CN104734466B - Igbt功率单元及具有该igbt功率单元的变流器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种IGBT功率单元，适用于变流器中，所述IGBT功率单元包括由后往前设置的散热器模块、IGBT模块、叠层母排、直流支撑电容及控制盒，还包括两个直流接口铜排和四个交流接口铜排，两个所述直流接口铜排设置于所述直流支撑电容的左侧且大体上相对于所述IGBT功率单元的横向中心线上下对称分布，四个所述交流接口铜排设置于所述直流支撑电容的右侧，且也大体上相对于所述横向中心线上下对称分布。本发明IGBT功率单元将交流接口铜排和直流接口铜排的布局采用近似对称的设计，使得该IGBT功率单元在安装时可以左右对调，提高产品的通用性，带来良好的经济效益。

Description

IGBT功率单元及具有该IGBT功率单元的变流器

技术领域

本发明涉及变流器技术领域，更具体地涉及一种适用于变流器的IGBT功率单元及具有该IGBT功率单元的变流器。

背景技术

在变流器技术领域中，为了方便安装与维护检修，模块化的IGBT功率单元得到了广泛的重视与应用。集成了散热模块、IGBT、支撑电容、叠层母排以及相关驱动与控制模块的功率单元，具有很好的互换性，安装相对简捷，能较好地满足轨道交通行业高功率、高性能和高可靠性的要求。但在众多的模块化设计产品中，设计人员往往侧重的是功率单元内部器件的布置，而对单元与外部的接口考虑不多；或者虽然有所考虑，但也只是针对某个变流器产品来设计。这样带来的结果就是一些功率单元只能按一个方向安装，而一些单元虽然能改变安装方向，却因为接线端子的位置不合理而造成接线困难，需要在变流器产品中留出更多的空间来接线。这就限制了功率单元的使用范围，也就是说这类功率单元具有互换性但缺少通用性，只能安装到某个具体的变流器产品上。在设计新的变流器产品时，这些功率单元很难直接利用，一般需要更改接口设计甚至全盘重新设计，这无疑会加大设计工作量、延长产品设计周期、增加企业仓储成本，并最终影响企业的竞争力。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种通用性较强的IGBT功率单元。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种IGBT功率单元，适用于变流器中，所述IGBT功率单元包括由后往前设置的散热器模块、IGBT模块、叠层母排、直流支撑电容及控制盒，而且还包括两个直流接口铜排和四个交流接口铜排，两个所述直流接口铜排设置于所述直流支撑电容的左侧且大体上相对于所述IGBT功率单元的横向中心线上下对称分布，四个所述交流接口铜排设置于所述直流支撑电容的右侧，且也大体上相对于所述横向中心线上下对称分布。

其进一步技术方案为：所述叠层母排包括主体部，该主体部平铺于所述IGBT模块和所述直流支撑电容之间；所述主体部的左端向前侧弯折延伸出来而形成中间段，该中间段与所述直流支撑电容连接；所述中间段的前端向左侧弯折延伸出来而形成所述直流接口铜排，该直流接口铜排位于整个IGBT功率单元中的前侧。

其进一步技术方案为：所述交流接口铜排包括后端部，该后端部通过一交流引出铜排与所述IGBT模块相连；所述后端部的左端向前侧弯折延伸出来而形成中间端部，从该中间端部的前端向右侧弯折延伸出来而形成前端部，该前端部位于整个IGBT功率单元中的前侧。

