基於高兼容功率單元的牽引變流裝置的製作方法

2024-03-06 12:11:15

本發明涉及牽引變流裝置，具體為基於高兼容功率單元的牽引變流裝置。

背景技術：

igbt（絕緣柵雙極型電晶體）是由bjt(雙極型三極體)和mos(絕緣柵型場效應管)組成的複合全控型電壓驅動式功率半導體器件,兼有mosfet的高輸入阻抗和gtr的低導通壓降兩方面的優點。gtr飽和壓降低，載流密度大，但驅動電流較大；mosfet驅動功率很小，開關速度快，但導通壓降大，載流密度小。igbt綜合了以上兩種器件的優點，驅動功率小而飽和壓降低，非常適合應用於直流電壓為600v及以上的變流系統如交流電機、變頻器、開關電源、照明電路、牽引傳動等領域。隨著交流傳動技術的發展，採用大功率igbt為開關元件的變流器應用日益廣泛，為了方便主電路的維護，將一種主電路的多個igbt器件進行安裝集成，形成功率模塊單元，根據主電路功能、容量的不同，功率單元的接線及部件布局結構，散熱方式也發生變化，使功率單元的在性能方面有不同的體現。

目前現有的採用多個igbt器件進行安裝集成，形成的功率單元具有結構簡單的特點，但連接端子多，造成設計成本和故障隱患點增加，功能單元的專用定製化，導致功率單元功能單一不具有兼容性和通用性，且種類增加，不但造成功率單元生產和試驗工裝的增加，而且造成變流裝置內部連接部件和備品備件的種類增加，經濟成本過大。因此，研發一種能夠採用不同接線布局方式實現多種功能的高兼容功率單元的牽引變流裝置是十分有必要的。

技術實現要素：

本發明解決現有功率模塊單元功能單一、互相不能兼容、開發周期長、備件經濟成本大的問題，提供一種基於高兼容功率單元的牽引變流裝置。

本發明是通過以下技術方案實現的：基於高兼容功率單元的牽引變流裝置，包括兩個分別由四路半橋電路兩端並聯構成的功率單元、輸入端外圍電路、中部外圍電路、斬波電阻、輸出端外圍電路；左側的（如圖1所示）所述功率單元由第一半橋電路、第二半橋電路、第三半橋電路、第四半橋電路兩端並聯構成（如圖1由左至右依次為第一、第二、第三、第四半橋電路）；所述第一半橋電路、第二半橋電路的中間點並聯後與第一電阻的一端連接，所述第一電阻的另一端連接第一開關後與第一輸入端連接，所述第一電阻的一端與第一輸入端之間還並聯有第二開關；所述第三半橋電路、第四半橋電路的中間點並聯後與第一電流傳感器一端連接，所述第一電流傳感器的另一端與第二輸入端連接；所述中部外圍電路由分別與左側的功率單元、右側的功率單元兩端並聯的第一併聯支路、第二並聯支路、第三並聯支路構成，所述第一併聯支路由第二電阻和第一電容並聯構成，所述第二並聯支路由第一電壓傳感器構成，所述第三並聯支路由串聯的第三電阻、第四電阻，及依次並聯於第四電阻兩端的第二電容和第二電壓傳感器構成，所述第三電阻與第四電阻的連接端與地連接；右側的所述功率單元由第五半橋電路、第六半橋電路、第七半橋電路、第八半橋電路兩端並聯構成（如圖1由右至左依次為第八、第七、第六、第五半橋電路）；所述第五半橋電路中間點與第五半橋下管並聯有斬波電阻；所述輸出端外圍電路由第一輸出端外圍電路、第二輸出端外圍電路、第三輸出端外圍電路構成，所述第一輸出端外圍電路一端與第六半橋電路中間點連接，經第二電流傳感器後與u輸出端連接，所述第二輸出端外圍電路一端與第七半橋電路中間點連接，另一端與v輸出端連接，所述第三輸出端外圍電路一端與第八半橋電路中間點連接，經第三電流傳感器後與w輸出端連接。左側的功率單元由四路相同的半橋電路並聯構成，功率單元通過輸入端外圍電路裝配於輸入端，通過兩路半橋並聯應用構成四象限整流用功率單元。右側的功率單元通過輸出端外圍電路裝配於輸出端，應用其中三路半橋構成逆變單元，剩餘一路半橋與斬波電阻構成斬波單元。通過不同的外圍電路連接方式，使標準化的功率單元模塊實現整流、逆變斬波功能，同時解決了igbt並聯的驅動同步性、並聯均流、功率單元電氣接口的通用性問題。本發明將控制系統發出同一信號分為路徑相同的兩路信號，同時驅動並聯的兩支igbt工作，保障了驅動信號的同步性。依據4路半橋結構，功率單元複合母排直流與交流支路設計需考慮兩兩並聯的動態均流特性，保證任意兩路並聯具有相近的靜態阻值和動態電感值。並聯支路交流支路路徑設置相同，保證並聯兩個交流支路電感相同，實現並聯雙管電流爬升速度同步。igbt並聯通過外部短接實現，保證了功率單元對外高壓交流接口獨立，進而實現了高壓接口的統一。低壓信號全部連接，當斬波支路使用時，下管不提供低壓驅動信號即可實現低壓信號的通用性。

