CN108233725A - 牵引功率模块 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种牵引功率模块，包括：框架、水冷基板、两个IGBT组件、两个复合母排、驱动电路板、高压连接器和光电连接器；在牵引功率模块用于整流时，将四个高压交流端子中的任意两个并联作为整流输入端；或者，在牵引功率模块用于逆变斩波时，将四个高压交流端子中的任意三个作为逆变输出端，将剩余的一个高压交流端子作为斩波输出端。本发明提供的牵引功率模块，减少了功率模块的类型数目和经济成本，便于工作人员的安装和维修。

Description

牵引功率模块

技术领域

本发明涉及电气技术领域，尤其涉及一种牵引功率模块。

背景技术

在大功率交流传动电力机车或者高速动车组中，牵引四象限功率模块和牵引逆变斩波功率模块是变流系统主电路的主要功率模块。牵引四象限功率模块完成整流功能，牵引逆变斩波功率模块完成逆变和斩波功能。它们组合完成了变流系统的功能变换，为牵引电机提供所需要的电压电流。

但是，这种组合形式，表明牵引变流系统中需要两种不同类型的功率模块，用于分别实现整流功能和逆变斩波功能。由于变流系统中，不止有牵引系统，还包含辅助系统，功率模块种类众多。这样，各个机务段或者动车所为列车运行准备备品时，就需要很多类型的功率模块，导致经济成本较高，而且安装和维修不便。

发明内容

本发明提供一种牵引功率模块，减少了功率模块的类型数目和经济成本，便于工作人员的安装和维修。

本发明提供的牵引功率模块，包括：框架、水冷基板、两个绝缘栅双极型晶体管IGBT组件、两个复合母排、驱动电路板、高压连接器和光电连接器；

框架包括两个侧板；水冷基板设置在两个侧板的中间；水冷基板靠近框架后端的侧面上设置有第一水接口、第二水接口和定位销；

两个IGBT组件分别设置在水冷基板的两侧表面上，位于水冷基板同一侧的侧板与IGBT组件之间设置有一个复合母排；位于水冷基板同一侧的IGBT组件和复合母排电连接，复合母排靠近框架前端的侧面上设置有与IGBT组件电连接的高压直流端子；

驱动电路板和光电连接器均设置在侧板的外侧；光电连接器与驱动电路板光电连接；驱动电路板分别与两个IGBT组件电连接；

高压连接器设置在水冷基板的后端，高压连接器分别与两个复合母排电连接，高压连接器上设置有四个高压交流端子，每个IGBT组件通过复合母排分别与两个高压交流端子电连接；高压连接器上设置有与定位销、第一水接口和第二水接口匹配的通孔；

在牵引功率模块用于整流时，将四个高压交流端子中的任意两个并联作为整流输入端；或者，在牵引功率模块用于逆变斩波时，将四个高压交流端子中的任意三个作为逆变输出端，将剩余的一个高压交流端子作为斩波输出端；

光电连接器用于传输驱动电源信号、驱动控制光信号和功率单元状态反馈光信号；驱动电路板用于对驱动控制光信号进行处理，生成控制IGBT组件工作的电信号。

本发明提供了一种牵引功率模块。本发明提供的牵引功率模块，主电路包括IGBT组件，通过IGBT组件可以在一种类型的功率模块上实现整流或者逆变斩波，减少了功率模块的类型数目和经济成本，便于工作人员的安装和维修。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例一提供的牵引功率模块沿AA’方向的结构示意图；

