CN110890831A - 一种用于电力电子牵引变压器的高压模块 - Google Patents

一种用于电力电子牵引变压器的高压模块 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种用于电力电子牵引变压器的高压模块，包括：绝缘外壳，所述绝缘外壳的上下左右四个面全部封闭，后表面的至少一部分为开放面，所述前表面和所述后表面的外侧边缘均有回型槽结构；内部变频机芯，所述内部变频机芯与所述绝缘外壳为嵌套结构，所述内部变频模块至少包括水冷散热组件、IGBT组件及母排、驱动组件、直流电容器、控制部件、水电一体快速插拔连接器；其中，所述水电一体快速插拔连接器从所述后表面引出；所述水冷散热组件位于所述高压模块的中间部位，将所述高压模块分为左右两个区域，所述IGBT组件中的级联侧高压IGBT和逆变侧高压IGBT分别置于所述水冷散热组件的两侧，所述水冷散热组件向左右两侧向外布置的部件依次为所述IGBT组件、所述母排以及所述IGBT驱动组件。

Description

一种用于电力电子牵引变压器的高压模块
技术领域
本发明涉及电力电子牵引变压器变流技术，尤其涉及一种用于电力电子牵引变压器的高压模块。
背景技术
随着大功率电力电子元器件及控制技术的发展，一种通过电力电子变换技术实现电压变换和能量传递的新型变压器——电力电子牵引变压器PETT(power electronictraction transformer)越来越得到关注，它可用于替换重量和体积庞大的工频牵引变压器。由于牵引设备安装空间局限，且铁路供电网压非常高，PETT装置的设计存在较大难度。目前国内还没有PETT的应用业绩，国外厂商设计制造的PETT装置仅应用于15kV，16.67Hz的线路上；我国的铁路供电网为25kV,50Hz线路，电压和频率更高，绝缘设计难度极大，频率提高而带来的减重减体积收益却相对变小，PETT装置的设计极具挑战性。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种用于电力电子牵引变压器的高压模块，能够保持模块的统一化、通用化，需要使高压模块自身对大地的隔离绝缘电压达到25kV，从而简化柜体的绝缘设计。
本发明的用于电力电子牵引变压器的高压模块包括：
绝缘外壳，所述绝缘外壳的上下左右四个面全部封闭，后表面的至少一部分为开放面，所述前表面和所述后表面的外侧边缘均有回型槽结构；
内部变频机芯，所述内部变频机芯与所述绝缘外壳为嵌套结构，所述内部变频模块至少包括水冷散热组件、IGBT组件及母排、驱动组件、直流电容器、控制部件、水电一体快速插拔连接器；
其中，所述水电一体快速插拔连接器从所述后表面引出；所述水冷散热组件位于所述高压模块的中间部位，将所述高压模块分为左右两个区域，所述IGBT组件中的级联侧高压IGBT和逆变侧高压IGBT分别置于所述水冷散热组件的两侧，所述水冷散热组件向左右两侧向外布置的部件依次为所述IGBT组件、所述母排以及所述IGBT驱动组件。
在一个实施例中，所述绝缘外壳的材料为SMC片状模塑料复合绝缘材料。
在一个实施例中，所述内部变频机芯为单相变流器。
在一个实施例中，所述前表面设有光纤通道口，并配有回型凹槽的绝缘盖。
在一个实施例中，所述绝缘外壳的绝缘电压达85kV。
在一个实施例中，水冷散热组件采取双面散热形式，所述高压模块左右两侧结构基本镜像布置。
在一个实施例中，所述母排为U型低感复合母排。
在一个实施例中，所述内部变频机芯包括前半区域和后半区域；所述前半区域为弱电区域，包括所述控制部件、所述直流电容器、取电电源、采集电路；所述后半区域为强电区域，包括所述水冷散热组件、所述IGBT组件、所述驱动组件和所述水电一体快速插拔连接器；所述水冷散热组件设置在所述后半区域中间部位；所述级联侧高压IGBT和逆变侧高压IGBT通过U型低感复合母排耦接至主电路并与所述直流电容器连接。
