一種同相供電裝置功率模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

王 闊,孫 健,翟 超,祁 招

(河南許繼電力電子有限公司,河南 許昌 461000)

電氣化鐵道普遍采用由公用電力系統(tǒng)供電的單相工頻交流制,為使單相的牽引負(fù)荷在三相電力系統(tǒng)中盡可能均勻分配,電氣化鐵道往往采用輪換相序、分相分區(qū)供電的方案[1]。隨著我國高速鐵路和重載鐵路運(yùn)行對(duì)供電電網(wǎng)容量需求增加,對(duì)電網(wǎng)不平衡影響也隨之增加。相對(duì)于輪換相序、分段分區(qū)牽引供電方式,同相牽引供電方式可以在取消牽引變電所出口處電分相、消除供電瓶頸、增加供電能力、增強(qiáng)節(jié)能效果的同時(shí),還能有效治理負(fù)序電流,達(dá)到以三相電壓不平衡度國標(biāo)限值為主的電能質(zhì)量要求,是一種理想的電氣化鐵路牽引供電方式[2]。功率模塊是同相供電裝置的核心部件,其體積大小和布置方式?jīng)Q定了同相供電裝置的整體尺寸和性能指標(biāo)。

1 研發(fā)背景

功率模塊作為變流器的核心部件,在各領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛。目前,市場上現(xiàn)有的同相供電功率模塊有如下特點(diǎn):1)單個(gè)功率模塊能量密度低,整套設(shè)備所需功率模塊數(shù)量多,安裝不方便且成本高;2)功率模塊多采用風(fēng)冷散熱,散熱效果差,單模塊容量小;3)功率模塊數(shù)量多導(dǎo)致功率柜體積大,占地面積大,建設(shè)成本高[3]。為了克服現(xiàn)有同相供電裝置功率模塊存在的問題,急需設(shè)計(jì)一種布局合理、結(jié)構(gòu)緊湊、能量密度大、其他散熱方式、性能可靠的同相供電功率模塊。

2 功率模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及裝配工藝

2.1 總體設(shè)計(jì)思路

參照同相供電裝置功率模塊原理圖(見圖1),功率模塊分為級(jí)聯(lián)側(cè)和并聯(lián)側(cè)[4]。級(jí)聯(lián)側(cè)和并聯(lián)側(cè)的IGBT直流側(cè)通過銅排或疊排與母線電容連接,泄放電阻與母線電容并連。功率模塊級(jí)聯(lián)側(cè)IGBT交流側(cè)通過銅排引出,同時(shí)在引出銅排兩端并聯(lián)旁路開關(guān),以便對(duì)模塊進(jìn)行旁路操作。功率模塊并聯(lián)側(cè)IGBT交流側(cè)也通過銅排引出,在其中一根引出銅排上穿入電流霍爾,檢測交流電流,同時(shí)串聯(lián)并網(wǎng)接觸器,實(shí)現(xiàn)模塊的自動(dòng)接入和斷開。

圖1 功率模塊原理圖

功率模塊的總體設(shè)計(jì)原理圖可分為級(jí)聯(lián)側(cè)和并聯(lián)側(cè)兩部分來設(shè)計(jì),通過合理布局元器件位置,最大利用模塊空間,同時(shí)實(shí)現(xiàn)接線方便,強(qiáng)弱電分開,減少強(qiáng)電對(duì)弱電的干擾,總體結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 功率模塊總體結(jié)構(gòu)圖

2.2 功率模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

功率模塊結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。功率模塊主要包括殼體、散熱器、IGBT及驅(qū)動(dòng)板、IGBT疊層母排(簡稱疊排)、母線電容、母線電容疊層母排、連接銅排、旁路開關(guān)、并網(wǎng)接觸器、霍爾、熔斷器、泄放電阻、級(jí)聯(lián)側(cè)銅排、并聯(lián)側(cè)銅排、SCE控制板、SCE取電電源板、并網(wǎng)接觸器電源板、支撐絕緣板等零部件。

