CN103916025A - 功率变换单元 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种功率变换单元，包括：逆变电路，用于将直流电转化为交流电；框架，围设在所述逆变电路的外侧，并与所述逆变电路中的各个电气元件固定连接；输入接口，设置在所述框架的外侧，用于连接所述逆变电路与外部直流电路；输出接口，设置在所述框架的外侧，用于连接所述逆变电路与外部负载设备。本发明提供的功率变换单元，可以解决现有技术的功率变换单元布局复杂凌乱导致的在实际使用过程中不便于安装及维护的问题。

Description

功率变换单元

技术领域

本发明实施例涉及电气技术，尤其涉及一种功率变换单元。

背景技术

在轨道交通技术中，机车的功率变换单元是机车辅助逆变***的核心部件，其主要功能是，连接机车的直流回路与机车的辅助用电设备，具体来说，机车的直流回路通过功率变换单元进行逆变，转化成三相交流电，再供给机车的辅助用电设备。

机车的功率变换单元中的主电路为逆变电路，逆变电路一般由绝缘栅双极晶体管（Insulate-Gate Bipolar Transistor，简称：IGBT）器件、电容、电阻和控制模块构成，各电气元件之间一般通过电缆或铜排连接，使用时各电气元件直接安装在机柜上。

现有技术的功率变换单元在机柜中布局复杂凌乱，在实际使用过程中不便于安装及维护。

发明内容

本发明提供一种功率变换单元，以解决现有技术的功率变换单元布局复杂凌乱导致的在实际使用过程中不便于安装及维护的问题。

本发明提供一种功率变换单元，包括：逆变电路，用于将直流电转化为交流电；框架，围设在在所述逆变电路的外侧，并与所述逆变电路中的各个电气元件固定连接；输入接口，设置在所述框架的外侧，用于连接所述逆变电路与外部直流电路；输出接口，设置在所述框架的外侧，用于连接所述逆变电路与外部负载设备。

进一步地，上述功率变换单元，可以包括：绝缘复合母排，设置在所述框架内部，所述绝缘复合母排布设至少二层导电层，用于连接所述逆变电路中的各个电气元件；至少三个绝缘栅双极晶体管IGBT、至少一个电容和至少一个电阻，用于构成逆变主电路，所述IGBT、电容和电阻之间通过所述绝缘复合母排的导电层电连接；控制模块，设置在所述框架内部，与所述IGBT连接，用于控制所述IGBT的工作状态。

进一步地，上述功率变换单元，可以包括：控制接口，用于连接外部的控制单元；驱动电路板，其上设置有驱动接口，与所述IGBT相连，所述驱动电路板用于根据外部的控制单元发出的控制信号产生驱动信号，驱动所述IGBT工作；温度检测开关，用于检测所述功率变换单元的温度是否大于阈值，并将所述温度是否大于阈值的信息发送给所述外部控制单元。

进一步地，上述功率变换单元，所述绝缘复合母排的横截面形状可以呈L型；所述IGBT的数量可以为六个，所述L型绝缘复合母排的底面与六个所述IGBT相连；所述电容中至少包括八个支撑电容，分成两排，分别与所述L型绝缘复合母排的竖面连接，所述支撑电容通过绝缘支撑架固定连接在所述框架上；所述驱动电路板与所述框架的侧面固定连接。

进一步地，上述功率变换单元，所述输入接口可以为铜插针连接器，所述输入接口的数量为2个，分别连接外部直流电路的正极和负极；所述输出接口为铜插针连接器，所述输出接口的数量为3个，分别用于输出三相交流电；所述控制接口为SMS连接器；所述驱动接口为插针式连接器。

进一步地，上述功率变换单元，还可以包括：散热器，所述散热器设置在所述框架的底侧。

进一步地，上述功率变换单元，所述功率变换单元可以通过长螺杆将所述框架固定在机柜的安装板上。

本发明提供的功率变换单元，通过围设在逆变电路外侧的框架，实现将逆变电路的各个元器件及复杂的走线封装在框架内，再通过输入接口和输出接口分别实现与外部直流电路和负载电路的连接，从而实现了将功率变换单元模块化，从而避免了功率变换单元在机柜中复杂凌乱的布局，从而便于安装和维护。

附图说明

图1为本发明功率变换单元实施例一的结构示意图；

图2为本发明功率变换单元实施例二的结构示意图；

图3为本发明功率变化单元实施例三的结构示意图；

图4为图3所示实施例针对一个具体的逆变电路设计一种的功率变换单元的立体结构示意图；

图5为图4所示功率变换单元所对应的逆变电路的电路结构图；

图6为图4中绝缘复合母排的放大图。

具体实施方式

图1为本发明功率变换单元实施例一的结构示意图，如图1所示，本实施例的功率变换单元可以包括：逆变电路1，用于将直流电转化为交流电；框架2，围设在在所述逆变电路的外侧，并与所述逆变电路1中的各个电气元件固定连接；输入接口3，设置在所述框架2的外侧，用于连接所述逆变电路1与外部直流电路；输出接口4，设置在所述框架2的外侧，用于连接所述逆变电路1与外部负载设备。

