CN112490000B - 一种薄膜母线电容器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种薄膜母线电容器，包括：电容壳体，包括灌封面侧，灌封面对面侧；电容内芯，灌封在电容壳体内；输出铜排，位于灌封面侧，用于固定连接绝缘栅双极型晶体管IGBT功率单元；输出铜排包括平行层叠、板状的正极铜排和负极铜排；正极铜排和负极铜排的一端与电容内芯固定连接，另一端穿过电容壳体向外延伸；正极铜排与负极铜排之间设有绝缘层；输入铜排，位于灌封面对侧，与电容内芯固定连接；上述薄膜母线电容器能够显著的缩短电流路径，有效降低了电容器的引线电感和杂散电感和纹波电流。

Description

一种薄膜母线电容器

技术领域

本申请涉及母线电容技术领域，尤其涉及一种薄膜母线电容器。

背景技术

在电机控制器中，电池包的直流电作为输入电源，需要通过直流母线与电机控制器连接，连接方式称之为DC-LINK或者直流支撑，由于电机控制器从电池包得到有效值或者峰值很高的脉冲电流的同时，会在直流支撑上产生很高的脉冲电压使得电机控制器难以承受，所以需要选择母线电容来连接，薄膜母线电容即是一种常用的母线电容，其包括输入铜排和输出铜排，输入铜排用于连接高压插座，输出铜排用于连接IGBT功率模块；但目前的母线电容需要通过几道转接或折弯，以同时满足输入铜排连接高压插座，输出铜排连接功率模块，如此将导致：连接后导电性能变差，功率模块与电流路径增加，杂散电感和引线电感增加。例如，一种情况是连接输入铜排和输入铜排时，均使用到了转接机构，如使用螺栓、螺母、电容转接铜排进行转接，因此需引入转接部件才能实现电容与高压插座、功率模块的连接，导致部件数量多安装复杂，同时转接的连接方式会导致导电性能变差，功率模块连接输出铜排后引线电感不均且偏大，同时绝缘难处理；另一种情况是：输入铜排和输出铜排均从灌封面引出，而高压插座位于灌封面对侧，需要将输入铜排进行至少两次折弯后从灌封面的对侧端面伸出，如此导致电容的尺寸边界增大，电流路径变长，杂散电感和引线电感增大；还有一种情况是：输出铜排经过多次折弯后从灌封面引出，同样导致电流路径变长，杂散电感和引线电感增大。

发明内容

本发明提供了一种薄膜母线电容器，以解决或者部分解决目前母线电容在连接高压插座和功率模块时需要多次转接或将铜排折弯，导致电流路径变长，杂散电感和引线电感增大的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种薄膜母线电容器，包括：

电容壳体，包括灌封面侧，灌封面对面侧；

电容内芯，灌封在电容壳体内；

输出铜排，位于灌封面侧，用于固定连接绝缘栅双极型晶体管IGBT功率单元；输出铜排包括平行层叠、板状的正极铜排和负极铜排；正极铜排和负极铜排的一端与电容内芯固定连接，另一端穿过电容壳体向外延伸；正极铜排与负极铜排之间设有绝缘层；

