本發(fā)明涉及一種電子電力堆疊組合件，其呈現(xiàn)特征為直接冷卻其中容納的半導(dǎo)體模塊的優(yōu)勢(shì)；即，所述半導(dǎo)體模塊通過與經(jīng)由輻射器元件和前述半導(dǎo)體模塊循環(huán)的冷卻劑流體直接接觸而得以冷卻。

背景技術(shù)：

本發(fā)明的應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)殡娮与娏D(zhuǎn)換器：從交流電到交流電、直流電到直流電、交流電到直流電，且反之亦然。半導(dǎo)體模塊、冷凝器、用于不同元件之間的電連接的母線以及輻射器包含于組合件中。這種配置使得能夠獲得緊湊、高性能的組合件，從而實(shí)現(xiàn)制造成本的改善。

使用電子電力轉(zhuǎn)換器控制電動(dòng)機(jī)的速度和扭矩在工業(yè)和能源產(chǎn)業(yè)中眾所周知；其還用于控制連接到電網(wǎng)的系統(tǒng)(例如用于發(fā)電的風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)和光伏反相器(有源和反應(yīng)性的)，或用于在交流電系統(tǒng)中產(chǎn)生無功功率的statcom(靜態(tài)同步補(bǔ)償器))中的功率和電流，或用于控制直流電系統(tǒng)(例如整流器和hvdc(高壓直流電)傳輸系統(tǒng)或用于蓄電池或燃料電池的控制系統(tǒng))中的功率和電流。

當(dāng)前，混合動(dòng)力車輛以及單獨(dú)通過電運(yùn)行的車輛的重要性不斷地增大，其中組件的大小和重量以及其運(yùn)行溫度都至關(guān)重要。

本質(zhì)上，所有系統(tǒng)共同地共享高功率電子模塊(例如二極管和igbt)和例如冷凝器等能量存儲(chǔ)元件的使用。所有這些元件歸因于運(yùn)行期間的能量損失而產(chǎn)生相當(dāng)大量的熱。此熱必須通過高效冷卻系統(tǒng)耗散掉，所述冷卻系統(tǒng)必須維持所有組件的溫度在控制下且低于運(yùn)行溫度限制。

在過去，使用具有受迫氣流的氣冷式輻射器；這些輻射器低廉且穩(wěn)健，但在功率損耗高時(shí)效率低。一段時(shí)間以后，采用通過流過通道的水冷卻的輻射器，其中載熱流體被引導(dǎo)經(jīng)過上面附接待冷卻元件的封閉管道。盡管此類型的輻射器復(fù)雜得多(因?yàn)檫@種類型的輻射器需要輔助抽汲系統(tǒng)來使流體移動(dòng)，且空氣-水輻射器具有強(qiáng)制通風(fēng)以耗散熱)，但這些系統(tǒng)比氣冷式輻射器的效率高得多。

所裝配元件之間的溫度差在電力電子冷卻系統(tǒng)中不可避免并且還是不合需要的，因?yàn)槠溟g的高溫度差將組合件的能力限制于最熱元件的溫度而非元件總體的溫度。

在本專利中，已開發(fā)直接冷卻輻射器，其中載熱流體與待冷卻元件直接接觸，從而歸因于待冷卻元件與冷卻劑流體之間的低熱阻而實(shí)現(xiàn)更高效的熱傳遞且可容易地控制。借助于此類型的冷卻，可降低設(shè)備的大小。此使得能夠減小設(shè)備的重量，增大能量特定密度且降低每電力單元的成本。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明涉及一種電力電子堆疊組合件，其包括：至少一個(gè)輻射器元件，冷卻劑流體流過所述至少一個(gè)輻射器元件，其中所述輻射器元件包括至少一個(gè)外殼；在所述至少一個(gè)外殼中的至少一個(gè)安裝基底；至少一個(gè)半導(dǎo)體模塊，其附著到至少一個(gè)安裝基底；至少一個(gè)驅(qū)動(dòng)器元件，其附著在至少一個(gè)半導(dǎo)體模塊上；至少一個(gè)冷凝器；母線，其用以連結(jié)所述組合件的電組件，其中所述輻射器元件的至少一個(gè)外殼包括用于使流體通過的至少一個(gè)通孔，所述冷卻劑流體經(jīng)由所述至少一個(gè)通孔朝向出現(xiàn)于所述安裝基底與所述半導(dǎo)體模塊之間的通道流過在所述安裝基底中形成的多個(gè)穿孔，所述冷卻劑流體變得與至少一個(gè)半導(dǎo)體模塊直接接觸。

