CN106329955A - 高集成度地铁牵引斩波功率模块 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及牵引功率模块排布方式，具体为一种高集成度地铁牵引斩波功率模块。本发明所述的高集成度地铁牵引斩波功率模块，整个功率模块包含有IGBT模块、二极管模块、直流电容复合母排、逆变复合母排、三相交流输出母排、散热器、直流母线支撑电容、电流传感器、温度传感器、IGBT驱动器、IGBT配置板等主要部件。从功能上说包括四组逆变功率单元和一组斩波功率单元。本发明技术方案带来的有益效果：1）将四路牵引逆变电路和斩波电路集成在一个功率模块上，可以节约安装空间，原有变流柜的尺寸不需做过大调整，产品模块化。2）四路逆变电路工作互不干扰，在其中一路故障的情况下不影响其他路的正常工作，可以提高整车的运行可靠性。

Description

高集成度地铁牵引斩波功率模块
技术领域
本发明涉及牵引功率模块排布方式，具体为一种高集成度地铁牵引斩波功率模块。
背景技术
近年国内为改善大型城市的交通状况，加快了地铁的建设，地铁车辆的牵引系统包括牵引功率模块的相关性能就成了一个非常重要的研究领域。
目前多采用一个牵引功率模块驱动四台牵引电机或一个牵引功率模块驱动一个牵引电机（需要4个逆变功率模块）。
但是这种技术方案存在以下缺点：
1）一个牵引功率模块驱动四台牵引电机，模块的电流比较大，所需IGBT的电流等级高；
2）由于其电气结构是一台功率模块为四台牵引电机提供电能，导致功率模块故障时将切除四台牵引电机的动力，同时对于三动三拖的地铁车辆，在一个功率模块故障时整车将切除三分之一的动力，影响车辆的性能；
3）四台牵引电机并联时，由于各自的工况存在差异导致电机电能分配不均的情况，影响电机的转差率，力矩分配不均匀；
4）占用变流器的空间，增加变流器体积和重量。
发明内容
本发明为解决目前牵引功率模块所需IGBT的电流等级高、容易影响车辆性能以及电能分配不均匀等技术问题，提供一种高集成度地铁牵引斩波功率模块。
本发明是采用以下技术方案实现的：一种高集成度地铁牵引斩波功率模块， 包括固定在散热器上的IGBT模块、二极管模块、温度传感器及风道；所述IGBT模块包括12个逆变IGBT桥和一个斩波IGBT；所述12个逆变IGBT桥按照三个一列排成4列，构成4组逆变功率单元，4组逆变功率单元的右侧是由斩波IGBT和二极管模块构成的斩波功率单元；每个逆变IGBT桥及斩波IGBT均配有一个IGBT配置板；每组逆变功率单元以及斩波功率单元的上表面均安装有一个呈矩形的逆变复合母排，每组逆变功率单元均在其左侧配装有一个三相交流输出母排；位于个逆变复合母排的中上部的位置处固定有一个直流电容母排；所述直流电容母排所在平面与逆变复合母排所在平面垂直；直流电容母排下表面与逆变复合母排外表面之间的位置通过框架固定有直流母线支撑电容；IGBT模块的底部固定有IGBT驱动器；用于检测输出三相交流的八个电流传感器安装在直流电容母排的上表面。
本发明涉及一种高集成度地铁牵引斩波功率模块，它是地铁牵引变流器的核心部件。它将滤波后的中间直流电压逆变成为牵引电机需要的三相交流电。同时牵引电机制动时，斩波回路完成地铁车辆电阻制动功能，实施电阻制动。
本发明所述的高集成度地铁牵引斩波功率模块，其主电路图如图1所示。整个功率模块包含有IGBT模块、二极管模块、直流电容复合母排、逆变复合母排、三相交流输出母排、散热器、直流母线支撑电容、电流传感器、温度传感器、IGBT驱动器、IGBT配置板、风道等主要部件。从功能上说包括四组逆变功率单元和一组斩波功率单元。
