CN102246612A - 母线系统得到冷却的功率转换器模块 - Google Patents

母线系统得到冷却的功率转换器模块 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)的功率转换器模块，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)与所述功率转换器模块的多个连接端子导电相连，所述母线系统具有至少两个相互绝缘的母线。根据本发明，所述母线系统(8)与至少一个冷却剂管道(24)连接，其中，所述母线系统(8)和所述冷却剂管道(24)形成一结构单元。根据本发明，所述冷却剂管道(24)用于导散所述层压式母线系统(8)中的附加损耗功率。

Description

母线系统得到冷却的功率转换器模块
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转换器模块。
背景技术
一般类型的功率转换器模块，特别是较大功率的一般类型功率转换器模块可从市场上购得。这类功率转换器模块的功率半导体模块(特别是可断功率半导体模块)通过低电感的母线系统与功率转换器模块的连接端子连接。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叠组。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，以便满足对空气间隙和漏电路径的极限值。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。为了使功率转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)，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，功率转换器模块的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。母线系统的极限温度由用在绝缘层和层压材料上的材料决定。目前，具有绝缘膜的功率转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转换器时，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转换器设备中。
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件的顶板或底板。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。母线组件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拧紧。
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转换器模块，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。借助这些导热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转换器模块。
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。
通过使功率转换器模块的母线系统与一冷却剂管道导热相连，可将该母线系统中产生的损耗功率导散。借此可以降低母线系统的温度，从而使所用功率半导体模块得到最大程度的利用。也就是说，本发明的功率转换器模块具有比市售功率转换器模块更强的工作能力。决定功率转换器模块工作能力的将仍然是所用功率半导体模块的功率，而不再是母线系统所用的绝缘材料的最大极限温度。
根据本发明功率转换器模块的一种有利实施方式，所述母线系统和所述冷却剂管道彼此层压在一起。它们由此形成一个各单个部件在空间上彼此相对固定的结构。这样就能用操作任何一种市售层压式母线系统的方法来操作这种得到冷却的母线系统。
根据本发明功率转换器模块的另一有利实施方式，所述冷却剂管道与所述功率转换器模块的液冷式散热体液体连通。借此可用功率转换器模块的液冷式散热体(又称“主循环通路”)为该冷却剂管道提供冷却剂。其优点是所述功率转换器模块的连接端子可以保持原样。
根据本发明功率转换器模块的另一有利实施方式，所述冷却剂管道沿所述母线系统的表面呈蜿蜒曲折的波纹状布置。借此可对所述功率转换器模块的母线系统的几乎整个表面进行散热。
根据本发明功率转换器模块的另一有利实施方式，所述功率转换器模块的母线系统的表面布置有两个冷却剂管道，且每个冷却剂管道各对准一个功率半导体模块。每个冷却剂管道都可优选在这样一个区域内呈蜿蜒曲折的波纹状分布。为了使每个冷却剂管道都能不受另一冷却剂管道影响地为所述母线系统上对准功率半导体模块的区域散热，这两个冷却剂管道相互连通且与所述功率转换器模块的液冷式散热体采用液体意义上的并联连接。
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为一市售功率转换器模块；以及
图2为本发明提供的功率转换器模块的母线系统。
具体实施方式
图1为一市售功率转换器模块的透视图，其中，2和4各表示一个功率半导体模块，特别是可关断功率半导体模块，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表示负载连接端子，12和14各表示一个直流电压连接端子，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，或者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的电性互连方案有关。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转换器的相位模块，则母线系统8具有三个母线。在所述功率转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插接在每个功率半导体模块2和4的连接端子上。这些连接端子可以是焊针或螺栓。从功率半导体模块的某一规定功率能力出发，功率半导体模块2、4只具有螺栓作为电连接端子。根据两个功率半导体模块2、4的互连方式，其连接端子分别与层压式母线系统8中的一预定母线导电相连。层压式母线系统8不仅支承在功率半导体模块2、4的连接端子上，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转换器模块的纵长侧布置。
所述功率转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。所述功率转换器模块借助这些冷却剂进口20和冷却剂出口22与一冷却剂循环通路液体连通。所述冷却液可以采用任何一种液体，特别是自来水。
由于用在功率转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。这会导致层压式母线系统8中的损耗以二次方速度增长。层压式母线系统8的温度也会上升。层压式母线系统8的极限温度的高低与所用材料相关。亦即，母线系统8的层压材料决定了极限温度。这就意味着在应用功率转换器时，限制其工作能力的是层压材料的材料相关极限温度，而不再是所用的功率半导体模块2、4。
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配有冷却剂管道24(图2)。这个冷却剂管道24与液冷式散热体6的液体循环通路就冷却剂而言液体连通。液冷式散热体6的液体循环通路称作主循环通路，冷却剂管道24的液体循环通路称作次循环通路。主循环与次循环通路之间可以采用液体意义上的并联或串联连接。
为清楚起见，图2仅以透视图形式示出了具有冷却剂管道24的母线系统8，其中，母线系统8中的各部件以及冷却剂管道24尚未层压在一起。如前所述，在所述功率转换器模块用作多相功率转换器的相位模块的情况下，该功率转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连接端子10，特别是负载连接端子。母线系统8的一个母线26(也称为负载母线)与负载连接端子10导电相连。所述功率转换器模块的直流电压连接端子12、14分别与母线28、30导电相连，这两个母线分别称为正极母线及负极母线。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所组成的母线叠组经过层压处理。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，即布置有负极母线30和负载母线26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。
根据本发明，母线系统8配有一个冷却剂管道24，如图2所示，该冷却剂管道呈蜿蜒曲折的波纹状敷设在正极母线28的表面34。冷却剂管道24也可以呈蜿蜒曲折的波纹状敷设在底部母线30的表面34。也可以分别为顶部母线28和底部母线30的表面34各配置一个冷却剂管道24。该冷却剂管道的蜿蜒曲折的波纹结构均位于两个功率半导体模块2和4的连接端子区域内。作为设一个冷却剂管道24的替代方案，也可以在母线系统8上，特别是在正极母线28或负极母线30的表面34布置两个或两个以上的冷却剂管道24。如果母线系统8是用于在两个功率半导体模块2和4与所述功率转换器模块的三个连接端子10、12之间建立电性连接，设置两个冷却剂管道24就比较有利。这两个冷却剂管道24以每个冷却剂管道24(特别是其蜿蜒曲折的波纹结构)各对准母线系统8上的一个功率半导体模块2或4的方式布置在母线系统8的正极母线28的表面34。亦即，每个冷却剂管道24的蜿蜒曲折的波纹结构在正极母线28的表面34都位于一个下方布置有功率半导体模块2或4的区域内。为了使每个冷却剂管道24都能独立地为母线系统8的一个区域散热，这两个冷却剂管道24之间采用液体意义上的并联连接。两个冷却剂管道24此外还与所述功率转换器模块的液冷式散热体6液体连通。由于冷却母线系统8只需要使用所述主循环通路的一小部分冷却液，因此，母线系统8的冷却循环(即次循环通路)与主循环通路之间采用液体意义上的并联连接。亦即，冷却剂管道24的一个末端与冷却剂进口20连接，另一末端与主循环通路的冷却剂出口22连接。两个冷却剂循环通路采用这种连接方案的优点在于，所述功率转换器模块的连接端子可以保持原样。
如具有冷却剂管道24的母线系统8在图2中的透视图所示，母线系统8的正极母线28的表面34未设绝缘层，因此，冷却剂管道24必须由一种绝缘的、但导热性能良好的材料制成，因为流经冷却剂管道24的冷却剂带电位。如果该表面34设有绝缘层，所述冷却剂管道就不必采取绝缘措施。母线系统8中的各部件经过空间固定处理，以免在层压处理过程中发生空间上的相对位移。冷却剂管道24同样如此。其位置固定地紧固在母线系统8的正极母线28的表面34。为此可将冷却剂管道24与该表面34予以粘接。经层压处理后将产生一个操作方式与市售层压式母线系统无异的可冷却母线系统8。通过层压处理可以使由母线26、28和30、绝缘层32及冷却剂管道24构成的母线叠组得到机械固定。
通过上述安装在母线系统8上的冷却剂管道24可以降低母线系统的温度，从而使所用功率半导体模块2和4得到最大程度的利用。也就是说，相比母线系统8得不到冷却的功率转换器模块，本发明的功率转换器模块工作能力更强，因为决定该功率转换器模块工作能力的是所用功率半导体模块2和4的功率，而不再是母线系统8所用的层压材料的最大极限温度。

