CN102739069B - 一种功率半导体模块以及应用其的电力电子设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种功率半导体模块以及应用其的电力电子设备，包括上桥臂电路、容纳上桥臂电路的箱型的第一外壳、下桥臂电路以及容纳下桥臂电路的箱型的第二外壳，其中，上桥臂电路以及容纳上桥臂电路的箱型的第一外壳进行独立封装成第一模块，下桥臂电路以及容纳下桥臂电路的箱型的第二外壳进行独立封装成第二模块，即采用本发明提供的半导体模块构成的三电平变频器的每一相只包括两个模块，相比现有技术中变频器中每一相的模块数减少，使得各个模块之间需要的外接连接线路减少，进而降低了各个模块的功率消耗，同时，采用本发明提供的半导体模块构成的三电平变频器相互连接后的变频器的电路体积减小，进而减小了制作成本。

Description

一种功率半导体模块以及应用其的电力电子设备

技术领域

本发明涉及电力电子***，更具体的说是涉及一种功率半导体模块以及应用其的电力电子设备。

背景技术

三电平变频器在电气传动领域得到了广泛的应用，其中，三电平逆变拓扑结构为高电压、大功率变频器的实现提供了一个有效的途径。目前，传统的三电平逆变拓扑结构主要包括多个箝位二极管以及多个开关元件，其中，每个开关元件由逆并联连接的绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate BipolarTransistor，IGBT）和续流二极管（Freewheeling diode，FWD）组成，且三电平逆变拓扑结构的每一相包括2个箝位二极管和4个开关元件，通常将2个箝位二极管封装在一起称为二极管模块，将2个开关元件封装在一起称为IGBT模块。现有技术所采用的这种封装方式使得三电平逆变拓扑结构的每一相由3个模块构成，相应的，每个三电平两象限变频器包括9个模块，即3个二极管模块和6个IGBT模块，同理，每个三电平四象限变频器包括18个模块，即6个二极管模块和12个IGBT模块。

这样一来，现有技术中的三电平变频器所采用的模块数量较多，又因各个模块之间需要使用大量的外接线路进行连接，进而导致了现有技术中三电平变频器由于电流多次流过封装模块，造成了各个模块的功率消耗高，且相互连接后的变频器的电路体积较大，进而增加了制作成本。因此，如何减少三电平变频器所使用的模块数量一直是业界亟待改进的目标。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种功率半导体模块以及应用其的电力电子设备，有效的解决了现有技术中三电平变频器模块数量较多、各模块功率消耗高、电路体积较大的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种功率半导体模块，包括第一模块以及第二模块，所述第一模块包括上桥臂电路以及容纳所述上桥臂电路箱型的第一外壳，所述第二模块包括下桥臂电路以及容纳所述下桥臂电路箱型的第二外壳，其中，所述上桥臂电路包括：第一箝位二极管、第一开关元件以及第二开关元件，所述第一开关元件和所述第二开关元件均包括逆并联连接的绝缘栅双极型晶体管（IGBT）和续流二极管（FWD），所述第一箝位二极管的输出端分别与所述第一开关元件中IGBT的发射极以及所述第二开关元件中IGBT的集电极相连；

所述下桥臂电路包括：第二箝位二极管、第三开关元件以及第四开关元件，所述第三开关元件和所述第四开关元件均包括逆并联连接的IGBT和FWD，所述第二箝位二极管的输入端分别与所述第三开关元件中IGBT的发射极以及所述第四开关元件中IGBT的集电极相连；

所述第二开关元件中IGBT的发射极与所述第三开关元件中IGBT的集电极相连，所述第一箝位二极管的输入端与所述第二箝位二极管的输出端相连。

优选的，所述第一外壳包括：设置在所述第一外壳的四角以及所述第一外壳长边上的并以用于安装螺丝钉的螺钉座；设置在所述第一外壳的顶部中央区域的主电路端子板；设置在所述第一外壳的顶部边缘区域的控制端子板。

优选的，所述第二外壳包括：设置在所述第二外壳的四角以及所述第二外壳长边上的并以用于安装螺丝钉的螺钉座；设置在所述第二外壳的顶部中央区域的主电路端子板；设置在所述第二外壳的顶部边缘区域的控制端子板。

