CN108123613A - 一种用于轨道交通工具的功率模块 - Google Patents

Abstract

一种用于轨道交通工具的功率模块，其包括：散热器层；主电路层，其包括衬板和三桥臂功率半导体电路，其中，衬板的第一表面与散热器层的第一表面固接，三桥臂功率半导体电路设置在衬板的第二表面上；控制层，其与三桥臂功率半导体电路电连接，用于控制三桥臂功率半导体电路的工作状态；电气层，其设置在主电路层和控制层之间，其中，电气层包括功率端子和低感母排，其中，功率端子用于实现衬板和低感母排之间的电传输。相较于现有的功率半导体，本发明所提供的功率模块将控制电路集成在了设备内部，这样在运行时也就不需要额外配置控制电路，从而使得功率模块能够实现驱动、监测、保护、诊断等智能化控制功能，提高了设备的通用化程度。

Description

一种用于轨道交通工具的功率模块

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，具体地说，涉及一种用于轨道交通工具的功率模块。

背景技术

功率半导体器件广泛应用于轨道交通、工业变频等领域，但标准封装功率半导体器件仅具备开关管的功能，并且集成度不高。作为变流器核心部件之一的变流模块，则由标准封装功率半导体器件、散热器、低感母排，门极驱动器和结构件等构成，由于受到构造形式、器件布局和器件功能的限制，在功率密度、智能化和便捷应用等方面还存在诸多不完善的地方。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种用于轨道交通工具的功率模块，其包括：

散热器层，其具有与所述散热器层的内腔连通的冷却液入口和冷却液出口；

主电路层，其包括衬板和三桥臂功率半导体电路，其中，所述衬板的第一表面与所述散热器层的第一表面固接，所述三桥臂功率半导体电路设置在所述衬板的第二表面上；

控制层，其与所述三桥臂功率半导体电路电连接，用于控制所述三桥臂功率半导体电路的工作状态；

电气层，其设置在所述主电路层和控制层之间，其中，所述电气层包括功率端子和低感母排，其中，所述功率端子用于实现所述衬板和低感母排之间的电传输。

根据本发明的一个实施例，所述衬板在所述散热器层上呈矩阵式分布。

根据本发明的一个实施例，所述低感母排设置在所述主电路层上方，所述功率端子设置在所述主电路层与低感母排之间并用于实现所述主电路层和低感母排之间的电传输。

根据本发明的一个实施例，所述低感母排包括：直流正层、直流负层、交流层以及设置在相邻的层之间和最外侧的层上的绝缘层，并且直流正层和直流负层向第一端延伸形成插拔接头。

根据本发明的一个实施例，所述交流层向第二端延伸并形成交流端口，并在所述交流接口处选择性设置与所述控制层信号连接的电流传感器。

根据本发明的一个实施例，所述功率端子包括：功率端子主体、设置在所述功率端子主体上用于与所述低感母排接触式连接的上引脚和设置在所述功率端子主体上用于与所述衬板接触式连接的下引脚。

根据本发明的一个实施例，所述上引脚构造为由所述功率端子主体向上突出的突出体，所述突出体上设置有台阶，所述突出体的台阶上的自由端能够插入到设置在所述低感母排上的连接孔中。

根据本发明的一个实施例，所述功率模块还包括壳体组件，所述壳体组件与所述散热层共同形成容纳腔，所述隔离板将所述容纳腔分割为第一腔体和第二腔体，其中，所述控制层设置在所述第一腔体内，所述电气层设置在所述第二腔体内。

根据本发明的一个实施例，在所述第二腔体内灌注有绝缘材料。

根据本发明的一个实施例，所述衬板的导电层上设置有插针，所述插针穿过所述隔离板与所述控制层电连接。

根据本发明的一个实施例，所述散热器层的第一端面上设置有导向销，和/或在所述散热器层的第三端面和与所述第三端面相对的第四端面上设置有导向槽。

根据本发明的一个实施例，所述主电路层还包括斩波电路，所述斩波电路设置在所述衬板的第二表面上。

根据本发明的一个实施例，所述功率模块还包括：

温度传感器，其设置在所述衬板上，并与所述控制层电连接。

相较于现有的功率半导体，本发明所提供的功率模块将控制电路集成在了设备内部，这样在运行时也就不需要额外配置控制电路，从而使得功率模块能够实现驱动、监测、保护、诊断等智能化控制功能，提高了设备的通用化程度。

