CN114465445B - 功率模块与功率变换装置 - Google Patents

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Abstract

本发明揭露一种功率模块与功率变换装置。功率模块包括：一次侧变换单元，包括第一主动器件单元；二次侧变换单元，包括第二主动器件单元；变压器，包括一次侧单元和二次侧单元，一次侧单元与一次侧变换单元连接，二次侧单元与二次侧变换单元连接；第一散热单元，一次侧单元与第一主动器件单元设置于第一散热单元；第二散热单元，二次侧单元与第二主动器件单元设置于第二散热单元；以及绝缘板，包括绝缘板主体及设置于其表面的半导电层；一次侧变换单元、一次侧单元及第一散热单元位于绝缘板的第一侧，二次侧变换单元、二次侧单元及第二散热单元位于绝缘板的第二侧，半导电层覆盖变压器、一次侧变换单元和二次侧变换单元在绝缘板上的投影。

Description

功率模块与功率变换装置
技术领域
本发明涉及电力技术领域，尤其涉及一种功率模块与功率变换装置。
背景技术
随着电动汽车市场需求逐步增长，产销量持续增加，大有超越传统汽车的趋势。而作为重要的配套充电设施需求随之快速增长，同时市场对其性能要求也不断提高。
同时，随着国家将数据中心纳入新基建范畴，作为智能经济底层基础设施的大数据中心加速建设成为必然需求。2019年中国数据中心IT投资规模达3698.1亿，预计2020年这一规模将增长12.7％，达到4166.8亿元。而到2025 年，预计这一投资规模将达到7070.9亿元，因而数据中心供电设备需求也面临爆发性增长。
而功率模块作为电动汽车和数据中心配套供电设备中的核心部件，也面临着更大的挑战和更高的要求。如图1所示，其示出了一种现有的功率模块100’的结构，其中，该功率模块100’的高压腔101’和低压腔102’是并行排列，高压单元10’是位于高压腔内，低压单元20’和变压器30’是位于低压腔102’内，且高压单元10’和变压器30’通过电缆40’连线。并且，在高压腔10’和低压腔 20’的面部为风扇单元50’。此种结构的劣势有：(1)模块内部结构顺序排列造成高度尺寸大，不易搬运；高压腔深，电缆及光纤连接固定困难；(2)壳体采用遮罩式壳体绝缘造成模块尺寸大，重量重，价格贵。
另外，当前的功率模组产品设计普遍存在以下缺陷：(1)功率器件布置不合理，变压器布局倾斜放置，导致存在空间浪费，功率密度较低的问题，有待提高；(2)总体风道长，风阻大，限制产品散热能力提升；(3)散热片数量多，分散布置，装配复杂；(4)绝缘壳体形状复杂，模具复杂，精度低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种功率模块与功率变换装置，可以解决现有技术的至少一或多个缺陷，可以有效提高功率模块的功率密度并同时简化装配制造工艺，从而可以更加符合市场需求，提高产品竞争力。
为了实现上述目的，本发明提供一种功率模块，其包括：一次侧变换单元，包括第一主动器件单元；二次侧变换单元，包括第二主动器件单元；变压器，包括一次侧单元和二次侧单元，其中所述一次侧单元与所述一次侧变换单元连接，所述二次侧单元与所述二次侧变换单元连接；第一散热单元，所述一次侧单元与所述第一主动器件单元设置于所述第一散热单元；第二散热单元，所述二次侧单元与所述第二主动器件单元设置于所述第二散热单元；以及绝缘板，包括绝缘板主体以及设置于所述绝缘板主体的表面的半导电层；其中，所述一次侧变换单元、所述一次侧单元及所述第一散热单元位于所述绝缘板的第一侧，所述二次侧变换单元、所述二次侧单元及所述第二散热单元位于所述绝缘板的第二侧，所述半导电层覆盖所述变压器、所述一次侧变换单元和所述二次侧变换单元在所述绝缘板上的投影。
