一种同相供电装置功率模块的结构设计

王 阔,孙 健,翟 超,祁 招

(河南许继电力电子有限公司,河南 许昌 461000)

电气化铁道普遍采用由公用电力系统供电的单相工频交流制,为使单相的牵引负荷在三相电力系统中尽可能均匀分配,电气化铁道往往采用轮换相序、分相分区供电的方案[1]。随着我国高速铁路和重载铁路运行对供电电网容量需求增加,对电网不平衡影响也随之增加。相对于轮换相序、分段分区牵引供电方式,同相牵引供电方式可以在取消牵引变电所出口处电分相、消除供电瓶颈、增加供电能力、增强节能效果的同时,还能有效治理负序电流,达到以三相电压不平衡度国标限值为主的电能质量要求,是一种理想的电气化铁路牵引供电方式[2]。功率模块是同相供电装置的核心部件,其体积大小和布置方式决定了同相供电装置的整体尺寸和性能指标。

1 研发背景

功率模块作为变流器的核心部件,在各领域应用十分广泛。目前,市场上现有的同相供电功率模块有如下特点:1)单个功率模块能量密度低,整套设备所需功率模块数量多,安装不方便且成本高;2)功率模块多采用风冷散热,散热效果差,单模块容量小;3)功率模块数量多导致功率柜体积大,占地面积大,建设成本高[3]。为了克服现有同相供电装置功率模块存在的问题,急需设计一种布局合理、结构紧凑、能量密度大、其他散热方式、性能可靠的同相供电功率模块。

2 功率模块的结构设计及装配工艺

2.1 总体设计思路

参照同相供电装置功率模块原理图(见图1),功率模块分为级联侧和并联侧[4]。级联侧和并联侧的IGBT直流侧通过铜排或叠排与母线电容连接,泄放电阻与母线电容并连。功率模块级联侧IGBT交流侧通过铜排引出,同时在引出铜排两端并联旁路开关,以便对模块进行旁路操作。功率模块并联侧IGBT交流侧也通过铜排引出,在其中一根引出铜排上穿入电流霍尔,检测交流电流,同时串联并网接触器,实现模块的自动接入和断开。

图1 功率模块原理图

功率模块的总体设计原理图可分为级联侧和并联侧两部分来设计,通过合理布局元器件位置,最大利用模块空间,同时实现接线方便,强弱电分开,减少强电对弱电的干扰,总体结构图如图2所示。

图2 功率模块总体结构图

2.2 功率模块的结构设计

功率模块结构图如图3所示。功率模块主要包括壳体、散热器、IGBT及驱动板、IGBT叠层母排(简称叠排)、母线电容、母线电容叠层母排、连接铜排、旁路开关、并网接触器、霍尔、熔断器、泄放电阻、级联侧铜排、并联侧铜排、SCE控制板、SCE取电电源板、并网接触器电源板、支撑绝缘板等零部件。

a) 功率模块前轴侧图

散热器竖着固定在壳体散热器支持板上,散热器水管接口安装面与模块前面平齐,方便模块水管安装与维护。级联侧两个IGBT上下并列固定在散热器侧面前部,IGBT驱动板朝向模块前方,并联侧两个IGBT上下并列固定在散热器侧面后部,IGBT驱动板朝向模块后方。IGBT直流侧各通过一块叠排连接在一起,通过中间一小段连接铜排,与母线电容叠排相连。母线电容安装在散热器下方,可竖直放置或水平放置。母线电容竖直放置时,受力情况较好,但母线电容叠排安装不便,需增加叠排与散热底部的距离,以装配叠排固定螺栓。母线电容水平放置时,可在壳体上增加一电容安装板,固定电容底部螺栓,同时电容上部固定的叠排可伸出来一段折弯成水平,用小绝缘子支撑在壳体上,也能起支撑电容的作用,叠排从模块侧面进行固定,操作方便。母线电容叠排上部用绝缘支柱支撑一块5 mm厚的绝缘支撑板,绝缘板材质为SMC,绝缘支撑板上固定SCE控制板和SCE取电电源板。因SCE控制板需与外部控制柜通信,接收控制柜发来的信号,可将SCE控制板朝模块前后两端布置。级联侧和并联侧各需一块SCE控制板,可将一块SCE控制板布置在模块前部,另一块SCE控制板布置在模块后部,SCE控制板接口端均朝模块外部,在模块壳体上对应位置开过线孔,以便模块对外接线和观察SCE控制板上指示灯的状态。SCE取电电源板不需对外接线,可固定在两块SCE控制板中间区域,以充分利用空间。