所述電子電力堆疊組合件的所述輻射器元件包括第一歧管和第二歧管，其方式為使得所述冷卻劑流體從所述第一歧管流動(dòng)到所述第二歧管，從而變得與所述半導(dǎo)體模塊接觸且冷卻所述半導(dǎo)體模塊。

為本發(fā)明的目標(biāo)的所述電子電力堆疊組合件的冷卻劑流體直接冷卻所述半導(dǎo)體模塊，以平行方式經(jīng)由出現(xiàn)于不同安裝基底與形成電子電力堆疊的半導(dǎo)體模塊之間的通道從所述第一歧管流動(dòng)到所述第二歧管，維持流過兩個(gè)歧管的相同方向，且確保最熱半導(dǎo)體模塊與最冷半導(dǎo)體模塊之間的溫度差小于或等于3攝氏度。

為本發(fā)明的目標(biāo)的所述電子電力堆疊組合件的輻射器元件包括快速連接，用于將冷卻劑流體裝填到第一歧管和第二歧管兩者中。

所述電子電力堆疊組合件對(duì)于每一半導(dǎo)體模塊包括：所述安裝基底，所述安裝基底對(duì)于每一半導(dǎo)體模塊是獨(dú)立的，使得所述半導(dǎo)體模塊彼此獨(dú)立；在所述輻射器元件與所述安裝基底之間的數(shù)個(gè)第一o形環(huán)，以保證所述安裝基底與所述輻射器元件之間的接點(diǎn)的水密性；數(shù)個(gè)第二o形環(huán)，以保證所述半導(dǎo)體模塊與所述安裝基底之間的接點(diǎn)的水密性。

出現(xiàn)于所述安裝基底與所述半導(dǎo)體模塊之間的所述通道的厚度小于1mm，且所述通道經(jīng)設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)每一半導(dǎo)體模塊與所述冷卻劑流體之間的最低熱阻。

為本發(fā)明的目標(biāo)電子電力堆疊組合件的安裝基底包括位置對(duì)應(yīng)于用于使流體從所述輻射器元件通過的所述通孔的多個(gè)穿孔。

在為本發(fā)明的目標(biāo)的所述電子電力堆疊組合件中，所述驅(qū)動(dòng)器通過至少一個(gè)螺栓附著到每一半導(dǎo)體模塊且借助于安裝板附著到所述輻射器元件，其方式為使得所述安裝板在一個(gè)末端處通過至少一個(gè)螺栓附著到所述輻射器元件，且在另一末端處借助于螺栓附著到所述驅(qū)動(dòng)器。

為本發(fā)明的目標(biāo)的所述電子電力堆疊組合件的母線連結(jié)所述組合件的所述電組件，且為具有多層配置的母線，其中導(dǎo)電板與絕緣板形成平行層。

所述母線的所述導(dǎo)電板是由選自鋁或銅的材料制成，且所述絕緣板是由克維拉(kevlar)制成，其方式為使得利用這些材料制造的所述母線呈現(xiàn)可能最低的寄生電感。

所述電子電力堆疊組合件接受選自高達(dá)6.5kv的130mm或190mm模塊的半導(dǎo)體模塊。

為本發(fā)明的目標(biāo)的所述電子電力堆疊組合件的輻射器元件是由擠制鋁制成，從而降低生產(chǎn)成本。

為本發(fā)明的目標(biāo)的所述電子電力堆疊組合件的所述母線包括數(shù)個(gè)用于連接到額外電子電力堆疊組合件的連接器，從而使得能夠并聯(lián)地連接兩個(gè)或更多個(gè)電子電力堆疊組合件。

為本發(fā)明的目標(biāo)的所述電子電力堆疊組合件包括容納至少一個(gè)冷凝器的框架，且進(jìn)一步包括數(shù)個(gè)測量所述冷卻劑流體的溫度的溫度探頭。