图2为本发明实施例一提供的牵引功率模块沿A’A方向的结构示意图；

图3为本发明实施例一提供的牵引功率模块的分解结构示意图；

图4为本发明实施例一提供的IGBT组件的布局示意图；

图5为本发明实施例一提供的用于实现整流的主电路原理图；

图6为本发明实施例一提供的用户实现逆变斩波的主电路原理图。

附图标记说明：

1：框架； 2：侧板；

3：水冷基板； 4：IGBT组件；

5：复合母排； 6：驱动电路板；

7：高压连接器； 8：光电连接器；

9：第一水接口； 10：第二水接口；

11：定位销； 12：高压直流端子；

13：高压交流端子； 14：通孔；

15：IGBT； 16：配置保护板；

17：屏蔽板； 18：盖板。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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做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为本发明实施例一提供的牵引功率模块沿AA’方向的结构示意图。图2为本发明实施例一提供的牵引功率模块沿A’A方向的结构示意图。图3为本发明实施例一提供的牵引功率模块的分解结构示意图。如图1～图3所示，本实施例提供的牵引功率模块，可以包括：框架1、水冷基板3、两个绝缘栅双极型晶体管IGBT15组件4、两个复合母排5、驱动电路板6、高压连接器7和光电连接器8。

框架1包括两个侧板2。水冷基板3设置在两个侧板2的中间。水冷基板3靠近框架1后端的侧面上设置有第一水接口9、第二水接口10和定位销11。

两个IGBT组件4分别设置在水冷基板3的两侧表面上，位于水冷基板3同一侧的侧板2与IGBT组件4之间设置有一个复合母排5。位于水冷基板3同一侧的IGBT组件4和复合母排5电连接，复合母排5靠近框架1前端的侧面上设置有与IGBT组件4电连接的高压直流端子12。

驱动电路板6和光电连接器8均设置在侧板2的外侧。光电连接器8与驱动电路板6光电连接。驱动电路板6分别与两个IGBT组件4电连接。

高压连接器7设置在水冷基板3的后端，高压连接器7分别与两个复合母排5电连接，高压连接器7上设置有四个高压交流端子13，每个IGBT组件4通过复合母排5分别与两个高压交流端子13电连接。高压连接器7上设置有与定位销11、第一水接口9和第二水接口10匹配的通孔14。

在牵引功率模块用于整流时，将四个高压交流端子13中的任意两个并联作为整流输出端。或者，在牵引功率模块用于逆变斩波时，将四个高压交流端子13中的任意三个作为逆变输出端，将剩余的一个高压交流端子13作为斩波输出端。

光电连接器8用于传输驱动电源信号、驱动控制光信号和功率单元状态反馈光信号。驱动电路板6用于对驱动控制光信号进行处理，生成控制IGBT组件4工作的电信号。

本实施例提供的牵引功率模块，在机械结构上，为双面结构布局方式。框架1沿长度方向相对的两端分别称为前端和后端，框架1具有两个侧板2，在框架1内部，沿一个侧板到另一个侧板的方向上，分层结构依次为：侧板2、复合母排5、IGBT组件4、水冷基板3、IGBT组件4、复合母排5、侧板2。其中，两个IGBT组件4分别位于水冷基板3的两个侧面的外表面上。在侧板2的外侧，设置有光电连接器8和驱动电路板6。在框架1前端的方向，每个复合母排5上均设置有高压直流端子12。在框架1后端的方向，设置有高压连接器7，水冷基板3上设置有定位销11、第一水接口9、第二水接口10。其中，高压连接器7上设置有高压交流端子13。

本实施例提供的牵引功率模块，在光路以及电路连接上，在水冷基板3的每一侧，IGBT组件4与复合母排5电连接，复合母排5上设置有高压直流端子12。两个IGBT组件4均与驱动电路板6电连接。驱动电路板6和光电连接器8之间光电连接，用于传输光信号和电信号。两个IGBT组件4还与高压连接器7电连接。高压连接器7上设置有四个高压交流端子13，每个IGBT组件4分别与两个高压交流端子13电连接。高压直流端子12、高压交流端子13与外部装置电连接。光电连接器8与外部装置光电连接，用于传输光信号和电信号。

