CN206294087U - 风冷变流器的功率模块 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种用于风冷变流器的功率模块，所述功率模块包括支撑电容、开关元件、吸收电容、模块直流进线母排以及模块支撑电容叠层母排。其中，所述模块支撑电容叠层母排与所述支撑电容的上端固定连接，所述模块支撑电容叠层母排的一端连接到所述模块直流进线母排，另一端连接到所述开关元件和所述吸收电容。本实用新型可简化功率模块的组装过程、降低安装难度，并能够增强系统的绝缘性能、降低系统的纹波电流、释放母排与模块连接时产生的应力，提高功率模块的使用可靠性。

Description

风冷变流器的功率模块

技术领域

本实用新型涉及一种功率模块，更具体地讲，涉及一种能够降低系统纹波电流、加强系统绝缘性能、简化组装过程、提高使用可靠性的适用于风冷变流器的功率模块。

背景技术

在变流系统中，由于功率模块实现正常运行状态下交流侧输入单位功率因数的控制以及各种状态下保持直流环节电压稳定，确保整个系统的可靠工作，因此功率模块需要具有保证可靠的功率器件和更优化的整机空间配置以具备高集成度、高性能和高可靠性。而在功率模块中，母排的绝缘性能、防护等级、杂散参数等参数指标对系统的可靠运行起着非常关键的作用。

图1是示出根据现有技术的功率模块内的母排之间连接的分解图。

目前，在大功率风冷变流器功率模块中，仍然采用普通母排和绝缘纸的方式组装。

如图1所示，功率模块的母排结构包括直流输入母排1、正母排2、接地母排3、负母排4、电容连接母排5以及连接母排6。其中，功率模块内的直流输入母排1、连接母排6分别具有需要独立安装的三个部分(例如，三个连接端子)，正母排2、接地母排3和负母排4的左侧端分别通过连接铜排a、b和c与直流输入母排1相连接，正母排2和负母排4分别通过四个连接铜排d1和d2与功率开关元件(例如，IGBT)和吸收电容相连接。连接母排6分别连接在直流输入母排1的上下两端，以通过其三个连接端子与其它元件相连接。

在图1所示的组装模式下，由于在生产装配过程中每一块母排均需要独立安装，而且接地母排3与正母排2和负母排4之间还需要安装绝缘纸，因此模块的杂散参数以及模块的发热会因生产装配过程人为干预较多而变得不均匀，从而导致使用可靠性降低。

由于模块的失效与母排的参数指标有关，因而在现有的风冷变流器功率模块中，还存在如下问题：由于需要安装的器件较多，组装复杂且组装完毕后人为干预较多，导致模块的杂散参数及模块发热不均匀、杂散电感高、系统纹波电流大；现有的母排技术落后加工周期长；在高湿度现场使用时因绝缘防护等级低而导致使用可靠性差；母排与模块连接处所承受的应力大，却无法释放应力，从而导致使用可靠性低。

实用新型内容

针对以上不足，本实用新型提供一种能够降低系统纹波电流、加强系统绝缘性能、简化组装过程、提高使用可靠性的适用于风冷变流器的功率模块。

根据本实用新型的实施例，提供一种用于风冷变流器的功率模块，所述功率模块可包括支撑电容、开关元件和吸收电容，还可包括模块直流进线母排和模块支撑电容叠层母排，所述模块支撑电容叠层母排与所述支撑电容的上端固定连接，所述模块支撑电容叠层母排的一端连接到所述模块直流进线母排，另一端连接到所述开关元件和所述吸收电容。

所述模块直流进线母排和所述模块支撑电容叠层母排均可为一体形成。所述模块直流进线母排和所述模块支撑电容叠层母排均可包括多层结构，所述多层结构之间均设有防护绝缘纸，所述模块支撑电容叠层母排的两端可设置有连接端。

