CN107181417B - 具有仿制模块的电力模块组件 - Google Patents

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Abstract

公开了一种具有仿制模块的电力模块组件。一种电力电子系统包括多个电力模块，每个电力模块均具有功率级并限定有侧囊。电力模块以阵列的方式堆叠使得侧囊与功率级相交替。仿制模块限定有第一冷却剂囊，并设置在所述阵列内，使得第一冷却剂囊与侧囊中的一个配合而限定冷却剂腔。

Description

具有仿制模块的电力模块组件
技术领域
本公开涉及用于机动车辆的电动传动系的电力模块组件。
背景技术
诸如纯电动车辆(BEV)、插电式混合动力电动车辆(PHEV)和重度混合动力电动车辆(FHEV)包含用作一个或更多个电机的能量源的牵引电池总成。牵引电池包括辅助管理车辆性能和运转的部件和系统。在电池与电机之间电连接有电力逆变器，以将来自电池的直流电转换为与电机兼容的交流电。电力逆变器还可用作整流器，以将来自电机的交流电转换为与电池兼容的直流电。
发明内容
根据一个实施例，一种电力电子系统包括多个电力模块，每个电力模块均具有功率级并限定有侧囊。电力模块以阵列的方式堆叠，使得侧囊与功率级相交替。仿制模块限定有第一冷却剂囊，并设置在所述阵列内，使得第一冷却剂囊与其中一个侧囊配合而限定冷却剂腔。
根据本发明的实施例，每个侧囊均包括限定有入口和出口的底板，其中，第一冷却剂囊包括限定有输送冷却剂的单个开口的底板。
根据本发明的实施例，仿制模块在第一冷却剂囊的相对侧还限定有第二冷却剂囊，其中，仿制模块还设置在所述阵列内，使得第二冷却剂囊与另一个侧囊配合而限定另一个冷却剂腔。
根据本发明的实施例，仿制模块还限定有与冷却剂腔流体连通的单个通路。
根据本发明的实施例，仿制模块将所述阵列分成第一部分和第二部分，其中，所述阵列被构造成使得冷却剂沿第一方向流经所述第一部分的冷却剂囊并且使冷却剂沿第二方向流经所述第二部分的冷却剂囊。
根据本发明的实施例，每个电力模块均限定有至少两个冷却剂孔，其中，仿制模块限定有至少一个冷却剂孔，其中，每个电力模块均包括比仿制模块多的冷却剂孔。
根据本发明的实施例，仿制模块具有与至少一个电力模块相同的轮廓。
根据另一实施例，一种电力逆变器包括多个电力模块，每个电力模块均包括功率级以及限定有与功率级邻近的冷却剂囊的主侧部。电力模块以阵列的方式堆叠，使得冷却剂囊与功率级相交替。仿制模块设置在所述阵列内，且位于相邻的电力模块之间，从而将所述阵列分成第一部分和第二部分。
根据又一实施例，一种用于电力电子系统的电力模块组件包括多个相同的电力模块，每个电力模块均包括功率级和主侧部，每个主侧部均限定有与功率级邻近的囊。电力模块以阵列的方式堆叠使得彼此相邻的囊形成与电力模块交替的冷却剂腔。仿制模块具有与电力模块相同的轮廓，并设置在所述阵列内且位于相邻的两个电力模块之间，从而将所述阵列分成第一部分和第二部分。所述阵列被构造成使得冷却剂沿第一方向流经所述第一部分的冷却剂腔并且使冷却剂沿第二方向流经所述第二部分的冷却剂腔。
根据本发明的实施例，第一方向大体上从电力模块的底部朝向电力模块的顶部，其中，第二方向大体上从所述顶部朝向所述底部。
根据本发明的实施例，仿制模块包括限定有第二囊的前部和限定有第三囊的后部，其中，仿制模块还被设置在所述阵列内，使得第二囊与电力模块的囊中的一个配合而限定第二冷却剂腔，第三囊与电力模块的囊中的一个配合而限定第三冷却剂腔，其中，仿制模块限定有与第二冷却剂腔和第三冷却剂腔流体地连通的通路。
根据本发明的实施例，每个功率级均限定有主侧部，其中，每个囊均限定有凹入到相应的电力模块内的底板，使得每个功率级的其中一个主侧部形成底板的一部分，以允许冷却剂直接循环流过相应的功率级。
根据本发明的实施例，每个电力模块均限定有至少两个冷却剂通路，其中，仿制模块限定有至少一个冷却剂通路，其中，每个电力模块均包括比仿制模块多的冷却剂通路。
根据本发明的实施例，所述第一部分包括比所述第二部分多的电力模块。
附图说明
图1是示例性混合动力车辆的示意图。
图2是可变电压转换器和电力逆变器的示意图。
图3是电力逆变器的透视图。
图4是用于电力逆变器的电力模块组件的透视图。
图5是功率级的透视图。
图6A是根据一个实施例的电力模块的透视图。
图6B是图6A的电力模块的后视图。
图6C是图6A的电力模块的正视图。
图7是图4的电力模块组件的一部分的侧视图。
图8A是用于图4的电力模块组件的仿制模块的前视透视图。
图8B是图8A的仿制模块的后视透视图。
图9是图4的电力模块组件的侧视图。
图10是图4的电力模块组件的示例性冷却回路的示意性代表。
图11是图4的电力模块组件的端板的透视图。
图12是根据另一实施例的电力模块组件的透视图。
图13是图12的电力模块组件的示例性冷却回路的示意性代表。
图14A是图12的电力模块组件的第一组电力模块的其中一个电力模块的正视图。
图14B是第一组电力模块的其中一个电力模块的后视图。
图15A是图12的电力模块组件的第二组电力模块的其中一个电力模块的正视图。
图15B是第二组电力模块的其中一个电力模块的后视图。
图16A是图12的电力模块组件的仿制模块的前视透视图。
图16B是图16A所示的仿制模块的后视透视图。
图17是根据又一实施例的电力模块组件的透视图。
图18A是图17的电力模块组件的电力模块的透视图。
图18B是图18A的电力模块的后视图。
图18C是图18A的电力模块的正视图。
图19是图17的电力模块组件的一部分的侧视图。
图20A是图17的电力模块组件的仿制模块的前视透视图。
