CN215817947U - 一种用叠层母排连接的功率模块和变频器 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种用叠层母排连接的功率模块和变频器，属于变频器技术领域。其中，功率模块包括：散热器、三电平拓扑结构和叠层母排，其特征在于，第一半导体开关元件、整流二极管元件、第二半导体开关元件、第三半导体开关元件和第四半导体开关元件以单行或单列矩阵方式依次排列于散热器单侧表面。本申请解决了由于布局原因造成的杂散电感大并且还存在布局空间浪费的问题，有效降低换流回路的杂散电感，提高了半导体开关元件的载流能力，从而实现了提高三电平拓扑结构性能的技术效果，并且由于减少了叠层母排的层数，在提高功率密度及性能的同时降低了成本。

Description

一种用叠层母排连接的功率模块和变频器

技术领域

本申请涉及变频器领域，尤其涉及一种用叠层母排连接的功率模块和变频器。

背景技术

功率模块一般包括散热器、三电平拓扑结构和叠层母排，如图1，三电平拓扑结构通常由四个半导体开关元件11、12、13、14及整流二极管元件15构成，各元件连接散热器16进行散热，各元件之间通过叠层母排电连接。作为三电平拓扑结构中关键元件的半导体开关元件的载流能力是否被合理充分利用，决定了产品的竞争力，载流能力往往受限于电气连接母排的杂散电感，而杂散电感与叠层母排的电流流向、层叠关系、半导体开关元件的布置方式等密切相关。

现有的三电平拓扑结构由于布局原因，导致杂感大并且还存在布局空间浪费的问题，降低了整个功率模块的功率密度。

实用新型内容

为了解决由于布局原因造成的三电平拓扑结构杂散电感大和布局空间浪费的问题，本申请提供了一种用叠层母排连接的功率模块和变频器。

根据本申请实施例的一个方面，提供了一种用叠层母排连接的功率模块，所述功率模块包括散热器、三电平拓扑结构和叠层母排；所述三电平拓扑结构包括第一半导体开关元件、整流二极管元件、第二半导体开关元件、第三半导体开关元件和第四半导体开关元件；所述叠层母排包括P直流铜排、N直流铜排、0电铜排、AC交流铜排、A连接铜排和B连接铜排，所述第一半导体开关元件、所述整流二极管元件、所述第二半导体开关元件、所述第三半导体开关元件和所述第四半导体开关元件以单行或单列矩阵方式依次排列于所述散热器单侧表面；所述P直流铜排、所述B连接铜排和所述AC交流铜排位于第一平面；所述0电铜排和所述A连接铜排位于第二平面；所述N直流铜排位于第三平面；所述第一平面、所述第二平面和所述第三平面之间互相平行且不在同一平面；

进一步，上述方案还包括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和所述第四半导体开关元件为绝缘栅双极型晶体管；所述整流二极管元件包括第一二极管和第二二极管；

进一步，上述方案还包括所述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N直流铜排与所述第二半导体开关元件的发射极电连接；

所述0电铜排与所述第一二极管的阴极和所述第二二极管的阳极电连接；

所述AC交流铜排与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A连接铜排与所述第一二极管的阳极、所述第二半导体开关元件的集电极和所述第四半导体开关元件的发射极电连接；

所述B连接铜排与所述第二二极管的阴极、所述第一半导体开关元件的发射极和所述第三半导体开关元件的集电极电连接；

进一步，上述方案还包括所述P直流铜排位于第一半导体开关元件上方，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B连接铜排位于所述第一半导体开关元件、所述整流二极管元件、所述第二半导体开关元件和所述第三半导体开关元件的上方；

所述AC交流铜排位于所述第三半导体开关元件和所述第四半导体开关元件的上方，并形成所述AC交流铜排的接线端；

所述0电铜排位于所述第一半导体开关元件和所述整流二极管元件的上方，并延伸到所述第一半导体开关元件的外侧形成所述0电铜排的接线端；

所述A连接铜排位于所述整流二极管元件、所述第二半导体开关元件、所述第三半导体开关元件和所述第四半导体开关元件的上方；

所述N直流铜排位于所述第二半导体开关元件的上方，并经由所述整流二极管元件、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；

进一步，上述方案还包括所述第二平面位于所述第一平面的上方；所述第三平面位于所述第二平面的上方；

进一步，上述方案还包括所述散热器为液冷散热器、热管散热器和散热基板中的一种；

进一步，上述方案还包括所述散热器的长度和宽度与所述第一半导体开关元件、所述整流二极管元件、所述第二半导体开关元件、所述第三半导体开关元件和所述第四半导体开关元件的矩阵方式排列的外形尺寸相匹配。

