CN111146957A - 储能设备及其功率模块 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种储能设备及其功率模块。功率模块包括散热器、左框架与右框架、IGBT组件、叠层母排、驱动组件及支撑电容组件；左框架和右框架安装在散热器上，且左框架和右框架相对设置；IGBT组件安装在散热器上，且IGBT组件位于左框架和右框架所形成的容置空间内；支撑电容组件设置在容置空间内；叠层母排至少有一部分可更换的设置在支撑电容组件和IGBT组件之间，且叠层母排与IGBT组件中的IGBT以及支撑电容组件中的支撑电容电连接。本发明通过更换部分叠层母排便可实现不同储能设备中的功率模块通用化，避免了不同结构的功率模块在制造、更换及维护等方面带来的不便，进一步提高了装配效率。
Description
技术领域
本发明实施例涉及轨道交通能源管理系统技术，尤其涉及储能设备及其功率模块。
背景技术
随着城市轨道交通路网规模的不断扩大和客运量的剧增，城市轨道能源消耗总量大幅增长。其中，中压能馈装置(10kV或35kV)及超级电容储能装置作为城市轨道能源管理系统最重要的设备，设置于地铁车站的能源管理系统内，可以有效吸收并利用轨道交通车辆的再生制动能量，从而达到减少能耗的目的。
功率模块作为这两种装置的核心部件，其存在两种不同的电路拓扑，其中，单相桥臂双并联相模块电路用于地面储能设备中压能馈装置功率模块，四重化双向半桥电路用于地面储能设备超级电容储能装置功率模块，因此，中压能馈装置及超级电容储能装置中的功率模块均需适应于相应的电路拓扑。
不同电路拓扑结构的功率模块各部件的接线及部件布局结构等存在很大的差异，且现有技术中针对不同的电路拓扑需要在整个系统中配置多种功率模块，不同结构的功率模块在制造、使用、更换及维护等方面相比于同一种功率模块存在很大的差异，因此会带来极大的不便，影响工作效率，也造成系统设备成本的大幅提升。因此，现有的功率模块通用度差，使得在制造轨道列车储能设备时必须单独制造上述两种功率模块的所有零部件，严重影响了轨道列车储能设备的制造效率。
发明内容
本发明提供一种储能设备及其功率模块，以克服现有技术存在的上述或者其他潜在技术问题。
第一方面，本发明提供一种功率模块，包括：散热器、左框架与右框架、绝缘栅双极晶体管IGBT组件、叠层母排、驱动组件及支撑电容组件；其中，
左框架和右框架安装在散热器上，且左框架和右框架相对设置；
IGBT组件安装在散热器上，且IGBT组件位于左框架和右框架所形成的容置空间内，IGBT组件包括四个IGBT；
支撑电容组件设置在容置空间内、并与左框架和右框架中的至少一者固定；
叠层母排至少有一部分可更换的设置在支撑电容组件和IGBT组件之间，且叠层母排与IGBT组件中的IGBT以及支撑电容组件中的支撑电容电连接；
驱动组件设置在支撑电容组件的外侧，且驱动组件的两端分别与左框架和右框架固定。
可选的，叠层铜排包括正极母排、负极母排、正极母排延伸铜排以及负极母排延伸铜排；
正极母排与负极母排呈直角弯折型叠层结构，正极母排与负极母排的第一部分叠层设置在支撑电容组件和IGBT组件之间，正极母排与负极母排的第二部分叠层设置于支撑电容组件的外侧，且正极母排和所述负极母排的第二部分与驱动组件相对设置；
正极母排和负极母排分别与IGBT的两个极性相反的功率端电连接；
正极母排延伸铜排的两端分别与正极母排以及左框架的第一绝缘子连接；
负极母排延伸铜排的两端分别与负极母排以及左框架的第二绝缘子连接。
可选的，叠层铜排包括：交流铜排和交流延伸铜排；交流铜排与两个IGBT的E级电连接、并与另外两个IGBT的C极电连接；第一直流延伸铜排的一端与交流铜排电连接，交流延伸铜排的另一端从右框架上的开口伸出容置空间、并与右框架的第三绝缘子连接。
可选的，叠层铜排包括：第一直流铜排、第二直流铜排、第一直流延伸铜排以及第二直流延伸铜排；
第一直流铜排与第一个IGBT的E级以及第二个IGBT的C级电连接，第一直流延伸铜排的一端与第一直流铜排电连接，第一直流延伸铜排的另一端从右框架上的开口伸出容置空间、并与右框架的第四绝缘子连接；
第二直流铜排与第三个IGBT的E级以及第四个IGBT的C级电连接，第二直流延伸铜排的一端与第二直流铜排电连接，第二直流延伸铜排的另一端从右框架上的开口伸出容置空间、并与右框架的第五绝缘子连接。