图20B是图17的电力模块组件的仿制模块的后视透视图。
图21是图17的电力模块组件的仿制模块的后部的一部分的详细视图。
图22是用于图17所示的电力模块组件的串-并联冷却回路的示意性代表。
具体实施方式
在此描述本公开的实施例。然而，应理解，所公开的实施例仅是示例，其它实施例可以采取各种和替代的形式。附图不一定按比例绘制；一些特征可被夸大或最小化以显示特定部件的细节。因此，在此公开的特定结构和功能细节不应被解释为限制，而仅作为教导本领域技术人员以各种方式利用本发明的代表性基础。如本领域普通技术人员将理解的，参照任一附图说明和描述的各种特征可以与在一个或更多个其它附图中示出的特征进行组合以产生未明确示出或描述的实施例。示出的特征的组合为典型应用提供代表性实施例。然而，与本公开的教导一致的特征的各种组合和变型可以期望用于特定应用或实施方式。
在图1中描述了PHEV的示例，并且该PHEV总体上称为车辆16。车辆 16包括传动装置12，并且车辆16借助内燃发动机20由至少一个电机18推进。电机18可以是在图1中被描绘为“马达”18的交流(AC)电动马达。电机18接收电力并提供推进车辆的扭矩。电机18还用作发电机，以通过再生制动将机械能转换为电能。
传动装置12可以是动力分流式构造。传动装置12包括第一电机18和第二电机24。在图1中第二电机24可以是被描绘为“发电机”24的AC电动马达。与第一电机18类似，第二电机24接收电力并提供输出扭矩。第二电机24还用作发电机，以将机械能转换为电能并优化通过传动装置12的动力流。在其它实施例中，传动装置不具有动力分流式构造。
传动装置12可包括行星齿轮单元26，行星齿轮单元26包括中心齿轮28、行星架30和环形齿轮32。中心齿轮28连接到第二电机24的输出轴，以接收发电机扭矩。行星架30连接到发动机20的输出轴，以接收发动机扭矩。行星齿轮单元26将发电机扭矩与发动机扭矩组合，并将组合的输出扭矩提供到环形齿轮32上。行星齿轮单元26用作无级变速器，而不具有任何固定传动比或“阶梯”传动比。
传动装置12还可包括单向离合器(O.W.C)和发电机制动器33。O.W.C 连接到发动机20的输出轴，以仅允许输出轴沿着一个方向旋转。O.W.C防止传动装置12反向驱动发动机20。发电机制动器33连接到第二电机24的输出轴。发电机制动器33可被启用以对第二电机24的输出轴和中心齿轮28进行“制动”或者防止它们旋转。可选地，可移除O.W.C和发电机制动器33，并由针对发动机20和第二电机24的控制策略来代替。
传动装置12还可包括具有中间齿轮的副轴，所述中间齿轮包括第一齿轮 34、第二齿轮36和第三齿轮38。行星输出齿轮40连接到环形齿轮32。行星输出齿轮40与第一齿轮34啮合，以在行星齿轮单元26与副轴之间传递扭矩。输出齿轮42连接到第一电机18的输出轴。输出齿轮42与第二齿轮36啮合，以在第一电机18与副轴之间传递扭矩。变速器输出齿轮44连接到传动轴46。传动轴46通过差速器50连接到一对驱动轮48。变速器输出齿轮44与第三齿轮38啮合，以在传动装置12与驱动轮48之间传递扭矩。
车辆16包括能量储存装置，诸如用于储存电能的牵引电池(BAT)52。电池52是能够输出电力以操作第一电机18和第二电机24的高电压电池。当第一电机18和第二电机24作为发电机运转时，电池52还从第一电机18和第二电机24接收电力。电池52是由多个电池模块(未示出)组成的电池组，其中，每个电池模块均包括多个电池单元(未示出)。车辆16的其它实施例可预期不同类型的能量储存装置，诸如，可补充或取代电池52的电容器和燃料电池(未示出)。高电压总线将电池52电连接至第一电机18和第二电机 24。
车辆包括用于控制电池52的电池能量控制模块(BECM)54。BECM 54 接收指示车辆状况和电池状况(诸如，电池温度、电压和电流)的输入。BECM 54计算并估计电池参数，诸如，电池荷电状态和电池功率容量。BECM 54向其它车辆系统和控制器提供指示电池荷电状态(BSOC)和电池功率容量(Pcap) 的输出(BSOC，Pcap)。
车辆16包括DC-DC转换器或可变电压转换器(VVC)10和逆变器(INV) 56。VVC 10和逆变器56电连接在牵引电池52与第一电机18之间以及牵引电池52与第二电机24之间。VVC10“提升”或增大由电池52提供的电力的电压电位(voltage potential)。根据一个或更多个实施例，VVC 10还“拉低”或减小由电池52提供的电力的电压电位。逆变器56将(通过VVC10) 由主电池52供应的DC电力转换为用于操作电机18和24的AC电力。逆变器56还将由电机18和24提供的AC电力整流为DC，以对牵引电池52进行充电。传动装置12的其它实施例包括多个逆变器(未示出)，诸如，与电机18和24中的每个都关联的一个逆变器。VVC 10包括电感器组件14。
传动装置12包括用于控制电机18和24、VVC 10以及逆变器56的传动装置控制模块(TCM)58。TCM 58被配置为监测电机18、24的位置、转速和功率消耗等其他参数。TCM 58还监测VVC 10和逆变器56内的多个位置处的电参数(例如，电压和电流)。TCM 58将与这种信息对应的输出信号提供给其它车辆系统。
车辆16包括车辆系统控制器(VSC)60，VSC 60与其它车辆系统和控制器进行通信，以用于协调它们的功能。尽管示出为单个控制器，但是VSC 60 可包括多个控制器，所述多个控制器可用于根据整个车辆控制逻辑或软件来控制多个车辆系统。
