CN206922654U - 三电平功率模块及变频器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种三电平功率模块及变频器，所述三电平功率模块包括散热器、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贴于散热器的第一侧散热面，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贴于散热器的第二侧散热面。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设置在散热器的两个散热面，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

三电平功率模块及变频器

技术领域

本实用新型涉及功率模块领域，更具体地说，涉及一种三电平功率模块及变频器。

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及集成有两个二极管的整流二极管器件15构成，上述半导体开关元件通常采用IGBT(Insulated Gate Bipolar 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，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，如图3-6所示，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功率模块及变频器。

本实用新型解决上述技术问题的技术方案是，提供一种三电平功率模块，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贴于散热器的第一侧散热面，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贴于散热器的第二侧散热面。

在本实用新型所述的三电平功率模块中，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功率模块中，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功率模块中，所述P直流铜排、所述N直流铜排、所述O直流铜排、所述L交流铜排的出线端位于同一平面。

在本实用新型所述的三电平功率模块中，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；

在所述散热器的第一侧散热面，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依次排列为直线形；在所述散热器的第二侧散热面，所述第二半导体开关元件和所述第一半导体开关元件依次排列。

在本实用新型所述的三电平功率模块中，所述整流二极管元件包括第一二极管和第二二极管；

所述第二连接铜排位于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的上方并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和所述第四半导体开关元件的集电极电连接；

所述第一连接铜排从所述整流二极管元件的上方弯折到达所述第一半导体开关元件和所述第二半导体开关元件的上方，并分别与所述第一二极管的阴极、所述第一半导体开关元件的发射极和所述第二半导体开关元件的集电极电连接；

所述L交流铜排叠于所述第一连接铜排和所述第二连接铜排的外层，并与所述第二半导体开关元件的发射极和所述第三半导体开关元件的集电极电连接；

所述O直流铜排叠于所述L交流铜排的外层，并与所述第一二极管的阳极和所述第二二极管的阴极电连接；

所述N直流铜排叠于所述O直流铜排的外层，并与所述第四半导体开关元件的发射极电连接；

所述P直流铜排叠于所述第二连接铜排及L交流铜排的外层，并与所述第一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功率模块中，所述O直流铜排呈台阶形。

在本实用新型所述的三电平功率模块中，所述P直流铜排呈台阶形。

在本实用新型所述的三电平功率模块中，所述散热器为水冷散热器，所述散热器的进液口和出液口位于同一平面，且所述进液口和出液口所在的平面与所述P直流铜排、所述N直流铜排、所述O直流铜排、所述L交流铜排的出线端所在的平面相同。

本实用新型还提供一种变频器，包括如上所述的三电平功率模块。

本实用新型的三电平功率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设置在散热器的两个散热面，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种换流回路的示意图；

图4是现有三电平功率模块的另一种换流回路的示意图；

图5是现有三电平功率模块的另一种换流回路的示意图；

图6是现有三电平功率模块的另一种换流回路的示意图；

图7是本实用新型三电平功率模块实施例的示意图；

图8是本实用新型三电平功率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功率模块的叠层铜排的连接关系的示意图；

图10是本实用新型三电平功率模块中流经第一半导体开关元件和第一二极管的换流回路的示意图；

图11是本实用新型三电平功率模块中流经第一、二、三半导体开关元件和第二二极管的换流回路的示意图；

图12是本实用新型三电平功率模块中流经第四半导体开关元件及第二二极管的换流回路的示意图；

图13是本实用新型三电平功率模块中流经第二、三、四半导体开关元件及第一二极管的换流回路的示意图；

图14是本实用新型三电平功率模块的各铜排的出线端的示意图；

图15是本实用新型三电平功率模块装配到机箱的示意图。

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贴于散热器76的第一侧散热面，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则贴于散热器76的第二侧散热面。

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的第一侧散热面，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依次排列为直线形；在散热器76的第二侧散热面，第二半导体开关元件72和第一半导体开关元件71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、O直流铜排83、L交流铜排84、N直流铜排85以及P直流铜排86电连接。

上述叠层设置的P直流铜排86、N直流铜排85、O直流铜排83、L交流铜排84、第一连接铜排81以及第二连接铜排82按照最大区域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以及整流二极管元件75。

