降压斩波功率单元及列车辅助变流器的制造方法
【专利摘要】本发明提供一种降压斩波功率单元及列车辅助变流器。其中，所述降压斩波功率单元，包括：由底至顶层叠设置的绝缘栅双极型晶体管、配置板、复合母排及驱动电路板组件。所述配置板与所述绝缘栅双极型晶体管连接。所述复合母排的两连接端分别与所述绝缘栅双极型晶体管的集电极和发射极连接。所述驱动电路板组件通过支架设置在所述复合母排的上方，所述驱动电路板组件与所述绝缘栅双极型晶体管连接。本发明采用层叠式结构，方便检修和维护，采用复合母排代替现有技术中的普通铜排或导线连接，可有效地解决普通铜排或导线的杂散电感大，易造成功率器件关断时引起很高的尖峰电压，功率器件容易损坏，电路可靠性差等问题。
【专利说明】降压斩波功率单元及列车辅助变流器
【技术领域】
[0001]本发明涉及变流器技术，尤其涉及一种降压斩波功率单元及列车辅助变流器。
【背景技术】
[0002]列车辅助变流器为整个列车的辅助系统提供电源，列车辅助变流器供电电源的品质直接决定辅助变流器的性能，甚至影响整个列车的输出特性。如图1所示，所述列车辅助变流器包括:降压斩波功率单元11、过压抑制功率单元12和三相逆变功率单元13。列车的四象限整流器10向降压斩波功率单元提供中间回路电压，所述降压斩波功率单元11将接收到的中间回路电压转换为较低电压等级的直流电，并将转换后的直流电经由过压抑制功率单元12输出至三相逆变功率单元13。所述三相逆变功率单元13将直流电转换为交流电来驱动负载14。其中，所述降压斩波功率单元、过压抑制功率单元以及三相逆变功率单元中的功率模块，如绝缘栅双极型晶体管(Insulated GateBipolar Transistor,以下简称IGBT)的驱动脉冲信号由所述辅助变流器控制单元输出。
[0003]目前，降压斩波功率单元的各部件之间采用普通铜排或导线连接。考虑到部件间的耐压及爬电距离，现有降压斩波功率单元中各部件间的间隙设置的较大，致使整个降压斩波功率单元的体积较大、重量大，致使列车辅助变流器占用空间较大，这与目前机车上部件轻量化、空间小型化的发展趋势是背道而驰的。另外，现有降压斩波功率单元的结构，不利于维护与检修，当降压斩波功率单元中部件，尤其是易出现故障的IGBT，需要维修或更换时，必须拆除降压斩波功率单元的所有部件，维修或更换后再重新组装，整个维修过程繁琐且耗时。
【发明内容】
[0004]本发明提供一种降压斩波功率单元及列车辅助变流器，以减小体积，方便检修。
[0005]本发明的第一个方面是提供一种降压斩波功率单元，包括:绝缘栅双极型晶体管、配置板、复合母排及驱动电路板组件；其中，
[0006]所述配置板设置在所述绝缘栅双极型晶体管的上方，所述配置板的第一端口与所述绝缘栅双极型晶体管的集电极连接，所述配置板的第二端口与所述绝缘栅双极型晶体管的发射极连接，所述配置板的第三端口与所述绝缘栅双极型晶体管的门极连接；
[0007]所述复合母排设置在所述配置板的上方，所述复合母排的两连接端分别与所述绝缘栅双极型晶体管的集电极和发射极连接；
[0008]所述驱动电路板组件通过支架设置在所述复合母排的上方，所述驱动电路板组件的第一端口通过所述配置板与所述绝缘栅双极型晶体管的集电极连接，所述驱动电路板组件的第二端口通过所述配置板与所述绝缘栅双极型晶体管的发射极连接，所述驱动电路板组件的第三端口通过所述配置板与所述绝缘栅双极型晶体管的门极连接。
