CN112311249B - 一种可扩展功率装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可扩展功率装置，包括：散热器、主电路、功率模块驱动电路、直流复合母排和交流输出排，其中，散热器为双面散热结构，功率模块主电路具备多个功率结构单元，各功率结构单元以镜像性对称分布方式安装于散热器上下两侧，功率模块驱动电路设置于功率模块主电路的外侧，直流复合母排为功率模块主电路提供稳定的输入电源，功率模块驱动电路控制功率模块主电路内的各功率结构单元的通断并通过交流输出排输出不同功率等级的电压。本发明实现了不同功率等级的覆盖和拓展，结构简单、紧凑、灵活，有利于降低生产和制造成本，保证了最大程度上实现标准化、平台化。

Description

一种可扩展功率装置

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，尤其是涉及一种基于XHP封装的可扩展功率装置。

背景技术

随着轨道交通领域的发展，未来轨道交通需要满足高可靠性、高效、高温度与低温适应性、高湿度性适应性，而XHP封装器件很好的满足了未来轨道交通应用需求。

目前，英飞凌、三菱、ABB等国际半导体厂家均把基于XHP封装或类XHP封装定义为下一代半导体器件的主要形式，兼容Si与SiC基。在IGBT模块杂散电感方面，XHP封装相对传统IHV器件具有更低的电感，可有效控制IGBT开关动作时的尖峰电压；在IGBT端子载流密度方面，相对IHV器件具有明显优势，有效降低IGBT端子温升；封装兼容1.7kV-6.5kV，Si基与SiC基，有助于变流模块平台构建；易于并联，有效提升变流模块功率等级。

通常，在大功率交流传动电力机车或者高速动车组中，四象限功率模块和逆变斩波功率模块是变流系统主电路的主要功率模块。四象限功率模块完成整流功能，逆变斩波功率模块完成逆变和斩波功能。根据应用工况以及功率等级需求的不同，实现两种功率模块封装时的简统化、可扩展化和平台化，是现有功率模块封装设计中尤为重要的原则。

在现有功率模块技术中，通常具有如下缺陷：(1)现有IGBT功率器件的阵列布置方式，在所需IGBT器件数量增多时，功率模块的整体宽度增大，相应的体积和重量会增加，从而导致功率模块在变流器柜中的空间利用率差，同时，功率模块无法实现不用并联需求的通用性和简统化，难以实现平台化产品；(2)现有功率模块封装技术中，针对同极复合母排采用左、右两件式结构，并通过高压连接器汇总并作为对外电气连接接口，这种封装结构非常复杂，对各结构部件的精确度和成本要求较高，轻量化设计较差，对于后期的安装维护较为不便，同时，受限于IGBT器件封装和整体结构组装等要求，该功率模块对于不同功率等级的适用性较差，且各桥臂间因电流路径不同均流性较差。综上所述，现有功率模块封装技术，从轻量化、简统化和平台化等方面考虑欠缺，不便于模块的拓展性和高集成化发展。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种可扩展功率装置，包括：散热器、功率模块主电路、功率模块驱动电路、直流复合母排和交流输出排，其中，所述散热器为双面散热结构，所述功率模块主电路具备多个功率结构单元，各所述功率结构单元以镜像性对称分布方式安装于所述散热器上下两侧，所述功率模块驱动电路设置于所述功率模块主电路的外侧，所述直流复合母排为所述功率模块主电路提供稳定的输入电源，所述功率模块驱动电路控制所述功率模块主电路内的各所述功率结构单元的通断并通过所述交流输出排输出不同功率等级的电压。

优选地，所述直流复合母排包括正极铜排和负极铜排，均为一体化的U型结构，其中，所述正极铜排和负极铜排叠层平行分布，并分别与所述功率模块主电路输入端的正、负极对应连接。

优选地，所述装置还包括：分别设置于所述散热器前后两侧的直流支撑座和交流支撑座，其中，所述直流支撑座，其与所述直流复合母排螺栓连接，用于支撑所述直流复合母排；所述交流支撑座，其与所述交流输出排螺栓连接，用于支撑所述交流输出排。

