專(zhuān)利名稱(chēng)：母線系統(tǒng)得到冷卻的功率轉(zhuǎn)換器模塊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種如權(quán)利要求1的前序部分所述的功率轉(zhuǎn)換器模塊。
背景技術(shù)：
一般類(lèi)型的功率轉(zhuǎn)換器模塊，特別是較大功率的一般類(lèi)型功率轉(zhuǎn)換器模塊可從市場(chǎng)上購(gòu)得。這類(lèi)功率轉(zhuǎn)換器模塊的功率半導(dǎo)體模塊(特別是可斷功率半導(dǎo)體模塊)通過(guò)低電感的母線系統(tǒng)與功率轉(zhuǎn)換器模塊的連接端子連接。為此需要將所用母線實(shí)施為平面母線并相互疊置形成母線疊組。每?jī)蓚€(gè)平面母線之間都設(shè)有一個(gè)平面絕緣層。這些絕緣層突出于平面母線之外，以便滿足對(duì)空氣間隙和漏電路徑的極限值。因此，上述類(lèi)型的低電感母線系統(tǒng)具有至少兩個(gè)母線和至少一個(gè)絕緣層。為了使功率轉(zhuǎn)換器模塊中所用的功率半導(dǎo)體模塊的母線系統(tǒng)盡可能緊湊，這個(gè)母線組經(jīng)過(guò)了層壓處理。根據(jù)具體所采用的材料(特別是層壓材料)，這種母線系統(tǒng)的極限溫度例如為105°C。由于市售功率半導(dǎo)體模塊(特別是可斷功率半導(dǎo)體模塊，例如絕緣柵雙極晶體管 (IGBT))的載流能力始終在提高，因此，功率轉(zhuǎn)換器模塊的層壓式母線系統(tǒng)的母線中的電流密度也在增大。這會(huì)導(dǎo)致母線系統(tǒng)中的損耗以二次方速度增長(zhǎng)，該母線系統(tǒng)的溫度也會(huì)上升。母線系統(tǒng)的極限溫度由用在絕緣層和層壓材料上的材料決定。目前，具有絕緣膜的功率轉(zhuǎn)換器模塊優(yōu)選采用層壓式母線系統(tǒng)。在此情況下，層壓式母線系統(tǒng)的層壓材料決定了其極限溫度。這就意味著在應(yīng)用功率轉(zhuǎn)換器時(shí)，限制其工作能力的是母線系統(tǒng)的相應(yīng)層壓材料的最大極限溫度，而不再是功率半導(dǎo)體模塊。為了解決這個(gè)問(wèn)題，顯而易見(jiàn)的方案是增大母線系統(tǒng)中每個(gè)母線的截面，以及例如通過(guò)自然對(duì)流來(lái)冷卻母線系統(tǒng)。增大母線系統(tǒng)的母線截面不但會(huì)提高這種母線系統(tǒng)的成本，還會(huì)增加其重量。而通過(guò)自然對(duì)流來(lái)冷卻母線系統(tǒng)，就必須將該母線系統(tǒng)以能夠接觸到冷卻氣流的方式布置在功率轉(zhuǎn)換器設(shè)備中。WO 2005/109505A1揭示一種母線系統(tǒng)得到冷卻的功率半導(dǎo)體電路。在這種功率半導(dǎo)體電路中，至少一個(gè)模塊焊接在一個(gè)用作正極板或負(fù)極板的板狀母線的外側(cè)。正極母線或負(fù)極母線通常實(shí)施為板狀母線組件的頂板或底板。上述模塊所在的頂部母線直接由一個(gè)冷卻裝置冷卻，這個(gè)冷卻裝置設(shè)計(jì)為空氣冷卻裝置或液體冷卻裝置。該冷卻裝置夾在該頂部母線和另一平行布置的板狀母線之間，兩母線間還設(shè)有一絕緣層。此外還設(shè)有一個(gè)同樣帶有絕緣層的底部母線。這些母線連同冷卻裝置一起形成一個(gè)極其緊湊的結(jié)構(gòu)。母線組件中的各部件借助層壓處理彼此實(shí)現(xiàn)連接。由于這種功率半導(dǎo)體電路是一個(gè)逆變器，因此母線組下方設(shè)有兩個(gè)中間電路電容器，它們與頂部母線或底部母線螺旋擰緊。