所述模块支撑电容叠层母排的连接端可包括分别连接到所述模块直流进线母排的正连接端、接地连接端和负连接端，以及连接到所述开关元件和所述吸收电容的多个连接端。

所述接地连接端和多个连接端中的一个及以上可设置有应力槽。

所述应力槽可为U形槽，所述应力槽分布在所述连接端的两侧并且错位设置。

所述模块支撑电容叠层母排可位于所述支撑电容的上方，且与所述支撑电容的连接处可设有绝缘机构。

所述绝缘机构可为绝缘橡胶圈。

所述模块直流进线母排上可设有通风孔。

所述功率模块还可包括一体形成的模块连接母排，所述模块连接母排可分别连接在所述模块直流进线母排的上下两端，用于与其它模块相连接。

所述功率模块还可包括多个分开形成的连接母排，所述多个分开形成的连接母排可分别连接在所述模块直流进线母排的上下两端。

根据本实用新型的叠层母排可简化生产线上的工序、简化组装过程、降低系统纹波电流和杂散电感，并可解决母排与模块和吸收电容的连接处的应力过大的问题，提高模块的使用可靠性，例如，甚至可在高海拔高湿度环境下使用。

附图说明

通过下面结合附图对实施例进行的描述，本实用新型的这些和/或其它方面将会变得明显并更易于理解，在附图中：

图1是现有技术的功率模块内的母排之间连接的分解图；

图2是本实用新型的实施例的功率模块内的叠层母排之间的连接的立体图；

图3是本实用新型的实施例的模块连接母排的立体图；

图4是本实用新型的实施例的模块直流进线母排的立体图；

图5是本实用新型的实施例的功率模块内的模块支撑电容叠层母排的立体图；

图6是本实用新型的实施例的功率模块内的模块支撑电容叠层母排的侧视图；

图7是本实用新型的实施例的绝缘机构的立体图；

图8是本实用新型的实施例的应力槽的平面图。

在所有的附图和具体实施方式中，相同的标号指示相同的元件。附图可不按照比例绘制，为了清楚、说明及简洁起见，附图中的元件的相对尺寸、比例和描绘可被夸大。

1-直流输入母排；2-正母排；3-接地母排；4-负母排；5-电容连接母排；6-连接母排；7-模块连接母排；8-模块直流进线母排；9-模块支撑电容叠层母排；10-通风孔；11-绝缘机构；12-应力槽；a、b、c、d1、d2-连接铜排；a’-正连接端；b’-接地连接端；c’-负连接端；d’-连接端。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型的实施例进行详细的描述，但该实施例不应理解为对本实用新型的限制。

叠层母排是具有可重复电气性能、低阻抗、抗干扰、可靠性好、节省空间、装配简便快捷等特点的大功率模块化连接结构部件，作为一种新兴的便捷式电气部件，叠层母排由于其自身的低电感的特点，因此广泛应用于中、高功率变流场合。例如，叠层母排应用于功率系统中直流电连接(正极、负极)和模块内支撑电容的串并联连接。此部件用于变流系统中的功率部分，其绝缘性能、防护等级、杂散参数等参数指标对系统的可靠运行起到关键性作用，它是电力电子行业极其重要的部件。

与传统的、笨重的、费时且麻烦的功率系统配线方法相比，使用叠层母排可提供现代的、易于设计、安装快速和结构清晰的配电系统。

根据本实用新型的实施例采用模块化设计，利用一体形成的母排来减小生产装配过程中的人工操作，降低模块的杂散参数，提高使用可靠性。

下面将结合图2对本实用新型的实施例进行详细描述。

图2是根据本实用新型的实施例的功率模块内的叠层母排之间的连接的立体图。

参照图2，根据本实用新型的功率模块内的母排结构可包括模块直流进线母排8、模块支撑电容叠层母排9。可选地，根据本实用新型的功率模块内的母排结构还可包括模块连接母排7，模块连接母排7可分别连接在模块直流进线母排8的上下两端，以与其它模块(例如功率模块)实现固定连接。