a) 功率模塊前軸側(cè)圖

散熱器豎著固定在殼體散熱器支持板上,散熱器水管接口安裝面與模塊前面平齊,方便模塊水管安裝與維護(hù)。級(jí)聯(lián)側(cè)兩個(gè)IGBT上下并列固定在散熱器側(cè)面前部,IGBT驅(qū)動(dòng)板朝向模塊前方,并聯(lián)側(cè)兩個(gè)IGBT上下并列固定在散熱器側(cè)面后部,IGBT驅(qū)動(dòng)板朝向模塊后方。IGBT直流側(cè)各通過一塊疊排連接在一起,通過中間一小段連接銅排,與母線電容疊排相連。母線電容安裝在散熱器下方,可豎直放置或水平放置。母線電容豎直放置時(shí),受力情況較好,但母線電容疊排安裝不便,需增加疊排與散熱底部的距離,以裝配疊排固定螺栓。母線電容水平放置時(shí),可在殼體上增加一電容安裝板,固定電容底部螺栓,同時(shí)電容上部固定的疊排可伸出來一段折彎成水平,用小絕緣子支撐在殼體上,也能起支撐電容的作用,疊排從模塊側(cè)面進(jìn)行固定,操作方便。母線電容疊排上部用絕緣支柱支撐一塊5 mm厚的絕緣支撐板,絕緣板材質(zhì)為SMC,絕緣支撐板上固定SCE控制板和SCE取電電源板。因SCE控制板需與外部控制柜通信,接收控制柜發(fā)來的信號(hào),可將SCE控制板朝模塊前后兩端布置。級(jí)聯(lián)側(cè)和并聯(lián)側(cè)各需一塊SCE控制板,可將一塊SCE控制板布置在模塊前部,另一塊SCE控制板布置在模塊后部,SCE控制板接口端均朝模塊外部,在模塊殼體上對(duì)應(yīng)位置開過線孔,以便模塊對(duì)外接線和觀察SCE控制板上指示燈的狀態(tài)。SCE取電電源板不需對(duì)外接線,可固定在兩塊SCE控制板中間區(qū)域,以充分利用空間。

SCE控制板在模塊內(nèi)部需與IGBT驅(qū)動(dòng)板連接,以實(shí)現(xiàn)對(duì)IGBT的控制,若在模塊此面將級(jí)聯(lián)側(cè)和并聯(lián)側(cè)銅排伸出模塊殼體,銅排將會(huì)從IGBT驅(qū)動(dòng)板上方區(qū)域經(jīng)過,這樣一是會(huì)對(duì)驅(qū)動(dòng)板造成電磁干擾,二是不方便SCE控制板與驅(qū)動(dòng)板之間接線,故考慮將級(jí)聯(lián)側(cè)和并聯(lián)側(cè)銅排繞到模塊另一面后,再伸出到模塊外面。銅排與模塊殼體金屬件之間應(yīng)滿足電氣間隙和爬電距離等電氣性能要求,銅排材質(zhì)選用T2純銅,規(guī)格應(yīng)滿足模塊載流要求,銅排表面需鍍錫處理,以滿足防腐要求。旁路開關(guān)并聯(lián)在模塊級(jí)聯(lián)側(cè)銅排上,操作面朝模塊前方,固定在模塊前面板后面,模塊前面板在旁路開關(guān)操作手柄及狀態(tài)顯示標(biāo)志位置開避讓孔,方便旁路開關(guān)操作和觀察旁路開關(guān)的分合閘狀態(tài)。并聯(lián)側(cè)銅排一根直接伸到模塊外,另外一根先接到并網(wǎng)接觸器一端,再從并網(wǎng)接觸器另一端引出銅排伸到模塊外,然后串聯(lián)一個(gè)熔斷器,最后銅排折彎一下,使接線孔成水平方向,方便用銅排與變壓器低壓側(cè)連接。泄放電阻也安裝在模塊此面,因泄放電阻發(fā)熱量大,在散熱器支撐板安泄放電阻位置開避讓孔,使泄放電阻緊貼散熱器背面安裝。在泄放電阻上方間隙區(qū)域,散熱器安裝板背面鉚螺母柱,將并網(wǎng)接觸器電源板安裝在螺母柱上。