可选的，每个IGBT的上方均设置有门极配置板；驱动组件包括：驱动板和电源检测板，驱动板分别与所述门极配置板及电源检测板电连接。
可选的，驱动组件还包括：驱动板安装板、绝缘板以及保护罩；
驱动板安装板固定在左框架和右框架上；绝缘板安装在驱动板安装板上；
驱动板和电源检测板均安装在绝缘板上；保护罩罩设在驱动板和电源检测板的外侧。
可选的，散热器的基板上设置有用于检测散热器的基板温度的热敏电阻，且热敏电阻位于IGBT的旁侧，电源检测板与热敏电阻电连接。
可选的，支撑电容组件包括：支撑电容以及支撑框架，支撑电容安装于支撑框架上，支撑框架则安装于左框架和右框架上。
可选的，散热器为复合相变散热器。
第二方面，本发明提供一种储能设备，包括如上所述的功率模块，储能设备为中压能馈装置或者超级电容储能装置。
本发明提供一种储能设备及其功率模块。其中，本发明提供的功率模块包括：散热器、左框架与右框架、绝缘栅双极晶体管IGBT组件、叠层母排、驱动组件及支撑电容组件；其中，左框架和右框架安装在散热器上，且左框架和右框架相对设置；IGBT组件安装在散热器上，且IGBT组件位于左框架和右框架所形成的容置空间内，IGBT组件包括四个IGBT；支撑电容组件设置在容置空间内、并与左框架和右框架中的至少一者固定；叠层母排至少有一部分可更换的设置在支撑电容组件和IGBT组件之间，且叠层母排与IGBT组件中的IGBT以及支撑电容组件中的支撑电容电连接；驱动组件设置在支撑电容组件的外侧，且驱动组件的两端分别与左框架和右框架固定。本发明通过将功率模块的IGBT、支撑电容组价等各个部件的位置进行优化，使得本发明的功率模块仅更换部分叠层母排便可制造出适应不同电路拓扑的功率模块，实现不同储能设备中的功率模块通用化，避免了不同结构的功率模块在制造、使用、更换及维护等方面带来的不便，进一步提高了装配效率，同时降低了储能设备在制造、维修等方面的成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的功率模块用于超级电容储能装置时的第一视角的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的功率模块用于超级电容储能装置时的第二视角的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的功率模块用于超级电容储能装置时的内部结构示意图；
图4是本发明实施例提供的功率模块用于超级电容储能装置时的驱动组件的结构示意图；
图5是本发明实施例提供的功率模块用于超级电容储能装置时的电路原理图；
图6是本发明实施例提供的功率模块用于超级电容储能装置时的爆炸图；
图7是本发明实施例提供的功率模块用于中压能馈装置时的第一视角的结构示意图；
图8是本发明实施例提供的功率模块用于中压能馈装置时的第二视角的结构示意图；
图9是本发明实施例提供的功率模块用于中压能馈装置时的内部结构示意图；
图10是本发明实施例提供的功率模块用于中压能馈装置时的驱动组件的结构示意图；
图11是本发明实施例提供的功率模块用于中压能馈装置时的电路原理图。
附图标记说明：
1—散热器；
2—左框架；
201—第一绝缘子；
202—第二绝缘子；
3—右框架；
301—第四绝缘子；
302—第五绝缘子；
303—第三绝缘子；
4—IGBT组件；
5—叠层母排；
501—正极母排；
502—负极母排；
503—正极母排延伸铜排；
504—负极母排延伸铜排；
505—第一直流铜排；
506—第二直流铜排；
507—第一直流延伸铜排；
508—第二直流延伸铜排；
509—交流铜排；
510—交流延伸铜排；
6—驱动组件；
601—驱动板；
602—电源检测板；
603—驱动板安装板；
604—绝缘板；
605—保护罩；
7—支撑电容组件；
701—支撑电容；
702—支撑框架；
703—侧架；
704—角架；
