CN113972844A - 一种电力电子牵引变压器及其高压三电平功率模块 - Google Patents

一种电力电子牵引变压器及其高压三电平功率模块 Download PDF

Info

Publication number
CN113972844A
CN113972844A CN202010722861.6A CN202010722861A CN113972844A CN 113972844 A CN113972844 A CN 113972844A CN 202010722861 A CN202010722861 A CN 202010722861A CN 113972844 A CN113972844 A CN 113972844A
Authority
CN
China
Prior art keywords
voltage
level
bridge
power module
assembly
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202010722861.6A
Other languages
English (en)
Other versions
CN113972844B (zh
Inventor
彭凯
范伟
黄南
魏海山
陈正文
漆宇
陈涛
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
CRRC Zhuzhou Institute Co Ltd
Original Assignee
CRRC Zhuzhou Institute Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by CRRC Zhuzhou Institute Co Ltd filed Critical CRRC Zhuzhou Institute Co Ltd
Priority to CN202010722861.6A priority Critical patent/CN113972844B/zh
Publication of CN113972844A publication Critical patent/CN113972844A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN113972844B publication Critical patent/CN113972844B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/003—Constructional details, e.g. physical layout, assembly, wiring or busbar connections
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M5/00—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases
    • H02M5/40—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into dc
    • H02M5/42—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into dc by static converters
    • H02M5/44—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into dc by static converters using discharge tubes or semiconductor devices to convert the intermediate dc into ac
    • H02M5/453—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into dc by static converters using discharge tubes or semiconductor devices to convert the intermediate dc into ac using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M5/458—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into dc by static converters using discharge tubes or semiconductor devices to convert the intermediate dc into ac using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M5/4585—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into dc by static converters using discharge tubes or semiconductor devices to convert the intermediate dc into ac using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only having a rectifier with controlled elements
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/483—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/53—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M7/537—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters
    • H02M7/5387—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters in a bridge configuration
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K7/00—Constructional details common to different types of electric apparatus
    • H05K7/20—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating
    • H05K7/2089—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating for power electronics, e.g. for inverters for controlling motor

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Rectifiers (AREA)
  • Inverter Devices (AREA)

Abstract

本发明公开了一种电力电子牵引变压器及其高压三电平功率模块，其中，高压三电平功率模块包含：四象限H桥电路、直流支撑电容和三电平H桥DC逆变电路；所述四象限H桥电路包含：4个四象限H桥功率器件，用于将A/B级联输入交流电压升压为直流电压；所述三电平H桥DC逆变电路包含：6个三电平H桥功率器件，用于将所述直流电压逆变为交流方波电压，即为采用了三电平软开关技术，以使得高压模块的工作频率大幅度提高，最后再由U/V输出端子输出给后端电路的中间隔离变压器，从而有助于减小了后端的中间隔离变压器的体积和重量。

