CN106033934B - 集成式功率转换电路组装模块 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种集成式功率转换电路组装模块，包含一功率单元以及一箝位辅助电路板。功率单元包括一功率级电路板及一防护组装壳，功率级电路板位于防护组装壳内。箝位辅助电路板紧靠防护组装壳外与功率级电路板形成堆叠，用以降低功率级电路板与箝位辅助电路板构成的换流回路的寄生电感。其中，箝位辅助电路板通过防护组装壳与功率级电路板电性连接。本发明的集成式功率转换电路组装模块通过垂直堆叠功率单元和箝位辅助电路板配置方式，可以缩短功率单元与箝位辅助电路板之间的距离，提高功率转换电路模块的可移植性。

Description

集成式功率转换电路组装模块

技术领域

本发明涉及一种功率电源转换模块，特别涉及一种集成式功率转换电路组装模块。

背景技术

电力电子模块是一种可处理电能转换的模块。而功率转换电路的组装以及其应用与不同规格和要求电能转换装置需要求功率转换电路具有较强的适应性和灵活性。而功率转换电路包括主功率级电路和控制电路。主功率级电路通常是包括有开关器件和若干无源器件。无源器件通常为电感、电容等。而控制电路通过控制主功率及电路中开关器件的通断而实现功率的转换。因此这些功率转换电路的设计相对来说是针对其自身的应用特点而专门进行设计，同时需结合其应用于系统时的表现状况进行其他的辅助设计，使其能配合系统上其他电路进行正常工作。

随着系统装置的发展，其会广泛应用于不同的工作环境和条件，然而对其系统装置的简洁、高效和灵活性一直是此领域追求的目标。系统装置简洁的同时会带来设计上的简单化，缩短整个系统装置设计的时间。然而其灵活性则比较依赖于功率转换电路的设计。若功率转换电路的特定性很强，即只适用特定的工作条件会造成功率转换电路的移植性很差，或者其移植时会直接影响系统装置其他元器件或电路的设计，则会造成系统装置的应用的灵活性会受功率转换电路自身的特定性而带来的限制。

因此，如何有效率地设计功率转换电路使其具有较强的独立性，解除系统装置对功率转换电路的依赖性，降低功率转换电路的设计对系统装置的影响而提高功率转换电路的移植性，便成为一个重要的课题。

发明内容

本发明提供了一种集成式功率转换电路组装模块，用以提升集成式装置模块的移植性和其应用的系统装置的灵活性。

本发明的一实施方式提供了一种集成式功率转换电路组装模块，包含一功率单元以及一箝位辅助电路板。功率单元包括一功率转换电路的功率级电路板及一防护组装壳，功率转换电路的功率级电路板位于防护组装壳内。箝位辅助电路板用以降低功率级电路板与箝位辅助电路板构成的换流回路的寄生电感，其中箝位辅助电路板堆叠在防护组装壳外，并通过防护组装壳与功率级电路板电性连接。

于本发明的一或多个实施例中，集成式功率转换电路组装模块还包含一控制电路板，控制电路板用于控制功率级电路板，控制电路板堆叠于箝位辅助电路板之上，并通过防护组装壳与功率级电路板电性连接。

于本发明的一或多个实施例中，集成式功率转换电路组装模块还包含一转接遮罩板，转接遮罩板设置于控制电路板与箝位辅助电路板之间，转接遮罩板承载控制电路板，且转接遮罩板的外形与防护组装壳相匹配。

于本发明的一或多个实施例中，转接遮罩板包含一转接板以及位于转接板下方的一遮罩层。

于本发明的一或多个实施例中，转接板上设置有控制驱动电路和保护电路。

于本发明的一或多个实施例中，遮罩层为一金属板或设置于转接板表面的一铜层。

于本发明的一或多个实施例中，防护组装壳设置有多个卡勾以及多个弹性元件，弹性元件与卡勾之间形成一容置空间，使转接遮罩板固定于卡勾与弹性元件之间。

于本发明的一或多个实施例中，集成式功率转换电路组装模块还包含一散热基座，功率单元设置于散热基座上，散热基座包含一散热鳍片组以及穿设于散热鳍片组之间的一热管。

于本发明的一或多个实施例中，功率单元于散热基座上的正投影与箝位辅助电路板于散热基座上的正投影重叠。

于本发明的一或多个实施例中，功率级电路板包含半桥转换器、晶体管箝位中性点转换器或T型中性点转换器。

于本发明的一或多个实施例中，箝位辅助电路板包含电压箝位电路、解耦合电路和吸收电路之一及其组合。

本发明的集成式功率转换电路组装模块通过垂直堆叠功率单元和箝位辅助电路板配置方式，可以降低功率转换电路组装模块对系统板的影响，提高功率转换电路模块的可移植性，更可以缩短功率单元与箝位辅助电路板之间的距离，以有效解决功率单元中开关切换时因电压突波而损毁的情形。

