CN113991976A - 一种三电平功率模块 - Google Patents

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张嘉乐
周党生
吕一航
李海龙
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Abstract

本发明公开了一种三电平功率模块，包括模块结构主体及设置于所述模块结构主体内部的功率半导体组件，所述功率半导体组件包括N个紧压型可控功率半导体开关器件、M个紧压型二极管，K个紧压型水冷散热器及压装机构，各个所述紧压型可控功率半导体开关器件、各个紧压型二极管及各个紧压型水冷散热器按照顺序排成一列并设置在模块结构主体的左端面及右端面中间，通过所述压装机构将N个紧压型可控功率半导体开关器件、M个紧压型二极管、K个紧压型水冷散热器压在一起；该三电平功率模块结构实现了紧压堆叠型单列功率器件的结构布局更加紧凑、功率密度更高及成本更低。

Description

一种三电平功率模块
技术领域
本发明涉及电力电子产品技术领域，尤其涉及一种三电平功率模块。
背景技术
在紧压堆叠型功率串模块里面，功率半导体器件可以包括集成门极换流晶闸管(IGCT)、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、注入增强栅晶体管(IEGT)、晶闸管(ETT或LTT)和二极管模块，功率模块有垂直型紧压堆叠模式和水平型紧压堆叠模式，其中水平型紧压堆叠功率串目前方案上有单列或多列的，但水平型紧压堆叠单列功率模块没有结构更加紧凑，功率密度更高的结构方案。
为此，亟需一种实现了紧压堆叠型单列功率器件的结构布局更加紧凑、功率密度更高及成本更低的三电平功率模块。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提出一种三电平功率模块，该三电平功率模块结构实现了紧压堆叠型单列功率器件的结构布局更加紧凑、功率密度更高及成本更低。
为解决上述技术问题，本发明提供一种一种三电平功率模块，包括模块结构主体及设置于所述模块结构主体内部的功率半导体组件，所述功率半导体组件包括N个紧压型可控功率半导体开关器件、M个紧压型二极管，K个紧压型水冷散热器及压装机构，各个所述紧压型可控功率半导体开关器件、各个紧压型二极管及各个紧压型水冷散热器按照顺序排成一列并设置在模块结构主体的左端面及右端面中间，通过所述压装机构将N个紧压型可控功率半导体开关器件、M个紧压型二极管、K个紧压型水冷散热器压在一起；所述紧压型可控功率半导体开关器件、紧压型二极管及紧压型水冷散热器电性连接在一起，其中，N≥1,M≥1，K≥1。
优选地，N＝4,M＝4,所述功率半导体组件的器件排列顺序依次为第一紧压型二极管、第一紧压型可控功率半导体开关器件、第二紧压型可控功率半导体开关器件、第二紧压型二极管、第三紧压型二极管、第三紧压型可控功率半导体开关器件、第四紧压型可控功率半导体开关器件、第四紧压型二极管。
优选地，各个所述紧压型水冷散热器设置于所述第一紧压型二极管、第二紧压型二极管、第三紧压型二极管、第四紧压型二极管、第一紧压型可控功率半导体开关器件、第二紧压型可控功率半导体开关器件、第三紧压型可控功率半导体开关器件及第四紧压型可控功率半导体开关器件之间，所述第一紧压型二极管、第二紧压型二极管、第三紧压型二极管、第四紧压型二极管、第一紧压型可控功率半导体开关器件、第二紧压型可控功率半导体开关器件、第三紧压型可控功率半导体开关器件及第四紧压型可控功率半导体开关器件至少有一面紧贴所述紧压型水冷散热器。