8—布线架。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应作广义理解，例如，可以使固定连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或者两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“竖直”“、水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或者位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或者暗示所指的装置或者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。
在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非是另有精确具体地规定。
功率模块作为中压能馈装置和超级电容储能装置这两个储能设备的核心部件，其存在两种不同的电路拓扑，其中，单相桥臂双并联相模块电路用于地面储能设备中压能馈装置功率模块，四重化双向半桥电路用于地面储能设备超级电容储能装置功率模块，因此，中压能馈装置及超级电容储能装置中的功率模块均需适应于相应的电路拓扑。
不同电路拓扑结构的功率模块各部件的接线及部件布局结构等存在很大的差异，且现有技术中针对不同的电路拓扑需要在整个系统中配置多种功率模块，不同结构的功率模块在制造、使用、更换及维护等方面相比于同一种功率模块存在很大的差异，因此会带来极大的不便，影响工作效率，也造成系统设备成本的大幅提升。
为了解决上述问题，本发明实施例提供一种功率模块，避免了不同结构的功率模块在制造、使用、更换及维护等方面带来的不便，进一步提高了装配效率，同时降低了储能设备在制造、维修等方面的成本。
图1是本实施例提供的功率模块用于超级电容储能装置时的第一视角的结构示意图；图2是本实施例提供的功率模块用于超级电容储能装置时的第二视角的结构示意图；图3是本实施例提供的功率模块用于超级电容储能装置时的内部结构示意图；图4是本实施例提供的功率模块用于超级电容储能装置时的驱动组件的结构示意图；图5是本实施例提供的功率模块用于超级电容储能装置时的电路原理图；图6是本实施例提供的功率模块用于超级电容储能装置时的爆炸图；图7是本实施例提供的功率模块用于中压能馈装置时的第一视角的结构示意图；图8是本实施例提供的功率模块用于中压能馈装置时的第二视角的结构示意图；图9是本实施例提供的功率模块用于中压能馈装置时的内部结构示意图；图10是本实施例提供的功率模块用于中压能馈装置时的驱动组件的结构示意图；图11是本实施例提供的功率模块用于中压能馈装置时的电路原理图。
参照图1至图11所示，本发明实施例提供的功率模块，包括：散热器1、左框架2与右框架3、绝缘栅双极晶体管IGBT组件4、叠层母排5、驱动组件6及支撑电容组件7；其中，左框架2和右框架3安装在散热器1上，且左框架2和右框架3相对设置；IGBT组件4安装在散热器1上，且IGBT组件位于左框架2和右框架3所形成的容置空间内，IGBT组件4包括四个IGBT；支撑电容组件7设置在容置空间内、并与左框架2和右框架3中的至少一者固定；叠层母排5至少有一部分可更换的设置在支撑电容组件7和IGBT组件4之间，且叠层母排5与IGBT组件4中的IGBT以及支撑电容组件7中的支撑电容701电连接；驱动组件6设置在支撑电容组件7的外侧，且驱动组件6的两端分别与左框架2和右框架3固定。
具体的，本实施例的功率模块中的散热器1、左框架2与右框架3、绝缘栅双极晶体管IGBT组件4、驱动组件6及支撑电容组件7均适用于单相桥臂双并联相模块电路和四重化双向半桥电路这两种不同的电路拓扑。换句话说，针对两种不同电路拓扑，本实施例的功率模块中的散热器1、左框架2与右框架3、绝缘栅双极晶体管IGBT组件4、驱动组件6及支撑电容组件7中的每个部件的结构、各个部件的整体排布及其走线路径等不仅适用于中压能馈装置，还适用于超级电容储能装置。
其中，IGBT组件4中的每个IGBT均为3300V、1200A、190×140标准封装IGBT，可随时变更IGBT，但其封装尺寸需保持一致。同时母排的设置相对于电线，其杂散电感相对减小，具体的，母排间的杂散电感小于50nH。
其中，通过将支撑电容组件7固定于左框架2和右框架3之间，使得支撑电容组件7能够稳定的固定在散热器1下方，同时左框架2与右框架3之间形成容置空间，使得IGBT组件及叠层母排5等零部件可以部分收容于该空间内，进而使得整个功率模块更加紧凑，各部件的布局更加合理。