车辆控制器(包括VSC 60和TCM 58)通常包括彼此协作以执行一系列操作的任意数量的微处理器、ASIC、IC、存储器(例如，闪存、ROM、RAM、 EPROM和/或EEPROM)以及软件代码。控制器还包括预定数据或“查找表”，所述预定数据或“查找表”是基于计算和测试数据的并被存储在存储器中。 VSC 60通过使用通用总线协议(诸如，CAN和LIN)的一个或更多个有线或无线车辆连接而与其它车辆系统和控制器(例如，BECM 54和TCM 58) 通信。VSC 60接收表示传动装置12的当前位置(例如，驻车挡，倒挡，空挡或前进挡)的输入(PRND)。VSC60还接收表示加速踏板位置的输入(APP)。 VSC 60向TCM 58提供表示期望的车轮扭矩、期望的发动机转速和发电机制动器命令的输出，并且向BECM 54提供接触器控制。
车辆16包括用于控制发动机20的发动机控制模块(ECM)64。VSC 60 向ECM 64提供输出(期望的发动机扭矩)，所述输出是基于包括APP的若干输入信号的并且与驾驶员的车辆推进请求对应。
如果车辆16为PHEV，则电池52可经由充电端口66周期性地从外部电源或电网接收AC电能。车辆16还包括从充电端口66接收AC电能的车载充电器68。充电器68是AC/DC转换器，该AC/DC转换器将接收到的AC 电能转换为适于对电池52充电的DC电能。进而，充电器68在再充电期间将DC电能供应给电池52。尽管以PHEV 16的背景示出和描述，但是应该理解的是，逆变器56可在其它类型的电动车辆(诸如，HEV或BEV)上实施。
参照图2，示出了VVC 10和逆变器56的电路图。VVC 10可包括一个或更多个功率级(power stage)，所述功率级具有基于晶体管的开关布置，诸如半桥。每个功率级均包括用于提升输入电压(Vbat)以提供输出电压(Vdc) 的第一开关单元70和第二开关单元72。第一开关单元70可包括并联连接到第一二极管76的第一晶体管74，但是它们的极性对调(反并联(anti-parallel))。第二开关单元72可包括反并联连接到第二二极管80的第二晶体管78。晶体管74和78中的每个都可以是任意类型的可控开关(例如，绝缘栅双极型晶体管(IGBT)或场效应晶体管(FET))。另外，晶体管74和78中的每个都可由TCM 58单独控制。电感器组件14被描绘为串联连接在牵引电池52与开关单元70和72之间的输入电感器。当供应电流时，电感器组件14产生磁通。当流过电感器14的电流变化时，产生随时间变化的磁场并感应出电压。 VVC 10的其它实施例包括替代的电路配置。
逆变器56可包括堆叠在组件中的具有基于晶体管的开关布置(诸如半桥) 的多个功率级。每个半桥均可包括连接至电池的正极DC节点的正极DC引线84以及连接至电池的负极DC节点的负极DC引线86。每个半桥82还可均包括第一开关单元88和第二开关单元90。第一开关单元88可包括并联连接至第一二极管94的第一晶体管92。第二开关单元90可包括并联连接至第二二极管98的第二晶体管96。第一晶体管92和第二晶体管96可以是IGBT 或FET。每个半桥82的第一开关单元88和第二开关单元90将电池的DC电力转换为AC引线100处的单相AC输出。每个AC引线100均电连接至马达 18或发电机24。
在示出的实施例中，VVC 10包括2个功率级，逆变器包括9个功率级 (三个用于发电机24，六个用于马达18)。在其它实施例中，VVC 10包括1 个功率级，逆变器包括6个功率级(三个用于发电机24，三个用于马达18)。 VVC功率级和逆变器功率级可以是相同的部件且统称为功率级。VVC功率级和逆变器功率级两者可布置在共同的堆中。
参照图3，车辆电力逆变器56可安装在车辆部件111(诸如车身结构、车架构件或动力传动系统部件)上。电力逆变器56可包括与栅极驱动板114、电容器组116和控制板118电连接的电力模块组件113。电力模块组件113 可包括以阵列方式堆叠的多个电力模块，每个电力模块均具有被封装在功率级中的一个或更多个半桥。
图4至图22和相关的说明描述了示例性的电力模块组件及其各自的部件。参照图4，示例性的电力模块组件120包括以堆的方式布置的多个电力模块122。电力模块组件120包括限定堆的一端的第一个电力模块124和限定堆的另一端的最后一个电力模块126。第一端板128抵靠第一个模块124设置，第二端板130抵靠最后一个模块126设置。端板配合以夹住堆并且可提供压力来帮助将堆保持在一起。在堆内在两个相邻的电力模块之间设置有仿制模块(dummy module)127，该仿制模块127将堆分成第一部分和第二部分。仿制模块127具有与电力模块相同的轮廓(footprint)以紧密结合地安装在堆中。与具有半导体器件的电力模块不同的是，仿制模块不具有任何电部件。仿制模块127 的目的在于引导冷却剂在电力模块组件120内流动。仿制模块 127包括被构造成根据需要输送和引导冷却剂的腔、通道、开口和孔(这将在下面具体描述)。仿制模块127的内含物(inclusion)允许堆的第一部分和第二部分的流动不同。仿制模块127可大体上设置在堆的中央处。在所示出的实施例中，电力模块组件120包括11个电力模块，其中第一部分包括6个电力模块，第二部分包括5个电力模块，因而仿制模块稍微偏离中心。
电力模块组件120可通过粘结、托架或延伸穿过组件的紧固件而固定在一起。所有的电力模块122可以是相同的电力模块，或者电力模块组件120 可包括至少稍微不同的两组或两组以上的电力模块。在示例性的电力模块组件120中，所有的电力模块122是相同的。
