CN204905246U - 功率转换模块 - Google Patents

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Abstract

公开了一种功率转换模块。该功率模块包括第一组IGBT单元；第二组IGBT单元；以及热沉，其中第一组IGBT单元和第二组IGBT单元被布置在热沉上并各自沿直线延伸，并且第二组IGBT单元中相邻的IGBT单元之间的间距的平均值大于第一组IGBT单元中相邻的IGBT单元之间的间距的平均值。利用根据本公开的功率转换模块，能够改善散热效率从而有效地降低操作期间IGBT单元在热沉上的最高温度，同时提高IGBT单元在热沉上的空间利用率。

Description

功率转换模块
技术领域
本实用新型的实施例一般涉及一种用于变频器的功率转换模块，并且更具体地，涉及五电平中压变频器及其功率转换模块。
背景技术
在需要大电流和快速开关的应用场合(例如变频器、照明电路、牵引传动等)通常需要使用多个IGBT器件或模块(绝缘栅双极型晶体管)。在操作期间，当IGBT模块由于诸如高频率或长接通时间或大电流等因素使得所产生的额定损耗变大，同时，使得原件发热加剧。因此，传统的功率转换模块设计均需要引入诸如金属板之类的散热器或热沉从而促进来自IGBT器件的热量的耗散。
通常，对于多电平的变频器而言，其电路拓扑限制了某些IGBT器件会比另外一些IGBT器件在操作时经受更高的开关频率或更长的接通时间或更大的电流，因而造成了某些IGBT器件产生显著更高的热量。由于电路拓扑和引线连接的限制，常规的IGBT在热沉上的布置方式使得发热量较大的IGBT器件产生的热量难以被耗散，因而影响器件的稳定性和性能。
实用新型内容
本公开的一个目的在于提供一种改进的功率转换模块，比起传统的IGBT单元布置方式而言，本公开的功率转换模块允许在相同尺寸的热沉上布置更多IGBT单元，同时降低操作期间IGBT单元在热沉上的最高温度。
根据本公开的一个方面，提供了一种功率转换模块。该功率转换模块包括第一组IGBT单元和第二组IGBT单元。该功率转换模块还包括热沉，在该热沉上布置有第一组IGBT单元和第二组IGBT单元并且这两组IGBT单元各自沿直线延伸。第二组IGBT单元中相邻的IGBT单元之间的间距的平均值大于第一组IGBT单元中相邻的IGBT单元之间的间距的平均值。通过使得发热量更高的IGBT单元之间具有更大的平均间距，热沉上的热量分布能够被显著地改进。
根据本公开的一个实施例，热沉可以是矩形金属板，并且第一组IGBT单元和第二组IGBT单元被布置在热沉的相同侧。
根据本公开的一个实施例，第一组IGBT单元与第二组IGBT单元被布置为彼此大致平行。
根据本公开的一个实施例，第一组IGBT单元包括四个具有相同数量的IGBT单元的第一子集，并且第二组IGBT单元包括两个具有相同数量的IGBT单元的第二子集。
根据本公开的一个实施例，第二子集的一个中的IGBT单元与第二子集的另一个中的IGBT单元交错地排列。
根据本公开的一个实施例，第二组IGBT单元中的所有IGBT单元被等间距地布置在热沉上。
根据本公开的一个实施例，第二组IGBT单元中的所有IGBT单元被等间距地布置。
根据本公开的一个实施例，第二组IGBT单元中的每一个IGBT单元比起第一组IGBT单元中的每一个IGBT单元而言在操作时具有更高的开关频率。
根据本公开的一个实施例，第二组IGBT单元中的每一个IGBT单元比起第一组IGBT单元中的每一个IGBT单元而言在操作时具有更长的接通时间。
根据本公开的一个实施例，第二组IGBT单元中的每一个IGBT单元比起第一组IGBT单元中的每一个IGBT单元而言在操作时具有更大的电流。
