CN204349819U - 一种简易紧凑式功率模块装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种简易紧凑式功率模块装置，包括IGBT复合机构、支撑电容机构、系统控制板、驱动板机构、支架；所述IGBT复合机构、支撑电容机构、系统控制板依次纵向分层排布，并分别与支架直接或间接固定连接，所述驱动板机构设置在支架侧面；支撑电容机构和IGBT复合机构定向对接，支撑电容机构中的电容复合母排与IGBT复合机构中的IGBT复合母排直接贴合。本实用新型提供的简易紧凑式功率模块装置，其成本低廉、便于元器件摆放、具有高集成度。

Description

一种简易紧凑式功率模块装置

技术领域

本实用新型涉及电子器件技术领域，特别是指一种简易紧凑式功率模块装置。

背景技术

对于逆变器而言，逆变模块一直是核心部件，是一台逆变器电源柜(后续称电源柜)的大脑。目前很多电源柜的设计已经偏向体积小、高功率密度集成方向发展。而功率模块设计都通常需要占用柜体较大体积。

在传统的做法中，直流支撑电容单元和逆变功率模块成左右方向一字型排布，两者之间通过铜排连接，这样布局，占用体积较大；关键技术问题是，两者之间如果铜排连接有误差或者连接性能不佳，会导致尖峰电压过高，杂散电感较大，这样会引起波形不稳，效率下降，严重时会导致IGBT损坏。另外，由于电源柜体积受限，模块如果仍然呈一字型排布，会有很多关键器件没有办法安装，如：传感器、控制板、驱动板等。最后，传统做法需要将支撑电容组件和逆变功率模块逐一安装和拆卸，过程十分繁琐，维护时间较长。

功率模块组件，作为逆变器电源柜的核心组件，是现代电力电子技术发展的工业成果。功率模块组件一般含有散热器、IGBT、驱动单元、门极单元、直流支撑电容单元等电力电子器件；功率密度、可靠性、体积的大小和操作维护性，直接影响了电源柜后续设计及布局。

功率密度越高，功率模块组件体积越小，具有同等功率条件下柜体体积就更小，这样可大大方便用户安装和使用。如何设计一款散热效果好、尺寸较小、功率密度较高、便于操作维护的功率模块组件，一直为本领域设计人员所致力奋斗目标。

随着工业变流技术的行业发展，工业产品市场成本的压力非常之大，目前现有的电源柜大都存在体积偏大、散热和维护方面的问题：有的电源柜元器件多，元器件摆放不合理导致机柜体积大，功率密度低；有的由于器件摆放和空间布局不合理，导致器件的安装、维护不便，彼此互相干扰。

现在市场上的功率模块大多数结构采用支撑电容与IGBT一字型排开，用钣金折弯件或者散热器基板将两者连接起来，这样的安装存在以下问题：(1)占用柜体空间较大，不利于整体布局；(2)维护性较差，拆卸耗时较长，连接方式容易产生较大杂散电感；(3)成本高昂，由于体积较大，复合母排设计及导线数量较多，同时也容易造成安装繁琐；(4)部件组装时，工序较为复杂。

另外，目前市场上也有多款集成式模块，它们的结构不是呈一字型排开，但是大都安装繁琐、进出线端不够灵活，通用性不强，最主要是的，它们都采用大量钣金折弯式固定，包裹性太强，不利于器件自身通风及散热。

实用新型内容

有鉴于此，针对现有技术的不足，本实用新型的目的在于提出一种简易紧凑式功率模块装置，其成本低廉、便于元器件摆放、具有高集成度。

基于上述目的本实用新型提供的简易紧凑式功率模块装置，包括IGBT复合机构、支撑电容机构、系统控制板、驱动板机构、支架；

所述IGBT复合机构、支撑电容机构、系统控制板依次纵向分层排布，并分别与支架直接或间接固定连接，所述驱动板机构设置在支架侧面；

支撑电容机构和IGBT复合机构定向对接，支撑电容机构中的电容复合母排与IGBT复合机构中的IGBT复合母排直接贴合。

在一些实施方式中，所述IGBT复合机构包括IGBT复合母排、散热器、多个IGBT、多个电流传感器、多个输出端、多个吸收电容；

多个IGBT在散热器安装面上对称地平行设置，其上安装IGBT复合母排，多个吸收电容对称设置在IGBT复合母排上，吸收电容的安装位置对准平行设置的IGBT之间的缝隙处；每个IGBT对应设置一个输出端，由输出铜牌及垫块组成的输出端中的输出铜牌直接穿过电流传感器连接IGBT复合母排，使得电流传感器直接安装在输出端中的铜牌上。