根据本申请实施例的另一个方面，还提供了一种变频器，包括以上任一所述的用叠层母排连接的功率模块。

本申请实施例提供的上述技术方案与现有技术相比具有如下优点：

在本申请实施例中，调整三电平拓扑结构元件之间的位置关系与排列方式，设置第一半导体开关元件、整流二极管元件、第二半导体开关元件、第三半导体开关元件和第四半导体开关元件依次排列，并且各元件之间通过叠层设置的三层母排电连接，解决了由于布局原因造成的杂散电感大并且还存在布局空间浪费的问题，有效降低换流回路的杂散电感，提高了半导体开关元件的载流能力，从而实现了提高三电平拓扑结构性能的技术效果，并且由于减少了叠层母排的层数，在提高功率密度及性能的同时降低了成本。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。

为了更清楚地说明本申请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简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，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为现有技术中一种三电平功率模块中IGBT及整流二极管的布局示意图；

图2为本申请实施例对应的一种用叠层母排连接的功率模块中IGBT及整流二极管的布局示意图；

图3为本申请实施例提供的一种用叠层母排连接的功率模块的布局示意图；

图4为本申请实施例提供的另一种用叠层母排连接的功率模块的布局示意图；

图5为本申请实施例提供的一种三电平拓扑结构电路示意图；

图6为本申请实施例提供的另一种视角的用叠层母排连接的功率模块的布局示意图。

附图标号如下：

201-第一半导体开关元件；202-第二半导体开关元件；203-第三半导体开关元件；204-第四半导体开关元件；205-整流二极管元件；206-散热器；301-P直流铜排；302-N直流铜排；303-0电铜排；304-AC交流铜排；305-A连接铜排；306-B连接铜排；311-第一二极管；312-第二二极管。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例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申请的一部分实施例，而不是全部的实施例，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个类似的实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

根据本申请实施例的一方面，提供了一种用叠层母排连接的功率模块的实施例，功率模块包括散热器206、三电平拓扑结构和叠层母排。其中的三电平拓扑结构，包括第一半导体开关元件201、整流二极管元件205、第二半导体开关元件202、第三半导体开关元件203和第四半导体开关元件204，其中的叠层母排包括P直流铜排301、N直流铜排302、0电铜排303、AC交流铜排304、A连接铜排305和B连接铜排306。

本实施例中，如图2，四个半导体开关元件、整流二极管元件205和散热器206的相对位置关系如下：第一半导体开关元件201、整流二极管元件205、第二半导体开关元件202、第三半导体开关元件203和第四半导体开关元件204以单行或单列矩阵方式依次排列于散热器206单侧表面。叠层设置的各个母排将以上四个半导体开关元件和整流二极管元件205连接，如图3，叠层母排与四个各半导体开关元件和整流二极管元件205位于散热器206的同一侧，叠层母排当中，P直流铜排301、B连接铜排306和AC交流铜排304位于第一平面，0电铜排303和A连接铜排305位于第二平面，N直流铜排302位于第三平面，第一平面、第二平面和第三平面之间互相平行且不在同一平面。

本实施例中，通过调整第一半导体开关元件201、整流二极管元件205、第二半导体开关元件202、第三半导体开关元件203和第四半导体开关元件204的布局，六块连接各元件的母排只需设置三层即可将三电平拓扑结构中的各元件连接，降低了换流回路的杂散电感，提高了半导体开关元件的载流能力，提高了三电平拓扑结构的性能。另外，三层母排的设计，使所需的母排总体积减少，也降低了成本。

一个实施例中，如图4，第一半导体开关元件201、第二半导体开关元件202、第三半导体开关元件203和第四半导体开关元件204为绝缘栅双极型晶体管IGBT(Insulated GateBipolar Transistor)，整流二极管元件205包括第一二极管311和第二二极管312。在散热器206的同一侧散热面上，第一半导体开关元件201、整流二极管元件205、第二半导体开关元件202、第三半导体开关元件203和第四半导体开关元件204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。

