CN220629194U - 一种大功率高频逆变水冷功率模块 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种大功率高频逆变水冷功率模块，涉及逆变模块技术领域，包括散热器和设置于散热器上方的第一模块金属框架，所述第一模块金属框架上方设置有第二模块金属框架；所述散热器上表面上设置有整流二极管、IGBT、中间稳压电阻、接地检测电阻和绝缘端子排；所述散热器的侧面连接有大电流连接器、定位销和水冷接头；所述第二模块金属框架包括依次相连的第五金属框架、第七金属框架、第六金属框架和第八金属框架。本实用新型提出了一种大功率高频逆变水冷功率模块，利用三电平电气拓扑结构，使得IGBT开关频率提高，从而得到低谐波含量的PWM波形。且该模块带有接地检测功能，可检测到直流母线接地情况，做出相应的接地保护措施。

Description

一种大功率高频逆变水冷功率模块

技术领域

本实用新型涉及逆变模块技术领域，尤其涉及一种大功率高频逆变水冷功率模块。

背景技术

辅助电源系统为干线铁路车辆提供三相交流或单相交流供电。近年来，随着高频辅助电源系统技术的不断成熟，在干线铁路已经开始逐步批量应用。与传统工频辅助电源系统相比，具有体积小、重量轻、集成度高的明显优势。其中，功率模块作为整个高频辅助电源系统的核心部件，对其整个系统的稳定性及小型化起到了关键作用。

现有技术中，专利CN202110949667提出了一种逆变模块，用于高频辅助电源设备中，用于将高频隔离后的单相交流电压经过整流逆变输出三相PWM波。

然而，专利CN202110949667存在着一定的不足之处，通过该专利中的IGBT、支撑电容以及叠层母排的设计，该逆变模块应该使用的为两电平辅助逆变拓扑，由于受到自身开关频率的限制，其输出波形中的谐波含量较高，使得整个系统中的磁性器件体积、重量较高；该专利提出的逆变模块虽然集成度较高，包含了换流回路中的容性器件如支撑电容等，但对于大功率高频辅助电源系统，过高的集成度会造成模块本身的体积和重量偏高，与铁路机车干线狭小的维护空间相比，会造成模块难以维护；该专利提出的逆变模块使用强迫风冷散热方式，该方式在大功率辅助系统中，难以满足其热密度要求，无法可靠对功率器件如IGBT进行散热，且水冷散热器相比，其自身的体积、重量也会偏高。

实用新型内容

本实用新型提供一种大功率高频逆变水冷功率模块，利用三电平电气拓扑结构，使得IGBT开关频率提高，从而得到低谐波含量的PWM波形，降低整个系统磁性器件如三相滤波电抗器重量和体积。解决了现有逆变模块体积和重量偏高的问题。

为达到以上目的，本实用新型采取的技术方案是：

一种大功率高频逆变水冷功率模块，包括散热器和设置于散热器上方的第一模块金属框架，所述第一模块金属框架上方设置有第二模块金属框架；

所述散热器上表面上设置有整流二极管、IGBT、中间稳压电阻、接地检测电阻和绝缘端子排；所述散热器的侧面连接有大电流连接器、定位销和水冷接头；

所述第一模块金属框架包括相对设置的第一金属框架第二金属框架，所述第一模块金属框架上部设置有第三金属框架，所述第三金属框架上方设置有第四金属框架；所述第四金属框架上表面设置有电压传感器和绝缘端子座；

所述第二模块金属框架包括依次相连的第五金属框架、第七金属框架、第六金属框架和第八金属框架，所述第七金属框架上连接有光纤连接器与控制电连接器。

进一步地，所述第二模块金属框架上部设置有上盖板。

进一步地，所述上盖板上部设置有绝缘盖板。

进一步地，所述散热器上设置有安装脚板。

进一步地，所述IGBT的门级控制接口上安装有驱动板。

进一步地，所述驱动板上方设置有叠层母排。

进一步地，所述叠层母排包括正铜层、负铜层、中性极铜层、独立层和三相交流输出层；

正铜层分别与整流二极管的A1端、IGBT的C1端、中间稳压电阻的A2段及接地检测电阻的A3端连接；负铜层分别与整流二极管的B1端、IGBT的E1端、中间稳压电阻的B2端及接地检测电阻的B3连接；中性极铜层分别与IGBT的C2端、中间稳压电阻的Z1端相连；独立层与接地检测电阻的Z2端相连；三相交流输出层与大电流连接器的接线端相连。

