CN111819688A - 形成用于电力电子装置的壳体和散热器的母线组件 - Google Patents
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Abstract
根据本发明的母线组件包括以接合和电接触的方式围绕中心轴线(C)设置的多个母线扇区(S1至S6)，以及垂直于中心轴线的上部和下部封闭板(BPD)，母线扇区各自包括界定多个内部容积的外部母线部分(B11至B16)和至少一个内部母线部分(B21至B26、B31至B36)，上部和下部封闭板分别接触母线部分的上表面和下表面，并且母线部分包括多个所谓的“压装”类型的电接触面。
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1851689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，本发明涉及一种形成用于诸如换流器和功率转换器的电力电子装置的壳体和散热器的母线组件。本发明还涉及集成有上述母线组件的电力电子装置。
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、提高功率密度以更加紧凑、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。
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允许设计具有更大电流密度、更高开关频率和更大电压的电力电子装置。此外，合理地在电力电子装置中使用这些新的半导体促使紧凑性提高了。
电力电子装置的紧凑性尤其受到排出释放热量以及确保耐压的需求的限制。由于更大的击穿风险通常要求增加电势不同的元件之间的距离，因此更高的电压不利于转换器的紧凑性。元件所容许的最大功率密度限制开关电流的振幅以将结温保持在临界值之下。性能良好的冷却装置对于维持装置的热平衡是必不可少的。
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。
寻求电力电子装置的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。
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桥臂。
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。
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)”的技术来消除在由热循环引起的机械应力下损坏的焊缝。在“压装”技术中，通过使元件保持就位和接触的机械压紧或紧固装置来保证电接触。“压装”技术还具有方便拆卸装置并因此方便其修理的益处。
现在看来期望的是，提出一种用于制造更紧凑和优化的电力电子装置的新的母线模块化架构，该母线模块化架构允许在满足上述设计限制的情况下获得最好的折衷，并且适合于新的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，本发明涉及一种形成电力电子装置的壳体和散热器的母线组件，该母线组件包括以接合和电接触的方式围绕中心轴线设置的多个母线扇区，以及垂直于中心轴线的上部和下部封闭板，该母线扇区各自包括界定多个内部容积的外部母线部分和至少一个内部母线部分，上部和下部封闭板分别接触母线部分的上表面和下表面，并且母线部分包括多个所谓的“压装”类型的电接触面。
根据特定特征，多个母线扇区的外部母线部分在外表面包括散热片。
根据另一特定特征，多个母线扇区的母线部分由铜和/或铝制成，并且通过对型材条的模制和/或机械加工和/或切割制成。
根据另一特定特征，母线组件包括密封件，该密封件位于相邻外部母线部分之间的接合面、以及上部和下部封闭板与外部母线部分之间。
根据另一特定特征，上部和下部封闭板是层叠类型的，并且上部和下部封闭板各自包括中间介电层以及位于中间介电层两侧的两块导电板，导电板与母线部分电接触。
根据另一特定特征，中间介电层包括至少一个嵌入式电子电路和/或有源或无源嵌入式电子元件。
根据另一特定特征，上部和下部封闭板中的至少一个是所谓的“IMS”类型。
根据另一特定特征，导电板由铜和/或铝制成。
根据另一特定特征，在母线扇区中的每一个中，多个内部容积包括界定在外部母线部分的电接触面和第一内部母线部分的电接触面之间的第一内部容积，该第一内部容积专用于电力电子电路的“压装”型安装。
根据另一特定特征，在母线扇区中的每一个中，多个内部容积包括形成在第一内部母线部分和中心轴线之间的至少一个其他内部容积。