Description

一种电力电子牵引变压器及其高压三电平功率模块
技术领域
本发明涉及电力电子牵引变压器变流技术领域，特别涉及一种电力电子牵引变压器及其高压三电平功率模块。
背景技术
随着大功率电力电子元器件及控制技术的发展，一种通过电力电子变换技术实现电压变换和能量传递的新型变压器——电力电子牵引变压器PETT(power electronictraction transformer)越来越得到关注，它可用于替换重量和体积庞大的工频牵引变压器。
由于牵引设备安装空间局限，且铁路供电网压非常高，PETT装置的设计存在较大难度。目前国内还没有PETT的应用业绩，国外厂商设计制造的PETT装置仅应用于15kV，16.67Hz的线路上；我国的铁路供电网为25kV,50Hz线路,电压和频率更高，绝缘设计难度更大；
然而，PETT装置频率的提高而带来的减重减体积收益却相对变小，这对PETT装置的安装空间带来了挑战。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种高压三电平功率模块，能够大幅度提高了高压三电平功率模块的工作频率，从而有助于减小了后端的中间隔离变压器的体积和重量。
本发明还提供了一种应用上述高压三电平功率模块的电力电子牵引变压器。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种高压三电平功率模块，包含：四象限H桥电路、直流支撑电容和三电平H桥DC逆变电路；
所述四象限H桥电路包含：4个四象限H桥功率器件，用于将A/B级联输入交流电压升压为直流电压；
所述三电平H桥DC逆变电路包含：6个三电平H桥功率器件，用于将所述直流电压逆变为交流方波电压，并再由U/V输出端子将所述交流方波电压输出给后端电路的中间隔离变压器。
优选地，所述四象限H桥功率器件为6500V电压等级的单管器件；所述三电平H桥功率器件为3300V电压等级的双管IGBT器件或相同封装的SiC器件。
优选地，还包含：电容复合母排和散热及器件组件；
所述散热及器件组件包含：所述四象限H桥功率器件和所述三电平H桥功率器件；
所述直流支撑电容安装在所述散热及器件组件的底部，且通过所述电容复合母排与所述散热及器件组件相连。
优选地，所述直流支撑电容为长方体扁平结构，所述直流支撑电容的前方短边侧面设有电路端子，所述直流支撑电容的长边侧面设有用于同绝缘外壳导向配合的凸台。
优选地，还包含：驱动组件和控制组件；
所述驱动组件安装在所述散热及器件组件的左右两侧面；所述控制组件安装在所述散热及器件组件的顶部。
优选地，所述驱动组件包含：4个四象限H桥功率器件驱动电路板和6个三电平H桥功率器件驱动电路板；
4个所述四象限H桥功率器件驱动电路板分别安装在所述散热及器件组件的左右两侧面，且与4个所述四象限H桥功率器件一一对应配合；6个所述三电平H桥功率器件驱动电路板分别安装在所述散热及器件组件的左右两侧面，且与6个所述三电平H桥功率器件一一对应配合。
优选地，所述控制组件包含：控制板、电源板和传感器组件；
所述控制板和所述电源板安装在所述散热及器件组件顶部的靠前方位置；所述传感器组件安装在所述散热及器件组件顶部的中间位置。
优选地，所述控制组件还包含：无线供电接收模块；所述无线供电接收模块安装在所述散热及器件组件的前方侧面。
优选地，所述散热及器件组件还包含：组件框架和散热器；
所述散热器竖直安装于所述组件框架的中部；4个所述四象限H桥功率器件分别对称安装于所述散热器的左右两侧面；6个所述三电平H桥功率器件分别对称安装于所述散热器的左右两侧面。
