CN205304568U - 功率电子设备 - Google Patents

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尤卡·亚斯可瑞
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Abstract

本实用新型公开了一种功率电子设备，例如变频器，所述功率电子设备包括功率模块以及功率基板，所述功率基板被构造成细长的轮廓，所述轮廓包括底部部分和侧壁，所述侧壁形成了在一侧敞开的空间，并且其中，至少两个用于功率模块的基板位置布置在所述功率基板的纵向方向上，所述基板位置安置成彼此之间为标准距离，从而使得每个位置具有到所述功率基板的本质上相似的机械接口、到所述功率基板的功率电路的本质上相似的电气接口、以及到所述功率基板的液体冷却通道的本质上相似的液体冷却连接。

Description

功率电子设备
技术领域
本实用新型的目的是针对功率电子设备的结构布置。尤其地，本实用新型的目的是其中液冷变频器的许多子模块可连接至共用功率基板的结构布置。
背景技术
诸如变频器的功率电子设备的一般发展趋势是增加功率密度。在本领域中已经知道在小尺寸设备中高功率的操作需要对操作这个功率的零件进行有效冷却，而使用液体冷却(即，通过经由设备中的液体循环将零件中产生的耗散功率转移到设备外部)是最成功的。
鉴于成本，通常来说只在高额定功率的设备(例如，超过100kw的变频器)中使用液体冷却。归因于单个功率半导体零件的有限性能，在高功率时必须采用在同一设备中并联许多零件的方式，或通过将所有的设备都并联连接以便给同一负载供电来将他们并联连接。因为在解决方案中必须针对不同额定功率的设备创建在机械上不同的结构单元，所以同一设备中的零件的并联连接尤其成问题。在最高额定功率时，通常所有设备都是并联连接的，这减少了对单独结构单元的需要，从制造和维修方面考虑这是有利的。
不管怎样，覆盖功率范围广泛的产品系列通常需要许多不同额定功率和不同尺寸的功率模块。将他们装入例如隔间中对应地需要大量针对不同额定功率和不同尺寸分类来设计尺寸的电气和机械连接器部件、液体冷却附件等等。
实用新型内容
本实用新型的目的是一种针对液冷功率电子设备，尤其针对变频器的新型结构布置。使用该布置能够避免上述缺点，并且这种布置适合用于实施功率范围和电压范围都很宽的产品系列。本实用新型的目标通过具有独立权利要求的特征部分中所陈述的特征的布置实现。本实用新型的其它优选的实施例是从属权利要求的目标。
在根据本实用新型的结构布置中，属于一个装置的许多功率模块可以紧固至共用的金属功率基板，金属功率基板包括用于功率模块的到共用功率电路和到冷却液体循环的接口。根据本实用新型的特有的主要原理，针对功率模块布置的基板位置彼此之间定位成标准距离，并且每个位置具有用于功率模块的本质上相似的机械、电气和液体连接。
根据本实用新型的功率基板由细长的轮廓形成，优选地轮廓的横截面为U型，并且轮廓包括底部部分和从底部部分本质上竖直突出的壁部分，所述壁部分形成在一侧敞开的空间。功率基板可以由例如铝采用挤压方式制造，在这种情况下，属于冷却布置的液体通道在挤压阶段已经形成，以便成为基板结构的固定部分。可以通过例如钻孔来在基板中布置连接功率模块所需要的穿孔。可以根据需要从长的挤压铝棒剪切不同长度的功率基板。
属于根据本实用新型的系统的功率模块具有相同的机械尺寸和接口(不管模块的功率等级和功能性)，所述尺寸和接口和基板位置相匹配。如果功率模块连接至共用功率电路或冷却液体循环，那么对应的电气和液体连接也是相同的，在这种情况下，系统的任何功率模块可以被自由地安置在任何基板位置。
在根据本实用新型的一个实施例的布置中，属于同一功率基板的一些或全部功率模块被连接为并联连接至同一外部负载。在布置中，起共用功率电路(例如变频器的DC中间电路)的滤波器作用的功率模块也可以是并联连接的。由于并联连接，使用相似的基础模块可以扩展设备的功率等级。尤其从可制造性和维修友好的方面来看，这种类型的模块系统是有利的，因为所需的不同功率模块的数量少。
在某些类型的失效情况下，例如当一个功率单元发生可检测的测量电路故障时，根据本实用新型的并联连接布置是多余的。在这种情况下可以控制不使用受质疑的失效单元，此时和失效单元并联连接的健康单元可以继续他们的运行。
附图说明
下面，参照所附附图，借助于本实用新型的实施例的一些示例，将更详细地描述本实用新型。
图1展示了变频器驱动的主电路；
图2展示了变频器驱动的框图；
图3展示了根据本实用新型的功率模块的结构；
图4展示了根据本实用新型的功率基板的结构，以及
图5展示了根据本实用新型的功率电子设备的结构。
具体实施方式