模块支撑电容叠层母排9的一端可连接到模块直流进线母排8，另一端可连接到开关元件(例如，IGBT或IGBT模块)和吸收电容。

另外，模块支撑电容叠层母排9可通过固定连接件(例如，螺栓)与功率模块内的支撑电容(如图2所示的电容器组)固定连接。

具体地，模块支撑电容叠层母排9的一侧的连接端可设置为连接端a’、b’和c’(详见图5和图6，分别为正连接端、接地连接端和负连接端)，连接端a’、b’和c’可通过连接部件(例如，螺丝)与模块直流进线母排8相连接，模块支撑电容叠层母排9的另一侧的连接端可设置为多个连接端d’(详见图5和图6)，多个连接端d’可通过连接部件(例如，螺丝)与IGBT模块和吸收电容相连接。

在图2所示的叠层母排的组装模式下，叠层母排可采用模块化设计或一体化设计，叠层母排自身可安装有绝缘纸，故彼此之间绝缘，因此在安装叠层母排时不再需要分层安装以及在叠层母排之间安装绝缘纸的步骤，而是只需要安装整个叠层母排即可。

另外，模块连接母排和模块直流进线母排均由现有技术的三个部分变成一个部分，因此，安装过程中只需要安装一次即可，从而大大降低了安装过程中的人为干预因素，简化了操作步骤，并降低了安装难度。

下面将参照图3至图8分别对根据本实用新型的实施例的模块连接母排7、模块直流进线母排8和模块支撑电容叠层母排9进行详细的描述。

图3是本实用新型的实施例的模块连接母排7的立体图，图4是本实用新型的实施例的模块直流进线母排8的立体图，图5和图6分别是本实用新型的实施例的功率模块内的模块支撑电容叠层母排9的立体图，图7是本实用新型的实施例的绝缘机构11的立体图，图8是本实用新型的实施例的应力槽12的平面图。

参照图3至图4，根据本实用新型的模块连接母排7和模块直流进线母排8可以均是一体形成的单块母排，并可具有多层结构。具体地，模块连接母排7的所述多层结构可实现现有技术中的三块连接母排6的所有功能，模块直流进线母排8的所述多层结构可实现直流输入母排1的所有功能，且所述多层结构之间设有防护绝缘纸。此外，根据本实用新型的模块连接母排7和模块直流进线母排8的表面均进行了表面绝缘处理(例如，设有防护绝缘纸)。因此，与现有技术中的单独形成并需要分别安装的三块母排相比，安装过程更加简单方便，且所述母排的裸露面积大大降低，改善了绝缘强度，而且在功率模块运行过程中发生爬电的概率也随之大大降低。

此外，将母排设计为如图3和图4所示的一体化的叠层母排，可降低模块之间和模块出线处的杂散电感，从而降低模块间的纹波电流。

如图4所示，模块直流进线母排8的中间部分设有通风孔10，并在通风孔10的上下两侧各设有两个定位孔，功率模块内产生的热量通过通风孔10散出。可选地，可根据需要改变通风孔10的设置位置或数量。

参照图5至图8，根据本实用新型的实施例的模块支撑电容叠层母排9是单独的一块母排，并包括设为分别连接到所述模块直流进线母排8的正连接端a’、接地连接端b’和负连接端c’，以及设为连接到所述开关元件和所述吸收电容的多个连接端d’。与图1中的正母排2、接地母排3、负母排4和电容连接母排5的连接方式相比，模块支撑电容叠层母排9为模块化、一体化设计，并可具有多层结构，所述多层结构分别实现正母排、接地母排、负母排和电容连接母排的功能。因而在生产装配过程中，模块支撑电容叠层母排9不仅简化了其生产工序，而且简化了其安装工序。此外，模块支撑电容叠层母排9不仅能够在功率模块中同时具有上述四块母排的功能，还可将功率模块内正负母排之间的间隙最小化，因此可最大程度地降低母排之间的杂散电感，进而降低功率模块内的电容器上的纹波电流，减少功率模块发热，并降低电容的失效率。

