CN113659851B - 功率模块及具有其的牵引变流器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种功率模块及具有其的牵引变流器，功率模块用于驱动永磁电机的牵引变流器，功率模块包括：散热器组件、二个框架、前板、支撑电容及L型母排；二个框架分别装设于散热器组件的两侧；前板连接于二个框架以与散热器组件、二个框架围设形成容置空间；支撑电容设置于容置空间中；L型母排设置于散热器组件与支撑电容之间，L型母排电性连接于支撑电容及散热器组件。本发明通过对功率模块的电气连接、机械结构和组装方式进行改进，使得本发明的功率模块在实现逆变、斩波功能及控制功能的同时，可以适应箱体内不同的安装位置，可以保证与箱体的进出线方向保持一致，以达到接线简洁方便的目的。

Description

功率模块及具有其的牵引变流器

技术领域

本发明属于城市轨道交通设备技术领域，具体地说，尤其涉及一种功率模块及具有其的牵引变流器。

背景技术

随着近年来轨道交通的迅猛发展，轨道车辆的牵引系统包括牵引功率模块的相关性能就成了一个非常重要的研究领域。

牵引变流器主要功能是通过交直流之间的电能转换，实现对交流电动机的起动、调速和制动的控制，其核心单元是功率模块，主要包含散热器、开关元器件(如IGBT)、驱动设备、电容及相关接线等。

现有的功率模块多采用四组逆变单元或一组逆变单元，前者功率模块体积过大，元器件过多导致功率模块的故障率升高，后者综合占用变流器空间比例较大，增加变流器的体积和重量。两种形式安装方式单一，在电气柜内的布局和接线方式不够灵活。

发明内容

针对上述缺陷，本发明提供了一种功率模块，用于驱动永磁电机的牵引变流器，其中，功率模块包括：散热器组件、二个框架、前板、支撑电容及L型母排；二个框架分别装设于散热器组件的两侧；前板连接于二个框架以与散热器组件、二个框架围设形成容置空间；支撑电容设置于容置空间中；L型母排设置于散热器组件与支撑电容之间，L型母排电性连接于支撑电容及散热器组件。

上述的功率模块，其中，散热器组件包括：基板及翅片；基板具有相对设置的第一侧面及第二侧面，第一侧面连接于二个框架，以与前板、二个框架围设形成容置空间，IGBT元件组及至少一放电电阻装设于第一侧面上，L型母排电性连接于IGBT元件组及至少一放电电阻；翅片装设于第二侧面上。

上述的功率模块，其中，每一框架包括：平行设置的二个主梁及竖梁；主梁的一端连接于所述第一侧面；竖梁连接于主梁的另一端，支撑电容装设于主梁上。

上述的功率模块，其中，还包括：二个安装板及多个IGBT驱动板；二个安装板分别装设于支撑电容的顶部及底部上；多个IGBT驱动板分别装设于安装板上且远离支撑电容的一侧面上，IGBT驱动板电性连接于IGBT元件组。

上述的功率模块，其中，L型母排的一端的母排正负极通过母排接线柱电性连接于支撑电容的正负极端子，L型母排的另一端设置UVW电机线出线端。

上述的功率模块，其中，还包括：分线盒、电源连接器及光纤连接器；分线盒装设于前板上且远离支撑电容的一侧面上；电源连接器装设于分线盒的一侧上；光纤连接器装设于分线盒上且相对于电源连接器的另一侧上。

上述的功率模块，其中，基板的四个顶角上分别开设有轴承安装槽，功率模块还包括多个轴承，多个轴承分别对应地装设于轴承安装槽中及主梁上。

上述的功率模块，其中，第二侧面上还开设有环绕所述翅片的密封条安装槽，功率模块还包括密封条，密封条装设于密封条安装槽中。

上述的功率模块，其中，还包括二个PU把手，分别对应地装设于二个竖梁上。

本发明还提供一种牵引变流器，其中，包括至少一上述中任一项的功率模块。

本发明的有益效果在于：

本发明的功率模块，用于驱动永磁电机的牵引变流器中，单台功率模块集成两组逆变单元，在保证散热要求的同时，实现功率模块的集成化；在保证保证变流器箱体内的布线简洁的同时，通过本发明可以适应变流器箱体内的不同安装位置和进出线方向的上下对称结构的功率模块。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

