CN1323094A - 一种新颖的igbt牵引变流器模块 - Google Patents

Abstract

IGBT牵引变流器模块,采用模块化技术,将整个IGBT牵引变流器模块化处理,模块上的8个IGBT元件分布成四个桥臂,使其能构成一台完整的逆变器或四象限整流器,并且可以根据不同功率等级的需要,可变更不同等级的IGBT元件或IGBT牵引变流模块的数量,非常方便地组合成各种容量的牵引逆变器或四象限整流器。每上下两个IGBT元件构成一个桥臂(即一相),每相邻的两个桥臂,根据桥臂流过低感母排上正负母排的电流流向,采取反向错开排列。

Description

一种新颖的IGBT牵引变流器模块

本发明属于一种机车车辆牵引变流装置，特别是轨道机车车辆用的牵引变流装置的部件构造。

在大功率牵引变流器的设计当中，合理设计变流器母排，抑制IGBT元件开关过电压，科学地布置IGBT元件和驱动电路，优化热设计以及选择合适的散热方式，如何做到变流器的简统化，模块化，提高变流器的高可靠性，可维护性等以上几方面对于牵引动力的核心--牵引变流器来说非常重要。而就现有的各种变流器来看，主要存在以下方面的不足：

1、一般变流器没有使用低感母排(Busbar)技术或使用了一些简单的母排技术，但它们没有达到抑制功率器件的开关过电压的作用或是效果不是很理想。

2、还有一类变流器使用了一些低感母排(Busbar)技术，但这些低感母排制作工艺相当复杂，安装及拆卸非常不方便。

3、变流器内部功率元件的布置没有跟低感母排技术综合起来考虑，由于功率元件布置不理想，就发挥不了降低主电路分布电感的作用。

4、一般变流器的IGBT驱动电路安装采用两种方式。一种是直接安装在IGBT元件上，这样驱动电路引线电感最小，但是在牵引变流器上，其检测维护非常困难。另一种方式就是为了安装，更换方便，将驱动电路安装在离IGBT元件较远的空间，但这样会引起引线电感较大，对IGBT元件驱动不利，影响变流器的安全运行。

5、采用强迫风冷散热的牵引变流器它的主要特点是结构简单，可靠性高，但它一般采用铸铝实体散热器，散热效率较低。

6、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。

7、一般牵引变流器要满足不同功率等级的要求，而必须对IGBT元件进行串、并联使用，这样导致牵引变流器在电路和结构上作很大程度上的变动，才能满足于不同容量的要求。

8、牵引变流器由于电路和结构的复杂性，检修维护时，一般拆卸和安装非常不方便，而且操作时需要特殊的装备工具。

本发明的目的：旨在提供一种模块化的IGBT牵引变流器模块。该模块能克服一般变流器的上述缺陷，做到变流器的结构简洁，外观美观，安全可靠，而且各方面性能优越，可维护性和互换性好，能满足于城际动车组、地铁车辆、城市轻轨、磁悬浮列车、电车等不同工作电压，不同功率等级的应用场合。

本发明的目的是通过以下技术措施来实现：

采用模块化技术，将整个IGBT牵引变流器模块化处理，而每个模块由8个IGBT元件组成，使其能构成一台完整的逆变器或四象限整流器，并且可以根据不同功率等级的需要，可变更不同等级的IGBT元件或IGBT牵引变流模块的数量，非常方便地组合成各种容量的牵引逆变器或四象限整流器。在模块中采用了高性能的低感母排，并充分考虑了IGBT元件的布置与高性能低感母排的结合，从而大大降低了主电路上的寄生电感。模块上的8个IGBT元件分布成四个桥臂，每两个上下布置的IGBT元件构成一个桥臂(即一相)，而相邻两个桥臂上下IGBT元件错开排列，使得流过低感母排上的正负导体上的电流方向相反，它们产生的磁场相互抵消，因而主回路上布线的寄生电感大大降低，这就使得IGBT元件关断过程中，由于电路上的寄生电感而产生的尖峰过电压大大减小。从而整个IGBT牵引变流器模块应用时，省去了繁琐复杂的吸收(Snubber)电路，同时保证了IGBT元件运行于它的安全工作区，使得变流器模块达到结构简洁，安全可靠的目的。同时模块的驱动部分安装在IGBT元件和低感母排之上。每一桥臂上，下管驱动电路做在一块板上，整个模块有四块驱动板，它们安装在一块绝缘的环氧玻璃布板上。在低感母排上对应IGBT元件位置处开了穿线孔便于IGBT驱动线通过，这样的结构使得驱动引线较短，同时保证了IGBT元件驱动单元的可维护性。在大功率IGBT元件开关过程中，会产生强大的电磁干扰，我们设计的IGBT牵引变流器模块它的PWM驱动信号采用光纤传输技术，相对于其它信号传输方式，它的抗干扰能力大大增强，同时对驱动电路采用最优化设计，使之具有优良的驱动性能和完善的保护功能，因而整个模块化可靠性大大增强。