优选地，所述散热器为长方形扁平结构，且通过真空钎焊加工得到；所述散热器内部设有S型流道或者上下直通型并联流道。
优选地，所述组件框架包含：左侧框架和右侧框架；所述散热器连接在所述左侧框架和所述右侧框架之间；
所述左侧框架和/或所述右侧框架是通过钣金件折弯得到，且设有镂空结构。
优选地，还包括：用于连接所述左侧框架顶部和所述右侧框架顶部的横梁；所述横梁设有用于同绝缘外壳配合的固定装配结构。
一种电力电子牵引变压器，包括：高压模块和中间隔离变压器，所述高压模块为如上所述的高压三电平功率模块；
所述高压三电平功率模块用于通过A/B级联输入连接于25kV电网级联，所述高压三电平功率模块用于通过U/V输出端子连接于所述中间隔离变压器。
优选地，还包括：用于套装所述高压三电平功率模块的绝缘外壳；
所述高压三电平功率模块的直流支撑电容为长方体扁平结构，所述直流支撑电容的长边侧面设有用于同所述绝缘外壳导向配合的凸台；所述绝缘外壳内设有用于同所述凸台配合的凹槽。
优选地，所述高压三电平功率模块为长方体结构；所述绝缘外壳为用于同所述长方体结构匹配的厢式结构。
从上述的技术方案可以看出，本发明提供的高压三电平功率模块中，首先通过四象限H桥电路将A/B级联输入交流电压升压为直流电压，然后再通过三电平H桥DC逆变电路将直流电压逆变为交流方波电压，即为采用了三电平软开关技术，以使得高压模块的工作频率大幅度提高，最后再由U/V输出端子输出给后端电路的中间隔离变压器，从而有助于减小了后端的中间隔离变压器的体积和重量。
本发明还提供了一种电力电子牵引变压器，由于采用了上述的高压三电平功率模块，因此其也就具有相应的有益效果，具体可以参照前面说明，在此不再赘述。
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简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的高压三电平功率模块的主电路图；
图2为本发明实施例提供的高压三电平功率模块的结构示意图；
图3为本发明另一实施例提供的高压三电平功率模块的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的散热及器件组件的结构示意图；
图5为本发明另一实施例提供的散热及器件组件的结构示意图；
图6为本发明实施例提供的绝缘外壳的结构示意图。
其中，1为直流支撑电容；2为电容复合母排；3为散热及器件组件，3a为散热器，3b为左侧框架，3c为四象限H桥功率器件，3d为三电平H桥功率器件，3e为器件复合母排，3f为流体进出口，3g为右侧框架；4为驱动组件；5为控制板；6为电源板；7为传感器组件，7a为电压传感器，7b为气体浓度传感器；8为无线供电接收模块；9为横梁；10为绝缘出线座；11为绝缘壳体。
具体实施方式
在电力电子牵引变压器中，高压模块的前端为25kV电网级联，后端为中间隔离变压器，造成整个高压模块相对大地的电压非常高。考虑到PETT装置安装在车辆的底部，对柜体与模块的尺寸有严格的限制，柜体内部没有足够的空间实现架空高压隔离。为了简化电力电子牵引变压器(PETT)的结构，本发明设计了一款高压IGBT功率模块，其器件电压等级达6.5kV，并应用三电平软开关技术，使高压IGBT的开关频率达到6kHz以上，大幅减小电路后端的隔离变压器体积和重量；另外，模块配合外部绝缘壳体，绝缘耐压达85kV，有效解决了高电压的绝缘隔离问题。
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，所描述的实施例仅仅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。