其进一步技术方案为：多个所述IGBT模块平铺在所述散热器模块上，所述直流支撑电容的上下两侧均设置有IGBT驱动板以驱动所述IGBT模块。

其进一步技术方案为：所述IGBT功率单元还包括多个传感器模块，所述多个传感器模块设置于所述直流支撑电容的右侧，所述传感器模块穿设于至少一个所述交流接口铜排上。

同时，本发明还提供一种变流器，其包括箱体及安装于所述箱体上的IGBT功率单元，其中，IGBT功率单元采用上述IGBT功率单元。

其进一步技术方案为：所述IGBT功率单元通过一固定装置固定到所述箱体上，所述固定装置包括有预先固定于所述IGBT功率单元上的固定座、弹性胶圈、螺栓及与所述螺栓配套的螺母，所述固定座内部设有台阶孔，该台阶孔包括第一通孔及与该第一通孔连通的第二通孔，所述第一通孔的孔径小于所述第二通孔的孔径，所述螺栓的螺帽的外径大于所述第一通孔的内径；所述弹性胶圈置于所述第二通孔内且其内径小于所述螺杆的外径；所述螺栓的螺杆依次贯穿所述台阶孔的第一通孔和第二通孔及箱体后螺合于螺母上，所述弹性胶圈套于所述螺杆上而与所述螺杆过盈配合。

其进一步技术方案为：所述固定装置还包括第一垫圈，所述台阶孔还包括第三通孔，所述第二通孔位于所述第一通孔和第三通孔之间，所述第一垫圈套于所述螺栓上且置于所述第三通孔内，所述第一垫圈的内径小于所述功率单元上的对应安装孔的孔径且与所述螺栓相配套。

其进一步技术方案为：所述固定座通过紧固件、胶接、焊接或铆接的方式固定在所述散热器模块上。

其进一步技术方案为：所述固定座上形成有两凹陷区，每个所述凹陷区内设有一紧固件，所述固定座通过两所述紧固件固定在所述散热器模块上。

与现有技术相比，在本发明IGBT功率单元中，由于将交流接口铜排和直流接口铜排的布局进行特殊设计，使其两者分别位于IGBT功率单元中的左右两侧且相对于IGBT功率单元的横向中心线大致对称设置，基于该近似对称化的设计，本发明的IGBT功率单元在安装时可以进行左右对调，具有较强的通用性，可直接应用于不同变流器产品中，从而可减少功率单元的种类和数量，减轻企业仓储成本，减少产品设计中的重复工作，带来良好的经济效益。

通过以下的描述并结合附图，本发明将变得更加清晰，这些附图用于解释本发明的实施例。

附图说明

图1是本发明IGBT功率单元一实施例的立体图；

图2是图1所示IGBT功率单元另一角度的立体图；

图3是图1所示IGBT功率单元主视图；

图4是图1所示IGBT功率单元仰视图；

图5展示了本发明IGBT功率单元中固定装置的分解立体结构；

图6和图7展示了本发明IGBT功率单元中固定装置的不同使用状态。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，附图中类似的组件标号代表类似的组件。显然，以下将描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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。

图1至图5展示了本发明IGBT功率单元的一实施例，其适用于变流器(图未示)中。参照图1至图5，本实施例的IGBT功率单元10包括散热器模块11、IGBT模块12、叠层母排13、直流支撑电容14、控制盒15、两直流接口铜排16以及四个交流接口铜排17。所述散热器模块11、IGBT模块12、叠层母排13、直流支撑电容14以及控制盒15由后至前依次设置，也即，所述散热器模块11位于整个IGBT功率单元10中的最后方，所述控制盒15位于整个IGBT功率单元10中的最前方。两所述直流接口铜排16设置于所述直流支撑电容14的左侧且大体上相对于所述IGBT功率单元10的横向中心线X上下对称分布，四个所述交流接口铜排17设置于所述直流支撑电容14的右侧，且也大体上相对于所述横向中心线X上下对称分布。基于上述直流接口铜排16和交流接口铜排17大体上相对于所述横向中心线X上下对称的布局设计，本实施例的IGBT功率单元10具有较好的通用性，其能适应不同的进出线接口方式。例如，基于图1所示的IGBT功率单元10所在位置，当变流器内的直流接口和交流接口是左右布置而刚好分别对应于IGBT功率单元10上的直流接口铜排16和交流接口铜排17，此时，可方便地将IGBT功率单元10上的直流接口铜排16与变流器内的直流接口相连，将交流接口铜排17与变流器内的交流接口相连；而当变流器内的直流接口和交流接口是与上述相反的布置时，也即，直流接口位于图1所示IGBT功率单元10的右侧，而交流接口位于其左侧，此时，仅需将图1所示的IGBT功率单元10绕其正面法向旋转180度，使得直流接口铜排16是处于IGBT功率单元10中的右侧，而交流接口铜排17是处于IGBT功率单元10中的左侧，从而又可方便地与变流器上的相应接口连接。因此，无论变流器的交流接口与直流接口是左右布置还是相反布置，都能通过将IGBT功率单元10绕其正面法向旋转180度来适应。