为了解决模块的散热问题，本发明采用特殊工艺的铝散热器。本散热器与一般散热器不同的是，散热器由许多薄散热片组成，一片一片的薄散热片嵌在散热板内，这样的结构大大增加了散热器的散热面积，同时又不至于散热片数量的增加而影响散热器的通风。它既保留了风冷散热器结构简洁，维护简单的特点，同时它的散热效率大大提高，保证了IGBT元件工作时损耗所产生的热能及时耗散掉，使得IGBT工作安全可靠。

本发明还充分考虑了四象限整流器和逆变器的电路形式和结构特点，将两者设计融为一体，两者真正做到了能完全互换。当模块用于四象限整流器时，四相交流母排用作交流输入，相应的正、负母排用作直流输出，反之，当模块用于逆变器时，交流母排用作交流输出，相应的正、负母排用作直流输入。

本发明在外形结构上还充分考虑了模块的简统化，模块化设计，并保持了良好的互换性和可维修性。首先，它的控制电源接插件和光纤接插装置靠近最外侧，这样保证了控制信号的接插非常方便。另外，整个模块采用抽屉式结构，它的前面和后面为模块固定板，后部模块上方为母排出线，在两侧装有提起把柄，安装和维修时，通过提起把柄将模块提起，可以将模块很顺畅地象抽屉一样推进，然后在后部将母排通过螺钉连结起来，最后将前后固定板用螺钉固定。相比其它牵引变流器的结构，它不需要任何特殊的工装设备，检测，安装，维护，运输相当便捷。

通过上述模块化处理的IGBT牵引变流器，相对于现有的变流器，具有许多的优点：

1、整个系统的分布电感小，元件关断时产生的过电压低，散热效率高，因而整个系统的可靠性较现有的变流器大大增强；

2、由于采用了模块化设计，因而整个系统结构紧凑、简洁，外形美观；

3、本发明同时兼顾了四象限整流器和逆变器的电路形式和结构特点，使得该模块完全可以适应两种工况的使用。具有完全的互换性；

4、本发明采用了抽屉式结构，具有安装维修及运输方便等特点。

下面将结合附图对本发明作进一步的描述：

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明IGBT元件平面布置结构示意图；

图3为本发明IGBT元件应用电路示意图；

图4为本发明母排部分结构示意图；

图5为本发明结构侧面示意图。

图中：1-低感母排，2-IGBT元件，3-IGBT驱动电路，4-环氧玻璃布板，5-前固定板，6-散热器，7-后固定板，8-光纤插头。

附图给出了本实用新型的一个实施例，从附图中可以看出，本实用新型包括低感母排1、IGBT元件2、IGBT驱动电路3、环氧玻璃布板4、前固定板5、散热片6、后固定板7几部分。其特征在于：所述的各个部分是根据降低主电路寄生电感，提高可靠性、可维护性的原则，按模块化设计组合在一起的。其中IGBT元件2为8个，每上下两个IGBT元件构成一个桥臂(即一相)，共有4个桥臂，而每相邻的两个桥臂，根据桥臂流过低感母排上正负母排的电流流向，采取反向错开排列，使得流过正负母排上的电流方向相反，它们产生的磁场相互抵消，从而使得IGBT元件关断过程中，主回路上的寄生电感而产生的尖峰过电压大大减少，在整个模块的应用装置中，可省去吸收电路(snubber)。同时，每个桥臂上下IGBT元件的驱动电路3做在同一个驱动板上，整个模块有四个驱动板，它们均安装在一块绝缘环氧玻璃布板4上。整个模块是按IGBT驱动电路、绝缘环氧玻璃布板、低感母排、IGBT元件、散热器由上自下分层排列，同时模块的驱动部分安装在IGBT元件和低感母排之上。在低感母排上对应IGBT元件位置处开了穿线孔便于IGBT驱动线通过，这样的结构使得驱动引线较短，同时保证了IGBT元件驱动单元的可维护性。为了避免在大功率IGBT元件开关过程中，产生强大的电磁干扰，IGBT牵引变流器模块的PWM驱动信号采用光纤传输技术，相对于其它信号传输方式，它的抗干扰能力大大增强，同时对驱动电路采用最优化设计，使之具有优良的驱动性能和完善的保护功能，因而整个模块化可靠性大大增强。