同时，该功率模块采用了无基板的水冷散热方式，相较于现有的功率模块，其散热效率更高，并且体积更小、结构更加简单。此外，本功率模块采用了快速插拔式的连接方式，这样也就使得设备的拆装更为方便。对于本功率模块来说，根据实际需要可以方便地进行并联组合。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要的附图做简单的介绍：

图1是根据本发明一个实施例的功率模块的爆炸图；

图2是根据本发明一个实施例的功率模块的立体图；

图3是来自图2的A-A剖面图；

图4是根据本发明一个实施例的电气连接图；

图5是根据本发明一个实施例的三桥臂功率半导体电路的电路结构示意图；

图6是根据本发明一个实施例的三桥臂与斩波功率半导体电路的电路结构示意图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

同时，在以下说明中，出于解释的目的而阐述了许多具体细节，以提供对本发明实施例的彻底理解。然而，对本领域的技术人员来说显而易见的是，本发明可以不用这里的具体细节或者所描述的特定方式来实施。

图1示出了本实施例所提供的用于轨道交通工具的功率模块的爆炸图，图2示出了该功率模块的立体图。

从图1和图2中可以看出，本实施例所提供的功率模块100优选地包括：散热器层1、主电路层2以及控制层6。其中，散热器层1位于整个功率模块100结构的底层，其优选地采用液冷方式，内部具有冷却液槽道。散热器层1的第二端面的两个端角处设置有冷却液接口，其中一接口为冷却液进口，另一接口为冷却液出口，这两个冷却液接口均与外部液冷系统连接，用于对功率模块以及相关系统进行散热。同时，在散热器1的第二端面上设置至少两个螺纹孔，以方便功率半导体模块100与外界的连接固定。

本实施例中，优选地，在散热器层1的第一端面还设置导向销11。在安装功率模块100的过程中，导向销11用于为功率模块100提供导向和定位。在安装过程中，导向销11还起到了缓冲冲击力的作用。另外，在功率模块100安装到位后，该导向销11还起到了固定功率模块100的作用。优选地，本实施例中，可以在散热器层1的第一端面上设置两个导向销11，并且两个导向销11设置在方形的散热器层1的同一侧的两个端角处。

如图1所示，为了便于安装定位，散热器层1的第三端面和与第三端面相对应的第四端面上设置定位槽12。其中，所述的“第三表面”与图1中所画的前表面一致。在安装功率模块100的过程中，定位槽12可用于功率模块100的初定位。由此，通过上述设置方便了安装，降低了操作成本。并且导向槽12与导向销11配合使用，进一步提高了该功率半导体模块100的安装便利性。

主电路层2包括衬板21和有功率半导体芯片22组成的三桥臂功率半导体电路。本实施例中，衬板21的第一表面(即图1中的衬板21的下表面)与散热器层1的第一表面固接，功率半导体芯片22设置在衬板21的第二表面(即图1中衬板21的上表面)上。功率半导体芯片与其对应的衬板形成衬板单元。

本实施例中，衬板21直接设置在散热器层1上，可以有效避免使用标准封装功率半导体器件的基板。通过这种设置方式，可以有效降低功率半导体芯片22与散热器层1之间的热阻，从而提高整个功率模块100的散热效率。同时，衬板21的这种设置方式还能够使得整个功率模块100的结构更加紧凑，这有助于降低功率模块100的整体体积以及重量。

需要指出的是，在本发明的不同实施例中，根据实际需要，衬板21可以通过不同的合理方式来固接在散热器层1的第一表面上，本发明不限于此。例如，在本实施例中，衬板21优选地通过焊接的方式直接固定在散热器层1的第一表面上。这种焊接固定连接方式的结构简单，其能够保证功率半导体电路在运行过程中所产生的热量能够更加高效地传输到散热器上。

同时，还需要注意的是，在本发明的其他实施例中，散热器层1并不限于方形，例如，其可根据具体的空间需求设计为其它任意形状。此外，还需要说明的是，衬板21可以设置在散热器1的任一表面上，而在本实施例中，以如图1所示的衬板21设置在散热器1的上表面上为例进行说明。

本实施例中，衬板21优选地在散热器层1上呈矩阵式分布。衬板单元的这种分布方式能够使得衬板21在散热器层1上的排布更加紧密，从而使得整个功率模块的结构得以优化，这有助于提高功率模块100的功率密度并减小设备的体积。

