CN109245556B - 一种内燃机车用大功率环路热管功率模块及其镜像结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种内燃机车用大功率环路热管散热功率模块及其镜像结构，包括环路热管散热器，由散热基板与其后部的热管单元和散热器框架共同组成，散热基板的另一侧安装了若干IGBT，IGBT上直接安装适配板，IGBT上面为复合母排，通过导电柱与IGBT的主电路端子连接，其高压输出侧安装了绝缘支撑板，复合母排上安装有屏蔽板，屏蔽板上安装有IGBT驱动板，驱动板与适配板之间通过同轴电缆进行连接，侧框架、右框架和左框架采用压铆螺母铆接成一个框架组件，安装于散热基板的四周，左框架上还安装有低压连接器，支撑轨分别安装在散热器框架和侧框架上，驱动板的外侧安装了盖板。散热基板的表面安装有温度传感器，由控制单元检测温度传感器的实时温度并进行过热保护。

Description

一种内燃机车用大功率环路热管功率模块及其镜像结构

技术领域

本发明属于内燃机车技术领域，涉及内燃机车用功率模块，尤其是一种内燃机车用大功率环路热管功率模块及其镜像结构。

背景技术

随着交流传动技术的发展，使用大功率IGBT作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，主电路采用模块化的设计，将主电路的多个开关器件进行安装集成。在机车电力变流器中，将功率半导体开关器件、散热器、驱动单元等部件组合在一起，能够实现AC-DC、DC-DC、DC-AC变换的一体化部件叫做功率模块。根据主电路功能、冷却方式的不同，功率模块有不同的分类和结构形式。而采用不同的散热器，会使功率模块在散热能力、体积、重量等方面有较大差别。

现有的大容量热管功率模块多采用重力热管散热器。为达到功率模块的散热要求，散热器体积较大；而且由于重力热管需要向上倾斜一定的角度才能实现既定的功能，导致功率模块的外形尺寸增大，整个模块体积较大。重力热管不能翻转1800使用，对于镜像安装的两个相同功能的功率模块，散热器不能共用。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种内燃机车用大功率环路热管功率模块及其镜像结构。

本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：

本发明首先提出一种内燃机车用大功率环路热管散热功率模块，包括散热器，所述散热器由散热基板与其后部的热管单元和散热器框架共同组成；所述散热基板的另一侧单侧安装了若干IGBT，IGBT上直接安装适配板，IGBT上面为复合母排，通过导电柱与IGBT的主电路端子连接，其高压输出侧安装有绝缘支撑板，复合母排上侧安装有屏蔽板，屏蔽板上安装有IGBT驱动板，IGBT驱动板与适配板之间通过同轴电缆进行连接；所述散热器框架包括安装于散热基板四周的侧框架、右框架和左框架，对IGBT侧的部件进行防护；所述左框架上还安装有低压连接器，支撑轨分别安装在散热器框架和侧框架上，IGBT驱动板的外侧安装了盖板；所述散热基板的表面安装有温度传感器，由控制单元检测温度传感器的实时温度并进行过热保护。

进一步，上述散热器为环路热管散热器，热管单元与散热基板垂直。

进一步，上述复合母排包括交流母排和直流母排，所述交流母排和直流母排为两块独立的母排，采用L型的折弯结构，层叠放置。

进一步，上述交流母排和直流母排上设有导电柱，与IGBT的主电路端子进行连接。导电柱具有一定高度，使得直流母排和交流母排隔开一定的距离，母排之间充满空气。

进一步，上述复合母排的上侧加装有屏蔽板作为驱动板的安装平台，驱动板信号的输入输出采用光纤连接的方式。

进一步，上述屏蔽板由金属板、绝缘板及外敷绝缘层组成；所述屏蔽板四周为裸露的金属边沿，与框架连接。

进一步，上述侧框架、右框架和左框架采用压铆螺母铆接成一个框架组件，框架组件的架体上开设有多个镂空孔，所述镂空孔上加装有绝缘条；所述框架组件固定于散热基板上。

进一步，上述功率模块的侧框架和散热器框架上安装有支撑轨。

进一步，上述盖板为绝缘板，采用透明材质；所述复合母排的高压输出侧安装有绝缘支撑板，绝缘支撑板与复合母排的连接采用绝缘紧固件。

本发明还提出一种基于上述内燃机车用大功率环路热管散热功率模块的镜像结构：两个以上所述的大功率环路热管散热功率模块以镜像对称的方式背靠背安装于变流柜中。即大功率环路热管散热功率模块有两种不同的结构形式A、B，区别仅在于左框架的细微变动。两者镜像对称，实现相同的功能，安装于变流柜时A和B采用背靠背的方式。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明采用环路热管，本发明与现有技术同功率相比，体积小25％以上，传热能力大2～4倍。功率模块以散热器为基础，单侧安装其他零部件，采用层叠式结构，模块结构紧凑，重量轻，体积小。

