CN203632533U - 一种功率单元模块 - Google Patents

Abstract

本实用新型实施例公开了一种功率单元模块，包括壳体、固定件、电容阵列和功率半导体模块，电容阵列包括至少一个直流母线电容，壳体包括底板；固定件将所述电容阵列固定在所述壳体内，所述固定件与所述底板之间形成用于给所述电容阵列散热的第一通风通道；所述固定件背离所述电容阵列的一侧形成有用于给所述功率半导体模块散热的功率模块通风风道，所述功率半导体模块固定安装在所述功率模块通风风道上，且所述功率模块通风通道与所述第一通风通道并联。采用本实用新型的这种功率单元，可以增强散热性能。

Description

一种功率单元模块

技术领域

本实用新型涉及功率电器领域，尤其涉及一种功率单元模块。

背景技术

大功率电力电子产品，例如高压变频器、静止同步补偿器（Static SynchronousCompensator，简称STATCOM，又称SVG）等的重要组成部分就是功率单元模块。在功率单元模块的结构设计中，不仅要考虑其通风散热，还要考虑其结构紧凑、布局合理等许多因素，从而实现体积小、性能佳的目的。

传统的功率单元模块往往只将数量繁杂的元器件集合在一个独立的壳体中，却没有考虑其安装便利性、可维护性、系统体积、以及散热问题等，生产率难以提高。

实用新型内容

本实用新型实施例所要解决的技术问题在于，针对现有功率单元模块的布局杂乱，导致其安装便利性、可维护性和散热性较差的缺陷，提供一种新型功率单元模块，布局紧凑合理，方便安装和维护，且散热性能好。

为了解决上述技术问题，本实用新型实施例提供了一种功率单元模块，包括壳体、固定件、电容阵列和功率半导体模块，所述电容阵列包括至少一个直流母线电容，所述壳体包括底板；所述固定件将所述电容阵列固定在所述壳体内，所述固定件与所述底板之间形成用于给所述电容阵列散热的第一通风通道；所述固定件背离所述电容阵列的一侧形成有用于给所述功率半导体模块散热的功率模块通风风道，所述功率半导体模块固定安装在所述功率模块通风风道内，且所述功率模块通风通道与所述第一通风通道并联。

在本实用新型所述的功率单元模块中，所述固定件包括靠近所述底板的限位板，所述限位板上开设有用于对所述至少一个直流母线电容进行限位的至少一个限位孔，每个直流母线电容分别插设在一个限位孔中；所述固定件还包括与所述限位板一体成型的安装板，限位板和安装板之间呈直角或钝角，所述安装板固定在所述底板上。

在本实用新型所述的功率单元模块中，所述功率模块通风通道内设有功率模块散热器，所述功率半导体模块固定安装在所述功率模块散热器上。

在本实用新型所述的功率单元模块中，所述壳体包括相对设置的第一侧板和第三侧板，所述第一侧板和所述第三侧板分别与所述底板垂直，所述功率半导体模块包括并联连接的第一IGBT模块和第二IGBT模块，所述第一IGBT模块设置在所述壳体内靠近所述第一侧板的一侧，所述第二IGBT模块设置在所述壳体内靠近所述第三侧板的一侧。

在本实用新型所述的功率单元模块中，所述功率模块通风风道包括用于给所述第一IGBT模块散热的第二通风风道和用于给所述第二IGBT模块散热的第三通风风道，且所述第二通风风道和所述第三通风风道相互并联。

在本实用新型所述的功率单元模块中，所述功率单元模块还包括控制板、电源盒和整流桥模块，所述控制板、电源盒和所述整流桥模块均安装在所述第二通风风道和所述第三通风风道之间。

在本实用新型所述的功率单元模块中，所述第二通风风道和所述第三通风风道之间设有第四通风风道，所述第四通风风道用于给所述控制板、电源盒和整流桥模块散热。

在本实用新型所述的功率单元模块中，所述第四通风道内设有整流桥散热器，所述整流桥模块固定安装在所述整流桥散热器上。

在本实用新型所述的功率单元模块中，所述第一IGBT模块、所述第二IGBT模块、所述整流桥模块以及所述电容阵列通过弯折的直流母排连接，以缩短所述第一IGBT模块、所述第二IGBT模块与所述电容阵列之间的距离。

在本实用新型所述的功率单元模块中，所述壳体还包括与所述底板、所述第一侧板以及所述第三侧板均相互垂直的第二侧板，以及与所述第二侧板平行的第四侧板；所述第二侧板上设置有所述第一通风风道的第一进风口、所述第二通风风道的第二进风口、所述第三通风风道的第三进风口以及所述第四通风风道的第四进风口，所述第四侧板上设置有所述第一通风风道的第一出风口、所述第二通风风道的第二出风口、所述第三通风风道的第三出风口以及所述第四通风风道的第四出风口。