附图说明

图1为本发明的集成式功率转换电路组装模块一实施例的侧视图。

图2A至图2C为本发明的集成式功率转换电路组装模块中的功率级电路板不同实施例的电路图。

图3A至图3C为本发明的集成式功率转换电路组装模块中的箝位辅助电路板不同实施例的电路图。

图4为本发明的集成式功率转换电路组装模块中的控制电路板一实施例的电路方块图。

图5至图7分别为本发明的集成式功率转换电路组装模块不同实施例的电路示意图。

图8所示为一种应用本发明的集成式功率转换电路组装模块的变压器的电路示意图。

图9为本发明的集成式功率转换电路组装模块另一实施例的爆炸图。

附图标记说明：

100、310：集成式功率转换电路组装模块

110：散热基座

112：散热鳍片组

114：热管

116：热端

118：冷端

120：功率单元

121：功率级电路板

122：卡勾

124：弹性元件

126：防护组装壳

130：控制电路板

132：控制芯片

134：隔离电路

136：防护电路

138：电源供应器

140：箝位辅助电路板

150：接触垫

152：穿孔

160：螺丝

170：转接遮罩板

172：转接板

174：遮罩层

210：功率电路

220：电压箝位电路

300：变压器

g：容置空间

S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8：开关元件

D1、D2、D3、D4、D：二极管

C：电容

Cd：去耦合电容

R：电阻

具体实施方式

以下将以附图及详细说明清楚说明本发明的精神，任何所属技术领域中技术人员在了解本发明的较佳实施例后，当可由本发明所教示的技术，加以改变及修饰，其并不脱离本发明的精神与范围。

参照图1，其为本发明的集成式功率转换电路组装模块一实施例的侧视图。集成式功率转换电路组装模块100包含有散热基座110、功率单元120、控制电路板130以及箝位辅助电路板140。功率单元120包含有功率级电路板121以及防护组装壳126。防护组装壳126设置在散热基座110上。功率级电路板121位于防护组装壳126内，箝位辅助电路板140堆叠在防护组装壳126外，并通过防护组装壳126与功率级电路板121电性连接。

由于功率单元120中具有多个开关，而位于换流回路路径上的开关会作切换，以进行电流换向操作。然而，换流回路路径上通常会存在寄生电感，因此在前述开关作切换的暂态期间，寄生电感的存在会导致前述开关承受较高电压，甚至于前述开关关断时，电压突波(voltage spike)会产生而对前述开关造成影响。举例来说，当输入电压为380V时，于前述开关关断的暂态期间，电压突波可能高达600V而远高于开关所能承受的额定电压，如此一来会造成开关的损坏，进而使集成式功率转换电路组装模块100无法正常工作。

因此，箝位辅助电路板140尽可能的靠近功率单元120便可用以降低功率级电路板121与箝位辅助电路板140构成的换流回路的寄生电感，进而减少电压突波的产生。而为了使得箝位辅助电路板140具有较佳的防护效果，以及使得集成式功率转换电路组装模块100具有较好的移植性，降低对系统板的影响，本集成式功率转换电路组装模块100中的散热基座110、功率单元120、控制电路板130以及箝位辅助电路板140为垂直堆叠(stack)地设置。

具体而言，功率单元120为设置在散热基座110上，控制电路板130以及箝位辅助电路板140为堆叠设置在功率单元120上，且箝位辅助电路板140位于功率单元120以及控制电路板130之间。并且，功率单元120、控制电路板130以及箝位辅助电路板140于散热基座110上的正投影至少部分重叠。箝位辅助电路板140于散热基座110上的正投影与功率单元120于散热基座110上的正投影重叠。

如此一来，本集成式功率转换电路组装模块100采用了垂直堆叠的配置方式，而让集成式功率转换电路组装模块100所占用系统板的空间得以缩减，并且使得箝位辅助电路板140直接邻接于功率单元120，缩短功率级电路板121与箝位辅助电路板140之间的距离。如此一来，功率单元120中的主动型开关元件，例如金氧半场效晶体管(MOSFET)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)、二极管等，所产生的电压突波便可以通过与功率单元120电性连接的箝位辅助电路板140捕捉。因此，便可以有效避免集成式功率转换电路组装模块100中的开关元件因电压突波而损坏的情形，进而降低对功率转换电路组装模块对系统板的影响。

