CN104113220A - Mosfet多管并联的全桥逆变电路及其安装方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种MOSFET多管并联的全桥逆变电路及其安装方法。使用相互绝缘的散热器分别作为全桥逆变电路的直流输入端和输出端连接线，所有功率开关器件焊接在同一块电路板上，并通过螺钉直接安装在散热器上。作为直流输入端的散热器和电路板之间通过金属支撑柱连接，并通过金属支撑柱，将直流支撑电容的正极和散热器连接为电气通路。电路板的一层铜箔将全桥逆变电路直流端负极引入，并和所有下管的源极以及直流支撑电容的负极连接。本发明提供了一种方便多MOSFET并联、直流支撑电容和吸收电容布置合理，并且可模块化安装、结构紧凑的全桥逆变电路的安装方法与装置。

Description

MOSFET多管并联的全桥逆变电路及其安装方法

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，尤指涉及MOSFET多管并联的全桥逆变电路及其安装方法。

背景技术

由于全桥逆变电路的输出功率较大，因此被广泛应用于各类开关电源、电机调速和变频器等领域。电压型单相、三相桥式逆变电路的直流侧相当于电压源，一般并联大容值的直流支撑电容。功率开关器件高速开关时，为抑制功率开关器件关断及续流二极管恢复时产生的尖峰电压，在靠近功率开关器件的位置连接有不同形式的吸收电路，其中在直流母线两端直接并联吸收电容是最简单的一种。

当直流侧输入电流较大时，全桥逆变电路的单个桥臂常采用多个MOSFET并联作为功率开关器件，单个MOSFET如何方便地与大电流线路连接成为一个难点。此外，为了有效抑制高频干扰，直流支撑电容和吸收电路应靠近功率开关器件安装，特别是在直流母线间跨接吸收电容时，吸收电容的两个引脚应尽量靠近上管的漏极和下管的源极，这为电路安装提出了更高要求。目前，采用多个MOSFET并联作为功率开关器件的全桥逆变电路的安装方法普遍存在以下问题：

1)直流侧输入和交流侧输出线路都使用铜排连接，使得单个MOSFET与铜排连接不方便；

2)MOSFET与散热器之间用绝缘的导热垫片隔离，不利于功率开关器件散热，功率损耗增大；

3)直流支撑电容通过螺栓安装在直流母线上，距离功率开关器件远，直流母线杂散电感增加；

4)MOSFET布局不合理，吸收电容无法就近安装在每对上管和下管之间，不利于尖峰电压的吸收。

发明内容

本发明的目的是为了解决安装MOSFET多管并联的全桥逆变电路时，单个MOSFET与大电流线路连接不方便、MOSFET的散热速度慢、以及直流支撑电容和吸收电容由于安装位置不合理而导致的高频干扰大等问题。为此，本发明提出了一种MOSFET多管并联的全桥逆变电路及其安装方法。

本发明的上述目的中的至少一个目的可以通过下述技术方案实现。

一种MOSFET多管并联的全桥逆变电路，包括相互绝缘的多个散热器、功率开关器件和第一安装部件，其中，所述电路还包括一组金属柱、电路板和第二安装部件，

所述电路的直流母线正极接所述多个散热器中的第一散热器，所述金属柱安装在所述第一散热器上，并通过所述第二安装部件与所述电路板连接；

所述功率开关器件的上管和下管相对排列，正面朝上并与所述电路板平行，所述功率开关器件的引脚弯曲后与所述电路板焊接；

所述电路的直流母线负极接所述电路板的A面铜箔，并与所述下管的源极连接；

所述电路板的B面的铜箔分别将所述上管中的第一上管的源极和所述下管中的第一下管的漏极，所述上管中的第二上管的源极和所述下管中的第二下管的漏极连接为电气通路；

所述第一安装部件将所述上管安装在所述第一散热器上，所述下管安装在所述多个散热器的除所述第一散热器之外的散热器上，MOSFET的漏极和所述多个散热器通过所述第一安装部件连接为电气通路。