优选地，所述装置还包括：输入连接器，其与外部输入电源连接，并通过所述直流复合母排与所述直流支撑座螺栓连接。

优选地，所述装置还包括：转接铜排，所述转接铜排包含线路结构对称的正极转接排和负极转接排，其中，所述正极转接排和所述的负极转接排的第一端分别与所述直流复合母排的正、负极铜排对应连接，第二端与所述输入连接器连接。

优选地，所述装置还包括：设置于所述功率模块主电路与所述功率模块驱动电路之间的驱动安装盒，其中，所述驱动安装盒用于固定所述功率模块驱动电路，并安装于所述散热器上。

优选地，所述装置还包括：与所述交流输出排螺栓连接的外部交流排，其中，所述外部交流排，其用于按照预设的交流排连接方式，连接具有不同功率等级需求的负载，使得所述功率模块主电路形成为不同数量的所述功率结构单元并联的电路结构，以向所述负载提供符合相应功率等级的输入。

优选地，所述外部交流排选自单相交流排、两并联交流排、三并联交流排和六并联交流排中的一种，所述功率结构单元为半桥结构电路。

优选地，所述装置还包括：功率模块检测电路，所述功率模块检测电路固定安装在所述功率模块主电路外侧，用于检测各所述功率结构单元的工作状态。

优选地，所述装置还包括：安装于所述散热器的装置防护罩，所述装置防护罩用于保护装置内各结构件及电气件。

与现有技术相比，上述方案中的一个或多个实施例可以具有如下优点或有益效果：

本发明提出了一种基于XHP封装的可扩展功率装置。本发明根据XHP封装器件的特点和实际应用工况等情况，通过配置不同脉冲信号和外部电气连接方式，可实现IGBT器件并联数量的变化，同时通过不同组数功率结构单元的并联，可实现不同功率等级的覆盖和拓展，并灵活应用于四象限整流、逆变和斩波等功能。通过对主电路优化设计，完成散热器上下两侧功率结构单元的镜像性对称设计、以及一体化的U型对称式直流复合母排，一方面有效降低了各个功率结构单元内IGBT器件在通断时的尖峰电压，另一方面直流输入端到各个功率结构单元内IGBT器件的电流路径一致，有效改善了各功率结构单元间的均流性，同时减少了复合母排的使用数量，结构简单、紧凑、灵活，有利于降低生产和制造成本，保证了功率装置最大程度上实现标准化、平台化。

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

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本申请实施例的可扩展功率装置的安装爆炸图。

图2是本申请实施例的可扩展功率装置的内部结构示意图。

图3是本申请实施例的可扩展功率装置的立体示意图。

图4是本申请实施例的可扩展功率装置中的驱动安装盒8的结构示意图。

图5是本申请实施例的可扩展功率装置中的外部交流排13的连接示意图。

图6是本申请实施例的可扩展功率装置中的功率模块主电路2拓扑图的第一个示例。

图7是本申请实施例的可扩展功率装置中的功率模块主电路2拓扑图的第二个示例。

图8是本申请实施例的可扩展功率装置中的功率模块主电路2拓扑图的第三个示例。

图9是本申请实施例的可扩展功率装置中的功率模块主电路2拓扑图的第四个示例。

图10是本申请实施例的可扩展功率装置中的功率结构单元的电路拓扑图。

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。

为了克服上述背景技术中所述的缺陷，本实施例提出了一种基于XHP封装的可扩展功率装置。将功率装置内的散热器作为主支撑件，功率装置内的其余各类电器件及结构件等部分均对称分布于散热器的上下两侧，保障了输入到各个IGBT功率器件的路径一致，有效改善了各IGBT器件间的均流性，设置有多种绝缘隔离装置，节省了强弱电间仅凭空气绝缘的间隙，有效提高了已封装器件的空间利用率，缩短各类信号线的约束长度，减少信号之间的干扰，提高功率装置及其内部各功率器件运行的稳定性和可靠性。另外，本发明从模块化和平台化的思路出发，根据不同应用工况需求，通过调整外部交流排的类型和连接方式，可快速完成IGBT功率器件并联数量的配置，实现不同功率等级的覆盖和扩展。