根据本公开的一个实施例，该第二组IGBT单元中的每一个IGBT单元比起该第一组IGBT单元中的每一个IGBT单元而言在操作时产生更高的热量。
根据本公开的一个实施例，第一组IGBT单元和第二组IGBT单元被适配为形成五电平中压变频器。
本公开的实施例带来的优点通常在于其允许使用与常规的功率转换模块相同的热沉并在该热沉上布置更多的IGBT单元，同时降低热沉上的由IGBT单元导致的最高温度。由此，通过改进IGBT单元的布置方式从而实现热沉的散热功率的提升。
附图说明
通过参照附图的以下详细描述，本公开实施例的上述和其他目的、特征和优点将变得更容易理解。在附图中，将以示例以及非限制性的方式对本公开的多个实施例进行说明，其中：
图1图示了根据本公开的实施例的使用多个IGBT单元的功率转换模块的示意性电路拓扑图；
图2图示了根据图1的电路拓扑图的传统的IGBT单元的布置方式；以及
图3图示了根据本公开的实施例的根据图1的电路拓扑图的改进的IGBT单元的布置方式。
具体实施方式
现在将参照附图中所示的各种示例性实施例对本公开的原理进行说明。应当理解，这些实施例的描述仅仅为了使得本领域的技术人员能够更好地理解并进一步实现本公开，而并不意在以任何方式限制本公开的范围。应当注意的是，在可行情况下可以在图中使用类似或相同的附图标记，并且类似或相同的附图标记可以表示类似或相同的功能。本领域的技术人员将容易地认识到，从下面的描述中，本文中所说明的结构和方法的替代实施例可以被采用而不脱离通过本文描述的本实用新型的原理。
应当理解的是，尽管本公开的实施方式使用五电平中压变频器作为一个应用示例，任何设有使用IGBT的应用均旨在被包括在本公开的范围之内。
图1图示了根据本公开的实施例的使用多个IGBT单元的功率转换模块100的示意性电路拓扑图。应当理解的是，图1仅仅示出了多种IGBT应用中的一种应用，且仅用作说明的目的。本公开并不旨在对电路拓扑、结构、涉及或元器件的类型、数目等做出任何限定。
根据本公开的实施例，提供了一个功率转换模块100。该功率转换模块可以是在五电平中压变频器电路中使用的模块，并具有多个IGBT单元以及多个电容器从而构成变频器电路中的一部分。
如图所示，在电路图的左侧具有包括多个IGBT单元的第一组IGBT单元101，其进而包括四个第一子集111、112、113、114，每个第一子集可以包括若干IGBT单元(如图1所示，每个第一子集均可以包括两个IGBT单元或器件)。同时，在电路图的右侧可以具有包括多个IGBT单元的第二组IGBT单元102，其进而包括两个第二子集121、122，每个第二子集可以包括若干IGBT单元(如图1所示，每个第二子集均可以包括两个IGBT单元或器件)。
在图1所示的电路拓扑中，第一组IGBT单元101与第二组IGBT单元102一起形成了例如为逆变器的功率转换模块中的一部分。第一子集中的每一个IGBT单元与第二子集中的每一个IGBT单元可以是完全相同规格的器件或模块。此外，同一个子集中的不同IGBT单元也可以是完全相同规格的器件或模块。然而因为这种特定的电路拓扑，第二子集121、122中的IGBT单元比起第一子集111、112、113、114中的IGBT单元而言会经受更高的开关频率和/或更长的接通时间和/或更大的电流，因此第二子集中的每个IGBT单元比起第一子集中的每个IGBT单元而言会产生更高的热量。
