一種同相供電裝置功率模塊的結構設計

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供電的單相工頻交流制,為使單相的牽引負荷在三相電力系統中盡可能均勻分配,電氣化鐵道往往采用輪換相序、分相分區供電的方案[1]。隨著我國高速鐵路和重載鐵路運行對供電電網容量需求增加,對電網不平衡影響也隨之增加。相對于輪換相序、分段分區牽引供電方式,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、增強節能效果的同時,還能有效治理負序電流,達到以三相電壓不平衡度國標限值為主的電能質量要求,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決定了同相供電裝置的整體尺寸和性能指標。

1 研發背景

功率模塊作為變流器的核心部件,在各領域應用十分廣泛。目前,市場上現有的同相供電功率模塊有如下特點:1)單個功率模塊能量密度低,整套設備所需功率模塊數量多,安裝不方便且成本高;2)功率模塊多采用風冷散熱,散熱效果差,單模塊容量小;3)功率模塊數量多導致功率柜體積大,占地面積大,建設成本高[3]。為了克服現有同相供電裝置功率模塊存在的問題,急需設計一種布局合理、結構緊湊、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 功率模塊的結構設計及裝配工藝

2.1 總體設計思路

參照同相供電裝置功率模塊原理圖(見圖1),功率模塊分為級聯側和并聯側[4]。級聯側和并聯側的IGBT直流側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。功率模塊級聯側IGBT交流側通過銅排引出,同時在引出銅排兩端并聯旁路開關,以便對模塊進行旁路操作。功率模塊并聯側IGBT交流側也通過銅排引出,在其中一根引出銅排上穿入電流霍爾,檢測交流電流,同時串聯并網接觸器,實現模塊的自動接入和斷開。

圖1 功率模塊原理圖

功率模塊的總體設計原理圖可分為級聯側和并聯側兩部分來設計,通過合理布局元器件位置,最大利用模塊空間,同時實現接線方便,強弱電分開,減少強電對弱電的干擾,總體結構圖如圖2所示。

圖2 功率模塊總體結構圖

2.2 功率模塊的結構設計

功率模塊結構圖如圖3所示。功率模塊主要包括殼體、散熱器、IGBT及驅動板、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、并網接觸器、霍爾、熔斷器、泄放電阻、級聯側銅排、并聯側銅排、SCE控制板、SCE取電電源板、并網接觸器電源板、支撐絕緣板等零部件。

a) 功率模塊前軸側圖

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。級聯側兩個IGBT上下并列固定在散熱器側面前部,IGBT驅動板朝向模塊前方,并聯側兩個IGBT上下并列固定在散熱器側面后部,IGBT驅動板朝向模塊后方。IGBT直流側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,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,可在殼體上增加一電容安裝板,固定電容底部螺栓,同時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,疊排從模塊側面進行固定,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,接收控制柜發來的信號,可將SCE控制板朝模塊前后兩端布置。級聯側和并聯側各需一塊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,在模塊殼體上對應位置開過線孔,以便模塊對外接線和觀察SCE控制板上指示燈的狀態。SCE取電電源板不需對外接線,可固定在兩塊SCE控制板中間區域,以充分利用空間。

SCE控制板在模塊內部需與IGBT驅動板連接,以實現對IGBT的控制,若在模塊此面將級聯側和并聯側銅排伸出模塊殼體,銅排將會從IGBT驅動板上方區域經過,這樣一是會對驅動板造成電磁干擾,二是不方便SCE控制板與驅動板之間接線,故考慮將級聯側和并聯側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滿足電氣間隙和爬電距離等電氣性能要求,銅排材質選用T2純銅,規格應滿足模塊載流要求,銅排表面需鍍錫處理,以滿足防腐要求。旁路開關并聯在模塊級聯側銅排上,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操作手柄及狀態顯示標志位置開避讓孔,方便旁路開關操作和觀察旁路開關的分合閘狀態。并聯側銅排一根直接伸到模塊外,另外一根先接到并網接觸器一端,再從并網接觸器另一端引出銅排伸到模塊外,然后串聯一個熔斷器,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連接。泄放電阻也安裝在模塊此面,因泄放電阻發熱量大,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域,散熱器安裝板背面鉚螺母柱,將并網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構件。散熱器一般為鋁型材加工而成,內有冷卻液流道,流道要光滑,設計合理,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。疊排內兩層銅排分成正極、負極,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正負極相連,滿足回路通流要求。

