CN204316368U - 一种逆变器模块 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种逆变器模块，涉及电动轮汽车、地铁车辆、机车车辆等矿山和轨道交通领域。其包括功率电路和控制电路，功率电路包括半导体开关元件和驱动板，半导体开关元件与驱动板信号连接；功率电路的输入端连接直流母线的正负极，功率电路的输出端连接电机，功率电路的输出端上设置有电流传感器；控制电路包括CPLD和电流比较单元，电流比较单元包括调理电路和比较电路；所述CPLD与所述驱动板信号连接，电流比较单元与电流传感器信号连接。该逆变器模块既实现了输出功率的控制，又实现了对功率电路的检测、保护和控制，在自身不损坏的同时将要保护的内容上传至TCU，为其发出相应的指令提供基础，便于TCU对逆变器模块的控制。

Description

一种逆变器模块

技术领域

本实用新型涉及电动轮汽车、地铁车辆、机车车辆等矿山和轨道交通领域，尤其涉及一种逆变器模块。

背景技术

近年来，矿山运输使用的电动轮汽车国产化进程加快，由于直流传动的诸多技术限制，新造汽车均采用交流传动方式，而对于交流传动方式就需要大功率的牵引逆变器。同时，国内轨道交通这些年发展也非常迅速，地铁、动车、货运机车、铁路工程机械等也都需要大功率逆变器模块。

目前，无论是矿山还是轨道交通，逆变器基本都是专用型的，灵活性比较差。同时现有的模块都是单纯的功率部分，没有逻辑和保护功能。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种逆变器模块，从而解决现有技术中存在的前述问题。

为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：

一种逆变器模块，包括功率电路1和控制电路2，其中，功率电路1包括半导体开关元件5和驱动板8，半导体开关元件5与驱动板8信号连接；功率电路1的输入端连接直流母线的正负极，功率电路1的输出端连接电机，功率电路1的输出端上设置有电流传感器6；控制电路2包括CPLD14和电流比较单元13，电流比较单元13包括调理电路和比较电路；CPLD14与驱动板8信号连接，电流比较单元13与电流传感器6信号连接。

进一步地，功率电路1还包括散热器9和温度传感器10，温度传感器10设置于散热器9上，半导体开关元件5设置于散热器9上；控制电路2还包括温度比较单元12，温度比较单元12包括调理电路和比较电路，温度传感器10与温度比较单元12信号连接。

进一步地，功率电路1还包括电容4，电容4和半导体开关元件5之间通过无感母排7连接。

进一步地，散热器9的上表面的侧边处设置有多个支杆11，电容4固定在多个支杆11之间。

优选地，散热器9、半导体开关元件5、驱动板8、无感母排7和电容4从下至上为层叠式设置；控制电路2设置在控制盒3内，控制盒3设置于功率电路1的上方。

优选地，半导体开关元件5选自IGBT。

优选地，IGBT设置为八个，其中两个为斩波IGBT，且一个所述斩波IGBT与制动电阻连接。

优选地，驱动板8紧贴散热器9设置。

优选地，电流传感器6设置为三个，分别设置于功率电路1的三相输出端。

本实用新型的有益效果是：本实用新型实施例提供的逆变器模块既实现了输出功率的控制，又实现了对功率电路的检测、保护和控制，从而保证自身不损坏，同时将要保护的内容上传至TCU，为其发出相应的指令提供基础，便于TCU对逆变器模块进行控制。

附图说明

图1是本实用新型实施例提供的逆变器模块的结构示意图；

图2是本实用新型实施例提供的逆变器模块的原理框图；

图3是本实用新型实施例提供的逆变器模块的控制电路的原理示意图。

图中，各符号的含义如下：

1功率电路，2控制电路，3控制盒，4电容，5半导体开关元件,6电流传感器，7无感母排,8驱动板,9散热器,10温度传感器，11支杆，12温度比较单元，13电流比较单元，14CPLD。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

