CN111788683A - 功率开关模块和集成有该功率开关模块的电力电子装置 - Google Patents
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Abstract
一种功率模块，包括集成有至少一个功率开关支路的电子板(EB)、电容器(CE)和至少三条直流供电母线(B1、B2、B3)，在该功率模块中，电子板安装在第一母线(B1)和第二母线(B2)之间，并且电容器安装在第二母线(B2)和第三母线(B3)之间，并且电子板、电容器和母线包括允许电子板和电容器的“压装”型安装的电接触面。
Description
相关申请的交叉引用
本发明要求于2018年2月27日提交的申请号为1851690的法国专利申请的优先权，其内容(文本、附图和权利要求)通过引用并入本文。
技术领域
本发明总体上涉及电力电子领域。更特别地，本发明涉及功率开关模块和集成有这种模块的电力电子装置。
背景技术
诸如换流器和功率转换器的电力电子装置在如运输、工业、照明、供暖等的许多行业经常出现。伴随期望的向可再生和产生更少CO2排放的能源的能量转变，电力电子技术需要被进一步推广并应适应增长的经济和技术限制。目前在电力电子装置领域的研究和发展尤其集中在降低成本、提高功率密度以更紧凑、提高可靠性、减少寄生元件和电磁辐射、以及所消耗能量的热传递。
施加于电力电子装置的不同限制促成了具有称为“功率模块”的基础功率开关模块的开关桥的模块化架构，基础功率开关模块各自对应该桥的开关电桥支路。因此，例如，可以通过装配多个功率模块来获得六相开关桥、三相开关桥、或者包括任意数量相位和电极的开关桥。
针对功率模块，提出了具有功率芯片的双面冷却的3D架构，并且该3D架构对于提高电力电子装置的紧凑性具有一定的益处。寻求增加的紧凑性需要能够将有源元件和无源元件的温度保持在临界值之下，以达到热平衡并确保可靠性。在最接近元件处提取耗散能量是所期望的。应当优化由元件构成的热源和由散热装置构成的散热器之间的热路径。因此，性能良好的冷却装置是必不可少的。
如现有的硅碳化物(SiC)和镓氮化物(GaN)、以及不久以后的钻石的新的功率半导体的可用性以及这些新的功率半导体的合理使用推动功率模块的紧凑性的提高。这些新的功率半导体允许有利于减小焦耳损失的更大的电流密度、更高的开关频率和更高的电压。然而，由于更大的电压增大了击穿的风险，并且不利于不同电势的元件之间的距离的减小，因此需要找到解决方案。
为了在寻求紧凑性和满足不同的设计限制之间达到可能的最好折衷，减少寄生电阻元件、寄生电感元件和寄生电容元件是必要的。功率母线中的寄生电感不利于更高的开关频率。更高的开关频率有利于紧凑性，但是增大了开关损耗以及由元件消耗的电力。为了保护电路以防止潜在的破坏性过压、提高对电磁辐射的控制、减少生成的热量以及提高开关速度，寄生电感的减少是必需的。
为了提高可靠性，尤其是在热循环剧烈的应用中提高可靠性，使用称为“压装(press-pack)”的技术。在“压装”技术中，通过使元件保持就位和接触的机械压力或紧固装置来确保电接触。“压装”技术允许使功率模块本身变得模块化，并且使功率模块的子模块变得可测试和可替换。由此导致进一步标准化和生产成本的降低。此外，由于装置的可拆卸性，“压装”技术还具有方便修理该装置的益处。
几何外形是圆柱形圆片或圆柱形饼状的电力电子装置具有很大的益处。这种圆柱形饼状的几何外形尤其有利于在转动电机的圆柱形定子的延伸部上将电子功率转换器集成至该转动电机的后部。因此，转换器的功率模块需要在几何上被包含在相邻的圆柱形扇区中。由于转换器的直流供电总线的滤波电容器的尺寸，将这种电容器安装到转动电机的后部通常会出现困难。在现有技术中，已知的是，通过多个平行安装的圆柱形电容器来实施该滤波电容器，以便有利于集成到转动电机的后部。
现在看来期望的是，提出一种具有新架构的功率模块，该功率模块有助于制造具有圆柱形饼状外观的紧凑性提高的电力电子装置，从而允许在满足上述设计限制的情况下获得最好的折衷，并且该功率模块适合于新的SiC和GaN功率半导体，以及3D技术和“压装”。
发明内容
