CN103269148B - 变流器或变频器功率模块 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种变流器或变频器功率模块，包括水冷散热器、功率器件、直流母排、交流母排、脉冲分配板和第一拔插件；所述第一拔插件包括多个相互绝缘的导电片，且每一所述导电片与交流母排上的一个交流接线端子电连接。本发明通过第一拔插件使功率模块在安装时以插接方式实现功率器件的电连接，不仅可实现功率模块的快速组装和维护，而且避免了中间转接和人工接线。

Description

变流器或变频器功率模块

技术领域

本发明涉及大功率变流器或工业用变频器领域，更具体地说，涉及一种大功率变流器或工业用变频器中使用的功率模块。

背景技术

变流器或变频器中的功率模块是实现整流或逆变功能的核心组件，其性能参数直接决定了变流器或变频器的性能。功率模块主要由水冷散热器、高压IGBT、高压低电感母排、交流母排、高压支撑电容、高压门极驱动电路、门极驱动电源及控制单元构成，通过将这些零部件集成于一体而构成一个完整的三相两电平逆变电路或H桥式整流电路。

在进行功率模块设计时，除了实现相关的整流或逆变的功能外，还需考虑其体积、正面的可维护性、模块化的外部结构、模块整体便携性等。现有的功率模块主要包括两类：第一类是横向的呈抽屉式的功率模块(例如申请号为201210287891.4的中国专利申请中公开的功率模块)，另一类为载体书本型的模块，(例如申请号为201210109947.7的中国专利申请中公开的功率模块)。

上述两类功率模块均为大功率水冷功率模块，将其安装至柜内时，需使用定制化的工装夹具，以将功率模块升至预定的位置，然后通过螺钉将其固定在柜内。在功率模块固定完成后，还需对进、出水口水路管道、直流母排、交流母排、对外信息线缆等等一一进行连接，对其维护时则采用相反的操作步骤。

上述两类功率模块在整体上实现了良好的电气性能，但由于模块自身背负较大的直流支撑电容，会使整个功率模块较笨重，导致安装和维护时非常费力，且容易造成作业人员受伤，不利于终端用户现场的在线维护；其次是功率模块的正负直流母线、交流母排的进出口连接管道等需采用人工手动一一对接，在安装和维护时容易出错；并且柜内的水管、动力线缆的铺设相对会比较零乱，中间转接次数较多，容易出现老化或长时间使用器件失效。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对上述功率模块安装维护不便的问题，提供一种变流器或变频器功率模块。

本发明解决上述技术问题的技术方案是，提供一种变流器或变频器功率模块，包括水冷散热器、功率器件、直流母排、交流母排、脉冲分配板和第一拔插件；所述第一拔插件包括多个相互绝缘的导电片，且每一所述导电片与交流母排上的一个交流接线端子电连接；所述第一拔插件包括三个导电片且该三个导电片延伸到水冷散热器外侧的部分分别平行于水冷散热器；所述第一拔插件还包括由绝缘材料构成的固定件，所述固定件的端面上具有开口且该固定件以两个导电片插入开口的方式固定到第一拔插件。

在本发明所述的变流器或变频器功率模块中，所述功率模块还包括第二拔插件，所述第二拔插件包括与所述水冷散热器的内部液体管路连通的第一插管和第二插管；所述第一插管、第二插管及多个导电片朝向相同。

在本发明所述的变流器或变频器功率模块中，所述第二拔插件和第一拔插件都固定在水冷散热器第一端，且所述第一插管、第二插管及多个导电片分别延伸到水冷散热器的外侧。

在本发明所述的变流器或变频器功率模块中，所述水冷散热器的第一端的上表面设有连通内部液体管路的第一进液孔和第一出液孔；所述第二拔插件下表面设有第二进液孔和第二出液孔，且所述第二进液孔和第二出液孔分别与第一插管和第二插管中的一个连通；所述第二拔插件以第二进液孔正对第一进液孔、第二出液孔正对第一出液孔的方式固定在所述水冷散热器上表面。

在本发明所述的变流器或变频器功率模块中，所述功率模块包括三个功率器件组且该每一功率器件组包括两个串接的功率器件，所述三个导电片中每一导电片分别经由交流母排连接到一个功率器件组的两个功率器件的连接点。

在本发明所述的变流器或变频器功率模块中，所述功率模块还包括防护壳，所述防护壳固定在水冷散热器的上表面，所述功率器件、直流母排、交流母排和脉冲分配板安装于防护壳和水冷散热器之间且所述功率器件、直流母排、交流母排和脉冲分配板依次叠加固定在水冷散热器的上表面。