其中，IGBT模块12是变流模块，用于按需将直流电逆变成交流电或者反之将交流电整流成直流电，本实施例的IGBT功率单元10包括有8个IGBT模块12，该8个IGBT模块12排成两排，均匀地平铺在散热器模块11上以通过散热器模块11进行散热。

叠层母排13平铺在IGBT模块12上，直流支撑电容14安装于叠层母排13之上，叠层母排13和直流支撑电容14均为低电感元件，可以有效降低回路的杂散电感，充分抑制尖峰电压，使IGBT模块12运行在可靠的工作范围内。

直流支撑电容14的上下两侧设有多块IGBT驱动板18以对应地驱动多个IGBT模块12。在本实施例中，8个IGBT模块12的每两个IGBT模块12为一组，每组需要一个驱动信号，因而设置有四块IGBT驱动板18以分别驱动四组IGBT模块12。在本具体实施例中，所述直流支撑电容14的上、下每一侧均设置有两块IGBT驱动板18以对应于8个IGBT模块12设置为两排的布局。基于该结构的设计，可方便IGBT模块12与IGBT驱动板18的连接，缩短IGBT驱动板18与IGBT模块12之间的连接线，有效降低线路电感，提高抗干扰能力，而且简化IGBT功率单元10的结构。

控制盒15内设有分配板、电源板及控制板，其中，所述分配板主要用于将控制板给出的电驱动信号转变为适合IGBT模块12的光纤驱动信号并发送给IGBT驱动板18，所述电源板主要用于为所述控制板及IGBT驱动板18提供电源。控制盒15位于整个IGBT功率单元10的最前侧，可便于观察和调试。

在某些实施例，例如本实施例中，所述叠层母排13包括主体部13a及从该主体部13a的左端向前侧弯折延伸出来而形成的中间段13b，所述主体部13a和中间段13b均为双层铜排结构(包括正、负极铜排)，所述主体部13a平铺于所述IGBT模块12和所述直流支撑电容14之间，且与所述IGBT模块12电性连接，所述中间段13b位于直流支撑电容14的左侧且与所述直流支撑电容14电性连接，具体地，直流支撑电容14的内部包括两个并联的电容，每个电容的正负极均通过螺杆引出来并分别连接至中间段13b的正负极铜排，该中间段13b的正、负极铜排的前端向左侧弯折延伸出来而形成两所述直流接口铜排16(正负、极铜排各延伸出一个直流接口铜排16)，两所述直流接口铜排16大体上相对于所述IGBT功率单元10的横向中心线X上下对称分布，而且，从所述IGBT功率单元10的前面看过去时，直流接口铜排16不被其它部件所遮挡，其位于整个IGBT功率单元10中相对靠前的位置。基于上述结构设计，即便在变流器内部空间受限的情况下，也可很容易将IGBT功率单元10的直流接口铜排16与变流器中的相应接口对接，方便产品的组装且有利于提高产品结构的紧凑性。

