CN109713914A - 一种轨道交通用水冷散热功率模块 - Google Patents
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Abstract
本发明公布了一种轨道交通用水冷散热功率模块，包括水冷板和分列所述水冷板两侧的两个逆变单元，所述逆变单元包括IGBT功率单元、复合母排、安装板、IGBT驱动板、光纤连接器；在所述IGBT功率单元的底面涂导热硅脂后安装于所述水冷板的表面上，所述IGBT功率单元与所述复合母排连接，所述安装板直接固定在水冷板的表面并起支撑作用，在安装板上安装有所述IGBT驱动板；所述光纤连接器安装在安装板上且光纤连接器采用多芯光电集成的连接器。该轨道交通用水冷散热功率模块具有轻量化、集成化的特点，可实现两个或者多个逆变单元集成在一个功率模块上，并具有较高的散热效率。
Description
技术领域
本发明属于轨道交通系统散热技术领域，尤其涉及一种水冷式散热模块。
背景技术
永磁同步牵引传动系统在轨道交通车辆上逐渐开始得到应用，但永磁同步电机的控制一般只能采用轴控，即一个逆变单元只能控制一台永磁同步电机，这也导致了永磁同步牵引传动系统相比与异步电机牵引传动系统需要更多的逆变单元，造成永磁同步牵引传动系统重量和体积的增加。
传统的强迫风冷功率模块或者自然冷却功率模块只能利用散热器的一面进行功率器件布置，体积大而且笨重，如果永磁同步牵引系统采用强迫风冷或者自然冷却的功率模块，必将导致功率模块数量增加，系统的体积和重量也会大大增加。同时，由于逆变单元的增加，功率模块的整体散热功率也会增加，导致系统设计的难度的增加。
因此提供一种轻量化、集成化并且具有较高散热效率的的功率模块对于永磁同步牵引系统具有重大的意义，也是永磁牵引系统设计的关键和难点。
发明内容
本发明的目的是提供一种轨道交通用水冷散热功率模块，该轨道交通用水冷散热功率模块具有轻量化、集成化的特点，可实现两个或者多个逆变单元集成在一个功率模块上，并具有较高的散热效率，可有效解决多个逆变单元功率器件的散热难题。
本发明的技术方案如下：
一种轨道交通用水冷散热功率模块，包括水冷板和分列所述水冷板两侧的两个逆变单元，所述逆变单元包括IGBT功率单元、复合母排、安装板、IGBT驱动板、光纤连接器；在所述IGBT功率单元的底面涂导热硅脂后安装于所述水冷板的表面上，所述IGBT功率单元与所述复合母排连接，所述安装板直接固定在水冷板的表面并起支撑作用，在安装板上安装有所述IGBT驱动板；所述光纤连接器安装在安装板上且光纤连接器采用多芯光电集成的连接器。
优选地，还包括驱动保护板，所述驱动保护板安装在安装板上以对所述IGBT驱动板起保护作用。
优选地，功率模块的主电路对外输出接口通过一块低感复合母排实现，每块母排的前端通过相应的两个接口与支撑电容的DC+和DC-连接，每块母排的后端通过相应的四个接口实现相应电机UVW以及OVT的对外输出。
优选地，所述水冷板采用双面布置，水冷板的进出水口均连接有快速插头，且在出水口处的所述快速插头带有泄压阀。
优选地，所述水冷板的每一面上均安装有4个所述IGBT功率单元以及每个逆变单元的固定负载电阻。
优选地，所述IGBT功率单元与电源正负以及电机输出的连接采用低感复合母排连接。
优选地，每一个逆变单元包含若干个相同的驱动板，所有驱动板均单独通过导电柱集成在同一块驱动转接板上，所有驱动板的驱动信号由转接板上与驱动板数量一致的若干连接器对外输出。整个轨道交通用水冷散热功率模块集成后采用抽屉式结构安装在轨道车辆下方。
本发明的有益效果：本发明采用水冷功率模块实现了两个逆变单元集成在一个功率模块，并且水冷功率模块相比于传统功率模块重量减少至少30％，而散热效率提高至少20％。水冷功率模块采用抽屉式设计，系统采用低感母排进行连接，同时不集成支撑电容，并且采用快速插头以及光纤连接器等，使得维修维护极其方便。
功率模块按照模块化、平台化进行设计，结构紧凑、集成度高、布局合理，每个功率模块可集成两个逆变单元，只需更换IGBT型号，无需改变功率模块结构，即可实现不同电压等级、不同功率等级的功率模块的设计，节约了后续的设计开发投入。
附图说明
图1为本发明功率模块的主回路原理图；
图2为本发明功率模块的端面结构示意图；
图3为本发明功率模块的分解示意图；
图4为本发明变流器模块的结构示意图；
图5为水冷板安装结构示意图；
图6为驱动板的一种安装结构示意图。
图中，水冷板1、第一IGBT功率单元2、第一复合母排3、第一安装板4、第一IGBT驱动板5、第二IGBT功率单元7、第二复合母排8、第二安装板9、第二IGBT驱动板10、第二驱动保护板11、光纤连接器12；电容输出端子A、B、C、D；电机U、V、W、OVT输出端子E、F、G、H、I、J、K、L。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
参照图1所示，本实施例的轨道交通用水冷散热功率模块集成两个牵引逆变单元，每个逆变单元分别由Q1-Q4以及Q5-Q8组成，其中Q1和Q5分别为两个逆变单元的U相桥臂，Q2和Q6为V相桥臂，Q3和Q7为W相桥臂，Q4和Q8为斩波桥臂。同时每个逆变单元集成了固定负载R1和R2，简化了系统布局。
