CN1280977C - 一种通用化、集成化、模块化igbt牵引变流器模块 - Google Patents
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Abstract
一种通用化、集成化、模块化IGBT牵引变流器模块，它包括安装在抽屉结构中的变流单元10、直流支撑电容单元20、门极驱动电路30和控制盒40，具有通用化、模块化、集成化程度高，散热方式可选，安装维修方便的特点。
Description
技术领域
本发明属于一种将交流电转变为合适的直流电或将直流电转变为合适的交流电的用于机车车辆的牵引变流装置，特别是轨道机车车辆用的一种通用化、集成化、模块化IGBT牵引变流器模块。
技术背景
由于使用和发展的时间不长，IGBT变流器普遍还存在许多不完善的地方，就中大功率的IGBT变流器来说，目前国内外普遍使用的情形是：(1)模块化、通用化程度不高。没有进行模块化、通用化的考虑，产品是按照客户提供的尺寸而单独设计的。用于交流传动牵引变流器一般分为四象限整流器和逆变器两类。由于两者电路结构和控制不同，因而一般两者不能互换或互换性较差。有的产品虽有此种意识，但一般都只是将其中几个部件进行了模块化或通用化的设计。(2)功率增大困难。一般牵引变流器要满足不同功率等级的要求，必须对IGBT元件进行串、并联使用，这样往往导致牵引变流器在电路和结构上需作很大程度上的改动，才能满足于不同容量的要求。(3)安装维修不便。许多变流器由于结构设计缺乏模块化、方便性的考虑，给安装维修带来极大的不便，常常为了要维修一个部件或元件而需拆卸很多别的部件或元件，这样除了工作量大以外，还给系统的可靠性及整体寿命带来严重的影响，因为每拆卸一次，相应部件的可靠性都得降低一些，如一般接插件的插拔次数是有规定的，超过此数目后该接插件将不再可靠。(4)电气性能受到影响，不能充分发挥器件的潜力。由于一般变流器的模块化、集成化程度不高或元器件布置不合理，如没有采用低感母排或相关部件布置太远，造成布线电感或线路电感太大等，使整个变流器的电气性能受到了影响，从而不能充分发挥变流器的潜力。(5)散热方式复杂，或效果不佳。目前使用较多的散热方式主要是强迫风冷，相对于其它散热方式，它的优点是散热器的设计较简单，工艺难度较低，成本不太高，但它对风道的设计及风机的选型要求比较高，设计或选型的不当都会影响散热效果或噪音过大。另一种散热方式是水冷散热器，相对于强迫风冷散热器，它具有很明显的优点，如散热量大，效果好，但整个系统制造工艺复杂，价格贵且容易出现漏水的情形，所以目前除了输出功率等级要求比较高的场合外，很少采用此种散热方式。再有一种散热方式就是热管散热器的走行风冷方式，原理是利用车行走时产生的风对散热器进行冷却或自然冷却。该方式虽然散热效果不如水冷的好，但制造工艺相对来说要简单得多，成本较低，也不需要为此设计专门的水循环及冷却系统；相对于强迫风冷的铝散热器来说，除了散热效果更好外，还不需要专门的风道和风机，且噪音很小。当然，在某些散热量要求特别大的场合，我们也可以为此散热器加上风道进行强迫风冷，但此时的散热能力是一般强迫风冷所不能达到的。
发明内容
本发明的目的旨在提供一种通用化强、集成度高，对外接口少、散热方式可选、便于安装维护的通用化、集成化、模块化IGBT牵引变流器模块。
它包括安装在抽屉结构中的变流单元10、直流支撑电容单元20、门极驱动电路30和控制盒40，其中：