在一些实施方式中，所述支撑电容机构包括电容安装板、支撑电容及电容复合母排；

电容安装板的四条边分别向下折弯两道长边和两道短边，长边向下延伸的高度使得其边缘恰好位于支架的定位梁上，使得支撑电容机构中的电容复合母排的安装孔与IGBT复合母排的安装孔相互吻合；支撑电容直接安装在电容安装板上且没有被钣金完全包裹住；电容复合母排两端具有对等式输入端，两端均可接线。

在一些实施方式中，所述支架包括把手、立柱上、定位梁、进线支座、支座支撑板、导轨；

支架以四根立柱为基础，在x轴方向上的两两立柱之间设置定位梁、在y轴方向上的两两立柱之间设置把手及支座支撑板，所述把手位于支柱顶部，所述支座支撑板位于支柱的中下部，进线支座安装于支座支撑板上，两根导轨分别设置于同侧的两根立柱上。

在一些实施方式中，支架为全螺钉一体化安装结构。

在一些实施方式中，所述驱动板机构包括过渡板、卡槽、驱动板、封板；卡槽有两个，分别固定在过渡板同一侧面的两端，驱动板安插于卡槽内，卡槽上端及下端分别用封板封住，防止驱动板从卡槽中滑落；所述驱动板机构由过渡板螺栓安装在立柱内侧即可固定在支架上。

在一些实施方式中，驱动板由PCB、六角螺柱及抽插板简单组装而成，驱动板通过六角螺柱安装在抽插板上，抽插板安装在卡槽中。

在一些实施方式中，系统控制板位于所述简易紧凑式功率模块装置的顶部，包括控制系统安装板及控制电路板；

控制电路板通过六角螺柱安装于控制系统安装板上，控制系统安装板呈“几”字型折弯，系统安装板两边开有多个扎带孔，为控制电路板提供线束绑扎。

在一些实施方式中，所述简易紧凑式功率模块装置采用无包裹式设计，其上下左右四个方向为全敞开式。

从上面所述可以看出，本实用新型提供的集成式低成本的简易紧凑式功率模块装置，针对现有功率模块布局的不足，进行合理结构设计：主要元器件如IGBT、支撑电容、驱动设计都分别做成方便拆卸的小组件拼装而成，同时还集成传感器、控制电路等其他器件；将直流支撑电容单元与逆变模块以及整体散热器依次成纵深方向整体排布，逆变模块单元正面面板或内侧面板上安装控制电路板；与传统做法相比，本实用新型可缩小功率模块单元将近一半的尺寸，并充分利用了柜体纵深方向的空间；同时组装拆卸简易，布局合理；模块本身体积小、机构紧凑，进线两端完全对等，支撑电容组件与IGBT连接紧密；另外，全模块采用全敞开式设计，通风散热性能好，结构简单明了，维护方便。所述简易紧凑式功率模块装置，采用塔式纵向分层式排布，结构简洁明了，操作简单，在保证各器件的可靠性的同时，减小了制造和安装成本，拓展了功率模块的安装应用场合。

附图说明

图1为本实用新型提供的简易紧凑式功率模块装置实施例的总体结构示意图；

图2为本实用新型提供的简易紧凑式功率模块装置实施例中IGBT复合机构的结构示意图；

图3为本实用新型提供的简易紧凑式功率模块装置实施例中支撑电容机构的结构示意图；

图4为本实用新型提供的简易紧凑式功率模块装置实施例中系统控制板的结构示意图；

图5为本实用新型提供的简易紧凑式功率模块装置实施例中驱动板机构的结构示意图；

图6为本实用新型提供的简易紧凑式功率模块装置实施例中支架的结构示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本实用新型进一步详细说明。

相关名词解释：

IGBT：英文全称Insulated gate bipolar transistor，绝缘栅双极性晶体管；

母排(bus bar)：配电供电装置主供电线路(铜排、铝排叫母排)，各分支线(支排)由母排上引下；母排就是指供电系统中，电柜中总制开关与各分路电路中的开关的连接铜排或铝排，表面有做绝缘处理，主要作用是做导线用；有时也称母线排，是电力配电设备上的导电材料名称，材质扁铜(相当于电线)，没有绝缘层，外面刷有表示相序的颜色油漆，主要用于室内变压器到配电柜再到电源总闸然后连接到各分闸。

