CN115226370A - 功率转换单元的封装 - Google Patents

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廖旭强
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V·邦达帕利
S·阿迪哈特拉
D·K·潘亚
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Abstract

一种机械组件包括：功率半导体装置，其位于机械外壳的内部；和磁性部件，其位于机械外壳的外部，并且可操作地连接到功率半导体装置。功率半导体装置和磁性部件经由机械外壳的外部的共同空气通路被冷却。功率转换器包括：功率半导体装置，其位于机械外壳的内部，功率半导体装置配置成将DC输入功率转换成AC输出功率；和电感器，其位于机械外壳的外部，并且可操作地连接到功率半导体装置。功率半导体装置和磁性部件经由机械外壳的外部的共同空气通路被冷却。

Description

功率转换单元的封装
背景技术
示例性实施例涉及运输制冷单元的技术，并且特别地涉及用于运输制冷单元的功率转换器的封装。
用于运输制冷剂单元的功率转换器有时需要高进入防护(IP)等级以及空气冷却式热管理。另外，可能需要具有磁性部件的功率转换器来扩展操作电压范围。这些独特的要求在设计高密度机械封装方面提出了挑战。例如，由于高操作温度而导致磁性部件不可与外壳的内部的其他电子设备放在一起。另一方面，用于功率转换单元的两个单独的机械外壳可使封装变大并且使冷却设计变困难。
发明内容
在一个实施例中，一种机械组件包括：功率半导体装置，其位于机械外壳的内部；和磁性部件，其位于机械外壳的外部，并且可操作地连接到功率半导体装置。功率半导体装置和磁性部件经由机械外壳的外部的共同空气通路被冷却。
附加地或备选地，在该实施例或其他实施例中，散热器在共同空气通路中位于机械外壳的外部，散热器可操作地连接到功率半导体装置。
附加地或备选地，在该实施例或其他实施例中，机械外壳固定到散热器。
附加地或备选地，在该实施例或其他实施例中，散热器垫片位于机械外壳与散热器之间，以使机械外壳与散热器之间的界面密封。
附加地或备选地，在该实施例或其他实施例中，功率半导体装置在由散热器垫片限定的周界(perimeter)的内部经由机械外壳中的一个或多个开口可操作地连接到散热器。
附加地或备选地，在该实施例或其他实施例中，磁性部件和机械外壳固定到共同基板。
附加地或备选地，在该实施例或其他实施例中，机械外壳包括：基础表面，其固定到基板；搁架表面，其从底表面竖直地偏移；和竖立表面，其在基础表面与搁架表面之间延伸。
附加地或备选地，在该实施例或其他实施例中，功率半导体装置经由形成在搁架表面中的搁架端口可操作地连接到磁性部件。
附加地或备选地，在该实施例或其他实施例中，索环和/或灌封化合物中的一个或多个位于搁架端口处。
附加地或备选地，在该实施例或其他实施例中，盖被安装到机械外壳。
在另一个实施例中，功率转换器包括：功率半导体装置，其位于机械外壳的内部，功率半导体装置配置成将DC输入功率转换成AC输出功率；和电感器，其位于机械外壳的外部，并且可操作地连接到功率半导体装置。功率半导体装置和磁性部件经由机械外壳的外部的共同空气通路被冷却。
附加地或备选地，在该实施例或其他实施例中，功率半导体装置包括印刷电路板组件。
附加地或备选地，在该实施例或其他实施例中，散热器在共同空气通路中位于机械外壳的外部。散热器可操作地连接到功率半导体装置。
附加地或备选地，在该实施例或其他实施例中，机械外壳固定到散热器。
附加地或备选地，在该实施例或其他实施例中，散热器垫片位于机械外壳与散热器之间，以使机械外壳与散热器之间的界面密封。
附加地或备选地，在该实施例或其他实施例中，功率半导体装置在由散热器垫片限定的周界的内部经由机械外壳中的一个或多个开口可操作地连接到散热器。
附加地或备选地，在该实施例或其他实施例中，电感器和机械外壳固定到共同基板。
附加地或备选地，在该实施例或其他实施例中，机械外壳包括：基础表面，其固定到基板；搁架表面，其从底表面竖直地偏移；和竖立表面，其在基础表面与搁架表面之间延伸。
附加地或备选地，在该实施例或其他实施例中，功率半导体装置经由形成在搁架表面中的搁架端口可操作地连接到电感器。
附加地或备选地，在该实施例或其他实施例中，索环和/或灌封化合物中的一个或多个位于搁架端口处。
附图说明
以下描述不应被认为以任何方式进行限制。参考附图，相同的元件被相同地编号：
图1是机械组件的实施例的透视图；
图2是机械组件的实施例的另一个透视图；
图3是示出安装到基板的散热器和磁性部件的透视图；
图4是示出将机械外壳安装到散热器和基板的透视图；
图5是示出安装到散热器和基板的机械外壳的透视图；
图6是机械组件的实施例的局部横截面视图；
图7是示出将机械外壳固定到基板的局部横截面视图；
图8是机械组件的实施例的另一个局部横截面视图；
图9是示出将机械外壳固定到散热器的局部横截面视图；
图10是机械组件的实施例的又一个透视图；
图11是示出将电子部件安装到机械外壳的透视图；
图12是机械组件的实施例的另一个局部横截面视图；
图13是示出将电子部件安装到机械外壳的另一个透视图；
图14是示出将顶盖安装到机械外壳的透视图；
图15是安装到机械外壳的顶盖的透视图；以及
图16是顶盖的实施例的透视图。
具体实施方式
所公开的设备和方法的一个或多个实施例的详细描述在本文中参考附图通过示例性而非限制性的方式呈现。
