功率轉(zhuǎn)換器組件的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及功率電子裝置的領(lǐng)域。具體而言，本發(fā)明涉及功率轉(zhuǎn)換器組件。
【背景技術(shù)】
[0002]在牽引應(yīng)用中，功率轉(zhuǎn)換器用于將由懸鏈線供應(yīng)的電壓轉(zhuǎn)換成AC電壓來供應(yīng)至鐵路車輛的電驅(qū)動件和/或供應(yīng)至另外的電氣裝備，如風(fēng)扇、加熱/冷卻、電門等。在該情況中，來自懸鏈線的供應(yīng)電壓可為一相的AC或DC電壓。另外的可能性在于功率轉(zhuǎn)換器由驅(qū)動發(fā)電機(jī)的柴油馬達(dá)供應(yīng)，其將三相AC電壓提供至功率轉(zhuǎn)換器。
[0003]尤其是在牽引應(yīng)用中，需要具有小尺寸和低重量的功率電氣裝備。這還促進(jìn)了對功率電子電路的空間和重量節(jié)省布置的需要。該要求的實(shí)現(xiàn)還應(yīng)當(dāng)考慮以下事實(shí):當(dāng)布置變得緊湊時，制造那些布置的復(fù)雜性提高。
[0004]大體上，功率轉(zhuǎn)換器組件包括多個構(gòu)件:半導(dǎo)體功率模塊，其典型地包括二極管和IGBT ;用于DC鏈路、緩沖器和濾波器的電容器、電感器和電阻器；提供電流分離的變壓器；使主動構(gòu)件和被動構(gòu)件互連的母線組件；電子印刷電路板組件，如，控制板、門驅(qū)動件和互連板；從主動構(gòu)件和被動構(gòu)件除去熱的冷卻裝置；和/或電流、電壓和溫度測量裝置。
[0005]大功率轉(zhuǎn)換器的構(gòu)件通常相當(dāng)龐大，因此將它們集成到緊湊組件中可變?yōu)槔щy的任務(wù)，并且提出了技術(shù)挑戰(zhàn)。
[0006]例如，US6326761B1、DE10236525A1、EP1283589A2和 EP2463996A1 示出了不同類型的功率轉(zhuǎn)換器，其示出了背對背的AC-AC轉(zhuǎn)換器或單輸入-單輸出DC共振轉(zhuǎn)換器。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的在于提供具有小尺寸和低重量的功率轉(zhuǎn)換器組件，其使制造、安裝在電箱中、試機(jī)和維護(hù)的任務(wù)容易。
[0008]該目的通過獨(dú)立權(quán)利要求的主題實(shí)現(xiàn)。另外的示例性實(shí)施例從從屬權(quán)利要求和以下描述為明顯的。
[0009]本發(fā)明涉及一種功率轉(zhuǎn)換器組件，其可用于牽引應(yīng)用。功率轉(zhuǎn)換器組件可設(shè)在箱中，并且/或者可布置在鐵路車輛內(nèi)、外(下方或上方)。必須理解的是，用語〃功率〃可涉及適用于處理高于10A和/或高于1.000V的電流的轉(zhuǎn)換器。
[0010]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，功率轉(zhuǎn)換器組件包括:用于將DC電壓轉(zhuǎn)換成三相AC電壓的至少一個三相逆變器；至少一個電流隔離DC到DC轉(zhuǎn)換器；具有至少一個DC鏈路電容器的DC鏈路，其中至少一個三相逆變器和至少一個DC到DC轉(zhuǎn)換器與DC鏈路并聯(lián)聯(lián)接；第一子組件單元，其承載至少一個三相逆變器和至少一個DC到DC轉(zhuǎn)換器的半導(dǎo)體；以及第二子組件單元，其承載至少一個DC鏈路電容器。
[0011]功率轉(zhuǎn)換器組件包括兩個不同類型的子轉(zhuǎn)換器、三相逆變器和DC到DC轉(zhuǎn)換器，它們并聯(lián)連接于相同的DC鏈路，該構(gòu)件也由組件容納。組件的這些構(gòu)件在兩個子組件單元之間分布。第一子組件單元承載兩個子轉(zhuǎn)換器的功率半導(dǎo)體。第二子組件單元收納DC鏈路電容器。
[0012]必須理解的是，子組件單元為功率轉(zhuǎn)換器組件的一部分，其可與作為總體的功率轉(zhuǎn)換器組件機(jī)械地?cái)嚅_，即，子組件單元的所有構(gòu)件/部分可附接于共同的框架、殼體和/或底板。
[0013]功率轉(zhuǎn)換器組件可用作整個電氣網(wǎng)絡(luò)供應(yīng)源，例如，機(jī)載于鐵路車輛。功率轉(zhuǎn)換器組件尤其可適于安裝在大型復(fù)雜功率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)或電氣裝備箱內(nèi)，其中輔助功率需要提供至輔助設(shè)備，如，風(fēng)扇，或其它類型的基于感應(yīng)馬達(dá)的驅(qū)動件，并且其中，需要DC受控源，例如，用于電池組充電。