在某些实施例，例如本实施例中，所述每个交流接口铜排17包括后端部171、从该后端部171的左端向前侧弯折延伸出来的中间端部172、及从该中间端部172的前端向右侧弯折延伸出来的前端部173。其中，每个所述交流接口铜排17的后端部171均通过一交流引出铜排17a与所述IGBT模块12相连，从而四个交流接口铜排17分别通过四个交流引出铜排17a与四组IGBT模块12一一对应地进行电性连接。具体地，在本实施例中，四个交流接口铜排17中的其中三个为三相交流输入/输出接口铜排，一个为斩波限流铜排，该斩波限流铜排用于连接变流器中的制动电阻，当变流器处于电气制动或中间回路电压过高时，可将多余的电能转化为制动电阻上的热能以消耗掉。四个交流接口铜排17大体上相对于所述IGBT功率单元10的横向中心线X上下对称分布，基于上述结构设计，从所述IGBT功率单元10的前面看过去时，交流接口铜排17的前端部173不被其它部件所遮挡，而且其位于整个IGBT功率单元10中相对靠前的位置。因此，即便在变流器内部空间受限的情况下，也可很容易将IGBT功率单元10的交流接口铜排17与变流器中的相应接口对接，方便产品的组装且有利于提高产品结构的紧凑性。在某些实施例，例如本实施例中，所述交流接口铜排17的后端部171和前端部173相互平行且垂直于中间端部172而呈“”形。

在某些实施例，例如本实施例中，所述IGBT功率单元10还包括多个传感器模块19，所述多个传感器模块19设置于所述直流支撑电容14的右侧且其位于整个IGBT功率单元10中相对靠前的位置，传感器模块19穿设于需要检测该相电流的交流接口铜排17的前端部173上。在本实施例中，由于3个三相交流输入/输出接口铜排所在相的电流均需要检测，因此设置的传感器模块19的数量为三个，四个交流接口铜排17的其中三个分别贯穿三个所述传感器模块19。基于上述结构设计，本实施例的IGBT功率单元10具有如下优点：由于整合有传感器模块19，其集成度更高；传感器模块19位于整个IGBT功率单元10的前面且靠前位置，方便其二次引线的连接，且易于检修更换；交流接口铜排17贯穿所述传感器模块19，结构紧凑。

需要说明的是，本发明中所提及的左、右及上、下的限定是以直流支撑电容14及图1中箭头所示的前、后方位作为参照的一种相对位置关系的描述，并非是一种具体位置的限制。

同时，本发明还提供一种变流器，可适用于轨道交通机车车辆中，其包括箱体30、IGBT功率单元10及其它电路模块(图未示)，其中，参照图5至图7，IGBT功率单元10通过一固定装置20固定安装在箱体30内。需要说明的是，本发明的变流器的设计要点在于IGBT功率单元10的结构，变流器的其它电路模块为本领域技术人员所熟知，在此不再赘述。

在某些实施例，例如本实施例中，所述固定装置20包括有固定座21、弹性胶圈22、螺栓23及与螺栓23配套的螺母24，其中固定座21预先固定于所述IGBT功率单元10上，优选地，所述固定座21被预先固定于所述IGBT功率单元10的散热器模块11上。具体地，所述固定座21的内部设有一台阶孔25，该台阶孔25包括第一通孔251及与该第一通孔251连通的第二通孔252，其中第二通孔252的孔径大于第一通孔251的孔径，所述螺栓23的螺帽232的外径大于所述第一通孔251的内径，所述弹性胶圈22置于所述第二通孔252内且所述弹性胶圈22的内径略小于所述螺杆231的外径。所述螺栓23的螺杆231依次贯穿所述台阶孔25的第一通孔251和第二通孔252，所述所述弹性胶圈22套于所述螺杆231上而与所述螺杆231过盈配合以防止所述螺栓23从所述固定座21上脱落。将所述IGBT功率单元10固定于变流器箱体30上时，向变流器箱体30方向推动螺栓23，使其穿过箱体30并与所述螺母24螺合。优选地，所述螺母24可以预先固定于所述箱体30上用于安装IGBT功率单元10的位置。

