CN103050283B - 低电感电容器模块和带有低电感电容器模块的电力系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及低电感电容器模块和带有低电感电容器模块的电力系统。根据电容器模块的一个实施例，该电容器模块包括在基板的第一侧上具有金属化层的基板、被电耦合到金属化层的多个连接器和在金属化层上置放的多个电容器。该多个电容器包括在第一组连接器和第二组连接器之间并联电连接的第一组电容器。该电容器模块进一步包括在电容器模块内封装该多个电容器的外罩。
Description
技术领域
本申请涉及低电感电容器，特别地用于电力系统的低电感电容器模块。
背景技术
典型的功率转换器系统使用电解或者箔片电容器来实现DC链和/或缓冲（snubber）电路。例如，在AC-DC-AC转换器中的DC链通常配备有在整流器和逆变器之间提供解耦的电解电容器。缓冲电路（snubber）是越过功率半导体器件放置以进行保护并且改进性能的电路。在IGBT（绝缘栅双极）开关的情形下使用的缓冲电路通常没有电阻器或二极管。替代地，缓冲电路通过取得存储在DC链电容器组和它自身之间的杂散电感器中的能量数量而仅仅用于降低系统的有效电感。结果，缓冲电路和模块之间的电感应当尽可能低，这意味着缓冲电路应当以尽可能靠近半导体模块的低电感方式进行连接。在每一种情形中，均常规地在筒形铝管（电解电容器）中或者在立方形塑料或者金属盒中包装在功率转换器系统中使用的电容器。
螺钉或者焊接端子通常用于将电解和箔片电容器连接到电力模块的金属薄板或者母线。在某些情形中，缓冲电容器被直接地安装到电力模块的电力端子。然而常规的电容器类型和连接技术具有几个缺点。例如，形成基于螺钉的连接是相对耗时的，因为每一个电容器均被各自地拧紧到在金属薄板或者母线上的端子。基于焊接的连接具有众所周知的可靠性问题。除了与常规电容器联结技术关联的缺点之外，通常在电力模块中使用的端子构造将电流流动集中于相对窄的路径并且因此增加了电感。对于很多类型的电力系统应用而言，高电感是不理想的。而且，由于缺乏热高效的电容器冷却器接口，因此利用常规的电容器类型和连接技术，热传递不是最佳的。
发明内容
一种电容器模块包括被安装在热传递载体诸如DBC（直接敷铜）基板、DAB（直接敷铝）基板、AMB（活性金属钎焊）基板、IMS（绝缘金属基板）或者类似的基板上的电容器。该基板能够被热连接到冷却器。通过并联地使用几个单一端子以实现线形（line-wise）连接器，到在电容器模块内的母线的电连接能够被布置成提供低电感。电容器模块的高度能够是与和电容器模块相结合例如作为DC链或者缓冲电路的部分使用的电力模块相同的高度。两种模块类型均能够被安装在相同的冷却器和PCB（印刷电路板）上或者不同的冷却器和/或PCB上。到电容器模块的连接插脚使得能够实现从PCB向外到冷却器的热传递，这意味着能够使得PCB金属化层更薄。电容器模块端子能够靠近模块边界置放，从而缩短PCB的长度。能够在除了电力系统之外的应用中使用该电容器模块。
根据电容器模块的一个实施例，该电容器模块包括在基板的第一侧上具有金属化层的基板、被电耦合到金属化层的多个连接器和被置放在金属化层上的多个电容器。该多个电容器包括在第一组连接器和第二组连接器之间并联电连接的第一组电容器。该电容器模块进一步包括在电容器模块内封装该多个电容器的外罩。
根据电力系统的一个实施例，该电力系统包括冷却器、在冷却器上的电容器模块、在冷却器上的功率半导体模块和被电连接到电容器模块和功率半导体模块的电连接介质。该电容器模块包括在基板的第一侧上具有金属化层的基板、被电耦合到金属化层的多个连接器、被置放在金属化层上并且包括在第一组连接器和第二组连接器之间并联电连接的至少第一组电容器的多个电容器、和在电容器模块内封装该多个电容器的外罩。
在阅读以下详细说明时并且在观察附图时，本领域技术人员将会认识到另外的特征和优点。
附图说明
附图的元件并不是必要地相对于彼此成比例。类似的附图标记标注相应的类似部分。能够组合各种示意的实施例的特征，除非它们彼此排斥。在图中描绘了并且在随后的说明中详述了实施例。
