CN107294400B - 基于高兼容功率单元的牵引变流装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及牵引变流装置，具体为基于高兼容功率单元的牵引变流装置，解决现有功率模块单元功能单一、互相不能兼容、开发周期长、备件经济成本大的问题，方案：包括两个分别由四路半桥电路并联构成的功率单元、输入端外围电路、中部外围电路、斩波电阻、输出端外围电路；左侧的功率单元装配于输入端通过两路半桥并联应用构成四象限整流单元；右侧的功率单元装配于输出端应用其中三路半桥构成逆变单元，剩余一路半桥与斩波电阻构成斩波单元。优点：标准化的功率单元模块可减少功率单元研发数量，大大缩短设计周期；减少变流装置内部部件种类；实现了功率单元、电气接口的简统化。

Description

基于高兼容功率单元的牵引变流装置

技术领域

本发明涉及牵引变流装置，具体为基于高兼容功率单元的牵引变流装置。

背景技术

IGBT（绝缘栅双极型晶体管）是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件, 兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大；MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低，非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。随着交流传动技术的发展，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，形成功率模块单元，根据主电路功能、容量的不同，功率单元的接线及部件布局结构，散热方式也发生变化，使功率单元的在性能方面有不同的体现。

目前现有的采用多个IGBT器件进行安装集成，形成的功率单元具有结构简单的特点，但连接端子多，造成设计成本和故障隐患点增加，功能单元的专用定制化，导致功率单元功能单一不具有兼容性和通用性，且种类增加，不但造成功率单元生产和试验工装的增加，而且造成变流装置内部连接部件和备品备件的种类增加，经济成本过大。因此，研发一种能够采用不同接线布局方式实现多种功能的高兼容功率单元的牵引变流装置是十分有必要的。

发明内容

本发明解决现有功率模块单元功能单一、互相不能兼容、开发周期长、备件经济成本大的问题，提供一种基于高兼容功率单元的牵引变流装置。

本发明是通过以下技术方案实现的：基于高兼容功率单元的牵引变流装置，包括两个分别由四路半桥电路两端并联构成的功率单元、输入端外围电路、中部外围电路、斩波电阻、输出端外围电路；左侧的（如图1所示）所述功率单元由第一半桥电路、第二半桥电路、第三半桥电路、第四半桥电路两端并联构成（如图1由左至右依次为第一、第二、第三、第四半桥电路）；所述第一半桥电路、第二半桥电路的中间点并联后与第一电阻的一端连接，所述第一电阻的另一端连接第一开关后与第一输入端连接，所述第一电阻的一端与第一输入端之间还并联有第二开关；所述第三半桥电路、第四半桥电路的中间点并联后与第一电流传感器一端连接，所述第一电流传感器的另一端与第二输入端连接；所述中部外围电路由分别与左侧的功率单元、右侧的功率单元两端并联的第一并联支路、第二并联支路、第三并联支路构成，所述第一并联支路由第二电阻和第一电容并联构成，所述第二并联支路由第一电压传感器构成，所述第三并联支路由串联的第三电阻、第四电阻，及依次并联于第四电阻两端的第二电容和第二电压传感器构成，所述第三电阻与第四电阻的连接端与地连接；右侧的所述功率单元由第五半桥电路、第六半桥电路、第七半桥电路、第八半桥电路两端并联构成（如图1由右至左依次为第八、第七、第六、第五半桥电路）；所述第五半桥电路中间点与第五半桥下管并联有斩波电阻；所述输出端外围电路由第一输出端外围电路、第二输出端外围电路、第三输出端外围电路构成，所述第一输出端外围电路一端与第六半桥电路中间点连接，经第二电流传感器后与U输出端连接，所述第二输出端外围电路一端与第七半桥电路中间点连接，另一端与V输出端连接，所述第三输出端外围电路一端与第八半桥电路中间点连接，经第三电流传感器后与W输出端连接。左侧的功率单元由四路相同的半桥电路并联构成，功率单元通过输入端外围电路装配于输入端，通过两路半桥并联应用构成四象限整流用功率单元。右侧的功率单元通过输出端外围电路装配于输出端，应用其中三路半桥构成逆变单元，剩余一路半桥与斩波电阻构成斩波单元。通过不同的外围电路连接方式，使标准化的功率单元模块实现整流、逆变斩波功能，同时解决了IGBT并联的驱动同步性、并联均流、功率单元电气接口的通用性问题。本发明将控制系统发出同一信号分为路径相同的两路信号，同时驱动并联的两支IGBT工作，保障了驱动信号的同步性。依据4路半桥结构，功率单元复合母排直流与交流支路设计需考虑两两并联的动态均流特性，保证任意两路并联具有相近的静态阻值和动态电感值。并联支路交流支路路径设置相同，保证并联两个交流支路电感相同，实现并联双管电流爬升速度同步。IGBT并联通过外部短接实现，保证了功率单元对外高压交流接口独立，进而实现了高压接口的统一。低压信号全部连接，当斩波支路使用时，下管不提供低压驱动信号即可实现低压信号的通用性。