在本发明所述的变流器或变频器功率模块中，所述功率模块还包括两个提手，该两个提手分别固定在水冷散热器上并位于防护壳的两侧。

在本发明所述的变流器或变频器功率模块中，所述两个提手分别与水冷散热器的一个侧面基板形成一个平面。

本发明的变流器或变频器功率模块，通过第一拔插件使功率模块在安装时以插接方式实现功率器件的电连接，不仅可实现功率模块的快速组装和维护，而且避免了中间转接和人工接线。此外，本发明还通过第二拔插件实现功率模块与水冷组件的拔插连接，进一步提高了功率模块组装和维护的便捷性。

附图说明

图1是本发明变流器或变频器功率模块实施例的外部结构示意图。

图2是图1中变流器或变频器功率模块的爆炸图。

图3是图1中变流器或变频器功率模块第一应用的等效电路图。

图4是图1中变流器或变频器功率模块第二应用的等效电路图。

图5是图1中变流器或变频器功率模块第一安装方式的示意图。

图6是图1中变流器或变频器功率模块第二安装方式的示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1、2所示，是本发明变流器或变频器功率模块实施例的示意图，该功率模块可应用于变频调速逆变器或四象限有源整流系统中的变流器中。本实施例中的功率模块包括有水冷散热器10、功率器件15、直流母排16、交流母排17、脉冲分配板18和第一拔插件12。水冷散热器10可将功率器件15在工作过程中产生的热量(由于功率器件15在工作工程中每分钟有上百或近千HZ的开关频率，因此会产生较大的热损耗)，通过水(或其他冷却液)传递至外围的热交换装置中进行冷却。直流母排16用于连接功率器件15，从而实现三相逆变桥或H桥拓扑。交流母排17用于实现逆变器或整流器的输入或输出，其上安装有用于控制功率器件15开关状态的脉冲分配板18。

第一拔插件12包括多个相互绝缘并延伸到水冷散热器10的外侧的导电片121，每一导电片121与交流母排17上的一个交流接线端子171电连接，形成电路一体化插拔的功能组件。当整个功率模块安装到机柜时导电片121以插接方式实现与相应部件的电连接(相应地，使用该功率模块的机柜内设置有类似“母插头”的插接部件)。

在上述的变流器或变频器功率模块中，第一拔插件12包括三个导电片121且该三个导电片121延伸到水冷散热器外侧的部分分别平行于水冷散热器10。

功率器件15具体可采用兼容1200V、1700V、3300V、4500V电压等级的大功率IHM、IHV级IGBT功率器件封装结构，其固定在水冷散热器10的上表面。特别地，上述水冷散热器10的上表面可固定三组共六个IGBT，第一拔插件12的三个导电片121中每一导电片121分别经由交流母排17连接到一组IGBT的两个IGBT的连接点。通过该方式，该功率模块可实现系列化产品，例如使用该功率模块的逆变器的电压等级可从380V到2500V，IGBT功率器件可从800A至3600A，通过不同的组合，可覆盖的功率等级从300kW至2MW。

上述功率模块可以是轨道交通主牵引变流器中的单相整流模块，在该应用中，可将整个功率模块插入牵引变流器机柜中，并使第一拔插件12中的两个导电片121插入牵引变流器机柜中的交流电端子，从而使该功率模块具有单相H桥硬件拓扑(如图3所示)，实现单相可控整流。上述功率模块还可应用于三相逆变电路，此时可将三个导电片121都接入到机柜中的相应部件，使整个功率模块具有三相逆变拓扑结构，如图4所示。通过上述方式，本发明实现了功率模块结构的复用，减少了物料的种类。

为了保证第一拔插件12的导电片121在插接过程中的强度(例如避免导电片在插入过程中弯折)，同时提高第一拔插件12在快速插拔时的精度，可增加一个由绝缘材料构成的固定件13，该固定件13的端面上具有开口131且该固定件13以第一拔插件12上的两个导电片121插入开口131的方式固定到第一拔插件12的主体部分。

上述功率模块还可包括一个第二拔插件11，上述第二拔插件11包括与水冷散热器的内部液体管路连通的第一插管111和第二插管112，且该第一插管111和第二插管112延伸到水冷散热器10的外侧(即突出于水冷散热器10的边缘)。上述第一插管111、第二插管112及多个导电片121朝向相同，从而可在整个功率模块插入到机柜时，第一插管111、第二插管112及多个导电片121分别插接到对应的器件，实现水路连接和电连接。特别地，上述第二拔插件11和第一拔插件12都固定在水冷散热器10第一端，便于整个功率模块拔插。

通过第二拔插件11，可实现水冷散热器10的内部管路与外围管路的连接，在第一插管111和第二插管112未插接到外围管路时，该第一插管111和第二插管112可自动封堵内部的液体，从而防止因操作不慎而进入柜内。

