CN111614232B - 一种储能变流器的功率模块及储能变流器 - Google Patents

Abstract

本申请提供的一种储能变流器的功率模块及储能变流器，涉及储能变流器功率变换领域。功率模块包括：多个电容、多个开关管及散热器；其中，散热器由背对设置的两个基板以及背对设置的两个散热翅片构成，多个开关管分别固定设置于两个基板上；散热器的顶部设置有第一叠层排，第一叠层排还固定连接有第二叠层排；多个电容设置于第二叠层排上；第二叠层排上还固定有正排和负排，正排电连接第二叠层排上的正引线端，负排电连接第二叠层排上的负引线端；两个基板上还分别固定有交流排，交流排电连接多个开关管的交流输出端。该功率模块基于散热器的双面对称结构，在散热器的两侧基板设置开关管，降低了系统复杂度，有效提高了功率密度。

Description

一种储能变流器的功率模块及储能变流器

技术领域

本申请涉及储能变流器功率变换领域，具体而言，涉及一种储能变流器的功率模块及储能变流器。

背景技术

当前储能行业与先前已成熟发展的风电、光伏等行业产品需求趋势基本一致，都趋向于高功率密度，低成本，易维护。维持产品一定的体积不变，提高散热效率是提高功率密度的重要方向，通常的做法是采用水冷方式。

水冷方式包括水冷板、水循环系统(水路、散热翅片、散热风机)等组件，将功率器件对称地安装在水冷板的正、反面，冷却液流通过水冷板中间夹层的水管。低温冷却液在运行过程中带走散热热量使其自身温度升高，再经过水循环系统的冷却后再次成为低温冷源，循环往复以达到高效率散热的目的，进而实现提高功率密度的目的。

水冷散热方式在设计上系统复杂度高、维护难度较大。此外，由于水冷散热方式的固有组件偏多，在一定程度上也增加了系统设计的成本。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本申请提供了一种储能变流器的功率模块及储能变流器。

为实现上述目的，本申请采用的技术方案为：

本申请第一方面提供一种储能变流器的功率模块，所述功率模块包括：多个电容、多个开关管及散热器；

其中，所述散热器由背对设置的两个基板以及背对设置的两个散热翅片构成，所述多个开关管分别固定设置于所述两个基板上；

所述散热器的顶部设置有第一叠层排，所述第一叠层排还固定连接有第二叠层排；所述多个电容设置于所述第二叠层排上，且，所述多个电容的正极电连接所述第二叠层排上的正引线端，所述多个电容的负极电连接所述第二叠层排上的负引线端；所述第二叠层排上的正引线端还电连接所述第一叠层排上的正引线端，所述第二叠层排上的负引线端还电连接所述第一叠层排上的负引线端；所述第一叠层排上的正引线端电连接每个开关管的正输入端，所述第一叠层排上的负引线端电连接所述每个开关管的负输入端；

所述第二叠层排上还固定有正排和负排，所述正排电连接所述第二叠层排上的正引线端，所述负排电连接所述第二叠层排上的负引线端；

所述两个基板上还分别固定有交流排，所述交流排电连接所述多个开关管的交流输出端。

可选地，所述第二叠层排上背离所述多个电容的一面固定有所述正排和所述负排。

可选地，所述多个电容均匀固定于所述第二叠层排上，所述多个开关管均匀固定设置于所述两个基板上。

可选地，所述第一叠层排为U形叠层排，所述U形叠层排横跨设置于所述散热器的顶部，且所述U形叠层排的弯折端分别朝向所述两个基板；

所述U形叠层排上朝向一个基板的第一弯折部上的正引线端电连接所述一个基板上的每个开关管的正输入端，所述第一弯折部上的负引线端电连接所述一个基板上的每个开关管的负输入端；所述U形叠层排上朝向另一个基板的第二弯折部上的正引线端电连接所述另一个基板上的每个开关管的正输入端，所述第二弯折部上的负引线端电连接所述另一个基板上的每个开关管的负输入端。

可选地，所述两个基板上的同一类交流排汇聚后形成汇聚交流排，并通过所述散热器的底部引出。

可选地，所述交流排为三相交流排，所述三相交流排上每个交流排电连接所述交流输出端中对应的相线输出端。

可选地，所述散热器包括：所述两个基板、所述两个散热翅片，以及安装骨架；所述两个基板对面设置并固定在所述安装骨架上，所述两个散热翅片对面设置并固定在所述安装骨架上。

