CN110829797B - 一种水电分离型内燃机车牵引辅助功率模块 - Google Patents

Abstract

本发明涉及内燃机车技术领域，尤其涉及内燃机车变流器的功率模块，具体为一种水电分离型多功能内燃机车功率模块及布线结构。本方案设计一种水电分离型多功能内燃机车功率模块，分别实现同一个变流器内的辅助逆变、牵引逆变、牵引逆变+斩波的电路功能，并且解决IGBT驱动板控制与反馈信号传输线束距离过长问题。本方案具有高低压接口分离、水电接口分离、水接口前置等诸多创新点。本方案中的驱动板为双接口设计，一个驱动板可以根据需要控制一只或两只IGBT的开通与关断。本方案适用于三相逆变、四象限整流、二极管不控整流等其它电路的集成化设计，为相关产品提供借鉴，降低设计成本。

Description

一种水电分离型内燃机车牵引辅助功率模块

技术领域

本发明涉及内燃机车技术领域，尤其涉及内燃机车变流器的功率模块，具体为一种水电分离型内燃机车牵引辅助功率模块。

背景技术

在列车电传动系统中，功率模块在变流器中承载高压电流的开关变换功能。随着列车电传动交流技术渐趋成熟，单个功率模块的电路拓扑从最初的单一拓扑结构发展到多种拓扑集成结构，从不对称结构发展到对称结构与不对称结构并存的模式，功率模块设计师可以根据不同的功能需求自由选择单个模块的电路拓扑。

目前，动车机车电传动行业在满足性能要求的前提下，越来越注重产品的标准化、模块化设计，即不同拓扑结构的功率模块在外观、外形、接口等多个方面达到高度一致，这就对现有产品提出了统型的要求。

另外，现有的功率模块多采用电缆来传输驱动和反馈信号，功率模块高压大电流的开关变换容易造成变流设备内部产生较强的电磁干扰，驱动和反馈信号属于低压信号，抗干扰性差，在强的电磁环境中会受到干扰，造成发送和接收信号出错。因此，除了对高、低压信号的隔离与屏蔽设计，还需要尽量缩短IGBT配置板与驱动板之间的信号传输路径，从而提高信号控制的稳定性。

在一个变流器中，根据主电路功能和容量的不同，通常，组装的功率模块形状各异。这就造成（1）不同性能的功率模块，其散热结构、器件布局及接口都不一致，不便于模块的拆装维护；（2）未经统型的功率模块，达不到产品设计的共用性、可互换性要求，备品备件的利用率较低。而且目前水冷散热的功率模块已开始考虑采用双面对称结构，双面对称结构需要把一个完整变流电路的功能分散到散热器的两侧，两侧功能不同；即使一个双面对称结构的功率模块两侧功能相同，也很难达到实现其它功能的目的。另外功率模块设计时为避免电气击穿须满足电气间隙要求，在电气部件与其它导体间设置足够距离。然而，在变流器及车体空间有限的情况下，需要尽量压缩功率模块总体体积。现有技术中框架打孔往往出于减重考虑，并尽量增大框架与电气部件之间的距离来满足电气间隙。框架仅考虑减重问题，未掌握通过计算并借助打孔的手段增大电气间隙以缩小框架与电气部件距离，从而实现压缩功率单元体积增大功率密度的目的。现有功率模块水、电接口集中设置，冷却液的进水口、出水口和电气接口的高压连接器集中设置在水冷基板的后端。这就造成（1）水接口在进行插拔时可能会飞溅出冷却管道内的残余液体，水、电接口的集中设置，容易引起高压电流的短路，造成故障；（2）进水口、出水口设置在功率模块后端，不利于工作人员进行插拔操作。功率模块的驱动板与配置板间高压线束（板间线束）往往从功率模块内部配置板的一端引出，沿着功率模块框架布线，最后连接到功率模块框架上一个高压连接器的公端（或母端），然后驱动板的一端引出另一根板间线束，沿着功率模块框架布线，通过高压连接器的母端（或公端）与其相连接。沿着功率模块框架布线，框架头尾两端出线的方式，造成板间线束长度过大，IGBT的控制与反馈信号传输距离过长、信号不稳定、系统杂散电感过大；通过高压连接器连接，容易造成信号中断，增加系统的不稳定性。