优选地，所述电路还包括直流支撑电容，所述直流支撑电容焊接在所述电路板上；所述直流支撑电容的正极依次通过所述电路板的B面的铜箔、所述金属柱与所述第一散热器连接为电气通路；所述直流支撑电容的负极通过所述电路板的A面的铜箔，与所述直流母线负极连接为电气通路。

优选地，所述电路还包括吸收电容，所述吸收电容、焊接在所述电路板、上，所述吸收电路、在相对排列的所述上管和所述下管之间，所述吸收电容、的两个引脚分别靠近所述上管的漏极和所述下管的源极放置，并与之连接为电气通路。

优选地，所述电路板的A面的铜箔以及B面的铜箔处焊接铜排或镀锡。

优选地，所述第一安装部件和所述第二安装部件均为螺钉，例如，导电的金属螺钉，当然，本发明不限于此，例如，第一和第二安装部件可以为铆钉、焊接部或粘接部等。

优选地，在所述功率开关器件采用TO-220或TO-247封装形式或类似封装形式的MO SFET时，本发明的效果特别明显，当然，本发明不限于此，每组功率开关器件可以由若干个MOSFET并联组成。

所述电路不仅可以是单相全桥逆变电路，所述电路还可以是三相桥式逆变电路，所述上管可以还包括第三上管，所述下管可以还包括第三下管。优选地，所述第一上管、所述第二上管和所述第三上管可以安装在所述第一散热器上，所述第一下管、所述第二下管和所述第三下管分别安装在所述多个散热器的除所述第一散热器之外的三个散热器上

优选地，所述多个散热器的除所述第一散热器之外的散热器为第二散热器和第三散热器，所述第一下管安装在所述第二散热器上，所述第二下管安装在所述第三散热器上。如上所述，在三相桥式逆变电路情况下，本发明的电路可以包括另外的散热器，用于安装第三下管。

优选地，所述第一散热器、所述第二散热器和所述第三散热器固定在同一绝缘板上，所述第一散热器、所述第二散热器和所述第三散热器之间通过若干绝缘板隔离并相互固定，从而全桥逆变电路通过这样的一种安装方法，成为了一个模块(一体化的安装组件)。其结果是，在生产中这个模块可以另行安装，然后整体放入机箱内固定，方便生产；维护时可以整体取出来，方便维护。

另外，本发明还提供一种MOSFET多管并联的全桥逆变电路的安装方法，其中，

全桥逆变电路的直流母线正极与第一散热器连接，所述全桥逆变电路的交流端分别与第二散热器和第三散热器连接，所述第一、第二和第三散热器之间相互绝缘；

一组金属柱安装在所述第一散热器上，并通过第一安装部件(例如，螺钉)与电路板连接；

所述全桥逆变电路的每组功率开关器件均由若干个MOSFET并联组成，其中所述功率开关器件中的第一上管、第二上管和所述功率开关器件的第一下管、第二下管相对排列，所述MOSFET正面朝上，与所述电路板平行，引脚弯曲后与所述电路板焊接；

所述电路板的A面的铜箔将所述全桥逆变电路的直流母线负极、所述第一下管、所述第二下管的源极连接为电气通路；

所述电路板的B面的铜箔分别将所述第一上管的源极和所述第一下管的漏极，以及所述第二上管的源极和所述第二下管的漏极连接为电气通路；

第二安装部件(例如，螺钉)将所述第一上管、所述第三上管安装在所述第一散热器上，将所述第一下管和所述第二下管分别安装在所述第二散热器和所述第三散热器上，所述MOSFET的漏极和所述第一、第二和第三散热器通过所述第二安装部件连接为电气通路。

可选地，直流支撑电容靠近所述功率开关器件，并(例如，通过焊接)安装在所述电路板上；所述直流支撑电容的正极依次通过所述电路板的B面的铜箔、所述金属柱，与所述第一散热器连接为电气通路；所述直流支撑电容的负极通过所述电路板的A面的铜箔，与所述直流母线负极连接为电气通路。