一个实施例中，叠层母排与半导体开关元件和整流二极管元件205的具体连接关系如下：P直流铜排301与第一半导体开关元件201的集电极电连接，N直流铜排302与第二半导体开关元件202的发射极电连接，0电铜排303与第一二极管311的阴极和第二二极管312的阳极电连接，AC交流铜排304与第三半导体开关元件203的发射极和第四半导体开关元件204的集电极电连接，A连接铜排305与第一二极管311的阳极、第二半导体开关元件202的集电极和第四半导体开关元件204的发射极电连接，B连接铜排306与第二二极管312的阴极、第一半导体开关元件201的发射极和第三半导体开关元件203的集电极电连接。通过这种连接，用叠层母排连接的功率模块可以组成如图5的三电平拓扑结构的电路中的一相，比如U相(V相和W相与U相的组成方式相同)。使用三组功率模块就可以组成三相，可应用于三电平四象限变频器的整流及逆变单元模组，以及三电平两象限变频器的逆变单元模组。或者也可以使用一组应用于单相功率单元模块。当然，此处的应用场景只是举例说明，实际使用场景并不限于此。

一个实施例中，如图6，叠层母排与半导体开关元件和整流二极管元件205的具体相对位置如下：P直流铜排301位于第一半导体开关元件201上方，并延伸到第一半导体开关元件201的外侧形成P直流铜排301的接线端，B连接铜排306位于第一半导体开关元件201、整流二极管元件205、第二半导体开关元件202和第三半导体开关元件203的上方，AC交流铜排304位于第三半导体开关元件203和第四半导体开关元件204的上方，并形成AC交流铜排304的接线端，0电铜排303位于第一半导体开关元件201和整流二极管元件205的上方，并延伸到第一半导体开关元件201的外侧形成0电铜排303的接线端，A连接铜排305位于整流二极管元件205、第二半导体开关元件202、第三半导体开关元件203和第四半导体开关元件204的上方，N直流铜排302位于第二半导体开关元件202的上方，并经由整流二极管元件205、第一半导体开关元件201的上方延伸到第一半导体开关元件201的外侧形成N直流铜排302的接线端。

本实施例中，以散热器206作为参考平面，设置各个半导体开关元件和整流二极管元件205的这一侧且垂直于散热器206作为上方(其他实施例中所说的上方和本实施例中的上方意思相同)。其中，第一半导体开关元件201、整流二极管元件205、第二半导体开关元件202、第三半导体开关元件203和第四半导体开关元件204在散热器206的上方，叠层母排所处的第一平面、第二平面和第三平面在第一半导体开关元件201、整流二极管元件205、第二半导体开关元件202、第三半导体开关元件203和第四半导体开关元件204的上方。

本实施例中，以散热器206作为参考平面，第一半导体开关元件201、整流二极管元件205、第二半导体开关元件202、第三半导体开关元件203和第四半导体开关元件204在散热器206上方的同一水平面依次排列，相对于第一半导体开关元件201来说，整流二极管侧为第一半导体开关元件201的内侧，相反的方向为第一半导体开关元件201的外侧(其他实施例中所说的外侧和本实施例中的意思相同)，P直流铜排301、N直流铜排302和0电铜排303分别延伸至第一半导体开关元件201的外侧形成各自的接线端，这三个输入端口在一个区域，有利于使用本功率模块的电路连接布线，方便使用。

一个实施例中，具体来说，叠层母排所处的三个平面中，第一平面在第一半导体开关元件201、整流二极管元件205、第二半导体开关元件202、第三半导体开关元件203和第四半导体开关元件204的上方，第二平面位于第一平面的上方，第三平面位于第二平面的上方。将包括三个母排的第一平面置于第一半导体开关元件201、整流二极管元件205、第二半导体开关元件202、第三半导体开关元件203和第四半导体开关元件204的上方，将包括两个母排的第二平面置于第一平面的上方，将包括一个母排的第三平面置于第二平面的上方，这样排列方便生产组装。

本实施例中，以三电平拓扑结构及叠层母排所组成的功率模块在PN(P直流铜排和N直流铜排之间)电压为5600V，P0(P直流铜排和0电铜排之间)电压、0N电压(0电铜排和N直流铜排之间)分别为2800V，AC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。下面以长换流回路举例比较，长换流回路中的一个回路B，分别测定各处母排间的杂散电感，得到正极处的杂散电感总值情况如下表1：

表1

以三电平拓扑结构及叠层母排所组成的功率模块在PN电压为5600V，P0之间和0N之间电压分别为2800V，AC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，长换流回路的另一个回路C，分别测定各处母排间的杂散电感，得到负极杂散电感量总值情况如下表2：