复合母排：是指具有多层母排叠层在一起的叠层母排。

需要说明的是，本实用新型实施例中所有使用“第一”和“第二”的表述均是为了区分两个相同名称非相同的实体或者非相同的参量，可见“第一”“第二”仅为了表述的方便，不应理解为对本实用新型实施例的限定，后续实施例对此不再一一说明。

参照附图1，所述简易紧凑式功率模块装置，包括IGBT复合机构1、支撑电容机构2、系统控制板3、驱动板机构4、支架5；

所述IGBT复合机构1、支撑电容机构2、系统控制板3依次纵向分层排布，并分别与支架5直接或间接固定连接，所述驱动板机构4设置在支架5侧面；可选的，全部采用螺钉化安装，方便拆卸，节约成本；

支撑电容机构2和IGBT复合机构1定向对接，支撑电容机构2中的电容复合母排23(参照附图3)与IGBT复合机构1中的IGBT复合母排11(参照附图2)直接贴合。

参照附图2并结合附图1，所述IGBT复合机构1包括IGBT复合母排11、散热器14、3个IGBT12(Insulated gate bipolar transistor，绝缘栅双极性晶体管)、3个电流传感器13、3个输出端15、6个吸收电容16；

3个IGBT12在散热器14安装面上对称地平行设置(即对中排开)，其上安装IGBT复合母排11，6个吸收电容16分为两组，一组3个排成一排，对称设置在IGBT复合母排11上，每组吸收电容16的安装位置对准平行设置的IGBT12之间的缝隙处，这样设计方式节省了IGBT复合母排11的体积；每个IGBT12对应设置一个输出端15，由输出铜牌及垫块组成的输出端15中的输出铜牌直接穿过电流传感器13连接IGBT复合母排11，使得电流传感器13直接安装在输出端15中的铜牌上，有效简化了组装过程，增强了电流传感器13的可维护性。

参照附图3并结合附图1，所述支撑电容机构2包括电容安装板21、支撑电容22及电容复合母排23；

电容安装板21结构简单，其四条边分别向下折弯两道长边和两道短边，两道短边只为增加安装板设计强度，两道长边主要为了组件下一步组装定位考虑，长边向下延伸的高度使得其边缘恰好位于支架5的定位梁53上，使得支撑电容机构2中的电容复合母排23的安装孔与IGBT复合母排11的安装孔相互吻合，这样的设计有效省去电容组件与IGBT复合母排11的定位对接误差问题，提高了生产效率，有效降低了由于对接误差而导致尖峰电压过高，杂散电感较大的问题。支撑电容22直接安装在电容安装板21上，整体组件看上去，没有被钣金完全包裹住，这样的设计有助于支撑电容22散热性，对电容的寿命及性能有较大提高。电容复合母排23两端具有对等式输入端，两端均可接线。

参照附图6并结合附图1，所述支架5包括把手51、立柱上52、定位梁53、进线支座54、支座支撑板55、导轨56；支架5为所述简易紧凑式功率模块装置的主要安装部分，由上面所述内容可以看出，基本所有的部件组装都涉及支架5的安装；

支架5主要以四根立柱52为基础，在x轴方向上(即图6中的左右方向)的两两立柱52之间设置定位梁53、在y轴方向上(与x轴在水平面上垂直的方向)的两两立柱52之间设置把手51及支座支撑板55，所述把手51位于支柱52顶部，所述支座支撑板55位于支柱52的中下部，组成支架雏形；进线支座54安装于支座支撑板55上，两根导轨56分别设置于同侧的两根立柱52上，形成支架5的整体。

具体地，参照附图6，以左上角的立柱52命名为第一立柱，顺时针方向上的其他三根立柱52分别命名为第二立柱、第三立柱、第四立柱；所述第一立柱与第二立柱之间横向设置第一定位梁，所述第三立柱与第四立柱之间横向设置第二定位梁；所述第一立柱的中下部与第四立柱的中下部之间横向设置第一支座支撑板，所述第二立柱的中下部与第三立柱的中下部之间横向设置第二支座支撑板，所述第一支座支撑板和第二支座支撑板上分别设置第一进线支座和第二进线支座；所述第一立柱的顶部与第四立柱的顶部之间架设第一把手，所述第二立柱的顶部与第三立柱的顶部之间架设第二把手；第一导轨设置于第四立柱的侧面，第二导轨设置于第三立柱的侧面。

