CN113659848B - 辅助逆变模块及轨道车辆 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种辅助逆变模块及轨道车辆。所述辅助逆变模块包括：风道组件，包括内部具有风道的连接座；散热器组件，包括散热器，散热器具有散热器基板和散热翅片，散热翅片位于风道内；散热器基板上安装有IGBT单元，IGBT单元上安装有叠层母排，叠层母排的一侧设置有母排三相输出引脚和母排正负零输入引脚；驱动板组件，包括设有绝缘隔板和IGBT驱动板单元的安装架，绝缘隔板竖直设置在安装架上靠近母排三相输出引脚一侧。本发明结构紧凑，其按功能单元分为是三个组件，组件化分层设计，对内部器件进行合理布局，充分利用每层设计空间，避免空间浪费，使得该逆变模块布局整洁且有序，实现轻量化设计；同时该逆变模块为快插式结构，拆装方便省时省力。

Description

辅助逆变模块及轨道车辆

技术领域

本发明属于逆变器技术领域，尤其涉及一种辅助逆变模块及轨道车辆。

背景技术

辅助逆变模块为轨道交通中使用的各种变流器的关键部件，其合理的设计能够极大的改善变流器的使用，因此，对辅助逆变模块的开发设计成为当前技术发展的趋势。

现有地铁辅助逆变模块按冷却方式主要分为自然冷却类和强迫风冷类，自然冷却类变器模块热管体积巨大，需三人以上合作才能拆卸安装，具有施工安全隐患；强迫风冷逆变器相对于自然冷却类型来说，重量体积相对较小，因而得到广泛的应用。现有辅助逆变模块存在以下问题：

1、传统轨道交通辅助逆变模块体积及重量较大，使得箱体高度无法缩小，难以进行小型轻量化设计，且安装操作与维修困难；

2、现有辅助逆变模块多采用电信号传输信息，抗干扰能力弱；同时IGBT驱动板缺少有效地绝缘措施，故障率较高；

3、随着轨道交通的发展，系统的集成度日趋提高，辅助逆变器的容量不断增大，通常采用增大箱体尺寸来布置更多器件，或在不增加尺寸情况下，增加器件，以增加系统容量，过多的器件众多器件给空间布局安装带来困难，造成器件布置复杂混乱、布线难度较大，且走线杂乱无章，器件拆装维护不便，生产周期长，后期现场维护不方便。

因此，有必要结合轨道交通应用需求及可实现整机轻量化的相关技术，在现有辅助逆变模块基础上进行改进，提供一种新的辅助逆变模块以满足辅助逆变器应用需求。

发明内容

本发明针对上述技术问题，提出一种快插式的辅助逆变模块及轨道车辆。所述辅助逆变模块具有高集成化的优点，其按功能单元自上而下顺序依次排布设置有驱动板组件、散热器组件和风道组件，其组件化分层设计，对箱体内部器件进行合理布局，充分利用每层设计空间，避免空间浪费，使得该逆变模块布局整洁且有序，极大降低箱体高度以及体积，实现轻量化设计。

为了实现上述目的，本发明提供了一种辅助逆变模块，包括：

风道组件，包括连接座，其内部具有风道；

散热器组件，包括散热器，散热器具有散热器基板和散热翅片，散热翅片位于所述风道内；所述散热器基板上安装有IGBT单元，IGBT单元上安装有叠层母排，所述叠层母排的一侧设置有母排三相输出引脚和母排正负零输入引脚；

驱动板组件，包括安装架，所述安装架上设有绝缘隔板和IGBT驱动板单元，所述绝缘隔板竖直设置在安装架上靠近所述母排三相输出引脚一侧；

其中，所述风道组件、散热器组件与驱动板组件连接形成逆变模块主体。

本技术方案按功能单元自上而下顺序依次排布设置有驱动板组件、散热器组件和风道组件，其组件化分层设计，对箱体内部器件进行合理布局，充分利用每层设计空间，避免空间浪费，使得该逆变模块布局整洁且有序，极大降低箱体高度以及体积，实现轻量化设计。

在其中一些实施例中，所述辅助逆变模块还包括箱体，所述散热器基板平行于风道内风向的两侧设置有滑动组件，所述箱体内设置供所述滑动组件滑动的滑道，所述滑道与滑动组件配合使得逆变模块主体可拆卸地连接在所述箱体内。

本技术方案通过滑动组件与滑道配合，使得逆变模块主体能够快速、准确的进行安装操作及拆卸维修，有效缩短生产周期，省时省力；同时本技术方案提供的辅助逆变模块采用独立风道设计，直接与散热翅片组合，节省了箱体内部风道，降低箱体内部密封风险点。

