CN112737284A - 一种抗冲击型辅助降压斩波功率模块 - Google Patents

一种抗冲击型辅助降压斩波功率模块 Download PDF

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赵艳斌
宋佩丽
叶娜
柴媛
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Abstract

本发明涉及永磁电传动***中的核心部件,具体为一种抗冲击型辅助降压斩波功率模块。本发明在控制单元控制下,1块驱动板驱动1支IGBT进行开通关断,将直流1800V斩成600Hz的脉冲波,再通过中间电路中的平波电抗器和电容器滤波后,得到稳定的直流电压DC720V,为三相辅助逆变器提供电源。辅助降压斩波功率模块采用单面结构布局技术,IGBT在风冷散热器单侧有序布置,中间以复合母排连接,驱动板在复合母排上层屏蔽支撑板上安装,有效避免高压电的干扰,同时交直流高压端子全部设置在功率模块前端,既实现了可靠电气连接,又有利于散热和层叠结构的实现。

Description

一种抗冲击型辅助降压斩波功率模块
技术领域
本发明涉及永磁电传动***中的核心部件,具体为一种抗冲击型辅助降压斩波功率模块。
背景技术
近年来,绿色、安全、节能成为轨道交通车辆装备的重点发展方向,永磁直驱电传动***相比传统的异步电机电传动***,在全工况下节能效果明显,解决了齿轮传动带来的传递损耗、噪声和维修等问题,避免了齿轮箱润滑油脂的使用带来的环境污染问题,进一步提高了牵引传动效率,是未来牵引***的发展方向。目前已经对永磁电传动***开展了大量的研发工作。客运直驱永磁电传动***现已实现了兆瓦级永磁直驱牵引***的装车运行。
永磁电传动***中核心部件辅助功率模块研发将进一步推动直驱永磁牵引***关键技术研究,打造安全、节能、高效的永磁直驱牵引***产品,实现大功率永磁直驱货运牵引***装车的突破,为永磁直驱牵引***的批量装车打下坚实的基础。
现有技术的技术方案
1)单电容结构;
2)低感复合母排设计技术。
这种技术方案存在的缺点是电容耐压值不够,不能满足短时间反电动势3179V要求。
另外现有的辅助降压斩波功率模块还存在体积、重量大、电气连接不可靠以及散热性能较差的技术问题。
发明内容
本发明为解决目前永磁电传动***中核心部件辅助功率模块存在电容耐压值不够、不能满足短时间反电动势要求以及电气连接不可靠、散热性差等技术问题,提供一种抗冲击型辅助降压斩波功率模块。
本发明是采用以下技术方案实现的:一种抗冲击型辅助降压斩波功率模块,包括复合母排安装组件、驱动板安装组件、一对低压连接器、框架组件、一对电容;框架组件由一对侧板组成;复合母排安装组件包括复合母排和IGBT组件,所述IGBT组件包括一个IGBT模块V1、1个二极管模块D1及风冷散热器组件;风冷散热器组件由风冷散热器以及安装在风冷散热器上方且中心开孔的安装板组成;风冷散热器位于最底层,IGBT模块V1及二极管模块D1安装在风冷散热器的上表面且位于安装板的中心孔内;所述复合母排安装在IGBT模块V1及二极管模块D1的上方,所述一对侧板分别安装在安装板中心孔的左右两侧;一对电容安装在安装板的后端;复合母排的前端设有第一、第二、第三共三个接线端子;所述驱动板安装组件包括屏蔽支撑板、配置板、驱动板和信号转换板,其中配置板、驱动板和信号转换板均安装在屏蔽支撑板之上;屏蔽支撑板安装在一对侧板的顶部且位于复合母排之上并与复合母排之间有间隔;一个低压连接器X0安装在驱动板上,另一个低压连接器X1安装在一个侧板的内侧;