动力集中型动车组是中车集团公司自主研发的重点项目，该机车要求轻量化设计，变流器作为机车的一个重要电器部件，主框架采用了铝型材进行设计，以满足整车的轻量化设计要求。本发明在具体应用时具有以下优点：标准化的功率单元模块可减少功率单元研发数量，大大缩短设计周期；减少变流装置内部部件种类；实现了功率单元、电气接口的简统化。

附图说明

图1为本发明电路原理图。

具体实施方式

基于高兼容功率单元的牵引变流装置，包括两个分别由四路半桥电路两端并联构成的功率单元、输入端外围电路、中部外围电路、斩波电阻、输出端外围电路；左侧的所述功率单元由第一半桥电路、第二半桥电路、第三半桥电路、第四半桥电路两端并联构成；所述第一半桥电路、第二半桥电路的中间点并联后与第一电阻的一端连接，所述第一电阻的另一端连接第一开关后与第一输入端连接，所述第一电阻的一端与第一输入端之间还并联有第二开关；所述第三半桥电路、第四半桥电路的中间点并联后与第一电流传感器一端连接，所述第一电流传感器的另一端与第二输入端连接；所述中部外围电路由分别与左侧的功率单元、右侧的功率单元两端并联的第一并联支路、第二并联支路、第三并联支路构成，所述第一并联支路由第二电阻和第一电容并联构成，所述第二并联支路由第一电压传感器构成，所述第三并联支路由串联的第三电阻、第四电阻，及依次并联于第四电阻两端的第二电容和第二电压传感器构成，所述第三电阻与第四电阻的连接端与地连接；右侧的所述功率单元由第五半桥电路、第六半桥电路、第七半桥电路、第八半桥电路两端并联构成；所述第五半桥电路中间点与第五半桥下管并联有斩波电阻；所述输出端外围电路由第一输出端外围电路、第二输出端外围电路、第三输出端外围电路构成，所述第一输出端外围电路一端与第六半桥电路中间点连接，经第二电流传感器后与U输出端连接，所述第二输出端外围电路一端与第七半桥电路中间点连接，另一端与V输出端连接，所述第三输出端外围电路一端与第八半桥电路中间点连接，经第三电流传感器后与W输出端连接。

所述功率单元通用于整流器和逆变斩波器。所述基于高兼容功率单元的牵引变流装置适用于大功率交-直-交牵引电传动系统。

需要说明的是，本实施例对于主电路拓扑不做特别限制，即左侧的功率单元和右侧的功率单元数量不做限制，由主电路拓扑结构决定。

Claims (3)

1.一种基于高兼容功率单元的牵引变流装置，其特征在于：包括两个分别由四路半桥电路两端并联构成的功率单元、输入端外围电路、中部外围电路、斩波电阻、输出端外围电路；左侧的所述功率单元由第一半桥电路、第二半桥电路、第三半桥电路、第四半桥电路两端并联构成；所述第一半桥电路、第二半桥电路的中间点并联后与第一电阻的一端连接，所述第一电阻的另一端连接第一开关后与第一输入端连接，所述第一电阻的一端与第一输入端之间还并联有第二开关；所述第三半桥电路、第四半桥电路的中间点并联后与第一电流传感器一端连接，所述第一电流传感器的另一端与第二输入端连接；所述中部外围电路由分别与左侧的功率单元、右侧的功率单元两端并联的第一并联支路、第二并联支路、第三并联支路构成，所述第一并联支路由第二电阻和第一电容并联构成，所述第二并联支路由第一电压传感器构成，所述第三并联支路由串联的第三电阻、第四电阻，及依次并联于第四电阻两端的第二电容和第二电压传感器构成，所述第三电阻与第四电阻的连接端与地连接；右侧的所述功率单元由第五半桥电路、第六半桥电路、第七半桥电路、第八半桥电路两端并联构成；所述第五半桥电路中间点与第五半桥下管并联有斩波电阻；所述输出端外围电路由第一输出端外围电路、第二输出端外围电路、第三输出端外围电路构成，所述第一输出端外围电路一端与第六半桥电路中间点连接，经第二电流传感器后与U输出端连接，所述第二输出端外围电路一端与第七半桥电路中间点连接，另一端与V输出端连接，所述第三输出端外围电路一端与第八半桥电路中间点连接，经第三电流传感器后与W输出端连接。

2.根据权利要求1所述的基于高兼容功率单元的牵引变流装置，其特征在于：所述功率单元通用于整流器和逆变斩波器。

3.根据权利要求1所述的基于高兼容功率单元的牵引变流装置在大功率交-直-交牵引电传动系统中的应用。