CN211481140U - 大功率三电平功率组件 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种大功率三电平功率组件，包括压接框架以及固定设置于压接框架内的多个功率串，所述多个功率串包括第一功率串及第二功率串，所述第一功率串包括n个功率器件以及n+1个第一散热器，所述n为大于或等于1的整数，所述第二功率串包括m个功率器件、m‑3个第一散热器以及两个第二散热器，所述m为大于或等于4的整数；所述第一散热器和第二散热器分别包括具有两个散热面的主体部，所述第一散热器的两个散热面的表面平整，所述第二散热器的其中一个散热面的表面平整、另一散热面具有凸台，所述两个第二散热器以具有凸台的散热面背向的方式设置。本实用新型可在减少液冷散热器数量的同时，优化边缘功率器件散热效果。

Description

大功率三电平功率组件

技术领域

本实用新型实施例涉及变频器领域，更具体地说，涉及一种大功率三电平功率组件。

背景技术

随着电力电子技术的发展，大功率三电平功率组件在中压传动领域得到了广泛应用。此种大功率三电平功率组件采用IGCT(Integrated Gate Commutated Thyristor，集成门极换向晶闸管)、IEGT(Injection Enhanced Gate Transistor，电子注入增强栅晶体管)等双面压接型功率器件，其机械结构与功率器件高度集成。上述功率组件输出功率的进一步提升主要受限于结构整体散热及回路杂散电感水平。

如图1所示，为现有的功率组件的侧视剖面图，其中，多个功率器件11通过水冷散热器12压接成串式结构，功率组件可包括两串或三串功率串，在各功率串中，可采用n个功率器件11搭配n+1或n-1个水冷散热器的结构(n为大于或等于1的整数)。为保证功率器件11获得足够的压力，在功率组件两端往往使用大块的铝板或者钢板13、14以及金属拉杆15组成框架，实现功率器件11和水冷散热器12的压接固定，其中金属拉杆15通过外部套绝缘管实现电气功能绝缘。

为满足散热要求，上述水冷散热器12一般采用机械加工方式，将流道加工在中间层，流道结构多采用间隔式或中心进水螺旋式结构。然而，上述水冷散热器12采用单管流路结构，受限于螺旋线密度、散热面积和流速，该结构的水冷散热器12的散热能力有限。由于各个功率器件11的损耗存在差异，采用n+1个散热器的结构导致功率组件整体散热利用率低；采用n-1个散热器的结构对中间绝缘体导热能力、绝缘能力要求极高，加工工艺复杂。

此外，在上述功率组件中，由于功率器件11通过铝板或者钢板13、14及金属拉杆15压接固定，导致金属拉杆15与铝板或者钢板13、14构成回路，存在涡流及绝缘问题。

实用新型内容

本实用新型实施例针对上述功率组件因整体散热较差而导致输出功率受限，以及因存在杂散电感而导致输出功率无法提升的问题，提供一种大功率三电平功率组件。

本实用新型解决上述技术问题的技术方案是，提供一种大功率三电平功率组件，包括压接框架以及固定设置于压接框架内的多个功率串，所述压接框架包括第一压板、第二压板以及连接第一压板和第二压板的多个拉杆，每个功率串包括多个液冷散热器以及多个功率器件，所述多个液冷散热器以及多个功率器件相间设置并通过所述压接框架压接固定；所述多个功率串包括至少一个第一功率串以及至少一个第二功率串，所述第一功率串包括n个功率器件以及n+1个第一散热器，所述n为大于或等于1的整数，所述第二功率串包括m个功率器件、m-3个第一散热器以及两个第二散热器，所述m为大于或等于4的整数；所述第一散热器和第二散热器均为液冷散热器，且所述第一散热器和第二散热器分别包括具有两个散热面的主体部，所述第一散热器的两个散热面的表面平整，所述第二散热器的其中一个散热面的表面平整、另一散热面具有凸台，所述两个第二散热器以具有凸台的散热面背向的方式设置。