在具体实现时，逆变电路1可以根据实际需要的指标，例如机车直流回路的电压、电流和辅助用电设备的功率要求，设计适合的电路。确定电路结构及选定了各元器件之后，再按照尽可能紧凑而不影响电性质的原则布置各元器件以及线缆，例如层叠结构，估计此电路所需要的体积，再定制框架2，围设在逆变电路1的外侧。在布置逆变电路1的结构时，还可以将逆变电路1的输入端和输出端分别引出至框架2的外侧，或者直接将输入端和输出端设置在框架2上，并在框架2外侧或框架2上安装相应的接口，即输入接口3和输入接口4。这样，就形成了模块化的功率变换单元，即使逆变电路1中的电路结构和走线很复杂，对于安装和维护人员来说都不会增加其工作的复杂度，而只需要关注该功率变换单元整体的性能合格以及功率变换单元的输入接口3与外部直流电路的连接正确、输入接口4与外部负载电路的连接正确。

本实施例，通过围设在逆变电路外侧的框架，实现将逆变电路的各个元器件及复杂的走线封装在框架内，再通过输入接口和输入接口分别实现与外部直流电路和负载电路的连接，从而实现了将功率变换单元模块化，从而避免了功率变换单元在机柜中复杂凌乱的布局，从而便于安装和维护。

上述功率变换单元在实际安装时，可以通过长螺杆将所述框架固定在机柜的安装板上。

图2为本发明功率变换单元实施例二的结构示意图，如图2所示，在图1所示功率变换单元实施例的基础上，优选地，本实施例的逆变电路可以包括：绝缘复合母排11，设置在所述框架2的内部，绝缘复合母排11布设至少二层导电层，用于连接逆变电路1中的各个电气元件；至少三个绝缘栅双极晶体管（Insulated Gate Bi-polar Transistor，简称：IGBT）12、至少一个电容13和至少一个电阻14，用于构成逆变电路，IGBT12、电容13和电阻14之间通过绝缘复合母排11的导电层电连接；控制模块15，设置在框架2的内部，与IGBT12连接，用于控制IGBT12的工作状态。

进一步地，控制模块15可以包括：控制接口151，用于连接外部的控制单元；驱动电路板152，其上设置有驱动接口1521，与IGBT12相连，驱动电路板152用于根据外部的控制单元发出的控制信号产生驱动信号，驱动所述IGBT12工作；温度检测开关153，用于检测功率变换单元的温度是否大于阈值，并将温度是否大于阈值的信息发送给外部控制单元。

本实施例的功率变换单元与现有技术相比，一个重要区别在于用绝缘复合母排11代替现有技术中的普通金属排或电缆，来连接逆变电路1中的各个电气元件，而绝缘复合母排11与普通金属排以及电缆相比，具有以下优点：体积更小；各器件的连接更为方便，可以将电路设计得更简洁紧凑，从而可以节省空间；电路杂散电感更小，这对于IGBT来说，能够降低由于电压击穿而引起的电器元件损坏概率，从而可以提高整个逆变电路1的可靠性；绝缘复合母排11的形状能够根据电路的结构量身定做，可以进一步减小体积，也便于各电气元件的安装。

具体实现时，可以根据逆变电路1的结构设计绝缘复合母排11的形状和尺寸，并在相应的位置预留出安装各电气元件的通孔，再根据该设计定制绝缘复合母排11，以使逆变电路1所占的空间尽量小。安装时，各IGBT12、电容13和电阻14，可以根据所设计的电路结构通过螺合的方式连接在绝缘复合母排11的通孔上。而控制模块15中体积相对较大的是驱动电路板152，因此可以基于驱动电路板152的形状布置控制模块15的位置，例如将驱动电路板152设置在框架2的一个侧壁上；控制接口151可以设置在驱动电路板上152上，外部的控制单元通过控制接口151向控制模块15发送控制信号；温度检测开关153设置在框架2的内部，例如绝缘复合母排11或者驱动电路板152上，可以预先设定温度的数值，当功率变换单元的温度高于该预设值时，温度检测开关153的状态将发生变换，并将此开关信号通过控制接口151发送给外部的控制单元。

本实施例，通过绝缘复合母排连接逆变电路中的各个电气元件，进一步方便了功率变换单元的模块化设计，并且能够增加集成度、减小体积，并且提高可靠性。

图3为本发明功率变化单元实施例三的结构示意图，如图3所示，在图2所示功率变换单元实施例的基础上，本实施例的功率变化单元还可以包括：散热器16，散热器16可以设置在所述框架的底侧，散热器16可以采用风冷散热器。