支架5做到了左右两进线端完全对等，同时需要安装两个或者多个功率模块时，可实现左右两端均可输入，这样拓宽了所述简易紧凑式功率模块装置的应用范围及安装范围。其次，支架5采用全螺钉一体化安装，安装及拆卸方便。最后，把手51及导轨56配合使用，可以实现所述简易紧凑式功率模块装置在安装平面上的自由翻转及滑动，方便所述简易紧凑式功率模块装置的整体安装与调试，保证了功率模块安装及拆卸的灵活性。

参照附图5并结合附图1，所述驱动板机构4包括过渡板41、卡槽42、驱动板43、封板44；卡槽42有两个，分别固定在过渡板41同一侧面的两端，驱动板43安插于卡槽42内，卡槽42上端及下端分别用封板44封住，防止驱动板43从卡槽42中滑落；所述驱动板机构4由过渡板41螺栓安装在立柱52内侧即可固定在支架5上。由于，封板44与两个卡槽42端面只需固定一颗螺钉，所以，驱动板43的维护只需拆卸两颗螺钉，便可实现驱动板43的拆卸；这样的抽插式的设计，大大节约驱动板43更换与维护的时间。

驱动板43由PCB、六角螺柱及抽插板简单组装而成，驱动板43通过六角螺柱安装在抽插板上，抽插板安装在卡槽42中，便可实现自由抽插。拆卸和安装时，由于驱动板(PCB)43通过六角螺柱安装在抽插板上，而抽插板才是真正安装在卡槽42中，所以抽插时，可避免由于摩擦或者触碰导致驱动板(PCB)43损坏。这样安全简洁结构设计，有效保证驱动设计实用性能。

参照附图4并结合附图1，系统控制板3位于所述简易紧凑式功率模块装置的顶部(纵深方向最顶端)，包括控制系统安装板31及控制电路板32；

控制电路板32中的PCB板只由几个简单的通过六角螺柱安装于控制系统安装板31上，控制系统安装板31呈“几”字型折弯，保证底部不会与电容安装的螺栓头产生干涉，系统安装板31两边开有多个扎带孔，为控制电路板32的PCB提供线束绑扎，这样的设计既节约了产品成本，又有效的提高PCB可操作性及可维护性。拆卸或安装时无需关注控制电路板32，只需直接安装和拆卸控制系统安装板31即可。

较佳的，所述简易紧凑式功率模块装置采用无包裹式设计，其上下左右四个方向为全敞开式，有利于器件自身通风及散热。

下面简要介绍所述简易紧凑式功率模块装置的组装步骤：

步骤(1)：先使用螺钉将IGBT复合机构1与支架5进行组装，由于支架5中立柱52底部端口部分配有螺纹孔，可使用螺钉直接将IGBT复合机构1与支架5直接组装；由于强度需要，每根立柱52需要安装两颗螺钉。

步骤(2)组装支撑电容机构2：由于支架5中已经安装了定位梁53，可将支撑电容机构2直接放置于定位梁53上，这样就保证了支撑电容机构2定位成功，然后将立柱52侧面预留孔与电容安装板21的侧面用螺栓连接，保证支撑电容机构2固定于立柱52，最后用螺栓将电容复合母排23与IGBT复合母排11在模块背面连接紧固，再将电容复合母排23进线端与进线支座54用螺栓连接。

步骤(3)组装驱动板机构4：由于立柱52内侧已经开好了螺纹孔，只要将过渡板41安装在立柱52内侧即可，但是由于四根立柱52全部对等，所以注意要将驱动板机构4安装在靠近导轨56侧。

步骤(4)组装系统控制板3：由于电容安装板21顶上已经预留了安装螺纹孔，只要将系统控制板组装部分3放置在电容安装板21上即可，再将电容安装板21与控制系统安装板31紧固。

如此一来，即完成了简易紧凑式功率模块装置的组装。

从上述实施例可以看出，本实用新型提供的简易紧凑式功率模块装置，结构设计紧凑，占用空间体积小，易于操作维护、可靠性高；所述简易紧凑式功率模块装置设有功率开关器件(IGBT等)、电路板(驱动板、控制板等)及其它元器件；所述简易紧凑式功率模块装置将直流支撑电容单元与逆变模块以及整体散热器依次成纵深方向整体排布，逆变模块单元正面面板或内侧面板上安装控制电路板；与传统做法相比，本实用新型可缩小功率模块单元将近一半的尺寸，并充分利用了柜体纵深方向的空间。同时组装拆卸简易，布局合理。同时模块内部采用全螺钉化安装，结构简单明了；抽插式驱动组装、周身无包裹敞开式设计、左右两端对等式输入以及复合母排间采用直接连接的方法，使得功率模块的可靠性、可维护性得到充分提高，减小了用户安装成本，拓展了电源柜的安装应用场合。

