CN111724928A - 复合母排以及功率模块 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种复合母排以及功率模块，复合母排，包括：电容结构层和交流导体层；交流导体层的一侧与电容结构层连接，交流导体层的另一侧与功率元件的桥臂连接；交流导体层，用于将电流输入功率元件；电容结构层，用于吸收功率元件导通或断开时产生的尖峰电流。本发明提供的复合母排可以吸收功率元件导通或断开时产生的尖峰电流，从而使功率模块中无需再设置电容装置，从而降低了功率模块的体积。

Description

复合母排以及功率模块

技术领域

本发明涉及电气控制领域，尤其涉及一种复合母排以及功率模块。

背景技术

随着经济和科学的发展，各种大功率电力电子变流设备在各领域中扮演越来越重要的角色。特别是在轨道交通领域，随着需求的不断提高，轨道车辆正向大功率、高速、高可靠性方向快速发展，变流器的性能逐渐成为了制约车辆发展的瓶颈。变流器的功率模块是变流器的核心，其性能直接影响变流器乃至整个车辆的性能。在大功率变流器功率模块中，复合母排扮演着重要角色，复合母排不仅要作为电能输入的导电路径，并且要具备阻断输入电流所产生的磁场对控制元件产生的干扰的能力。

目前，现有的复合母排只具备导电、抑制电磁干扰两种功能，其结构通常是由聚对苯二甲酸乙二醇酯(Polyethylene terephthalate，简称PET)的绝缘层、导体层和绝缘板三个部分叠加形成的。

现有的复合母排，在实际使用时需要搭配电容装置来吸收功率元件导通或关断时所产生的尖峰电压，由此导致功率模块的体积增加，进而增加了功率模块的复杂程度、成本，降低了功率模块的可靠性。

发明内容

本发明提供一种复合母排以及功率模块，以减少功率模块的体积。

本发明第一个方面提供一种复合母排，复合母排包括：电容结构层和交流导体层；

所述交流导体层的一侧与所述电容结构层连接，所述交流导体层的另一侧与功率元件的桥臂连接；

所述交流导体层，用于将电流输入所述功率元件；

所述电容结构层，用于吸收所述功率元件导通或断开时产生的尖峰电流。

可选的，还包括：绝缘层；

所述绝缘层设置在所述交流导体层和所述电容结构层之间；

所述绝缘层，用于隔绝所述电容结构层和所述交流导体层。

可选的，所述电容结构层，包括：直流正极导体子层、直流负极导体子层和介电子层；

所述介电子层设置在所述直流正极导体子层和所述直流负极导体子层之间；所述直流正极导体子层或所述直流负极导体子层，与所述绝缘层连接；

所述介电子层，用于屏蔽所述直流正极导体子层和所述直流负极导体子层产生的磁场，以及防止所述直流正极导体子层和所述直流负极导体子层之间被直流电压击穿。

可选的，所述交流导体层和所述绝缘层之间，以及所述电容结构和所述绝缘层之间，均通过热压工艺连接。

可选的，所述直流正极导体子层和所述介电子层之间，以及所述直流负极导体子层和所述介电子层之间，均通过热压工艺连接。

可选的，所述介电子层由云母和聚四氟乙烯PTEF制成。

可选的，所述介电子层的厚度小于1毫米。

可选的，所述绝缘层的厚度大于所述介电子层的厚度。

可选的，所述绝缘层由高阻抗聚对苯二甲酸乙二醇酯PET材料制成。

本发明第二个方面提供一种功率模块，功率模块包括：功率元件和第一方面所述的复合母排。

本发明提供的复合母排以及功率模块，复合母排中包括有电容结构层和交流导体层。其中，交流导体层的一侧与电容结构层连接，交流导体层的另一侧与功率元件的桥臂连接；交流导体层，用于将电流输入所述功率元件；电容结构层，用于吸收所述功率元件导通或断开时产生的尖峰电流。上述复合母排具备了吸收尖峰电流的功能，进而使得功率模块可以不再需要附加额外的电容装置，从而减小了功率模块的体积，也减少了功率模块的复杂程度和成本，提高了功率模块的可靠性。

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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种复合母排的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的另一种复合母排的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种复合母排的电气原理图。

附图标记：

1-复合母排；

2-IGBT；

11-电容结构层；

12-交流导体层；

13-绝缘层；

111-直流负极导体子层；

112-介电子层；

113-直流正极导体子层。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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作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。

通过上述附图，已示出本发明明确的实施例，后文中将有更详细的描述。这些附图和文字描述并不是为了通过任何方式限制本发明构思的范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本发明的概念。