動力集中型動車組是中車集團公司自主研發的重點項目，該機車要求輕量化設計，變流器作為機車的一個重要電器部件，主框架採用了鋁型材進行設計，以滿足整車的輕量化設計要求。本發明在具體應用時具有以下優點：標準化的功率單元模塊可減少功率單元研發數量，大大縮短設計周期；減少變流裝置內部部件種類；實現了功率單元、電氣接口的簡統化。

附圖說明

圖1為本發明電路原理圖。

具體實施方式

基於高兼容功率單元的牽引變流裝置，包括兩個分別由四路半橋電路兩端並聯構成的功率單元、輸入端外圍電路、中部外圍電路、斬波電阻、輸出端外圍電路；左側的所述功率單元由第一半橋電路、第二半橋電路、第三半橋電路、第四半橋電路兩端並聯構成；所述第一半橋電路、第二半橋電路的中間點並聯後與第一電阻的一端連接，所述第一電阻的另一端連接第一開關後與第一輸入端連接，所述第一電阻的一端與第一輸入端之間還並聯有第二開關；所述第三半橋電路、第四半橋電路的中間點並聯後與第一電流傳感器一端連接，所述第一電流傳感器的另一端與第二輸入端連接；所述中部外圍電路由分別與左側的功率單元、右側的功率單元兩端並聯的第一併聯支路、第二並聯支路、第三並聯支路構成，所述第一併聯支路由第二電阻和第一電容並聯構成，所述第二並聯支路由第一電壓傳感器構成，所述第三並聯支路由串聯的第三電阻、第四電阻，及依次並聯於第四電阻兩端的第二電容和第二電壓傳感器構成，所述第三電阻與第四電阻的連接端與地連接；右側的所述功率單元由第五半橋電路、第六半橋電路、第七半橋電路、第八半橋電路兩端並聯構成；所述第五半橋電路中間點與第五半橋下管並聯有斬波電阻；所述輸出端外圍電路由第一輸出端外圍電路、第二輸出端外圍電路、第三輸出端外圍電路構成，所述第一輸出端外圍電路一端與第六半橋電路中間點連接，經第二電流傳感器後與u輸出端連接，所述第二輸出端外圍電路一端與第七半橋電路中間點連接，另一端與v輸出端連接，所述第三輸出端外圍電路一端與第八半橋電路中間點連接，經第三電流傳感器後與w輸出端連接。

所述功率單元通用於整流器和逆變斬波器。所述基於高兼容功率單元的牽引變流裝置適用於大功率交-直-交牽引電傳動系統。

需要說明的是，本實施例對於主電路拓撲不做特別限制，即左側的功率單元和右側的功率單元數量不做限制，由主電路拓撲結構決定。