参见图1-3，本实用新型实施例提供了一种逆变器模块，包括功率电路1和控制电路2，其中，功率电路1包括半导体开关元件5和驱动板8，半导体开关元件5与驱动板8信号连接(参见图2)；功率电路1的输入端连接直流母线的正负极，功率电路1的输出端连接电机(图中未示出)，功率电路1的输出端上设置有电流传感器6(参见图2)；控制电路2包括CPLD14和电流比较单元13(参见图3)，电流比较单元13包括调理电路和比较电路；CPLD14与驱动板8信号连接，电流比较单元13与电流传感器6信号连接。

本实施例中，CPLD(Complex Programmable Logic Device)复杂可编程逻辑器件，是从PAL和GAL器件发展出来的器件，相对而言规模大，结构复杂，属于大规模集成电路范围。是一种用户根据各自需要而自行构造逻辑功能的数字集成电路。其基本设计方法是借助集成开发软件平台，用原理图、硬件描述语言等方法，生成相应的目标文件，通过下载电缆(“在系统”编程)将代码传送到目标芯片中，实现设计的数字系统。

本实施例中，TCU(Traction Control Unit)，牵引控制单元，一般用于机车、地铁、矿车等车辆领域，负责整车的牵引传动控制。

如图2所示，本实用新型实施例提供的逆变器模块包括功率电路和控制电路。其中，控制电路2是整个模块的控制部分，可以对模块进行脉冲控制和故障保护。功率电路有两个输入，四个输出，输入连接在直流母线的正负极上，输出的U、V、W连接电机的三个接线端，CHOPPER可连接制动电阻的一端，电阻的另一端可以根据用户需求接至直流母线的正极或负极上。

功率电路1的连接电机的三个输出端可以使用三根铜排，并可以安装三个电流传感器6，用于测量电机每一相的输出电流。而且，通过将电流传感器6与控制电路2中的电流比较单元13连接，电流传感器6检测到的每一相的电流信号可以发送至电流比较单元13，电流比较单元13由调理电路和比较电路组成，当电流的峰值超过设定值时，电流比较单元13将信号传递给CPLD14。CPLD14可以将接收到的电流的故障信号，首先进行滤波，再进行闭锁，然后封锁驱动脉冲，并且将故障信号反馈给TCU，此时CPLD14处于闭锁状态。

TCU发送解锁信号后，CPLD14恢复正常，并接收TCU的脉冲控制信号，并将信号发送给驱动板8，驱动板8控制半导体开关元件5的通断，来控制该逆变器模块功率电路1的输出电压，从而控制电机的功率，如图3所示。

驱动板8控制半导体开关元件5的ge端，开通电平为+15V，关断电平为-10V，并具有保护功能。

驱动板8可以将故障信号发送至CPLD14，CPLD14可以将接收到的驱动板的故障信号，首先进行滤波，再进行闭锁，然后封锁驱动脉冲，并且将故障信号反馈给TCU，此时CPLD14处于闭锁状态，直至TCU发送解锁信号后，CPLD14恢复正常。

本实用新型实施例提供的逆变器模块既实现了输出功率的控制，又实现了对功率电路的检测、保护和控制，从而保证自身不损坏，同时将要保护的内容上传至TCU，为其发出相应的指令提供基础。

本实用新型实施例中，功率电路1还包括散热器9和温度传感器10，温度传感器10设置于散热器9上，半导体开关元件5设置于散热器9上；控制电路2还包括温度比较单元12，温度比较单元12包括调理电路和比较电路，温度传感器10与温度比较单元12信号连接。

半导体开关元件5在使用过程中，会产生大量的热，为了能够使其及时的散热，在半导体开关元件5上设置散热器9。半导体开关元件5可以紧贴散热器9，从而提高散热效果，散热器9可以根据用户需求独立散热或者集中散热。