可选地，吸收电容焊接在所述电路板上，位置在相对排列的所述第一和第二上管和所述第一和第二下管之间，所述吸收电容的两个引脚分别靠近所述第一和第二上管的漏极和所述第一和第二下管的源极放置，并与之连接为电气通路。

可选地，所述电路板的A面的铜箔以及B面的铜箔处焊接铜排或镀锡。

可选地，所述全桥逆变电路为单相全桥逆变电路。

可选地，所述全桥逆变电路为三相桥式逆变电路，至少一个额外的功率开关器件安装于另一散热器。

对比已有技术，本发明具有以下创新点：

1)作为全桥逆变电路功率开关器件的所有MOSFET焊接在一块电路板上，且都通过螺钉直接安装在相互绝缘的散热器上，利用散热器作为大电流连接线路；

2)在散热器上安装金属柱，为电路板提供支撑的同时，又作为电路板和散热器之间的电气连接线路使用；

3)全桥逆变电路的直流支撑电容和吸收电容都安装在功率开关器件所在的电路板上。

本发明对比已有技术具有以下优点：

1)所有功率开关器件焊接在同一块电路板上，且通过螺钉直接安装在散热器上，使得功率开关器件方便地与大电流线路连接，而且功率开关器件和散热器直接接触，大大增强了散热能力，降低了损耗；

2)金属柱将全桥逆变电路直流母线的正极和电路板连接，使得直流支撑电容可以安装在电路板上靠近功率开关器件的位置，高频干扰得到有效抑制且结构更加紧凑；

3)功率开关器件的上管和下管相对排列，间距可根据吸收电容尺寸调整，吸收电容的两个引脚可尽量靠近上管的漏极和下管的源极安装，便于吸收尖峰电压，有效抑制高频干扰；

4)通过绝缘板对散热器的隔离和固定，整个全桥逆变电路的安装模块化，方便生产、维护。

附图说明

图1为电压型单相、三相桥式逆变电路原理图以及TO-220封装MOSFET的引脚示意图。

图2为本发明的实施例的散热器及金属柱安装结构示意图。

图3为本发明的实施例的电路板A层及功率开关器件安装示意图。

图4为本发明的实施例的电路板B层结构示意图。

图5为本发明的实施例的电路板及器件安装示意图。

图6为本发明的实施例的安装模块俯视图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作出进一步说明。

参见图1所示，图1中的(A)、(B)分别为电压型三相桥式和单相全桥逆变电路的原理图，其中直流支撑电容C1(例如，在图5中由附图标记15示出)使直流侧呈现电压源特性，吸收电容C2用来抑制功率开关器件高速开断时产生的尖峰电压，Q1～Q6为全桥逆变电路的桥臂，在直流输入大电流时，每组桥臂可由若干个MOSFET10(参见图3)并联组成。在直流输入电流大且开关频率高时，为有效地减小高频干扰，直流支撑电容C1和吸收电容C2(例如，在图5中由附图标记16示出)要求尽量靠近功率开关器件布置。

图1中的(C)为TO-220封装的N沟道MOSFET10的外型图，当然，本发明的MOSFET不限于此种类型。其中，引脚1、2、3分别为MOSFET10的栅极、漏极和源极，4为镀锡铜板，用于MOSFET10的安装与散热。其中漏极2与4连通，通过螺钉直接将MOSFET10安装在散热器上，可以使散热器与MOSFET10的漏极连接成电气通路，并大大增加MSOFET10的散热速度。

参见图2所示，散热器5、6、7相互绝缘，其中散热器5与单相全桥逆变电路直流输入的正极连接，散热器6、7分别与单相全桥逆变电路的交流端输出连接。散热器5上安装有一组金属柱8，金属柱8例如采用六角隔离铜柱，为电路板9提供结构支撑的同时，又为全桥逆变电路直流输入的正极和电路板之间提供电气通路。