散熱器和疊排是功率模塊的重要結(jié)構(gòu)件。散熱器一般為鋁型材加工而成,內(nèi)有冷卻液流道,流道要光滑,設(shè)計(jì)合理,保證流阻較小,流道口要去毛刺并做倒角處理,以方便安裝水管接頭。散熱器表面一般鍍鎳處理,防止生銹。散熱器與IGBT接觸區(qū)域的表面粗糙度為1.6 μm,以保證IGBT與散熱器表面的充分接觸,其他區(qū)域表面粗糙度可為3.2 μm。模塊IGBT疊排和電容疊排分割成3塊,能節(jié)約成本,便于加工和安裝。疊排為兩層2 mm銅排相互疊加,上下表面及中間各用一層0.75 mm絕緣紙壓合加工而成。疊排內(nèi)兩層銅排分成正極、負(fù)極,需滿足電氣間隙和爬電距離等電氣性能要求,伸出端與電容和IGBT正負(fù)極相連,滿足回路通流要求。

模塊殼體結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。模塊殼體主要由底板總裝、外殼、電容安裝板、安裝板、支架、拉手、加強(qiáng)角、導(dǎo)銷等零部件構(gòu)成。模塊殼體大部分零件均為覆鋁鋅板加工而成,斷面及切口處要涂防銹漆處理,組裝前覆鋁鋅板的防護(hù)膜不得去除,避免在轉(zhuǎn)運(yùn)及安裝中劃傷。功率模塊裝母線電容及IGBT較多,整體重量較大,在底板左右兩側(cè)共裝有8個(gè)不銹鋼滾輪,方便模塊抽出和插入。底板中間開有很多長條散熱孔,使自然風(fēng)能從模塊底板進(jìn)入模塊,將母線電容和控制板卡的熱量帶走。外殼3個(gè)面通過一體折彎成型,在外殼頂部壓有加強(qiáng)角,在兩個(gè)面交界處,通過拉鉚固定加強(qiáng)角,增加外殼強(qiáng)度。外殼與底座通過前后各5個(gè)沉頭螺釘聯(lián)接。外殼前面下方設(shè)計(jì)有拉手,方便抽拉模塊;后面下方設(shè)計(jì)有導(dǎo)銷,保證模塊裝入柜體能準(zhǔn)確定位。外殼上部開了兩個(gè)長方孔,一是保證連接銅排能順利裝配,二是能起散熱孔的作用,使模塊其他元器件產(chǎn)生的熱量能從模塊上部自然散去。電容安裝板和IGBT安裝板從前往后縱跨模塊,進(jìn)一步增加殼體強(qiáng)度。電容安裝板上也設(shè)計(jì)有很多長條散熱孔,進(jìn)一步增加母線電容的散熱。跨在電容安裝板和IGBT安裝板之間的兩個(gè)支架,用來支撐并網(wǎng)接觸器。

圖4 模塊殼體結(jié)構(gòu)圖

模塊結(jié)構(gòu)整體布局比較合理,空間利用率高,強(qiáng)弱電分開,減少強(qiáng)電對(duì)弱電的干擾,走線路徑短,維護(hù)方便,外形美觀。