可选地，所述散热器为具有所述两个基板以及所述两个散热翅片的一体结构。

可选地，所述多个电容可拆卸设置与于所述第二叠层排上。

本申请第二方面提供了一种储能变流器，包括：储能模块及多个功率模块；每个功率模块为上述第一方面中所述的功率模块；所述储能模块的正极电连接所述每个功率模块的正排，所述储能模块的负极电连接所述每个功率模块的负排。

本申请提供的储能变流器的功率模块及储能变流器中，功率模块包括：多个电容、多个开关管及散热器；其中，散热器由背对设置的两个基板以及背对设置的两个散热翅片构成，多个开关管分别固定设置于两个基板上；散热器的顶部设置有第一叠层排，第一叠层排还固定连接有第二叠层排；多个电容设置于第二叠层排上；第二叠层排上还固定有正排和负排，正排电连接第二叠层排上的正引线端，负排电连接第二叠层排上的负引线端；两个基板上还分别固定有交流排，交流排电连接多个开关管的交流输出端。该功率模块基于散热器的双面对称结构，在散热器的两侧基板分别设置开关管，有效提高了功率密度，降低了系统复杂度，提高了可维护性，同时降低了系统成本，提高了可维护性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本申请一实施例提供的一种储能变流器的功率模块的侧视图；

图2为本申请另一实施例提供的一种储能变流器的功率模块的侧视图；

图3为本申请一实施例提供的三相交流排的细节图；

图4为本实施例提供的一种储能变流器的示意图。

图标：电容-1；第二叠层排-2；第一叠层排-3；开关管-4；散热器-5；负排-6；正排-7；交流排-8；功率模块-11；储能模块-12。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

此外，若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例中的特征可以相互结合。

当前储能行业与先前已成熟发展的风电、光伏等行业产品需求趋势基本一致，都趋向于高功率密度，低成本，易维护。维持产品一定的体积不变，提高散热效率是提高功率密度的重要方向，通常的做法是采用水冷方式。水冷方式包括水冷板、水循环系统(水路、散热翅片、散热风机)等组件，将功率器件对称地安装在水冷板的正、反面，冷却液流通过水冷板中间夹层的水管。低温冷却液在运行过程中带走散热热量使其自身温度升高，再经过水循环系统的冷却后再次成为低温冷源，循环往复以达到高效率散热的目的，进而实现提高功率密度的目的。

水冷散热方式在提高功率密度方面确为一种优选方案，但其自身存在如下问题：

1、水冷方式固有组件多，整体成本高；

2、储能产品自身的设计及运行过程中，需要额外管控水循环系统，系统复杂性增加；

3、水冷方式运行过程及维护过程中，需要注液、排气、调整冷却液冰点等工作，相比强迫风冷方案的维护难度增加。

上述问题使得水冷散热方式不适用于大多数储能变流器产品。本申请充分考虑上述情况，提出一种储能变流器的功率模块及储能变流器，该功率模块基于散热器的对称结构设计，兼顾高效率散热、低成本、均流效果好、易维护等特点，有效地实现了工程化实践的功率模块方案。

请参考图1，为本实施例提供的一种储能变流器的功率模块的侧视图，该功率模块包括：多个电容1、多个开关管4及散热器5。

需要说明的是，在本申请实施例中，每个开关管4可以是绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，简称IGBT)。每个IGBT可以为双极型三极管(Bipolar Junction Transistor，简称BJT)，也可以为绝缘栅型场效应管(Metal OxideSemiconductor Field Effect Transistor，简称MOS)。示例性地，开关管4可以为PNP型或NPN型三极管、P沟道或N沟道型MOS管。

具体地，本实施中通过对母线波动的分析，具体包括对电网电压波动、负载外部条件改变的分析，得出在最恶劣的工况下，电容的数量的可以是9个。

散热器5的结构具体包括，由背对设置的两个基板以及背对设置的两个散热翅片构成，多个开关管4分别固定设置于两个基板上。

需要说明的是，两个基板的材质具体可以为铸铝、铸铁或者钢材，本申请实施例对此不做限制。基板的制造工艺可以采用挤型材、铲齿、冷锻、插齿等。散热翅片具体可以是以竖行齿均匀排列，对竖行齿的形状本申请实施例不作具体限制。

