CN103078471B - 功率模块和变流器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种功率模块和变流器。该功率模块包括：平板式散热器，所述平板式散热器上并排设置有多组功率单元，所述功率单元包括：绝缘栅双极型晶体管IGBT，安装在所述平板式散热器的表面；驱动电路板，安装在所述IGBT上，并与所述IGBT电连接；复合母排，安装在所述IGBT和驱动电路板上，所述复合母排包括直流正铜排和直流负铜排，所述直流负铜排和直流正铜排分别与所述IGBT电连接；突波电容，安装在所述复合母排上，与所述复合母排上的直流负铜排和直流正铜排电连接；交流出线铜排，安装在所述复合母排上，与所述IGBT电连接；各功率单元中的复合母排为一体结构。本发明技术方案结构简单，实现方便，可有效减少功率模块的体积。

Description

功率模块和变流器

技术领域

本发明涉及电子技术，尤其涉及一种功率模块和变流器。

背景技术

地铁车辆中牵引变流器的功率较大，其数量级可达1MW，其中，作为变流器中的核心部件，功率模块中的各部件体积较大，且具有较大的散热功率，同时，随着技术的发展，对功率模块体积的要求也越来越高，因此，在确保功率模块电气性能的同时，如何有效减少功率模块的体积变得非常重要。

其中，功率模块是以绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate BipolarTransistor，IGBT)为核心的功率部件，在变流器中作为逆变器或斩波器的功率部件，其主要包括：是变流器中的主要功能部件，起到逆变器或斩波器的作用。现有技术中，为实现有效散热，功率模块通常采用水冷结构，该种结构的功率模块可通过水冷方式对IGBT进行冷却，但是，该种结构的功率模块中，需要单独设置用于起冷却作用的水管、水泵等附加部件，使得功率模块的高度和体积较大，无法适合对体积要求较高的场合；此外，现有技术中各功率模块分别单独设置，即各功率模块仅包括一组功率部件，这会使得各功率模块组装到变流器的箱内时，高度和体积过大。此外，现有技术中也有采用走行风冷结构的功率模块，该种功率模块同样存在高度较高，且功率模块为单独设置而导致变流器整体体积过大的问题。

综上，现有采用水冷结构或走行风冷结构的功率模块中，使得使用该种功率模块变流器的高度较高，体积较大，不适合应用于要求较小高度和体积的变流器中。

发明内容

本发明提供一种功率模块和变流器，可有效克服现有技术存在问题，减少功率模块的体积和高度。

本发明提供一种功率模块，包括平板式散热器，所述平板式散热器上并排设置有多组功率单元，所述功率单元包括：

绝缘栅双极型晶体管IGBT，安装在所述平板式散热器的表面；

驱动电路板，安装在所述IGBT上，并与所述IGBT电连接；

复合母排，安装在所述IGBT和驱动电路板上，所述复合母排包括直流正铜排和直流负铜排，所述直流负铜排和直流正铜排分别与所述IGBT电连接；

突波电容，安装在所述复合母排上，与所述复合母排上的直流负铜排和直流正铜排电连接；

交流出线铜排，安装在所述复合母排上，与所述IGBT电连接；

各功率单元中的复合母排为一体结构。

上述的功率模块中，所述突波电容的数量至少为2个。具体地，所述突波电容的数量为15个。

上述的功率模块中，所述交流出线铜排的两端分别设置有接线端子，所述接线端子固设在所述平板式散热器上，且所述接线端子与所述交流出线铜排电连接。且所述交流出线铜排套设在所述接线端子上。

上述的功率模块中，所述平板式散热器上还设置有电容支撑架，所述电容支撑架上安装有支撑电容，所述支撑电容的输入端分别与变流器上的主电路电连接。

上述的功率模块中，所述直流正铜排和直流负铜排分别与所述支撑电容的输出端电连接。

上述的功率模块还可包括：

电源分线板，所述电源分线板具有一个输入端和多个输出端，用于将外界通过输入端输入的直流电源，分别通过多个输出端连接到各驱动电路板上。

上述的功率模块中，所述功率单元为3组，用于作为变流器中逆变器的功率部件；

或者，所述功率单元为4组，其中任意三组作为变流器中逆变器的功率部件，另一组作为变流器中斩波器的功率部件。

本发明还提供一种变流器，包括主电路和功率模块，其中，所述功率模块为采用上述本发明提供的功率模块。

本发明提供的功率模块和变流器，通过采用平板式散热器，在平板式散热器上设置多组功率单元，各功率单元中的IGBT和突波电容可通过设置的复合母排进行电连接，使得整个功率模块结构紧凑，高度和体积均较小，可适合具有较小高度和体积要求的应用中；同时，通过将多个功率模块集成在一起，可便于各功率单元的组装，提高功率模块组装的便利性，避免各功率单元单独设置而造成的功率模块整体体积较大的问题，可适用于具有较小高度和体积要求的变流器应用中。