辅助降压斩波功率模块设有主电路,主电路包括V1、D1、配置板、驱动板、信号转换板、复合母排、一对电容以及低压连接器X0、X1;V1的发射极和D1负极通过复合母排相连接,D1的正极与复合母排的第三接线端子相连接,D1的负极与复合母排的第二接线端子相连接;V1的集电极与复合母排的第一接线端子相连接;V1的三极与配置板相连接,配置板与驱动板相连接,驱动板与信号转换板相连接;所述一对电容并联在复合母排的第一、第三接线端子之间,第二接线端子作为直流端子通过高压电缆线与变流器交流输出端电气连接,低压连接器XO通过线缆为驱动板提供PWM驱动信号,低压连接器X1通过线缆为控制***提供温度信号。
本发明从实际应用需求出发,采用集成度高的降压斩波功率模块,主要解决了以下问题:
1)将单个电容分为两个电容,在原有容值不变的情况下,增加了支撑电容的最大耐压值;
2)在原有的功率模块基础进行改进,优化了原有结构,增加了模块极端工况下的耐受力,使用范围更广。
本发明在控制单元控制下,1块驱动板驱动1支IGBT进行开通关断,将直流1800V斩成600Hz的脉冲波,再通过中间电路中的平波电抗器和电容器滤波后,得到稳定的直流电压DC720V,为三相辅助逆变器提供电源。
辅助降压斩波功率模块采用单面结构布局技术,IGBT在风冷散热器单侧有序布置,中间以复合母排连接,驱动板在复合母排上层屏蔽支撑板上安装,有效避免高压电的干扰,同时交直流高压端子全部设置在功率模块前端,既实现了可靠电气连接,又有利于散热和层叠结构的实现。
进一步的,复合母排安装组件还包括安装在复合母排上的温度继电器K1,所述温度继电器K1通过低压连接器X1为控制***提供温度信号。当复合母排温度超过一定限度后,温度继电器K1将会向控制***发出报警信号。
进一步的,安装板中心孔的左右两侧分别设有三个螺孔,螺孔内均配有用于和变流柜连接的安装螺栓。
功率模块在变流柜中采用立式安装,通过功率模块左右6个固定规格的安装螺栓,与变流柜进行机械连接,方便维修和维护,并且减小了***体积和重量。
本发明技术方案带来的有益效果:
1)减小回路电感,保证了IGBT的热性能,提高功率模块工作的可靠性;
2)单面布局结构简单,减小***体积及重量,满足轻量化设计要求,节省了成本;
3)功率模块与变流器连接走线简单,方便维修和维护。
附图说明
图1主电路原理图。
图2复合母排安装组件的三维结构示意图。
图3抗冲击型辅助降压斩波模块三维结构图。
图4 抗冲击型辅助降压斩波功率模块三维结构***图。
图5抗冲击型辅助降压斩波功率模块安装在变流柜上的主视图。
图6为图5的侧视图。
图7为图5的俯视图。
1-风冷散热器,2-安装板,3-框架组件,4-IGBT,5-驱动板安转组件,6-复合母排,7-电容,8-电容支架,9-安装螺栓,31-第一侧板,32-第二侧板;
51-屏蔽支撑板,52-外部罩板。
具体实施方式
一种抗冲击型辅助降压斩波功率模块,包括复合母排安装组件、驱动板安装组件、一对低压连接器、框架组件、一对电容;框架组件由一对侧板组成;复合母排安装组件包括复合母排和IGBT组件,所述IGBT组件包括一个IGBT模块V1、1个二极管模块D1及风冷散热器组件;风冷散热器组件由风冷散热器以及安装在风冷散热器上方且中心开孔的安装板组成;风冷散热器位于最底层,IGBT模块V1及二极管模块D1安装在风冷散热器的上表面且位于安装板的中心孔内;所述复合母排安装在IGBT模块V1及二极管模块D1的上方,所述一对侧板分别安装在安装板中心孔的左右两侧;一对电容安装在安装板的后端;复合母排的前端设有第一、第二、第三共三个接线端子;所述驱动板安装组件包括屏蔽支撑板、配置板、驱动板和信号转换板,其中配置板、驱动板和信号转换板均安装在屏蔽支撑板之上;屏蔽支撑板安装在一对侧板的顶部且位于复合母排之上并与复合母排之间有间隔;一个低压连接器X0安装在驱动板上,另一个低压连接器X1安装在一个侧板的内侧;