本发明实施例提供的高压三电平功率模块，如图1和图2所示，包含：四象限H桥电路、直流支撑电容1和三电平H桥DC逆变电路；
如图4所示，四象限H桥电路包含：4个四象限H桥功率器件3c，用于将A/B级联输入交流电压升压为直流电压；
如图5所示，三电平H桥DC逆变电路包含：6个三电平H桥功率器件3d，用于将直流电压逆变为交流方波电压，并再由U/V输出端子将交流方波电压输出给后端电路的中间隔离变压器。
从上述的技术方案可以看出，本发明实施例提供的高压三电平功率模块中，首先通过四象限H桥电路将A/B级联输入交流电压升压为直流电压，然后再通过三电平H桥DC逆变电路将直流电压逆变为交流方波电压，即为采用了三电平软开关技术，以使得高压模块的工作频率大幅度提高，最后再由U/V输出端子输出给后端电路的中间隔离变压器，从而有助于减小了后端的中间隔离变压器的体积和重量。
具体地，为了更好地实现将A/B级联输入交流电压升压为直流电压，相应地，四象限H桥功率器件3c为6500V电压等级的单管器件；为了更好地提高三电平H桥逆变电路的工作频率，相应地，三电平H桥功率器件3d为3300V电压等级的双管IGBT器件或相同封装的SiC器件。
在本方案中，如图2和图3所示，本发明实施例提供的高压三电平功率模块还包含：电容复合母排2和散热及器件组件3；
如图4和图5所示，散热及器件组件3包含：四象限H桥功率器件3c和三电平H桥功率器件3d；
直流支撑电容1安装在散热及器件组件3的底部，且通过电容复合母排2与散热及器件组件3相连。
另外，如图2所示，本发明实施例提供的高压三电平功率模块还包含：驱动组件4和控制组件；
驱动组件4安装在散热及器件组件3的左右两侧面；控制组件安装在散热及器件组件3的顶部。本方案如此设计，以使得高压三电平功率模块的结构更加地紧凑，以便于更好地实现模块化设计，而且，如此布局还有助于各个组件与其外部组件形成对位配合。
为了进一步优化上述技术方案，如图2所示，直流支撑电容1为长方体扁平结构，以便于高压三电平功率模块能够形成长方体结构，以使得高压三电平功率模块能够适配于柜体的安装；
直流支撑电容1的前方短边侧面设有电路端子，直流支撑电容1的长边侧面设有用于同绝缘外壳导向配合的凸台。当然，绝缘外壳11内壁设有用于同凸台配合的导向结构，具体详情可见下文描述。
在本方案中，驱动组件4包含：4个四象限H桥功率器件驱动电路板和6个三电平H桥功率器件驱动电路板；
4个四象限H桥功率器件驱动电路板分别安装在散热及器件组件3的左右两侧面，且与4个四象限H桥功率器件3c一一对应配合；6个三电平H桥功率器件驱动电路板分别安装在散热及器件组件3的左右两侧面，且与6个三电平H桥功率器件3d一一对应配合。本方案如此设计，具有结构紧凑、布局合理等特点。
具体地，如图2所示，控制组件包含：控制板5、电源板6和传感器组件7；
控制板5和电源板6安装在散热及器件组件3顶部的靠前方位置，以便于与外部控制机箱连接；另外，本发明实施例提供的高压三电平功率模块还包含：绝缘出线座10；其中，绝缘出线座10包含：A/B级联输入和U/V输出端子；为了实现散热及器件组件3顶部结构的合理布局，绝缘出线座10安装在散热及器件组件3顶部的靠后方位置，以便于与25kV电网级联和中间隔离变压器的连接；相应地，传感器组件7安装在散热及器件组件3顶部的中间位置。
在本方案中，如图2所示，控制组件还包含：无线供电接收模块8，以便于给整个高压三电平功率模块提供无线供电，以有效解决了低压供电的高电压隔离问题；另外，无线供电接收模块8安装在散热及器件组件3的前方侧面，便于与外部的无线供电发射模块形成对应配合。