在其中一些实施例中，所述散热器基板平行于风道内风向的两侧均设置有第一安装件，两滑道靠近风道进风口的一端均设置有第二安装件，所述逆变模块主体沿滑道推入箱体并达到后限位后，第一安装件与第二安装件配合快锁，使得逆变模块主体安装于箱体内。

本技术方案中辅助逆变模块的安装点位于箱体最外侧，其通过滑动组件与滑道配合，同时采用快锁安装，无需工具，手动即可拆卸安装，方便快捷。

在其中一些实施例中，所述辅助逆变模块还包括支撑电容，所述支撑电容独立设置在所述逆变模块主体的一侧，且通过电容母排与所述叠层母排电性连接。

本技术方案将支撑电容移出至逆变模块主体外侧且，设置在箱体内，可降低箱体总体高度，实现轻量化设计。

在其中一些实施例中，所述电容母排设有第一快接插头，所述箱体内设置有与线缆连接的第二快接插头，所述逆变模块主体安装在箱体内时，母排正负零输入引脚与母排三相输出引脚分别接入第一快接插头和第二快接插头。

本技术方案中，母排三相输出引脚与母排正负零输入引脚分别通过对应的快接插头快速连接，无需螺栓紧固，省时省力，且避免不必要的接线结构造成器件的布局压力。

在其中一些实施例中，所述第一快接插头与第二快接插头的结构相同，其包括插头本体、压合体、导向柱和弹簧；所述导向柱的一端固设于插头本体内，其另一端依次穿过压合体和弹簧，所述弹簧的两端分别被压合体和导向柱的另一端轴向限定；所述导向柱的底部套设有环形凸台，所述环形凸台在所述压合体与插头本体之间形成插接区，用以叠层母排接入。

本技术方案中，当叠层母排设有的引脚结构插入插接区时，压合体上移，同时弹簧压缩，压紧压合体，继而使得压合体压紧引脚结构，从而保证叠层母排的两引脚结构与插头本体搭接。

在其中一些实施例中，所述压合体与插头本体均设置有导向倾斜面，用以对叠层母排的插入进行导向。

在其中一些实施例中，所述散热器基板上还设置有导热板和温度开关，所述IGBT单元安装于所述导热板上；所述叠层母排上安装有多个平衡电阻，所述多个平衡电阻连接至相应的接线柱上。

本技术方案中导热板可以增加导热性能，同时对IGBT单元与金属散热器之间进行有效绝缘，使IGBT单元可以适应于更高的电压要求。

在其中一些实施例中，所述滑动组件包括滑轮和支撑板，所述支撑板具有连接部和安装部，所述连接部连接于所述散热器的基板，所述安装部由所述连接部朝向所述进风风道方向折弯伸出，所述滑轮安装于安装部的内侧；和/或，所述辅助逆变模块的主电路采用三电平逆变拓扑结构。

本技术方案采用滑轮构成的滑动组件，其结构简单、成本较低，方便安装；同时主电路采用三电平逆变拓扑结构，可使波形更加接近正弦波，即谐波含量更少；开关器件电压等级更低，可实现更高的开关频率，大幅降低后端滤波器件的重量；开关器件开关损耗更低，有利于减轻散热片厚度及重量；同时有利于降低对外的电磁干扰。

本发明还提供一种轨道车辆，所述轨道车辆安装有上述任一项技术方案所述的辅助逆变模块。

附图说明

图1为本发明实施例辅助逆变模块整体爆炸图；

图2为本发明实施例驱动板组件的结构示意图；

图3为本发明实施例驱动板安装示意图；

图4为本发明实施例散热器组件的结构示意图；

图5为本发明实施例风道组件的结构示意图；

图6为本发明实施例叠层母排与支撑电容、快插接头连接的结构示意图；

图7为本发明实施例逆变模块主体的安装拆卸状态图；

图8为本发明实施例叠层母排的引脚示意图；

图9为本发明实施例电容母排与第一快插接头连接的结构示意图；

图10为本发明实施例快接插头未接引脚的状态图；

图11为本发明实施例快接插头接入引脚的状态图；

图12为本发明实施例滑动组件的结构示意图；

图13为本发明实施例辅助逆变模块主电路的电气拓扑图。

其中：辅助逆变模块100；逆变模块主体10；驱动板组件1；安装架11；IGBT驱动板单元12；驱动板121；第一绝缘板122；第二绝缘板123；绝缘隔离柱124；安装螺栓125；螺母126；绝缘隔板13；散热器组件2；散热器基板21；散热翅片22；IGBT单元23；叠层母排24；母排三相输出引脚241；母排正负零输入引脚242；导热板25；温度开关26；平衡电阻27；滑动组件28；滑轮281；支撑板282；连接部2821；安装部2822；螺栓283；支撑座284；第一安装件29；风道组件3；风道31；进风口311；补片32；风口连接板33；风道主体34；密封件35；侧加强板36；滑道4；第二安装件41；第二快接插头42；支撑电容5；电容母排51；第一快接插头52；插头本体521；压合体522；导向柱523；弹簧524；环形凸台525；导向倾斜面526。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做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，需要理解的是，术语“中心”、“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或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。