根据另一特定特征，在母线扇区中的每一个中，多个内部容积包括形成在第一内部母线部分和第二内部母线部分之间的第二内部容积，以及形成在第二内部母线部分和中心轴线之间的第三内部容积。
附图说明
通过阅读以下参照附图的本发明的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和图2是示出根据本发明的母线组件的特定实施例的透视图。
图3是示出图1和图2的母线组件中所包括的母线扇区的简化顶视图。
图4是图1和图2的母线组件中所包括的封闭板的简化局部剖视图。
图5A、图5B和图5C是示出图1和图2的母线组件中所包括的封闭板和母线部分的不同组装的简化局部剖视图。
具体实施方式
图1和图2中示出了根据本发明的母线组件的特定实施例CONV。该母线组件在外部呈现圆柱形圆片或圆柱形饼状。
母线组件CONV主要包括多个母线区段S1至S6以及上部和下部封闭板BPU和BPD。在该实施示例中，母线区段S1至S6的数量为六。当然，在本发明中，母线区段的数量不限于六。该数量将取决于实施本发明的应用。
母线区段S1至S6具有类似的架构，并且接合设置成围绕中心轴线C的圆形。此处，每个母线区段S1至S6占据60°角的扇形。
在该特定实施例中，母线区段S1至S6各自由外部母线部分以及第一和第二内部母线部分形成。母线部分由诸如铝或铜的导电金属形成。母线部分可以通过对型材条的模制和/或机械加工和/或切割制成。
在考虑任意母线区段Sn时，外部母线部分被标记为B1n，并且第一和第二内部母线部分分别标记为B2n和B3n。
如图2所示，外部母线部分B11至B16设置成围绕中心轴线C形成壁，饼状的圆形壳体的外部侧壁。内部母线部分B21至B26设置成围绕中心轴线C形成第一内部侧壁，该第一内部侧壁位于由外部母线部分B11至B16形成的外部侧壁所界定的体积的内部。内部母线部分B31至B36设置成围绕中心轴线C形成第二内部侧壁，该第二内部侧壁位于由内部母线部分B21至B26形成的第一内部侧壁所界定的体积的内部。
分别形成外部侧壁以及第一和第二内部侧壁的母线部分B1n、B2n和B3n通过纵向相对的端部两两接合，该端部位于接合平面P1至P6中，接合平面P1至P6包括中心轴线C并且垂直于上部和下部封闭板BPU和BPD。同一侧壁的母线部分是电连续的。因此，外部侧壁以及第一和第二内部侧壁各自形成电母线。
如图1和图2可见的，母线部分B11到B16包括形成在这些母线部分的圆弧形外部侧面上的多个散热片。因此，外部侧壁形成散热片。
现在参照图3详细描述包括母线部分B1n、B2n和B3n的母线区段Sn，以及设置在这些部分之间的内部容积E1、E2和E3。
除了在图3中标记为F2的圆弧形外部侧面，母线部分B1n特别包括基本平坦的两个倾斜的接合面F1以及基本平坦的内部面F3。
在图3中标记为10的散热片从圆弧形的外部侧面F2径向地向外延伸。两个接合面F1形成该部分的纵向相对的端部，并且相对于中心对称轴线AC成角度α倾斜。
由于在该实施例中母线区段Sn占据角度为60°的扇形，因此角α在此是30°。因此，在母线组件CONV中，母线区段Sn的基本平坦的接合面F1在相应的接合平面(参照图2中的P1至P6)处与相邻母线区段S(n+1)和S(n-1)的相应接合面F1接触。此处应注意到，这里用来限定接合面F1的术语“平坦”不应以严格的方式解释。实际上，如在下文将更详细地描述的，该接合面F1通常包括诸如用于容纳密封件的凹槽的设置。可拆卸的机械连接装置也可以设置在该接合面F1处。
基本上平坦的内部面F3是通过紧固而与电力电子电路(未示出)接触的接触表面。如以上针对接合面F1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部面F3的术语“平坦”不应在这里以严格的方式解释，。
母线部分B2n尤其包括形成该部分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。
类似于母线部分B1n的面F1，两个接合面F4相对于中心对称轴线AC成角度α倾斜。接合面F4对应与相邻母线区段(参照图2中的P1至P6)接合的接合平面。
第一面F5是通过紧固而与上述的电力电子电路接触的接触表面。如图3所示，管道11设置在该第一表面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，在其它实施例中，液体管道也可以或只可以形成在母线部分B1n的内部面F3中。应注意到，防火和电绝缘功能允许避免电击穿和起火，以及随后潜在的壳体随后潜在的损坏。
面F3和F5适合于上述电力电子电路“压装”型的安装在母线部分B1n和B2n之间。内部容积E1形成在面F3和F5之间并用于容纳电力电子电路。