具体地，如图3和图4所示，散热及器件组件3还包含：组件框架和散热器3a；
散热器3a竖直安装于组件框架的中部；在本方案中，组件框架不仅作为散热及器件组件3的支撑结构，同时也作为高压三电平功率模块其它组件(部件)的主要支撑结构；
4个四象限H桥功率器件3c分别对称安装于散热器3a的左右两侧面；6个三电平H桥功率器件3d分别对称安装于散热器3a的左右两侧面。如此一来，即为实现了散热器3a的双面散热，不仅提升了四象限H桥功率器件3c和三电平H桥功率器件3d的散热效果，而且还使得散热及器件组件3的结构更加地紧凑。
为了进一步优化上述技术方案，如图4所示，散热器3a为长方形扁平结构，且通过真空钎焊加工得到，具有使用寿命长、生产成本低等特点；散热器3a内部设有S型流道或者上下直通型并联流道，以便于散热器3a能够适应水冷或者蒸发冷却等不同的冷却方式，从而有助于拓宽了高压三电平功率模块的冷却方式。
在本方案中，如图4所示，组件框架包含：左侧框架3b和右侧框架3g；散热器3a连接在左侧框架3b和右侧框架3g之间；
左侧框架3b和/或右侧框架3g是通过钣金件折弯得到，且设有镂空结构，以便于减少了组件框架的重量，从而有助于实现了高压三电平功率模块的轻量化设计。
具体地，如图3所示，本发明实施例提供的高压三电平功率模块还包括：用于连接左侧框架3b顶部和右侧框架3g顶部的横梁9，以进一步增强了组件框架的结构刚度；横梁9设有用于同绝缘外壳11配合的固定装配结构，以便于实现了高压三电平功率模块与绝缘外壳11在套装后的固定。
本发明实施例还提供了一种电力电子牵引变压器，包括：高压模块和中间隔离变压器，所述高压模块为如上所述的高压三电平功率模块；
高压三电平功率模块用于通过A/B级联输入连接于25kV电网级联，高压三电平功率模块用于通过U/V输出端子连接于中间隔离变压器。由于本方案采用了上述的高压三电平功率模块，因此其也就具有相应的有益效果，具体可以参照前面说明，在此不再赘述。
在本方案中，本发明实施例提供的电力电子牵引变压器还包括：用于套装高压三电平功率模块的绝缘外壳11，其结构可以参照图6所示；
有上文可知，如图2所示，高压三电平功率模块的直流支撑电容1为长方体扁平结构，直流支撑电容1的长边侧面设有用于同绝缘外壳11导向配合的凸台；绝缘外壳11内设有用于同凸台配合的凹槽，以便于达到导向套装的效果，从而有助于实现绝缘外壳11与高压三电平功率模块的快速套装。
具体地，为了适应轨道交通车底的高度及线界尺寸，高压三电平功率模块设计为长方体结构；为了匹配高压三电平功率模块的结构特点，以及简化绝缘外壳11的结构，相应地，如图6所示，绝缘外壳11设计为用于同长方体结构匹配的厢式结构。
下面结合具体实施例对本方案作进一步介绍：
本发明要解决的技术问题是提供一种电力电子牵引变压器用的高压三电平功率模块，能够保持模块的统一化、通用化；而且，模块还能配合外部绝缘壳体使用，使高压模块自身对大地的隔离绝缘耐压电压达到85kV，从而简化柜体的绝缘设计，节约柜体空间和重量。
本发明提供的一种电力电子牵引变压器用的高压三电平功率模块的主电路如图1所示，主要包含：A/B网侧级联输入、四象限H桥电路，中间直流支撑电容及直流回路，三电平H桥DC逆变电路及U/V输出。
其中，如图1所示，四象限H桥电路采用4个6500V电压等级的单管器件，将A/B网侧级联输入交流电压升压为DC3600V直流电压；三电平H桥DC逆变电路采取6个3300V电压等级的双管IGBT器件，将DC3600V直流电压逆变为交流方波电压，由U/V输出端子输出给后端电路的中间隔离变压器。采取三电平H桥DC逆变电路，使得逆变的工作频率大幅提高，本方案中的3600VAC方波频率为6kHz，能有效减小后端中间隔离变压器的体积和重量。
