CN109217690A - 一种适用于内燃机车功率模块的分体复合母排 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于内燃机车功率模块的分体复合母排，由直流母排和交流母排组成，直流母排和交流母排采用分体式结构；所述直流母排和交流母排均为扁平状结构，且多个直流母排和交流母排相互叠放并通过设置在直流母排或交流母排上的支撑垫柱安装在一起。本发明采用叠层复合母排取代电缆、铜排或热敷母排进行电气连接，减少了以往接线的繁杂，使得布局简单，质量更可靠；减小了系统的体积及重量，方便主电路的维修和维护；并且本发明采用对称设计，完全适用于镜像安装的两个功率模块。更为重要的是减小回路电感，确保IGBT安全可靠地工作，大大提高产品的可靠性，目前已经小批量成功应用在内燃机车牵引逆变+斩波模块中，取得了良好的经济效益。

Description

一种适用于内燃机车功率模块的分体复合母排

技术领域

本发明属于机车技术领域，涉及内燃机车的功率模块，尤其是一种适用于内燃机车功率模块的分体复合母排。

背景技术

大功率变频电源的功率器件在开关过程中，由于直流储能电容至IGBT器件之间的直流母线上存在寄生电感，同时IGBT模块自身也存在电感，因此会产生很高的尖峰电压，过高的尖峰电压伴随着开关频率增大，会使器件过热，甚至有时会造成IGBT失控并超过器件的额定安全工作区而损坏。为解决这种问题，通常采用叠层复合母排进行功率器件之间的电气连接。它是将主电路母线设计成扁平状，并且按照一定的次序叠放在一起，每层之间采用高绝缘强度的材料隔离，通过相关工艺将导电层和绝缘层压制成一个整体。这样不仅满足了低感的要求，也能提高IGBT工作的可靠性。

使用叠层母排，其高强度整体粘接保证长期不松动，同等电流下可以使铜排尽量减薄，用弹性补偿振动影响，全密闭结构也防止潮气渗入绝缘材料封装，消除爬电击穿的威胁，尽量减小传统分体母排受振动、盐雾和粉尘影响而严重威胁设备安全的问题。

随着中国高铁技术的快速发展，高铁技术也逐渐推广应用在内燃机车、城轨车辆等不同的领域。作为世界高铁产业的“后起之秀”，中国高铁近几年不断加快“走出去”步伐。在南非、印度等国家，内燃机车传动装置向交流传动方向发展已是大势所趋，而且市场需求潜力巨大。

现有技术中，主回路中关键部件如IGBT、支撑电容、吸收电路等之间的电气连接通常采用电缆、铜排、热敷母排等连接。这种方案具有以下几点缺陷：

1)回路杂散电感较大，造成电压尖峰，容易损坏功率器件，电路可靠性差：主回路电气连接采用通常的电缆、铜排、热敷母排连接时，电路的杂散电感较大，IGBT开关过程中将产生较高的电压尖峰，对功率器件有一定对冲击，影响功率器件的寿命，从而降低了功率变换电路的可靠性，影响了整个系统平均无故障时间。

2)安装不便，结构臃肿，占据空间大：电路采用电缆、铜排、热敷母排等连接时电气间隙增大，导致整个功率单元体积增大，占用变流器的空间增大，不利于列车整个空间和总质量的减少。

3)集成度低，需要多次安装，操作容易出错。

4)所采用的结构和材料，不满足高环温高湿度(环温大于45℃、100％湿度)环境下的应用。

另外，现有技术中，功率模块复合母排通常采用直流母排、交流母排一体化设计方案，即将主电路连接的直流母排、交流母排设计成一体。这种方案复合母排用于连接开关器件IGBT，最终要直接覆在开关器件上。对于集成度较高的功率模块母排，连接的开关器件较多，一体化母排重量较大，单个工人操作十分困难，放置时容易产生向下的机械冲击，对IGBT产生安全隐患。并且直流母排和交流母排中间必须增加绝缘材料以满足局部放电的要求，成本增加的同时也增加了重量。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种适用于内燃机车功率模块的分体复合母排，其从实际应用需求出发，采用集成度好，杂散电感小、重量轻的层叠式分体的复合母排。

本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：

这种适用于内燃机车功率模块的分体复合母排，由直流母排和交流母排组成，所述直流母排和交流母排采用分体式结构；所述直流母排和交流母排均为扁平状结构，且多个直流母排和交流母排相互叠放并通过设置在直流母排或交流母排上的支撑垫柱安装在一起。