為本發(fā)明的目標(biāo)的所述電子電力堆疊組合件的每一半導(dǎo)體模塊元件包括溫度探頭，所述溫度探頭測量前述半導(dǎo)體模塊的溫度。

附圖說明

作為對(duì)本文中作出的描述的補(bǔ)充，附有一組圖式作為所述描述的組成部分，其中描繪以下內(nèi)容：

圖1描繪為本發(fā)明的目標(biāo)的具有直接冷卻的電子電力堆疊組合件的透視分解圖。

圖2描繪為本發(fā)明的目標(biāo)的電子電力堆疊組合件的輻射器元件的透視圖。

圖3描繪具有安裝基底、半導(dǎo)體模塊和其間的o形環(huán)的輻射器元件的透視分解圖。

圖4a為圖3分解圖中的元件的側(cè)視圖。

圖4b為圖3中描繪的元件在裝配后的連接的側(cè)視圖。

圖4c為圖3中描繪的元件在裝配后的連接的橫向截面圖。

圖5a為冷凝器已經(jīng)由框架連接的輻射器元件的透視圖。

圖5b為圖5a中描繪的元件的正視圖。

圖6a為除框架之外的所有元件已連接的輻射器元件的透視圖。

圖6b為圖6a中描繪的元件的側(cè)視圖。

圖6c為圖6a和6b中描繪的元件的從上方看的平面圖。

具體實(shí)施方式

為克服本說明書的先前部分中提及的技術(shù)難題，提出本發(fā)明的目標(biāo)，即具有借助于上面附著半導(dǎo)體模塊(2)的輻射器元件(1)的直接冷卻的電子電力堆疊組合件，其方式為使得前述半導(dǎo)體模塊(2)與經(jīng)由輻射器元件(1)循環(huán)的冷卻劑流體之間存在直接接觸。

為本發(fā)明的目標(biāo)的電子電力堆疊組合件的輻射器元件(1)包括與單個(gè)項(xiàng)目相關(guān)聯(lián)的第一歧管(3)和第二歧管(4)。

所述輻射器元件(1)包括數(shù)個(gè)安裝基底(7)借助于數(shù)個(gè)固定螺栓(12)附著到的多個(gè)外殼(5)，半導(dǎo)體模塊(2)附著在所述安裝基底上。

在多個(gè)外殼(5)的內(nèi)部中，輻射器元件(1)包括數(shù)個(gè)用于使流體通過的通孔(6)，其目的為連接第一歧管(3)和第二歧管(4)與半導(dǎo)體模塊(2)。安裝基底(7)包括位置對(duì)應(yīng)于用于使流體在輻射器元件(1)中通過的通孔(6)的多個(gè)穿孔(8)。借助于此組合件，經(jīng)由歧管(3，4)循環(huán)的冷卻劑流體在經(jīng)由輻射器元件(1)循環(huán)期間變得與半導(dǎo)體模塊(2)直接接觸，從而冷卻所述半導(dǎo)體模塊(2)。

在輻射器元件(1)與安裝基底(7)之間，數(shù)個(gè)第一o形環(huán)(9)放置于用于使流體通過輻射器元件(1)的通孔(6)中，以便保證安裝基底(7)與輻射器元件(1)之間的接點(diǎn)的水密性，且此外，放置第二o形環(huán)(10)以保證半導(dǎo)體模塊(2)與安裝基底(7)之間的接點(diǎn)的水密性，從而形成用于使流體在附著到輻射器元件(1)的每一半導(dǎo)體模塊(2)與安裝基底(7)之間循環(huán)的通道。

出現(xiàn)于安裝基底(7)與半導(dǎo)體模塊(2)之間的通道是以如下方式設(shè)計(jì)：使得確保半導(dǎo)體模塊(2)與接觸所述半導(dǎo)體模塊(2)的冷卻劑流體之間的最大熱傳遞。為實(shí)現(xiàn)此最大熱傳遞，必須使冷卻劑流體應(yīng)盡可能快速地循環(huán)；伴隨通道的速度和直徑，存在壓力效果，所述壓力隨著冷卻劑流體的流速增大而增大，且在管道的直徑增大時(shí)下降。這意味著，為了獲得通過小直徑管道的高流速，壓力要高，從而使得大的昂貴的泵是必需的。