DE 10 2007 003 875 Al揭示一種包括至少兩個(gè)功率半導(dǎo)體模塊的功率轉(zhuǎn)換器模塊，這些功率半導(dǎo)體模塊以導(dǎo)熱方式與散熱體機(jī)械連接且借助層壓式母線系統(tǒng)彼此電性連接。該層壓式母線系統(tǒng)中的至少一個(gè)母線借助至少一個(gè)電絕緣的導(dǎo)熱支承元件與該散熱體熱耦合。層壓式母線系統(tǒng)的至少一個(gè)母線通過(guò)這些支承元件與該散熱體熱耦合。導(dǎo)熱支承元件的數(shù)量取決于需要導(dǎo)散的熱量。這些支承元件同樣對(duì)層壓式母線系統(tǒng)的邊緣區(qū)域進(jìn)行支承。借助這些導(dǎo)熱支承元件可對(duì)層壓式母線系統(tǒng)的散熱量進(jìn)行限制。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明的目的是提供一種能夠以簡(jiǎn)單手段對(duì)母線系統(tǒng)進(jìn)行散熱且無(wú)需重裝或改裝的功率轉(zhuǎn)換器模塊。本發(fā)明用以達(dá)成上述目的的解決方案為本案權(quán)利要求1的區(qū)別特征。通過(guò)使功率轉(zhuǎn)換器模塊的母線系統(tǒng)與一冷卻劑管道導(dǎo)熱相連，可將該母線系統(tǒng)中產(chǎn)生的損耗功率導(dǎo)散。借此可以降低母線系統(tǒng)的溫度，從而使所用功率半導(dǎo)體模塊得到最大程度的利用。也就是說(shuō)，本發(fā)明的功率轉(zhuǎn)換器模塊具有比市售功率轉(zhuǎn)換器模塊更強(qiáng)的工作能力。決定功率轉(zhuǎn)換器模塊工作能力的將仍然是所用功率半導(dǎo)體模塊的功率，而不再是母線系統(tǒng)所用的絕緣材料的最大極限溫度。根據(jù)本發(fā)明功率轉(zhuǎn)換器模塊的一種有利實(shí)施方式，所述母線系統(tǒng)和所述冷卻劑管道彼此層壓在一起。它們由此形成一個(gè)各單個(gè)部件在空間上彼此相對(duì)固定的結(jié)構(gòu)。這樣就能用操作任何一種市售層壓式母線系統(tǒng)的方法來(lái)操作這種得到冷卻的母線系統(tǒng)。根據(jù)本發(fā)明功率轉(zhuǎn)換器模塊的另一有利實(shí)施方式，所述冷卻劑管道與所述功率轉(zhuǎn)換器模塊的液冷式散熱體液體連通。借此可用功率轉(zhuǎn)換器模塊的液冷式散熱體(又稱(chēng)“主循環(huán)通路”)為該冷卻劑管道提供冷卻劑。其優(yōu)點(diǎn)是所述功率轉(zhuǎn)換器模塊的連接端子可以保持原樣。根據(jù)本發(fā)明功率轉(zhuǎn)換器模塊的另一有利實(shí)施方式，所述冷卻劑管道沿所述母線系統(tǒng)的表面呈蜿蜒曲折的波紋狀布置。借此可對(duì)所述功率轉(zhuǎn)換器模塊的母線系統(tǒng)的幾乎整個(gè)表面進(jìn)行散熱。根據(jù)本發(fā)明功率轉(zhuǎn)換器模塊的另一有利實(shí)施方式，所述功率轉(zhuǎn)換器模塊的母線系統(tǒng)的表面布置有兩個(gè)冷卻劑管道，且每個(gè)冷卻劑管道各對(duì)準(zhǔn)一個(gè)功率半導(dǎo)體模塊。每個(gè)冷卻劑管道都可優(yōu)選在這樣一個(gè)區(qū)域內(nèi)呈蜿蜒曲折的波紋狀分布。為了使每個(gè)冷卻劑管道都能不受另一冷卻劑管道影響地為所述母線系統(tǒng)上對(duì)準(zhǔn)功率半導(dǎo)體模塊的區(qū)域散熱，這兩個(gè)冷卻劑管道相互連通且與所述功率轉(zhuǎn)換器模塊的液冷式散熱體采用液體意義上的并聯(lián)連接。


下面通過(guò)附圖所示的實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明，其中圖1為一市售功率轉(zhuǎn)換器模塊；以及圖2為本發(fā)明提供的功率轉(zhuǎn)換器模塊的母線系統(tǒng)。
