CN217545850U - 功率模块和固态变压器 - Google Patents

Abstract

本公开的实施例涉及功率模块和固态变压器。该功率模块能够被可拆卸地耦合到固态变压器的柜体中，包括：绝缘本体；容纳在绝缘本体中的第一金属片，第一金属片包括裸露在绝缘本体的表面处的第一接触部；以及第一连接器，可拆卸地被安装到绝缘本体，第一连接器包括：第一端；第二端，可操作为与第一接触部电连接，所示第二端与第一端相对，第二端包括插拔式端子或者弹簧针端子。本公开的实施例提供了一种结构简单、尺寸小的功率模块。本公开的实施例还提供了一种固态变压器。

Description

功率模块和固态变压器

技术领域

本公开的实施例总体涉及电力设备领域，具体涉及功率模块和固态变压器。

背景技术

固态变压器(Solid-State Transformers,SST)，又称电力电子变压器，是一种将电力电子变换技术和基于电磁感应原理的高频电能变换技术相结合，实现将一种电力特征的电能转变为另一种电力特征的电能的电气设备。在实际应用中，例如在数据中心中，通过固态变压器可以实现中压交流到低压直流的功率变换，这能够简化供电链路架构。传统的固态变压器不支持功率模块热拔插功能，而且体积较大的功率模块导致整个固态变压器的体积庞大。

因此，需要提供一种改进的功率模块，以降低功率模块和固态变压器的尺寸。通过插拔式的功率模块，有利于促进固态变压器整体的安装和维护。

实用新型内容

本公开的实施例旨在提供一种结构简单、体积小的功率模块和固态变压器，以解决前述或其他潜在的技术问题。

本公开的第一方面，提供一种功率模块。功率模块能够被可拆卸地耦合到固态变压器的柜体中，功率模块包括：绝缘本体；容纳在绝缘本体中的第一金属片，第一金属片包括裸露在绝缘本体的表面处的第一接触部；以及第一连接器，可拆卸地被安装到绝缘本体，第一连接器包括：第一端；第二端，可操作为与第一接触部电连接，所示第二端与第一端相对，第二端包括插拔式端子或者弹簧针端子。

根据本公开的实施例，利用连接器实现电力输入端子与功率模块之间的电连接，以由功率模块进行相应的电力电子变换。通过在绝缘本体中内置金属片并且使第一连接器第二端的端子与金属片电连接，使得不再需要电缆来实现电位链接。由于金属片设置在绝缘本体中，因此，在符合安全规定的前提下，功率模块及相应的固态变压器的尺寸均被减小。

在一些实施例中，绝缘本体包括基座和盖，第一连接器被容纳在由基座和盖围成的空间中，并且第一金属片包括容纳在盖中的金属片部分，金属片部分包括裸露在盖的表面处的第一接触部。由于绝缘本体是分体式的，因此，用户可以方便地将连接器安装到功率模块中。

在一些实施例中，在盖被安装到基座的情形下，第一接触部与第二端的弹簧针端子电连接。在将第一连接器安装到功率模块后，盖上的第一接触部可以直接抵靠和压在弹簧针端子上，由此实现第一连接器与金属片之间可靠的电位链接。

在一些实施例中，基座包括底壁和侧壁，并且第一金属片还包括容纳底壁和侧壁中的金属片部分；其中，在盖被安装到基座上时，盖中的金属片部分与底壁和侧壁中的金属片部分相互电连接以保持相同的电位。