下面以外部装置为变流器进行详细说明。

当牵引功率模块用于实现整流功能时，将四个高压交流端子13中的任意两个并联作为整流输入端，高压直流端子12作为整流输入端。当牵引功率模块用于实现逆变斩波功能时，高压直流端子12作为逆变斩波的输入端，四个高压交流端子13中的任意三个作为逆变输出端，剩余的一个高压交流端子13作为斩波输出端。光电连接器8传输变流器提供的驱动电源信号和驱动控制信号，其中，驱动电源信号为电信号，驱动控制信号为光信号。驱动控制信号用于控制牵引功率模块工作。驱动电源信号为驱动电路板6提供工作电源。光电连接器8将驱动控制光信号传输至驱动电路板6，驱动电路板6对驱动控制光信号进行光电转换处理，生成控制IGBT组件4工作的电信号，并将该电信号发送给IGBT组件4。驱动电路板6还接收IGBT组件4生成的功率单元状态反馈信号，该功率单元状态反馈信号为电信号。驱动电路板6将功率单元状态信号进行电光转换后通过光电连接器8传输给变流器。

其中，当牵引功率模块用于实现整流功能时，并联的高压交流端子13需要在同步的驱动控制信号下工作。具体可以通过驱动电路板6的信号处理功能实现，或者通过采用相同长度的光路和电路物理连线实现，本实施例对此不做特别限定。

在本实施例中，牵引功率模块的主电路包括两个IGBT组件4，主电路采用复合母排5连接。主电路可以实现整流功能或者逆变斩波功能。由于复合母排5结构简洁紧凑，可以利用较小空间实现大电流、高电压元器件之间的连接，因此为牵引功率模块的小型化设计提供了保障。由于复合母排5杂散电感小，不需要额外的吸收电路，因此降低了牵引功率模块的成本，增强了牵引功率模块的可靠性。

在本实施例中，牵引功率模块以水冷基板3为基础，采用双面散热模式，两个IGBT组件4分别位于水冷基板3的两个侧面上。通过循环水冷基板3冷却水道中的冷却液，将IGBT组件4工作时产生的热量带走，提升了牵引功率模块的冷却性能，同时缩小了体积，为实现系统的轻量化、小型化设计提供了保障。

在本实施例中，高压连接器7上设置有与定位销11、第一水接口9和第二水接口10匹配的通孔14，使得高压连接器7与水冷基板3的位置相对固定，从而使得高压连接器7在与复合母排5电连接时位置更加准确，提升了高压连接器7与复合母排5之间电连接的准确性。

可见，本实施例提供的牵引功率模块，在一种类型的功率模块上可以实现整流或者逆变斩波，减少了功率模块的类型数目和经济成本，便于工作人员的安装和维修。

可选的，在牵引功率模块用于实现整流时，将与同一个IGBT组件4电连接的两个高压交流端子13并联作为整流输出端。

通过将与同一个IGBT组件4电连接的两个高压交流端子13并联，可以降低杂散电感，简化电路连线，提升牵引功率模块在实现整流功能时的工作稳定性。

可选的，侧板2上可以设置多个减重孔。

通过设置减重孔，可以减轻侧板2的重量，从而降低牵引功率单元的整体重量。

需要说明的是，本实施例对于水冷基板3的型号、水冷基板3中冷却水道的布局不做特别限定。

需要说明的是，本实施例对于高压连接器7与水冷基板3的连接方式不做特别限制。例如：可以采用螺钉或者螺栓连接。

可选的，高压连接器7上还设置有与水冷基板3安装的通孔。

通过设置与水冷基板3安装的通孔，可以进一步增强高压连接器7与水冷基板3的连接稳固性。

需要说明的是，本实施例对于IGBT组件4的电路实现不做特别限制，只要实现整流和逆变斩波功能即可。

可选的，作为一种具体的实现方式，IGBT组件4包括4个IGBT构成的两个桥臂。每个桥臂的两个IGBT之间设置一个高压交流端子13。每个桥臂的两端分别与一个高压直流端子12电连接。