在本申请实施例中，散热器5采用双面对称设计的方式，背对设置的两个基板用于安装和固定电器元件，需要说明的是，本实施例中的电器元件具体可以为开关管。背对设置的两个散热翅片分别作为冷却风的入口和热风的出口。

散热器的顶部设置有第一叠层排3，第一叠层排3还固定连接有第二叠层排2；多个电容1设置于第二叠层排2上，且，多个电容的正极电连接第二叠层排2上的正引线端，多个电容的负极电连接第二叠层排2上的负引线端；第二叠层排2上的正引线端还电连接第一叠层排上的正引线端，第二叠层排2上的负引线端还电连接第一叠层排3上的负引线端；第一叠层排3上的正引线端电连接每个开关管4的正输入端，第一叠层排3上的负引线端电连接每个开关管4的负输入端。

需要说明的是，本申请实施例中，第一叠层排3与第二叠层排2的连接方式可以采用螺钉连接，也可以采用其它的固定安装方式，本申请不对此限制。第一叠层排3和第二叠层排2上均分布有正极母排和负极母排，正极母排作为第一叠层排3和第二叠层排2的正引线端、负极母排作为第一叠层排3和第二叠层排2的负引线端。此外第一叠层排3的U型结构的设计，以及散热器双面对称的结构布局，能够保证双面IGBT的均流。

第二叠层排3上还固定有正排7和负排6，正排7电连接第二叠层排2上的正引线端，负排电连接第二叠层排2上的负引线端；两个基板上还分别固定有交流排，交流排电连接多个开关管4的交流输出端。

需要说明的是，正排7和负排6的一端分别连接第二叠层排3的正引线端和负引线端，正排7和负排6的另一端分别与储能模块的正负极连接，本申请实施例中的储能模块可以是由电池组成的功率模组。

在一些实施方式中，正排7和负排6可以为铜排，也可以为其它导电材料构成的金属排。针对不同的使用场景，铜排的厚度和宽度可以进行具体设置。示例性地，当应用在200A功率模块下时，铜排的厚度可以为2mm；当应用在300A功率模块下时，铜排的厚度可以为3mm。在另一些可能的实现方式中，储能变流器的功率模块还可以包括：电流采样传感器，该传感器安装或者套接在交流排上，传感器的信号线与储能变流器的功率模块外部的控制板相连接；主要用于对交流输出端的电流进行采样。

本申请提供的一种储能变流器的功率模块中，功率模块包括：多个电容、多个开关管及散热器；其中，散热器由背对设置的两个基板以及背对设置的两个散热翅片构成，多个开关管分别固定设置于两个基板上；散热器的顶部设置有第一叠层排，第一叠层排还固定连接有第二叠层排；多个电容设置于第二叠层排上；第二叠层排上还固定有正排和负排，正排电连接第二叠层排上的正引线端，负排电连接第二叠层排上的负引线端；两个基板上还分别固定有交流排，交流排电连接多个开关管的交流输出端。该功率模块基于散热器的双面对称结构，在散热器的两侧基板分别设置开关管，降低了系统复杂度，有效提高了功率密度。相比水冷型功率模块必须配备水循环系统，成本投入大，系统组成复杂，本申请实施例提供的储能变流器的功率模块明显降低了系统成本，提高了模块可维护性。

在一种可能的实现方式中，多个电容1以及正排7和负排6可以同时设置在第二叠层排2的一面。

在另一种可能的实现方式中，本申请实施例的第二叠层排2上背离多个电容1的一面固定有正排7和负排6。即在第二叠层排2的一面设置电容1在第二叠层排2的另一面设置正排7和负排6。

可以理解的是，本申请实施例采用的在第二叠层排2上背离多个电容1的一面固定正排7和负排6的设置方式，可以提高叠层排的空间利用率，进而可以达到使功率模块体积缩小的目的。

可选的，在本申请实施例中，多个电容1均匀固定于第二叠层排2上，多个开关管4均匀固定设置于两个基板上。

多个电容1可以以固定排列的方式分布在第二层叠排2上，示例性地，以9个电容为例，电容可以以3*3的方式均匀分布在所述第二叠层排2上。具体地，电容的正极连接第二叠层排上的正引线端；电容的负极连接第二叠层排上的负引线端。