图1是本申请实施例的可扩展功率装置的安装爆炸图。参考图1，首先需要说明的是，本发明实施例中所述的“上侧”、“下侧”、“前侧”、“后侧”、“左侧”和“右侧”的方位，是根据本发明图1中所示的针对散热器1的六个不同方位确定的，“上侧”为图1中所示的散热器1的上方方向(从散热器1的中心沿其上方方向则指向散热器1的第一面)、“下侧”为图1中所示的散热器1的下方方向(从散热器1的中心沿其下方方向则指向散热器1的第二面)、“前侧”为图1所示的指向左边的方向(从散热器1的中心沿其左边方向则指向散热器1的第三面)、“后侧”为图1所示的指向右边的方向(从散热器1的中心沿其右边方向则指向散热器1的第四面)、垂直于图1纸面并穿出纸面的方向为“左侧”(从散热器1的中心沿其垂直于纸面并穿出纸面的方向，则指向散热器1的第五面)、以及垂直于图1纸面并穿入纸面的方向为“右侧”(从散热器1的中心沿其垂直于纸面并穿入纸面的方向，则指向散热器1的第六面)。

图2是本申请实施例的可扩展功率装置的内部结构示意图。图3是本申请实施例的可扩展功率装置的立体示意图。下面结合图1、图2和图3对本发明的可扩展功率装置的结构和功能进行说明。

如图1和图2所示，可扩展功率装置至少包括：散热器1、功率模块主电路2、功率模块驱动电路9、直流复合母排5和交流输出排10。其中，散热器1为双面散热结构，为可扩展功率装置的主支撑件。散热器1的左右两侧均为对称的导轨结构，便于在变流柜体内安装拆卸，并实现双面散热。功率模块主电路2具备多个功率结构单元，各个功率结构单元以镜像性对称分布方式，固定安装于散热器1的上下两侧。功率模块驱动电路9设置于功率模块主电路2的外侧。直流复合母排5和交流输出排10分别与功率模块主电路2的输入端和输出端连接，直流复合母排5为功率模块主电路2提供稳定的输入电源，功率模块驱动电路9控制功率模块主电路2内的各功率结构单元的通断并通过交流输出排10输出不同功率等级的电压。

参考图1和图2，功率模块主电路2具备多个功率结构单元A1、A2、A3、B1、B2、B3，均匀分布在散热器1上下两侧。具体地，一方面，在散热器1上侧安装有预设功率单元数量的功率结构单元A1、A2、A3，且以并联方式连接，在散热器1下侧也安装有相同功率单元数量的功率结构单元B1、B2、B3，且以并联方式连接，使得安装有功率模块主电路2的散热器1的上、下两侧对称。另外，为了进一步保障散热器1的上下侧对称式结构，散热器1上侧的各功率结构单元与散热器1下侧的各功率结构单元的安装方向应是镜像的，具体来说，就是散热器1上侧的各功率结构单元B1、B2、B3之间的并联连接点、器件不同功能端口(例如：阴极端口、阳极端口、集电极端口、控制端口、发射极端口等)的分布位置，分别与散热器1下侧的各功率结构单元A1、A2、A3之间的并联连接点、器件不同功能端口的分布位置一一对应，使得安装有功率模块主电路2的散热器1的上、下两侧对称。

优选地，在本发明实施例中，功率单元数量优选为6个，参考图6、图7、图8、图9。图10是本申请实施例的可扩展功率装置中的功率结构单元的电路拓扑图。如图10所示，本发明实施例中的功率结构单元优选为半桥结构电路，具体电路结构包括串联的上桥臂功率模块和下桥臂功率模块，每个单桥臂功率模块均包括IGBT器件及反接于输出端的续流二极管。