优选地，每一所述液冷散热器的主体部包括分别与两个散热面相邻的两组冷却液通道，所述两组冷却液通道并联连接在第一接口和第二接口之间。

优选地，在所述第一功率串中，所述第一散热器及功率器件通过以下方式相叠：每一所述功率器件的两侧的表面分别贴于相邻的两个第一散热器的主体部的散热面上。

优选地，所述第二散热器的主体部中，与具有凸台的散热面相邻的冷却液通道的至少一部分位于所述凸台内；

在所述第二功率串中，所述第一散热器、第二散热器及功率器件通过以下方式相叠：两个第二散热器分别以具有凸台的散热面向外的方式设置，且两个功率器件分别贴于两个凸台上；其余n-2个功率器件及n-3个第一散热器相叠于两个所述第二散热器之间，且所述n-2个功率器件的两侧的表面分别贴于相邻的两个液冷散热器的主体部的散热面上。

优选地，所述主体部的两个散热面、两组冷却液通道所在平面相互平行；每一组冷却液通道在所述主体部的圆形区域内呈螺旋形，且所述第一接口从所述螺旋形的中央位置引出到所述主体部的侧表面，所述第二接口由所述螺旋形的边缘引出到所述主体部的第一接口所在的侧表面。

优选地，所述主体部包括中间层、第一盖板以及第二盖板；

所述第一盖板焊接在所述中间层的上表面，其中一组冷却液通道位于所述中间层和第一盖板之间，且其中一个散热面位于所述第一盖板的背向所述中间层的表面；

所述第二盖板焊接在所述中间层的下表面，另一组冷却液通道位于所述中间层和第二盖板之间，且另一散热面位于所述第二盖板的背向所述中间层的表面。

优选地，所述第一盖板和第二盖板的厚度大于所述中间层的厚度；所述中间层和第一盖板之间的冷却液通道由所述第一盖板的朝向所述中间层的表面的螺旋形槽构成；所述中间层和第二盖板之间的冷却液通道由所述第二盖板的朝向所述中间层的表面的螺旋形槽构成。

优选地，所述第一盖板和第二盖板的厚度小于所述中间层的厚度；所述中间层和第一盖板之间的冷却液通道由所述中间层的朝向所述第一盖板的表面的螺旋形槽构成；所述中间层和第二盖板之间的冷却液通道由所述中间层的朝向所述第二盖板的表面的螺旋形槽构成。

优选地，所述功率器件为功率二极管、集成门极换向晶闸管或电子注入增强栅晶体管。本实用新型实施例的大功率三电平功率组件具有以下技术效果：通过在部分功率串中的第二散热器的一个散热面增加凸台，既减少了液冷散热器数量，又优化了边缘功率器件散热效果，降低了中间绝缘垫块散热要求。并且，本实用新型实施例还通过由绝缘材料加工而成的两根拉杆固定第一压板和第二压板，从而避免了压接框架构成涡流回路。此外，本实用新型还通过两组并联的冷却液通道分别为液冷散热器的两个散热面散热，可大大提高功率组件的整体散热效率，有利于功率组件输出功率的提升。

