CN103546044B - 一种制动回馈变流器的智能化功率模块 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种制动回馈变流器的智能化功率模块，包括设置在散热器上的功率单元及其控制系统，散热器下部具有进风口，上部具有出风口；功率单元包括用于与三相交流电网连接的三相功率组件、电容组，电容组固定于散热器垂直于进风口和出风口连通方向的一侧，功率单元的三相功率组件并列固定于散热器表面；控制系统安装于三相功率组件背向散热器一侧的表面。本发明的制动回馈变流器的智能化功率模块整体采用模块化设计，控制系统安装于三相功率组件背向散热器一侧的表面，就近接入功率单元的IGBT驱动部件，抗干扰能力强，整体结构紧凑，功率密度高。模块化设计可实现多模块直接并联冗余运行，单个模块故障切除后而不影响其余模块的正常运行。

Description

一种制动回馈变流器的智能化功率模块

技术领域

本发明涉及一种制动回馈变流器的智能化功率模块。

背景技术

随着我国经济的快速增长，城市轨道交通迎来了迅猛的发展。地铁再生制动回馈变流器以逆变回馈的方式将地铁列车制动时产生的多余能量回馈至交流电网，最大程度地发挥地铁再生制动的优势，具有节能环保、稳定可靠、投资低的突出优势，是未来地铁再生制动能量吸收的发展方向。

从地铁实际应用角度出发，地铁再生制动回馈变流器应具备大功率（MW以上），高功率密度、高可靠性等特点。功率单元一般采用功率子模块进行拓扑连接，一种为基于2个IGBT的半桥模式，2个IGBT串联形成的功率组件与一电容并联，也有采用基于4个IGBT构成的功率组件的H桥模式。

为了满足大功率回馈变流器的设计需求，目前一般采用功率单元级联和IGBT并联的连接方式：（1）如图1所示，每个功率单元由对应于A、B、C三相的三个半桥子模块构成，每个子模块对应一个直流母线电容和一个吸收电容，多个功率单元再级联形成整个换流器的功率组件；（2）为了增大功率，采用对每个半桥子模块进行IGBT并联的方式连接，如图2所示，即每一相对应的功率组件中具有4个IGBT管。

上述两种方式均能增大功率，但是在实际运用中存在如下问题：1）无法实现冗余运行，可靠性有待进一步提高：当单个功率单元发生故障时，变流器即整体退出运行，无法继续回馈制动能量，这样在变流器故障时间内机车只能采用混合制动，粉尘污染大，机车刹车系统维护成本高；2）无法实现功率模块随回馈功率大小逐级投入切除：机车制动功率特性呈现间歇式，并且在每个周期内呈现三角状，制动功率从低到高再降低，现有方式在回馈时功率单元全部投入，在回馈功率较小时损耗大，整体效率低，并且功率单元工作时间与回馈功率大小无关，变流器使用寿命受限；3）扩容困难：功率模块多只包含功率器件及散热系统，装置需要扩容时还需要相应增加电流电压检测、母线电容、控制系统等配套的电气部件，扩容困难。

针对上述问题，需要设计一种模块化的功率模块，以解决无法冗余运行及扩容困难等问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种制动回馈变流器的智能化功率模块，以解决现有功率模块无法冗余运行及扩容困难的问题。

为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案是：一种制动回馈变流器的智能化功率模块，包括设置在散热器上的功率单元及其控制系统，所述散热器下部具有进风口，上部具有出风口；所述功率单元包括用于与三相交流电网连接的三相功率组件、电容组，所述电容组固定于散热器垂直于进风口和出风口连通方向的一侧，功率单元的三相功率组件沿垂直于进风口和出风口连通的方向并列固定于散热器表面，并与电容组相互连接；所述控制系统安装于三相功率组件背向散热器一侧的表面上方。

所述功率单元具有用于与三相交流电网连接的交流连接端，所述各交流连接端处均设有用于采集交流电网各相电流的电流传感器，各电流传感器均与控制系统连接。

所述散热器的出风口上方设有散热风机。

所述三相功率组件与电容组通过叠层母排连接在一起。

所述控制系统包括相互连接的控制板和用于采集该功率模块连接的交流电网和直流接触网电压的调理板，所述控制板与所述功率单元控制连接，并用于与上位机通信连接；所述调理板与各电流传感器相互连接。

所述散热器为热管散热器。

本发明的制动回馈变流器的智能化功率模块整体采用模块化设计，并采用下进风上出风的散热方式；将电容组固定于散热器的一侧，功率单元的三相功率组件并列固定于散热器表面，控制系统通过安装板安装于三相功率组件的表面，就近接入功率单元的IGBT驱动部件，抗干扰能力强，整体结构紧凑，功率密度高。模块化设计可实现多模块直接并联冗余运行，单个模块故障切除后而不影响其余模块的正常运行。