进一步地，所述绝缘端子座上设置有接地检测电容。

进一步地，所述接地检测电容上设置有接地检测正铜排和接地检测负铜排。

进一步地，所述第一模块金属框架上设置有把手。

本实用新型的有益效果在于：

本实用新型提出了一种大功率高频逆变水冷功率模块，利用三电平电气拓扑结构，使得IGBT开关频率提高，从而得到低谐波含量的PWM波形，降低整个系统磁性器件如三相滤波电抗器重量和体积。

本实用新型将支撑电容移出，在大功率辅助系统应用的情况下，保证模块自身的体积和重量符合机车铁路干线的维护及安装要求，同时支撑电容与模块在整个系统内利用叠层母排相连，保证换流回路的低感设计。

本实用新型采用水冷散热方式，既满足大功率辅助系统中的高散热密度要求，较强迫风冷散热器相比，体积及重量都有较大的优势。且水冷基板采用快插式水冷接头做为水路连接方式，在保证无泄漏的情况下，可快速实现模块与水冷系统的连通与断开。

本实用新型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为本实用新型整体结构立体图。

图2为本实用新型整体结构另一个方向的立体图。

图3为本实用新型散热器结构图。

图4为本实用新型叠层母排结构图。

图5为本实用新型第二模块金属框架结构立体图。

图6为本实用新型叠层母排电路结构图。

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、第五金属框架；6、第六金属框架；7、第七金属框架；8、第八金属框架；9、上盖板；10、绝缘盖板；11、L型绝缘档条；12、光纤连接器；13、控制电连接器；14、安装脚板；15、散热器；16、整流二极管；17、IGBT；18、中间稳压电阻；19、接地检测电阻；20、驱动板；21、绝缘端子排；22、叠层母排；23、大电流连接器；24、定位销；25、水冷接头；26、电压传感器；27、接地检测电容；28、接地检测正铜排；29、接地检测负铜排；30、绝缘端子座；31、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。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本实用新型的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

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：一种大功率高频逆变水冷功率模块，利用三电平电气拓扑结构，使得IGBT开关频率提高，从而得到低谐波含量的PWM波形。且该模块带有接地检测功能，可检测到直流母线接地情况，做出相应的接地保护措施。

如图1-5所示，包括散热器15和设置于散热器15上方的第一模块金属框架，所述第一模块金属框架上方设置有第二模块金属框架；

所述散热器15上表面上设置有整流二极管16、IGBT17、中间稳压电阻18、接地检测电阻19和绝缘端子排21；所述散热器15的侧面连接有大电流连接器23、定位销24和水冷接头25；

所述第一模块金属框架包括相对设置的第一金属框架1和第二金属框架2，所述第一模块金属框架上部设置有第三金属框架3，所述第三金属框架3上方设置有第四金属框架4；所述第四金属框架4上表面设置有电压传感器26和绝缘端子座30；

所述第二模块金属框架包括依次相连的第五金属框架5、第七金属框架7、第六金属框架6和第八金属框架8，所述第七金属框架7上连接有光纤连接器12与控制电连接器13。

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固定在散热器15与把手31上，做为模块金属框架的一部分，用于保护其他电器件安装和防护及内部辅助布线；