散热基座110可以为水冷式的散热基座、气冷式的散热基座，或者是水冷搭配气冷的散热基座。举例而言，本实施例中的散热基座110便包含有散热鳍片组112以及穿设于散热鳍片组112中的热管114。热管114具有热端116以及冷端118，其中热端116贴近于作为发热端的功率单元120，冷端118贴近于作为散热端的散热鳍片组112，使得功率单元120所产生的热量经由热管114传递至散热鳍片组112散逸。须注意的是，虽然本实施例中的散热基座110是采用散热鳍片组112与热管114进行说明，但是本技术领域人员可以依照不同的需求而选用如水冷式热交换器等装置，并不受限于此。

功率级电路板121至少包含有开关电路以构成桥式整流电路，开关电路包含多个彼此逆并联耦接的开关元件及二极管。实作上，前述开关元件可为绝缘栅双极晶体管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)、金氧半导体场效晶体管(metal-oxidesemiconductor field effect transistor，MOSFET)、其他类型的晶体管或其组合。控制电路板130，举例而言可以包含有驱动电路、电压源、保护电路以及控制元件等单元设置于其上。

为了解决开关元件开关时，尤其是在断开的暂态期间产生的电压突波，箝位辅助电路板140垂直堆叠在功率单元120上，以捕捉电压突波以减少电压突波对功率级电路板121中的开关电路造成影响。箝位辅助电路板140举例而言可以为电压箝位(voltageclamping)电路板、吸收(snubber)电路或解耦合电路及其组合。如前所述，通过将箝位辅助电路板140与功率单元120垂直堆叠地设置，可以使得箝位辅助电路板140更贴近功率单元120，进而提升箝位辅助电路板140的防护能力。

图2A至图2C为本发明的集成式功率转换电路组装模块中的功率级电路板不同实施例的电路图。举例而言，可以包含两个串联的开关元件，如绝缘栅双极晶体管(InsulatedGate Bipolar Transistor,IGBT)，以构成半桥转换器，如图2A所示。或者，如图2B所示，包含有三电平二极管箝位中性点转换器(3-level diode-clamped neutral pointconverter，DNPC)，其中开关S1、S2以及二极管D1、D2均为串联，而开关S1与二极管D1连接于第一端，开关S2与二极管D2连接于第二端，由开关S3、S4所串联构成的分支电路亦与第一端和第二端连接。再或者，如图2C所示，包含有三电平T型中性点转换器(3-level T-typeneutral point converter，TNPC)，其中开关S5和S6串联并连接于第三端，而由串联的开关S7和S8所构成分的电路亦连接至第三端。

以上所公开的示例性电路形式不应用以限制本发明所请之内容。功率单元120(见图1)可包含有IGBTs、金属氧化物场效晶体管、二极管等元件的组成。功率单元120可以为集成模块、塑料封装或是壳体封装的形式。

接着，图3A至图3C为本发明的集成式功率转换电路组装模块中的箝位辅助电路板不同实施例的电路图。举例而言，配合图2A进行说明，图3A将解耦合电路，即图3A例举的去耦合电容(decoupling capacitor)并联于图2A所提供的半桥电路，以减少两开关元件在开关时期所产生的电压突波，使得充电路径等同于箝位辅助电路的放电路径。或者，如图3B所示，由电容以及电阻所组成的RC吸收(RC snubber)电路并联于半桥电路的每个开关，而充电路径同样等同于箝位辅助电路的放电路径。再或者，如图3C所示，将由电阻、电容以及二极管所构成的电压箝位电路并联于半桥电路，此电压箝位电路同样提供捕捉电压突波的作用，只有其充电路径(包含串联的电容与二极管)不同于放电路径(包含电容与电阻)。

接着请参照图4，其为本发明的集成式功率转换电路组装模块中的控制电路板一实施例的电路方块图。控制电路板130上包含有控制芯片132、隔离电路134、防护电路136、隔离电源138和驱动电路139，其中控制芯片132与功率单元120之间通过隔离电路134与驱动电路139连接。控制电路板130上的隔离电源138与驱动电路139连接。防护电路136连接隔离电路134以及功率单元120。

接着请参照图5至图7，其分别为本发明的集成式功率转换电路组装模块不同实施例的电路示意图。图5中所示为一种整合了半桥转换器的集成式功率转换电路组装模块的电路示意图，其包含有由两个开关元件S1、S2与两个二极管D1、D2所组成的半桥式功率电路210(位于前述的功率级电路板121上)、由电容C、二极管D与电阻R所组成的电压箝位电路220(位于前述的箝位辅助电路板140上)、去耦合(decoupling)电容Cd，其中开关元件S1、S2分别连接至控制电路板130中的驱动电路。