附图说明

图1为本发明实施例提供的功率模块的结构示意图；

图2为本发明实施例中在平板式散热器上仅安装有IGBT、接线端子和驱动电路板的结构示意图；

图3为在图2基础上安装有复合母排、突波电容和交流出线铜排的结构示意图；

图4为在图3基础上安装有电容支撑架的结构示意图；

图5为在图4基础上安装有支撑电容和电源分线板的结构示意图。

具体实施方式

图1为本发明实施例提供的功率模块的结构示意图。如图1所示，本实施例功率模块包括平板式散热器1，平板式散热器1上设置有多组功率单元2，各功率单元2均包括IGBT 21、驱动电路板22、复合母排23、突波电容24和交流出线铜排25。其中，IGBT 21直接安装在平板式散热器1的表面，驱动电路板22安装在IGBT 21上，并与IGBT 21电连接；复合母排23安装在IGBT 21和驱动电路板22上，复合母排23包括直流正铜排231和直流负铜排232，直流负铜排232和直流正铜排231分别与IGBT 21电连接；突波电容24安装在复合母排23上，并与复合母排23上的直流负铜排231和直流正铜排232电连接；交流出线铜排25安装在复合母排23上，并与IGBT 21电连接；各功率单元2中的复合母排23为一体结构，使得各功率单元2中的突波电容、IGBT可分别与该一体结构的复合母排电连接。本实施例功率模块各功率单元并排设置在平板式散热器上，各功率单元结构简单、紧凑，整个功率模块的高度和体积均较小，可将变流器中的各功率部件集中在一起，可有效减少整个变流器的体积和高度，满足变流器在较小高度和体积要求的应用场合。

本实施例中，在平板式散热器1上，并排设置有四组功率单元2，其中任意三组功率单元2可与变流器主电路连接，以作为主电路上的逆变器的功率部件，作为逆变器中的电路；而另外一组功率单元2可作为变流器中斩波器的功率部件，以作为斩波器中的电路。实际应用中，可根据需要设置合适数量的功率单元，以便将变流器中各功率部件集成在一起，可有效提高功率部件结构的紧凑性，减少功率部件占用的体积，可有效减少变流器的整体体积和高度。

本实施例中，功率单元2可包括有2个IGBT 21，且每个IGBT 21上均安装有驱动电路板22，其中，驱动电路板22主要用来控制IGBT 21的工作，与变流器中的控制电路连接，驱动电路板22具体可通过螺栓安装固定在IGBT 21上，且驱动电路板22可通过螺栓与IGBT 21建立电连接。

本实施例中，复合母排23为直流正铜排231和直流负铜排232通过绝缘压膜的形式制成，用于将主电路过来的直流电通过复合母排连接到各IGBT 21以及突波电容24上，本领域技术人员可以理解，复合母排23可通过其上设置的连接突起，分别与IGBT和突波电容上相应的连接端子配合，实现电连接。通过采用复合母排连接IGBT和突波电容，可有效增加整个功率模块的载流能力，减少杂散电感，同时可使得直流正铜排和直流负铜排之间产生电容效应，方便对IGBT关断过电压的吸收，提高整个功率模块的电气性能。

本实施例中，各功率单元2中设置的突波电容的数量至少为2个，以用于抑制电路中的脉冲信号，具体地，本实施例中，每个功率单元2中均设置有5个突波电容。实际应用中，可根据功率模块的电路需要，设置合适数量的突波电容，以便对电路中产生的脉冲信号进行处理，消除脉冲信号的影响。

本实施例中，为便于将交流电输出，在交流出线铜排25的两端还分别设置有接线端子26，接线端子26固设在平板式散热器1上，且接线端子26与交流出线铜排25电连接，这样，可将整个电路产生的交流电通过接线端子26输出。