在為本發(fā)明的目標(biāo)的電子電力堆疊組合件中，出現(xiàn)于安裝基底(7)與半導(dǎo)體模塊(2)之間的用于使流體循環(huán)的通道已經(jīng)設(shè)計(jì)而以始終小于1mm的高度為特征；長度將由所安裝的半導(dǎo)體模塊(2)的型號(hào)限定。這種配置使得能夠在2巴壓力下以100l/min的流速運(yùn)行，這一壓力為選擇可能與成本競爭的泵的折衷解決方案。利用為本發(fā)明的目標(biāo)的電子電力堆疊組合件，實(shí)現(xiàn)比常規(guī)液體冷卻系統(tǒng)小5倍且比氣冷式系統(tǒng)小10倍的熱阻。

在電子電力堆疊組合件發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，六個(gè)半導(dǎo)體模塊(2)可以連接到輻射器元件(1)。

鑒于在電子電力堆疊組合件中，所述組合件的能力受到半導(dǎo)體模塊(2)中的一個(gè)的最大溫度限制，因此為了最小化連接到輻射器元件(1)的半導(dǎo)體模塊(2)之間的溫度差，在為本發(fā)明的目標(biāo)的電子電力堆疊組合件中，已選擇在相同方向上經(jīng)過第一歧管(3)和第二歧管(4)的流動(dòng)配置；即，冷的冷卻劑經(jīng)由第一歧管(3)的一個(gè)末端進(jìn)入，變得與半導(dǎo)體模塊(2)接觸，其中冷卻劑流體升溫，且隨后，熱流體在入口的對(duì)置末端經(jīng)由第二歧管(4)退出。借助于此流動(dòng)配置，在為本發(fā)明的目標(biāo)的電子電力堆疊組合件中，連接到輻射器元件(1)的不同半導(dǎo)體模塊(2)之間的溫度差限于最大3度。

在為本發(fā)明的目標(biāo)的電子電力堆疊組合件中，使流過歧管的方向在相同方向上而采用的配置比其它可能組合(例如在相反方向上的配置)產(chǎn)生更好結(jié)果，因?yàn)槠涫沟玫谝黄绻?3)與第二歧管(4)之間的壓力自然地平衡，從而使得通道內(nèi)的速度能夠均衡，導(dǎo)致不同半導(dǎo)體模塊(2)的溫度之間的平衡。

為本發(fā)明的目標(biāo)的電子電力堆疊組合件的輻射器元件(1)經(jīng)設(shè)計(jì)用于將具有標(biāo)準(zhǔn)ihm130mm、ihmb130mm、ihm190mm和ihmb190mm密封盒(capsule)且電壓高達(dá)6.5kv的半導(dǎo)體模塊(2)附著在其上；這些半導(dǎo)體模塊(2)在現(xiàn)有技術(shù)中已知。

輻射器元件(1)包括快速連接(13)，用于將冷卻劑流體裝填到第一歧管(3)和第二歧管(4)兩者中。

在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，輻射器元件(1)由擠制鋁制成，且借助于機(jī)械加工工藝形成流體的通孔。

為本發(fā)明的目標(biāo)的電子電力堆疊組合件包括在輻射器元件(1)中的數(shù)個(gè)溫度監(jiān)控探頭(14a，14b)，所述探頭測量流體入口和出口溫度。

在為本發(fā)明的目標(biāo)的電子電力堆疊組合件中，安裝基底(7)可與半導(dǎo)體模塊(2)一起獨(dú)立地拆卸，從而使得能夠替換每一半導(dǎo)體模塊(2)(如果需要替換)。此舉使得能夠簡化且減少維護(hù)和修復(fù)工作，減少替換半導(dǎo)體模塊所必需的時(shí)間，使設(shè)備長時(shí)間不能運(yùn)行的缺點(diǎn)降到最低。