图6中所示为一种整合了二极管箝位中性点转换器(diode-clamped neutralpoint converter，DNPC)的集成式功率转换电路组装模块的电路示意图，其包含有由四个开关元件S1、S2、S3、S4与四个二极管D1、D2、D3、D4所组成的三级DNPC功率电路210(位于前述的功率级电路板121上)、两组由电容C、二极管D与电阻R所组成的电压箝位电路220(位于前述的箝位辅助电路板140上)、去耦合电容Cd，其中开关元件S1、S2、S3、S4分别连接至控制电路板130中的驱动电路。

图7中所示为一种整合了T型中性点转换器(T-type neutral point converter，TNPC)的集成式功率转换电路组装模块的电路示意图，其包含有由四个开关元件S1、S2、S3、S4与四个二极管D1、D2、D3、D4所组成的三级TNPC功率电路210(位于前述的功率级电路板121上)、两组由电容C、两个二极管D与电阻R所组成的电压箝位电路220(位于前述的箝位辅助电路板140上)、去耦合电容Cd，其中开关元件S1、S2、S3、S4分别连接至控制电路板130中的驱动电路。

因此，以上例举了几种功率单元具体的实施例及其对应的箝位辅助电路的实施例。但是，由于功率单元中功率级电路对于本领域人员来说不胜枚举，因此功率单元并非局限于在此例举的实施例，而箝位辅助电路也并不局限于在此例举的几种箝位辅助的电路，只要此箝位辅助电路在工作期间能形成换流回路，该箝位辅助电路均应制做成独立于功率级电路板的电路板并尽可能的靠近该功率级电路板进行堆叠连接。

集成式功率转换电路组装模块除了单独使用之外，亦可以将多个集成式功率转换电路组装模块结合在一起，如图8所示，其为一种应用本发明的集成式功率转换电路组装模块的变压器的电路示意图。双向直流电-交流电变压器300是由三个整合了T型中性点转换器(TNPC)的集成式功率转换电路组装模块310所组成的，其中集成式功率转换电路组装模块310的细节已经描述于图7。

请参照图9，其为本发明的集成式功率转换电路组装模块另一实施例的爆炸图。集成式功率转换电路组装模块100包含有由下至上依序堆叠的散热基座110、功率单元120、箝位辅助电路板140以及控制电路板130。散热基座110、功率单元120、箝位辅助电路板140以及控制电路板130已经详细说明如前述实施例中，本实施例将具体说明其间的连结关系以及固定方式。

功率单元120可以通过粘合、卡固、锁固、焊接等不同的方式组装于散热基座110上。功率单元120包含有防护组装壳126以及位于防护组装壳126内的功率级电路板121。功率单元120的防护组装壳126以及箝位辅助电路板140上分别包含有多个接触垫150，接触垫150的材料为导体。功率单元120上的接触垫150分别连接至功率级电路板121的对应位置。箝位辅助电路板140上的接触垫150分别连接至对应的电路。接触垫150上设置有穿孔152，集成式功率转换电路组装模块100还包含有多个螺丝160，螺丝160穿过穿孔152并与接触垫150接触，借以锁固且通过防护组装壳126电性连接箝位辅助电路板140与功率单元120。

由于箝位辅助电路板140为平躺在功率单元120上且与功率单元120紧密接触，因此，可以缩短功率级电路板与箝位辅助电路板之间的距离，进而降低两者之间的寄生电感(parasitic inductance)，并且减少在两者的换流回路中电压突波的产生。

集成式功率转换电路组装模块100还包含有转接遮罩板170，以提供转接控制电路板130以及静电防护的功效。具体而言，转接遮罩板170包含有转接板172以及位于转接板172下方的遮罩层174。转接遮罩板170设置于控制电路板130以及箝位辅助电路板140之间。转接遮罩板170用以承载控制电路板130，并且转接遮罩板170的外形与防护组装壳126相匹配。

具体而言，功率单元120在防护组装壳126上设置有多个卡勾122以及弹性元件124，卡勾122与弹性元件124相对于散热基座110的一面，且朝向远离散热基座110的方向延伸。卡勾122与弹性元件124之间形成有一容置空间g。转接遮罩板170挟持于卡勾122与弹性元件124之间，控制电路板130例如可以利用插接的方式定位在转接遮罩板170上。转接板172上可以设置有驱动电路和保护电路。防护组装壳126与弹性元件124的材料可以为导体，以让控制电路板130通过弹性元件124以及防护组装壳126与功率级电路板121电性连接。

