CN112713788A - 一种适用于永磁牵引逆变器的功率模块 - Google Patents

Abstract

本发明涉及逆变器中的功率模块，具体为一种适用于永磁牵引逆变器的功率模块，解决了背景技术中的技术问题，功率模块本体上设置有数个三相逆变单元，每个三相逆变单元均包括三个功率器件，每个功率器件均连接有驱动单元，每个驱动单元均包括数个驱动板，每两个驱动板之间均通过绝缘结构相连接；散热器采用平板热管散热器，平板热管散热器的底部设有基板，所有功率器件集成在基板的下表面上，且热敏电阻设置在基板的位于功率器件附近的位置上处；基板向四周延伸至逆变器箱体的内壁处并与逆变器箱体密封连接。本发明减少了功率模块本体、散热器、支撑架的数量，从而减少了整个逆变器的重量，利于整个装置的小型化和轻量化发展，提高了冷却效率。

Description

一种适用于永磁牵引逆变器的功率模块

技术领域

本发明涉及逆变器中的功率模块，具体为一种适用于永磁牵引逆变器的功率模块。

背景技术

逆变器作为轨道交通牵引装置中的重要部件，正朝着小型化、轻量化、高效率和高功率密度发展。当前，城市轨道交通车辆牵引系统是以异步牵引系统为主，但是永磁同步牵引系统以其更加高效节能、轻量化以及更低的全寿命周期成本得到了越来越多用户的关注,无疑永磁同步牵引系统将成为下一代的城市轨道车辆牵引系统的主流。

使用永磁牵引技术必须使各个电机单独控制，这就为功率模块和整个逆变器的设计带来了极大的困难——由原来的一个三相逆变单元变为四个，而且每个三相逆变单元放置在一个功率模块上，那么每个逆变器中需要设置四个功率模块，一个功率模块本体上包括一个三相逆变单元、支撑框架、散热器、热敏电阻、支撑电容、正负复合母排、交流排以及相关控制回路配线，每个三相逆变单元均包括三个功率器件，每个功率器件均连接有驱动单元，驱动单元用于驱动功率器件的开通和关断，以得到合适的电压和电流，并反馈信号到控制单元，正负复合母排用于连接支撑电容和功率器件，且正负复合母排用于连接外部电源以输入直流电源，交流排用于连接负载，相关控制回路配线用于连接控制系统，相关控制回路配线承担控制信号的传输，包括热敏电阻信号、门极信号等，功率器件、正负复合母排、交流排、支撑电容参与功率变换。功率器件的增多会导致驱动单元的增多，这不利于整体结构布局，而且逆变器中的每个功率模块都需要支撑件、散热器，所以整个逆变器的重量和体积都非常大，可靠性不高，不利于整个装置的小型化和轻量化发展。

发明内容

本发明旨在解决功率器件增多的情况下，功率模块整体重量和体积增大、可靠性不高的技术问题，提供了一种适用于永磁牵引逆变器的功率模块。

本发明解决其技术问题采用的技术手段是：一种适用于永磁牵引逆变器的功率模块，包括支撑框架、支撑电容、散热器、热敏电阻、正负复合母排、交流排以及相关控制回路配线，功率模块本体上设置有数个三相逆变单元，每个三相逆变单元均包括三个功率器件，每个功率器件均连接有驱动单元，每个驱动单元均包括数个驱动板，每两个驱动板之间均通过绝缘结构相连接，且连接在同一个绝缘结构上的两个驱动板背靠背设置；所述散热器采用平板热管散热器，平板热管散热器的底部设有基板，所有功率器件集成在基板的下表面上，且热敏电阻设置在基板的位于功率器件附近的位置上处；基板向四周延伸至逆变器箱体的内壁处并与逆变器箱体密封连接。本发明将数个三相逆变单元放置在一个功率模块上，减小结构件的重量，提高了器件温度的一致性，热敏电阻安装在基板上，且靠近功率器件温度较高的地方，根据逆变器的实时工作状态计算出功率器件的损耗，再通过此温度能进一步推算出功率器件的结温，如果推算出结温超过允许值则由控制系统发出指令进行过热保护动作，从而通过热敏电阻的测温进行对功率器件的过温保护。本发明所述功率模块上需要的驱动板数量较多，故采用背靠背对称的结构放置，节省空间，布线方便、快捷，减小了整个驱动单元的体积，从而减小了功率模块本体的体积；采用平板热管散热器，其热阻小、换热效率高、均温性好，与原有四个散热器相比，缩减了散热器体积和重量，而且可以应对更高的热流密度，将高热流密度热源均匀分散，移峰填谷，平板热管散热器采用平板热管散热器加强迫风冷的方式，由于与热源接触区域采用了蒸汽腔技术，可以有效控制并降低接触热阻，同时由于基板与每片热管共同组成工质相变、传递通道，从而有效降低了从热源接触区域至热管的热阻，并提高了热管与翅片的热交换效率，减少了局部高温及热斑出现的可能性，换热的可靠性更高，从而实现进一步减小功率器件之间的布局间隙，进而间小功率模块的体积。一个功率模块只需要设置一个平板热管散热器，即所有的功率器件共用一个平板热管散热器，故相对于原有结构，本发明减少了散热器、支撑架的数量，从而减少了整个逆变器的重量，利于整个装置的小型化和轻量化发展，相应也减少了热损耗，从而使逆变器整体向高效化、轻量化发展，符合国家节能、低碳经济的发展需求，能够为实现绿色环保的轨道交通做出积极贡献。

