式安装，比以前的模块安装方式更加灵活，适应范围更加广泛。

其中，散热器1安装在高压IGBT变流器模块抽屉式结构的底层。高压IGBT元件13安装在散热器1的上方，均匀排列在散热器1的上表面，各个高压IGBT元件13的间距相同，以便于充分地利用散热器1进行散热。同时，高压IGBT元件13与散热器1紧密相连。散热器1采用风冷散热方式，散热效果好，对环境无污染。散热器1的设计相对简单，工艺难度较低，成本不高，而且模块可以灵活的扩展到水冷散热方式。

高压低感母排11安装在高压IGBT元件13的上方，并且与高压IGBT元件13导电连接。

交流母排进一步包括交流母排A 18和交流母排B 19。交流母排A 18和交流母排B 19安装在高压低感母排11的上方，与高压IGBT元件13导电连接。

控制盒22进一步安装在交流母排B 19的上方，控制盒22通过支柱A 15固定在散热器1上。

高压门极驱动电路20进一步安装在位于交流母排A 18上方的驱动安装盒12内。8块高压门极驱动电路20均匀排布，每块高压门极驱动电路20驱动一个高压IGBT元件13。

门极驱动电源9安装在控制盒7旁边的门极驱动电源盒21内，用于将输入的直流电压转化为合适的直流电压，供给高压门极驱动电路20。

作为一种优选的实施方式，控制盒7还进一步包括脉冲分配单元4，脉冲分配单元4用于配合高压IGBT元件13工作，并且反馈高压IGBT元件13的故障。

作为一种优选的实施方式，如附图2所示，散热器1进一步采用风冷散热器。散热器1由基板与翅片镶嵌而成。散热器1的元件安装面均匀布置有温度继电器16，一旦散热器1的台面温度超过设定值，高压IGBT变流器模块将降功率运行或停机。

作为一种优选的实施方式，如附图4所示，高压IGBT变流器模块进一步包括8个IGBT元件高压门极驱动电路20。高压门极驱动电路20进一步采用二次绝缘方式安装，每个高压门极驱动电路20用于驱动一个高压IGBT元件13。高压门极驱动电路20用于高压IGBT元件13的开通、关断与保护。

如附图5所示是高压低感母排11的结构示意图。作为一种优选的实施方式，如附图3所示，高压低感母排11由铜排层23和中间绝缘层24叠压而成。高压低感母排11的上表面具有绝缘套25，下表面具有绝缘条26。绝缘条26位于高压IGBT元件13之间的间隙沟槽内。高压低感母排11紧贴在高压IGBT元件13的上部，并且高压低感母排11与控制盒22之间布置有绝缘隔板7。交流母排B 19的结构为铜板外饱敷一层绝缘材料，用于加强电气绝缘性能。

控制盒22上设置有控制盒盖6。高压IGBT变流器模块还进一步包括接线板10，用于高压IGBT变流器模块的电路对外接线。接线板10的表面设置有沟槽，用于增加各导电端子的爬电距离。控制盒22与高压门极驱动电路20之间的IGBT门极驱动信号进一步采用光纤进行传输。

高压IGBT变流器模块还包括拉手，拉手包括拉手A 2和拉手B 5，拉手A 2和拉手B 5安装在散热器1上，用于吊运高压IGBT变流器模块。

本发明变流器模块兼顾了四象限整流器模块和逆变器模块的电路形式和结构特点，使得模块完全可以适用两种工况的使用，具有完全的互换性。同时，变流器模块的工作电压高、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，可以很容易实现不同功能和功率等级的变流器模块，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、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (9)

1.一种高压IGBT变流器模块，其特征在于，所述高压IGBT变流器模块采用抽屉式或立式结构，包括散热器（1）、门极驱动电源（9）、高压低感母排（11）、驱动安装盒（12）、高压IGBT元件（13）、交流母排、高压门极驱动电路（20）、电源盒（21）和控制盒（22）在内的各个部件层叠安装在抽屉式或立式结构中，所述高压IGBT变流器模块不包括高压支撑电容器；

所述散热器（1）设置在高压IGBT变流器模块的底部；

所述高压IGBT元件（13）设置在散热器（1）的上方，均匀排列在散热器（1）的上表面；

所述高压低感母排（11）设置在高压IGBT元件（13）的上方，并与高压IGBT元件（13）导电连接；

所述交流母排设置在高压低感母排（11）的水平侧上方，并与高压IGBT元件（13）导电连接；

所述控制盒（22）设置在交流母排的上方，并且固定在散热器（1）上；

所述门极驱动电源（9）设置在控制盒（22）旁的电源盒（21）内，所述控制盒（22）包括脉冲分配单元（4）；

所述高压门极驱动电路（20）设置在高压IGBT变流器模块上层的驱动安装盒（12）内。

2.根据权利要求1所述的一种高压IGBT变流器模块，其特征在于：所述散热器（1）采用铝翅片散热器，散热器（1）的元件安装面均匀布置有温度继电器（16），一旦温度超过设定值，高压IGBT变流器模块将降功运行或停机。

3.根据权利要求1或2所述的一种高压IGBT变流器模块，其特征在于：所述高压IGBT元件（13）的底板紧贴散热器（1）的表面安装在散热器（1）上。

4.根据权利要求3所述的一种高压IGBT变流器模块，其特征在于：所述高压门极驱动电路（20）的安装采用二次绝缘结构，每个高压门极驱动电路（20）用于驱动一个高压IGBT元件（13），高压门极驱动电路（20）用于高压IGBT元件（13）的开通、关断与保护。

5.根据权利要求1、2、4中任一权利要求所述的一种高压IGBT变流器模块，其特征在于：所述高压低感母排（11）由正、负的铜排层（23）和中间绝缘层（24）叠压而成，紧贴在高压IGBT元件（13）上。

6.根据权利要求5所述的一种高压IGBT变流器模块，其特征在于：所述高压低感母排（11）的上表面设置有绝缘套（25），高压低感母排（11）的下表面设置有绝缘条（26），所述绝缘条（26）位于高压IGBT元件（13）的间隙沟槽内，高压低感母排（11）的水平侧面与控制盒（22）之间布置有绝缘隔板（7）。

7.根据权利要求1、2、4、6中任一权利要求所述的一种高压IGBT变流器模块，其特征在于：所述高压IGBT变流器模块还包括接线板（10），用于高压IGBT变流器模块的电路对外接线，所述接线板（10）的表面设置有沟槽，用于增加各导电端子的爬电距离。

8.根据权利要求7所述的一种高压IGBT变流器模块，其特征在于：所述控制盒（22）与高压门极驱动电路（20）之间的IGBT门极驱动信号采用光纤进行传输。

9.根据权利要求1、2、4、6、8中任一权利要求所述的一种高压IGBT变流器模块，其特征在于：所述高压IGBT变流器模块还包括拉手，所述拉手安装在散热器（1）上，用于吊运高压IGBT变流器模块。