辅助降压斩波功率模块设有主电路,主电路包括V1、D1、配置板、驱动板、信号转换板、复合母排、一对电容以及低压连接器X0、X1;V1的发射极和D1负极通过复合母排相连接,D1的正极与复合母排的第三接线端子相连接,D1的负极与复合母排的第二接线端子相连接;V1的集电极与复合母排的第一接线端子相连接;V1的三极与配置板相连接,配置板与驱动板相连接,驱动板与信号转换板相连接;所述一对电容并联在复合母排的第一、第三接线端子之间,第二接线端子作为直流端子通过高压电缆线与变流器交流输出端电气连接,低压连接器XO通过线缆为驱动板提供PWM驱动信号,低压连接器X1通过线缆为控制***提供温度信号。
如图1所示,复合母排安装组件还包括安装在复合母排上的温度继电器K1,所述温度继电器K1通过低压连接器X1为控制***提供温度信号。
如图2所示为复合母排安装组件的结构示意图;风冷散热器位于最下方,其上安装IGBT和二极管模块,复合母排安装在IGBT和二极管模块之上。
如图4所示,所述驱动板安装组件还包括外部罩板52,外部罩板将配置板、驱动板、信号转换板罩住。
安装板上与三个接线端子相对应的位置开有三个接线孔,穿过三个接线端子和接线孔设有三个接线柱,分别为第一接线柱“+(1)”、第三接线柱“-(3)”、第二接线柱“OUT(2)”。
安装板中心孔的左右两侧分别设有三个螺孔,螺孔内均配有用于和变流柜连接的安装螺栓。如图5所示,通过六个安装螺栓安装在变流器上。所述辅助降压斩波功率模块长为572mm(图5中左右方向),宽为331mm(图5中上下方向);安装螺栓规格为M8。图7中可见辅助降压斩波功率模块高度为324+2mm(图7中上下方向)。
如图3、4所示,一对侧板的后方与电容对应的位置向上延伸,延伸段的顶部之间连接有电容支架;所述一对电容位于电容支架下方并左右并排安装。
本发明辅助降压功率模块的主电路原理如图1所示:根据图1可以看出,V1与D1形成主电路,通过电缆线与变流器进行电气连接,在控制单元控制下,1块驱动板驱动1支IGBT进行开通关断,将直流1800V斩成600Hz的脉冲波,再通过中间电路中的平波电抗器和电容器滤波后,得到稳定的直流电压DC720V,为三相辅助逆变器提供电源。
辅助降压斩波功率模块结构主要由风冷散热器、驱动板安装组件、复合母排安装组件、绝缘件、低压连接器等部分组成。如图2所示为风冷散热器、安装板、IGBT以及复合母排。
本发明按照上述方案设计了辅助降压斩波功率模块,整体外形结构图如图3及图4所示:辅助降压斩波功率模块采用单面结构布局技术,IGBT在风冷散热器单侧有序布置,中间以复合母排连接,驱动板在复合母排上层屏蔽支撑板上安装有效避免高压电的干扰,同时交直流高压端子全部设置在功率模块前端,既实现了可靠电气连接,又有利于散热和层叠结构的实现。功率模块在变流柜中采用立式安装,通过功率模块左右6个固定规格的安装螺栓,与变流柜进行机械连接,方便维修和维护,并且减小了***体积和重量。
功率模块直流端子+ (1)、- (3)通过复合母排与变流器侧支撑电容进行电气连接,直流端子OUT(2)通过高压电缆线与变流器交流输出端电气连接。功率模块低压信号通过两个低压连接器进行信号传输,其中低压连接器XO通过线缆为驱动板提供PWM驱动信号,低压连接器X1通过线缆为控制***提供温度信号。
本发明的技术关键点和欲保护点:
1)功率模块结构布局技术;
2)大功率IGBT应用及驱动控制技术;
3)大功率IGBT组件风冷散热技术;
4)低电感复合母排设计、应用技术;
5)增加功率模块在极端大电压的抗冲击性能。