[0014]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，功率轉(zhuǎn)換器組件還包括整流器，其連接于DC鏈路和AC功率輸入用于向整流器供應(yīng)AC電壓。整流器可為被動整流器，該構(gòu)件(如，二極管)也由第一子組件單元承載。以此類方式，功率轉(zhuǎn)換器組件可從一相AC源電性供應(yīng)。
[0015]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，功率轉(zhuǎn)換器組件還包括連接于DC鏈路的DC功率輸入。以此類方式，功率轉(zhuǎn)換器組件可從DC源電性供應(yīng)。
[0016]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，至少一個DC鏈路電容器容納在第二子組件單元的殼體中。通常，DC鏈路包括多個DC電容器，該多個DC電容器可所有都容納和/或包封在一個共同的殼體中，其可看作是第二子組件單元的承載結(jié)構(gòu)。
[0017]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，DC到DC轉(zhuǎn)換器包括容納在第二子組件單元的殼體中的變壓器。在變壓器提供DC到DC轉(zhuǎn)換器的電流分離的情況中，該變壓器還可機(jī)械地連接于殼體，并且/或者包封在第二子組件單元的殼體中。
[0018]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，DC到DC轉(zhuǎn)換器包括變壓器，其安裝于第一子組件單元的底板。還可有可能的是，DC到DC變壓器的電流分離變壓器機(jī)械地連接于第一子組件單元。
[0019]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，第一子組件單元包括至少一個三相轉(zhuǎn)換器和至少一個DC到DC轉(zhuǎn)換器的至少功率半導(dǎo)體模塊安裝在其上的底板。功率轉(zhuǎn)換器組件的子轉(zhuǎn)換器和可選的它們的門驅(qū)動件的半導(dǎo)體開關(guān)可安裝于功率半導(dǎo)體模塊，例如，其中各個可包括其自身上的底板。功率半導(dǎo)體模塊可安裝(例如，以它們的底板)于公共金屬底板，其可看作是第一子組件單元的承載結(jié)構(gòu)。
[0020]金屬底板可服務(wù)于多個構(gòu)件用于機(jī)械固定:至少一個功率半導(dǎo)體模塊和至少一個電流換能器可安裝在底板上。
[0021]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，底板與至少一個功率半導(dǎo)體模塊熱接觸，并且提供了能夠利用冷卻劑流冷卻的相對的冷卻表面。傳送冷卻劑的導(dǎo)管可設(shè)在底板下方和/或冷卻表面的一側(cè)上。以此類方式，金屬底板可實(shí)施至少一個導(dǎo)管以在金屬底板表面下方傳送冷卻劑。金屬底板可與至少一個半導(dǎo)體功率模塊的底板熱接觸，以消散來自至少一個功率半導(dǎo)體模塊的熱。
[0022]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，第一子組件單元包括安裝于底板的接口板組件，使得至少一個功率模塊容納在底板與接口板組件之間。在功率半導(dǎo)體模塊上方，接口板組件可安裝于第一子組件單元，其可經(jīng)由柱或其它固定器件附接于底板。接口板組件可在至少一個功率半導(dǎo)體模塊的頂部上方固定于底板。
[0023]可包括一個或更多個印刷電路板(PCB)的接口板組件可用于安裝和/或電連接控制板，其可與功率半導(dǎo)體模塊電屏蔽。
[0024]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，第一子組件單元包括至少一個控制板，用于控制至少一個三相轉(zhuǎn)換器和/或至少一個DC到DC轉(zhuǎn)換器。功率轉(zhuǎn)換器組件的各個子轉(zhuǎn)換器(如，三相轉(zhuǎn)換器和/或DC到DC轉(zhuǎn)換器)可包括控制器，其由控制板提供。這些控制板可安裝于第一子組件單元?？刂瓢蹇蔀镻CB，1C和另外的控制硬件安裝在PCB上。