SCE控制板在模块内部需与IGBT驱动板连接,以实现对IGBT的控制,若在模块此面将级联侧和并联侧铜排伸出模块壳体,铜排将会从IGBT驱动板上方区域经过,这样一是会对驱动板造成电磁干扰,二是不方便SCE控制板与驱动板之间接线,故考虑将级联侧和并联侧铜排绕到模块另一面后,再伸出到模块外面。铜排与模块壳体金属件之间应满足电气间隙和爬电距离等电气性能要求,铜排材质选用T2纯铜,规格应满足模块载流要求,铜排表面需镀锡处理,以满足防腐要求。旁路开关并联在模块级联侧铜排上,操作面朝模块前方,固定在模块前面板后面,模块前面板在旁路开关操作手柄及状态显示标志位置开避让孔,方便旁路开关操作和观察旁路开关的分合闸状态。并联侧铜排一根直接伸到模块外,另外一根先接到并网接触器一端,再从并网接触器另一端引出铜排伸到模块外,然后串联一个熔断器,最后铜排折弯一下,使接线孔成水平方向,方便用铜排与变压器低压侧连接。泄放电阻也安装在模块此面,因泄放电阻发热量大,在散热器支撑板安泄放电阻位置开避让孔,使泄放电阻紧贴散热器背面安装。在泄放电阻上方间隙区域,散热器安装板背面铆螺母柱,将并网接触器电源板安装在螺母柱上。

散热器和叠排是功率模块的重要结构件。散热器一般为铝型材加工而成,内有冷却液流道,流道要光滑,设计合理,保证流阻较小,流道口要去毛刺并做倒角处理,以方便安装水管接头。散热器表面一般镀镍处理,防止生锈。散热器与IGBT接触区域的表面粗糙度为1.6 μm,以保证IGBT与散热器表面的充分接触,其他区域表面粗糙度可为3.2 μm。模块IGBT叠排和电容叠排分割成3块,能节约成本,便于加工和安装。叠排为两层2 mm铜排相互叠加,上下表面及中间各用一层0.75 mm绝缘纸压合加工而成。叠排内两层铜排分成正极、负极,需满足电气间隙和爬电距离等电气性能要求,伸出端与电容和IGBT正负极相连,满足回路通流要求。

模块壳体结构图如图4所示。模块壳体主要由底板总装、外壳、电容安装板、安装板、支架、拉手、加强角、导销等零部件构成。模块壳体大部分零件均为覆铝锌板加工而成,断面及切口处要涂防锈漆处理,组装前覆铝锌板的防护膜不得去除,避免在转运及安装中划伤。功率模块装母线电容及IGBT较多,整体重量较大,在底板左右两侧共装有8个不锈钢滚轮,方便模块抽出和插入。底板中间开有很多长条散热孔,使自然风能从模块底板进入模块,将母线电容和控制板卡的热量带走。外壳3个面通过一体折弯成型,在外壳顶部压有加强角,在两个面交界处,通过拉铆固定加强角,增加外壳强度。外壳与底座通过前后各5个沉头螺钉联接。外壳前面下方设计有拉手,方便抽拉模块;后面下方设计有导销,保证模块装入柜体能准确定位。外壳上部开了两个长方孔,一是保证连接铜排能顺利装配,二是能起散热孔的作用,使模块其他元器件产生的热量能从模块上部自然散去。电容安装板和IGBT安装板从前往后纵跨模块,进一步增加壳体强度。电容安装板上也设计有很多长条散热孔,进一步增加母线电容的散热。跨在电容安装板和IGBT安装板之间的两个支架,用来支撑并网接触器。