在一些实施例中，插拔式端子包括鸭嘴式插拔端子或圆形插拔端子。通过插拔式端子提供了第一连接器的另一种安装方式，并且提供了更加可靠的电位链接。

在一些实施例中，绝缘本体为一体式本体，并且包括由绝缘本体的壁围绕形成的腔，腔容纳连接器。

在一些实施例中，在围绕腔的壁中设置有第一金属片，并且第一接触部包括在腔中的插接片，插接片用于与插拔式端子电连接。

在一些实施例中，绝缘本体的外表面还包括金属接地层。

在一些实施例中，功率模块还包括：容纳在绝缘本体中的第二金属片，第二金属片包括裸露在绝缘本体的表面处的第二接触部；以及第二连接器，可拆卸地被安装到绝缘本体，第二连接器包括相对的第一端和第二端，第二连接器的第二端可操作为与第二接触部电连接；第二连接器的第二端包括插拔式端子或者弹簧针端子。

在一些实施例中，第一连接器和第二连接器通过螺钉被连接到绝缘本体；第一连接器的第一端可操作为与柜体中的电力输入端子电连接。

在第二方面，本公开提供了一种固态变压器。固态变压器包括：柜体，设置有电力输入端子；根据第一方面的功率模块；电力输入端子与功率模块的第一连接器的第一端电连接。

根据本公开的实施例，第一连接器第二端的端子实现了其与金属片之间的电位链接，因此，固态变压器可以支持功率模块的热拔插。

在一些实施例中，功率模块可插拔地耦合到柜体；电力输入端子向第一连接器的第一端提供1kV至20kV的电压。

应当理解，实用新型内容部分中所描述的内容并非旨在限定本公开的实施例的关键或重要特征，亦非用于限制本公开的范围。本公开的其它特征将通过以下的描述变得容易理解。

附图说明

结合附图并参考以下详细说明，本公开各实施例的上述和其他特征、优点及方面将变得更加明显。在附图中，相同或相似的附图标记表示相同或相似的元素，其中：

图1示出了根据本公开的一些实施例的固态变压器的示意图；

图2示出了根据本公开的一些实施例的功率模块的示意图；

图3和图4示出了根据本公开的一些实施例的功率模块的设计原理；

图5示出了根据本公开的一些实施例的功率模块的示意性正视图；

图6示出了根据本公开的一些实施例的功率模块的示意性俯视图；

图7示出了根据本公开的一些实施例的功率模块的示意性侧视图；

图8示出了根据本公开的一些实施例的第一连接器的示意图；

图9示出了根据本公开的一些实施例的功率模块的示意性正视图；

图10示出了根据本公开的一些实施例的功率模块的示意性俯视图；

图11示出了根据本公开的一些实施例的功率模块的示意性俯视图；以及

图12示出了根据本公开的一些实施例的第一连接器的示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的实施例。虽然附图中显示了本公开的某些实施例，然而应当理解的是，本公开可以通过各种形式来实现，而且不应该被解释为限于这里阐述的实施例，相反提供这些实施例是为了更加透彻和完整地理解本公开。应当理解的是，本公开的附图及实施例仅用于示例性作用，并非用于限制本公开的保护范围。

在本公开的实施例的描述中，术语“包括”及其类似用语应当理解为开放性包含，即“包括但不限于”。术语“基于”应当理解为“至少部分地基于”。术语“一个实施例”或“该实施例”应当理解为“至少一个实施例”。术语“第一”、“第二”等等可以指代不同的或相同的对象。下文还可能包括其他明确的和隐含的定义。

下面将参照附图更详细地描述本公开的优选实施例。虽然附图中显示了本公开的优选实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。

在本文中使用的术语“包括”及其变形表示开放性包括，即“包括但不限于”。除非特别申明，术语“或”表示“和/或”。术语“基于”表示“至少部分地基于”。术语“一个示例实施例”和“一个实施例”表示“至少一个示例实施例”。术语“另一实施例”表示“至少一个另外的实施例”。术语“第一”、“第二”等等可以指代不同的或相同的对象。下文还可能包括其他明确的和隐含的定义。

本公开的实施例提供了一种功率模块和固态变压器，功率模块具有结构简单、体积小等优点，并且固态变压器具有支持热拔插操作等优点。

图1示出了根据本公开的一些实施例的固态变压器的示意图，图2示出了根据本公开的一些实施例的固态变压器的功率模块的示意图。如图1所示，固态变压器包括柜体1和可插拔地设置在柜体1中的一个或多个功率模块10。

