CN103138601B - 四象限功率组件及变流柜 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种四象限功率组件及变流柜，组件包括：包括串联的上桥臂和下桥臂的桥臂，上桥臂包括并联的第一主IGBT和第一辅IGBT，下桥臂包括并联的第二主IGBT和第二辅IGBT；分别与每个IGBT连接的门极驱动电路，用于接收来自光电转换模块的控制光信号，以及向光电转换模块发送故障光信号；光电转换模块，用于将外部的控制单元发送的控制电信号转换为控制光信号并将该控制光信号发送至门极驱动电路，以及用于接收门极驱动电路发出的故障光信号并将该故障光信号转换为故障电信号发送至外部的控制单元；低压连接器，分别与光电转换模块和外部的控制单元连接。根据本发明的四象限功率组件及变流柜，布局合理，IGBT的结构对称，有利于动态均流。

Description

四象限功率组件及变流柜

技术领域

本发明涉及电力机车技术领域，尤其涉及一种四象限功率组件及变流柜。

背景技术

在大功率交流传动电力机车中，高压大电流绝缘栅双极型晶体管(Insulatd-Gate Bipolar Transistor，简称IGBT)被普遍使用。

但是在实际应用中，单个IGBT的电流容量不能满足用户的要求，因此大多数采用双管或多管并联的方式，普遍使用的是由多个IGBT并联的四象限变频器，其不仅可以实现电网和电机之间能量的双向流动，将电机制动过程中的能量回馈输入电网增强节能效果，还由于其输入电流波形为正弦波，输入侧功率因数接近1，因而可以有效减少对整个供电***的谐波污染。

变流柜中一般包括一个或多个组合的四象限功率组件以执行整流等功能。因此，四象限功率组件的设计是很重要的。如果四象限功率组件中有不合理的IGBT电路设计会导致IGBT的损坏或者***，甚至可能影响机车的安全运行及人身安全。

发明内容

本发明提供一种四象限功率组件及变流柜，用于提供一种设计合理的IGBT电路设计。

本发明提供一种四象限功率组件，包括：

桥臂，所述桥臂包括串联的上桥臂和下桥臂，所述上桥臂包括并联的第一主IGBT和第一辅IGBT，所述下桥臂包括并联的第二主IGBT和第二辅IGBT；

分别与每个IGBT连接的门极驱动电路，用于接收来自光电转换模块的控制光信号并将所述控制光信号转换为控制电信号以根据所述控制电信号控制所述IGBT的开关，以及用于向所述光电转换模块发送故障光信号以通过所述光电转换模块向外部的控制单元发送故障电信号；

所述光电转换模块，用于将外部的控制单元发送的控制电信号转换为控制光信号并将该控制光信号发送至所述门极驱动电路，以及用于接收所述门极驱动电路发出的故障光信号并将该故障光信号转换为故障电信号发送至所述外部的控制单元；

低压连接器，分别与所述光电转换模块和所述外部的控制单元连接；

其中，所述第一主IGBT和第二主IGBT之间、第一辅IGBT和第二辅IGBT之间连接同一输入端，所述第一主IGBT和所述第一辅IGBT连接一输出端，所述第二主IGBT和所述第二辅IGBT连接另一输出端，所述各IGBT的引脚之间通过复合母排连接。

如上所述的四象限功率组件，优选地，所述分别与每个IGBT连接的门极驱动电路包括：

第一主门极驱动电路，与所述第一主IGBT连接；

第一辅门极驱动电路，与所述第一辅IGBT连接；

第二主门极驱动电路，与所述第二主IGBT连接；

第二辅门极驱动电路，与所述第二辅IGBT连接；

所述光电转换模块包括：

第一光电转换模块，分别与所述第一主门极驱动电路和所述低压连接器连接；

第二光电转换模块，分别与所述第二主门极驱动电路和所述低压连接器连接；

其中，所述第一主门极驱动电路与所述第一辅门极驱动电路串联，所述第二主门极驱动电路与所述第二辅门极驱动电路串联。

如上所述的四象限功率组件，优选地，所述光电转换模块包括一脉冲输入调理电路，所述脉冲输入调理电路由上桥支路、下桥支路、第一电容、第二电阻、第三电阻、二极管和光发射器构成；所述上桥支路和下桥支路均由第一电阻和稳压二极管串联构成；两第一电阻一端分别连接第二电阻两端，两第一电阻另一端均与两稳压二极管阴极连接；第一电容的一端连接在上桥支路的第一电阻和稳压二极管之间，第一电容的另一端连接在下桥支路的第一电阻和稳压二极管之间；第三电阻、二极管和光发射器分别并联后形成的电路两端分别连接两稳压二极管阳极。