进一步，在本发明实施例中，功率模块驱动电路9设置于功率模块主电路2的外侧。其中，功率模块驱动电路9具备多个功率单元驱动电路，功率单元驱动电路的数量与上述功率结构单元的数量相匹配，使得每个功率结构单元都配备有一个功率单元驱动电路对其内部的上下桥臂中的IGBT器件的关断进行时序控制。进一步，通过功率单元驱动电路对各功率结构单元的控制，使得功率模块主电路2在各功率结构单元的相互配合下，完成四象限整流、逆变和斩波等功能。在本发明实施例中，在散热器1上侧的各功率结构单元A1、A2、A3的上侧，设置有分别控制这三个功率结构单元的三个功率单元驱动电路；并且，在散热器1下侧的各功率结构单元B1、B2、B3的下侧，也设置有分别控制这三个功率结构单元的三个功率单元驱动电路，使得布置有功率模块驱动电路9的散热器1的上、下两侧对称。这样，本发明实施例通过IGBT器件镜像对称性的安装布置在散热器1两侧的方式，相比较单面的阵列式布局方式，可有效利用空间尺寸，通用性和适用范围更加广泛。

进一步，在本发明实施例中，功率装置还包括：功率模块检测电路3。功率模块检测电路3设置在功率模块主电路2与上述功率模块驱动电路9之间，并且固定安装在功率模块主电路2的外侧。其中，功率模块检测电路3具备多个功率单元检测电路，功率单元检测电路的数量与上述功率结构单元的数量相匹配，使得每个功率结构单元都配备有一个功率单元检测电路，用来检测每个功率结构单元的工作状态。在本发明实施例中，在散热器1上侧的各功率结构单元A1、A2、A3的上侧，分别固定安装有检测这三个功率结构单元的三个功率单元检测电路；并且，在散热器1下侧的各功率结构单元B1、B2、B3的下侧，也分别固定安装有检测这三个功率结构单元的三个功率单元检测电路，使得布置有功率模块检测电路3的散热器1的上、下两侧对称。

进一步，参考图1和图2，在散热器1的前后两侧分别布置有直流复合母排5和交流输出排10。直流复合母排5包括正极铜排和负极铜排，正极铜排分别与功率模块主电路2内分布于散热器1两侧的功率结构单元的输入端的正极Ud+连接，并且负极铜排分别与功率模块主电路2内分布于散热器1两侧的功率结构单元的输入端的负极Ud-连接。其中，正极铜排与负极铜排以叠层方式平行分布，正极铜排为一体化的U型结构，并且负极铜排也为一体化的U型结构。这样，本发明利用一体化U形设计的直流复合母排5将散热器1两侧的IGBT器件的直流侧连接起来，有效降低了直流回路的杂散电感和IGBT器件通断时的尖峰电压。

进一步，参考图1和图2，在本发明实施例中，交流输出排10的数量与散热器1两侧的功率结构单元的数量相匹配，每个功率结构单元配备有一个交流输出排10。其中，每个功率结构单元内的上桥臂模块和下桥臂模块的连接点作为当前功率结构单元的输出端与相应的交流输出排10连接。

进一步，参考图1和图2，本发明实施例所述的功率装置还包括：直流支撑座4和交流支撑座11。其中，直流支撑座4和交流支撑座11均采用绝缘材料，分别固定安装于散热器1的前、后两侧。直流支撑座4位于直流复合母排5的U型结构的凹部位置处，用于支撑直流复合母排5，使得直流复合母排5长时间保持其U型结构，同时，直流复合母排5的U型凹部处通过螺栓固定安装在直流支撑座4上。交流支撑座11与交流输出排10螺栓连接，用于支撑交流输出排10。也就是说，交流输出排10的一端与功率模块主电路2内各功率结构单元的输出端连接，另一端通过螺栓固定安装在交流支撑座11上。这样，通过直流支撑座4和交流支撑座11的设置，可以分别实现直流复合母排5与散热器1之间的电气隔离、以及交流输出排10与散热器1之间的电气隔离。

进一步，参考图1和图2，本发明实施例所述的功率装置还包括：输入连接器7。输入连接器7与外部输入电源(例如，变流柜体内支撑电容母排，支撑电容母排可从用于存储母线电压的支撑电容组处获取直流母线电源能量)连接。输入连接器7采用可快速插拔的连接件，通过螺栓安装紧固在直流支撑座4上，进一步，输入连接器7经过直流复合母排5与直流支撑座4螺栓连接。这样，本发明通过可快速插拔的输入连接器7的设置，实现了功率装置与变流柜体的快速连接、安装。

