CN111049361B - 三电平功率模块系统装置及充电系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种三电平功率模块系统装置及充电系统，所述装置包括：箱体，设有功率单元舱、电容舱、控制检测舱三个相互独立的腔室；功率单元，安装于功率单元舱内；功率单元散热组件，安装于功率单元舱内，位于功率单元一侧；电容模块，安装于电容舱内；电容散热组件，安装于电容舱内，位于电容模块一侧；叠层母排，安装于功率单元和电容模块上，并连接功率单元和电容模块；控制检测单元，安装于功率单元舱和控制检测舱内，与所述叠层母排电连接。本发明装置集成化高、结构紧凑，体积小，能够独立安装，散热效率高，有效减小充电系统的体积，降低充电系统制造成本。

Description

三电平功率模块系统装置及充电系统

技术领域

本发明属于轨道交通技术领域，涉及有轨电车充电技术，具体地说，涉及一种用于有轨电车进站充电系统中的三电平功率模块系统装置及充电系统。

背景技术

在轨道交通技术领域，尤其在有轨电车地面充电系统上，一方面，车辆进出站时间受到严格控制，另一方面，进站充电电压高、功率大。基于上述两个方面，这就要求有轨电车地面充电系统可以有效降低有轨电车充电时间，同时可以提供高电压大功率充电装置，因此，对充电装置的功率模块提出了更高的要求。而针对这种高电压大功率快速充电系统开展新型功率模块的研究开发已经成为一新的研究课题。

目前，大多数功率模块是采用两电平结构形式，而三电平功率模块相对于两电平功率模块具有滤波电感体积小、功率密度大的特点。因此，三电平功率模块的开发研究就显得尤为重要。三电平功率模块的研究主要集中在如何实现功率模块的系统集成化、减小体积、提高散热性能、提高系统稳定性等方面。

授权公告号为CN207542813U的中国专利公开一种储能式有轨电车的三电平充电装置，包括直流输入端、直流输出端，以及依次设置在直流输入端和直流输出端之间的隔离开关、预充电阻、输入滤波电容、三电平功率单元和LC输出滤波单元；预充电阻串接在正极线路上，其两端上并接有可控旁路开关；输入滤波电容的两端分别连接正极线路和负极线路；LC输出滤波单元包括滤波电感和并接在直流输出端上的滤波电容；三电平功率单元的数量为1个以上，各三电平功率单元的电源输入端连接电源输入侧的正极和负极线路，电源输出端连接电源输出侧的正极和负极线路；所述滤波电感串接在各三电平功率单元的输出端与滤波电容之间的正极线路上。该专利中的三电平充电装置无独立的箱体结构，不能实现独立安装，且装置内无相应的检测控制装置，需要外置控制检测单元，系统集成性低。

公开号为CN107911034A的中国发明专利申请公开了一种船用变频器的三电平逆变功率模块，包括模块框架以及固定在模块框架上的散热器、驱动电路板和一组采用串并联连接的电容阵，所述的散热器正面安装有IGBT组件，IGBT组件上连接有电源转接板和电流传感器，所述的电容阵和IGBT组件通过一块层叠母排连接在一起，所述的层叠母排上设置有绝缘柱，模块框架外通过绝缘子连接有输出铜排，所述的驱动电路板上分别连接有光航插和电航插。该专利申请中，三电平逆变功率模块适用于对可靠性、维修性要求较高，振动噪声要求较高的电力电子装置，实现了系统的集成，但IGBT安装板的散热方式采用水冷散热，此散热方式需要外置水泵等散热控制系统，导致系统体积增大，提高了系统制造成本，对于无外置水冷装置的系统适用性不强。

发明内容

本发明针对现有三电平功率模块存在的系统集成化低、体积大等上述问题，提供了一种系统集成化高、体积小的三电平功率模块系统装置及充电系统，解决了现有三电平功率模块存在的不能独立安装、不易散热的问题。

