CN206922636U - 三电平四象限功率单元模块及变频器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种三电平四象限功率单元模块及变频器，所述功率单元模块包括散热器、第一半导体开关元件、第二半导体开关元件、第三半导体开关元件、第四半导体开关元件以及一个整流二极管元件；其中：所述第一半导体开关元件、第二半导体开关元件、所述第三半导体开关元件、第四半导体开关元件以及整流二极管元件以排列成直线的方式贴于散热器的同一侧散热面。本实用新型根据电流的流向将四个半导体开关元件及整流二极管元件在散热器的一个散热面上按直线形排列，从而利于叠层母排设计，可有效降低换流回路的杂散电感。

Description

三电平四象限功率单元模块及变频器

技术领域

本实用新型涉及变频器领域，更具体地说，涉及一种三电平四象限功率单元模块及变频器。

背景技术

功率模块是中高压大电流三电平四相限变频器整机中的核心部件。如图1所述，上述功率模块通常由四个半导体开关元件11、12、13、14及整流二极管器件15(该整流二极管器件15包括两个二极管)构成，上述半导体开关元件通常采用IGBT(Insulated GateBipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)。作为功率模块中的关键器件的半导体开关元件11、12、13、14的载流能力是否被合理充分利用，决定了产品的竞争力，而载流能力往往受限于电气连接母排的杂散电感。

如图2所示，是具有四个半导体开关元件11、12、13、14和两个整流二极管器件15的功率模块的结构示意图。在该功率模块中，四个半导体开关元件11、12、13、14和两个整流二极管器件15以梅花形平面分布在散热器16上，功率模块内部的相互换流通过叠层母排实现。

然而，如图3-6所示，上述功率模块中，由于半导体开关元件11、12、13、14和整流二极管器件15的位置关系，使得内部换流回路整体较长，从而导致杂散电感值比较大，其中图3示出了流经半导体开关元件11以及整流二极管器件15的第一二极管的换流回路；图4示出了流经半导体开关元件14以及整流二极管器件15的第二二极管的换流回路；图5示出了流经半导体开关元件12、13、14以及整流二极管器件15的第一二极管的换流回路；图6示出了流经半导体开关元件11、12、13以及整流二极管器件15的第二二极管的换流回路。并且上述功率模块还存在布局空间浪费的问题(例如整流二极管的上下侧具有较大的无效空间)，降低了整个功率模块的功率密度。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题在于，针对上述功率模块杂散电感较大、布局空间浪费的问题，提供一种新的三电平四象限功率单元模块及变频器。

本实用新型解决上述技术问题的技术方案是，提供一种三电平四象限功率单元模块，包括散热器、第一半导体开关元件、第二半导体开关元件、第三半导体开关元件、第四半导体开关元件以及一个整流二极管元件；其中：所述第一半导体开关元件、所述第二半导体开关元件、所述第三半导体开关元件、所述第四半导体开关元件以及所述整流二极管元件以排列成直线的方式贴于所述散热器的同一侧散热面。

在本实用新型所述的三电平四象限功率单元模块中，所述散热器的宽度与所述第一半导体开关元件的宽度匹配。

在本实用新型所述的三电平四象限功率单元模块中，所述第一半导体开关元件、所述第二半导体开关元件、所述整流二极管元件、所述第三半导体开关元件和所述第四半导体开关元件在所述散热器上依次排列。

在本实用新型所述的三电平四象限功率单元模块中，所述第一半导体开关元件、所述第二半导体开关元件、所述第三半导体开关元件、所述第四半导体开关元件以及所述整流二极管元件之间通过叠层设置的P直流铜排、N直流铜排、O直流铜排、L交流铜排、第一连接铜排以及第二连接铜排电连接。

在本实用新型所述的三电平四象限功率单元模块中，所述第一半导体开关元件、所述第二半导体开关元件、所述第三半导体开关元件、所述第四半导体开关元件分别为绝缘栅双极型晶体管。