参见图3所示，单相全桥逆变电路的每组桥臂由例如四个MOSFET10并联组成，所有MOSFET10分为上管和下管两排，并相对排列。所有MOSFET10正面朝上，与电路板9平行，引脚弯曲后与电路板9焊接。

电路板9的A面铜箔11将直流侧负极引入，并与功率开关器件下管Q2、Q4的漏极连接，为增强铜箔11过电流能力，可在铜箔11上镀锡或焊接铜排。

焊盘12与金属柱8的位置对应，并通过电路板9上的铜箔，与直流支撑电容15的正极连接。

参见图4所示，电路板9的B面铜箔13将功率开关器件上管Q1的漏极和下管Q2的源极连接，铜箔14将功率开关器件上管Q3的漏极和下管Q4的源极连接。为增强铜箔过电流能力，可在铜箔13、14上镀锡或焊接铜排。

参见图5所示，直流支撑电容15安装在电路板9上，并靠近功率开关器件布置，直流支撑电容15的正极通过B面铜箔与焊盘12相互连接，负极通过A面铜箔与功率开关器件下管Q1、Q2的源极连接；

吸收电容16放置在功率开关器件的上管和下管之间，两个引脚分别靠近相对的上管Q1、Q3的漏极和下管Q2、Q4的源极。

一组螺钉17将功率开关器件的上管Q1、Q3安装在散热器5上，将下管Q2和Q4分别安装散热器6和7上；一组螺钉18通过焊盘12将电路板9安装在金属柱8上，将直流输入正极与直流支撑电容正极连接为电气通路。

参见图6所示，通过绝缘板19、20、21、22将散热器5、6、7的相对位置固定，同时保证了散热器之间以及散热器和机壳之间的绝缘。整个全桥逆变电路作为一个安装组件，布局合理且结构紧凑，方便生产、维护。

虽然上面主要说明了单项全桥逆变电路的结构及安装方法。然而，本发明还可以应用于三项全桥逆变电路，其中，至少一个另外的功率开关器件(例如，图1中的第三下管Q6)可以安装于另一散热器。

以上结合附图对本发明的具体实施方式作了说明，该说明只用于帮助理解本发明的技术方案和实施办法，不能理解为对本发明范围的限制。本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上的改动都是本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种MOSFET多管并联的全桥逆变电路，包括相互绝缘的多个散热器(5、6、7)、功率开关器件(Q1～Q4)和第一安装部件(17)，其特征在于：所述电路还包括一组金属柱(8)、电路板(9)和第二安装部件(18)，其中：

所述电路的直流母线正极接所述多个散热器中的第一散热器(5)，所述金属柱(8)安装在所述第一散热器(5)上，并通过所述第二安装部件(18)与所述电路板(9)连接；

所述功率开关器件(Q1～Q4)的上管(Q1、Q3)和下管(Q2、Q4)相对排列，正面朝上并与所述电路板(9)平行，所述功率开关器件的引脚弯曲后与所述电路板(9)焊接；

所述电路的直流母线负极接所述电路板(9)的A面铜箔(11)，并与所述下管(Q2、Q4)的源极连接；

所述电路板(9)的B面的铜箔(13、14)分别将所述上管中的第一上管(Q1)的源极和所述下管中的第一下管(Q2)的漏极，所述上管中的第二上管(Q3)的源极和所述下管中的第二下管(Q4)的漏极连接为电气通路；

所述第一安装部件(17)将所述上管(Q1、Q3)安装在所述第一散热器(5)上，所述下管(Q2、Q4)安装在所述多个散热器的除所述第一散热器之外的散热器(6、7)上，MOSFET的漏极和所述多个散热器通过所述第一安装部件(17)连接为电气通路。

2.根据权利要求1所述的MOSFET多管并联的全桥逆变电路，其特征在于，

所述电路还包括直流支撑电容(15)和吸收电容(16)，所述直流支撑电容(15)和所述吸收电容(16)均焊接在所述电路板(9)上；其中：

所述直流支撑电容(15)的正极依次通过所述电路板(9)的B面的铜箔、所述金属柱(8)与所述第一散热器(5)连接为电气通路；所述直流支撑电容(15)的负极通过所述电路板(9)的A面的铜箔，与所述直流母线负极连接为电气通路，

