一种交直流供电变换器功率模块的制作方法

1.本发明涉及电力电子能量变换技术，具体为一种交直流供电变换器功率模块。


背景技术：

2.辅助变流器是轨道车辆的重要车载设备，可为整车空调、空气压缩机等三相负载和部分单相负载提供交流电源。传统辅助变流器中的交直流供电变换器功率模块多采用工频变压器隔离和硬开关中频变压器隔离的方式。由于工频变压器工作频率较低，该类变压器通常体积重量较大。为了实现轻量化、小型化，功率开关管需工作在较高的开关频率下，但是过快的开关速度使得功率开关管对回路寄生参数变得十分敏感，进而在开关过程中会出现电压/电流振荡、尖峰和高频串扰等非理想行为特征。
3.目前已有的近似方案所提出的变换器模块采用igbt功率开关模块，受系统开关频率低的影响，使用的电感电容等无源元件体积庞大，其中绕组类设备的重量在辅助变流器整机重量中占据很大的比例。电路参数不易调整，散热性能不佳，安装维护困难，并未对杂散参数的抑制方法和电容均流问题做出针对性解决方法。


技术实现要素：

4.本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种交直流供电变换器功率模块，各元件集中式放置，结构紧凑、体积小。
5.为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：
6.一种交直流供电变换器功率模块，包括散热器、控制装置、充电机模块、逆变器模块、支撑架、叠层母排；
7.所述散热器包括散热片；
8.所述散热片呈分布式布置，形成长方体结构，设置于交直流供电变换器功率模块的底部；
9.所述充电机模块采用dc/dc电路拓扑，包括功率开关管、中高频变压器、整流二极管模块；
10.所述功率开关管固定设置于所述散热片上表面的一侧；
11.所述整流二极管模块设置于所述散热片上表面的中部；
12.所述中高频变压器设置于所述散热片上表面的另一侧；
13.所述支撑架为门字型框架结构，可拆卸设置于所述散热片上表面，且架设于所述功率开关管上部；
14.所述控制装置包括驱动板与转接板；
15.所述支撑架的垂直框架上设置有多个所述驱动板，用于实现功率开关管的开通与关断以及故障信号的反馈；
16.所述支撑架的水平框架上设置有所述转接板，用于实现驱动板和控制箱之间脉冲信号和故障反馈信号的传递，通过光纤将传感器输出电压电流信号统一转化为电流信号传
递到控制箱；
17.所述叠层母排水平设置于所述支撑架内侧，与所述散热片上表面平行，且架设于所述功率开关管上部，用于所述功率开关管、输入电容之间的电气连接；
18.所述输入电容固定设置于所述叠层母排上；设置数量为2n个(n≥1，n为自然数)；
19.所述逆变器模块设置于所述散热片上表面的另一侧。
20.在上述方案的基础上，所述散热器还包括风道，形状为长方体中空框架结构，所述散热片设置于风道内部；
21.所述风道长度略长于所述散热片形成的长方体结构。
22.在上述方案的基础上，所述风道两侧设置有多个提手。
23.在上述方案的基础上，所述风道两侧设置有多个圆柱形固定装置，用于安装万向轮。
24.在上述方案的基础上，所述充电机模块还包括电抗器、滤波电容、rc滤波电路、rcd吸收电路；
25.所述电抗器、滤波电容设置于所述散热片上表面的另一侧；
26.所述电抗器与所述中高频变压器分别设置于两端；
27.所述rc滤波电路、rcd吸收电路设置于所述散热片上表面的中部。
28.在上述方案的基础上，所述rc滤波电路具体为rc吸收板；
29.所述rcd吸收电路具体为rcd吸收版和rcd吸收电阻。
30.在上述方案的基础上，所述散热片上表面的另一侧设置有隔热板，用于隔离滤波电容与散热片。
31.在上述方案的基础上，所述散热片上表面的一侧设置有放电电阻；所述放电电阻与叠层母排使用低功率线进行连接。
32.在上述方案的基础上，所述的逆变器模块采用dc/ac电路拓扑，包括功率开关管和输出滤波电感。
33.在上述方案的基础上，各功率器件使用铜排电气连接。
34.本发明的有益技术效果如下：
35.本发明提供的技术方案对杂散参数的抑制方法和电容均流问题做出针对性解决方法。提供一种高开关频率、体积小、散热效率高、安装维护便捷、部分电路参数可调整、结构紧凑的交直流供电变换器。快速的开关频率使三相交流输出滤波电感的感值得到明显降低，使输出滤波电感的体积、重量得到显著减少，所述的叠层母排利用耦合原理有效降低杂散电感。高速的开关频率使直流充电机的隔离变压器体积与质量大幅减小，直流母线电容的容值也能够得到明显降低，系统的功率密度大幅提高。变流系统体积减小后富余出的空间，可以用于安装传感器等辅助功能设备，提高了交直流供电变换器功率模块的器件集成度、功能集成度，优化了功率模块外部的器件安装及走线布局等。
附图说明
36.本发明有如下附图：
37.图1一种交直流供电变换器功率模块的结构示意图
38.图2一种交直流供电变换器功率模块的主视图
39.图3一种交直流供电变换器功率模块的侧视图