在本发明的一实施例中，所述一次侧单元与所述第一主动器件单元位于所述第一散热单元的同一侧，所述二次侧单元与所述第二主动器件单元位于所述第二散热单元的同一侧。
在本发明的一实施例中，所述一次侧变换单元还包括第一被动器件单元，所述二次侧变换单元还包括第二被动器件单元。
在本发明的一实施例中，所述第一主动器件单元与所述第一被动器件单元堆叠设置，所述第二主动器件单元与所述第二被动器件单元堆叠设置。
在本发明的一实施例中，所述第一被动器件单元和所述第一散热单元并列设置，所述第二被动器件单元和所述第二散热单元并列设置。
在本发明的一实施例中，所述一次侧单元与所述第一主动器件单元位于所述第一散热单元的相对两侧，所述二次侧单元与所述第二主动器件单元位于所述第二散热单元的相对两侧。
在本发明的一实施例中，所述一次侧变换单元还包括有第一被动器件单元，所述二次侧变换单元还包括有第二被动器件单元。
在本发明的一实施例中，所述第一主动器件单元与所述第一被动器件单元堆叠设置，所述第二主动器件单元与所述第二被动器件单元堆叠设置。
在本发明的一实施例中，所述功率模块还包括：第一绝缘壳体，所述一次侧变换单元、所述第一散热单元以及所述一次侧单元放置于所述第一绝缘壳体内部。
在本发明的一实施例中，所述第一绝缘壳体的截面呈C型，所述第一绝缘壳体与所述绝缘板拼接或一体成型形成第一壳体，所述第一壳体的外侧面除所述半导电层以外的区域喷涂有喷锌层。
在本发明的一实施例中，所述喷锌层接地。
在本发明的一实施例中，所述功率模块还包括：第二绝缘壳体，所述二次侧变换单元、所述第二散热单元以及所述二次侧单元放置于所述第二绝缘壳体内部。
在本发明的一实施例中，所述第二绝缘壳体的截面呈C型，所述第二绝缘壳体与所述绝缘板拼接。
在本发明的一实施例中，所述第一散热单元和/或所述第二散热单元为水冷散热单元。
在本发明的一实施例中，所述第一散热单元和/或所述第二散热单元为风冷散热单元，且所述功率模块还包括风扇单元，对应设置于所述绝缘板的端部。
在本发明的一实施例中，所述风扇单元包括第一风扇和第二风扇，对应设置于所述绝缘板的第一端部，且分别位于所述绝缘板的两侧。
为了实现上述目的，本发明还提供一种功率变换装置，其包括：柜体；以及多个如上所述的功率模块，并排布置于所述柜体中。
本发明通过涂覆半导电层的绝缘板复用，使得一次侧变换单元和二次侧变换单元之间、以及变压器的一次侧单元和二次侧单元之间可实现紧贴绝缘板布置，满足电气安全要求同时减小功率单元体积，因此，具有单元体积较小、功率密度高的优点。本发明通过在一次侧变换单元和二次侧变换单元中，将主动单元和被动单元分开布置，可实现零件高度匹配。
本发明的功率器件和变压器可以集中散热，散热零部件少(水冷散热时可以提高功率单元的IP(Ingress Protection)等级)，使装配简化。本发明的变压器可以先和散热单元装配，安装容易。本发明的变压器的一、二次侧单元和一、二次侧变换单元在壳体外部即可装配，连接简化。本发明的绝缘板形状规则，模具结构简单，精度高。
本发明通过风道优化，风阻减小，进一步提升了散热能力。本发明可以实现风冷水冷散热兼容。
本发明的额外方面和优点将部分地在下面的描述中阐述，并且部分地将从描述中变得显然，或者可以通过本发明的实践而习得。
附图说明
通过参照附图详细描述其示例实施方式，本发明的上述和其它特征及优点将变得更加明显。
图1为现有的功率模块的结构示意图；
图2A为本发明第一较佳实施例的功率模块的结构示意图；
图2B为图2A的功率模块去除壳体后的组装结构示意图；
图2C为本发明的功率模块的一较佳的电路结构示意图；