所述变流单元10安装在抽屉式结构的一侧，它包括IGBT元件、散热器及低感母排；所述IGBT元件按照散热器的外形和散热面热量的均匀分布排列在散热器上，低感母排通过组合螺钉安装在IGBT元件的主端子上，所述散热器露出在安装柜体的外面；
所述直流支撑电容单元20为低电感电容，内部由两个相同的电容并联，并通过四根螺杆将其四个极分别引出来；该直流支撑电容单元20通过所述低感母排与变流单元10相连，并通过侧面的安装孔安装于抽屉式结构中部的支撑架上；
所述门极驱动电路30安装在抽屉式结构的最上方，它包括四个分别可以驱动两路IGBT元件的IGBT的驱动器，每个IGBT驱动器包括两个驱动模块和一个电源模块，其不需调节的元器件采用环氧浇注集成在塑料壳内形成一个标准件，可调部分通过引脚与外部相应电路相连；四个IGBT驱动器安装在一块绝缘板两侧固定在一个钢板外罩内构成一个独立单元，该单元采用弹簧片紧锁式固定在抽屉式结构的固定槽内；
所述控制盒40安装在金属屏蔽盒内固定在抽屉式结构的最外侧，它包括门极脉冲分配单元、低压电源和控制单元，该控制盒40的盒盖上开有网格，可供观察所述控制单元上的状态指示灯。
所述变流单元10的低感母排包括直流侧输入或输出母排DC+、DC-、交流侧输出或输入母排A、B、C、D；用作逆变模块时，DC+、DC-为直流输入母排，经模块斩波，逆变成VVVF三相交流输出，通常是A、B、C三相分别对应于U、V、W相，D相对应于制动斩波电阻的斩波相，作用是当逆变器处于电气制动或中间回路电压过高时，通过此相斩波将多余的电能转变为制动斩波电阻上的热能消耗掉。当此模块用作整流模块时，A、B、C、D为交流侧输入母排，DC+、DC-为直流输出母排，A、B、C、D可以当作两重整流输入，也可以当作两组整流并联使用。
所述控制盒40的门极脉冲分配单元与所述变流单元10的IGBT驱动器的驱动模块相连，它根据控制单元输入的驱动控制信号加上适当的延时，转换为适合由IGBT元件组成的IGBT桥臂的光纤驱动信号并发送至驱动模块，同时将驱动模块的光纤反馈信号整理输出至所述控制盒40的控制单元。
所述控制盒40的低压电源与DC110V输入端相连，并将转换出合适的电压输出至所述控制盒40控制单元和所述门极驱动电路30的IGBT驱动器。
所述变流单元10的散热器可以是重力式热管散热器或者插片式铝散热器、水冷式散热器。
所述重力式热管散热器的背面均匀布置有八组分别与八个IGBT元件位置对应的热管，在每根热管上均匀紧密压焊有散热片，且所述热管与水平面成一定的的倾角。
所述插片式铝散热器的散热片的截面是齿形的，以增加散热面积。
由于本发明采用了抽屉式结构，集成了变流单元、直流支撑电容单元、门极驱动电路和控制盒，与国内外目前使用的一般变流器相比，具有通用化、模块化、集成化程度高，散热方式可选，安装维修方便的特点。
附图说明
图1为正面结构示意图；
图2为俯视结构示意图；
图3为侧面结构示意图；
图4为本发明电路原理框图。
具体实施方式
如图1-4所示，它包括安装在抽屉结构中的变流单元10、直流支撑电容单元20、门极驱动电路30和控制盒40，其中：
所述变流单元10安装在抽屉式结构的一侧，它包括IGBT元件、散热器及低感母排；所述IGBT元件按照散热器的外形和散热面热量的均匀分布排列在散热器上，低感母排通过组合螺钉安装在IGBT元件的主端子上，所进散热器露出在安装柜体的外面；
所述直流支撑电容单元20为低电感电容，内部由两个相同的电容并联，并通过四根螺杆将其四个极分别引出来；该直流支撑电容单元20通过所述低感母排与变流单元10相连，并通过侧面的安装孔安装于抽屉式结构中部的支撑架上；
