CN102246611A - 母线系统得到冷却的功率变换器模块 - Google Patents

母线系统得到冷却的功率变换器模块 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种包括至少两个功率半导体模块(2，4)的功率变换器模块，所述功率半导体模块以导热方式与一液冷式散热体(6)机械连接并借助一母线系统(8)与所述功率变换器模块的多个端子(10，12，14)导电相连，所述母线系统具有至少两个被一绝缘层(32)隔离的母线(26，28；28，30)。根据本发明，所述绝缘层(32)具有两个绝缘分层(36，38)，所述绝缘分层以材料接合方式彼此相连并在所述这两个绝缘分层(36，38)之间形成一具有规定形状的空腔(40)，所述空腔的输入端和输出端与所述绝缘层(32)的至少一个侧面(48，50)连通，所述空腔(40)的输入端和输出端上各设一接管(42)，所述接管均与所述液冷式散热体(6)连通。通过这种方式就能获得一种功率变换器模块，其至少两个功率半导体模块(2，4)的母线系统(8)得到冷却，所述功率变换器模块具备比市售功率变换器模块更强的载电能力，同时还能保持所述绝缘层(32)和所述母线系统(8)的层压材料的允许温度。

Description

母线系统得到冷却的功率变换器模块
技术领域
本发明涉及一种如权利要求1的前序部分所述的功率变换器模块。
背景技术
一般的功率变换器模块，特别是较大功率的同类型功率变换器模块可从市场上购得。这类功率变换器模块的功率半导体模块(特别是可断功率半导体模块)通过低电感母线系统与功率变换器模块的端子连接。为此需要将所用母线实施为平面母线并相互叠置形成母线组。每两个平面母线之间都设有一个平面绝缘层。这些绝缘层突出于平面母线之外，以便保持电气间隙和爬电距离极限值。因此，上述类型的低电感母线系统具有至少两个母线和至少一个绝缘层。为了使功率变换器模块中所用的功率半导体模块的母线系统尽可能紧凑，这个母线组经过了层压处理。根据具体所采用的材料(特别是层压材料)和塑料，这种母线系统的极限温度例如为105℃。
由于市售功率半导体模块(特别是可断功率半导体模块，例如绝缘栅双极晶体管(IGBT))的载流能力始终在提高，因此，功率变换器模块的母线系统(特别是层压式母线系统)的母线中的电流密度也在增大。这会导致母线系统中的损耗以二次方速度增长，该母线系统的温度也会上升且无法通过半导体模块的底板或者是散热体进行降温。母线系统的极限温度由用在绝缘层、层压材料和粘合剂上的材料决定。目前，具有绝缘膜的功率变换器模块优选采用层压式母线系统。在此情况下，层压式母线系统的层压材料决定了其极限温度。这就意味着在应用功率变换器时，限制其工作能力的是母线系统的相应层压材料的最大极限温度，而不再是功率半导体模块。
为了解决这个问题，显而易见的方案是增大母线系统中每个母线的截面，以及例如通过自然对流来冷却母线系统。增大母线系统的母线截面不但会提高这种母线系统的成本，还会增加其重量。而通过自然对流来冷却母线系统，就必须将该母线系统以能够接触到冷却气流的方式布置在功率变换器设备中。
WO 2005/109505A1揭示一种母线系统得到冷却的功率半导体电路。在这种功率半导体电路中，至少一个模块焊接在一个用作正极板或负极板的板状母线的外侧。正极母线或负极母线通常实施为板状母线组的顶板或底板。上述模块所在的顶部母线直接由一个冷却装置冷却，这个冷却装置设计为空气冷却装置或液体冷却装置。该冷却装置夹在该顶部母线和另一平行布置的板状母线之间，两母线间还设有一绝缘层。此外还设有一个同样带有绝缘层的底部母线。这些母线连同冷却装置一起形成一个极其紧凑的结构。母线组中的各部件借助层压处理彼此实现连接。由于这种功率半导体电路是一个逆变器，因此母线组下方设有两个中间电路电容器，它们与顶部母线或底部母线螺旋连接。