第二金属框架2固定在散热器15与把手31上，做为模块金属框架的一部分，用于保护其他电器件安装和防护及内部辅助布线；

第三金属框架3固定在第一金属框架1、第二金属框架2及把手31上，做为模块金属框架的一部分，用于保护其他电器件安装和防护及内部辅助布线；

第四金属框架4固定在第一金属框架1和第二金属框架2上，做为模块金属框架的一部分，用于保护其他电器件安装和防护及内部辅助布线；

第五金属框架5固定在第三金属框架3和第四金属框架4上，做为模块金属框架的一部分，用于保护其他电器件安装和防护及内部辅助布线；

第六金属框架6固定在第三金属框架3和第四金属框架4上，做为模块金属框架的一部分，用于保护其他电器件安装和防护及内部辅助布线；

第七金属框架7固定在第三金属框架3、第五金属框架5和第六金属框架6上，做为模块金属框架的一部分，用于保护其他电器件安装和防护及内部辅助布线；

第八金属框架8固定在第四金属框架4、第五金属框架5和第六金属框架6上，做为模块金属框架的一部分，用于保护其他电器件安装和防护及内部辅助布线；

上盖板9固定在第五金属框架5、第六金属框架6、第七金属框架7和第八金属框架8上，做为模块金属框架的一部分，用于保护其他电器件安装和防护；

绝缘盖板10安装在9上盖板上，起到增强绝缘的作用；

L型绝缘档条11安装在第三金属框架3上，起到增强绝缘的作用；

光纤连接器12安装在第七金属框架7上，用于完成模块与高频辅助变流系统光信号的通信接口工作，同时实现一体式快速插拔，便于模块维护与调试工作；

控制电连接器13安装在第七金属框架7上，用于完成模块与高频辅助变流系统控制电信号的通信接口工作，同时实现一体式快速插拔，便于模块维护与调试工作；

安装脚板14安装在散热器15上，用于模块与系统柜体的装配接口；

散热器15用于整流二极管16、IGBT17、慢放电电阻18及接地检测电阻19散热，用水冷散热方式，既满足大功率辅助系统中的高散热密度要求，较强迫风冷散热器相比，体积及重量都有较大的优势；

整流二极管16安装在散热器15上，用于将单相交流电压整流为直流电压，做为IGBT17的输入工作电压；

IGBT17安装在散热器15上，用于将整流二极管16整流后的直流电压逆变为三相交流PWM波，采用三电平封装结构，使得IGBT开关频率提高及得到独有的三电平方波，从而得到低谐波含量的PWM波形，降低整个系统磁性器件如三相滤波电抗器重量和体积。

中间稳压电阻18安装在散热器15上，用于对支撑电容的正极、中性层、负极之间的均压作用；

接地检测电阻19安装在散热器15上，做为接地检测回路的部件之一，与电压传感器26和接地检测电容27配合使用，实现接地检测功能；

驱动板20安装IGBT17的门级控制接口上，实现对IGBT17的门级开关控制，采用一体式设计，避免较传统的高压板和控制板分离设计时，引起的中间连线的电磁干扰；

绝缘端子排21安装在散热器15上，用于模块与系统主回路的接线固定；

叠层母排22分为五层，如图6所示，其中正铜层分别与整流二极管16的A1端、IGBT17的C1端、中间稳压电阻18的A2段及接地检测电阻19的A3端连接；负铜层分别与整流二极管16的B1端、IGBT17的E1端、中间稳压电阻18的B2端及接地检测电阻19的B3连接；中性极铜层分别与IGBT17的C2端、中间稳压电阻18的Z1端相连；独立层与接地检测电阻19的Z2端相连；三相交流输出层与大电流连接器23的接线端相连。构成完整的逆变换流回路和输出回路，利用母排的紧凑结构设计优势，与使用传统铜排相比，优化了电气间隙、爬电以及复杂结构造型所带来的空间尺寸及换流回路中的杂散电感；

大电流连接器23安装在散热器15上，用于模块交流输出的对插连接，在系统后部没有维护空间的情况下，能保证模块在安装或拆卸过程中，实现交流输出侧的自动连接或断开，无需任何机械紧固；