[0009]本发明的另一个方面是提供一种列车辅助变流器，包括:本发明实施例提供的所述降压斩波功率单元。[0010]由上述技术方案可知，本发明实施例通过将所述降压斩波功率单元的各部件设置成层叠式结构，检修时只需拆卸上层部件的连接件，将上层部件旋转或卸下即可将待检修的部件或待更换的部件显现出来，无需分别拆除所有部件，方便检修和维护。另外，本发明实施例采用复合母排来代替现有技术中的普通铜排或导线连接，可有效地解决普通铜排或导线的杂散电感大，易造成功率器件关断时引起很高的尖峰电压，功率器件容易损坏，电路可靠性差等问题，复合母排集成度高，杂散电感小，可简化电路连接，降低降压斩波功率单元中各部件间的间隙设置，缩小降压斩波功率单元的体积。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1为现有技术中电力机车辅助系统结构示意图；
[0012]图2为本发明提供的降压斩波功率单元实施例一的结构示意图；
[0013]图3为本发明提供的所述降压斩波功率单元实施例一的电路原理示意图；
[0014]图4为本发明提供的所述降压斩波功率单元中支架的左支架和右支架的结构示意图；
[0015]图5为对本发明提供的所述降压斩波功率单元进行检修时卸下支架的横向支架一侧的螺栓后，横向支架绕一侧旋转所呈的状态图；
[0016]图6为本发明提供的所述降压斩波功率单元中数字可编程驱动器的原理图；
[0017]图7为装配降压斩波功率单元中的散热器和IGBT后的结构示意图；
[0018]图8为在图7的基础上继续在IGBT上安装配置板后的结构示意图；
[0019]图9为在图8的基础上继续在散热器上安装绝缘底板后的结构示意图；
[0020]图10为在图9的基础上继续在绝缘底板上安装左支架和右支架后的结构示意图；
[0021]图11为在图10的基础上继续在配置板上方安装复合母排，并将复合母排与IGBT和二极管连接后的结构示意图；
[0022]图12为在图11的基础上继续安装与所述复合母排连接的滤波电容后的结构示意图；
[0023]图13为在图12的基础上继续在左支架和右支架上安装驱动电路板组件后的结构示意图；
[0024]图14为在图13的基础上继续在驱动电路板组件安装顶板后的结构示意图；
[0025]图15为本发明提供的列车辅助变流器实施例一的结构示意图。
【具体实施方式】
[0026]如图2所示，本发明提供的降压斩波功率单元实施例一的结构示意图。如图3所示，所述降压斩波功率单元实施例一的电路原理示意图。如图2和图3所示，所述降压斩波功率单元包括:IGBT1、配置板2、复合母排3及驱动电路板组件4。其中，如图2所示，所述配置板2设置在所述IGBTl的上方。如图3所示，所述配置板2的第一端口与所述IGBT2的集电极C连接，所述配置板I的第二端口与所述IGBT2的发射极E连接，所述配置板I的第三端口与所述IGBT2的门极G连接。如图2所示，所述复合母排3设置在所述配置板2的上方，具体地，如图3所示，所述复合母排3的两连接端分别与所述IGBT的集电极和发射极连接。所述复合母排3的第一连接端301与所述IGBTl的集电极C连接，所述复合母排3的第二连接端302与所述IGBTl的发射极E连接。如图2所示，所述驱动电路板组件4通过支架5设置在所述复合母排3的上方。具体地，如图3所示，所述驱动电路板组件4的第一端口 401通过所述配置板2与所述IGBTl的集电极C连接，所述驱动电路板组件4的第二端口 402通过所述配置板2与所述IGBTl的发射极E连接，所述驱动电路板组件4的第三端口 403通过所述配置板2与所述IGBTl的门极G连接。
[0027]本施例通过将所述降压斩波功率单元的各部件设置成层叠式结构，检修时只需拆除上层部件的连接件，将上层部件旋转或卸下即可将待检修的部件或待更换的部件显现出来，无需分别拆除所有部件，方便检修和维护。另外，本实施例采用复合母排来代替现有技术中的普通铜排或导线连接，可有效地解决普通铜排或导线的杂散电感大，易造成功率器件关断时引起很高的尖峰电压，功率器件容易损坏，电路可靠性差等问题，复合母排集成度高，杂散电感小，可简化电路连接，降低降压斩波功率单元中各部件间的间隙设置，缩小了降压斩波功率单元的体积。