本实用新型实施例中，通过在散热器9上设置温度传感器10，来检测逆变器模块的温度，并通过将温度传感器10与温度比较单元12信号连接，温度传感器10检测到的温度信号可以发送至温度比较单元12，温度比较单元12由调理电路和比较电路组成，当温度的峰值超过设定值时，温度比较单元12将信号传递给CPLD14。CPLD14可以将接收到的温度的故障信号，首先进行滤波，再进行闭锁，然后封锁驱动脉冲，并且将故障信号反馈给TCU，此时CPLD14处于闭锁状态。直到TCU发送解锁信号后，CPLD14恢复正常。

本实用新型实施例中，功率电路1还包括电容4，电容4和半导体开关元件5之间通过无感母排7连接。

无感母排7采用层叠式母排，电容4采用薄膜电容，用无感母排7连接电容4和半导体开关元件5，可以减小电容4和半导体开关元件5之间的线路电感，抑制半导体开关元件5的通断过电压，电容4具有电压支撑的作用，可以防止直流母线电压突变。

本实用新型实施例中，散热器9的上表面的侧边处设置有多个支杆11，电容4固定在多个支杆11之间。

采用这样的结构，可以防止电气接口受力。在本实用新型实施例中，支杆11可以设置为4个，分别设置在四个侧边处。如本领域技术人员可以理解的，还可以根据需求设置其他数量的支杆11。

本实用新型实施例中，散热器9、半导体开关元件5、驱动板8、无感母排7和电容4从下至上为层叠式设置；控制电路2设置在控制盒3内，控制盒3设置于功率电路1的上方。

本实用新型实施例提供的逆变器模块采用层叠式的结构，模块化设计，机械和电气接口简单方便，便于安装和维护；同时体积小，便于主变流系统设计，可以在同样电压等级的各种场合使用，具有较好的通用性；

同时，采用上述结构的逆变器模块，可以进行模块级并联使用，这样在诸如电动轮汽车等多功率等级应用领域，可以通过增加或减少模块的数量来设计主变流器，以适用不同功率等级的车型，比如可以获得400kW等级逆变器模块，具有较好的可扩展性。

控制盒3设置在该逆变器模块的最上方，且可以采用半密封式结构，从而兼具电磁兼容和散热功能。如本领域技术人员可以理解的，控制电路2可以设置在控制板上，同时，在控制盒内，可以设置有电源，为各器件供电。

本实用新型实施例中，半导体开关元件5选自IGBT。

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，绝缘栅双极型晶体管，是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大；MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。

在一个优选实施例中，IGBT设置为八个，其中两个为斩波IGBT，且一个所述斩波IGBT与制动电阻连接。

采用上述结构，可以使本实用新型实施例提供的逆变器模块具有斩波功能。普通逆变器一般由六个IGBT组成，本实用新型提供的逆变器模块比普通逆变器增加两个IGBT，作为斩波使用，当车辆在制动时，斩波IGBT打开，泄放制动能量。斩波部分由两个IGBT组成，每个都有独立的控制接口，系统设计时可以根据需要将制动电阻的一端接至正母线或负母线。

本实用新型实施例中，驱动板8紧贴散热器9设置。

采用上述结构，可以减小驱动阻抗，驱动采用光纤接口，减少电磁干扰。

本实用新型实施例中，电流传感器6设置为三个，分别设置于所述功率电路的三相输出端。

采用上述结构，可以检测电机三相线路中的电流，并可以对其进行线路保护，避免线路中出现过流，受到损坏。

本实用新型实施例中，IGBT型号为5SNA 1200E330100，驱动板8型号为1SP0635V，电流传感器6为LTC1000-SF，温度传感器10采用PT100，CPLD14使用Xilinx公司生产的XC95288XL。

通过采用本实用新型公开的上述技术方案，得到了如下有益的效果：

1、通用性。逆变器采用模块化设计，机械和电气接口简单方便，体积小，便于主变流系统设计，可以在同样电压等级的各种场合使用；

2、可扩展性。逆变器模块的主电路和控制电路接口简单，电气一致性比较好，可以进行模块级并联使用，这样在诸如电动轮汽车等多功率等级应用领域，可以通过增加或减少模块的数量来设计主变流器，以适用不同功率等级的车型；

