一種新穎的igbt牽引變流器模塊的製作方法
2023-11-05 23:07:02 1
專利名稱：一種新穎的igbt牽引變流器模塊的製作方法
技術領域：
本發明屬於一種機車車輛牽引變流裝置，特別是軌道機車車輛用的牽引變流裝置的部件構造。
在大功率牽引變流器的設計當中，合理設計變流器母排，抑制IGBT元件開關過電壓，科學地布置IGBT元件和驅動電路，優化熱設計以及選擇合適的散熱方式，如何做到變流器的簡統化，模塊化，提高變流器的高可靠性，可維護性等以上幾方面對於牽引動力的核心--牽引變流器來說非常重要。而就現有的各種變流器來看，主要存在以下方面的不足1、一般變流器沒有使用低感母排(Busbar)技術或使用了一些簡單的母排技術，但它們沒有達到抑制功率器件的開關過電壓的作用或是效果不是很理想。
2、還有一類變流器使用了一些低感母排(Busbar)技術，但這些低感母排製作工藝相當複雜，安裝及拆卸非常不方便。
3、變流器內部功率元件的布置沒有跟低感母排技術綜合起來考慮，由於功率元件布置不理想，就發揮不了降低主電路分布電感的作用。
4、一般變流器的IGBT驅動電路安裝採用兩種方式。一種是直接安裝在IGBT元件上，這樣驅動電路引線電感最小，但是在牽引變流器上，其檢測維護非常困難。另一種方式就是為了安裝，更換方便，將驅動電路安裝在離IGBT元件較遠的空間，但這樣會引起引線電感較大，對IGBT元件驅動不利，影響變流器的安全運行。
5、採用強迫風冷散熱的牽引變流器它的主要特點是結構簡單，可靠性高，但它一般採用鑄鋁實體散熱器，散熱效率較低。
6、用於交流傳動牽引變流器一般分為四象限整流器和逆變器兩類。由於兩者電路結構和控制不同，因而一般兩者不能互換或互換性較差。
7、一般牽引變流器要滿足不同功率等級的要求，而必須對IGBT元件進行串、並聯使用，這樣導致牽引變流器在電路和結構上作很大程度上的變動，才能滿足於不同容量的要求。
8、牽引變流器由於電路和結構的複雜性，檢修維護時，一般拆卸和安裝非常不方便，而且操作時需要特殊的裝備工具。
本發明的目的旨在提供一種模塊化的IGBT牽引變流器模塊。該模塊能克服一般變流器的上述缺陷，做到變流器的結構簡潔，外觀美觀，安全可靠，而且各方面性能優越，可維護性和互換性好，能滿足於城際動車組、地鐵車輛、城市輕軌、磁懸浮列車、電車等不同工作電壓，不同功率等級的應用場合。
本發明的目的是通過以下技術措施來實現採用模塊化技術，將整個IGBT牽引變流器模塊化處理，而每個模塊由8個IGBT元件組成，使其能構成一臺完整的逆變器或四象限整流器，並且可以根據不同功率等級的需要，可變更不同等級的IGBT元件或IGBT牽引變流模塊的數量，非常方便地組合成各種容量的牽引逆變器或四象限整流器。在模塊中採用了高性能的低感母排，並充分考慮了IGBT元件的布置與高性能低感母排的結合，從而大大降低了主電路上的寄生電感。模塊上的8個IGBT元件分布成四個橋臂，每兩個上下布置的IGBT元件構成一個橋臂(即一相)，而相鄰兩個橋臂上下IGBT元件錯開排列，使得流過低感母排上的正負導體上的電流方向相反，它們產生的磁場相互抵消，因而主迴路上布線的寄生電感大大降低，這就使得IGBT元件關斷過程中，由於電路上的寄生電感而產生的尖峰過電壓大大減小。從而整個IGBT牽引變流器模塊應用時，省去了繁瑣複雜的吸收(Snubber)電路，同時保證了IGBT元件運行於它的安全工作區，使得變流器模塊達到結構簡潔，安全可靠的目的。同時模塊的驅動部分安裝在IGBT元件和低感母排之上。每一橋臂上，下管驅動電路做在一塊板上，整個模塊有四塊驅動板，它們安裝在一塊絕緣的環氧玻璃布板上。在低感母排上對應IGBT元件位置處開了穿線孔便於IGBT驅動線通過，這樣的結構使得驅動引線較短，同時保證了IGBT元件驅動單元的可維護性。在大功率IGBT元件開關過程中，會產生強大的電磁幹擾，我們設計的IGBT牽引變流器模塊它的PWM驅動信號採用光纖傳輸技術，相對於其它信號傳輸方式，它的抗幹擾能力大大增強，同時對驅動電路採用最優化設計，使之具有優良的驅動性能和完善的保護功能，因而整個模塊化可靠性大大增強。
