CN103718383A - 具有电容器冷却功能的功率电子逆变器 - Google Patents

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大卫·迈克尔·洛肯
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Abstract

一种功率电子逆变器，包括形成具有冷却剂通道的冷却板的壳体。所述壳体封装绝缘栅双极晶体管(IGBT)和直流链路电容器。所述电容器包括从电容器的底侧引出的母线，并且所述母线被设置成靠近所述冷却板。所述冷却板形成位于所述IGBT和所述电容器的母线下方的冷却通道。导热的间隙垫被设置在所述电容器的母线和所述冷却板之间。

Description

具有电容器冷却功能的功率电子逆变器
技术领域
本发明涉及功率电子模块，例如逆变器。
背景技术
功率电子逆变器通常包括关键元件，例如绝缘栅双极晶体管(IGBT)，直流链路电容器，和冷却板。在车辆工作环境下，最大环境工作温度为85℃(逆变器外部)。由于电子元件操作产生的废热，逆变器内部的空气相当地热。这些元件的挑战在于使电容器的内部热点温度最小化。通过将工作温度降低10℃，基于薄膜的电容器的可用寿命可大致翻倍。延长电容器的可用寿命的可选择的方式是增加薄膜的量，但这将使电容器变大。
这种电容器具有机械地固定到IGBT的接线端的一组导电母线(通常由铜制成)。在绝大多数已知的构造中，电容器的母线引线从电容器的一侧出来并且它们的长度被保持为尽可能的短，以最小化电感。见图1。
三个主要的热源影响电容器的热点温度，其中热点温度通常被发现位于最远离其表面的中央区域的深处。在电容器的正常工作过程中在其内部产生热量。围绕电容器的介质(通常为热空气)将影响电容器的内部温度。逆变器中的IGBT产生大量的废热。结果，大多数高功率电子逆变器使用液冷式冷却板将热量从逆变器的IGBT中导出。然而，IGBT的冷却效果可能是，内部元件被电驱动直到它们在150℃附近的温度下工作。内部IGBT元件与电容器之间的电连接必须能够承载大量的电流。铜是一种被用于载送所述电流的材料。铜还具有高热导率值并且因此能够在IGBT和电容器之间传递热量。由于IGBT比电容器更热，因此，热量流入电容器，这将影响热点温度。
发明内容
根据本发明的一个方面，功率电子逆变器具有形成冷却板的壳体、发热的电子第一元件和第二元件。
根据本发明的另一方面，所述元件之一是绝缘栅双极晶体管(IGBT)并且另一元件是直流链路电容器。
根据本发明的另一方面，所述电容器包括从该电容器底侧引出的母线，并且所述母线被设置成靠近所述冷却板。
根据本发明的另一方面，所述冷却板形成位于第一元件和母线下方的冷却通道。
根据本发明的另一方面，导热的间隙垫被设置在母线和冷却板之间。
附图说明
图1是现有技术的逆变器的透视图；
图2是本发明的逆变器的底部透视分解图；
图3是图2的逆变器的顶部透视分解图；以及
图4是图2的逆变器的顶部透视图。
具体实施方式
参见图1，现有技术的逆变器10包括安装在壳体16中的绝缘栅双极晶体管(IGBT)12和直流链路电容器(DC Link capacitor)14。电容器14具有机械地固定到IGBT12的接线端20的一组导电母线(未示出)(通常由铜制成)。电容器的母线的引线19从电容器14的一侧引出并且它们的长度被保持为尽可能地短以最小化电感。
如图2、3和4中所示，根据本发明，功率电子逆变器30具有壳体32，壳体32具有形成冷却板36的底侧34。壳体32封装着各种电气元件，包括一对发热元件。其中一个元件可以是开关单元38，例如绝缘栅双极晶体管(IGBT)，或者其他类型的功率器件，例如Mosfet、SCR、半导体闸流管(Thyristor)等。另一元件可以是电容器单元40，例如直流链路电容器，或者任意其他类型的电容器，例如薄膜、陶瓷或电解电容器。开关单元38包括接线端39。电容器40包括从电容器40的底侧44引出的母线42，从而母线42将被设置成邻靠近冷却板36。母线42包括连接到开关单元38的接线端39上的多个接头43。冷却板36形成位于开关单元38和电容器的母线42下方的冷却通道46。如图3所示，导热的间隙垫(gap pad)48和50位于电容器母线42和冷却板36之间。
在逆变器30中，由于冷却板36同时冷却开关单元38和将电容器40连接到开关单元38的母线42，因此电容器40的温度降低。这需要更长的母线42，并且更长的母线42提供了更大的表面积，以将热量从母线42传导至冷却板36。通过使用由绝缘材料隔开的交替的导电层(未示出)构成的层叠的母线构造，可以将母线电感(它是不理想的)保持在较低水平。间隙垫48和50是被夹在母线42和冷却板36之间的导热材料，用于提供到冷却板36的充分的热传递，在冷却板36处可通过流动的液体冷却剂移除所述热量。冷却板36被设计以使冷却剂的流路位于开关38和母线42下方以消除来自逆变器30的热量。
母线42的冷却可从多个方面使电容器40受益。它可以防止热量从开关单元38流入电容器40。它能够将热量从电容器40的内部抽出。它还能够降低母线42的温度，从而将有助于降低逆变器30内的空气的对流加热。降低的电容器温度进而可延长其工作寿命并实现更小的电容器尺寸。母线42的冷却还可有助于冷却开关单元38。逆变器30内的较低的空气温度还可以在成本、功能性和逆变器30内使用的其他电子元件的寿命方面产生有利的影响。
尽管在附图和前述的说明中详细地描绘和描述了本发明，但这些描绘和描述应当被认为在本质上是示例性的并且无限制性的，应当理解，本发明只是示出和描述了示例性的实施例，并且所有那些落入本发明的实质范围之内的变化和修改都应当被保护。注意，本发明的替换实施例可能不会包括所描述的所有特征，但仍然能够从这些特征的至少某些优点中获益。本领域的普通技术人员可以很容易地设计出他们自己的、结合有本发明的一个或多个特征并落入本发明的由所附权利要求限定的实质和范围之内的实施方案。