[0025]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，至少一個控制板與至少一個功率模塊相對安裝于接口板組件。接口板組件可電連接于功率半導(dǎo)體模塊，并且可提供用于控制板的接口，該控制板可經(jīng)由接口板組件電連接于功率半導(dǎo)體模塊。
[0026]大體上，接口板組件可使一個或更多個控制板與安裝在金屬底板上的至少一個其它構(gòu)件互連。
[0027]控制板可看作是印刷板組件，其包括嵌入的功率轉(zhuǎn)換器控制件和門驅(qū)動電子電路，并且/或者其安裝在至少一個接口板組件上方。
[0028]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，接口板組件包括由至少一個柔性印刷板互連的至少第一剛性印刷板和第二剛性印刷板。第一剛性印刷板可安裝于底板，并且與底板電氣互連。第一剛性印刷板可提供用于一個或更多個控制板的接口。第二剛性印刷板可安裝于至少一個功率半導(dǎo)體模塊，并且可與至少一個功率半導(dǎo)體模塊電氣互連，即，可提供至子轉(zhuǎn)換器的電連接。
[0029]大體上，接口板可組合柔性和剛性印刷板區(qū)域。將控制板連接于接口板的器件設(shè)在至少一個剛性板區(qū)域上。將安裝在金屬底板上的構(gòu)件連接于接口板的器件可設(shè)在至少第二剛性區(qū)域上。在兩個剛性區(qū)域之間，存在至少一個柔性板區(qū)域，其實(shí)現(xiàn)至互連的彎曲能力。
[0030]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，接口板包括提供至少一個功率半導(dǎo)體模塊與控制板之間的EMC屏蔽的地層。地層或地平面可置于半導(dǎo)體功率模塊與一個或更多個控制板之間。將地層連接于接地返回通路的器件可設(shè)在接口板與金屬底板之間。
[0031]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，第一子組件單元和第二子組件單元與至少一個層壓母線組件互連，該至少一個層壓母線組件使DC鏈路電容器與半導(dǎo)體功率模塊電氣互連。層壓母線組件可包括若干非傳導(dǎo)和傳導(dǎo)的層，其在第二子組件單元的一側(cè)上接觸DC鏈路電容器(同時使它們并聯(lián)連接)，并且/或者在第一子組件單元的一側(cè)上接觸安裝于底板并且與至少一個功率半導(dǎo)體模塊互連的觸點(diǎn)。
[0032]本發(fā)明的這些及其它方面將從下文中描述的實(shí)施例顯而易見并且參照其闡明。
【附圖說明】
[0033]本發(fā)明的主題將在以下文本中參照在附圖中示出的示例性實(shí)施例更詳細(xì)闡釋。
[0034]圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的功率轉(zhuǎn)換器組件的示意性電路圖。
[0035]圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的功率轉(zhuǎn)換器組件的透視分解視圖。
[0036]圖3示出了圖2的功率轉(zhuǎn)換器組件的透視圖。
[0037]圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的功率轉(zhuǎn)換器組件的示意性截面。
[0038]附圖中使用的參考標(biāo)號和它們的意義以簡要形式在參考標(biāo)號列表中列出。原則上，相同的部分在附圖中設(shè)有相同的參考標(biāo)號。
[0039]部件列表
[0040]10功率轉(zhuǎn)換器組件
[0041]12第一三相逆變器
[0042]14第二三相逆變器
[0043]16 DC到DC轉(zhuǎn)換器
[0044]18 DC 鏈路
[0045]20整流器
[0046]22 一相 AC 輸入
[0047]24 DC 輸入
[0048]26三相AC輸出
[0049]28半電橋
[0050]30功率半導(dǎo)體
[0051]32 DC 輸出
[0052]34兩相逆變器
[0053]36變壓器
[0054]38整流器
[0055]40 DC鏈路電容器
[0056]42控制器
[0057]42a第一三相逆變器的控制器
[0058]42b第二三相逆變器的控制器
[0059]42c DC到DC轉(zhuǎn)換器的控制器
[0060]44電流換能器
[0061]46第一子組件單元
[0062]48第二子組件單元
[0063]50功率半導(dǎo)體模