附图说明

图1是现有功率组件的剖面示意图；

图2是本实用新型实施例提供的大功率三电平功率组件的剖面示意图；

图3是本实用新型实施例提供的大功率三电平功率组件中第一功率串的结构示意图；

图4是本实用新型另一实施例提供的大功率三电平功率组件中第二功率串的结构示意图；

图5是本实用新型实施例提供的大功率三电平功率器件组件中液冷散热器的结构示意图；

图6是本实用新型实施例提供的大功率三电平功率组件中液冷散热器的分解剖视图；

图7是本实用新型实施例提供的大功率三电平功率组件中第一散热器的结构示意图；

图8是本实用新型实施例提供的大功率三电平功率组件中第二散热器的结构示意图；

图9是本实用新型实施例提供的大功率三电平功率组件的立体结构示意图；

图10是本实用新型实施例提供的大功率三电平功率组件的俯视图。

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2所示，是本实用新型实施例提供的大功率三电平功率组件的结构的剖面示意图，该大功率三电平功率组件可应用于中压变频器(中压传动***)等。本实施例的大功率三电平功率组件包括压接框架和设置于框架内的多个功率串，每个功率串包括多个液冷散热器27和多个功率器件26。其中压接框架包括第一压板211、第二压板212以及连接第一压板211和第二压板212的多个拉杆213、214，上述多个液冷散热器27以及多个功率器件26相间堆叠并通过压接框架压接固定，且功率器件26之间分别通过液冷散热器27相隔，即多个液冷散热器27以及多个功率器件26通过压接框架压接成串。具体地，结合图3、4所示，在功率器件26与液冷散热器27之间可具有绝缘导热垫，在提高安全性的同时，提高热传导效率。并且在端部的液冷散热器27或功率器件26的外侧，还具有绝缘隔热垫片24、25以及顶杆22、23，并通过上述绝缘隔热垫片24、25以及顶杆22、23实现功率器件26与液冷散热器27的压接以及压力调整，上述绝缘隔热垫片24、25可防止液冷散热器27或功率器件26的热量传导至压接框架。具体地，上述功率器件26可以为二极管、集成门极换向晶闸管或电子注入增强栅晶体管等。

参照图5-8，上述每一液冷散热器27包括主体部，且主体部包括两个散热面271，具体地，上述液冷散热器包括第一散热器和第二散热器。结合图7所示，第一散热器的主体部的两个散热面271的表面平整；第二散热器的主体部的其中一个散热面的表面平整、另一散热面具有凸台270，上述第二散热器的主体部中，与具有凸台的散热面相邻的冷却液通道的至少一部分位于凸台270内。

具体地，本实施例的大功率三电平功率组件中，多个功率串包括至少一个如图3所示的第一功率串以及至少一个如图4所示的第二功率串。

上述第一功率串包括n个功率器件26以及n+1个第一散热器，上述n为大于或等于1的整数，例如图3所示的实施例中，n为4，且液冷散热器27及功率器件26通过以下方式相叠：每一功率器件26的两侧的表面分别直接或通过绝缘导热垫间接贴于相邻的两个第一散热器的主体部的散热面271上，即每一功率器件26夹在两个液冷散热器27之间，从而每一功率器件26由两个液冷散热器27的两组冷却液通道272内的冷却液散热。

第二功率串包括m个功率器件26、m-3个第一散热器以及两个第二散热器，其中m为大于或等于4的整数，例如，在图4的实施例中，m为4，且液冷散热器27及功率器件26通过以下方式相叠：两个第二散热器以具有凸台270的散热面背向的方式设置，且两个功率器件26分别贴于两个凸台270上；其余m-2个功率器件26及m-3个第一散热器相叠于两个第二散热器之间，且该m-2个功率器件26的两侧的表面分别贴于相邻的两个液冷散热器的主体部的散热面271上。即位于功率组件最外侧的两个功率器件26分别由一个液冷散热器27的凸台270(该凸台270内具有冷却液通道272)进行散热。通过上述结构，可在满足功率器件26散热要求的同时，减少液冷散热器的数量，从而降低成本和加工难度。

参照图5-6，上述每一液冷散热器27的主体部包括分别与两个散热面271相邻的两组冷却液通道272，两个散热面271相互平行，两组冷却液通道272以平行的方式位于两个散热面271之间，且两组冷却液通道272并联连接在第一接口273和第二接口274之间。功率器件26直接或经由绝缘导热垫贴于主体部的散热面271，第一接口273和第二接口274可分别连接到冷却液管路(冷却液总管)，冷却液管路中的冷却液通过第一接口273和第二接口274流经两组冷却液通道272，从而带走功率器件26工作时产生的热量。

