CN110120736B - 水冷电源模块 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种水冷电源模块，包括；水冷板；设置在水冷板上的电源模块，电源模块包括：在水冷板表面上依次排布的电容模块、功率模块、多个电感模块和输入输出滤波模块；以及设置在电容模块或功率模块上方的控制模块，至少用于功率模块的控制；其中水冷板中的水道设计为使得冷却水依次流经功率模块、电感模块和输入输出滤波模块。通过将控制模块放在功率模块或者电容模块的上方，避免控制信号在传输过程中被干扰。同时水冷板中的水道设计，根据损耗的顺序依次给各个模块散热，冷却水首先集中为功率模块散热，再依次为电感模块及输入输出滤波模块散热，提高了散热效率。

Description

水冷电源模块
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，具体涉及一种水冷电源模块。
背景技术
图1为常用的大功率电源模块的电路拓扑，包括EMI滤波器、AC/DC或者DC/AC变换器(即交流/直流变换器或直流/交流变换器)、电解电容和直流/直流变换器等。因为功率因数高，输出范围宽，这种电路拓扑被广泛的应用在太阳能逆变器，汽车充电桩，电池储能等场合。
水冷方式，是制冷能力最强的一种方式，相比于风冷，可以大大提高电源模块的功率密度。通过合理的布局，大功率电源模块在兼顾散热的同时，还可以有效的解决因为电力电子器件高频切换产生的噪声与干扰问题。
在所述背景技术部分公开的上述信息仅用于加强对本发明的背景的理解，因此它可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。
发明内容
本发明公开一种水冷电源模块，进而至少在一定程度上克服由于相关技术的限制和缺陷而导致的一个或者多个问题。
本发明的其他特性和优点将通过下面的详细描述变得显然，或部分地通过本发明的实践而习得。
根据本发明的一示例实施方式，公开一种水冷电源模块，包括；
水冷板；设置在水冷板上的电源模块，电源模块包括：在水冷板表面上依次排布的电容模块、功率模块、多个电感模块和输入输出滤波模块；以及设置在电容模块或功率模块上方的控制模块，至少用于功率模块的控制；其中水冷板中的水道设计为使得冷却水依次流经功率模块、电感模块和输入输出滤波模块。
根据本发明的一示例实施方式，每一电感模块的一端与输入输出滤波模块电性连接，另一端与功率模块电性连接，输入输出滤波模块与功率模块之间通过多个电感模块进行电流传输。
根据本发明的一示例实施方式，在电容模块或功率模块的两相对端设置多个支撑柱，多个支撑柱上设置支撑板及绝缘垫，控制模块设置在绝缘垫上。
根据本发明的一示例实施方式，在电容模块或功率模块的一端设置多个支撑柱，电容模块或功率模块的另一端靠近水冷电源模块的机壳，多个支撑柱上设置支撑板，支撑板的一端由支撑柱支撑，支撑板另一端由机壳支撑，支撑板上方设置绝缘垫，控制模块设置在绝缘垫上。
根据本发明的一示例实施方式，电容模块包括多个电解电容、PCB板和连接端子，且多个电解电容及连接端子设置在PCB板上；功率模块包括开关器件、驱动线路、高压滤波电容、PCB板和连接端子，且开关器件、驱动线路、高压滤波电容及连接端子设置在PCB板上；每一电感模块包括单一电感或多个电感、PCB板和连接端子，且单一电感或多个电感及连接端子设置在PCB板上；输入输出滤波模块包括共模电感、差模电感、Y电容、X电容、继电器、保险丝、电解电容、PCB板和连接端子，且共模电感、差模电感、Y电容、X电容、继电器、保险丝、电解电容及连接端子设置在PCB板上；以及控制模块包括电压电流采样处理线路、控制线路、通信线路、PCB板和连接端子，且电压电流采样处理线路、控制线路、通信线路及连接端子设置在PCB板上，其中控制模块还用于水冷电源模块与外部的通信。
根据本发明的一示例实施方式，PCB板上设置连接模块，排布在水冷板表面上的相邻模块之间的PCB板通过连接模块实现电性连接。
根据本发明的一示例实施方式，连接模块包括相互配合的第一连接件及第二连接件，且第一连接件与第二连接件的高度之和等于相邻PCB板之间的高度差。
根据本发明的一示例实施方式，第一连接件一端具有插脚，以通过插脚及紧固件与其中一PCB板固定连接；第二连接件一端具有插脚，以通过插脚及紧固件与另一PCB板固定连接；且第一连接件的另一端与第二连接件的另一端通过紧固件固定连接。