具體實(shí)施例方式圖1為一市售功率轉(zhuǎn)換器模塊的透視圖，其中，2和4各表示一個(gè)功率半導(dǎo)體模塊， 特別是可關(guān)斷功率半導(dǎo)體模塊，例如絕緣柵雙極晶體管(IGBT)，6表示液冷式散熱體，8表示母線系統(tǒng)，10表示負(fù)載連接端子，12和14各表示一個(gè)直流電壓連接端子，16表示弓形元件，18表示支承元件。此外，圖中還示出了冷卻劑進(jìn)口 20和冷卻劑出口 22。兩個(gè)功率半導(dǎo)體模塊2和4均以可拆卸的方式與液冷式散熱體6機(jī)械固定在一起。母線系統(tǒng)8可具有兩個(gè)母線，例如正極母線加負(fù)載母線，或者負(fù)載母線加負(fù)極母線，或者具有三個(gè)母線，例如正極母線、負(fù)載母線加負(fù)極母線。母線系統(tǒng)8的母線數(shù)量與兩個(gè)功率半導(dǎo)體模塊2和4的電性互連方案有關(guān)。如果這兩個(gè)功率半導(dǎo)體模塊2和4電性并聯(lián)，則母線系統(tǒng)8只有兩個(gè)母線。反之，如果這兩個(gè)功率半導(dǎo)體模塊2和4電性串聯(lián)并構(gòu)成功率轉(zhuǎn)換器的相位模塊，則母線系統(tǒng)8具有三個(gè)母線。在所述功率轉(zhuǎn)換器模塊用作相位模塊的情況下，母線系統(tǒng)8的這三個(gè)母線分別為正極母線、負(fù)載母線及負(fù)極母線。這些母線上下疊置且經(jīng)過(guò)層壓處理，其中，任兩個(gè)母線之間都設(shè)有一個(gè)絕緣層。母線系統(tǒng)8插接在每個(gè)功率半導(dǎo)體模塊2和4的連接端子上。這些連接端子可以是焊針或螺栓。從功率半導(dǎo)體模塊的某一規(guī)定功率能力出發(fā)，功率半導(dǎo)體模塊2、4只具有螺栓作為電連接端子。根據(jù)兩個(gè)功率半導(dǎo)體模塊2、4的互連方式，其連接端子分別與層壓式母線系統(tǒng)8中的一預(yù)定母線導(dǎo)電相連。層壓式母線系統(tǒng)8不僅支承在功率半導(dǎo)體模塊2、 4的連接端子上，而且還支承在多個(gè)支承元件18上。這些支承元件分別沿所述功率轉(zhuǎn)換器模塊的縱長(zhǎng)側(cè)布置。所述功率轉(zhuǎn)換器模塊的散熱體實(shí)施為液冷式散熱體6，其具有冷卻劑進(jìn)口 20和冷卻劑出口 22。所述功率轉(zhuǎn)換器模塊借助這些冷卻劑進(jìn)口 20和冷卻劑出口 22與一冷卻劑循環(huán)通路液體連通。所述冷卻液可以采用任何一種液體，特別是自來(lái)水。由于用在功率轉(zhuǎn)換器模塊中的功率半導(dǎo)體模塊2、4的載流能力始終在提高，因而層壓式母線系統(tǒng)8的母線中的電流強(qiáng)度也在增大。這會(huì)導(dǎo)致層壓式母線系統(tǒng)8中的損耗以二次方速度增長(zhǎng)。層壓式母線系統(tǒng)8的溫度也會(huì)上升。層壓式母線系統(tǒng)8的極限溫度的高低與所用材料相關(guān)。亦即，母線系統(tǒng)8的層壓材料決定了極限溫度。這就意味著在應(yīng)用功率轉(zhuǎn)換器時(shí)，限制其工作能力的是層壓材料的材料相關(guān)極限溫度，而不再是所用的功率半導(dǎo)體模塊2、4。為了將層壓式母線系統(tǒng)8中所產(chǎn)生的損耗功率導(dǎo)散，母線系統(tǒng)8配有冷卻劑管道 24 (圖幻。這個(gè)冷卻劑管道M與液冷式散熱體6的液體循環(huán)通路就冷卻劑而言液體連通。 液冷式散熱體6的液體循環(huán)通路稱(chēng)作主循環(huán)通路，冷卻劑管道M的液體循環(huán)通路稱(chēng)作次循環(huán)通路。