本实施例中，功率半导体电路中的各个器件优选地通过键合线进行连接，当然，在本发明的其它实施例中，功率半导体电路中的各个器件还可以通过其他合理的方式进行连接，本发明不限于此。

如图1所示，本实施例中，在主电路层2和控制层6之间还设置有电气层。其中，电气层包括：低感母排3以及功率端子4。其中，低感母排3设置在主电路层2上方，功率端子4设置在主电路层2与低感母排3之间并用于实现主电路层2与低感母排3之间的电传输。

本实施例中，功率端子4包括构造为条状的功率端子主体43，并且功率端子4具有上引脚41，功率端子4通过上引脚41来与低感母排3连接，以实现二者之间的电能传输。优选地，上引脚41可以构造为由功率端子主体43向上突出的突出体，突出体上设置有台阶44，以使得上引脚41的自由端的截面面积小于上引脚41的固定端的截面面积。在组装过程中，靠近自由端的上引脚41能插入到设置在低感母排3上的连接孔38内，同时，低感母排3搭接在台阶处。另外，上引脚41可以通过焊接的方式与低感母排3连接。通过这种设置方式，一方面可以方便功率端子主体43与低感母排3的安装配合，另一方面，这种连接关系也比较紧密稳定。当然，在本发明的其他实施例中，功率端子4还可以通过上引脚41以其他合理的方式(例如铆接、插接或者螺栓等)与低感母排3连接，本发明不限于此。同时，在本发明的一些实施例中，功率端子4与低感母排3还可以通过整体制造加工的方式来得到，本发明同样不限于此。

本实施例中，功率端子4还包括下引脚42，通过下引脚42功率端子4可以实现与衬板单元2中的导电带之间的电连接，从而实现了衬板单元2与功率端子4之间的电能传输。其中，下引脚42优选地通过焊接的方式与衬板21的导电带固接，需要指出的是，在本发明的其他实施例中，与上引脚41的固接方式类似，下引脚42同样可以通过其他合理的方式来与衬板21的导电带固接，本发明同样不限于此。此外，下引脚42还可以构造为具有折弯的结构，也就是被弯折的下引脚42向功率端子主体43的一侧延伸以与衬板单元2的导电层接触。

低感母排3优选地为板式叠层结构，具体地，本实施例中，低感母排3包括直流正层(图中未示出)、直流负层(图中未示出)和交流层(图中未示出)，在相邻的层之间以及最外侧的层上设置有绝缘层(图中未示出)。直流正层、直流负层和交流层各个层之间的结构关系可以根据实际情况而选择。即，本发明并不限定直流正层、直流负层和交流层的上下位置关系。具有这种结构的低感母排3有助于实现超薄低感互联方式，既能获得良好的低电感和绝缘性能，同时可降低低感母排3的高度，从而减小功率模块100的体积。

本实施例中，低感母排3的直流正层和直流负层向第一端延伸形成了一插拔式接头31。图3示出了图2所示的功率模块的A-A剖面图。如图3所示，本实施例中，插拔式接头31包括由正直流层延伸出的直流正接口32、由直流负层延伸出的直流负接口33和由绝缘层延伸出的绝缘件34。其中，直流正接口32和直流负接口33为相对式间隔设置的两个弹片。通过这种设置方式，插拔式接头31可以顺利实现功率半导体模块100与系统的快速插拔式连接。

再次如图1所示，本实施例中，低感母排3的交流层向第二端延伸形成交流接口35。其中，交流接口35优选地构造为弹片状，并在上面设置有开孔36，以方便于其它器件连接。此外，可选择地，在交流接口35处设置电流传感器5，本实施例中，电流传感器5可以与控制电路板6电连接。在设置有电流传感器5的情况下，低感母排3可以通过设置的与交流接口35连接的转接铜排37来实现与外部交流用电设备连接。其中，转接铜排37优选地构造为由电流传感器5的第二端突出的片状。

需要指出的是，图1所示的交流接口35、电流传感器5以及转接铜排37仅仅是示意性地说明其排布方式，并不是对交流接口35、电流传感器5以及转接铜排37的具体结构以及数量进行限定。本实施例中，由于主电路层包含的电路为三桥臂功率半导体电路，因此交流接口35以及转接铜排37对应地分别包括三组接口，这三组接口分别对应于三桥臂功率半导体电路的三个交流输出端。