进一步，参考图1和图2，本发明实施例所述的功率装置还包括：转接铜排6。接铜排6包括：正极转接排和负极转接排，其中，正极转接排与负极转接排具备线路长度、线路结构等方面完全相同的设计，使得正极转接排与负极转接排以对称的线路接入直流复合母排的正、负极铜排。具体地，正极转接排第一端与直流复合母排5的正极铜排连接，正极转接排第二端与输入连接器7的正极端接口连接。负极转接排第一端与直流复合母排5的负极铜排连接，负极转接排第二端与输入连接器7的负极端接口连接。

本发明将一体化对称式U型设计的直流复合母排5，通过对称设计的转接铜排6快速连接到输入连接器7上，并完成与变流柜体内支撑电容组母排的快速电气连接，既有效的保证了直流输入端到各个功率结构单元内的IGBT器件之间的电流路径的一致性，提高了功率结构单元并联运行时的均流性和可靠性，又极大的节省了功率装置的安装和维护时间。

另外，本发明实施例中所述的功率装置还包括：驱动安装盒8。图4是本申请实施例的可扩展功率装置中的驱动安装盒8的结构示意图。本发明实施例的驱动安装盒8是采用绝缘材料一体化开模加工而成的，如图4所示，驱动安装盒8上的螺栓位置用于安装散热器1单侧的功率模块驱动电路9中的功率单元驱动电路，驱动安装盒8上设置有中空槽，中空槽中部设置有绝缘隔板81。

进一步，参考图1和图2，驱动安装盒8设置于功率模块主电路2与功率模块驱动电路9之间，用于固定功率模块驱动电路9，并安装于散热器1上。具体地，本发明的驱动安装盒8有两个，第一个驱动安装盒8位于散热器1上侧的功率模块主电路2与功率模块驱动电路9之间，固定安装于散热器1的第一面上，用于保护散热器1上侧的多个功率结构单元和多个功率单元检测电路，同时，位于散热器1上侧的多个功率单元驱动电路固定安装在第一驱动安装盒8上；第二个驱动安装盒8位于散热器1下侧的功率模块主电路2与功率模块驱动电路9之间，固定安装于散热器1的第二面上，用于保护散热器1下侧的多个功率结构单元和多个功率单元检测电路，同时，位于散热器1下侧的多个功率单元驱动电路固定安装在第二驱动安装盒8上。

更进一步地说，安装于散热器1上、下两侧的绝缘隔板81，其内侧有用于连接同侧交流输出排10和功率模块主电路2的电气连接端子(未图示)，主要用于将同侧的功率模块驱动电路9与该电气连接端子之间形成电气绝缘隔离，避免强弱电之间的放电。具体地，安装于散热器1上侧的绝缘隔板81，其下侧为用于连接散热器1上侧的交流输出排10、和功率模块主电路2中的位于散热器1上侧的功率结构单元的电气连接端子(未图示)，该侧绝缘隔板81主要用于将功率模块驱动电路9与该侧电气连接端子之间形成电气绝缘隔离，避免强弱电之间的放电。进一步，安装于散热器1下侧的绝缘隔板81，其上侧为用于连接散热器1下侧的交流输出排10、和功率模块主电路2中的位于散热器1下侧的功率结构单元的电气连接端子(未图示)，该侧绝缘隔板81主要用于将功率模块驱动电路9与该侧电气连接端子之间形成电气绝缘隔离，避免强弱电之间的放电。另外，驱动安装盒8上设置的中空槽可方便功率模块检测电路3和功率模块驱动电路9之间通过线束连接并进行信号传输而提供相应的线路布线空间。

本发明驱动安装盒8的设置，用于安装单侧的功率单元驱动电路，并通过设计的绝缘隔板实现功率模块驱动电路9与功率模块主电路2之间的电气绝缘，节省了强弱电仅凭空气绝缘的间隙，有效提高了空间利用率。同时，可以缩短功率模块检测电路3到功率模块驱动电路9之间的信号线束长度，减少功率模块驱动电路9输出的驱动信号的干扰，提高功率结构单元内的IGBT器件运行的稳定性和可靠性。