TCU发出控制信号，控制逆变开关器件IGBT的导通与关断，为变流器独立控制四台永磁牵引电机完成功率变换。
列车制动时，控制单元控制斩波开关器件IGBT的导通与关断，实现地铁车辆电阻制动功能。
当散热器的表面温度超过设定温度阈值时，斩波单元停止工作，地铁车辆改为空气制动，满足地铁车辆制动要求。
本发明的结构设计，主要解决了以下问题：
1）对现有变流器进行功率模块替换，能充分利用现有空间。
本技术方案中，满足原有变流器的安装尺寸，将四路逆变电路和斩波电路，以及直流母线支撑电容和输出电流传感器集成到一个功率模块上，实现产品模块化。
2）能够提高变流器的可靠性。
由于单个逆变功率模块容量变小，器件选型要求降低，当单台电机故障或牵引功率模块故障时只需切除故障侧牵引功率模块，对于整车动力损失减少。
附图说明
图1高集成度地铁牵引斩波功率模块主电路图（矩形框体内）。
图2主电路器件布局示意图。
图3高压回路复合母排排布示意图。
图4直流母线支撑电容和电流传感器布局示意图。
图5驱动器安装排布示意图。
图6牵引逆变功率模块主视结构示意图。
图7牵引逆变功率模块俯视结构示意图。
1、IGBT模块，2、二极管模块，3、直流电容母排，4、逆变复合母排，5、三相交流输出母排，6、散热器，7、直流母线支撑电容，8、电流传感器，9、温度传感器，10、IGBT驱动器，11、IGBT配置板，12、低压连接器，14、框架，15、风道；
1-1、逆变IGBT，1-2、斩波IGBT，3-1、直流母排输入端子，13-1、三相输出端子，13-2、斩波电阻端子。
具体实施方式
一种高集成度地铁牵引斩波功率模块，包括固定在散热器6上的IGBT模块、二极管模块2、温度传感器9及风道15；所述IGBT模块包括12个逆变IGBT桥和一个斩波IGBT1-2；所述12个逆变IGBT桥按照三个一列排成4列，构成4组逆变功率单元，4组逆变功率单元的右侧是由斩波IGBT1-2和二极管模块2构成的斩波功率单元；每个逆变IGBT桥及斩波IGBT1-2均配有一个IGBT配置板11；每组逆变功率单元以及斩波功率单元的上表面均安装有一个呈矩形的逆变复合母排4，每组逆变功率单元均在其左侧配装有一个三相交流输出母排5；位于5个逆变复合母排4的中上部的位置处固定有一个直流电容母排3；所述直流电容母排3所在平面与逆变复合母排4所在平面垂直；直流电容母排3下表面与逆变复合母排4外表面之间的位置通过框架14固定有直流母线支撑电容7；IGBT模块的底部固定有IGBT驱动器10；用于检测输出三相交流的八个电流传感器8安装在直流电容母排3的上表面。
所述每个逆变IGBT桥包括两个逆变IGBT1-1，两个逆变IGBT采用双管封装的结构。
低压电路部分通过低压连接器12对外接口，所述低压连接器12设在直流母线支撑电容7顶部，与电流传感器8处于同一水平位置；高压电路部分通过绝缘端子固定在框架14上，绝缘端子位于逆变功率单元及斩波功率单元的顶部。
散热器6采用风冷散热器；所述温度传感器9紧邻斩波IGBT1-2设置在散热器6上；风道15固定在散热器6的底部。
整个逆变功率模块的组装遵循高压低压分离、功率模块方便组装、结构紧凑的原则进行设计。模块对外接口包括高压电连接、低压连接和对外机械连接。
图2所示为牵引逆变斩波功率模块IGBT器件布局，由于空间有限，经过计算选型采用双管封装逆变IGBT1-1，每一列三个逆变IGBT桥，6只IGBT构成三相桥式逆变电路，共放置4列，构成4路逆变器，右侧放置斩波电路，放置在散热器6上，采用矩阵布局。