上述功率组件中，由于液冷散热器27具有两组并联的冷却液通道272，从而可分别为液冷散热器27两侧的功率器件散热，大大提高了功率组件的整体散热效率，有利于提升功率组件的输出功率。

在本实用新型的一个实施例中，上述液冷散热器27的主体部的两个散热面271、两组冷却液通道272所在平面相互平行；每一组冷却液通道272在主体部的圆形区域内呈螺旋形，且第一接口273从螺旋形的中央位置引出到主体部的侧表面，第二接口274由所述螺旋形的边缘引出到主体部的第一接口273所在的侧表面，并且冷却液可由第一接口273流入到冷却液通道272、并从第二接口274流出，即冷却液通道272采用中心进水式螺旋形流道。通过上述两组螺旋形的冷却液通道272以及冷却液由中心流入、***流出的结构，可大大提高液冷散热器27的散热效率。

特别地，结合图6所示，液冷散热器27(即第一散热器、第二散热器)的主体部包括中间层275、第一盖板276以及第二盖板277，上述中间层275、第一盖板276和第二盖板277分别由具有较高导热系数的材料(例如铝或铝合金)构成，并且第一盖板276通过第一钎料层278焊接在中间层275的上表面，其中一组冷却液通道272位于中间层275和第一盖板276之间，即其中一组冷却液通道272由中间层275与第一盖板276之间的封闭空间构成，且其中一个散热面位于第一盖板276的背向中间层275的表面。具体地，上述冷却液通道272可由第一盖板276的朝向中间层275的表面的螺旋形槽构成。

类似地，第二盖板277通过第二钎料层279焊接在中间层275的下表面，另一组冷却液通道272位于中间层275和第二盖板277之间，即另一组冷却液通道272由中间层275与第一盖板276之间的封闭空间构成，且另一散热面位于第二盖板277的背向中间层275的表面。当然，在实际应用中，第一盖板276和第二盖板277也可通过其他材料焊接到中间层275上。上述冷却液通道272由第二盖板277的朝向中间层275的表面的螺旋形槽构成。

中间层275主要用于隔离两组冷却液通道272，因此该中间层275的厚度可小于第一盖板276或第二盖板277的厚度。

当然，在实际应用中，两组冷却液通道272可分别由中间层275的朝向第一盖板276的表面的螺旋形槽以及朝向第二盖板277的表面的螺旋形槽构成。此时，第一盖板276和第二盖板277的厚度小于中间层275的厚度。当然，该结构的散热效果相对较差。

此外，为降低加工成本，上述第一盖板276、第二盖板277或中间层275上的螺旋形槽可通过锻压工艺加工成型。当然，在实际应用中，上述第一盖板276、第二盖板277或中间层275上的螺旋形槽也可采用机械加工方式，但其加工成本相对较高。

在本实用新型的另一实施例中，上述压接框架中的第一压板211和第二压板212平行设置，并通过平行设置的两根拉杆213、214连接固定；液冷散热器27以及多个功率器件26位于第一压板211和第二压板212之间，且液冷散热器27以及多个功率器件26的叠合方向垂直于第一压板211和第二压板212。由于两根拉杆213、214由绝缘材料加工而成，因此压接框架不会构成回路，从而在保证压接可靠性的同时，减少涡流形成的杂散电感。

为保证安全可靠，上述拉杆213、214可分别通过双螺母与第一压板211、第二压板212锁紧固定。

如图9-10所示，为本实用新型实施例提供的大功率三电平功率组件的立体图和俯视图，该功率组件可应用于中压传动***，且该功率组件包括至少一个如上所述的功率串2。在上述大功率三电平功率组件中，功率串2的数量可根据需要设置，且当包括多个功率串2时，该多个功率串2共用一套压接框架，多个功率串2的液冷散热器可共用一组冷却液管路。

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 (9)