為本發(fā)明的目標(biāo)的電子電力堆疊組合件的每一半導(dǎo)體模塊(2)通過6個(gè)螺栓附著到安裝基底(7)。由一個(gè)半導(dǎo)體模塊(2)和固持所述半導(dǎo)體模塊的安裝基底(7)形成的每一總體又通過6個(gè)螺栓附著到輻射器元件(1)；借助于所述連接，在不同半導(dǎo)體模塊(2)之間實(shí)現(xiàn)如此公開的機(jī)械獨(dú)立性。

為本發(fā)明的目標(biāo)的電子電力堆疊組合件的每一半導(dǎo)體模塊(2)包括通過六個(gè)螺栓中的一個(gè)(半導(dǎo)體模塊(2)借助于所述螺栓附著到安裝基底(7))附著到每一半導(dǎo)體模塊(2)的溫度探頭(21)。

所述電子電力堆疊組合件包括配置為pcb的至少一個(gè)驅(qū)動(dòng)器(15)，從而使得半導(dǎo)體模塊(2)能夠運(yùn)行；即，所述驅(qū)動(dòng)器為信號(hào)調(diào)節(jié)器，因?yàn)榭刂葡到y(tǒng)發(fā)送的光學(xué)信號(hào)由驅(qū)動(dòng)器調(diào)節(jié)且變換成電信號(hào)，電信號(hào)為半導(dǎo)體模塊(2)運(yùn)行所需要的類型。

驅(qū)動(dòng)器(15)借助于螺栓附著到安裝板(11)，且所述板借助于兩個(gè)螺栓附著到輻射器元件(1)。

為本發(fā)明的目標(biāo)的電子電力堆疊組合件包括將其電組件連結(jié)在一起的母線(17)；所述母線(17)為具有通過數(shù)個(gè)導(dǎo)電板(18)和數(shù)個(gè)絕緣板(19)形成的平行層的多層配置。在圖1中，可以觀察到平行層的配置；所述配置為：絕緣板(19)-導(dǎo)電板(18)-雙重絕緣板(19)-導(dǎo)電板(18)-絕緣板(19)。

根據(jù)電子電力堆疊組合件的最終應(yīng)用的電流密度要求，導(dǎo)電板(18)由選自鋁或銅的材料制成。

在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，絕緣板(19)由克維拉制成，克維拉為電導(dǎo)率非常低的材料；出于此原因，此材料的厚度可以非常小，從而減小導(dǎo)電板(18)之間的區(qū)域。以此方式，電組件之間的寄生電感盡可能低，且半導(dǎo)體模塊(2)中的過電壓應(yīng)力得以降低。

母線(17)包括數(shù)個(gè)用于連接到其它電子電力堆疊組合件的連接器(未在圖式中描繪)，從而實(shí)現(xiàn)多個(gè)電子電力堆疊組合件的并聯(lián)連接，因此獲得具有2個(gè)和3個(gè)電壓電平的三相橋配置，即在2個(gè)或3個(gè)電壓電平處的三相橋的并聯(lián)配置或“背靠背”類型的配置。

最后，電子電力堆疊組合件包括框架(20)，在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，框架(20)容納多個(gè)冷凝器(16)，其方式為使得框架(20)在與上面所述輻射器元件(1)處于用于半導(dǎo)體模塊(2)的外殼(5)中的側(cè)對(duì)置的側(cè)上位于輻射器元件(1)中。

在此部分中，已描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例；可以從本文的內(nèi)容導(dǎo)出另外的實(shí)施例；因此，本發(fā)明的真實(shí)范圍是由本文檔中的權(quán)利要求書提供。

工業(yè)應(yīng)用

此組合件適用于如在“背景技術(shù)”部分中表達(dá)的大量工業(yè)中；在所有那些工業(yè)中，電力電子都具有重要性。

在以上描述中，已使用以下元件符號(hào)：

1.輻射器元件，

2.半導(dǎo)體模塊，

3.第一歧管，

4.第二歧管，

5.外殼，

6.用于流體的通孔，

7.安裝基底，

8.穿孔，

9.第一o形環(huán)，

10.第二o形環(huán)，

11.安裝板，

12.固定螺栓，

13.快速連接器，

14a、14b.流體溫度探頭，

15.驅(qū)動(dòng)器，

16.冷凝器，

17.母線，

18.導(dǎo)電板，

19.絕緣板，

20.框架，和

21.半導(dǎo)體模塊溫度探頭。