发明内容

本发明提供一种水电分离型内燃机车牵引辅助功率模块，解决以下问题：1）本发明的统型设计，解决不同功能的功率模块散热结构、外形、接口不统一问题；2）本发明框架基于复合母排电连接端子的镂空设计，增大了功率模块复合母排与框架之间的电气间隙，压缩了功率模块体积，提高了功率密度，解决了变流柜空间限制问题；3）本发明屏蔽支撑板的U型口走线设计，解决IGBT的控制与反馈信号传输距离过长、杂散电感过大、信号不稳定问题；4）本发明交、直流接口分离设计，解决功率模块的交、直流接口集中设置，交、直流信号相互干扰问题；5）本发明水、电接口分离设计，解决功率模块的水、电接口集中设置，存在短路隐患问题；6）本发明进水口、出水口前置设计，解决功率模块的水接口插拔不便问题。

本方案设计一种内燃机车牵引辅助功率模块，可以同时实现同一个变流器内的辅助逆变、牵引逆变、牵引逆变+斩波等三种功率模块不同的电路功能，并且解决IGBT驱动板控制与反馈信号传输线束距离过长问题。本方案具有高低压接口分离、水电接口分离、水接口前置等诸多创新点。本方案中的驱动板为双接口设计，一个驱动板可以根据需要控制一只或两只IGBT的开通与关断。

本发明是采用如下的技术方案实现的：一种水电分离型内燃机车牵引辅助功率模块,包括水冷散热器基板、左右框架、IGBT、复合母排、配置板、驱动板、配置板与驱动板间高压线束和屏蔽支撑板，水冷散热器基板左右两侧安装IGBT，IGBT上安装有配置板，左右两侧的IGBT上分别连接左右复合母排，左右框架安装在水冷散热器基板的左右两侧，对内侧IGBT、复合母排进行保护，屏蔽支撑板安装在左右框架外侧，驱动板安装在屏蔽支撑板外侧，配置板与驱动板之间通过高压线束连接。本方案为层叠式结构，安装方便高效。

进一步的，水冷散热器基板后端安装有电端子连接板，电端子连接板上固定有定位销和电连接端子，定位销在功率模块安装到变流器时起定位作用。在功率模块侧，电连接端子与复合母排交流端子连接，当功率模块与变流器装配时，电连接端子与变流器上相匹配的电连接端子连接导电。水冷散热器基板前端安装有绝缘支撑装置，用于对功率模块复合母排直流端子的紧固支撑，水冷散热器基板前端右侧带有水道的进、出水口，用于水路连接，侧面前端独立设置的水接口不仅解决了水、电接口集中设置存在的短路隐患，还解决了水接口后置（远离操作人员）带来的插拔不便问题。框架上安装有有低压电源连接器，低压电源连接器用于连接驱动板的电源，低压电源连接器与水冷散热器基板前后端的交直流高压端子分开，实现高低压分离设计。

进一步的，绝缘支撑装置为块状结构，块状结构上设置有方形沉孔，方形沉孔的底部设计有圆形沉孔，沉孔为盲孔（满足电压隔离要求）， 方形沉孔内设置方螺母。复合母排端部与外部铜排搭接后，通过螺栓紧固到方螺母上。由于方螺母与方形沉孔之间装配后各个匹配面之间留有活动间隙，方便调整外部铜排与复合母排的安装；方形沉孔底部的圆形沉孔用以容纳螺栓紧固后伸出部分。

进一步的，绝缘支撑装置不同电位方形沉孔之间增加了沟槽设计，用以增加不同电位之间的爬电距离。方螺母根据安装位置要求，无法满足不同电位之间的爬电距离要求，故在不同电位方形沉孔之间增加了沟槽设计（图中阴影部分为沟槽），用以增加不同电位之间的爬电距离。