在一个实施例中，所述绝缘外壳的内腔底部设有导向筋，所述内部变频机芯顺着所述导向筋滑入所述绝缘外壳内部，再通过所述前表面和所述后表面上的螺栓紧固。
在一个实施例中，所述水电一体快速插拔连接器集成了所述高压模块的整体对外主电路和水路接口。
在一个实施例中，所述绝缘外壳的底部设有导轨。
在一个实施例中，所述内部变频机芯的上表面设有锁紧螺杆。
本发明提供的用于电力电子牵引变压器的高压功率模块，其具有如下极为有益的技术效果：
1)本发明的高压模块总体结构分为外部绝缘外壳和内部变频机芯组件两部分，两个组件为抽屉嵌套式结构，使模块总体结构非常紧凑，并且保证高电压隔离。
2)外部绝缘外壳2前后表面均设计有回型槽结构(参见3a和3b)，有限的空间内大大增加了爬电距离，实现高电压的隔离功能。
3)内部变频机芯1采取双面水冷散热结构，IGBT组件、驱动组件、控制部件等零部件分别按照在水冷散热组件两侧，充分利用了内部空间；机芯的长方体式紧凑式设计，简化了绝缘外壳的接口设计。
4)变频机芯通过绝缘外壳内腔的导向筋，滑入腔体内部，再通过前后表面的螺栓紧固，模块组装简单方便可靠。
5)模块整体对外主电路和水路接口，全部集中在模块后表面，采取水电一体快插设计；模块绝缘外壳底部设计导轨；模块变频机芯上表面设计锁紧螺杆，使得整个模块的柜体安装简单方便。
附图说明
本发明的以上发明内容以及下面的具体实施方式在结合附图阅读时会得到更好的理解。需要说明的是，附图仅作为所请求保护的发明的示例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的元素。
图1示出根据本发明一实施例的用于电力电子牵引变压器的高压模块的总体结构分解图；
图1a示出根据本发明一实施例的绝缘外壳的后表面结构图；
图1b示出根据本发明一实施例的绝缘外壳的前表面结构图；
图2示出根据本发明一实施例的用于电力电子牵引变压器的高压模块示意图；
图3示出根据本发明一实施例的用于电力电子牵引变压器的高压模块变频机芯示意图；
图4示出根据本发明一实施例的用于电力电子牵引变压器的高压模块绝缘外壳示意图。
附图标记说明
1：变频机芯；
2：绝缘外壳；
3：绝缘外壳腔体；
3a：前端回型槽；
3b：后端回型槽；
3c：底部导轨；
3d：内腔导向筋；
4：绝缘外壳前盖板；
5：拉手；
6：水冷散热组件；
6a：水电一体快插；
7：IGBT组件及复合母排；
8：电容器；
9：驱动组件；
10：控制部件；
11：模块骨架；
12：锁紧螺杆
具体实施方式
以下在具体实施方式中详细叙述本发明的详细特征以及优点，其内容足以使任何本领域技术人员了解本发明的技术内容并据以实施，且根据本说明书所揭露的说明书、权利要求及附图，本领域技术人员可轻易地理解本发明相关的目的及优点。
电力电子牵引变压器中，高压模块的前端为25kV电网级联，后端为中间隔离变压器，所以整个高压模块相对大地的电压非常高。考虑到PETT装置安装在车辆的底部，对柜体与模块的尺寸有严格的限制，柜体内部没有足够的空间实现架空高压隔离。为简化电力电子牵引变压器(PETT)的结构，设计了一款高压IGBT功率模块，其器件电压等级达6.5kV，并应用软开关技术，使高压IGBT的开关频率达到1.8kHz以上；模块外壳采取绝缘材料模具压制，绝缘电压达85kV，有效解决了高电压的绝缘隔离问题；模块机芯采取抽屉式的紧凑结构，同时水电接口一体化，模块整体可实现快速插拔，提高了模块的功率密度。
图1示出根据本发明一实施例的用于电力电子牵引变压器的高压模块的总体结构分解图。图2示出根据本发明一实施例的用于电力电子牵引变压器的高压模块示意图。参考图1和图2，该高压模块总体结构包括外部绝缘外壳2和内部变频机芯1。两个组件为抽屉嵌套式结构。外部绝缘外壳2采用SMC片状模塑料复合绝缘材料，为方形桶状结构(如图1所示)，外部绝缘外壳2的上下左右4个面全部封闭。外壳的后表面为开放面，高压模块的主电路接口和冷却水接口全部由这个面引出，使得高压模块对外的绝缘隔离需求缩小到模块后侧接口面的小范围内。后表面外侧边缘采用回形结构(参见图1a以及图2)，与柜体绝缘腔体上的回形结构扣合装配，保证了高压模块这个面相对于大地有足够的电弧爬电距离，从而实现整个模块的25kV高电压隔离要求。外壳的前表面开有光纤通道口，并配有回形凹槽的绝缘盖4，便于模块控制光纤的对外接线，同时兼具通风功能，参见图1b和图4。
绝缘耐压试验过程中，分别对绝缘外壳上下左右4个面，以及前后表面的开放回型结构的相关爬电路径进行测试，均通过85kV耐受电压的耐压试验。
图3示出根据本发明一实施例的用于电力电子牵引变压器的高压模块的内部变频机芯示意图。高压模块的内部变频机芯包含了高压模块的电容器8、高频IGBT驱动组件9、高压IGBT器件及母排7、控制部件10以及水冷散热组件6等部件，组成一个完整的单相变流器。在一个实施例中，变频机芯设计成抽屉式的安装结构，可从绝缘外壳内整体取出维护。在一个实施例中，母排7可以为U型低感复合母排。
在一个实施例中，如图2所示，高压模块内的水冷散热组件6可竖直安装在高压模块中间部位，将模块分为左右两个区域，水冷散热组件依靠不锈钢板折弯的钣金零件支撑。在一个优选实施例中，高压模块内的水冷散热组件6可竖直安装在模块的后半段中间部位，即强电部位。水冷散热组件6采取双面散热形式，级联侧的4个高压IGBT和逆变侧的4个高压IGBT可分别安装到散热器的左右两面，这样就极大地减少了功率器件的安装空间，模块可以设计得非常紧凑。水冷散热组件6向左右两侧向外布置，依次为功率元件层、低感母排层、高压IGBT驱动层，模块左右两侧结构基本镜像布置。
级联侧和逆变侧的高压IGBT通过U型低感复合母排来连接其主电路，同时与高压模块的直流电容连接。U型低感复合母排极大地减小了IGBT换流回路的环流面积，有效降低了回路中的杂散电感，对于功率元件开关过程中的过电压有很好的抑制作用。
水冷散热组件6及相关快插接口6a为高压模块的主电路强电部分，主要分布在模块的后半段位置。模块的前半段则主要安装弱电部分的组件，主要包括控制电路板、取电电源、采集电路以及直流电容器。高压模块的前半段和后半段分区布置强电弱电，有利于减少高压主电路开关动作对控制电路的干扰。高压模块的控制电路板设计在变频机芯的前侧，光纤接口位置对应外部绝缘外壳的光纤通道口。
图4示出根据本发明一实施例的用于电力电子牵引变压器的高压模块绝缘外壳示意图。高压模块的外部绝缘外壳2的内腔底部设计有导向筋3d(如图2所示)，内部变频机芯可以顺着导向筋3d滑入绝缘外壳2内部；内部变频机芯骨架11的前表面上部有2个螺栓安装位置，与绝缘外壳的前表面固定；内部变频机芯骨架11的后段上下面有8个螺栓安装位置，与绝缘外壳的内腔上下表面固定。本领域技术人员应知道，螺栓的个数可以根据实际应用而变化。
高压模块的对外接口设计成水电一体可快速插拔的方式。级联整流器主电路和逆变主电路分别布置在水冷散热组件的两侧，相应的级联输入母排和逆变输出母排集成到同一个快速插拔电连接器上，位于模块后方；水电一体快速插拔连接器6a集成了模块的主电路和冷却接口；模块外壳2底部设计有导轨3c，外壳2的前表面设计有拉手5，高压模块的顶部中间位置设计有贯穿前后的锁紧螺杆12，极大地简化了模块对外的接口设计，同时提高了模块的安装与更换可操作性。
本发明提供的用于电力电子牵引变压器的高压功率模块，其具有如下极为有益的技术效果：
1)本发明的高压模块总体结构分为外部绝缘外壳和内部变频机芯组件两部分，两个组件为抽屉嵌套式结构，使模块总体结构非常紧凑，并且保证高电压隔离。
2)外部绝缘外壳2前后表面均设计有回型槽结构(参见3a和3b)，有限的空间内大大增加了爬电距离，实现高电压的隔离功能。
3)内部变频机芯1采取双面水冷散热结构，IGBT组件、驱动组件、控制部件等零部件分别按照在水冷散热组件两侧，充分利用了内部空间；机芯的长方体式紧凑式设计，简化了绝缘外壳的接口设计。
4)变频机芯通过绝缘外壳内腔的导向筋，滑入腔体内部，再通过前后表面的螺栓紧固，模块组装简单方便可靠。
5)模块整体对外主电路和水路接口，全部集中在模块后表面，采取水电一体快插设计；模块绝缘外壳底部设计导轨；模块变频机芯上表面设计锁紧螺杆，使得整个模块的柜体安装简单方便。
这里采用的术语和表述方式只是用于描述，本发明并不应局限于这些术语和表述。使用这些术语和表述并不意味着排除任何示意和描述(或其中部分)的等效特征，应认识到可能存在的各种修改也应包含在权利要求范围内。其他修改、变化和替换也可能存在。相应的，权利要求应视为覆盖所有这些等效物。
同样，需要指出的是，虽然本发明已参照当前的具体实施例来描述，但是本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，在没有脱离本发明精神的情况下还可做出各种等效的变化或替换，因此，只要在本发明的实质精神范围内对上述实施例的变化、变型都将落在本申请的权利要求书的范围内。

Claims (12)

1.一种用于电力电子牵引变压器的高压模块，其特征在于，所述高压模块包括：
绝缘外壳，所述绝缘外壳的上下左右四个面全部封闭，后表面的至少一部分为开放面，所述前表面和所述后表面的外侧边缘均有回型槽结构；
内部变频机芯，所述内部变频机芯与所述绝缘外壳为嵌套结构，所述内部变频模块至少包括水冷散热组件、IGBT组件及母排、驱动组件、直流电容器、控制部件、水电一体快速插拔连接器；
其中，所述水电一体快速插拔连接器从所述后表面引出；所述水冷散热组件位于所述高压模块的中间部位，将所述高压模块分为左右两个区域，所述IGBT组件中的级联侧高压IGBT和逆变侧高压IGBT分别置于所述水冷散热组件的两侧，所述水冷散热组件向左右两侧向外布置的部件依次为所述IGBT组件、所述母排以及所述IGBT驱动组件。
2.如权利要求1所述的用于电力电子牵引变压器的高压模块，其特征在于，所述绝缘外壳的材料为SMC片状模塑料复合绝缘材料。
3.如权利要求1所述的用于电力电子牵引变压器的高压模块，其特征在于，所述内部变频机芯是一单相变流器。
4.如权利要求1所述的用于电力电子牵引变压器的高压模块，其特征在于，所述前表面设有光纤通道口，并配有回型凹槽的绝缘盖。
5.如权利要求1所述的用于电力电子牵引变压器的高压模块，其特征在于，所述绝缘外壳的绝缘电压达85kV。
6.如权利要求1所述的用于电力电子牵引变压器的高压模块，其特征在于，水冷散热组件采取双面散热形式，所述高压模块左右两侧结构基本镜像布置。
7.如权利要求1所述的用于电力电子牵引变压器的高压模块，其特征在于，所述母排为U型低感复合母排。
8.如权利要求7所述的用于电力电子牵引变压器的高压模块，其特征在于，所述内部变频机芯包括前半区域和后半区域；所述前半区域为弱电区域，包括所述控制部件、所述直流电容器、取电电源、采集电路；所述后半区域为强电区域，包括所述水冷散热组件、所述IGBT组件、所述驱动组件和所述水电一体快速插拔连接器；所述水冷散热组件设置在所述后半区域中间部位；所述级联侧高压IGBT和逆变侧高压IGBT通过U型低感复合母排耦接至主电路并与所述直流电容器连接。
9.如权利要求1所述的用于电力电子牵引变压器的高压模块，其特征在于，所述绝缘外壳的内腔底部设有导向筋，所述内部变频机芯顺着所述导向筋滑入所述绝缘外壳内部，再通过所述前表面和所述后表面上的螺栓紧固。
10.如权利要求1所述的用于电力电子牵引变压器的高压模块，其特征在于，所述水电一体快速插拔连接器集成了所述高压模块的整体对外主电路和水路接口。
11.如权利要求1所述的用于电力电子牵引变压器的高压模块，其特征在于，所述绝缘外壳的底部设有导轨。
12.如权利要求1所述的用于电力电子牵引变压器的高压模块，其特征在于，所述内部变频机芯的上表面设有锁紧螺杆。
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