为了达到上述目的，本发明提供了一种三电平功率模块系统装置，包括：

箱体，设有功率单元舱、电容舱、控制检测舱三个相互独立的腔室；

功率单元，安装于功率单元舱内；

功率单元散热组件，安装于功率单元舱内，位于功率单元块一侧；

电容模块，安装于电容舱内；

电容散热组件，安装于电容舱内，位于电容模块一侧；

叠层母排，安装于功率单元和电容模块上，并连接功率单元和电容模块；

控制检测单元，安装于功率单元舱和控制检测舱内，与所述叠层母排电连接。

优选的，所述箱体内设有第一隔板和第二隔板，所述功率单元舱、电容舱、控制检测舱为由所述第一隔板和所述第二隔板分割箱体形成的舱室，所述功率单元舱位于所述电容舱和所述控制检测舱之间。

优选的，所述功率单元包括散热器以及对称安装于所述散热器上的两个IGBT功率模块，所述散热器安装于第一隔板和第二隔板上。

优选的，所述散热器包括基体和安装于所述基体上的多个独立且相互并联连接的散热件，相邻两个散热件之间形成散热风道，所述基体的两侧分别安装于第一隔板和第二隔板上。

优选的，所述功率单元散热组件包括安装于所述箱体上的风机安装板以及安装于所述风机安装板上的功率单元散热风机,所述功率单元散热风机位于所述散热器的一侧。

优选的，控制检测单元包括主控板、与叠层母排连接的放电电阻以及分别与所述主控板连接的电流传感器、电压传感器、温控检测器，所述主控板、电流传感器、电压传感器安装于所述控制检测舱内，所述放电电阻、温控检测器安装于所述功率单元舱内。

优选的，所述主控板和所述电压传感器均安装于所述第二隔板上，所述主控板位于所述电压传感器上方；所述放电电阻放置于所述功率单元舱下部，并通过放电电阻安装板安装于所述第一隔板上；所述电流传感器放置于所述控制检测舱下部，安装于所述箱体上；所述温控检测器安装于所述散热器上，所述温控检测器位于两个IGBT功率模块之间。

进一步的，还包括进出线组件，所述进出线组件包括铜排、绝缘子以及安装与所述箱体上的穿墙端子，所述铜排与所述叠层母排连接，并通过绝缘子与所述穿墙端子连接；所述铜排和所述绝缘子均放置于所述控制检测舱内。

优选的，所述电容模块包括安装于所述箱体上的电容安装板、安装于所述电容安装板上的多组支撑电容以及安装于所述箱体上的电容压条，所述电容压条设有多组圆孔，每组圆孔均与一组支撑电容的端面凸台配合。

为了达到上述目的，本发明还提供了一种充电系统，包括上述三电平功率模块系统装置

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

(1)本发明三电平功率模块系统装置的箱体采用独立结构，可以实现三电平功率模块的独立安装，提高了装置应用的便捷性。箱体设有三个独立舱室，三电平功率模块的各组成部件安装于上述三个独立舱室内，集成化高，结构紧凑，体积小；三个舱室之间形成密闭空间，使散热风道独立，分别对电容模块和功率单元进行散热，散热效率高，独立的控制检测舱有效降低了电磁干扰。