根据本发明的一示例实施方式，连接模块包括一连接件，该连接件的高度等于相邻PCB板之间的高度差，该连接件一端具有插脚，以通过插脚及紧固件与其中一PCB板固定连接；该连接件另一端具有螺孔并通过紧固件与另一PCB板固定连接。
根据本发明的一示例实施方式，电容模块中的PCB板包括多层，多个电解电容形成至少一组零端子、正端子及负端子，且零端子、正端子及负端子分别铺设于PCB板中的不同层，PCB板中的相邻层流过的高频电流方向相反。
根据本发明的一示例实施方式，功率模块的PCB板中设置至少一组正母线端、中性端及负母线端，其中电容模块的PCB板上的每一组正端子、零端子及负端子分别与功率模块的PCB板上的一组正母线端、中性端及负母线端电性连接。
根据本发明的一示例实施方式，多个电解电容形成两组以上的正端子、零端子及负端子，功率模块的直流母线具有两组以上的正母线端、中性端及负母线端。
根据本发明的一示例实施方式，电源模块还包括输入端子及输出端子，且输入端子与输出端子位于电源模块的同一侧并与输入输出滤波模块相连。
根据本发明的一示例实施方式，主电流经由输入端子依次传输至输入输出滤波模块、一部分电感模块、功率模块、电容模块、功率模块，并经由另一部分电感模块传输至输入输出滤波模块，并通过输出端子传输至外部设备，形成C字形主功率通道。
根据本发明的一示例实施方式，水冷电源模块还包括设置在电容模块和/或输入输出滤波模块与水冷板之间的导热介质。
根据本发明的一示例实施方式，水冷电源模块还包括设置在功率模块与水冷板之间的散热胶，且散热胶的厚度小于100um。
根据本发明的一示例实施方式，在电感模块的散热壳中填充有散热胶。
根据本发明的一些实施方式，通过将控制模块设置在功率模块或者电容模块的上方，这样避免控制信号在传输过程中被干扰。
根据本发明的另一些实施方式，通过将水冷板中的水道设计为使得冷却水依次流经功率模块、电感模块和输入输出滤波模块，根据损耗的顺序依次给各个模块散热，冷却水首先集中为功率模块散热，再依次为电感模块及输入输出滤波模块散热，提高了散热效率。
根据本发明的又一些实施方式，输入输出滤波模块，电感模块，电容模块，功率模块形成C字形主功率通道，主电流依照C字形主功率通道进行传输，减小导通回路的长度和导通损耗。
根据本发明的又一些实施方式，利用多个电感模块充当功率模块和输入输出滤波模块之间的桥接，结构紧凑，连线简单，不仅能够提高电源模块的空间利用率及功率密度，而且避免了在电流传输过程中产生的电磁干扰。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性的，并非用于限制本发明。
附图说明
通过参照附图详细描述其示例实施例，本发明的上述和其它目标、特征及优点将变得更加显而易见。
图1示出常用大功率电源模块的电路拓扑图。
图2示出电池储能线路的电路图。
图3示出本发明一示例实施方式的水冷电源模块的示意图。
图4示出本发明又一示例实施方式的水冷电源模块的示意图。
图5示出水冷板的基本结构的示意图。
图6示出本发明一示例实施方式的水冷电源模块的实体图。
图7示出本发明一示例实施方式的控制模块的安装示意图。
图8示出用于连接相邻PCB板的连接模块的示意图。
图9示出连接模块的一示例实施方式的示意图。
图10示出连接模块的另一示例实施方式的示意图。
图11示出功率模块到电容模块的寄生电感的等效电路分析图。
图12示出电容模块中电容端子的连接示意图。
图13示出功率模块中功率母线端子的连接示意图。
图14示出功率模块与电容模块之间通过两组端子并联连接的示意图。
图15示出功率模块与电容模块之间通过三组端子并联连接的示意图。
图16示出输入输出滤波模块散热结构的示意图。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本发明的描述将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。附图仅为本发明的示意性图解，并非一定是按比例绘制。图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。