如上所述的四象限功率组件，优选地，还包括：

水冷基板，用于为所述IGBT散热；

其中，所述各IGBT和各门极驱动电路位于所述水冷基板的一侧，所述光电转换模块和所述低压连接器位于所述水冷基板的另一侧。

如上所述的四象限功率组件，优选地还包括：

电源模块，分别与所述各门极驱动电路和所述光电转换模块连接，用于为各门极驱动电路供电，所述电源模块与所述光电转换模块同侧。

如上所述的四象限功率组件，优选地还包括：

缓冲电容，与所述桥臂并联，用于抑制各IGBT的关断电压尖峰，所述缓冲电容与所述各IGBT同侧。

如上所述的四象限功率组件，优选地还包括：

放电电阻，与所述桥臂并联，用于在所述四象限功率组件切断电源时释放所述四象限功率组件的残余电荷，所述放电电阻与所述各IGBT同侧。

本发明还提供一种变流柜，包括至少一个如上所述的四象限功率组件，还包括：与每个四象限功率组件连接的各外部的控制单元。

根据本发明的四象限功率组件及变流柜，布局合理，IGBT的结构对称，有利于动态均流。

附图说明

图1为根据本发明一实施例的四象限功率组件的结构示意图；

图2为根据本发明另一实施例的四象限功率组件的结构示意图；

图3为根据本发明又一实施例的四象限功率组件的结构示意图；

图4为根据本发明再一实施例的四象限功率组件的结构示意图。

具体实施方式

实施例一

本实施例一提供一种四象限功率组件，如图1所示，该四象限功率组件100包括桥臂101、门极驱动电路102、光电转换模块103和低压连接器104。

其中，桥臂101包括串联的上桥臂和下桥臂，上桥臂包括并联的第一主IGBT107和第一辅IGBT108，下桥臂包括并联的第二主IGBT109和第二辅IGBT110；分别与每个IGBT连接的门极驱动电路102，其用于接收来自光电转换模块103的控制光信号并将控制光信号转换为控制电信号以根据控制电信号控制IGBT的开关，以及用于向光电转换模块103发送故障光信号以通过光电转换模块103向外部的控制单元130发送故障电信号；光电转换模块103用于将外部的控制单元(Traction Control Unit，简称TCU)130发送的控制电信号转换为控制光信号并将该控制光信号发送至门极驱动电路102，以及用于接收所述门极驱动电路102发出的故障光信号并将该故障光信号转换为故障电信号发送至外部的控制单元130；低压连接器104分别与光电转换模块103和外部的控制单元130连接。上述IGBT均由绝缘栅双极型晶体管与二极管反并联构成。

其中，第一主IGBT107和第二主IGBT109之间、第一辅IGBT108和第二辅IGBT110之间连接同一输入端，第一主IGBT107和第一辅IGBT108连接一输出端，第二主IGBT109和第二辅IGBT110连接另一输出端，各IGBT的引脚之间通过复合母排(图中未示出)连接。复合母排是一种多层复合结构连接铜排，其可以减少整个四象限功率组件100的杂散电感，有利于并联的IGBT动态均流和减小各IGBT关断电压尖峰。

本实施例中的门极驱动电路102还可以用于检测各IGBT的工作状态，当检测到某个IGBT并不在正常工作状态，或者门极驱动电路102发生故障时发送故障控制光信号，并通过光电转换模块103和低压连接器104转发至外部的控制单元130，以使外部的控制单元130采取相应的操作或者通知工作人员。该门极驱动电路102还具有短路保护功能，这是由于过大的电流很有可能烧坏IGBT，采用该门极驱动电路102可以及时进行保护，例如在特定时间内，门极驱动电路102自动关断相应IGBT，同时将故障光信号通过光电转换模块103、低压连接器104传输至外部的控制单元130，进而外部的控制单元130在特定时间内封锁脉冲。此外，该门极驱动电路102还具有有源钳位功能，即抑制IGBT关断时的电压尖峰。

优选地，该四象限功率组件100还包括电源模块105。该电源模块105可以分别与各门极驱动电路102和光电转换模块103连接，用于为各门极驱动电路102供电。光电转换模块103在接收到控制光信号时，分成两路，一路直接发送至门极驱动电路102，另一路使电源模块105为门极驱动电路102供电。另外，电源模块105还可以将光电转换模块103和外部的控制单元130的低压电源与高压侧进行电气隔离。高压侧包括桥臂101和门极驱动电路102，低压侧包括光电转换模块103和低压连接器104。