输入铜排，位于灌封面对侧，与电容内芯固定连接。

可选的，输入铜排的一端设有折弯部，折弯部与电容内芯通过锡焊固定连接。

进一步的，折弯部处的铜排厚度小于在电容壳体外部的输入铜排的厚度。

如上述的技术方案，正极铜排的顶面设有M个镂空部；在每个镂空部的外侧设有N个第一凸起部；M≥2，N≥2；

负极铜排的顶面设有M×N个第二凸起部，在正极铜排与负极铜排层叠时，第二凸起部从镂空部处伸出；

第一凸起部和第二凸起部用于固定连接IGBT功率单元的连接铜排。

可选的，IGBT功率单元的连接铜排通过激光焊接固定连接至第一凸起部和第二凸起部。

可选的，当IGBT功率单元固定连接至第一凸起部和第二凸起部时，IGBT功率单元与灌封面平行。

如上述的技术方案，电容壳体为中空的双层壳体，在电容壳体的中空部分设有第一冷却水管道。

如上述的技术方案，薄膜母线电容器还包括用于冷却IGBT功率单元的散热器，散热器内设有第二冷却水管道。

可选的，散热器的两侧设有加强螺杆；在电容壳体的立面上设有加强筋，加强筋上设有与加强螺杆配套的螺母；其中，立面位于灌封面侧和灌封面对面侧之间。

如上述的技术方案，IGBT功率单元为双面水冷IGBT功率模块。

通过本发明的一个或者多个技术方案，本发明具有以下有益效果或者优点：

本发明提供了一种薄膜母线电容器，首先通过正负极铜排平行层叠分布的输入铜排结构，可降低线路分布电感，从而降低功率元件两端的反向尖峰电压，降低功率器件对电压保护吸收电路的要求，提高IGBT运行的可靠性和稳定性，同时提高了电路的集成度，便于维修维护；其次，输出铜排中的正极铜排和负极铜排直接连接IGBT功率单元和电容内芯，没有采用多次转接或多次折弯的连接方式，可以有效的缩短电流路径，有助于减小电容的引线电感、杂散电感和纹波电流；再次，输入铜排直接连接电容内芯，且直接从灌封面的对侧端面伸出，在减小了电容最大边界尺寸的同时，也缩短了电流路径，减小了电容的引线电感；故而，上述手段的结合能够显著的缩短电流路径，减小了电容的各类电感。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1示出了根据本发明一个实施例的薄膜母线电容器的结构示意图；

图2示出了根据本发明一个实施例的薄膜母线电容器的内部结构的前视图；

图3示出了根据本发明一个实施例的薄膜母线电容器的内部结构的后视图图；

图4示出了根据本发明一个实施例的输出铜排的45°俯视图；

图5示出了根据本发明一个实施例的输出铜排的45°仰视图；

图6示出了根据本发明一个实施例的IGBT功率单元的示意图；

图7示出了根据本发明一个实施例的连接了IGBT功率单元的薄膜母线电容器的结构示意图；

图8示出了根据本发明一个实施例的安装了散热器的薄膜母线电容器的结构示意图；

附图标记说明：

1、电容壳体；11、加强筋；12、螺母；13、第一入水管道；14、第一出水管道；2、电容内芯；3、输出铜排；31、正极铜排；311、镂空部；312、第一凸起部；32、负极铜排；321、第二凸起部；4、输入铜排；41、折弯部；5、IGBT功率单元；51、连接铜排；6、散热器；61、加强螺杆；62、第二入水管道；63、第二出水管道。

具体实施方式

为了使本申请所属技术领域中的技术人员更清楚地理解本申请，下面结合附图，通过具体实施例对本申请技术方案作详细描述。在整个说明书中，除非另有特别说明，本文使用的术语应理解为如本领域中通常所使用的含义。因此，除非另有定义，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域技术人员的一般理解相同的含义。若存在矛盾，本说明书优先。除非另有特别说明，本发明中用到的各种设备等，均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。

为了解决目前的母线电容在连接高压插座和功率模块时需要多次转接或多次折弯铜排，导致电流路径变长，杂散电感和引线电感增大，在一个可选的实施例中，如图1～图3所示，提供了一种薄膜母线电容器，包括：

电容壳体1，包括灌封面侧，灌封面对面侧；

电容内芯2，灌封在电容壳体1内；

输出铜排3，位于灌封面侧，用于固定连接绝缘栅双极型晶体管IGBT功率单元；输出铜排3包括平行层叠、板状的正极铜排31和负极铜排32；正极铜排31和负极铜排32的一端与电容内芯2固定连接，另一端穿过电容壳体1向外延伸；正极铜排31与负极铜排32之间设有绝缘层；