在某些实施例，例如本实施例中，所述固定座21上对角线的两个角落处分别形成有凹陷区211a和211b，每个所述凹陷区211a(211b)内对应地设置一紧固件212a(212b)例如螺栓或螺钉。所述固定座21通过两紧固件212a和212b固定在所述散热器模块11上。在本发明的其它实施例中，所述固定座21也可通过胶接、焊接或铆接等方式预先固定在所述散热器模块11上。

在某些实施例，例如本实施例中，所述固定装置20还包括第一垫圈26，所述台阶孔25还包括第三通孔253，所述第二通孔252位于所述第一通孔251和第三通孔253之间，所述第一垫圈26套于所述螺栓23上且置于所述第三通孔253内。所述第一垫圈26的内径小于功率单元10上的与螺栓23对应的安装孔的孔径且与所述螺栓23相配套，第一垫圈26的外径大于功率单元10上所述对应安装孔的孔径，这样做的好处就是可以避免因螺栓23与功率单元10上安装孔的间隙过大而造成弹性胶圈22卡入此孔甚至从此孔脱落，从而造成机构失效。

在某些实施例，例如本实施例中，所述固定装置20还包括第二垫圈27和第三垫圈28，所述第二垫圈27套于所述螺栓23上且置于所述固定座21和所述螺栓23的螺帽232之间以保护固定座21的表面不受磨损，所述第三垫圈28套于所述螺栓23上且置于所述箱体和螺母24之间以保护变流器箱体的表面不受磨损。作为本实施例的一种变形，所述第三垫圈28与螺母24可以简化成一焊接螺母或铆螺母，其通过焊接或铆接而直接固定在变流器的箱体30上，在变流器的箱体30因空间限制而难以对该螺母24实施安装或拆卸时尤其有用。

基于该结构设计，可通过将固定座21预先固定在IGBT功率单元10的散热器模块11上而使得螺栓23被预先设置在所述IGBT功率单元10上而不会脱落。基于螺母24被预先固定在箱体30的实施例，其具体安装/拆卸方式如下：当需要将预先装有固定座21及螺栓23的IGBT功率单元10安装到变流器的箱体30内时，可通过转动螺栓23使其穿过箱体30并拧入变流器箱体30上的螺母24；而当需要将IGBT功率单元10从箱体30上拆卸下来时，反向转动螺栓23使其从螺母24中脱出，此时弹性胶圈22由于弹性作用箍紧在螺栓23上，而弹性胶圈22本身又卡于第二通孔252内，螺栓23在外力的作用下可相对于弹性胶圈22移动但却不会意外地从固定座21上脱落。而基于螺母24未被预先固定于箱体30的实施例，其具体安装/拆卸方式如下：当需要将预先装有固定座21及螺栓23的IGBT功率单元10安装到变流器的箱体30内时，可直接推动螺栓23使其穿过箱体30，而后再将螺母24拧紧在螺栓23上；而当需要将IGBT功率单元10从箱体30上拆卸下来时，反向转动螺母24使其从螺栓23中脱出，此时弹性胶圈22由于弹性作用箍紧在螺栓23上，而弹性胶圈22本身又卡于第二通孔252内，螺栓23在外力的作用下可相对于弹性胶圈22移动但却不会意外地从固定座21上脱落。可见，不管是上述哪种实施例，借由固定装置20均可实现IGBT功率单元10的快速安装和拆卸，大大提高生产效率，而且由于无需在变流器的箱体30内进行螺栓23的安装，该固定装置20尤其适合用来固定狭小空间内的两个部件，有利于实现产品的小型化设计。