根据本实施例一的四象限功率组件100，布局合理，IGBT的结构对称，有利于动态均流，并且通过复合母排连接各IGBT的引脚，能够减少杂散电感，保证整个四象限功率组件100的正常工作。另外，该四象限功率组件100可集成在一个模块上，两个或多个同样的四象限功率模块可以通过外部的连接完成四象限整流功能，外部的连接可以使各四象限功率组件为并联或者串联，或者是混联，这样，当其中一个桥臂或者一个IGBT损坏时，只需要更换整个模块即可，而不用再像传统技术中需要更换变流柜中的整个整流单元，节省了大量的财力和人力。

实施例二

本实施例二对实施例一的四象限功率组件做进一步限定。

本实施例二仅对实施例一的门极驱动电路、电源模块和光电转换模块做进一步限定，其它模块均与实施例一中的一致，在此不再进行赘述。

如图2所示，与第一主IGBT107连接的门极驱动电路为第一主门极驱动电路140，与第一辅IGBT108连接的门极驱动电路为第一辅门极驱动电路141，同样，与第二主IGBT109连接的门极驱动电路为第二主门极驱动电路142，与第二辅IGBT110连接的门极驱动电路为第二辅门极驱动电路143。其中，第一主门极驱动电路140与第一辅门极驱动电路141串联，第一主门极驱动电路140接收第一光电模块103A发送的控制光信号并将该控制光信号转换为控制电信号之后，将该控制电信号转发至第一辅门极驱动电路141，以实现第一主门极驱动电路140与第一辅门极驱动电路141之间的同步，即实现第一主IGBT107和第一辅IGBT108的同步。同样，第二主门极驱动电路142与第二辅门极驱动电路143串联，第二主门极驱动电路142接收第二光电模块103B发送的控制光信号并将该控制光信号转换为控制电信号之后，将该控制电信号转发至第二辅门极驱动电路143，以实现第二主门极驱动电路142以及第二辅门极驱动电路143的同步，即实现第二主IGBT109和第二辅1GBT110的同步。

其中，第一光电转换模块103A分别与第一主门极驱动电路140低压连接器104；第二光电转换模块103B分别与第二主门极驱动电路142和低压连接器104连接。第一电源模块105A分别与第一光电转换模块103A和第一主门极驱动电路140连接，第二电源模块105B分别与第二光电转换模块103B和第二主门极驱动电路142连接。

根据本实施例二的四象限功率组件100，通过将由主门极驱动电路控制辅门极驱动电路，实现了主IGBT和辅IGBT之间的同步，能够保证各并联的IGBT之间的动态均流，保证整个四象限功率组件100的正常工作。

实施例三

本实施例三对实施例一和实施例二做进一步限定。

本实施例三仅对光电转换模块做进一步限定，其余结构均与上述实施例中的一致，在此不再进行赘述。

如图3所示，为本实施例三的四象限功率组件中的光电转换模块的结构示意图。该光电转换模块具有一脉冲输入调理电路，脉冲输入调理电路由上桥支路、下桥支路、第一电容10、第二电阻12、第三电阻13、二极管21和光发射器3构成；上桥支路由上第一电阻11和上稳压二极管4串联构成，下桥支路由下第一电阻11’和下稳压二极管4’构成；上第一电阻11一端和下第一电阻11’一端分别连接第二电阻12两端，上第一电阻11另一端与上稳压二极管4阴极连接，下第一电阻11’另一端与下稳压二极管4’阴极连接；第一电容10的一端连接在上第一电阻11和上稳压二极管4之间，第一电容10的另一端接在下第一电阻11’和下稳压二极管4’之间；第三电阻13、二极管21和光发射器3分别并联后形成的电路两端分别连接上稳压二极管4阳极和下稳压二极管4’阳极。光发射器3由壳体和设在该壳体内的发光二极管30构成，该壳体上设有用于连接光纤的发射孔(图中未示)和至少一个用于将光发射器固定在门极驱动电路上的插脚31。发射孔通过光纤与门极驱动电路连接把发光二极管30发出的控制光信号传输给门极驱动电路。