本实施例中，如图1所示，在平板式散热器1上还可设置有电容支撑架27，该电容支撑架27上可安装有支撑电容28，支撑电容28的输入端用于与变流器中的主电路电连接，且输出端与复合母排23中的直流正铜排231和直流负铜排232分别电连接。其中，支撑电容28主要用于对主动电路中的直流电进行存储，以通过复合母排输入到各IGBT，将直流电转换成交流电。由于支撑电容28的体积和重量较大，通过设置电容支撑架27，可有效将支撑电容集成在功率模块上，使得功率模块紧凑。

本实施例中，由于各驱动电路板均需要连接变流器中的直流电源，为便于为各功率模块中的驱动电路板提供直流电源，还可设置有电源分线板，从而通过电源分线板为各驱动电路板提供直流电源，其中，该电源分线板可具有一个输入端和多个输出端，输入端用于与外界控制电路中的直流电源连接，输出端用于与驱动电路板上的电源输入端连接。具体地，本实施例中，四组功率单元中，共有8个IGBT 21和驱动电路板22，而每个驱动电路板22均需要直流电源，因此，本实施例中采用2个电源分线板29，每个电源分线板29可具有一个输入端291和四个输出端292，这样，可利用两块电源分线板分别与8个驱动电路板的电源输入端通过导线连接，便于将外界输入的直流电分别连接到各驱动电路板上，同时，可避免导线连接时连接线混乱的问题。

本实施例中，上述的平板式散热器1的每个散热翅上可设置有突起，以提高散热器的散热面积，增加风阻，使得整个散热器可具有良好的散热性能。此外，为便于功率模块在变流器中的安装和拆卸，可将散热器基板四周尺寸设置大于散热翅的尺寸，除了可利用散热器基板的边缘进行安装和密封外，还可利用基板的边缘进行功率模块的搬运。由于功率模块体积较大，且变流器通常是吊装于车辆的车下，在功率模块安装和拆卸时，仅能通过侧面进行，通过将散热器的基板四周设置较大尺寸，从而可利用千斤顶、叉车等辅助工具在基板四周进行操作，便于对功率模块进行拆卸和安装中的搬运。

为便于对本发明技术方案进行更好的了解，下面对本发明实施例的具体组装过程进行说明。

图2为本发明实施例中在平板式散热器上仅安装有IGBT、接线端子和驱动电路板的结构示意图；图3为在图2基础上安装有复合母排、突波电容和交流出线铜排的结构示意图；图4为在图3基础上安装有电容支撑架的结构示意图；图5为在图4基础上安装有支撑电容和电源分线板的结构示意图。本实施例功率模块组装时，其组装过程可包括以下步骤：

步骤101、将各IGBT 21按设计的排列方式顺序安装在平板式散热器1的表面，同时，在一个功率单元的两侧分别安装接线端子26，并将驱动电路板22安装在IGBT 21上，组装后的结构如图2所示。

其中，IGBT 21和接线端子26均可采用螺栓固定安装在平板式散热器1上，以提高安装的稳定性和牢固性，IGBT 21与散热器1的接触面之间涂有导热硅脂，以实现散热器1为工作中的IGBT 21散热的作用；驱动电路板22也可通过螺栓固定安装在IGBT 21上，同时，利用该螺栓作为驱动电路板22与IGBT 21之间电连接的导体。

步骤102、将15个突波电容24安装在复合母排23上，在图2的基础上，将复合母排23安装在IGBT 21上，复合母排23安装后，可将交流出线铜排25压在复合母排23上，两端套在接线端子26上，组装后的结构如图3所示。

其中，复合母排23上设置有与突波电容24、IGBT 21进行电连接的突起，从而可利用该些突起建立与突波电容24、IGBT 21之间的电连接，其中复合母排在制作过程中，可根据安装位置预先设置有相应的突起，以便与各部件中的待连接部分配合，建立与各部件的电连接。类似的，交流出线铜排也是通过设置的突起来与IGBT进行电连接，且端部与接线端子电连接。本领域技术人员可以理解，复合母排和交流出线铜排上除了与其它部件电连接的部位外，其它部分均是电绝缘的。

