CN110943599A - 一种多功能的新型高效功率单元及其功率电路 - Google Patents

一种多功能的新型高效功率单元及其功率电路 Download PDF

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Abstract

一种多功能的新型高效功率单元，新型高效功率单元包括三相整流单元和三电平结构的双向DC/DC斩波变换单元；双向DC/DC斩波变换单元既可以实现降压斩波功能，又可以实现升压斩波功能，从而实现能量的双向流动；三相整流单元和三电平结构的双向DC/DC斩波变换单元通过绝缘装置固定连接；三相整流单元和三电平结构的双向DC/DC斩波变换单元顶部安装有支撑电容；整个多功能功率单元采用H型风道设计，风道与功率单元左右结构装配，三相整流单元与三电平结构的双向DC/DC斩波变换单元相互独立,两个单元通过绝缘装置进行紧固连接，保证两个模块单元的热管散热器表面在同一个平面上，整体模块内部相互独立，外部自成一体；支撑电容安装在功率单元上方，结构紧凑，拆装灵活。

Description

一种多功能的新型高效功率单元及其功率电路
技术领域
本发明属于内燃机车牵引供电变流电路设备领域，尤其涉及一种多功能的新型高效功率单元及其功率电路。
背景技术
在国家大力提倡节能减排的大环境下，轨道交通和城市轨道领域对节能指标的要求越来越高，因此在牵引动力源由蓄电池提供的比例越来越多，蓄电池的容量要求越大，这也是未来牵引动力发展的必然趋势，因此节能环保是机车调车一个重要的性能指标，这就需要设计一种多功能集成的功率单元，既能将主发电机发出的三相交流电不空整流为直流电，直流电一部分供给牵引逆变装置供电，又能将直流通过大功率的双向DC/DC斩波电路为大容量的动力蓄电池充放电，为牵引逆变供电，以实现节能环保的目标。
现有的机车功率单元一般只适用于温度+55℃下运行，不能适用于高温+80℃环境温度。
现有功率电路采用的大功率器件为低结温的IGBT或二极管，不能满足高温环境适用。
采用的支撑电容在高温+80℃环境温度下寿命剧减，维修成本高。
现有的功率单元散热主要采用普通的铝制翅片风冷散热器、重力热管散热器以及水冷散热器。
采用普通的翅片散热器，散热功率小，不能满足高密度功率单元，采用重力热管散热器，受安装方式和空间限制，不能满足机车功率模块需要，采用水冷散热器，需要提供一套水冷热交换系统，目前内燃机调车多采用风冷系统，无法提供，同时设计成本高。
现有的功率单元一般实现独立的功能，即整流功能、DC/DC斩波功能或逆变功能，没有将各个功能单元高度集中到一个功率单元中。
采用单独功能的功率单元，占据空间大，高功率密度小，对外电气连接复杂，系统的可靠性差。
现有的DC/DC斩波功能一般采用两电平方式来实现直流电压变换，采用的功率器件电压等级高，设计成本高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多功能的新型高效功率单元及其功率电路，其解决了整流和双向DC/DC斩波功能的集中于同一个功率单元的问题。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种多功能的新型高效功率单元，其特征在于，所述新型高效功率单元包括三相整流单元和三电平结构的双向DC/DC斩波变换单元；
所述三相整流单元和三电平结构的双向DC/DC斩波变换单元通过绝缘装置固定连接在风道组件上；
所述三相整流单元和三电平结构的双向DC/DC斩波变换单元顶部安装有支撑电容；
所述的三电平结构的双向DC/DC斩波变换单元，其既可以实现降压斩波功能，又可以实现升压斩波功能，从而实现能量的双向流动。
进一步：所述三相整流单元包括整流散热器，所述三电平结构的双向DC/DC斩波变换单元包括斩波散热器；