进一步的，在复合母排面板上的电连接端子电气间隙要求的范围内对框架进行镂空设计，即以复合母排电连接端子为中心，以电气间隙为半径，在球面辐射的范围内对框架进行镂空，框架镂空部位为正对复合母排面板上的电连接端子的部位，同时框架上还设有U型折弯与Z型折弯，每处折弯形成一道加强筋，Z型折弯后形成了两个相互平行的平面1和平面2，平面1高于平面2，增大了复合母排到框架的距离，即增大了电气间隙，保证了功率模块整体的工作安全性与可靠性，。现有技术中框架打孔往往出于减重考虑，并尽量增大电气部件与框架之间的距离来满足电气间隙，导致功率单元体积较大。本方案中左框架、右框架为镂空设计，综合考虑并满足了重量、结构强度、电气间隙等各方面的因素。首先，框架镂空设计最大限度减小了总体重量；其次，框架上设置有加强筋以增加结构强度；第三，本发明使框架与复合母排尽量贴合以减小功率模块体积，基于复合母排电连接端子与框架之间的距离进行电气间隙的计算，在电连接端子电气间隙（比如22mm）要求的范围内对框架进行镂空设计。如图3，以复合母排电连接端子为中心，以电气间隙（比如22mm）为半径，在球面辐射的范围内对框架进行镂空。

进一步的，左右框架上还设有U型缺口，作为高压线束过线口，屏蔽支撑板设有U型口，屏蔽支撑板的U型口与左右框架的U型缺口相互匹配，作为高压线束的过线口，既借助了屏蔽支撑板的隔离屏蔽作用，又通过捷径布线大大缩短了信号的传输距离，降低了主电路杂散电感，提高了系统稳定性。

进一步的，框架上还设有把手、扎带座。

进一步的，水冷散热器基板的左右两侧各安装有6只IGBT，左右两侧的6只IGBT分别都组成一组三相逆变电路，每只IGBT都安装有配置板。该功率模块可作为辅助逆变功率模块和牵引逆变功率模块，辅助逆变功率模块和牵引逆变功率模块的电气原理是相同的，如图1，每个模块都为两组三相逆变电路，功能是将输入的DC1850V直流电逆变为交流电，区别是运用的工况不同、容量不同。当用于牵引工况时，主要是配合控制系统完成功率变换，为牵引电机提供合适的三相交流电压，可同时带动两台电机；用于辅助工况时，主要是逆变为交流380V，给辅助负载和设备供电。每组三相逆变电路包含6只IGBT，每只IGBT配有一个配置板，每两只IGBT组成一个单相全桥逆变电路，每个单相全桥电路配有一个双接口驱动板，单相逆变的两个配置板和一个驱动板通过配置板和驱动板间高压线束（板间线束）进行连接。

进一步的，左右两侧的6只IGBT还可分别组成一组三相逆变电路和三组斩波回路，其中斩波回路中上桥臂IGBT安装有配置板。该功率模块可作为作为牵引逆变+斩波模块，牵引逆变+斩波模块的电气原理如图2，该模块只应用于牵引工况，每个模块包含一组三相逆变电路和三组斩波电路，三相逆变电路的作用与上述牵引工况时相同，斩波电路用来限制中间直流电压的升高，特别是列车制动时，用于回馈能量的吸收。每组三相逆变电路包含6只IGBT，每只IGBT配有一个配置板，每两只IGBT组成一个单相全桥逆变电路，每个单相全桥电路配有一个双接口驱动板，单相逆变的两个配置板和一个驱动板通过配置板和驱动板间高压线束进行连接；每组斩波电路包含2只IGBT，分别作为斩波电路的上、下半桥，每组斩波电路通过一个驱动板进行控制，其中上半桥IGBT（连接正母线，标记为H**）配有一个配置板，下半桥IGBT（连接负母线，标记为B**）应用二极管的反向恢复功能，无需控制，因此，斩波电路工作时只需要断开下半桥IGBT的控制信号，应用驱动板双接口中的一个控制接口即可。辅助逆变功率模块、牵引逆变功率模块、牵引逆变+斩波模块为完全相同的组装结构，对不同性能的功率模块进行了统型。

