CN113261100A - 电力电子系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电子系统，包括多个通过电模块连接彼此连接的相邻的基本电力电子模块，每个基本模块包括集成在印刷电路上的至少一个功率器件，印刷电路插入两个导电散热器之间。有利地，电模块连接是通过在其侧面和/或中心连接表面处的散热器提供的。

Description

电力电子系统
技术领域
本发明涉及电力电子系统。本发明在静态功率变换器领域中找到至少一种特别有利的应用。
背景技术
电力电子变换器通常包括彼此连接的基本功率模块。
为了确保基本功能，例如电子开关功能，每个基本功率模块包括以芯片形式组装的诸如晶体管(例如，绝缘栅双极晶体管IGBT)和二极管的功率器件。
基本功率模块的功率器件产生的热量必须要散出去。
基本功率模块通常导入到冷却或散热器系统。
包含例如金属翅片的空气冷却系统是电力电子学中的标准解决方案，其中金属翅片焊接在铝制底座上，而铝制底座导入到芯片载体的背面上。
但是，这种系统的效率不是最佳的。
它的尺寸和质量都比较大。
另一解决方案主要是使用液体冷却系统，以增加功率模块与周围流体之间的热交换。
然而，这样的系统需要液压回路，从而导致其成本高于空气冷却系统，其维护也更为复杂。
另一种解决方案主要在于将功率模块内器件的两个面冷却。
如图1所示，功率器件于是被插入第一散热器和第二散热器之间，第一散热器面向功率器件的第一面，第二散热器面向器件的第二面，第二面与第一面相反。
第一散热器还可以连接件到功率器件的第一电极，例如阳极，从而向功率器件提供第一电连接件，例如阳极连接件。
第二散热器也可以连接件到功率器件的第二电极，例如阴极，从而确保到功率器件的第二电连接件，例如阴极连接件。
该解决方案有利地允许对功率模块的散热器进行功能化。因此，可以以所述功率模块的堆叠的形式将若干功率模块组装成所谓的“压装”配置，以生成电子单元，该电子单元包括通过其散热器互连的至少两个功率模块。
然而，这样的组装需要施加很高的外部压力，以限制互连的功率模块的陶瓷外壳和其散热器之间的接触热阻。
因此，这种类型的“压装”组件包括围绕功率模块的压力机或压力装置。
该压力装置通常很笨重。
因此，“压装”组件允许将两个功率模块串联起来，但不适用于将功率模块并联起来。
该组件也会引起大的寄生电感，这与使用包括快速开关功率器件的电子单元不太兼容。
本发明的目的是至少部分地克服上述中的一些缺点。
根据一个特定方面，本发明的目的是提供一种电子系统，该电子系统包括并联和/或串联的功率模块，具有简单且有效的冷却系统。
本发明的另一个目的是提供一种电子系统，该电子系统包括限制寄生电感的功率模块的组件。
通过阅读以下说明和附图，本发明的其他目的、特征和优点将更为清楚。可以理解的是，其他优点也可以并入其中。
发明内容
为了实现该目的，第一方面涉及一种包括至少一个电子单元的电子系统，所述至少一个电子单元包括：
-第一基本电力电子模块，称为第一基本模块，
-第二基本电力电子模块，称为第二基本模块，
所述第一和第二基本模块彼此邻近并连接。
这些第一和第二基本模块中的每一个都包括：
-至少一个功率器件，优选地集成在印刷电路上或印刷电路中，
-第一导电散热器，称为阳极散热器，其连接至功率器件的称为阳极的第一电极，以及
-第二导电散热器，称为阴极散热器，其连接到功率器件的称为阴极的第二电极。
有利地，每个阴极散热器都具有称为中心阴极表面的第一连接表面以及至少一个称为阴极侧表面的第二连接表面。
此外，每个阳极散热器都具有称为中心阳极表面的第一连接表面和至少一个称为阳极侧表面的第二连接表面。
有利地，相邻的第一和第二基本模块的连接包括：
-第一基本模块的阳极侧表面和阴极侧表面中的至少一个，与
-第二基本模块的阳极侧表面和阴极侧表面中的至少一个
之间的至少一个侧面导电电气连接。
根据本发明并且特别有利地，功率模块可以通过其散热器的侧连接表面横向连接。
该第一配置允许简单地将功率模块并联或反并联连接。
该第一配置还允许串联连接功率模块，例如通过将要连接的功率模块的其中一个旋转180°来进行串联连接。
功率模块还可以通过它们的散热器的中心连接表面进行垂直连接。
该第二配置允许简单地将功率模块串联连接起来。
该第二配置也允许将功率模块并联或反并联地连接，例如通过将其中一个要连接的功率模块旋转180°。
这种包括根据前述第一和/或第二配置连接的电子模块的电子系统有利地允许在电力电子领域中生产可能具有多电平或交错配置的诸如开关单元、斩波器、或逆变器的各种结构。
每个基本功率模块都配备有两个散热器，从而提高了电子系统的整体冷却效率。
附图说明
通过对本发明的由以下附图示出的实施例的详细描述，本发明的目的、主旨以及特征和优点将更为清楚，其中：
-图1示出了根据现有技术的基本电力电子模块的物理体现示意图；
-图2A示出了电子单元的电路图，其中该电子单元包括两个串联的功率器件；
-图2B示出了根据现有技术的图2A中示出的电子单元的物理体现示意图；
-图3A示出了包括两个并联的功率器件的电子单元的电路图；
-图3B示出了根据本发明的一个实施例的图3A中示出的电子单元的物理体现示意图；
-图3C示出了根据本发明的另一个实施例的图3A中示出的电子单元的物理体现示意图；