[0028]其中，上述实施例中，所述的支架5，如图2所示，包括左右两个垂直于所述复合母排所在平面的支架501和502，所述的两个支架的顶端设置有用于安装所述驱动电路板组件的，平行于所述复合母排3的横向支架503。所述横向支架503的一侧通过螺栓504与左侧支架501连接，所述横向支架503的另一侧通过销轴505与右侧支架502连接。或者，所述横向支架的一侧通过螺栓与右侧支架连接，所述横向支架的另一侧通过销轴与左侧支架连接(图中未示出)。具体地，如图4所示，所述支架5的左侧支架501上设有用于连接所述横向支架的螺栓孔506，所述右侧支架502上设有销轴505，采用该结构，当工作人员需要对驱动电路板组件下方的部件进行检修或维护时，只需将所述横向支架的一侧螺栓504(如图2所示)卸下，将所述横向支架503绕所述销轴的轴线旋转，即可将驱动电路板组件4下方的部件呈现出来，如图5所示，便于工作人员检修和维护。
[0029]进一步地,如图3所示,上述实施例中所述的驱动电路板组件4包括:设置在电路安装板上的信号转换器42和数字可编程驱动器41，所述信号转换器42和数字可编程驱动器41通过光纤连接，所述数字可编程驱动器41通过同轴电缆与所述配置板2连接。其中，所述信号转换器用于将辅助变流器控制单元输出的脉冲控制信号转换为光信号，以将所述转换后的光信号发送至所述数字可编程驱动器，以及将所述数字可编程驱动器输出的光信号转换为电信号，以将所述转换后的电信号发送至所述辅助变流器控制单元。本实施例由于所述信号转换器42和数字可编程驱动器41安装在同一电路安装板上，且无需频繁的进行安装可拆卸，因此，可采用干扰小，信号损益低、重量轻的光纤进行连接；另外，采用光纤还能保证输入至所述数字可编程驱动器41的驱动脉冲信号的正确性和时间性。而所述数字可编程驱动器与所述配置板设置在不同层，因此，为了方便安装，维修时便于拆卸，数字可编程驱动器与所述配置板之间采用同轴电缆进行连接。同轴电缆的维护成本低，安装简单，且易扩充。或者，所述数字可编程驱动器和IGBT的门极、发射极之间的信号传输，采用同轴电缆进行信号传输。所述数字可编程驱动器和IGBT的集电极之间采用高压电缆，并在各个信号传输线上套有高压绝缘套管，这样即减小了干扰又便于保护信号传输线，同时又使整个功率单元的布线美观。
[0030]其中，所述数字可编程驱动器，如图6所示，包括:数字可编程控制处理器411、驱动放大模块413、两级di/dt保护模块414、四级dv/dt保护模块412、编程接口模块415以及电源监控模块416。具体地，所述数字可编程控制处理器411分别与所述驱动放大模块413、两级di/dt保护模块414、四级dv/dt保护模块412、所述编程接口模块415和所述电源监控模块416连接。所述驱动放大模块413通过所述配置板2与所述IGBT的门极连接。所述两级di/dt保护模块414通过所述配置板与所述IGBT的发射极连接。所述四级dv/dt保护模块412通过所述配置板与所述IGBT的集电极连接。具体地，所述编程接口模块可为工作人员提供软件编程输入接口。工作人员可针对不同的厂家的IGBT功率器件、不同的保护条件通过所述编程接口模块向数字可编程控制处理器写入相应的软件程序，以修改或更新数字可编程控制处理器中已存储的控制程序。所述电源监控单元用于对提供给所述数字可编程驱动器的电源进行欠压和过压监控，以在监测异常生成监测信号，并将该监测信号发送至所述数字可编程控制处理器，以使所述数字可编程控制处理器根据所述监测信号，生成相应的报警信息。所述两级di/dt保护单元的作用是，根据IGBT功率器件在开通或关断时电流的变化率，设置两个等级的电流保护策略，以对IGBT功率器件进行电流保护。所述四级dv/dt保护单元的作用是，根据IGBT功率器件在关断时电压的变化率，设置四级退饱和保护策略，以对IGBT功率器件进行电压保护。驱动放大模块单元的作用是，将从数字可编程控制处理器发出的小功率的驱动信号，进行放大及隔离转换成驱动IGBT功率器件的大功率驱动信号，进行IGBT的通断控制。