DE 10 2007 003 875 A1揭示一种包括至少两个功率半导体模块的功率变换器模块，这些功率半导体模块以导热方式与散热体机械连接且借助层压式母线系统彼此电性连接。该层压式母线系统中的至少一个母线借助至少一个电绝缘的导热支承元件与该散热体热耦合。层压式母线系统的至少一个母线通过这些支承元件与该散热体热耦合。导热支承元件的数量取决于需要导散的热量。这些支承元件同样对层压式母线系统的边缘区域进行支承。借助这些支承元件可对层压式母线系统的散热量进行限制。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种能够以简单手段对母线系统进行散热且无需重装或改装的功率变换器模块。
本发明用以达成上述目的的解决方案为本案权利要求1的区别特征。
本发明设置两个绝缘分层作为功率变换器模块的母线系统的两个母线之间的绝缘层，这两个绝缘分层以材料接合方式彼此相连并在二者之间形成一空腔，所述空腔的输入端和输出端与所述绝缘层的至少一个侧面连通，通过上述方案可对紧贴该绝缘层布置的两个母线进行冷却。所述绝缘层可借助两个接管和两个软管与所述功率变换器模块的液冷式散热体的冷却循环连通。通过对母线系统的两个母线之间的绝缘层进行冷却可以提高极限温度，从而使得决定功率变换器模块工作能力的仍然是所用功率半导体模块的功率。
根据所述功率变换器模块的一种有利实施方式，所述母线系统的绝缘层的至少一个绝缘分层实施为成型件，该成型件上设有一具有规定形状的槽。将至少一个绝缘分层实施为成型件能够大幅简化带空腔绝缘层的制造。
如果所述母线系统的绝缘层的两个绝缘分层均为成型件，则这两个绝缘分层彼此镜像对称。将这两个绝缘分层以材料接合方式连接起来后，就能得到一个可对母线系统进行液体冷却的带空腔绝缘层。
根据所述功率变换器模块的一种有利实施方式，所述功率变换器模块的母线系统的各母线及至少一个绝缘层彼此层压在一起。由此，所述母线系统形成一个机械单元，并且操作该母线系统的方式与操作市售层压式母线系统的方式类似。
根据所述功率变换器模块的另一有利实施方式，所述空腔呈软管状且波纹状分布在所述两个绝缘分层之间。通过这种方式，这个位于所述两个绝缘分层之间的空腔就具有相当于软管的功能，冷却剂(特别是自来水)可以从中流过。由于这个位于所述两个绝缘分层之间的空腔采用波纹状布置，因而能够对所述绝缘层的几乎整个表面进行散热。
根据所述功率变换器模块的另一有利实施方式，所述位于所述两个绝缘分层之间的软管状空腔与所述液冷式散热体的冷却循环并联连通。为此，所述空腔在其输入端和输出端上各具有一个接管，这些接管的末端均配有软管。通过用液冷式散热体为所述功率变换器模块的母线系统的绝缘层提供冷却剂，所述功率变换器模块的连接件(特别是冷却剂接头)可以保持原样。
根据所述功率变换器模块的另一有利实施方式，所述空腔各区段具有不同截面。通过将空腔截面实施为形状和大小各异的截面，能够按照预定方案对至少一个母线的特定区域中的冷却液流速施加影响。
附图说明
下面通过附图所示的实施方式对本发明进行详细说明，其中：
图1为一市售功率变换器模块；
图2为图1所示功率变换器模块的母线系统；以及
图3为本发明针对图2所示母线系统提出的绝缘方案。
具体实施方式
图1为一市售功率变换器模块的透视图，其中，2和4各表示一个功率半导体模块，特别是可断功率半导体模块，例如绝缘栅双极晶体管(IGBT)，6表示液冷式散热体，8表示母线系统，10表示交流电压侧端子，12和14各表示一个直流电压侧端子，16表示弓形元件，18表示支承元件。此外，图中还示出了冷却剂进口20和冷却剂出口22。
两个功率半导体模块2和4均以可拆卸的方式与液冷式散热体6机械固定在一起。母线系统8可具有两个母线，例如正极母线加负载母线或负载母线加负极母线，或者具有三个母线，例如正极母线、负载母线加负极母线。母线系统8的母线数量与两个功率半导体模块2和4的电性连接方案有关。如果这两个功率半导体模块2和4电性并联，则母线系统8只有两个母线。反之，如果这两个功率半导体模块2和4电性串联并构成功率变换器的相位模块，则母线系统8具有三个母线。在所述功率变换器模块用作相位模块的情况下，母线系统8的这三个母线分别为正极母线、负载母线及负极母线。这些母线上下叠置且经过层压处理，其中，任两个母线之间都设有一个绝缘层。