此外，所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本发明的实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本发明的技术方案而省略所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、步骤等。在其它情况下，不详细示出或描述公知结构、方法、实现或者操作以避免喧宾夺主而使得本发明的各方面变得模糊。
附图中所示的一些方框图是功能实体，不一定必须与物理或逻辑上独立的实体相对应。可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体，或在不同网络和/或处理器装置和/或微控制器装置中实现这些功能实体。
本发明的目的在于提供一种水冷电源模块，包括；水冷板；设置在水冷板上的电源模块。电源模块包括：在水冷板表面上依次排布的电容模块、功率模块、多个电感模块和输入输出滤波模块；以及设置在电容模块或功率模块上方的控制模块，至少用于功率模块的控制；其中水冷板中的水道设计为使得冷却水依次流经功率模块、电感模块和输入输出滤波模块。通过将控制模块设置在功率模块或者电容模块的上方，以避免控制信号在传输过程中被干扰。通过将水冷板中的水道设计为使得冷却水依次流经功率模块、电感模块和输入输出滤波模块，根据损耗的顺序依次给各个模块散热，从而提高散热效率。本发明提出的电源模块，通过合理的结构布局，能够将模块内部的空间全部用足，结构紧凑，空间利用率高，提高了整机的功率密度。
下面结合图2-16对本发明的水冷电源模块进行详细说明，其中，图2示出电池储能线路的电路图；图3示出本发明一示例实施方式的水冷电源模块的示意图；图4示出本发明又一示例实施方式的水冷电源模块的示意图；图5示出水冷板的基本结构的示意图；图6示出本发明一示例实施方式的水冷电源模块的实体图；图7示出本发明一示例实施方式的控制模块的安装示意图；图8示出用于连接相邻PCB板的连接模块的示意图；图9示出连接模块的一示例实施方式的示意图；图10示出连接模块的另一示例实施方式的示意图；图11示出功率模块到电容模块的寄生电感的等效电路分析图；图12示出电容模块中电容端子的连接示意图；图13示出功率模块中功率母线端子的连接示意图；图14示出功率模块与电容模块之间通过两组端子并联连接的示意图；图15示出功率模块与电容模块之间通过三组端子并联连接的示意图；图16示出输入输出滤波模块散热结构的示意图。
图2示出电池储能线路的电路图，其中A、B、C和N分别为三相交流电的三相线和中线，C1-C3为电容，L1-L4为电感，D1-D6为二极管，Q1-Q14为开关器件，CBH、CBL和C0为电解电容。其中，有些应用场合无需设置中线N。本发明提出的电源模块的结构布局适用于图2所示的电池储能线路，但本发明不以此为限，本发明提出的电源模块的结构布局同样适用于充电桩线路(图中未示出)、太阳能逆变器线路(图中未示出)等大功率应用场合。
下面以图2示出的电池储能线路为例，详细说明本发明一示例实施方式的水冷电源模块。如图3所示，水冷电源模块包括：水冷板1；设置在水冷板1上的电源模块。电源模块包括：在水冷板表面上依次排布的电容模块21、功率模块22、多个电感模块和输入输出滤波模块24；以及设置在电容模块或功率模块上方的控制模块25，至少用于功率模块的控制，并参与***的通信；其中水冷板中的水道设计为使得冷却水依次流经功率模块、电感模块和输入输出滤波模块。通过将控制模块设置在功率模块或者电容模块的上方，以避免控制信号在传输过程中被干扰。
输入输出滤波模块24，多个电感模块231-234，功率模块22、电容模块21之间的连接形成主功率通道，主功率通道中流过的电流统称为主电流。电源模块的输入端子与输出端子位于电源模块的同一侧并与输入输出滤波模块相连。主电流经由输入端子依次传输至输入输出滤波模块24、一部分电感模块(231-233)、功率模块22、电容模21、功率模块22，再经由另一部分电感模块(234)传输至输入输出滤波模块，并通过输出端子传输至外部设备，以形成C字形主功率通道。其中，功率模块22包括两部分，在本实施例中，功率模块22的一部分实现AC/DC转换，接收电感模块(231-233)传输的交流电流；功率模块22的另一部分实现DC/DC转换，将直流电流传输给电感模块(234)。所以在主电流的传输过程中两次经过功率模块22，分别实现不同的电流转换，如AC/DC转换和DC/DC转换。因为主电流比较大，通过C字形主功率通道的设计，减小导通回路的长度，以降低导通损耗。