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或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。

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”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参考图1，本发明提供了一种辅助逆变模块100，辅助逆变模块100包括按功能单元设置、且自上而下依次排布的驱动板组件1、散热器组件2和风道组件3，组件化分层设计，充分利用每层设计空间，无浪费空间，使得该逆变模块布局整洁且有序。本实施例中，风道组件3、散热器组件2与驱动板组件1连接形成逆变模块主体。

参考图2、图3，驱动板组件1包括绝缘隔板13、IGBT驱动板单元12和安装架11，安装架11上安装有绝缘隔板13和IGBT驱动板单元12，绝缘隔板13竖直设置在安装架11上靠近母排三相输出引脚241一侧。其中，安装架11为钣金折弯件，两侧折弯边设置扎线孔，用于驱动板组件1线缆布置；绝缘隔板13为IGBT驱动板单元12与叠层母排提供电气间隙，从而将强电区域弱电区分开，提高安全性能。本实施例中，为有效保证IGBT驱动板单元12中驱动板121的绝缘要求，驱动板121采用双层绝缘安装。参考图3，第一绝缘板122与第二绝缘板123通过安装螺栓125、螺母126与绝缘隔离柱124实现驱动板121的安装，第一绝缘板122与第二绝缘板123的配合，增大了绝缘效果，因此可缩短IGBT驱动板单元12与叠层母排24高度方向上的距离，即缩短安装架11的高度尺寸，从而缩减整体模块的高度尺寸，实现模块的高集成化。进一步的，安装架11上还设有光纤连接器，使得IGBT驱动板单元12采用光信号传输信息，进一步提高信息传输速度以及信息传输稳定性，其抗干扰能力强。

参考图4，散热器组件2包括散热器，散热器具有散热器基板21和散热翅片22，散热翅片22位于风道31内；散热器基板21上安装有IGBT单元23，IGBT单元23上安装有叠层母排24，叠层母排24的一侧设置有母排三相输出引脚241和母排正负零输入引脚242；进一步的，散热器基板21上还设置有导热板25和温度开关26，IGBT单元23安装于导热板25上；叠层母排24上安装有多个平衡电阻27，多个平衡电阻27连接至相应的接线柱上。本实施例中，导热板25采用绝缘材质可以增加导热性能，同时对IGBT单元23与金属散热翅片22之间进行有效隔离，使IGBT单元23可以适应于更高的电压要求；温度开关26连接至充电机模块的主控单元(图中未画出)，用于实时检测并反馈散热器基板21的温度。需要说明的是，充电机模块的主控单元位于变流系统的控制模块中，并未集成到该充电机模块中。温度开关26用于将检测到的温度信号传送给主控单元，主控单元接收该温度信号，并执行相关操作，有效的保证了充电机模块运行中的安全性。本实施例中，导热板25为氮化铝陶瓷板，其对三电平逆变拓扑下IGBT耐压不足的问题进行解决，增加了模块在高电压等级下应用的通用性。

具体地说，IGBT单元23、温度开关26、导热板25根据功率器件的发热功率以及安装需求按一定的次序直接安装于散热器基板21上，叠层母排24直接安装于IGBT单元23上且两者电性连接；叠层母排24中部区域设置多处驱动线孔，用以缩短驱动线长，提高抗干扰能力和性能；多个平衡电阻27按功能需求安装到叠层母排24相对应的接线柱上，叠层母排24上设有UVW母排三相输出引脚241和母排正负零输入引脚242，用以后续接线。

参考图5，风道组件3包括连接座，连接座内部具有风道31，用以容纳散热翅片22并通过采用强迫风完成散热。具体地说，本实施例中，连接座由一定数量比例的补片32、风口连接板33以及风道主体34按通过焊接或者铆接的形式相连接组成；风口连接板33与风道主体34两端组成封闭的圆环上以及风道31的进出风口均安装有密封件35，风道主体34平行于风道31内风向方向的两侧安装有侧加强板36，侧加强板36结合风道主体34与散热翅片22相连接，包裹住散热翅片22，确保空气流入风道31、进入翅片间隙完成散热。辅助逆变模块100具有的风道31为独立风道设计，直接与散热翅片组合，有利于提高散热效果，同时节省了箱体内部风道，降低了箱体内部密封风险点

