CN113014067B - 功率模块组件及变流器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种功率模块组件及变流器。该功率模块组件包括：功率模块和电容模块，功率模块与电容模块被配置为可拆卸连接；其中，功率模块包括第一母排，第一母排包括：第一连接部及与第一连接部相连的功率安装部；电容模块包括第二母排，第二母排包括：第二连接部及与第二连接部相连的电容安装部；其中，第一连接部与第二连接部沿第一方向延伸，功率安装部和电容安装部沿第二方向延伸，且第一连接部与第二连接部通过紧固件连接。根据本发明提供的功率模块组件，电容模块与功率模块为可分离式设计，便于对易发生故障的功率模块单独拆卸和维修。同时，电容模块的母排与功率模块的母排通过连接部直接紧固连接，有效地降低了母排间的杂散电感。

Description

功率模块组件及变流器
技术领域
本发明涉及电力设备领域，具体而言，涉及一种功率模块组件及变流器。
背景技术
对于目前使用的变流器而言，功率模块组件中的电容模块和功率模块通常设计为不可分离的结构。当功率模块组件的输出容量较大时，所需的电容及绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)等元器件较多，故功率模块组件的重量较大(单体可能重于100kg)。如需从变流器机柜中取出功率模块组件以更换失效元器件时，笨重的功率模块组件给维修工作带来了极大的困难。
另外，现有的功率模块组件中，三相功率模块各自与直流电容之间的等效换流路径一致性较差，使得三相杂散电感相差较大，导致部分直流电容上的纹波电流偏大很多，从而限制整个变流器的输出容量。
在所述背景技术部分公开的上述信息仅用于加强对本发明的背景的理解，因此它可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种功率模块组件及变流器。
本发明的其他特性和优点将通过下面的详细描述变得显然，或部分地通过本发明的实践而习得。
根据本发明的一方面，提供一种功率模块组件，包括：功率模块和电容模块；所述功率模块与所述电容模块被配置为可拆卸连接；其中，所述功率模块包括：第一母排，所述第一母排包括：第一连接部及与所述第一连接部相连的功率安装部，其中，所述第一连接部沿着第一方向延伸，所述功率安装部沿着不同于所述第一方向的第二方向延伸；所述电容模块包括：第二母排，所述第二母排包括：第二连接部及与所述第二连接部相连的电容安装部，其中，所述第二连接部沿着所述第一方向延伸，所述电容安装部沿着所述第二方向延伸；其中，所述第一连接部与所述第二连接部通过紧固件连接。
根据本发明的一实施方式，所述第一母排和所述第二母排均为叠层母排。
根据本发明的一实施方式，所述第一连接部包括第一正导电层和第一负导电层，所述第二连接部包括第二正导电层和第二负导电层；其中，所述第一正导电层，所述第一负导电层，所述第二正导电层和所述第二负导电层依次排布设置，或者，所述第一负导电层，所述第一正导电层，所述第二负导电层和所述第二正导电层依次排布设置。
根据本发明的一实施方式，所述电容模块还包括多个直流电容，所述多个直流电容中的一部分直流电容安装于所述电容安装部的正面，所述多个直流电容中的另一部分直流电容安装于所述电容安装部的反面。
根据本发明的一实施方式，所述多个直流电容以阵列形式平均分布在所述电容安装部的正面和反面。
根据本发明的一实施方式，所述功率模块还包括：三相绝缘栅双极型晶体管模组，所述三相绝缘栅双极型晶体管模组包括：第一相子模块、第二相子模块及第三相子模块；所述三相绝缘栅双极型晶体管模组与所述功率安装部连接。
根据本发明的一实施方式，在所述功率安装部中，与所述第二相子模块连接的部分的长度大于与所述第一相子模块及与所述第三相子模块连接的部分的长度。
根据本发明的一实施方式，所述功率安装部包括：与所述第一连接部相连的第一延伸部、第三连接部及与所述第三连接部相连的第二延伸部；其中，所述第一延伸部和所述第二延伸部均沿着所述第二方向延伸，所述第三连接部沿着所述第一方向延伸；并且，所述第三连接部与所述第二连接部通过紧固件连接，所述第二相子模块与所述第二延伸部连接。
根据本发明的一实施方式，所述功率模块还包括：散热装置；所述散热装置与所述功率安装部平行设置，用于对所述三相绝缘栅双极型晶体管模组进行散热。
根据本发明的一实施方式，所述第一相子模块、所述第二相子模块以及所述第三相子模块均位于所述散热装置与所述功率安装部之间。
根据本发明的一实施方式，所述功率模块还包括：散热装置；所述第一相子模块与所述第三相子模块均设置于所述散热装置的一侧，所述第二相子模块设置于所述散热装置的另一侧。
根据本发明的一实施方式，所述第二相子模块为所述三相绝缘栅双极型晶体管模组的中间相子模块。