高压三电平功率模块的总体结构主要包含：直流支撑电容1、散热及器件组件3、驱动组件4、控制组件等部件，组成一个完整的单相变流器。
直流支撑电容安装在功率模块底部，通过电容复合母排与上方的散热及器件组件相连；电容形状为长方体扁平结构，电路端子位于前方短边侧面，电容的长边侧面设计有2个凸台，可配合嵌入绝缘外壳凹槽达到安装限位的作用。
散热及器件组件安装在功率模块的中部，其底部与直流支撑电容连接安装，其左右侧面安装有驱动组件，其顶部安装有控制组件等部件。散热及器件组件的中部竖直安装有散热器，以及左右安装有框架结构，形成功率模块的主要支撑部件。散热器采取双面散热形式，四象限H桥功率器件和三电平H桥的功率器件分别按桥臂对半分开，分别安装在散热器的两侧；功率器件上表面覆盖有器件复合母排3e，与电容复合母排连接，形成完整的直流回路；两侧的功率器件和复合母排，结构完全对称。左右的框架(即为左侧框架3b和右侧框架3g)采取钣金件折弯，中部镂空处理，减轻重量。散热器为长方形扁平结构，真空钎焊加工，其内部流道可采取S型流道或者上下直通型并联流道，以适应水冷或者蒸发冷却等不同冷却方式，散热器流体进出口位于功率模块后侧的一面，可通过快插连接器与外部流道连接。
驱动组件包含四象限H桥功率器件和三电平H桥功率器件的驱动电路板，安装在散热及器件组件的左右两侧，分别对应散热器两侧的功率器件。驱动电路板安装在绝缘盒内，绝缘盒通过薄壁结构分割成各个驱动腔体，增加之间的绝缘距离。
控制组件包含控制板、电源板、传感器组件、无线供电接收模块；控制板和电源板安装在模块顶层的靠前方位置，便于前方与外部控制机箱连接；传感器组件安装在模块顶层的中部，包含：电压传感器、电流传感器和气体浓度传感器等；无线供电接收模块安装在模块前方侧面上，给整个功率模块提供控制电源，安装位置正对前方外侧，与外部的无线供电发射模块对应。
高压三电平功率模块总体结构为长方体形状，配合外部绝缘壳体，适应轨道交通车底的高度及线界尺寸。功率模块的对外控制接口位于模块前上方，包含光纤控制接口和无线供电控制接口；对外主电路接口位于模块后上方的绝缘出线座上，包含A/B级联输入接口和U/V输出接口；功率模块的冷却接口位于模块后侧面的散热器上。功率模块顶面设计有2个横梁，用于连接固定整柜模块与外部绝缘壳体。模块整个外形及接口方案，简化了外部绝缘壳体的设计，绝缘壳只需做成厢式结构即可。
本发明的创新点：
1、四象限H桥电路采取两电平电路拓扑，三电平H桥DC逆变电路采取三电平拓扑，有效提高了高压DC-DC电路的开关频率；
2、散热及器件组件采取双面冷却结构，两面的器件和母排完全对称设计，散热器其内部流道可采取S型流道或者上下直通型并联流道，以适应水冷或者蒸发冷却等不同冷却方式；
3、功率模块的控制电源采取无线供电方式，有效解决低压供电的高电压隔离问题；
4、高压三电平功率模块总体结构为长方体形状，配合外部绝缘壳体，适应轨道交通车底的高度及线界尺寸。功率模块的对外控制接口位于模块前上方，包含光纤控制接口和无线供电控制接口；对外主电路接口位于模块后上方的绝缘出线座上，包含A/B级联输入接口和U/V输出接口；功率模块的冷却接口位于模块后侧面的散热器上。功率模块顶面设计有2个横梁，用于连接固定整柜模块与外部绝缘壳体。模块整个外形及接口方案，简化了外部绝缘壳体的设计，绝缘壳只需做成厢式结构即可。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (15)