[0031]进一步地,上述实施例中所述的驱动电路板组件,还包括:状态显示模块417。所述状态显示模块417与所述数字可编程控制处理器411连接。所述数字可编程控制处理器根据接收自配置板反馈的IGBT的状态信号，或者根据接收自电源监控模块反馈的监测信号，生成相应的控制指令，例如，高低电平，以使所述状态显示模块控制不同的故障状态显示灯亮暗，以便工作人员通过显示灯的亮暗，方便、直观的判断出故障状态。
[0032]所述数字可编程驱动器将通过信号转换器接收自辅助变流器控制单元发出的驱动脉冲电平信号，进行功率放大，变成能够可靠驱动IGBT的信号，保证IGBT地安全可靠工作。在IGBT导通与关断过程中，数字可编程驱动器起着至关重要的作用，即为IGBT提供适当的电压+15V和-15V，使IGBT可靠地开通与关断；为IGBT提供足够大的瞬态功率和瞬态电流，使IGBT能迅速建立栅控电场而导通；且能最大程度化地减小输入输出延迟时间，保证信号传输的同步性，以提高工作效率；还能使控制回路和主回路之间的隔离电压高达6000V，使脉冲信号电路和和栅极驱动电路绝缘，同时避免了主回路中的强电干扰控制回路中的弱电信号，保证了 IGBT可靠通断；所述数字可编程驱动器还具有灵敏的两级di/dt电流保护和四级dv/dt退饱和保护，对IGBT进行更详细的通断保护；具有完善的故障显示系统，便于使用者直观方便地识别故障现象。其中，如图1所示，上述内容中提出的所述控制回路为辅助变流器控制单元、信号转换器和数字可编程驱动器构成的控制信号传输回路。所述主回路为四象限整流器和降压斩波功率单元构成的电流传输回路。
[0033]较现有功能较为单一的采用分立器件或集成驱动芯片构成的驱动器，本实施例的数字可编程驱动器，具有更多的驱动控制功能，且参数调整方便。具体地，本实施例所述的数字可编程驱动器可通过编辑好的控制程序，完成控制电路和高压回路之间通过高达6000V隔离电压的隔离驱动脉冲变压器，使得控制回路和主回路之间进行了有效地隔离；在短路条件下具有可靠的过流保护，关断过程中具有可靠的过压保护，并且可以通过编程接口对过流和过压值方便地进行设置；四级退饱和监控、两级di/dt监控以及软关断高级控制，都大大提高了保护的可靠性，大大减小了 IGBT的开关功耗；对驱动脉冲信号进行数字滤波，确保驱动信号的正确性；各种故障状态可以很明了通过发光二极管显示出来;状态反馈信号可以根据实际需求，通过编程很方便地进行设置，方便灵活。
[0034]进一步地,如图3所示,上述实施例中所述的降压斩波功率单元还包括:滤波电容Cl。所述滤波电容Cl用于滤除所述复合母排的高频杂波。所述滤波电容Cl的一端与所述复合母排3的第一连接端301连接。所述滤波电容Cl的另一端与所述复合母排3的第三连接端303连接。其中，所述复合母排3的第一连接端301为所述复合母排3的与所述IGBT的集电极连接的一端。
[0035]进一步地，如图3所示，所述降压斩波功率单元还包括:二极管D1。所述二极管Dl的阴极与所述复合母排3的第二连接端连接302连接。所述二极管Dl的阳极与所述复合母排的第三连接端303连接。其中，所述复合母排3的第二连接端302为复合母排的与所述IGBT的发射极连接的一端。所述二极管可具体为续流二级管。
[0036]进一步地，如图2所示，所述降压斩波功率单元还包括:设置在所述IGBT下方的散热器6，所述IGBTl通过导热硅脂贴在所述散热器上。所述降压斩波功率单元通过散热器将IGBT工作时产生的热量带走。如图2所示，所述降压斩波功率单元还包括顶板9。所述顶板设置在所述驱动电路板组件的上方，以保护驱动电路板组件免受外部的损坏。