-图3D示出了根据本发明的另一个实施例的图3A中示出的电子单元的物理体现示意图；
-图4A示出了开关单元的电路图；
-图4B示出了根据本发明的一个实施例的图4A中示出的开关单元的物理体现示意图；
-图4C示出了根据本发明的另一个实施例的图4A中示出的开关单元的物理体现示意图；
-图4D示出了根据本发明的另一个实施例的图4A中示出的开关单元的物理体现示意图；
-图5A示出了与开关单元的串联连接相对应的电子多电平变换系统的一部分的电路图；
-图5B示出了根据本发明的一个实施例的图5A中示出的电子多电平变换系统的一部分的物理体现示意图；
-图6A示出了与开关单元的并联布置相对应的交错斩波器类型的电子功率变换系统的电路图；
-图6B示出了根据本发明的一个实施例的图6A中示出的交错斩波器类型的功率变换电子系统的物理体现示意图；
-图7A示出了根据本发明的一个实施例的基本电力电子模块的物理体现示意图；
-图7B示出了根据本发明的另一个实施例的基本电力电子模块的物理体现示意图；
-图8A示出了通过电感器耦合到负载的开关单元的电路图；
-图8B示出了根据本发明的一个实施例的图8A中示出的电感器的物理体现示意图；
-图9A示出了根据本发明的一个实施例的散热器的物理体现示意图；
-图9B示出了根据本发明的另一个实施例的散热器的实施例实物；
-图10A示出了根据本发明的一个实施例的电容性侧电连接件的物理体现示意图；
-图10B示出了根据本发明的另一个实施例的电容性侧电连接件的物理体现示意图；
-图11A示出了根据本发明的一个实施例的电子系统的物理体现示意图；
-图11B示出了根据图11A中示出的本发明的实施例的电子系统的沿图11A中所示平面A-A截取的横截面的物理体现示意图；
-图12示出了在根据本发明的一个实施例的基本电力电子半模块上执行的热模拟结果。
附图是通过示例的方式给出的并且并不限制本发明。这些附图构成旨在促进对本发明的理解的示意性原理表示，并且不一定是实际应用的比例。
特别地，所示的印刷电路、散热器和电连接件的各层和各部分的厚度和尺寸并不代表实际情况。
在本专利申请中，使用以下符号：
对于基本电力电子模块X，应注意：
X0：该模块的印刷电路，
X1，X2：该模块的第一和第二散热器，
X10，X20：第一和第二散热器的中心连接面，
X11，X12：第一散热器的侧连接面，
X21，X22：第二散热器的侧连接面，
X00，X00A，X00B：该模块的电子器件。
在本专利申请中，第一模块X的散热器Xi(i＝1，2)和第二模块Y的散热器Yj(j＝1，2)之间的导电电连接件表示为：
XiYjC
在本专利申请中，第一模块X的散热器Xi(i＝1，2)和第二模块Y的散热器Yj(j＝1，2)之间的电容性电连接件表示为：
XiYjCP
在本专利申请中，第一模块X的散热器Xi(i＝1，2)和第二模块Y的散热器Yj(j＝1，2)之间的绝缘电连接件表示为：
XiYjI
页面上所示的连接方向是按照从左到右、从底部到顶部以及从前到后理解的。
电子单元表示为Cn。
为了清楚起见，在附图上不必示出每个基本电力电子模块和/或每个电子单元的所有附图标记。
然而，可以从上面解释的符号和随后的详细描述中容易地推导出未在附图中明确引用的元件的附图标记。
具体实施方式
在开始对本发明的实施例进行详细的描述之前，要回顾的是，根据第一方面，本发明特别地包括下面的可选特征，这些可选特征可以组合使用或替代地使用：
-根据一个实施例，在相邻的第一和第二基本模块之间的电模块连接件还包括在：
·第一基本模块的阳极侧表面和阴极侧表面中的至少另一个，与
·第二基本模块的阳极侧表面和阴极侧表面中的至少另一个
之间的电容性侧电连接件和绝缘侧电连接件中的一个。
-根据一个实施例，第一基本模块的至少一个阳极侧表面通过导电侧电连接件连接到第二基本模块的至少一个阴极侧表面，并且第一基本模块的至少一个阴极侧表面通过电容性侧电连接件和绝缘侧电连接件连接到第二基本模块的至少一个阳极侧表面。
-根据一个实施例，第一基本模块的至少一个功率器件为第一功率晶体管和第一功率二极管中的一个(例如IGBT类型的)，并且第二基本模块的至少一个功率器件为第二功率晶体管和第二功率二极管中的一个，使得电子单元形成开关单元。
-根据一个实施例，该系统包括彼此连接的多个相邻的电子单元，多个电子单元中的一个电子单元通过单元的电连接件与相邻的至少一个电子单元连接，所述单元的电连接件包括在：
·所述单元的中心阳极表面和阴极表面中的至少一个，以及
·与所述单元相邻的至少一个单元的中心阳极表面和阴极表面中的至少一个
之间的导电中心电连接件、电容性中心电连接件以及中心绝缘电连接件中的至少一个。
-根据一个实施例，单元的电连接件包括在：
·所述单元的中心阳极表面和阴极表面中的至少一个，与
·与所述单元相邻的至少一个单元的中心阳极表面和阴极表面中的至少一个
之间的导电中心电连接件，
还包括在：
·单元的中心阳极表面和阴极表面中的至少另一个，与
·与所述单元相邻的至少一个单元的中心阳极表面和阴极表面中的至少另一个
之间的电容性中心电连接件和中心绝缘电连接件中的一个。
-根据一个实施例，单元的至少一个中心阴极表面通过导电中心电连接件连接到相邻单元的至少一个中心阳极表面，并且单元的至少一个中心阳极表面通过中心绝缘电连接件连接到相邻单元的至少一个中心阴极表面。
