CN201438674U - 充电机功率装置 - Google Patents

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Abstract

本实用新型公开了一种充电机功率装置，包括单相半控桥逆变电路、高频变压器、整流电路、滤波电路和复合母排；单相半控桥逆变电路通过复合母排与高频变压器电连接；高频变压器通过复合母排与整流电路电连接，整流电路通过复合母排与滤波电路电连接；单相半控桥逆变电路将输入的直流电压逆变为交流方波电压；高频变压器将交流方波电压降压为一降压的交流方波电压；整流电路将压降的交流方波电压整流为另一直流电压；滤波电路将另一直流电压进行滤波后输出。本实用新型利用复合母排进行器件间的电气连接，降低了线路分布电感，从而降低了功率元件两端的反向峰值电压，提高功率器件运行的可靠性和稳定性，同时提高了电路的集成度，便于维修维护。

Description

充电机功率装置
技术领域
本实用新型涉及一种充电机功率装置，尤其涉及一种利用复合母排进行电气连接和利用散热器散热的充电机功率装置。
背景技术
现代电力机车(例如HXD2机车)中都需要用到蓄电池和各种利用DC110V供电的设备，而为蓄电池充电和为这些需要DC110V供电设备的供电就要用到充电机功率装置。这些充电机功率装置大多采用高频电源技术，可以利用恒压或者恒流方式进行供电和充电。
现有的充电机功率装置大多利用布线排布来进行器件的电气连接，而现有的装置中因为所使用的布线长度都比较长，这些长的布线会造成线路中的分布电感比较大，由此造成功率元件两端的反向峰值电压比较高，所以会使得现有的充电机功率装置的运行可靠性和稳定性差，电路的集成度也很低，并且不便于维修和维护。
实用新型内容
为了解决上述现有技术的缺陷，本实用新型提供了一种充电机功率装置，该装置利用复合母排进行器件间的电气连接，以实现降低线路分布电感，从而降低功率元件两端的反向峰值电压，提高功率器件运行的可靠性和稳定性，同时为了提高了电路的集成度，和便于维修维护。
为实现上述目的，本实用新型实施例提供了一种充电机功率装置，所述装置包括：单相半控桥逆变电路、高频变压器、整流电路、滤波电路和复合母排；
所述单相半控桥逆变电路通过所述复合母排与所述高频变压器电连接；所述高频变压器通过复合母排与所述整流电路电连接，所述整流电路通过复合母排与所述滤波电路电连接；其中
所述单相半控桥逆变电路将输入的直流电压逆变为交流方波电压，并输出给所述高频变压器；所述高频变压器将所述单相半控桥逆变电路输出的所述交流方波电压降压为一降压的交流方波电压，并输出给所述整流电路；所述整流电路将所述高频变压器输出的所述压降的交流方波电压整流为另一直流电压，并输出给所述滤波电路；所述滤波电路将所述整流电路输出的所述另一直流电压进行滤波后输出。
本实用新型的充电机功率装置，利用复合母排进行器件间的电气连接，降低了线路分布电感，从而降低了功率元件两端的反向峰值电压，提高功率器件运行的可靠性和稳定性，同时提高了电路的集成度，便于维修维护。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本实用新型充电机功率装置的电路示意图；
图2A为本实用新型充电机功率装置的立体图；
图2B为本实用新型充电机功率装置的主试图；
图2C为本实用新型充电机功率装置的侧视图；
图2D为本实用新型充电机功率装置的俯视图；
图3A为本实用新型充电机功率装置利用复合母排电连接的示意图之一；
图3B为本实用新型充电机功率装置利用复合母排电连接的示意图之二；
图4A为本实用新型充电机功率装置的示意图之一；
图4B为本实用新型充电机功率装置的示意图之二；
图4C为本实用新型充电机功率装置的示意图之三；
图4D为本实用新型充电机功率装置的示意图之四；
图4E为本实用新型充电机功率装置的示意图之五；
图4F为本实用新型充电机功率装置的示意图之六；
图5A为本实用新型充电机功率装置的复合母排的分解示意图；