参照图5，每个电力模块122均包括包含有半导体器件的功率级132。每个功率级132可均包括相对的主侧部110、相对的次侧部112、顶部138和底部140。功率级132还包括正DC功率端子142、负DC功率端子144、AC功率端子146以及与功率级132的半导体器件电连接的信号引脚148。端子和信号引脚的位置可随实施例变化，并不限于示出的构造。例如，信号引脚148 可位于左方的主侧部112上，端子142、144和146可位于右方的主侧部112 上。第一板150限定功率级132的其中一个主侧部110的外表面，第二板136 限定另一个主侧部110。板150、152可以是金属的、塑料的、复合材料或其组合。功率级132的半导体器件可以填充有环氧树脂154或其他填充物，以将半导体器件与板和其他部件电隔离。
参照图6A至图6C以及图7，每个电力模块122均可包括主体156，该主体156具有沿边缘相互连接的前部158、后部160、右侧部162、左侧部164、顶部166和底部168。由于前部158和后部160的表面积比主体的其他侧部的表面积大，所以它们可称为主侧部。主体的其他侧部可称为次侧部。功率级132至少部分地设置在主体内。主体可以是封装功率级132的聚合物或环氧树脂。功率级132的一些部分可通过主体156的一侧或更多侧而暴露。例如，端子和信号引脚可延伸穿过右侧部162和左侧部164，主侧部110可通过前部158和/或后部160而暴露。
根据实施例，电力模块组件可被构造成具有串联冷却、并联冷却或两者的组合(根据设计在此称为并联-串联冷却或串联-并联冷却)。并联-串联回路是包括相互串联地连接的一个或更多个并联回路的流体回路。
并联冷却和串联冷却相比各具有优点和缺点。在关注总压降时并联冷却可以是更可取的。冷却通道并联产生较小的压降。此外，通过精确设计冷却路径，能够使所有冷却通道在同一时间流过相同量的冷却剂。这允许更均匀地冷却每个半导体。并联冷却的缺点是每个冷却通道中的流量相对较低。另一方面，串联冷却在所有冷却通道中具有均匀的流量。但是，串联冷却回路通常具有较高的总压降，这对于某些系统而言是限制因素。混合的并联-串联冷却策略拥有并联冷却和串联冷却两者的优点且减少了缺点。每个通道中的冷却剂流量比并联冷却设计的流量高，且总压降比串联冷却设计的总压降低。
图6A至图6C中示出的电力模块122设计用于包括串联地连接的第一并联回路和第二并联回路的并联-串联冷却回路。在示出的示例中，电力模块122 都是相同的(即，被设计成相同的)。每个电力模块122均可限定有由前部 158限定的前冷却剂囊172。冷却剂囊172包括底板178以及在底板178和前部158的外表面170之间延伸的侧壁180。功率级132可布置在主体156中，使得底板178的一部分由第一板150形成。这允许冷却剂直接循环流过第一板150，从而通过消除冷却剂与功率级132之间的热阻而增大冷却效率。
每个电力模块122还可均限定有由后部160限定的后冷却剂囊182。冷却剂囊182包括底板184以及在底板184和后部160的外表面188之间延伸的侧壁186。功率级132可布置在主体156中，使得底板184的一部分由第二板152形成。这允许冷却剂直接循环流过第二板152，从而通过消除冷却剂与功率级132之间的热阻而增大冷却效率。
每个电力模块122均限定有大体上延伸穿过主体的厚度的多个通道(注意，厚度指的是前部158和后部160之间的距离。即使底板从前部或后部的最外面的表面向内凹入，底板也被认为是前部或后部的一部分)。例如，电力模块122在右下角处可包括延伸穿过主体156的第一通路194。第一通路194 包括由后部160的外表面188限定的入口196以及由前部158的外表面170 限定的出口198。在右上角处第二通路200延伸穿过主体156。第二通路200包括由前侧部158的底板178限定的入口202以及由后侧部160的底板184 限定的出口204。在左下角处第三通路206延伸穿过主体156并包括由底板 178限定的入口208以及由底板184限定的出口210。第二通路200和第三通路206以流体连通的方式直接连接前囊172和后囊182，以允许冷却剂在电力模块122的相对的囊之间流动。由于第一通路194不与任何一个囊连接，所以第一通路194不与任何一个囊直接流体连通。
参照图8A和图8B，仿制模块127包括主体212，该主体212具有沿边缘相互连接的前部214、后部216、顶部218、底部220和侧壁222。前部214 限定有冷却剂囊224，该冷却剂囊224具有从前部的外表面向内凹入的底板 226以及在底板226与外表面之间延伸的侧壁230。前囊224包括第一端232 和第二端234。在操作期间，冷却剂沿大体上向上的方向从第一端232流向第二端234。在此使用的术语“大体上流动”描述了冷却剂的整体流动方向，而不是流体的各分子的瞬时流动方向。例如，冷却剂在前部214上的流动大体上是向上的，而不论在从第一端232向第二端234流动期间某些冷却剂分子可能向左、向右或斜向流动的情况。
后部216也限定有冷却剂囊236，该冷却剂囊236具有从后部216的外表面向内凹入的底板238以及在底板238与外表面之间延伸的侧壁240。后囊236包括第一端242和第二端244。在操作期间，冷却剂沿大体上向下的方向从第一端242流向第二端244。
仿制模块127限定有延伸穿过模块厚度的一个或更多个通路。例如，仿制模块127在右下角附近并在前冷却剂囊和后冷却剂囊的周边之外可包括延伸穿过主体212的第一通路246。第一通路246包括由后部216的外表面限定的入口250和由前部214的外表面限定的出口252。在模块的右上角处第二通路248延伸穿过主体212。第二通路248设置在囊的周边之内，并包括由前囊的底板226限定的入口254以及由后囊的底板238限定的出口256。第二通路248以流体连通的方式连接前囊224和后囊236，以允许冷却剂从前囊224流到后囊236。