多个电感模块可包括AC/DC电感模块231-233和DC/DC电感模块234，但在此需要特别说明的是，由于本示例实施方式是以电池储能线路(交流变直流)为例，因此这有这样的电感模块的具体构成方式，但本发明并不以此为限，例如水冷电源模块是太阳能逆变器线路(直流变交流)，电感模块231-233将采用DC/AC电感模块。
根据本发明的一示例实施方式，每一电感模块的一端与输入输出滤波模块电性连接，另一端与功率模块电性连接，输入输出滤波模块与功率模块之间通过多个电感模块进行电流传输。在电流传输过程中，利用多个电感模块作为桥接，实现功率模块22和输入输出滤波模块24之间的互联，连接比较紧凑，没有多余的飞线，线路非常简洁。本发明提出的布局结构中，利用多个电感模块充当功率模块和输入输出滤波模块之间的桥接，不仅能够提高电源模块的空间利用率及功率密度，而且避免了在电流传输过程中产生的电磁干扰。
图4示出本发明又一示例实施方式的水冷电源模块的示意图。与图3相比，主要的布局结构相同，此处不再赘述。需要说明的是，在实际的应用中各模块的形状不一定是规则的，如图4中的输入输出滤波模块并非规则的长方形，因此本发明提出的布局结构可以根据各模块的形状，合理规划各模块的摆放位置。图4中根据输入输出滤波模块24的形状，灵活设计DC/DC电感模块234的摆放位置，可以达到与图3相同的技术效果。
需要说明的是，图3和图4中的电源模块均以储能线路为例，接收交流输入，提供直流输出。但不以此为限，例如应用于逆变线路时，电源模块接收直流输入，提供交流输出。
图5示出水冷板的基本结构，在水冷板上设计水道，水道中的冷却水流经电源模块中各发热的器件。水冷板中的水道设计为冷却水依次流经功率模块、电感模块和输入输出滤波模块，根据损耗的顺序依次给功率模块、电感模块和输入输出滤波模块散热。水冷板的入水口和出水口位于水冷板的同一侧。冷却水从入水口流入水冷板，再依次流经电容模块下方的水道，功率模块下方的水道，一部分电感模块下方的水道，输入输出滤波模块下方的水道，再从输入输出滤波模块下方的水道流入另一部分电感模块下方的水道，最后流经电容模块下方的水道，经由出水口流出水冷板，冷却水在水冷板内循环往复，为各模块散热。其中，功率模块热阻较大，且产生的损耗较大，因此功率模块下方的水道比较集中。图5中虚线框内表示功率模块下方的水道设计，水道数量多且多个水道并联。电容模块的热损耗较小，电容模块下方铺设的水道较少，可以忽略不计，因此水冷板的水道设计为冷却水从入水口进入水冷板后，首先集中为功率模块散热，再依次给电感模块与输入输出滤波模块散热。
图6示出本发明一示例实施方式的水冷电源模块的实体图。如图6所示，从左至右依次设置有电容模块21、功率模块22、多个电感模块231-234及输入输出滤波模块24。电容模块21设置在左侧，包括多个电解电容、PCB板和连接端子，且多个电解电容及连接端子设置在PCB板上。功率模块22与电容模块21相邻设置，且包括开关器件、驱动线路、高压滤波电容、PCB板和连接端子，且开关器件、驱动线路、高压滤波电容及连接端子设置在PCB板上，其中开关器件可以是封装好的IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)模块，SIC模块(全碳化硅模块)或者MOSFET(metallic oxide semiconductor fieldeffecttransistor，金属氧化物半导体场效应晶体管)模块，也可以是离散的TO247或者TO220等封装的单个元件。多个电感模块(231-234)与功率模块22相邻设置，每一电感模块包括单一电感或多个电感、PCB板和连接端子，且单一电感或多个电感及连接端子设置在PCB板上，其中电感模块包括多个电感时，多个电感并联或串联以获得所需的电感量。输入输出滤波模块24与多个电感模块相邻设置，包括共模电感、差模电感、Y电容、X电容、继电器、保险丝、电解电容、PCB板和连接端子，且共模电感、差模电感、Y电容、X电容、继电器、保险丝、电解电容及连接端子设置在PCB板上。控制模块25设置在功率模块上方，包括电压电流采样处理线路、控制线路、通信线路、PCB板和连接端子，且电压电流采样处理线路、控制线路、通信线路及连接端子设置在PCB板上，其中控制模块还用于水冷电源模块与外部***的通信。输入输出端子241设置在电源模块的最右侧，并与输入输出滤波模块24相连。