图4 模块壳体结构图

模块结构整体布局比较合理,空间利用率高,强弱电分开,减少强电对弱电的干扰,走线路径短,维护方便,外形美观。

2.3 功率模块散热器流阻和散热分析

众所周知,大功率电力电子器件IGBT工作时会释放出大量的热,必须把IGBT产生的热量尽可能散去,以保证IGBT温度不超标,可以持续工作。本文所述功率模块主要是靠水冷散热器内介质的循环流动带走IGBT产生的大部分热量,散热器流阻对散热器散热效率影响较大。单个散热器安装4个IGBT,靠近进出水口的2个IGBT单个损耗为1 100 W,另外2个IGBT单个损耗为2 200 W,故单个散热器需要带走的热损耗为6 600 W。根据IGBT能正常工作的温度要求,考虑工程现场环境温度,散热介质为40%乙二醇+60%纯水,介质进散热器温度≤60 ℃,散热器表面温升相对于进水温度≤20 K,散热器额定流量按30 L/min,单个散热流阻<0.5 bar(不包括散热器水嘴压降),功率模块在功率柜内分上中下3排摆放,水路相当于3个散热器串联,设定进水温度为50 ℃,进行有限元分析如图5和图6所示,3个散热器流阻为1.5 bar,考虑连接水管有一定流阻,单个散热器流阻<0.5 bar,散热器台面最高温度为70.2 ℃,温升20.2 K,基本满足设计要求。

图5 散热器流阻有限元分析结果

图6 散热器温升有限元分析结果

2.4 功率模块的装配工艺

准备好安装工具及相关物料后,功率模块安装过程如下:1)将模块壳体平放在洁净工作台上;2)将散热器固定在壳体散热器安装板上;3)将酒精均匀喷洒在散热器、IGBT安装表面,并用干净无毛纸将其擦拭干净;4)将擦拭干净的IGBT放置到IGBT涂敷工装上,盖上丝网漏印板,在丝网漏印板的上端涂上薄薄一层导热硅脂,用涂敷刮板将导热硅脂从丝网板上端刮到下端(刮时要用力向下压),将丝网的所有网孔填平;5)将涂好导热硅脂的IGBT与散热器连接固定,用手动力矩扳手对IGBT紧固标准件进行力矩复检,并划力矩线;6)将驱动板固定在IGBT上;7)将IGBT叠排及交流侧铜排接触面用百洁布轻轻打磨后,固定在IGBT上,螺栓按力矩要求紧固,并划力矩线;8)将母线电容逐个安装在电容安装板上,电容底部固定螺母按电容厂家要求紧固;9)电容叠排接触面和电容上正负极用百洁布打磨后,将电容叠排固定在电容正负极上,螺栓按力矩要求紧固,并划力矩线,叠排下部用M8×30小绝缘子固定在壳体底座上;10)将IGBT叠排和母线电容叠排间连接铜排接触面用百洁布打磨后,与两种叠排连接在一起,螺栓按力矩要求紧固,并划力矩线;11)将旁路开关、泄放电阻、霍尔安装在模块另一面相应位置;12)级联侧和并联侧连接铜排接触面用百洁布打磨后,将铜排连接在一起,螺栓按力矩要求紧固,并划力矩线;13)将绝缘支撑板用绝缘螺柱固定在电容叠排表面后,在绝缘支撑板上安装SCE控制板和SCE取电电源板;14)将并网接触器电源板固定在散热器安装板背面的铆螺母柱上,熔断器固定在并联侧伸出铜排上,以及二次线绑线架固定到位。功率模块安装完成,再根据二次线接线图,将元器件间二次线接好,固定牢固,功率模块生产完成。

3 结语

本文所述的功率模块具有结构紧凑、功率密度高、安装维护方便等优点,功率模块已在广州地铁陇枕和赤沙滘两个站中批量使用78个,模块占地面积小,运行稳定,能很好地满足客户的供电需求,表明此结构可以大量推广使用。