此外，本发明实施例中所述的功率装置还包括：装置防护罩12。如图1和图2所示，装置防护罩12固定安装于散热器1上，用于保护装置内包括散热器1、功率模块主电路2、功率模块检测电路3、直流支撑座4、直流复合母排5、功率模块驱动电路6、驱动安装盒8、功率模块驱动电路9和交流输出排10等在内的各类结构件及电气件。具体地，本发明的装置防护罩12有两个，第一个装置防护罩12固定安装于散热器1的第一面(上侧)上；第二个装置防护罩12固定安装于散热器1的第二面(下侧)上。

进一步，如图3所示，功率装置的散热器1与散热器1上下两侧的装置防护罩12构成了导轨式结构。其中，散热器1与散热器1上侧的装置防护罩12形成为两处第一导轨凹槽13，分布在功率装置左右两侧；散热器1与散热器1下侧的装置防护罩12形成为两处第二导轨凹槽14，并分布在功率装置左右两侧。所述第一导轨凹槽13和所述第二导轨凹槽14构成为功率装置的导轨式结构。功率装置的导轨式结构能够与变流柜体内的功率装置安装位置处所设置的导轨相匹配，使得散热器1左右两侧的导轨可便于在变流柜体内安装拆解，并实现双面散热设计。

进一步，本发明从模块化和平台化的思路出发，根据功率装置适用于的不同应用工况需求，通过调整外部交流排13的种类、以及交流排连接方式等操作，可快速完成功率结构单元并联数量的配置，使得本发明的功率装置可实现不同功率等级的覆盖和拓展。图5是本申请实施例的可扩展功率装置中的外部交流排13的连接示意图。如图5所述，功率装置还包括：外部交流排13。外部交流排13与交流输出排10螺栓连接，进一步，外部交流排13经过交流输出排10利用螺栓安装在上述交流支撑座11上。外部交流排13用于按照预设的交流排连接方式，连接具有不同功率等级需求的负载，使得功率模块主电路形成为不同数量的功率结构单元并联的电路结构，以向负载提供符合相应功率等级的输入(电源)。这样，本发明无需改变功率装置内部主电路2的结构，只需调整外部交流排13的连接方式和/或种类，即可实现功率结构单元不同数量的并联，从而实现功率等级可拓展性。

其中，本发明的外部交流排13选自单相交流排131、两并联交流排132、三并联交流排133和六并联交流排134中的一种。图5分别展示了外部交流排13在选取相应类型的交流排时所采用的交流排连接方式。

在第一个实施例中，当选择单相交流排131为外部交流排13时，对应的交流排连接方式如图5所示，此时，装置内的主电路2，如图6所示。图6是本申请实施例的可扩展功率装置中的功率模块主电路2拓扑图的第一个示例。图6展示了当采用单相交流排131时，均匀分布于散热器1上下两侧的功率结构单元A1、A2、A3、B1、B2、B3所构成的功率模块主电路2的电路拓扑图，此时，构成PM1型功率装置。PM1型功率装置的功率模块主电路2，形成为有单(1个)功率结构单元并联的电路结构，其输出端有六个独立的输出接口端L1U、L1V、L1W、L2U、L2V、L2W，使得当前功率装置具有两路三相输出。更具体地说，在实际应用过程中，对于采用单相交流排131的PM1型功率装置，可连接三相负载，例如：机车、动车或城规等常用的三相电机等类型的负载。进一步，当前PM1型功率装置有两路三相输出，可分别连接功率等级较低的两个三相电机，具体功率等级根据IGBT型号和实际工况等情况来确定。