水冷板中的水道设计为冷却水依次流经功率模块、电感模块和输入输出滤波模块，首先集中为功率模块散热，再依次给电感模块和输入输出滤波模块散热；控制模块设置于功率模块上方，中间通过钣金件做隔离和支撑；4个电感模块电性连接功率模块和输入输出滤波模块，每一电感模块采用灌胶电感，贴到水冷板上散热。上述的布局结构，能够将电源模块内部的空间全部用足，空间利用率非常高，提高了整机的功率密度。图6所示的水冷电源模块功率可以达到68KW，而体积仅有760mm*420mm*71mm，结构紧凑，功率密度高。
图6所示的水冷电源模块中，电容模块的PCB板与功率模块的PCB板的一端电性连接；功率模块的PCB板的另一端与多个电感模块的PCB板的一端电性连接；多个电感模块的PCB板的另一端与输入输出滤波模块的PCB板的一端电性连接；输入输出滤波模块的PCB板的一端与输入输出端子电性连接。相邻PCB板之间具有高度差，可采用连接模块实现相邻PCB板之间的电性连接，即实现相邻PCB板中连接端子的电性连接。PCB上的连接端子可以是PCB板中设置的过孔以及过孔周围的焊盘，但本发明不以此为限，可以根据实际需求灵活设计连接端子，以实现各模块之间的电连接。
关于控制模块如何设置在功率模块或者电容模块的上方可以有多种不同的方式，图7示出本发明一示例实施方式的控制模块的安装示意图。在电容模块或功率模块的一端设置多个支撑柱261，电容模块或功率模块的另一端靠近水冷电源模块的机壳3，多个支撑柱261上设置支撑板262，支撑板的一端由支撑柱支撑，支撑板另一端由机壳支撑，支撑板上方设置绝缘垫263，控制模块设置在绝缘垫上。支撑板262由机壳支撑的一端设置有凸缘264，凸缘264上有多个螺孔且凸缘搭接在机壳3上，通过螺丝将凸缘264与机壳3固定。支撑板262是一个导体，由导电材料(如铝)形成，支撑板262固定在机壳上并与机壳相连，机壳与大地相连，起到屏蔽干扰信号的作用。
根据本发明的另一示例实施方式，控制模块的两端均由支撑柱支撑(图中未示出)。具体地，在电容模块或功率模块的两相对端设置多个支撑柱，多个支撑柱上设置支撑板及绝缘垫，支撑板的两端均通过支撑柱支撑，控制模块设置在绝缘垫上。
通过连接模块实现两个相邻模块之间的电流通路的连接，下面结合附图8-10分别进行说明。排布在水冷板表面上的相邻模块之间的PCB板通过连接模块实现电性连接，连接模块的高度根据相邻PCB板之间的高度差设计，连接模块的尺寸与厚度根据需要流过的电流大小来设计，一般而言，连接模块中的电流密度小于5A/mm2。连接模块的材质一般选用黄铜，纯铜等。图8示出了连接模块的三种结构，连接模块还可以是图8中任两种结构的组合，但本发明不以此为限。
如图8和9所示，连接模块包括相互配合的第一连接件91(例如图8中的连接模块(a))及第二连接件92(例如图8中的连接模块(c))，且第一连接件91与第二连接件92的高度之和等于相邻PCB板93和94之间的高度差。第一连接件91一端具有插脚，第一连接件通过插脚及紧固件(例如螺丝)与其中一PCB板固定连接。第一连接件91的一端具有4个插脚，对应地PCB板93具有4个过孔，每一插脚***一个过孔，并通过螺丝固定，在过孔的周围具有焊盘，通过过孔和焊盘实现第一连接件91与PCB板93之间的电连接，即实现第一连接件91与PCB板93中设置的连接端子的电连接。第二连接件一端具有插脚，第二连接件通过插脚及紧固件与另一PCB板固定连接。第二连接件92的一端具有4个插脚，对应地PCB板94上具有4个过孔，每一插脚***一个过孔，并通过螺丝固定，在过孔的周围具有焊盘，通过过孔和焊盘实现第二连接件92与PCB板94之间的电连接，即实现第二连接件92与PCB板94中设置的连接端子的电连接。第一连接件的另一端与第二连接件的另一端通过紧固件固定连接，并实现第一连接件91与第二连接件92的电连接，最终实现PCB板93与PCB板94之间的电性连接，即实现相邻模块之间的电性连接。需要说明的是，第一连接件91与第二连接件92的高度是指不包括其附带的插脚的高度。第一连接件91与第二连接件92是由铜形成的连接件。功率模块与电感模块之间的连接，或电感模块与输入输出滤波模块之间的连接均可以采用图9所述的结构。采用该结构的连接模块占用PCB板的空间很小，有利于PCB板设计得更加紧凑，更利于水冷电源模块的小型化。