為了解決模塊的散熱問題，本發明採用特殊工藝的鋁散熱器。本散熱器與一般散熱器不同的是，散熱器由許多薄散熱片組成，一片一片的薄散熱片嵌在散熱板內，這樣的結構大大增加了散熱器的散熱面積，同時又不至於散熱片數量的增加而影響散熱器的通風。它既保留了風冷散熱器結構簡潔，維護簡單的特點，同時它的散熱效率大大提高，保證了IGBT元件工作時損耗所產生的熱能及時耗散掉，使得IGBT工作安全可靠。
本發明還充分考慮了四象限整流器和逆變器的電路形式和結構特點，將兩者設計融為一體，兩者真正做到了能完全互換。當模塊用於四象限整流器時，四相交流母排用作交流輸入，相應的正、負母排用作直流輸出，反之，當模塊用於逆變器時，交流母排用作交流輸出，相應的正、負母排用作直流輸入。
本發明在外形結構上還充分考慮了模塊的簡統化，模塊化設計，並保持了良好的互換性和可維修性。首先，它的控制電源接插件和光纖接插裝置靠近最外側，這樣保證了控制信號的接插非常方便。另外，整個模塊採用抽屜式結構，它的前面和後面為模塊固定板，後部模塊上方為母排出線，在兩側裝有提起把柄，安裝和維修時，通過提起把柄將模塊提起，可以將模塊很順暢地象抽屜一樣推進，然後在後部將母排通過螺釘連結起來，最後將前後固定板用螺釘固定。相比其它牽引變流器的結構，它不需要任何特殊的工裝設備，檢測，安裝，維護，運輸相當便捷。
通過上述模塊化處理的IGBT牽引變流器，相對於現有的變流器，具有許多的優點1、整個系統的分布電感小，元件關斷時產生的過電壓低，散熱效率高，因而整個系統的可靠性較現有的變流器大大增強；2、由於採用了模塊化設計，因而整個系統結構緊湊、簡潔，外形美觀；3、本發明同時兼顧了四象限整流器和逆變器的電路形式和結構特點，使得該模塊完全可以適應兩種工況的使用。具有完全的互換性；4、本發明採用了抽屜式結構，具有安裝維修及運輸方便等特點。
下面將結合附圖對本發明作進一步的描述
圖1為本發明結構示意圖；圖2為本發明IGBT元件平面布置結構示意圖；圖3為本發明IGBT元件應用電路示意圖；圖4為本發明母排部分結構示意圖；圖5為本發明結構側面示意圖。
圖中1-低感母排，2-IGBT元件，3-IGBT驅動電路，4-環氧玻璃布板，5-前固定板，6-散熱器，7-後固定板，8-光纖插頭。
附圖給出了本實用新型的一個實施例，從附圖中可以看出，本實用新型包括低感母排1、IGBT元件2、IGBT驅動電路3、環氧玻璃布板4、前固定板5、散熱片6、後固定板7幾部分。其特徵在於所述的各個部分是根據降低主電路寄生電感，提高可靠性、可維護性的原則，按模塊化設計組合在一起的。其中IGBT元件2為8個，每上下兩個IGBT元件構成一個橋臂(即一相)，共有4個橋臂，而每相鄰的兩個橋臂，根據橋臂流過低感母排上正負母排的電流流向，採取反向錯開排列，使得流過正負母排上的電流方向相反，它們產生的磁場相互抵消，從而使得IGBT元件關斷過程中，主迴路上的寄生電感而產生的尖峰過電壓大大減少，在整個模塊的應用裝置中，可省去吸收電路(snubber)。同時，每個橋臂上下IGBT元件的驅動電路3做在同一個驅動板上，整個模塊有四個驅動板，它們均安裝在一塊絕緣環氧玻璃布板4上。整個模塊是按IGBT驅動電路、絕緣環氧玻璃布板、低感母排、IGBT元件、散熱器由上自下分層排列，同時模塊的驅動部分安裝在IGBT元件和低感母排之上。在低感母排上對應IGBT元件位置處開了穿線孔便於IGBT驅動線通過，這樣的結構使得驅動引線較短，同時保證了IGBT元件驅動單元的可維護性。為了避免在大功率IGBT元件開關過程中，產生強大的電磁幹擾，IGBT牽引變流器模塊的PWM驅動信號採用光纖傳輸技術，相對於其它信號傳輸方式，它的抗幹擾能力大大增強，同時對驅動電路採用最優化設計，使之具有優良的驅動性能和完善的保護功能，因而整個模塊化可靠性大大增強。
為了解決模塊的散熱問題，本發明採用特殊工藝的鋁散熱器。本散熱器與一般散熱器不同的是，散熱器由許多薄散熱片組成，一片一片的薄散熱片嵌在散熱板內，並由前固定板和後固定板固定，這樣的結構大大增加了散熱器的散熱面積，同時又不至於散熱片數量的增加而影響散熱器的通風。它既保留了風冷散熱器結構簡潔，維護簡單的特點，同時它的散熱效率大大提高，保證了IGBT元件工作時產生的損耗所產生熱能及時帶走，使得IGBT工作安全可靠。