图1展示了常规的被称为两电平PWM变频器的主电路的示例，在这个电路中，二极管构成的三相网桥单元REC1将连接至连接器L1、L2、L3的供应网的三相交流电压整流成中间电路的DC电压，DC电压具有极DC+、DC-，起蓄能作用的滤波电容器单元CDC1滤波DC电压。三相开关构成的逆变器桥INU1从中间电路的DC电压形成了用于控制马达M1的三相输出电压U、V、W，其中，三相开关由功率半导体零件V1……V6、D1……D6实施。相开关指的是连接到同一输出相的零件，这些零件可以将输出相连接到中间电路的任何一极，例如对于U相，这些零件包括可控制的功率半导体零件V1、V4以及和他们并联的二极管D1、D4。在新式变频器中，控制相开关的功率半导体零件V1……V6最通常地是根据图中的实施例的IGBT晶体管，和IGBT晶体管并联连接的被称为零二极管D1.......D6。控制单元CU1控制设备的运行。通常感应零件连接至网桥的任一侧，以便滤波变频器所承受的网络电流的谐波，但是这在图中没有绘制出来，因为从本实用新型方面看来这不重要。
图2展示了用于实施高功率变频器的一种已知方法的单线图，其中功率电平需要多个功率模块并联连接。在图中，两个逆变器单元INU21、INU22共享滤波供应网的电流的扼流(choke)单元LAC1、整流器单元REC2、以及起中间电路的蓄能作用的电容器单元CDC2，逆变器的输出相通过扼流单元LAC21、LAC22连接在一起(例如，正如从专利公布US6,985,371变得已知)，以便供应共用的负载马达M22。
图3展示了从前面(图的左手侧)和侧面(图的右手侧)看的根据本实用新型的功率模块30的结构。功率模块30被安置在外罩31中，外罩31由电绝缘材料制造，外罩的形状设置成使得用于第一电气电路(例如用于共用的DC中间电路，其对于变频器中的全部功率模块都具有极DC+、DC-)的连接器定位在它的底部部分33。根据本实用新型，这些接口是这种类型的：当功率模块被压到位时，同时形成到第一电气电路的可靠电气接口。连接器的细节没有在图中展示，但是本领域技术人员已经知道的例如被称为刀型连接器(bladeconnector)满足这样的要求。
如果模块是也具有到另一电气电路——例如在INU单元的情况下，到马达电路——的接口的类型，根据本实用新型，这些连接U、V、W可以优选地安置在功率模块的相对侧，在它的盖部分36中。
当功率模块具有用于对其冷却的液体循环的接口34时，根据本实用新型，这些接口采用这样的方式安置和布置：当功率模块被压就位时，同时形成功率模块和功率基板之间的可靠防泄漏液体联接。图中没有展示接口的细节，但是这个目的可以通过包围孔的例如密封结构(例如橡胶密封件)实现。
为了将功率模块固定就位，功率模块可以具有连接器法兰35，通过位于其中的孔，例如使用传统的螺旋联接可以将模块固定到功率基板。
图4展示了从上方，即从功率模块被压就位的方向上看(图的左手侧)，同时还从侧面看的横截面(图的右手侧)的根据本实用新型的功率基板的结构的实施例。功率基板的金属框架41由轮廓形成，轮廓的横截面优选地本质上呈U型。轮廓包括底部部分48和从底部部分48本质上竖直突出的壁部分49，所述壁部分形成了从一个壁敞开的空间。功率基板包括两个用于冷却液体循环的中空通道45、46，这两个通道在由底部部分48和从底部部分48突出的壁部分49形成的轮廓的内部形成。孔43以规律的间隔d4布置在通道中，凭借孔，冷却液体能够从一个通道经由安置在基板上的功率模块流到另一个中。
属于功率电路(例如变频器的DC电路)的母线DC+、DC-被固定至功率基板，其中所述电路连接功率模块。为了使图清楚，这里不展示母线固定布置和母线绝缘布置。连接器44以规律的间隔d4固定至母线以连接到功率模块。优选地连接器是这种类型的：当功率模块被压就位时(例如根据附图)同时形成电气连接，从而使得母线的连接器44具有垂直于轨道的突出部，突出部被压到功率模块的配对连接器的内部。
固定穴42以规律的间隔d4布置在功率基板的边缘部分，以便机械固定功率模块。
在图中使用点划线标记一个功率模块所需的空间47。根据本实用新型，用于功率模块的本质上相似的连接42、43、44以标准间隔d4布置在功率基板中；在这种情况下，功率模块可以以标准间隔d4安置在基板上。由于全部的连接本质上相似，因此任何功率模块都可以安置在任何基板位置上。
图5展示了将功率模块放置在基板51上的立体图，基板51由包括底部部分58和壁部分59的轮廓形成，壁部分59从底部部分58本质上竖直地突出。用于功率模块的位置(在图中的实施例中，空位置PM5以及安置有功率模块INU51、INU52、CDC5的位置)都布置在功率基板51的纵向方向上(图5中使用箭头标记纵向方向)。功率模块可以是不同类型的，并且他们可以只包括到功率基板的连接中的其中一些，但是他们能够自由地安置在任何基板位置上。例如，就像逆变器单元INU51、INU52，滤波器单元CDC5只包括用于共用功率电路DC+、DC-(54)和用于功率基板(55)的接口，而不包括输出接口U、V、W或用于液体冷却(52、53)的接口。当功率模块不包括用于液体冷却的接口时，它具有防止液体泄漏的紧密表面，例如柔性橡胶类型的密闭面，紧密表面将被放置在接近液体孔52处。
正如对于本领域技术人员来说显而易见地，本实用新型和它的不同实施例不唯一地限制于上面描述的示例，反而他们可以在权利要求的范围内改变。
在本实用新型的说明书中，已经作为示例使用了两水平PWM变频器以及和它相关联的一些功率模块类型。然而，这并不意味对本实用新型的应用的任何限制，反而它也可被应用到其它类型的功率电子设备，例如应用到三电平的被称为NPC变频器，在NPC变频器中DC中间电路包括三极，以及应用到可以包括例如属于网络接口的滤波零件的其它类型的功率模块。

