功率变换单元、机车辅助供电变流电路及机车的制作方法

本发明涉及机车技术，尤其涉及一种功率变换单元、机车辅助供电变流电路及机车。

背景技术：

随着机车技术的发展，采用绝缘栅双极型晶体管(insulatedgatebipolartransistor，igbt)为开关元件的变流器应用日益广泛。为了方便主电路的维护，通常将主电路的多个igbt进行集成安装，形成功率变换单元。

实际应用中，功率变换单元是机车辅助供电变流电路的核心部件。具体地，机车的中间直流回路的输出直流电，该直流电经功率变换单元上igbt组成的三相电路进行逆变后转换为三相交流电，为机车的辅助用电设备供电。

但现有的功率变换单元仅适用于低温环境，例如50℃以下，在高温70℃环境下使用寿命低，运行可靠性差，维修成本高。因此，目前亟需一种适用于高温环境的功率变换单元。

技术实现要素：

本发明提供一种功率变换单元、机车辅助供电变流电路及机车，以延长高温环境下功率变换单元的使用寿命。

第一方面，本发明提供一种功率变换单元。其中，功率变换单元包括：至少三组功率变换子单元、适用于高温环境的支撑电容组和保护电路；具体地，

所述至少三组功率变换子单元，用于将直流电转换为三相交流电；所述功率变换子单元包括：双管igbt和驱动电路，其中，所述双管igbt具有高结温，所述双管igbt的两个输入端分别与外部正负两层叠层母排连接，所述双管igbt的三个输出端分别与rst三相输出叠层母排连接；所述驱动电路与控制单元连接，所述驱动电路用于控制所述双管igbt的开关；

所述支撑电容组，用于支撑直流回路电压；

所述保护电路，用于保护所述功率变换单元中的其他元器件；

所述双管igbt、所述支撑电容组和所述保护电路相互并联连接。

在一种可能的设计方式中，所述功率变换子单元还包括：吸收电容；

所述吸收电容与所述双管igbt并联，所述吸收电容用于吸收所述双管igbt关断时产生的过电压。

在一种可能的设计方式中，所述支撑电容组包括至少一个圆柱形薄膜电容，所述圆柱形薄膜电容适用于高温环境；

当所述圆柱形薄膜电容的个数为至少两个时，所述至少两个圆柱形薄膜电容相互并联达到所述功率变换单元所需的电容值。

在一种可能的设计方式中，所述保护电路包括2个相互并联的电阻。

在一种可能的设计方式中，所述驱动电路还用于：将所述双管igbt的开关状态反馈给所述控制单元。

在一种可能的设计方式中，所述功率变换单元还包括：散热器，所述双管igbt安装在所述散热器的表面。

在一种可能的设计方式中，所述功率变换单元还包括：温度检测开关，当所述散热器的温度大于或等于设定值时，所述温度检测开关的状态改变，并将用于指示所述温度检测开关的状态改变的开关信号传送给所述控制单元。

在一种可能的设计方式中，所述功率变换单元还包括：框架；

所述框架安装在所述散热器的表面；

所述双管igbt位于所述框架的内部；

所述外部正负两层叠层母排安装在所述框架内左右框壁之间；

所述支撑电容组通过支撑板安装在所述框架内、位于后框壁与所述外部正负两层叠层母排之间的位置；

所述驱动电路安装在所述框架的前框壁。

第二方面，本发明提供一种机车辅助供电变流电路，该机车辅助供电变流电路包括如第一方面所述的功率变换单元。

第三方面，本发明提供一种机车，该机车包括如第一方面所述的功率变换单元。

本发明提供的功率变换单元、机车辅助供电变流电路及机车，通过至少三组功率变换子单元将直流电转换为三相交流电，其中，功率变换子单元包括双管igbt和驱动电路，该双管igbt的两个输入端分别与外部正负两层叠层母排连接，该双管igbt的三个输出端分别与rst三相输出叠层母排连接；驱动电路与控制单元连接，该驱动电路用于控制上述双管igbt的开关；另外，通过支撑电容组来支撑直流回路电压，保证直流回路电压的波动在要求的范围内；通过保护电路来保护功率变换单元中的其他元器件。由于双管igbt具有高结温，且支撑电容组适用于高温环境且具有长寿命，使得该功率变换单元可以在高温环境下长时间使用。因此，相比现有的功率变换单元，本发明提供的功率变换单元可延长功率变换单元在高温环境下的使用寿命，提高了功率变换单元的可靠性，降低了维修成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明功率变换单元实施例一的电路结构示意图；

