CN104796010A - 大容量逆变斩波功率单元 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于机车牵引电力交流电路中的功率模块单元，具体为大容量逆变斩波功率单元，功率单元采用了层叠式模块化设计，以水冷基板基础，双面安装IGBT，每面四个IGBT；复合母排采用平行对称结构，紧贴IGBT安装；两侧复合母排的外侧加装两块复合屏蔽板，在两块复合屏蔽板上安装驱动板（驱动电路采用双侧安装模式）、配置板直接安装在IGBT上，驱动板和配置板间以线束连接，水冷基板上安装快速水接头和定位销，水连接位于功率单元的后方，主电路对外连接电气端子设置在功率单元的前方，功率单元前部上方设置左右对称的电源连接器。解决了现有的功率模块电气连接和水连接复杂、占用空间大而造成系统臃肿和可靠性差的问题。

Description

大容量逆变斩波功率单元

技术领域

本发明涉及用于机车牵引电力交流电路中的功率模块单元，具体为大容量逆变斩波功率单元。

背景技术

随着机车交流技术的发展，采用大功率IGBT为开关元件的变流器应用日益广泛，为了方便主电路的维护，将一种主电路的多个IGBT器件进行安装集成，形成功率单元，形成的功率单元主要功能包括主电路的连接、器件的开关控制和散热。根据主电路功能和容量的不同，功率单元的结构也有各种类型，采用不同的散热、接线及部件布局结构，会使功率单元的在性能方面有不同的体现。

现有的大容量功率单元多采用相模块的模式，即组成电力变换电路的一相，而且结构上多采用不对称模式。因为每个功率单元只能组成电力变换电路的一相，所以对于整个电力变换电路，就需要较多的功率单元，使主电路的电气连接和水连接复杂，占用空间大，造成系统臃肿，可靠性差。而结构上采用不对称模式，会使驱动板和IGBT之间的驱动信号传输线加长，造成信号的不稳定，从而影响整个系统工作的可靠性。现有的大容量逆变斩波功率单元多采用电缆来传输驱动和反馈信号，因为大容量逆变斩波功率单元承载高压大电流的开关变换，造成变流设备内部会有较强的电磁干扰，驱动和反馈信号属于低压信号，抗干扰性较差，在强的电磁环境中会受到干扰，造成发送和接收信号出错。另外现有的大容量功率单元的水接口多采用手动连接的模式。手动连接的模式需要将水接头设置在功率单元前端人容易操作的地方，而且连接占用较大的空间，影响电气接口的布局。

发明内容

本发明为了解决现有的功率模块电气连接和水连接复杂、占用空间大而造成系统臃肿和可靠性差的问题，提供了大容量逆变斩波功率单元。

本发明是采用如下的技术方案实现的：大容量逆变斩波功率单元，包括框体，框体内设有水冷基板,水冷基板的两个侧面分别安装有IGBT，且每个IGBT都配套有配置板，水冷基板的两侧还分别都设有复合母排，复合母排和其所在侧的IGBT的主电路端子连接，每个复合母排的外侧都安装有复合屏蔽板，每个复合屏蔽板上还安装有用于驱动IGBT的驱动板，驱动板和配置板以线束连接，驱动板上设有光纤接口，水冷基板的后侧安装有两个水接头，一个为进水接头，另一个为出水接头，复合母排的电气端子设置在框体前面板，框体的前面板上安装有电源连接器，驱动板的外侧都还安装了外侧防护板。

本发明的有益效果为：

1）采用双侧对称模块化设计，节省空间，便于维护更换，降低维护成本；

2）采用快速水接头和电气连接前后分置的布局，有效利用了空间，使功率单元对外电气连接端子布局更合理；

3）采用光纤传输信号，提高抗干扰性，提高驱动的可靠性。

附图说明

图1为功率单元的电路原路图。

图2为本发明的结构示意图。

图3为图2的侧视图。

具体实施方式

大容量逆变斩波功率单元，包括框体，框体内设有水冷基板,水冷基板的两个侧面分别安装有IGBT，且每个IGBT都配套有配置板，水冷基板的两侧还分别都设有复合母排，复合母排和其所在侧的IGBT的主电路端子连接，每个复合母排的外侧都安装有复合屏蔽板，每个复合屏蔽板上还安装有用于驱动IGBT的驱动板，驱动板和配置板以线束连接，驱动板上设有光纤接口，水冷基板的后侧安装有两个水接头，一个为进水接头，另一个为出水接头，复合母排的电气端子设置在框体前面板，框体的前面板上安装有电源连接器，驱动板的外侧都还安装了外侧防护板。