步骤103、在图3的基础上，可在平板式散热器1上安装电容支撑架27，该电容支撑架27跨在其它部件之上，以便于安装支撑电容28，组装后的结构如图4所示。

步骤104、在图3的基础上，将支撑电容28的输入输出端子部分***在复合母排23上预留的孔中，并安装在电容支撑架27上，组装后的结构如图5所示。

本实施例功率模块组装完毕后，即可利用叉车、千斤顶等将其水平放入车辆的变流器箱体中，实现功率模块的整体安装。

本领域技术人员可以理解的是，上述主要是对本实施例中功率模块中各部件的设置和组装方式进行说明，各功率模块中各部件的电连接关系、以及与变流器中主电路和控制电路之间的连接关系可与现有技术中的变流器相同或类似，在此不再赘述。

综上，本实施例提供的功率模块，通过采用平板式散热器，在平板式散热器上设置多组功率单元，各功率单元中的IGBT和突波电容可通过设置的复合母排进行电连接，使得整个功率模块结构紧凑，高度和体积均较小，可适合具有较小高度和体积要求的应用中；同时，通过将多个功率单元集成在一起，可便于各功率单元的组装，提高功率模块组装的便利性，避免各功率单元单独设置而造成的功率模块整体体积较大的问题，可适用于具有较小高度和体积要求的变流器应用中。

此外，本发明实施例还提供一种变流器，该变流器包括主电路和功率模块，该功率模块为采用上述本发明实施例提供的功率模块，其具体结构在此不再赘述。

本实施例中，变流器属于牵引变流器，其主电路可实现三相逆变控制，将接触网的直流电(750VDC或1500VDC)变换成可调节电压和频率的三相交流电，用来控制牵引电机的牵引及制动等工作。功率模块是主电路中实现核心电路功能的产品，以IGBT为其核心器件，属于主电路中的逆变桥部分。值得说明的是，该功率是通用的4相桥臂结构，不仅能够用于本变流器的逆变器，也可以用于整流器，在需要的情况下能够实现IGBT并联以增大输出电流。控制电路的核心主要是TCU(牵引控制单元)，TCU经过计算后发出控制指令，并发给功率模块上的驱动板PWM信号，驱动板将该控制信号放大后触发IGBT的控制端，从而控制IGBT实现主电路按照一定的时序进行PWM脉冲斩波工作，以完成变流器不同工况下的工作。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种功率模块，其特征在于，包括平板式散热器，平板式散热器基板四周尺寸大于散热翅的尺寸；平板式散热器的每个散热翅上设有突起；所述平板式散热器上并排设置有多组功率单元，所述功率单元包括：

绝缘栅双极型晶体管IGBT，安装在所述平板式散热器的表面；

驱动电路板，安装在所述IGBT上，并与所述IGBT电连接；

复合母排，安装在所述IGBT和驱动电路板上，所述复合母排包括直流正铜排和直流负铜排，所述直流负铜排和直流正铜排分别与所述IGBT电连接；

突波电容，安装在所述复合母排上，与所述复合母排上的直流负铜排和直流正铜排电连接；

交流出线铜排，安装在所述复合母排上，与所述IGBT电连接；

各功率单元中的复合母排为一体结构；

所述平板式散热器上还设置有电容支撑架，所述电容支撑架上安装有支撑电容，所述支撑电容的输入端分别与变流器上的主电路电连接。

2.根据权利要求1所述的功率模块，其特征在于，所述突波电容的数量至少为2个。

3.根据权利要求2所述的功率模块，其特征在于，所述突波电容的数量为15个。

4.根据权利要求1所述的功率模块，其特征在于，所述交流出线铜排的两端分别设置有接线端子，所述接线端子固设在所述平板式散热器上，且所述接线端子与所述交流出线铜排电连接。

5.根据权利要求4所述的功率模块，其特征在于，所述交流出线铜排套设在所述接线端子上。

6.根据权利要求1所述的功率模块，其特征在于，所述直流正铜排和直流负铜排分别与所述支撑电容的输出端电连接。

7.根据权利要求6所述的功率模块，其特征在于，还包括：

电源分线板，所述电源分线板具有一个输入端和多个输出端，用于将外界通过输入端输入的直流电源分别通过多个输出端连接到各驱动电路板上。

8.根据权利要求1所述的功率模块，其特征在于，所述功率单元为3组，用于作为变流器中逆变器的功率部件；

或者，所述功率单元为4组，其中任意三组作为变流器中逆变器的功率部件，另一组作为变流器中斩波器的功率部件。

9.一种变流器，包括主电路和功率模块，其特征在于，所述功率模块为采用权利要求1～8任一所述的功率模块。