母线系统8布置在每个功率半导体模块2和4的端子上。这些端子可以是焊针、卡式螺母或螺栓。自某一规定功率起，功率半导体模块2、4只具有用于固定螺栓的卡式螺母作为端子。根据两个功率半导体模块2、4的连接方式，其端子分别与母线系统8中的一规定母线导电相连。母线系统8不仅支承在功率半导体模块2、4的端子上，而且还支承在多个支承元件18上。这些支承元件分别沿所述功率变换器模块的纵长侧布置。所述母线系统以其端面与端子12、14和10固定在一起。
所述功率变换器模块的散热体实施为液冷式散热体6，其具有冷却剂进口20和冷却剂出口22。所述功率变换器模块借助这些冷却剂进口20和冷却剂出口22与一冷却剂循环连通。所述冷却液可以采用任何一种液体，特别是自来水。
由于用在功率变换器模块中的功率半导体模块2、4的载流能力始终在提高，因而母线系统8(特别是层压式母线系统8)的母线中的电流强度也在增大。这会导致母线系统8中的损耗以二次方速度增长。母线系统8的温度也会上升。母线系统8的极限温度的高低与所用材料相关。亦即，母线系统8的绝缘材料(特别是层压材料)决定了极限温度。这就意味着在应用功率变换器时，限制其工作能力的是绝缘材料或层压材料的与材料相关的极限温度，而不再是所用的功率半导体模块2、4。
为清楚起见，图2仅以透视图形式示出了图1所示功率变换器模块的母线系统8，其中，母线系统8中的各部件尚未层压在一起。如前所述，在所述功率变换器模块用作多相功率变换器的相位模块的情况下，该功率变换器模块具有两个彼此电性串联的功率半导体模块2和4。这两个串联功率半导体模块2和4之间的连接点构成交流电压测端子10，特别是负载端子。母线系统8的一个母线26(也称为负载母线)与负载端子10导电相连。所述功率变换器模块的直流电压侧端子12、14分别与母线28、30导电相连，这些母线分别称为正极母线及负极母线。这些母线26、28、30空间上上下叠置，其中，相邻两母线26、28及28、30之间各设有一个绝缘层32。因此，市售相位模块母线系统具有至少五个叠层。为了将这些叠层机械固定在一起，这个由三个母线26、28和30以及至少两个绝缘层32所组成的母线组经过层压处理。这样做还能保持必要的电气间隙和爬电距离。
在图2所示的透视图中，母线系统8仅具有三个叠层，即负极母线30和负载母线26并排布置的底部叠层、设有绝缘层32的绝缘叠层以及设有正极母线28的顶部叠层。母线系统8的顶部母线28和底部母线30的表面34不设附加绝缘层。由层压材料对这些表面34实施绝缘。
为了将层压式母线系统8中所产生的损耗功率导散，母线系统8的绝缘层32中设有空腔40(图3)。该空腔40与液冷式散热体6的液体循环连通。液冷式散热体6的液体循环称作一次循环，空腔40的液体循环称作二次循环。一次循环与二次循环之间可以采用液体意义上的并联或串联连接。
根据本发明，所述功率变换器模块的母线系统8的至少一个绝缘层32设有空腔40。图3以透视图形式示出本发明的绝缘层32。这个绝缘层32具有两个以材料接合方式彼此相连的绝缘分层36、38。其中，这两个绝缘分层36、38以形成一空腔40的方式彼此材料接合。为了使空腔40具有满足要求的截面，向空腔40中输入压缩空气。也就是为该空腔40充气。为了使空腔40的截面在其整个长度范围内保持基本恒定，这两个以材料接合方式彼此相连的绝缘分层36、38均以一定形状嵌入。空腔40的一种有利截面形状为矩形，因为这样能使布置在该绝缘层两侧的两个母线28、30之间的距离不会过大。
为了获得上述空腔40，可将两个绝缘分层36或38中的至少一个实施为成型件，该成型件上设有一个具有规定形状的槽。如果两个绝缘分层36和38均为成型件，则这两个绝缘分层镜像对称。这两个成型件同样以材料接合方式彼此相连。在图3所示的实施例中，每个实施为成型件的绝缘分层36和38的槽均为半圆形。由于这两个实施为成型件的绝缘分层36和38镜像对称，因此，这两个绝缘分层36和38以材料接合方式相互连接后就会形成具有所示空腔40的绝缘层32。