可以理解的是，将电容均匀固定的分布方式可以提高叠层排的空间利用率，进而可以达到使功率模块体积缩小的目的。

在一些其它可能的实现方式中，电容还可以以环形或者矩形形状排布在叠层排的一侧。

在上述任一所述的功率模块的基础上，本申请还提供一种功率模块。如下结合功率模块的侧视图对上述功率模块中的第一叠层排3进行示例说明。图2为本申请另一实施例提供的功率模块的侧视图。具体地，第一叠层排3为U形叠层排，U形叠层排横跨设置于散热器5的顶部，且U形叠层排的弯折端分别朝向两个基板。

U形叠层排上朝向一个基板的第一弯折部上的正引线端电连接一个基板上的每个开关管的正输入端，第一弯折部上的负引线端电连接一个基板上的每个开关管的负输入端；U形叠层排上朝向另一个基板的第二弯折部上的正引线端电连接另一个基板上的每个开关管的正输入端，第二弯折部上的负引线端电连接另一个基板上的每个开关管的负输入端。

示例性地，在本实施例中，当开关管的数量为6个时，6个开关管分别设置于散热器基板的两侧，即基板一侧可以设置3个开关管，每一侧的3个开关管与对应侧的基板固定连接。具体地，可以采用螺钉对开关管进行固定，或者也可以使用胶水将开关管粘贴在基板上。此外，开关管的数量取决于系统功率大小、系统散热情况。因此开关管的具体个数本申请实施例中，不做限制。

可选地，两个基板上的同一类交流排汇聚后形成汇聚交流排，并通过散热器5的底部引出。

具体地，交流排8为三相交流排，三相交流排上每个交流排电连接交流输出端中对应的相线输出端。如图2所示，功率模块采用双面对称的结构设计，因此利用基板两侧的三个交流排分别会引出三个交流输出端，将两侧引出的三个交流输出端对应进行汇聚，形成汇聚交流排。需要说明的是，在本申请实施例中，汇聚交流排与储能系统的出线端对应连接。

图3为本申请实施例提供的三相交流排的细节图，如图3所示从左往右三相交流排分别对应U排、V排以及W排。

需要说明的是，上述一侧基板交流输出端的U端与另一侧基板的交流输出端的U端汇聚形成交流排U排；一侧基板交流输出端的V端与另一侧基板的交流输出端的V端汇聚形成交流排V排；一侧基板交流输出端的W端与另一侧基板的交流输出端的W端汇聚形成交流排W排。

可以理解的是，将两侧交流输出端U排、V排以及W排进行汇聚形成的汇聚交流排可以使整体布局紧凑，进而达到使功率模块体积缩小的目的。

如下通过示例对本申请所应用的功率模块中的散热器的结构进行示例解释。

在一种可能的示例中，散热器5可包括：两个基板、两个散热翅片，以及安装骨架；两个基板对面设置并固定在安装骨架上，两个散热翅片对面设置并固定在安装骨架上。

在该示例中，散热器5是由两个散热翅片、两个基板以及安装骨架组装固定得到的，非一体式的。

可以理解的是，非一体式的结构设计可以使得散热器的结构布局更加灵活。

在另一种可能的示例中，本申请实施例中，散热器5为具有两个基板以及两个散热翅片的一体结构。

可以理解的是，采用一体式的结构设计可以在一定程度上节约安装时间，减少时间成本的投入。

本申请实施例提供的储能变流器的功率模块安置在一个大的机柜内部，所述机柜顶部设有两个对称孔，分别作为入风口和出风口，在机柜上顶板的中心位置还安装有离心风机。受离心风机的作用，从机柜上顶板入风口进入的冷却风从散热器一侧翅片进入，并从散热器的另一侧翅片出风，最终热风会从机柜上顶板的出风口出风。

可以理解的是，经散热器散出的热风从机柜上顶板排出，可以避免热风一直朝着某一固定装置或者器件，以对装置或者器件的损伤。

可选地，多个电容1可拆卸设置与于第二叠层排2上。

需要说明的是，在本申请一些实施例中，电容1可以为薄膜电容或者电解电容；其中，薄膜电容的参数为：耐压1100V，容量420uF；电解电容的参数为：耐压450V，容量4700uF。