优选的，基板将逆变器箱体分隔为上通风腔和下密闭腔，平板热管散热器位于上通风腔，三相逆变单元、驱动单元、支撑框架、支撑电容、热敏电阻、正负复合母排和交流排均位于下密闭腔中。功率模块本体的功率器件位于下密闭腔，平板热管散热器位于相对开放的上通风腔，这样安全可靠。具体安装时，功率模块本体由逆变器底部向上推安装到逆变器箱体内部，安装方便。

优选的，所有功率器件平铺在基板的下表面上，支撑电容位于功率器件的下方，所有驱动单元集成一列并形成驱动单元模块，且驱动单元模块位于支撑电容的前侧，正负复合母排和交流排均位于支撑电容的后侧，支撑框架位于支撑电容的左右两侧，通过支撑框架将基板、支撑电容、驱动单元模块、正负复合母排和交流排固定连接为一个整体。这样的布局更加紧凑合理，集成度高，满足了功率模块向小型化发展的要求，而且与逆变器箱体内部空间适配，

优选的，驱动单元与绝缘结构之间采用快速插拔结构实现固定连接。驱动单元可快速插拔，便于检修时在线更换，方便快捷。

优选的，绝缘结构包括绝缘基座，绝缘基座的上表面开有用于固定驱动板的两个插槽，两个插槽之间的绝缘基座上固连有用于分隔两个驱动板的绝缘挡板。这样的结构节省空间，而且采用双面背靠背专有绝缘安装方式，位于两个插槽中的驱动板互不影响，而且这样节省空间，布线也方便、快捷。

优选的，功率模块本体上设置有四个三相逆变单元。这样既满足了逆变器整体向轻量化、小型化发展的需求，又能满足各个电机单独控制的需求。

优选的，正负复合母排为低电感母排。采用低电感的正负复合母排进行主回路连接，减小了功率器件开关时的电压应力。

优选的，功率器件均采用半桥封装形式。这使整个功率模块的体积减小、损耗降低。

优选的，驱动单元采用软门极驱动方式。这能优化功率器件的开关波形，降低器件损耗，提高变换效率，驱动单元对外接口采用光纤传输控制信号。

优选的，基板的外围与逆变器箱体的内壁之间通过密封压条相连接。通过密封压条进行密封，其密封效果好，而且成本低，还能使功率模块本体和逆变器箱体实现可拆卸连接，方便检修、维修工作。

本发明的有益效果是：提出一种总体体积小、重量轻、高效、可靠性高的功率模块，本发明减少了功率模块本体、散热器、支撑架的数量，从而减少了整个逆变器的重量，利于所述功率模块的小型化和轻量化发展，同时采用了高效热管散热器，可进一步提高冷却效率，进而使逆变器整体也向高效化、轻量化发展，符合国家节能、低碳经济的发展需求，能够为实现绿色环保的轨道交通做出积极贡献。

附图说明

图1为本发明所述的一种适用于永磁牵引逆变器的功率模块的背面结构示意图。

图2为本发明所述的一种适用于永磁牵引逆变器的功率模块的结构示意图（从前下方看）。

图3为本发明所述的一种适用于永磁牵引逆变器的功率模块的各子部分的布局结构示意图（功率模块倒置的情况下）。

图4为本发明所述的驱动板和绝缘结构的装配拆分示意图。

图中：1-支撑框架；2-支撑电容；3-热敏电阻；4-正负复合母排；5-交流排；7-功率器件；8-驱动单元；9-驱动板；10-绝缘结构；11-平板热管散热器；12-基板；13-插槽；14-绝缘挡板；15-密封压条。

