CN103036399B - 一种中低速磁悬浮列车牵引变流器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种中低速磁悬浮列车牵引变流器，包括柜体与在柜体内部合理分布的控制箱、IGBT模块、斩波电阻、均压电阻、直流电容、层叠母排、热管散热器、风机、直流母排与交流输出母排；其中，直流正、负母排连接外部直流供电进线；三相逆变交流输出母排与外部电机相连；IGBT模块在热管散热器中散热基板上合理布置，并结合斩波电阻构成逆变部分与斩波部分，通过层叠母排实现电气连接；采用小容量风机与热管散热器，实现热量的排出。直流电容上的电压均衡通过均压电阻保证。控制箱用来驱动控制牵引变流器的工作。本发明的优点在于：结构紧凑、功率密度高、线路之间的杂散电感低；冷却效率高，噪音小、成本低、可靠性高、维护方便。

Description

一种中低速磁悬浮列车牵引变流器

技术领域

本发明设计半导体开关技术领域，具体来说，是一种主要功率器件为绝缘栅双极性晶体（IGBT）的中低速磁悬浮列车牵引变流器。

背景技术

自上个世纪90年代以来，IGBT变流器技术在机车车辆牵引系统的小功率范围内取得了飞速发展。IGBT全称绝缘栅双极晶体管，是MOSFET和GTR(电力晶体管)相结合的产物。它的三个极分别是集电极(C)、发射极(E)和栅极(G)。在欧洲，首台IGBT牵引变流器是1992年Siemens公司研制成功的，并用于法兰克福低地板电车上。IGBT牵引变流器应用领域的扩展，受益于其关断能力的提高和通过电流的加大。过去10年来，晶体管结构和生产工艺方面的一系列关键技术的改进，推动了IGBT变流器的不断完善。IGBT牵引变流器有2个重要的优点，首先这种变流器由于组装成本低和提高牵引系统效率而具有降耗的潜力，其次在于这种牵引系统具有较高的可靠性和运行可用性，这一优点有利于IGBT变流器迅速投入使用。

牵引变流器发展的目标是小型化、轻量化、节能、环保、可靠和经济适用。牵引变流器的冷却是另一项关键技术，它要求冷却效率高、体积小、易于维修、不污染环境，目前的冷却方式主要是风冷、油冷、水冷、沸腾冷却和热管冷却，这几种水冷方式在冷却效率，体积，重量、噪声、成本、维护等方面各有其优缺点。由于牵引变流器使用环境的要求，在体积、重量、噪声、维护、可靠性方面有比较严格的限制，因此需要根据实际的设计要求来对整体结构、冷却方式进行综合考虑。

发明内容

本发明提供了一种中低速磁悬浮列车牵引变流器，其结构紧凑、体积相对较小、功率密度大、安装便利、而且线路之间的杂散电感很小，输出功率完全可以达到设计要求；且采用热管冷却方式，冷却效率高、噪音小、便于维护及可靠性高；相对于风冷虽然重量体积虽然有所增加，但是满足变流器整体重量体积要求，也明显降低了运行噪声；与水冷、油冷相比，冷却效率有所降低，但是在成本，维护、可靠性等方面有明显的优势。

一种中低速磁悬浮列车牵引变流器，其特征在于：包括柜体与柜体内部设置的控制箱、IGBT模块、直流电容、层叠母排、斩波电阻、均压电阻、热管散热器、风机、直流母排与交流输出母排。

所述柜体内部空间通过竖直安装的隔板分隔为左、右两部分，隔板上开有走线孔；热管散热器中散热基板垂直于柜体底面固定在柜体内左部分中，使散热基板两侧形成相对独立的两部分空间；所述散热基板一侧设置有风机，风机的排风一侧朝向柜体底板上开设的排风口；散热基板另一侧设置有层叠母排、直流正母排、直流负母排、三相逆变交流输出母排、直流电容、IGBT模块。

所述层叠母排的两个直流端A分别与直流正母排、直流负母排一端相连，直流正母排与直流负母排另一端连接外部直流供电进线；直流正母排与直流负母排上均安装有电流传感器A，且直流正母排与直流负母排之间安装有电压传感器；电流传感器A和电压传感器均固定在柜体内部；层叠母排另一侧的直流端B与直流电容的接线端子相连。直流电容上的电压均衡通过安装在柜体内右部分的均压电阻保证，均压电阻通过电缆与直流正母排、直流负母排相连；三相逆变交流输出母排一端与层叠母排相连，三相逆变交流输出母排另一端通过电缆与外部电机相连；三相逆变交流输出母排连接电缆一端上固定有电流传感器B。