进一步的，还包括外侧盖板，外侧盖板安装在驱动板外侧。

本发明技术方案带来的有益效果：

1）对不同性能的功率模块进行统型，提高了散热结构、器件布局及接口的一致性，方便模块的拆装维护；

2）统型后的功率模块，达到产品设计的共用性、可互换性要求，提高了备品备件的利用率；

3）对功率模块进行了水电分离、高压低压分离，提高了模块的安全性；

4）将两组三相逆变器集成在一个功率模块中，达到较高功率密度设计要求；

5）框架镂空设计增大电气间隙缩小功率模块体积，提高了空间利用率；

6）本方案适用于三相逆变、四象限整流、二极管不控整流等其它电路的集成化设计，为相关产品提供借鉴，降低设计成本。

附图说明

图1为（牵引/辅助）逆变功率模块电气原理图。

图2为牵引逆变+斩波功率模块电气原理图。

图3为基于复合母排电连接端子电气间隙的框架镂空设计图。

图4为IGBT左侧布局图。

图5为右侧IGBT布局图。

图6为复合母排安装示意图。

图7为模块后端电端子连接板安装视图。

图8为模块前端绝缘支撑装置安装图。

图9为框架的镂空设计图。

图10为屏蔽支撑板。

图11为高压线束通过孔示意图。

图12为装配组件图。

图13为多功能功率模块组装结构图。

图14为变流器功率模块相对安装位置图。

图15为绝缘支撑装置立体结构图。

图16为绝缘支撑装置背面视图。

图17为绝缘支撑装置正面视图。

图中：1-水冷散热器基板，2-定位销，3-左复合母排，4-右复合母排，5-电连接端子，6-绝缘支撑装置，7-左框架，8-右框架，9-电端子连接板，10-镂空部位，11-IGBT，12-配置板，13-进水口，14-出水口，15-直流输入端子，16-加强筋，17-U型缺口，18- U型口，19-高压线束通过孔，20-驱动板，21-屏蔽支撑板，22-低压电源连接器，23-把手，24-扎带座，25-绝缘垫柱，26-铜垫柱,27-外侧盖板，28-水平方向长螺杆，29-竖直方向长圆孔，30-平面1，31-平面2，32-方形沉孔，33-圆形沉孔，34-方螺母，35-沟槽，36-凹槽，37-整流模块，38-辅助逆变功率模块，39-牵引逆变功率模块，40-牵引逆变+斩波功率模块，41-出水管-，42-进水管，43-直流母线排。

具体实施方式

本方案成功运用于铁路干线货运机车牵引辅助变流器中，每个变流器包含1个整流模块37，1个辅助逆变功率模块38、1个牵引逆变功率模块39、1个牵引逆变+斩波功率模块40，如图14所示。其中，辅助逆变功率模块、牵引逆变功率模块、牵引逆变+斩波功率模块为完全相同的组装结构，整流模块为三相桥式不控整流电路，不带驱动电路，为统型要求，与其它模块保持相同的外形，方便水路和电路的安装与接线。

辅助逆变功率模块左右两侧分别为CVCF（定压定频）三相逆变器和VVVF（变压变频）三相逆变器，每台变流柜包含两组牵引辅助变流器装置，当一组变流器内的辅助CVCF或VVVF逆变器故障时，可以切换到另一组变流器内冗余设计的CVCF或VVVF逆变电路。

牵引逆变功率模块左右两侧各一组相同的三相逆变器，牵引逆变+斩波功率模块左右两侧分别为一组三相逆变器和三组斩波器，因此，每台牵引辅助变流器内共包含三组三相逆变器，每组逆变器各带动一台电机，实现牵引逆变功能。三组斩波器分别实现斩波功能。

具体组装结构说明：

功率模块以水冷散热器基板1为基础，左右两侧表面分别安装6只IGBT11，按图中三个黑色矩形框线组合。左侧6只IGBT布局如图4，分别为三相逆变电路U1、V1、W1的上、下桥臂。

右侧6只IGBT布局如图5，当用作辅助逆变模块和牵引逆变模块时，分别为三相逆变电路U2、V2、W2的上、下桥臂；当用作牵引逆变+斩波模块时，分别为三组斩波回路C1、C2、C3。

水冷散热器基板1后端带有定位销2，在功率模块安装到变流器时起定位作用，水冷散热器右侧前端带有水道的进水口13、出水口14，用于水路连接。如图5。

功率模块左右两侧的IGBT分别通过左复合母排3和右复合母排4与变流器进行交、直流的电气连接。如图6。

水冷散热器后端还安装有电端子连接板9，电端子连接板9上安装电连接端子5，用于功率模块复合母排对变流器的交流输出，如图7；水冷散热器前端安装有绝缘支撑装置6，用于变流器对功率模块复合母排直流输入端子15的紧固支撑，如图8。