要留意的是，IGBT产生的热量至少可以由开关频率、接通时间和电流确定。本文所述的“经受更高的开关频率”指的是某或某些IGBT单元在相同的时间期间内具有比其它IGBT单元更多的开关次数(假定其它条件相同)。因为每次开关都会产生额外的热量，因此更多的开关次数会导致更高的热量。同时，本文所述的“经受更长的接通时间”指的是某或某些IGBT单元在相同的时间期间内的接通的总时间比其它IGBT单元的接通的总时间更长(假定其它条件相同)。因为相同时间段以内接通的总时间更长，累计产生的热量也会更多。此外，本文所述的“经受更大的电流”指的是流经某或某些IGBT单元的电流比流经其它IGBT单元的电流更大(假定其它条件相同)。
图2图示了根据图1的电路拓扑图的传统的IGBT单元的布置方式，即示出了功率转换模块200及其IGBT单元的布置方式。
如图所示，功率转换模块200具有一个热沉230。该热沉230可以被形成为矩形的金属板，并且使得所有的IGBT单元或器件被布置在该金属板的相同侧。在图2的示例中，第一组IGBT单元的第一子集211、212被布置在接近热沉230的左端处，而第一组IGBT单元的另外的第一子集213、214被布置在接近热沉230的右端处。此外，第二组IGBT单元的第二子集221、222被布置在热沉230的中间位置。如图所示，此外第二子集221中的IGBT单元与另一个第二子集222中的IGBT单元交错地排列。
在图2所示的示例中，第一组IGBT单元的第一子集211、212、213、214中的每个子集均包括三个以相同间距隔开的IGBT单元，而第二组IGBT单元的第二子集221、222中的每个IGBT单元同样包括三个以相同间距隔开的IGBT单元。在该示例中，第二组IGBT单元中的相邻的IGBT单元之间的间距的平均值与第一组IGBT单元中的相邻的IGBT单元之间的间距的平均值相似。因此，鉴于诸如图1所示的五电平中压变频器之类的特定拓扑结构，可以预期会有更多热量产生在第二组IGBT单元的位置。
如图2所示的传统的IGBT单元的布置方式的热量分布使得在该功率转换模块200操作时，最高的温度发生在热沉230中央位置的第二组IGBT单元附近。即使在第二组IGBT单元的第二子集221、222周围(如图2所示，上方和下方)仍然存在未被占用(即被浪费)的空间，这种传统的布置方式第二子集的IGBT单元仍然产生非常高的热量，而高热量可能导致IGBT单元或器件的使用寿命缩短或性能下降。
图3图示了根据本公开的实施例的根据图1的电路拓扑图的改进的IGBT单元的布置方式，即示出了功率转换模块300及其IGBT单元的布置方式。
如图所示，功率转换模块300具有一个热沉330。与图2所示的热沉230相似，在一个实施例中，热沉330可以被形成为矩形的金属板，并且使得所有的IGBT单元或器件被布置在该金属板的相同侧。在图3的示例中，第一组IGBT单元的第一子集311、312、313、314被布置在热沉330的下方的第一区域。此外，第二组IGBT单元的第二子集321、322被布置在热沉330的上方的第二区域。
在一个实施例中，第二子集321中的IGBT单元可以与另一个第二子集322中的IGBT单元交错地排列。而且，第二组IGBT单元中的所有IGBT单元可以被基本上等间距地布置在热沉330上。如图所示，第二组IGBT单元的第二子集321、322的所有IGBT单元被等间距地布置在热沉330的第二区域(即图3的热沉330的上半部分)，并且被布置成在热沉330上沿直线延伸。然而，应当理解的是，第二子集321、322的IGBT单元可以以不同的间距布置在热沉330上，只要这些间距足够大以促进热量的耗散。
此外，第一组IGBT单元的第一子集311、312、313、314的所有IGBT单元也可以被等间距地布置在热沉330的第一区域(即图3的热沉330的下半部分)，并且被布置成在热沉330上沿直线延伸。第一组IGBT单元延伸的直线可以与第二组IGBT单元延伸的直线平行。同时，第一区域与第二区域可以具有基本上相等的面积。