柜体1中设置有电力输入端子。在一些实施例中，电力输入端子例如可以是三相电输入的端子，图1中以A、B、C分别示出三相电力输入端子，每个电力输入端子分别连接至相应的一个功率模块10。在一些实施例中，每个电力输入端子(经由相应的第一连接器11)向相应的功率模块10提供1kV至20kV的电压。例如，每个电力输入端子(经由相应的第一连接器11)向相应的功率模块10提供10kV的电压。

在一些实施例中，如图1所示，每个功率模块10还可以包括第二连接器30。第二连接器30连通到中性零点(虚拟N)。例如，在第一连接器11被提供有10kV电压的情况下，第二连接器30可以被提供6kV的电压。

在一些实施例中，柜体1中沿竖直方向可以设置有九个功率模块10。应当理解，根据实际功率变换的需要，功率模块的数量是可变的，例如六个、十二个或其他数量。

图2示出了可拆卸地安装到功率模块10上的第一连接器11以及备选的第二连接器30。本公开的固态变压器可以工作在中压(1kV-20kV)范围内，在固态变压器内部存在电位传递的需求。传统的方式使用中压电缆来实现电位传递，一方面，中压电缆线径较粗，另一方面，在中压电缆的布置过程中由于中压电场分布的原因还需要预留较长的安全距离。这造成了传统固态变压器存在体积相对较大的问题。

为了降低功率模块的尺寸，需要采用新的结构，参考图3和图4，其示出了根据本公开的一些实施例的功率模块的设计原理。利用此原理而设计的功率模块，既可以避免使用中压电缆进行电位传递，还能降低功率模块的整体尺寸。

如图3所示，M1为导体且连接至高电位，M2为绝缘材料，M3为低电位部分或接地电位(GND)部分。M1、M2、M3之间存在空气，为了保持安全距离，M1和M3之间的最小距离D1要保持为例如至少25mm(对于10kV而言)。这不利于实现模块的小型化。

参照图4，如果消除M1、M2、M3之间的空气，则高电位部分与低电位部分之间的安全距离可以被缩短。图4中，M和M1处于相同的高电位，由于高电位的M1与低电位部分M3之间不存在空气，因此M和M3之间的最小距离D2可以被保持为远小于距离D1。这样，有助于实现模块的小型化。

基于图3和图4中所示出的原理，本公开的实施例提供了一种改进的功率模块及包括该功率模块的固态变压器。图5示出了根据本公开的一些实施例的功率模块的示意性正视图；图6示出了根据本公开的一些实施例的功率模块的示意性俯视图；图7示出了根据本公开的一些实施例的功率模块的示意性侧视图。图8示出了根据本公开的一些实施例的第一连接器的示意图。

参考图5至图7，功率模块10包括绝缘本体130和容纳在绝缘本体130中的第一金属片100。第一金属片100包括裸露在绝缘本体130的表面处的第一接触部103。第一连接器11包括第一端111和与第一端111相对的第二端112。第一连接器11的第一端111可操作为与电力输入端子电连接，第一连接器11的第二端112包括弹簧针端子20。弹簧针端子20用于与第一接触部103电连接。

通过将第一金属片100容纳在绝缘本体130中，并且将第一连接器11与第一金属片100实现电位链接，可以缩小整个功率模块10的尺寸。

在一些实施例中，绝缘本体130的外表面还可以包括金属接地层(未示出)。

在一些实施例中，绝缘本体130可以包括基座102和盖101，第一连接器11被容纳在由基座102和盖101围成的空间中。如图5所示，第一金属片100包括容纳在盖101中的金属片部分，该金属片部分包括裸露在盖101的表面处的第一接触部103。第一接触部103用于与第一连接器11的弹簧针端子20电连接。参考图5，其中盖101被安装到基座10，盖101的表面处的第一接触部103与第一连接器11的弹簧针端子20电连接。