根据第一方面，本发明涉及一种功率模块，该功率模块包括集成有至少一个功率开关支路的电子板、电容器和至少三条直流供电母线，在该功率模块中，电子板安装在第一母线和第二母线之间，并且电容器安装在第二母线和第三母线之间，并且电子板、电容器和母线包括允许电子板和电容器的所谓“压装”型安装的电接触面。
根据特定特征，功率模块具有容纳在具有确定角度的圆柱形扇区中的外部形状，并且电接触面基本垂直于该圆柱形扇区的径向对称平面。
根据另一特定特征，电容器是多层陶瓷类型。
根据另一特定特征，电子板是所谓的“SiP”类型，并且包括控制装置和至少一个第一等级电容滤波电容器。
根据另一特定特征，第一等级电容滤波电容器是多层陶瓷类型的电容器。
根据另一特定特征，第一母线包括具有多个散热片的圆弧形外表面。
根据另一特定特征，在三条母线中，至少第一母线包括两个相对于径向对称平面对称倾斜的接合面。
根据另一特定特征，三条母线中的至少一条包括至少一个用于具有载热和/或耐火和/或电绝缘功能的液体通过和/或填充的通道。
根据另一特定特征，至少一个功率开关支路包括至少一个GaN、SiC、MOSFET或IGBT类型的晶体管。
根据另一特定特征，三条直流供电母线由铜或铝制成。
根据另一方面，本发明还涉及一种电力电子装置，该电力电子装置包括如上简述的多个功率模块，该多个功率模块设置成圆形，并且通过它们的第一、第二和第三母线电接触。
根据特定特征，电力电子装置包括填充有液体和/或电气、机械和/或电子元件的中间容积，该液体具有载热和/或耐火和/或电绝缘功能。
附图说明
通过参照附图阅读以下对本发明的多个特定实施例的详细描述，本发明的其他优点和特征将更清楚地显现，在附图中：
图1是根据本发明的功率模块的特定实施例的电气原理示意图；
图2是根据本发明的功率模块的外部透视图；
图3是根据本发明的功率模块的剖视图；并且
图4是根据本发明的包括多个功率模块的电力电子装置的特定实施例的外部透视图。
具体实施方式
在图1中，示出了根据本发明的功率模块的特定实施例1的电气原理示意图。功率模块1是“SiP”(代指英语“System in Package(封装内系统)”)类型并包括开关电桥支路BM，控制器μC以及滤波电容装置CI和CE与开关电桥支路BM关联。
开关电桥支路BM在这里包括两个氮化镓(GaN)类型的晶体管THS和TLS。当然，也可以使用诸如MOSFET或IGBT晶体管的其他类型的电子功率开关。晶体管THS和TLS形成在英语里称为“High Side(高侧)”和“Low Side(低侧)”的上部部分和下部部分，并且分别以正电压+DC和负电压-DC连接在直流供电总线之间。如图1中可见，晶体管THS和TLS的漏极D和源极S分别与+DC总线和-DC总线连接。晶体管THS和TLS的源极S和漏极D相应地连接在一起，并且形成功率模块1的开关功率输出OUT。
控制器μC通过晶体管THS和TLS的栅极G控制晶体管THS和TLS的开关，并且可以执行取决于应用的其他功能，例如故障检测。
滤波电容装置包括在+DC和-DC总线之间连接的第一电容器CI和第二电容器CE。电容器CI和CE分别形成第一等级电容滤波装置和第二等级电容滤波装置。
开关电桥支路BM、控制器μC和电容CI包括在同一SiP型电子板EB中。
电容CI通常是多层陶瓷类型，并且可以通过单个电容器或多个平行的电容器形成。通过安装在电子板CE中，作为第一等级电容滤波装置的电容器CI最靠近晶体管芯片。
有利地，，电子板CE可以通过成熟且经济的用于制造具有印刷电路的电子板的技术来形成，并且具有3D架构。
作为第二等级电容滤波装置的电容器CE具有比电容器CI大得多的容量，并且因此可以确保更大的电容滤波。电容器CE是体积较大的元件，并且安装在电子板EB的外部。电容器CE通常是多层陶瓷类型。
现在将参照图2至图4在下文中详细描述具有在母线之间设置电子板EB和电容器CE的功率模块1的材料架构。
如在示出外部透视图的图2可见的，功率模块1被容纳在圆柱形扇区SC中。圆柱形扇区SC由扇区轴线AA、半径R、扇区角度α和高度H限定。在该特定实施例中，扇区SC具有α等于60°的角度。