所述门极驱动电路30安装在抽屉式结构的最上方，它包括四个分别可以驱动两路IGBT元件的IGBT驱动器，每个IGBT驱动器包括两个驱动模块和一个电源模块，其不需调节的元器件采用环氧浇注集成在塑料壳内形成一个标准件，可调部分通过引脚与外部相应电路相连；四个IGBT驱动器安装在一块绝缘板两侧固定在一个钢板外罩内构成一个独立单元，该单元采用弹簧片紧锁式固定在抽屉式结构的固定槽内；
所述控制盒40安装在金属屏蔽盒内固定在抽屉式结构的最外侧，它包括门极脉冲分配单元、低压电源和控制单元，该控制盒40的盒盖上开有网格，可供观察所述控制单元上的状态指示灯。
所述变流单元10的低感母排包括分别与直流侧相连的直流侧输入或输出母排DC+、DC-和分别与交流侧相连的交流侧输出或输入母排A、B、C、D。当此模块用作逆变模块时，DC+、DC-为直流输入母排，经模块斩波，逆变成VVVF三相交流输出，通常是A、B、C三相分别对应于U、V、W相，D相对应于制动斩波电阻的斩波相，作用是当逆变器处于电气制动或中间回路电压过高时，通过此相斩波将多余的电能转变制动斩波电阻上的热能消耗掉；当此模块用作整流模块时，A、B、C、D为交流侧输入母排，DC+、DC-为直流输出母排，A、B、C、D可以当作两重整流输入，也可以当作两组整流并联使用。
所述控制盒40的门极脉冲分配单元与所述门极驱动电路30的IGBT驱动器相连，它将控制单元输入的驱动控制信号加上适当的延时，转换为适合由IGBT元件组成的IGBT桥臂的光纤驱动信号并发送至驱动模块，同时将驱动模块的光纤反馈信号整理输出至所述控制盒40的控制单元。
所述控制盒40的低压电源与DC110V输入端相连，并将转换出合适的电压输出至所述控制盒40的控制单元和所述门极驱动电路30的IGBT驱动器。
所述变流单元10的散热器可以是重力式热管散热器或者插片式铝散热器、水冷式散热器。
所述重力式热管散热器的背面均匀布置有八组分别与八个IGBT元件位置对应的热管，在每根热管上均匀紧密压焊有散热片，且所述热管与水平面成一定的的倾角。
所述插片式铝散热器的散热片的截面是齿形的。
门极脉冲分配单元也叫控制脉冲板，具有光电转换、死区控制、状态反馈、故障连锁等功能，即将控制单元给出来的电驱动信号加上适当的死区延时，转变为适合IGBT桥臂的光纤驱动信号发送给门极驱动单元，同时将门极驱动单元的光纤反馈信号整理输出给控制单元，并显示IGBT元件的状态，以及与别的变流器模块进行故障连锁，当变流器柜中一个变流器模块发生故障时，隔离该模块或封锁所有相关变流器模块，使系统更加可靠。
为了对元件的结温进行有效的控制，在散热器的元件安装面上还装有串联的小型温度继电器，分别布置于散热器表面温度最高点，并通过引线将其送往控制单元。当其中一点温度超过一定值(通常为85℃)时，对应继电器动作，控制单元执行相应的保护功能。
直流支撑电容为低电感电容，内部由两个相同的电容并联，并通过四根螺杆将其四个极分别引了出来，具体的容量及电压等级视不同的变流器模块而定，但都具有统一的外形及安装尺寸，为一个标准的子部件，其尺寸为340×168×500。安装时将电容的四个极插入低感母排B(侧母排)对应的四个安装孔内，再通过螺母将其固定好，同时用内六角螺钉将电容通过其侧面的安装孔安装于模块的四个支撑上即可。
控制盒的盒盖上开有很多网格，操作人员也可以不拆卸盖而透过网格观察其控制板或其它部件上的指示灯。