图5为本发明实施例一提供的用于实现整流的主电路原理图。图6为本发明实施例一提供的用户实现逆变斩波的主电路原理图。如图5～图6所示，H1a、H2a、H3a、H4a、B1a、B2a、B3a、B4a均为IGBT。其中，一个IGBT组件4包括H1a、H2a、B1a、B2a，另一个IGBT组件4包括H3a、H4a、B3a、B4a。如图5所示，当牵引功率模块用于实现整流时，每个IGBT组件4的两个桥臂对应的高压交流端子13并联，形成整流输入端S(A)和S(B)，每个桥臂两端电连接的高压直流端子12形成整流输出端S(DC+)和S(DC-)。如图6所述，当牵引功率模块用于实现逆变斩波时，两个IGBT组件4的共四个桥臂对应的四个高压交流端子13，其中三个高压交流端子13作为逆变输出端，分别为S(U)、S(V)、S(W)，剩下的一个高压交流端子13作为斩波输出端S(C)，每个桥臂两端电连接的高压直流端子12形成逆变斩波的输入端S(DC+)和S(DC-)。

可选的，每个IGBT的外侧对应设置有配置保护板。配置保护板分别与驱动电路板和对应的IGBT电连接。

配置保护板，用于对IGBT进行过压钳位和短路保护的信号采集及传输。

具体的，配置电路板可以直接安装在IGBT的辅助电连接端子上。通过对每个IGBT设置一个紧邻IGBT的配置保护板，可以优化IGBT的驱动保护性能，进而提高系统的可靠性。

需要说明的是，本实施例对于驱动电路板6与配置保护板之间电连接的方式不做特别限制。例如：可以采用线束实现电连接。

需要说明的是，本实施例对于驱动电路板6与IGBT组件4之间的电连接方式不做特别限制。例如：可以采用线束实现电连接。

可选的，IGBT在水冷基板3的外表面上均匀分布。

作为一种具体的实现方式，图4为本发明实施例一提供的IGBT组件的布局示意图。如图4所示，IGBT15在水冷基板3上采用2×2矩阵的方式分布，节约了水冷基板3的表面空间，有利于功率模块的小型化。IGBT15与配置保护板16一一对应。