如图8和10所示，连接模块包括连接件101(例如可以是图8中的连接模块(b))，连接件101的高度等于相邻PCB板102和103之间的高度差。连接件101一端具有插脚并通过插脚及紧固件(例如螺丝)与其中一PCB板固定连接。连接件101的一端具有4个插脚，对应地PCB板102上具有4个过孔，每一插脚***一个过孔，并通过螺丝固定，在过孔的周围具有焊盘，通过过孔和焊盘实现连接件101与PCB板102之间的电连接，即实现连接件101与PCB板102中设置的连接端子的电连接。连接件101的另一端具有螺孔，对应地PCB板103具有过孔，并通过紧固件与PCB板103固定连接，例如连接件101的另一端的螺孔通过螺丝与PCB板103的过孔相连。在过孔的周围具有焊盘，通过过孔和焊盘实现连接件101与PCB板103之间的电连接，即实现连接件101与PCB板103中设置的连接端子的电连接。最终实现PCB板102与PCB板103之间的电性连接，即实现相邻模块之间的电性连接。同样的，连接件101的高度是指不包括其附带的插脚的高度。功率模块与电容模块之间的连接可以采用图10所述的结构。采用该结构的连接模块的连接方式操作简单，感抗较小。
图11示出功率模块到电容模块的寄生电感的等效电路分析图，当AC/DC或者DC/DC变换器中的开关电流比较大的时候，寄生电感Lpara1-Lpara6会与电解电容CB1，CB2之间发生震荡。如果震荡能量太大，会导致开关器件的电压尖峰过大，器件损坏。基于电磁场理论，叠层功率母线把连线做成扁平截面，在同样截面下做得越薄越宽，它的寄生电感越小。相邻导线内流过相反的电流，磁场相互抵消，也可使寄生电感减小。因此，为了减小寄生电感，在功率模块与电容模块的PCB板中，在不同层交叠铺铜，电容模块中多个电解电容形成的端子(B+,0,B-)分别铺设于电容模块中PCB板中的不同层，功率模块中形成的母线端子(P+,O,P-)分别铺设于功率模块中PCB板中的不同层，且相邻两层中的高频电流的方向相反，来减小寄生电感。同时，在功率模块与电容模块的连接处，至少设置有两组并联的连接端子，这样可以显著减小功率器件与电解电容之间的寄生电感，将寄生电感控制在小于500Nh的范围内。下面结合附图12-15分别进行说明。
电容模块中的PCB板包括多层，图12中的21a、21b及21c分别表示PCB板中的其中一层。多个电解电容形成至少一组零端子0、正端子B+及负端子B-，图12中以两组端子(B+，0，B-)为例。图12中阴影区域表示铺铜的部分，零端子0、正端子B+及负端子B-分别铺设于PCB板中的不同层，且PCB板中的相邻层流过的高频电流方向相反。21a表示电解电容的正端子B+铺设于该层，且该层中电解电容的负端子B-及零端子0被屏蔽，即正端子B+在该层整面铺铜，而负端子B-及零端子0在该层不铺铜。21b表示电解电容的负端子B-铺设于该层，且该层中电解电容的正端子B+及零端子0被屏蔽，即负端子B-在该层整面铺铜，而正端子B+及零端子0在该层不铺铜。21c表示电解电容的零端子0铺设于该层，且该层中电解电容的负端子B-及正端子B+被屏蔽，即零端子0在该层整面铺铜，而正端子B+及负端子B-在该层不铺铜。一般而言，以零端子0所在的层为起始层，以四层PCB板为例，从第一层到第四层依次按照21c、21a、21b、21c来连接，即21c、21a、21b、21c层叠设置。电解电容的零端子0连接到第一层21c，还通过PCB板中的过孔连接到下面的21c；电解电容的正端子B+通过PCB板中的过孔连接到21a；电解电容的负端子B-通过PCB板中的过孔连接到21b。最终，在PCB板上形成两组端子(B+，0，B-)，作为电容模块的连接端子，与功率模块中的连接端子电性连接，如图14所示。21a、21b及21c中的覆铜区域大面积重叠，以完全重合为佳，且相邻两层中的电流方向相反，以降低寄生电感。每一层覆铜区域的横截面积为长宽比大于10的矩形，即PCB板中的铜层又薄又宽。