进一步的，参考图7，辅助逆变模块100还包括箱体，散热器基板21平行于风道31内风向的两侧设置有滑动组件28，箱体内设置供滑动组件28滑动的滑道4，滑道4与滑动组件28配合使得逆变模块主体可拆卸地连接在箱体内，进而使其能够快速、准确的进行安装操作及拆卸维修，有效缩短生产周期，省时省力。

具体地说，参考图12，滑动组件28包括支撑板282和滑轮281，支撑板282为钣金折弯件，其包括连接部2821和安装部2822，连接部2821连接于散热器基板21上，安装部2822由连接部2821朝向散热翅片22方向折弯伸出，滑轮281安装于安装部2822的内侧。进一步的，还包括连接于安装部2822与滑轮281之间的支撑座284，支撑座284固设于安装部2822上，且其含有内螺纹，滑轮281通过螺栓283实现与支撑座284的紧固连接，进而实现滑轮281与安装部2822的紧固连接。本实施例中，优选采用滑轮281与滑道4滑动配合，其结构简单，成本较低。

参考图7，散热器基板21平行于风道31内风向的两侧均设置有第一安装件29，两滑道4靠近风道31进风口311的一端均设置有第二安装件42，逆变模块主体沿滑道4推入箱体并达到后限位后，第一安装件29与第二安装件42配合快锁，使得逆变模块主体安装于箱体内。拆卸过程中，只需拆除快锁，将逆变模块主体通过滑轮281从滑道4内滑出，从而完成逆变模块主体的拆卸，无需其他工具，手动即可操作，简单方便。

参考图6～图9，辅助逆变模块100还包括支撑电容5，支撑电容5独立设置在逆变模块主体的一侧，且通过电容母排51与叠层母排24电性连接；电容母排51设有第一快接插头52，箱体内设置有与线缆连接的第二快接插头42，逆变模块主体安装在箱体内时，母排正负零输入引脚242与母排三相输出引脚241分别接入第一快接插头52和第二快接插头42，使得逆变模块主体与支撑电容5和箱体快速连接。将支撑电容5移出至逆变模块主体外部，并将其设置在箱体内，可降低箱体总体高度，实现轻量化设计。现有技术中叠层母排与电容母排之间通过螺栓连接，安装点较多且安装复杂，需要的安装空间较大，辅助逆变模块的叠层母排与外部的铜排或导线也均通过螺栓连接，不利于辅助逆变模块的拆装。本实施例与现有技术相比，通过第一、第二快接插头实现叠层母排24与电容母排、箱体的快速连接，即实现整个逆变模块主体的快插，无需螺栓紧固，结构简单，省时省力。本实施例中，母排三相输出引脚241、母排正负零输入引脚242均设有三个，因此第一快接插头52和第二快接插头42也对应设置有三个。

参考图11，第一快接插头52与第二快接插头42的结构相同，其包括插头本体521、压合体522、导向柱523和弹簧524；导向柱523的一端固设于插头本体521内，其另一端依次穿过压合体522和弹簧524，弹簧524的两端分别被压合体522和导向柱523的另一端轴向限定；导向柱523的底部套设有环形凸台525，环形凸台525在所述压合体522与插头本体521之间形成插接区，用以叠层母排24接入。本实施例中，优选地，压合体522与插头本体521均设置有导向倾斜面526用以实现母排接入导向，母排正负零输入引脚242与母排三相输出引脚241接入快速插头的整个过程中，导向柱523起定位和导向作用。本实施例中，第一快接插头52与第二快接插头42与叠层母排24件的连接为弹性连接，相比于硬质铜排间的连接，可弹性补偿连接过程中的误差，避免过电流损坏逆变模块主体上的各电器件。

辅助逆变模块100的主电路采用三电平逆变拓扑结构，利用拓扑特点，降低了高电压场景下应用的IGBT电压等级，同步降低了IGBT损耗，提高其开关频率，降低后级滤波电路体积、重量。参考图13，辅助逆变模块100中主要包括9块IGBT，其中QU1包括一个U相桥臂外管和一个钳位二极管，QU2包括两个U相桥臂内管，QU3包括一个U相桥臂外管和一个钳位二极管，3块IGBT组成逆变器U相桥臂，同样QV1、QV2、QV3组成逆变器V相桥臂，QW1、QW2、QW3组成逆变器W相桥臂，每相桥臂用两块驱动板驱动，驱动板针对三电平应用设计，具备智能故障管理功能，能够独立完成短路关断逻辑保护、PWM指令故障、接插件脱落、驱动供电异常保护功能。进一步的，每相桥臂配置一个平衡电阻，用于实现IGBT内外管关断工况下电压均衡分配，避免某一IGBT承受耐压过高，导致IGBT过压击穿。