参照图9，电力模块122可以以阵列258的方式堆叠，其中一个模块122 的前部158抵着相邻模块的后部160设置，且该后部160抵着另一相邻模块的前部158设置。可在邻接的模块之间设置衬垫或其他密封机构以密封阵列 258。相邻的前囊172和后囊182相配合而限定与模块122交替的第一组冷却剂腔260。仿制模块127的前囊224与对应的后囊182配合以限定另一冷却剂腔262，且后囊236与对应的前囊172配合以限定又一冷却剂腔264。
仿制模块127将阵列分成包括前五个电力模块的前部分266和包括后六个电力模块的后部分268。当然，各部分中模块的数量可根据实施例而变化。仿制模块127的囊和通路被布置成改变通过阵列258的冷却剂流动，使得前部分266内的冷却剂回路与第二部分内的冷却剂回路不同。图10示出了仿制模块如何在阵列的前部分和后部分内产生不同的冷却剂回路的一个示例。
前端板128可限定与第一个模块124的前囊172配合的囊290以限定冷却剂腔260a。囊290的一端可限定有与入口288连通的通路的开口，囊290 的另一端与第一个模块124的通路200对准。后端板130也限定有与最后一个模块126的后囊291配合的囊292以形成另一冷却剂腔260b。
图10示出了并联-串联回路270的示例。图10是通过组件120的冷却剂流动的示意性代表。图10中示出的回路和腔不是设置在组件120内的实际结构部件。相反，组件120的电力模块和仿制模块包括相配合来限定图10中示出的回路和腔的边界的通路和囊。
并联-串联冷却剂回路270包括设置在前部分266内的第一回路272和设置在后部分268内的第二回路274。第一回路272是冷却前部分内的模块的并联回路。第一回路包括沿前部分的底部延伸的供应流道276以及沿前部分的顶部延伸的回流流道278。供应流道276和回流流道278与前部分266的每个冷却剂腔260和冷却剂腔262(冷却剂腔262是第一回路272的最后一个冷却剂腔)流体连通。在操作期间，冷却剂从供应流道276沿大体上向上的方向经过冷却剂腔然后流入回流流道278。供应流道276不是管或管子，而是由通路206(通路206对准以限定供应流道276)配合形成。类似地，回流流道278由通路200(通路200对准以限定回流流道278)配合形成。
第二回路274是冷却后部分268内的模块的并联回路。第二回路274包括沿后部分的顶部延伸的供应流道280以及沿后部分的底部延伸的回流流道 282。供应流道280和回流流道282与后部分268的每个冷却剂腔260和冷却剂腔264(冷却剂腔264是第二回路274的第一个冷却剂腔)流体连通。供应流道280由通路200配合形成，回流流道282由通路206配合形成。在操作期间，冷却剂从供应流道280沿大体上向下的方向经过冷却剂腔然后流入回流流道282。在本实施例中，冷却剂在前部分266中沿第一方向(例如，向上)流经冷却剂腔，且冷却剂在后部分268中沿大致与第一方向相反的第二方向(例如，向下)流经冷却剂腔。在另一实施例中，冷却剂在前部分和后部分中可沿相同的方向流经冷却剂腔。
供应流道280和回流流道278轴向对准且相互连接。虽然供应流道280 和回流流道278基于其功能被称为不同的名称，但是它们是延伸穿过整个阵列的单个流道。供应流道276和回流流道282也轴向对准，但并不互相连接，这是因为仿制模块127不包括与电力模块122的通路206对准的通路。由于仿制模块127引起的这种断开使得流道280变成用于第二回路274的供应流道，并使得流道282变成回流流道。在顶侧，仿制模块127包括通路248，以允许回流流道278内的冷却剂流入供应流道280中，以将冷却剂提供至第二回路274。通路248与两个并联回路相互连接。
冷却剂回路270还可包括与回流流道282流体连通的回流主线284。回流主线284将冷却剂从后端板130输送到设有出口286的前端板128。供应流道276与入口288连接。入口288和出口286与热管理系统的管路连接。在一些实施例中，如果入口和出口位于相对的板上，则可省略回流主线284。
参照图11，后端板130包括与最后一个模块126的囊配合的囊292，以限定冷却剂腔260b，用于使冷却剂循环流过最后一个模块的功率级。囊292 包括从后端板130的外表面向内凹入的底板298。后端板130还包括以流体连通的方式将回流流道282和回流主线284连接的通道296。囊292包括比底板298更进一步凹入到端板中的底板300。囊292还包括侧壁302，侧壁 302包括在底板300和外表面之间延伸的第一部分304以及在底板298和底板300之间延伸的第二部分306。
图12示出了另一电力模块组件340，电力模块组件340包括第一组电力模块(A-模块)344和第二组电力模块(B-模块)346，A-模块344和B-模块 346沿着堆的长度交替地布置。第一端板348和第二端板350夹住模块的堆。一个或更多个端板可包括与热管理系统连接的入口352和/或出口354。每个模块均包括配合用于限定延伸穿过电力模块组件340以冷却功率级的冷却剂回路的特征。组件340还包括设置在堆的中间附近的仿制模块356。
冷却剂回路可布置成串联-并联回路。图13示出了示例性的串联-并联回路360。串联-并联回路是并联地连接的两个或更多个串联回路。图13是通过组件340的冷却剂流动的示意性代表。图13中示出的回路和腔不是设置在组件340内的实际结构部件。相反，组件340的模块包括相配合的孔、通道和囊以限定图13中示出的冷却剂回路360的流道、通路和腔的边界。