IGBT驱动器的主要特点是电路精简；驱动能力强，最大能输出±18A的峰值电流；功能其全，能对IGBT元件进行比较全面的电气保护，主要包括过流保护、短路保护、驱动电源的欠压保护、过流检测延时选择等；适用范围广，外围电路简单，由于采用了通用驱动及电源模块，外围电路很少，给不同用户的使用带来很大的方便，同时由于将可调部分全都通过引脚与外相连，因此，本驱动模块的适用范围非常广，用户可以根据所需驱动回路的数量及驱动等级来配置自己的外围电路。
驱动器的安装方式采用了弹簧片紧锁式，安装时只需将驱动器顺着固定槽A、B往里推，当前方刚好完全被固定槽片C卡住时，弹簧片自动弹出，将驱动器固定好；拆卸时只需用螺丝刀或其它工具将弹簧片往里一顶，即可将驱动器抽出。
对整个门极驱动单元来说，四个驱动器分别安装在一块大的绝缘板上下两侧，再在上加一个钢板外罩构成一个独立的单元，外罩上开有4个对外安装孔，用来将此单元安装于别的部件上。
由于采用弹簧片卡紧式的安装方式，使在变流器柜体狭小的空间内对驱动器进行维修与更换非常方便，不需要对整个模块或驱动单元进行拆卸，另外，本单元将所有的接插件都布置在外侧，方向朝外，使其插拔变得非常方便。
为了能够方便、轻松地安装和拆卸，本模块采用了抽屉式的安装方式，整个模块就相当于一个可以推进和抽出的抽屉，模块的前面装有两个拉手，模块底部支撑及对应的柜体位置都装有导板，安装时顺着导板将模块平推到底，并将安装螺栓拧紧及进出母排和控制插座连好即可；拆卸时则过程相反，先将控制插座拔开及进出母排拆开，再将安装螺栓拧开即可将变流器模块抽出。
对一般的铝散热器来说，采用从控制盒侧往柜体内推的方式，并将散热器推出柜体外；对于热管散热器的变流器模块来说，采用从散热器侧往柜体推的方式。
为了便于调试和维修，本发明将强电部分即变流单元布置在抽屉式结构的一侧，并且让散热器朝外，这样模块在安装入柜体时，可以让散热器的散热片露在柜体外部，进行风道隔离；同时由于调试或维修时，工作人员是位于模块的另一侧，从而使之更加安全。
为了让直流支撑电容的滤波作用更加明显，本发明采用了低感母排将电容器与变流单元相连，同时也让强电部分的布置与弱电部分的布置分开。
为了调试和维修的方便，本发明将弱电部分的器件即控制盒单元布置在模块的最外侧，是工作人员观察、测试及连接器插拔最方便的地方，为了让弱电部分不受强电的干扰，采用了前方带网格的金属屏蔽盒，调试或维修时可以通过网格观测里边故障或状态指示灯是否正常，而不用拆卸任何东西，当需要检测控制盒内的信号时，也只要将外面的带网格的盖拆下来即可，而无需拆卸别的部件。
为了方便IGBT驱动器上信号的检测及驱动器的维修，本发明将驱动组件布置在模块的最上方，因为变流器柜体内模块的上方还有一定的空间，所以保证了对驱动组件的检测与维修有足够的空间，且为工作人员便于触及的地方。这样，维修时，完全可以不对整个模块进行拆卸即可以将故障诊断出来，如果不是IGBT元件出现故障，也不必对模块进行拆卸。同时，为了保证良好的电气性能，将驱动组件布置在离变流单元尽可能近的地方。
总体说来，整个模块的布置是将检测、维修与安装的工作量降到最小和最安全、模块的电气性能尽量优化的前提下设计的。
本发明现已使用了两种主要的散热器：重力式热管散热器与插片式铝散热器。它们都是经过本部门精心设计而成，尤其是热管散热器，它是与功率器件IGBT元件的布置、热管散热的原理、走行通风的风向、风速及风量、最高环境温度、所有通用模块中最大运行功率等因素结合起来分析，在以前类似热管散热器设计实验基础上，经过精确的计算设计出来的，是本发明的主要创新点之一。