当然，在实际应用中，上述第一插管111、第二插管112和导电片121也可不突出于水冷散热器10的边缘，而采用类似“母插头”的形式(机柜内相应的部件则采用“公插头”的形式)。并且，上述第二拔插件11和第一拔插件12也可固定在水冷散热器10的其他位置，例如水冷散热器10的两侧且第一插管111、第二插管112及多个导电片121分别朝向功率模块的插接方向设置。

上述的第一插管111、第二插管112可通过以下方式实现与水冷散热器10中内部管路的连通：在水冷散热器10的第一端的上表面设置连通内部液体管路的第一进液孔101和第一出液孔102，并在第二拔插件11下表面的相应位置设置第二进液孔和第二出液孔且该第二进液孔和第二出液孔分别与第一插管111和第二插管112中的一个连通，整个第二拔插件11以第二进液孔正对第一进液孔101、第二出液孔正对第一出液孔102的方式压紧固定在水冷散热器10的上表面。

特别地，为避免冷却液渗漏，可在第二拔插件11和水冷散热器10之间设置密封垫圈，该密封垫圈分别设置在第一进液孔101和第二进液孔处以及第一出液孔102和第二出液孔处。

为了保护功率模块中的各个部件，可设置一个防护壳19，该防护壳19固定在水冷散热器10的上表面，其中功率器件15、直流母排16、交流母排17和脉冲分配板18安装于防护壳19和水冷散热器10之间且上述功率器件15、直流母排16、交流母排17和脉冲分配板18依次叠加固定在水冷散热器10的上表面。

为了便于功率模块的搬运及安装，上述功率模块还可包括两个提手14，该两个提手14分别固定在水冷散热器10上并位于防护壳19的两侧。

特别地，上述两个提手14分别与水冷散热器10的一个侧面基板形成一个平面，从而在功率模块安装在机柜内时使功率模块可立体安放(如图5和图6所示)，增加其平稳性，减少接触面积，降低在推拉时的阻力和摩擦。

本发明通过第一拔插件12和第二拔插件11，使其构成一个水电一体化插拔的快速连接件，从而可使功率模块在安装时免去了繁琐的螺钉连接，提高作业的效率，改善了可维护性，使空间的利用得到进一步的提高，改善了整个系统的功率密度设计。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种变流器或变频器功率模块，包括水冷散热器、功率器件、直流母排、交流母排和脉冲分配板；其特征在于：所述功率模块还包括第一拔插件；所述第一拔插件包括多个相互绝缘的导电片，且每一所述导电片与交流母排上的一个交流接线端子电连接；所述第一拔插件包括三个导电片且该三个导电片延伸到水冷散热器外侧的部分分别平行于水冷散热器；所述第一拔插件还包括由绝缘材料构成的固定件，所述固定件的端面上具有开口且该固定件以两个导电片插入开口的方式固定到第一拔插件。

2.根据权利要求1所述的变流器或变频器功率模块，其特征在于：所述功率模块还包括第二拔插件，所述第二拔插件包括与所述水冷散热器的内部液体管路连通的第一插管和第二插管；所述第一插管、第二插管及多个导电片朝向相同。

3.根据权利要求2所述的变流器或变频器功率模块，其特征在于：所述第二拔插件和第一拔插件都固定在水冷散热器第一端，且所述第一插管、第二插管及多个导电片分别延伸到水冷散热器的外侧。

4.根据权利要求3所述的变流器或变频器功率模块，其特征在于：所述水冷散热器的第一端的上表面设有连通内部液体管路的第一进液孔和第一出液孔；所述第二拔插件下表面设有第二进液孔和第二出液孔，且所述第二进液孔和第二出液孔分别与第一插管和第二插管中的一个连通；所述第二拔插件以第二进液孔正对第一进液孔、第二出液孔正对第一出液孔的方式固定在所述水冷散热器上表面。

5.根据权利要求1所述的变流器或变频器功率模块，其特征在于：所述功率模块包括三个功率器件组且该每一功率器件组包括两个串接的功率器件，所述三个导电片中每一导电片分别经由交流母排连接到一个功率器件组的两个功率器件的连接点。

6.根据权利要求2所述的变流器或变频器功率模块，其特征在于：所述功率模块还包括防护壳，所述防护壳固定在水冷散热器的上表面，所述功率器件、直流母排、交流母排和脉冲分配板安装于防护壳和水冷散热器之间且所述功率器件、直流母排、交流母排和脉冲分配板依次叠加固定在水冷散热器的上表面。

7.根据权利要求6所述的变流器或变频器功率模块，其特征在于：所述功率模块还包括两个提手，该两个提手分别固定在水冷散热器上并位于防护壳的两侧。

8.根据权利要求7所述的变流器或变频器功率模块，其特征在于：所述两个提手分别与水冷散热器的一个侧面基板形成一个平面。