本实施例的功率模块作为两种储能装置的核心部件，将散热器1、左框架2与右框架3、IGBT组件4、驱动组件6及支撑电容组件7装配完成后，只需要对叠层母排5中的部分母排进行更换，便可制造出不同的功率模块，以适应不同的电路拓扑结构，进而将其分别应用中压能馈装置和超级电容储能装置中，实现不同储能设备中的功率模块通用化，避免了不同结构的功率模块在制造、使用、更换及维护等方面带来的不便，进一步减少了零部件种类及安装工序，提高了装配效率，也使得维修及更换等作业更加方便，降低了储能设备在制造、维修等方面的成本。
参照图1和图11所示，其中，本实施例中的叠层母排5包括正极母排501、负极母排502、正极母排延伸铜排503以及负极母排延伸铜排504。其中，正极母排501和负极母排502分别与IGBT的两个极性相反的功率端电连接，正极母排延伸铜排503的两端分别与正极母排501以及左框架2的第一绝缘子201连接，负极母排延伸铜排504的两端分别与负极母排502以及左框架2的第二绝缘子202连接。
为了更加清楚的说明叠层母排5的各个母排与IGBT组件4中的IGBT之间的连接关系，以下对IGBT组件4进行详细说明。具体的，参照图5所示，本实施例中的IGBT组件4包括4个IGBT，为了减小叠层母排的走线路径，将4个IGBT两两并排设置，即上方设置两个IGBT，下方设置两个IGBT，为了方便描述，将上方左侧的IGBT作为第一IGBT，将下方左侧的IGBT作为第二IGBT，将上方右侧的IGBT作为第三IGBT，将下方右侧的IGBT作为第四IGBT。具体实现时，可将正极母排501的一端分别第一IGBT和第三IGBT的C极功率端子电连接，正极母排501的另一端与支撑电容组件7中的支撑电容701上的电容端子电连接；负极母排502的一端分别与第二IGBT和第四IGBT的E极功率端子电连接，负极母排502的另一端与支撑电容组件7中的支撑电容701的电容端子电连接。本实施例中将IGBT组件4中的4个IGBT两两并排设置，有效的减少了正极母排501和负极母排502与各个IGBT之间的连接路径，进一步减少了母排长度，节约了成本，且使得功率模块内部的走线路径及个部件的布局整齐紧凑，在更大程度上缩减了功率模块的整体尺寸，提高了本实施例的功率模块的适应性。
参照图2和图7所示，其中，为了进一步减小整个功率模块的空间占有率，将正极母排501与负极母排502设置成呈直角弯折型叠层的结构，正极母排501与负极母排502的第一部分叠层设置在支撑电容组件7和IGBT组件4之间，使正极母排501与负极母排502的一端与IGBT的功率端子电连接，正极母排501与负极母排502的第二部分叠层设置于支撑电容组件7的外侧，且正极母排501和负极母排502的第二部分与驱动组件6相对设置，正极母排501的第二部分位于负极母排502的第二部分的外侧。将正极母排延伸铜排503和负极母排延伸铜排504并排设置在正极母排501与负极母排502的第二部分的外侧，并将正极母排延伸铜排503和负极母排延伸铜排504的一端分别连接于正极母排501和负极母排502的第二部分的一端。其中，为了使正极母排501和负极母排502的第二部分的底端更便于连接正极母排延伸铜排503和负极母排延伸铜排504，可在正极母排501的第二部分的底端设置有连接耳，正极母排延伸铜排503的一端固定于该连接耳上；在位于内侧的负极母排502的第二部分的底端设置有凸出连接耳，该凸出连接耳从正极母排501的底端伸出来，并与负极母排延伸铜排504的一端连接。
本实施例将正极母排501与负极母排502设置成呈直角弯折型叠层的结构，即将正极母排501与负极母排502沿支撑电容组件7的外表面的走向进行排布，这样不仅减小了功率模块的整体尺寸，且使得正极母排延伸铜排503和负极母排延伸铜排504能够以最短的路径分别连接正负极母排和左框架2上的绝缘子，这样不仅减小了母排用量，节约了制造成本，且在一定程度上减小了整个电路的电阻，优化了整个电路结构。同时，将正极母排501与负极母排502的一部分以及正极母排延伸铜排503和负极母排延伸铜排504均暴露于功率模块的外侧，便于装配、更换及维修等工作，进而提高了工作效率。
