CN104201911A - 地铁牵引逆变斩波功率单元 - Google Patents

地铁牵引逆变斩波功率单元 Download PDF

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本发明为一种地铁牵引逆变斩波功率单元，由散热器、七个IGBT器件、七个IGBT配置板、四个IGBT驱动板、二极管器件、六个吸收电容和复合母排组成。本发明是将制动斩波电路和逆变电路集中在一个功率单元上，共用一套热管散热器，减少了车辆空间的占用量。主电路母排采用复合母排，减小了母排之间、母排与支撑框架之间的电气间隙以及吸收电路附件，缩小了功率单元的体积，增加了可靠性。采用层叠式结构，将IBGT驱动板组件统一安装在模块外侧，更换维护方便。本发明缩小了整个功率单元的体积，节省了空间，提高了维修效率，进而提高了地铁列车的利用率，节省了运营成本。

Description

地铁牵引逆变斩波功率单元
技术领域
本发明涉及地铁牵引系统技术领域，具体是一种地铁牵引逆变斩波功率单元。
背景技术
随着大功率半导体器件IGBT制造技术、驱动技术的突飞猛进，作为地铁牵引系统中牵引变流器的核心部件，牵引逆变功率单元也得到了快速发展，朝着高频小型化、高可靠性的方向发展。
牵引逆变斩波功率单元的输入来自地铁电网的直流电压，选择IGBT作为开关器件，通过逆变方式，达到输出三相交流电压的目的，进而控制地铁牵引电机实现牵引功能。同时在牵引变流器控制系统配合下，还可以实现制动斩波功能。
现有技术一：1）牵引逆变功率单元主电路各器件之间采用普通铜排连接，IGBT吸收电路复杂；2）驱动板直接安装在IGBT上或独立安装在IGBT的上一层。
现有技术一的缺点为：1）电路采用普通铜排连接，电气间隙增大，导致整个功率单元体积增大，占用变流器的空间增大；另外普通铜排杂散电感大，需要加装很多吸收电路，导致电路结构复杂，附件增多，使整个功率单元可靠性降低。2）驱动板直接安装在IGBT上或独立安装在IGBT上一层，造成功率单元维护不方便，更换IGBT器件或驱动板时，需要拆除的配件较多，不仅烦琐费时，而且维护后的可靠性不能保证。
现有技术二：制动斩波单元单独设置，与牵引逆变功率单元是相对独立的。
现有技术二的缺点为：两者独立，需要两套散热器，占用车辆空间大。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述现有技术中存在的问题，而提供一种地铁牵引逆变斩波功率单元。
本发明是通过如下技术方案实现的：
一种地铁牵引逆变斩波功率单元，包括散热器、IGBT器件、IGBT配置板、IGBT驱动板、二极管器件、吸收电容和复合母排；散热器上安装有支撑框架，支撑框架上设有六个绝缘子；IGBT器件的个数为七个，二极管器件的个数为一个，七个IGBT器件和一个二极管器件分两排贴附设置在散热器上，一排为四个IGBT器件、另一排为一个二极管器件和三个IGBT器件，一排的三个IGBT器件与另一排的三个IGBT器件对齐设置，一排的剩余一个IGBT器件与另一排的二极管器件对齐设置；IGBT配置板的个数为七个，七个IGBT配置板安装在相应的IGBT器件上；复合母排覆盖贴附设置在七个IGBT器件和一个二极管器件上，复合母排由三层母排叠压而成，且各层母排之间设置有绝缘材料，第一层母排和第二层母排为一块面积相同的长方形铜板，第三层母排包括四块分铜板，四块分铜板依次相邻的贴附在第二层母排的长方形铜板上；两块长方形铜板和四块分铜板分别引出有一个连接部，六个连接部与支撑框架上的六个绝缘子连接；复合母排上还设置有若干个与不同层母排连接且用于连接电路器件的接线端子；吸收电容的个数为六个，六个吸收电容两两一组共分三组，每组的两个吸收电容上下紧贴布置，三组吸收电容依次相邻的贴附设置在复合母排上且与复合母排上的接线端子连接；IGBT驱动板的个数为四个，四个IGBT驱动板依次相邻的贴附设置在基板上，四个IGBT驱动板与基板组成了驱动板组件，基板覆盖设置在复合母排外侧并且固定在散热器的支撑框架上。
本发明的主电路结构：本发明功率单元由三相逆变器 、制动斩波电路组成。主要功能是把电网输入的1500V直流电逆变为三相交流电，进而控制牵引电机实现地铁牵引功能；同时该功率单元中还提供一个实现地铁列车制动特性的IGBT斩波开关。包含IGBT器件、二极管器件、吸收电容、IGBT驱动板、IGBT配置板、复合母排、支撑框架、散热器等。采用散热器将发热器件IGBT器件及二极管器件粘贴在散热器上，通过散热器将器件工作时产生的热量带走。本发明功率单元在结构上采用层叠式安装，主回路采用一块叠层复合母排进行连接；驱动板组件（由四个IGBT驱动板和基板组成）布置在模块外侧，调试更换方便。