-根据一个实施例，多个电子单元中的每个电子单元是开关单元，使得该系统形成多电平功率变换器的子组件。
-根据一个实施例，单元的电连接件还包括：
·单元的阳极侧表面和阴极侧表面中的至少一个，与
·与所述单元相邻的至少一个其他单元的阳极侧表面和阴极侧表面中的至少一个
之间的至少一个导电侧电连接件。
-根据一个实施例，该系统包括第一电子单元、第二电子单元、第三电子单元、第四电子单元，所述第一、第二、第三、第四电子单元是开关单元，以及：
·通过第一单元的电容性侧电连接件彼此连接的阳极散热器和阴极散热器的中心阳极表面和中心阴极表面通过导电中心电连接件分别连接到通过第二单元的电容性侧电连接件彼此连接的阳极散热器和阴极散热器的中心阳极表面和中心阴极表面，
·通过第三单元的电容性侧电连接件彼此连接的阳极散热器和阴极散热器的中心阳极表面和中心阴极表面通过导电中心电连接件分别连接到通过第四单元的电容性侧电连接件彼此连接的阳极散热器和阴极散热器的中心阳极表面和中心阴极表面，
·位于第一单元的同一侧上的、通过导电侧电连接件彼此连接的阳极散热器和阴极散热器其阳极侧表面和阴极侧表面通过绝缘侧电连接件分别连接到位于第三单元的同一侧上的、通过导电侧电连接件彼此连接的阳极散热器和阴极散热器的阳极侧表面和阴极侧表面，
·位于第一单元的同一侧上的、通过电容性侧电连接件彼此连接的阳极散热器和阴极散热器其阳极侧表面和阴极侧表面通过导电侧电连接件分别连接到位于第三单元的同一侧上的、通过电容性侧电连接件彼此连接的阳极散热器和阴极散热器的阳极侧表面和阴极侧表面，
·位于第二单元同一侧上的、通过电容性侧电连接件彼此连接的阳极散热器和阴极散热器的阳极侧表面和阴极侧表面通过导电侧电连接件分别连接到位于第四单元的同一侧上的、通过电容性侧电连接件彼此连接的阳极散热器和阴极散热器的阳极侧表面和阴极侧表面，
·位于第二单元的同一侧上的、通过导电侧电连接件彼此连接的阳极散热器和阴极散热器的阳极侧表面和阴极侧表面通过绝缘侧电连接件分别连接到位于第四单元的同一侧上的、通过导电侧电连接件彼此连接的阳极散热器和阴极散热器的阳极侧表面和阴极侧表面，
从而使系统形成交错斩波型的功率变换器。
-根据一个实施例，每个散热器都包括翅片、销和指状件中的至少一个。
-根据一个实施例，电容性侧电连接件和电容性中心电连接件中的至少一个包括至少一个电容器。
-根据一个实施例，该系统还包括冷却装置，例如通风或泵送装置，其配置成冷却每个阳极散热器和阴极散热器。
-根据一个实施例，该系统还包括至少一个基本电感模块，该基本电感模块包括：
·嵌入在磁性矩阵中的导电线圈，其具有第一面和与第一面相对的第二面，
·在第一面上并且连接到所述导电线圈的第一导电散热器，以及
·在第二面上并且连接到所述导电线圈的第二导电散热器。
-根据一个实施例，相邻的第一和第二基本模块的第一散热器形成一个且为同一个第一单元散热器。因此，相邻的第一和第二基本模块的第一散热器之间的导电侧电连接件对应于所述第一单元散热器的中间部分。该中间部分可以位于所述第一单元散热器的第一部分和所述第一单元散热器的第二部分之间，所述第一部分与第一基本模块相关联，所述第二部分与第二基本模块相关联。根据该实施例，相邻的第一和第二基本模块的第一散热器之间的导电侧电连接件与所述第一散热器具有材料连续性，使得所述导电侧电连接件与所述第一散热器不可分离。
-根据一个实施例，相邻的第一和第二基本模块的第二散热器形成一个且为同一个的第二单元散热器。因此，相邻的第一和第二基本模块的第二散热器之间的导电侧电连接件对应于所述第二单元散热器的中间部分。该中间部分可以位于所述第二单元散热器的第一部分和所述第二单元散热器的第二部分之间，所述第一部分与第一基本模块相关联，所述第二部分与第二基本模块相关联。根据该实施例，相邻的第一和第二基本模块的第二散热器之间的导电侧电连接件与所述第二散热器具有材料连续性，使得所述导电侧电连接件与所述第二散热器不可分离。
-根据一个实施例，第一基本模块的第一散热器和第二基本模块的第二散热器形成一个且为同一个的主单元散热器。因此，第一基本模块的第一散热器和第二基本模块的第二散热器之间的导电侧电连接件对应于所述主单元散热器的中间部分。该中间部分可以位于所述主单元散热器的第一部分和所述主单元散热器的第二部分之间，所述第一部分与第一基本模块相关联，所述第二部分与第二基本模块相关联。根据这个实施例，第一基本模块的第一散热器和第二基本模块的第二散热器之间的导电侧电连接件与所述第一和第二散热器具有材料连续性，使得所述导电侧电连接件与所述第一和第二散热器是不可分离的。
-根据一个实施例，第一基本模块的第一印刷电路和第二基本模块的第二印刷电路形成一个且为同一个的主印刷电路。在该实施例中，主印刷电路包括第一和第二功率器件。
在本发明中，为了清楚起见，将第一散热器和第二散热器称为阳极或阴极。该名称不限制本发明。阳极散热器和阴极散热器形成电极。这些电极可以是阳极、阴极、发射极、集电极、源极、漏极等。例如，这些电极可以根据电子器件的正向而倒转。
通常，在本发明中，当相应的电子开关打开(处于断开状态)时，阳极散热器优选地具有比阴极散热器更高的电势。
在本发明中，术语“IGBT型晶体管”是指绝缘栅双极型晶体管。
可以使用其他晶体管架构，例如但非限制性的：
-“高电子迁移率(HEMT型)晶体管”，该晶体管是具有高电子迁移率的场效应晶体管，有时也用异质结构场效应晶体管来表示，