图1示意电容器模块的截面视图。
图2示意不带外罩的、图1的电容器模块的平面视图。
图3示意电容器模块的截面视图。
图4示意电容器模块的截面视图。
图5示意电容器模块的截面视图。
图6示意电容器模块的截面视图。
图7示意电容器模块的截面视图。
图8示意电容器模块的截面视图。
图9示意在冷却器上包括电容器模块和功率半导体模块的电力系统的透视图。
具体实施方式
图1示意沿着在图2中被标为A-A’的线的、电容器模块100的实施例的截面视图，并且图2示意不带外罩102的电容器模块100的顶平面视图。电容器模块100包括如在图1中所示被外罩102封装的多个电容器104。在电容器模块100中不包括电容器104最终被耦合到的电子电路，因此使用术语‘电容器模块’而非只是模块。电容器模块外罩102可以由塑料或者任何其它适当类型的材料制成。电容器模块100还包括基板106，该基板106在基板106的顶侧110上具有金属化层108。多个连接器112直接地或者通过电容器104而被电耦合到金属化层108。在电容器模块100内容纳的电容器104能够是陶瓷电容器或者任何其它适当类型的电容器。例如，电容器104能够是表面安装器件（SMD）。
在图1和2所示实施例中，基板106包括陶瓷载体114并且被置放在陶瓷载体的顶侧110上的金属化层被图案化。第二金属化层116被置放在陶瓷载体114的底侧118上。图1所示基板106可以是直接敷铜（DCB）基板、直接敷铝（DAB）基板或者活性金属钎焊（AMB）基板。能够通过在外罩102中的开口暴露在陶瓷载体114的底侧118上的金属化层116的至少一个部分以促进与冷却器诸如电容器模块100被安装到的热沉（例如，如在图9中所示）的良好热连接。这种连接确保了电容器模块100具有良好的热耗散特性。可替代地，基板106可以是绝缘金属基板（IMS）或者类似的基板，其包括被介电层诸如环氧树脂覆盖的金属底板（例如由铝或者铜制成）和在介电层上的金属层诸如铜或者铝。可以使用另外其它类型的基板106来安装电容器104。
再次根据图1和2所示实施例，在基板106的顶侧110上的金属化层108被图案化并且包括相互分离的多个细长区域120（在这里还被称作母线）。第一组电容器104在第一对122母线120之间并联连接，第二组电容器104在第二对124母线120之间并联连接，等。例如在图1和2中，上行105的电容器104是并联的并且每一个具有被直接地连接到第一对122中的上母线120的第一端126（端子）和被直接地连接到第一对122中的另一条母线120的第二端128，从而这两条母线120被电容性地耦合到一起。其它行105的电容器104类似地在两条不同的母线120之间并联连接。通常，每一组电容器104被布置在行105中并且以并联方式连接相邻母线120。可以在电容器模块100中包括任何数目的电容器行105。在于图1和2中示意的实施例中，相邻对122、124的母线120共享公共母线从而在第一组电容器104中包括的电容器104的一端128和在相邻的第二组电容器104中包括的电容器104的一端126被连接到相同的母线120。
每一条母线120被电连接到在相对端处延伸到模块外罩102外侧以提供外部电连接点的一行113连接器112。在一个实施例中，连接器112是导电插脚。然而，能够使用任何其它类型的并联连接器布置，诸如成行的焊接端子、成行的挤压配合端子、成行的弹簧触点、成行的螺钉端子、带有被绝缘材料分离的平行导线的柔性电缆，等。
每一行113连接器112能够被耦合到在模块外罩102外侧的供应电压或者信号线。例如，在图1中，第一行113连接器112在一端处被安装到第一母线120并且在另一端处被耦合到正DC供应电压（DC+），第二行113连接器112在一端处被安装到第二母线120并且在另一端处被耦合到负DC供应电压（DC-），等。这样，在成对122、124母线之间并联连接的每一组105电容器104在DC+和DC-之间并联电连接。
