整流与逆变简统化的辅助变流功率单元及复合母排的制作方法

本实用新型涉及大功率电力机车和高速动车功率模块，具体为一种整流与逆变简统化的辅助变流功率单元及复合母排。

背景技术：

大功率变频电源的功率器件在开关过程中，由于从直流储能电容至IGBT器件之间的直流母线上的寄生电感和IGBT模块自身电感的影响，会产生很高的尖峰电压，这种尖峰，会使通过器件的电流增大，最终导致器件过热，甚至有时使IGBT失控并超过器件的额定安全工作区而损坏。

为解决这种问题，通常采用复合母排进行功率器件之间的电气连接，它是将主电路母线设计成扁平状，并且按照一定的叠放次序叠放在一起，每层之间必须用高绝缘强度的材料隔离。这样不仅满足了低感的要求，更是提高IGBT工作的可靠性。

目前列车普遍采用的都是单一的功率单元在系统中经过两两组合通过铜排连接形成的一个功率单元，集成度不高，作为部件的复合母排亦是如此。

现有技术方案之一为，辅助功率单元主电路间采用普通铜排连接。现有技术的缺点如下：

1）电路采用普通铜排连接，需满足最小电气间隙及爬电距离，整个功率单元不易实现小型化，占用整个变流器内部空间较大；

2）电路杂散电感大，功率器件IGBT反向恢复过电压高，需配置相应的吸收电路，增加了功率单元的成本及结构布局。

现有技术方案之二为，复合母排结构不对称。现有技术的缺点如下：

1）非对称结构通用性差。

2）不利于IGBT双面布局的功率单元结构设计。

技术实现要素：

为提高母排的通用性，降低部件的设计及制造成本，本实用新型利用功率模块单元的对称结构设计出整流与逆变复合母排的简统方案。

本实用新型是采用如下技术方案实现的：

一种整流与逆变简统化的辅助变流复合母排，包括作为整流母排的左复合母排和作为逆变母排的右复合母排，所述左复合母排和右复合母排均由正母排、负母排和交流母排叠压合成，所述正母排、负母排和交流母排之间通过绝缘层隔离。

所述左复合母排中，其正母排右侧呈90度弯折延伸有两个正极连接端，作为正母排输出端子S1（DC+）；其负母排右侧呈90度弯折延伸有一个负极连接端，作为负母排输出端子S2（DC–）；其交流母排左侧呈90度弯折延伸有两个交流连接端，作为整流母排的交流输入端子S3（A）和S4（B）。

所述右复合母排中，其正母排左侧呈90度弯折延伸有两个正极连接端，作为正母排输出端子S1（DC+）；其负母排左侧呈90度弯折延伸有一个负极连接端，作为负母排输出端子S2（DC–）；其交流母排右侧呈90度弯折延伸有三个交流连接端，作为逆变母排的交流输出端子S5（U）、S6（V）和S7（W）。

所述正极连接端和负极连接端的弯折方向相同，所述正极连接端、负极连接端与交流连接端的弯折方向相反。

本复合母排由左复合母排和右复合母排共同组成，为左右镜像对称结构，一部分为整流功率母排，另一部分为逆变功率母排。S1(DC+)为复合母排的正母排输出端子，S2(DC-)为复合母排的负母排输出端子，两种端子直接安装在绝缘支撑座上，S3(A)与S4(B)为整流母排的交流输入端子，S5(U)、S6(V)与S7(W)为逆变母排的交流输出端子，其中交流输出端子与高压连接器连接，直流输出端子与变流系统的复合母排连接。

与以往的复合母排不同之处还在于设计时考虑了直流回路部分的简统化设计。以整流和逆变电路的工作原理为基础，为减少回路中电流路径的差异性以及考虑简统化优点，进行复合母排设计，有利于对称结构设计。

一种整流与逆变简统化的辅助变流功率单元，包括水冷散热基板，所述水冷散热基板左侧安装整流IGBT功率单元、右侧安装逆变IGBT功率单元，所述整流IGBT功率单元外安装左复合母排，所述逆变IGBT功率单元外安装右复合母排，所述左复合母排的正母排输出端子S1和负母排输出端子S2安装于左侧绝缘支撑座上，所述右复合母排的正母排输出端子S1和负母排输出端子S2安装于右侧绝缘支撑座上，所述左侧绝缘支撑座和右侧绝缘支撑座安装于水冷散热基板后部两侧。