应当指出的是，多个IGBT单元所占用的覆盖区的面积应当被理解为由所有的这些IGBT单元所限定的周界以内的面积。换言之，这些IGBT单元的外围部分不应当被理解为属于其所占用的面积。例如，图2中的第二组IGBT单元下方的热沉230中未被占用的部分不应当被认为是被IGBT单元占用的面积，而在该图中，第二区域的面积可以由第二组IGBT单元中的六个IGBT单元的周界所限定。如图3所示的根据本公开实施例的布置方式增加了第二组IGBT单元在热沉330上的有效面积。相比之下，在图2中，第二组IGBT单元的有效面积不足1/2，而图3中，第二组IGBT单元的有效面积达到至少1/2。
在图3所示的实施例中，第二组IGBT单元中相邻的IGBT单元之间的间距的平均值大于第一组IGBT单元中相邻的IGBT单元之间的间距的平均值。然而，第二组IGBT单元中相邻的IGBT单元之间的间距并未大到可以在这两个IGBT单元之间布置一个额外的IGBT单元的程度。
与图2的布置方式相类似，图3的示例性实施例的IGBT单元的布置方式的热量分布使得在该功率转换模块300操作时，最高的温度同样发生在热沉330中央位置的第二组IGBT单元附近。然而，通过在同等的工作条件下的实验，将如图2所示的IGBT单元的布置方式与如图3所示的IGBT单元的布置方式相比较可以得到两种布置方式在散热效果上的差异。以上所述的同等的工作条件下的实验意味着两种布置方式中第一组IGBT单元中的IGBT单元数量一致(总共为12个)、第二组IGBT单元中的IGBT单元数量一致(总共为6个)、驱动电流一致、额定功率一致、使用的热沉一致、通风条件一致等等。比起如图2所示的传统的IGBT单元在热沉上的布置方式，根据本公开的实施例的IGBT单元在热沉上的布置方式使得IGBT单元的结温的最高值降低了5-7℃。由此，根据本公开实施例的功率转换模块300具有改进的散热效率并且同样尺寸的热沉具备更好的散热功率。
在如图2所示的布置方式中，多个第一子集211、212、213和214并未布置在在一条直线上，这使得第一子集211、214在热沉230的上半部分至少占据6个IGBT的位置(左右各3个)。若第二子集221、222希望能够被布置为沿直线延伸并且在其之间具有更大的间距则必须减少第二组IGBT单元中的IGBT单元的数量。在不改变热沉的前提下，因为如图3所示的根据本公开实施例的第一组IGBT单元和第二组IGBT单元各自的子集都被布置为沿直线延伸，所以第二组IGBT单元中的IGBT单元才有空间“具有更大的间距”而不牺牲IGBT单元的数量(甚至可以从图2中的六个IGBT单元增加到图3中的八个IGBT单元)。
在一个实施例中，第一组IGBT单元中的每个IGBT单元与第二组IGBT单元的每个IGBT单元在规格上(例如，外观、尺寸、额定电流等)相同。换言之，无需对由于拓扑结构导致发热量较高的那些IGBT单元进行替换，对于如图1所示的相同的拓扑结构，仅采用本公开的实施例的布置方式即可以有效地改进散热效率。
此外，在相同面积的热沉上，如图2和图3所示，根据本公开实施例的布置方式可以在第二组IGBT单元所占的第二区域内布置更多IGBT单元。例如由图3所示，根据本公开实施例的改进的布置方式可允许在第二区域布置八个IGBT单元，而如图2所示的传统的布置方式在同样的面积内由于拓扑和接线限制只允许布置六个IGBT单元。通过更好地利用现有的热沉上的空间从而允许在第二组IGBT单元中使用更多数量的IGBT单元，本公开实施例中的功率转换模块的额定功率能够比现有的功率转换模块提高大约25％。因此，采用本公开的实施例的布置方式还可以在促进散热的同时显著地改进空间利用率，从而允许设计更高性能的功率转换模块或应用该模块的变频器。