所述整流散热器和斩波散热器之间通过一种绝缘装置进行隔离；
所述整流散热器和斩波散热器基板表面保持在同一个平面上。
进一步：所述三相整流单元还包括整流二极管以及三相整流母排；
所述整流散热器采用环路热管散热、散热效率高，整流散热器安装在风道组件上，通过螺栓加以紧固；
所述整流二极管基板表面涂有均匀的导热硅脂，安装在整流散热器上的对应位置，采用螺栓将整流二极管和整流散热器固定一起；
所述三相整流母排平铺在整流二极管上，对应的导电端子相对齐，采用螺栓紧固。
进一步：所述三电平结构的双向DC/DC斩波变换单元还包括IGBT、驱动板、输入熔断器、均压电阻、吸收电容、斩波母排；
所述斩波散热器采用高效的环路热管散热方式，且通过螺栓固定在绝缘装置上；
所述绝缘装置固定在风道组件上；
所述IGBT采用较低电压等级的双管功率管串联，便于提高开关频率，减小功率管的开关损耗，降低功率开关管的设计成本；
所述驱动板通过绝缘垫柱安装在绝缘板上，驱动信号通过光纤连接；所述均压电阻并接在支撑电容的三个端子上；
所述吸收电容跨接在斩波母排IGBT模块的C\E间，便于吸收IGBT关断时的过电压，有效吸收尖峰电压，保护IGBT，提高IGBT的可靠性；
所述斩波母排通过螺栓固定在IGBT的导电端子上。
进一步：所述驱动板位于支撑框架的侧面，所述驱动板与IGBT之间的驱动与状态反馈信号采用快速插针是连接。
进一步：所述驱动板与设置在支撑框架外部的控制单元采用光电一体的连接器连接。
进一步：所述风道组件与三相整流单元和双向DC/DC斩波变换单元形成H形。
进一步：所述新型高效功率电路包括三相整流模块和三电平结构的双向DC/DC斩波变换模块以及控制模块；
所述三相整流模块和三电平结构的双向DC/DC斩波变换模块之间通过热敷母排连接；
所述三电平结构的双向DC/DC斩波模块与控制模块通过光纤、电线连接。
进一步：所述三相整流模块由VD1～VD6为150℃高结温的二极管模块组成，三只双管高结温二极管通过三相交流输入U/V/W叠层母排和直流输出DC+/DC-叠层母排连接后形成标准三相整流主电路，实现三相交流到直流的功率变；
所述双向DC/DC斩波变换模块包括熔断器F1，便于在双向DC/DC电路短路、过流的异常情况下进行保护；
双向DC/DC斩波变换模块采用三电平结构，由C电容和VT1H、VT1B、VT2H、VT2B开关管组成；
C为双向DC/DC斩波变换模块的支撑、滤波电容，来抑制或补充由于电压波动或开关断开期间的电能。
进一步：所述控制模块包括驱动板T1和驱动板T2；
所述驱动板T1和驱动板T2是IGBT的驱动电路，每块驱动板提供两路驱动信号，驱动一个桥臂的两个IGBT单元工作，同时将IGBT开关状态信号反馈给控制单元。
与现有技术相比，本申请所具有的有益效果是：
通过绝缘装置将三相整流单元和三电平结构的双向DC/DC斩波变换单元固定连接，实现了三相交流电整流直流，为DC/DC斩波部分和牵引逆变单元提供母线电源；
进一步：整个功率采用H型风道设计，风道与功率单元左右结构装配，三相整流单元与三电平结构的双向DC/DC斩波变换单元相互独立,两个单元通过绝缘装置进行紧固连接，保证两个模块单元的热管散热器表面在同一个平面上，整体模块内部相互独立，外部自成一体；
支撑电容安装在功率单元上方，结构紧凑，拆装灵活。
附图说明
图1为本发明的三维立体示意图；
图2为本发明图1中去掉电路和驱动箱外壳的示意图；
图3为本发明的图1的左视图；
图4为本发明的三相整流单元与三电平结构的双向DC/DC斩波变换单元安装图；
图5为本发明三电平结构的双向DC/DC斩波变换单元控制板安装图；
图6为本发明图1的爆炸图；
图7为本发明的电路拓扑图。