1.一种高压三电平功率模块，其特征在于，包含：四象限H桥电路、直流支撑电容(1)和三电平H桥DC逆变电路；
所述四象限H桥电路包含：4个四象限H桥功率器件(3c)，用于将A/B级联输入交流电压升压为直流电压；
所述三电平H桥DC逆变电路包含：6个三电平H桥功率器件(3d)，用于将所述直流电压逆变为交流方波电压，并再由U/V输出端子将所述交流方波电压输出给后端电路的中间隔离变压器。
2.根据权利要求1所述的高压三电平功率模块，其特征在于，所述四象限H桥功率器件(3c)为6500V电压等级的单管器件；所述三电平H桥功率器件(3d)为3300V电压等级的双管IGBT器件或相同封装的SiC器件。
3.根据权利要求1所述的高压三电平功率模块，其特征在于，还包含：电容复合母排(2)和散热及器件组件(3)；
所述散热及器件组件(3)包含：所述四象限H桥功率器件(3c)和所述三电平H桥功率器件(3d)；
所述直流支撑电容(1)安装在所述散热及器件组件(3)的底部，且通过所述电容复合母排(2)与所述散热及器件组件(3)相连。
4.根据权利要求3所述的高压三电平功率模块，其特征在于，所述直流支撑电容(1)为长方体扁平结构，所述直流支撑电容(1)的前方短边侧面设有电路端子，所述直流支撑电容(1)的长边侧面设有用于同绝缘外壳导向配合的凸台。
5.根据权利要求3所述的高压三电平功率模块，其特征在于，还包含：驱动组件(4)和控制组件；
所述驱动组件(4)安装在所述散热及器件组件(3)的左右两侧面；所述控制组件安装在所述散热及器件组件(3)的顶部。
6.根据权利要求5所述的高压三电平功率模块，其特征在于，所述驱动组件(4)包含：4个四象限H桥功率器件驱动电路板和6个三电平H桥功率器件驱动电路板；
4个所述四象限H桥功率器件驱动电路板分别安装在所述散热及器件组件(3)的左右两侧面，且与4个所述四象限H桥功率器件(3c)一一对应配合；6个所述三电平H桥功率器件驱动电路板分别安装在所述散热及器件组件(3)的左右两侧面，且与6个所述三电平H桥功率器件(3d)一一对应配合。
7.根据权利要求5所述的高压三电平功率模块，其特征在于，所述控制组件包含：控制板(5)、电源板(6)和传感器组件(7)；
所述控制板(5)和所述电源板(6)安装在所述散热及器件组件(3)顶部的靠前方位置；所述传感器组件(7)安装在所述散热及器件组件(3)顶部的中间位置。
8.根据权利要求5所述的高压三电平功率模块，其特征在于，所述控制组件还包含：无线供电接收模块(8)；所述无线供电接收模块(8)安装在所述散热及器件组件(3)的前方侧面。
9.根据权利要求5-8任意一项所述的高压三电平功率模块，其特征在于，所述散热及器件组件(3)还包含：组件框架和散热器(3a)；
所述散热器(3a)竖直安装于所述组件框架的中部；4个所述四象限H桥功率器件(3c)分别对称安装于所述散热器(3a)的左右两侧面；6个所述三电平H桥功率器件(3d)分别对称安装于所述散热器(3a)的左右两侧面。
10.根据权利要求9所述的高压三电平功率模块，其特征在于，所述散热器(3a)为长方形扁平结构，且通过真空钎焊加工得到；所述散热器(3a)内部设有S型流道或者上下直通型并联流道。
11.根据权利要求9所述的高压三电平功率模块，其特征在于，所述组件框架包含：左侧框架(3b)和右侧框架(3g)；所述散热器(3a)连接在所述左侧框架(3b)和所述右侧框架(3g)之间；
所述左侧框架(3b)和/或所述右侧框架(3g)是通过钣金件折弯得到，且设有镂空结构。
12.根据权利要求11所述的高压三电平功率模块，其特征在于，还包括：用于连接所述左侧框架(3b)顶部和所述右侧框架(3g)顶部的横梁(9)；所述横梁(9)设有用于同绝缘外壳(11)配合的固定装配结构。
13.一种电力电子牵引变压器，包括：高压模块和中间隔离变压器，其特征在于，所述高压模块为如权利要求1-12任意一项所述的高压三电平功率模块；
所述高压三电平功率模块用于通过A/B级联输入连接于25kV电网级联，所述高压三电平功率模块用于通过U/V输出端子连接于所述中间隔离变压器。
14.根据权利要求13所述的电力电子牵引变压器，其特征在于，还包括：用于套装所述高压三电平功率模块的绝缘外壳(11)；
所述高压三电平功率模块的直流支撑电容(1)为长方体扁平结构，所述直流支撑电容(1)的长边侧面设有用于同所述绝缘外壳(11)导向配合的凸台；所述绝缘外壳(11)内设有用于同所述凸台配合的凹槽。
15.根据权利要求14所述的电力电子牵引变压器，其特征在于，所述高压三电平功率模块为长方体结构；所述绝缘外壳(11)为用于同所述长方体结构匹配的厢式结构。
CN202010722861.6A 2020-07-24 2020-07-24 一种电力电子牵引变压器及其高压三电平功率模块 Active CN113972844B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010722861.6A CN113972844B (zh) 2020-07-24 2020-07-24 一种电力电子牵引变压器及其高压三电平功率模块

