混合动力内燃机车直流变换功率模块制造技术

本发明专利技术公开了一种混合动力内燃机车直流变换功率模块，涉及内燃机车的控制领域。采用两个独立的双向DC/DC斩波功率单元集成的模块化结构，使用高结温的大功率器件IGBT、驱动保护电路、复合母排、过电压吸收电路、均压慢放电阻、高效轻量化水冷散热器等部件整合在一起，该模块应用于混合动力内燃机车，实现了两个双向DC/DC斩波单元的模块化结构集成设计；解决水冷散热器厚度大、重量大、成本高、散热效率低的问题；解决框架固定强度问题，解决了功率器件启动瞬时热流密度大容易造成烧损的问题；解决了蓄电池动力源放电工况的输出功率不足问题，放电电压和放电电流同步提高，从而提高了放电功率，提高了动力蓄电池供电占比，节省了柴油机供电动力。柴油机供电动力。柴油机供电动力。

【技术实现步骤摘要】
混合动力内燃机车直流变换功率模块


[0001]本专利技术涉及内燃机车的控制领域，具体为一种混合动力内燃机车直流变换功率模块。

技术介绍

[0002]由于节能是现代发展中几乎所有领域的要求与目标，因此在轨道交通和城市轨道领域也同步提高了对节能指标的要求，在牵引动力源方面大力发展蓄电池与柴油机的混合供电方式，并且蓄电池供电的比例也在逐步加强，同时对于其散热能力也提出了更高的要求。现有技术中的功率模块，为了实现良好的散热，采用水冷散热，而且大多采用双面散热的对称结构形式，双面的功率器件和框架等附件对称安装，螺栓均采用同一个螺纹孔进行固定，但是有如下缺陷：螺栓使用不当造成的问题频发：螺栓较长时双侧螺栓头发生干涉，器件紧固不到位，力矩不满足要求；螺栓较短时紧固深度不够，器件固定不牢靠；或者为了满足螺栓的紧固深度，且保证双面螺栓头与头间距，会适当加厚水冷散热器的尺寸，例如为了厚度够两个螺栓对装，冷板需要厚度是24mm，流道距离外壁6mm，但是该方案的缺点是：较厚的水冷散热器，在物理性能方面，不仅增大了重量和体积，还浪费了材料，增加了成本；在传热性能方面，增加了热量的传导距离和热阻，降低了散热效率，因此也需要改善该方面的缺陷。或者是现有的功率单元双面功率器件对称安装，双面功率器件的功率损耗集中爆发在散热器冷却液流道的同一个截面上，但是存在的缺陷是集中散热导致功率器件启动模式的瞬时热流密度太大，不利于维护功率器件寿命，也容易导致功率器件过热烧损。而且现有的功率模块有的采用三电平双向DC/DC功率模块，其动力电池源的输出功率较小，与柴油机混合供电的占比较轻（轻混），此种技术存在DC/DC功率模块的供电动力不足，放电输出功率在90kW，无法满足较复杂工况的供电；而且现有DC/DC功率模块的功率密度小，每个功率模块只包含一个功率单元。
[0003]因此为了克服上述问题，需要改进或重新设计一种新的混合动力内燃机车直流变换功率模块。