其中：1、三相整流单元；11、整流散热器；12、整流二极管；13、三相整流母排；2、双向DC/DC斩波变换单元；21、斩波散热器；22、IGBT；23、驱动板；24、输入熔断器；25、均压电阻；26、吸收电容；27、斩波母排；3、风道组件；4、支撑电容；5、支撑框架；6、绝缘板；7、绝缘垫柱。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
实施例1
如图1和图2所示，一种多功能的新型高效功率单元，包括三相整流单元1和三电平结构的双向DC/DC斩波变换单元2。
三相整流单元1和三电平结构的双向DC/DC斩波变换单元2通过绝缘装置固定连接在风道组件3上；风道组件3与三相整流单元1和三电平结构的双向DC/DC斩波变换单元2形成H形。
参照图6，三相整流单元1包括整流散热器11，双向DC/DC斩波变换单元2包括斩波散热器21。
整流散热器11和斩波散热器21基板表面在同一个平面上。
三相整流单元1还包括整流散热器11、三个整流二极管12以及三相整流母排13。
整流散热器11采用环路热管散热、散热效率高，整流散热器11安装在风道组件3上，通过螺栓加以紧固。
三个整流二极管12基板表面涂有均匀的导热硅脂，安装在整流散热器11上的对应位置，采用螺栓将整流二极管12和整流散热器11固定一起。
三相整流母排13平铺在三个整流二极管12上，对应的导电端子相对齐，采用螺栓紧固，这样就完成了三相整流的主电路连接。
三电平结构的双向DC/DC斩波变换单元2还包括IGBT22、驱动板23、输入熔断器24、均压电阻25、吸收电容26、斩波母排27。
斩波散热器21采用高效的环路热管散热方式，且通过螺栓固定在绝缘装置上。
绝缘装置固定在风道组件3上。
IGBT22采用两个较低电压等级的双管功率管串联，实现三电平结构，降低了选取功率管的电压，提高了开关频率，大大减小了外围感性部件的体积与重量。
驱动板23通过绝缘垫柱7安装在绝缘板6上，驱动信号通过光纤连接。
均压电阻25并接在支撑电容4的三个端子上。
吸收电容26跨接在斩波母排27，IGBT22模块的C\E间，便于吸收IGBT22关断时的过电压，有效吸收尖峰电压，保护IGBT22，提高IGBT22的可靠性。
斩波母排27通过螺栓固定在IGBT22的导电端子上，确保母线电压均匀分布在2个电容上，保证承受电压小于电容的额定电压。
三相整流单元1和双向DC/DC斩波变换单元2共用一个支撑框架5，支撑框架5顶部安装有支撑电容4。
为了适应高温+80℃的机械间的应用环境，本方案设计中开关器件全部采用高结温、低热阻的功率器件；直流支撑电容4按照高温+80℃的温度设计，在有效的空间内，满足电压电流的条件下，优化设计使得容值最大化，薄膜支撑电容4的寿命为50000h以上，减小维修周期，降低维修成本。
为了在适应高温环境下的散热要求，本方案设计中散热器采用环路并行式热管散热技术，通过强迫风冷，提高了相同面积上的散热功耗50％左右，大大提高了散热效率，提高了功率密度，满足了系统需求。
驱动板23位于支撑框架5的侧面，所述驱动板23与IGBT22之间的驱动与状态反馈信号采用快速插针是连接。
驱动板23与设置在支撑框架5外部的控制单元采用光纤连接器连接。
整个功率单元对外电力连接采用了功率端子进行电连接，对外机械连接，采用四个长螺杆固定连接。
工作原理：整个功率单元包含三相整流和双向DC/DC斩波器独立的两个散热器，功率单元的各部分均以散热器为基础。整流散热器11表面安装三个双管型二极管模块、一个PT1000温度检测开关及复合母排组成。
双向DC/DC斩波部分散热器表面安装两个双管型IGBT22、一个PT1000温度检测、两个吸收电容26、一个支撑电容4、两块驱动板23以及复合母排组成。
整个功率采用H型风道设计，风道与功率单元左右结构装配，三相整流单元1与三电平结构的双向DC/DC斩波变换单元2相互独立,两个单元通过绝缘装置进行紧固连接，保证两个模块单元的热管散热器表面在同一个平面上，整体模块内部相互独立，外部自成一体；