1.一种大功率三电平功率组件，包括压接框架以及固定设置于压接框架内的多个功率串，所述压接框架包括第一压板、第二压板以及连接第一压板和第二压板的多个拉杆，每个功率串包括多个液冷散热器以及多个功率器件，所述多个液冷散热器以及多个功率器件相间设置并通过所述压接框架压接固定；其特征在于，所述多个功率串包括至少一个第一功率串以及至少一个第二功率串，所述第一功率串包括n个功率器件以及n+1个第一散热器，所述n为大于或等于1的整数，所述第二功率串包括m个功率器件、m-3个第一散热器以及两个第二散热器，所述m为大于或等于4的整数；所述第一散热器和第二散热器均为液冷散热器，且所述第一散热器和第二散热器分别包括具有两个散热面的主体部，所述第一散热器的两个散热面的表面平整，所述第二散热器的其中一个散热面的表面平整、另一散热面具有凸台，所述两个第二散热器以具有凸台的散热面背向的方式设置。

2.根据权利要求1所述的大功率三电平功率组件，其特征在于，每一所述液冷散热器的主体部包括分别与两个散热面相邻的两组冷却液通道，所述两组冷却液通道并联连接在第一接口和第二接口之间。

3.根据权利要求2所述的大功率三电平功率组件，其特征在于，在所述第一功率串中，所述第一散热器及功率器件通过以下方式相叠：每一所述功率器件的两侧的表面分别贴于相邻的两个第一散热器的主体部的散热面上。

4.根据权利要求2所述的大功率三电平功率组件，其特征在于，所述第二散热器的主体部中，与具有凸台的散热面相邻的冷却液通道的至少一部分位于所述凸台内；

在所述第二功率串中，所述第一散热器、第二散热器及功率器件通过以下方式相叠：两个第二散热器分别以具有凸台的散热面向外的方式设置，且两个功率器件分别贴于两个凸台上；其余n-2个功率器件及n-3个第一散热器相叠于两个所述第二散热器之间，且所述n-2个功率器件的两侧的表面分别贴于相邻的两个液冷散热器的主体部的散热面上。

5.根据权利要求2-4中任一项所述的大功率三电平功率组件，其特征在于，所述主体部的两个散热面、两组冷却液通道所在平面相互平行；每一组冷却液通道在所述主体部的圆形区域内呈螺旋形，且所述第一接口从螺旋形的中央位置引出到所述主体部的侧表面，所述第二接口由螺旋形的边缘引出到所述主体部的第一接口所在的侧表面。

6.根据权利要求5所述的大功率三电平功率组件，其特征在于，所述主体部包括中间层、第一盖板以及第二盖板；

所述第一盖板焊接在所述中间层的上表面，其中一组冷却液通道位于所述中间层和第一盖板之间，且其中一个散热面位于所述第一盖板的背向所述中间层的表面；

所述第二盖板焊接在所述中间层的下表面，另一组冷却液通道位于所述中间层和第二盖板之间，且另一散热面位于所述第二盖板的背向所述中间层的表面。

7.根据权利要求6所述的大功率三电平功率组件，其特征在于，所述第一盖板和第二盖板的厚度大于所述中间层的厚度；所述中间层和第一盖板之间的冷却液通道由所述第一盖板的朝向所述中间层的表面的螺旋形槽构成；所述中间层和第二盖板之间的冷却液通道由所述第二盖板的朝向所述中间层的表面的螺旋形槽构成。

8.根据权利要求6所述的大功率三电平功率组件，其特征在于，所述第一盖板和第二盖板的厚度小于所述中间层的厚度；所述中间层和第一盖板之间的冷却液通道由所述中间层的朝向所述第一盖板的表面的螺旋形槽构成；所述中间层和第二盖板之间的冷却液通道由所述中间层的朝向所述第二盖板的表面的螺旋形槽构成。

9.根据权利要求1所述的大功率三电平功率组件，其特征在于，所述功率器件为功率二极管、集成门极换向晶闸管或电子注入增强栅晶体管。

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