Claims (8)

1.一种包括至少两个功率半导体模块(2，4)的功率转换器模块，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)与所述功率转换器模块的多个连接端子(10，12，14)导电相连，所述母线系统具有至少两个相互绝缘的母线(26，28，30)，其特征在于，
所述母线系统(8)配有至少一个冷却剂管道(24)，所述冷却剂管道与所述母线系统(8)形成一结构单元。
2.根据权利要求1所述的功率转换器模块，其特征在于，
所述母线系统(8)和所述冷却剂管道(24)层压在一起。
3.根据权利要求1或2所述的功率转换器模块，其特征在于，
所述冷却剂管道(24)与所述液冷式散热体(6)液体连通。
4.根据上述权利要求中任一项权利要求所述的功率转换器模块，其特征在于，
所述冷却剂管道(24)沿所述母线系统(8)的一表面(34)呈蜿蜒曲折的波纹状布置。
5.根据权利要求2所述的功率转换器模块，其特征在于，
所述母线系统(8)上布置有两个冷却剂管道(24)，且每个冷却剂管道(24)各对准所述功率转换器模块的一个功率半导体模块(2，4)。
6.根据权利要求5所述的功率转换器模块，其特征在于，
所述两个冷却剂管道(24)之间采用液体意义上的并联连接。
7.根据权利要求5所述的功率转换器模块，其特征在于，
所述两个冷却剂管道(24)之间采用液体意义上的串联连接。
8.根据上述权利要求中任一项权利要求所述的功率转换器模块，其特征在于，
所述冷却剂管道(24)由一不导电的塑料构成。
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