CN220629165U - 一种集成控制功能的水冷辅助功率模块 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种集成控制功能的水冷辅助功率模块，涉及辅助功率模块技术领域，包括水冷散热器，所述水冷散热器的上部设置有整体金属框架，所述整体金属框架包括依次连接的第一金属框架、第三金属框架、第二金属框架和支撑电容绝缘板，所述整体金属框架的上部连接有第四金属框架；所述水冷散热器上设置有与交流输出铜排相连的绝缘座；本实用新型因自身采用高集成度设计，可根据辅助电源系统不同的承载容量进行多模块组合使用，无需令配置外接控制机箱资源和重新设计模块。可实现整个系统的设计降本以及制造降本，在实现高压逆变输出的同时，也实现了自主逻辑控制功能。

Description

一种集成控制功能的水冷辅助功率模块

技术领域

本实用新型涉及辅助功率模块技术领域，尤其涉及一种集成控制功能的水冷辅助功率模块。

背景技术

辅助电源系统为干线铁路及城市轨道交通车辆提供三相交流或单相交流供电。辅助功率模块做为辅助电源系统的核心部件，主要承担输入至输出电压逆变转换的作用，其自身的集成度高低和可靠性对整个系统的可靠性、轻量化以及小型化具有关键性作用。

现有技术中，专利CN201310158934提出了一种变流器或变频器中的功率模块，实现整流或逆变功能的核心组件，其性能参数直接决定了变流器或变频器的性能。专利CN201910040897提出了一种轨道交通用水冷散热功率模块，主要用于永磁同步牵引系统的永磁电机控制。

然而，上述现有技术存在着一定的不足之处。首先，专利CN201310158934与CN201910040897的功率模块中没有集成支撑电容，支撑电容在功率模块的环流回路中起着至关重要的作用，如果将其与模块分离使用，势必要在换流回路中增加额外的电气连接环节，会使得整个换流回路杂散电感增加，从而增大IGBT关断的尖峰电压，影响其工作可靠性及使用寿命；其次，专利CN201310158934与CN201910040897的功率模块没有集成控制单元，无法完成自主逻辑控制。在与外部控制单元配合使用时，其大量控制线需要通过柜内走线的方式与功率模块连接，在此过程中会出现信号干扰的可能性，从而降低整个辅助系统可靠性；再次，上述两个问题也使得功率模块的独立使用率降低，必须配套相应的外部控制单元及支撑电容，也不利于整个系统轻量化及小型化的实现。

实用新型内容

本实用新型提供一种集成控制功能的水冷辅助功率模块，解决了现有功率模块没有集成支撑电容和控制单元的问题。

为达到以上目的，本实用新型采取的技术方案是：

一种集成控制功能的水冷辅助功率模块，包括水冷散热器，所述水冷散热器的上部设置有整体金属框架，所述整体金属框架包括依次连接的第一金属框架、第三金属框架、第二金属框架和支撑电容绝缘板，所述整体金属框架的上部连接有第四金属框架；所述水冷散热器上部设置有与交流输出铜排相连的绝缘座；

所述水冷散热器的上部设置有IGBT，所述IGBT设置于整体金属框架的下方；所述IGBT通过叠层母排与突波电容相连；所述IGBT通过交流输出铜排与L型支撑架相连；所述交流输出铜排与安装在水冷散热器上的电流传感器相连；

所述整体金属框架的空间内设置有支撑电容，所述支撑电容的两端分别与第三金属框架和支撑电容绝缘板相连；所述第一金属框架的外表面上设置有控制线接插件转接板、扎线杆和电压传感器安装板；所述第二金属框架的外表面上通过第三支撑柱固定有电源模块；所述第三金属框架的外表面与第一绝缘支撑板相连，所述第一绝缘支撑板与驱动板相连；所述第四金属框架的上部与第二绝缘支撑板相连，所述第二绝缘支撑板的上部与逻辑控制板相连。