进一步，上述直流母排和交流母排采用聚氟乙烯PVF板为主体。

进一步，以上相邻叠放的直流母排和交流母排之间通过空气进行绝缘隔离。

进一步，以上各母排的导电层之间采用层压板进行绝缘。

进一步，上述层压板为GPO-3层压板。

进一步，上述直流母排的一侧边设置折边并在折边的侧边处引出正端子和负端子。

进一步，上述正端子和负端子均设置有两对。

进一步，上述交流母排包括斩波相CHO端以及三个逆变相交流输入母排端子：U端、V端和W端；所述CHO端与U端、V端和W端的端子结构完全相同，并且采用对称设计。

进一步，上述交流母排的一侧边设置有折边，并在折边的侧边处引出所述的CHO端、U端、V端和W端。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1)本发明解决了主电路电缆或铜排杂散电感大，功率器件容易损坏，电路可靠性差的问题。

2)本发明将逆变母排与斩波母排集成在一个功率单元上，减少系统功率单元数量，并且方便主电路的维修和维护。

3)本发明采用多对正负端子，更多的减少杂散电感。

4)本发明解决了主电路电缆、铜排连接多，布局复杂，质量不可靠的问题，减小了系统体积，重量，并且方便主电路的维修和维护。

5)本发明将直流母排和交流母排分体设计，减轻自身重量并增加绝缘性能，减少安装过程中对开关器件的机械冲击。

6)本发明交流输出CHO端、U端、V端和W端结构完全相同，并且采用对称设计，完全适用于镜像安装的两个功率模块。

综上所述，本发明采用叠层复合母排取代电缆、铜排或热敷母排进行电气连接，减少了以往接线的繁杂，使得布局简单，质量更可靠；减小了系统的体积及重量，方便主电路的维修和维护；更为重要的是减小回路电感，确保IGBT安全可靠地工作，大大提高产品的可靠性，目前已经小批量成功应用在内燃机车牵引逆变+斩波模块中，取得了良好的经济效益。

附图说明

图1为主电路原理示意图；

图2为本发明的直流母排结构示意图；

图3为本发明的交流母排结构示意图。

其中：1为直流母排；2为交流母排；1-1为正端子；1-2为负端子。

具体实施方式

参见图2和图3，本发明适用于内燃机车功率模块的分体复合母排，由直流母排1和交流母排2组成，直流母排1和交流母排2采用分体式结构；直流母排1和交流母排2均为扁平状结构，且多个直流母排1和交流母排2相互叠放并通过设置在直流母排1或交流母排2上的支撑垫柱安装在一起。

直流母排1和交流母排2采用聚氟乙烯PVF板为主体。

本发明各层叠设置的母排之间的绝缘方式为：相邻叠放的直流母排和交流母排之间通过空气进行绝缘隔离，或者叠放的各母排的导电层之间采用层压板进行绝缘。且层压板为GPO-3层压板。

直流母排1的一侧边设置折边并在折边的侧边处引出正端子1-1和负端子1-2。正端子1-1和负端子1-2均设置有两对。

交流母排2包括斩波相CHO端以及三个逆变相交流输入母排端子：U端、V端和W端。且交流母排2的一侧边设置有折边，并在折边的侧边处引出CHO端、U端、V端和W端。交流输出CHO端、U端、V端和W端结构完全相同，并且采用对称设计，完全适用于镜像安装的两个功率模块。

本发明的最佳实施例中，直流母排1和交流母排2采用边缘闭合式结构。

以下结合附图对本发明进行详细说明：

由电磁场理论知，把连线做成扁平截面，在同样截面下做的越薄越宽，它的寄生电感越小，相邻导线内流过相反的电流，其磁场抵消，也可使寄生电感减小，而且相邻导体间距离越小，寄生电感越小。正负极重叠区域越多，寄生电感越小。根据以上理论，可将母排(包括直流母排和交流母排)设计成扁平状，并且按照一定的叠放次序叠放在一起，每层之间以高绝缘强度的材料隔离。这样不仅满足了低感的要求，提高IGBT工作的可靠性，还可简化装置结构，缩小体积。