功率模块中的PCB板包括多层，图13中的22a、22b及22c分别表示功率模块的PCB板中的其中一层。功率模块具有至少一组中性端O、正母线端P+及负母线端P-，图13中以两组端子(P+，O，P-)为例。图13中个端子的设置方式与图12相同，具体请参照图12的描述，此处不再赘述。最终，在功率模块的PCB板上形成两组端子(P+，O，P-)，作为功率模块的连接端子。功率模块中的端子(P+，O，P-)分别与电容模块中的(B+，0，B-)端子电性连接。需要说明的是，功率模块中各端子的设置方式并不以此为限，可以根据实际需要选择其他方式。
根据本发明的一示例实施方式，电容模块设置两组以上的正端子、零端子及负端子，功率模块的直流母线设置两组以上的正母线端、中性端及负母线端。电容模块的PCB板上至少设置两组端子(B+，0，B-)，功率模块的PCB板上至少设置两组端子(P+，O，P-)，通过上述至少两组端子实现电容模块的PCB板和功率模块的PCB板之间的电连接，这样可以显著减小功率器件和母线电容之间的寄生电感。图14、15分别示出通过两组和三组端子并联减小寄生电感的情形。电容模块21的PCB板上的每组端子(B+，0，B-)分别与功率模块22的PCB板上对应的一组端子(P+，O，P-)相连。具体地，正端子B+通过连接模块与对应的正母线端P+电性连接，负端子B-通过连接模块与对应的负母线端P-电性连接，零端子0通过连接模块与对应的中性端O电性连接。
电容模块与输入输出滤波模块上的器件比较小，单个电解电容的损耗小于5W，单个滤波电感的损耗小于20W，可以通过在水冷板1与电容模块21和/或输入输出滤波模块24的PCB之间增加导热介质(如导热垫，导热胶，陶瓷片等)来散热。如图16所示，在输入输出滤波模块24与水冷板1之间设置导热介质27。一般对导热介质的要求没有那么严格，导热介质的面积和厚度可以较大，工艺简单，价格相对便宜。本实施例中，电容模块底层设置散热垫，散热垫与水冷板接触，帮助电容模块中的各器件散热；输入输出滤波模块底层设置散热垫，散热垫与水冷板接触，帮助输入输出滤波模块中的各器件散热。开关器件的热阻比较大，而且损耗一般大于20W，所以功率模块必须通过厚度小于100um的散热胶来导热，散热胶直接与水冷板接触，且设置的散热胶非常薄。电感模块上的储能电感，损耗大于20W，通过在电感模块的散热壳(例如铝壳)中加入特殊材质(例如型号CN8760GA/B)的散热胶来增加散热面积。
通过以上的详细描述，本领域的技术人员易于理解，根据本发明实施例的水冷电源模块具有以下优点中的一个或多个。
本公开的水冷电源模块中，电容模块和输入输出滤波模块与水冷板之间设置导热介质，如所有的EMI滤波电感，电解电容，保险丝等器件通过其所在的PCB板与水冷板之间设置散热垫进行散热；电容模块与功率模块通过两组以上的端子并联连接，减小开关元件与电解电容之间的寄生电感；相邻模块之间的PCB板通过连接模块(一般为铜结构)实现电性连接，克服相邻PCB板之间的高度差，实现大电流互联；功率模块可采用高度为12mm的sic模块，控制模块安装在功率模块的上方。采用本公开的水冷电源模块的布局结构，功率元件的关断速度小于100ns，在160A的峰值电流下可以安全工作，效率在满载下大于97％，功率密度大于45w/inch3。
根据本发明的一些实施方式，通过将控制模块设置在功率模块或者电容模块的上方，这样避免控制信号在传输过程中被干扰。
根据本发明的另一些实施方式，通过将水冷板中的水道设计为使得冷却水依次流经功率模块、电感模块和输入输出滤波模块，根据损耗顺序依次给各个模块散热，冷却水首先集中为功率模块散热，再依次为电感模块及输入输出滤波模块散热，提高了散热效率。
根据本发明的又一些实施方式，输入输出滤波模块，电感模块，电容模块，功率模块形成C字形主功率通道，主电流依照C字形主功率通道进行传输，减小导通回路的长度和导通损耗。
根据本发明的又一些实施方式，利用多个电感模块充当功率模块和输入输出滤波模块之间的桥接，结构紧凑，连线简单，不仅能够提高电源模块的空间利用率及功率密度，而且避免了在电流传输过程中产生的电磁干扰。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (16)

1.一种水冷电源模块，包括；
水冷板；
设置在水冷板上的电源模块，电源模块包括：