本发明功率单元主电路原理图如图1所示：各部件以及电路功能说明如下：1）V1-V6为IGBT器件，共同构成标准的三相逆变器主电路开关。2）V7为IGBT器件，D为二极管器件，它们共同构成制动斩波主电路。3）驱动A14、A25、A36、A7为IGBT驱动板，它们接受来自牵引变流器控制系统的信号，并将信号进行变换、隔离后，输送到各IGBT配置板。4）配置B1-B7为IGBT配置板，主要设置有IGBT的门极保护电路、门极开通、关断电阻、集电极-发射极电压VCE测量电路等。该信号控制V1-V7的IGBT器件按照一定的规律开通、关断，进而实现功率单元的逆变、制动斩波功能。5）PC+、PC-为电网输入的1500V直流电压输入端子；BR为制动斩波电路输出端子，外接制动电阻的一端；U、V、W为三相逆变器输出端子，外接地铁三相牵引电机接线端子。6）C1-C6为吸收电容，吸收各桥臂IGBT器件的关断过电压。7）功率单元逆变功能：逆变器主电路在牵引变流器控制系统、驱动A14、A25、A36、配置B1-B6的共同配合下，把电网输入的1500V直流电逆变为三相交流电，控制地铁牵引电机实现牵引功能。8）功率单元制动斩波功能：地铁列车制动时，三相逆变器将列车制动能量回馈给电网，导致电网直流电压上升，此时制动斩波主电路在牵引变流器控制系统、驱动A7、配置B7、制动电阻的共同配合下，将电网电能以热能的形式消耗在制动电阻上，从而稳定了电网电压，实现了地铁列车的制动斩波功能。
叠层复合母排的设计：高压功率单元中，由于需要考虑绝缘距离，如果电路中还使用大量的普通铜母线连接，将会使整个功率单元体积增大，结构臃肿，占用较大的空间，不利于牵引变流器使用。本发明功率单元的复合母排将主电路中的FC＋、FC-、U、V、W、BR分三层在空间上叠加成一块母排，有效减小了直流回路的分布电感，从而减小IGBT器件关断时的过电压尖峰，同时缩小了功率单元体积，满足变流器的需求。叠层复合母排外形见图2所示：FC＋、FC-母排面积相同，各占一层，见图中底层长方形结构部分；第三层上分布着BR、U、V、W母排，见图中虚线围绕并引到各连接部。各层之间紧密帖合，但相互绝缘。
层叠式模块化设计：由于各部件对散热要求不同，本发明功率单元中将发热量大的开关器件紧贴散热器内表面安装，吸收电容、IGBT驱动板等部件在上层安装，中间根据需要以复合母排连接，这样既实现了电气连接，又有利于散热和层叠结构的实现。
本发明功率单元依靠四根紧固长螺栓安装在变流柜上，安装方便。
本发明功率单元很好的解决了以下几个问题：1）主电路母排采用复合母排，减小了母排之间、母排与框架之间的电气间隙以及吸收电路附件，缩小了功率单元的体积，增加了可靠性。2）采用层叠式结构，将IBGT驱动板组件统一安装在模块外侧，更换维护方便。3）将制动斩波电路和逆变电路集中在一个功率单元上，共用一套热管散热器，减少了车辆空间的占用量。
本发明功率单元采用了层叠式模块化设计，缩小了整个功率单元的体积，节省了空间，提高了维修效率，进而提高了地铁列车的利用率，节省了运营成本。
附图说明
图1为本发明功率单元的主电路原理图。
图2为本发明功率单元中复合母排的结构示意图。
图3为本发明功率单元的总体结构示意图。
图4为图3中去掉驱动板组件的结构示意图。
图5为图4中去掉吸收电容及复合母排的结构示意图。
图中：1-散热器、2- IGBT器件、3- IGBT配置板、4- IGBT驱动板、5-二极管器件、6-吸收电容、7-复合母排、7-1-连接部、7-2-接线端子、8-支撑框架、9-绝缘子、10-基板。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步的描述：
如图1至图5所示，一种地铁牵引逆变斩波功率单元，包括散热器1、IGBT器件2、IGBT配置板3、IGBT驱动板4、二极管器件5、吸收电容6和复合母排7；散热器1上安装有支撑框架8，支撑框架8上设有六个绝缘子9；IGBT器件2的个数为七个，二极管器件5的个数为一个，七个IGBT器件2和一个二极管器件5分两排贴附设置在散热器1上，一排为四个IGBT器件2、另一排为一个二极管器件5和三个IGBT器件2；IGBT配置板3的个数为七个，七个IGBT配置板3安装在相应的IGBT器件2上；复合母排7覆盖贴附设置在七个IGBT器件2和一个二极管器件5上，复合母排7由三层母排叠压而成，且各层母排之间设置有绝缘材料，第一层母排和第二层母排为一块面积相同的长方形铜板，第三层母排包括四块分铜板，四块分铜板依次相邻的贴附在第二层母排的长方形铜板上；两块长方形铜板和四块分铜板分别引出有一个连接部7-1，即图1中的“FC+”、“FC-”、“BR”、“R”、“S”、“T”，六个连接部7-1与支撑框架8上的六个绝缘子9连接；复合母排7上还设置有若干个与不同层母排连接且用于连接电路器件的接线端子7-2；吸收电容6的个数为六个，六个吸收电容6两两一组共分三组，三组吸收电容6依次相邻的贴附设置在复合母排7上且与复合母排7上的接线端子7-2连接；IGBT驱动板4的个数为四个，四个IGBT驱动板4依次相邻的贴附设置在基板10上，基板10覆盖设置在复合母排7外侧并且固定在散热器1的支撑框架8上。
本发明功率单元实现了层叠式模块化设计，发热器件IGBT器件2和二极管器件5安装在散热器1上，每个IGBT配置板3安装在相应的IGBT器件2上，降低了驱动回路的杂散电感；中间根据需要以复合母排7进行电气连接；复合母排7上面布置吸收电容6以及IGBT驱动板4，IGBT驱动板4安装在模块外侧，更换维护相当方便。 
本发明功率单元通过四根长螺栓固定在地铁牵引变流器中，对外电气接口有 “FC+”、“FC-”、“BR”、“R”、“S”、“T”以及与控制系统间的控制和反馈信号，这些信号通过专用连接器连接到驱动电路板上。
维修更换功率单元时，只需拆开功率单元对外电气连接并拧开四个固定螺栓即可拆卸更换。