每一行113连接器112能够在被连接到相应的母线120的电容器104的总体宽度（WCAPS）上隔开。提供连接器112到分别的母线120的、这种隔开的连接在电容器模块100内侧的、相应的成组104电容器104的宽度上分布电流，从而降低电容器模块100的电感。对于很多类型的应用，特别地对于电力系统而言，这种减小的电感是有利的，在所述电力系统中更低的门电感给出更快的响应时间（例如从接通状态切换到切断状态并且反之亦然），这改进了性能并且给出更快的故障检测。
图3示意类似于图1所示电容器模块的电容器模块100的实施例的截面视图，然而在电容器模块100内2级（DC+、DC-）电力连接是串联的。照此，在被耦合到DC+和DC-电源的连接器112之间，一行105并联电容器104被与第二行105并联电容器104串联连接。
图4示意类似于图1所示电容器模块的电容器模块100的实施例的截面视图，然而替代2级（DC+、DC-），图4所示模块具有3级（M、DC+、DC-）。类似于图3所示电容器模块100，图4的电容器模块100在被耦合到DC+和DC-电源的连接器112之间具有被与第二行105并联电容器104串联连接的一行105并联电容器104。另外，第三级（M）经由被连接到母线120的第三行113连接器112而被提供到电容器模块100，该母线120在串联连接的两组105电容器104之间提供串联连接。
图5示意类似于图1所示电容器模块的电容器模块100的实施例的截面视图。然而在图5中，电容器104未被各自地连接到在基板106上的图案化金属化层108。替代地，成组的两个或者更多电容器104作为各个单元140而被一起包装。每一个个体单元140具有被连接到在基板106上的相应的母线120的端子142、144。照此，每一行105电容器104包括在两条母线120之间并联耦合的几个多电容器单元140。
图6示意类似于图1所示电容器模块的电容器模块100的实施例的截面视图。然而在图6中，单行150连接器112延伸到电容器模块外罩102外侧以耦合到DC+电源。第二单行152连接器112延伸到外罩102外侧以耦合到DC-电源。使用被连接到单行150 DC+行连接器112的第一金属薄板160和被连接到单行162 DC-连接器112的第二金属薄板162，在外罩102内制成所有的其它内部供应连接。在电容器104和基板金属化层108之间的电连接与在图1中相同。仅仅外部连接不同在于：替代几行DC+电源连接和几行DC-电源连接（图1），提供了单行150 DC+电源连接和单行152 DC-电源连接（图6）。
图7示意电容器模块100的另一实施例的截面视图。根据这个实施例，每一个电容器104的第一端126被直接地连接到图案化金属化层108的一条母线120并且电容器104的相对端128被电连接到图案化金属化层108的另一条相应的母线120。照此，在每一组并联连接电容器中包括的电容器104的第二（相对）端128被电容器104的本体129和直接地连接到母线120的另一端126从图案化金属化层108隔开。被从图案化金属化层108隔开的电容器104的端128能够例如被接合线170电连接到适当的母线120。
图8示意电容器模块100的又一个实施例的截面视图。根据这个实施例，电容器104的第一端126被直接地连接到基板金属化层108并且电容器104的第二相对端128被从金属化层108隔开并且被连接到在电容器104上方置放的导电层180。电容器104被置入导电层180和基板106之间。根据一个实施例，弹簧元件182被置入导电层180的底侧184和电容器104之间。弹簧元件182在导电层180和被从基板金属化层108隔开的电容器104的第二端128之间提供电连接。根据另一个实施例，材料190被置入导电层180的顶侧186和电容器模块外罩102之间。材料190朝着电容器104的第二（隔开）端128挤压导电层180的底侧184。材料190能够是柔性泡沫或者其它类型的弹性材料。
