CN107370345A - 一种功率模块、变频器及功率模块制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种功率模块，应用该功率模块的变频器，以及该功率模块的制造方法，其中功率模块包括功率单元，所述功率单元沿垂向设置，所述功率模块还包括绝缘框架及绝缘板，所述绝缘框架沿垂向设置，所述绝缘板位于所述绝缘框架的底部，所述绝缘板与所述绝缘框架固定连接，所述绝缘板与所述绝缘框架之间形成腔室，所述功率单元固定设置于所述腔室内，所述腔室内填充有绝缘胶层，所述绝缘胶层绕所述功率单元外闭环设置，所述绝缘胶层的内表面与所述功率单元贴合，所述绝缘胶层的外表面与所述绝缘框架及所述绝缘板贴合。本发明绝缘等级高、整体导热性好、结构简单、占用空间小且成本低廉。

Description

一种功率模块、变频器及功率模块制造方法
技术领域
本发明属于电机控制设备技术领域，尤其涉及一种功率模块，应用该功率模块的变频器，以及该功率模块的制造方法。
背景技术
变频器是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备，而功率单元是构成高压变频器主回路的主要部分。
现有的功率单元多用在低压(例如6000V以下)变频器中，其采用级联结构，各级间电压绝缘要求较小。通常，现有的功率单元若要满足高压(例如6000V以上)变频器的需要，则需更换绝缘等级更高的功率元件以适应高压的环境。
然而，由于绝缘等级更高的功率元件相对于原有的功率元件具有体积大且成本高昂的特点，因此采用更换绝缘等级更高的功率元件的方式会造成整个功率单元及变频器结构复杂、占用空间大且造价昂贵；此外，若不采用更换绝缘等级更高的功率元件的方式，会使功率单元因级间电压过高而受到严重损伤。因此，如何在不更换功率元件的前提下，提高功率单元在高压环境下正常工作的能力，以适应高压变频器的需要，是目前急需解决的技术问题。
发明内容
本发明针对如何在不更换功率元件的前提下，提高功率单元在高压环境下正常工作的能力的技术问题，提出一种绝缘等级高、结构简单、占用空间小且成本低廉的功率模块，应用该功率模块的变频器，以及该功率模块的制造方法。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种功率模块，包括功率单元，所述功率单元沿垂向设置，所述功率模块还包括绝缘框架及绝缘板，所述绝缘框架沿垂向设置，所述绝缘板位于所述绝缘框架的底部，所述绝缘板与所述绝缘框架固定连接，所述绝缘板与所述绝缘框架之间形成腔室，所述功率单元固定设置于所述腔室内，所述腔室内填充有绝缘胶层，所述绝缘胶层绕所述功率单元外闭环设置，所述绝缘胶层的内表面与所述功率单元贴合，所述绝缘胶层的外表面与所述绝缘框架及所述绝缘板贴合。
作为优选，所述绝缘框架上沿垂向开设有溢出孔，所述溢出孔为通孔，所述溢出孔的底端与所述腔室连通。
作为优选，所述溢出孔的数量设置为多个，多个所述溢出孔绕所述功率单元外分布。
作为优选，所述绝缘框架的顶部开设有凹槽，所述凹槽沿所述绝缘框架的闭环方向闭环设置。
作为优选，所述绝缘框架的下方设置有冷却件，所述冷却件与所述绝缘框架固定连接，所述冷却件的顶部与所述绝缘板的底部压接。
作为优选，所述绝缘板的底部位于所述绝缘框架底部的下方。
一种变频器，包括上述的功率模块，所述功率模块的数量设置为多个。
一种功率模块制造方法，应用于上述功率模块，包括以下步骤：
步骤S0：将所述功率单元固定于所述绝缘框架内；
步骤S1：将所述绝缘板固定安装于所述绝缘框架的底部，以形成所述腔室；
步骤S2：将所述绝缘板与所述绝缘框架之间的缝隙于底部封堵；
步骤S3：向所述腔室内自上而下注入液态绝缘胶，以形成液态的所述绝缘胶层。