实施本实用新型实施例，具有如下有益效果：通过电容阵列的固定件将电容阵列与功率半导体模块分隔开来，布局紧凑合理，便于安装和维护；分别为电容阵列和功率半导体模块提供单独的通风风道，可以避免功率单元中的这两个主要发热元件之间进行热交换，减少了这两个发热元件中的热量累积，增强散热性能，从而延长功率单元的使用寿命。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型提供的功率单元模块部分装配后的立体结构示意图；

图2是图1所示的功率单元模块装配完成后的一第一视角下的立体结构示意图；

图3是图1所示的功率单元模块装配完成后的一第二视角下的立体结构示意图；

图4是图2和3所示的功率单元模块的第一侧板方向的侧视图；

图5是图2和3所示的功率单元模块的第二侧板方向的侧视图；

图6是图2和3所示的功率单元模块的第三侧板方向的侧视图；

图7是图2和3所示的功率单元模块的第四侧板方向的侧视图；

图8是图2和3所示的功率单元模块的仰视图；

图9是图2和3所示的功率单元模块的俯视图；

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1-9所示，一种功率单元模块包括壳体1、固定件4、电容阵列2、功率半导体模块3、整流桥模块6、电源盒8、控制板7和功率模块散热器（图中未示出）。固定件4、电容阵列2、功率半导体模块3、整流桥模块6、控制板7、电源盒8和功率模块散热器均安装在壳体1内。电容阵列2用于存储直流电；功率半导体模块3用于将电容阵列2的直流电转换成可控的交流电压输出；控制板7用于控制和驱动功率半导体模块3实现将电容阵列2的直流电转换为可控的交流电压输出；电源盒8用于为控制板7提供工作电源；整流桥模块6用于对交流输入电压进行整流处理；功率模块散热器为热传导器件，可采用金属材料散热器、合金材料散热器、热管散热器中的一种，用于功率半导体模块3的散热。

其中，壳体1通常由第一侧板11、第二侧板12、第三侧板13、第四侧板14、底板15和顶板16连接而成，其中第一侧板11、第二侧板12、第三侧板13、第四侧板14分别与底板15垂直，顶板16与底板15平行。

电容阵列2和功率半导体模块3是功率单元中两个主要的发热元件，因此主要针对这两个发热元件进行散热。

电容阵列2包括至少一个直流母线电容，通常，直流母线电容大致呈圆柱状。如图1所示，电容阵列2包括15个直流母线电容，按照3*5的阵列排布。在其它例子中，电容阵列2还可以包括3*4排布的直流母线电容、4*4排布的直流母线电容等，本实施例中按照3*5的形式排布，是为了适应于本实施例中功率单元内其它电子元器件的布局，使本实用新型提供的功率单元的结构紧凑合理。

固定件4固定在所述壳体1上，用于对电容阵列2中的直流母线电容进行限位。例如，固定件4包括限位板41，限位板41固定在第一侧板11和第三侧板13上靠近所述底板15的位置处，限位板41与底板15之间的距离略小于直流母线电容的高度；限位板41上开设有用于对直流母线电容进行限位的限位孔（图中未标出），每个直流母线电容分别插设在一个限位孔中。又例如，如图1所示，固定件4包括一体成型的限位板41和安装板42，限位板41和安装板42之间呈一定角度（本实施例中为直角，也可以为钝角），安装板42固定在底板15上，限位板41与底板15之间的距离略小于直流母线电容的高度；限位板41上开设有用于对直流母线电容进行限位的限位孔，每个直流母线电容分别插设在一个限位孔中。图1所示的这种将固定件4固定在底板15上的安装方式，更加方便于功率单元的安装和拆卸。另外，还可以将直流母线电容固定在限位板41上，例如通过螺钉固定在各自的限位孔中。若将直流母线电容固定在限位板41上，在一些例子中，直流母线电容可以悬空设置，即不再与底板15接触，限位板41与底板15之间的距离也不再限制为略高于直流母线电容的高度，这种悬空设置方式也有利于散热，但是同时也会增大功率单元的体积，在实际应用中，可以根据实际情况在散热性能和体积之间进行适当的均衡。

固定件4与所述底板15之间形成用于给电容阵列2散热的第一通风通道（图中未标出）；固定件4背离所述电容阵列2的一侧形成有用于给所述功率半导体模块3散热的功率模块通风风道（图中未标出）。功率半导体模块3固定安装在功率模块通风风道上，且功率模块通风风道与第一通风风道并联。优选地，功率半导体模块3固定安装在功率模块散热器上，功率模块散热器固定安装在功率模块通风风道内。在本实施例中，功率半导体模块3位于壳体（1）的第一侧板11、第二侧板12、和/或第三侧板13靠近顶板16的空间部位。