通常，母线部分B1n和B2n用于被施加以母线之间的持续电压的负极性(-)和正极性(+)，负极性(-)对应接地极性。在使用开关桥的电力电子装置中，电力电子电路通常将是对应于开关桥臂的功率模块。这里描述的具有六个母线区段的母线组件的实施例将适合于具有六个路径的开关桥，例如用于向六相电动机供电。
母线部分B2n的第二面F6是与母线部分B3n的基本平坦的第一面F7相对地定向的基本平坦的面。第二面F6和第一面F7在这里是基本平行的并限定第二内部容积E2。
除了第一面F7，母线部分B3n特别包含形成该部分的纵向相对端部的两个接合面F和第二面F9。
类似于母线部分B1n的面F1，两个接合面F8相对于中心对称轴线AC成角度α倾斜。接合面F8对应与相邻母线区段接合的接合平面(参照图2中的P1至P6)。凹槽12在此设置在接合面F8中，以容纳分度和/或紧固装置(未示出)。
第二面F9基本上是平坦的并平行于第一面F7，并且在母线组件CONV中界定中心内部容积E3。
根据通过母线组件CONV制造的电力电子装置，母线区段S1至S6的内部容积E2和E3可以实现不同的功能，例如，储能装置的容纳，和/或具有传热和/或耐火和/或电绝缘功能的液体的循环或填充。应注意到，耐火和电绝缘功能允许避免电击穿和起火，以及随后潜在的壳体的损坏。
因此，例如，在使用开关桥的电力电子装置中，容积E2可以专用于电容滤波装置的容纳，而容积E3可以专用于传热和/或耐火和/或电绝缘液体的循环或填充。电容滤波装置在此可以连接在由多个部分B2n和多个部分B3n形成的母线之间。在该示例中，由多个部分B3n形成的母线可以电连接到多个部分B1n，以在面F6和F7之间形成电容滤波装置的“压装”电连接。电容滤波装置例如可以由分布在多个容积E2中的多个多层陶瓷类型的电容器形成。在其它的应用中，容积E2例如可以专用于传热和/或耐火和/或电绝缘的液体的循环或填充，而容积E3可以专用于例如电容器、超级电容器、锂离子型电池或其他形式的电能存储装置。
母线部分之间的电子元件的“压装”组装将使用已知的安装技术，例如，确保所要求的紧固的弹性紧固件或为了防止短路而穿过绝缘螺钉通道安装的螺钉。
在此应注意到，母线组件CONV的饼状圆形形状使该母线组件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。
现在还参照图4、图5A、图5B和图5C在下面描述上部和下部封闭板BPU和BPD以及它们与母线部分的组装。
如在图1和2中清楚地显示的，上部和下部封闭板BPU和BPD具有在上部部分和下部部分封闭母线组件CONV以形成壳体的第一功能。上部和下部封闭板BPU和BPD分别接触母线部分的上表面和下表面。
如图4所示出的，上部和下部封闭板BPU和BPD是各自包括中间介电层CC以及两个导电板BP1和BP2的层叠板。中间介电层CC夹在两个导电板BP1和BP2之间。通常，IMS技术(英文“Insulated Metal Substrate(绝缘金属基板)”)可以用于板BPU和BPD的制造。
导电板BP1和BP2通常由铝或铜制成。板BP1和BP2的厚度将根据该厚度应当支撑的电流密度来选择。导电板BP1和BP2形成用于被施加以负极性(-)和正极性(+)的第一直流总线和第二直流总线。在以下段落中认为导电板BP1是位于所形成的壳体外部的板，并且导电板BP2是位于所形成的壳体内部的板。
通过使外部母线部分B1n和导电板BP1达到通常为负极性(-)接地电势的相同电势，形成法拉第笼(cage de Faraday)。因此，根据本发明的由母线组件形成的壳体允许获得有利于电磁兼容性(CEM)的电磁屏蔽。
中间介电层CC通常由诸如FR-4的以玻璃纤维增强的环氧型树脂形成。还可以使用由有机纤维增强的树脂以及未增强的聚酰亚胺。在某些应用中，可以通过使用已知技术而将例如控制电路的电路或者有源或无源电子元件嵌入中间介电层CC中。
在此应注意的是，本发明非常适合SiP型应用，SiP在英语里指“System inPackage(封装内系统)”。
在图5A中示出了外部母线部分B1n和上部封闭板BPU或下部封闭板BPD之间的密封组装的示例。图5A示出了在外部母线部分B1n的接合面F1处的这种组装。
在这种组装中，封闭板BPU、BPD的导电板BP1与外部母线部分B1n导电。外部母线部分B1n和导电板BP1的机械连接例如通过轴闲FX1中的螺钉(未示出)来确保。
如图5A所示，设置例如称为“Viton”(注册商标)类型的密封件20和21，以确保两个相邻外部母线部分B1n之间的在它们的接合面F1处的密封性以及外部母线部分B1n和封闭板BPU、BPD之间的密封性。密封件20被容纳在凹槽中，该凹槽在接合面F的整个高度上延伸并确保该接合面F1处的密封性。密封件21设置在形成于封闭板BPU、BPD的凸肩中，更确切地在该凸肩和形成在外部母线部分B1n的面F3中的凹槽之间。此处，密封件21还确保导电板BP1和外部母线部分B1n之间的隔开，用于该导电板BP1和外部母线部分B1n之间的电绝缘。