参见图2、图3、图4，该功率模块还包括水冷板1、IGBT功率单元(第一IGBT功率单元2和第二IGBT功率单元7)、复合母排(第一复合母排3和第二复合母排8)、安装板(第一安装板4和第二安装板9)、IGBT驱动板(第一IGBT驱动板5和第二IGBT驱动板10)、驱动保护板(第一驱动保护板6和第二驱动保护板11)、光纤连接器12。所述IGBT功率单元底面涂导热硅脂后安装于水冷板1的表面上，IGBT功率单元分别与复合母排紧密连接，安装板直接固定在水冷板1表面，起到结构支撑作用，在安装板上安装IGBT驱动板，驱动保护板分别安装在安装板上，以便对IGBT驱动板起到保护作用，光纤连接器12通过安装支架也安装在安装板上，其中光纤连接器12采用多芯光电集成的连接器，既可以通过电信号，也可以通过光信号，整个模块的对外输出信号都由光纤连接器12来实现连接。
如图2和图5所示，对于功率模块的主电路对外输出接口，其是通过一块低感复合母排来实现的，其中，母排的前端通过A、B、C、D实现与支撑电容的DC+和DC-的连接，两母排的后端通过E、F、G、H、I、J、K、L实现电机UVW以及OVT的对外输出，整个功率模块结构简洁，对外输出接口连接方便。如图5所示，水冷板采用双面布置，水冷板进出水口采用快速插头形式，方便维护，其中出水口快速插头采用带泄压阀的快速插头可有效避免水冷液体压力过高。每一面水冷基板安装有4个IGBT，Q1-Q4或者Q5-Q8，以及每个逆变单元的固定负载电阻R1和R2。IGBT与电源正负以及电机输出的连接采用低感复合母排的形式，可有效降低系统杂散电感，简化电路结构。
参见图6，本实施例设有7块相同的驱动板13，为了解决多驱动板13的布置难题，此处采用集成式转接驱动板形式，每一个逆变单元包含7个驱动板13，7个单独的驱动板13通过导电柱集成在一块驱动转接板14上，7块驱动板13的驱动信号G、E、C由转接板14的7个连接器对外输出，有效地解决了多驱动板布置难的问题，维护方便。
以上实施例中，轨道车辆牵引系统为永磁牵引系统，由于需要采用轴控，导致逆变单元数量的增加，首先本发明通过采用水冷散热方式，利用水冷板两面布置器件，实现了一个功率模块集成两个逆变单元，并且体积和重量相比于传统的强迫风冷以及热管自然冷却的功率模块大大减少，而散热效率却大大提高。此外，本发明的水冷功率模块与支撑电容可实现独立安装，两者只用母排连接，相比于笨重的集成支撑电容的功率模块，大大减少了功率模块的重量，提高了维护效率。而作为最佳实施方式，水冷功率模块可采用抽屉式安装，即将整个模块安置在一个类似抽屉的框架内，在使用时直接拉出或者推入即可，单个人即可实现安装和拆卸，同时采用快速插头，每次拆装无需放水，维护极其方便。功率模块所有对外信号，包括电信号以及光纤信号都只通过一个光纤连接器即可实现，光纤连接器采用光电一体的连接器，即可通过电信号又可通过光纤信号，简化了连接器的数量和布置。再次，驱动板采用转接式集成驱动板，一个逆变单元的7个驱动板集成在一块驱动转接板上，有效的解决了在有限的体积下驱动板布置难的问题。最后，功率模块采用模块化、平台化设计，只需更换IGBT型号，无需改变功率模块结构，即可实现不同电压等级、不同功率等级的功率模块的设计。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (8)
1.一种轨道交通用水冷散热功率模块，其特征在于：包括水冷板和分列所述水冷板两侧的两个逆变单元，所述逆变单元包括IGBT功率单元、复合母排、安装板、IGBT驱动板、光纤连接器；在所述IGBT功率单元的底面涂导热硅脂后紧贴于所述水冷板的表面上，所述IGBT功率单元与所述复合母排连接，所述安装板直接固定在水冷板的表面，在安装板上安装有所述IGBT驱动板；所述光纤连接器安装在所述安装板上且光纤连接器采用多芯光电集成的连接器。
2.根据权利要求1所述一种轨道交通用水冷散热功率模块，其特征在于：还包括驱动保护板，所述驱动保护板安装在安装板上以对所述IGBT驱动板起保护作用。
3.根据权利要求1所述一种轨道交通用水冷散热功率模块，其特征在于：功率模块的主电路对外输出接口通过一块低感复合母排实现，每块母排的前端通过相应的两个接口与支撑电容的DC+和DC-连接，每块母排的后端通过相应的四个接口实现相应电机UVW以及OVT的对外输出。
4.根据权利要求1所述一种轨道交通用水冷散热功率模块，其特征在于：所述水冷板采用双面布置，水冷板的进出水口均连接有快速插头，且在出水口处的所述快速插头带有泄压阀。
5.根据权利要求1所述一种轨道交通用水冷散热功率模块，其特征在于：所述水冷板的每一面上均安装有4个所述IGBT功率单元以及每个逆变单元的固定负载电阻。
6.根据权利要求1所述一种轨道交通用水冷散热功率模块，其特征在于：所述IGBT功率单元与电源正负极以及电机输出的连接均采用低感复合母排连接。
7.根据权利要求1所述一种轨道交通用水冷散热功率模块，其特征在于：每一个逆变单元包含若干个相同的驱动板，所有驱动板均单独通过导电柱集成在同一块驱动转接板上，所有驱动板的驱动信号由转接板上与驱动板数量一致的若干连接器对外输出。
8.根据权利要求1—7任一项所述一种轨道交通用水冷散热功率模块，其特征在于：整个轨道交通用水冷散热功率模块集成后采用抽屉式结构安装在轨道车辆下方。
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