摘要：详细介绍了一种和谐型机车牵引变流器功率模块研究和设计过程，通过理论计算、MATLAB仿真、关键部件的选型，功能试验和散热设计等充分验证了该牵引变流器功率模块的可行性和实用性，它的成功研制对于原车型和新造车型的维修、新造产品和未来的检修市场具有重要意义。
关键词：牵引变流器；功率模块；MATLAB仿真；散热设计
1 背景
和谐型机车上的大部分产品都经历了技术引进、消化吸收和国产化三个阶段，实现了转让产品国产化生产、供货和装车运用。由于受到合同产品转让范围等限制，一些科研单位并不具备研制和生产牵引变流器功率模块的能力。目前，德国英飞凌、日本三菱等大公司在研制功率模块的能力方面处于领先地位。为了有效避免在采购相关产品时，由于其生产成本高、供货周期长等不利因素完全受制于国外企业，国内的一些科研单位已经开始研究这项技术，并具备了相应的研发能力。本文依托我所已有的机车牵引控制系统技术优势和经验，对一种和谐型机车牵引变流器功率模块进行了研究与设计工作。
2 牵引变流器功率模块
2.1 结构组成
功率模块是一种独立于牵引变流系统的子系统，包括多个IGBT模块及对应的驱动板、复合母排、滤波电容器、散热器及结构部件、光纤、温度传感器及驱动电源对外连接器等。冷却方式采用热管散热器强迫风冷，采用复合母排技术实现功率电路的电气连接，减少布线长度及寄生电感。整个模块为组合式结构，便于安装和维护。基于功率模块的牵引变流器如图1所示。
图1 基于功率模块的牵引变流器主电路拓扑图
2.2 牵引变流器功率模块技术参数
输入电压额定值 2650V DC
IGBT参数 4.5kV/1200A DC
2.3 工作原理及功能
功率模块的工作原理是将直流电变换为三相交流电，通过控制IGBT开关状态获得期望的电压幅值和频率。功率模块具有过温保护、短路保护和驱动板电源欠压保护等功能。
3 设计计算与仿真
3.1 主电路参数计算
根据系统参数与电机的额定参数，考虑过载及安全裕量，可计算出变流器的输出电流为1183A，可取1200A。
根据负载电机功率及直流母线支撑电容的充放电过程，可以得到三相不控整流下直流母线支撑电容容量，通过计算可得电容容量大于4700uF，可取C为5000uF。
3.2 牵引变流器仿真
在MATLAB/Simulink下搭建仿真模型，以验证理论计算的正确性。仿真时，利用三相电压源和三相不控整流桥搭建系统，具体仿真系统框图和仿真结果如图2所示：
（a）MATLAB仿真系统框图
（b）直流母线电压波形
图2 一种和谐型机车牵引变流器MATLAB仿真
由仿真波形可以看出，系统在额定负载工况下，直流母线电压平均值为2660V左右，与理论计算值吻合，验证了理论计算的正确性。
4 关键部件选型
（1）IGBT选型
考虑过载及安全裕量等因素，IGBT选取三菱公司或英飞凌公司的容量为4500V/1200A的模块。
（2）驱动板
根据IGBT的开关特性和功率模块的驱动与反馈特征，设计IGBT驱动板。
（3）支撑电容
选取支撑电容的耐压等级为3300V，选取薄膜电容，电容值可取2000uF。
（4）复合母排
复合母排采用低感设计，母排之间的绝缘采用高性能的绝缘薄膜。
5 散热设计
功率模块的冷却采用热管散热器加强迫风冷来实现，IGBT模块固定在基板上，基板及背面布置热管，利用封闭壳体形成风道。
6 牵引变流器功率模块试验
为了测试方便，采用单相变流器带电抗器的测试方法。系统主要由两个功率模块和电抗器负载组成。主要测试功率模块的逆变输出功能、散热及温升，功能试验原理图如图3所示。
图3 功能试验原理图
（1）功率模块1和功率模块2的正极互相连接，负极互相连接，中点通过电抗器L2相连；
（2）支撑电容预充电至直流600V，闭合直流接触器K，使充电电阻R旁路；
（3）设定逆变输出的电压和频率，使流过电抗器负载的电流达到200A。
在以上基础上，对功率模块的散热和温升情况进行测量。保持运行状态1小时或者达到热平衡为止，这段期间实时监测散热器的表面温度。
在环境温度（21°C）下进行温升试验后，功率模块内IGBT模块附近各测试点的温升最大在14°C左右，满足散热器温升要求。
7 总结与展望
本文在既有的机车牵引控制系统的基础上，深入的对一种机车牵引变流器功率模块进行了研究和开发工作。通过理论计算、MATLAB模型仿真和试验等，验证了该功率模块设计的可行性。该功率模块的设计与开发，对于原车型和新造车型的维修与维护、新造产品和未来的检修市场具有重要意义。
参考文献：
[1] 林飞，杜欣.电力电子应用的MATLAB仿真[M].北京：中国电力出版社，2008.
[2] 熊妍，沈燕群，等.IGBT损耗计算和损耗模型研究[J].电源技术应用.2006，9（5）：55-60.
作者简介：
闫岩（1987-），男，吉林长春人，工程师。
论文作者:闫岩,阚京波
论文发表刊物:《基层建设》2019年第25期
论文发表时间:2019/12/9
标签：变流器论文; 模块论文; 功率论文; 新造论文; 机车论文; 电容论文; 母线论文; 《基层建设》2019年第25期论文;