功率模块、多重化变流器装置、多重化电路装置及电器 |
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| 申请号 | CN202211294872.4 | 申请日 | 2022-10-21 | 公开(公告)号 | CN117955349A | 公开(公告)日 | 2024-04-30 |
| 申请人 | 中车株洲电力机车研究所有限公司; | 发明人 | 傅航杰; 杨见光; 廖军; 陈燕平; 窦泽春; 黄南; 陈明翊; 漆宇; 谢岳城; 丁云; 王忠宝; 刘新; 王子强; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种功率模 块 、多重化变流器装置、多重化 电路 装置和电器，涉及轨道交通变流装置技术领域，用于解决功率模块兼容性较差的问题。本发明的功率模块包括： 水 冷板；两个 半导体 组件，分别设置在水冷板的两侧；以及两个叠层母排，分别设置在水冷板的两侧，且与对应的半导体组件电连接；以及快插母排连接器，与两个叠层母排电连接；以及水路组件，与水冷板的内部连接，用于 冷却水 冷板； 铜 排组件，与两个半导体组件和外部设备电连接。本发明的功率模块为模块化设计，其内部的部件简化程度高，通用性强。而且有利于各部件的布局设计，增强了系统的可扩展性，更好的达到不同系统之间的兼容。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种功率模块，其特征在于，包括： |
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| 说明书全文 | 功率模块、多重化变流器装置、多重化电路装置及电器技术领域[0001] 本发明涉及轨道交通变流装置技术领域，特别地涉及一种功率模块、多重化变流器装置、多重化电路装置及电器。 背景技术[0002] 随着轨道交通行业对变流器功率需求的不断增加，变流器功率等级与日俱增。为满足大功率变流器的应用需求，通常可以选用更高功率等级的半导体器件进行设计，或者采用器件串并联方式来提高功率单元的容量。但是，受到材料及技术的限制，半导体器件的功率等级有限，无法满足所有的功率等级要求，而且功率越高，器件的选择性越少，价格越高，无法实现精细化设计，同时，器件的串并联必然增加功率单元的复杂程度，增加设计、制造和维护成本。因此，在可选的器件功率等级基础上，通过对功率单元进行多重化设计以满足更大功率范围的应用需求。 [0003] 常用的多重化技术包括功率单元的并联和级联两种方式。并联式多重化变流器相对于实现同等容量的单个功率单元的变流器来说，可以选择更小电流等级的半导体器件，多重叠加后网侧电流各次谐波部分抵消，降低电流谐波总量，同时系统的冗余度可以进一步提高，可以切除某故障功率单元，其余部分正常工作，提高系统可靠性。级联式多重化变流器采用基于低电压等级器件的功率单元进行多级组合，通过控制优化，使得各级的中间电压均衡化，实现低压等级器件在高压领域的应用，从而实现耐压等级和容量等级的提升，这样既可以满足高功率等级的要求，又能规避复杂结构对产品性能的影响。 [0004] 然而，两种多重化方式在技术、结构上都存在较大差异，现有技术中的功率模块受其结构限制，其兼容性较差，无法同时适用于两种不同的多重化技术。 发明内容[0005] 本发明提供一种功率模块、多重化变流器装置、多重化电路装置及电器，用于解决功率模块的兼容性较差的问题。 [0006] 本发明提供一种功率模块，包括：水冷板；两个半导体组件，分别设置在水冷板的两侧；以及两个叠层母排，分别设置在水冷板的两侧，且与对应的半导体组件电连接；以及快插母排连接器，与两个叠层母排电连接，快插母排连接器用于与外部设备实现快速电连接；以及水路组件，与水冷板的内部连接，用于冷却水冷板；铜排组件，与两个半导体组件和外部设备电连接。 [0007] 在一个实施方式中，两个半导体组件相对与水冷板对称设置。 [0008] 在一个实施方式中，半导体组件包括单相整流器、三相逆变器和斩波器，其中斩波器与单相整流器和三相逆变器电连接。 [0009] 在一个实施方式中，铜排组件具有A接口和B接口，A接口和B接口分别与单相整流器的两个支路电连接，和/或铜排组件具有CH接口，CH接口与斩波器的电路电连接，和/或铜排组件具有U接口、V接口和W接口，U接口、V接口和W接口分别与三相逆变器的三个支路电连接。 [0010] 在一个实施方式中，水冷板具有内腔，水路组件包括两个冷却管路，其中一个冷却管路与内腔的进口连接，另外一个冷却管路与内腔的出口连接。 [0011] 本发明还提供了一种多重化变流器装置，其包括：变流器柜体；以及多个上述的功率模块，沿第一方向滑动设置在变流器柜体内，多个功率模块沿第二方向间隔设置；以及多个支撑电容，沿第一方向滑动设置在变流器柜体内，且与多个功率模块一一对应地电连接；以及连接母排，设置在变流器柜体上，且与多个功率模块电连接；其中，调整连接母排与多个功率模块的交流接线能够搭建级联多重化电路装置。 [0012] 在一个实施方式中，还包括中间直流母排，中间直流母排设置在变流器柜体上，且与多个功率模块电连接，连接母排设置在中间直流母排上，通过中间直流母排与多个功率模块电连接；其中，调整连接母排与多个功率模块的交流接线能够搭建并联多重化电路装置。 [0013] 本发明还提供了一种多重化电路装置，包括： [0014] 变压器，具有一个主边绕组和与一个主边绕组对应设置的多个次边绕组；以及[0015] 上述的多重化变流器装置；以及 [0016] 多个三相电机； [0017] 其中，多重化变流器装置的每个功率模块的三相逆变器与对应的三相电机电连接，多重化变流器装置的每个功率模块的整流器与对应的次边绕组电连接。 [0018] 本发明还提供了一种多重化电路装置，包括：变压器，具有一个主边绕组和与一个主边绕组对应设置的一个次边绕组；以及 [0019] 上述的多重化变流器装置；以及 [0020] 多个三相电机； [0021] 其中，多重化变流器装置的每个功率模块的三相逆变器与对应的三相电机电连接，多重化变流器装置的每两个功率模块的整流器分别与对应的一个次边绕组的两端电连接。 [0022] 本发明还提供了一种电器，包括上述的一种多重化电路装置或另一种多重化电路装置，其中一种多重化电路装置与另一种之间能够相互转换。 [0024] 在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。 [0025] 图1是本发明的实施例一的功率模块的结构示意图； [0026] 图2是图1中功率模块的另外一个角度的结构示意图(左视视角)； [0027] 图3是图1中功率模块的另外一个角度的结构示意图(右视视角)； [0028] 图4是本发明的实施例三的多重化变流器装置的结构示意图； [0029] 图5是图4中多重化变流器装置的另一个角度的结构示意图； [0030] 图6是本发明的实施例四的并联的多重化电路装置的电路拓扑图； [0031] 图7是本发明的实施例五的级联的多重化电路装置的电路拓扑图； [0032] 图8是发明的实施例一的功率模块的电路拓扑图。 [0033] 附图标记： [0034] 10、水冷板；20、半导体组件；30、叠层母排；40、快插母排连接器；50、水路组件；60、铜排组件；100、功率模块；200、变压器；201、主边绕组；202、次边绕组；300、支撑电容；400、连接母排；500、中间直流母排；600、变流器柜体。 具体实施方式[0035] 下面将结合附图对本发明作进一步说明。 [0036] 实施例一 [0037] 如图1至图3所示，本发明提供一种功率模块100，其包括水冷板10、两个半导体组件20、两个叠层母排30、快插母排连接器40、水路组件50和铜排组件60。其中，两个半导体组件20分别设置在水冷板10的两侧；两个叠层母排30分别设置在水冷板10的两侧，且与对应的半导体组件20电连接；快插母排连接器40分别设置在水冷板10的两侧，与两个叠层母排30电连接，快插母排连接器40用于与外部设备实现快速电连接；水路组件50与水冷板10的内部连接，用于冷却水冷板10。