出于减重考虑，左框架7、右框架8为镂空设计，框架上还有两处U型折弯与两处Z型折弯，每处折弯形成一道加强筋16，用以增加框架强度。其中，两处Z型折弯后形成了两个相互平行的平面1和平面2，平面1高于平面2，实际上增大了复合母排到框架的距离，即增大了电气间隙，保证了功率模块整体的工作安全性与可靠性。并且在框架上设计了U型缺口17，用于板间线束过线口。如图9。

屏蔽支撑板21是金属与绝缘材料的复合设计，具有屏蔽电磁干扰与防止放电击穿的作用，带有57.5*40mm的U型口设计，如图10。

屏蔽支撑板的U型口与框架的U型缺口相互匹配，形成高压线束通过孔19，作为板间线束的过线口，既借助了屏蔽支撑板的隔离屏蔽作用，又通过捷径布线大大缩短了信号的传输距离，降低了主电路杂散电感，提高了系统稳定性。如图11。

左右框架安装在水冷散热器基板的左右两侧，对内侧IGBT、复合母排等电气部件进行保护。屏蔽支撑板21通过铜垫柱26支撑安装在框架外侧，驱动板20通过绝缘垫柱25安装在屏蔽支撑板21外侧，层叠式结构安装方便高效。组件上还带有低压电源连接器22、把手23、扎带座24等重要部件。如图12。

多功能通用型功率模块通过一根水平方向长螺杆28与变流器进行机械连接，竖直方向留有竖直方向长圆孔29与变流器支撑板进行紧固连接。功率模块左右两侧带有几字形PC板，作为外侧盖板27对驱动板进行防护。功率模块前端为交流输出端子，后端为直流输入端子15，右侧为水道的进水口13与出水口14。交、直流分离设计与水、电分离的双重保护设计，解决了以往相互干扰的问题。如图13。

绝缘支撑装置的方形沉孔32尺寸为22*22*16mm（长*宽*深），方形沉孔的底部设计有一个直径为φ12mm、深度为14mm的圆形沉孔33，沉孔为盲孔（满足电压隔离要求）。方螺母34尺寸为20*20*15mm（长*宽*高），螺纹M8。复合母排端部与外部铜排搭接后，通过M8螺栓紧固到方螺母上。由于方螺母与方形沉孔之间装配后各个匹配面之间留有活动间隙，方便调整外部铜排与复合母排的安装；方形沉孔底部的圆形沉孔用以容纳螺栓紧固后伸出部分。4个方螺母根据安装位置要求，无法满足不同电位之间的爬电距离要求，故在不同电位之间增加了沟槽35设计（图中阴影部分为沟槽），用以增加不同电位之间的爬电距离。从绝缘支撑装置的背面视图可以看到，绝缘支撑装置的背面应用模具做出两处凹槽36，用以减重。如图15-17。

Claims (2)

1.一种水电分离型内燃机车牵引辅助功率模块，包括水冷散热器基板（1）、左右框架、IGBT（11）、复合母排、配置板（12）、驱动板（20）、配置板与驱动板间高压线束和屏蔽支撑板（21），水冷散热器基板（1）左右两侧安装IGBT（11），IGBT上安装有配置板（12），左右两侧的IGBT上分别连接左右复合母排，左右框架安装在水冷散热器基板的左右两侧，对内侧IGBT、复合母排进行保护，屏蔽支撑板（21）安装在左右框架外侧，驱动板（20）安装在屏蔽支撑板（21）外侧，配置板（12）与驱动板（20）之间通过高压线束连接，其特征在于在复合母排面板上的电连接端子（5）电气间隙要求的范围内对框架进行镂空设计，即以复合母排电连接端子（5）为中心，以电气间隙为半径，在球面辐射的范围内对框架进行镂空，框架镂空部位（10）为正对复合母排面板上的电连接端子的部位，框架上还设有两处U型折弯与两处Z型折弯，每处折弯形成一道加强筋（16），Z型折弯后形成了两个相互平行的平面1（30）和平面2（31），平面1（30）高于平面2（31），增大了复合母排到框架的距离，即增大了电气间隙，保证了功率模块整体的工作安全性与可靠性。

2.根据权利要求1所述的一种水电分离型内燃机车牵引辅助功率模块，其特征在于水冷散热器基板（1）的左右两侧各安装有6只IGBT，左右两侧的6只IGBT分别都组成一组三相逆变电路，每只IGBT都安装有配置板（12）。

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