进一步地，所述逻辑控制板相连的上部设置有金属罩板。

进一步地，所述驱动板外部设置有绝缘罩板，所述绝缘罩板通过第一支撑柱与第二支撑柱固定于第三金属框架上。

进一步地，所述电源模块与驱动板相连。

进一步地，所述绝缘座分别与用于接收输入直流正电压的第一输入铜排和用于接收输入直流负电压的第二输入铜排相连。

进一步地，所述电压传感器安装板上连接有电压传感器。

进一步地，所述支撑电容与叠层母排电连接。

进一步地，所述控制线接插件转接板上连接有控制线接插件。

进一步地，所述水冷散热器上设置有L型扎线杆。

进一步地，所述水冷散热器的侧面设置有水冷快插接头、定位销、金属过渡板和把手，所述第一金属框架、支撑电容绝缘板以及水冷散热器上分别设置有扎线座。

本实用新型的有益效果在于：

第一，该模块因自身采用高集成度设计，可根据辅助电源系统不同的承载容量进行多模块组合使用，无需令配置外接控制机箱资源和重新设计模块。可实现整个系统的设计降本以及制造降本；

第二，与传统的辅助功率模块相比，本发明提供的辅助模块采用高集成度设计，整体模块不仅包括了IGBT、散热器及驱动板等传统部件，还集成了逻辑控制单元、电源转换模块以及输出电流传感器，使得模块具有完全独立工作的能力。主电路全部连线采用铜排或叠层母排进行连接，实现无线缆连接，具有安装快速、结构清晰、可重复电气性能、低阻抗、抗干扰、可靠性好、节省空间、装配简洁快捷等优点，较传统辅助功率模块减少体积40％左右。同时，模块采用轻量化水冷散热设计，极大的降低了整个辅助电源系统的空间和重量。

附图说明

为了更清楚的说明本实用新型的实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做一简单地介绍，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为本实用新型一个方向的轴测图。

图2为本实用新型另一个方向的轴测图。

图3为本实用新型水冷散热器组成轴测图。

图4为本实用新型驱动板组成的爆炸图。

图5为本实用新型逻辑控制板组成的爆炸图。

附图标号说明：

1、第一金属框架；2、第二金属框架；3、第三金属框架；4、第四金属框架；5、金属罩板；6、支撑电容绝缘板；7、绝缘罩板；8、第一绝缘支撑板；9、第二绝缘支撑板；10、第一支撑柱；11、第二支撑柱；12、第三支撑柱；13、驱动板；14、逻辑控制板；15、电源模块；16、IGBT；17、突波电容；18、叠层母排；19、第一输入铜排；20、第二输入铜排；21、交流输出铜排；22、电流传感器；23、电压传感器；24、支撑电容；25、控制线接插件；26、控制线接插件转接板；27、扎线杆；28、电压传感器安装板；29、绝缘座；30、L型扎线杆；31、L型支撑架；32、扎线座；33、水冷散热器；34、水冷快插接头；35、定位销；36、金属过渡板；37、把手。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本实用新型及其应用或使用的任何限制。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本实用新型的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本实用新型保护范围的限制。

本实用新型提供一种技术方案：一种集成控制功能的水冷辅助功率模块，该模块主要实现辅助电源系统中DC600V输入，380VPWM波输出的DCAC逆变功能。如图1-图5所示，包括水冷散热器33，所述水冷散热器33的上部设置有整体金属框架，所述整体金属框架包括依次连接的第一金属框架1、第三金属框架3、第二金属框架2和支撑电容绝缘板6，所述整体金属框架的上部连接有第四金属框架4；所述水冷散热器33上部设置有与交流输出铜排21相连的绝缘座29；

所述水冷散热器33的上部设置有IGBT16，所述IGBT16设置于整体金属框架的下方；所述IGBT16通过叠层母排18与突波电容17相连；所述IGBT16通过交流输出铜排21与L型支撑架31相连；所述交流输出铜排21与安装在水冷散热器33上的电流传感器22相连；

所述整体金属框架的空间内设置有支撑电容24，所述支撑电容24的两端分别与第三金属框架3和支撑电容绝缘板6相连；所述第一金属框架1的外表面上设置有控制线接插件转接板26、扎线杆27和电压传感器安装板28；所述第二金属框架2的外表面上通过第三支撑柱12固定有电源模块15；所述第三金属框架3的外表面与第一绝缘支撑板8相连，所述第一绝缘支撑板8与驱动板13相连；所述第四金属框架4的上部与第二绝缘支撑板9相连，所述第二绝缘支撑板9的上部与逻辑控制板14相连。