(2)本发明三电平功率模块系统装置中，散热器采用相互独立的散热件，相邻散热件之间形成风道，散热效率高，且单个散热件的失效不会影响整个散热器的工作。

(3)本发明叠层母排的三个进出线端的极性可以根据三电平功率模块系统装置的安装需要进行调换，提高了三电平功率模块系统装置应用的灵活性。

(4)本发明三电平功率模块系统装置设有独立的控制检测单元，可以有效监控装置温度、电压、电流，提高了装置的工作稳定性。

附图说明

图1-2为本发明实施例去除部分箱体蒙皮的三电平功率模块系统装置的结构示意图；

图3为本发明实施例去除部分箱体蒙皮的三电平功率模块系统装置的的结构爆炸图；

图4为本发明实施例箱体的结构示意图；

图5为本发明实施例功率单元的结构示意图；

图6为本发明实施例功率单元散热组件的结构示意图；

图7为本发明实施例电容模块的安装示意图。

图中，1、箱体，11、功率单元舱，12、电容舱，13、控制检测舱，14、第一隔板，15、第二隔板，2、功率单元，21、散热器，211、基板，212、散热管，22、IGBT功率模块，3、功率单元散热组件，31、风机安装板，32、功率单元散热风机,4、电容模块，41、电容安装板，42、支撑电容，421、端面凸台，43、电容压条，431、圆孔，5、电容散热组件，6、叠层母排，71、主控板，72、放电电阻，73、电流传感器，74、电压传感器，75、温控检测器，76、放电电阻安装板，81、第一铜排，82、第二铜排，83、第三铜排，84、绝缘子，85、穿墙端子。

具体实施方式

下面，通过示例性的实施方式对本发明进行具体描述。然而应当理解，在没有进一步叙述的情况下，一个实施方式中的元件、结构和特征也可以有益地结合到其他实施方式中。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

参见图1-3，本发明一实施例提供了一种三电平功率模块系统装置，包括：

箱体1，设有功率单元舱11、电容舱12、控制检测舱13三个相互独立的腔室；

功率单元2，安装于功率单元舱11内；

功率单元散热组件3，安装于功率单元舱11内，位于功率单元一侧；

电容模块4，安装于电容舱12内；

电容散热组件5，安装于电容舱12内，位于电容模块一侧；

叠层母排6，安装于功率单元2和电容模块4上，并连接功率单元2和电容模块4；

控制检测单元，安装于功率单元舱11和控制检测舱13内，与所述叠层母6排电连接。

三电平功率模块的各部分组件均安装于箱体内，集成化高、结构紧凑，体积小、能够独立安装。箱体设有三个相互独立的舱室，分别为功率单元舱、电容舱、控制检测舱，三个舱室相互之间形成密闭空间，保证了散热风道独立，通过功率单元散热组件对功率单元进行散热，通过电容散热组件对电容模块进行散热，提高了散热效率，可以实现自动散热，且独立的控制检测舱有效降低了电磁干扰。

参见图4，所述箱体内设有第一隔板14和第二隔板15，所述功率单元舱11、电容舱12、控制检测舱13为由所述第一隔板14和所述第二隔板15分割箱体1形成的舱室，所述功率单元舱11位于所述电容舱12和所述控制检测舱13之间。具体地，箱体为采用轻量化的铝合金材料通过整体铆接连接工艺制作而成的铆接结构箱体，保证了箱体的独立安装。箱体为独立的安装结构，能够实现三电平功率模块的独立安装。

参见图5，所述功率单元2包括散热器21以及对称安装于所述散热器21上的两个IGBT功率模块22，所述散热器21安装于第一隔板14和第二隔板15上。

具体地，所述散热器21包括基体211和安装于所述基体211上的多个独立且相互并联连接的散热件212，相邻两个散热件之间形成散热风道，所述基体211的两侧分别安装于第一隔板14和第二隔板15上，所述IGBT功率模块22安装于所述基体211的第一侧面上，散热件212安装于所述基体211的第二侧面上。相邻两个散热件之间形成散热风道，与功率单元散热组件3配合，用于对IGBT功率模块进行散热。在一具体实施方式中，所述散热件为散热管或散热片。散热器采用相互独立的散热件，单个散热件的失效不会影响整个散热其的工作。

继续参见图1并参见图6，所述功率单元散热组件3包括安装于所述箱体1上的风机安装板31以及安装于所述风机安装板上的功率单元散热风机32,所述功率单元散热风机32位于所述散热器21的上侧。具体地，功率单元散热风机32位于所述散热件212的上侧，与散热件之间形成的散热风道及功率单元舱连通。功率单元散热风机32带动气流在散热件之间的散热风道及功率单元舱内流动，实现对功率单元的散热。