图5B所示的本实用新型充电机功率装置的复合母排的接合示意图；
图6A为本实用新型充电机功率装置的散热器的立体图；
图6B为本实用新型充电机功率装置的散热器的仰试图；
图6C为本实用新型充电机功率装置的散热器的后视图；
图6D为本实用新型充电机功率装置的散热器的侧视图；
图7为本实用新型充电机功率装置的驱动板A3的电路示意图；
图8A为本实用新型充电机功率装置的驱动板A3的主视图；
图8B为本实用新型充电机功率装置的驱动板A3的侧视图；
图8C为本实用新型充电机功率装置的驱动板A3的俯视图。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
本实用新型的充电机功率装置利用了复合母排对各个部件进行电气连接，而不是布线连接，这样可以减少布线的电感，从而降低功率元件两端的反向峰值电压，可靠性高，而且提高了电路的集成度。利用直接贴合在绝缘门极晶体管(Isolated Gate Bipolar Transistor，IGBT)后面的翅片散热器直接对装置进行散热，散热效果也会非常好。
图1为本实用新型充电机功率装置的电路示意图，如图1所示，本实用新型充电机功率装置具体包括：单相半控桥逆变电路1、高频变压器2、整流电路3和滤波电路4。
单相半控桥逆变电路1与高频变压器2电连接，高频变压器2和整流电路3电连接，整流电路3和滤波电路4电连接。电容半桥10和IGBT11将输入的直流电压逆变为交流方波电压，并输出给高频变压器2；高频变压器2将电容半桥10和IGBT11输出的交流方波电压降压为一降压的交流方波电压，并输出给整流电路3，整流电路3将高频变压器2输出的压降的交流方波电压整流为另一直流电压，并输出给滤波电路4；滤波电路4将整流电路3输出的另一直流电压进行滤波后输出。
具体的处理过程是，前端输入的DC540V直流电压通过单相半控桥逆变电路1，将DC540V电压逆变为270V的方波电压，工作频率为10kHz，通过高频变压器2降压输出再通过整流电路3和滤波电路4，变为DC112.8V的直流电压，为机车上的蓄电池充电和DC110V负载供电。
再如图1所示，单相半控桥逆变电路1包括电容半桥10和IGBT11，电容半桥10和IGBT11互相电连接，电容半桥10和IGBT11均与高频变压器2电连接。
图2A为本实用新型充电机功率装置的立体图，图2B为本实用新型充电机功率装置的主试图，图2C为本实用新型充电机功率装置的侧视图，图2D为本实用新型充电机功率装置的俯视图，如图2A至图2D所示，本实用新型充电机功率装置还包括一个复合母排5，再请参见图1所示，具体的电容半桥10通过复合母排5与IGBT11电连接，电容半桥10和IGBT11均通过复合母排5与高频变压器电连接，高频变压器通过复合母排5与整流电路3电连接，整流电路3通过复合母排5与滤波电路电连接。连接后的示意图参见图3所示，图3A为本实用新型充电机功率装置利用复合母排电连接的示意图之一，图3B为本实用新型充电机功率装置利用复合母排电连接的示意图之二。
再如图1所示，电容半桥10具体包括三个电容，电容(C1)101，电容(C2)102和电容(C3)103，以及两个电阻(R1)100。而整流电路3具体包括一个电容(C4)301、一个电阻(R2)300和两个二极管(V2)302。另外还包括一个驱动板(A3)6，分别与电容半桥10和IGBT11电连接。
参见图2A至图2D所示，本实用新型充电机功率装置还包括一个支架7、散热器8和温度传感器(B1)9。散热器8固结在支架7上，电容(C1)101，电容(C2)102和电容(C3)103通过螺栓紧固安装在复合母排5上，电容(C1)101，电容(C2)102和电容(C3)103与复合母排5的+、-、M端电气连接。由此和IGBT11和高频变压器电连接。复合母排5通过螺栓紧固直接安装在IGBT11上，电阻(R1)100和电阻(R2)300、二极管(V2)302、温度传感器(B1)9、IGBT11紧固在散热器8上便于散热和温度监测。电容(C4)301和六芯连接器X1通过螺栓紧固直接安装在支架7上。驱动板(A3)6与支架7间通过绝缘子进行螺栓紧固。复合母排5中间伸出的一个6.35x0.8接线端子+点位通过导线实现与驱动板(A3)6的连接，复合母排5最右侧三个伸出的6.35x0.8接线端子+、-、M点位通过导线实现与电阻R1的连接。并且在电机功率装置机械和电气接口参数方面，机械接口和外形尺寸首先依照该装置在辅助变流柜上的安装位置确定。