重力式热管散热器的散热原理是通过密封在热管内的冷介质受热后产生相变，变成气体，气体遇冷变成液体，回流到热源端，进行再次循环，在冷介质相变的过程中带走大量的热量，且散热器温度越高，循环也越快，散发的热量也就越多。本发明所采用的热管散热器主要具有这样的特点：热管及散热片的布置，是与功率元件IGBT的布置结合起来考虑的，整个散热器台面均匀布置8个IGBT元件，在每个IGBT元件的散热器背面装有一组热管，散热片通过压焊均匀紧密地套在热管上。另外，为了能使变成气体的冷介质快速回流到底部，以及抵消车辆过曲线时的离心力，热管与水平方向成一定的斜率。为了减少散热器的重量，铝散热器除了安装热管部位的厚度较厚外，其它处的厚度均小于20mm。散热器元件面的边上开有密封槽，用来安装密封圈，使变流器柜体可靠密封。
插片式散热器使用于强迫风冷散热方式时，本发明采用的是插片式齿形散热器。插片式散热器与一般的挤压成形散热器相比，具有片距密度高、重量轻等特点，从而有效地增大了散热面积，提高了散热效率。本发明上使用的插片式散热器的散热片的截面是齿形的，更进一步增大了散热面积。
总的来说，本发明具有以下特点：
(1)通用化强。不同功率、电压等级的IGBT变流或变频功率模块采用统一的安装方式、外形接口，对于不同的变流或变频器来说，只需重新设计柜体，大大缩短了新产品的设计开发周期，同时也有利于柜体的标准化、通用化的实施。(2)子部件标准化、模块化、通用化强。从结构上讲，本模块的内部构成又严格按照标准化、模块化、通用化的设计思想，按功能分为几个大的子部件，子部件再由下一级的子部件构成。从而最大限度地减少了不同型号的IGBT变流器模块本身设计的重复性。(3)集成度高，对外接口少。从电气角度来说，已经将主要的变流部件集成在内，可以单独完成变流器的基本功能。此外，由于变流主电路及其控制都集成在内，所以整个模块与外部的接口很少，给使用及维修带来方便。(4)采用IGBT驱动模块。其驱动能力强、开关速度快、开关延时小，并能对IGBT提供有效可靠的电气保护。(5)散热方式可选。为了适用于不同的使用场合，变流装置散热方式的选取往往得进行综合的考虑。如前所说，目前所存在的散热方式主要有三种形式，即强迫风冷、水冷及热管散热器的走行风冷或自然冷却。对于本发明来说，三种散热方式都能适用，不同的散热方式只需选用不同的散热器，模块其它部件及结构可以不作任何修改。(6)安装方式简便。采用抽屉式的安装方式，整个模块就相当于一个可以活动的抽屉，使其安装和拆卸非常方便。(7)内部布局合理。在本模块内部布局方面将电气相关的部件尽可能布置在一起，提高了本发明的电气性能。同时将所有调试和测试时使用及更换相对比较多的部件尽可能安装在容易接近的地方，这样，维修时一般也不需对模块进行拆卸，进一步给维修和调试带来了方便。
Claims (7)
1、一种通用化、集成化、模块化IGBT牵引变流器模块，其特征在于它包括安装在抽屉结构中的变流单元(10)、直流支撑电容单元(20)、门极驱动电路(30)和控制盒(40)，其中：
所述变流单元(10)安装在抽屉式结构的一端，它包括IGBT元件、散热器及低感母排；所述IGBT元件按照散热器的外形和散热面热量的均匀分布排列在散热器上，低感母排通过组合螺钉安装在IGBT元件的主端子上，所述散热器安装在柜体的外面；