实施本实用新型实施例提供的新型功率单元模块，通过电容阵列2的固定件4将电容阵列2与功率半导体模块3分隔开来，布局紧凑合理，便于安装和维护；分别为电容阵列2和功率半导体模块3提供单独的通风风道，可以避免功率单元中的这两个主要发热元件之间进行热交换，减少了这两个发热元件中的热量累积，增强散热性能，从而延长功率单元的使用寿命。

优选地，功率半导体模块3包括并联连接的第一IGBT模块（图中未标出）和第二IGBT模块（图中未标出），第一IGBT模块设置在所述壳体1内靠近所述第一侧板11的一侧，第二IGBT模块设置在所述壳体1内靠近第三侧板13的一侧。其中，第一IGBT模块和第二IGBT模块均大致为长方体，且第一IGBT模块和第二IGBT模块均包括至少一个IGBT器件31、IGBT散热器（图中未示出）、以及与各自的IGBT器件31通信相连的IGBT驱动板32。将第一IGBT模块和第二IGBT模块隔离开来，可以减少两者之间的相互影响，提高功率单元的性能。

优选地，功率模块通风风道包括用于给第一IGBT模块散热的第二通风风道（图中未标出）和用于给第二IGBT模块散热的第三通风风道（图中未标出）。第一IGBT模块固定安装在其对应的第一IGBT模块散热器上（图中未标出），第一IGBT模块散热器固定安装在第二通风风道内；第二IGBT模块固定安装在其对应的第二IGBT模块散热器上（图中未标出），第二IGBT模块散热器固定安装在第三通风风道内。其中，第一通风风道、第二通风风道和第三通风风道相互并联。所述第二侧板12上设置有所述第一通风风道的第一进风口21、所述第二通风风道的第二进风口33以及所述第三通风风道的第三进风口34，所述第四侧板14上设置有所述第一通风风道的第一出风口22、所述第二通风风道的第二出风口35以及所述第三通风风道的第三出风口36。这样，电容阵列2的第一通风风道位于功率单元的下部，功率半导体模块3的第二通风风道和第三通风风道位于功率单元的上部两侧，三个风道呈倒“品”字形布局，相互之间独立没有热交换，不仅能增大通风面积，减小风道路径，从而增强通风散热性能；而且风道布局简单、美观，有利于减小功率单元的体积。

第一IGBT模块的直流端、第二IGBT模块的直流端、以及电容阵列2通过直流母排5电性连接，优选地，这些直流母排5是弯折的铜排，以便在保证安规要求的情况下，尽可能减小功率半导体模块3与电容阵列2之间的距离，从而使功率半导体模块3与电容阵列2之间的杂散电感足够小，提高功率单元的可靠性。

优选地，整流桥模块6、控制板7、电源盒8均安装在第一IGBT模块与第二IGBT模块之间，即第二通风风道和第三通风风道之间，其中整流桥模块6通过弯折的直流母排分别与第一IGBT模块、第二IGBT模块和电容阵列2连接。更加优选地，功率单元模块还包括整流桥散热器9，整流桥模块6固定安装在整流桥散热器9上。其中，整流桥散热器9为热传导器件，可采用金属材料散热器、合金材料散热器、热管散热器中的一种，用于整流桥模块6的散热。具体地，第一IGBT和第二IGBT之间设置有托板（图中未标出），控制板7、电源盒8和整流桥散热器9分别安装在托板上，整流桥模块6固定在整流桥散热器9上。这样布置不仅可以减小功率单元的体积，使功率单元的结构紧凑合理，还能减少风道路径上的障碍物数量，使以上三个通风风道内只有功率半导体模块3或电容阵列2，减小了风阻，增强了通风散热性能。

优选地，第二通风风道和第三通风风道之间还设有第四通风风道（图中未示出），第四通风风道用于给整流桥模块6、控制板7和电源盒8散热；整流桥散热器9固定安装在第四通风风道内，整流桥模块6固定安装在整流桥散热器9上。其中，第二侧板12上设置有第四通风风道的第四进风口（图中未标出），第四侧板14上设置有第四通风风道的第四出风口（图中未标出）。

更加优选地，第一进风口21、第二进风口33、第三进风口34、第四进风口、第一出风口22、第二出风口35、第三出风口36和第四出风口分别可以设置有单轴旋转门、平推门、网罩、单向导风罩、或多向导风罩等本领域技术人员熟知的进风口、出风口结构中的任意一种。例如，如图1-9所示的实施例中，第一进风口21设置有平推门，第一出风口22设置有单向导风罩；第二进风口33和第三进风口34均设置有网罩，第二出风口35和第三出风口36均设置有单轴旋转门。通过这种布置，可以方便用户根据需要调整各通风风道的风流量和风阻。