下面对本实用新型的每个部件做单独描述：

第一金属框架1安装在水冷散热器33上，与第二金属框架2、第三金属框架3、第四金属框架4连接，形成整体金属框架。同时用于固定控制线接插件转接板26、扎线杆27及电压传感器安装板28；

第二金属框架2安装在水冷散热器33上，与第一金属框架1、

第三金属框架3、第四金属框架4连接，形成整体金属框架。同时通过第三支撑柱12固定电源模块15；

第三金属框架3分别与第一金属框架1和第二金属框架2连接，用于固定第一绝缘支撑板8和支撑电容24；

第四金属框架4分别与第一金属框架1和第二金属框架2连接，用于固定第二绝缘支撑板9；

金属罩板5连接在第四金属框架4上，用于保护逻辑控制板14；

支撑电容绝缘板6分别与第一金属框架1和第二金属框架2连接，用于固定支撑电容24；

绝缘罩板7通过第一支撑柱10与第二支撑柱11固定于第三金属框架3上，用于保护驱动板13；

第一绝缘支撑板8安装于第三金属框架3上，用于固定13驱动板；

第二绝缘支撑板9连接在第四金属框架4上，用于固定14逻辑控制板；

第一支撑柱10安装在绝缘罩板7与驱动板13之间，对绝缘罩板7起到支撑作用；

第二支撑柱11安装在绝缘罩板7与第三金属框架3之间，对绝缘罩板7起到支撑作用；

第三支撑柱12安装在第二金属框架2与电源模块15之间，对电源模块15起到支撑作用；

驱动板13安装于第一绝缘支撑板8上，与IGBT16电连接，用于对IGBT16进行逻辑驱动控制；

逻辑控制板14安装于第二绝缘支撑板9上，用于接收或外发DI/DO信号、模拟量信号以及以太网通讯信号，实现模块与外部的电通信，在通过内部的CPU处理器进行算法及逻辑运算，从而实现模块的合理输出；

电源模块15安装在第二金属框架上，与驱动板13电连接，用于给驱动板13供电；

IGBT16安装在水冷散热器33上，通过自身逻辑开关顺序，实现DCAC的电压逆变；

突波电容17通过叠层母排18安装在IGBT16上，与IGBT16电连接，用于吸收IGBT16关断时的尖峰电压，减小整个换流回路的电气应力，提升IGBT16的使用寿命；

叠层母排18分别安装在IGBT16和支撑电容24上，用于模块整个换流回路的电气连接，在减小换流回路杂散电感的同时，也提高了整个模块的空间利用率；

第一输入铜排19连接在29绝缘座，用于接收输入直流正电压；

第二输入铜排20连接在29绝缘座，用于接收输入直流负电压；

交流输出铜排21，分别连接在IGBT16和31L型支撑架上，用于模块三相PWM波的对外输出接口；

电流传感器22安装在水冷散热器33上，采集交流输出铜排21上的电流，用于控制算法的闭环调节；

电压传感器23通过电压传感器安装板28安装在第一金属框架1上，用于模块直流输入环节的电压采样；

支撑电容24通过第三金属框架3和支撑电容绝缘板6固定，并与叠层母排18实现电气连接，用于无功补偿及换流回路电压支撑；

控制线接插件25固定在控制线接插件转接板26上，用于模块控制信号的对外连接，实现快速插拔便于维护；

控制线接插件转接板26固定于第一金属框架1，用于固定控制线接插件25；

扎线杆27固定在第一金属框架1上，用于捆绑线束；

电压传感器安装板28固定在第一金属框架1上，用于安装电压传感器23；

绝缘座29安装在水冷散热器33上，用于第一输入铜排19、第二输入铜排20以及交流输出铜排21的固定；

L型扎线杆30安装在水冷散热器33上，用于捆绑线束；

L型支撑架31安装在水冷散热器33上，用于第一输入铜排19、第二输入铜排20以及交流输出铜排21的固定；

扎线座32分别安装在第一金属框架1、支撑电容绝缘板6以及水冷散热器33上，用于捆绑线束；

水冷散热器33用于对IGBT16散热，采用水冷冷却方式，散热密度高，体积小重量轻；

水冷快插接头34安装在水冷散热器33上，用于水冷散热器33冷却液的输入和输出，采用快速插拔方式，便于模块的整体维护；

定位销35安装在水冷散热器33上，用于模块推入时起到定位作用，避免水冷快插接头34因插入方向歪斜造成损坏；

金属过渡板36安装在水冷散热器33上，做为模块与系统安装的接口，可根据不同系统接口调整该金属过渡板上的安装孔，无需重新更改水冷散热器33的设计；

把手37安装在水冷散热器33上，便于模块维护时的抽拉操作。

本实用新型可用于干线铁路机车与城市轨道交通车辆的辅助电源系统中。将输入直流电压逆变为三相交流PWM波，经过辅助电源系统的滤波后，给三相380VAC或单相220VAC负载供电。