[0037]进一步地，如图2和9所示，所述降压斩波功率单元还包括:绝缘底板7。所述绝缘底板7中心设有通孔，所述通孔轮廓与所述IGBTl的外轮廓适配。如图11所示，所述复合母排3的与所述IGBT的发射极E连接的一端(即复合母排3的第二连接端302，如图3所示)、与所述绝缘栅双极型晶体管的集电极C连接的一端(即复合母排3的第一连接端301，如图3所示)以及负端(即复合母排3的第三连接端303，如图3所示)分别通过接线端子8固定在所述绝缘底板7上。其中，所述接线端子可采用快速连接端子，便于所述降压斩波功率单元与其他电气元件进行连接，大大节省安装时间。所述降压斩波功率单元对外电气连接接口有直流输入以及“OUT”三个φ14快速连接端子，连接端子的上部分与高压复合母排连接，通过螺母紧密地连接在一起，下部分光滑，便于很方便地快速地与其他电气元件进行电气连接。
[0038]本功率单元实现了层叠式模块化设计，发热器件IGBT和续流二极管安装在铝合金制作的风冷散热器上，配置板就近安装在相应的IGBT的上方，降低了驱动回路的杂散电感；主回路，即电流传输回路，采用高压复合母排进行电气连接，降低了主回路的杂散电感；复合母排上面安装吸收电容，可滤除高频杂波；电源信号转换板和数字式可编程IGBT驱动模块通过支架安装在绝缘安装板上，既稳定又能起到绝缘作用。
[0039]下面对本发明提供的降压斩波功率单元实施例的装配过程进行描述，以帮助理解本发明提供的降压斩波功率单元的结构。
[0040]如图7所示，将所述IGBTl固定在散热器6上。所述IGBTl与散热器6之间设置有导热硅脂层。所述导热硅脂层具有很好的导热性能，可有效地将IGBTl产生的热量传递至所述散热器6。所述散热器6可具体为铝合金材质的风冷散热器。
[0041]如图8所示，在所述IGBTl上安装配置板2。
[0042]如图9所示，在所述散热器6上安装中间设有通孔的绝缘底板7，所述绝缘底板7的通孔的内轮廓与所述IGBTl的外轮廓适配。
[0043]如图10所示，在所述绝缘底板7上安装左支脚左支架501和右支脚支架502。所述左支脚左支架501和右支脚支架502垂直于所述绝缘底板7。
[0044]如图11所示，在所述配置板2上方安装复合母排3。如图3所示，将所述复合母排3的第一连接端301与所述IGBTl的集电极C连接，将所述复合母排3的第二连接端302与所述IGBTl的发射极E连接。如图11所示，所述复合母排3的输出端(即所述复合母排3的第二连接端302，如图2所示)、输入正端(即所述复合母排3的第一连接端301，如图2所示)和输入负端(即所述复合母排3的第三连接端303，如图2所示)分别通过接线端子8固定在所述绝缘底板7上。
[0045]如图12所示，在所述复合母排3的连接所述IGBTl的集电极一端以及复合母线复合母排3的负端之间连接滤波电容Cl。所述滤波电容Cl通过电容安装支架安装在所述绝缘底板7之上。
[0046]如图13所示，在所述左支架501和右支架502上安装横向支架503。所述横向支架503上固定有驱动电路板组件4。
[0047]如图14所示，在所述驱动电路板组件4的上方安装顶板9，即完成了降压斩波功率单元的组装。
[0048]如图15所示，本发明提供的列车辅助变流器实施例一的结构示意图。如图所示，所述列车辅助变流器包括降压斩波功率单元11。其中，所述降压斩波功率单元11可采用上述各实施例提供的所述降压斩波功率单元，具体实现结构可采用上述各实施例公开的具体内容，此处不再赘述。
[0049]具体地，如图15所示，所述列车辅助变流器包括:降压斩波功率单元11、过压抑制功率单元12和三相逆变功率单元13。其中，所述降压斩波功率单元的复合母排接线端子与外部四象限整流器的输出端子连接，所述降压斩波功率单元、过压抑制功率单元和三相逆变功率单元依次连接，所述三相逆变功率单元的输出端子与外部负载的接入端子连接，所述三相逆变功率单元为所述负载提供交流电。