在附图中：

图1是本发明的功率模块的一侧的结构示意图；

图2是本发明的功率模块的另一侧的结构示意图；

图3是散热组件的结构示意图；

图4是基板的结构示意图；

图5是基板上元件的布局示意图；

图6是散热组件与支撑电容的连接示意图；

图7是功率模块在箱体内位置及进出线方向示意图。

其中，附图标记为：

散热器组件：1；

基板：11；

轴承安装槽：111

密封条安装槽：112

第一侧面：S1；

第二侧面：S2；

翅片：12；

框架：2；

主梁：21；

竖梁：22；

前板：3；

支撑电容：4；

L型母排：5；

母排正极：51；

母排负极：502；

UVW电机线出线端：51、52、53；

斩波输出端：54；

IGBT元件组：6；

IGBT元件：61；

斩波IGBT元件：62；

放电电阻：7；

安装板：8；

IGBT驱动板：9；

分线盒：10；

电源连接器：11；

光纤连接器：12；

轴承：13；

PU把手：14。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行描述和说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。基于本申请提供的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些示例或实施例，对于本领域的普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图将本申请应用于其他类似情景。此外，还可以理解的是，虽然这种开发过程中所作出的努力可能是复杂并且冗长的，然而对于与本申请公开的内容相关的本领域的普通技术人员而言，在本申请揭露的技术内容的基础上进行的一些设计，制造或者生产等变更只是常规的技术手段，不应当理解为本申请公开的内容不充分。

在本申请中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域普通技术人员显式地和隐式地理解的是，本申请所描述的实施例在不冲突的情况下，可以与其它实施例相结合。

除非另作定义，本申请所涉及的技术术语或者科学术语应当为本申请所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本申请所涉及的“一”、“一个”、“一种”、“该”等类似词语并不表示数量限制，可表示单数或复数。本申请所涉及的术语“包括”、“包含”、“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含；例如包含了一系列步骤或模块(单元)的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可以还包括没有列出的步骤或单元，或可以还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。本申请所涉及的“连接”、“相连”、“耦接”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电气的连接，不管是直接的还是间接的。本申请所涉及的“多个”是指两个或两个以上。“和/或”描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，“A和/或B”可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。本申请所涉及的术语“第一”、“第二”、“第三”等仅仅是区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序。

下面结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细说明，但应当说明的是，这些实施方式并非对本发明的限制，本领域普通技术人员根据这些实施方式所作的功能、方法、或者结构上的等效变换或替代，均属于本发明的保护范围之内。

在详细阐述本发明各个实施例之前，对本发明的核心发明思想予以概述，并通过下述若干实施例予以详细阐述。

牵引变流器是列车关键部件之一，安装在列车动车底部，其主要功能是转换直流制和交流制间的电能量，把来自接触网上的1500V直流电转换为0～1150V的三相交流电，通过调压调频控制实现对交流牵引电动机起动、制动、调速控制。随着电力电子技术发展，牵引变流器在轨道车辆中的应用也在不断地进步与发展。其中IGBT、GTO、IPM器件属电压驱动的全控型开关器件，脉冲开关频率高、性能好、损耗小，且自保护能力也强。为此，世界上无论是干线铁路还是城市轨道的电动车辆的电气系统中均采用IGB7F、GTO、IPM模块来构成。

牵引变流器主要由供电环节，直流连接环节、PWM逆变器、电阻制动电路、制动电阻组成。功率模块(IGBT模块)是构成变流器的核心部件，PWM逆变器是由U相、V相、W相3个功率模块构成。每个模块由上下桥臂的两组IGBT元件和反并联二极管构成。

本发明提供一种功率模块，用于驱动永磁电机的牵引变流器中，单台功率模块集成两组逆变单元，在保证散热要求的同时，实现功率模块的集成化。为了驱动四个永磁电机，一台永磁牵引变流器中需要集成四组逆变单元，也就是说，一台永磁牵引变流器箱体中需要容纳两个功率模块。为了保证变流器箱体内的布线简洁，本发明设计了一种可以适应变流器箱体内的不同安装位置和进出线方向的上下对称结构的功率模块，以下结合具体实施例进行说明。

请参照图1-图2，图1是本发明的功率模块的一侧的结构示意图；图2是本发明的功率模块的另一侧的结构示意图。如图1-图2所示，本发明的功率模块，用于驱动永磁电机的牵引变流器，功率模块包括：散热器组件1、二个框架2、前板3、支撑电容4及L型母排5；二个框架2分别装设于散热器组件1的两侧；前板3连接于二个框架2以与散热器组件1、二个框架2围设形成容置空间；支撑电容4设置于容置空间中；L型母排5设置于散热器组件1与支撑电容4之间，L型母排5电性连接于支撑电容4及散热器组件1。

本发明的功率模块设计为上下对称结构，有两侧分别通过母排引出正负极接线端和UVW、斩波输出端，可根据变流器箱体内的不同位置和进出线方向调整功率模块的安装方式，即本发明的功率模块可以适应箱体内不同的安装位置，可以保证与箱体的进出线方向保持一致，以达到接线简洁方便的目的。

同时本发明的体积小、集成度高的永磁牵引变流器的功率模块，功率模块是永磁牵引变流器的核心单元，其主要核心部件包括IGBT、母排、支撑电容、驱动设备等。通过本发明设计的电气连接、机械结构和组装方式，适合应用于交直流转换的轨道车辆牵引变流器，实现逆变、斩波功能、控制功能的功率模块设计生产方案。