并且在散热器顶端出风口处设置散热风机向上抽风，实现大风量散热。

将电容组通过叠层母排与功率单元的三相功率组件连接，有效减小回路寄生电感从而降低IGBT关断时电压尖峰。

附图说明

图1是功率模块级联连接示意图；

图2是IGBT并联连接示意图；

图3是本发明化功率模块结构示意图；

图4是本发明智能化功率模块控制原理框图。

具体实施方式

下面结合附图及具体的实施例对本发明进行进一步介绍。

如图3所示为本发明制动回馈变流器的智能化功率模块的结构示意图，由图可知，该智能化功率模块包括设置在散热器上的功率单元及其控制系统1，散热器下部具有进风口，上部具有出风口；功率单元包括用于与三相交流电网连接的三相功率组件10A～10C、电容组，电容组固定于散热器2垂直于进风口和出风口连通方向的一侧（图中为左侧），功率单元的三相功率组件10A～10C沿垂直于进风口和出风口连通的方向（从左到右）依次并列固定于散热器2表面，并与电容组相互连接，有利于功率组件均匀散热，不会造成热累计叠加效应；三相功率组件背向散热器2的表面上方间隔设有一个绝缘安装板，控制系统1通过该绝缘安装板3进行固定，并与三相功率组件连接。

本实施例的功率单元具有用于与三相交流电网连接的交流连接端，各交流连接端处均设有用于采集交流电网各相电流的电流传感器9A～9C（本实施例采用霍尔电流传感器），各电流传感器均与控制系统1连接，便于检测，维护方便。

为了具有良好的散热效果，充分利用热流自下而上流动的特性，采用下进风上出风的散热模式，在散热器的出风口上方设置散热风机61～62向上抽风，实现大风量散热，散热器2的出风口与散热风机之间设置风道作为散热通道4，本实施例的散热器采用热管散热器，散热风机采用轴流风机。

本实施例电容组包括直流母线电容71～74和吸收电容81～83，每个功率组件对应一个直流母线电容和一个吸收电容，且在该功率模块的直流输出侧还连接有一个直流母线电容，将各电容均固定在热管散热器2的一侧，并与三相功率组件的IGBT通过叠层母排5固定在一起，三相功率组件和电容组均固定于叠层母排上，并通过母排上的接口进行接线，这种叠排设计将有效减小回路寄生电感从而降低IGBT关断时电压尖峰；控制系统整体固定在三相功率组件背向散热器一侧的表面，就近接入IGBT驱动部件；为了检测功率组件的环境温度，可设置温度传感器对环境温度进行监测，扩展连接的电流、温度（图中未示出）等采样部件可就近与控制系统连接，抗干扰能力强，整体结构紧凑，功率密度高。

如图4所示，本实施例的控制系统包括相互连接的控制板和用于采集该功率模块两端连接的交流电网和直流接触网电压的调理板，控制板与所述功率单元控制连接，并用于与上位机通信连接；调理板与各电流传感器相互连接。

本发明的智能化功率模块整体采用模块化结构，针对实际应用需求，将各模块采用并联方式连接，进行多功率模块并联冗余设计，以满足大功率需求，单个模块故障时可自行切除而不影响其余模块的正常运行。

针对多功率模块冗余运行的要求，在该功率模块中设置了电流、温度采样单元，并在控制系统中设置具有信号调理、控制、开入开出、通信等功能的控制板和调理板，该功率模块具备自主采样及控制保护功能，只需接入交直流侧电网即可实现制动能量的逆变并网回馈；具备对外通讯功能，可接受上位机同步及控制信号等，也可实时向上位机传输自身工作信息；具备多模块并联冗余运行功能，单个模块故障时可自行切除而不影响其余模块的正常运行，极端情况下多模块故障时变流器仍可降额运行，回馈变流器可靠性高；具备功率模块智能投入切除功能，能够根据回馈功率大小逐级投入切除功率模块，提高变流器效率，并且根据各模块运行时间记录，优先投入运行时间最少的模块，以降低各功率模块平均运行时间，提高变流器整体运行寿命。

Claims (3)

1.一种制动回馈变流器的智能化功率模块，其特征在于：包括设置在散热器上的功率单元及其控制系统，所述散热器下部具有进风口，上部具有出风口；所述功率单元包括用于与三相交流电网连接的三相功率组件、电容组，所述电容组固定于散热器垂直于进风口和出风口连通方向的一侧，功率单元的三相功率组件沿垂直于进风口和出风口连通的方向并列固定于散热器表面，并与电容组相互连接；所述控制系统安装于三相功率组件背向散热器一侧的表面上方；所述功率单元具有用于与三相交流电网连接的交流连接端，所述各交流连接端处均设有用于采集交流电网各相电流的电流传感器，各电流传感器均与控制系统连接；所述散热器的出风口上方设有散热风机；所述三相功率组件与电容组通过T字型叠层母排连接在一起；所述散热风机为轴流风机，散热风机与电流传感器分别位于三相功率组件的两侧。

2.根据权利要求1所述的制动回馈变流器的智能化功率模块，其特征在于：所述控制系统包括相互连接的控制板和用于采集该功率模块连接的交流电网和直流接触网电压的调理板，所述控制板与所述功率单元连接，并用于与上位机通信连接；所述调理板与各电流传感器相互连接。

3.根据权利要求1所述的制动回馈变流器的智能化功率模块，其特征在于：所述散热器为热管散热器。