进一步，本发明的各组成部件和总体结构尽量采用对称设计，仅对左框架做微小的调整就可以满足镜像安装的需求，利于简化设计、节约成本。

附图说明

图1为本发明的功率模块主电路示意图；

图2为本发明散热器的结构示意图；

图3、图4为本发明的功率模块整体结构示意图；

图5为本发明的功率模块背靠背安装结构示意图；

图6为本发明复合母排结构示意图；

图7为本发明环路热管散热器结构示意图。

图中：1为散热器，2为散热器框架，3为散热基板，4为热管单元，5为IGBT，6为适配板，7为复合母排，8为屏蔽板，9为驱动板，10为绝缘支撑板，11为侧框架，12为右框架，13为左框架，14为低压连接器，15为支撑轨，16为盖板，17为温度传感器,18为复合母排导电柱。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图3、图4：本发明的内燃机车用大功率环路热管散热功率模块，包括散热器1，由散热基板3与其后部的热管单元4和散热器框架2共同组成，散热基板3的另一侧单侧安装了若干IGBT 5，IGBT5上直接安装适配板6，IGBT 5上面为复合母排7，通过导电柱与IGBT的主电路端子连接，其高压输出侧安装有绝缘支撑板10，复合母排上侧安装有屏蔽板8，屏蔽板8上安装有IGBT驱动板9，IGBT驱动板9与适配板6之间通过同轴电缆进行连接。散热器框架2包括安装于散热基板3四周的侧框架11、右框架12和左框架13，对IGBT侧的部件进行防护；左框架13上还安装有低压连接器14，支撑轨15分别安装在散热器框架2和侧框架11上，IGBT驱动板9的外侧安装了盖板16；所述散热基板3的表面安装有温度传感器17，由控制单元检测温度传感器的实时温度并进行过热保护。

如图所示，散热器1为环路热管散热器，热管单元4与散热基板3垂直。

复合母排7包括交流母排C和直流母排D，交流母排和直流母排为两块独立的母排，采用L型的折弯结构，层叠放置。

交流母排和直流母排上设有导电柱18，与IGBT的主电路端子进行连接。导电柱18具有一定高度，使得直流母排D和交流母排C隔开一定的距离，母排之间充满空气。

复合母排的上侧加装有屏蔽板8作为驱动板9的安装平台，驱动板信号的输入输出采用光纤连接的方式。

屏蔽板8由金属板、绝缘板及外敷绝缘层组成；屏蔽板8四周为裸露的金属边沿，与框架连接。

侧框架11、右框架12和左框架13采用压铆螺母铆接成一个框架组件，框架组件的架体上开设有多个镂空孔，所述镂空孔上加装有绝缘条；所述框架组件固定于散热基板3上。功率模块侧框架和散热器框架上安装有支撑轨15。盖板16为绝缘板，采用透明材质。复合母排高压输出侧安装绝缘支撑板10，绝缘支撑板与复合母排的连接采用绝缘紧固件。

本发明的两个大功率环路热管散热功率模块以镜像对称的方式背靠背安装于变流柜中。即即本发明的大功率环路热管散热功率模块有两种不同的结构形式A、B，区别仅在于左框架的细微变动。实现相同的功能，安装于变流柜时A和B采用背靠背的方式。本发明的交流传动主电路包括一个三相逆变电路和一个斩波支路。

本发明的电路结构及原理如下：

如图1所示：本发明的大容量功率模块包括一个三相逆变电路和一个斩波支路，S1(DC+)、S2(DC-)为主电路的直流输入端子。两个高压IGBT H4、B4组成斩波电路(其中B4作为二极管使用)，S6(CHO)为斩波对外接线端子，连接装置外部的斩波功率电阻。H1、B1、H2、B2、H3、B3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。

综上所述，本发明的功率模块由散热器、开关器件、驱动板、适配板、复合母排、屏蔽板、绝缘支撑板、框架、支撑轨、盖板、线束以及低压连接器等部件组成，根据系统指令，完成IGBT开关变换、IGBT驱动与保护、功率器件散热等功能，并最终实现将输入的直流逆变为交流电供给后级的牵引电机。该功率模块加装了PT100温度传感器，控制系统将检测功率模块散热基板的温度以便实现对功率模块的过热保护。