优选的，所述第一模块还包括第一温度传感器，用于检测所述第一模块的温度，并在检测到所述第一模块的温度超过预设范围时，启动外接散热装置。

优选的，所述第二模块还包括第二温度传感器，用于检测所述第二模块的温度，并在检测到所述第二模块的温度超过预设范围时，启动外接散热装置。

优选的，所述功率半导体模块为采用PrimePack2封装形式的模块。

优选的，所述第一外壳以及所述第二外壳为模制树脂外壳。

一种电力电子设备，包括上述的任一功率半导体模块。

一种三电平两象限变频器，包括整流部分、逆变部分、IGBT驱动电源以及驱动芯片，其中，所述逆变部分包括三个上述的任一功率半导体模块。

一种三电平四象限变频器，包括整流部分、逆变部分、IGBT驱动电源以及驱动芯片，其中，所述整流部分与逆变部分均包括三个上述的任一功率半导体模块。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明提供了一种功率半导体模块以及应用其的电力电子设备，包括上桥臂电路、容纳所述上桥臂电路的箱型的第一外壳、下桥臂电路以及容纳所述下桥臂电路的箱型的第二外壳，其中，所述上桥臂电路以及容纳上桥臂电路的箱型的第一外壳进行独立封装成第一模块，所述下桥臂电路以及容纳下桥臂电路的箱型的第二外壳进行独立封装成第二模块，即采用本发明提供的半导体模块构成的三电平变频器的每一相包括两个模块，相比现有技术中变频器中每一相的模块数减少，使得各个模块之间需要的外接连接线路减少，进而降低了各个模块的功率消耗，同时，采用本发明提供的半导体模块构成的三电平变频器相互连接后的所述变频器的电路体积减小，进而减小了制作成本。

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作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的三电平变频器中每一相的封装示意图；

图2为本发明提供的一种功率半导体模块的上桥臂电路的电路图；

图3为本发明提供的一种功率半导体模块的下桥臂电路的电路图；

图4为本发明提供的三电平两象限变频器的封装结构图；

图5为本发明提供的三电平四象限变频器的封装结构图；

图6为本发明提供的一种容纳上桥臂电路的箱型的第一外壳的结构示意图；

图7为本发明提供的一种功率半导体模块的第一模块的内部示意图；

图8为本发明提供的一种功率半导体模块的第一外壳与第二外壳相连接的结构示意图。

具体实施方式

为了引用和清楚起见，下文中使用的技术名词的说明、简写或缩写总结如下：

IGBT：Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管。

FWD：Freewheeling diode，续流二极管。

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，所描述的实施例仅仅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。

本发明提供了一种功率半导体模块以及应用其的变频器，包括上桥臂电路、容纳所述上桥臂电路的箱型的第一外壳、下桥臂电路以及容纳所述下桥臂电路的箱型的第二外壳，其中，所述上桥臂电路以及容纳上桥臂电路的箱型的第一外壳进行独立封装成第一模块，所述下桥臂电路以及容纳下桥臂电路的箱型的第二外壳进行独立封装成第二模块，即采用本发明提供的半导体模块构成的三电平变频器的每一相包括两个模块，相比现有技术中变频器中每一相的模块数减少，使得各个模块之间需要的外接连接线路减少，进而降低了各个模块的功率消耗，同时，采用本发明提供的半导体模块构成的三电平变频器相互连接后的所述变频器的电路体积减小，进而减小了制作成本。

请参阅图1，图1为本发明提供的一种三电平变频器中每一相的封装示意图，其中，一种功率半导体模块包括第一模块以及第二模块，第一模块包括上桥臂电路10以及容纳上桥臂电路10的箱型的第一外壳，第二模块包括下桥臂电路20以及容纳下桥臂电路20的箱型的第二外壳。

其中，上桥臂电路10，如图2所示，为本发明提供的一种功率半导体模块的上桥臂电路10的电路图，包括：第一开关元件101、第二开关元件102以及第一箝位二极管103。第一开关元件101以及第二开关元件102均包括逆并联连接的IGBT和FWD，第一箝位二极管103的阴极分别与第一开关元件101中IGBT的发射极以及第二开关元件102中IGBT的集电极相连。