-绝缘栅场效应晶体管，更通常地称为MOSFET(“金属氧化物半导体场效应晶体管”的英文缩写)。
也可以使用其他器件，例如晶闸管、可关断晶闸管(GTO晶闸管或简写为GTO，“GateTurn-Off”晶闸管的缩写)。
这些晶体管和器件是众所周知的并且通常用在电力电子领域，特别是用于静态功率变换器。
在电力电子领域中，电子系统是指优选地使用具有10A到1000A之间的电流和/或10V到10000V之间、优选地10V到5000V之间、更优选地10V到1000V之间的电压进行操作的系统。
功率变换器的功能是将一个电信号变换为另一个电信号。例如，有用于将交流电变换为另一种交流电的变换器(称为调光器的AC/AC变换器)、用于将直流电变换为另一种直流电的变换器(称为斩波器的DC/DC变换器)、用于将交流电变换为直流电的变换器(称为整流器的AC/DC变换器)、以及用于将直流电变换成交流电的变换器(称为逆变器的DC/AC变换器)。
斩波器是在电力电子领域中实现一个或多个受控电子开关的电子系统。斩波器特别地允许高效地修改直流电压源的平均电压值。
因此，斩波器一方面连接到直流电压源，另一方面连接到一个或多个电阻或电感负载。这些连接在半桥或桥臂处进行。
斩波器可以由一个或多个桥臂组成。
桥臂可以由一个或多个开关单元形成。
每个开关单元由彼此连接的一对开关(受控的，诸如晶体管和/或不受控的，诸如二极管)形成。
通过切换这些开关，斩波器会周期性地改变电压源和负载的互连。
开关单元必须符合以下电源互连的基本规则：
电压源不得短路，但可以开路。
电流源不得开路，但可以短路。
因此，开关单元中的开关状态必须是互补的，以符合互连规则。
为了确保这种互补的开关，每个开关都可以被控制电路或“栅极驱动器”控制。
然而，这些电子开关的开关速度可能受到电子系统的寄生电感和/或寄生电容的限制。电子系统的开关频率因此受到限制。
根据本发明，电子系统由若干基本模块组成，每个基本模块都包括特别地提供一个或多个电子开关功能的功率器件。
因此，该系统有利地是模块化的，并且允许生成静态变换器的多种结构，例如开关单元、多电平变换器、交错斩波器。
在图2B和3B中示出了根据本发明的电子系统的模块化原理。
每个基本模块1、2包括至少一个功率器件100、200(优选地集成在印刷电路板10、20上)、第一散热器11、21以及第二散热器12、22。
如图1所示的基本模块1的以下描述对于根据本发明的电子系统的其他基本模块也是适用的。
如图7A、7B中更详细地示出的，印刷电路10或PCB(Printed Circuit Board，“印刷电路板”的英文缩写)有利地允许为各种半导体电子器件100、100A、100B(诸如晶体管100、100A，二极管，控制电路100B等)提供连接件101、102、103。它还允许通过优化这些器件周围的电场分布来布置这些器件。将不同的器件100A、100B集成在同一PCB 10上能够对所有的这些器件良好地冷却。
然而，PCB 10的使用不是强制性的。可以考虑其他载体。
印刷电路10优选具有第一面和与第一面相反的第二面。
第一散热器11组装在集成电路10的第一面上，第二散热器12组装在集成电路10的第二面上。
在集成电路10的第一和第二面上的第一和第二散热器11、12的组件可以通过钎焊、焊接或通过烧结来生产。
这样的组件有利地允许限制PCB 10的(一个或多个)半导体器件100、100A、100B与(一个或多个)散热器11、12之间的接触的热阻。
这样的组件不需要“压装”组件所需的夹紧压力。
这样的组件还允许限制PCB 10的(一个或多个)半导体器件和(一个或多个)散热器11、12之间的热界面的数量。因此，提高了散热效率。
因此可以优化模块1的紧凑性。
第一散热器11和第二散热器12需要是导电体。
称为阳极散热器的第一导电散热器11优选地连接到功率器件100的第一电极(称为阳极)。
称为阴极散热器的第二导电散热器12优选地连接到功率器件100的第二电极(称为阴极)。
第一散热器11和第二散热器12可以由铝制成，以减轻基本模块1的总重量。
第一和第二散热器可以包括如图9A所示的扁平或波纹状翅片、或如图9B所示的销形件或指状件，以改善热传递并优化功率器件100的散热。
在图9B所示的指状件的情况下，冷却流体可以有利地沿多个方向流动。因此便于流体循环装置的安装。
冷却流体可以是空气或绝缘液体。
根据本发明，基本模块的散热器允许确保与电子系统的相邻基本模块的散热器的至少一个电连接件。
每个散热器优选地具有中心连接表面，并且对于在集成电路的平面中的正方形或矩形截面的基本模块，具有四个侧连接表面。
这些连接表面上的电连接件可以是导电的、电容性的或绝缘的。
绝缘电连接件是指电绝缘或被电绝缘的连接件。
导电的、电容性的或绝缘的电连接件可以分别通过导电的、电容性的或绝缘的元件完成。替代地，也可以在没有中间元件的情况下直接在连接表面之间的界面处完成。
如果需要的话，例如为固体或泡沫状形式的导电元件XiYjC可以改善散热器之间的电接触。
如图10A、图10B所示的电容性元件XiYjCP优选地用于电容性电连接件。它可以有利地执行去耦电容器的功能。
这种元件的面积优选地大于或等于散热器的相应连接面积，以获得相对较大的电容值。该面积可以在1cm2到10cm2之间。电容可以介于100nF到10mF之间，优选地介于100nF到100μF之间，优选地介于1μF到100μF之间。