图4为图3所示实施例针对一个具体的逆变电路设计一种的功率变换单元的立体结构示意图，图5为图4所示功率变换单元所对应的逆变电路的电路结构图。如图5所示，V1~V6为六个IGBT12，组成双管并联的三相逆变主电路，实现直流到三相交流的功率变换；C1~C3为三相逆变主电路中的过电压吸收电容13，用来吸收IGBT12关断时在直流回路产生的过电压；C4~C11为三相逆变主电路的直流端支撑电容13，用来支撑直流回路电压，保证直流回路电压的波动在要求的范围内；R1、R2为直流回路的放电电阻14，用于保证主电路断电后，直流回路电容上的残余电压在要求的时间内降低到安全电压以下。直流正极（DC+）、直流负极（DC-）为功率单元的直流输入接口3；三相交流电的三相R、S、T为功率单元的输出接口4。三块驱动电路板152（Driver1~Driver3）构成IGBT12的驱动电路，每块驱动电路板152接收外部的控制单元提供的两路控制信号，驱动一个逆变桥臂的两个IGBT单元工作，同时将IGBT12开关状态信号反馈给控制单元。

具体实现时，可以以散热器为基础，在散热器16的表面安装图4所示的6个IGBT12、2个电阻14、和温度检测开关153以及功率单元的框架2。绝缘复合母排11可以采用L型的形状，图6为图4中绝缘复合母排的放大图，如图6所示，绝缘复合母排11的横截面形状呈L型。如图4和图5所示，IGBT12的数量为六个，L型绝缘复合母排11的底面与六个IGBT12相连；电容13中至少包括八个支撑电容，分成两排，分别与L型绝缘复合母排11的竖面连接，所述支撑电容通过绝缘支撑架固定连接在框架2上；驱动电路板152与框架2的侧面固定连接。

进一步且优选地，本实施例的输入接口3为铜插针连接器，输入接口3的数量为2个，分别连接外部直流电路的正极（DC+）和负极（DC—）；输出接口4为铜插针连接器，输出接口4的数量为3个，分别用于输出三相交流电的三相（R、S、T）；输入接口3和输出接口4的铜插针连接器，可以为大功率铜插针连接器，例如可以选择采用直径为12毫米的铜插针连接器。控制模块15中连接驱动电路板152和外部控制单元的控制接口151可以为SMS连接器，例如选择型号为SMS12GE4J的连接器；驱动电路板152上的驱动接口1521可以为插针式连接器。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各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，或者对其中部分或者全部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)

1.一种功率变换单元，其特征在于，包括：

逆变电路，用于将直流电转化为交流电；

框架，围设在所述逆变电路的外侧，并与所述逆变电路中的各个电气元件固定连接；

输入接口，设置在所述框架的外侧，用于连接所述逆变电路与外部直流电路；

输出接口，设置在所述框架的外侧，用于连接所述逆变电路与外部负载设备。

2.根据权利要求1所述的功率变换单元，其特征在于，所述逆变电路包括：

绝缘复合母排，设置在所述框架内部，所述绝缘复合母排布设至少二层导电层；

至少三个绝缘栅双极晶体管IGBT、至少一个电容和至少一个电阻，用于构成逆变电路，所述IGBT、电容和电阻之间通过所述绝缘复合母排的导电层电连接；

控制模块，设置在所述框架内部，与所述IGBT连接，用于控制所述IGBT的工作状态。

3.根据权利要求2所述的功率变换单元，其特征在于，所述控制模块包括：

控制接口，用于连接外部的控制单元；

驱动电路板，其上设置有驱动接口，与所述IGBT相连，所述驱动电路板用于根据外部的控制单元发出的控制信号产生驱动信号，驱动所述IGBT工作；

温度检测开关，用于检测所述功率变换单元的温度是否大于阈值，并将所述温度是否大于阈值的信息发送给所述外部控制单元。

4.根据权利要求3所述的功率变换单元，其特征在于：

所述绝缘复合母排的横截面形状呈L型；

所述IGBT的数量为六个，所述L型绝缘复合母排的底面与六个所述IGBT相连；

所述电容中至少包括八个支撑电容，分成两排，分别与所述L型绝缘复合母排的竖面连接，所述支撑电容通过绝缘支撑架固定连接在所述框架上；

所述驱动电路板与所述框架的侧面固定连接。

5.根据权利要求4所述的功率变换单元，其特征在于：

所述输入接口为铜插针连接器，所述输入接口的数量为2个，分别连接外部直流电路的正极和负极；

所述输出接口为铜插针连接器，所述输出接口的数量为3个，分别用于输出三相交流电；所述控制接口为SMS连接器；

所述驱动接口为插针式连接器。

6.根据权利要求5所述的功率变换单元，其特征在于，还包括：散热器，所述散热器设置在所述框架的底侧。

7.根据权利要求6所述的功率变换单元，其特征在于，所述功率变换单元通过长螺杆将所述框架固定在机柜的安装板上。