下桥臂电路20，如图3所示，为本发明提供的一种功率半导体模块的下桥臂电路20的电路图，包括：第三开关元件201、第四开关元件202以及第二箝位二极管203。第三开关元件201以及第四开关元件202均包括逆并联连接的IGBT和FWD，第二箝位二极管203的阳极分别与第三开关元件201中IGBT的发射极以及第四开关元件202中IGBT的集电极相连。

上桥臂电路10中的第二开关元件102中IGBT的发射极与下桥臂电路20中的第三开关元件201中IGBT的集电极相连，第一箝位二极管103的阳极与第二箝位二极管203的阴极相连。

其中，上桥臂电路10中的控制端如图2所示，下桥臂电路20中的控制端如图3所示，具体为：第一箝位二极管103的阳极为9a端，第一开关元件101中IGBT的栅极为4a端、集电极为5a端和10a端、发射极为3a端，第二开关元件102中IGBT的栅极为1a端、发射极为2a端和8a端。同样的，第二箝位二极管203的阴极为9b端，第三开关元件201中IGBT的栅极为4b端、集电极为5b端和8b端、发射极为3b端，第四开关元件202中IGBT的栅极为1b端、发射极为2b端和10b端。优选的，第一模块还包括第一温度传感器104，用于检测第一模块的温度，并在检测到第一模块的温度超过预设范围时，启动外接散热装置，如图2中，温度传感器的两端分别为6a端和7a端。同样，第二模块还包括第二温度传感器204，用于检测第二模块的温度，并在检测到第二模块的温度超过预设范围时，启动外接散热装置，如图3中，温度传感器的两端分别为6b端和7b端。

本实施例提供的第一外壳与第二外壳结构相同，现以第一外壳为例进行介绍，如图6所示，为本发明提供的一种容纳上桥臂电路的箱型的第一外壳的结构示意图，包括：螺钉座301、主电路端子板302以及控制端子板303。

螺钉座301设置在第一外壳的四角以及第一外壳长边上的，用于接纳安装螺丝钉；主电路端子板302设置在第一外壳的顶部中央区域，用于主电路端子间的连接，其中，端子10a、9a、8a以及10b、9b、8b作为主电路端子；控制端子板303设置在第一外壳的顶部边缘区域，用于控制端子与外接连线，其中，端子1a、1b、2a、2b、3a、3b、4a、4b、5a、5b、6a、6b、7a、7b为控制端子。

具体的，上桥臂电路10封装在第一外壳内部，形成第一模块，第一模块的内部示意图如图7所示，为本发明提供的一种功率半导体模块的第一模块的内部示意图，第一模块内部设置有各个器件的接线端子，其中，8、9、10为主电路端子接线端，1、2、3、4、5、6、7为控制端子接线端。

这里需要说明的是，主电路端子和控制端子的定义可根据实际需求自行设定，并不局限于上述一种定义方式。

本实施例提供的第一模块以及第二模块采用了标准PrimePack2封装形式，即将两个模块在应用时并排封装在一起，从而形成本发明实施例的功率半导体模块，如图8所示，为本发明提供的一种功率半导体模块的第一外壳与第二外壳相连接的结构示意图，第一模块的8a端和第二模块的8b端相连，作为三电平的逆变拓扑结构的一相输出端，第一模块的9a端和第二模块的9b端连接在一起，作为三电平直流母线电压的中点。第一模块的10a端连直流母线的正电压，第二模块的10b端连直流母线的负电压。这样三电平逆变拓扑结构的每一相由2个模块构成，即第一模块与第二模块。

相应的，每个三电平两象限变频器包括三个功率半导体模块，即3个第一模块与3个第二模块，共6个模块，如图4所示，为本发明提供的三电平两象限变频器的封装结构图。同理，每个三电平四象限变频器包括六个功率半导体模块，即6个第一模块与6个第二模块，共12个模块，如图5所示，为本发明提供的三电平四象限变频器的封装结构图。与现有技术中变频器中每一相的模块数相比较，本发明提供的模块封装方式使得模块的数量减少，使得各个模块之间需要的外接连接线路减少，进而降低了各个模块的功率消耗，同时，采用本发明提供的半导体模块构成的三电平变频器相互连接后的变频器的电路体积减小，进而减小了制作成本。