根据图10A所示的示例，电容性元件可以由平面电容器形成，该平面电容器包括被绝缘材料3cp隔开的第一导体1cp和第二导体2cp。该解决方案简单且成本低。
根据图10B所示的另一示例，电容性元件XiYjCP可以是PCB的形式，该PCB包括并联安装的多个电容器10cp。这有利地允许获得高值的电容，同时极大地限制了该电容性元件的等效串联电感ESL(“Equivalent Series Inductance”的英文缩写)。因此可以有利地限制器件的快速切换期间引起的过电压。
中心电连接件可以在两个相邻的基本模块的两个中心连接表面之间。
替代地或组合地，电连接件可以在两个相邻的基本模块的两个侧连接表面之间横向。
根据一个示例，如图2A、图2B所示，两个基本模块1、2可以通过第一基本模块1的阴极散热器12和第二基本模块2的阳极散热器21之间的导电中心电连接件1221c串联组装。
如图3A、图3B所示，根据另一个示例，两个基本模块1、2可以通过第一和第二基本模块1、2之间的导电侧电连接件1121c与第一和第二基本模块1、2的阴极散热器12、22之间的导电侧电连接件1222c并联或反并联组装。
相邻模块之间的电连接件的这些各种配置有利地允许产生许多电子系统。
可以通过在电连接件中所涉及的不同散热器之间保持机械接触来实现将多个基本模块组装在一起。通过改变、增加或移除包括某些器件的基本模块，这尤其允许容易地组装/拆卸电子系统以用于其维护或用于其开发。
替代地，可以通过将不同的基本模块粘合或焊接在一起进行组装。
根据图3C所示的另一示例，第一和第二基本模块1、2的阳极散热器11、21形成一个且为同一个主阳极散热器1001。此处，导电侧电连接件1121c形成了主阳极散热器1001的一部分。因此，该主阳极散热器1001是连续的和/或制成一体的。该主阳极散热器1001共享在第一和第二基本模块1、2之间。在该示例中，第一和第二基本模块1、2的阴极散热器12、22也形成一个且为同一个主阴极散热器1002。在此，导电侧电连接件1122c形成主阴极散热器1002的一部分。因此，该主阴极散热器1002是连续的和/或制成一体的。该主阴极散热器1002共享在第一和第二基本模块1、2之间。
根据图3D所示的示例，第一和第二基本模块1、2的印刷电路10、20形成一个且为同一个印刷电路10'。因此，印刷电路10'包括第一和第二功率器件100、200。这种印刷电路10'优选地与在所述印刷电路10'的表面上延伸的散热器1001、1002相关联。
根据未示出的一种可能，并联组装的多个基本模块(例如三个、四个或更多个)可以共享同一个主阳极散热器和/或同一个主阴极散热器。类似地，同一个印刷电路可包括组装在一起的多个基本模块的功率器件。
根据图4A、图4B所示的本发明的第一实施例，电子系统是开关单元。
根据该实施例，两个基本模块1、2优选地通过：
-第一基本模块1的阳极散热器11和第二基本模块2的阴极散热器22之间的导电侧电连接件1122c，以及
-第一基本模块1的阴极散热器12和第二基本模块2的阳极散热器21之间的电容侧电连接件1221cp进行组装。电容侧电连接件1221cp允许在开关单元内集成去耦电容器，以有利地减小寄生电感。
第一模块1的功率器件100可以是二极管，而第二模块2的至少一个功率器件200可以是与反并联二极管相关联的晶体管，例如如图4A中的电路图中所示。
二极管和晶体管反并联的关联可以直接在同一基本模块内完成(例如集成在PCB中)，也可以通过两个单独的基本模块完成，其中一个基本模块包括晶体管，另一个基本模块包含二极管，二者以反并联的形式连接。
根据一种可能性，第一和第二模块1、2的功率器件100、200可以是晶体管，例如IGBT晶体管，可选地每个晶体管与反并联二极管相关联。
为清楚起见，在电路图(图4A)和物理图(图4B)中表示了与电压源相关联的+DC和–DC电位以及与允许为负载供电的中点输出相关联的相位电位。
根据图4C所示的示例，阳极散热器11和阴极散热器22形成一个且为同一个散热器1001'。在此，导电侧电连接件1122c形成散热器1001'的一部分。因此，该散热器1001'是连续的和/或制成一体的。该散热器1001'共享在第一和第二基本模块1、2之间。
根据图4D所示的示例，第一和第二基本模块1、2的印刷电路10、20形成一个且为同一个的印刷电路10”。因此，印刷电路10”包括第一和第二功率器件100、200。这种印刷电路10”优选地与在所述印刷电路10”的第一面上方延伸的散热器1001'相关联。印刷电路10”的与第一面相反的第二面支撑阴极散热器12和阳极散热器21。该第二面优选在电容性侧电连接件1221cp处是不连续的，从而不会使阴极散热器12和阳极散热器21短路。
根据图5A、图5B所示的本发明的第二实施例，电子系统是多电平模块化变换器MMC(“Multilevel Modular Converter”的英文缩写)的半臂。
根据该实施例，如在第一实施例中描述的三个开关单元C1、C2、C3串联连接。
优选地，如图5A中的电路图所示，每个基本模块1、2、3、4、5、6包括与反并联二极管相关的IGBT晶体管，并且分别形成功率器件100、200、300、400、500、600。