在一些实施例中，在基座102和盖101中，围绕第一连接器11的外周设置有金属片部分。例如，参考图5，基座102可以包括底壁和侧壁，并且第一金属片100还可以包括容纳底壁和侧壁中的金属片部分(例如，图5中第一连接器11下侧和左侧的金属片)。

如图5所示，盖101被安装到基座102上，盖101中的金属片部分与底壁和侧壁中的金属片部分相互电连接以保持相同的电位。虽然图5中示出了第一金属片包括三个金属片部分，但应当理解，根据实际需要，第一金属片100的数量是可变的，例如两个、四个或其他数量。

在一些实施例中，参考图5-6和图8，功率模块10还可以包括第二连接器30以及容纳在绝缘本体130中的第二金属片150。第二连接器30被可拆卸地被安装到绝缘本体130。第二金属片150包括裸露在绝缘本体130的表面处的第二接触部153。第二连接器30包括相对的第一端和第二端。第二连接器30的第一端用于连通到中性零点(虚拟N)，第二端可操作为与第二接触部153电连接。

在一些实施例中，第二连接器30的第二端可以包括弹簧针端子20，以与第二接触部153电连接。

参考图5，第二连接器30与第一连接器11一起被容纳在由基座102和盖101围成的空间中。第二金属片150包括容纳在盖101中的金属片部分，该金属片部分包括裸露在盖101的表面处的第二接触部153。第二接触部153用于与第二连接器30的弹簧针端子20电连接。在图5中，盖101被安装到基座10，盖101的表面处的第二接触部153与第二连接器30的弹簧针端子20电连接。

在一些实施例中，在基座102和盖101中，围绕第二连接器30的外周设置有金属片部分。例如，参考图5，基座102可以包括底壁和侧壁，并且第二金属片150还可以包括容纳底壁和侧壁中的金属片部分(例如，图5中第二连接器30下侧和右侧的金属片)。

如图5所示，盖101被安装到基座102上，盖101中的金属片部分与底壁和侧壁中的金属片部分相互电连接以保持相同的电位。虽然图5中示出了第二金属片包括三个金属片部分，但应当理解，根据实际需要，第二金属片150的数量是可变的，例如两个、四个或其他数量。

在一些实施例中，电力输入端子向第一连接器11的第一端提供1kV至20kV的电压。例如，电力输入端子向第一连接器11的第二端提供10kV的电压，第二连接器30的第二端被提供有6kV的电压。

在一些实施例中，第一连接器11和第二连接器30通过螺钉被连接到绝缘本体。在一些实施例中，参考图8，第一连接器11和第二连接器30可以被集成在一个绝缘外壳中，并且如图5所示的那样通过螺钉19(虚线所示)被安装到绝缘本体130上。

在一些实施例中，第二连接器30的结构可以与第一连接器11的结构完全相同，只是其被提供的电压不同。

在一些实施例中，如图6所示，第一连接器11和第二连接器30的第二端还可以分别包括折弯铜排13，用于起到电流传输的作用。

第一连接器11和第二连接器30的弹簧针端子20的结构在图7中被详细示出。参考图7，在一些实施例中，弹簧针端子20可以包括带有盲孔的座22，在座22的盲孔中容纳有弹簧23，弹簧23上安装有针21。在外力作用下，针21可以压缩弹簧23而至少部分地缩进到盲孔中，外力减小或消除后，针21在弹簧23的恢复力作用下可以从盲孔中伸出。弹簧针端子能够保证连接器的第二端与接触部之间的可靠电连接。

在图5至图7所示的实例中，将第一连接器11和第二连接器30安装到基座102后，盖上盖101，盖101上对应的第一接触部103会挤压针21进而压缩弹簧23，弹簧23的弹簧力保证针21与第一接触部103之间的可靠电连接。