输入铜排4，位于灌封面对侧，与电容内芯2固定连接。

具体的，本实施例中的输出铜排3直接与电容内芯2固定连接，分别位于灌封面一侧和灌封面对面的一侧。其中，输出铜排3采用的是板状正极铜排31和负极铜排32叠压为一体的层叠结构。之所以使用层叠的正负极铜排，是因为传统分离式铜排，受振动、盐雾和粉尘影响会严重威胁设备的安全；长期振动可能造成分离式母排连接处松动解体，潮气若渗入绝缘将导致层之间击穿，粉尘累积可能导致爬电击穿。而本实施例中的叠层铜排，通过高强度整体粘结保证长期不松动，同等电流下可以使铜排尽量减薄，用弹性补偿振动影响，全密闭结构防止潮气渗入，绝缘层的封装消除了爬点击穿的威胁。

正极铜排31和负极铜排32均直接固定连接至电容内芯2，固定连接的方式可以选用焊接。可选的，正极铜排31和负极铜排32之间的绝缘层可使用PET绝缘薄膜。

同样的，输入铜排4也直接与电容内芯2固定连接，并且与通常在灌封面处连接的方式不同，是直接在灌封面的对侧端面与电容内芯2固定连接，并从灌封面的对侧端面直接伸出，如此使输入铜排4不在需要从灌封面多次折弯到对侧端面，一方面减小了电容最大边界尺寸，另一方面也缩短了电流发热路径，减小了电容的杂散电感。

为了良好的实现输入铜排4与电容内芯2的固定连接，可选的，输入铜排4的一端设有折弯部41，折弯部41与电容内芯2通过锡焊固定连接。之所以设置折弯部41与电容内芯2焊接，是因为输入铜排4是厚板，加工应力大，直接焊接电容内芯2困难，且焊接强度不足。为了提高焊接质量，将输入铜排4的端部折弯，利用折弯部41与电容内芯2进行焊接，可显著提高焊接质量。为了减小加工应力，优选的，折弯部41处的铜排厚度小于在电容壳体1外部的输入铜排4的厚度，如此便于更便于焊接并减小加工应力。

同理，输出铜排与电容内芯连接的一端也通过折弯部进行锡焊，且折弯部处的铜排厚度小于在电容壳体外部的输出铜排的厚度。

在本方案中，为了实现输入铜排4能够从灌封面的对侧端面直接引出，一方面需要严格控制输入铜排4和电容壳体2灌封面的对侧端面上的开孔的尺寸配合精度，以使输入铜排4从开孔处伸出时避免灌封胶从开孔处流出；优选的，在输入铜排4与电容壳体2的连接处之间设置尼龙，以进一步阻止灌封胶从开孔处流出；另一方面，需要精确控制折弯部41板形和加工尺寸精度，以良好的使输入铜排4从开孔处伸出。

需要注意的是，本实施例中的方案是输出铜排3在灌封面一侧，输入铜排4在灌封面对侧的情况，而根据实际需要和上述原理，也可以将输入铜排4设置在灌封面一侧，输出铜排3设置在灌封面对侧。

总的来说，上述方案首先通过正负极铜排平行层叠分布的输出铜排结构，可降低线路分布电感，从而降低功率元件两端的反向尖峰电压，降低功率器件对电压保护吸收电路的要求，提高IGBT运行的可靠性和稳定性，同时提高了电路的集成度，便于维修维护；其次，输出铜排中的正极铜排和负极铜排直接连接IGBT功率单元和电容内芯，没有采用多次转接或多次折弯的连接方式，可以有效的缩短电流路径，有助于减小电容的引线电感、杂散电感和纹波电流；再次，输入铜排直接连接电容内芯，且直接从灌封面的对侧端面伸出，在减小了电容最大边界尺寸的同时，也缩短了电流路径，减小了电容的引线电感；故而，上述手段的结合能够显著的缩短电流路径，减小了电容的各类电感。

为了进一步降低IGBT功率单元与正负极铜排相连后的引线电感和杂散电感，如图4～图5所示，一种可选的输出铜排3的具体结构如下，正极铜排31的顶面设有M个镂空部311；在每个镂空部311的外侧设有N个第一凸起部312；M≥2，N≥2；