Claims (1)

1.一种地铁牵引逆变斩波功率单元，其特征在于：包括散热器（1）、IGBT器件（2）、IGBT配置板（3）、IGBT驱动板（4）、二极管器件（5）、吸收电容（6）和复合母排（7）；散热器（1）上安装有支撑框架（8），支撑框架（8）上设有六个绝缘子（9）；IGBT器件（2）的个数为七个，二极管器件（5）的个数为一个，七个IGBT器件（2）和一个二极管器件（5）分两排贴附设置在散热器（1）上，一排为四个IGBT器件（2）、另一排为一个二极管器件（5）和三个IGBT器件（2）；IGBT配置板（3）的个数为七个，七个IGBT配置板（3）安装在相应的IGBT器件（2）上；复合母排（7）覆盖贴附设置在七个IGBT器件（2）和一个二极管器件（5）上，复合母排（7）由三层母排叠压而成，且各层母排之间设置有绝缘材料，第一层母排和第二层母排为一块面积相同的长方形铜板，第三层母排包括四块分铜板，四块分铜板依次相邻的贴附在第二层母排的长方形铜板上；两块长方形铜板和四块分铜板分别引出有一个连接部（7-1），六个连接部（7-1）与支撑框架（8）上的六个绝缘子（9）连接；复合母排（7）上还设置有若干个与不同层母排连接且用于连接电路器件的接线端子（7-2）；吸收电容（6）的个数为六个，六个吸收电容（6）两两一组共分三组，三组吸收电容（6）依次相邻的贴附设置在复合母排（7）上且与复合母排（7）上的接线端子（7-2）连接；IGBT驱动板（4）的个数为四个，四个IGBT驱动板（4）依次相邻的贴附设置在基板（10）上，基板（10）覆盖设置在复合母排（7）外侧并且固定在散热器（1）的支撑框架（8）上。
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