此外，功率模块100还可选用内部带有电流测量及温度测量的功率半导体芯片，以实现芯片级的快速、准确的监测。控制电路板通过相应插针对上述信号进行采集，用于驱动、监测、保护及诊断等智能化控制。

现有的功率模块内部无控制电路，在运行过程中，现有的功率模块需要根据组合的模块数量在外部配置相应的控制电路。这种工作方式使得现有功率模块的通用化程度不高，并且在炸裂等损坏的情况下，容易损坏控制电路板以及其他部件。

针对上述问题，如图1所示，本实施例所提供的功率半导体100内设了控制层6(即控制电路板)。本实施例中，控制电路板与衬板单元2电连接，这样控制电路板也就可以通过衬板单元2来对相应的三桥臂桥功率半导体电路进行控制。

本实施例中，控制层6的第二端优选地设置有电源接口61，控制电路板可以通过电源接口61来获取自身运行所需要的电能。同时，控制电路板的第二端还设置有光纤接口62，通过光纤接口62，控制电路板也就可以实现与相关外部设备的数据通信。此外，本实施例中，控制电路板的第二端还设置有电流传感器接口63，这样控制电路板也就可以通过电流传感器接口63实现与电流传感器5的连接。上述设置方式能保证控制控制电路板的正常工作，并且有利于信号传输，降低干扰。另外，上述设置方式还有助于功率模块100优化布局，提高功率模块100的通用化程度。

需要指出的是，根据实际需要，衬板单元2上还可以设置有电压传感器、电流传感器和/或温度传感器等器件，控制电路板可以通过上述的传感器进行相关数据信号的采集，以用于监测、保护以及诊断等智能化控制。

如图1所示，本实施例中，衬板21的导电带上设置有插针23，这样功率半导体电路也就可以通过插针23与控制电路板连接，从而形成如图4所示的电气连接结构。需要注意的是，插针23的设置位置有可能与低感母排3干涉或不干涉，而当插针23与低感母排3位置存在干涉，可在低感母排3上设置用于插针23穿过的孔。

为了优化功率半导体模块100的结构，方便插针23等部件的设置，还可以设置辅助衬板21’。该辅助衬板21’与衬板21电连接。例如，本实施例中，为了优化插针23的布设位置，在衬板21的外侧设置有辅助衬板21’。

如图5所示，该实施例中，三桥臂功率半导体电路优选地包括六组可控开关(即第一可控开关501、第二可控开关502、第三可控开关503、第四可控开关504、第五可控开关505以及第六可控开关506)。其中，第一可控开关501与第二可控开关502处于同一桥臂，第三可控开关503和第四可控开关504处于同一桥臂，第五可控开关505与第六可控开关506处于同一桥臂。其中，三桥臂功率半导体电路的直流端分别与低感母排3的直流正层和直流负层连接，交流端分别与低感母排3的交流层连接。

需要指出的是，在本发明的其他实施例中，主电路层还可以包含斩波电路，从而形成如图6所示的电路结构。其中，斩波电路601同样设置在衬板单元的第二表面上，其由两个可控开关(例如带有续流二极管的IGBT)构成。

为了保证功率模块100的正常工作，避免不同的部件之间的干扰，功率半导体模块100还包括壳体组件。如图3所示，壳体组件设置在散热器层1的第一侧面上并与散热器层1形成容纳腔71，同时，在容纳腔71内设置有隔板72，以将容纳腔71分为第一容纳腔73和第二容纳腔74。其中在第一容纳腔中设置控制电路板6。而衬板单元2、低感母排3和功率端子4设置在第二容纳腔74中。

通过上述设置有利于个部件之间的信号隔离，降低了互相干扰。同时，通过设置壳体组件优化了功率半导体模块100的整体结构，使其具有集成度高、体积小、重量轻等优点。

需要指出的是，为了生产制造方便，壳体组件7可以构造为分体式结构，例如，壳体组件7可以包括第一壳体75和第二壳体76。第一壳体75为框状结构，并扣合在散热器层1上。在第一壳体75的上开口处设置隔板72以形成第二容纳腔74。而第二壳体76构造为盒式结构，其开口朝向隔板72并固定设置在隔板72上以形成第一容纳腔73。

本实施例中，第二容纳腔74中注入有绝缘材料，这样也就将衬板单元2、低感母排3、功率端子4和插针23等封装于其内部。例如，绝缘材料可以为硅胶或硅橡胶等。通过这种设置能保证功率半导体模块100的稳定正常工作，延长使用寿命。