此外，模块支撑电容叠层母排9通过固定连接件(例如，螺栓)与支撑电容相连接，与所述连接处可设有绝缘机构11，绝缘机构11可以是如图7所示的绝缘橡胶圈，以增加电容端子之间的绝缘性能，改善电容器的使用寿命。可选地，绝缘机构11可设置在模块支撑电容叠层母排9与支撑电容的接触的表面背对的表面上，并具有与模块支撑电容叠层母排9上的用于固定连接件的部分(例如，螺栓孔)相对应的形状。也就是说，绝缘机构11起到使电容的端子之间彼此绝缘的作用，绝缘机构11的数量不限于此。然而，绝缘机构11还可以是绝缘橡胶片，整体设置在模块支撑电容叠层母排9与支撑电容的接触的表面背对的表面上。

如图5和图6所示，模块支撑电容叠层母排9的一侧的连接端设置为与模块直流进线母排8相连接的3个连接端a’、b’和c’。模块支撑电容叠层母排9的另一侧的连接端设置为与IGBT模块和吸收电容相连接的多个连接端d’(例如，8个连接端d’)。所述连接端a’、b’、c’和d’包括沿着与模块支撑电容叠层母排9平面相同的平面延伸的部分以及从所述延伸的部分的端部沿着与模块支撑电容叠层母排9的平面垂直的方向延伸的另一部分。优选地，上述连接端可由铜制成。其中，3个连接端a’、b’和c’彼此之间可设有防护绝缘纸，8个连接端d’彼此之间可设有防护绝缘纸。此外，为了释放连接母排在与其它模块(例如功率模块)连接时承受的过大的应力，可在与模块支撑电容叠层母排9相同的平面延伸的部分中设置应力槽12。例如，模块支撑电容叠层母排9的8个连接端d’中的至少一部分和/或接地连接端b’可设有应力槽，如图5和图6所示，应力槽错位地设置在模块支撑电容叠层母排9的两端的连接端的两侧。具体地，应力槽12可以是在与模块支撑电容叠层母排9相同的平面上的U形槽，如图8所示，当然应力槽12还可以是方形槽或者椭圆槽。优选地，应力槽12为U形槽时的宽度w为4mm，深度h为8mm，即，沿与模块支撑电容叠层母排9的连接端d’的排列方向垂直的方向延伸的槽宽为4mm，沿模块支撑电容叠层母排9的连接端d’的排列方向延伸的槽深为8mm。然而，应力槽12的尺寸和形状可根据连接端和将要连接的元件的尺寸和/或所承受的应力大小进行改变，应力槽12的位置可根据所承受的应力的最大值的位置进行改变。

此处应力槽12的设计可在安装功率模块的过程中释放叠层母排与模块以及叠层母排与吸收电容的连接处因公差而引起的应力，提高功率模块的使用可靠性。

由于根据本实用新型的实施例的母排之间均设有绝缘纸，模块支撑电容叠层母排与支撑电容的连接处设有绝缘橡胶圈，且模块支撑电容叠层母排在组装后会进行密封处理，因此与现有技术的母排连接相比，根据本实用新型的实施例的功率模块内的所有母排的整体的绝缘性能和防腐等级均提高。

此外，根据本实用新型的另一实施例，当组装功率模块内的母排时，可采用现有技术中的分开形成的多个连接母排6(如图1中所示)实现根据本实用新型的功率模块与其它模块(例如功率模块)的连接，而无需采用根据本实用新型的实施例的连接母排7。也就是说，根据本实用新型的模块直流进线母排8具有兼容性，既可以通过根据本实用新型的实施例的模块连接母排7实现与其它模块(例如功率模块)的连接，也可通过现有技术中的分开形成的多个连接母排6实现与其它模块(例如功率模块)的连接。