图2D为图2A的功率模块中的壳体的结构示意图；
图2E为图2A的功率模块俯视的剖面结构示意图，其中在功率模块的一个端部还进一步设置有风扇单元；
图2F为图2B中一次侧变换单元、变压器的一次侧单元与第一散热单元组装后的结构示意图，其中一次侧变换单元的第一主动器件单元与第一被动器件单元是堆叠设置；
图3A为本发明第二较佳实施例的功率模块中一次侧变换单元、变压器的一次侧单元与第一散热单元组装后的结构示意图，其中一次侧变换单元的第一主动器件单元与第一被动器件单元是并列设置；
图3B为图3A的侧视图；
图4A为本发明第三较佳实施例的功率模块的结构示意图；
图4B为图4A的功率模块中的壳体的结构示意图；
图5A为本发明的第四较佳实施例的功率模块的结构示意图；
图5B为图5A的功率模块中一次侧变换单元、变压器的一次侧单元与第一散热单元组装后的结构示意图，其中一次侧变换单元的第一主动器件单元和变压器的一次侧单元是分别设置于第一散热单元的相对两侧；
图6A为本发明一较佳的功率变换装置的结构示意图；
图6B为图6A的功率变换装置的侧面剖视图。
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实施方式；相反，提供这些实施方式使得本发明将全面和完整，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。图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。
在介绍这里所描述和/或图示的要素/组成部分/等时，用语“一个”、“一”、“该”、“所述”和“至少一个”用以表示存在一个或多个要素/组成部分/等。术语“包含”、“包括”和“具有”用以表示开放式的包括在内的意思并且是指除了列出的要素/组成部分/等之外还可存在另外的要素/组成部分/等。实施方式中可能使用相对性的用语，例如“上”或“下”以描述图标的一个组件对于另一组件的相对关系。能理解的是，如果将图标的装置翻转使其上下颠倒，则所叙述在“上”侧的组件将会成为在“下”侧的组件。此外，权利要求书中的术语“第一”、“第二”等仅作为标记使用，不是对其对象的数字限制。
如图2A～2E所示，本发明第一较佳实施例的功率模块100-1包括一次侧变换单元10、二次侧变换单元20、变压器30、第一散热单元41、第二散热单元42以及绝缘板50。其中，所述一次侧变换单元10可包括第一主动器件单元11。所述二次侧变换单元20可包括第二主动器件单元21。所述变压器30 可包括一次侧单元31和二次侧单元32，其中所述一次侧单元31是与所述一次侧变换单元10连接，所述二次侧单元32是与所述二次侧变换单元20连接。并且，所述一次侧单元31与所述第一主动器件单元11是设置于所述第一散热单元41。所述二次侧单元32与所述第二主动器件单元21是设置于所述第二散热单元42。所述绝缘板50可包括绝缘板主体以及设置于所述绝缘板主体的表面的半导电层，例如，参考图2A，可在绝缘板50左右两侧的两个相对表面 51、52上分别涂覆半导电层(图中未标示)。其中，所述一次侧变换单元10、所述一次侧单元31及所述第一散热单元41是位于所述绝缘板50的第一侧(例如左侧)；所述二次侧变换单元20、所述二次侧单元32及所述第二散热单元42是位于所述绝缘板50的第二侧(例如右侧)。而且，所述半导电层是覆盖所述变压器30、所述一次侧变换单元10和所述二次侧变换单元20在所述绝缘板50上的投影。
如图2B、图2E和图2F所示，在本实施例中，所述一次侧变换单元10还可进一步包括第一被动器件单元12，且所述第一主动器件单元11与所述第一被动器件单元12可为堆叠设置。所述二次侧变换单元20还可进一步包括第二被动器件单元22，且所述第二主动器件单元21与所述第二被动器件单元22 可为堆叠设置。