参见图7，所述电容模块4包括安装于所述箱体1上的电容安装板41、安装于所述电容安装板41上的8组支撑电容42以及安装于所述箱体1上的电容压条43，所述电容压条43设有8组圆孔431，每组圆孔431均与一组支撑电容42的端面凸台421配合。具体地，相邻支撑电容之间形成散热风道，与电容散热组件配合，用于对支撑电容散热，每组支撑电容包括一个支撑电容，每组圆孔包括两个圆孔。

具体地，电容散热组件5为电容散热风机，位于支撑电容42的上侧，与支撑电容之间形成散热风道及电容容舱连通。电容散热风机带动气流在支撑电容之间形成散热风道及电容容舱内流动，实现对电容模块的散热。

具体地，所述叠层母排6有四层铜排压接成型，通过螺钉连接安装在IGBT功率模块22和支撑电容42上，叠层母排的进出线端设于叠层母排靠近控制检测舱的一端。叠层母排的进出线端设有三个，且三个进出线端的极性可相互条换。调换三个进出线端的极性时，需要根据装置的安装需求进行调换。叠层母排的这种设计，提高了装置应用的灵活性。

继续参见图1-3、图5，控制检测单元包括主控板71、与叠层母排6连接的放电电阻72以及分别与所述主控板71连接的电流传感器73、电压传感器74、温控检测器75，所述主控板71、电流传感器73、电压传感器74安装于所述控制检测舱13内，所述放电电阻72、温控检测器75安装于所述功率单元舱11内。主控板对温度进行检测控制，并对电流传感器和电压传感器的检测数据进行控制，主控板采集数据可实时对外传输。所述主控板还与功率单元散热风机与电容散热风机连接，并控制功率单元散热风机与电容散热风机工作。

具体地，所述主控板71和所述电压传感器74均安装于所述第二隔板15上，所述主控板71位于所述电压传感器74上方；所述放电电阻72放置于所述功率单元舱11下部，并通过放电电阻安装板76安装于所述第一隔板14上；所述电流传感器73放置于所述控制检测舱13下部，安装于所述箱体1上；所述温控检测器75安装于所述散热器21的基体212的第一侧面上，所述温控检测器75位于两个IGBT功率模块22之间。

继续参见图1-3，上述三电平功率模块系统装置还包括进出线组件，所述进出线组件包括第一铜排81、第二所述铜排82、第三铜排83、绝缘子84以及安装与所述箱体1上的穿墙端子85，每个铜排均连接所述叠层母排6的一个进出线端，并通过一个绝缘子84与一个穿墙端子85连接；所述铜排和所述绝缘子84均放置于所述控制检测舱13内。具体地，绝缘子一端安装于箱体内侧，另一端与铜排连接，起到支撑起铜排的作用。穿墙端子连接于箱体的侧面，一端用于外接，另一端与铜排连接，通过穿墙端子实现三电平功率模块系统装置与外部装置之间的连接。

本发明上述三电平功率模块系统装置使用工作时，叠层母排与电容模块和两个IGBT功率模块连接起来形成三电平主回路，并与箱体、散热器、散热风机、控制检测单元、进出线组件配合使用，构成可独立安装自动散热的三电平功率模块系统装置。整个装置主回路进出线通过穿墙端子输入输出，输入输出的顺序可根据安装方便需要进行相互调换；主控板对温度、电压、电流进行检测，并将采集的数据对外传输，IGBT功率模块通过光纤对外输出，主控板控制电容散热风机对电容模块进行自动散热，主控板控制控制功率散热风机对IGBT功率模块进行自动散热，进而实现对整个装置的温度、电流、电压检测控制及自动散热。

本发明上述实施例所述三电平功率模块系统装置，集成化高、体积小，能够独立安装，电容模块及IGBT功率模块各自独立散热，通过电容散热风机对电容模块散热，通过功率散热风机对IGBT功率模块进行散热，散热效率高，且采用独立的控制检测单元，电磁干扰低，能够有效检测装置的温度、电流、电压，装置工作的稳定性高。