所述吸收电路(16)在相对排列的所述上管和所述下管之间，所述吸收电容(16)的两个引脚分别靠近所述上管的漏极和所述下管的源极放置，并与之连接为电气通路。

3.根据权利要求1或2所述的MOSFET多管并联的全桥逆变电路，其特征在于，

所述功率开关器件(Q1～Q4)采用TO-220或TO-247封装形式的MOSFET。

4.根据权利要求1或2所述的MOSFET多管并联的全桥逆变电路，其特征在于，

所述电路为三相桥式逆变电路，所述上管还包括第三上管(Q5)，所述下管还包括第三下管(Q6)，所述第一上管(Q1)、所述第二上管(Q3)和所述第三上管(Q5)安装在所述第一散热器(5)上，所述第一下管(Q2)、所述第二下管(Q4)和所述第三下管(Q6)分别安装在所述多个散热器的除所述第一散热器之外的三个散热器上。

5.根据权利要求1或2所述的MOSFET多管并联的全桥逆变电路，其特征在于，

所述多个散热器(5、6、7)固定在同一绝缘板(22)上，所述多个第一散热器(5、6、7)之间通过若干绝缘板(19、20、21)隔离并相互固定。

6.一种MOSFET多管并联的全桥逆变电路的安装方法，其中，

全桥逆变电路的直流母线正极与第一散热器(5)连接，所述全桥逆变电路的交流端分别与第二散热器(6)和第三散热器(7)连接，所述第一、第二和第三散热器之间相互绝缘；

一组金属柱安装在所述第一散热器(5)上，并通过第一安装部件(18)与电路板连接；

所述全桥逆变电路的每组功率开关器件均由若干个MOSFET并联组成，其中所述功率开关器件中的第一上管(Q1)、第二上管(Q3)和所述功率开关器件的第一下管(Q2)、第二下管(Q4)相对排列，所述MOSFET正面朝上，与所述电路板平行，引脚弯曲后与所述电路板焊接；

所述电路板的A面的铜箔将所述全桥逆变电路的直流母线负极、所述第一下管(Q2)、所述第二下管(Q4)的源极连接为电气通路；

所述电路板的B面的铜箔分别将所述第一上管(Q1)的源极和所述第一下管(Q2)的漏极，以及所述第二上管(Q3)的源极和所述第二下管(Q4)的漏极连接为电气通路；

第二安装部件(17)将所述第一上管(Q1)、所述第三上管(Q3)安装在所述第一散热器(5)上，将所述第一下管(Q2)和所述第二下管(Q4)分别安装在所述第二散热器(6)和所述第三散热器(7)上，所述MO SFET的漏极和所述第一、第二和第三散热器通过所述第二安装部件(17)连接为电气通路。

7.根据权利要求6所述的安装方法，其特征在于，直流支撑电容靠近所述功率开关器件，并焊接在所述电路板上；所述直流支撑电容的正极依次通过所述电路板的B面的铜箔、所述金属柱，与所述第一散热器(5)连接为电气通路；所述直流支撑电容的负极通过所述电路板的A面的铜箔，与所述直流母线负极连接为电气通路。

8.根据权利要求6所述的安装方法，其特征在于，吸收电容焊接在所述电路板上，位置在相对排列的所述第一和第二上管和所述第一和第二下管之间，所述吸收电容的两个引脚分别靠近所述第一和第二上管的漏极和所述第一和第二下管的源极放置，并与之连接为电气通路。

9.根据权利要求6所述的安装方法，其特征在于，所述电路板的A面的铜箔以及B面的铜箔处焊接铜排或镀锡。

10.根据权利要求6至9中任一项所述的安装方法，其特征在于，

所述全桥逆变电路为单相全桥逆变电路，或者

所述全桥逆变电路为三相桥式逆变电路，此时，至少一个额外的功率开关器件(Q6)安装于另一散热器。