[0050]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。
【权利要求】
1.一种降压斩波功率单元，其特征在于，包括:绝缘栅双极型晶体管、配置板、复合母排及驱动电路板组件；其中， 所述配置板设置在所述绝缘栅双极型晶体管的上方，所述配置板的第一端口与所述绝缘栅双极型晶体管的集电极连接，所述配置板的第二端口与所述绝缘栅双极型晶体管的发射极连接，所述配置板的第三端口与所述绝缘栅双极型晶体管的门极连接； 所述复合母排设置在所述配置板的上方，所述复合母排的两连接端分别与所述绝缘栅双极型晶体管的集电极和发射极连接； 所述驱动电路板组件通过支架设置在所述复合母排的上方，所述驱动电路板组件的第一端口通过所述配置板与所述绝缘栅双极型晶体管的集电极连接，所述驱动电路板组件的第二端口通过所述配置板与所述绝缘栅双极型晶体管的发射极连接，所述驱动电路板组件的第三端口通过所述配置板与所述绝缘栅双极型晶体管的门极连接。
2.根据权利要求1所述的降压斩波功率单元，其特征在于，所述驱动电路板组件包括:设置在电路安装板上的信号转换器和数字可编程驱动器，所述信号转换器和数字可编程驱动器通过光纤连接，所述数字可编程驱动器通过同轴电缆与所述配置板连接。
3.根据权利要求2所述的降压斩波功率单元，其特征在于，所述数字可编程驱动器包括:数字可编程控制处理器、驱动放大模块、两级di/dt保护模块、四级dv/dt保护模块、编程接口模块及电源监控模块；其中， 所述数字可编程控制处理器分别与所述驱动放大模块、两级di/dt保护模块、四级dv/dt保护模块、所述编 程接口模块和所述电源监控模块连接； 所述驱动放大模块通过所述配置板与所述绝缘栅双极型晶体管的门极连接； 所述两级di/dt保护模块通过所述配置板与所述绝缘栅双极型晶体管的发射极连接； 所述四级dv/dt保护模块通过所述配置板与所述绝缘栅双极型晶体管的集电极连接。
4.根据权利要求3所述的降压斩波功率单元，其特征在于，所述驱动电路板组件，还包括:状态显示模块，所述状态显示模块与所述数字可编程控制处理器连接。
5.根据权利要求1~4中任一所述的降压斩波功率单元，其特征在于，还包括:滤波电容，所述滤波电容的一端与所述复合母排的第一连接端连接，所述滤波电容的另一端与所述复合母排的第三连接端连接；其中，所述复合母排的第一连接端为复合母排的与所述绝缘栅双极型晶体管集电极连接的一端。
6.根据权利要求1~4中任一所述的降压斩波功率单元，其特征在于，还包括:二极管，所述二极管的阴极与所述复合母排的第二连接端连接，所述二极管的阳极与所述复合母排的第三连接端连接；其中，所述复合母排的第二连接端为复合母排的与所述绝缘栅双极型晶体管发射极连接的一端。
7.根据权利要求1~4中任一所述的降压斩波功率单元，其特征在于，还包括:设置在所述绝缘栅双极型晶体管下方的散热器，所述绝缘栅双极型晶体管通过导热硅脂贴在所述散热器上。
8.根据权利要求1~4中任一所述的降压斩波功率单元，其特征在于，还包括:绝缘底板，所述绝缘底板中心设有通孔，所述通孔轮廓与所述绝缘栅双极型晶体管的外轮廓适配，所述复合母排的连接所述绝缘栅双极型晶体管发射极的一端、所述复合母排的连接所述绝缘栅双极型晶体管集电极的一端以及所述复合母排的负端分别通过接线端子固定在所述绝缘底板上。
9.根据权利要求1~4中任一所述的降压斩波功率单元，其特征在于，还包括:顶板，所述顶板设置在所述驱动电路板组件的上方。
10.一种列车辅助变流器，其特征在于，包括，上述权利要求1、中任一所述的降压斩波功率单元。
【文档编号】H05K7/20GK103916005SQ201310005198
【公开日】2014年7月9日 申请日期:2013年1月7日 优先权日:2013年1月7日
【发明者】陈宏 , 牛勇, 刘革莉, 尹梅 申请人:永济新时速电机电器有限责任公司