较佳地，所述一次侧单元31可与所述第一主动器件单元11位于所述第一散热单元41的同一侧，如图2B、图2E和图2F所示。所述二次侧单元32可与所述第二主动器件单元21位于所述第二散热单元42的同一侧。
在本实施例中，所述功率模块100-1还可进一步包括有壳体60。所述壳体 60例如可为绝缘壳体，并可为一中空的矩形结构。更佳地，所述绝缘板50与所述壳体60是一体形成的。所述绝缘板50将所述壳体60的中空的空间分隔成左右两个容纳空间610、620。其中，所述一次侧变换单元10、所述第一散热单元41以及所述一次侧单元31例如可构成功率模块的高压单元HV，并容纳于所述容纳空间610之中；而所述二次侧变换单元20、所述第二散热单元 42以及所述二次侧单元32例如可构成功率模块的低压单元LV，并容纳于所述容纳空间620之中。较佳地，在所述壳体60的外侧面可喷涂有喷锌层(图中未示)。
如图2C所示，其示出了本发明的功率模块一较佳的电路结构，此电路包括有变压器T及位于高压侧的AC/DC变换电路(或称为一次侧变换单元)和位于低压侧的DC/DC变换电路(或称为二次侧变换单元)。结合参考图2B，其中，变压器T的一次侧及与之相连的电感(在该实施例中为变压器的漏感) 例如构成了图2B中的变压器30的一次侧单元31，变压器T的二次侧例如构成了图2B中的变压器30的二次侧单元32。AC/DC变换电路中由多个晶体管及二极管组成的电路部分11-1以及由多个晶体管组成的电路部分11-2例如可封装成图2B中的一次侧变换单元10的第一主动器件单元11，AC/DC变换电路中由多个电容组成的电路部分12-1以及由原边电容组成的电路部分12-2例如可封装成图2B中的一次侧变换单元10的第一被动器件单元12。DC/DC变换电路中由多个晶体管组成的电路部分例如可封装成图2B中的二次侧变换单元20的第二主动器件单元21，DC/DC变换电路中由一个电容组成的电路部分例如可封装成图2B中的二次侧变换单元20的第二被动器件单元22。图2C 仅示出了本发明一较佳的电路结构，但可以理解的是，本发明的功率模块的电路并不局限于此，这些并不作为对本发明的限制。
在本实施例中，所述第一散热单元41和/或所述第二散热单元42例如可为水冷散热单元。在其它实施例中，所述第一散热单元41和/或所述第二散热单元42可为风冷散热单元，且所述功率模块100-1还可进一步包括风扇单元 70，如图2E所示，可对应设置于所述绝缘板50的一个端部(例如右端)。较佳的，所述风扇单元70可包括第一风扇和第二风扇，可对应设置于所述绝缘板50的第一端部(例如右端)，且分别位于所述绝缘板50的两侧。通过所述风扇单元70，可产生气流，气流可沿如图2E中气流方向AF流动并对各个容纳空间610、620中的单元器件进行散热。在其它实施例中，所述第一散热单元41和/或所述第二散热单元42还可为风冷水冷散热兼容。
在本实施例中，如图2E所示，所述高压单元HV和所述低压单元LV在与所述壳体60组装之后，还可分别在所述壳体60的左、右两端分别形成第一绝缘区域IA1、第二绝缘区域IA2。
本第一较佳实施例的功率模块通过涂覆半导电层的绝缘板50的复用，可使得一次侧变换单元10和二次侧变换单元20、以及变压器30的一次侧单元 31和二次侧单元32紧贴绝缘板50布置，满足电气安全要求同时减小功率单元体积。并且，在一次侧变换单元10和二次侧变换单元20中，通过将主动器件单元和被动器件单元分开布置，可使得零件高度匹配。