本公开描述并且示出了功率转换器布置结构和组装功率转换器结构的方法。本公开使单个冷却风扇组能够冷却功率转换器的功率半导体装置和磁性部件两者。该布置结构实现了高进入防护(IP)等级，同时提供了满足受约束的空间要求的紧凑解决方案。IP等级在工业中被认为是用于对由机械壳体和电气外壳提供的针对侵入、灰尘、意外接触以及水的防护程度进行分类和评级的标准。
参考图1，功率转换器10(其可被称为机械组件)的实施例包括磁性部件(诸如电感器12)和机械外壳14。如图1中所示，电感器12和机械外壳14可固定到基板16，其中，电感器12位于机械外壳14的外部。电感器12和机械外壳14中的每一个以高IP等级(例如，IP65或以上)配置。散热器18和风扇单元20也可在机械外壳14的外部固定到基板16。散热器18和风扇单元20配置成经由共享空气通路22消散来自电感器12和在机械外壳14内的电子部件两者的热能。在一些实施例中，诸如图1中所示，散热器18和风扇单元20竖直地设置在机械外壳14下方，并且相对于空气流沿着共享空气通路22的方向位于电感器12的上游。如图2中所示，机械外壳14包含一个或多个电子部件，诸如印刷电路板组件(PCBA)24。电子部件可配置为功率半导体装置，以将DC输入功率转换成AC输出功率。
从图3开始，功率转换器10的实施例的结构将通过描述其组装次序的方式描述。图3示出了在一些实施例中通过螺钉或螺栓安装到基板16的电感器12、散热器18以及风扇单元20。散热器18的底表面26被安装到基板16，而散热器垫片28被安装到散热器18的与底表面26相对的顶表面30。此外，一个或多个绝缘栅双极晶体管(IGBT's)32在由散热器垫片28限定的周界的内部被安装到顶表面30。虽然IGBT's 32在图3中示出并且在本文中描述，但本领域技术人员将理解的是，在其他实施例中，可利用其他开关元件。
现在参考图4和图5，机械外壳14固定到基板16，并且固定到散热器18的顶表面30。机械外壳14由例如片状金属形成，并且包括基础表面34(在图6中所示)和经由竖立表面38连接到基础表面34的搁架表面36。基础表面34固定到基板16，并且搁架表面36位于散热器18的顶表面30上方，并且通过例如螺钉40来固定到顶表面。基础表面34、搁架表面36以及竖立表面38被外壳侧壁42包围。此外，搁架表面36包括用于IGBT's 32中的每一个的开口44，使得当机械外壳14被安装到散热器18时，IGBT's 32经由开口44突出到机械外壳14的内部中。位于搁架表面36与散热器30的顶表面30之间的散热器垫片28防止异物通过开口44侵入到机械外壳14中。如图6和图7中所示，机械外壳14的基础表面34通过安装到自紧插入件(self-clinching insert)48中的基础螺钉46固定到基板16。在一些实施例中，插入件48被安装在基础表面34中，并且，基础螺钉46通过基板16被安装到插入件48中。在基础表面34被固定到基板16之前，可在基础表面34与基板16之间安装基础垫片50以使界面密封。类似地，参考图8和图9，搁架表面36固定到散热器18，其中，一个或多个搁架螺钉52通过搁架表面36被安装到散热器18中的带螺纹的散热器孔54中。
参考图10，诸如DC功率输入端口56和AC功率输出端口58等部件被安装在机械外壳14的外壳侧壁42中。此外，如图11中所示，DC接触器60在例如基础表面34处被安装在机械外壳14中。现在参考图12，一个或多个搁架端口62被限定在搁架表面36中，以允许导体64在机械外壳14的外部的电感器12与机械外壳14的内部之间延伸。在一些实施例中，电感器12包括朝向机械外壳14延伸的管状通道66，其中，索环68设置在管状通道66的外部与搁架端口62之间，以在搁架端口62与管状通道66之间密封。另外的灌封化合物70可被安装在管状通道66的内部，以提供进一步的进入防护。如图13中所示，PCBA 24被安装到机械外壳14中的IGBT's 32。接下来，如图14和图15中所示，顶盖72被安装在机械外壳14上方，以将PCBA 24和其他部件封闭在其中。顶盖72可通过例如多个盖螺钉74固定到机械外壳14。现在参考图16，顶盖72可包括盖垫片76，当顶盖72被安装到机械外壳14时，盖垫片76使顶盖72与机械外壳14之间的界面密封。
本文中所公开的功率转换器10使单个冷却风扇组能够经由共同或共享的空气通路22冷却位于机械外壳14的内部的PCBA 24和电感器12两者。该布置结构实现了高IP等级，因而防止异物进入到机械外壳14和电感器12中，同时提供了满足受约束的空间要求的紧凑解决方案。
术语“约”旨在包括与基于在提交本申请时可用的设备的特定数量的测量相关联的误差程度。
本文中所使用的用语仅仅出于描述特定实施例的目的，而不旨在限制本公开。如本文中所用，单数形式“一”、“一个”以及“该”旨在也包括复数形式，除非上下文清楚地另外规定。将进一步理解的是，当在本说明书中使用时，术语““包括”和/或“包含”指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件部件和/或它们的群组的存在或添加。
虽然已参考一个或多个示例性实施例描述了本公开，但本领域技术人员应当理解的是，在不脱离本公开的范围的情况下，可进行各种改变，并且等同体可替代其要素。另外，在不脱离本公开的基本范围的情况下，可进行许多修改，以使特定的情形或材料适于本公开的教导。因此，旨在使本公开不限于作为为了实施本公开所设想的最佳模式而公开的特定实施例，而是本公开将包括落入权利要求书的范围内的所有实施例。