铜排组件60与两个半导体组件20的内部和外部变压器200、牵引电机等设备电连接。 [0038] 上述设置中，功率模块100为模块化设计，其内部的部件简化程度高，通用性强。而且有利于各部件的布局设计，增强了系统的可扩展性，更好的达到不同系统之间的兼容。另外，功率模块100选用功率密度相对更高的XHP(英文全称：fleXible High Power)标准封装半导体器件，可兼容不同功率等级硅器件和碳化硅器件，有效实现了部件及系统的小型化与轻量化设计，更有利于提高模块集成化程度。 [0039] 具体地，如图1至图3所示，在一个实施例中，两个半导体组件20相对与水冷板10对称设置。这样优化了功率模块100的内各个部件的布局设计。 [0040] 具体地，如图8所示，在一个实施例中，半导体组件20包括单相整流器、三相逆变器和斩波器，其中斩波器与单相整流器和三相逆变器电连接。 [0041] 具体地，如图1至图3所示，在一个实施例中，铜排组件60具有A接口和B接口，A接口和B接口分别与单相整流器的两个支路电连接，和/或铜排组件60具有CH接口，CH接口与斩波器的电路电连接。 [0042] 具体地，如图1至图3所示，在一个实施例中，铜排组件60具有U接口、V接口和W接口，U接口、V接口和W接口分别与三相逆变器的三个支路电连接。 [0043] 具体地，如图1至图3所示，在一个实施例中，水冷板10具有内腔，水路组件50包括两个冷却管路，其中一个冷却管路与内腔的进口连接，另外一个冷却管路与内腔的出口连接。 [0044] 实施例二 [0045] 如图4和图5所示，本发明提供一种多重化变流器装置，其包括变流器柜体600、上述功率模块100、多个支撑电容300和连接母排400。其中，的功率模块100沿第一方向(图4中垂直于纸面的方向)滑动设置在变流器柜体600内，多个功率模块100沿第二方向(图4中的水平方向)间隔设置；多个支撑电容300沿第一方向滑动设置在变流器柜体600内，且与多个功率模块100一一对应地电连接；连接母排400设置在变流器柜体600上，且与多个功率模块100电连接；调整连接母排400与多个功率模块100的交流接线能够搭建级联多重化电路装置。 [0046] 上述设置中，多重化变流器装置从器件和系统两个维度提高变流器的功率等级，既可以获得更多的选择性和更广的应用范围，又能避免部件结构和控制的复杂化，更有利于实现系统及部件的精细化设计。而且多重化变流器装置对通用部分全部进行整合集成，并采用模块化设计，部件简化程度高，通用性强。而且有利于各部件的布局设计，模块之间采用并排安装，便于各功率单元之间的连接，增强系统的可扩展性，更好的达到不同系统之间的兼容。另外，多重化变流器装置可以充分发挥中小功率器件的高频化特性，减少网侧电流的谐波分量，获取更优的系统性能。功率模块和电容等部件均采用抽屉式安装方式，电气连接和水冷系统采用快插连接，节省了部件的拆装时间，大大提高了装置的可维护性。 [0047] 实施例三 [0048] 如图7所示，本发明提供一种级联的多重化电路装置，其包括变压器200、上述多重化变流器装置和多个三相电机。其中，变压器200具有一个主边绕组201和与一个主边绕组201对应设置的一个次边绕组202，多重化变流器装置的每个功率模块100的三相逆变器与对应的三相电机电连接，多重化变流器装置的每两个功率模块100的整流器与一个次边绕组202的两端电连接。 [0049] 具体地，如图7所示，在一个实施例中，功率模块100的数量为两个(第一功率单元和第二功率单元)，将第一功率单元(第一重功率单元)的A1与变压器次边a1连接，B1与第二功率单元(第二重)的A2连接，CH1与斩波电阻Rch1连接，U1、V1、W1与三相电机M1连接，第二功率单元(第二重)的B2与变压器次边x1连接，CH2与斩波电阻Rch2连接，U2、V2、W2与三相电机M2连接，去除连接母排400，使得两重中间直流部分相互独立，构成级联双重化设计，可以通过增加功率单元数量，实现级联多重化设计。 [0050] 实施例四 [0051] 如图6所示，本发明提供一种并联的多重化电路装置，其包括变压器200、上述的多重化变流器装置和多个三相电机。其中，变压器200具有一个主边绕组201和与一个主边绕组201对应设置的两个次边绕组202，多重化变流器装置的每个功率模块100的三相逆变器与对应的三相电机电连接，多重化变流器装置的每个功率模块100的整流器分别与对应的次边绕组202电连接。 [0052] 具体地，如图6所示，在一个实施例中，功率模块100的数量为两个(第一功率单元和第二功率单元)，将第一功率单元(第一重)的A1与变压器次边a1连接，B1与变压器次边x1连接，CH1与斩波电阻Rch1连接，U1、V1、W1与三相电机M1连接，第二功率单元(第二重)的A2与变压器次边a2连接，B2与变压器次边x2连接，CH2与斩波电阻Rch2连接，U2、V2、W2与三相电机M2连接，并通过连接母排400对两个功率模块100的中间回路进行连接，构成并联双重化设计，可以增加功率单元数量，实现并联多重化设计。 [0053] 实施例五 [0054] 本发明提供一种电路，其包括上述的并联的多重化电路装置，其中并联的多重化电路装置可以由上述的级联多重化电路装置转换而成。 [0055] 下面阐述一下本申请中上述级联的多重化电路装置转换成上述的并联的多重化电路装置的具体过程： [0056] 功率模块100、支撑电容300、中间直流母排500等设备均无需调整，只需要调整部分接线：将B1与变压器次边x1连接，A2与变压器次边a2连接，B2与变压器次边x2连接，并用连接母排400将两个功率模块100的中间回路进行连接，即可完成电路装置转换。 [0057] 实施例六 [0058] 本发明提供一种电器，其包括上述的级联的多重化电路装置，其中级联的多重化电路装置可以由上述并联的多重化电路装置转换而成。同样只需要调整部分接线：将A1与变压器次边a1连接，B1与A2连接，并去除多余的接线及连接母排400，即可完成电路装置转换。 [0059] 需要说明的是，多重化电路将两种多重化方式进行融合，可以根据实际需求，实现并联多重化和级联多重化应用之间的切换。通过多重化设计和不同功率等级器件的选型，既可以满足更高功率的应用需求，又能针对多样性需求进行定制化和精细化设计，更大程度的提高变流器装置的适用性。 [0060] 需要说明的是，本发明设计的一种轨道交通多重化变流器装置的核心部件为功率模块100，模块化设计可以提高装置的组装性和维护性。模块基于两电平电路拓扑并采用高集成化设计，一共包含6只XHP标准封装的半导体器件，集成一个单相整流器、一个三相逆变器和一个斩波器，一台功率模块加上辅助设备即可满足多重化变流器装置一个功率模块100(一重)的功能需求。 [0061] 而且，功率模块100采用双面冷却技术，以水冷板10为支撑，两侧采用对称方式各安装固定三只半导体器件，保证各器件回路有良好的一致性，并且有利于模块在变流器装置中的安装布局及连接，器件通过叠层母排30连接，可以有效降低直流回路的杂散电感，从而减小器件通断时的尖峰电压。 [0062] 同时，为实现功率模块的快速拆装，采用快插母排连接器40实现与系统的电气连接，采用快速水冷接头(包含于水路组件50内)与装置水冷系统进行热交换。 [0063] 需要说明的是，本设计发明涉及的是一种多重化变流器装置，尽管以上对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。例如，装置各个部件的布局方式、器件的封装选型、功率模块的散热方式及结构组成，均属于本设计发明范围。 [0064] 虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。 |
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