本第一较佳实施例的功率模块的功率器件和变压器可以集中散热，散热零部件少(水冷散热时可以提高功率单元的IP(Ingress Protection)等级)，使装配简化。并且，变压器可以先和散热单元装配，安装容易。变压器的一、二次侧单元和一、二次侧变换单元在壳体外部即可装配，连接简化。绝缘板形状规则，模具结构简单，精度高。
本第一较佳实施例的功率模块通过风道优化，风阻减小，进一步提升了散热能力。并且，可以实现风冷水冷散热兼容。
在本发明第二较佳实施例的功率模块中，可将第一较佳实施例的功率模块中的高压单元(如图2E、2E所示)和低压单元(如图2E所示)采用例如图 3A所示的结构替代。例如，可将第一被动器件单元12和第一散热单元41并列设置，如图3A所示。还可以将第二被动器件单元22和第二散热单元42并列设置(未图示)。
本第二较佳实施例的功率模块通过将被动器件单元同散热单元并列布置，可使得宽度W(如图3B所示)变小，如此可使得功率模块的宽度也可以变小，从而可以适应宽度较小的柜体。
如图4A和图4B所示，本发明第三较佳实施例的功率模块100-3与第一较佳实施例的功率模块100-1的区别在于，所述壳体60是由第一绝缘壳体61 和第二绝缘壳体62组成。其中，所述第一绝缘壳体61的截面例如可呈C型，所述第一绝缘壳体61可与所述绝缘板50拼接形成第一壳体，也可与所述绝缘板50一体成型形成第一壳体。所述第二绝缘壳体62的截面例如可呈C型，且所述第二绝缘壳体62可与所述绝缘板50拼接。其中，一次侧变换单元的第一主动器件单元11和第一被动器件单元12、第二散热单元41以及变压器的一次侧单元31例如可为高压单元HV并放置于所述第一绝缘壳体61的内部，即容纳空间610之中。二次侧变换单元的第二主动器件单元21和第二被动器件单元22、第二散热单元42以及变压器的二次侧单元32例如可为低压单元 LV并放置于所述第二绝缘壳体62的内部，即容纳空间620之中。
较佳地，本第三较佳实施例的功率模块100-3在所述第一壳体的外侧面除所述半导电层以外的区域还可进一步喷涂有喷锌层63。所述喷锌层63可接地。
本第三较佳实施例的功率模块100-3通过喷锌层63保护接地，安全可触摸。本第三较佳实施例的功率模块100-3还可提高功率模块的局放电压。
如图5A和图5B所示，本发明第四较佳实施例的功率模块100-4与第一较佳实施例的功率模块100-1的区别在于，变压器的一次侧单元31与一次侧变换单元10的第一主动器件单元11是分别位于第一散热单元41的相对两侧，变压器的二次侧单元32与二次侧变换单元20的第二主动器件单元21是分别位于第二散热单元42的相对两侧。
在本实施例中，所述一次侧变换单元10还包括有第一被动器件单元12，且所述第一主动器件单元11与所述第一被动器件单元12是堆叠设置。所述二次侧变换单元20还包括有第二被动器件单元22，且所述第二主动器件单元21 与所述第二被动器件单元22是堆叠设置。
本第四较佳实施例的功率模块100-4可充分利用散热单元的相对两侧的两个表面，从而减小散热单元的尺寸，进而可使得涂覆半导电层的绝缘板50 的尺寸减小。
如图6A和图6B所示，其示出了本发明的一种功率变换装置600的结构，其包括柜体601以及多个如上所述的功率模块(100-1、100-3、或100-4等)。其中，单个功率模块例如可分为左右两侧，左侧为高压，右侧为低压。并且，这些功率模块在柜体601中并排布置，并喷涂喷锌层接地后，模块间预留很小间隙即可满足电气绝缘要求，从而可以减小柜体体积。
以上具体地示出和描述了本发明的示例性实施方式。应该理解，本发明不限于所公开的实施方式，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布置。

Claims (17)