对于高压电路部分见图3，通过直流电容母排3和逆变复合4完成逆变IGBT1-1组成的三相逆变主电路、斩波IGBT1-2和二极管2组成的斩波主电路、直流母线支撑电容7的连接。由于直流电容母排3、逆变复合母排4和三相交流输出母排5的使用可以有限减低杂散电感，并且主电路和直流母线支撑电容7的距离较短，也可以降低杂散电感的影响。
模块上亦设置了电流传感器8，对输出三相交流的情况实时进行检测，可以在某路故障时及时切除该电路。
对于低压电路部分，主要包括电源信号和控制反馈信号，通过24芯和36芯低压连接器12对外接口，为保证驱动信号的可靠性采用光纤传输。IGBT驱动器10构成的驱动组件至于功率模块下方，远离高压输入输出端子，避免了信号干扰。
由于本功率模块的散热功率较大，采用风冷散热器加强迫风冷的方式散热，模块自带风道15，风机装于变流柜中。
逆变斩波功率模块的组装后高压电气通过绝缘端子（三相输出端子13-1斩波电阻端子13-2）固定在框架14上，并通过框架完成与变流器的固定作用图见图6、图7所示。
本发明技术方案带来的有益效果：
1）将四路牵引逆变电路和斩波电路集成在一个功率模块上，可以节约安装空间，原有变流柜的尺寸不需做过大调整，产品模块化；
2）四路逆变电路工作互不干扰，在其中一路故障的情况下不影响其他路的正常工作，可以提高整车的运行可靠性。

Claims (4)

1.一种高集成度地铁牵引斩波功率模块，其特征在于, 包括固定在散热器（6）上的IGBT模块（1）、二极管模块（2）、温度传感器（9）及风道（15）；所述IGBT模块包括12个逆变IGBT桥和一个斩波IGBT（1-2）；所述12个逆变IGBT桥按照三个一列排成4列，构成4组逆变功率单元，4组逆变功率单元的右侧是由斩波IGBT（1-2）和二极管模块（2）构成的斩波功率单元；每个逆变IGBT桥及斩波IGBT（1-2）均配有一个IGBT配置板（11）；每组逆变功率单元以及斩波功率单元的上表面均安装有一个呈矩形的逆变复合母排（4），每组逆变功率单元均在其左侧配装有一个三相交流输出母排（5）；位于5个逆变复合母排（4）的中上部的位置处固定有一个直流电容母排（3）；所述直流电容母排（3）所在平面与逆变复合母排（4）所在平面垂直；直流电容母排（3）下表面与逆变复合母排（4）外表面之间的位置通过框架（14）固定有直流母线支撑电容（7）；IGBT模块（1）的底部固定有IGBT驱动器（10）；用于检测输出三相交流的八个电流传感器（8）安装在直流电容母排（3）的上表面。
2.如权利要求1所述的高集成度地铁牵引斩波功率模块，其特征在于, 所述每个逆变IGBT桥包括两个逆变IGBT（1-1），两个逆变IGBT（1-1）采用双管封装的结构。
3.如权利要求1或2所述的高集成度地铁牵引斩波功率模块，其特征在于, 牵引斩波功率模块的低压电路部分通过低压连接器（12）对外接口，所述低压连接器（12）设在直流母线支撑电容（7）顶部，与电流传感器（8）处于同一水平位置；高压电路部分通过绝缘端子固定在框架（14）上，绝缘端子位于逆变功率单元及斩波功率单元的顶部。
4.如权利要求1或2所述的高集成度地铁牵引斩波功率模块，其特征在于，散热器（6）采用风冷散热器；所述温度传感器（9）紧邻斩波IGBT（1-2）设置在散热器（6）上；风道（15）固定在散热器（6）的底部。
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