根据本发明的一实施方式，所述功率模块组件还包括：钣金结构及定位部件；所述钣金结构包括：第一钣金结构和第二钣金结构，所述第一钣金结构包围所述功率模块，所述第二钣金结构包围所述电容模块；所述定位部件用于对所述第一钣金结构和所述第二钣金结构进行定位。
根据本发明的另一方面，提供一种变流器，包括：上述任一种功率模块组件。
根据本发明的一实施方式，所述变流器还包括：机柜；所述机柜包括柜门，所述柜门设置在所述紧固件的操作端一侧。
根据本发明提供的功率模块组件，电容模块与功率模块为可分离式设计，便于对易发生故障的功率模块单独拆卸和维修。同时，电容模块的母排与功率模块的母排通过连接部直接紧固连接，有效地降低了母排间的杂散电感。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性的，并不能限制本发明。
附图说明
通过参照附图详细描述其示例实施例，本发明的上述和其它目标、特征及优点将变得更加显而易见。
图1是根据一示例性实施方式示出的一种功率模块组件的结构示意图。
图2是根据一示例性实施方式示出的母排连接部紧固连接的立体示意图。
图3是根据一示例性实施方式示出的叠层母排连接处的平面示意图。
图4是图1所示的功率模块组件的内部结构简化示意图。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本发明将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。附图仅为本发明的示意性图解，并非一定是按比例绘制。图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。
此外，所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本发明的实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本发明的技术方案而省略所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、装置、步骤等。在其它情况下，不详细示出或描述公知结构、方法、装置、实现或者操作以避免喧宾夺主而使得本发明的各方面变得模糊。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”等应做广义理解，例如，可以是电性连接或耦接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。
如上所述，目前变流器功率模块组件中的电容模块和功率模块通常设计为不可分离式，非常不便于维修操作。因此，本发明提出一种新的功率模块组件结构，下面通过本发明的各实施方式进行具体说明。
图1是根据一示例性实施方式示出的一种功率模块组件的结构示意图。如图1所示的功率模块组件例如可以应用于逆变器等各种类型的变流器中。
参考图1，功率模块组件1包括：功率模块11和电容模块12，功率模块11与电容模块12被配置为可拆卸连接。
其中，功率模块11包括：第一母排111，第一母排111包括：第一连接部1111及与第一连接部1111相连的功率安装部1112，其中，第一连接部1111沿着第一方向延伸，功率安装部1112沿着第二方向延伸，且第二方向不同于第一方向。
优选地，第一连接部1111与功率安装部1112为垂直地相连接。需要说明的是，在本发明中，第一连接部1111与功率安装部1112的夹角在90°左右范围内(例如90°±10°)均可等同于“垂直”，并且本发明中出现的关于“垂直”的定义均适用于该解释。
电容模块12包括：第二母排121，第二母排121包括：第二连接部1211及与第二连接部1211相连的电容安装部1212，其中，第二连接部1211沿着第一方向延伸，电容安装部1212沿着第二方向延伸。
同上，第二连接部1211与电容安装部1212优选为垂直地相连接。
并且，第一连接部1111与第二连接部1211通过紧固件13连接，细节可参见图2。
紧固件13例如可以为螺栓，也可以为插头，与第一连接部1111及第二连接部1211相应位置开设的插孔配合，本发明不对紧固件13的具体形式加以限定。
根据本发明实施方式提供的功率模块组件，电容模块与功率模块为可分离式设计，便于对易发生故障的功率模块单独拆卸和维修。同时，电容模块的母排与功率模块的母排通过连接部直接紧固连接，有效地降低了母排间的杂散电感。
应清楚地理解，本发明描述了如何形成和使用特定示例，但本发明的原理不限于这些示例的任何细节。相反，基于本发明公开的内容的教导，这些原理能够应用于许多其它实施方式。
在一些实施例中，第一母排111及第二母排121均可为叠层母排。下文中对第一母排111与第二母排121均以双层叠层母排为例进行说明。