优选的，第一外壳以及第二外壳可以为模制树脂外壳，也可以为其他材质的外壳。

本实施例还提供了一种电力电子设备，包括上述实施例中的任一功率半导体模块。需要说明的是，本实施例提供的第一模块以及第二模块可以单独封装和销售，任何采用本实施例提供的功率半导体模块的器件均在本发明的保护范围之内，在此不再进行过多叙述。

另外，在现有的电力电子装置中，如变频器、风电、光伏、UPS等，很多产品采用三电平IGBT模块作为逆变器开关器件，由于三电平逆变器包括12个IGBT和6个箝位二极管组成中性点箝位电路，每个IGBT都需要独立的驱动电源和驱动芯片，因此，本实施例还提供了一种三电平两象限变频器，包括整流部分与逆变部分，其中，所述逆变部分包括三个本发明提供的功率半导体模块。除此，还包括IGBT驱动电源以及驱动芯片。

相应的，本实施例还提供了一种三电平四象限变频器，包括整流部分与逆变部分，其中，所述整流部分与逆变部分均包括三个本发明提供的功率半导体模块。同样，还包括外接的IGBT驱动电源以及驱动芯片。

以上对本发明所提供的一种功率半导体模块以及应用其的电力电子设备进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

除此，本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例提供的装置而言，由于其与实施例提供的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所提供的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所提供的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种功率半导体模块，其特征在于，包括独立封装的第一模块以及独立封装的第二模块，所述第一模块包括上桥臂电路以及容纳所述上桥臂电路箱型的第一外壳，所述第二模块包括下桥臂电路以及容纳所述下桥臂电路箱型的第二外壳，其中，

所述上桥臂电路包括：第一箝位二极管、第一开关元件以及第二开关元件，所述第一开关元件和所述第二开关元件均包括逆并联连接的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)和续流二极管(FWD)，所述第一箝位二极管的输出端分别与所述第一开关元件中IGBT的发射极以及所述第二开关元件中IGBT的集电极相连；

所述下桥臂电路包括：第二箝位二极管、第三开关元件以及第四开关元件，所述第三开关元件和所述第四开关元件均包括逆并联连接的IGBT和FWD，所述第二箝位二极管的输入端分别与所述第三开关元件中IGBT的发射极以及所述第四开关元件中IGBT的集电极相连；

所述第二开关元件中IGBT的发射极与所述第三开关元件中IGBT的集电极相连，所述第一箝位二极管的输入端与所述第二箝位二极管的输出端相连。

2.根据权利要求1所述的功率半导体模块，其特征在于，所述第一外壳包括：

设置在所述第一外壳的四角以及所述第一外壳长边上的并以用于安装螺丝钉的螺钉座；

设置在所述第一外壳的顶部中央区域的主电路端子板；

设置在所述第一外壳的顶部边缘区域的控制端子板。

3.根据权利要求1所述的功率半导体模块，其特征在于，所述第二外壳包括：

设置在所述第二外壳的四角以及所述第二外壳长边上的并以用于安装螺丝钉的螺钉座；

设置在所述第二外壳的顶部中央区域的主电路端子板；

设置在所述第二外壳的顶部边缘区域的控制端子板。

4.根据权利要求1所述的功率半导体模块，其特征在于，所述第一模块还包括第一温度传感器，用于检测所述第一模块的温度，并在检测到所述第一模块的温度超过预设范围时，启动外接散热装置。

5.根据权利要求1所述的功率半导体模块，其特征在于，所述第二模块还包括第二温度传感器，用于检测所述第二模块的温度，并在检测到所述第二模块的温度超过预设范围时，启动外接散热装置。

6.根据权利要求1所述的功率半导体模块，其特征在于，所述功率半导体模块为采用PrimePack2封装形式的模块。

7.根据权利要求1所述的功率半导体模块，其特征在于，所述第一外壳以及所述第二外壳为模制树脂外壳。

8.一种电力电子设备，其特征在于，包括权利要求1-7所述的任一功率半导体模块。

9.一种三电平两象限变频器，其特征在于，包括整流部分、逆变部分、IGBT驱动电源以及驱动芯片，其中，所述逆变部分包括三个如权利要求1-7所述的任一功率半导体模块。

10.一种三电平四象限变频器，其特征在于，包括整流部分、逆变部分、IGBT驱动电源以及驱动芯片，其中，所述整流部分与逆变部分均包括三个如权利要求1-7所述的任一功率半导体模块。