下面以实施例二中的第一光电转换模块103A为例进行说明。

具体地，上桥支路的输入端a和下桥支路的输入端b分别与外部的控制单元连接，用于接收外部的控制单元发出的驱动脉冲信号，外部的控制单元发出的上桥臂的脉冲接入上桥支路的输入端a，外部的控制单元发出的同一桥臂的下桥臂的脉冲接入下桥支路的输入端b，这种差分方式的接法，有助于抑制线路传输过程中的共模干扰，经过脉冲输入调理电路，通过光发射器3转换为控制光信号，然后通过光纤传输至门极驱动电路，保证IGBT的可靠开通与关断。其原理为：

当脉冲正极接上桥支路的输入端a，脉冲负极接下桥支路的输入端b时，电流的路径为：上桥支路的输入端a→上第一电阻11→上稳压二极管4→光发射器3→下稳压二极管4’→下第一电阻11’→下桥支路的输入端b，在此种情况下，上稳压二极管4起稳压二极管作用，下稳压二极管4’起二极管作用，光发射器3中发光二极管30发光；当上桥支路的输入端a脉冲由正转为负，下桥支路的输入端b脉冲由负转为正时，由于光发射器3自身存在电容，该电容存储的电荷通过第三电阻13进行释放，当电荷释放完毕后，电流的路径为：下桥支路的输入端b→下第一电阻11’→下稳压二极管4’→二极管21→上稳压二极管4→上第一电阻11→上桥支路的输入端a，此时，发光二极管30熄灭；当上桥支路的输入端a脉冲由负转为正，下桥支路的输入端b脉冲由正转为负时，由于二极管21自身存在电容，该电容存储的电荷通过第三电阻13进行释放，当电荷释放完毕后，电流的路径为：上桥支路的输入端a→上第一电阻11→上稳压二极管4→光发射器3→下稳压二极管4’→下第一电阻11’→下桥支路的输入端b，这即为一个循环过程。其中上第一电阻11与第一电容10或下第一电阻11’与第一电容10构成滤波回路，对输入的脉冲信号进行滤波。

需要说明的是，对于实施例二中的第二光电转换模块而言，外部的控制单元发出的上桥臂的脉冲在接入第一光电转换模块的上桥支路的输入端a的同时，还接入第二光电转换模块的下桥支路的输入端b；外部的控制单元发出的同一桥臂的下桥臂的脉冲接入第一光电转换模块的下桥支路的输入端b的同时，还接入第二光电转换模块的上桥支路的输入端a。

本实施例的四象限功率组件，通过输入调理电路把从外部的控制单元发出的脉冲控制信号即控制电信号转换为控制光信号，通过光纤将控制光信号作为输入信号传输给门极驱动电路以控制IGBT的开关，提高对IGBT的控制和保护，进而降低对整个变流柜中其他单元造成电磁干扰，增强驱动电路的抗干扰性，提高四象限功率组件的可靠性，降低故障率，从而大大节省了部件维修成本，大大简化了四象限功率组件的布局，节省空间和成本，提高了产品质量和可靠性。

实施例四

本实施例四对上述实施例的四象限功率组件做进一步限定。

本实施例的四象限功率组件还包括水冷基板。该水冷基板用于为IGBT散热。各IGBT和各门极驱动电路位于水冷基板的一侧，光电转换模块和低压连接器位于水冷基板的另一侧。该水冷基板的内部为中空，通过水流在其中的流动而带走各IGBT工作时所产生的热量。

其中，各IGBT和各门极驱动电路所在的侧为高压侧，光电转换模块和低压连接器所在的侧为低压侧。各IGBT、各门极驱动电路、光电转换模块和低压连接器均固定在该水冷基板上。当同时存在电源模块和本实施例中的水冷基板时，可以将电源模块也归入到低压侧，同样，该电源模块也固定在该水冷基板上。

该水冷基板可以为各IGBT散热，不仅散热效果好，而且噪音较小。并且通过将高压侧和低压侧分隔开来，能够进一步防止高压侧对低压侧信号的影响，保证了信号传输的准确性。

实施例五

本实施例五对上述实施例的四象限功率组件做进一步限定。

如图4所示，本实施例的四象限功率组件100还包括缓冲电容401。该缓冲电容401与桥臂101并联，用于抑制各IGBT的关断电压尖峰。

可选地，该四象限功率组件100还包括放电电阻402。该放电电阻402与桥臂101并联，用于在四象限功率组件切断电源时释放四象限功率组件的残余电荷。也可采用该放电电阻402在断电后的预设的时间内对该四象限功率组件放电。

根据本实施例四的四象限功率组件100，能够通过缓冲电容401抑制关断电压尖峰，当存在放电电阻402时，还能够释放该四象限功率组件100的残余电荷，以避免在后续的更换或维修过程中对工作人员造成伤害。