技术实现思路

[0004]本专利技术为了解决现有的混合动力内燃机车直流变换功率模块存在水冷散热器厚度大、体积大、成本高、散热效率低，以及蓄电池动力源放电工况的输出功率不足的问题，提供了一种混合动力内燃机车直流变换功率模块。
[0005]本专利技术是通过如下技术方案来实现的：一种混合动力内燃机车直流变换功率模块，包括框架组件、水冷组件、两组复合母排与功率器件；所述水冷组件包括水冷基板，所述水冷基板内设有水冷通道；所述功率器件包括IGBT模块与慢放电阻；所述框架组件包括左框架组件和右框架组件。
[0006]所述水冷基板左侧壁的前部安装有两组IGBT模块，每组IGBT模块均设有对应的配置板，所述水冷基板左侧壁的后部安装有四组慢放电阻，左侧的IGBT模块与四组慢放电阻
均通过螺栓连接安装于相应的螺孔上，而且慢放电阻与IGBT模块之间安装有L型隔离绝缘板，且L型隔离绝缘板上设有固定孔和扎带孔，所述L型隔离绝缘板也通过螺栓连接安装于相应的螺孔上，所述水冷基板的前端连接有两组绝缘支撑座，其中一组复合母排位于左侧IGBT模块的外侧、且与绝缘支撑座及左侧的IGBT模块连接，左侧的复合母排通过绝缘支撑座内部的铜螺母进行高压电气连接，左侧的复合母排外侧壁上还设置有吸收电容以及连接慢放电阻的连接端子，吸收电容用于减小IGBT关断时产生的尖峰电压，慢放电阻用于均压及放电保护；所述水冷基板右侧壁的前部安装有两组IGBT模块，每组IGBT模块均设有对应的配置板，所述水冷基板右侧壁的后部安装有两组慢放电阻，右侧的IGBT模块与两组慢放电阻均通过螺栓连接安装于相应的螺孔上，而且慢放电阻与IGBT模块之间安装有L型隔离绝缘板，且L型隔离绝缘板上设有固定孔和扎带孔，所述L型隔离绝缘板也通过螺栓连接安装于相应的螺孔上，另一组复合母排位于右侧IGBT模块的外侧、且与绝缘支撑座及右侧的IGBT模块连接，右侧的复合母排也通过绝缘支撑座内部的铜螺母进行高压电气连接，右侧的复合母排外侧壁上还设置有吸收电容以及连接慢放电阻的连接端子；左侧的IGBT模块、慢放电阻及L型隔离绝缘板的安装位置与右侧的IGBT模块、慢放电阻及L型隔离绝缘板的安装位置平行错位，因此相应进行安装的螺孔也对应错位；设置错位螺孔的原因是，可以保证每一个螺栓都有自己独立的螺纹安装孔，既保证紧固力矩，又避免螺栓干涉；而且两侧的部件交错安装后，功率器件的发热中心点会产生间距，避免在整车启动瞬间散热器冷却液流道的同一截面上集中爆发巨大热损耗，增加了IGBT的使用安全，防止过热导致老化及烧损，提高IGBT寿命。由于原有的水冷基板上多数都是对称安装，所以螺栓安装部件时需达到一定的紧固力矩，但是若要保证该力矩，则必须增加水冷基板的厚度，因此本专利技术中对螺孔的设置位置进行了改进，螺栓安装时可以错位，这样就可以降低散热器即水冷基板的厚度，使得散热器基板距离内部冷却液流道距离更近，比如原本为了厚度够两个螺栓对装，水冷基板厚度是24mm，流道距离外壁6mm，优化后水冷基板厚度就可以减少到18mm，流道距离外壁3mm，这可以大幅减小散热器基板距离内部冷却液流道的距离，降低热传导距离和热阻，提高散热效率，同时也使材料成本更低，产品重量更轻。
[0007]所述左框架组件位于左侧复合母排外侧，所述左框架组件包括一体成型的上散热板Ⅰ、中间安装板Ⅰ与下散热板Ⅰ，所述上散热板Ⅰ、中间安装板Ⅰ与下散热板Ⅰ呈“匚”形，所述上散热板Ⅰ与下散热板Ⅰ各开有多个散热与观察窗口，所述上散热板Ⅰ与下散热板Ⅰ的边缘向内折弯、且前后侧均设有与水冷基板连接的多个连接端，所述连接端连接于水冷基板对应的框架安装孔上，与左侧的IGBT模块匹配使用的驱动板组件也设有两组、且安装于中间安装板Ⅰ的外壁，所述中间安装板Ⅰ前方下部还安装有一排四个接线座；左侧驱动板组件的外侧还设有一块盖板，所述盖板呈“匚”形，所述盖板的上下部的边缘向外折弯且折弯处通过螺栓连接于中间安装板Ⅰ上，所述盖板的上下部还各开有一个窗口，所述盖板的后侧还固定设有一块防尘挡板；所述右框架组件位于右侧复合母排外侧，所述右框架组件包括一体成型的上散热板Ⅱ、中间安装板Ⅱ与下散热板Ⅱ，所述上散热板Ⅱ、中间安装板Ⅱ与下散热板Ⅱ呈“匚”形，所述上散热板Ⅱ与下散热板Ⅱ各开有多个散热与观察窗口，所述上散热板Ⅱ与下散热板Ⅱ的边缘向内折弯、且前后侧均设有与水冷基板连接的多个连接端，所述连接端连接于水冷基板对应的框架安装孔上，与右侧的IGBT模块匹配使用的驱动板组件也设有两组、且安装于中间安装板Ⅱ的外壁；右侧驱动板组件的外侧还设有一块盖板，所述盖板结