复合母排，可以为连接总电路与分电路的铜排或铝排，其是大电流传输的关键部件。

尖峰电流，可以为电子电路中出现的瞬态的高幅值的电流，其可以由开关的闭合或断开产生。

热压工艺，可以为一种电气元件的制作工艺，具体可以为将多种材料在预设的热压压力、热压温度和热压时间下进行压合的过程。

云母，可以为一种造岩矿物，可作为介电材料，云母内部为层状结构，具有绝缘、耐高温的特征。

聚四氟乙烯(Poly tetra fluoroethylene，简称PTEF)，一般称作“不粘涂层”或“易清洁物料”，可以为一种介电材料，其通常具有抗酸抗碱、抗各种有机溶剂、耐高温，摩擦系数低等特点。

在大功率变流器功率模块中，复合母排不仅要作为电能输入的导电路径，并且要具备阻断输入电流所产生的磁场对控制元件产生的干扰的能力。同时，由于轨道交通行业半导体功率元件频繁进行开通与关断，其产生的尖峰电流也与复合母排密切相关。

在现有技术中，复合母排，其通常依次包括有绝缘层、导体层和绝缘板，导体层包括交流输出极板导体层、正极板导体层和负极板导体层，交流输出极板导体层和负极板导体层的电流输出端一侧设有长槽，导体层包括铜板和通过焊接设置在铜板上的铜垫，复合母排设有贯穿导体层、绝缘层和绝缘板的测试孔。

其制作工艺具体可以为，首先按照第一绝缘层、交流输出极板导体层、第二绝缘层、第一绝缘板、第三绝缘层、正极板导体层、第四绝缘层、第二绝缘板、第五绝缘层、负极板导体层和第六绝缘层六的顺序依次在模具上逐层叠装起来；随后，对经过叠装后的复合母排进行热压处理；最后，在热压处理完成后，将复合母排边沿进行压合封闭绝缘处理。

现有技术中的复合母排只具备有导电、抑制电磁干扰两种功能，因此，在功率模块中还需要增加电容装置来吸收功率元件导通或关断时所产生的尖峰电压，由此导致了功率模块的体积的增加，进而增加了功率模块的复杂程度、成本，降低了功率模块的可靠性。

考虑到上述问题，本发明提供了一种同时具备有导电、抑制电磁干扰和吸收尖峰电流三种功能的复合母排。该复合母排包括有电容结构层和交流导体层。其中，交流导体层的一侧与电容结构层连接，交流导体层的另一侧与功率元件的桥臂连接；交流导体层，用于将电流输入功率元件；电容结构层，用于吸收功率元件导通或断开时产生的尖峰电流。上述复合母排具备了吸收尖峰电流的功能，进而使得功率模块可以不再需要附加额外的电容装置，从而减小了功率模块的体积，相应的，也减少了功率模块的复杂程度和成本，提高了功率模块的可靠性。

下面以具体的实施例对本发明的技术方案进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。

图1为本发明实施例提供的一种复合母排的结构示意图。

请参考图1，本实施例提供的复合母排1，包括：电容结构层11和交流导体层12；

其中，交流导体层12的一侧与电容结构层11连接，交流导体层12的另一侧与功率元件的桥臂连接；

交流导体层12，用于将电流输入功率元件；

电容结构层11，用于吸收功率元件导通或断开时产生的尖峰电流。

在实际应用中，交流导体层12可以由导电材料制成，从而使得交流材料层具备导电能力，具体的，导电材料可以为铜或铝。

交流导体层12的一侧与功率模块的桥臂的交流输入端连接，桥臂的交流输出端均排布在交流导体层12的同一侧，并且，各个桥臂的交流输入端之间互不连通。此外，交流导体层12上还可以设置有铜垫，铜垫用于作为和桥臂的交流输入端的连接点。

电容结构层11的第一表面和第二表面均由导电材料材料制成，且电容结构层11的第一表面和第二表面之间形成一个电容结构，使得功率元件在导通活断开时产生的尖峰电流可以被该电容结构吸收，以避免尖峰电容破环功率模块中的其他元器件造成功率模块的损坏。

可选的，复合母排1，还包括：绝缘层13；

绝缘层13设置在交流导体层12和电容结构层11之间；

绝缘层13，用于隔绝电容结构层11和交流导体层12。

在实际应用中，在电容结构层11和交流导体层12之间设置有一个绝缘层13，以避免电容结构层11和交流导体层12直接接触，同时，该绝缘层13的厚度较高，以达到隔绝电容结构层11和交流导体层12之间的能量交换的效果。