具体实施时，框体优选为金属框体，功率单元以水冷基板为基础，水冷基板两侧表面各安装4个130mm*190mm封装的高压大功率IGBT，水冷基板的四个边角上分别设有安装孔，以水冷基板四个边角上的安装孔为依托安装整个装置的框架；在8个IGBT的辅助电气端子平面上，各安装一块配置板，实现IGBT门级驱动信号的稳压、Vce电压检测等功能；在每侧的四个IGBT上安装了一块复合母排，利用螺栓将复合母排和其内侧的四个IGBT的G、E主电路端子连接起来，组成逆变斩波变换主电路,一侧为逆变电路的两个桥臂，另一侧为逆变电路的一个桥臂和斩波电路桥臂；复合母排分层绝缘隔离，其三个导电层（DC+层、DC-层、交流层）的对外连接延伸到金属框体的前面板，分别为直流输入端子S1(DC+)、S2(DC-)、三相交流输出端子 S3(U)、S4(V) 、S5(W)和斩波输出端子S7(C)。

在功率模块的金属框体前面板上设计安装了绝缘支撑座，复合母排伸出的电气端子覆盖在绝缘支撑座的表面，绝缘支撑座内嵌M12螺母，用于复合母排电气端子对外螺栓连接。

两侧复合母排的外侧加装两块复合屏蔽板，复合屏蔽板由金属板、绝缘板及外敷绝缘层组成，其四周为裸露的金属边沿，与金属框体连接，可以起到屏蔽作用，其内侧连接部位均为绝缘设计。

在左侧复合屏蔽板上，安装了3块驱动板，右侧复合屏蔽板上，安装了4块驱动板，用于驱动的IGBT，每个驱动板驱动1个IGBT，驱动板信号的输入输出采用光纤连接的方式。

水冷基板的后侧安装了两个快速水接头，一个为进水接头，另一个为出水接头，为了使功率模块能和水系统可靠对接，在水冷基板上还设置了定位销，定位销可以起到导向和定位作用，使水系统在看不到接头的状况下可靠对接。功率单元前部上方设置左右对称的电源连接器，将系统的15V供电引入装置。功率模块两侧还设计安装了外侧防护板，可以对驱动板起到防护作用。

功率单元对外机械连接采用三点固定方式，在功率单元金属框体前面板底侧设置了安装孔，采用螺栓与系统框架连接，在功率单元金属框体前面板上部，设置了1个长螺杆与系统框架固定连接。

功率单元的电路原路图如图1所示，S1(DC+)、S2(DC-)为主电路的直流输入端子；H2a、H1b、H2b、B2a、B1b、B2b为6 个高压IGBT，组成三相逆变的主电路，S3(U)、S4(V)、S5(W)为三相交流输出端子，通过IGBT的开关变化，实现直流到交流的变换。H1a、B1a两个IGBT组成斩波主电路，B1a可以用同等级的二极管替代，起电路续流作用，S6(C)为斩波对外接线端子，连接装置外部的斩波功率电阻。

每个IGBT安装一块配置板，配置板实现IGBT门级驱动信号的稳压、Vce电压检测等功能。

该功率单元设置了7块驱动板，除B1aIGBT外，每个IGBT采用一块驱动板控制，驱动板将系统发送的驱动信号隔离变换后发送给IGBT,控制其开通和关断，同时将IGBT工作正常与否的状态信号反馈给系统，以便开关异常时系统及时保护。

15V电源由变流器系统供给逆变斩波功率单元的驱动板，为驱动板电路供电。

IB1、FB1、IH1、FH1，IB2、FB2、IH2、FH2，IB3、FB3、IH3、FH3，CHOIH、CHOFH为外接光纤接口，光纤接口包括驱动信号接口和反馈信号接口。

Claims (1)

1.大容量逆变斩波功率单元，其特征在于包括框体，框体内设有水冷基板,水冷基板的两个侧面分别安装有IGBT，且每个IGBT都配套有配置板，水冷基板的两侧还分别都设有复合母排，复合母排和其所在侧的IGBT的主电路端子连接，每个复合母排的外侧都安装有复合屏蔽板，每个复合屏蔽板上还安装有用于驱动IGBT的驱动板，驱动板和配置板以线束连接，驱动板上设有光纤接口，水冷基板的后侧安装有两个水接头，一个为进水接头，另一个为出水接头，复合母排的电气端子设置在框体前面板处，框体的前面板上安装有电源连接器，驱动板的外侧都还安装了外侧防护板。