支撑电容4安装在功率单元上方，结构紧凑，拆装灵活。
实施例2
如图3和图4所示，一种多功能的新型高效功率电路，包括三相整流模块和三电平结构的双向DC/DC斩波变换模块以及控制模块。
三相整流模块三相整流模块和三电平结构的双向DC/DC斩波变换模块以及控制模块通过电线连接。
三相整流模块由VD1～VD6为150℃高结温的二极管模块组成，三只双管高结温二极管通过三相交流输入U/V/W叠层母排和直流输出DC+/DC-叠层母排连接后形成标准三相整流主电路，实现三相交流到直流的功率变。
三电平结构的双向DC/DC斩波变换模块包括熔断器F1，便于在双向DC/DC电路短路、过流的异常情况下进行保护。
双向DC/DC斩波变换模块采用三电平结构，由C电容和VT1H、VT1B、VT2H、VT2B开关管组成，其既可以实现降压斩波功能，又可以实现升压斩波功能，实现能量的双向流动。
C为双向DC/DC斩波变换模块的支撑、滤波电容，来抑制或补充由于电压波动或开关断开期间的电能。
VT1H、VT1B、VT2H、VT2B为实现双向DC/DC斩波功能的功率开关IGBT22。
VT1H、VT2B导通，实现降压斩波功能，作为降压电源使用，此时将直流母线电压变换为可调节的充电电压用于动力电池组的充电。
VT1B、VT2H导通，实现升压斩波功能，作为升压电源使用，此时动力电池组的放电，将动力电池存储的电能变送到直流母线上，为系统提供母线电压。
参照图5和图6，控制模块包括驱动板T1和驱动板T2。
驱动板T1和驱动板T2是IGBT22的驱动电路，每块驱动板23提供两路驱动信号，驱动一个桥臂的两个IGBT22单元工作，同时将IGBT22开关状态信号反馈给控制单元。
根据系统高温环境要求，选择PT1000铂电阻进行功率单元温度的实时采样，当功率变换单元散热器的温度高于设定值时，控制单元检测到过温，微机系统发出IGBT22关断信号，双向DC/DC斩波部分停止工作，并将反馈信号发送给控制单元。
采用两个半桥结构的1700V/800A-IGBT串联(VT1和VT2)，实现中间电压2100V的DC/DC的直直变换。通过控制箱对主电路进行控制，VT1H和VT2B开关管导通时，VT1B和VT2H开关管关断时，实现降压斩波功能；VT1B和VT2H开关管开通，VT1H和VT2B开关管关断时，实现升压功能，这样就完成了低压器件的三电平的双向DC/DC变换，实现了能量的双向流动。
需要说明的是，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述的内容，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (10)

1.一种多功能的新型高效功率单元，其特征在于，所述新型高效功率单元包括三相整流单元(1)和三电平结构的双向DC/DC斩波变换单元(2)；
所述三相整流单元(1)和三电平结构的双向DC/DC斩波变换单元(2)通过绝缘装置固定连接在风道组件(3)上；
所述三相整流单元(1)和三电平结构的双向DC/DC斩波变换单元(2)顶部安装有支撑电容(4)；
所述的三电平结构的双向DC/DC斩波变换单元(2)，其既可以实现降压斩波功能，又可以实现升压斩波功能，从而实现能量的双向流动。
2.根据权利要求1所述的一种多功能的新型高效功率单元，其特征在于，所述三相整流单元(1)包括整流散热器(11)，所述三电平结构的双向DC/DC斩波变换单元(2)包括斩波散热器(21)；
所述整流散热器(11)和斩波散热器(21)之间通过一种绝缘装置进行隔离；
所述整流散热器(11)和斩波散热器(21)基板表面保持在同一个平面上。