40.图4一种交直流供电变换器功率模块的俯视图
41.图5一种交直流供电变换器功率模块中散热器的结构示意图
42.图6一种交直流供电变换器功率模块中散热片及功率器件的结构示意图
43.图7一种交直流供电变换器功率模块中叠层母排及输入电容的结构示意图
44.图8一种交直流供电变换器功率模块中驱动板、转接板及支撑架的结构示意图。
45.图中：1.散热器；101.散热片；102.风道；103.隔热板；2.功率开关管；3.放电电阻；4.整流二极管模块；5.中高频变压器；6.电抗器；7.叠层母排；8.输入电容；9.滤波电容；10.支撑架；11.驱动板；12.转接板；13.铜排；14.rc吸收板；15.rcd吸收电阻；16.rcd吸收板。
具体实施方式
46.以下结合附图1-8对本发明作进一步详细说明。
47.本实施例提供的一种交直流供电变换器功率模块，包括散热器1、功率开关管2、放电电阻3、整流二极管模块4、中高频变压器5、电抗器6、叠层母排7、输入电容8、滤波电容9、支撑架10、驱动板11、转接板12、铜排13、rc吸收板14、rcd吸收电阻15、rcd吸收板16，其中：
48.如图5，所述散热器1包括散热片101、风道102和隔热板103，用于吸收功率开关管、放电电阻、整流二极管模块、中高频变压器以及电抗器工作过程中产生的热量。
49.所述散热片101呈分布式布置，形成长方体结构，设置于交直流供电变换器功率模块的底部。
50.所述风道102形状为长方体中空框架结构，所述散热片101设置于风道内部；风道长度略长于所述散热片形成的长方体结构，用于使流过风机所发出的风，带走散热片所产生的热量。
51.散热片101上表面的另一侧设置有隔热板103，用于隔离滤波电容8与散热片101，避免滤波电容温度过高造成损坏。
52.所述风道102两侧安装有多对提手和圆柱形固定装置，优选为两对。提手的作用是便于该装置的提放，圆柱形固定装置的作用是固定万向轮，便于该装置的移动。
53.所述控制装置包括驱动板与转接板，用于驱动功率开关管的开关与故障信号的传输。
54.如图1-4和图8所示，所述支撑架10用于固定输入电容、驱动板和转接板，使系统结构保持稳定；所述支撑架10安装于散热片101上表面的一侧，支撑架内表面与输入电容8相连；所述驱动板11和转接板12分别安装于支撑架外表面，便于安装与维护。
55.所述驱动板11垂直挂设在支撑架两侧外表面上，用于实现功率开关管的开通与关断以及故障信号的反馈。
56.优选的，为了便于固定和安装驱动板11，所述支撑架10侧表面还可以设置水平安装板。
57.所述转接板12水平设置于支撑架10上，用于实现驱动板和控制箱之间脉冲信号和故障反馈信号的传递，通过光纤将传感器输出电压电流信号统一转化为电流信号传递到控制箱。
58.如图7，所述叠层母排7，用于功率开关管2、输入电容8之间的电气连接，降低功率
回路杂散电感的大小，减小杂散电感带来的非理想特性，用于安装连接驱动板11和转接板12，起到电路连接和固定驱动板的作用。
59.输入电容8结构采取多个并联安装方式，使电路参数容易调整；优选为3组6个。
60.如图6，充电机模块采用dc/dc电路拓扑，包括功率开关管2、中高频变压器5、整流二极管模块4、电抗器6、滤波电容9、rc滤波电路、rcd吸收电路，用于将前级中高频隔离变换器输出的高压直流电转换成可供列车负载使用的低压直流电。
61.所述功率开关管2为能够工作在中高频率的功率开关模块，以满足交直流供电变换器功率模块的中高频高压大功率的工作环境，其材料包括但不限于硅、碳化硅、氮化镓等。
62.所述中高频变压器5为能够实现充电机模块原副边的隔离、变压功能。
63.所述整流二极管模块4，用于做变压器副边交直流变换。
64.所述电抗器6为实现抑制充电机整流输出侧的谐波电流，减小高频漏电流，起到保护变频器的作用。
65.所述滤波电容9为能够稳定充电机模块输出电压，采用多电容并联的连接方式可有效减小等效串联电阻、降低流过单个电容器的纹波电流大小。
66.所述rc滤波电路用于抑制中高频变压器原边过电压浪涌尖峰。
67.所述rcd吸收电路用于吸收整流二极管模块上的尖峰电压和振荡。
68.优选的，所述rc滤波电路为rc吸收板。
69.优选的，所述rcd吸收电路为rcd吸收板和rcd吸收电阻。
70.如图6，所述放电电阻，用于在交直流供电变换器功率模块停止运行后，放电电阻以小负载的方式消耗输入电容的剩余能量，减小安全事故的发生。
71.如图4，所述铜排，用于连接各电路模块，以最短路径电气连接。
72.所述rc吸收板14、rcd吸收电阻15、rcd吸收板16分别固定在散热片101表面；滤波电容9安装在隔热板103表面；各功率器件使用铜排13电气连接。
73.所述逆变器模块采用dc/ac电路拓扑，包括功率开关管、输出滤波电感；用于将前级中高频隔离变换器输出的高压直流电转换成可供列车负载使用的工频交流电。
74.本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。