在结构上，第一开关单元C1包括两个基本模块1、2，第二开关单元C2包括两个基本模块3、4，第一开关单元C1优选地通过模块1的阴极散热器12和模块3的阳极散热器31之间的导电中心电连接件1231c以及模块2的阳极散热器21和模块4的阴极散热器42之间的中心绝缘电连接件2142i连接到第二开关单元C2。
第二开关单元C2包括两个基本模块3、4，第三开关单元C3包括两个基本模块5、6，第二开关单元C2优选地通过模块3的阴极散热器32和模块5的阳极散热器51之间的中心导电连接件3251c以及模块4的阳极散热器41和模块6的阴极散热器62之间的中心绝缘电连接件4162i连接到第三开关单元C3。
为了清楚起见，在电路图(图5A)和实物图(图5B)中示出了与MMC的不同阶段相关联的电势V1、V2、V3、V4、V5、V6、V7。
根据图6A、图6B所示的本发明的第三实施例，电子系统是具有四个桥臂的交错斩波器。
根据该实施例，如在第一实施例中描述的四个开关单元C1'、C2'、C3'、C4'并联连接。
优选地，如图6A的电路图中所示，每个基本模块1、2、3、4、5、6、7、8包括与反并联二极管关联的IGBT晶体管，并且分别形成功率器件100、200、300、400、500、600、700、800。
这样的结构可以通过组合开关单元C1'、C2'、C3'、C4'之间的中心电连接件和侧电连接件来实现。
第一开关单元C1'连接件包括两个基本模块1、2，第二开关单元C2'包括两个基本模块3、4，第一开关单元C1'优选地通过导电中心电连接件2131c和中心导电连接件1242c连接到第二开关单元C2'，导电中心电连接件2131c在模块2的阳极散热器21和模块3的阳极散热器31之间，中心导电连接件1242c在模块1的阴极散热器12和模块4的阴极散热器42之间。
第三开关单元C3'包括两个基本模块5、6，第四开关单元C4'包括两个基本模块7、8，第三开关单元C3'优选地通过中心导电连接件5282c和中心导电连接件6171c连接到第四开关单元C4'，中心导电连接件5282c在模块5的阴极散热器52和模块8的阴极散热器82之间，中心导电连接件6171c在模块6的阳极散热器61和模块7的阳极散热器71之间。
包括两个基本模块1、2的第一开关单元C1'连接到包括两个基本模块5、6的第三开关单元C3'，该连接优选地是通过：
-在模块1的阴极散热器12和模块5的阴极散热器52之间的导电侧电连接件1252c与在模块2的阳极散热器21和模块6的阳极散热器61之间的导电侧电连接件2161c，以及通过
-在模块1的阳极散热器11和模块5的阳极散热器51之间的绝缘侧电连接件1151i与在模块2的阴极散热器22与模块6的阴极散热器62之间的绝缘侧电连接件2262i来进行的。
包括两个基本模块3、4的第二开关单元C2'连接到包括两个基本模块7、8的第四开关单元C4'，该连接优选地是通过：
-在模块3的阳极散热器31和模块7的阳极散热器71之间的导电侧电连接件3171c与在模块4的阴极散热器42和模块8的阴极散热器82之间的导电侧电连接件4282c，以及通过
-在模块3的阴极散热器32和模块7的阴极散热器72之间的绝缘侧电连接件3272i与在模块4的阳极散热器41与模块8的阳极散热器81之间的绝缘侧电连接件4181i来进行的。
为了清楚起见，在电路图(图6A)和实物图(图6B)中示出了与斩波器的臂的各个中点输出相关联的电势V1、V2、V3、V4。
该结构可以包括多于四个的开关单元(例如六个)或少于四个的开关单元(例如三个)，以形成包括期望数量的臂的交错斩波器。
对于奇数个开关单元(例如三个)，这些开关单元都可以根据上述C1'和C3'之间的侧表面连接件的原理彼此横向连接。替代地，所有单元之间的中心连接件也是可能的。根据另一种可能性，单元与两个相邻单元共享侧连接件或中心连接件，例如通过使所述单元相对于(vis-à-vis)其他两个单元偏移定位、或通过在两个被认为是相邻的单元的连接表面上延伸的一个或多个连接元件。
根据一个实施例，电子系统可以包括至少一个如图8B所示的基本电感模块9。
该基本电感模块9可以类似于基本功率模块1制造，从而可以容易地集成到电子系统中。
特别地，这种基本电感模块9可以包括嵌入在磁性矩阵903中的导电线圈900。
第一导电散热器91优选地位于磁性矩阵903的第一面上。
第二导电散热器92优选地位于磁性矩阵903的与第一面相反的第二面上。
第一散热器91和第二散热器92优选地例如通过导线连接件901、902连接到导电线圈900。
如图8A所示，这种基本电感模块9可以有利地连接到如本发明的第一实施例中描述的开关单元的中点输出。
串联的电感模块9的关联例如允许增加电子系统的总电感。
并联的电感模块9的关联例如允许增加电子系统允许的最大电流强度。
因此，根据本发明的电子系统可以包括多个基本功率模块和/或多个基本电感模块，这些模块通过其各自的散热器彼此连接。
如图11A、图11B所示，该电子系统优选地集成在壳体1000中并且耦合至冷却装置2000。
包括输入/输出连接件(未示出)的母线3000(根据英文术语“busbar”也称为汇流排)，优选用于连接电子系统的多种模块1、2、3。滤波电容器3100、3200可以完善电子系统。
冷却系统2000(例如风扇)的尺寸优选地适用于冷却电子系统的所有模块。
因此改进了这种系统的热管理。