Claims (10)

1.一种抗冲击型辅助降压斩波功率模块,其特征在于,包括复合母排安装组件、驱动板安装组件、一对低压连接器、框架组件、一对电容;框架组件由一对侧板组成;复合母排安装组件包括复合母排和IGBT组件,所述IGBT组件包括一个IGBT模块V1、1个二极管模块D1及风冷散热器组件;风冷散热器组件由风冷散热器以及安装在风冷散热器上方且中心开孔的安装板组成;风冷散热器位于最底层,IGBT模块V1及二极管模块D1安装在风冷散热器的上表面且位于安装板的中心孔内;所述复合母排安装在IGBT模块V1及二极管模块D1的上方,所述一对侧板分别安装在安装板中心孔的左右两侧;一对电容安装在安装板的后端;复合母排的前端设有第一、第二、第三共三个接线端子;所述驱动板安装组件包括屏蔽支撑板、配置板、驱动板和信号转换板,其中配置板、驱动板和信号转换板均安装在屏蔽支撑板之上;屏蔽支撑板安装在一对侧板的顶部且位于复合母排之上并与复合母排之间有间隔;一个低压连接器X0安装在驱动板上,另一个低压连接器X1安装在一个侧板的内侧;
辅助降压斩波功率模块设有主电路,主电路包括V1、D1、配置板、驱动板、信号转换板、复合母排、一对电容以及低压连接器X0、X1;V1的发射极和D1负极通过复合母排相连接,D1的正极与复合母排的第三接线端子相连接,D1的负极与复合母排的第二接线端子相连接;V1的集电极与复合母排的第一接线端子相连接;V1的三极与配置板相连接,配置板与驱动板相连接,驱动板与信号转换板相连接;所述一对电容并联在复合母排的第一、第三接线端子之间,第二接线端子作为直流端子通过高压电缆线与变流器交流输出端电气连接,低压连接器XO通过线缆为驱动板提供PWM驱动信号,低压连接器X1通过线缆为控制***提供温度信号。
2.如权利要求1所述的一种抗冲击型辅助降压斩波功率模块,其特征在于,复合母排安装组件还包括安装在复合母排上的温度继电器K1,所述温度继电器K1通过低压连接器X1为控制***提供温度信号。
3.如权利要求1或2所述的一种抗冲击型辅助降压斩波功率模块,其特征在于,所述驱动板安装组件还包括外部罩板,外部罩板将配置板、驱动板、信号转换板罩住。
4.如权利要求1或2所述的一种抗冲击型辅助降压斩波功率模块,其特征在于,安装板上与三个接线端子相对应的位置开有三个接线孔,穿过三个接线端子和接线孔设有三个接线柱。
5.如权利要求3所述的一种抗冲击型辅助降压斩波功率模块,其特征在于,安装板上与三个接线端子相对应的位置开有三个接线孔,穿过三个接线端子和接线孔设有三个接线柱。
6.如权利要求1或2所述的一种抗冲击型辅助降压斩波功率模块,其特征在于,安装板中心孔的左右两侧分别设有三个螺孔,螺孔内均配有用于和变流柜连接的安装螺栓。
7.如权利要求3所述的一种抗冲击型辅助降压斩波功率模块,其特征在于,安装板中心孔的左右两侧分别设有三个螺孔,螺孔内均配有用于和变流柜连接的安装螺栓。
8.如权利要求5所述的一种抗冲击型辅助降压斩波功率模块,其特征在于,安装板中心孔的左右两侧分别设有三个螺孔,螺孔内均配有用于和变流柜连接的安装螺栓。
9.如权利要求1或2所述的一种抗冲击型辅助降压斩波功率模块,其特征在于,一对侧板的后方与电容对应的位置向上延伸,延伸段的顶部之间连接有电容支架;所述一对电容位于电容支架下方并左右并排安装。
10.如权利要求8所述的一种抗冲击型辅助降压斩波功率模块,其特征在于,一对侧板的后方与电容对应的位置向上延伸,延伸段的顶部之间连接有电容支架;所述一对电容位于电容支架下方并左右并排安装。
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