容纳在圆柱形扇区中的该外部配置允许通过邻接地设置多个功率模块来实现圆柱形饼状的电力电子装置。如在图4中所示，在此可以通过组装六个类似的功率模块1至6而获得六相电力电子装置CONV。
更特别地参照图2和图3，功率模块1主要包括电子板EB、电容器CE以及三条母线B1、B2和B3。电子板EB和电容器CE分别容纳在设置在母线B1、B2之间以及母线B2、B3之间的内部容积E1和E2中。
在功率模块1中，母线B1和B3用于被施加以对应接地极性的负直流电压-DC。母线B2用于被施加以正直流电压+DC。
母线B1、B2和B3由诸如铝或铜的导电金属形成，并且可以通过对型材条的模制和/或机械加工和/或切割制成。
母线B1包含形成在圆弧形的外部侧面F1上的多个散热片10。散热片10从圆弧形的外部侧面F1朝外部径向地延伸。因此，母线B1形成散热器。此外，母线B1尤其包括两个基本上平坦的倾斜的接合面F2，以及基本上平坦的内表面F3。
两个接合面F2形成母线B1的纵向相对端部，并且以α/2的角度相对于圆柱形扇区SC的径向对称平面PS倾斜。在该实施例中，由于功率模块容纳在角度α＝60°的圆柱形扇区中，两个接合面F2以α/2＝30°的角度倾斜。
母线B1的接合面F2用于与邻接功率模块的相应接合面F2接触。应注意到，此处用来限定接合面F2的术语“平坦”不应以严格的方式解释。实际上，如图3所示，这些接合面F2可以例如包括凹槽11，用于容纳例如所谓的“Viton”(注册商标)类型的密封件。可拆卸的机械连接装置(未示出)也可以设置在该接合面F2处。
基本平坦的内表面F3是通过紧固而与电子板EB接触的接触面。如以上针对接合面F2指出的，由于可以根据应用而提供不同的设置，因此，此处用于限定内表面F3的术语“平坦”不应以严格的方式解释。
母线B2尤其包括形成母线B2的纵向相对端部的两个接合面F4，以及第一和第二面F5和F6。
类似于母线B1的面F2，两个接合面F4以α/2的角度相对于圆柱形扇区SC的径向对称平面PS倾斜。接合面F4用于与邻接功率模块的相应接合面F4接触。
母线B2的第一面F5是通过紧固而与电子板EB接触的接触面。如图2和图3中可见的，管道12设置在该第一面F5中，并且通常用于具有传热和/或耐火和/或电绝缘功能的液体的循环或充填。当然，在其他实施例中，液体管道也可以或只可以形成在母线B1的内表面F3中。应注意到，防火和电绝缘功能允许避免电击穿和起火，以及随后潜在的功率模块的损坏。
面F3和面F5适合于电子板EB在母线B1和B2之间的“压装”型安装。形成在面F3和面F5之间的内部容积E1允许容纳电子板EB。
母线B2的第二面F6是与母线B3的基本平坦的第一面F7相对定向的基本平坦的面。面F6和面F7是基本平行的并限定容纳电容器CE的第二内部容积E2。面F6和面F7是通过紧固而与电容器CE的基本平坦的第一和第二电极接触的面，并且适合于电容器CE在母线B2和B3之间的“压装”型安装。
除了第一面F7，母线B3特别包括形成母线的纵向相对端部的两个接合面F8,以及第二面F9。类似于母线B1的面F2，两个接合面F8以α/2的角度相对于圆柱形扇区SC的径向对称平面PS倾斜。接合面F8用于与相邻功率模块的相应接合面F8接触。
母线B1、B2、B3的一组面F3、F5、F6和F7是基本垂直于圆柱形扇区SC的径向对称平面的电接触面，并允许电子板EB和电容器CE在母线之间的“压装”型安装。
母线B3的第二面F9是基本平坦的并平行于第一面F7，并且形成功率模块1的垂直于圆柱形扇区SC的径向对称平面PS的端面。在圆柱形扇区SC中，在轴线AA和面F9之间存在容积E3。
如图2中可见的，应注意到存在管道13，其设置在母线B3的上部和下部端面上。凹槽13特别用于载热和/或耐火和/或电绝缘液体的通过或填充。
功率模块1的“压装”组装将使用例如确保所要求的紧固的弹性紧固件，或者穿过绝缘螺钉通道安装以防止短路的螺钉。这种通过紧固的机械组装技术是本领域技术人员所熟知的，在此不再进行描述。
如图4所示，当根据本发明的多个功率模块，在该示例中为功率模块1至6，组装以实现圆柱形饼状的电力电子装置CONV时，通过添加不同的保持自由的容积E3，中间容积VC保持可用。