参照图1至图6所示，本实施例的功率模块用于超级电容储能装置时，功率模块的电路拓扑为四重化双向半桥电路，此时，本实施例中的叠层铜排5除了上述正极母排501、负极母排502、正极母排延伸铜排503以及负极母排延伸铜排504外，还包括：第一直流铜排505、第二直流铜排506、第一直流延伸铜排507以及第二直流延伸铜排508；参照图3所示，其中，第一直流铜排505与第一IGBT的E级以及第二IGBT的C级电连接，第一直流延伸铜排507的一端与第一直流铜排505电连接，第一直流延伸铜排507的另一端从右框架3上的开口伸出容置空间、并与右框架3的第四绝缘子301连接；第二直流铜排506与第三IGBT的E级以及第四IGBT的C级电连接，第二直流延伸铜排508的一端与第二直流铜排506电连接，第二直流延伸铜排508的另一端从右框架3上的开口伸出容置空间、并与右框架3的第五绝缘子302连接。
本实施例的功率模块用于超级电容储能装置时，叠层母排5中的正极母排501与负极母排502、正极母排延伸铜排503与负极母排延伸铜排504、第一直流铜排505与第二直流铜排506以及第一直流延伸铜排507与第二直流延伸铜排508共同形成如图5所示的四重化双向半桥电路。其中，正极母排延伸铜排503与第一绝缘子201连接的一端记为DC+，负极母排延伸铜排504与第二绝缘子202连接的一端记为DC-，第一直流延伸铜排507与第四绝缘子301连接的一端记为CT1，第二直流延伸铜排508与第五绝缘子302连接的一端记为CT2。本实施例的功率模块用于超级电容储能装置时采用四重化双向半桥电路，简称半桥电路，当列车制动并导致直流网压上升时，该超级电容储能装置处于充电模式，具体将直流电网的电能通过半桥电路的DC+和DC-为支撑电容组件7中的支撑电容701充电，此时，电路工作于BUCK状态；当类车牵引并导致直流电网压下降时，该超级电容储能装置处于放电模式，具体将支撑电容701储存的电能通过半桥电路的CT1和CT2释放到直流电网，此时电路工作于BOOST状态，整个过程实现列车的制动能量的回收再利用。
参照图7至图11所示，本实施例的功率模块用于中压能馈装置时，功率模块的电路拓扑为单相桥臂双并联相模块电路，此时，本实施例中的叠层母排5除了上述正极母排501、负极母排502、正极母排延伸铜排503以及负极母排延伸铜排504外，还包括交流铜排509和交流延伸铜排510；其中，交流铜排509与两个IGBT的E级电连接、并与另外两个IGBT的C极电连接，交流延伸铜排510的一端与交流铜排509电连接，交流延伸铜排510的另一端从右框架3上的开口伸出容置空间、并与右框架3的第三绝缘子303连接。
具体实现时，为了缩短交流铜排509与各个IGBT之间的连接路径的长度，可将交流铜排509安装于IGBT组件4与支撑电容组件7之间，使交流铜排509一端与第一IGBT和第三IGBT的E极电连接，交流铜排509另一端与第二IGBT和第四IGBT的C极电连接，这样设置缩短了连接路径的长度，使得功率模块内部的结构更加整齐紧凑。
本实施例的功率模块用于中压能馈装置时，叠层母排5中的正极母排501与负极母排502、正极母排延伸铜排503与负极母排延伸铜排504、交流铜排509和交流延伸铜排510共同形成如图11所示的单相桥臂双并联相模块电路，其中，正极母排延伸铜排503与第一绝缘子201连接的一端记为P，负极母排延伸铜排504与第二绝缘子202连接的一端记为N，交流延伸铜排510第三绝缘子303连接的一端记为X。中压能馈逆变装置主要采用电力电子器件构成大功率晶闸管三相逆变器，该装置的直流侧即P、N端与牵引变电所中的直流母线相连，其交流进线X接到交流电网上，当再生制动使接触网直流电压超过规定值时，逆变器启动从直流母线吸收电流，将再生直流电能逆变成工频交流电回馈至交流电网，输出电压根据系统要求进行变化；在牵引工况下，将交流电网电压经过功率模块为列车提供给直流架线电压。