承上述，第一连接部1111与第二连接部1211紧固连接。优选地，如图3所示，第一连接部1111包括第一正导电层和第一负导电层，第二连接部1211包括第二正导电层和第二负导电层。第一连接部1111与第二连接部1211进行连接时，需按照第一正导电层，第一负导电层，第二正导电层和第二负导电层的顺序依次排布，或者按照第一负导电层，第一正导电层，第二负导电层和第二正导电层的顺序依次排布，只要保证连接后相邻导电层的极性相反即可。
也即，连接部叠层母排按照“正-负-正-负”，或者“负-正-负-正”的顺序排列，使第一母排111与第二母排121相邻导电层之间流过大小相等、方向相反的电流。基于互感抵消原理，相邻导电层间互感抵消，间隔导电层间互感加强，且感量与导电层间距离负相关，因此内侧相邻导电层抵消的电感量要大于间隔导电层增加的电感量，导致换流路径的总电感减小。因此，本发明实施例提供的连接处母排极性的交错设计能够进一步减小功率模块组件母排之间的杂散电感。
继续参考图1，电容模块12还包括多个直流电容122，多个直流电容122中的一部分安装于电容安装部1212的正面，另一部分安装于电容安装部1212的反面。优选地，直流电容122以阵列形式平均分布于电容安装部1212的正反两面。需要说明的是，在一些实施例中，电容安装部1212正反两面的直流电容122在数量上可以是相等或基本相等的，而在结构上，为使所有直流电容122均能插接在电容安装部1212上，正反两面的直流电容122可以是交错排布的。
根据本发明一些实施例提供的功率模块组件，直流电容被分为两组，分别布置在一块电容母排的正反两面，能够大幅地减小电容母排的面积，从而降低电容母排的重心和整体高度，进而使功率模块组件的结构更加紧凑，同时减小了电容模块与功率模块间的杂散电感，从而降低功率模块中IGBT的关断电压应力。
继续参考图1，功率模块11还包括：与功率安装部1112连接的三相IGBT模组112，三相IGBT模组112包括：第一相子模块1121、第二相子模块1122及第三相子模块1123。可选地，第二相子模块1122为三相IGBT模组112的中间相子模块。
优选地，如图4所示，在功率安装部1112中，与第二相子模块1122(图4中未示出)连接的部分a的长度大于与第一相子模块1121(图4中未示出)及与第三相子模块1123(图4中未示出)连接的部分b的长度。
根据本发明一些实施例提供的功率模块组件，与三相IGBT模组的中间相子模块相连的功率安装部适当地加长，使得三相子模块分别到直流电容的等效换流路径相同或基本相同，进而保证三相子模块与直流电容之间的换流路径的杂散电感相对一致，有效地均衡了三相子模块间的电应力以及直流电容的纹波电流。
承上述，继续参考图4，为使a的长度大于b的长度，功率安装部1112可以包括：与第一连接部1111相连的第一延伸部1112'、第三连接部1112”及与第三连接部1112”相连的第二延伸部1112”'。其中，第一延伸部1112'和第二延伸部1112”'沿着第二方向延伸，第三连接部1112”沿着第一方向延伸。并且，第三连接部1112”(与第一连接部1111共面)与第二连接部1211通过紧固件13连接，第二相子模块1122与第二延伸部1112”'连接，第一相子模块1121及第三相子模块1123与第一延伸部1112'连接。
继续参考图1，功率模块11还包括：与功率安装部1112平行设置的散热装置113。需要说明的是，在本发明中，散热装置113与功率安装部1112的夹角在0°左右范围内(例如0°±15°)均可等同于“平行”，并且本发明中关于“平行”的定义，均适用于该解释。
散热装置113用于对三相IGBT模组112进行散热。进一步地，可以将三相IGBT模组112设置于散热装置113与功率安装部1112之间，以将三相IGBT模组112产生的热量直接通过散热装置113传递出去。
其中，散热装置113较佳的一个实施例为水冷板，也可以是其他形式的冷却装置，本发明对此并不加以限制。
在图1所示的实施例中，第一相子模块1121与第三相子模块1123均设置于散热装置113的一侧，第二相子模块1122设置于散热装置113的另一侧。
根据本发明一些实施例提供的功率模块组件，三相IGBT模组分布于散热装置的两侧，显著减小了功率模块组件的高度，降低了维护难度，同时提高了功率模块组件的功率密度。
继续参考图1，功率模块组件1还包括：钣金结构14及定位部件15。其中，钣金结构14包括：第一钣金结构141(图中未完全显示)和第二钣金结构142，第一钣金结构141包围功率模块11，第二钣金结构142包围电容模块12。定位部件15例如可以为定位销钉，用于对第一钣金结构141和第二钣金结构142进行定位，以保证功率模块11与电容模块12对齐并可靠连接，有利于紧固件13对第一连接部1111和第二连接部1211进行紧固连接。
可选地，定位部件15可如图1中所示，设置于第一钣金结构141与第二钣金结构142对接处的两端。