而且，相较于图2所示的布置方式，图3所示的布置方式使得复层铜排的有效交叠面积更大，从而减小了换流回路的等效杂散电感。因此，根据本公开实施例的IGBT单元的布置方式比起传统的布置方式实现了较小的杂感电感。
应当理解的是，虽然本公开的上述实施例使用等距的间距作为示例，然而本公开旨在保护使得经受更高的开关频率和/或更长的接通时间和/或更大的电流的那些IGBT单元之间的平均间距大于经受较低的开关频率和/或较短的接通时间和/或较小的电流的另一些IGBT单元之间的平均间距。
此外，还应当理解的是，根据本公开实施例的IGBT单元可以是单个IGBT器件，也可以是由IGBT器件组成的IGBT模块。而且，虽然本公开的上述实施例使用IGBT作为示例，然而能够实现同样功能的其它半导体器件或模块可以用来取代本公开实施例中的IGBT单元。进而，这些能够在功能上取代IGBT单元的替代物仍应被涵盖在本公开的保护范围内。
根据本公开实施例的IGBT单元的布置方式对于改进已知的五电平中压变频器的散热尤其有利，然而，如上所述，应当理解的是本公开并不旨在限制应用IGBT单元的该布置方式的形式。
虽然在本申请中权利要求书已针对特征的特定组合而制定，但是应当理解，本公开的范围还包括本文所公开的明确或隐含或对其任何概括的任何新颖特征或特征的任何新颖的组合，不论它是否涉及目前所要求保护的任何权利要求中的相同方案。申请人据此告知，新的权利要求可以在本申请的审查过程中或由其衍生的任何进一步的申请中被制定成这些特征和/或这些特征的组合。

Claims (10)

1.一种功率转换模块，包括：
第一组IGBT单元；
第二组IGBT单元；以及
热沉，其中所述第一组IGBT单元和所述第二组IGBT单元被布置在所述热沉上并各自沿直线延伸，并且所述第二组IGBT单元中相邻的IGBT单元之间的间距的平均值大于所述第一组IGBT单元中相邻的IGBT单元之间的间距的平均值。
2.根据权利要求1所述的功率转换模块，其中所述热沉是矩形金属板，并且所述第一组IGBT单元和所述第二组IGBT单元被布置在所述热沉的相同侧。
3.根据权利要求2所述的功率转换模块，其中所述第一组IGBT单元与所述第二组IGBT单元被布置为彼此平行。
4.根据权利要求3所述的功率转换模块，其中所述第一组IGBT单元包括四个具有相同数量的IGBT单元的第一子集，并且所述第二组IGBT单元包括两个具有相同数量的IGBT单元的第二子集。
5.根据权利要求4所述的功率转换模块，其中所述第二子集的一个中的IGBT单元与所述第二子集的另一个中的IGBT单元交错地排列。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的功率转换模块，其中所述第二组IGBT单元中的所有IGBT单元被等间距地布置在所述热沉上。
7.根据权利要求3至5中任一项所述的功率转换模块，其中所述第二组IGBT单元中的所有IGBT单元被等间距地布置。
8.根据权利要求1至5中任一项所述的功率转换模块，其中所述第二组IGBT单元中的每一个IGBT单元比起所述第一组IGBT单元中的每一个IGBT单元而言在操作时具有更高的开关频率。
9.根据权利要求1至5中任一项所述的功率转换模块，其中所述第二组IGBT单元中的每一个IGBT单元比起所述第一组IGBT单元中的每一个IGBT单元而言在操作时具有更长的接通时间。
10.根据权利要求1至5中任一项所述的功率转换模块，其中所述第二组IGBT单元中的每一个IGBT单元比起所述第一组IGBT单元中的每一个IGBT单元而言在操作时产生更高的热量。
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