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010722861.6A CN113972844B (zh) 2020-07-24 2020-07-24 一种电力电子牵引变压器及其高压三电平功率模块

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN113972844A true CN113972844A (zh) 2022-01-25
CN113972844B CN113972844B (zh) 2024-03-01

Family

ID=79585537

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010722861.6A Active CN113972844B (zh) 2020-07-24 2020-07-24 一种电力电子牵引变压器及其高压三电平功率模块

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN113972844B (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102022203071A1 (de) 2022-03-29 2023-10-05 Siemens Mobility GmbH Überwachungseinrichtung für einen Stromrichter eines Schienenfahrzeugs

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104201867A (zh) * 2014-09-16 2014-12-10 北京金自天正智能控制股份有限公司 一种基于热管散热器的三电平igbt功率柜
CN104702123A (zh) * 2015-03-23 2015-06-10 深圳市英威腾电气股份有限公司 一种三电平功率单元主回路、功率单元以及高压变频器
JP2015126546A (ja) * 2013-12-25 2015-07-06 川崎重工業株式会社 電力変換装置の制御方法及び電力変換装置
CN205319951U (zh) * 2015-12-31 2016-06-15 北京合康亿盛变频科技股份有限公司 一种用于级联型高压变频器的功率单元
CN206807025U (zh) * 2017-04-06 2017-12-26 苑雪飞 一种模块化并联冗余铁路净化电源装置
CN210608893U (zh) * 2019-08-12 2020-05-22 阳光电源股份有限公司 功率模组、变流器功率模块及风能发电系统

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2015126546A (ja) * 2013-12-25 2015-07-06 川崎重工業株式会社 電力変換装置の制御方法及び電力変換装置
CN104201867A (zh) * 2014-09-16 2014-12-10 北京金自天正智能控制股份有限公司 一种基于热管散热器的三电平igbt功率柜
CN104702123A (zh) * 2015-03-23 2015-06-10 深圳市英威腾电气股份有限公司 一种三电平功率单元主回路、功率单元以及高压变频器
CN205319951U (zh) * 2015-12-31 2016-06-15 北京合康亿盛变频科技股份有限公司 一种用于级联型高压变频器的功率单元
CN206807025U (zh) * 2017-04-06 2017-12-26 苑雪飞 一种模块化并联冗余铁路净化电源装置
CN210608893U (zh) * 2019-08-12 2020-05-22 阳光电源股份有限公司 功率模组、变流器功率模块及风能发电系统

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102022203071A1 (de) 2022-03-29 2023-10-05 Siemens Mobility GmbH Überwachungseinrichtung für einen Stromrichter eines Schienenfahrzeugs

Also Published As

Publication number Publication date
CN113972844B (zh) 2024-03-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN103078471B (zh) 功率模块和变流器
CN104541442B (zh) Dcdc转换器
JP5338639B2 (ja) 電力変換装置
CN201956887U (zh) 一种用于大功率变频器的功率模块
CN108075620B (zh) 一种igct晶闸管构成的大功率单元结构
CN105355611A (zh) 一种大容量水冷功率单元
CN103401434A (zh) 一种大功率变流器功率单元
CN104734467A (zh) 吊装式层叠结构功率模块
CN113972844A (zh) 一种电力电子牵引变压器及其高压三电平功率模块
US11736034B2 (en) Power conversion device
CN214205363U (zh) 一种三电平逆变器模块
CN217115931U (zh) 一种矿用防爆变频器机芯以及防爆变频器
CN211127537U (zh) 一种带新型复合母排结构的功率模块
CN102075067B (zh) 风能变流器模组功率单元
CN113422563A (zh) 一种基于sic功率半导体单管并联的电力电子控制器
CN212518762U (zh) 一种结构对称的变流器功率模组及电气设备
CN209948976U (zh) 一种全桥高频并联功率单元
CN202713122U (zh) 基于低电感母线的伺服驱动器的功率回路单元
CN114079389A (zh) 一种变流模块及其主结构
CN210744999U (zh) 一种带散热管的h桥高压变频器功率单元
CN210927461U (zh) 一种具有层叠母排的h桥高压变频器功率单元
CN216016761U (zh) 一种基于sic功率半导体单管并联的电力电子控制器
CN113659807B (zh) Dc/dc模块及具有其的高频辅助变流设备
CN219893188U (zh) 一种多拓扑结构的电源功率逆变器
CN113659848B (zh) 辅助逆变模块及轨道车辆

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant