一种变流器

技术领域

本发明涉及电力电子器件领域，尤其涉及变流器或变频器技术中的大功率变流装置领域。

背景技术

随着机车不断向高速、重载的方向发展，作为机车牵引传动系统核心部件的变流器的功率、重量和体积要求越来越严苛。同时，随着我国铁路装备技术的发展，对产品可靠性、可维护性要求也越来越高。

现有技术中主流机车的单轴牵引功率通常在1.2MW至1.6MW，采用液冷模式降温。单台变流器通常集成2轴至4轴的牵引功率单元，以1个轴的牵引功率单元为例，其主电路见图1。变流器将机车牵引变压器提供的单相交流电整流再逆变为三相交流电用于驱动牵引电机。

变流器通过IGBT元件实现整流和逆变控制。一般由IGBT元件、母排、液冷散热器及控制器件组成功率模块。在功率模块内部，2个IGBT元件串联组成1个桥臂，可以用桥臂数量n命名功率模块，即n桥臂功率模块。变流器整流功率模块和逆变功率模块之间的电路称之为中间直流回路，包括直流母排、支撑电容等。IGBT元件工作在高速开通和关断不断循环的状态，中间直流回路中IGBT元件至支撑电容连接路径的寄生杂散参数特别是寄生电感，对IGBT元件工作的可靠性和寿命有很大的影响。

在变流器体积和重量方面，功率模块与支撑电容有很大的占比。另外，机车变流器通常安装在机车的机械间内，机械间中间为走廊，两边为包括变流器在内的各类机车设备。这一安装方式决定了变流器两侧为其它设备，顶面、底面和背面为车体，从而使变流器要尽可能的在正面进行维护。

变流器功率模块及其布置方式直接影响其可靠性、寿命、体积和重量、可维护性等关键技术指标，是各个制造厂商设计重点和竞争力所在。围绕这一课题，出现了各种各样的实现方式，性能表现也各不相同，是机车变流器技术研究的热点之一。

发明内容

以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之序。

如上所描述的，为了解决现有技术中所存在的问题，本发明提供了一种变流器，包括多个功率模块、直线母排和支撑电容；其中

上述多个功率模块并排设置在上述变流器的前侧，上述支撑电容设置在上述变流器的后侧，上述多个功率模块和上述支撑电容之间设置有上述直流母排且上述多个功率模块与上述支撑电容通过上述直流母排电连接。

根据本发明的一方面所提供的变流器，中间直流回路寄生杂散参数低、结构简单紧凑，可提高机车变流器的可靠性和使用寿命，降低体积和重量，并且维护便利。

在上述变流器的一实施例中，可选的，上述直流母排为平板结构。

在上述变流器的一实施例中，可选的，上述直流母排为低感复合母排。

根据本发明的一方面所提供的变流器，多个功率模块布置在变流器的正面，中间回路中的直流母排布置在中间，中间回路中的支撑电容布置在变流器的背面，总体呈现“三明治”结构。这种结构布置方式使多个功率模块中的IGBT元件距离支撑电容的路径非常短。直流母排为平板形结构的低感复合母排，一方面使得IGBT元件到支撑电容连接路径的寄生杂散参数非常小，另一方面使得IGBT元件到支撑电容的换流路径简单且基本一致，提高了组成整流器的功率模块的并联桥臂之间的均流性，从而使IGBT元件承受的电应力很小，提高了功率模块的电寿命。

在上述变流器的一实施例中，可选的，上述多个功率模块包括第一功率模块、第二功率模块和第三功率模块；其中

上述第一功率模块和上述第二功率模块构成上述变流器的整流器；

上述第三功率模块构成上述变流器的逆变器。

在上述变流器的一实施例中，可选的，上述第二功率模块设置在上述第一功率模块与上述第三功率模块之间；或者

上述第一功率模块设置在上述第二功率模块与上述第三功率模块之间。

在上述变流器的一实施例中，可选的，上述第一功率模块为两桥臂功率模块，上述第一功率模块中的两个桥臂并联为上述整流器的A相；

上述第二功率模块为三桥臂功率模块，上述第二功率模块中的两个桥臂并联为上述整流器的B相。

在上述变流器的一实施例中，可选的，上述第二功率模块中的第三桥臂与斩波电阻器串联。

根据本发明的一方面所提供的变流器，变流器额定工况下构成整流器的第一功率模块和第二功率模块中的单个IGBT元件的损耗要比构成逆变器的第三功率模块中的单个IGBT元件损耗大。另一方面，由于第二功率模块的斩波桥臂只在变流器中间直流回路过压时偶尔工作，构成整流器的第一功率模块和第二功率模块分别有4个IGBT元件长期工作，构成逆变器的第三功率模块有6个IGBT元件长期工作，从而使得3个功率模块的损耗相差不大，散热设计简单。在结构上，斩波电阻器可以设置在变流器机箱的内部，亦可以设置在变流器机箱的外部，从而能够起到节省变流器机箱内部空间的作用。

在上述变流器的一实施例中，可选的，上述变流器还包括多个散热器，各个散热器对应各个功率模块设置。

根据本发明的一方面所提供的变流器，可以对各个功率模块分别配置一个的散热器，单个散热器热负荷小，散热能力高，从而使IGBT元件承受的热应力小提高了功率模块的热寿命。

在上述变流器的一实施例中，可选的，上述散热器为液冷散热器。

液冷散热器具有静音以及散热快的特点，散热性能较优。另外，从结构上来看，液冷散热系统可以设置为平板状，因此，对应各个功率模块设置的散热器可以认为是各个功率模块的基座，也就是说，散热器与功率模块集成地设置在变流器机箱的内部，从而能够实现较优的散热水平且尽可能地降低散热器和功率模块所占用的变流器机箱内部的空间。

在上述变流器的一实施例中，可选的，上述支撑电容包括多个并排设置的子电容，多个子电容并联连接。

根据本发明所提供的变流器，能够在保证变流器的电性能的基础上，实现变流器的结构紧凑化，以降低变流器的体积，降低变流器的应用环境适配要求，提高可应用范围。本发明所提供的变流器中的功率模块设置在变流器前端，从而更方便维修，可维护性高，用户体验良好。

附图说明

在结合以下附图阅读本公开的实施例的详细描述之后，能够更好地理解本发明的上述特征和优点。在附图中，各组件不一定是按比例绘制，并且具有类似的相关特性或特征的组件可能具有相同或相近的附图标记。

图1示出了现有技术中的变流器的电路原理示意图。

图2示出了本发明所提供的变流器的电路原理示意图。

图3A示出了本发明所提供的变流器的前视图。

图3B示出了本发明所提供的变流器的侧视图。

图3C示出了本发明所提供的变流器的后视图。

附图标记

110 第一功率模块

120 第二功率模块

130 支撑电容

140 直流母排

150 第三功率模块

具体实施方式

给出以下描述以使得本领域技术人员能够实施和使用本发明并将其结合到具体应用背景中。各种变型、以及在不同应用中的各种使用对于本领域技术人员将是容易显见的，并且本文定义的一般性原理可适用于较宽范围的实施例。由此，本发明并不限于本文中给出的实施例，而是应被授予与本文中公开的原理和新颖性特征相一致的最广义的范围。

在以下详细描述中，阐述了许多特定细节以提供对本发明的更透彻理解。然而，对于本领域技术人员显而易见的是，本发明的实践可不必局限于这些具体细节。换言之，公知的结构和器件以框图形式示出而没有详细显示，以避免模糊本发明。

请读者注意与本说明书同时提交的且对公众查阅本说明书开放的所有文件及文献，且所有这样的文件及文献的内容以参考方式并入本文。除非另有直接说明，否则本说明书(包含任何所附权利要求、摘要和附图)中所揭示的所有特征皆可由用于达到相同、等效或类似目的的可替代特征来替换。因此，除非另有明确说明，否则所公开的每一个特征仅是一组等效或类似特征的一个示例。

注意，在使用到的情况下，标志左、右、前、后、顶、底、正、反、顺时针和逆时针仅仅是出于方便的目的所使用的，而并不暗示任何具体的固定方向。事实上，它们被用于反映对象的各个部分之间的相对位置和/或方向。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

注意，在使用到的情况下，进一步地、较优地、更进一步地和更优地是在前述实施例基础上进行另一实施例阐述的简单起头，该进一步地、较优地、更进一步地或更优地后带的内容与前述实施例的结合作为另一实施例的完整构成。在同一实施例后带的若干个进一步地、较优地、更进一步地或更优地设置之间可任意组合的组成又一实施例。

以下结合附图和具体实施例对本发明作详细描述。注意，以下结合附图和具体实施例描述的诸方面仅是示例性的，而不应被理解为对本发明的保护范围进行任何限制。

如上文所描述的，为了解决现有技术中所存在的问题，本发明提供了一种变流器。具体的，请先结合图1和图2来理解本发明的一方面所提供的变流器的电路原理。

从图2可以知道，本发明中，第一功率模块110和第二功率模块120构成变流器前端的四象限整流器，其中第一功率模块110为两桥臂的功率模块，第二功率模块120为三桥臂的功率模块。而第一功率模块110中的两个桥臂并联为四象限整流器的a相，第二功率模块120中的两个桥臂并联为四象限整流器的b相，第二功率模块120中的另一桥臂串联斩波电阻器，当中间直流电压过压时开通斩波通过电阻消耗能量抑制过电压。

需要注意的是，图2所示出的仅为本发明所提供的变流器的电路原理图。对本发明所提供的变流器的内部结构而言，与第二功率模块的第三桥臂串联的斩波电阻器可以设置在变流器的内部，或者出于节省变流器内部空间的考虑，斩波电阻器可以设置在变流器机箱的外部，通过线缆实现与第二功率模块第三桥臂的串联。

第三功率模块150构成变流器后端的逆变器。其中第三功率模块150为三桥臂的功率模块，第三功率模块作为逆变器将中间直流电压逆变为3相电压和频率可调的交流电实现牵引电机调速。

变流器的中间回路包括两台并联连接的支撑电容130和直流母排140。其中两台并联连接的支撑电容130用于直流稳压和储能，直流母排140用于连接四象限整流器、支撑电容和逆变器，即连接第一功率模块110、第二功率模块120、第三功率模块150以及支撑电容130。

进一步的，从图2中可以看出，构成本申请提供的变流器中间回路的支撑电容130还包括与之并联的固定放电电阻，以为了在检修时将支撑电容130的多余电量泄放，起到安全操作的作用。固定放电电阻的阻值很大，放电时间较长，但也正是由于固定放电电阻的阻值很大，使得即使整个变流器电路中存在固定放电电阻，亦不会引起较大的损耗。另外，在一实施例中，上述的固定放电电阻在结构上可以设置在变流器机箱内部。

本领域技术人员应当知道，变流器前端的四象限整流器中的前端指的是从变流器的输入端到变流器的输出端的前端，也就是说，四象限整流器位于变流器的输入端。类似的，变流器后端的逆变器中的后端指的是从变流器的输入端到变流器的输出端的后端，也就是说，逆变器位于变流器的输出端。

在理解了本发明所提供的变流器的电路原理后，请结合图3A-3C来理解本发明所提供的变流器的结构布置。

首先请参考图3B，从侧面来看本发明的一方面所提供的变流器，其中两桥臂的第一桥臂功率模块110和三桥臂的第二功率模块120组成的四象限整流器和作为逆变器的三桥臂的第三功率模块130布置在正面，直流母排140布置在中间，两台支撑电容130布置在背面，总体呈“三明治”结构。

需要注意的是，上面所描述的第一功率模块、第二功率模块、第三功率模块布置在正面中的正面指的是整个变流器结构的正前方的一面。如背景技术所描述的，通常来说，在变流器的安装环境中，正前方的一面通常是最容易被打开操作的一面。而支撑电容130布置在背面中的背面指的是整个变流器结构的正后方的一面，在变流器的安装环境中，正后方的一面通常难以进行操作。

第一功率模块110、第二功率模块120、第三功率模块150的维护需求远高于直流母排140和支撑电容130。事实上由于直流母排140和支撑电容130技术简单、工艺成熟，在其生命周期内基本可以免维护。第一功率模块110、第二功率模块120、第三功率模块150布置在变流器正面，单个功率模块最多集成6个IGBT元件使得单体重量不大，从而使功率模块安装和拆卸、在机车上搬运都十分方便。

在上述的实施例中，直流母排140为平板结构，从而使得三个功率模块110、120、150的IGBT元件距离支撑电容130的路径非常短。

更进一步的，直流母排140为低感复合母排。本领域技术人员应当知道，低感复合母排为平行线路间的互感很低的、用作较大功率的电力电子回路中集成各种器件的总线。通常用于高集成，低电感要求的回路中，目前广泛应用于汽车，电力机车，风力发电，太阳能发电的变流器，逆变器中。低感母排的构成主要是由导电体，绝缘体，支撑构建，连接螺栓组成。导电体通常为铜板或铝板，绝缘材料主要是绝缘薄膜，也有粉末喷涂的，是一种绝缘性能很高的材料，通常厚度0.1～0.3毫米就能耐受500以上的电压。支撑件也是绝缘材料，常用材料为环氧树脂板，GPO

在如上文所描述的结构布置中，三个功率模块110、120、150的IGBT元件距离支撑电容130的路径非常短，直流母排140为平板形结构的低感复合母排，一方面使得IGBT到支撑电容连接路径的寄生杂散参数非常小，另一方面使得IGBT元件到支撑电容的换流路径简单且基本一致，提高了组成四象限整流器的两个功率模块110、120的并联桥臂之间的均流性，从而使IGBT元件承受的电应力很小，能够有效提高功率模块的电寿命。

进一步的，请参考图3A，多个功率模块110、120、150并排设置在所述变流器的前侧。在如图3A示出的实施例中，第二功率模块120设置在第一功率模块110与第三功率模块150之间。在另一实施例中，第一功率模块110设置在第二功率模块120与第三功率模块150之间。由于第一功率模块110和第二功率模块120构成四象限整流器，且位于变流器的输入端。而第三功率模块150构成逆变器，且位于变流器的输出端，因此，可以从功能上来考虑多个功率模块之间的排列。

在另一实施例中，本发明的一方面所提供的变流器还包括多个散热器，各个散热器对应各个功率模块设置。优选的，上述的散热器为液冷散热器。

在本发明中，变流器额定工况下构成整流器的第一功率模块和第二功率模块中的单个IGBT元件的损耗要比构成逆变器的第三功率模块中的单个IGBT元件损耗大。另一方面，由于第二功率模块的斩波桥臂只在变流器中间直流回路过压时偶尔工作，构成整流器的第一功率模块和第二功率模块分别有4个IGBT元件长期工作，构成逆变器的第三功率模块有6个IGBT元件长期工作，从而使得3个功率模块的损耗相差不大，散热设计简单。

因此，在本发明的一方面所提供的变流器中，功率模块110、120、150分别配置一个的液冷散热器，即共3个液冷散热器。这样的设计能够使得单个散热器热负荷小，散热能力高，从而使IGBT元件承受的热应力小，以进一步提高了功率模块的热寿命。

本领域技术人员应当可以知道，液冷散热系统利用泵使散热管中的冷却液循环并进行散热。在散热器上的吸热部分用于从发热部件上吸收热量。吸热部分吸收的热量通过散热器排出。相较于风冷散热器，液冷散热器具有静音以及散热快的特点，散热性能较优。

从结构上来看，液冷散热系统可以设置为平板状，因此，对应各个功率模块设置的散热器可以认为是各个功率模块的基座，也就是说，散热器与功率模块集成地设置在变流器机箱的内部，从而能够实现较优的散热水平且尽可能地降低散热器和功率模块所占用的变流器机箱内部的空间。

请进一步的结合图3C来理解本发明的一方面所提供的变流器中的支撑电阻。图3C为变流器的后视图，因此，可以知道，上述的支撑电容130布置在变流器的后方。另外，结合图2中的电路原理图可以知道，在一实施例中，本发明所提供的变流器中的支撑电容包括多个并排设置的子电容(图3C中体现为上、下并排设置，可以根据需要调整为左、右并排设置)，多个子电容并联连接。

优选地，出于安全考虑，支撑电容还包括与各个子电容并联的固定放电电阻，以为了在检修时将各个子电容的多余电量泄放。固定放电电阻的阻值很大，放电时间较长，但也正是由于固定放电电阻的阻值很大，使得及时整个变流器电路中存在固定放电电阻，亦不会引起较大的损耗。

在一实施例中，上述的功率模块110、120、150和支撑电容均通过连接端子与直流母排140电连接。进一步的，连接端子采用刀片或者直插式型端子，便于后续拆装维护，使得每个功率模块便于维护。

本发明所提供的变流器的结构布置方式可以充分利用变流器的深度空间。并且，由于这种布置方式限制了各个模块(功率模块和支撑电容)的长度，在有限的机械间走廊宽度下也可以直接推入或拉出变流器，不会因功率模块过长需要倾斜推入或拉出导致需要预留足够的横向间距的问题，使功率模块可以紧密排列，从而有利于变流器小型化设计。

本发明所提供的变流器的结构布置方式使功率模块110、120、150与支撑电容130通过直流母排140连接，能够简化直流母排140的结构，体积小，重量轻。

至此已经描述了本发明所提供的变流器，本发明所提供的变流器，其功率模块、直流母排和支撑电容呈“三明治”结构的布置方式，功率模块中的IGBT元件与支撑电容之间换流路径短，寄生杂散参数低，降低了IGBT元件承受的电应力，提高了功率模块的电寿命。

本发明中各个功率模块布置在变流器正面，且单个模块重量轻，维护便利。另外，本发明的变流器的布置方式使得变流器的结构紧凑，有利于变流器小型化化设计。

在优选的实施例中，各个功率模块分别配置一个液冷散热器，使得散热均衡、高效，降低了IGBT元件承受的热压力，提高了功率模块的热寿命。

本发明所提供的变流器能够综合考虑变流器的成本、可靠性、使用寿命、体积和重量、可维护性等方面，较好的兼顾了变流器电性能、热工性能、可维护性、体积和重量等方面的要求。

提供之前的描述是为了使本领域中的任何技术人员均能够实践本文中所描述的各种方面。但是应该理解，本发明的保护范围应当以所附权利要求书为准，而不应被限定于以上所解说实施例的具体结构和组件。本领域技术人员在本发明的精神和范围内，可以对各实施例进行各种变动和修改，这些变动和修改也落在本发明的保护范围之内。