在第二个实施例中，当选择两并联交流排132为外部交流排13时，对应的交流排连接方式如图5所示，此时，装置内的主电路2，如图7所示。图7是本申请实施例的可扩展功率装置中的功率模块主电路2拓扑图的第二个示例。图7展示了当采用两并联交流排132时，均匀分布于散热器1上下两侧的功率结构单元A1、A2、A3、B1、B2、B3所构成的功率模块主电路2的电路拓扑图，构成PM2型功率装置。PM2型功率装置的功率模块主电路2，形成为有两个功率结构单元并联的电路结构，其输出端有三个独立的输出接口端L1U、L1V、L1W，使得当前功率装置具有1路三相输出。更具体地说，在实际应用过程中，对于采用两并联交流排132的PM2型功率装置，可连接三相负载，例如：机车、动车或城规等常用的三相电机等类型的负载。

在第三个实施例中，当选择三并联交流排133为外部交流排13时，对应的交流排连接方式如图5所示，此时，装置内的主电路2，如图8所示。图8是本申请实施例的可扩展功率装置中的功率模块主电路2拓扑图的第三个示例。图8展示了当采用三并联交流排133时，均匀分布于散热器1上下两侧的功率结构单元A1、A2、A3、B1、B2、B3所构成的功率模块主电路2的电路拓扑图，构成PM3型功率装置。PM3型功率装置的功率模块主电路2，形成为有三个功率结构单元并联的电路结构，其输出端有两个独立的输出接口端L1U、L1V。更具体地说，在实际应用过程中，对于采用三并联交流排133的PM3型功率装置，可将两个PM3型的功率装置并联使用，以将其作为具有逆变功能的装置，此时会有L1U、L1V、L2U、L2V四路输出，其中三路可连接一个三相电机，另一路输出可作为斩波相使用。

在第四个实施例中，当选择六并联交流排134为外部交流排13时，对应的交流排连接方式如图5所示，此时，装置内的主电路2，如图9所示。图9是本申请实施例的可扩展功率装置中的功率模块主电路2拓扑图的第四个示例。图9展示了当采用六并联交流排134时，均匀分布于散热器1上下两侧的功率结构单元A1、A2、A3、B1、B2、B3所构成的功率模块主电路2的电路拓扑图，构成PM4型功率装置。PM4型功率装置的功率模块主电路2的，形成为有六个功率结构单元并联的电路结构，其输出端有1个独立的输出接口端L1U。更具体地说，在实际应用过程中，对于采用六并联交流排134的PM4型功率装置，因该种主电路拓扑结构对应的输出功率等级较高，需将两个PM4型的功率装置并联使用，以将其作为具有整流功能的装置，此时会有L1U、L2U两路输出，可为逆变侧功率装置(或其他用途)提供稳定的直流电源。

根据上述本发明的外部交流排13的类型及连接方式的变化，在不改变内部功率模块主电路2结构的情况下，实现了不同功率输出等级的功率装置。其中，PM2型、PM3型和PM4功率装置是由PM1型基础结构并联拓展实现的，区别在于功率装置上的功率结构单元的并联数量和外部连接铜排(外部交流排13)结构不同，最大程度上保证了结构件的通用性，有效的降低了成本。根据应用工况需求，PM1型、PM2型、PM3型和PM4型功率装置可实现自由组合，完成四象限整流、逆变和斩波等功能。另外，本发明根据主电路2拓扑要求，采用独立输出铜排连接固定可更好的进行主电路匹配，通过调整外部连接铜排(外部交流排13)的结构，即可实现不同IGBT器件的并联数量，有利于实现物料的简统化。

本发明实施例提出了一种基于XHP封装的可扩展功率装置。该装置包括：散热器1、功率模块主电路2、功率模块检测电路3、直流支撑座4、直流复合母排5、功率模块驱动电路6、输入连接器7、驱动安装盒8、功率模块驱动电路9、交流输出排10、交流支撑座11和装置防护罩12等各类结构件及电气件。本发明根据XHP封装器件的特点和实际应用工况等情况，通过配置不同脉冲信号和外部电气连接方式，可实现IGBT器件并联数量的变化，同时通过不同组数功率结构单元的并联，可实现不同功率等级的覆盖和拓展，并灵活应用于四象限整流、逆变和斩波等功能。通过对主电路优化设计，完成散热器上下两侧功率结构单元的镜像性对称设计、以及一体化的U型对称式直流复合母排，一方面有效降低了各个功率结构单元内IGBT器件在通断时的尖峰电压，另一方面直流输入端到各个功率结构单元内IGBT器件的电流路径一致，有效改善了各功率结构单元间的均流性，同时减少了复合母排的使用数量，结构简单、紧凑、灵活，有利于降低生产和制造成本，保证了功率装置最大程度上实现标准化、平台化。