模塊殼體結構圖如圖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、加強角、導銷等零部件構成。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膜不得去除,避免在轉運及安裝中劃傷。功率模塊裝母線電容及IGBT較多,整體重量較大,在底板左右兩側共裝有8個不銹鋼滾輪,方便模塊抽出和插入。底板中間開有很多長條散熱孔,使自然風能從模塊底板進入模塊,將母線電容和控制板卡的熱量帶走。外殼3個面通過一體折彎成型,在外殼頂部壓有加強角,在兩個面交界處,通過拉鉚固定加強角,增加外殼強度。外殼與底座通過前后各5個沉頭螺釘聯接。外殼前面下方設計有拉手,方便抽拉模塊;后面下方設計有導銷,保證模塊裝入柜體能準確定位。外殼上部開了兩個長方孔,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,進一步增加殼體強度。電容安裝板上也設計有很多長條散熱孔,進一步增加母線電容的散熱?？缭陔娙莅惭b板和IGBT安裝板之間的兩個支架,用來支撐并網接觸器。

圖4 模塊殼體結構圖

模塊結構整體布局比較合理,空間利用率高,強弱電分開,減少強電對弱電的干擾,走線路徑短,維護方便,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工作時會釋放出大量的熱,必須把IGBT產生的熱量盡可能散去,以保證IGBT溫度不超標,可以持續工作。本文所述功率模塊主要是靠水冷散熱器內介質的循環流動帶走IGBT產生的大部分熱量,散熱器流阻對散熱器散熱效率影響較大。單個散熱器安裝4個IGBT,靠近進出水口的2個IGBT單個損耗為1 100 W,另外2個IGBT單個損耗為2 200 W,故單個散熱器需要帶走的熱損耗為6 600 W。根據IGBT能正常工作的溫度要求,考慮工程現場環境溫度,散熱介質為40%乙二醇+60%純水,介質進散熱器溫度≤60 ℃,散熱器表面溫升相對于進水溫度≤20 K,散熱器額定流量按30 L/min,單個散熱流阻<0.5 bar(不包括散熱器水嘴壓降),功率模塊在功率柜內分上中下3排擺放,水路相當于3個散熱器串聯,設定進水溫度為50 ℃,進行有限元分析如圖5和圖6所示,3個散熱器流阻為1.5 bar,考慮連接水管有一定流阻,單個散熱器流阻<0.5 bar,散熱器臺面最高溫度為70.2 ℃,溫升20.2 K,基本滿足設計要求。

圖5 散熱器流阻有限元分析結果

圖6 散熱器溫升有限元分析結果

2.4 功率模塊的裝配工藝

準備好安裝工具及相關物料后,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,蓋上絲網漏印板,在絲網漏印板的上端涂上薄薄一層導熱硅脂,用涂敷刮板將導熱硅脂從絲網板上端刮到下端(刮時要用力向下壓),將絲網的所有網孔填平;5)將涂好導熱硅脂的IGBT與散熱器連接固定,用手動力矩扳手對IGBT緊固標準件進行力矩復檢,并劃力矩線;6)將驅動板固定在IGBT上;7)將IGBT疊排及交流側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極用百潔布打磨后,將電容疊排固定在電容正負極上,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、泄放電阻、霍爾安裝在模塊另一面相應位置;12)級聯側和并聯側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,熔斷器固定在并聯側伸出銅排上,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,功率模塊生產完成。

3 結語

本文所述的功率模塊具有結構緊湊、功率密度高、安裝維護方便等優點,功率模塊已在廣州地鐵隴枕和赤沙滘兩個站中批量使用78個,模塊占地面積小,運行穩定,能很好地滿足客戶的供電需求,表明此結構可以大量推廣使用。