图9示意电力系统200的实施例，该电力系统200包括冷却器202、如在这里先前描述的电容器模块100、功率半导体模块204和电连接介质206诸如PCB等。冷却器202可以是无源冷却器诸如热沉（空气冷却、液体冷却或者这两者的某种组合）或者有源冷却器诸如热电冷却器或者其它类型的电力冷却器。电容器模块100和功率半导体模块204被置放在冷却器202上并且在系统200中是分离的构件。电连接介质206被电连接到延伸到模块外罩102外侧的电容器模块100的连接器112并且被电连接到功率半导体模块204的连接器208。电容器模块100的外罩102可以具有开口从而在模块基板106的底侧118上的金属化层116的至少一个部分能够接触如在这里先前解释的冷却器202（见图1），从而提供与冷却器202的良好热连接。
在一个实施例中，从电容器模块外罩102延伸的第一组连接器112经由电连接介质206而被耦合到功率半导体模块204的第一供应电压（DC+）并且从电容器模块外罩102延伸的第二组连接器112也经由电连接介质206而被耦合到功率半导体模块204的第二供应电压（DC-）。根据这个实施例，电容器模块100被配置为作为用于功率半导体模块204的DC-链操作。
根据另一个实施例，提供了与电容器模块100分离的一个或者多个另外的电容器210。例如，这些另外的电容器210可以具有电解类型。该一个或者多个另外的电容器210存储能量并且被电连接到电连接介质206。根据这个实施例，电容器模块100被配置为作为缓冲电路操作。
为了易于说明，使用了空间相对术语诸如“下面”、“之下”、“下”、“之上”、“上”等以解释一个元件相对于第二元件的定位。除了不同于在图中描绘的那些定向的定向，这些术语旨在涵盖装置的不同定向。此外，术语诸如“第一”、“第二”等还被用于描述各种元件、区域、部分等，并且也并非旨在是限制性的。贯穿说明书，类似的术语提及类似的元件。
如在这里所使用地，术语“具有”、“含有”、“包含”、“包括”等是指示所陈述的元件或者特征的存在但是并不排除另外的元件或者特征的开放式术语。冠词“一”、“一个”和“该”旨在包括复数以及单数，除非上下文清楚地另有指示。
要理解在这里描述的各种实施例的特征可以被彼此组合，除非具体地另有指出。
虽然已经在这里示意并且描述了具体实施例，但是本领域普通技术人员将会理解，在不偏离本发明的范围的情况下，各种可替代的和/或等价的实现可以替代所示出和描述的具体实施例。该申请旨在覆盖在这里讨论的具体实施例的任何调整或者变化。因此，本发明旨在仅由权利要求及其等价形式限制。
Claims (22)
1.一种电容器模块，包括：
基板，所述基板在所述基板的第一侧上具有金属化层；
被电耦合到所述金属化层的多个连接器；
多个电容器，所述多个电容器被置放在所述金属化层上并且包括在第一组连接器和第二组连接器之间以线形方式布置的并联电连接的第一组电容器；和
外罩，在所述电容器模块内封装所述多个电容器，
其中，所述第一组电容器的布置与所述第一组连接器和所述第二组连接器的布置平行，
其中所述多个连接器的至少一部分延伸通过所述外罩，从而所述多个连接器的所述部分在所述外罩之外。
2.根据权利要求1所述的电容器模块，其中所述多个电容器是陶瓷电容器。
3.根据权利要求1所述的电容器模块，其中所述基板包括印刷电路板，所述印刷电路板带有被置放在所述印刷电路板的第一侧上的金属化层。
4.根据权利要求1所述的电容器模块，其中所述基板包括陶瓷基板，所述陶瓷基板带有被置放在所述陶瓷基板的第一侧上的金属化层和被置放在所述陶瓷基板的第二相对侧上的另外的金属化层，并且其中所述另外的金属化层的至少一个部分通过在所述外罩中的开口而被暴露。
5.根据权利要求1所述的电容器模块，其中所述第一组连接器在所述第一组电容器的总体宽度上隔开，并且其中所述第二组连接器在所述第一组电容器的总体宽度上隔开。
6.根据权利要求1所述的电容器模块，其中所述金属化层被图案化并且包括相互分离的多个细长区域，并且其中所述第一组电容器在第一对所述细长区域之间并联连接，并且所述多个电容器进一步包括在第二对所述细长区域之间并联连接的第二组电容器。