由于在中压能馈装置中，功率模块的电路拓扑为单相桥臂双并联相模块电路，而在超级电容储能装置中，功率模块的电路拓扑为四重化双向半桥电路，因此功率模块中的各个IGBT之间的电路连接方式会存在差异。具体的，如图1至图6所示，当本实施例的功率模块用于超级电容储能装置时，第一IGBT的E级与第二IGBT的C级之间通过第一直流铜排505电连接，并将第一直流铜排505通过第一直流延伸铜排507外接至右框架3的第四绝缘子301上，第三IGBT的E级与第四IGBT的C级之间通过第二直流铜排506电连接，并将该第二直流铜排506通过第二直流延伸铜排508外接至右框架3的第五绝缘子302上，进而实现半桥电路。如图7至图11所示，当本实施例的功率模块用于中压能馈装置时，将叠层母排5中的第一直流铜排505和第二直流铜排506替换为一个交流铜排509，并将交流铜排509共同连接四个IGBT，即交流铜排509一端与第一IGBT和第三IGBT的E极电连接，交流铜排509另一端与第二IGBT和第四IGBT的C极电连接，实现第一IGBT和第二IGBT与第三IGBT和第四IGBT之间的短接，同时，将第一直流延伸铜排507与第二直流延伸铜排508替换为一个交流延伸铜排510，使交流铜排509通过交流延伸铜排510外接至右框架3的第三绝缘子303上，从而实现单相桥臂双并联相模块电路。本实施例的功率模块，通过部分叠层母排5的替换，使其制造出不同结构的功率模块，以适应不同的储能装置，实现该功率模块的通用性。
为了减少零部件的更换次数，本实施例的功率模块中的叠层母排5可直接设置成用于超级电容储能装置的结构，在将该功率模块用于中压能馈装置时，可直接将第一直流铜排505和第二直流铜排506短接，同时将第一直流延伸铜排507与第二直流延伸铜排508短接，使得该功率模块还能作为中压能馈装置的核心部件进行能量的回收再利用。
本实施例中，每个IGBT的上方均设置有门极配置板；驱动组件6包括驱动板601和电源检测板602，驱动板601分别与门极配置板及电源检测板602电连接。
具体的，电源检测板602与驱动板601电连接，使其为驱动板601提供驱动电源。门极配置板可通过两个M4螺钉固定于每个IGBT上，驱动板601通过电连接门极配置板来驱动IABT，以调整IGBT开关波形。其中，门极配置板和驱动板601可随意更换，但其外形尺寸需保持一致，以避免门极配置板和驱动板601的尺寸前后发生变化对驱动造成影响。驱动板601的数量可与IGBT的数量保持一致，即一个驱动板601驱动一个IGBT；因为中压能馈装置中的功率模块的电路拓扑为单相桥臂双并联相模块电路，即四个IGBT两两并联，因此当本实施例的功率模块用于中压能馈装置时，可将该驱动板601设置为2个，1个驱动板601同时驱动2个IGBT。例如，其中一个驱动板601同时驱动第二IGBT与第四IGBT，另一个驱动板601同时驱动第一IGBT与第三IGBT。为了使每个驱动板601与门极配置板的接线长度一致，将驱动板601均匀分布于电源检测板602的两侧，这样便可减小接线长度的不同对驱动造成影响。
参照图4和图10所示，本实施例的驱动组件6还包括驱动板安装板603、绝缘板604以及保护罩605；驱动板安装板603固定在左框架2和右框架3上；绝缘板604安装在驱动板安装板603上；驱动板601和电源检测板602均安装在绝缘板604上；保护罩605罩设在驱动板601和电源检测板602的外侧。
具体的，将驱动板601和电源检测板602固定于驱动板安装板603上，使得整个驱动组件6更便于拆卸。驱动板安装板603固定于支撑电容组件7背离正极母排501与负极母排502的第二部分的一侧，便于驱动板601及电源检测板602与IGBT上的各个组件之间相互电连接。其中，绝缘板604通过绝缘垫柱安装于驱动板安装板603上，再将驱动板601和电源检测板602分别安装于绝缘板604上。由于驱动组件6是位于支撑电容组件7的外侧，是直接与操作人员接触的部件，因此为了避免驱动组件6中的驱动板601和电源检测板602对操作人员的误伤，在驱动板601和电源检测板602的外侧设置保护罩605，以起到防护的作用。
本实施例中，散热器1的基板上设置有用于检测散热器1的基板温度的热敏电阻，且热敏电阻位于IGBT的旁侧，电源检测板602与热敏电阻电连接。
具体的，在IGBT的旁侧设置热敏电阻，是为了通过测量散热器1的基板温度来换算出IGBT内部温度，电源检测板602与热敏电阻连接，用于输出热敏电阻的数值，这样可以直观的判断IGBT的内部温度是否超过结温。热敏电阻的数量可根据要求进行调整，例如，热敏电阻可设置1个，将其设置在一个IGBT旁侧，也可设置4个热敏电阻，即在每个IGBT的旁侧均设置一个热敏电阻，使得每个IGBT的内部温度都能够经电源检测版602进行观测，这样便能够更加有效的保护每个IGBT不被烧坏。