可选的，两个IGBT组件4和/或配置保护板在水冷基板3的两侧表面上镜像对称分布。

可选的，驱动电路板6的驱动控制信号数目与IGBT的数目相同。

需要说明的是，本实施例对于驱动电路板6和光电连接器8的数目不做特别限制，可以为一个，也可以为多个。

可选的，若驱动电路板6和光电连接器8的数目均为一个，则驱动电路板6和光电连接器8位于框架1同一个侧板2的外侧。

通过将驱动电路板6和光电连接器8设置在同一侧，可以简化驱动电路板6和光电连接器8之间的物理连线，使得牵引功率单元的模块化布局和电路连线更加紧凑，有利于小型化。

可选的，若驱动电路板6为多个，则两个侧板2的外侧均设置有驱动电路板6。位于水冷基板3同一侧的IGBT组件4与驱动电路板6电连接。

通过双侧驱动电路板安装方式，可以简化驱动电路板6与IGBT组件4之间的物理连线，使得功率单元的模块化布局和电路连线更加紧凑，有利于小型化。

可选的，若驱动电路板6和光电连接器8均为多个，则两个侧板2的外侧均设置有光电连接器8，且位于水冷基板3同一侧的光电连接器8和驱动电路板6光电连接。

可选的，位于水冷基板3同一侧的复合母排5与侧板2之间设置有屏蔽板17。

通过在高压复合母排5与低压驱动电路之间安装屏蔽板17，可以大大减少IGBT开关对低压电路的电磁干扰，从而对IGBT进行可靠控制及保护，提高系统的可靠性和稳定性。

需要说明的是，本实施例对于屏蔽板17的材质和形状不做特别限定。

可选的，驱动电路板6的外侧设置有盖板18。

通过设置盖板18，可以进一步保护驱动电路板6以及牵引功率单元的内部模块结构，为主电路部件提供隔离保护。

需要说明的是，本实施例对于盖板18的材质和结构不做特别限制。

可选的，盖板18为透明材质。

本实施例提供了一种牵引功率模块，包括：框架、水冷基板、两个IGBT组件、两个复合母排、驱动电路板、高压连接器和光电连接器。本实施例提供的牵引功率模块，通过IGBT组件可以实现整流或者逆变斩波，即在一种类型的功率模块上可以实现整流或者逆变斩波，减少了功率模块的类型数目和经济成本，便于工作人员的安装和维修。而且，主电路采用复合母排连接，功率单元采用水冷双面散热方式，缩小了体积，有利于牵引功率单元的小型化轻量化，提升了辅助变流功率单元的可靠性。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换。而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种牵引功率模块，其特征在于，包括：框架、水冷基板、两个绝缘栅双极型晶体管IGBT组件、两个复合母排、驱动电路板、高压连接器和光电连接器；

框架包括两个侧板；水冷基板设置在两个侧板的中间；水冷基板靠近框架后端的侧面上设置有第一水接口、第二水接口和定位销；

两个IGBT组件分别设置在水冷基板的两侧表面上，位于水冷基板同一侧的侧板与IGBT组件之间设置有一个复合母排；位于水冷基板同一侧的IGBT组件和复合母排电连接，复合母排靠近框架前端的侧面上设置有与IGBT组件电连接的高压直流端子；

驱动电路板和光电连接器均设置在侧板的外侧；光电连接器与驱动电路板光电连接；驱动电路板分别与两个IGBT组件电连接；

高压连接器设置在水冷基板的后端，高压连接器分别与两个复合母排电连接，高压连接器上设置有四个高压交流端子，每个IGBT组件通过复合母排分别与两个高压交流端子电连接；高压连接器上设置有与定位销、第一水接口和第二水接口匹配的通孔；

在牵引功率模块用于整流时，将四个高压交流端子中的任意两个并联作为整流输入端；或者，在牵引功率模块用于逆变斩波时，将四个高压交流端子中的任意三个作为逆变输出端，将剩余的一个高压交流端子作为斩波输出端；

光电连接器用于传输驱动电源信号、驱动控制光信号和功率单元状态反馈光信号；驱动电路板用于对驱动控制光信号进行处理，生成控制IGBT组件工作的电信号。

2.根据权利要求1的牵引功率模块，其特征在于，IGBT组件包括4个IGBT构成的两个桥臂；每个桥臂的两个IGBT之间设置一个高压交流端子；每个桥臂的两端分别与一个高压直流端子电连接。

3.根据权利要求2的牵引功率模块，其特征在于，每个IGBT的外侧对应设置有配置保护板；配置保护板分别与驱动电路板和对应的IGBT电连接；

配置保护板，用于对IGBT进行过压钳位和短路保护的信号采集及传输。

4.根据权利要求2的牵引功率模块，其特征在于，驱动电路板的驱动控制信号数目与IGBT的数目相同。

5.根据权利要求1至4任一项的牵引功率模块，其特征在于，位于水冷基板同一侧的复合母排与侧板之间设置有屏蔽板。

6.根据权利要求1至4任一项的牵引功率模块，其特征在于，驱动电路板的外侧设置有盖板。

7.根据权利要求1至4任一项的牵引功率模块，其特征在于，若驱动电路板为多个，则两个侧板的外侧均设置有驱动电路板；

位于水冷基板同一侧的IGBT组件与驱动电路板电连接。

8.根据权利要求7的牵引功率模块，其特征在于，若光电连接器为多个，则两个侧板的外侧均设置有光电连接器，且位于水冷基板同一侧的光电连接器和驱动电路板光电连接。