7.根据权利要求6所述的电容器模块，其中第一和第二对细长区域共享公共细长区域，并且其中在所述第一组电容器中包括的电容器的一端和在所述第二组电容器中包括的电容器的一端被连接到相同的细长区域。
8.根据权利要求1所述的电容器模块，其中在所述第一组电容器中包括的至少两个电容器在所述基板上彼此堆叠并且在第一和第二组连接器之间并联电连接。
9.根据权利要求1所述的电容器模块，其中在所述第一组电容器中包括的所述电容器的第一端被直接地连接到所述金属化层的第一细长区域并且在所述第一组电容器中包括的所述电容器的第二端被电连接到所述金属化层的第二细长区域，第一和第二细长区域被相互隔开。
10.根据权利要求9所述的电容器模块，其中在所述第一组电容器中包括的所述电容器的第二端被直接地连接到所述金属化层的所述第二细长区域。
11.根据权利要求1所述的电容器模块，其中所述多个电容器的第一端被直接地连接到所述金属化层并且所述多个电容器的第二端被从所述金属化层隔开并且被连接到在所述多个电容器上方置放的导电层，其中所述多个电容器被置入所述导电层和所述基板之间。
12.根据权利要求11所述的电容器模块，进一步包括被置入所述导电层的第一侧和所述多个电容器之间的弹簧元件，所述弹簧元件在所述导电层和所述多个电容器的第二端之间提供电连接。
13.根据权利要求12所述的电容器模块，进一步包括被置入所述导电层的第二相对侧和所述外罩之间的材料，所述材料朝着所述多个电容器的所述第二端挤压所述导电层的所述第一侧。
14.根据权利要求1所述的电容器模块，其中所述多个连接器是导电插脚。
15.根据权利要求1所述的电容器模块，其中仅仅所述第一组连接器和所述第二组连接器延伸到所述外罩外侧，并且其中在所述第一组连接器和所述金属化层之间在所述外罩内的连接由第一金属薄板提供而在所述第二组连接器和所述金属化层之间在所述外罩内的连接由第二金属薄板提供。
16.一种电力系统，包括：
冷却器；
在所述冷却器上的电容器模块，所述电容器模块包括：
基板，所述基板在所述基板的第一侧上具有金属化层；
被电耦合到所述金属化层的多个连接器；
多个电容器，所述多个电容器被置放在所述金属化层上并且包括在第一组连接器和第二组连接器之间以线形方式布置的并联电连接的第一组电容器；和
外罩，在所述电容器模块内封装所述多个电容器，
其中所述第一组电容器的布置与所述第一组连接器和所述第二组连接器的布置平行；
在所述冷却器上的功率半导体模块；和
被电连接到所述电容器模块和所述功率半导体模块的电连接介质，
其中所述多个连接器的至少一部分延伸通过所述外罩，从而所述多个连接器的所述部分在所述外罩之外。
17.根据权利要求16所述的电力系统，其中所述第一组连接器经由所述电连接介质而被耦合到所述功率半导体模块的第一供应电压，并且所述第二组连接器经由所述电连接介质而被耦合到所述功率半导体模块的第二供应电压，并且其中所述电容器模块被配置为作为用于所述功率半导体模块的DC链操作。
18.根据权利要求16所述的电力系统，进一步包括与所述电容器模块分离并且能够操作用于存储能量的一个或者多个另外的电容器，并且其中所述一个或者多个另外的电容器被电连接到所述电连接介质并且所述电容器模块被配置为作为缓冲电路操作。
19.根据权利要求16所述的电力系统，其中所述电连接介质是印刷电路板。
20.根据权利要求16所述的电力系统，其中所述第一组连接器在所述第一组电容器的总体宽度上隔开，并且其中所述第二组连接器在所述第一组电容器的总体宽度上隔开。
21.根据权利要求16所述的电力系统，其中所述金属化层被图案化并且包括相互分离的多个细长区域，并且其中第一组电容器在第一对所述细长区域之间并联连接，并且所述多个电容器进一步包括在第二对所述细长区域之间并联连接的第二组电容器。
22.根据权利要求16所述的电力系统，其中所述多个电容器的第一端被直接地连接到所述金属化层并且所述多个电容器的第二相对端被从所述金属化层隔开并且被连接到在所述多个电容器上方置放的导电层，其中所述多个电容器被置入所述导电层和所述基板之间。
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