从上述描述中可以看出，相较于现有的功率半导体，本发明所提供的功率模块将控制电路集成在了设备内部，这样在运行时也就不需要额外配置控制电路，从而使得功率模块能够实现驱动、监测、保护、诊断等智能化控制功能，提高了设备的通用化程度。

同时，该功率模块采用了无基板的水冷散热方式，相较于现有的功率模块，其散热效率更高，并且体积更小、结构更加简单。此外，本功率模块采用了快速插拔式的连接方式，这样也就使得设备的拆装更为方便。对于本功率模块来说，根据实际需要可以方便地进行并联组合。

应该理解的是，本发明所公开的实施例不限于这里所公开的特定结构或处理步骤，而应当延伸到相关领域的普通技术人员所理解的这些特征的等同替代。还应当理解的是，在此使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并不意味着限制。

说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”意指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语“一个实施例”或“实施例”并不一定均指同一个实施例。

虽然上述示例用于说明本发明在一个或多个应用中的原理，但对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的原理和思想的情况下，明显可以在形式上、用法及实施的细节上作各种修改而不用付出创造性劳动。因此，本发明由所附的权利要求书来限定。

Claims (13)

1.一种用于轨道交通工具的功率模块，其特征在于，包括：

散热器层，其具有与所述散热器层的内腔连通的冷却液入口和冷却液出口；

主电路层，其包括衬板和三桥臂功率半导体电路，其中，所述衬板的第一表面与所述散热器层的第一表面固接，所述三桥臂功率半导体电路设置在所述衬板的第二表面上；

控制层，其与所述三桥臂功率半导体电路电连接，用于控制所述三桥臂功率半导体电路的工作状态；

电气层，其设置在所述主电路层和控制层之间，其中，所述电气层包括功率端子和低感母排，其中，所述功率端子用于实现所述衬板和低感母排之间的电传输。

2.如权利要求1所述的功率模块，其特征在于，所述衬板在所述散热器层上呈矩阵式分布。

3.如权利要求1或2所述的功率模块，其特征在于，所述低感母排设置在所述主电路层上方，所述功率端子设置在所述主电路层与低感母排之间并用于实现所述主电路层和低感母排之间的电传输。

4.如权利要求3所述的功率模块，其特征在于，所述低感母排包括：直流正层、直流负层、交流层以及设置在相邻的层之间和最外侧的层上的绝缘层，并且直流正层和直流负层向第一端延伸形成插拔接头。

5.如权利要求4所述的功率模块，其特征在于，所述交流层向第二端延伸并形成交流端口，并在所述交流接口处选择性设置与所述控制层信号连接的电流传感器。

6.如权利要求3～5中任一项所述的功率模块，其特征在于，所述功率端子包括：功率端子主体、设置在所述功率端子主体上用于与所述低感母排接触式连接的上引脚和设置在所述功率端子主体上用于与所述衬板接触式连接的下引脚。

7.如权利要求6所述的功率模块，其特征在于，所述上引脚构造为由所述功率端子主体向上突出的突出体，所述突出体上设置有台阶，所述突出体的台阶上的自由端能够插入到设置在所述低感母排上的连接孔中。

8.如权利要求1～7中任一项所述的功率模块，其特征在于，所述功率模块还包括壳体组件，所述壳体组件与所述散热层共同形成容纳腔，所述隔离板将所述容纳腔分割为第一腔体和第二腔体，其中，所述控制层设置在所述第一腔体内，所述电气层设置在所述第二腔体内。

9.如权利要求8所述的功率模块，其特征在于，在所述第二腔体内灌注有绝缘材料。

10.如权利要求8或9所述的功率模块，其特征在于，所述衬板的导电层上设置有插针，所述插针穿过所述隔离板与所述控制层电连接。

11.如权利要求1～10中任一项所述的功率模块，其特征在于，所述散热器层的第一端面上设置有导向销，和/或在所述散热器层的第三端面和与所述第三端面相对的第四端面上设置有导向槽。

12.如权利要求1～11中任一项所述的功率模块，其特征在于，所述主电路层还包括斩波电路，所述斩波电路设置在所述衬板的第二表面上。

13.如权利要求1～12中任一项所述的功率模块，其特征在于，所述功率模块还包括：

温度传感器，其设置在所述衬板上，并与所述控制层电连接。