优选地，第一侧板11和第三侧板13的外侧分别设置有提手10，以方便用户搬运、安装该功率单元模块。

在大功率电力电子产品中采用图1-9所示的功率单元模块，三个风道并联，减少了各个发热元件的热量累积，且风道内的风阻较小，提升了功率单元模块的散热性能；风道局部简单美观，相互之间没有热交换；结构紧凑合理，总体积小；杂散电感小；安装维护方便；使用安全可靠。

本领域技术人员应当理解，本实用新型的范围并不限于以上实施例，在实际应用中，只要在大功率电力电子器件的功率单元模块中为电容阵列2和功率半导体模块3设置单独的通风风道，都属于本实用新型的保护范围。例如，本实用新型同样可以用于抽屉式电容安装结构的功率单元模块。

以上所揭露的仅为本实用新型一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本实用新型之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本实用新型权利要求所作的等同变化，仍属于实用新型所涵盖的范围。

Claims (10)

1.一种功率单元模块，包括壳体（1）、固定件（4）、电容阵列（2）和功率半导体模块（3），所述电容阵列（2）包括至少一个直流母线电容，所述壳体（1）包括底板（15）；其特征在于，所述固定件（4）将所述电容阵列固定在所述壳体（1）内，所述固定件（4）与所述底板（15）之间形成用于给所述电容阵列（2）散热的第一通风通道；所述固定件（4）背离所述电容阵列（2）的一侧形成有用于给所述功率半导体模块（3）散热的功率模块通风风道，所述功率半导体模块（3）固定安装在所述功率模块通风风道上，且所述功率模块通风通道与所述第一通风通道并联。

2.如权利要求1所述的功率单元模块，其特征在于，所述固定件（4）包括靠近所述底板（15）的限位板（41），所述限位板（41）上开设有用于对所述至少一个直流母线电容进行限位的至少一个限位孔，每个直流母线电容分别插设在一个限位孔中；所述固定件（4）还包括与所述限位板（41）一体成型的安装板（42），限位板（41）和安装板（42）之间呈直角或钝角，所述安装板（42）固定在所述底板（15）上。

3.如权利要求1所述的功率单元模块，其特征在于，所述功率模块通风通道内设有功率模块散热器，所述功率半导体模块（3）固定安装在所述功率模块散热器上。

4.如权利要求3所述的功率单元模块，其特征在于，所述壳体（1）包括相对设置的第一侧板（11）和第三侧板（13），所述第一侧板（11）和所述第三侧板（13）分别与所述底板（15）垂直，所述功率半导体模块（3）包括并联连接的第一IGBT模块和第二IGBT模块，所述第一IGBT模块设置在所述壳体（1）内靠近所述第一侧板（11）的一侧，所述第二IGBT模块设置在所述壳体（1）内靠近所述第三侧板（13）的一侧。

5.如权利要求4所述的功率单元模块，其特征在于，所述功率模块通风风道包括用于给所述第一IGBT模块散热的第二通风风道和用于给所述第二IGBT模块散热的第三通风风道，且所述第二通风风道和所述第三通风风道相互并联。

6.如权利要求5所述的功率单元模块，其特征在于，所述功率单元模块还包括控制板（7）、电源盒（8）和整流桥模块（6），所述控制板（7）、电源盒（8）和所述整流桥模块（6）均安装在所述第二通风风道和所述第三通风风道之间。

7.如权利要求6所述的功率单元模块，其特征在于，所述第二通风风道和所述第三通风风道之间设有第四通风风道，所述第四通风风道用于给所述控制板（7）、电源盒（8）和整流桥模块（6）散热。

8.如权利要求7所述的功率单元模块，其特征在于，所述第四通风道内设有整流桥散热器，所述整流桥模块（6）固定安装在所述整流桥散热器上。

9.如权利要求8所述的功率单元模块，其特征在于，所述第一IGBT模块、所述第二IGBT模块、所述整流桥模块（6）以及所述电容阵列（2）通过弯折的直流母排（5）连接，以缩短所述第一IGBT模块、所述第二IGBT模块与所述电容阵列（2）之间的距离。

10.如权利要求9所述的功率单元模块，其特征在于，所述壳体（1）还包括与所述底板（15）、所述第一侧板（11）以及所述第三侧板（13）均相互垂直的第二侧板（12），以及与所述第二侧板（12）平行的第四侧板（14）；所述第二侧板（12）上设置有所述第一通风风道的第一进风口（21）、所述第二通风风道的第二进风口（33）、所述第三通风风道的第三进风口（34）以及所述第四通风风道的第四进风口，所述第四侧板（14）上设置有所述第一通风风道的第一出风口（22）、所述第二通风风道的第二出风口（35）、所述第三通风风道的第三出风口（36）以及所述第四通风风道的第四出风口。

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