作为优选，还包括步骤S4：从所述绝缘胶层的上方施加一板状绝缘压模，以使板状绝缘压模覆盖于所述绝缘胶层的顶部；
还包括步骤S5：从所述板状绝缘压模的上方施加一块状绝缘压模，以对所述绝缘胶层施加压力；
还包括步骤S6：待所述绝缘胶层凝固后，将所述块状绝缘压模从所述腔室中取出，同时所述板状绝缘压模留在所述腔室内并与所述绝缘胶层一体化胶粘在一起。
作为优选，在步骤S1中，设置所述绝缘板的位置为：设所述功率单元底部支撑座的厚度为H1，设所述绝缘板的厚度为H2，设所述功率单元支撑座的顶部至所述绝缘框架底部之间沿垂向的尺寸为H，以及设所述绝缘板底部至所述绝缘框架底部之间沿垂向的尺寸为S，则S＝H1+H2-H，且S＞0。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：
1、本发明功率模块通过设置所述绝缘框架、所述绝缘板以及所述绝缘胶层，能够显著提高变频器内各个所述功率单元之间的电气间隙及爬电距离，即提高了绝缘等级，从而在不更换功率元件，以及在保证了整体导热性能的前提下，提高了所述功率单元在高压环境下正常工作的能力；此外，由于无需更换功率元件，并且仅增加了所述绝缘框架、所述绝缘板以及所述绝缘胶层，因此保证了结构的简单化以及低成本化；因此，本发明功率模块绝缘等级高、结构简单、占用空间小且成本低廉，进而适用于快速产业化。
2、本发明变频器绝缘等级高、结构简单、占用空间小且成本低廉，进而适用于快速产业化。
3、应用本发明功率模块制造方法制造出的功率模块绝缘等级高、结构简单、占用空间小且成本低廉，进而适用于快速产业化。
附图说明
图1为本发明实施例的整体结构示意图；
图2为图1中沿A-A截面方向的剖视结构示意图；
图3为图1中沿B-B截面方向的剖视结构示意图；
图4为图1中绝缘框架的结构示意图；
图5为图4中沿C-C截面方向的剖视结构示意图；
图6为图4中沿D-D截面方向的剖视结构示意图；
图7为图4的后视结构示意图；
图8为本发明实施例带散热功能的整体结构示意图；
图9为本发明实施例关于变频器内各个功率单元之间的电气间隙及爬电距离示意图；
以上各图中：1、功率单元；2、绝缘框架；3、绝缘板；4、腔室；5、绝缘胶层；6、溢出孔；7、冷却件；8、凹槽；9、支撑板；10、导向柱；11、散热通道。
具体实施方式
下面，通过示例性的实施方式对本发明进行具体描述。然而应当理解，在没有进一步叙述的情况下，一个实施方式中的元件、结构和特征也可以有益地结合到其他实施方式中。
在本发明的描述中，需要说明的是，本发明所述的横向为图1的水平方向，本发明所述的纵向为图1所示的竖直方向，本发明所述的垂向为垂直于图1的方向，同时术语“内”、“外”、“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图2所示的位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
参见图1至图7，一种功率模块，包括功率单元1、绝缘框架2及绝缘板3，所述功率单元1沿垂向(垂直于图1的方向)设置，所述绝缘框架2沿垂向设置，所述绝缘板3位于所述绝缘框架2的底部，所述绝缘板3与所述绝缘框架2固定连接，所述绝缘板3与所述绝缘框架2之间形成有腔室4，所述功率单元1固定设置于所述腔室4内，所述腔室4内填充有绝缘胶层5，所述绝缘胶层5绕所述功率单元1外闭环设置，所述绝缘胶层5的内表面与所述功率单元1贴合，所述绝缘胶层5的外表面与所述绝缘框架2及所述绝缘板3贴合，即使所述绝缘胶层5密封填充于所述绝缘框架2及所述绝缘板3与所述功率单元1之间。