遮罩层174的材料为导体，其可以为独立且设置于转接板172与箝位辅助电路板140之间的金属板，或是设置于转接板172面对箝位辅助电路板140的表面的铜层。该遮罩层174可防止功率单元对控制电路的EMI干扰和影响。

当然在其他的实施例中，控制电路板并不需要转接遮罩板，其控制电路板本身就可作为承载板安装控制芯片、驱动电路和保护电路并与功率单元中防护组装壳相匹配，即可直接将控制电路板安装于防护外壳并堆叠于箝位辅助电路之上。若考虑到功率单元对控制电路板的EMI影响等，可在控制电路板朝向箝位辅助电路板的一面制作屏蔽层，例如铜层。

综上所述，通过垂直地堆叠散热基座110、功率单元120、控制电路板130以及箝位辅助电路板140，可以使得功率单元120与箝位辅助电路板140之间的路径最小化，以减少寄生电感以及电压突波的产生。

从上述实施例可以得知，本发明的集成式功率转换电路组装模块通过垂直堆叠的配置方式，节省了功率转换电路所占用系统板的面积，更可以缩短功率级电路板与箝位辅助电路板之间的距离，以有效解决功率单元中开关切换时因电压突波而损毁的情形。将箝位辅助电路制作成独立的电路板直接与功率单元组装，这样当功率单元发生变化时，可适时更换相匹配的箝位辅助电路板，而无需更改系统板的设计，提高了功率转换电路模块设计的灵活性，从而也简化了系统板的设计。这种功率转换电路组装模块可根据系统板的需要配备多个相互并联，性能稳定的功率转换电路组装模块，适应系统板不同的规格要求，具有较强的移植性，也较大程度简化了系统板的设计。

虽然本发明已以实施例公开如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的变动与润饰，因此本发明的保护范围当视所附的权利要求所界定者为准。

Claims (11)

1.一种集成式功率转换电路组装模块，安装于一系统板上，其特征在于，所述集成式功率转换电路组装模块包含：

一功率单元，包括一功率级电路板及一防护组装壳，所述功率级电路板位于所述防护组装壳内；以及

一箝位辅助电路板，用以降低所述功率级电路板与所述箝位辅助电路板构成的换流回路的寄生电感，其中所述箝位辅助电路板堆叠在所述防护组装壳外，并通过所述防护组装壳与所述功率级电路板电性连接；

一转接遮罩板，设置于所述箝位辅助电路板之上，其中所述防护组装壳设置有多个卡勾以及多个弹性元件，所述多个弹性元件与所述多个卡勾之间形成一容置空间，使所述转接遮罩板固定于所述多个卡勾与所述多个弹性元件之间。

2.如权利要求1所述的集成式功率转换电路组装模块，其特征在于，还包含一控制电路板，所述控制电路板用于控制所述功率级电路板，所述控制电路板堆叠于所述箝位辅助电路板之上，并通过所述防护组装壳与所述功率级电路板电性连接，其中所述转接遮罩板设置于所述控制电路板与所述箝位辅助电路板之间，所述转接遮罩板承载所述控制电路板。

3.如权利要求1所述的集成式功率转换电路组装模块，其特征在于，所述转接遮罩板的外形与所述防护组装壳相匹配。

4.如权利要求3所述的集成式功率转换电路组装模块，其特征在于，所述转接遮罩板包含一转接板以及一遮罩层，所述遮罩层位于所述转接板与箝位辅助电路板之间。

5.如权利要求4所述的集成式功率转换电路组装模块，其特征在于，所述转接板上设置有控制驱动电路和保护电路。

6.如权利要求4所述的集成式功率转换电路组装模块，其特征在于，所述遮罩层为一金属板。

7.如权利要求4所述的集成式功率转换电路组装模块，其特征在于，所述遮罩层为设置于所述转接板表面的一铜层。

8.如权利要求1所述的集成式功率转换电路组装模块，其特征在于，还包含一散热基座，所述功率单元设置于所述散热基座上，所述散热基座包含一散热鳍片组以及穿设于所述散热鳍片组之间的一热管。

9.如权利要求8所述的集成式功率转换电路组装模块，其特征在于，所述功率单元于所述散热基座上的正投影与所述箝位辅助电路板于所述散热基座上的正投影重叠。

10.如权利要求1所述的集成式功率转换电路组装模块，其特征在于，所述功率级电路板包含半桥转换器、晶体管箝位中性点转换器或T型中性点转换器。

11.如权利要求1所述的集成式功率转换电路组装模块，其特征在于，所述箝位辅助电路板包含电压箝位电路、解耦合电路和吸收电路之一及其组合。