在高温高湿地区(亚热带气候等地区)的环境条件下，母排的绝缘性能相比普通地区要严格，对于母排层间绝缘材料的选择，传统的NOMEX纸虽然耐火耐热性能优良，但是容易吸湿，导致绝缘性能大幅降低。所以采用聚氟乙烯PVF材料，利用其极低的吸湿性和较高的绝缘性能，保证高温高湿环境下母排的电气性能。

本发明将逆变单元与斩波单元整合成一个完整的功率单元，并通过母排完成它们之间的电气连接。如图1所示：

在图1中，H1和B1、H2和B2、H3和B3形成一个三相逆变电路，H4与B4形成一个斩波桥臂，三个逆变桥臂加一个斩波桥臂形成一个逆变斩波电路。复合母排需要连接的开关器件较多，为了减轻重量，将交流母排2和直流母排1分体设计(参见图2和图3)，单块母排(直流母排1或者交流母排2)的重量完全可以由一个工人进行安装操作，直流母排1和交流母排2中间取消3mm绝缘板，提高两块母排之间支撑垫柱的距离，采用空气进行绝缘隔离，不仅节省了材料的使用，减轻总体重量，更有利于局部放电的要求。

根据图1的电路原理，直流母排1包括正端子1-1、负端子1-2，对应电路图中的VDC+、VDC-。考虑到与其他安装端子间的绝缘距离，正负端子采用两对，尽可能减小母排的杂散电感；交流母排2包括斩波相和三个逆变相交流输入母排，对应图1电路图中的CHO、U、V、W。各层间绝缘材料选择“GPO-3层压板”，又称UPGM-203，这种材料在高湿下电气性能好，具有阻燃性、耐电弧。母排表面所使用的绝缘材料为聚氟乙烯PVF层，具有其极低的吸湿性，各母排采用边缘闭合结构，防止母排端面发生起弧现象，满足高温高湿环境下母排的性能要求。为减小电感，两层导体都在所需要的端子位置处，采用焊接或冷压的方法，同其他层可靠绝缘的引出，方便IGBT、电容、电阻及变流柜与之连接。母排相对于地面竖放，散热更快，所以相同结构下可以承载更大的载流量。

通过以上设计，该复合母排目前寄生电感可以做到小于50nH，满足电路要求及高温高湿的环境要求。

综上所述，本发明采用交流母排和直流母排分体设计，并使用耐高温的材料，采用边缘闭合式结构，满足出口地区较高的环境温度和湿度下复合母排的特殊使用要求。

Claims (9)

1.一种适用于内燃机车功率模块的分体复合母排，其特征在于，由直流母排(1)和交流母排(2)组成，所述直流母排(1)和交流母排(2)采用分体式结构；所述直流母排(1)和交流母排(2)均为扁平状结构，且多个直流母排(1)和交流母排(2)相互叠放并通过设置在直流母排(1)或交流母排(2)上的支撑垫柱安装在一起。

2.根据权利要求1所述的适用于内燃机车功率模块的分体复合母排，其特征在于，所述直流母排(1)和交流母排(2)采用聚氟乙烯PVF板为主体。

3.根据权利要求1所述的适用于内燃机车功率模块的分体复合母排，其特征在于，相邻叠放的直流母排和交流母排之间通过空气进行绝缘隔离。

4.根据权利要求1所述的适用于内燃机车功率模块的分体复合母排，其特征在于，各母排的导电层之间采用层压板进行绝缘。

5.根据权利要求4所述的适用于内燃机车功率模块的分体复合母排，其特征在于，所述层压板为GPO-3层压板。

6.根据权利要求1所述的适用于内燃机车功率模块的分体复合母排，其特征在于，所述直流母排(1)的一侧边设置折边并在折边的侧边处引出正端子(1-1)和负端子(1-2)。

7.根据权利要求6所述的适用于内燃机车功率模块的分体复合母排，其特征在于，所述正端子(1-1)和负端子(1-2)均设置有两对。

8.根据权利要求1所述的适用于内燃机车功率模块的分体复合母排，其特征在于，所述交流母排(2)包括斩波相CHO端以及三个逆变相交流输入母排端子：U端、V端和W端；所述CHO端与U端、V端和W端的端子结构完全相同，并且采用对称设计。

9.根据权利要求8所述的适用于内燃机车功率模块的分体复合母排，其特征在于，所述交流母排(2)的一侧边设置有折边，并在折边的侧边处引出所述的CHO端、U端、V端和W端。