本发明功率模块通过设置所述绝缘框架2、所述绝缘板3以及所述绝缘胶层5，能够显著提高变频器内各个所述功率单元1之间的电气间隙及爬电距离，即提高了绝缘等级，从而在不更换功率元件，以及在保证了整体导热性能的前提下，提高了所述功率单元1在高压环境下正常工作的能力；此外，由于无需更换功率元件，并且仅增加了所述绝缘框架2、所述绝缘板3以及所述绝缘胶层5，因此保证了结构的简单化以及低成本化；因此，本发明功率模块绝缘等级高、结构简单、占用空间小且成本低廉，进而适用于快速产业化。
作为本发明的一种实施方式，如图1至图7所示，所述绝缘框架2的形状为矩形，所述绝缘框架2的长边与纵向(图1所示的竖直方向)平行，所述绝缘框架2的短边与横向(图1所示的水平方向)平行，所述绝缘框架2的底部向内形成有支撑板9，所述支撑板9对应于所述功率单元1的固定孔(每个所述功率单元1自带固定孔)设置为多个，所述支撑板9的顶部设置有导向柱10，所述导向柱10沿垂向设置，所述导向柱10通过套接于所述功率单元1的固定孔内使所述功率单元1固定设置于所述腔室4内；所述绝缘框架2的底部与所述绝缘板3通过螺栓可拆卸连接，具体的：如图3所示，所述绝缘框架2的底部开设有螺纹孔，所述绝缘胶层5及所述绝缘板3上对应于所述螺纹孔分别开设有第一通孔及第二通孔，以此通过将螺栓的杆部顺次穿过所述第一通孔及所述第二通孔后，与所述绝缘框架2的螺纹孔螺纹连接，实现所述绝缘框架2与所述绝缘板3之间的固定。
基于上述，如图9所示，本发明功率模块使变频器内各个所述功率单元1之间的电气间隙为a1+a3+a5+a7+a9+a11+a15+a14；本发明功率模块使变频器内各个所述功率单元1之间的爬电距离为a1+a2+a3+a4+a5+a6+a7+a9+a11+a12+a13+a14。
作为优选的，所述绝缘板3为陶瓷板，以此既具有较好的绝缘性能，又具备较好的导热性能。
另外，所述绝缘板3与所述绝缘框架2固定设置有导热硅脂层，以此能够使绝缘板3与所述绝缘框架2之间相互传热散热，进而能够提高功率模块的散热效果。
进一步，为了提高功率模块的绝缘等级，如图1至图6所示，所述绝缘框架2的顶部开设有凹槽8，所述凹槽8沿所述绝缘框架2的闭环方向闭环设置。
基于上述，如图9所示，本发明功率模块使变频器内各个所述功率单元1之间的电气间隙为a1+a3+a5+a7+a9+a11+a15+a14；本发明功率模块使变频器内各个所述功率单元1之间的爬电距离为a1+a2+a3+a4+a5+a6+a7+a8+a9+a10+a11+a12+a13+a14。
因此，本发明功率模块通过在所述绝缘框架2的顶部开设所述凹槽8，提高了变频器内各个所述功率单元1之间的爬电距离，从而提高了功率模块的绝缘等级，进而提高了所述功率单元1在高压环境下正常工作的能力。
进一步如图2所示，为了保证所述绝缘胶层5对所述功率单元1的绝缘性能，所述绝缘框架2上沿垂向开设有溢出孔6，所述溢出孔6的底端与所述腔室4连通，所述溢出孔6用于获知所述绝缘胶层5在所述腔室4内的填充情况；所述溢出孔6的数量设置为多个，多个所述溢出孔6绕所述功率单元1外分布，以此能够多个位置获知所述绝缘胶层5的填充情况。
基于上述，由于所述绝缘胶层5是通过液态凝固形成，因此本发明功率模块通过在所述绝缘框架2上开设所述溢出孔6，能够在当液态状态下的所述绝缘胶层5流动并填满所述腔室的底部空间时，所述绝缘胶层5将会从所述腔室4中溢出至所述溢出孔6中，此时能够准确获知所述绝缘胶层5已填满所述腔室的底部，而在当液态状态下的所述绝缘胶层5流动并未填满所述腔室的底部空间时，所述溢出孔6中无所述绝缘胶层5液体的溢出，此时能够准确获知所述绝缘胶层5没有填满所述腔室的底部，进而对所述绝缘胶层5的填充过程做相应的反应，以使绝缘胶层5填满所述腔室的底部，进而保证了所述绝缘胶层5对所述功率单元1的绝缘性能。
作为优选的，所述绝缘胶层5可以为环氧树脂(或由其他绝缘胶制成)层。
另外，所述绝缘胶层5既可以充满整个所述腔室4，也可以仅填充所述腔室4的一部分，以此上保证所述功率单元1的重要部位受到较好的绝缘。