图2为本发明所涉及的圆柱形薄膜电容的外部结构示意图；

图3为图1所示功率变换单元的正面立体结构示意图；

图4为图1所示功率变换单元的背面立体结构示意图；

图5为本发明功率变换单元实施例二的一正面立体结构示意图；

图6为本发明功率变换单元实施例二的背面立体结构示意图。

附图标记说明：

10：功率变换单元；

11：支撑电容组；

12：保护电路；

13：功率变换子单元；

131：双管igbt；

132：rst三相输出叠层母；

14：散热器；

21：螺栓；

22：铝外壳；

23：塑料绝缘套；

24：塑料绝缘凸台；

25：铜螺母；

26：黑色环氧树脂；

51：框架；

52：支撑板；

53：支撑架；

dbr、dbr和dbt：驱动电路；

dc+和dc-：外部正负两层叠层母排；

c1、c2和c3：吸收电容；

c4、c5、c6、c7、c8、c9、c10和c11：圆柱形薄膜电容；

r1和r2：电阻；

t1：温度检测开关。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的说明书和权利要求书中的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

现有的功率变换单元一般只适用于环境温度在+50℃以下，当环境温度大于+50℃时，现有的功率变换单元易损坏，因此本发明的目的在于使功率变换单元适用于高温环境，例如+70℃环境。

首先，以下对本发明中的部分技术术语进行解释说明，以便于本领域技术人员理解：

结温，是igbt的重要参数之一，通常包括tjmax和tjop，即连续的、稳定负载时结温(稳态结温)不超过tjop；瞬态的、过渡过程的结温(瞬态结温)不超过tjmax。

叠层母排，又称复合母排、层叠母排、层叠母线排或复合铜排，是一种多层复合结构连接排，可算是配电系统的高速公路。与传统的配线方法相比，使用叠层母排可以提供现代的、易于设计、安装快速和结构清晰的配电系统。叠层母排是具有可重复电气性能、低阻抗、抗干扰、可靠性好、节省空间、装配简洁快捷等特点的大功率模块化连接结构部件。叠层母排广泛应用在电力及混合牵引、电力牵引设备、蜂窝通讯、基站、电话交换系统、大型网络设备、大中型计算机、电力开关系统、焊接系统、军事设备系统、发电系统、电动设备的功率转换模块等。

温度继电器，是将两种热膨胀系数相差悬殊的金属或合金彼此牢固地复合在一起形成碟形双金属片，当温度升高到一定值，双金属片就会由于下层金属膨胀伸长大，上层金属膨胀伸长小而产生向上弯曲的力，弯曲到一定程度便能带动电触点，实现接通或断开负载电路的功能；温度降低到一定值，双金属片逐渐恢复原状，恢复到一定程度便反向带动电触点，实现断开或接通负载电路的功能。

多个，包括两个或两个以上。

接下来，基于上述问题及技术术语，对本发明提供的功率变换单元的具体结构进行解释说明。

图1为本发明功率变换单元实施例一的电路结构示意图。如图1所示，该功率变换单元10包括：支撑电容组11、保护电路12和功率变换子单元13，其中，功率变换子单元13的数目为三组。具体地，

支撑电容组11，适用于高温环境，用于支撑直流回路电压。

保护电路12，用于保护功率变换单元10中的其他元器件，例如，功率变换子单元13等。

该三组功率变换子单元13，用于将直流电转换为三相交流电。功率变换子单元13包括双管igbt131和驱动电路dbr(或者，驱动电路dbr或驱动电路dbt)。其中，双管igbt和驱动电路的连接关系可如图1所示例，此处不再赘述。