参见图2和图7：环路热管散热器热管单元与散热基板垂直，翻转180度仍可以正常使用。传统重力热管散热器体积较大，而且其工作特性决定了热管需要向上倾斜一定的角度才能实现既定的散热功能，由于功率模块框架是固定在散热基板上的，散热基板的加大,导致功率模块的外形尺寸增大,重量也相应增加，不方便安装及维护。重力热管不能翻转1800使用，对于镜像安装的两个相同功能的功率模块，散热器不能共用。而本功率模块中根据高环温的实际工况需求，采用了新型的环路热管散热器对功率器件进行散热。该散热器的突出优点在于：热管单元与散热基板垂直，翻转1800可以正常使用，与传统重力热管同功率相比，体积小25％以上，传热能力大2～4倍。适配板就近安装在相应的IGBT上，实现IGBT门级驱动信号的稳压、Vce电压检测等功能。

参见图3、图4：主电路采用复合母排进行电气连接；降低了驱动回路的杂散电感，减少了吸收电路的使用；为减轻单块母排的重量，方便工人安装，将交流母排和直流母排分成两块进行设计，采用L型的折弯结构，层叠放置，减少了两块母排间绝缘板的使用，降低了母排重量。导电柱具有一定高度，使两块母排中间充满空气，代替原有的绝缘板，改善绝缘性能。模块母排的输出侧安装了绝缘支撑板对复合母排进行支撑，减少对开关器件的机械应力损伤。复合母排的上侧加装屏蔽板作为驱动板的安装平台，驱动板信号的输入输出采用光纤连接的方式。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，与金属框架连接，可以起到高压(复合母排)和低压(驱动板)之间的屏蔽作用，其内侧连接部位均为绝缘设计。模块外侧还设计安装了防护盖板，可以对驱动板起到防护作用，盖板采用透明的绝缘板，方便观察驱动板的工作状态。与控制单元间的供电电源、驱动信号、故障信号、温度传感器信号等低压信号，通过一个12针快速低压连接器与TCU进行通讯。

功率模块的框架组件以散热基板为依托进行安装，为了减重，将框架的部分位置镂空并加装绝缘条，一则可以实现对功率模块进行防护功能，二则也可以作为把手，方便工人对功率模块进行拆装维护，三则可以实现功率模块的减重、四则为TCU于驱动电路之间光纤的安装提供空间。散热器热管管壁较薄，需要加装散热器防护框架。由于模块采用强迫风冷的散热方式，所以采用强度较大但又轻质的材质，将散热器框架采用焊接成形的整体结构，使之兼具风道的功能，与变流柜的总体风道采用长螺杆进行连接，之间采用橡胶垫进行密封。在功率模块侧框架和散热器框架上安装有支撑轨，安装时作为功率模块的导向装置，采用螺栓与变流柜连接，对功率模块进行固定。

参见图5：本发明的功率模块在变流柜中采用背靠背的安装方式，如下图所示，但两个相同功能的功率模块需保持对外电气接口、机械连接方式相同。为了简化设计，节约成本，功率模块采用了简统化的设计方式。对于镜像安装的两个功率模块，在框架的设计上，侧框架可以通用，模块A的左框架上安装低压连接器J1，模块B的左框架上安装低压连接器J2，都位于模块上部，所有仅对两个模块的左框架进行了微小的设计改动，其他的部件可以完全共用。

参见图6：本发明的复合母排是实现功率模块对外高压电气连接的接口，为保证背靠背的安装要求，在设计上采用完全对称的结构方式，端子1、4、5、8为4个交流输出端，宽度保持一致；2、7和3、6分别为直流负极和正极接线端，宽度保持一致。对于右侧的功率模块，交流输出端1、4、5、8从上到下分别与主电路图中的CHO\U\V\W端子对应；而对于左侧的功率模块，则变为交流输出端8、5、4、1从上到下分别与主电路图中的CHO\U\V\W端子对应。

参见图7，本发明的环路热管散热器(也称环路并行式热管)是由两个或以两个上直管段和U形弯头连接起来的一种热管形式。环路并行式热管的原理与工作特点与普通的热虹吸热管有很大的差异，单根热虹吸热管的工作液体在内部从蒸发到冷凝然后在重力作用下液体回流到蒸发端，蒸汽和冷凝液在同一根管内流动。而环路并行式热管(如图7)则具有两相流体回路，一侧加热另一侧冷却，其液体通道和蒸汽通道分离，液体和蒸汽在环路管内部形成循环，可以多个蒸发器和冷凝器并联运行，且仅在蒸发器中设置毛细吸液芯，用以提供循环动力。而冷凝器内没有毛细吸液芯，这样可以实现热量传递的单向性，具有热二极管特性。