优选地，所述第二紧压型可控功率半导体开关器件和第二紧压型二极管之间设置有第一绝缘块，第三紧压型可控功率半导体开关器件和第三紧压型二极管之间设置有第二绝缘块，第一紧压型二极管和所述模块结构主体的左端面之间设置有第三绝缘块，第四紧压型二极管和所述模块结构主体的右端面之间设置有第四绝缘块。
优选地，所述第二紧压型可控功率半导体开关器件和第一绝缘块之间的紧压型水冷散热器和第三紧压型可控功率半导体开关器件和第二绝缘块之间的紧压型水冷散热器连接起来形成三电平功率模块的交流输出连接导电母线；所述第一紧压型可控功率半导体开关器件和第二紧压型可控功率半导体开关器件之间的紧压型水冷散热器和第二紧压型二极管和第一绝缘块之间的紧压型水冷散热器连接起来，第三紧压型可控功率半导体开关器件和第四紧压型可控功率半导体开关器件之间的紧压型水冷散热器和第三紧压型二极管和第二绝缘块之间的紧压型水冷散热器连接起来，形成一个箝位二极管电路结构。
优选地，所述三电平功率模块还包括设置于所述模块结构主体的左端面及右端面上的箝位吸收电抗器；所述箝位吸收电抗器的原边连接所述第一紧压型可控功率半导体开关器件和第一紧压型二极管之间的紧压型水冷散热器和第四紧压型可控功率半导体开关器件和第四紧压型二极管之间的紧压型水冷散热器，所述箝位吸收电抗器的副边连接导电母线作为三电平功率模块的P相和N相输出导电连接点。
优选地，所述三电平功率模块还包括若干设置于模块结构主体左端面的箝位电抗器及右端面的箝位电抗器之间的箝位吸收电容和箝位吸收电阻；所述箝位吸收电容的一端连接在三电平功率模块的中点相位导电母线上，所述箝位吸收电容的另一端连接到紧压型二极管和绝缘块之间的导电母线上，所述箝位吸收电阻的一端连接到紧压型二极管和绝缘块之间的导电母线上，所述箝位吸收电阻的另一端连接到三电平功率模块的P相和N相输出导电连接点上，形成箝位吸收电路。
优选地，所述功率半导体组件上方设置有用于实现功率器件在正常工作时的散热需求的冷却液进出管道。
采用上述结构之后，三电平功率模块，包括模块结构主体及设置于所述模块结构主体内部的功率半导体组件，所述功率半导体组件包括N个紧压型可控功率半导体开关器件、M个紧压型二极管，K个紧压型水冷散热器及压装机构，各个所述紧压型可控功率半导体开关器件、各个紧压型二极管及各个紧压型水冷散热器按照顺序排成一列并设置在模块结构主体的左端面及右端面中间，通过所述压装机构将N个紧压型可控功率半导体开关器件、M个紧压型二极管、K个紧压型水冷散热器压在一起；所述紧压型可控功率半导体开关器件、紧压型二极管及紧压型水冷散热器电性连接在一起，该三电平功率模块结构实现了紧压堆叠型单列功率器件的结构布局更加紧凑、功率密度更高及成本更低。
附图说明
图1为本发明的三电平功率模块的正视图；
图2为本发明的三电平功率模块的后视图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例一
请参阅图1及图2，图1为本发明的三电平功率模块的正视图，图2为本发明的三电平功率模块的后视图；本实施例公开了一种三电平功率模块，包括模块结构主体及设置于所述模块结构主体内部的功率半导体组件，所述功率半导体组件包括N个紧压型可控功率半导体开关器件11、12、13、14，M个紧压型二极管21、22、23、24，K个紧压型水冷散热器4及压装机构9，各个紧压型可控功率半导体开关器件11、12、13、14，各个紧压型二极管21、22、23、24及各个紧压型水冷散热器4按照顺序排成一列并设置在模块结构主体的左端面及右端面中间；通过压装机构9将N个紧压型可控功率半导体开关器件11、12、13、14，M个紧压型二极管21、22、23、24，K个紧压型水冷散热器压在一起；紧压型可控功率半导体开关器件11、12、13、14，紧压型二极管21、22、23、24，及紧压型水冷散热器4电性连接在一起；其中，N≥1,M≥1，K≥1。