具体地，第二连接铜排82位于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的上方，且第二连接铜排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的集电极电连接；第一连接铜排81从整流二极管元件75的上方经两次弯折到达第一半导体开关元件71和第二半导体开关元件72的上方，且第一连接铜排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、第二半导体开关元件72的集电极电连接；L交流铜排84叠于第一连接铜排81和第二连接铜排82的外层，并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；O直流铜排83叠于L交流铜排84的外层，且该O直流铜排83与第一二极管的阳极和第二二极管的阴极电连接；N直流铜排85叠于O直流铜排83的外层，并与第四半导体开关元件74的发射极电连接；P直流铜排86叠于第二连接铜排82及L交流铜排84的外层，且该P直流铜排86与第一半导体开关元件71的集电极电连接。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。

为进一步减小杂感，可使得P直流铜排86、N直流铜排85、O直流铜排83、L交流铜排84、第一连接铜排81以及第二连接铜排82仅覆盖与其电连接的元件，且处于最外层的O直流铜排83和P直流铜排86可分别呈台阶形。

如图10-13所示，是采用图9的叠层母排时四个换流回路的示意图，其中图10为流经第一半导体开关元件71以及整流二极管器件75的第一二极管的换流回路；图11示出了流经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以及整流二极管器件75的第二二极管的换流回路；图12示出了流经第四半导体开关元件74以及整流二极管器件75的第二二极管的换流回路；图13示出了流经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以及整流二极管器件75的第一二极管的换流回路。

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交流电压时图12-15的对应换流回路杂散感量值比较。

由上表可知，换流回路杂散感量值最大降低了131nh，极大的提高了电气***稳定性。

为方便维护，可使得P直流铜排86、N直流铜排85、O直流铜排83、L交流铜排84的出线端位于同一平面，如图14所示。

如图15所述，上述三电平功率模块可装设到机箱90内，且P直流铜排86、N直流铜排85、O直流铜排83、L交流铜排84的出线端位于机箱90的前侧面。散热器76可采用水冷散热器，且该散热器76的进液口902和出液口903与P直流铜排86、N直流铜排85、O直流铜排83、L交流铜排84的出线端位于同一平面(即机箱90的前侧面)。在该机箱90的前侧面上，还可具有电气转接端子901。

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)

1.一种三电平功率模块，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、第二半导体开关元件贴于散热器的第一侧散热面，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贴于散热器的第二侧散热面。

2.根据权利要求1所述的三电平功率模块，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所述的三电平功率模块，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。

4.根据权利要求3所述的三电平功率模块，其特征在于，所述P直流铜排、所述N直流铜排、所述O直流铜排、所述L交流铜排的出线端位于同一平面。

5.根据权利要求3所述的三电平功率模块，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；

在所述散热器的第一侧散热面，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依次排列为直线形；在所述散热器的第二侧散热面，所述第二半导体开关元件和所述第一半导体开关元件依次排列。

6.根据权利要求5所述的三电平功率模块，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；

所述第二连接铜排位于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的上方，并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和所述第四半导体开关元件的集电极电连接；

所述第一连接铜排从所述整流二极管元件的上方弯折后到达所述第一半导体开关元件和所述第二半导体开关元件的上方，并分别与所述第一二极管的阴极、所述第一半导体开关元件的发射极和所述第二半导体开关元件的集电极电连接；

所述L交流铜排叠于所述第一连接铜排和所述第二连接铜排的外层，并与所述第二半导体开关元件的发射极和所述第三半导体开关元件的集电极电连接；

所述O直流铜排叠于所述L交流铜排的外层，并与所述第一二极管的阳极和所述第二二极管的阴极电连接；

所述N直流铜排叠于所述O直流铜排的外层，并与所述第四半导体开关元件的发射极电连接；

所述P直流铜排叠于所述第二连接铜排及L交流铜排的外层，并与所述第一半导体开关元件的集电极电连接。

7.根据权利要求6所述的三电平功率模块，其特征在于，所述O直流铜排呈台阶形。

8.根据权利要求6所述的三电平功率模块，其特征在于，所述P直流铜排呈台阶形。

9.根据权利要求4所述的三电平功率模块，其特征在于，所述散热器为水冷散热器，所述散热器的进液口和出液口位于同一平面，且所述进液口和出液口所在的平面与所述P直流铜排、所述N直流铜排、所述O直流铜排、所述L交流铜排的出线端所在的平面相同。

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功率模块。