表2

由上表1和表2可知，长换流回路杂散感量值总体维持在90nh以内，极大的降低了杂散电感对***的影响及危害，提高了半导体开关元件的载流能力，进而提高了电气***稳定性。

表3

由表3可知，长换流回路的正极杂散电感，比常规方案降低了163nh，长换流回路的负极杂散电感，比常规方案降低了94nh，明显降低了杂散电感，提高了半导体开关元件的载流能力，极大的提高了***稳定性。

一个实施例中，散热器206为液冷散热器、热管散热器和散热基板中的一种，可以根据应用场景的实际情况选用不同种类的散热器。

一个实施例中，散热器206的长度和宽度与第一半导体开关元件201、整流二极管元件205、第二半导体开关元件202、第三半导体开关元件203和第四半导体开关元件204的矩阵方式排列的外形尺寸相匹配。根据各个元件排列的外形尺寸匹配散热器206的外形尺寸，既能达到散热的目的，又能合理设计功率模块的尺寸，避免浪费空间和散热器材料。

在本申请提供的又一实施例中，还提供了一种变频器，包括上述实施例中任一用叠层母排连接的功率模块，使用上述用叠层母排连接的功率模块的变频器，由于换流回路的杂散电感低，载流能力强，使得变频器的性能也能得到提高。

Claims (8)

1.一种用叠层母排连接的功率模块，所述功率模块包括散热器、三电平拓扑结构和叠层母排；所述三电平拓扑结构包括第一半导体开关元件、整流二极管元件、第二半导体开关元件、第三半导体开关元件和第四半导体开关元件；所述叠层母排包括P直流铜排、N直流铜排、0电铜排、AC交流铜排、A连接铜排和B连接铜排，其特征在于，所述第一半导体开关元件、所述整流二极管元件、所述第二半导体开关元件、所述第三半导体开关元件和所述第四半导体开关元件以单行或单列矩阵方式依次排列于所述散热器单侧表面；所述P直流铜排、所述B连接铜排和所述AC交流铜排位于第一平面；所述0电铜排和所述A连接铜排位于第二平面；所述N直流铜排位于第三平面；所述第一平面、所述第二平面和所述第三平面之间互相平行且不在同一平面。

2.根据权利要求1所述的用叠层母排连接的功率模块，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和所述第四半导体开关元件为绝缘栅双极型晶体管；所述整流二极管元件包括第一二极管和第二二极管。

3.根据权利要求2所述的用叠层母排连接的功率模块，其特征在于，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N直流铜排与所述第二半导体开关元件的发射极电连接；

所述0电铜排与所述第一二极管的阴极和所述第二二极管的阳极电连接；

所述AC交流铜排与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A连接铜排与所述第一二极管的阳极、所述第二半导体开关元件的集电极和所述第四半导体开关元件的发射极电连接；

所述B连接铜排与所述第二二极管的阴极、所述第一半导体开关元件的发射极和所述第三半导体开关元件的集电极电连接。

4.根据权利要求3所述的用叠层母排连接的功率模块，其特征在于，所述P直流铜排位于第一半导体开关元件上方，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B连接铜排位于所述第一半导体开关元件、所述整流二极管元件、所述第二半导体开关元件和所述第三半导体开关元件的上方；

所述AC交流铜排位于所述第三半导体开关元件和所述第四半导体开关元件的上方，并形成所述AC交流铜排的接线端；

所述0电铜排位于所述第一半导体开关元件和所述整流二极管元件的上方，并延伸到所述第一半导体开关元件的外侧形成所述0电铜排的接线端；

所述A连接铜排位于所述整流二极管元件、所述第二半导体开关元件、所述第三半导体开关元件和所述第四半导体开关元件的上方；

所述N直流铜排位于所述第二半导体开关元件的上方，并经由所述整流二极管元件、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。

5.根据权利要求4所述的用叠层母排连接的功率模块，其特征在于，所述第二平面位于所述第一平面的上方；所述第三平面位于所述第二平面的上方。

6.根据权利要求1所述的用叠层母排连接的功率模块，其特征在于，所述散热器为液冷散热器、热管散热器和散热基板中的一种。

7.根据权利要求6所述的用叠层母排连接的功率模块，其特征在于，所述散热器的长度和宽度与所述第一半导体开关元件、所述整流二极管元件、所述第二半导体开关元件、所述第三半导体开关元件和所述第四半导体开关元件的矩阵方式排列的外形尺寸相匹配。

8.一种变频器，其特征在于，包括权利要求1-7中任一所述的用叠层母排连接的功率模块。

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