所以，本实用新型充电机功率装置利用复合母排5实现电气连接，减少了布线长度，降低了线路分布的电感，从而降低了功率元件两端的反向峰值电压，降低功率器件对电压保护吸收电路的要求，提高了功率器件运行的可靠性和稳定性，同时提高了电路的集成度，并且便于维修维护。
图4A为本实用新型充电机功率装置的示意图之一，如图4A所示，支架7采用镀锌钢板铆接结构。
图4B为本实用新型充电机功率装置的示意图之二，如图4B所示，电容(C1)101，电容(C2)102、电容(C3)103、IGBT11和复合母排5固定在支架7上，并且电容(C1)101，电容(C2)102、电容(C3)103和IGBT11分别电气连接复合母排5。
图5A为本实用新型充电机功率装置的复合母排的分解示意图，如图5A所示，本实用新型充电机功率装置的复合母排包括7层结构，具体包括上层无感母排501、中层无感母排502、下层无感母排503和4层绝缘层511、512、513、514，上层无感母排501的一侧贴合有一绝缘层511，上层无感母排501的另一侧通过一绝缘层512与中层无感母排502的一侧相贴合，中层无感母排502的另一侧通过一绝缘层513与下层无感母排503的一侧相贴合，下层无感母排503的另一侧也贴合一绝缘层514。所有无感母排和绝缘层贴合以后，如图5B所示的本实用新型充电机功率装置的复合母排5的接合示意图，每一层的无感母排均露出一些接口。
通过无感母排层间的绝缘层实现了各个无感母排间相互的电气隔离和电气绝缘。无感母排的基板选用电解铜材料，表面经过特殊工艺的镀白锌处理，能够耐受大于96小时的烟雾试验，抗氧化防锈、耐腐蚀。绝缘层和贴合胶的温度等级为200级，在结构上采用胶粘技术将无感母排的基板和绝缘板层压在一起，经过了特殊的工艺处理，满足电气连接和使用环境下的电气性能要求，在无感母排的基板上根据电器件的布置位置和对外出线方式的不同设计有相应的电气连接接口。
图4C为本实用新型充电机功率装置的示意图之三，如图4C所示，比图4B又包括了电阻(R1)100和电阻(R2)300、二极管(V2)302、温度传感器(B1)9和电容(C4)301。电容(C4)301通过螺栓紧固直接安装在支架7上。
图4D为本实用新型充电机功率装置的示意图之四，如图4D所示，比图4C增加了散热器8。电阻(R1)100和电阻(R2)300、二极管(V2)302和温度传感器(B1)9紧固在散热器8上。
图6A为本实用新型充电机功率装置的散热器的立体图，图6B为本实用新型充电机功率装置的散热器的仰试图，图6C为本实用新型充电机功率装置的散热器的后视图，图6D为本实用新型充电机功率装置的散热器的侧视图。如图6A至图6D所示，该散热器8为翅片式散热器。而且必须保证功率元件及其他发热元件在工作条件下，结温不超过规定的额定值。散热器8的外形尺寸可以是300×300×84mm，耗散功率为2kW，冷却方式优选为强迫风冷，0.280m3/s，材质是铝制，优选ZL102铝硅合金，热阻Rth≤0.039°/W，重量≤11kg。
散热器8表面应光洁，无缩孔、锈蚀、裂纹、划伤、坑、瘤等缺陷，接触面粗糙度不大于3.2μm，接触面平面度要求不低于9级。并且散热器表面电泳涂装发黑或阳极氧化发黑处理，且接触面接触面应涂导热硅脂。
图4E为本实用新型充电机功率装置的示意图之五，如图4E所示，比图4D增加了驱动板(A3)6，驱动板(A3)6与支架7间通过绝缘子进行螺栓紧固。
图4F为本实用新型充电机功率装置的示意图之六，如图4F所示，增加了防护罩60，固定在支架7上，用于保护驱动板(A3)6。