为了避免电源检测板602与热敏电阻的连接线和驱动板601与门极配置板之间的连接线相互缠绕而影响整个工作电路，沿散热器1的基板一周设置一圈布线架8，将驱动组件6与IGBT之间的各个连接线均固定在布线架8上，这样不仅防止了各个连接线的互相缠绕，同时也避免了各个连接线覆盖在门极配置板、热敏电阻等部件表面而影响各个部件的正常工作。
参照图6所示，本实施例中的支撑电容组件7包括支撑电容701以及支撑框架702，支撑电容701安装于支撑框架702上，支撑框架702则安装于左框架2和右框架3上。
具体的，该支撑电容701由于支撑电容701较重，因此，先将支撑电容701固定于支撑框架702内，然后通过该支撑框架702固定于左框架2和右框架3上。其中，该支撑框架702的结构可为多种，例如，该支撑框架702包括两个侧架703，两个侧架703通过螺栓固定于支撑电容701靠近左右框架的两侧，同时在支撑电容701的上下表面的外缘一周分别设置4个角架704，可将每个角架704的两端通过螺栓固定于侧架703上，侧架703和角架704共同形成支撑框架702。安装时，将侧架703通过螺栓固定于左右框架上，并将每个角架704的两端也均固定于左右框架上和散热器1的基板上，使得支撑电容701在水平方向和竖直方向均能够得到有效的支撑，进一步提高了本实施例的功率模块的整体稳定性。
本实施例中的散热器1可为复合相变散热器，该复合相变散热器是一种高性能的热管类散热器，散热性能较高，其是采用强迫风冷对热量进行冷却，散热器1外接风道，防护等级为IP20以上。该复合相变散热器的散热总功率为10.5kW，散热基板在热流密度100kW/m2条件下的最大温升不超过40K。
本实施例提供的功率模块包括散热器、左框架与右框架、绝缘栅双极晶体管IGBT组件、叠层母排、驱动组件及支撑电容组件；其中，左框架和右框架安装在散热器上，且左框架和右框架相对设置；IGBT组件安装在散热器上，且IGBT组件位于左框架和右框架所形成的容置空间内，IGBT组件包括四个IGBT；支撑电容组件设置在容置空间内、并与左框架和右框架中的至少一者固定；叠层母排至少有一部分可更换的设置在支撑电容组件和IGBT组件之间，且叠层母排与IGBT组件中的IGBT以及支撑电容组件中的支撑电容电连接；驱动组件设置在支撑电容组件的外侧，且驱动组件的两端分别与左框架和右框架固定。本发明通过将功率模块的IGBT、支撑电容组价等各个部件的位置重新排布，使得本发明的功率模块仅更换部分叠层母排便可制造出适应不同电路拓扑的功率模块，实现不同储能设备中的功率模块通用化，避免了不同结构的功率模块在制造、使用、更换及维护等方面带来的不便，进一步提高了装配效率，同时降低了储能设备在制造、维修等方面的成本。
本发明还提供一种储能设备，能够应用上述实施例中的功率模块，具体的，本实施例中的储能设备，包括前述实施例所述的功率模块，该储能设备为中压能馈装置或者超级电容储能装置。
具体的，中压能馈装置和超级电容储能装置作为两种储能设备，其中的核心部件功率模块为列车的制动能量的回收和再利用起着关键的作用，不同的储能设备需安装不同结构的功率模块，以适应不同的电路拓扑，但不同结构的功率模块在制造、使用、更换及维护等方面带来极大的不便而影响工作效率。为了解决上述问题，将上述实施例中的功率模块应用于该储能设备中，操作人员只需更换该功率模块的部分叠层母排便可使其应用于两种不同的储能设备中，实现了实现不同储能设备中的功率模块通用化。其中，该功率模块的叠层母排的具体更换方式参见前述实施例的内容，此处不再一一赘述。
其中，该功率模块与储能设备之间的安装方式为可为多种。例如，将功率模块安装于导轨上，并通过导轨推入储能设备的箱体内，还可在左右框架远离散热器1的下端安装滑轮，通过滑轮将该功率模块推入箱体内，再通过散热器基板上开设的安装孔将该功率模块固定于箱体内。