需要特别指出的是，当存在水冷基板时，本实施例四的缓冲电容401和放电电阻402均位于水冷基板的高压侧。

本发明还提供一种变流柜，包括至少一个如上任一实施例的四象限功率组件，还包括：与每个四象限功率组件连接的各外部的控制单元。该外部的控制单元可以是一个，也可以是多个，每个外部的控制单元可以与一个四象限功率组件连接，也可以连接多个四象限功率组件，具体可以根据实际需要设定。其中，各四象限功率组件并联、串联或混联，可以根据实际需要自行设定。例如，将两个如上任一实施例所描述的四象限功率组件并联，就可以完成整流的功能。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种四象限功率组件，其特征在于，包括：

桥臂，所述桥臂包括串联的上桥臂和下桥臂，所述上桥臂包括并联的第一主IGBT和第一辅IGBT，所述下桥臂包括并联的第二主IGBT和第二辅IGBT；

分别与每个IGBT连接的门极驱动电路，用于接收来自光电转换模块的控制光信号并将所述控制光信号转换为控制电信号以根据所述控制电信号控制所述IGBT的开关，以及用于向所述光电转换模块发送故障光信号以通过所述光电转换模块向外部的控制单元发送故障电信号；

所述光电转换模块，用于将所述外部的控制单元发送的控制电信号转换为控制光信号并将该控制光信号发送至所述门极驱动电路，以及用于接收所述门极驱动电路发出的故障光信号并将该故障光信号转换为故障电信号发送至所述外部的控制单元；

所述光电转换模块包括一脉冲输入调理电路，所述脉冲输入调理电路由上桥支路、下桥支路、第一电容、第二电阻、第三电阻、二极管和光发射器构成；所述上桥支路和下桥支路均由第一电阻和稳压二极管串联构成；两第一电阻一端分别连接第二电阻两端，两第一电阻另一端均与两稳压二极管阴极连接；第一电容的一端接在上桥支路的第一电阻和稳压二极管之间，第一电容另一端连接在下桥支路的第一电阻和稳压二极管之间；第三电阻、二极管和光发射器分别并联后形成的电路两端分别连接两稳压二极管阳极；

低压连接器，分别与所述光电转换模块和所述外部的控制单元连接；

其中，所述第一主IGBT和第二主IGBT之间、第一辅IGBT和第二辅IGBT之间连接同一输入端，所述第一主IGBT和所述第一辅IGBT连接一输出端，所述第二主IGBT和所述第二辅IGBT连接另一输出端，所述各IGBT的引脚之间通过复合母排连接。

2.根据权利要求1所述的四象限功率组件，其特征在于，所述分别与每个IGBT连接的门极驱动电路包括：

第一主门极驱动电路，与所述第一主IGBT连接；

第一辅门极驱动电路，与所述第一辅IGBT连接；

第二主门极驱动电路，与所述第二主IGBT连接；

第二辅门极驱动电路，与所述第二辅IGBT连接；

所述光电转换模块包括：

第一光电转换模块，分别与所述第一主门极驱动电路和所述低压连接器连接；

第二光电转换模块，分别与所述第二主门极驱动电路和所述低压连接器连接；

其中，所述第一主门极驱动电路与所述第一辅门极驱动电路串联，所述第二主门极驱动电路与所述第二辅门极驱动电路串联。

3.根据权利要求1所述的四象限功率组件，其特征在于，还包括：

水冷基板，用于为所述IGBT散热；

其中，所述各IGBT和各门极驱动电路位于所述水冷基板的一侧，所述光电转换模块和所述低压连接器位于所述水冷基板的另一侧。

4.根据权利要求3所述的四象限功率组件，其特征在于，还包括：

电源模块，分别与所述各门极驱动电路和所述光电转换模块连接，用于为各门极驱动电路供电，所述电源模块与所述光电转换模块同侧。

5.根据权利要求3所述的四象限功率组件，其特征在于，还包括：

缓冲电容，与所述桥臂并联，用于抑制各IGBT的关断电压尖峰，所述缓冲电容与所述各IGBT同侧。

6.根据权利要求1所述的四象限功率组件，其特征在于，还包括：

放电电阻，与所述桥臂并联，用于在所述四象限功率组件切断电源时释放所述四象限功率组件的残余电荷，所述放电电阻与所述各IGBT同侧。

7.一种变流柜，包括至少一个根据权利要求1～6中任一项所述的四象限功率组件，还包括：与每个四象限功率组件连接的各外部的控制单元。