冷却流体的循环以及随后的冷却效率得到优化。
因此可以改善系统的紧凑性。
系统的整体质量也降低了。
图12示出了根据本发明的电子系统的基本功率模块的器件100内的热模拟。散热器12在图12中可见。该组装件在速度为3.6m/s的空气流中冷却。
该模拟的目的是确定模块和/或系统的尺寸，以获得至少与常规系统相同的冷却性能。
赛米控(Semikron)销售的常规系统包括与12个器件相关联的P3/150型散热器和SKF3-230-01风扇。组装件的质量为3.1kg，其中0.55kg为通风设备。对于风扇产生的速度为3.6m/s的气流，每个器件的热阻为1.7K/W。压降约为20Pa。
尺寸确定为实现该性能的根据本发明的电子系统包括风扇和十二个基本模块，每个基本模块包括一个器件和两个平直翅片铝散热器。
每个散热器均具有2mm厚、30mm*30mm大小的正方形底座。每个散热器包括十二个1.4mm宽和15mm高的翅片。
在这些条件下获得的每个器件的热阻约为1K/W。压降约为24Pa。
该系统的总质量为1.2kg(24个26.2g的散热器和0.55kg的风扇)。
因此，该电子系统比常规系统轻约三倍，并且根据此模拟，其热性能优于常规系统。
这种由空气冷却且质量更低的电子系统可以有利地用于运输领域，特别是在航空领域。
本发明不限于上述实施例，并且可以扩展到由权利要求书覆盖的所有实施例。

Claims (13)

1.一种电子系统，包括至少一个电子单元(C0)，所述至少一个电子单元(C0)包括：
-称为第一基本模块(1)的第一基本电力电子模块(1)，
-称为第二基本模块(2)的第二基本电力电子模块(2)，
所述第一和第二基本模块(1，2)相邻并且通过电模块连接件彼此连接，
所述第一和第二基本模块(1，2)中的每一个都包括：
-至少一个功率器件(100，200)，优选地集成在印刷电路(10)上或印刷电路(10)中，
-称为阳极散热器的第一导电散热器(11，21)，所述阳极散热器连接到功率器件(100，200)的称为阳极的第一电极，以及
-称为阴极散热器的第二导电散热器(12，22)，所述阴极散热器连接到功率器件(100，200)的称为阴极的第二电极，
所述电子系统的特征在于：
每个阴极散热器(12，22)都具有称为中心阴极表面的第一连接表面(120)和至少一个称为阴极侧表面的第二连接表面(121，122，222)，以及
每个阳极散热器(11，21)具有称为中心阳极表面的第一连接表面(110，210)和至少一个称为阳极侧表面的第二连接表面(111，112，212)，其中：
相邻的第一和第二基本模块(1，2)之间的电模块连接件包括：
第一基本模块(1)的阳极和阴极侧表面(111，121)中的至少一个，与
第二基本模块(2)的阳极和阴极侧表面(212，222)中的至少一个
之间的至少一个导电侧电连接件(1121c，1222c)。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，在相邻的第一和第二基本模块(1，2)之间的电模块连接件还包括：
第一基本模块(1)的阳极和阴极侧表面(111，121)中的至少另一个，与
第二基本模块(2)的阳极和阴极侧表面(212，222)中的至少另一个
之间的电容性侧电连接件(1222cp)和绝缘侧电连接件(1221i)中的一个。
3.根据权利要求2所述的系统，其中，第一基本模块(1)的至少一个阳极侧表面(111)通过导电侧电连接件(1122c)连接到第二基本模块(2)的至少一个阴极侧表面(222)，并且第一基本模块(1)的至少一个阴极侧表面(121)通过选自电容性侧电连接件(1221cp)和绝缘侧电连接件(1221i)的电连接件连接到第二基本模块(2)的至少一个阳极侧表面(212)。
4.根据权利要求3所述的系统，其中，第一基本模块(1)的至少一个功率器件(100)是第一功率晶体管和第一功率二极管中的一个，并且第二基本模块(2)的至少一个功率器件(200)是第二功率晶体管和第二功率二极管中的一个，使得电子单元形成开关单元(C10)。
5.根据前述权利要求1-4中的任一项所述的系统，包括多个相邻的彼此连接的电子单元，所述多个电子单元中的一个电子单元(C1，C1')通过这些单元的电连接件连接到至少一个相邻的电子单元(C2，C2')，所述单元的电连接件包括位于：
单元(C1，C1')的中心阳极和阴极表面中的至少一个，与
与所述单元(C1，C1')相邻的至少一个单元(C2，C2')的中心阳极表面和阴极表面中的至少一个
之间的导电中心电连接件(1231c，1242c)、电容性中心电连接件以及中心绝缘电连接件(2142i)中的一个。
6.根据权利要求5所述的系统，其中，单元(C1)的至少一个中心阴极表面(120)通过导电中心电连接件(1231c)连接到相邻的单元(C2)的至少一个中心阳极表面(310)，并且单元(C1)的至少一个中心阳极表面(210)通过中心绝缘电连接件(2142i)连接到相邻的单元(C2)的至少一个中心阴极表面(420)。
7.根据权利要求6和权利要求4所述的系统，其中，所述多个电子单元中的每个电子单元(C1，C2，C3)是开关单元(C10)，使得所述系统形成多电平功率变换器的子组件。
8.根据权利要求5所述的系统，其中，所述单元的电连接件还包括：