图7为本实用新型充电机功率装置的驱动板A3的电路示意图，再参见图1所示，驱动板(A3)6可以采用HCPL316J光耦隔离驱动芯片，组成驱动模块，内部集成集电极发射极电压欠饱和检测电路及故障状态反馈电路，为驱动电路的可靠工作提供了保障。其特性为：兼容CMOS/TYL电平；光隔离，故障状态反馈；开关时间最大500ns；“软”IGBT关断；欠饱和检测及欠压锁定保护；过流保护功能；宽工作电压范围(15～30V)；可配置自动复位、自动关闭。DSP与该耦合器结合实现IGBT的驱动，使得IGBT VCE欠饱和检测结构紧凑，可以实现低成本，同时满足了宽范围的安全与调节需要。
如表1所示，为A3的引脚说明。
表1
  管脚   代号   名称   注释
  1   +15V   驱动电源   由ACU提供
  2   GND   电源接地端   由ACU提供
  3   -15V   驱动电源   由ACU提供
  4   +5V   HCPL316J电源端   由ACU提供
  5   PWM1   上管驱动脉冲   由DSP提供，幅值5V，与PWM2相位相反
  6   PWM2   下管驱动脉冲   由DSP提供，幅值5V，与PWM1相位相反
  7   RESET   芯片复位信号   低电平重启，高电平无效
  8   FAULT1   故障输出端1   低电平有效
  9   FAULT2   故障输出端2   低电平有效
  快速端子   COL_1   IGBT1短路电流检测端   DESAT端电压超过芯片内部7V，有故障
  快速端子   GATE_1   IGBT1门极驱动端   正向+15V导通，负向-15V关断
  快速端子   EM_1   IGBT1发射极端   接在IGBT的发射极端
  快速端子   COL_2   IGBT2短路电流检测端   DESAT端电压超过芯片内部7V，有故障
  快速端子   GATE_2   IGBT2门极驱动端   正向+15V导通，负向-15V关断
  快速端子   EM_2   IGBT2发射极端   接在IGBT的发射极端
  管脚   代号   名称   注释
  10   ST   温度模块
图8A为本实用新型充电机功率装置的驱动板A3的主视图，图8B为本实用新型充电机功率装置的驱动板A3的侧视图，图8C为本实用新型充电机功率装置的驱动板A3的俯视图，如图8所示，驱动板6的厚度为2.5mm，驱动板外形尺寸为120mm×150mm，安装孔尺寸为8-Φ5mm和106mm×133mm。插座的型号是SMS12GE4，插头的型号是SMS12PDH1，如表2所示，是插座和插头的点位定义表，其中的1、2、3、7、12接线用4芯屏蔽线。
表2
 插针N°   输入-输出描述   备注
2   上部电源开关：+15V/0V(15V：开关+开/0V：开关-开)(屏蔽电缆)开关-关/0V：开关+关
3   下部电源开关：+15V/0V(15V：开关-开/0V：开关+开)(屏蔽电缆)开关+关/0V：开关-关
  12   电源开关状态回复(屏蔽电缆)
  1   0V(屏蔽电缆)
  8   电源15Vdc
  10   15Vdc电源的0V
  7   屏蔽电缆屏蔽
表3为驱动板内部线路连接端子的定义表：
表3
  序号   点位   接线端子   备注
  1   COL1   6.3mm×0.8mm
  2   COL2   6.3mm×0.8mm
  3   G1、2   6.3mm×0.8mm
  序号   点位   接线端子   备注
  4   E1、2   6.3mm×0.8mm
电气保护主要为过热保护，过热保护阀值为80℃，采用固定温度的温度继电器进行检测，开关量信号每10秒读取一次温度信息。
通讯方式是符合标准ISO 11898-2的CAN2.0A总线协议。CAN总线是多主的总线，各个设备为节点，每个节点都能够进行收发数据。数据传输通过CAN报文(Message)来发送，每个报文具有一个ID和0～8Byte的数据，总线具有仲裁机制来解决多个节点同时发送报文的冲突问题，CAN报文采用广播式发送，接收节点根据报文ID来确定是否要接受该报文。