所述直流支撑电容单元(20)为低电感电容，内部由两个相同的电容并联，并通过四根螺杆将其四个极分别引出来；该直流支撑电容单元(20)通过所述低感母排与变流单元(10)相连，并通过侧面的安装孔安装于抽屉式结构中部的支撑架上；
所述门极驱动电路(30)安装在抽屉式结构的最上方，它包括四个分别可以驱动两路IGBT元件的IGBT驱动器，每个IGBT驱动器包括两个驱动模块和一个电源模块，其不需调节的元器件采用环氧浇注集成在塑料壳内形成一个标准件，可调部分通过引脚与外部相应电路相连；四个IGBT驱动器安装在一块绝缘板两侧固定在一个钢板外罩内构成一个独立单元，该单元采用弹簧片紧锁式固定在抽屉式结构的固定槽内；
所述控制盒(40)安装在金属屏蔽盒内固定在抽屉式结构的最外侧，它包括门极脉冲分配单元、低压电源和控制电路，该控制盒(40)的盒盖上开有可供观察所述控制电路上的状态指示灯的网格。
2、如权利要求1的一种通用化、集成化、模块化IGBT牵引变流器模块，其特征在于所述变流单元(10)的低感母排包括分别与直流输入端相连的直流侧输入或输出母排(DC+)、直流侧输入或输出母排(DC-)和分别与由所述变流单元(10)的IGBT元件组成的IGBT桥臂相连的交流侧输出或输入母排(A)、交流侧输出或输入母排(B)、交流侧输出或输入母排(C)、交流侧输出或输入母排(D)；用作逆变模块时，直流侧输入或输出母排(DC+)、直流侧输入或输出母排(DC-)为直流输入母排，经模块斩波逆变成VVVF三相交流输出，通常是交流侧输出或输入母排(A)、交流侧输出或输入母排(B)、交流侧输出或输入母排(C)分别对应于U、V、W相，交流侧输出或输入母排(D)对应于制动斩波电阻的斩波相，作用是当逆变器处于电气制动或中间回路电压过高时，通过此相斩波将多余的电能转化为制动斩波电阻上的热能消耗掉；当此模块用作整流模块时，交流侧输出或输入母排(A)、交流侧输出或输入母排(B)、交流侧输出或输入母排(C)、交流侧输出或输入母排(D)为交流侧输入母排，直流侧输入或输出母排(DC+)、直流侧输入或输出母排(DC-)为直流输出母排。
3、如权利要求1的一种通用化、集成化、模块化IGBT牵引变流器模块，其特征在于所述控制盒(40)的门极脉冲分配单元与所述门极驱动电路(30)的IGBT驱动器相连，它将控制电路输入的驱动控制信号加上适当的延时，转换为适合由IGBT元件组成的IGBT桥臂的光纤驱动信号并发送至驱动器，同时将驱动器的光纤反馈信号整理输出至所述控制盒(40)的控制单元。
4、如权利要求1的一种通用化、集成化、模块化IGBT牵引变流器模块，其特征在于所述控制盒(40)的低压电源与DC110V输入端相连，并将转换出的合适电压输出至所述控制盒(40)控制单元和所述门极驱动电路(30)的IGBT驱动器。
5、如权利要求1的一种通用化、集成化、模块化IGBT牵引变流器模块，其特征在于所述变流单元(10)的散热器可以是重力式热管散热器或者插片式铝散热器、水冷式散热器。
6、如权利要求1或5的一种通用化、集成化、模块化IGBT牵引变流器模块，其特征在于所述变流单元(10)的重力式热管散热器的背面均匀布置有八组分别与八个IGBT元件位置对应的热管，在每根热管上均匀紧密压焊有散热片，且所述热管与水平面成一定的倾角。
7、如权利要求1或5的一种通用化、集成化、模块化IGBT牵引变流器模块，其特征在于所述变流单元(10)的插片式铝散热器的散热片的截面是齿形的。
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