单元(C1')的阳极和阴极侧表面中的至少一个，以及
与所述单元(C1')相邻的至少一个其他单元(C3')的阳极和阴极侧表面中的至少一个
之间的至少一个导电侧电连接件(1252c，2161c)。
9.根据权利要求8和权利要求4所述的系统，包括第一电子单元(C1')、第二电子单元(C2')、第三电子单元(C3')、第四电子单元(C4')，所述第一、第二、第三、第四电子单元(C1'，C2'，C3'，C4')是开关单元(C10)，其中：
阳极散热器(61)和阴极散热器(52)的中心阳极表面和中心阴极表面通过导电中心电连接件(2131c，1242c)分别连接到阳极散热器(31)和阴极散热器(42)的中心阳极表面和中心阴极表面，其中阳极散热器(61)和阴极散热器(52)的中心阳极表面和中心阴极表面通过第一单元(C1')的电容性侧电连接件(1221cp)彼此连接，并且阳极散热器(31)和阴极散热器(42)的中心阳极表面和中心阴极表面通过第二单元(C2')的电容性侧电连接件(4231cp)彼此连接，
阳极散热器(61)和阴极散热器(52)的中心阳极表面和中心阴极表面通过导电中心电连接件(6171c，5282c)分别连接到阳极散热器(71)和阴极散热器(82)的中心阳极表面和中心阴极表面，其中阳极散热器(61)和阴极散热器(52)的中心阳极表面和中心阴极表面通过第三单元(C3')的电容性侧电连接件(5261cp)彼此连接，并且阳极散热器(71)和阴极散热器(82)的中心阳极表面和中心阴极表面通过第四单元(C4')的电容性侧电连接件(8271cp)彼此连接，
位于第一单元(C1')的同一侧上的阳极散热器(11)和阴极散热器(22)其阳极侧表面和阴极侧表面通过绝缘侧电连接件(1151i，2262i)分别连接到位于第三单元(C3')同一侧上的阳极散热器(51)和阴极散热器(62)的阳极侧表面和阴极侧表面，其中位于第一单元(C1')的同一侧上的阳极散热器(11)和阴极散热器(22)其阳极侧表面和阴极侧表面通过导电侧电连接件(1122c)彼此连接，并且位于第三单元(C3')同一侧上的阳极散热器(51)和阴极散热器(62)其阳极侧表面和阴极侧表面通过导电侧电连接件(5162c)彼此连接，
位于第一单元(C1')同一侧上的阳极散热器(21)和阴极散热器(12)其阳极侧表面和阴极侧表面通过导电侧电连接件(2161c，1252c)分别连接到位于第三单元(C3')同一侧上的阳极散热器(61)和阴极散热器(52)的阳极侧表面和阴极侧表面，其中位于第一单元(C1')同一侧上的阳极散热器(21)和阴极散热器(12)其阳极侧表面和阴极侧表面通过电容性侧电连接件(1221cp)彼此连接，并且位于第三单元(C3')同一侧上的阳极散热器(61)和阴极散热器(52)其阳极侧表面和阴极侧表面通过电容性侧电连接件(5261cp)彼此连接，
位于第二单元(C2')同一侧上的阳极散热器(31)和阴极散热器(42)其阳极侧表面和阴极侧表面通过导电侧电连接件(3171c，4282c)分别连接到位于第四单元(C4')同一侧上的阳极散热器(71)和阴极散热器(82)的阳极侧表面和阴极侧表面，其中位于第二单元(C2')同一侧上的阳极散热器(31)和阴极散热器(42)其阳极侧表面和阴极侧表面通过电容性侧电连接件(4231cp)彼此连接，并且位于第四单元(C4')同一侧上的阳极散热器(71)和阴极散热器(82)其阳极侧表面和阴极侧表面通过电容性侧电连接件(8271cp)彼此连接，
位于第二单元(C2')同一侧上的阳极散热器(41)和阴极散热器(32)其阳极侧表面和阴极侧表面通过绝缘侧电连接件(4181i，3272i)分别连接到位于第四单元(C4')同一侧上的阳极散热器(81)和阴极散热器(72)的阳极侧表面和阴极侧表面，其中位于第二单元(C2')同一侧上的阳极散热器(41)和阴极散热器(32)其阳极侧表面和阴极侧表面通过导电侧电连接件(4132c)彼此连接，并且位于第四单元(C4')同一侧上的阳极散热器(81)和阴极散热器(72)其阳极侧表面和阴极侧表面通过导电侧电连接件(8172c)彼此连接，
使得系统形成交错斩波型功率变换器。
10.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，每个散热器(11，12，21，22)包括翅片和指状件中的至少一个。
11.根据前述权利要求中除了权利要求1、5和9之外的任一项所述的系统，其中，电容性侧电连接件(1221cp，2211cp，6251cp，4231cp)和电容性中心电连接件中的至少一个包括至少一个电容器(10cp)。
12.根据前述权利要求中任一项所述的系统，还包括冷却装置(2000)，所述冷却装置(2000)配置为冷却每个阳极和阴极散热器(11，12，21，22)。
13.根据前述权利要求中任一项所述的系统，还包括至少一个基本电感模块(9)，所述基本电感模块(9)包括：
-嵌入在磁性矩阵(903)中的导电线圈(900)，磁性矩阵(903)具有第一面和与第一面相反的第二面，
-在第一面上并且连接到所述导电线圈(900)的第一导电散热器(91)，以及
-在第二面上并且连接到所述导电线圈(900)的第二导电散热器(92)。
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