在本实用新型所述的三电平四象限功率单元模块中，所述整流二极管元件包括第一二极管和第二二极管，所述第一连接铜排分别与第一二极管的阴极、所述第一半导体开关元件的发射极、所述第二半导体开关元件的集电极电连接；所述第二连接铜排分别与所述第二二极管的阳极、所述第三半导体开关元件的发射极、所述第四半导体开关元件的集电极连接；所述P直流铜排与所述第一半导体开关元件的集电极电连接；所述O直流铜排分别与所述第一二极管的阳极、所述第二二极管的阴极电连接；所述N直流铜排与所述第四半导体开关元件的发射极电连接；所述L交流铜排与所述第二半导体开关元件的发射极、所述第三半导体开关元件的集电极电连接。

在本实用新型所述的三电平四象限功率单元模块中，所述第一连接铜排位于第一半导体开关元件、所述第二半导体开关元件和整流二极管元件的上方；所述第二连接铜排位于所述整流二极管元件、所述第三半导体开关元件以及所述第四半导体开关元件的上方；所述P直流铜排位于第一半导体开关元件的上方并延伸到所述第一半导体开关元件的外侧形成P直流铜排的接线端；所述O直流铜排位于所述整流二极管元件的上方，并经由所述第二半导体开关元件、所述第一半导体开关元件的上方延伸到所述第一半导体开关元件的外侧形成O直流铜排的接线端；所述N直流铜排位于所述第四半导体开关元件的上方，并经由所述第三半导体开关元件、所述整流二极管元件、所述第二半导体开关元件、所述第一半导体开关元件的上方延伸到所述第一半导体开关元件的外侧形成N直流铜排的接线端；所述L交流铜排位于所述第二半导体开关元件、所述整流二极管元件和所述第三半导体开关元件的上方，并经由所述第四半导体开关元件的上方延伸到所述第四半导体开关元件的外侧形成L交流铜排的接线端。

在本实用新型所述的三电平四象限功率单元模块中，所述第一连接铜、所述第二连接铜排以及所述P直流铜排位于同一平面；所述O直流铜排叠于所述第一连接铜、所述第二连接铜排以及所述P直流铜排的上方；所述N直流铜排叠于所述O直流铜排的上方；所述L交流铜排叠于所述N直流铜排的上方。

在本实用新型所述的三电平四象限功率单元模块中，所述散热器为液冷散热器。

本实用新型还提供一种变频器，其特征在于：包括如上所述的三电平四象限功率单元模块。

本实用新型的三电平四象限功率单元模块及变频器具有以下有益效果：根据电流的流向将四个半导体开关元件及整流二极管元件在散热器的一个散热面上按直线形排列，从而利于叠层母排设计，可有效降低换流回路的杂散电感。本实用新型为IGBT的安全工作提供了保证，更提高了变频器***的稳定性和可靠性。

附图说明

图1是现有三电平功率模块的拓扑图；

图2是现有三电平功率模块中IGBT及整流二极管的布局示意图；

图3是现有三电平功率模块的一个换流回路的示意图；

图4是现有三电平功率模块的另一个换流回路的示意图；

图5是现有三电平功率模块的另一个换流回路的示意图；

图6是现有三电平功率模块的另一个换流回路的示意图；

图7是本实用新型三电平四象限功率单元模块实施例的示意图；

图8是本实用新型三电平四象限功率单元模块装配叠层铜排的实施例的示意图；

图9是本实用新型三电平四象限功率单元模块的叠层铜排的连接关系的示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

如图7所示，是本实用新型三电平功率模块实施例的示意图，该三电平功率模块可应用于高压三电平四象限变频器。本实施例中的三电平功率模块包括第一半导体开关元件71、第二半导体开关元件72、第三半导体开关元件73、第四半导体开关元件74、一个整流二极管元件75以及散热器76，上述整流二极管元件75包括第一二极管和第二二极管；其中上述第一半导体开关元件71、第二半导体开关元件72、第三半导体开关元件73、第四半导体开关元件74以及整流二极管元件75以排列成直线的方式贴于散热器76的同一侧散热面。上述散热器76可采用液冷散热器。

通过上述结构，三电平功率模块不仅可以达到拓扑图上器件的对称性要求，而且可使得空间紧凑。特别地，上述散热器76的宽度可与第一半导体开关元件71(或其他任意一个半导体开关元件)的宽度匹配，从而减少散热器76的无效空间，节省成本。