具体实施方式

参照图1-图4，对本发明所述的一种适用于永磁牵引逆变器的功率模块进行详细说明。

一种适用于永磁牵引逆变器的功率模块，如图1所示，包括支撑框架1、支撑电容2、散热器、热敏电阻3、正负复合母排4、交流排5以及相关控制回路配线，功率模块本体上设置有数个三相逆变单元，每个三相逆变单元均包括三个功率器件7，每个功率器件7均连接有驱动单元8，每个驱动单元8均包括数个驱动板9，每两个驱动板9之间均通过绝缘结构10相连接，且连接在同一个绝缘结构10上的两个驱动板9背靠背设置；所述散热器采用平板热管散热器11，平板热管散热器11的底部设有基板12，所有功率器件7集成在基板12的下表面上，且热敏电阻3设置在基板12的位于功率器件7附近的位置上处；基板12向四周延伸至逆变器箱体的内壁处并与逆变器箱体密封连接。本发明将数个三相逆变单元放置在一个功率模块上，减小结构件的重量，提高了器件温度的一致性，热敏电阻3安装在基板12上，且靠近功率器件7温度较高的地方，根据逆变器的实时工作状态计算出功率器件7的损耗，再通过此温度能进一步推算出功率器件7的结温，如果推算出结温超过允许值则由控制系统发出指令进行过热保护动作，从而通过热敏电阻3的测温进行对功率器件7的过温保护。本发明所述功率模块上需要的驱动板9数量较多，故采用背靠背对称的结构放置，节省空间，布线方便、快捷，减小了整个驱动单元8的体积，从而减小了功率模块本体的体积；采用平板热管散热器11，其热阻小、换热效率高、均温性好，与原有四个散热器相比，缩减了散热器体积和重量，而且可以应对更高的热流密度，将高热流密度热源均匀分散，移峰填谷，平板热管散热器11采用平板热管散热器11加强迫风冷的方式，由于与热源接触区域采用了蒸汽腔技术，可以有效控制并降低接触热阻，同时由于基板12与每片热管共同组成工质相变、传递通道，从而有效降低了从热源接触区域至热管的热阻，并提高了热管与翅片的热交换效率，减少了局部高温及热斑出现的可能性，换热的可靠性更高，从而实现进一步减小功率器件7之间的布局间隙，进而减小功率模块的体积。一个功率模块只需要设置一个平板热管散热器11，即所有的功率器件7共用一个平板热管散热器11，故相对于原有结构，本发明减少了散热器、支撑架的数量，从而减少了整个逆变器的重量，利于整个装置的小型化和轻量化发展，相应也减少了热损耗，从而使逆变器整体向高效化、轻量化发展，符合国家节能、低碳经济的发展需求，能够为实现绿色环保的轨道交通做出积极贡献。

进一步的，作为本发明所述的一种适用于永磁牵引逆变器的功率模块的一种具体实施方式，如图1所示，基板12将逆变器箱体分隔为上通风腔和下密闭腔，平板热管散热器11位于上通风腔，三相逆变单元、驱动单元8、支撑框架1、支撑电容2、热敏电阻3、正负复合母排4和交流排5均位于下密闭腔中。功率模块本体的功率器件7位于下密闭腔，平板热管散热器11位于相对开放的上通风腔，这样安全可靠。具体安装时，功率模块本体由逆变器底部向上推安装到逆变器箱体内部，安装方便。

进一步的，作为本发明所述的一种适用于永磁牵引逆变器的功率模块的一种具体实施方式，如图1-3所示，所有功率器件7平铺在基板12的下表面上，支撑电容2位于功率器件7的下方，所有驱动单元8集成一列并形成驱动单元8模块，且驱动单元8模块位于支撑电容2的前侧，正负复合母排4和交流排5均位于支撑电容2的后侧，支撑框架1位于支撑电容2的左右两侧，通过支撑框架1将基板12、支撑电容2、驱动单元8模块、正负复合母排4和交流排5固定连接为一个整体。这样的布局更加紧凑合理，集成度高，满足了功率模块向小型化发展的要求，而且与逆变器箱体内部空间适配，

进一步的，作为本发明所述的一种适用于永磁牵引逆变器的功率模块的一种具体实施方式，驱动单元8与绝缘结构10之间采用快速插拔结构实现固定连接。驱动单元8可快速插拔，便于检修时在线更换，方便快捷。

进一步的，作为本发明所述的一种适用于永磁牵引逆变器的功率模块的一种具体实施方式，如图4所示，绝缘结构10包括绝缘基座，绝缘基座的上表面开有用于固定驱动板9的两个插槽13，两个插槽13之间的绝缘基座上固连有用于分隔两个驱动板9的绝缘挡板14。这样的结构节省空间，而且采用双面背靠背专有绝缘安装方式，位于两个插槽13中的驱动板9互不影响，而且这样节省空间，布线也方便、快捷。

进一步的，作为本发明所述的一种适用于永磁牵引逆变器的功率模块的一种具体实施方式，功率模块本体上设置有四个三相逆变单元。这样既满足了逆变器整体向轻量化、小型化发展的需求，又能满足各个电机单独控制的需求。