承上述，如图1所示的功率模块组件1可应用于逆变器等各种类型的变流器中。变流器包括功率模块组件1和装载功率模块组件1的机柜(图中未示出)，其中，机柜的柜门设置在紧固件13的操作端所在一侧，以利于维修人员从机柜的正面对紧固件13进行相关操作，进而有利于对易发生故障的功率模块11进行单独拆卸和维修。
根据本发明实施方式提供的变流器，参考图1：在拆卸功率模块组件1时，维修人员打开柜门(位于机柜正面，垂直于箭头A所指的方向)，拆除紧固件13(位于第一连接部1111上)以使功率模块11与电容模块12分离，即可分别将功率模块11和电容模块12沿箭头A所指的反方向从机柜中依次取出；反之，在安装功率模块组件1时，维修人员可以将电容模块12和功率模块11沿箭头A所指的方向依次放入机柜中，安装紧固件13以使功率模块11与电容模块12固定连接。因此，拆装均只需通过机柜正面的柜门进行操作，无需再通过机柜的其它方位，有效降低了变流器的维修难度。
以上具体地示出和描述了本发明的示例性实施方式。应可理解的是，本发明不限于这里描述的详细结构、设置方式或实现方法；相反，本发明意图涵盖包含在所附权利要求的精神和范围内的各种修改和等效设置。

Claims (13)

1.一种功率模块组件，其特征在于，包括：功率模块和电容模块；所述功率模块与所述电容模块被配置为可拆卸连接；其中，
所述功率模块包括：第一母排和三相绝缘栅双极型晶体管模组，所述第一母排包括：第一连接部及与所述第一连接部相连的功率安装部，其中，所述第一连接部沿着第一方向延伸，所述功率安装部沿着不同于所述第一方向的第二方向延伸；所述三相绝缘栅双极型晶体管模组包括：第一相子模块、第二相子模块及第三相子模块；所述三相绝缘栅双极型晶体管模组与所述功率安装部连接；在所述功率安装部中，与所述第二相子模块连接的部分的长度大于与所述第一相子模块及与所述第三相子模块连接的部分的长度；
所述电容模块包括：第二母排，所述第二母排包括：第二连接部及与所述第二连接部相连的电容安装部，其中，所述第二连接部沿着所述第一方向延伸，所述电容安装部沿着所述第二方向延伸；
其中，所述第一连接部与所述第二连接部通过紧固件连接。
2.根据权利要求1所述的功率模块组件，其特征在于，所述第一母排和所述第二母排均为叠层母排。
3.根据权利要求2所述的功率模块组件，其特征在于，所述第一连接部包括第一正导电层和第一负导电层，所述第二连接部包括第二正导电层和第二负导电层；其中，所述第一正导电层，所述第一负导电层，所述第二正导电层和所述第二负导电层依次排布设置，或者，所述第一负导电层，所述第一正导电层，所述第二负导电层和所述第二正导电层依次排布设置。
4.根据权利要求2所述的功率模块组件，其特征在于，所述电容模块还包括多个直流电容，所述多个直流电容中的一部分直流电容安装于所述电容安装部的正面，所述多个直流电容中的另一部分直流电容安装于所述电容安装部的反面。
5.根据权利要求4所述的功率模块组件，其特征在于，所述多个直流电容以阵列形式平均分布在所述电容安装部的正面和反面。
6.根据权利要求1所述的功率模块组件，其特征在于，所述功率安装部包括：与所述第一连接部相连的第一延伸部、第三连接部及与所述第三连接部相连的第二延伸部；其中，所述第一延伸部和所述第二延伸部均沿着所述第二方向延伸，所述第三连接部沿着所述第一方向延伸；并且，所述第三连接部与所述第二连接部通过紧固件连接，所述第二相子模块与所述第二延伸部连接。
7.根据权利要求1所述的功率模块组件，其特征在于，所述功率模块还包括：散热装置；所述散热装置与所述功率安装部平行设置，用于对所述三相绝缘栅双极型晶体管模组进行散热。
8.根据权利要求7所述的功率模块组件，其特征在于，所述第一相子模块、所述第二相子模块以及所述第三相子模块均位于所述散热装置与所述功率安装部之间。
9.根据权利要求6所述的功率模块组件，其特征在于，所述功率模块还包括：散热装置；所述第一相子模块与所述第三相子模块均设置于所述散热装置的一侧，所述第二相子模块设置于所述散热装置的另一侧。
10.根据权利要求1-9任一项所述的功率模块组件，其特征在于，所述第二相子模块为所述三相绝缘栅双极型晶体管模组的中间相子模块。
11.根据权利要求1所述的功率模块组件，其特征在于，还包括：钣金结构及定位部件；所述钣金结构包括：第一钣金结构和第二钣金结构，所述第一钣金结构包围所述功率模块，所述第二钣金结构包围所述电容模块；所述定位部件用于对所述第一钣金结构和所述第二钣金结构进行定位。
12.一种变流器，其特征在于，包括：根据权利要求1-11任一项所述的功率模块组件。
13.根据权利要求12所述的变流器，其特征在于，还包括：机柜；所述机柜包括柜门，所述柜门设置在所述紧固件的操作端一侧。
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