请参照图3-图6，图3是散热组件的结构示意图；图4是基板的结构示意图；图5是基板上元件的布局示意图；图6是散热组件与支撑电容的连接示意图。如图3-图6所示并结合图1-图2，散热器组件1包括：基板11及翅片12；基板11具有相对设置的第一侧面S1及第二侧面S2，第一侧面S1连接于二个框架2，以与前板3、二个框架2围设形成容置空间，IGBT元件组6及至少一放电电阻7装设于第一侧面S1，L型母排5电性连接于IGBT元件组6及至少一放电电阻7；翅片12装设于第二侧面S2上。

进一步地，每一框架2包括：平行设置的二个主梁21及竖梁22；主梁21的一端连接于第一侧面S1；竖梁22连接于主梁21的另一端，支撑电容4装设于主梁21上。

其中，在本发明的另一实施例中，每一框架的主梁21及竖梁22还可以为一体结构。

具体地说，基板11上开有螺纹孔和通孔，主梁21通过螺栓固定于基板11上，主梁21的前侧通过螺栓连接竖梁22和前板3，主梁21、竖梁22、前板3和基板11相配合构成整个功率模块的主体框架结构，这种结构不仅可以最大化的节省和利用空间，而且还能实现结构的稳定性，满足该功率模块使用过程中的强度和刚性需求。

其中，在本实施例中，IGBT元件组6包括至少一IGBT元件61及斩波IGBT元件62，IGBT元件61、斩波IGBT元件62和放电电阻7底面涂导热硅脂后安装于基板11上，L型母排5位于IGBT元件61及斩波IGBT元件62的前侧，通过螺栓与IGBT元件61及斩波IGBT元件62的接线柱紧密连接，L型母排5的立面与支撑电容4一侧的接线柱紧密连接。其中，IGBT元件摘要和放电电阻等发热元器件在散热器基板表面的布局设计，在实现散热要求的同时，简化了L行母排和进出线的设计。

需要说明的是，在本实施例中，以IGBT元件61的数量为6个，斩波IGBT元件62数量为1个，放电电阻7的数量为2个为较佳的实施方式，但本发明并不以此为限。

进一步地，功率模块还包括：二个安装板8及多个IGBT驱动板9，二个安装板8分别装设于支撑电容4的顶部及底部上；多个IGBT驱动板9分别装设于二个安装板8上且远离支撑电容4的一侧面上，IGBT驱动板9电性连接于IGBT元件61，L型母排5的一端的母排正极501及母排负极502通过母排接线柱电性连接于支撑电容4的正负极端子，L型母排5的另一端设置UVW电机线出线端51、52、53及斩波输出端54，其中在本实施例中，UVW电机线出线端51为U相，UVW电机线出线端52为V相，UVW电机线出线端53为W相。

需要说明的是，在本实施例中，以IGBT驱动板9的数量为8个平均装设于二个安装板上为较佳的实施方式，但本发明并不对IGBT驱动板9的数量以及安装方式进行限制。

具体地说，支撑电容4设置在L型母排5的前侧，固定于主梁21上，支撑电容4的顶部及底部通过安装板8固定有IGBT驱动板9。功率模块设计为上下对称结构，支撑电容4正负极端子一侧通过母排接线柱输出正负线，另一侧通过L型母排输出UVW电机线。如附图7所示，位置A的功率模块正负极进线位于箱体左侧，UVW出线位于箱体右侧，功率模块通过上下旋转180°安装于位置B时，同样可以保证正负极进线和UVW出线分别位于箱体的左侧和右侧，这样可以与箱体的正负极输出和UVW出线保持方向的一致性，从而使箱体内走线更加简单。

再进一步地，功率模块还包括：分线盒10、电源连接器11及光纤连接器12；分线盒10装设于所述前板3上且远离支撑电容4的一侧面上；电源连接器11装设于分线盒10的一侧上；光纤连接器12装设于分线盒10上且相对于电源连接器11的另一侧上。

具体地说，支撑电容4的前侧是前板3，分线盒10、光纤连接器12、电源连接器11分别固定于前板3，IGBT驱动板9前后两侧出线分别接于IGBT元件61和分线盒10，分线盒10出线后接于光纤连接器12和电源连接器11，这种布局走线方便简洁，且能够实现上下进出线的对称结构。

更进一步地，基板11的四个顶角上分别开设有轴承安装槽111，功率模块还包括多个轴承13，多个轴承13分别对应地装设于轴承安装槽111中及主梁21上。功率模块还包括二个PU把手14，分别对应地装设于二个竖梁22上，PU把手14位于功率模块前方左右两侧，固定于竖梁22上，轴承13位分别固定于基板11和主梁21上，可以使功率模块实现滚动位移的功能，通过PU把手14和轴承配合可以使功率模块在安装和拆卸的过程中更加的简方便省力。