如上所述，在本发明IGBT功率单元中，由于将交流接口铜排和直流接口铜排的布局进行特殊设计，使其两者分别位于IGBT功率单元中的左右两侧且相对于IGBT功率单元的横向中心线大致对称设置，基于该近似对称化的设计，本发明的IGBT功率单元在安装时可以进行左右对调，具有较强的通用性，可直接应用于不同变流器产品中，从而可减少功率单元的种类和数量，减轻企业仓储成本，减少产品设计中的重复工作，带来良好的经济效益。

以上结合较佳实施例对本发明进行了描述，但本发明并不局限于以上揭示的实施例，而应当涵盖各种根据本发明的本质进行的修改。

Claims (9)

1.一种IGBT功率单元，适用于变流器中，其特征在于：所述IGBT功率单元包括由后往前设置的散热器模块、IGBT模块、叠层母排、直流支撑电容及控制盒，还包括两个直流接口铜排和四个交流接口铜排，两个所述直流接口铜排设置于所述直流支撑电容的左侧且大体上相对于所述IGBT功率单元的横向中心线上下对称分布；四个所述交流接口铜排设置于所述直流支撑电容的右侧，且大体上相对于所述横向中心线上下对称分布，所述交流接口铜排包括后端部，该后端部通过一交流引出铜排与所述IGBT模块相连；所述后端部的左端向前侧弯折延伸出来而形成中间端部，从该中间端部的前端向右侧弯折延伸出来而形成前端部，其中，两个所述直流接口铜排及四个所述交流接口铜排的前端部均位于整个IGBT功率单元中的前侧。

2.根据权利要求1所述的IGBT功率单元，其特征在于：所述叠层母排包括主体部，该主体部平铺于所述IGBT模块和所述直流支撑电容之间；所述主体部的左端向前侧弯折延伸出来而形成中间段，该中间段与所述直流支撑电容连接；所述中间段的前端向左侧弯折延伸出来而形成所述直流接口铜排。

3.根据权利要求1所述的IGBT功率单元，其特征在于：多个所述IGBT模块平铺在所述散热器模块上，所述直流支撑电容的上下两侧均设置有IGBT驱动板以驱动所述IGBT模块。

4.根据权利要求1所述的IGBT功率单元，其特征在于：还包括多个传感器模块，所述多个传感器模块设置于所述直流支撑电容的右侧，所述传感器模块穿设于至少一个所述交流接口铜排上。

5.一种变流器，包括箱体及安装于所述箱体上的IGBT功率单元，其特征在于：所述IGBT功率单元为权利要求1-4任一项所述的IGBT功率单元。

6.根据权利要求5所述的变流器，其特征在于：所述IGBT功率单元通过一固定装置固定到所述箱体上，所述固定装置包括有预先固定于所述IGBT功率单元上的固定座、弹性胶圈、螺栓及与所述螺栓配套的螺母，所述固定座内部设有台阶孔，该台阶孔包括第一通孔及与该第一通孔连通的第二通孔，所述第一通孔的孔径小于所述第二通孔的孔径，所述螺栓的螺帽的外径大于所述第一通孔的内径；所述弹性胶圈置于所述第二通孔内且其内径小于螺杆的外径；所述螺栓的螺杆依次贯穿所述台阶孔的第一通孔和第二通孔及箱体后螺合于螺母上，所述弹性胶圈套于所述螺杆上而与所述螺杆过盈配合。

7.根据权利要求6所述的变流器，其特征在于：所述固定装置还包括第一垫圈，所述台阶孔还包括第三通孔，所述第二通孔位于所述第一通孔和第三通孔之间，所述第一垫圈套于所述螺栓上且置于所述第三通孔内，所述第一垫圈的内径小于所述功率单元上的对应安装孔的孔径且与所述螺栓相配套。

8.根据权利要求6所述的变流器，其特征在于：所述固定座通过紧固件、胶接、焊接或铆接的方式固定在所述散热器模块上。

9.根据权利要求6所述的变流器，其特征在于：所述固定座上形成有两凹陷区，每个所述凹陷区内设有一紧固件，所述固定座通过两所述紧固件固定在所述散热器模块上。