本發明還充分考慮了四象限整流器和逆變器的電路形式和結構特點，將兩者設計融為一體，兩者真正做到了能完全互換。當模塊用於四象限整流器時，四相交流母排用作交流輸入，相應的正、負母排用作直流輸出，反之，當模塊用於逆變器時，交流母排用作交流輸出，相應的正、負母排用作直流輸入。
本發明在外形結構上還充分考慮了模塊的簡統化，模塊化設計，並保持了良好的互換性和可維修性。首先，它的控制電源接插件和光纖接插裝置靠近最外側，這樣保證了控制信號的接插非常方便。另外，整個模塊採用抽屜式結構，它的前面和後面為模塊固定板，後部模塊上方為母排出線，在兩側裝有提起把柄，安裝和維修時，通過提起把柄將模塊提起，可以將模塊很順暢地象抽屜一樣推進，然後在後部將母排通過螺釘連結起來，最後將前後固定板用螺釘固定。相比其它牽引變流器的結構，它不需要任何特殊的工裝設備，檢測，安裝，維護，運輸相當便捷。
權利要求
1.一種IGBT牽引變流器模塊，包括低感母排(1)、IGBT元件(2)、IGBT驅動電路(3)、環氧玻璃布板(4)、前固定板(5)、散熱器(6)、後固定板(7)幾部分，其特徵在於所述的各個部分是根據降低主電路寄生電感，提高可靠性、可維護性的原則，按模塊化設計組合在一起的，其中整個模塊由8個IGBT元件組成，IGBT元件(2)為8個，每上下兩個IGBT元件構成一個橋臂(即一相)，共有4個橋臂，而每相鄰的兩個橋臂，根據橋臂流過低感母排上正負母排的電流流向，採取反向錯開排列，整個模塊是按IGBT驅動電路、絕緣環氧玻璃布板、低感母排、IGBT元件、散熱器由上自下分層排列的。
2.如權利要求1所述的IGBT牽引變流器模塊，其特徵在於所述模塊的驅動部分安裝在IGBT元件和低感母排之上，且每個橋臂上下IGBT元件的驅動電路(3)做在同一個驅動板上，整個模塊有四個驅動板，它們均安裝在一塊絕緣環氧玻璃布板(4)上。
3.如權利要求1或2所述的IGBT牽引變流器模塊，其特徵在於所述的模塊電路中不含吸收電路(snubber)。
4.如權利要求1或2所述的IGBT牽引變流器模塊，其特徵在於在低感母排上對應IGBT元件位置處開了便於IGBT驅動線通過的穿線孔。
5.如權利要求1或2所述的IGBT牽引變流器模塊，其特徵在於IGBT牽引變流器模塊的PWM驅動信號採用光纖傳輸。
6.如權利要求1或2所述的IGBT牽引變流器模塊，其特徵在於散熱器由許多薄散熱片組成，一片一片的薄散熱片嵌在散熱板內，並由前固定板和後固定板固定。
7.如權利要求1或2所述的IGBT牽引變流器模塊，其特徵在於所述模塊可用於四象限整流器，當模塊用於四象限整流器時，四相交流母排用作交流輸入，相應的正、負母排用作直流輸出。
8.如權利要求1或2所述的IGBT牽引變流器模塊，其特徵在於所述模塊可用於逆變器，當模塊用於逆變器時，交流母排用作交流輸出，相應的正、負母排用作直流輸入。
9.如權利要求1或2所述的′IGBT牽引變流器模塊，其特徵在於所述模塊的控制電源接插件和光纖接插裝置靠近最外側，整個模塊採用抽屜式結構，前面和後面為模塊固定板，後部模塊上方為母排出線，在兩側裝有提起把柄，在後部將母排通過螺釘連結起來，且前後固定板用螺釘固定。
全文摘要
IGBT牽引變流器模塊,採用模塊化技術,將整個IGBT牽引變流器模塊化處理,模塊上的8個IGBT元件分布成四個橋臂,使其能構成一臺完整的逆變器或四象限整流器,並且可以根據不同功率等級的需要,可變更不同等級的IGBT元件或IGBT牽引變流模塊的數量,非常方便地組合成各種容量的牽引逆變器或四象限整流器。每上下兩個IGBT元件構成一個橋臂(即一相),每相鄰的兩個橋臂,根據橋臂流過低感母排上正負母排的電流流向,採取反向錯開排列。
文檔編號H01L25/00GK1323094SQ0111453
公開日2001年11月21日 申請日期2001年6月12日 優先權日2001年6月12日
發明者榮智林, 忻力, 李小紅, 陳燕平, 翁星方 申請人:鐵道部株洲電力機車研究所