2.3 功率模塊散熱器流阻和散熱分析

眾所周知,大功率電力電子器件IGBT工作時(shí)會(huì)釋放出大量的熱,必須把IGBT產(chǎn)生的熱量盡可能散去,以保證IGBT溫度不超標(biāo),可以持續(xù)工作。本文所述功率模塊主要是靠水冷散熱器內(nèi)介質(zhì)的循環(huán)流動(dòng)帶走IGBT產(chǎn)生的大部分熱量,散熱器流阻對(duì)散熱器散熱效率影響較大。單個(gè)散熱器安裝4個(gè)IGBT,靠近進(jìn)出水口的2個(gè)IGBT單個(gè)損耗為1 100 W,另外2個(gè)IGBT單個(gè)損耗為2 200 W,故單個(gè)散熱器需要帶走的熱損耗為6 600 W。根據(jù)IGBT能正常工作的溫度要求,考慮工程現(xiàn)場環(huán)境溫度,散熱介質(zhì)為40%乙二醇+60%純水,介質(zhì)進(jìn)散熱器溫度≤60 ℃,散熱器表面溫升相對(duì)于進(jìn)水溫度≤20 K,散熱器額定流量按30 L/min,單個(gè)散熱流阻<0.5 bar(不包括散熱器水嘴壓降),功率模塊在功率柜內(nèi)分上中下3排擺放,水路相當(dāng)于3個(gè)散熱器串聯(lián),設(shè)定進(jìn)水溫度為50 ℃,進(jìn)行有限元分析如圖5和圖6所示,3個(gè)散熱器流阻為1.5 bar,考慮連接水管有一定流阻,單個(gè)散熱器流阻<0.5 bar,散熱器臺(tái)面最高溫度為70.2 ℃,溫升20.2 K,基本滿足設(shè)計(jì)要求。

圖5 散熱器流阻有限元分析結(jié)果

圖6 散熱器溫升有限元分析結(jié)果

2.4 功率模塊的裝配工藝

準(zhǔn)備好安裝工具及相關(guān)物料后,功率模塊安裝過程如下:1)將模塊殼體平放在潔凈工作臺(tái)上;2)將散熱器固定在殼體散熱器安裝板上;3)將酒精均勻噴灑在散熱器、IGBT安裝表面,并用干凈無毛紙將其擦拭干凈;4)將擦拭干凈的IGBT放置到IGBT涂敷工裝上,蓋上絲網(wǎng)漏印板,在絲網(wǎng)漏印板的上端涂上薄薄一層導(dǎo)熱硅脂,用涂敷刮板將導(dǎo)熱硅脂從絲網(wǎng)板上端刮到下端(刮時(shí)要用力向下壓),將絲網(wǎng)的所有網(wǎng)孔填平;5)將涂好導(dǎo)熱硅脂的IGBT與散熱器連接固定,用手動(dòng)力矩扳手對(duì)IGBT緊固標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行力矩復(fù)檢,并劃力矩線;6)將驅(qū)動(dòng)板固定在IGBT上;7)將IGBT疊排及交流側(cè)銅排接觸面用百潔布輕輕打磨后,固定在IGBT上,螺栓按力矩要求緊固,并劃力矩線;8)將母線電容逐個(gè)安裝在電容安裝板上,電容底部固定螺母按電容廠家要求緊固;9)電容疊排接觸面和電容上正負(fù)極用百潔布打磨后,將電容疊排固定在電容正負(fù)極上,螺栓按力矩要求緊固,并劃力矩線,疊排下部用M8×30小絕緣子固定在殼體底座上;10)將IGBT疊排和母線電容疊排間連接銅排接觸面用百潔布打磨后,與兩種疊排連接在一起,螺栓按力矩要求緊固,并劃力矩線;11)將旁路開關(guān)、泄放電阻、霍爾安裝在模塊另一面相應(yīng)位置;12)級(jí)聯(lián)側(cè)和并聯(lián)側(cè)連接銅排接觸面用百潔布打磨后,將銅排連接在一起,螺栓按力矩要求緊固,并劃力矩線;13)將絕緣支撐板用絕緣螺柱固定在電容疊排表面后,在絕緣支撐板上安裝SCE控制板和SCE取電電源板;14)將并網(wǎng)接觸器電源板固定在散熱器安裝板背面的鉚螺母柱上,熔斷器固定在并聯(lián)側(cè)伸出銅排上,以及二次線綁線架固定到位。功率模塊安裝完成,再根據(jù)二次線接線圖,將元器件間二次線接好,固定牢固,功率模塊生產(chǎn)完成。

3 結(jié)語

本文所述的功率模塊具有結(jié)構(gòu)緊湊、功率密度高、安裝維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn),功率模塊已在廣州地鐵隴枕和赤沙滘兩個(gè)站中批量使用78個(gè),模塊占地面積小,運(yùn)行穩(wěn)定,能很好地滿足客戶的供電需求,表明此結(jié)構(gòu)可以大量推廣使用。