空腔40只有与冷却循环连通才能导引冷却液流经绝缘层32。为此设有两个接管42和两个软管46。每个接管32的中部都设有一个环形法兰44。接管42自该环形法兰44起朝两端方向逐渐变细。这一方面有利于将接管42顺利插入空腔40的开口，另一方面也有利于将软管46顺利接到接管42的自由端上。接管42安装完毕后，环形法兰44抵靠在绝缘层32的一个侧面。在所示示例中，每个接管42的环形法兰44都抵靠在绝缘层32的端面48上。如图3中的绝缘层32所示，所产生的空腔40在绝缘层32中呈U形分布。亦即，空腔40的两端均与绝缘层32的端面48连通。为了对绝缘层32进行大面积散热，必须使空腔40在其位于绝缘层32的端面48中的两端之间呈波纹状分布。也可以使空腔40的两端各与绝缘层32的一个端面48连通。也可以使空腔40的两端各与一个窄面50连通，或者分别与一个窄面50及一个端面48连通。空腔40所界定的冷却循环称作二次循环。液冷式散热器6的冷却循环则为一次循环。采用上述方案后，这两个冷却循环之间就可以实现液体意义上的并联或串联连接。二次循环与一次循环采用并联较为有利，因此这样就能为这两个循环提供未经预加应力处理的冷却剂。
本发明的绝缘层32与母线26、28、30相互叠置且经过层压处理形成一个母线系统8，借助本发明的绝缘层32可以某种方式对母线系统8进行散热，使得决定功率变换器模块工作能力的仍然是所用功率半导体模块2和4的功率，而不再是所用层压材料的极限温度。这样能使本发明的功率变换器模块具备比市售功率变换器模块更强的载电能力，同时又能保持绝缘层32和层压材料的允许温度。

Claims (16)

1.一种包括至少两个功率半导体模块(2，4)的功率变换器模块，所述功率半导体模块以导热方式与一液冷式散热体(6)机械连接并借助一母线系统(8)与所述功率变换器模块的复数个端子(10，12，14)导电相连，所述母线系统具有至少两个被一绝缘层(32)隔离的母线(26，28；28，30)，其特征在于，
所述绝缘层(32)具有两个绝缘分层(36，38)，所述绝缘分层以材料接合方式彼此相连并在所述这两个绝缘分层(36，38)之间形成一具有规定形状的空腔(40)，所述空腔的输入端和输出端与所述绝缘层(32)的至少一个侧面(48，50)连通，所述空腔(40)的输入端和输出端上各设一接管(42)，所述接管均与所述液冷式散热体(6)连通。
2.根据权利要求1所述的功率变换器模块，其特征在于，
至少一个绝缘分层(36，38)以某种方式实施为成型件，使得所述绝缘分层具有一具有规定形状的槽。
3.根据权利要求1所述的功率变换器模块，其特征在于，
所述两个均实施为成型件的绝缘分层(36，38)镜像对称。
4.根据权利要求1所述的功率变换器模块，其特征在于，
所述母线(26，28，30)和至少一个绝缘层(32)彼此层压在一起。
5.根据上述权利要求中任一项权利要求所述的功率变换器模块，其特征在于，
所述空腔(40)呈软管状。
6.根据上述权利要求中任一项权利要求所述的功率变换器模块，其特征在于，
所述空腔(40)呈波纹状分布。
7.根据上述权利要求中任一项权利要求所述的功率变换器模块，其特征在于，
所述接管(42)具有一环形法兰(44)。
8.根据权利要求7所述的功率变换器模块，其特征在于，
所述接管(42)自所述环形法兰(44)起朝两端方向逐渐变细。
9.根据上述权利要求中任一项权利要求所述的功率变换器模块，其特征在于，
所述空腔(40)与所述液冷式散热体(6)的冷却循环并联连通。
10.根据权利要求1至8中任一项权利要求所述的功率变换器模块，其特征在于，
所述空腔(40)与所述液冷式散热体(6)的冷却循环串联连通。
11.根据上述权利要求中任一项权利要求所述的功率变换器模块，其特征在于，
所述空腔(40)具有一圆形截面。
12.根据权利要求1至10中任一项权利要求所述的功率变换器模块，其特征在于，
所述空腔(40)具有一矩形截面。
13.根据权利要求2所述的功率变换器模块，其特征在于，
所述槽呈V形。
14.根据权利要求2所述的功率变换器模块，其特征在于，
所述槽呈半圆形。
15.根据权利要求2所述的功率变换器模块，其特征在于，
所述槽呈U形。
16.根据权利要求2所述的功率变换器模块，其特征在于，
所述空腔(40)的各区段具有不同截面。
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