所述水冷散热基板前部的两个定位销穿过高压连接器的两个水冷基板导向定位孔，水冷散热基板通过螺杆及高压连接器机械安装孔与高压连接器固定连接；所述水冷散热基板的冷却进水接头和冷却出水接头分别位于高压连接器的两个水冷基板水接头支撑半孔处；所述左复合母排的交流输入端子S3和S4与高压连接器左侧的两个与复合母排交流端子连接端口连接，所述右复合母排的交流输出端子S5、S6和S7与高压连接器右侧的三个与复合母排交流端子连接端口连接。

由电磁场理论知，把连线做成扁平截面，在同样截面下做的越薄越宽，它的寄生电感越小，相邻导线内流过相反的电流，其磁场抵消，也可使寄生电感减小，而且相邻导体间距离越小，寄生电感越小。根据上述理论，将主电路中的导线做成复合母排，满足主电路低感的要求，同时以对称的IGBT布局为基础，复合母排由两面构成，一面为单项桥式整流主电路部分，另一面为三相全桥逆变主电路部分。考虑整流与逆变通过中间回路相连的工作路径，通过简统直流回路结构，计算复合母排的回路电阻和电感，设计出一对适用于主电路电流均衡并且左右镜像对称的简统母排，将整流电路与逆变电路的电气连接通过复合母排实现。

本方案优点如下：

1、本方案主电路采用层叠母排（称为复合母排）设计，杂散电感小，增强了功率单元的可靠性；层叠母排具有简洁紧凑的设计，利用较小空间实现大电流、高电压元器件之间的连接，为功率单元的小型化设计提供了保障。整流与逆变直流母排镜像设计，保证了整个回路的杂散电感均衡，有利于驱动电路和中间支撑电路的简统性及可靠性设计。

2、本方案以IGBT双面布局的功率单元结构为基础，镜像设计复合母排，且整流与逆变母排简统直流回路结构。

3、交流端子与直流端子完全分离，交流输出端子通过高压连接器与变流系统实现快速连接，直流输出端子与变流系统的母排连接，为变流系统的电路连接节省空间，且规范系统的走线方式。

附图说明

图1表示整流与逆变简统化复合母排主电路原理图。

图2a表示左复合母排结构示意图。

图2b表示右复合母排结构示意图。

图3表示辅助变流功率单元安装结构示意图。

图4表示辅助变流功率单元结构示意图。

图5表示水冷散热基板示意图。

图6a表示高压连接器一侧面（与交流柜连接侧）示意图。

图6b表示高压连接器另一侧面（与水冷基板连接侧）示意图。

图7表示高压连接器装配在水冷基板上的组装示意图。

图中：1---高压连接器，1-1---机械固定主板，1-2---水冷基板导向定位孔，1-3---水冷基板螺杆安装孔，1-4---水冷基板水接头支撑半孔，1-5---螺栓安装孔，1-6---交流端子接口，1-61---与交流柜侧连接端口，1-62---与复合母排交流端子连接端口；2---水冷散热基板，2-12---定位销，2-13---冷却进水接头，2-14---冷却出水接头，2-15---高压连接器机械安装孔，2-16---辅助部件机械安装孔； 3-21---左复合母排，3-22---右复合母排，3-1---正母排，3-2---负母排，3-3---交流母排，3-11---正极连接端，3-12---负极连接端，3-13---交流连接端；4-1---整流IGBT功率单元，4-2---逆变IGBT功率单元；5-1---左绝缘支撑座，5-2---右绝缘支撑座。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施例进行详细说明。

一种整流与逆变简统化的辅助变流复合母排，包括作为整流母排的左复合母排3-21和作为逆变母排的右复合母排3-22，左复合母排3-21和右复合母排3-22均由正母排3-1、负母排3-2和交流母排3-3叠压合成，正母排3-1、负母排3-2和交流母排3-3之间通过绝缘层隔离。