在一些实施例中，第一连接器11的第二端可以包括插拔式端子25。在一些实施例中，插拔式端子25可以包括鸭嘴式插拔端子或圆形插拔端子。本公开并不限制插拔式端子25的形式，其他形式的插拔式端子也是可行的。

图9示出了根据本公开的一些实施例的功率模块的示意性正视图；图10示出了根据本公开的一些实施例的功率模块的示意性俯视图；图11示出了根据本公开的一些实施例的功率模块的一部分的示意性俯视图；图12示出了根据本公开的一些实施例的第一连接器的示意图。

参考图9至图11，功率模块10包括绝缘本体130和容纳在绝缘本体130中的第一金属片100。第一金属片100包括裸露在绝缘本体130的表面处的第一接触部103。第一连接器11包括第一端111和与第一端111相对的第二端112。第一连接器11的第一端111可操作为与电力输入端子电连接，第一连接器11的第二端112包括插拔式端子25。插拔式端子25用于与第一接触部103电连接。

通过将第一金属片100容纳在绝缘本体130中，可以缩小整个功率模块10的尺寸。通过第一连接器11与第一金属片100之间的电位链接，固态变压器将支持功率模块10热拔插操作。

在一些实施例中，绝缘本体130的外表面还可以包括金属接地层(未示出)。

在一些实施例中，绝缘本体130可以为一体式本体，并且包括由绝缘本体130的壁围绕形成的腔104，腔104容纳第一连接器11。如图9所示，第一金属片100包括容纳在绝缘本体130的壁中的金属片部分，例如图9中示出的在第一连接器11的上侧、左侧和下侧的金属片部分。各个金属片部分相互电连接以保持相同的电位。

虽然图9中示出了第一金属片100包括三个金属片部分，但应当理解，根据实际需要，第一金属片100的数量是可变的，例如两个、四个或其他数量。

在一些实施例中，参考图9-10和图12，功率模块10还可以包括第二连接器30以及容纳在绝缘本体130中的第二金属片150。第二连接器30被可拆卸地被安装到绝缘本体130。第二金属片150包括裸露在绝缘本体130的表面处的第二接触部153。第二连接器30包括相对的第一端和第二端。第二连接器30的第一端用于连通到中性零点(虚拟N)，第二端可操作为与第二接触部153电连接。

在一些实施例中，第二连接器30的第二端可以包括插拔式端子25，以与第二接触部153电连接。

参考图9-10，第二连接器30与第一连接器11一起被容纳在腔104中。第二金属片150包括容纳在绝缘本体130中的金属片部分，该金属片部分包括裸露在绝缘本体的腔104的表面处的第二接触部153。第二接触部153用于与第二连接器30的插拔式端子25电连接。

在一些实施例中，第二金属片150包括在第二连接器30的上侧、下侧和右侧的金属片部分，以形成围绕第二连接器30的金属片部分。虽然图9中示出了第二金属片包括三个金属片部分，但应当理解，根据实际需要，第二金属片150的数量是可变的，例如两个、四个或其他数量。

在一些实施例中，电力输入端子向第一连接器11的第一端提供1kV至20kV的电压。例如，电力输入端子向第一连接器11的第二端提供10kV的电压，第二连接器30的第二端被提供有6kV的电压。

在一些实施例中，参考图12，第一连接器11和第二连接器30可以被集成在一个绝缘外壳中，并且如图9至图11所示的那样通过螺钉19(虚线所示)被安装到绝缘本体130上。

在一些实施例中，第二连接器30的结构可以与第一连接器11的结构完全相同，只是其被提供的电压不同。

在一些实施例中，如图11-12所示，第一接触部103可以包括在腔104中的插接片，插接片用于与插拔式端子25电连接。在一些实施例中，如图11-12所示，第二接触部153可以包括在腔104中的插接片，插接片用于与插拔式端子25电连接。