通过对储能变流器使用工况的分析以及大量的实验验证，本申请实施例中的储能变流器功率模块应用在最极端情况下(电网电压波动、负载外部环境变化)，所需要的电容为9个。当应用在外部环境正常的工况下时，可以对第二叠层排2上电容进行拆卸。电容的数量以满足实际工况需求为准，本实施例对此不做限制。

图4为本实施例提供的一种储能变流器，如图4所示的储能变流器包括两个功率模块11以及储能模块12，储能模块12为多个储能电池组成的电池模组，每个功率模块11为上述实施例中的功率模块；储能模块12的正极电连接每个功率模块11的正排，储能模块12的负极电连接每个功率模块11的负排。

需要说明的是，图4所示的储能变流器仅是示例性的。功率模块11的数量并不限于2个，也可以是2个以上，对此本申请实施例不作限制。

本申请实施例提供的储能变流器，包括有功率模块以及储能模块，基于功率模块中散热器的双面对称结构，在散热器的两侧基板分别设置开关管，降低了系统复杂度，有效提高了功率密度。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种储能变流器的功率模块，其特征在于，所述功率模块包括：多个电容、多个开关管及散热器；

其中，所述散热器由背对设置的两个基板以及背对设置的两个散热翅片构成，所述背对设置的两个散热翅片分别作为冷却风的入口和热风的出口，所述多个开关管分别固定设置于所述两个基板上；

所述散热器的顶部设置有第一叠层排，所述第一叠层排还固定连接有第二叠层排；所述多个电容设置于所述第二叠层排上，且，所述多个电容的正极电连接所述第二叠层排上的正引线端，所述多个电容的负极电连接所述第二叠层排上的负引线端；所述第二叠层排上的正引线端还电连接所述第一叠层排上的正引线端，所述第二叠层排上的负引线端还电连接所述第一叠层排上的负引线端；所述第一叠层排上的正引线端电连接每个开关管的正输入端，所述第一叠层排上的负引线端电连接所述每个开关管的负输入端；

所述第二叠层排上还固定有正排和负排，所述正排电连接所述第二叠层排上的正引线端，所述负排电连接所述第二叠层排上的负引线端；

所述两个基板上还分别固定有交流排，所述交流排电连接所述多个开关管的交流输出端；

所述第二叠层排上背离所述多个电容的一面固定有所述正排和所述负排，所述正排电连接储能变流器的储能模块的正极，所述负排电连接所述储能模块的负极。

2.根据权利要求1所述的功率模块，其特征在于，所述多个电容均匀固定于所述第二叠层排上，所述多个开关管均匀固定设置于所述两个基板上。

3.根据权利要求1所述的功率模块，其特征在于，所述第一叠层排为U形叠层排，所述U形叠层排横跨设置于所述散热器的顶部，且所述U形叠层排的弯折端分别朝向所述两个基板；

所述U形叠层排上朝向一个基板的第一弯折部上的正引线端电连接所述一个基板上的每个开关管的正输入端，所述第一弯折部上的负引线端电连接所述一个基板上的每个开关管的负输入端；所述U形叠层排上朝向另一个基板的第二弯折部上的正引线端电连接所述另一个基板上的每个开关管的正输入端，所述第二弯折部上的负引线端电连接所述另一个基板上的每个开关管的负输入端。

4.根据权利要求1所述的功率模块，其特征在于，所述两个基板上的同一类交流排汇聚后形成汇聚交流排，并通过所述散热器的底部引出。

5.根据权利要求1所述的功率模块，其特征在于，所述交流排为三相交流排，所述三相交流排上每个交流排电连接所述交流输出端中对应的相线输出端。

6.根据权利要求1所述的功率模块，其特征在于，所述散热器包括：所述两个基板、所述两个散热翅片，以及安装骨架上；所述两个基板对面设置并固定在所述安装骨架上，所述两个散热翅片对面设置并固定在所述安装骨架上。

7.根据权利要求1所述的功率模块，其特征在于，所述散热器为具有所述两个基板以及所述两个散热翅片的一体结构。

8.根据权利要求1-7中任一所述的功率模块，其特征在于，所述多个电容可拆卸设置与于所述第二叠层排上。

9.一种储能变流器，其特征在于，包括：储能模块及多个功率模块；每个功率模块为上述权利要求1-8中任一所述的功率模块；所述储能模块的正极电连接所述每个功率模块的正排，所述储能模块的负极电连接所述每个功率模块的负排。

Images