负极铜排32的顶面设有M×N个第二凸起部321，在正极铜排31与负极铜排32层叠时，第二凸起部321从镂空部311处伸出；

第一凸起部312和第二凸起部321用于固定连接IGBT功率单元5的连接铜排51。

具体的，在正极铜排31上设置镂空部311，然后再负极铜排32在对应镂空部311的位置处设置第二凸起部321，在按照正极铜排31在上，负极铜排32在下的顺序层叠后，负极铜排32的第二凸起部321便从正极铜排31的镂空部311处伸出，从而形成IGBT功率单元的固定连接机构，如作为焊点使用。在层叠后，输出铜排3上形成M×N组IGBT功率单元的焊接位，可同时连接M×N个功率单元。M的可选数量为3～5，N的可选数量为2～3。

可选的，层叠后的第一凸起部312和第二凸起部321处于同一平面上，如此保证了正负极铜排和IGBT功率单元的连接铜排处于同一平面上，便于IGBT功率单元的定位与焊接。本实施例中使用的IGBT功率单元5和连接铜排51的示意如图6所示。

可选的，IGBT功率单元5的连接铜排51通过激光焊接固定连接至第一凸起部312和第二凸起部321。之所以使用激光焊接，是因为一方面解决了功率模块铜排较薄，无法适配强度满足安规的螺母12；另一方面也减少了零部件尤其是小紧固件的数量，通过自动化激光焊接工艺来减少人工装配工序的占比，提高了系统整体的一致性和可靠性，同时也降低了螺栓连接的接触面较小，焦耳热效应集中等问题。

可选的，当IGBT功率单元5固定连接至第一凸起部312和第二凸起部321时，IGBT功率单元5与灌封面平行；即如图4所示，一种优选的方式是：每个镂空部311中的N个第一凸起部312的连线均与灌封面垂直，而靠近镂空部311的N个第二凸起部321的位置关系满足：第i个第一凸起部312与第i个第二凸起部321之间的连线均与灌封面平行。通过上述第一凸起部312和第二凸起部321的平行交错设计，使所有IGBT功率单元5与电容的灌封面保持平行且呈对称连接(如图7所示)，如此在缩短电流路径的基础上，还使从电容的流向IGBT功率单元5的正极和负极的电流路径等同，从而进一步减小引线电感、杂散电感和纹波电流。

为了良好的进行散热，可选的，电容壳体1为中空的双层壳体，在电容壳体1的中空部分设有第一冷却水管道。进一步的，第一冷却水管道的第一出水管道14和第一入水管道13均位于所述电容壳体1的底面。

可选的，如图8所示，薄膜母线电容器还包括用于冷却IGBT功率单元5的散热器6，散热器6内设有第二冷却水管道。可选的，第二冷却水管道的第二出水管道63连接第一出水管道14，第二入水管道62连接第一入水管道13。

在使用散热器6时，可选的，与散热器6与IGBT功率单元5之间设有三层绝缘PET薄膜。

具体的，电容和散热器6的冷却水道可共用进出水口，但冷却水管道的主体各自独立。由于电容内芯2与电容壳体1之间的灌封胶具有良好导热性，所以电容内芯2产生的热量通过灌封胶传到到电容的内壳体上，再由冷却水带走，对电容整体起到散热作用。可选的，电容的灌封导热胶可以选用环氧树脂灌封胶。

可选的，本实施例中使用的IGBT功率单元5为双面水冷的IGBT功率模块，进一步增强整个电容系统的散热能力。

为了实现散热器6与电容的稳固连接，可选的，如图8所示，散热器6的两侧设有加强螺杆61；如图2所示，在电容壳体1的立面上设有加强筋11，加强筋11上设有与加强螺杆61配套的螺母12；其中，立面位于灌封面侧和灌封面对面侧之间。具体的，在加强筋11上内嵌铜螺母，以确保散热器6上加固螺杆能与电容匹配组装。