如图2a所示，左复合母排3-21中，其正母排3-1右侧呈90度弯折延伸有两个正极连接端3-11，作为正母排输出端子S1（DC+）；其负母排3-2右侧呈90度弯折延伸有一个负极连接端3-12，作为负母排输出端子S2（DC–）；其交流母排3-3左侧呈90度弯折延伸有两个交流连接端3-13，作为整流母排的交流输入端子S3（A）和S4（B）。

如图2b所示，右复合母排3-22中，其正母排3-1左侧呈90度弯折延伸有两个正极连接端3-11，作为正母排输出端子S1（DC+）；其负母排3-2左侧呈90度弯折延伸有一个负极连接端3-12，作为负母排输出端子S2（DC–）；其交流母排3-3右侧呈90度弯折延伸有三个交流连接端3-13，作为逆变母排的交流输出端子S5（U）、S6（V）和S7（W）。

正极连接端3-11和负极连接端3-12的弯折方向相同，正极连接端3-11、负极连接端3-12与交流连接端3-13的弯折方向相反。两个正极连接端3-11位于负极连接端3-12的上下两侧。

高压连接器如图6a、6b所示，包括机械固定主板1-1，机械固定主板1-1的中部纵向布置两个水冷基板导向定位孔1-2和一个水冷基板螺杆安装孔1-3，两个水冷基板导向定位孔1-2对称布置于水冷基板螺杆安装孔1-3上下两侧；水冷基板导向定位孔1-2周围和水冷基板螺杆安装孔1-3周围布置有螺栓安装孔1-5；机械固定主板1-1的中部上下边缘对称设有水冷基板水接头支撑半孔1-4。

机械固定主板1-1左右两侧贯穿安装有多个交流端子接口1-6，每个交流端子接口1-6一面为与交流柜侧连接端口1-61（如图6a所示）、其另一面为与复合母排交流端子连接端口1-62（如图6b所示）。

具体使用时，如图7所示，水冷基板2的两根导向柱（定位销2-12）穿过高压电气连接装置1的两个水冷基板导向定位孔1-2，水冷基板2的冷却进水接头2-13和冷却出水接头2-14分别位于高压电气连接装置1上下侧的水冷基板水接头支撑半孔1-4处，高压电气连接装置1中心的水冷基板螺杆安装孔1-3正好与水冷基板2的高压连接器机械安装孔重合，实现二者固定连接。高压电气连接装置1一侧的与交流柜侧连接端口1-61面向交流柜，另一侧的与复合母排交流端子连接端口1-62面向水冷基板2两侧安装的功率模块。

如图3、4所示，一种整流与逆变简统化的辅助变流功率单元，包括水冷散热基板2（结构如图5所示），水冷散热基板2左侧安装整流IGBT功率单元4-1、右侧安装逆变IGBT功率单元4-2，整流IGBT功率单元4-1外安装左复合母排3-21，逆变IGBT功率单元4-2外安装右复合母排3-22，左复合母排3-21的正母排输出端子S1和负母排输出端子S2安装于左侧绝缘支撑座5-1上，右复合母排3-22的正母排输出端子S1（DC+）和负母排输出端子S2（DC–）安装于右侧绝缘支撑座5-2上，所述左侧绝缘支撑座5-1和右侧绝缘支撑座5-2安装于水冷散热基板2后部两侧。

如图7所示，水冷散热基板2前部的两个定位销2-12穿过高压连接器1的两个水冷基板导向定位孔1-2，水冷散热基板2通过螺杆及高压连接器机械安装孔2-15与高压连接器1固定连接；水冷散热基板2的冷却进水接头2-13和冷却出水接头2-14分别位于高压连接器1的两个水冷基板水接头支撑半孔1-4处；左复合母排3-21的交流输入端子S3（A）和S4（B）与高压连接器1左侧的两个与复合母排交流端子连接端口1-62连接，右复合母排3-22的交流输出端子S5（U）、S6（V）、S7（W）与高压连接器1右侧的三个与复合母排交流端子连接端口1-62连接。

本技术方案带来的有益效果如下：

1、本方案主电路连接方式采用叠层复合母排，不但杂散电感小，增强了功率单元的可靠性，而且整体结构件紧凑，提升了系统的集成度。

2、直流回路主电路简化，降低了生产难度，节省了成本。

3、减小系统体积及重量。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照本实用新型实施例进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本实用新型的技术方案的精神和范围，其均应涵盖权利要求保护范围中。