Claims (20)

1. 一种机械组件，所述机械组件包括：
功率半导体装置，其设置在机械外壳的内部；和
磁性部件，其设置在所述机械外壳的外部，并且可操作地连接到所述功率半导体装置；
其中，所述功率半导体装置和所述磁性部件经由所述机械外壳的外部的共同空气通路被冷却。
2.根据权利要求1所述的机械组件，所述机械组件还包括散热器，所述散热器在所述共同空气通路中设置在所述机械外壳的外部，所述散热器可操作地连接到所述功率半导体装置。
3.根据权利要求2所述的机械组件，其中，所述机械外壳固定到所述散热器。
4.根据权利要求3所述的机械组件，所述机械组件还包括散热器垫片，所述散热器垫片设置在所述机械外壳与所述散热器之间，以使所述机械外壳与所述散热器之间的界面密封。
5.根据权利要求4所述的机械组件，其中，所述功率半导体装置在由所述散热器垫片限定的周界的内部经由所述机械外壳中的一个或多个开口可操作地连接到所述散热器。
6.根据权利要求1所述的机械组件，其中，所述磁性部件和所述机械外壳固定到共同基板。
7.根据权利要求6所述的机械组件，其中，所述机械外壳包括：
基础表面，其固定到所述基板；
搁架表面，其从所述底表面竖直地偏移；以及
竖立表面，其在所述基础表面与所述搁架表面之间延伸。
8.根据权利要求6所述的机械组件，其中，所述功率半导体装置经由形成在所述搁架表面中的搁架端口可操作地连接到所述磁性部件。
9.根据权利要求8所述的机械组件，所述机械组件还包括设置在所述搁架端口处的索环和/或灌封化合物中的一个或多个。
10.根据权利要求1所述的机械组件，所述机械组件还包括安装到所述机械外壳的盖。
11. 一种功率转换器，所述功率转换器包括：
功率半导体装置，其设置在机械外壳的内部，所述功率半导体装置配置成将DC输入功率转换成AC输出功率；和
电感器，其设置在所述机械外壳的外部，并且可操作地连接到所述功率半导体装置；
其中，所述功率半导体装置和所述磁性部件经由所述机械外壳的外部的共同空气通路被冷却。
12.根据权利要求11所述的功率转换器，其中，所述功率半导体装置包括印刷电路板组件。
13.根据权利要求11所述的功率转换器，所述功率转换器还包括散热器，所述散热器在所述共同空气通路中设置在所述机械外壳的外部，所述散热器可操作地连接到所述功率半导体装置。
14.根据权利要求13所述的功率转换器，其中，机械外壳固定到所述散热器。
15.根据权利要求14所述的功率转换器，所述功率转换器还包括散热器垫片，所述散热器垫片设置在所述机械外壳与所述散热器之间，以使所述机械外壳与所述散热器之间的界面密封。
16.根据权利要求15所述的功率转换器，其中，所述功率半导体装置在由所述散热器垫片限定的周界的内部经由所述机械外壳中的一个或多个开口可操作地连接到所述散热器。
17.根据权利要求11所述的功率转换器，其中，所述电感器和所述机械外壳固定到共同基板。
18.根据权利要求17所述的功率转换器，其中，所述机械外壳包括：
基础表面，其固定到所述基板；
搁架表面，其从所述底表面竖直地偏移；以及
竖立表面，其在所述基础表面与所述搁架表面之间延伸。
19.根据权利要求17所述的功率转换器，其中，所述功率半导体装置经由形成在所述搁架表面中的搁架端口可操作地连接到所述电感器。
20.根据权利要求19所述的功率转换器，所述功率转换器还包括设置在所述搁架端口处的索环和/或灌封化合物中的一个或多个。
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