因为为本实用新型充电机功率装置采用了复合母排，可以实现对装置的电气连接，减少了布线长度，降低了线路分布的电感，从而降低了功率元件两端的反向峰值电压，降低功率器件对电压保护吸收电路的要求，提高了功率器件运行的可靠性和稳定性，同时提高了电路的集成度，并且便于维修维护。
再参见图1所示，本实用新型充电机功率装置的工作过程是，再参见图2A至图2D所示，单相半控桥逆变电路输入DC540V直流电压，通过单相半控桥逆变电路的电容半桥和IGBT半桥的处理，将DC540V电压逆变为270V的方波电压，工作频率为10kHz，270V的方波电压通过高频变压器降压(压降到DC112.8V)后，通过整流电路进行整流和滤波电路滤波后变为DC112.8V的直流电压，为机车上的蓄电池充电和DC110V负载供电。
在本实用新型充电机功率装置为蓄电池充电时，首先检测蓄电池电压是否大于96V，如果大于96V就直接进入浮充充电模式，以恒压108V，极限电流28A对蓄电池进行浮充电，直到电压充到108V。如果蓄电池电压小于96V就首先进入快速充电模式，以恒压112.8V，极限电流28A进行快速充电，直到蓄电池的电压充到112.8V时再进入浮充充电模式，将电压恒定在108V进行充电。如果随着蓄电池的使用，电池电压又低于96V的时候，充电模式又自动转为快速充电，如此循环往复控制在不同的工作状态下进行工作，同时，工作电压随着蓄电池的温度进行动态补偿调节。
以上所述的具体实施方式，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施方式而已，并不用于限定本实用新型的保护范围，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种充电机功率装置，其特征在于，所述装置包括：单相半控桥逆变电路、高频变压器、整流电路、滤波电路和复合母排；
所述单相半控桥逆变电路通过所述复合母排与所述高频变压器电连接；所述高频变压器通过复合母排与所述整流电路电连接，所述整流电路通过复合母排与所述滤波电路电连接；其中
所述单相半控桥逆变电路将输入的直流电压逆变为交流方波电压，并输出给所述高频变压器；所述高频变压器将所述单相半控桥逆变电路输出的所述交流方波电压降压为一降压的交流方波电压，并输出给所述整流电路；所述整流电路将所述高频变压器输出的所述压降的交流方波电压整流为另一直流电压，并输出给所述滤波电路；所述滤波电路将所述整流电路输出的所述另一直流电压进行滤波后输出。
2.根据权利要求1所述的充电机功率装置，其特征在于，所述单相半控桥逆变电路具体包括电容半桥和绝缘门极晶体管，所述电容半桥通过复合母排与所述绝缘门极晶体管电连接。
3.根据权利要求2所述的充电机功率装置，其特征在于，所述电容半桥包括三个电容，分别通过所述复合母排与所述绝缘门极晶体管和所述高频变压器电连接。
4.根据权利要求1所述的充电机功率装置，其特征在于，所述复合母排具体包括上层无感母排、中层无感母排、下层无感母排和数层绝缘层，所述上层无感母排的一侧贴合有一所述绝缘层，所述上层无感母排的另一侧通过一所述绝缘层与所述中层无感母排的一侧相贴合，所述中层无感母排的另一侧通过一所述绝缘层与所述下层无感母排的一侧相贴合，所述下层无感母排的另一侧也贴合一所述绝缘层。
5.根据权利要求1所述的充电机功率装置，其特征在于，所述装置还包括支架，所述复合母排、电容半桥和绝缘门极晶体管固接在所述支架上。
6.根据权利要求5所述的充电机功率装置，其特征在于，所述装置还包括散热器，分别与所述支架、电容半桥和绝缘门极晶体管相固接。
7.根据权利要求6所述的充电机功率装置，其特征在于，所述散热器为翅片式散热器。
8.根据权利要求6所述的充电机功率装置，其特征在于，所述装置还包括温度传感器，与所述散热器相连接。
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