Claims (14)

1.功率电子设备，所述功率电子设备包括功率模块(30)以及功率基板(41、51)，
所述功率基板(41、51)包括布置在所述功率基板的纵向方向上的细长的功率电路以及布置在所述功率基板的纵向方向上的第一和第二细长的液体冷却通道(45、46、53)，并且
所述功率模块(30)能够被安装到所述功率基板上，
其特征在于：
所述功率基板(41、51)被构造成细长的轮廓，所述轮廓包括底部部分(48、58)和侧壁(49、59)，所述侧壁(49、59)形成了在一侧敞开的空间，并且
其中，至少两个用于功率模块的基板位置布置在所述功率基板(41、51)的纵向方向上，
所述基板位置安置成彼此之间为标准距离，从而使得每个位置具有到所述功率基板的本质上相似的机械接口(42、55)、到所述功率基板的功率电路的本质上相似的电气接口(44、54)、以及到所述功率基板的液体冷却通道的本质上相似的液体冷却连接(43、52)。
2.根据权利要求1所述的功率电子设备，其特征在于：液体冷却通道(45、46、53)在所述功率基板(41、51)的轮廓的内部形成，从而使得液体冷却通道(45、46、53)的壁的第一边缘连接至所述底部部分(48、58)，第二边缘连接至所述侧壁(49、59)，并且其中，所述液体冷却连接(43、52)布置成使得当功率模块也包括液体冷却连接(34)时，冷却液体能够经由安置在功率基板上的功率模块从第一液体冷却通道(45)流到第二液体冷却通道(46)中。
3.根据权利要求1或2所述的功率电子设备，其特征在于：所述功率基板由挤压模制的轮廓制造，材料为铝，在这种情况下，属于冷却布置的液体冷却通道(45、46、53)在挤压阶段形成，以便成为所述功率基板(41、51)的固定部分。
4.根据权利要求1或2所述的功率电子设备，其特征在于：所述液体冷却连接(43、52)的形状设置成匹配的，从而使得当所述功率模块就位并固定在所述功率基板上时，在功率模块(30)和功率基板(41、51)之间形成水密接口。
5.根据权利要求1或2所述的功率电子设备，其特征在于：到共用功率电路(44、54)的连接的形状设置成匹配的，从而使得当所述功率模块就位并固定在所述功率基板上时，在功率模块(30)和功率基板(41、51)之间形成电流连接。
6.根据权利要求1或2所述的功率电子设备，其特征在于：所述功率基板(41、51)的横截面本质上呈U型。
7.根据权利要求1或2所述的功率电子设备，其特征在于：属于同一功率基板(41、51)的一些或全部功率模块适于并联连接到同一外部负载。
8.根据权利要求1或2所述的功率电子设备，其特征在于：功率模块(30)被装入外罩(31)中，所述外罩(31)由电绝缘材料制造。
9.根据权利要求1或2所述的功率电子设备，其特征在于：功率模块(30)到第一电气电路的连接被装到所述功率模块的底部部分(33)。
10.根据权利要求1或2所述的功率电子设备，其特征在于：功率模块为逆变器单元，所述逆变器单元包括到第二电气电路的连接，并且连接被装到所述功率模块的盖部分(36)。
11.根据权利要求1或2所述的功率电子设备，其特征在于：在不包括到液体冷却的接口的功率模块类型中，当所述功率模块安装就位时，所述功率模块和所述功率基板的冷却液体连接面对面的部分装有不能渗透的表面，所述表面为柔性橡胶类密闭面，所述表面防止液体从所述液体冷却连接(43、52)泄露。
12.根据权利要求1或2所述的功率电子设备，其特征在于：所述功率电路在所述功率基板(41、51)的纵向方向上本质上从头至尾延伸。
13.根据权利要求1所述的功率电子设备，其特征在于，所述功率电子设备为变频器。
14.根据权利要求1所述的功率电子设备，其特征在于，所述功率模块为整流器模块、电容器模块和/或逆变器模块。
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