冷却剂回路360包括设置在仿制模块356一侧的第一串联回路362和设置在仿制模块356另一侧的第二串联回路364。第一串联回路362和第二串联回路364共享同一供应流道366，该供应流道366大致延伸通过电力模块组件340的一半，且在入口352处开始并于仿制模块356处结束。第一串联回路362于仿制模块356处开始并朝向第一端板348延伸。第二串联回路364 于仿制模块356处开始并朝向第二端板350延伸。第一串联回路和第二串联回路共享回流流道368。回流流道368完全延伸穿过组件340并在第二端板 350处开始且延伸至出口354。冷却剂回路360还可包括不执行功能的盲流道 370。因为仿制模块356防止冷却剂从供应流道366流入盲流道370中，所以盲流道370不接收冷却剂。
第一串联回路362包括与组件340的第一半上的模块交替的多个冷却剂腔372。冷却剂腔372由凹入到模块中的囊限定，这将在下面更详细地描述。每个冷却剂腔372通过延伸穿过这一个模块的通路374以流体连通的方式连接。通路374中的称为A-通路380的一些通路由A模块344限定，而称为 B-通路382的其他通路374由B模块346限定。在示出的实施例中，A-通路 380位于组件340的顶部，B-通路382位于组件340的底部。第一串联回路 362可被布置成使得相邻的冷却剂腔372中的流动大体上是沿着相反的方向的。例如，当组件340按图12中所示的那样定位时，冷却剂大体上向上流过一些腔，并大体上向下流过其他腔。
第二串联回路364包括与组件340的第二半上的模块交替的多个冷却剂腔376。每个冷却剂腔376通过延伸穿过模块的通路378以流体连通的方式连接。通路378中的称为A-通路384的一些通路由A模块344限定，而称为 B-通路386的其他通路374由B模块346限定。在示出的实施例中，A-通路 384位于组件340的顶部，B-通路386位于组件340的底部。第二串联回路 364可被布置成使得相邻的冷却剂腔376中的流动大体上是沿着相反的方向的。
参照图14A和图14B，每个A-模块344均可包括具有前部392和后部394的主体390。前部392可限定有冷却剂囊396，该冷却剂囊396包括从前部的外表面凹入的底板。后部394可限定有冷却剂囊398，该冷却剂囊398 包括从后部的外表面凹入的底板。冷却剂囊396、398被构造成使冷却剂循环流过设置在电力模块内的功率级。A-模块344还可限定有在前部392和后部 394之间延伸的多个孔。例如，A-模块344可包括第一孔400、第二孔402和第三孔404。这些孔还可称为通道、孔、开口或洞等。
对于与第一串联回路362相关联的A-模块344，孔400形成供应流道366 的一部分，孔404形成回流流道368的一部分。孔402限定A-通路380。在操作中，冷却剂在区域405处流入囊398并大体上向上流向顶部然后通过孔 402流向前囊396。然后冷却剂从孔402通过囊396向下流向区域407。然后流体流经相邻的B-模块346的孔418而进入相邻的冷却剂腔372。
对于与第二串联回路364相关联的A-模块344，孔400形成盲流道370 的一部分，孔404形成回流流道368的一部分。孔402限定A-通路384。在操作中，冷却剂在区域407处流入囊396并大体上向上流向顶部然后通过孔 402流向后囊398。然后冷却剂从孔402通过囊398向下流向区域405。然后流体流经相邻的B-模块346的孔418而进入相邻的冷却剂腔376。因此，通过第一回路362中的前囊396和后囊398的流动方向与通过第二回路364中的囊的流动方向大体上是相反的。
参照图15A和图15B，每个B-模块346均可包括具有前部408和后部 412的主体406。前部408可限定有冷却剂囊410，该冷却剂囊410包括从前部的外表面凹入的底板。后部412可限定有冷却剂囊414，该冷却剂囊414 包括从后部的外表面凹入的底板。冷却剂囊410、414被构造成使冷却剂循环流过设置在电力模块内的功率级。B-模块346还可限定有在前部408和后部 412之间延伸的多个孔。例如，B-模块346可包括第一孔416、第二孔418和第三孔420。
对于与第一串联回路362相关联的B-模块346，孔416形成供应流道366 的一部分，孔420形成回流流道368的一部分。孔418限定B-通路382。在操作中，冷却剂在区域424处流入囊414并大体上向下流向底部而到达孔418 然后通过该孔流向前囊410。然后冷却剂从孔418通过囊410向上流向区域 422。然后流体流经相邻的A-模块344的孔402而进入相邻的冷却剂腔372。
对于与第二串联回路364相关联的B-模块346，孔416形成盲流道370 的一部分，孔420形成回流流道368的一部分。孔418限定B-通路386。在操作中，冷却剂在区域422处流入囊410并大体上向下流向底部然后通过孔 418流向后囊414。然后冷却剂从孔418通过囊414向上流向区域424。然后流体流经相邻的A-模块344的孔402而进入相邻的冷却剂腔376。因此，通过第一回路362中的前囊408和后囊414的流动方向与通过第二回路364中的囊的流动方向大体上是相反的。
参照图16A和图16B，仿制模块356包括主体426，该主体426具有顶部425、底部427、前部428和后部430。前部428限定有囊432，该囊432 与相邻的A-模块344的后囊398配合以限定其中一个冷却剂腔372。