可选的，绝缘层13可以由高阻抗聚对苯二甲酸乙二醇酯PET材料制成，以保证绝缘层13具有较高的绝缘能力。

具体的，聚对苯二甲酸乙二醇酯(Polyethylene terephthalate，简称PET)，为一种塑料材料，PET材料在较宽的温度范围内具有优良的物理机械性能，长期使用温度可达120℃，电绝缘性优良。甚至在高温高频下，PET材料电性能仍较好，抗蠕变性，耐疲劳性，耐摩擦性、尺寸稳定性较好。因此，采用PET材料制作的绝缘层具有较高的具有稳定性。

在另一种可实施方式中，绝缘层13还可以由不饱和聚酯团状模塑料制成。

本实施例提供的复合母排包括有电容结构层和交流导体层。其中，交流导体层的一侧与电容结构层连接，交流导体层的另一侧与功率元件的桥臂连接；交流导体层，用于将电流输入功率元件；电容结构层，用于吸收功率元件导通或断开时产生的尖峰电流。上述的复合母排通过电容结构层具备了吸收尖峰电流的功能，进而使得功率模块可以不再需要附加额外的电容装置，从而减小了功率模块的体积，也减少了功率模块的复杂程度和成本，提高了功率模块的可靠性。

图2为本发明实施例提供的另一种复合母排的结构示意图。

根据图2所示，在上述图1所示的框图的基础上，上述电容结构层11，具体可以包括：

直流负极导体子层113、直流负极导体子层111和介电子层112；

介电子层112设置在直流负极导体子层113和直流负极导体子层111之间；直流负极导体子层113或直流负极导体子层111，与绝缘层13连接；

介电子层112，用于屏蔽直流负极导体子层113和直流负极导体子层111产生的磁场，以及防止直流负极导体子层113和直流负极导体子层111之间被直流电压击穿。

在实际应用中，电容结构层11中的电容结构可以按照直流负极导体子层113、介电子层112和支流负极导体子层的顺序自上至下叠加组成。

在实际情况中，直流负极导体子层113和直流负极导体子层111可以分别作为电容结构层11的第一表面和第二表面，且直流负极导体子层113和直流负极导体子层111的位置可以相互交换。

直流负极导体子层113和直流负极导体子层111中的一个子层可以与绝缘层13连接；与之对应的，直流负极导体子层113和直流负极导体子层111中的另一个子层可以与功率模块中的功率元件连接，从而与功率模块中的功率元件连接的子层可以起到导电的作用。因此，直流负极导体子层113和直流负极导体子层111均需要由导电材料制成，具体的，导电材料可以为铜或铝。

需要说明的是，与功率模块中的功率元件连接的子层可以为直流负极导体子层113和直流负极导体子层111中的任意一个，与之相同的，与绝缘层12连接的子层也可以为直流负极导体子层113和直流负极导体子层111中的任意一个，在此不加以限制。

在实际使用过程中，直流负极导体子层113和直流负极导体子层111在通电情况下会产生磁场，进而影响功率模块的正常运行。同时，直流负极导体子层113和直流负极导体子层111之间还需要避免导通，以形成电容结构。因此，直流负极导体子层113和直流负极导体子层111之间还设置有介电子层112，以吸收功率模块的功率元件在闭合或断开时产生的尖峰电流，同时屏蔽磁场。

可选的，介电子层112由云母和聚四氟乙烯PTEF制成。

可选的，介电子层112的厚度小于1毫米。

在实际使用过程中，基于介电子层112的材料和厚度要求，可以选择云母和PTEF作为介电子层112的材料，并将介电子层112制作成厚度小于1毫米的薄板或薄膜。介电子层112可以屏蔽直流负极导体子层113和直流负极导体子层111形成的磁场，以避免了功率模块中的元器件在使用过程中收到磁场的影响。同时，介电子层112还可以在防止直流负极导体子层113和直流负极导体子层111之间被直流电压击穿的同时，保证直流负极导体子层113和直流负极导体子层111之间的正常的高频信号可以正常通过。

此外，可选的，绝缘层13的厚度大于介电子层112的厚度，从而避免绝缘层13比介电子层112先击穿，以保证了功率器件的安全。

在制作上述复合母排1的过程中，通常可以先确定各层的叠加顺序，再将各层结合为一个整体。结合实际情况举例来说，当制作上述复核母排时，可以首将直流负极导体子层111、介电子层112、直流正极导体子层113、绝缘层13和交流导体层12按照从上到下的顺序进行叠加，随后，通过热压工艺将叠加好的各层压合成完整的复合母排1。

在另一种可实施方式中，还可以先将直流负极导体子层111、介电子层112和直流负极导体子层113通过热压工艺压合成电容结构层11，随后，再将电容结构层11、绝缘层13和交流导体层12通过热压工艺压合成复合母排1，其中，绝缘层13可以和电容结构层11中的直流负极导体子层113连接，也可以和电容结构层11中的直流负极导体子层111连接。