3.根据权利要求2所述的一种多功能的新型高效功率单元，其特征在于，所述三相整流单元(1)还包括整流二极管(12)以及三相整流母排(13)；
所述整流散热器(11)采用环路热管散热、散热效率高，整流散热器(11)安装在风道组件(3)上，通过螺栓加以紧固；
所述整流二极管(12)基板表面涂有均匀的导热硅脂，安装在整流散热器(11)上的对应位置，采用螺栓将整流二极管(12)和整流散热器(11)固定一起；
所述三相整流母排(13)平铺在整流二极管(12)上，对应的导电端子相对齐，采用螺栓紧固。
4.根据权利要求2所述的一种多功能新型高效功率单元，其特征在于，所述三电平结构的双向DC/DC斩波变换单元(2)还包括IGBT(22)、驱动板(23)、输入熔断器(24)、均压电阻(25)、吸收电容(26)、斩波母排(27)；
所述斩波散热器(21)采用高效的环路热管散热方式，且通过螺栓固定在绝缘装置上；
所述绝缘装置固定在风道组件(3)上；
所述IGBT(22)采用较低电压等级的双管功率管串联，便于提高开关频率，减小功率管的开关损耗，降低功率开关管的设计成本；
所述驱动板(23)通过绝缘垫柱(7)安装在绝缘板(6)上，驱动信号通过光纤连接；所述均压电阻(25)并接在支撑电容(4)的三个端子上；
所述吸收电容(26)跨接在斩波母排(27)，IGBT(22)模块的C\E间，便于吸收IGBT(22)关断时的过电压，有效吸收尖峰电压，保护IGBT(22)，提高IGBT(22)的可靠性；
所述斩波母排(27)通过螺栓固定在IGBT(22)的导电端子上。
5.根据权利要求4所述的一种多功能新型高效功率单元，其特征在于，所述驱动板(23)位于支撑框架(5)的侧面，所述驱动板(23)与IGBT(22)之间的驱动与状态反馈信号采用快速电插针连接。
6.根据权利要求4所述的一种多功能新型高效功率单元，其特征在于，所述驱动板(23)与设置在支撑框架(5)外部的控制单元采用光电一体的连接器连接。
7.根据权利要求1所述的一种多功能新型高效功率单元，其特征在于，
所述风道组件(3)与三相整流单元(1)和三电平结构的双向DC/DC斩波变换单元(2)形成H形。
8.基于权利要求1所述的一种多功能的新型高效功率电路，其特征在于，所述新型高效功率电路包括三相整流模块和三电平结构的双向DC/DC斩波变换模块以及控制模块；
所述三相整流模块和双向DC/DC斩波变换模块之间通过热敷母排连接；
所述三电平结构的双向DC/DC斩波模块与控制模块通过光纤、电线连接。
9.根据权利要求8所述的一种多功能的新型高效功率电路，其特征在于，
所述三相整流模块由VD1～VD6为150℃高结温的二极管模块组成，三只双管高结温二极管通过三相交流输入U/V/W叠层母排和直流输出DC+/DC-叠层母排连接后形成标准三相整流主电路，实现三相交流到直流的功率变换；
所述三电平结构的双向DC/DC斩波变换模块包括熔断器F1，便于在双向DC/DC电路短路、过流的异常情况下进行保护；
双向DC/DC斩波变换模块采用三电平结构，由C电容和VT1H、VT1B、VT2H、VT2B开关管组成；
C为双向DC/DC斩波变换模块的支撑、滤波电容，来抑制或补充由于电压波动或开关断开期间的电能。
10.根据权利要求8所述的一种多功能的新型高效功率电路，其特征在于，
所述控制模块包括驱动板T1和驱动板T2；
所述驱动板T1和驱动板T2是IGBT(22)的驱动电路，每块驱动板(23)提供两路驱动信号，通过快速电连接器驱动一个桥臂的两个IGBT(22)单元工作，同时将IGBT(22)开关状态信号反馈给控制单元；驱动板(23)输入的驱动信号和IGBT(22)状态反馈信号通过圆形光纤连接器与外部控制模块可靠连接，大大减小信号干扰，确保信号传输的正确性。
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