前部428还限定有通道434，通道434具有底板436以及在底板436与主体426的前部之间延伸的侧壁438。通道434包括与相邻的A-模块344的孔400相抵地设置且与孔400对准的左端440以及右端442。在主体426中于右端442处限定有孔444，且孔444在底板436和后侧部430之间延伸。底板436限定有孔444的入口446，后部430限定有孔的出口448。在操作期间，冷却剂流经孔400(孔400是供应流道366的一部分)并进入通道434。底板436使冷却剂改变方向而流向仿制模块的竖直中线而达到孔444(底板 436阻止冷却剂流入相邻的B-模块346的形成盲流道370的孔416)。然后冷却剂经由孔444流过仿制模块356的厚度而流到后囊452，该后囊452与相邻的B-模块346的前囊410配合以限定其中一个冷却剂腔376。至此，冷却剂从孔444大体上向下流到延伸穿过主体426的厚度的另一孔456。在前部 428上，孔456与囊398的区域405对准；在后部430上，孔456与B-模块 346的孔418对准。通过后囊452向下流动的一些冷却剂被引导通过孔456 流到第一串联回路362，一些冷却剂被引导通过孔418而继续流经第二串联回路364。仿制模块356还限定有形成回流流道368的一部分的另一个孔458。
参照图17，示例性的电力模块组件470包括以堆的方式布置的多个电力模块472。电力模块组件470包括限定堆的一端的第一个电力模块474以及限定堆的另一端的最后一个电力模块476。第一端板478抵靠第一个模块474 设置，第二端板480抵靠最后一个模块476设置。端板相配合以夹住堆，并且可提供压缩来帮助将堆保持在一起。在堆内在两个相邻的电力模块之间设置有仿制模块482，该仿制模块482将堆分成第一部分和第二部分。在本实施例中，所有的电力模块472都是相同的。
参照图18A至图18C以及图19，每个电力模块472均可包括主体484，该主体484具有沿边缘相互连接的前部486、后部488、右侧部490、左侧部 492、顶部494和底部498。功率级500至少部分地设置在主体内。主体484 可以是封装功率级500的聚合物或环氧树脂。功率级500的一些部分可通过主体484的一侧或更多侧而暴露。例如，端子和信号引脚可延伸穿过左侧部 492和右侧部490，功率级的主侧部502可通过前部486和后部488而暴露。
电力模块472可以以堆的方式布置使其中一个电力模块472的前部486 抵靠相邻模块的后部设置，后部488抵靠另一相邻模块的前部设置。可在邻接的模块之间设置衬垫或其它密封机构以密封堆。
可在电力模块组件470内限定冷却剂回路以使冷却剂循环流过功率级 500以冷却半导体器件。端板478、480和电力模块472均包括以流体连通的方式相互连接的口、孔、囊和通道以形成冷却剂回路。冷却剂回路可以是串联-并联回路。
每个电力模块472均可限定有由前部486限定的前冷却剂囊504。冷却剂囊504包括底板以及在底板和前部486的外表面之间延伸的侧壁。功率级 500可布置在主体484中，使得底板的一部分由功率级的板形成。这允许冷却剂直接循环流过功率级500，从而通过消除冷却剂与功率级500之间的热阻而增大冷却效率。
在主体484内限定有交叉通路506，交叉通路506在前部486和后部488 之间延伸从而以流体连通的方式连接相邻的冷却剂囊。即使底板从前部的最外面的表面向内凹入，底板也被认为是前部的一部分。交叉通路506包括第一开口508和限定在后部488中的第二开口510。通路506可对角地延伸穿过主体484(即，通路相对于前部或后部成斜角地延伸穿过主体)使得开口 508、510相对于彼此轴向偏移，以将开口布置在主体484的纵向中线512的相对两侧。在其他实施例中，通路506可对角地延伸使得开口位于主体484 的横向(latitudinal)中线514的相对两侧。
每个开口均设置在相邻的冷却剂通道的入口端附近。后部488大体上可以是平的或者可包括与前囊504匹配的囊。在装配时，后部488与相邻的电力模块的前部486配合以为囊504提供顶部(ceiling)，而形成冷却剂腔或通道。功率级500可以布置在主体484内，使得功率级的另一板形成后部488 的外表面的一部分。在一些实施例中，所述另一板与后部的外表面大体上齐平。在此使用的“大体上齐平”应被理解为指两个表面的偏移量小于或等于2毫米。这使得所述另一板直接接触循环通过冷却剂通道504的冷却剂。
冷却剂通道504与布置在功率级500的顶部516之上的第一端518和第二端520一起可以呈U形，该U形通道具有第一部分和第二部分，第一部分从第一端延伸跨越功率级500而延伸至位于功率级500的底部522附近的拐角部分，第二部分从该拐角部分延伸至第二端520。在其他实施例中，例如，通道可以是直的、Z形或W形。
每个模块472还可限定有孔524，孔524在前部486和后部488之间以与前部或后部大体上垂直的角度延伸。每个孔524彼此对准以形成轴向延伸穿过堆的流道。