其中，双管igbt131具有高结温，例如，结温为150℃。双管igbt131的两个输入端中，一个输入端与外部正负两层叠层母排dc+连接，另一个输入端与外部正负两层叠层母排dc-连接。双管igbt131的三个输出端分别与rst三相输出叠层母排连接。即，r、s、t为功率变换单元10的三相交流输出。

在图1所示电路中，外部正负两层叠层母排dc+与外部正负两层叠层母排dc-为功率变换单元10的两输入端，直流电经该两个输入端输入，通过三只双管igbt131与rst三相输出叠层母排连接后形成标准三相逆变主电路，实现直流电到三相交流电的功率变换。

驱动电路dbr、驱动电路dbs和驱动电路dbt均与控制单元(未示出)连接；驱动电路dbr、驱动电路dbs和驱动电路dbt均用于控制对应双管igbt131的开关。

每一驱动电路提供两路驱动信号，驱动一个逆变桥臂的两个igbt单元工作，其中，双管igbt包括两个igbt单元和两个二极管，该二极管具有高结温，其具体连接关系如图1所示，此处不再赘述。可以理解，当驱动电路和双管igbt同包含于同一功率变换子单元时，该驱动电路控制该双管igbt的开关。可选地，驱动电路还可用于：将双管igbt的开关状态反馈给上述控制单元。

另外，双管igbt131、支撑电容组11和保护电路12相互并联连接。

需说明的是，图1以三组功率变换子单元13为例进行说明，但本发明不以此为限制。也就是说，功率变换子单元的数目可以为三组以上，只要该至少三组功率变换子单元可以实现将直流电转换为三相交流电的功能即可。

该实施例，通过至少三组功率变换子单元将直流电转换为三相交流电，其中，功率变换子单元包括双管igbt和驱动电路，该双管igbt的两个输入端分别与外部正负两层叠层母排连接，该双管igbt的三个输出端分别与rst三相输出叠层母排连接；驱动电路与控制单元连接，该驱动电路用于控制上述双管igbt的开关；另外，通过支撑电容组来支撑直流回路电压，保证直流回路电压的波动在要求的范围内；通过保护电路来保护功率变换单元中的其他元器件。由于双管igbt具有高结温，且支撑电容组适用于高温环境且具有长寿命，使得该功率变换单元可以在高温环境下长时间使用。因此，相比现有的功率变换单元，本发明提供的功率变换单元可延长功率变换单元在高温环境下的使用寿命，提高了功率变换单元的可靠性，降低了维修成本。

在上述基础上，仍参考图1，上述功率变换子单元13还包括：吸收电容c1(或吸收电容c2，或吸收电容c3)。其中，在同一功率变换子单元13内，吸收电容与双管igbt131并联，吸收电容用于吸收双管igbt131关断时产生的过电压。

可选地，支撑电容组11可包括至少一个圆柱形薄膜电容。该圆柱形薄膜电容适用于高温环境。

图2为本发明所涉及的圆柱形薄膜电容的外部结构示意图。如图2所示，圆柱形薄膜电容20的底部具有螺栓21，配合螺母使用，便于立式安装；圆柱形薄膜电容20的外侧包覆有铝外壳22，外侧靠上部位设置有塑料绝缘套23；圆柱形薄膜电容20的顶部包括两个塑料绝缘凸台24，塑料绝缘凸台24上设有铜螺母25，便于通过柱头螺栓与外部正负两层叠层母排进行电连接，电极安装后在圆柱形薄膜电容20的壳中灌装绝缘的黑色环氧树脂26。

当圆柱形薄膜电容的个数为至少两个时，该至少两个圆柱形薄膜电容相互并联达到功率变换单元10所需的电容值。

以图1为例，支撑电容组11包括8个圆柱形薄膜电容，分别为：圆柱形薄膜电容c4～圆柱形薄膜电容c11。该8个圆柱形薄膜电容并联形成支撑电容组11，用来支撑直流回路电压，保证直流回路电压的波动在要求的范围内。