本实施例中，储能设备包括前述实施例所述的功率模块，该储能设备为中压能馈装置或者超级电容储能装置，使得不同的储能设备中的功率模块通用化，避免了不同结构的功率模块在制造、使用、更换及维护等方面带来的不便，进一步提高了装配效率，同时降低了储能设备在制造、维修等方面的成本。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种功率模块，其特征在于，包括：散热器、左框架与右框架、绝缘栅双极晶体管IGBT组件、叠层母排、驱动组件及支撑电容组件；其中，
所述左框架和右框架安装在所述散热器上，且所述左框架和右框架相对设置；
所述IGBT组件安装在所述散热器上，且所述IGBT组件位于所述左框架和右框架所形成的容置空间内，所述IGBT组件包括四个IGBT；
所述支撑电容组件设置在所述容置空间内、并与所述左框架和右框架中的至少一者固定；
所述叠层母排至少有一部分可更换的设置在所述支撑电容组件和所述IGBT组件之间，且所述叠层母排与所述IGBT组件中的IGBT以及所述支撑电容组件中的支撑电容电连接；
所述驱动组件设置在所述支撑电容组件的外侧，且所述驱动组件的两端分别与所述左框架和右框架固定。
2.根据权利要求1所述的功率模块，其特征在于，所述叠层铜排包括正极母排、负极母排、正极母排延伸铜排以及负极母排延伸铜排；
所述正极母排与所述负极母排呈直角弯折型叠层结构，所述正极母排与负极母排的第一部分叠层设置在所述支撑电容组件和所述IGBT组件之间，所述正极母排与负极母排的第二部分叠层设置于所述支撑电容组件的外侧，且所述正极母排和所述负极母排的第二部分与所述驱动组件相对设置；
所述正极母排和负极母排分别与所述IGBT的两个极性相反的功率端电连接；
所述正极母排延伸铜排的两端分别与所述正极母排以及所述左框架的第一绝缘子连接；
所述负极母排延伸铜排的两端分别与所述负极母排以及所述左框架的第二绝缘子连接。
3.根据权利要求2所述的功率模块，其特征在于，所述叠层铜排包括：交流铜排和交流延伸铜排；所述交流铜排与两个所述IGBT的E级电连接、并与另外两个所述IGBT的C极电连接；所述交流延伸铜排的一端与所述交流铜排电连接，所述交流延伸铜排的另一端从所述右框架上的开口伸出所述容置空间、并与所述右框架的第三绝缘子连接。
4.根据权利要求2所述的功率模块，其特征在于，所述叠层铜排包括：第一直流铜排、第二直流铜排、第一直流延伸铜排以及第二直流延伸铜排；
所述第一直流铜排与第一个所述IGBT的E级以及第二个所述IGBT的C级电连接，所述第一直流延伸铜排的一端与所述第一直流铜排电连接，所述第一直流延伸铜排的另一端从所述右框架上的开口伸出所述容置空间、并与所述右框架的第四绝缘子连接；
所述第二直流铜排与第三个所述IGBT的E级以及第四个所述IGBT的C级电连接，所述第二直流延伸铜排的一端与所述第二直流铜排电连接，所述第二直流延伸铜排的另一端从所述右框架上的开口伸出所述容置空间、并与所述右框架的第五绝缘子连接。
5.根据权利要求1-4任一项所述的功率模块，其特征在于，每个所述IGBT的上方均设置有门极配置板；所述驱动组件包括：驱动板和电源检测板，所述驱动板分别与所述门极配置板及电源检测板电连接。
6.根据权利要求5所述的功率模块，其特征在于，所述驱动组件还包括：驱动板安装板、绝缘板以及保护罩；
所述驱动板安装板固定在所述左框架和右框架上；所述绝缘板安装在所述驱动板安装板上；
所述驱动板和所述电源检测板均安装在所述绝缘板上；所述保护罩罩设在所述驱动板和所述电源检测板的外侧。
7.根据权利要求5所述功率模块，其特征在于，所述散热器的基板上设置有用于检测所述散热器的基板温度的热敏电阻，且所述热敏电阻位于所述IGBT的旁侧，所述电源检测板与所述热敏电阻电连接。
8.根据权利要求1-4任一项所述的功率模块，其特征在于，所述支撑电容组件包括：支撑电容以及支撑框架，所述支撑电容安装于所述支撑框架上，所述支撑框架则安装于所述左框架和右框架上。
9.根据权利要求1-4任一项所述的功率模块，其特征在于，所述散热器为复合相变散热器。
10.一种储能设备，其特征在于，包括如权利要求1-9任一项所述的功率模块，所述储能设备为中压能馈装置或者超级电容储能装置。
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| PB01 | Publication | ||
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