为了解决模块的散热问题，本发明采用特殊工艺的铝散热器。本散热器与一般散热器不同的是，散热器由许多薄散热片组成，一片一片的薄散热片嵌在散热板内，并由前固定板和后固定板固定，这样的结构大大增加了散热器的散热面积，同时又不至于散热片数量的增加而影响散热器的通风。它既保留了风冷散热器结构简洁，维护简单的特点，同时它的散热效率大大提高，保证了IGBT元件工作时产生的损耗所产生热能及时带走，使得IGBT工作安全可靠。

本发明还充分考虑了四象限整流器和逆变器的电路形式和结构特点，将两者设计融为一体，两者真正做到了能完全互换。当模块用于四象限整流器时，四相交流母排用作交流输入，相应的正、负母排用作直流输出，反之，当模块用于逆变器时，交流母排用作交流输出，相应的正、负母排用作直流输入。

本发明在外形结构上还充分考虑了模块的简统化，模块化设计，并保持了良好的互换性和可维修性。首先，它的控制电源接插件和光纤接插装置靠近最外侧，这样保证了控制信号的接插非常方便。另外，整个模块采用抽屉式结构，它的前面和后面为模块固定板，后部模块上方为母排出线，在两侧装有提起把柄，安装和维修时，通过提起把柄将模块提起，可以将模块很顺畅地象抽屉一样推进，然后在后部将母排通过螺钉连结起来，最后将前后固定板用螺钉固定。相比其它牵引变流器的结构，它不需要任何特殊的工装设备，检测，安装，维护，运输相当便捷。

Claims (9)

1、一种IGBT牵引变流器模块，包括低感母排(1)、IGBT元件(2)、IGBT驱动电路(3)、环氧玻璃布板(4)、前固定板(5)、散热器(6)、后固定板(7)几部分，其特征在于：所述的各个部分是根据降低主电路寄生电感，提高可靠性、可维护性的原则，按模块化设计组合在一起的，其中整个模块由8个IGBT元件组成，IGBT元件(2)为8个，每上下两个IGBT元件构成一个桥臂(即一相)，共有4个桥臂，而每相邻的两个桥臂，根据桥臂流过低感母排上正负母排的电流流向，采取反向错开排列，整个模块是按IGBT驱动电路、绝缘环氧玻璃布板、低感母排、IGBT元件、散热器由上自下分层排列的。

2、如权利要求1所述的IGBT牵引变流器模块，其特征在于：所述模块的驱动部分安装在IGBT元件和低感母排之上，且每个桥臂上下IGBT元件的驱动电路(3)做在同一个驱动板上，整个模块有四个驱动板，它们均安装在一块绝缘环氧玻璃布板(4)上。

3、如权利要求1或2所述的IGBT牵引变流器模块，其特征在于：所述的模块电路中不含吸收电路(snubber)。

4、如权利要求1或2所述的IGBT牵引变流器模块，其特征在于：在低感母排上对应IGBT元件位置处开了便于IGBT驱动线通过的穿线孔。

5、如权利要求1或2所述的IGBT牵引变流器模块，其特征在于：IGBT牵引变流器模块的PWM驱动信号采用光纤传输。

6、如权利要求1或2所述的IGBT牵引变流器模块，其特征在于：散热器由许多薄散热片组成，一片一片的薄散热片嵌在散热板内，并由前固定板和后固定板固定。

7、如权利要求1或2所述的IGBT牵引变流器模块，其特征在于：所述模块可用于四象限整流器，当模块用于四象限整流器时，四相交流母排用作交流输入，相应的正、负母排用作直流输出。

8、如权利要求1或2所述的IGBT牵引变流器模块，其特征在于：所述模块可用于逆变器，当模块用于逆变器时，交流母排用作交流输出，相应的正、负母排用作直流输入。

9、如权利要求1或2所述的′IGBT牵引变流器模块，其特征在于：所述模块的控制电源接插件和光纤接插装置靠近最外侧，整个模块采用抽屉式结构，前面和后面为模块固定板，后部模块上方为母排出线，在两侧装有提起把柄，在后部将母排通过螺钉连结起来，且前后固定板用螺钉固定。

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