为了解决电解电容从50℃到70℃环境下使用寿命急剧下降，使用时间久后漏电解液、维修更换周期短，维修成本高等问题，本发明通过根据高温环境设计新的圆柱形薄膜电容，单位体积内优化设计出最大容值的圆柱形薄膜电容，在有限的空间里采用8个圆柱形薄膜电容并联达到功率变换单元10需要的电容值，既能解决使用电解电容在高温条件下低寿命和漏液的问题，又能解决矩形薄膜电容散热的问题，在70℃的高温环境下，一般电解电容寿命仅为15000小时左右，而新设计的适用于高温环境的圆柱形薄膜电容的寿命为50000小时以上。

在一种可能的实现方式中，保护电路12包括2个相互并联的电阻。如图1所示，电阻r1和电阻r2为直流回路的放电电阻，保证主电路断电后，直流回路电容上的残余电压在要求的时间内降低到安全电压以下。

进一步地，功率变换单元10还包括：散热器(图1未示出)。其中，双管igbt131安装在散热器的表面。

由于该散热器能够快速将双管igbt产生的热量传递到其他部分，散热均匀，因此，可有效降低双管igbt131的基板温度，发挥保护双管igbt的作用。

更进一步地，功率变换单元10还包括：温度检测开关t1。当散热器的温度大于或等于设定值时，温度检测开关t1的状态改变，并将用于指示温度检测开关t1的状态改变的开关信号传送给控制单元。其中，温度检测开关t1的状态改变包括温度检测开关t1由闭合改变为断开，以及，温度检测开关t1由断开改变为闭合，具体可根据实际需求进行设置，本发明实施例不予限制。在具体实现时，温度检测开关t1为可根据高温环境选择的105℃～90℃的温度继电器。

示例性地，图3为图1所示功率变换单元的正面立体结构示意图。图4为图1所示功率变换单元的背面立体结构示意图。在功率变换单元30中，rst三相输出叠层母排标识为132，散热器标识为14。

上述功率变换单元，具有在高温环境下中间直流电压支撑、关断过电压吸收、双管igbt的驱动与保护和散热等功能，并最终实现将输入的直流电逆变为三相交流电输出。

图5为本发明功率变换单元实施例二的一正面立体结构示意图。图6为本发明功率变换单元实施例二的背面立体结构示意图。在图5和图6中，功率变换单元50还包括：框架51。

该实施例中，框架51安装在散热器14的表面；双管igbt(未示出)位于框架51的内部；外部正负两层叠层母排(dc+与dc-)安装在框架51内左右框壁之间；支撑电容组(未示出)通过支撑板52安装在框架51内、位于后框壁与外部正负两层叠层母排(dc+与dc-)之间的位置；驱动电路dbr(以及，驱动电路dbs和驱动电路dbt)安装在框架51的前框壁。

另外，驱动电路与双管igbt之间采用快速插针式连接，驱动电路与功率变换单元外部的控制单元采用连接器连接。功率变换单元对外电力连接，可采用功率端子进行电连接；功率变换单元对外机械连接，可采用四个长螺杆、前端固定支撑架53与安装板固定连接。

外部正负两层叠层母排的底面6个l型引脚通过m8螺栓直接固定在3个双管igbt上，竖立面上安装8个圆柱形薄膜电容和3个吸收电容，8个圆柱形薄膜电容分两排并联布置，利用前后的两个支撑板52支撑起来后固定在框架51上，组成高寿命、高容值及高可靠性的支撑电容组。

在上述实施例的基础上，本发明还提供一种机车辅助供电变流电路，该机车辅助供电变流电路包括如上述任一实施例所述的功率变换单元。

进一步地，本发明还提供一种机车，该机车包括如上述任一实施例所述的功率变换单元。

由于本发明实施例提供的功率变换单元适用于高温环境，因此，可延长功率变换单元在高温环境下的使用寿命，从而解决高温环境下功率变换单元易损坏而影响机车正常运营的问题，降低机车运营成本和维修成本。

综上所述，本发明至少具有以下有益效果：

适用于高温环境；

电路布局简单，成本较低；

解决电解电容在高温环境下使用寿命低的问题；

实现高温环境下合理的维修周期，能有效减小机车运营成本和维修成本。

在本发明所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭示的装置，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的设备实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元或模块的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或模块可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的连接，可以是电性，机械或其它的形式。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。