所述IGBT模块设置于层叠母排与散热基板之间，由六个IGBT功率模块与一个IGBT斩波模块构成以及IGBT驱动板构成；六个IGBT功率模块与一个IGBT斩波模块均紧密固定在散热基板上；六个IGBT功率模块构成三相逆变回路，作为牵引变流器的逆变部分；六个IGBT功率模块在散热基板上排列成两排，每排三个；IGBT斩波模块与其中一排IGBT功率模块同排设置；且安装在柜体右部分内的斩波电阻连接在IGBT斩波模块与直流负母排之间，由此形成斩波回路，作为牵引变流器中的斩波部分；IGBT驱动板为七个，在六个IGBT功率模块与一个IGBT斩波模块上还分别安装有一个IGBT驱动板；上述层叠母排紧覆于IGBT模块上，并与六个IGBT功率模块和一个IGBT斩波模块固连。

所述控制箱安装在柜体内右部分内，通过控制箱接受来自外部牵引控制系统的控制信号，通过光纤将控制信号传输到IGBT驱动板，通过IGBT驱动板驱动IGBT模块的工作；电流传感器A、电流传感器B与电压传感器分别将检测到的直流侧电流、逆变输出电流与直流电压数据传送到控制箱，并通过控制箱传输到外部牵引控制系统。

本发明的优点在于：

1、本发明中低速磁悬浮列车牵引变流器，通过在热管散热器的散热基板上合理设置IGBT模块等功率器件，并通过层叠母排实现IGBT模块中的各功率模块与斩波模块间的电气连接，从而有效减小变流器电气部分的空间占用，提高了变流器的功率密度；

2、本发明低速磁悬浮列车牵引变流器，通过层叠母排减小了线路之间的杂散电感，有利于IGBT等相关器件的安全稳定运行；

3、本发明低速磁悬浮列车牵引变流器，冷却方式采用热管冷却，冷却效率高，噪音小、成本低、可靠性高、维护方便；

4、本发明低速磁悬浮列车牵引变流器，结构紧凑、采用模块化设计，方便了系统的安装调试，为在最短的停机时间内完成系统的维护与维修提供了条件。

附图说明

图1为本发明低速磁悬浮列车牵引变流器整体结构示意图；

图2为本发明低速磁悬浮列车牵引变流器中IGBT模块在散热基板上的布局图；

图3为本发明低速磁悬浮列车牵引变流器中层叠母排结构示意图；

图4为本发明低速磁悬浮列车牵引变流器中IGBT模块安装方式示意图；

图5为本发明低速磁悬浮列车牵引变流器柜体封装后结构示意图。

图中：

1-柜体        2-控制箱         3-IGBT模块      4-直流电容

5-层叠母排    6-斩波电阻       7-均压电阻      8-热管散热器

9-风机        10-直流正母排    11-直流负母排   12-三相逆变交流

                                               输出母排

101-隔板      102-柜体吊装支架 301-IGBT功率模块302-IGBT斩波模块

501-顶部绝缘层502-三相输出母排 503-绝缘隔层A   504-斩波模块接线

                                               母排

505-绝缘隔层B 506-正母排       507-绝缘隔层C   508-负母排

509-底部绝缘层510-导电铜柱     511-绝缘垫块    512-IGBT功率模块

                                               连接孔区域

513-IGBT斩波模块514-母排连接孔区域515-斩波电路连接端516-直流端A

连接孔区域

517-直流端B

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明一种中低速磁悬浮列车牵引变流器，包括柜体1与柜体1内部设置的控制箱2、IGBT模块3、直流电容4、层叠母排5、斩波电阻6、均压电阻7、热管散热器8、风机9、直流正母排10、直流负母排11与三相逆变交流输出母排12，如图1所示。

所述柜体1内部空间通过竖直安装的隔板101分隔为左、右两部分，隔板101上开有走线孔，便于左部分与右部分内器件间的走线。热管散热器8中的散热基板采用铝制基板，用来固定IGBT模块3；而热管用来将IGBT模块3运行产生的热量进行释放。散热基板上开有固定孔，通过螺栓穿过固定孔将散热基板垂直于柜体1底面固定在柜体1内左部分中，且散热基板周向与柜体1内左部分周向侧壁相连（即散热基板四个侧边分别对应与柜体1底面、柜体1顶面、柜体1侧壁以及隔板101相连），由此实现热管散热器8与柜体1间的定位；且散热基板与柜体1间的连接处需进行密封处理，使散热基板两侧形成相对独立，防尘防水的两部分空间。