1.一种功率模块，其特征在于，包括：
一次侧变换单元，包括第一主动器件单元；
二次侧变换单元，包括第二主动器件单元；
变压器，包括一次侧单元和二次侧单元，其中所述一次侧单元与所述一次侧变换单元连接，所述二次侧单元与所述二次侧变换单元连接；
第一散热单元，所述一次侧单元与所述第一主动器件单元设置于所述第一散热单元；
第二散热单元，所述二次侧单元与所述第二主动器件单元设置于所述第二散热单元；以及
绝缘板，包括绝缘板主体以及设置于所述绝缘板主体的表面的半导电层；
其中，所述一次侧变换单元、所述一次侧单元及所述第一散热单元位于所述绝缘板的第一侧，所述二次侧变换单元、所述二次侧单元及所述第二散热单元位于所述绝缘板的第二侧，所述半导电层覆盖所述变压器、所述一次侧变换单元和所述二次侧变换单元在所述绝缘板上的投影。
2.根据权利要求1所述的功率模块，其特征在于，所述一次侧单元与所述第一主动器件单元位于所述第一散热单元的同一侧，所述二次侧单元与所述第二主动器件单元位于所述第二散热单元的同一侧。
3.根据权利要求2所述的功率模块，其特征在于，所述一次侧变换单元还包括第一被动器件单元，所述二次侧变换单元还包括第二被动器件单元。
4.根据权利要求3所述的功率模块，其特征在于，所述第一主动器件单元与所述第一被动器件单元堆叠设置，所述第二主动器件单元与所述第二被动器件单元堆叠设置。
5.根据权利要求3所述的功率模块，其特征在于，所述第一被动器件单元和所述第一散热单元并列设置，所述第二被动器件单元和所述第二散热单元并列设置。
6.根据权利要求1所述的功率模块，其特征在于，所述一次侧单元与所述第一主动器件单元位于所述第一散热单元的相对两侧，所述二次侧单元与所述第二主动器件单元位于所述第二散热单元的相对两侧。
7.根据权利要求6所述的功率模块，其特征在于，所述一次侧变换单元还包括有第一被动器件单元，所述二次侧变换单元还包括有第二被动器件单元。
8.根据权利要求7所述的功率模块，其特征在于，所述第一主动器件单元与所述第一被动器件单元堆叠设置，所述第二主动器件单元与所述第二被动器件单元堆叠设置。
9.根据权利要求1～8任一权利要求所述的功率模块，其特征在于，还包括：
第一绝缘壳体，所述一次侧变换单元、所述第一散热单元以及所述一次侧单元放置于所述第一绝缘壳体内部。
10.根据权利要求9所述的功率模块，其特征在于，所述第一绝缘壳体的截面呈C型，所述第一绝缘壳体与所述绝缘板拼接或一体成型形成第一壳体，所述第一壳体的外侧面除所述半导电层以外的区域喷涂有喷锌层。
11.根据权利要求10所述的功率模块，其特征在于，所述喷锌层接地。
12.根据权利要求10所述的功率模块，其特征在于，还包括：
第二绝缘壳体，所述二次侧变换单元、所述第二散热单元以及所述二次侧单元放置于所述第二绝缘壳体内部。
13.根据权利要求12所述的功率模块，其特征在于，所述第二绝缘壳体的截面呈C型，所述第二绝缘壳体与所述绝缘板拼接。
14.根据权利要求1所述的功率模块，其特征在于，所述第一散热单元和/或所述第二散热单元为水冷散热单元。
15.根据权利要求1所述的功率模块，其特征在于，所述第一散热单元和/或所述第二散热单元为风冷散热单元，且所述功率模块还包括风扇单元，对应设置于所述绝缘板的端部。
16.根据权利要求15所述的功率模块，其特征在于，所述风扇单元包括第一风扇和第二风扇，对应设置于所述绝缘板的第一端部，且分别位于所述绝缘板的两侧。
17.一种功率变换装置，其特征在于，包括：
柜体；以及
多个如权利要求1所述的功率模块，并排布置于所述柜体中。
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