本实用新型所提供的一种集成控制功能的水冷辅助功率模块，通过集成逻辑控制单元及支撑电容，实现了高度集成化，完成了从输入到输出的完全独立工作。采用水冷散热器，相比传统的强迫风冷功率模块或者自然冷却功率模块体积大而且笨重，具有高效的散热性，且体积小、重量轻。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，根据本实用新型的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种集成控制功能的水冷辅助功率模块，其特征在于：包括水冷散热器(33)，所述水冷散热器(33)的上部设置有整体金属框架，所述整体金属框架包括依次连接的第一金属框架(1)、第三金属框架(3)、第二金属框架(2)和支撑电容绝缘板(6)，所述整体金属框架的上部连接有第四金属框架(4)；所述水冷散热器(33)上部设置有与交流输出铜排(21)相连的绝缘座(29)；

所述水冷散热器(33)的上部设置有IGBT(16)，所述IGBT(16)设置于整体金属框架的下方；所述IGBT(16)通过叠层母排(18)与突波电容(17)相连；所述IGBT(16)通过交流输出铜排(21)与L型支撑架(31)相连；所述交流输出铜排(21)与安装在水冷散热器(33)上的电流传感器(22)相连；

所述整体金属框架的空间内设置有支撑电容(24)，所述支撑电容(24)的两端分别与第三金属框架(3)和支撑电容绝缘板(6)相连；所述第一金属框架(1)的外表面上设置有控制线接插件转接板(26)、扎线杆(27)和电压传感器安装板(28)；所述第二金属框架(2)的外表面上通过第三支撑柱(12)固定有电源模块(15)；所述第三金属框架(3)的外表面与第一绝缘支撑板(8)相连，所述第一绝缘支撑板(8)与驱动板(13)相连；所述第四金属框架(4)的上部与第二绝缘支撑板(9)相连，所述第二绝缘支撑板(9)的上部与逻辑控制板(14)相连。

2.根据权利要求1所述的集成控制功能的水冷辅助功率模块，其特征在于：所述逻辑控制板(14)相连的上部设置有金属罩板(5)。

3.根据权利要求1所述的集成控制功能的水冷辅助功率模块，其特征在于：所述驱动板(13)外部设置有绝缘罩板(7)，所述绝缘罩板(7)通过第一支撑柱(10)与第二支撑柱(11)固定于第三金属框架(3)上。

4.根据权利要求1所述的集成控制功能的水冷辅助功率模块，其特征在于：所述电源模块(15)与驱动板(13)相连。

5.根据权利要求1所述的集成控制功能的水冷辅助功率模块，其特征在于：所述绝缘座(29)分别与用于接收输入直流正电压的第一输入铜排(19)和用于接收输入直流负电压的第二输入铜排(20)相连。

6.根据权利要求1所述的集成控制功能的水冷辅助功率模块，其特征在于：所述电压传感器安装板(28)上连接有电压传感器(23)。

7.根据权利要求1所述的集成控制功能的水冷辅助功率模块，其特征在于：所述支撑电容(24)与叠层母排(18)电连接。

8.根据权利要求1所述的集成控制功能的水冷辅助功率模块，其特征在于：所述控制线接插件转接板(26)上连接有控制线接插件(25)。

9.根据权利要求1所述的集成控制功能的水冷辅助功率模块，其特征在于：所述水冷散热器(33)上设置有L型扎线杆(30)。

10.根据权利要求1所述的集成控制功能的水冷辅助功率模块，其特征在于：所述水冷散热器(33)的侧面设置有水冷快插接头(34)、定位销(35)、金属过渡板(36)和把手(37)，所述第一金属框架(1)、支撑电容绝缘板(6)以及水冷散热器(33)上分别设置有扎线座(32)。