在本实施例中，优选地N＝4,M＝4,所述功率半导体组件的器件排列顺序依次为第一紧压型二极管21、第一紧压型可控功率半导体开关器件11、第二紧压型可控功率半导体开关器件12、第二紧压型二极管22、第三紧压型二极管23、第三紧压型可控功率半导体开关器件13、第四紧压型可控功率半导体开关器件14、第四紧压型二极管24。
在本实施例中，各个紧压型水冷散热器4设置于所述第一紧压型二极管21、第二紧压型二极管22、第三紧压型二极管23、第四紧压型二极管24、第一紧压型可控功率半导体开关器件11、第二紧压型可控功率半导体开关器件12、第三紧压型可控功率半导体开关器件13及第四紧压型可控功率半导体开关器件14之间，第一紧压型二极管21、第二紧压型二极管22、第三紧压型二极管23、第四紧压型二极管24、第一紧压型可控功率半导体开关器件11、第二紧压型可控功率半导体开关器件12、第三紧压型可控功率半导体开关器件13及第四紧压型可控功率半导体开关器件14至少有一面紧贴紧压型水冷散热器4。
在本实施例中，第二紧压型可控功率半导体开关器件12和第二紧压型二极管22之间设置有第一绝缘块31，第三紧压型可控功率半导体开关器件13和第三紧压型二极管23之间设置有第二绝缘块32，第一紧压型二极管和模块结构主体的左端面之间设置有第三绝缘块33，第四紧压型二极管24和模块结构主体的右端面之间设置有第四绝缘块34。
在本实施例中，第二紧压型可控功率半导体开关器件12和第一绝缘块31之间的紧压型水冷散热器4和第三紧压型可控功率半导体开关器件13和第二绝缘块32之间的紧压型水冷散热器4连接起来形成三电平功率模块的交流输出连接导电母线；第一紧压型可控功率半导体开关器件11和第二紧压型可控功率半导体开关器件12之间的紧压型水冷散热器4和第二紧压型二极管22和第一绝缘块31之间的紧压型水冷散热器4连接起来，第三紧压型可控功率半导体开关器件13和第四紧压型可控功率半导体开关器件14之间的紧压型水冷散热器4和第三紧压型二极管23和第二绝缘块32之间的紧压型水冷散热器4连接起来，形成一个箝位二极管电路结构。
本实施例中，三电平功率模块还包括设置于所述模块结构主体的左端面及右端面上的箝位吸收电抗器61、62；箝位吸收电抗器的原边连接第一紧压型可控功率半导体开关器件11和第一紧压型二极管21之间的紧压型水冷散热器4和第四紧压型可控功率半导体开关器件14和第四紧压型二极管24之间的紧压型水冷散热器4，箝位吸收电抗器的副边连接导电母线作为三电平功率模块的P相和N相输出导电连接点。
在本实施例中，所述三电平功率模块还包括若干设置于模块结构主体左端面的箝位电抗器61及右端面的箝位电抗器62之间的箝位吸收电容8和箝位吸收电阻7；箝位吸收电容8的一端连接在三电平功率模块的中点相位导电母线上，箝位吸收电容8的另一端连接到紧压型二极管和绝缘块之间的导电母线上，箝位吸收电阻7的一端连接到紧压型二极管和绝缘块之间的导电母线上，箝位吸收电阻7的另一端连接到三电平功率模块的P相和N相输出导电连接点上，形成箝位吸收电路。
在本实施例中，所述功率半导体组件上方设置有用于实现功率器件在正常工作时的散热需求的冷却液进出管道101、102。
如图1及图2所示，在本实施例中，采用导电母线51、52、53、54、55、56、57及58对功率半导体组件中的器件进行连接。
该三电平功率模块结构实现了紧压堆叠型单列功率器件的结构布局更加紧凑、功率密度更高及成本更低。