继续参考图13，每个桥臂上有6个电力半导体器件，它通过对直流侧的分压和开关动作的不同组合实现多电平阶梯波输出电压，可以使波形更加接近正弦波。从其电气性能看输出PWM波形更接近于正弦，即谐波含量更少；开关器件电压等级更低，实际应用中可实现更高的开关频率，大幅降低后端滤波器件的重量；开关器件开关损耗更低，有利于减轻散热片厚度及重量；同时由于开关器件工作电压是两电平的一半，所以开关器件动作时具有更小的du/dt，有利于降低对外的电磁干扰。传统采用两电平逆变电路的逆变模块其本发明相比相比，要想与本发明输出同等波形质量，不仅要应用更高的开关频率，而且还要匹配更大的滤波器，增大了辅助逆变模块的体积及重量，不利于轻量化设计。

本发明还提供一种轨道车辆，轨道车辆安装有上述任一项技术方案所述的的辅助逆变模块，因此该轨道车辆也具有上述所有技术效果，在此不再进行赘述。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (9)

1.一种辅助逆变模块，其特征在于，包括：

风道组件，包括连接座，其内部具有风道；

散热器组件，包括散热器，散热器具有散热器基板和散热翅片，散热翅片位于所述风道内；所述散热器基板上安装有IGBT单元，IGBT单元上安装有叠层母排，所述叠层母排的一侧设置有母排三相输出引脚和母排正负零输入引脚；

驱动板组件，包括安装架，所述安装架上设有绝缘隔板和IGBT驱动板单元，所述绝缘隔板竖直设置在安装架上靠近所述母排三相输出引脚一侧，其中，所述风道组件、散热器组件与驱动板组件连接形成逆变模块主体；

支撑电容，独立设置在所述逆变模块主体的一侧，且通过电容母排与所述叠层母排电性连接，所述电容母排设有第一快接插头，所述母排正负零输入引脚接入所述第一快接插头；

所述第一快接插头包括插头本体、压合体、导向柱和弹簧，所述导向柱的一端固设于插头本体内，其另一端依次穿过压合体和弹簧，所述弹簧的两端分别被压合体和导向柱的另一端轴向限定；所述导向柱的底部套设有环形凸台，所述环形凸台在所述压合体与插头本体之间形成插接区，用以供叠层母排接入。

2.如权利要求1所述的辅助逆变模块，其特征在于，还包括箱体，所述散热器基板平行于风道内风向的两侧设置有滑动组件，所述箱体内设置供所述滑动组件滑动的滑道，所述滑道与滑动组件配合使得逆变模块主体可拆卸地连接在所述箱体内。

3.如权利要求2所述的辅助逆变模块，其特征在于，所述散热器基板平行于风道内风向的两侧均设置有第一安装件，两滑道靠近风道进风口的一端均设置有第二安装件，所述逆变模块主体沿滑道推入箱体并达到后限位后，第一安装件与第二安装件配合快锁，使得逆变模块主体安装于箱体内。

4.如权利要求2所述的辅助逆变模块，其特征在于，所述箱体内设置有与线缆连接的第二快接插头，所述逆变模块主体安装在箱体内时，所述母排三相输出引脚接入所述第二快接插头。

5.如权利要求4所述的辅助逆变模块，其特征在于，所述第一快接插头与第二快接插头的结构相同。

6.如权利要求1所述的辅助逆变模块，其特征在于，所述压合体与插头本体均设置有导向倾斜面。

7.如权利要求1所述的辅助逆变模块，其特征在于，所述散热器基板上还设置有导热板和温度开关，所述IGBT单元安装于所述导热板上；所述叠层母排上安装有多个平衡电阻，所述多个平衡电阻连接至相应的接线柱上。

8.如权利要求2所述的辅助逆变模块，其特征在于，所述滑动组件包括滑轮和支撑板，所述支撑板具有连接部和安装部，所述连接部连接于所述散热器的基板，所述安装部由所述连接部朝向所述风道组件方向折弯伸出，所述滑轮安装于安装部的内侧；和/或，

所述辅助逆变模块的主电路采用三电平逆变拓扑结构。

9.一种轨道车辆，其特征在于，所述轨道车辆安装有权利要求1～8任一项所述的辅助逆变模块。

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