上述第一半导体开关元件71、第二半导体开关元件72、第三半导体开关元件73、第四半导体开关元件74分别为绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)。在散热器76的散热面上，第一半导体开关元件71、第二半导体开关元件72、整流二极管元件75、第三半导体开关元件73以及第四半导体开关元件74依次排列。当然，在实际应用中，上述的四个半导体开关元件也可用其他开关器件代替。

如图8、9所示，上述第一半导体开关元件71、第二半导体开关元件72、第三半导体开关元件73、第四半导体开关元件74以及整流二极管元件75之间通过叠层设置的第一连接铜排81、第二连接铜排82、P直流铜排83、O直流铜排84、N直流铜排85以及L交流铜排86电连接。

上述叠层设置的第一连接铜排81、第二连接铜排82、P直流铜排83、O直流铜排84、N直流铜排85以及L交流铜排86按照最大区域分别覆盖第一半导体开关元件71、第二半导体开关元件72、第三半导体开关元件73、第四半导体开关元件74以及一个整流二极管元件75的对应部分，以减小杂散电感。

具体地，上述第一连接铜排81分别与第一二极管的阴极、第一半导体开关元件71的发射极和第二半导体开关元件72的集电极电连接；第二连接铜排82分别与第二二极管的阳极、第三半导体开关元件73的发射极和第四半导体开关元件74的集电极连接；P直流铜排83与第一半导体开关元件71的集电极电连接。并且，上述第一连接铜排81位于第一半导体开关元件71、第二半导体开关元件72和整流二极管元件75的上方；第二连接铜排82位于整流二极管元件75、第三半导体开关元件73以及第四半导体开关元件74的上方；P直流铜排83位于第一半导体开关元件71的上方并延伸到第一半导体开关元件71的外侧(即图8中的左侧，同时也位于散热器76的外侧)形成P直流铜排83的接线端。

特别地，上述第一连接铜81、第二连接铜排82以及P直流铜排83位于同一平面。

O直流铜排84分别与第一二极管的阳极和第二二极管的阴极电连接，且该O直流铜排84位于整流二极管元件75的上方，并经由第二半导体开关元件72、第一半导体开关元件71的上方延伸到第一半导体开关元件71的外侧(即图8中的左侧，同时也位于散热器76的外侧)形成O直流铜排84的接线端。特别地，该O直流铜排84可叠于第一连接铜81、第二连接铜排82以及P直流铜排83的上方。

N直流铜排85与第四半导体开关元件74的发射极电连接，且该N直流铜排85位于第四半导体开关元件74的上方，并经由第三半导体开关元件73、整流二极管元件75、第二半导体开关元件72、第一半导体开关元件71的上方延伸到第一半导体开关元件71的外侧(即图8中的左侧，同时也位于散热器76的外侧)形成N直流铜排85的接线端。

特别地，该N直流铜排85叠于O直流铜排84的上方。

L交流铜排86与第二半导体开关元件72的发射极和第三半导体开关元件73的集电极电连接。该L交流铜排86位于第二半导体开关元件72、整流二极管元件75和第三半导体开关元件73的上方，并经由第四半导体开关元件74的上方延伸到第四半导体开关元件74的外侧(即图8中的右侧，同时也位于散热器76的外侧)形成L交流铜排86的接线端。

特别地，上述L交流铜排86可叠于N直流铜排85的上方。

通过上述布局，可使得叠层母排成本最优、感量最低、结构紧凑。

下表是图2所示的三电平功率模块在PN电压为5600V、PO和ON电压分别为2800V、L交流母排连接到3300V交流电压时图3-6中的各个换流回路的杂散感量，与图8、9所示的三电平功率模块在PN电压为5600V、PO和ON电压分别为2800V、L交流母排连接3300V交流电压时的各个对应的换流回路的杂散感量值比较。