应当理解的是，以上仅为本发明的优选实施例，不能因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种三电平功率模块，其特征在于，包括模块结构主体及设置于所述模块结构主体内部的功率半导体组件，所述功率半导体组件包括N个紧压型可控功率半导体开关器件、M个紧压型二极管，K个紧压型水冷散热器及压装机构，各个所述紧压型可控功率半导体开关器件、各个紧压型二极管及各个紧压型水冷散热器按照顺序排成一列并设置在模块结构主体的左端面及右端面中间，通过所述压装机构将N个紧压型可控功率半导体开关器件、M个紧压型二极管、K个紧压型水冷散热器压在一起；所述紧压型可控功率半导体开关器件、紧压型二极管及紧压型水冷散热器电性连接在一起，其中，N≥1,M≥1，K≥1。
2.根据权利要求1所述的三电平功率模块，其特征在于，N＝4,M＝4,所述功率半导体组件的器件排列顺序依次为第一紧压型二极管、第一紧压型可控功率半导体开关器件、第二紧压型可控功率半导体开关器件、第二紧压型二极管、第三紧压型二极管、第三紧压型可控功率半导体开关器件、第四紧压型可控功率半导体开关器件、第四紧压型二极管。
3.根据权利要求1所述的三电平功率模块，其特征在于，
各个所述紧压型水冷散热器设置于所述第一紧压型二极管、第二紧压型二极管、第三紧压型二极管、第四紧压型二极管、第一紧压型可控功率半导体开关器件、第二紧压型可控功率半导体开关器件、第三紧压型可控功率半导体开关器件及第四紧压型可控功率半导体开关器件之间，所述第一紧压型二极管、第二紧压型二极管、第三紧压型二极管、第四紧压型二极管、第一紧压型可控功率半导体开关器件、第二紧压型可控功率半导体开关器件、第三紧压型可控功率半导体开关器件及第四紧压型可控功率半导体开关器件至少有一面紧贴所述紧压型水冷散热器。
4.根据权利要求1所述的三电平功率模块，其特征在于，
所述第二紧压型可控功率半导体开关器件和第二紧压型二极管之间设置有第一绝缘块，第三紧压型可控功率半导体开关器件和第三紧压型二极管之间设置有第二绝缘块，第一紧压型二极管和所述模块结构主体的左端面之间设置有第三绝缘块，第四紧压型二极管和所述模块结构主体的右端面之间设置有第四绝缘块。
5.根据权利要求1所述的三电平功率模块，其特征在于，所述第二紧压型可控功率半导体开关器件和第一绝缘块之间的紧压型水冷散热器和第三紧压型可控功率半导体开关器件和第二绝缘块之间的紧压型水冷散热器连接起来形成三电平功率模块的交流输出连接导电母线；所述第一紧压型可控功率半导体开关器件和第二紧压型可控功率半导体开关器件之间的紧压型水冷散热器和第二紧压型二极管和第一绝缘块之间的紧压型水冷散热器连接起来，第三紧压型可控功率半导体开关器件和第四紧压型可控功率半导体开关器件之间的紧压型水冷散热器和第三紧压型二极管和第二绝缘块之间的紧压型水冷散热器连接起来，形成一个箝位二极管电路结构。
6.根据权利要求1所述的三电平功率模块，其特征在于，所述三电平功率模块还包括设置于所述模块结构主体的左端面及右端面上的箝位吸收电抗器；所述箝位吸收电抗器的原边连接所述第一紧压型可控功率半导体开关器件和第一紧压型二极管之间的紧压型水冷散热器和第四紧压型可控功率半导体开关器件和第四紧压型二极管之间的紧压型水冷散热器，所述箝位吸收电抗器的副边连接导电母线作为三电平功率模块的P相和N相输出导电连接点。
7.根据权利要求6所述的三电平功率模块，其特征在于，所述三电平功率模块还包括若干设置于模块结构主体左端面的箝位电抗器及右端面的箝位电抗器之间的箝位吸收电容和箝位吸收电阻；所述箝位吸收电容的一端连接在三电平功率模块的中点相位导电母线上，所述箝位吸收电容的另一端连接到紧压型二极管和绝缘块之间的导电母线上，所述箝位吸收电阻的一端连接到紧压型二极管和绝缘块之间的导电母线上，所述箝位吸收电阻的另一端连接到三电平功率模块的P相和N相输出导电连接点上，形成箝位吸收电路。
8.根据权利要求1所述的三电平功率模块，其特征在于，所述功率半导体组件上方设置有用于实现功率器件在正常工作时的散热需求的冷却液进出管道。
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