更进一步地，第二侧面S2上还开设有环绕翅片12的密封条安装槽112，功率模块还包括密封条，密封条装设于密封条安装槽112中，其中散热器主要分为基板和翅片，其主要功能是为IGBT和放电电阻散热，散热器共设计10个安装孔，在满足机械固定的同时，还能保证功率模块所在腔室与风道之间的密封性；散热器的两侧开出8个缺口，在保证性能的同时，也降低了整个散热器的重量；在散热器基板的背面和四角分别加工密封条安装槽和轴承安装槽，分别用于安装密封条和轴承。

本发明还提供一种牵引变流器，包括二个上述中任一项所述的功率模块。结合图7，在本实施例中，牵引变流器的箱体内设置二个功率模块，位置A的功率模块正负极进线位于箱体左侧，UVW出线位于箱体右侧，功率模块通过上下旋转180°安装于位置B时，同样可以保证正负极进线和UVW出线分别位于箱体的左侧和右侧，这样可以与箱体的正负极输出和UVW出线保持方向的一致性，从而使箱体内走线更加简单。

综上所述，本发明的有益效果在于：

(1)集成两组逆变单元、支撑电容、母排、驱动和连接器等器件，可实现逆变、斩波、被动放电等功能，功能完整，体积小，集成度高。

(2)通过母排集成该变流器功率模块的各个器件，安装方便，结构紧凑，电气性能良好，产品稳定性好。

(3)使用强迫风冷散热器，并对散热器优化，在满足功率模块的散热需求的同时，降低散热器的重量。

(4)功率模块设计有把手和轴承，可以使其在安装和拆卸的过程中更加的方便省力。

(5)功率模块设计为上下对称结构，可以适应箱体内不同的安装位置，可以保证与箱体的进出线方向保持一致，从而简化箱体走线。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种功率模块，用于驱动永磁电机的牵引变流器，其特征在于，所述功率模块包括：

散热器组件；

二个框架，分别装设于所述散热器组件的两侧；

前板，连接于二个所述框架以与所述散热器组件、二个所述框架围设形成容置空间；

支撑电容，设置于容置空间中；

L型母排，设置于所述散热器组件与所述支撑电容之间，所述L型母排电性连接于所述支撑电容及所述散热器组件；

其中，所述散热器组件包括：

基板，具有相对设置的第一侧面及第二侧面，所述第一侧面连接于二个所述框架，以与所述前板、二个所述框架围设形成所述容置空间，IGBT元件组及至少一放电电阻装设于所述第一侧面上，所述L型母排电性连接于所述IGBT元件组及至少一所述放电电阻；

翅片，装设于所述第二侧面上；

所述功率模块还包括：

二个安装板，分别装设于所述支撑电容的顶部及底部上；

多个IGBT驱动板，分别装设于所述安装板上且远离所述支撑电容的一侧面上，所述IGBT驱动板电性连接于所述IGBT元件组，所述支撑电容设置在所述L型母排的前侧，所述支撑电容的顶部及底部通过所述安装板固定所述IGBT驱动板；所述功率模块设计为上下对称结构，所述支撑电容的正负极端子一侧通过母排接线柱输出正负线，另一侧通过所述L型母排输出UVW电机线。

2.如权利要求1所述的功率模块，其特征在于，每一所述框架包括：

平行设置的二个主梁，所述主梁的一端连接于所述第一侧面；

竖梁，连接于所述主梁的另一端，所述支撑电容装设于所述主梁上。

3.如权利要求1所述的功率模块，其特征在于，所述L型母排的一端的母排正负极通过母排接线柱电性连接于所述支撑电容的正负极端子，所述L型母排的另一端设置UVW电机线出线端。

4.如权利要求1所述的功率模块，其特征在于，还包括：

分线盒，装设于所述前板上且远离所述支撑电容的一侧面上；

电源连接器，装设于所述分线盒的一侧上；

光纤连接器，装设于所述分线盒上且相对于所述电源连接器的另一侧上。

5.如权利要求2所述的功率模块，其特征在于，所述基板的四个顶角上分别开设有轴承安装槽，所述功率模块还包括多个轴承，多个所述轴承分别对应地装设于所述轴承安装槽中及所述主梁上。

6.如权利要求1所述的功率模块，其特征在于，所述第二侧面上还开设有环绕所述翅片的密封条安装槽，所述功率模块还包括密封条，所述密封条装设于所述密封条安装槽中。

7.如权利要求2所述的功率模块，其特征在于，还包括二个PU把手，分别对应地装设于二个所述竖梁上。

8.一种牵引变流器，其特征在于，包括至少一上述权利要求1-7中任一项所述的功率模块。

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