3、散热设计。模块采用器件整体散热方式，散热效果好，温升低。设计主变流器时可以对模块进行独立散热，或者与系统其它部件一起整体散热，模块还可以根据主变流器结构和风道设计要求改变自己的散热器厚度，灵活方便；

4、自带斩波功能。普通逆变器一般由六个IGBT组成，本发明的逆变器模块比普通逆变器增加两个IGBT，作为斩波使用，当车辆在制动时，斩波IGBT打开，泄放制动能量。斩波部分由两个IGBT组成，每个都有独立的控制接口，系统设计时可以根据需要将制动电阻的一端接至正母线或负母线；

5、保护和逻辑控制功能。模块本身带有电流传感器，并自带控制板，控制板兼具保护和基本控制功能，可以完成TCU的控制指令，同时检测逆变器模块本身的各项参数，当超过限值时进行第一时间保护，保证自身不损坏，并将保护的内容上报至TCU。

本说明书中的各个实施例均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的部分互相参见即可。

本领域人员应该理解的是，上述实施例提供的方法步骤的时序可根据实际情况进行适应性调整，也可根据实际情况并发进行。

上述实施例涉及的方法中的全部或部分步骤可以通过程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可以存储于计算机设备可读取的存储介质中，用于执行上述各实施例方法所述的全部或部分步骤。所述计算机设备，例如：个人计算机、服务器、网络设备、智能移动终端、智能家居设备、穿戴式智能设备、车载智能设备等；所述的存储介质，例如：RAM、ROM、磁碟、磁带、光盘、闪存、U盘、移动硬盘、存储卡、记忆棒、网络服务器存储、网络云存储等。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本实用新型的保护范围。

Claims (9)

1.一种逆变器模块，其特征在于，包括功率电路和控制电路，所述功率电路包括半导体开关元件和驱动板，所述半导体开关元件与所述驱动板信号连接；所述功率电路的输入端连接直流母线的正负极，所述功率电路的输出端连接电机，所述功率电路的输出端上设置有电流传感器；所述控制电路包括CPLD和电流比较单元，所述电流比较单元包括调理电路和比较电路；所述CPLD与所述驱动板信号连接，所述电流比较单元与所述电流传感器信号连接。

2.根据权利要求1所述的逆变器模块，其特征在于，所述功率电路还包括散热器和温度传感器，所述温度传感器设置于所述散热器上，所述半导体开关元件设置于所述散热器上；所述控制电路还包括温度比较单元，所述温度比较单元包括调理电路和比较电路，所述温度传感器与所述温度比较单元信号连接。

3.根据权利要求2所述的逆变器模块，其特征在于，所述功率电路还包括电容，所述电容和所述半导体开关元件之间通过无感母排连接。

4.根据权利要求3所述的逆变器模块，其特征在于，所述散热器的上表面的侧边处设置有多个支杆，所述电容固定在所述多个支杆之间。

5.根据权利要求3所述的逆变器模块，其特征在于，所述散热器、所述半导体开关元件、所述驱动板、所述无感母排和所述电容从下至上为层叠式设置；所述控制电路设置在控制盒内，所述控制盒设置于所述功率电路的上方。

6.根据权利要求3所述的逆变器模块，其特征在于，所述半导体开关元件选自IGBT。

7.根据权利要求6所述的逆变器模块，其特征在于，所述IGBT设置为八个，其中两个为斩波IGBT，且一个所述斩波IGBT与制动电阻连接。

8.根据权利要求3所述的逆变器模块，其特征在于，所述驱动板紧贴所述散热器设置。

9.根据权利要求1所述的逆变器模块，其特征在于，所述电流传感器设置为三个，分别设置于所述功率电路的三相输出端。