所述散热基板一侧设置有风机9，风机9固定于柜体1底板上，风机9的排风一侧朝向柜体1底板上开设的排风口，使热空气排出。柜体1顶面对应风机9抽风一侧位置，采用金属防尘网结构，从而保证空气流通的同时起到较好的防尘效果。在同样的散热功率条件下，采用普通的风冷铝片散热器需要大容量风机，虽然铝片散热器体积相对较小，但大容量风机占用体积增加且带来更大的工作噪音；而本发明采用小容量风机9可有效提高热管散热器8的散热功率，相对的可以减小热管散热器8的体积，同时小容量风机9工作噪音低。散热基板另一侧设置有层叠母排5、直流正母排10、直流负母排11、三相逆变交流输出母排12、直流电容4与IGBT模块3。

所述层叠母排5采用多层扁平铜排及绝缘材料一体封装而成，包括由上至下层叠设置的顶部绝缘层501、三相输出母排502、绝缘隔层A503、斩波模块接线母排504、绝缘隔层B505、正母排506、绝缘隔层C507、负母排508、底部绝缘层509，以及导电铜柱510和绝缘垫块511，形成八层一体结构，如图2、图3所示，相连两层间采用胶接方式固定，且设有起粘接作用的具有流胶特性的半固化片。在顶部绝缘层501、三相输出母排502、绝缘隔层A503、绝缘隔层B505、正母排506、绝缘隔层C507、负母排508、底部绝缘层509上相对应位置均设计有六个用来连接IGBT功率模块的，由n个连接孔构成的IGBT功率模块连接孔区域512，n＞1；六个IGBT功率模块连接孔区域512按两排排列，一排三个。而在顶部绝缘层501、绝缘隔层A503、斩波模块接线母排504、绝缘隔层B505、正母排506、绝缘隔层C507、负母排508、底部绝缘层509上还开有一个用来连接IGBT斩波模块的，由m个连接孔构成的IGBT斩波模块连接孔区域513，m＞1；一个IGBT斩波模块连接孔区域513与其中一排IGBT功率模块连接孔区域512同排排列；且在斩波模块接线母排504上仅具有一个IGBT斩波模块连接孔区域513，其所在位置与连接孔的开孔位置均同其它IGBT斩波模块连接孔区域513对应。上述顶部绝缘层501、三相输出母排502、绝缘隔层A503、绝缘隔层B505、绝缘隔层C507、正母排506、负母排508、底部绝缘层509中两排IGBT功率模块连接孔区域512间还设置有一排共三个用来连接三相逆变交流输出母排12的，由k个连接孔构成的母排连接孔区域514。上述负母排508上每个连接孔中插接有筒状导电铜柱510，各个导电铜柱510对应穿过其它各层上的连接孔，并与对应的连接孔间设置绝缘垫块511进行绝缘处理，通过导电铜柱510实现各层间的相对定位，且通过实现IGBT模块3与层叠母排5间的电器连接。上述斩波模块接线母排504与负母排508上，位于IGBT斩波模块连接孔区域513处设计有斩波电路连接端515；在正母排6与负母排8上，位于IGBT斩波模块连接孔区域513处分别设计有一个直流端A516，共两个；在正母排6与负母排8上，位于IGBT功率模块连接孔区域512处分别设计有两个直流端B517，共四个。上述顶部绝缘层501和底部绝缘层509均采用环氧树脂（FR4）环氧垫，而绝缘隔层A503、绝缘隔层B505、绝缘隔层C507均采用PET（背胶）绝缘纸叠加粘贴而成。

上述结构层叠母排5简洁紧凑，可有效节省柜体1内部空间；且采用模块式结构，便于安装和维护，同时也降低了总体成本，针对IGBT模块3的应用，具有更低的电感，降低了由于电压击穿而引起的电器元件损坏概率，保证了装置的高可靠性和安全性；还具有更低的阻抗，增加分布电容，以更低的电压降实现高电流承载能力，比通常电缆更容易散热冷却，因此温升更小。

上述结构层叠母排5中的两个直流端A516分别与直流正母排10、直流负母排11一端相连，直流正母排10与直流负母排11另一端连接外部直流供电进线。直流正母排10与直流负母排11上均安装有电流传感器A，且直流正母排10与直流负母排11之间安装有电压传感器；电流传感器A和电压传感器均通过支架固定在柜体1内部；其中，电流传感器A用来检测直流侧电流，电压传感器用来检测直流侧电压。层叠母排5另一侧的四个直流端B517与直流电容4的接线端子相连，直流电容4上的电压均衡通过均压电阻7保证；所述均压电阻7安装在柜体1内右部分下方侧壁上，通过电缆穿过隔板101上的走线孔与直流正母排10、直流负母排11相连。层叠母排5上的三个母排连接孔区域514中的连接孔分别与三相逆变交流输出母排12靠近层叠母排5的连接端相连，三相逆变交流输出母排514另一端通过电缆与外部电机相连；三相逆变交流输出母排12的外接电缆端上固定有电流传感器B，用来检测本发明整个牵引变流器的输出电流。