进一步的，作为本发明所述的一种适用于永磁牵引逆变器的功率模块的一种具体实施方式，正负复合母排4为低电感母排。采用低电感的正负复合母排4进行主回路连接，减小了功率器件7开关时的电压应力。

进一步的，作为本发明所述的一种适用于永磁牵引逆变器的功率模块的一种具体实施方式，功率器件7均采用半桥封装形式。这使整个功率模块的体积减小、损耗降低。本发明中功率器件7可以更换为不同型号、厂家的产品，功率器件7的个数也可以根据需要增加或者减少。

进一步的，作为本发明所述的一种适用于永磁牵引逆变器的功率模块的一种具体实施方式，驱动单元8采用软门极驱动方式。这能优化功率器件7的开关波形，降低器件损耗，提高变换效率，驱动单元8对外接口采用光纤传输控制信号。

进一步的，作为本发明所述的一种适用于永磁牵引逆变器的功率模块的一种具体实施方式，如图1所示，基板12的外围与逆变器箱体的内壁之间通过密封压条15相连接。通过密封压条15进行密封，其密封效果好，而且成本低，还能使功率模块本体和逆变器箱体实现可拆卸连接，方便检修、维修工作。本发明除了使用密封压条15，还可以使用本领域技术人员熟知的其他密封方式。

以上具体结构是对本发明的较佳实施例进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或者替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种适用于永磁牵引逆变器的功率模块，包括支撑框架（1）、支撑电容（2）、散热器、热敏电阻（3）、正负复合母排（4）、交流排（5）以及相关控制回路配线，其特征在于，功率模块本体上设置有数个三相逆变单元，每个三相逆变单元均包括三个功率器件（7），每个功率器件（7）均连接有驱动单元（8），每个驱动单元（8）均包括数个驱动板（9），每两个驱动板（9）之间均通过绝缘结构（10）相连接，且连接在同一个绝缘结构（10）上的两个驱动板（9）背靠背设置；所述散热器采用平板热管散热器（11），平板热管散热器（11）的底部设有基板（12），所有功率器件（7）集成在基板（12）的下表面上，且热敏电阻（3）设置在基板（12）的位于功率器件（7）附近的位置上处；基板（12）向四周延伸至逆变器箱体的内壁处并与逆变器箱体密封连接。

2.根据权利要求1所述的一种适用于永磁牵引逆变器的功率模块，其特征在于，基板（12）将逆变器箱体分隔为上通风腔和下密闭腔，平板热管散热器（11）位于上通风腔，三相逆变单元、驱动单元（8）、支撑框架（1）、支撑电容（2）、热敏电阻（3）、正负复合母排（4）和交流排（5）均位于下密闭腔中。

3.根据权利要求2所述的一种适用于永磁牵引逆变器的功率模块，其特征在于，所有功率器件（7）平铺在基板（12）的下表面上，支撑电容（2）位于功率器件（7）的下方，所有驱动单元（8）集成一列并形成驱动单元（8）模块，且驱动单元（8）模块位于支撑电容（2）的前侧，正负复合母排（4）和交流排（5）均位于支撑电容（2）的后侧，支撑框架（1）位于支撑电容（2）的左右两侧，通过支撑框架（1）将基板（12）、支撑电容（2）、驱动单元（8）模块、正负复合母排（4）和交流排（5）固定连接为一个整体。

4.根据权利要求1至3所述的任一种适用于永磁牵引逆变器的功率模块，其特征在于，驱动单元（8）与绝缘结构（10）之间采用快速插拔结构实现固定连接。

5.根据权利要求1至3所述的任一种适用于永磁牵引逆变器的功率模块，其特征在于，绝缘结构（10）包括绝缘基座，绝缘基座的上表面开有用于固定驱动板（9）的两个插槽（13），两个插槽（13）之间的绝缘基座上固连有用于分隔两个驱动板（9）的绝缘挡板（14）。

6.根据权利要求5所述的一种适用于永磁牵引逆变器的功率模块，其特征在于，功率模块本体上设置有四个三相逆变单元。

7.根据权利要求6所述的一种适用于永磁牵引逆变器的功率模块，其特征在于，正负复合母排（4）为低电感母排。

8.根据权利要求7所述的一种适用于永磁牵引逆变器的功率模块，其特征在于，功率器件（7）均采用半桥封装形式。

9.根据权利要求8所述的一种适用于永磁牵引逆变器的功率模块，其特征在于，驱动单元（8）采用软门极驱动方式。

10.根据权利要求9所述的一种适用于永磁牵引逆变器的功率模块，其特征在于，基板（12）的外围与逆变器箱体的内壁之间通过密封压条（15）相连接。

Images