参照图20A、图20B和图21，仿制模块482包括前侧部526和后侧部 528。前侧部526抵靠其中一个电力模块472的后侧部设置，后侧部528抵靠另一电力模块的前侧部设置。仿制模块482改变冷却剂回路的流动以将冷却剂回路分成第一回路和第二回路。电力模块组件470被布置成使得冷却剂先接触仿制模块的前侧部526。仿制模块482限定有具有入口端538和出口端 540的第一通道530，在入口端538处冷却剂流入仿制模块482，出口端540 限定有朝向后侧部528延伸的出口536。在后侧部528中限定有第二通道534，第二通道534包括通过出口536接收冷却剂的入口端542以及与相邻的冷却剂通道的入口端对准的出口端544。流入仿制模块的一些冷却剂经由通道534 流到相邻的电力模块。在前侧部526中限定有U形囊548。在一些实施例中，囊的形状可不同。U形囊548包括位于囊548的入口端552处的开口550以及与相邻的电力模块472的入口端510对准的出口端554。U形囊548经由通路546以流体连通的方式与通道534连接。通路546将来自后侧部528的一部分冷却剂输送到前侧部526上的囊548。仿制模块482还限定有在前侧部526和后侧部528之间延伸的孔556。
参照图22，示出了用于电力模块组件470的串联-并联冷却回路558。冷却回路558包括设置在仿制模块482一侧的第一串联回路560以及设置在仿制模块482另一侧的第二串联回路562。第一回路560包括通过电力模块472 的前部或后部与囊548配合而形成的多个冷却剂腔563。第二回路562也包括多个冷却剂腔564。第一回路560的腔563中的流动大体上是沿向下的方向的，在电力模块组件470处于图17所示的方位时，腔564中的流动大体上是沿向下的方向的。冷却回路558包括通过组件470的第一部分中的电力模块的孔524的配合而形成的供应流道557。供应流道557从入口574延伸到仿制模块的通道530。通道530的底板防止冷却剂循环到第二部分中的电力模块的孔524。因此，第二部分的孔524配合而限定没有冷却剂循环流过的盲流道570。一旦冷却剂到达通道530，那么一部分冷却剂循环到第二回路 562的冷却剂腔564中，一部分冷却剂循环到第一回路560的冷却剂腔563 中。交叉通道506a在腔563之间输送冷却剂，交叉通道506b在腔564之间输送冷却剂。第二回路562包括通过在每个电力模块472中限定的孔525与仿制模块的孔556的配合而形成的回流流道568。通过第一串联回路560的流动朝向出口572流动，因而并不要求回流流道。
尽管上文描述了示例性实施例，但是这些实施例并不意在描述了权利要求所包含的所有可能的形式。在说明书中使用的词语是描述性词语而非限制性词语，应该理解的是，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可进行各种改变。如前所述，各个实施例的特征可被组合，以形成可能未被明确描述或示出的本发明的进一步的实施例。尽管各个实施例可能已被描述为提供优点或者在一个或更多个期望的特性方面优于其它实施例或现有技术的实施方式，但是本领域普通技术人员应该认识到，可以对一个或更多个特征或特性进行折衷，以实现期望的整体系统属性，期望的整体系统属性取决于具体的应用和实施方式。这些属性可包括但不限于成本、强度、耐久性、生命周期成本、可销售性、外观、包装、尺寸、维护保养方便性、重量、可制造性、装配容易性等。因此，被描述为在一个或更多个特性方面不如其它实施例或现有技术的实施方式合意的实施例并不在本公开的范围之外，并且可被期望用于特定的应用。

Claims (10)

1.一种电力逆变器，包括：
多个电力模块，每个电力模块均包括功率级以及限定有朝向功率级凹入的冷却剂囊的主侧部，并且所述多个电力模块以阵列的方式堆叠，使得冷却剂囊与功率级相交替；
仿制模块，设置在所述阵列内，且位于相邻的电力模块之间，从而将所述阵列分成第一部分和第二部分，其中，仿制模块限定有冷却剂囊，并且仿制模块的冷却剂囊与相邻的电力模块的冷却剂囊配合而限定冷却剂腔。
2.根据权利要求1所述的电力逆变器，其中，每个电力模块都是相同的，且仿制模块具有与电力模块相同的轮廓。
3.根据权利要求1所述的电力逆变器，其中，电力模块堆叠在一起，使得彼此相邻的冷却剂囊配合而限定与电力模块相交替的冷却剂腔。
4.根据权利要求3所述的电力逆变器，其中，所述阵列被构造成使得冷却剂沿第一方向流经所述第一部分的冷却剂腔并且使冷却剂沿第二方向流经所述第二部分的冷却剂腔。
5.根据权利要求4所述的电力逆变器，其中，第一方向大体上从电力模块的底部朝向电力模块的顶部，其中，第二方向大体上从所述顶部朝向所述底部。
6.根据权利要求1所述的电力逆变器，其中，每个电力模块均限定有至少两个冷却剂通路，其中，仿制模块限定有至少一个冷却剂通路，其中，每个电力模块均包括比仿制模块多的冷却剂通路。
7.根据权利要求1所述的电力逆变器，还包括：
电容器组，电连接到每个电力模块；
栅极驱动板，电连接到每个电力模块。
8.一种电力电子系统，包括：
多个电力模块，每个电力模块均包括功率级并限定有侧囊，所述多个电力模块以阵列的方式堆叠，使得侧囊与功率级相交替；
仿制模块，限定有第一冷却剂囊，并设置在所述阵列内，使得第一冷却剂囊与其中一个侧囊配合而限定冷却剂腔。
9.根据权利要求8所述的电力电子系统，其中，仿制模块将所述阵列分成第一部分和第二部分，其中，所述阵列被构造成使得冷却剂沿第一方向流经所述第一部分的冷却剂囊并且使冷却剂沿第二方向流经所述第二部分的冷却剂囊。
10.一种用于电力电子系统的电力模块组件，包括：
多个相同的电力模块，每个电力模块均包括功率级和主侧部，每个主侧部均限定有与功率级邻近的囊，其中，电力模块以阵列的方式堆叠，使得彼此相邻的囊形成与电力模块交替的冷却剂腔；
仿制模块，具有与电力模块相同的轮廓，并设置在所述阵列内，且位于相邻的两个电力模块之间，从而将所述阵列分成第一部分和第二部分，其中，所述阵列被构造成使得冷却剂沿第一方向流经所述第一部分的冷却剂腔并且使冷却剂沿第二方向流经所述第二部分的冷却剂腔。
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