在水冷板表面上依次排布的电容模块、功率模块、多个电感模块和输入输出滤波模块；其中，电感模块、功率模块及输入输出滤波模块分别包括PCB板，电感模块的PCB板一端与功率模块的PCB板通过连接模块实现电连接，电感模块的PCB板另一端与输入输出滤波模块的PCB板通过连接模块实现电连接；以及连接模块包括相互配合的第一连接件及第二连接件，且第一连接件与第二连接件的高度之和等于相邻PCB板之间的高度差；以及
设置在电容模块或功率模块上方的控制模块，至少用于功率模块的控制；
其中水冷板中的水道设计为使得冷却水依次流经功率模块、电感模块和输入输出滤波模块。
2.根据权利要求1所述的水冷电源模块，其特征在于，输入输出滤波模块与功率模块之间通过多个电感模块进行电流传输。
3.根据权利要求1所述的水冷电源模块，其特征在于，在电容模块或功率模块的两相对端设置多个支撑柱，多个支撑柱上设置支撑板及绝缘垫，控制模块设置在绝缘垫上。
4.根据权利要求1所述的水冷电源模块，其特征在于，在电容模块或功率模块的一端设置多个支撑柱，电容模块或功率模块的另一端靠近水冷电源模块的机壳，支撑板的一端由支撑柱支撑，支撑板另一端由机壳支撑，控制模块设置在绝缘垫上。
5.根据权利要求1所述的水冷电源模块，其特征在于，
电容模块包括多个电解电容、PCB板和连接端子，且多个电解电容及连接端子设置在PCB板上；
功率模块还包括开关器件、驱动线路、高压滤波电容和连接端子，且开关器件、驱动线路、高压滤波电容及连接端子设置在PCB板上；
每一电感模块还包括单一电感或多个电感和连接端子，且单一电感或多个电感及连接端子设置在PCB板上；
输入输出滤波模块还包括共模电感、差模电感、Y电容、X电容、继电器、保险丝、电解电容和连接端子，且共模电感、差模电感、Y电容、X电容、继电器、保险丝、电解电容及连接端子设置在PCB板上；以及
控制模块包括电压电流采样处理线路、控制线路、通信线路、PCB板和连接端子，且电压电流采样处理线路、控制线路、通信线路及连接端子设置在PCB板上，其中控制模块还用于水冷电源模块与外部的通信。
6.根据权利要求5所述的水冷电源模块，其特征在于，排布在水冷板表面上的相邻模块之间的PCB板通过连接模块实现电性连接。
7.根据权利要求6所述的水冷电源模块，其特征在于，第一连接件一端具有插脚，以通过插脚及紧固件与其中一PCB板固定连接；第二连接件一端具有插脚，以通过插脚及紧固件与另一PCB板固定连接；且第一连接件的另一端与第二连接件的另一端通过紧固件固定连接。
8.根据权利要求6所述的水冷电源模块，其特征在于，连接模块包括一连接件，该连接件的高度等于相邻PCB板之间的高度差，该连接件一端具有插脚，以通过插脚及紧固件与其中一PCB板固定连接；该连接件另一端具有螺孔并通过紧固件与另一PCB板固定连接。
9.根据权利要求5所述的水冷电源模块，其特征在于，电容模块中的PCB板包括多层，多个电解电容形成至少一组零端子、正端子及负端子，且零端子、正端子及负端子分别铺设于PCB板中的不同层，PCB板中的相邻层流过的高频电流方向相反。
10.根据权利要求9所述的水冷电源模块，其特征在于，功率模块的PCB板中设置至少一组正母线端、中性端及负母线端，其中电容模块的PCB板上的每一组正端子、零端子及负端子分别与功率模块的PCB板上的一组正母线端、中性端及负母线端电性连接。
11.根据权利要求10所述的水冷电源模块，其特征在于，多个电解电容形成两组以上的正端子、零端子及负端子，功率模块的直流母线具有两组以上的正母线端、中性端及负母线端。
12.根据权利要求1-11任一项所述的水冷电源模块，其特征在于，电源模块还包括输入端子及输出端子，且输入端子与输出端子位于电源模块的同一侧并与输入输出滤波模块相连。
13.根据权利要求12所述的水冷电源模块，其特征在于，主电流经由输入端子依次传输至输入输出滤波模块、一部分电感模块、功率模块、电容模块、功率模块，并经由另一部分电感模块传输至输入输出滤波模块，并通过输出端子传输至外部设备，形成C字形主功率通道。
14.根据权利要求1所述的水冷电源模块，其特征在于，水冷电源模块还包括设置在电容模块和/或输入输出滤波模块与水冷板之间的导热介质。
15.根据权利要求1所述的水冷电源模块，其特征在于，水冷电源模块还包括设置在功率模块与水冷板之间的散热胶，且散热胶的厚度小于100um。
16.根据权利要求1所述的水冷电源模块，其特征在于，在电感模块的散热壳中填充有散热胶。
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