环路并行式热管的加热段和冷凝段布置灵活，在很小角度和大充液率情况下能产生自激循环来工作，同时传递工作液体的潜热和显热，其内部工作液体的流动方式会随着热管角度的不同而发生改变，其主要表现就是内部工作的液体会在两侧的加热部分形成动态的缺液补偿作用。这主要是蒸发器为系统的能量接收器及动力源，加载到蒸发器上的热量通过蒸发器壳体首先传递到毛细吸液芯外表面，使得液体工质受热蒸发，并在毛细吸液芯的毛细管中形成汽液分界的弯月面。由于毛细力的作用，汽液界面上产生的蒸汽通过蒸汽通道流入蒸汽管路，最后在冷凝器中冷凝成液体，热量通过冷凝器管壁传递到外部热沉。在冷凝器中冷凝下来的液体工质在重力的作用下，通过液体管路回流到工质储液器中，工质再次被毛细吸液芯从工质储液器中提升到蒸发器界面处，于是再次在蒸发器内吸热、蒸发、流动，并不断把蒸发器内的热量传递到远端的热沉。

由于环路的存在，热管的布置灵活，可以有多个蒸发段和冷凝段，而且可以在00～900任意角度之间转动使用，克服了单根虹吸热管在00角附近使用传热恶化的现象，增加了其应用的灵活性和适应性。

环路并行式热管散热器的传热能力较虹吸热管散热器大2～4倍，同等散热功率前提下，其体积比虹吸热管散热器小25％以上。

Claims (4)

1.一种内燃机车用大功率环路热管散热功率模块，其特征在于，包括散热器(1)，所述散热器(1)由散热基板(3)与其后部的热管单元(4)和散热器框架(2)共同组成；所述散热器(1)为环路热管散热器，热管单元(4)与散热基板(3)垂直，所述散热基板(3)的另一侧单侧安装了若干IGBT(5)，IGBT(5)上直接安装适配板(6)，IGBT(5)上面为复合母排(7)，通过导电柱与IGBT的主电路端子连接，其高压输出侧安装有绝缘支撑板(10)，所述复合母排(7)包括交流母排(C)和直流母排(D)，所述交流母排(C)和直流母排(D)为两块独立的母排，采用L型的折弯结构，层叠放置，所述交流母排(C)和直流母排(D)上设有导电柱(18)，与IGBT的主电路端子进行连接；导电柱具有一定高度，使得直流母排和交流母排隔开一定的距离，母排之间充满空气，复合母排上侧安装有屏蔽板(8)，屏蔽板(8)上安装有IGBT驱动板(9)，IGBT驱动板(9)与适配板(6)之间通过同轴电缆进行连接；所述复合母排(7)的上侧加装有屏蔽板(8)作为驱动板(9)的安装平台，驱动板信号的输入输出采用光纤连接的方式，所述屏蔽板(8)由金属板、绝缘板及外敷绝缘层组成；所述屏蔽板(8)四周为裸露的金属边沿，与框架连接，所述散热器框架(2)包括安装于散热基板(3)四周的侧框架(11)、右框架(12)和左框架(13)，对IGBT侧的部件进行防护；所述左框架(13)上还安装有低压连接器(14)，支撑轨(15)分别安装在散热器框架(2)和侧框架(11)上，IGBT驱动板(9)的外侧安装了盖板(16)；所述盖板(16)为绝缘板，采用透明材质；所述复合母排(7)的高压输出侧安装有绝缘支撑板(10)，绝缘支撑板与复合母排的连接采用绝缘紧固件；所述散热基板(3)的表面安装有温度传感器(17)，由控制单元检测温度传感器的实时温度并进行过热保护。

2.根据权利要求1所述的内燃机车用大功率环路热管散热功率模块，其特征在于，所述侧框架(11)、右框架(12)和左框架(13)采用压铆螺母铆接成一个框架组件，框架组件的架体上开设有多个镂空孔，所述镂空孔上加装有绝缘条；所述框架组件固定于散热基板(3)上。

3.根据权利要求1所述的内燃机车用大功率环路热管散热功率模块，其特征在于，所述功率模块的侧框架和散热器框架上安装有支撑轨(15)。

4.一种基于权利要求1-3任意一项所述的内燃机车用大功率环路热管散热功率模块的镜像结构，其特征在于，两个所述大功率环路热管散热功率模块以镜像对称的方式背靠背安装于变流柜中。