CN102246615A - 母线系统得到冷却的功率转换器模块 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种包括至少一个功率半导体模块(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)以压紧配合和/或形状配合的方式与另一个液冷式散热体(10)连接，其中，在所述母线系统(8)的一顶部母线和所述另一个液冷式散热体(10)之间布置有一导热的绝缘层(36)。借助于所述通过多个夹紧元件压紧在一功率转换器模块的一母线系统(8)的一表面上的该另一个液冷式散热体(10)，可将所述母线系统(8)中所产生的附加损耗功率导散。

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(特别是可关断功率半导体模块)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，这个母线组件经过了层压处理。根据具体所采用的层压材料，这种层压式母线系统的极限温度例如为105℃。
由于市售功率半导体模块(特别是可关断功率半导体模块，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。这会导致层压式母线系统中的损耗以二次方速度增长，该层压式母线系统的温度也会上升。层压式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层压式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层压式母线系统。增大层压式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层压式母线系统，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，因此母线组件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方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层压式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。
通过设置一其他液冷式散热体，且该散热体以压紧配合和/或形状配合的方式与功率转换器模块的母线系统导热相连但彼此电绝缘，可对该母线系统实施大面积散热。如果这个其他液冷式散热体的基本面积不足以实现这一点，就可进一步提高流量。所述母线系统和所述其他液冷式散热体之间的热连接的品质与该其他液冷式散热体施加在母线系统上的压紧力有关。为此，本发明的功率转换器模块具有至少一个夹紧元件。
根据本发明功率转换器模块的一种有利实施方式，所述其他液冷式散热体与所述功率转换器模块的液冷式散热体相互液体连通。亦即，所述其他液冷式散热体由所述功率转换器模块的液体循环通路(又称“主循环通路”)提供冷却剂。其优点是所述功率转换器模块的端子连接可以保持原样。
本发明功率转换器模块的其他有利实施方式可从从属权利要求4至10中获得。
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为本发明功率转换器模块的一种有利实施方式；
图2为图1所示功率转换器模块的夹紧元件的第一实施方式；以及
图3为图1所示功率转换器模块的夹紧元件的第二实施方式的一个部分。
具体实施方式
图1为本发明功率转换器模块的正视图，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表示另一个液冷式散热体，12表示弓形元件，14和16各表示一个夹紧螺钉，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。特定而言经层压处理的母线系统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的电气互连方案有关。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，所设母线系统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的电连接端子上，两个电源连接端子中附图均仅示出了其中一个，即241和261。这些连接端子241和261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看，功率半导体模块2、4可只具有螺栓作为电连接端子24和26。根据两个功率半导体模块2、4的互连方式，其连接端子24和26分别与母线系统8中的一预定母线导电相连。母线系统8不仅支承在功率半导体模块2、4的连接端子24、26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，优选水-乙二醇混合物。
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的绝缘材料相关。亦即，如果是层压式母线系统8，则该母线系统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绝缘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。
为了将母线系统8中所产生的损耗功率导散，该母线系统8配有另一个液冷式散热体10。该另一个液冷式散热体10的冷却剂进口28和冷却剂出口30分别借助一个连接软管32和34与液冷式散热体6的液体循环通路实现针对冷却剂的连通。液冷式散热体6的液体循环通路称作主循环通路，另一液冷式散热体10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。该另一个液冷式散热体10可与附图示意的不一样，几乎覆盖母线系统8的整个表面。为了使该另一个液冷式散热体10与母线系统8电绝缘，设有一个绝缘层36，但该绝缘层必须具有良好的导热性能。在最简单的情况下，绝缘层36可由导热膏制成。为了实现有效传热，该另一个液冷式散热体10以压紧配合和/或形状配合的方式与母线系统8连接。
建立压紧配合和/或形状配合连接需要使用至少一个夹紧元件。如果设置多个夹紧元件，就将这些夹紧元件沿该另一个液冷式散热体10的纵向布置。在图示实施方式中，该夹紧元件是一个具有两个夹紧螺钉14和16的弓形元件12(图2)。如图2所示，弓形元件12具有一个与该另一个液冷式散热体10的尺寸相配的凹槽38。为了便于对该另一个液冷式散热体10施加在母线系统8上的压紧力进行调节，弓形元件12具有至少两个压力元件40。通过旋转这些压力元件40可以增大该另一个液冷式散热体10上的压力以及由此增加母线系统8的相应表面所受到的压力。
作为替代实施方式，可以采用板簧或具有弹性中间元件44的弓形元件42(图3)作为所述夹紧元件。图2所示的弓形元件12除用于该另一个液冷式散热体10的凹槽38外，还具有另一个凹槽46，以便配合层压式母线系统8的表面轮廓。如果不要求在弓形元件12上使用附加压力元件40，凹槽38就须设计成能够让弓形元件12在安装完毕后沿该另一个液冷式散热体10施加有一个预定的压紧力。根据弓形元件42如图3所示的实施方式，该弓形元件42在其中部具有一个弹性中间元件44，弓形元件42安装完毕后，该弹性中间元件会在该另一个液冷式散热体10上施加压紧力。
借助于上述通过至少一个夹紧元件压紧在功率转换器模块的母线系统8(特别是层压式母线系统8)的表面的另一个液冷式散热体10，可将该层压式母线系统8中所产生的附加损耗功率导散。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2和4得到最大程度的利用。也就是说，本发明的功率转换器模块的工作能力得到了提升，但不需要改变其端子和液体接头。这样可以保留功率转换器模块的原有装卸流程。由于次循环通路所需要的液体流量只占主循环的一小部分，功率转换器模块的原有结构也可以保留。

Claims (10)

1.一种包括至少一个功率半导体模块(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，其特征在于，
所述母线系统(8)以压紧配合和/或形状配合的方式与另一个液冷式散热体(10)连接，其中，在所述母线系统(8)的一顶部母线和所述另一个液冷式散热体(10)之间布置有一导热的绝缘层(36)。
2.根据权利要求1所述的功率转换器模块，其特征在于，
设有至少一个用于在所述母线系统(8)与所述另一个液冷式散热体(10)之间建立一压紧配合和/或形状配合连接的夹紧元件。
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，
所述另一个液冷式散热体(10)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，
从面积看，所述另一个液冷式散热体(10)至少几乎覆盖所述母线系统(8)的大部分表面。
5.根据权利要求2所述的功率转换器模块，其特征在于，
所述夹紧元件为一具有两个夹紧螺钉(14，16)的板簧。
6.根据权利要求2所述的功率转换器模块，其特征在于，
所述夹紧元件为一具有两个夹紧螺钉(14，16)的形状相配的弓形元件(12)。
7.根据权利要求6所述的功率转换器模块，其特征在于，
所述形状相配的弓形元件(12)在所述另一个液冷式散热体(10)的区域内具有一弹性元件(44)。
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，
所述绝缘层(36)由导热界面材料构成。
9.根据权利要求1至7中任一项权利要求所述的功率转换器模块，其特征在于，
所述绝缘层(36)由导热的电绝缘界面材料构成。
10.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，
所述母线系统(8)的被绝缘的母线和所述绝缘层(36)层压在一起。
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