根据通过符合本发明的多个功率模块而制成的电力电子装置，中间容积VC可以专用于不同的功能。因此，例如，中间容积VC可以局部或整体地专用于具有载热和/或耐火和/或电绝缘功能的液体的循环或填充。在其他应用中，中间容积VC可以局部或整体地专用于容纳附加电容滤波装置和/或例如锂离子型电池、超级电容器形式的储能装置，或者任意其他机械、电气和/或电子元件。
通过达到母线B1和B3的-DC电压的板，电力电子装置CONV的上表面和下表面将被封闭。因此获得法拉第笼(cage de Faraday)并提供有利于电磁兼容性(CEM)的电磁屏蔽。在该上表面和下表面处的密封性将通过例如所谓的“Viton”(注册商标)类型的密封件来确保。
在此应注意到，电力电子装置CONV的饼状圆形形状使该电力电子装置CONV非常适合于集成到例如牵引发动机或与再生制动系统关联的可逆机的转动电机。
本发明不限于此处作为示例描述的特定实施例。根据本发明的应用，本领域的人员可以提供落入所附权利要求范围内的不同修改和变型。
Claims (12)
1.一种功率模块(1)，包括集成有至少一个功率开关支路(BM)的电子板(EB)、电容器(CE)和至少三条直流供电母线(B1、B2、B3)，其中，所述电子板(EB)安装在第一母线(B1)和第二母线(B2)之间，并且所述电容器(CE)安装在所述第二母线(B2)和第三母线(B3)之间，并且所述电子板(EB)、电容器(CE)和母线(B1、B2、B3)包括允许所述电子板(EB)和电容器(CE)的所谓“压装”型安装的电接触面(F3、F5、F6、F7)。
2.根据权利要求1所述的功率模块，其特征在于，具有容纳在具有确定角度(α)的圆柱形扇区(SC)中的外部形状，并且所述电接触面(F3、F5、F6、F7)基本垂直于所述圆柱形扇区(SC)的径向对称平面(PS)。
3.根据权利要求1或2所述的功率模块，其特征在于，所述电容器(CE)是多层陶瓷类型。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的功率模块，其特征在于，所述电子板(EB)是所谓的“SiP”类型，并且包括控制装置(μC)和至少一个第一等级电容滤波电容器(CI)。
5.根据权利要求4所述的功率模块，其特征在于，所述第一等级电容滤波电容器(CI)是多层陶瓷类型的电容器。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的功率模块，其特征在于，所述第一母线(B1)包括具有多个散热片(10)的圆弧形外表面(F1)。
7.根据权利要求1至6中任一项和权利要求2所述的功率模块，其特征在于，在所述三条母线(B1、B2、B3)中，至少所述第一母线(B1)包括两个相对于所述径向对称平面(PS)对称倾斜的接合面(F2、F4、F8)。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的功率模块，其特征在于，所述三条母线(B1、B2、B3)中的至少一条包括至少一个用于具有载热和/或耐火和/或电绝缘功能的液体通过和/或填充的通道(12、13)。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的功率模块，其特征在于，所述至少一个功率开关支路(BM)包括至少一个GaN、SiC、MOSFET或IGBT类型的晶体管。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的功率模块，其特征在于，所述三条直流供电母线(B1、B2、B3)由铜和/或铝制成。
11.一种电力电子装置，其特征在于，包括多个根据权利要求1至10中任一项所述的功率模块(1至6)，所述功率模块(1至6)设置成圆形并通过所述功率模块的第一、第二和第三母线(B1、B2、B3)电接触。
12.根据权利要求11所述的电力电子装置，其特征在于，包括填充有液体和/或电气、机械和/或电子元件的中间容积(VC)，所述液体具有载热和/或耐火和/或电绝缘功能。
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