定位销24安装在散热器15上，用于模块上的25水冷接头与高频辅助变流系统总水路对接时的导向作用；

水冷接头25安装在散热器15上，用于模块需要在高频辅助变流系统中安装或者维护时，无需排液便可以快速安装及拆卸模块；

电压传感器26安装在第四金属框架4上，用于中间稳压电阻18和接地检测电阻19的电压采集；

接地检测电容27安装在绝缘端子座30上，做为接地检测回路的部件之一，与电压传感器26和接地检测电阻19配合使用，实现接地检测功能；

接地检测正铜排28分别安装在接地检测电容27和绝缘端子座30上，用于接地检测电容27机械支撑的同时，也作为与电压传感器26采样线的电气连接；

接地检测负铜排29分别安装在接地检测电容27和绝缘端子座30上，用于接地检测电容27机械支撑的同时，也作为与电压传感器26采样线的电气连接；

绝缘端子座30安装在第四金属框架4上，用于接地检测正铜排28和接地检测负铜排29的绝缘支撑；

把手31安装在散热器15上，用于模块的搬运维护。

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)

1.一种大功率高频逆变水冷功率模块，其特征在于：包括散热器(15)和设置于散热器(15)上方的第一模块金属框架，所述第一模块金属框架上方设置有第二模块金属框架；

所述散热器(15)上表面上设置有整流二极管(16)、IGBT(17)、中间稳压电阻(18)、接地检测电阻(19)和绝缘端子排(21)；所述散热器(15)的侧面连接有大电流连接器(23)、定位销(24)和水冷接头(25)；

所述第一模块金属框架包括相对设置的第一金属框架(1)和第二金属框架(2)，所述第一模块金属框架上部设置有第三金属框架(3)，所述第三金属框架(3)上方设置有第四金属框架(4)；所述第四金属框架(4)上表面设置有电压传感器(26)和绝缘端子座(30)；

所述第二模块金属框架包括依次相连的第五金属框架(5)、第七金属框架(7)、第六金属框架(6)和第八金属框架(8)，所述第七金属框架(7)上连接有光纤连接器(12)与控制电连接器(13)。

2.根据权利要求1所述的大功率高频逆变水冷功率模块，其特征在于：所述第二模块金属框架上部设置有上盖板(9)。

3.根据权利要求2所述的大功率高频逆变水冷功率模块，其特征在于：所述上盖板(9)上部设置有绝缘盖板(10)。

4.根据权利要求1所述的大功率高频逆变水冷功率模块，其特征在于：所述散热器(15)上设置有安装脚板(14)。

5.根据权利要求1所述的大功率高频逆变水冷功率模块，其特征在于：所述IGBT(17)的门级控制接口上安装有驱动板(20)。

6.根据权利要求5所述的大功率高频逆变水冷功率模块，其特征在于：所述驱动板(20)上方设置有叠层母排(22)。

7.根据权利要求6所述的大功率高频逆变水冷功率模块，其特征在于：所述叠层母排(22)包括正铜层、负铜层、中性极铜层、独立层和三相交流输出层；

正铜层分别与整流二极管(16)的A1端、IGBT(17)的C1端、中间稳压电阻(18)的A2段及接地检测电阻(19)的A3端连接；负铜层分别与整流二极管(16)的B1端、IGBT(17)的E1端、中间稳压电阻(18)的B2端及接地检测电阻(19)的B3连接；中性极铜层分别与IGBT(17)的C2端、中间稳压电阻(18)的Z1端相连；独立层与接地检测电阻(19)的Z2端相连；三相交流输出层与大电流连接器(23)的接线端相连。

8.根据权利要求1所述的大功率高频逆变水冷功率模块，其特征在于：所述绝缘端子座(30)上设置有接地检测电容(27)。

9.根据权利要求8所述的大功率高频逆变水冷功率模块，其特征在于：所述接地检测电容(27)上设置有接地检测正铜排(28)和接地检测负铜排(29)。

10.根据权利要求1所述的大功率高频逆变水冷功率模块，其特征在于：所述第一模块金属框架上设置有把手(31)。