虽然图11和图12中示出的插拔式端子25为鸭嘴式插拔端子，但是其他类型的插拔式端子也是可行的。

在一些实施例中，第一连接器11和第二连接器30通过螺钉被连接到绝缘本体。在一些实施例中，参考同图12，第一连接器11和第二连接器30可以被集成在一个绝缘外壳中，并且如图11所示的那样通过螺钉19(虚线所示)被安装到绝缘本体130上。

以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

尽管已经采用特定于结构特征和/或方法逻辑动作的语言描述了本主题，但是应当理解所附权利要求书中所限定的主题未必局限于上面描述的特定特征或动作。相反，上面所描述的特定特征和动作仅仅是实现权利要求书的示例形式。

Claims (12)

1.一种功率模块，其能够被可拆卸地耦合到固态变压器的柜体中，其特征在于，所述功率模块包括：

绝缘本体；

容纳在所述绝缘本体中的第一金属片，所述第一金属片包括裸露在所述绝缘本体的表面处的第一接触部；以及

第一连接器，可拆卸地被安装到所述绝缘本体，所述第一连接器包括：

第一端；

第二端，可操作为与所述第一接触部电连接，所示第二端与所述第一端相对，所述第二端包括插拔式端子或者弹簧针端子。

2.根据权利要求1所述的功率模块，其特征在于，所述绝缘本体包括基座和盖，所述第一连接器被容纳在由所述基座和盖围成的空间中，并且

所述第一金属片包括容纳在所述盖中的金属片部分，所述金属片部分包括裸露在所述盖的表面处的所述第一接触部。

3.根据权利要求2所述的功率模块，其特征在于，在所述盖被安装到所述基座的情形下，所述第一接触部与所述第二端的所述弹簧针端子电连接。

4.根据权利要求2或3所述的功率模块，其特征在于，所述基座包括底壁和侧壁，并且所述第一金属片还包括容纳所述底壁和侧壁中的金属片部分；

其中，在所述盖被安装到所述基座上时，所述盖中的金属片部分与所述底壁和侧壁中的金属片部分相互电连接以保持相同的电位。

5.根据权利要求1所述的功率模块，其特征在于，所述插拔式端子包括鸭嘴式插拔端子或圆形插拔端子。

6.根据权利要求1或5所述的功率模块，其特征在于，所述绝缘本体为一体式本体，并且包括由所述绝缘本体的壁围绕形成的腔，所述腔容纳所述第一连接器。

7.根据权利要求6所述的功率模块，其特征在于，在围绕所述腔的所述壁中设置有所述第一金属片，并且

所述第一接触部包括在所述腔中的插接片，所述插接片用于与所述插拔式端子电连接。

8.根据权利要求1所述的功率模块，其特征在于，所述绝缘本体的外表面还包括金属接地层。

9.根据权利要求1所述的功率模块，其特征在于，还包括：

容纳在绝缘本体中的第二金属片，所述第二金属片包括裸露在绝缘本体的表面处的第二接触部；以及

第二连接器，可拆卸地被安装到绝缘本体，所述第二连接器包括相对的第一端和第二端，所述第二连接器的第二端可操作为与所述第二接触部电连接；

所述第二连接器的第二端包括插拔式端子或者弹簧针端子。

10.根据权利要求9所述的功率模块，其特征在于，所述第一连接器和所述第二连接器通过螺钉被连接到所述绝缘本体；

所述第一连接器的第一端可操作为与所述柜体中的电力输入端子电连接。

11.一种固态变压器，其特征在于，包括：

柜体，设置有电力输入端子；

根据权利要求1至10中任一项所述的功率模块；

所述电力输入端子与所述功率模块的所述第一连接器的所述第一端电连接。

12.根据权利要求11所述的固态变压器，其特征在于，所述功率模块可插拔地耦合到所述柜体；

所述电力输入端子向所述第一连接器的所述第一端提供1kV至20kV的电压。

Images