所述IGBT模块3设置于层叠母排5与散热基板之间，由六个IGBT功率模块301与一个IGBT斩波模块302构成。六个IGBT功率模块301与一个IGBT斩波模块302均紧密固定在散热基板上。六个IGBT功率模块301构成三相逆变回路，作为牵引变流器的逆变部分。六个IGBT功率模块301在散热基板上排列成两排，每排三个；IGBT斩波模块302与其中一排IGBT功率模块301同排设置，如图4所示，由此使散热基板的高度有效降低，有效优化了热管散热器8的空间占用，使柜体1吊装在列车底部后，满足柜体1长宽高的限制要求；且通过安装支架安装在柜体1右部分内下方的斩波电阻6通过电缆穿过隔板上的走线孔连接在IGBT斩波模块302与直流负母排11之间，由此形成斩波回路，作为牵引变流器中的斩波部分，起到保护放电作用。在六个IGBT功率模块与一个IGBT斩波模块上还分别安装有一个IGBT驱动板，用来驱动IGBT模块3的工作。

上述层叠母排5紧覆于IGBT模块3上，并通过螺栓穿过层叠母排5上的六个IGBT功率模块连接孔区域512与一个IGBT斩波模块连接孔区域513，分别对应与六个IGBT功率模块301和一个IGBT斩波模块302固连，从而通过层叠母排5实现了车牵引变流器中逆变部分与斩波部分间的电器连接，有效减小牵引变流器电气部分的空间占用，提高了牵引变流器的功率密度。

所述控制箱2安装在柜体1内右部分上方，用来对牵引变流器进行控制，采用6U标准机箱，通过控制箱1接受来自外部牵引控制系统的控制信号，通过光纤将控制信号传输到IGBT驱动板，通过IGBT驱动板驱动IGBT模块3的工作。电流传感器A、电流传感器B与电压传感器的信号均通过屏蔽电缆接入控制箱2，分别将检测到的直流侧电流、逆变输出电流与直流电压数据传送到控制箱2，并通过控制箱2传输到外部牵引控制系统。

本发明列车牵引变流器中，如图5所示，柜体1上顶面上两侧均匀安装有柜体吊装支架102，通过柜体吊装支架102将整个牵引变流器吊装于列车底部；且整个柜体1仅有热管散热器8的热管及风机9所在的空间与外部连通，其它空间均与外部环境完全隔离密封，防尘防水达到了铁路机车IP54的标准要求。

Claims (10)

1.一种中低速磁悬浮列车牵引变流器，其特征在于：包括柜体与柜体内部设置的控制箱、IGBT模块、直流电容、层叠母排、斩波电阻、均压电阻、热管散热器、风机、直流母排与交流输出母排； 

所述柜体内部空间通过竖直安装的隔板分隔为左、右两部分，隔板上开有走线孔；热管散热器中散热基板垂直于柜体底面固定在柜体内左部分中，使散热基板两侧形成相对独立的两部分空间；所述散热基板一侧设置有风机，风机的排风一侧朝向柜体底板上开设的排风口；散热基板另一侧设置有层叠母排、直流正母排、直流负母排、三相逆变交流输出母排、直流电容、IGBT模块； 

所述层叠母排的两个直流端A分别与直流正母排、直流负母排一端相连，直流正母排与直流负母排另一端连接外部直流供电进线；直流正母排与直流负母排上均安装有电流传感器A，且直流正母排与直流负母排之间安装有电压传感器；电流传感器A和电压传感器均固定在柜体内部；层叠母排另一侧的直流端B与直流电容的接线端子相连；直流电容上的电压均衡通过安装在柜体内右部分的均压电阻保证，均压电阻通过电缆与直流正母排、直流负母排相连；三相逆变交流输出母排一端与层叠母排相连，三相逆变交流输出母排另一端通过电缆与外部电机相连；三相逆变交流输出母排连接电缆一端上固定有电流传感器B； 