需要特别指出的是，针对驱动板机构4的描述，驱动板43和封板44可采用一体化结构；在没有系统控制板3时，驱动板机构4可直接移至简易紧凑式功率模块装置的顶部。

此外，针对支撑电容机构2的描述，电容安装板21和支撑电容22可采用钣金箱体式设计，将电容完全包裹于箱体之中。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种简易紧凑式功率模块装置，其特征在于，包括IGBT复合机构(1)、支撑电容机构(2)、系统控制板(3)、驱动板机构(4)、支架(5)；

所述IGBT复合机构(1)、支撑电容机构(2)、系统控制板(3)依次纵向分层排布，并分别与支架(5)直接或间接固定连接，所述驱动板机构(4)设置在支架(5)侧面；

支撑电容机构(2)和IGBT复合机构(1)定向对接，支撑电容机构(2)中的电容复合母排(23)与IGBT复合机构(1)中的IGBT复合母排(11)直接贴合。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述IGBT复合机构(1)包括IGBT复合母排(11)、散热器(14)、多个IGBT(12)、多个电流传感器(13)、多个输出端(15)、多个吸收电容(16)；

多个IGBT(12)在散热器(14)安装面上对称地平行设置，其上安装IGBT复合母排(11)，多个吸收电容(16)对称设置在IGBT复合母排(11)上，吸收电容(16)的安装位置对准平行设置的IGBT(12)之间的缝隙处；每个IGBT(12)对应设置一个输出端(15)，由输出铜牌及垫块组成的输出端(15)中的输出铜牌直接穿过电流传感器(13)连接IGBT复合母排(11)，使得电流传感器(13)直接安装在输出端(15)中的铜牌上。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述支撑电容机构(2)包括电容安装板(21)、支撑电容(22)及电容复合母排(23)；

电容安装板(21)的四条边分别向下折弯两道长边和两道短边，长边向下延伸的高度使得其边缘恰好位于支架(5)的定位梁(53)上，使得支撑电容机构(2)中的电容复合母排(23)的安装孔与IGBT复合母排(11)的安装孔相互吻合；支撑电容(22)直接安装在电容安装板(21)上且没有被钣金完全包裹住；电容复合母排(23)两端具有对等式输入端，两端均可接线。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述支架(5)包括把手(51)、立柱上(52)、定位梁(53)、进线支座(54)、支座支撑板(55)、导轨(56)；

支架(5)以四根立柱(52)为基础，在x轴方向上的两两立柱(52)之间设置定位梁(53)、在y轴方向上的两两立柱(52)之间设置把手(51)及支座支撑板(55)，所述把手(51)位于支柱(52)顶部，所述支座支撑板(55)位于支柱(52)的中下部，进线支座(54)安装于支座支撑板(55)上，两根导轨(56)分别设置于同侧的两根立柱(52)上。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，支架(5)为全螺钉一体化安装结构。

6.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述驱动板机构(4)包括过渡板(41)、卡槽(42)、驱动板(43)、封板(44)；卡槽(42)有两个，分别固定在过渡板(41)同一侧面的两端，驱动板(43)安插于卡槽(42)内，卡槽(42)上端及下端分别用封板(44)封住，防止驱动板(43)从卡槽(42)中滑落；所述驱动板机构(4)由过渡板(41)螺栓安装在立柱(52)内侧即可固定在支架(5)上。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，驱动板(43)由PCB、六角螺柱及抽插板简单组装而成，驱动板(43)通过六角螺柱安装在抽插板上，抽插板安装在卡槽(42)中。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，系统控制板(3)位于所述简易紧凑式功率模块装置的顶部，包括控制系统安装板(31)及控制电路板(32)；

控制电路板(32)通过六角螺柱安装于控制系统安装板(31)上，控制系统安装板(31)呈“几”字型折弯，系统安装板(31)两边开有多个扎带孔，为控制电路板(32)提供线束绑扎。

9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述简易紧凑式功率模块装置采用无包裹式设计，其上下左右四个方向为全敞开式。