本发明另一实施例，提供了一种充电系统，包括上述实施例所述三电平功率模块系统装置。采用集成化高、体积小且散热效率高的三电平功率模块系统装置，有效减小了充电系统的体积，节约充电系统制造成本，充电系统适用性强。

上述实施例用来解释本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种三电平功率模块系统装置，其特征在于，包括：

箱体(1)，设有功率单元舱(11)、电容舱(12)、控制检测舱(13)三个相互独立的腔室；所述箱体(1)内设有第一隔板(14)和第二隔板(15)；功率单元(2)，安装于功率单元舱(11)内，所述功率单元包括散热器(21)以及对称安装于所述散热器(21)上的两个IGBT功率模块(22)，所述散热器(21)安装于第一隔板(14)和第二隔板(15)上，所述散热器(21)包括基体(211)和安装于所述基体(211)上的多个独立且相互并联连接的散热件(212)，相邻两个散热件之间形成散热风道，所述基体(211)的两侧分别安装于第一隔板(14)和第二隔板(15)上；

功率单元散热组件(3)，安装于功率单元舱(11)内，位于功率单元(2)一侧；

电容模块(4)，安装于电容舱(12)内；

电容散热组件(5)，安装于电容舱(12)内，位于电容模块(4)一侧；

叠层母排(6)，安装于功率单元(2)和电容模块(4)上，并连接功率单元(2)和电容模块(4)；

控制检测单元，安装于功率单元舱(11)和控制检测舱(13)内，与所述叠层母排(6)电连接；控制检测单元包括主控板(71)、与叠层母排(6)连接的放电电阻(72)以及分别与所述主控板(71)连接的电流传感器(73)、电压传感器(74)、温控检测器(75)，所述主控板(71)、电流传感器(73)、电压传感器(74)安装于所述控制检测舱(13)内，所述放电电阻(72)、温控检测器(75)安装于所述功率单元舱(11)内。

2.如权利要求1所述的三电平功率模块系统装置，其特征在于，所述功率单元舱(11)、电容舱(12)、控制检测舱(13)为由所述第一隔板(14)和所述第二隔板(15)分割箱体(1)形成的舱室，所述功率单元舱(11)位于所述电容舱(12)和所述控制检测舱(13)之间。

3.如权利要求1所述的三电平功率模块系统装置，其特征在于，所述功率单元散热组件(3)包括安装于所述箱体(1)上的风机安装板(31)以及安装于所述风机安装板上的功率单元散热风机(32),所述功率单元散热风机(32)位于所述散热器(21)的一侧。

4.如权利要求3所述的三电平功率模块系统装置，其特征在于，所述主控板(71)和所述电压传感器(74)均安装于所述第二隔板(15)上，所述主控板(71)位于所述电压传感器(74)上方；所述放电电阻(72)放置于所述功率单元舱(11)下部，并通过放电电阻安装板(76)安装于所述第一隔板(14)上；所述电流传感器(73)放置于所述控制检测舱(13)下部，安装于所述箱体(1)上；所述温控检测器(75)安装于所述散热器(21)上，所述温控检测器(75)位于两个IGBT功率模块(22)之间。

5.如权利要求4所述的三电平功率模块系统装置，其特征在于，还包括进出线组件，所述进出线组件包括铜排、绝缘子(84)以及安装与所述箱体(1)上的穿墙端子(85)，所述铜排与所述叠层母排(6)连接，并通过绝缘子(84)与所述穿墙端子(85)连接；所述铜排和所述绝缘子(84)均放置于所述控制检测舱(13)内。

6.如权利要求1至5任意一项所述的三电平功率模块系统装置，其特征在于，所述电容模块(4)包括安装于所述箱体(1)上的电容安装板(41)、安装于所述电容安装板(41)上的多组支撑电容(42)以及安装于所述箱体(1)上的电容压条(43)，所述电容压条(43)设有多组圆孔(431)，每组圆孔(431)均与一组支撑电容(42)的端面凸台(421)配合。

7.一种充电系统，其特征在于，包括如权利要求1至6任意一项所述三电平功率模块系统装置。

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