所述IGBT模块设置于层叠母排与散热基板之间，由六个IGBT功率模块与一个IGBT斩波模块以及IGBT驱动板构成；六个IGBT功率模块与一个IGBT斩波模块均紧密固定在散热基板上；六个IGBT功率模块构成三相逆变回路，作为牵引变流器的逆变部分；六个IGBT功率模块在散热基板上排列成两排，每排三个；IGBT斩波模块与其中一排IGBT功率模块同排设置；且安装在柜体右部分内的斩波电阻连接在IGBT斩波模块与直流负母排之间，由此形成斩波回路，作为牵引变流器中的斩波部分；IGBT驱动板为七个，在六个IGBT功率模块与一个IGBT斩波模块上还分别安装有一个IGBT驱动板；上述层叠母排紧覆于IGBT模块上，并与六个IGBT功率模块和一个IGBT斩波模块固连； 

所述控制箱安装在柜体内右部分内，通过控制箱接受来自外部牵引控制系统的控制信号，通过光纤将控制信号传输到IGBT驱动板，通过IGBT驱动板驱动IGBT模块的工作；电流传感器A、电流传感器B与电压传感器分别将检测到的直流侧电流、逆变输出电流与直流电压数据传送到控制箱，并通过控制箱传输到外部牵引控制系统。 

2.如权利要求1所述一种中低速磁悬浮列车牵引变流器，其特征在于：所述层叠母排包括由上至下层叠设置的顶部绝缘层、三相输出母排、绝缘隔层A、斩波模块接线母排、绝缘隔层B、正母排、绝缘隔层C、负母排、底部绝缘层，以及导电铜柱和绝缘垫块，形成八 层一体结构，相连两层间采用胶接方式固定； 

在顶部绝缘层、三相输出母排、绝缘隔层A、绝缘隔层B、正母排、绝缘隔层C、负母排、底部绝缘层上相对应位置均设计有六个用来连接IGBT功率模块的，由n个连接孔构成的IGBT功率模块连接孔区域，n＞1；六个IGBT功率模块连接孔区域按两排排列，一排三个；而在顶部绝缘层、绝缘隔层A、绝缘隔层B、正母排、绝缘隔层C、负母排、底部绝缘层上还开有一个用来连接IGBT斩波模块的，由m个连接孔构成的IGBT斩波模块连接孔区域，m＞1；一个IGBT斩波模块连接孔区域与其中一排IGBT功率模块连接孔区域同排排列；且在斩波模块接线母排上仅具有一个IGBT斩波模块连接孔区域，其所在位置与连接孔的开孔位置均同其它IGBT斩波模块连接孔区域对应；上述顶部绝缘层、三相输出母排、绝缘隔层A、绝缘隔层B、绝缘隔层C、正母排、负母排、底部绝缘层中两排IGBT功率模块连接孔区域间还设置有一排共三个用来连接三相逆变交流输出母排的，由k个连接孔构成的母排连接孔区域；上述负母排上每个连接孔中插接有筒状导电铜柱，各个导电铜柱对应穿过其它各层上的连接孔，并与对应的连接孔间设置绝缘垫块进行绝缘处理；上述斩波模块接线母排与负母排上，位于IGBT斩波模块连接孔区域处设计有斩波电路连接端；在正母排与负母排上，位于IGBT斩波模块连接孔区域处分别设计有一个直流端A；在正母排与负母排上，位于IGBT功率模块连接孔区域处分别设计有两个直流端B。 

3.如权利要求2所述一种中低速磁悬浮列车牵引变流器，其特征在于：相连两层间设有具有流胶特性的半固化片。 

4.如权利要求2所述一种中低速磁悬浮列车牵引变流器，其特征在于：所述顶部绝缘层和底部绝缘层均采用环氧树脂环氧垫。 

5.如权利要求2所述一种中低速磁悬浮列车牵引变流器，其特征在于：所述绝缘隔层A、绝缘隔层B、绝缘隔层C均采用PET绝缘纸叠加粘贴而成。 

6.如权利要求1所述一种中低速磁悬浮列车牵引变流器，其特征在于：所述散热基板采用铝制基板。 

7.如权利要求1所述一种中低速磁悬浮列车牵引变流器，其特征在于：所述散热基板与柜体间的连接处进行密封处理。 

8.如权利要求1所述一种中低速磁悬浮列车牵引变流器，其特征在于：所述柜体顶面对应风机抽风一侧位置，采用金属防尘网结构。 

9.如权利要求1所述一种中低速磁悬浮列车牵引变流器，其特征在于：所述风机为小容量风机。 

10.如权利要求1所述一种中低速磁悬浮列车牵引变流器，其特征在于：所述柜体仅有热管散热器的热管及风机所在的空间与外部连通，其他空间均与外部环境完全隔离密封。