构与左侧盖板结构相对且对称；所述左框架组件安装于水冷基板的框架安装孔与右框架组件安装于水冷基板的框架安装孔相互错位，使得各自的连接端也为错位设置；此时设置错位框架安装孔的目的也是因为需要与双侧错位安装的部件相对应，需要与之相匹配，但是需要保证两侧框架组件相对于所要安装的位置不变，使总体结构无变化。
[0008]所述水冷基板的后端连接有两根导向柱，用于功率模块与变流器装配时定位作用；所述水冷基板的后侧还设有水冷基板的进水口与出水口，进水口位于下方，出本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种混合动力内燃机车直流变换功率模块，其特征在于：包括框架组件、水冷组件、两组复合母排（8）与功率器件；所述水冷组件包括水冷基板（3），所述水冷基板（3）内设有水冷通道；所述功率器件包括IGBT模块（1）与慢放电阻（4）；所述框架组件包括左框架组件（9）和右框架组件（10）；所述水冷基板（3）左侧壁的前部安装有两组IGBT模块（1），每组IGBT模块（1）均设有对应的配置板（2），所述水冷基板（3）左侧壁的后部安装有四组慢放电阻（4），左侧的IGBT模块（1）与四组慢放电阻（4）均通过螺栓连接安装于相应的螺孔上，而且慢放电阻（4）与IGBT模块（1）之间安装有L型隔离绝缘板（14），且L型隔离绝缘板（14）上设有固定孔和扎带孔，所述L型隔离绝缘板（14）也通过螺栓连接安装于相应的螺孔上，所述水冷基板（3）的前端连接有两组绝缘支撑座（5），其中一组复合母排（8）位于左侧IGBT模块（1）的左侧、且与绝缘支撑座（5）及左侧的IGBT模块（1）连接，左侧的复合母排（8）通过绝缘支撑座（5）内部的铜螺母进行高压电气连接，左侧的复合母排（8）外侧壁上还设置有吸收电容（7）以及连接慢放电阻（4）的连接端子；所述水冷基板（3）右侧壁的前部安装有两组IGBT模块（1），每组IGBT模块（1）均设有对应的配置板（2），所述水冷基板（3）右侧壁的后部安装有两组慢放电阻（4），右侧的IGBT模块（1）与两组慢放电阻（4）均通过螺栓连接安装于相应的螺孔上，而且慢放电阻（4）与IGBT模块（1）之间安装有L型隔离绝缘板（14），且L型隔离绝缘板（14）上设有固定孔和扎带孔，所述L型隔离绝缘板（14）也通过螺栓连接安装于相应的螺孔上，另一组复合母排（8）位于右侧IGBT模块（1）的右侧、且与绝缘支撑座（5）及右侧的IGBT模块（1）连接，右侧的复合母排（8）也通过绝缘支撑座（5）内部的铜螺母进行高压电气连接，右侧的复合母排（8）外侧壁上还设置有吸收电容（7）以及连接慢放电阻（4）的连接端子；左侧的IGBT模块（1）、慢放电阻（4）及L型隔离绝缘板（14）的安装位置与右侧的IGBT模块（1）、慢放电阻（4）及L型隔离绝缘板（14）的安装位置平行错位，因此相应进行安装的螺孔也对应错位；所述左框架组件（9）位于左侧复合母排（8）外侧，所述左框架组件（9）包括一体成型的上散热板Ⅰ（901）、中间安装板Ⅰ（902）与下散热板Ⅰ（903），所述上散热板Ⅰ（901）、中间安装板Ⅰ（902）与下散热板Ⅰ（903）呈“匚”形，所述上散热板Ⅰ（901）与下散热板Ⅰ（903）各开有多个散热与观察窗口（15），所述上散热板Ⅰ（901）与下散热板Ⅰ（903）的边缘向内折弯、且前后侧均设有与水冷基板（3）连接的多个连接端，所述连接端连接于水冷基板（3）对应的框架安装孔（303）上，与左侧的IGBT模块（1）匹配使用的驱动板组件（6）也设有两组、且安装于中间安装板Ⅰ（902）的外壁，所述中间安装板Ⅰ（902）前方下部还安装有一排四个接线座（11）；左侧驱动板组件（6）的外侧还设有一块盖板（12），所述盖板（12）呈“匚”形，所述盖板（12）的上下部的边缘向外折弯且折弯处通过螺栓连接于中间安装板Ⅰ（902）上，所述盖板（12）的上下部还各开有一个窗口，所述盖板（12）的后侧还固定设有一块防尘挡板；所述右框架组件（10）位于右侧复合母排（8）外侧，所述右框架组件（10）包括一体成型的上散热板Ⅱ（1001）、中间安装板Ⅱ（1002）与下散热板Ⅱ（1003），所述上散热板Ⅱ（1001）、中间安装板Ⅱ（1002）与下散热板Ⅱ（1003）呈“匚”形，所述上散热板Ⅱ（1001）与下散热板Ⅱ（1003）各开有多个散热与观察窗口（15），所述上散热板Ⅱ（1001）与下散热板Ⅱ（1003）的边缘向内折弯、且前后侧均设有与水冷基板（3）连接的多个连接端，所述连接端连接于水冷基板（3）对应的框架安装孔（303）上，与右侧的IGBT模块（1）匹配使用的驱动板组件（6）也设有
