[發明專利]一種高壓IGBT變流器模塊

有效

• 申請號: 201210288915.8
• 申請日: 2012-08-15
• 公開（公告）號: CN102801285A
• 公開（公告）日: 2012-11-28
• 發明（設計）人: 忻力;馬伯樂;陳燕平;陳玉其;楊光;陳明翊;楊濤;歐陽柳;唐威
• 申請（專利權）人: 株洲南車時代電氣股份有限公司
• 主分類號: H02M1/00
• 分類號: H02M1/00;H05K7/20
• 代理公司: 上海碩力知識產權代理事務所 31251
• 代理人: 王法男

技術領域

本發明涉及電力電子變流技術領域，具體涉及一種應用于軌道機車車輛的新型高壓IGBT（Isolated?Gate?Bipolar?Transistor，絕緣柵雙極型晶體管）牽引變流器模塊結構設計。

背景技術

隨著交流傳動技術的發展，IGBT變流器模塊作為牽引變流器的一個重要部件，正在向模塊化、系列化方向發展，應用IGBT變流器模塊也日益廣泛。國內有企業做過相關嘗試，但因為技術不成熟等問題，與國外同類產品相比，存在較大差距。因此，IGBT變流器模塊技術問題成為當前制約我國動車組發展的瓶頸之一。受功率半導體技術水平的限制以及IGBT串、并聯技術的不完善，要想提高變流器模塊的功率等級，就必須使用高壓IGBT元件。現有的IGBT變流器模塊都裝有一個支撐電容，這樣使得每個變流器模塊都顯得十分笨重，組裝、拆卸以及維護都極不方便。

另外，受功率半導體技術水平的限制，以前研制的系列IGBT牽引變流器模塊主要采用3300V或1700V的IGBT元件，對應的直流回路工作電壓為1500V和750V，其應用的范圍主要集中在動車組、地鐵、磁浮等城軌領域。而鐵路機車直流回路工作電壓通常為2600V或更高，主要采用了GTO（Gate?Turn-Off?Thyristor，可關斷晶閘管）元件，也可采用多個IGBT元件串連或三點式電路，但這會增加變流器的復雜性，降低系統的可靠性。

由于使用和發展時間不長，IGBT變流器模塊還存在很多不完善的地方，就中大功率的IGBT變流器模塊來說，目前國內普遍使用的情形是：

（1）模塊化、通用化程度不高。用于交流傳動牽引變流器一般分為四象限整流器和逆變器兩類。沒有進行模塊化、通用化的考慮，產品是按照客戶提供的尺寸單獨設計的。由于兩者電路結構和控制不同，因而一般兩者不能互換或互換性較差；

（2）功率等級增加困難。受功率半導體技術水平的限制，以前研制的系列牽引變流器模塊主要采用3300V或1700V的元件，對應中間直流回路的電壓等級為1500V和750V。因此如要提高功率等級，就必須對元件進行串、并聯使用，這樣往往導致變流器的電路和結構上需要很大程度的改動；

（3）安裝維修不方便。許多變流器由于結構設計缺乏模塊化、方便性的考慮，給安裝維修帶來很大不便。常常為了要維修一個部件或元件而需拆卸很多別的部件或元件，這樣除了工作量大以外，還給系統的可靠性及整體壽命帶來嚴重的影響。因為每拆卸一次，相應部件的可靠性都降低一些，如一般接插件的插拔次數是有規定的，超過此數目后該接插件將不再可靠；

（4）元件布局不合理，電氣性能受到影響。由于一般變流器的模塊化、集成化程度不高或元器件布置不合理，如沒有采用低感母排或相關部件布置太遠，造成布線電感或線路電感太大等，使整個變流器的電氣性能受到了影響，從而不能充分發揮變流器的潛力；

（5）散熱方式復雜或者不佳。目前大功率變流器使用較多的散熱方式主要是水冷散熱器，此類散熱器雖然散熱量大，效果好，但整個系統制造工藝復雜，價格貴且容易出現漏水的情形。另一種散熱方式就是熱管散熱器的走行風冷方式，原理是利用車行走時產生的風對散熱器進行冷卻或自然冷卻。該方式散熱效果較差，由于裸露在車體下面，受環境影響較大，需定期進行維護。再有一種散熱方式就是強迫風冷，相對于其它散熱方式，它的優點是散熱器的設計相對簡單，工藝難度較低，成本不高。該方式雖然不如水冷的好，但制造工藝相對來說簡單得多，成本較低，也不需要為此設計專門的水循環及冷卻系統；相對走行風冷的熱管散熱器來說，除了散熱器效果更好外，可靠性及可維護性也更好，受外界環境影響也小。

在現有技術中，與本發明相關的有以下內容：

現有技術1為株洲時代集團公司于2003年12月5日申請，并于2004年11月17日公開，公開號為CN1546340A的中國發明專利申請《一種通用化、集成化、模塊化IGBT牽引變流器模塊》。該申請公開了一種IGBT牽引變流器模塊，該模塊為抽屜式結構，由變流單元、直流支撐電容單元、門極驅動單元和控制盒等部件組成，集成度高、通用性強，適用于直流回路工作電壓不超過2000V的牽引變流器。隨著牽引變流器輸出功率的持續增加，直流回路工作電壓不斷升高，原有的IGBT牽引變流器模塊無法滿足高壓運行要求。