通过本发明的一个或者多个实施例，本发明具有以下有益效果或者优点：

本发明提供了一种薄膜母线电容器，首先通过正负极铜排平行层叠分布的输出铜排结构，可降低线路分布电感，从而降低功率元件两端的反向尖峰电压，降低功率器件对电压保护吸收电路的要求，提高IGBT运行的可靠性和稳定性，同时提高了电路的集成度，便于维修维护；其次，输出铜排中的正极铜排和负极铜排直接连接IGBT功率单元和电容内芯，没有采用多次转接或多次折弯的连接方式，可以有效的缩短电流路径，有助于减小电容的引线电感、杂散电感和纹波电流；再次，输入铜排直接连接电容内芯，且直接从灌封面的对侧端面伸出，在减小了电容最大边界尺寸的同时，也缩短了电流路径，减小了电容的引线电感；故而，上述手段的结合能够显著的缩短电流路径，减小了电容的各类电感；

进一步的，通过具有镂空部的正极铜排和第二凸起部的负极铜排进行层叠的输出铜排结构，能够对称连接多个与灌封面平行的IGBT功率单元，在缩短电流路径的基础上，还使从电容的流向IGBT功率模块的正极和负极的电流路径等同，从而进一步减小了电容器的引线电感、杂散电感和纹波电流；

总的来说，通过输入铜排与输出铜排直接与电容内芯相连的集成一体结构，使薄膜母线电容的结构更为简单，避免了多次转接或多次折弯而造成的部件数量多、安装复杂、连接不可靠，导电性能差的问题。

尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的普通技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种薄膜母线电容器，其特征在于，所述薄膜母线电容器包括：

电容壳体，包括灌封面侧，灌封面对面侧；

电容内芯，灌封在所述电容壳体内；

输出铜排，位于所述灌封面侧，用于固定连接绝缘栅双极型晶体管IGBT功率单元；所述输出铜排包括平行层叠、板状的正极铜排和负极铜排；所述正极铜排和所述负极铜排的一端与所述电容内芯通过焊接的方式固定连接，另一端穿过所述电容壳体向外延伸；所述正极铜排与所述负极铜排之间设有绝缘层；所述绝缘层为PET绝缘薄膜；

输入铜排，位于所述灌封面对侧，与所述电容内芯固定连接，并从所述灌封面对侧直接伸出。

2.如权利要求1所述的薄膜母线电容器，其特征在于，所述输入铜排的一端设有折弯部，所述折弯部与所述电容内芯通过锡焊固定连接。

3.如权利要求2所述的薄膜母线电容器，其特征在于，所述折弯部处的铜排厚度小于在所述电容壳体外部的输入铜排的厚度。

4.如权利要求1所述的薄膜母线电容器，其特征在于，所述正极铜排的顶面设有M个镂空部；在每个所述镂空部的外侧设有N个第一凸起部；M≥2，N≥2；

所述负极铜排的顶面设有M×N个第二凸起部，在所述正极铜排与所述负极铜排层叠时，所述第二凸起部从所述镂空部处伸出；

所述第一凸起部和所述第二凸起部用于固定连接所述IGBT功率单元的连接铜排。

5.如权利要求4所述的薄膜母线电容器，其特征在于，所述IGBT功率单元的连接铜排通过激光焊接固定连接至所述第一凸起部和所述第二凸起部。

6.如权利要求4所述的薄膜母线电容器，其特征在于，当所述IGBT功率单元固定连接至所述第一凸起部和所述第二凸起部时，所述IGBT功率单元与所述灌封面平行。

7.如权利要求1所述的薄膜母线电容器，其特征在于，所述电容壳体为中空的双层壳体，在所述电容壳体的中空部分设有第一冷却水管道。

8.如权利要求1所述的薄膜母线电容器，其特征在于，所述薄膜母线电容器还包括用于冷却所述IGBT功率单元的散热器，所述散热器内设有第二冷却水管道。

9.如权利要求8所述的薄膜母线电容器，其特征在于，所述散热器的两侧设有加强螺杆；在所述电容壳体的立面上设有加强筋，所述加强筋上设有与所述加强螺杆配套的螺母；其中，所述立面位于所述灌封面侧和所述灌封面对面侧之间。

10.如权利要求1～9任一项所述的薄膜母线电容器，其特征在于，所述IGBT功率单元为双面水冷IGBT功率模块。

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