两组、且安装于中间安装板Ⅱ（1002）的外壁；右侧驱动板组件（6）的外侧还设有一块盖板（12），所述盖板（12）结构与左侧盖板（12）结构相对且对称；所述左框架组件（9）安装于水冷基板（3）的框架安装孔（303）与右框架组件（10）安装于水冷基板（3）的框架安装孔（303）相互错位，使得各自的连接端也为错位设置；所述水冷基板（3）的后端连接有两根导向柱（13），所述水冷基板（3）的后侧还设有水冷基板的进水口（301）与出水口（302），进水口（302）位于下方，出水口（301）位于上方，所述水冷基板（3）的内部根据IGBT模块（1）与慢放电阻（4）的位置设置流道，流道呈M形；左右侧的复合母排（8）各设有5个对外高压电气接口。2.根据权利要求1所述的一种混合动力内燃机车直流变换功率模块，其特征在于：所述水冷基板（3）左侧的功率器件布置如下：IGBT模块（1）为上下各布置一个，分别为T1和T2，慢放电阻（4）是分为两排，上排左侧为一个动力电池侧的慢放电阻CDR3或CDR9，上排右侧为一个中间直流母线侧的慢放电阻CDR1或CDR7，下排左侧为一个动力电池侧的慢放电阻CDR6或CDR12，下排右侧为一个中间直流母线侧的慢放电阻CDR2或CDR8，以及两个吸收电容C1、C2；所述水冷基板（3）右侧的功率器件布置如下：IGBT模块（1）为上下各布置一个，分别为T4和T3，慢放电阻（4）是分为两排，上排为一个中间直流母线侧的慢放电阻CDR5或CDR11，下排为一个中间直流母线侧的慢放电阻CDR4或CDR10，两个吸收电容C3、C4；T1与T2所形成的全桥IGBT以及T4与T3所形成的全桥IGBT通过复合母排进行高压电气连接，两个中间直流母线侧的慢放电阻分别有一端与复合母排的DC+、DC
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的辅助接线端相连，另一端通过铜排短接后与复合母排的中间M端的辅助接线端相连；两个动力电池侧的慢放电阻通过4根高压线束固定到功率模块接线座上，与变流柜中对应的线束相连。3.根据权利要求1所述的一种混合动力内燃机车直流变换功率模块，其特征在于：所述盖板（12）呈半透明状。4.根据权利要求1所述的一种混合动力内燃机车直流变换功率模块，其特征在于：所述散热与观察窗口（15）呈圆形。5.根据权利要求2所述的一种混合动力内燃机车直流变换功率模块，其特征在于：所述直流变换功率模块应用于牵引充电机系统中，包括四组牵引充电机，四组牵引充电机功率单元各两两集成在一台直流变换功率模块上，每台直流变换功率模块含有两组充电机功率单元，且直流变换功率模块采用三电平工作模式，实现双向DC/DC变换功能；牵引充电机系统通过三相整流后的直流母线与动力蓄电池的共同供电模式以及动力蓄电池的充放电功能实现双向DC/DC斩波功能，蓄电池充电时，处于DC/DC降压斩波模式，能量自左向右流动，蓄电池放电时，处于DC/DC升压斩波模式，能量自右向左流动；复合母排（8）设有10个接口，分别为S1，S2
……
S10；位于水冷基板（3）左侧的是S1~S5，位于水冷基板（3）右侧的是S6~S10，S1、S2、S3、S6、S7、S8为功率模块的高压电气直流输入接口，S1与S6接DC1200V～1800V直流母线的DC+，S3与S8接DC1200V～1800V直流母线的DC
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，S3与S7接M点；S4、S5、S9、S10为高压电气直流输出接口，均通过复合母排（8）对外连接，S4接P1，S5接N1，S9接P2，S10接N2；功率模块通过2个6芯低压连接器将所需的+15V电源与充电机控制单元进行连接；线束采用2*0.5mm2的双绞屏蔽线，控制单元输入屏蔽线接在功率模块框架上；电源信号的2个6芯低压连接器代号为X1、X2；1）第一台直流变换功率模块内，第一组充电机功率单元包括两只全桥IGBT，两只全桥
IGBT的上下桥臂分别定义为T1H、T1B、T2H、T2B，电路原理为：T1H与T1B由DBT1驱动板控制导通与关断，T1H及T1B与DBT1驱动板之间设有起保护作用的T1配置板，所述DBT1驱动板由连接器供电，T1H与T1B串联后的两端并接滤波电容C1，同时也与慢放电阻CDR1并接，CDR1的两端连接于复合母排（8）的S1与S2之间，S2接M点；T2H与T2B由DBT2驱动板控制导通与关断，T2H及T2B与DBT2驱动板之间设有起保护作用的T2配置板，所述DBT2驱动板由连接器供电；T2H与T2B串联后的两端并接滤波电容C2，同时也与慢放电阻CDR2并...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈彦肖，柴媛，杨璐，王志强，赵艳斌，姚嘉麒，
申请(专利权)人：中车永济电机有限公司，
类型：发明
国别省市：