在此应注意到，位于散热片10之间的可拆卸固定装置(参照图5A中的箭头CE)可以用于母线组件CONV的机械组装。
在图5B中示出了内部母线部分B2n或B3n和封闭板BPU或BPD之间的组装的第一示例。图5B的组装示例对应于应当将导电板BP2和内部母线部分B2n、B3n置于相同电势的情况。如图5B所示，内部母线部分B2n、B3n的端部在此包括分度凸起12，分度凸起12被容纳于形成在导电板BP2中的锚固凹槽。此处，在内部母线部分B2n、B3n中可见用于传热和/或耐火和/或电绝缘液体的通过或填充的管道13。内部母线部分B2n和B3n以及封闭板BPU、BPD之间的机械连接例如通过沿轴线FX2穿过绝缘螺钉通道的螺钉(未示出)来确保。
在图5C中示出了内部母线部分B2n或B3n和封闭板BPU或BPD之间的组装的第二示例。图5C的组装示例对应于应当将导电板BP1和内部母线部分B2n、B3n置于相同电势的情况。如图5C所示，母线部分B2n和B3n的端部被容纳在凹槽15中，凹槽15形成在板BPU、BPD中并允许机械分度以及与导电板BP1的电接触。导电板BP2和介电板CC的材料在凹槽15中被去除，并且内部母线部分B2n、B3n的端部仅与导电板BP1电接触。电绝缘体14设置在凹槽15中，以与导电板BP1绝缘。在内部母线部分B2n、B3n中可见用于载热和/或耐火和/或电绝缘液体的通过或填充的管道16。内部母线部分B2n、B3n与封闭板BPU、BPD之间的机械连接例如通过沿轴线FX3的螺钉(未示出)来确保。
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，本领域技术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 (11)
1.一种母线组件，形成电力电子装置的壳体和散热器，所述母线组件包括以接合和电接触的方式围绕中心轴线(C)设置的多个母线扇区(S1至S6)以及垂直于所述中心轴线(C)的上部和下部封闭板，所述母线扇区各自包括界定多个内部容积的外部母线部分和至少一个内部母线部分，所述上部和下部封闭板分别接触所述母线部分的上表面和下表面，并且所述母线部分包括多个所谓的“压装”类型的电接触面。
2.根据权利要求1所述的母线组件，其特征在于，所述多个母线扇区(S1至S6)的所述外部母线部分在外表面包括散热片。
3.根据权利要求1或2所述的母线组件，其特征在于，所述多个母线扇区(S1至S6)的所述母线部分由铜和/或铝制成，并且通过对型材条的模制和/或机械加工和/或切割制成。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的母线组件，其特征在于，包括密封件，所述密封件位于相邻的所述外部母线部分之间的接合面、以及所述上部和下部封闭板与所述外部母线部分之间。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的母线组件，其特征在于，所述上部和下部封闭板是层叠类型的，并且所述上部和下部封闭板各自包括中间介电层(CC)和位于所述中间介电层两侧的两个导电板(BP1、BP2)，所述导电板与所述母线部分电接触。
6.根据权利要求5所述的母线组件，其特征在于，所述中间介电层(CC)包括至少一个嵌入式电子电路和/或有源或无源嵌入式电子元件。
7.根据权利要求5或6所述的母线组件，其特征在于，所述上部和下部封闭板中的至少一个是所谓的“IMS”类型。
8.根据权利要求5至7中任一项所述的母线组件，其特征在于，所述导电板由铜和/或铝制成。
9.根据权利要求1至8中任一项中所述的母线组件，其特征在于，在所述母线扇区中的每一个中，所述多个内部容积包括界定在所述外部母线部分的电接触面和第一内部母线部分的电接触面之间的第一内部容积(E1)，所述第一内部容积(E1)专用于电力电子电路的“压装”型安装。
10.根据权利要求9所述的母线组件，其特征在于，在所述母线扇区中的每一个中，所述多个内部容积包括形成在所述第一内部母线部分和所述中心轴线(C)之间的至少一个其他内部容积。
11.根据权利要求9所述的母线组件，其特征在于，在所述母线扇区中的每一个中，所述多个内部容积包括形成在所述第一内部母线部分和第二内部母线部分之间的第二内部容积，以及形成在所述第二内部母线部分和所述中心轴线之间的第三内部容积。
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