有上表可知，换流回路杂散感量值最大降低了150nh，极大的提高了电气***稳定性。

上述三电平功率模块可直接应用到变频器，即本实用新型还提供一种具有上述三电平功率模块的变频器。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种三电平四象限功率单元模块，其特征在于，包括散热器、第一半导体开关元件、第二半导体开关元件、第三半导体开关元件、第四半导体开关元件以及一个整流二极管元件；其中：所述第一半导体开关元件、所述第二半导体开关元件、所述第三半导体开关元件、所述第四半导体开关元件以及所述整流二极管元件以排列成直线的方式贴于所述散热器的同一侧散热面。

2.根据权利要求1所述的三电平四象限功率单元模块，其特征在于，所述散热器的宽度与所述第一半导体开关元件的宽度匹配。

3.根据权利要求1所述的三电平四象限功率单元模块，其特征在于，所述第一半导体开关元件、所述第二半导体开关元件、所述整流二极管元件、所述第三半导体开关元件和所述第四半导体开关元件在所述散热器上依次排列。

4.根据权利要求3所述的三电平四象限功率单元模块，其特征在于，所述第一半导体开关元件、所述第二半导体开关元件、所述第三半导体开关元件、所述第四半导体开关元件以及所述整流二极管元件之间通过叠层设置的P直流铜排、N直流铜排、O直流铜排、L交流铜排、第一连接铜排以及第二连接铜排电连接。

5.根据权利要求4所述的三电平四象限功率单元模块，其特征在于，所述第一半导体开关元件、所述第二半导体开关元件、所述第三半导体开关元件、所述第四半导体开关元件分别为绝缘栅双极型晶体管。

6.根据权利要求5所述的三电平四象限功率单元模块，其特征在于，所述整流二极管元件包括第一二极管和第二二极管；

所述第一连接铜排分别与第一二极管的阴极、所述第一半导体开关元件的发射极、所述第二半导体开关元件的集电极电连接；所述第二连接铜排分别与所述第二二极管的阳极、所述第三半导体开关元件的发射极、所述第四半导体开关元件的集电极连接；所述P直流铜排与所述第一半导体开关元件的集电极电连接；所述O直流铜排分别与所述第一二极管的阳极、所述第二二极管的阴极电连接；所述N直流铜排与所述第四半导体开关元件的发射极电连接；所述L交流铜排与所述第二半导体开关元件的发射极、所述第三半导体开关元件的集电极电连接。

7.根据权利要求6所述的三电平四象限功率单元模块，其特征在于:

所述第一连接铜排位于第一半导体开关元件、所述第二半导体开关元件和所述整流二极管元件的上方；所述第二连接铜排位于所述整流二极管元件、所述第三半导体开关元件以及所述第四半导体开关元件的上方；

所述P直流铜排位于所述第一半导体开关元件的上方，并延伸到所述第一半导体开关元件的外侧形成所述P直流铜排的接线端；

所述O直流铜排位于所述整流二极管元件的上方，并经由所述第二半导体开关元件、所述第一半导体开关元件的上方延伸到所述第一半导体开关元件的外侧形成所述O直流铜排的接线端；

所述N直流铜排位于所述第四半导体开关元件的上方，并经由所述第三半导体开关元件、所述整流二极管元件、所述第二半导体开关元件、所述第一半导体开关元件的上方延伸到所述第一半导体开关元件的外侧形成所述N直流铜排的接线端；

所述L交流铜排位于所述第二半导体开关元件、所述整流二极管元件和所述第三半导体开关元件的上方，并经由所述第四半导体开关元件的上方延伸到所述第四半导体开关元件的外侧形成所述L交流铜排的接线端。

8.根据权利要求7所述的三电平四象限功率单元模块，其特征在于：

所述第一连接铜、所述第二连接铜排以及所述P直流铜排位于同一平面；所述O直流铜排叠于所述第一连接铜、所述第二连接铜排以及所述P直流铜排的上方；所述N直流铜排叠于所述O直流铜排的上方；所述L交流铜排叠于所述N直流铜排的上方。

9.根据权利要求1所述的三电平四象限功率单元模块，其特征在于，所述散热器为液冷散热器。

10.一种变频器，其特征在于，包括如权利要求1-9中任一项所述的三电平四象限功率单元模块。