Claims (10)

1.一种功率电子模块，包括：
形成冷却板的壳体；
发热的电子第一元件；
发热的电子第二元件，第二元件具有连接到所述第一元件的母线，所述母线从所述第二元件的底侧引出并被设置成靠近所述冷却板；以及
所述冷却板形成位于所述第一元件和所述母线下方的冷却通道。
2.根据权利要求1所述的逆变器，其中：
导热的间隙垫被设置在所述母线和所述冷却板之间。
3.根据权利要求1所述的逆变器，其中：
所述第一元件包括电源开关单元。
4.根据权利要求1所述的逆变器，其中：
所述第二元件包括电容器。
5.根据权利要求1所述的逆变器，其中：
所述第一元件包括绝缘栅双极晶体管(IGBT)。
6.根据权利要求1所述的逆变器，其中：
所述第二元件包括直流链路电容器。
7.一种功率电子逆变器，具有形成冷却板的壳体、发热的电子元件、和直流链路电容器，其中：
所述电容器包括从电容器的底侧引出的母线，所述母线被设置成靠近所述冷却板；以及
所述冷却板形成位于所述电子元件和所述电容器母线下方的冷却通道。
8.根据权利要求7所述的逆变器，其中：
导热的间隙垫被设置在所述电容器的母线和所述冷却板之间。
9.根据权利要求7所述的逆变器，其中：
所述电子元件包括绝缘栅双极晶体管(IGBT)。
10.一种功率电子逆变器，具有形成冷却板的壳体、绝缘栅双极晶体管(IGBT)、和直流链路电容器，其中：
所述电容器包括从电容器的底侧引出的母线，所述母线被设置成靠近所述冷却板；
所述冷却板形成位于所述绝缘栅双极晶体管和所述电容器的母线下方的冷却通道；以及
导热的间隙垫被设置在所述电容器的母线和所述冷却板之间。
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