虽然本发明所披露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (8)

1.一种可扩展功率装置，其特征在于，包括：散热器、功率模块主电路、功率模块驱动电路、直流复合母排和交流输出排，其中，所述散热器为双面散热结构，所述功率模块主电路具备多个功率结构单元，各所述功率结构单元以镜像性对称分布方式安装于所述散热器上下两侧，所述功率模块驱动电路设置于所述功率模块主电路的外侧，所述直流复合母排为所述功率模块主电路提供稳定的输入电源，所述功率模块驱动电路控制所述功率模块主电路内的各所述功率结构单元的通断并通过所述交流输出排输出不同功率等级的电压，其中，各功率结构单元的直流端位于所述散热器的同一侧，各功率结构单元的交流端位于所述散热器的同一侧，所述散热器的前后两侧分别布置有所述直流复合母排和所述交流输出排，其中，所述装置还包括：

分别设置于所述散热器前后两侧的直流支撑座和交流支撑座，其中，所述直流支撑座为U型结构，所述直流支撑座与所述直流复合母排螺栓连接并位于所述直流复合母排的U型结构的凹部位置处，用于支撑所述直流复合母排，以及所述交流支撑座，用于支撑所述交流输出排，其中，所述交流输出排的一端与所述功率模块主电路内各功率结构单元的输出端连接，所述交流输出排的另一端通过螺栓固定安装在所述交流支撑座上；

设置于所述功率模块主电路与所述功率模块驱动电路之间的驱动安装盒，其中，所述驱动安装盒采用绝缘材料制成，用于固定所述功率模块驱动电路，并安装于所述散热器上，每个驱动安装盒上设置有中空槽，中空槽的中部设置有绝缘隔板，所述绝缘隔板的内侧有用于连接同侧交流输出排和所述功率模块主电路的电气连接端子。

2.根据权利要求1所述的可扩展功率装置，其特征在于，所述直流复合母排包括正极铜排和负极铜排，均为一体化的U型结构，其中，所述正极铜排和负极铜排叠层平行分布，并分别与所述功率模块主电路输入端的正、负极对应连接。

3.根据权利要求1所述的可扩展功率装置，其特征在于，所述装置还包括：

输入连接器，其与外部输入电源连接，并通过所述直流复合母排与所述直流支撑座螺栓连接。

4.根据权利要求3所述的可扩展功率装置，其特征在于，所述装置还包括：转接铜排，所述转接铜排包含线路结构对称的正极转接排和负极转接排，其中，所述正极转接排和所述的负极转接排的第一端分别与所述直流复合母排的正、负极铜排对应连接，第二端与所述输入连接器连接。

5.根据权利要求1~4中任一项所述的可扩展功率装置，其特征在于，所述装置还包括：与所述交流输出排螺栓连接的外部交流排，其中，

所述外部交流排，其用于按照预设的交流排连接方式，连接具有不同功率等级需求的负载，使得所述功率模块主电路形成为不同数量的所述功率结构单元并联的电路结构，以向所述负载提供符合相应功率等级的输入。

6.根据权利要求5所述的可扩展功率装置，其特征在于，所述外部交流排选自单相交流排、两并联交流排、三并联交流排和六并联交流排中的一种，所述功率结构单元为半桥结构电路。

7.根据权利要求5所述的可扩展功率装置，其特征在于，所述装置还包括：功率模块检测电路，所述功率模块检测电路固定安装在所述功率模块主电路外侧，用于检测各所述功率结构单元的工作状态。

8.根据权利要求1~4中任一项所述的可扩展功率装置，其特征在于，所述装置还包括：安装于所述散热器的装置防护罩，所述装置防护罩用于保护装置内各结构件及电气件。

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