进一步，为了提高功率模块的散热性能，如图8所示，所述绝缘框架2的下方设置有冷却件7，所述冷却件7优选为板件，以此能够减小功率模块沿垂向的尺寸，进而减小功率模块的占用空间；所述冷却件7与所述绝缘框架2固定连接，所述冷却件7的顶部与所述绝缘板3的底部压接，所述冷却件7用于与所述绝缘板3及所述绝缘框架2的接触，以将所述绝缘板3及所述绝缘框架2的热量吸收，从而达到冷却所述绝缘板3及所述绝缘框架2的目的，进而能够达到对所述绝缘胶层5及所述功率单元1冷却的目的，更进而提高了功率模块的散热性能，并使其能够更好的适应高压环境。
具体的：如图8所示，所述冷却件7内开设有可输送散热介质的散热通道11，所述散热通道11优选为输水通道，此时所述散热介质为冷却液，所述散热通道11的一端为输入所述散热介质的入口，所述散热通道11的另一端为输出所述散热介质的出口，所述散热通道11自入口至出口往复弯折延伸。
作为优选的，在当所述冷却件7与所述绝缘框架2固定连接后，为了保证所述绝缘板3与所述绝缘框架2的有效接触，如图2所示，所述绝缘板3的底部位于所述绝缘框架2底部的下方，以此能够使所述绝缘板3底部与所述绝缘框架2底部之间沿垂向形成有一定的距离(如图2所示的S)，从而在当所述冷却件7与所述绝缘框架2固定连接前，所述绝缘板3先与所述冷却件7接触并相互压接，继而在当所述绝缘板3底部与所述绝缘框架2底部共面(即S＝0)时，将所述冷却件7与所述绝缘框架2固定连接，从而保证了所述绝缘板3及绝缘框架2均与所述绝缘框架2的有效接触，进而保证了功率模块的散热性能。
另外，本发明还涉及一种变频器，包括上述的功率模块，所述功率模块的数量设置为多个。由上述可知，本发明变频器通过应该上述功率模块，能够实现绝缘等级高、结构简单、占用空间小且成本低廉的效果。
另外，本发明还涉及一种功率模块制造方法，应用于上述功率模块，包括以下步骤：
步骤S0：在所述功率单元1底部涂抹一层导热硅脂，通过将导向柱10与所述功率单元1的固定孔配合，使所述功率单元1固定于所述绝缘框架2内；
步骤S1：将所述绝缘板3通过螺栓固定安装于所述绝缘框架2的底部，以形成所述腔室4，设所述功率单元1底部支撑座的厚度(即沿垂向的尺寸)为H1，设所述绝缘板3的厚度为H2，设所述功率单元1支撑座的顶部至所述绝缘框架2底部之间沿垂向的尺寸为H，以及设所述绝缘板3底部至所述绝缘框架2底部之间沿垂向的尺寸为S，则设置所述绝缘板3的安装位置以使S＝H1+H2-H，且S＞0；
步骤S2：将所述绝缘板3与所述绝缘框架2之间的缝隙于底部封堵，例如可通过使用胶带将所述绝缘板3与所述绝缘框架2的底部整体粘合，以此防止后续向所述腔室4内注入液态绝缘胶时发生溢漏的现象发生；
步骤S3：向所述腔室4内自上而下注入(灌入或用注射器注射)液态绝缘胶，以形成液态的所述绝缘胶层5；
步骤S3’：判断所述溢出孔6内部是否有液态绝缘胶溢出，若有液态绝缘胶溢出，则说明所述腔室4的下部已填充满；
步骤S4：从所述绝缘胶层5的上方施加一板状绝缘压模，所述板状绝缘压模的尺寸与所述腔室4的尺寸相对应，以便于所述板状绝缘压模放入至所述腔室4内部，所述板状绝缘压模的厚度可以为1至2mm，以使板状绝缘压模覆盖于所述绝缘胶层5的顶部；
步骤S5：从所述板状绝缘压模的上方施加一块状绝缘压模，以对所述绝缘胶层5施加压力，从而保证所述绝缘胶层5进一步填充满所述腔室4的下部，所述块状绝缘压模的尺寸与所述腔室4的尺寸相对应，以便于所述块状绝缘压模放入至所述腔室4的内部，所述块状绝缘压模的顶部沿垂向的高度优选为不小于所述绝缘框架2顶部沿垂向的高度，以此便于将所述块状绝缘压模从所述腔室4内取出；
步骤S6：待液态绝缘胶固化形成所述绝缘胶层5后，将所述块状绝缘压模从所述腔室4中取出，同时所述板状绝缘压模留在所述腔室4内并与所述绝缘胶层5一体化胶粘在一起。