本实用新型将功率模块内的多个叠层连接的母排变成一块叠层母排(例如，将母排2、3、4和5变为一块模块支撑电容叠层母排9)，安装时只需将母排、电容、IGBT连接起来即可。

此外，本实用新型还将现有的直流进线母排和连接母排由三块变为一块，因此根据本实用新型的功率模块具有如下优点：

a)与现有技术的母排相比，根据本实用新型的叠层母排不需要一层一层的安装并打耐压等的工序，只需要将整个母排放在生产线上组装即可，因此可缩短生产线上的模块加工周期，提高模块组装的友好性；

b)有效地提高了绝缘防护能力，在高海拔高湿度环境下具有更高的可靠性，因此可在高湿度现场和高海拔现场使用；

c)与现有技术的母排连接方式相比，模块与模块之间的叠层化连接可将纹波电流降低22％(即，降低了5～10A)，使电容器寿命提高约20％，并可大大延长功率模块的使用寿命，并且模块之间的杂散参数一致性好，降低了系统纹波电流，并且降低后的纹波电流可保持均匀；

d)应力槽设计解决了母排与模块和吸收电容的连接处的应力过大的问题；

e)绝缘橡胶圈设计可加强电容器端子间的绝缘特性，可防止因电容放电而引发的电容器的失效。

虽然已示出和描述了本实用新型的一些实施例，但本领域技术人员应该理解，在不脱离由权利要求及其等同物限定其范围的本实用新型的原理和精神的情况下，可以对这些实施例进行组合或改变。

Claims (10)

1.一种功率模块，用于风冷变流器中，包括支撑电容、开关元件和吸收电容，其特征在于，

所述功率模块还包括模块直流进线母排(8)和模块支撑电容叠层母排(9)，所述模块支撑电容叠层母排(9)与所述支撑电容的上端固定连接，所述模块支撑电容叠层母排(9)的一端连接到所述模块直流进线母排(8)，另一端连接到所述开关元件和所述吸收电容。

2.根据权利要求1所述的功率模块，其特征在于，

所述模块直流进线母排(8)和所述模块支撑电容叠层母排(9)均为一体形成，所述模块直流进线母排(8)和所述模块支撑电容叠层母排(9)均包括多层结构，所述多层结构之间均设有防护绝缘纸；

所述模块支撑电容叠层母排(9)的两端设置有连接端。

3.根据权利要求2所述的功率模块，其特征在于，所述模块支撑电容叠层母排(9)的连接端包括分别连接到所述模块直流进线母排(8)的正连接端(a’)、接地连接端(b’)和负连接端(c’)，以及连接到所述开关元件和所述吸收电容的多个连接端(d’)。

4.根据权利要求3所述的功率模块，其特征在于，

所述连接端中的接地连接端(b’)和多个连接端(d’)中的一个及以上设置有应力槽(12)。

5.根据权利要求4所述的功率模块，其特征在于，所述应力槽(12)为U形槽，所述应力槽(12)分布在所述连接端的两侧并且错位设置。

6.根据权利要求1所述的功率模块，其特征在于，所述模块支撑电容叠层母排(9)与所述支撑电容的连接处设有绝缘机构(11)。

7.根据权利要求6所述的功率模块，其特征在于，所述绝缘机构(11)为绝缘橡胶圈。

8.根据权利要求1所述的功率模块，其特征在于，所述模块直流进线母排(8)上设有通风孔(10)。

9.根据权利要求1所述的功率模块，其特征在于，还包括一体形成的模块连接母排(7)，所述模块连接母排(7)分别连接在所述模块直流进线母排(8)的上下两端，用于与其它模块相连接。

10.根据权利要求1所述的功率模块，其特征在于，还包括多个分开形成的连接母排(6)，所述多个分开形成的连接母排(6)分别连接在所述模块直流进线母排(8)的上下两端。