结合实际使用情况进行仿真可知，一块尺寸为400mm×600mm的上述的复合母排1，其可以寄生电容大于等于1μF，从而可以省去相对应的功率模块中吸收尖峰电压的专用电气元件，进而增加了功率模块的***集成度和可靠度。

本实施例提供的复合母排，复合母排的电容结构层包括有直流负极导体子层、介电子层、直流正极导体子层，介电子层设置在直流负极导体子层和直流负极导体子层之间；直流负极导体子层或直流负极导体子层，与绝缘层连接；介电子层，用于屏蔽直流负极导体子层和直流负极导体子层产生的磁场，以及防止直流负极导体子层和直流负极导体子层之间被直流电压击穿。上述复合母排在实现导电和抑制电磁干扰两种功能的情况下，还实现了吸收功率元件闭合和关断引起的尖峰电压的功能，从而使得安装该复合母排的功率模块集成度高、体积小、可靠性高。

本发明还提供一种功率模块，包括：功率元件和上述的复合母排1。

其中，功率元件具体可以为绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate BipolarTransistor，简称IGBT)。

示例性的，图3为本发明实施例提供的一种复合母排1的电气原理图。如图3所示，在图2所示的复合母排1的结构基础上，直流负极导体子层DC+和直流负极导体子层DC-之间形成一个电容结构，以吸收尖峰电流；功率元件IGBT2的一端连接直流负极导体子层DC+或者连接直流负极导体子层DC-，功率元件IGBT2的另一端连接交流导体层AC。IGBT2接收直流负极导体子层DC+或直流负极导体子层DC-输出的直流电的同时接收交流导体层AC输入的交流电。

本实施例提供的复合母排包括有电容结构层和交流导体层。其中，交流导体层的一侧与电容结构层连接，交流导体层的另一侧与功率元件的桥臂连接；交流导体层，用于将电流输入功率元件；电容结构层，用于吸收功率元件导通或断开时产生的尖峰电流。上述复合母排具备了吸收尖峰电流的功能，进而使得功率模块可以不再需要附加额外的电容装置，从而减小了功率模块的体积，也减少了功率模块的复杂程度和成本，提高了功率模块的可靠性。

在本发明的描述中，需要理解的是，所使用的术语“中心”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“顶端”、“底端”、“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”“轴向”、“周向”等指示方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的位置或原件必须具有特定的方位、以特定的构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等应做广义理解，例如可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成为一体；可以是机械连接，也可以是电连接或者可以互相通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以使两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各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，或者对其中部分或者全部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范围。

Claims (10)

1.一种复合母排，其特征在于，包括：电容结构层和交流导体层；

所述交流导体层的一侧与所述电容结构层连接，所述交流导体层的另一侧与功率元件的桥臂连接；

所述交流导体层，用于将电流输入所述功率元件；

所述电容结构层，用于吸收所述功率元件导通或断开时产生的尖峰电流。

2.根据权利要求1所述的复合母排，其特征在于，还包括：绝缘层；

所述绝缘层设置在所述交流导体层和所述电容结构层之间；

所述绝缘层，用于隔绝所述电容结构层和所述交流导体层。

3.根据权利要求2所述的复合母排，其特征在于，所述电容结构层，包括：直流正极导体子层、直流负极导体子层和介电子层；

所述介电子层设置在所述直流正极导体子层和所述直流负极导体子层之间；所述直流正极导体子层或所述直流负极导体子层，与所述绝缘层连接；

所述介电子层，用于屏蔽所述直流正极导体子层和所述直流负极导体子层产生的磁场，以及防止所述直流正极导体子层和所述直流负极导体子层之间被直流电压击穿。

4.根据权利要求3所述的复合母排，其特征在于，所述交流导体层和所述绝缘层之间，以及所述电容结构和所述绝缘层之间，均通过热压工艺连接。

5.根据权利要求3所述的复合母排，其特征在于，所述直流正极导体子层和所述介电子层之间，以及所述直流负极导体子层和所述介电子层之间，均通过热压工艺连接。

6.根据权利要求3所述的复合母排，其特征在于，所述介电子层由云母和聚四氟乙烯PTEF制成。

7.根据权利要求3所述的复合母排，其特征在于，所述介电子层的厚度小于1毫米。

8.根据权利要求3所述的复合母排，其特征在于，所述绝缘层的厚度大于所述介电子层的厚度。

9.根据权利要求3所述的复合母排，其特征在于，所述绝缘层由高阻抗聚对苯二甲酸乙二醇酯PET材料制成。

10.一种功率模块，其特征在于，包括：功率元件和权利要求1-9任一所述的复合母排。

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