基于上述可知，应用本发明功率模块制造方法制造出的功率模块能够显著提高变频器内各个所述功率单元1之间的电气间隙及爬电距离，即提高了绝缘等级，从而在不更换功率元件，以及在保证了整体导热性能的前提下，提高了所述功率单元1在高压环境下正常工作的能力；此外，由于无需更换功率元件，并且仅增加了所述绝缘框架2、所述绝缘板3以及所述绝缘胶层5，因此保证了结构的简单化以及低成本化；因此，本发明功率模块绝缘等级高、结构简单、占用空间小且成本低廉，进而适用于快速产业化。

Claims (10)

1.一种功率模块，包括功率单元(1)，所述功率单元(1)沿垂向设置，其特征在于：还包括绝缘框架(2)及绝缘板(3)，所述绝缘框架(2)沿垂向设置，所述绝缘板(3)位于所述绝缘框架(2)的底部，所述绝缘板(3)与所述绝缘框架(2)固定连接，所述绝缘板(3)与所述绝缘框架(2)之间形成有腔室(4)，所述功率单元(1)固定设置于所述腔室(4)内，所述腔室(4)内填充有绝缘胶层(5)，所述绝缘胶层(5)绕所述功率单元(1)外闭环设置，所述绝缘胶层(5)的内表面与所述功率单元(1)贴合，所述绝缘胶层(5)的外表面与所述绝缘框架(2)及所述绝缘板(3)贴合。
2.根据权利要求1所述的功率模块，其特征在于：所述绝缘框架(2)上沿垂向开设有溢出孔(6)，所述溢出孔(6)为通孔，所述溢出孔(6)的底端与所述腔室(4)连通。
3.根据权利要求2所述的功率模块，其特征在于：所述溢出孔(6)的数量设置为多个，多个所述溢出孔(6)绕所述功率单元(1)外分布。
4.根据权利要求1所述的功率模块，其特征在于：所述绝缘框架(2)的顶部开设有凹槽(8)，所述凹槽(8)沿所述绝缘框架(2)的闭环方向闭环设置。
5.根据权利要求1所述的功率模块，其特征在于：所述绝缘框架(2)的下方设置有冷却件(7)，所述冷却件(7)与所述绝缘框架(2)固定连接，所述冷却件(7)的顶部与所述绝缘板(3)的底部压接。
6.根据权利要求5所述的功率模块，其特征在于：所述绝缘板(3)的底部位于所述绝缘框架(2)底部的下方。
7.一种变频器，其特征在于：包括如权利要求1-6任一项所述的功率模块，所述功率模块的数量设置为多个。
8.一种功率模块制造方法，其特征在于：应用于上述权利要求1-6中任一项所述的功率模块，包括以下步骤：
步骤S0：将所述功率单元(1)固定于所述绝缘框架(2)内；
步骤S1：将所述绝缘板(3)固定安装于所述绝缘框架(2)的底部，以形成所述腔室(4)；
步骤S2：将所述绝缘板(3)与所述绝缘框架(2)之间的缝隙于底部封堵；
步骤S3：向所述腔室(4)内自上而下注入液态绝缘胶，以形成液态的所述绝缘胶层(5)。
9.根据权利要求(8)所述的功率模块制造方法，其特征在于：
还包括步骤S4：从所述绝缘胶层(5)的上方施加一板状绝缘压模，以使板状绝缘压模覆盖于所述绝缘胶层(5)的顶部；
还包括步骤S5：从所述板状绝缘压模的上方施加一块状绝缘压模，以对所述绝缘胶层(5)施加压力；
还包括步骤S6：待所述绝缘胶层(5)凝固后，将所述块状绝缘压模从所述腔室(4)中取出，同时所述板状绝缘压模留在所述腔室(4)内并与所述绝缘胶层(5)胶粘在一起。
10.根据权利要求8所述的功率模块制造方法，其特征在于：
在步骤S1中，设置所述绝缘板(3)的位置为：设所述功率单元(1)底部支撑座的厚度为H1，设所述绝缘板(3)的厚度为H2，设所述功率单元(1)支撑座的顶部至所述绝缘框架(2)底部之间沿垂向的尺寸为H，以及设所述绝缘板(3)底部至所述绝缘框架(2)底部之间沿垂向的尺寸为S，则S＝H1+H2-H，且S＞0。
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