主循環(huán)與次循環(huán)通路之間可以采用液體意義上的并聯(lián)或串聯(lián)連接。為清楚起見(jiàn)，圖2僅以透視圖形式示出了具有冷卻劑管道M的母線系統(tǒng)8，其中， 母線系統(tǒng)8中的各部件以及冷卻劑管道M尚未層壓在一起。如前所述，在所述功率轉(zhuǎn)換器模塊用作多相功率轉(zhuǎn)換器的相位模塊的情況下，該功率轉(zhuǎn)換器模塊具有兩個(gè)彼此電性串聯(lián)的功率半導(dǎo)體模塊2和4。這兩個(gè)串聯(lián)功率半導(dǎo)體模塊2和4之間的連接點(diǎn)構(gòu)成交流電壓連接端子10，特別是負(fù)載連接端子。母線系統(tǒng)8的一個(gè)母線26 (也稱(chēng)為負(fù)載母線)與負(fù)載連接端子10導(dǎo)電相連。所述功率轉(zhuǎn)換器模塊的直流電壓連接端子12、14分別與母線觀、30 導(dǎo)電相連，這兩個(gè)母線分別稱(chēng)為正極母線及負(fù)極母線。母線沈、28、30空間上上下疊置，其中，相鄰兩母線26、觀及觀、30之間各設(shè)有一個(gè)絕緣層32。因此，市售相位模塊母線系統(tǒng)具有至少五個(gè)疊層。為了將這些疊層機(jī)械固定在一起，這個(gè)由三個(gè)母線沈、觀和30以及至少兩個(gè)絕緣層32所組成的母線疊組經(jīng)過(guò)層壓處理。這樣做還能保持必要的電氣間隙和爬電距離。在圖2所示的透視圖中，母線系統(tǒng)8僅具有三個(gè)疊層，即布置有負(fù)極母線30和負(fù)載母線26的底部疊層、設(shè)有絕緣層32的絕緣疊層以及設(shè)有正極母線28的頂部疊層。母線系統(tǒng)8的頂部母線觀和底部母線30的表面34不設(shè)附加絕緣層。由層壓材料對(duì)這些表面 34實(shí)施絕緣。根據(jù)本發(fā)明，母線系統(tǒng)8配有一個(gè)冷卻劑管道24，如圖2所示，該冷卻劑管道呈蜿蜒曲折的波紋狀敷設(shè)在正極母線觀的表面34。冷卻劑管道M也可以呈蜿蜒曲折的波紋狀敷設(shè)在底部母線30的表面34。也可以分別為頂部母線觀和底部母線30的表面34各配置一個(gè)冷卻劑管道24。該冷卻劑管道的蜿蜒曲折的波紋結(jié)構(gòu)均位于兩個(gè)功率半導(dǎo)體模塊2和 4的連接端子區(qū)域內(nèi)。作為設(shè)一個(gè)冷卻劑管道M的替代方案，也可以在母線系統(tǒng)8上，特別是在正極母線觀或負(fù)極母線30的表面34布置兩個(gè)或兩個(gè)以上的冷卻劑管道24。如果母線系統(tǒng)8是用于在兩個(gè)功率半導(dǎo)體模塊2和4與所述功率轉(zhuǎn)換器模塊的三個(gè)連接端子10、 12之間建立電性連接，設(shè)置兩個(gè)冷卻劑管道M就比較有利。這兩個(gè)冷卻劑管道M以每個(gè)冷卻劑管道M (特別是其蜿蜒曲折的波紋結(jié)構(gòu))各對(duì)準(zhǔn)母線系統(tǒng)8上的一個(gè)功率半導(dǎo)體模塊2或4的方式布置在母線系統(tǒng)8的正極母線觀的表面34。亦即，每個(gè)冷卻劑管道M的蜿蜒曲折的波紋結(jié)構(gòu)在正極母線觀的表面34都位于一個(gè)下方布置有功率半導(dǎo)體模塊2或 4的區(qū)域內(nèi)。為了使每個(gè)冷卻劑管道M都能獨(dú)立地為母線系統(tǒng)8的一個(gè)區(qū)域散熱，這兩個(gè)冷卻劑管道M之間采用液體意義上的并聯(lián)連接。兩個(gè)冷卻劑管道M此外還與所述功率轉(zhuǎn)換器模塊的液冷式散熱體6液體連通。由于冷卻母線系統(tǒng)8只需要使用所述主循環(huán)通路的一小部分冷卻液，因此，母線系統(tǒng)8的冷卻循環(huán)(即次循環(huán)通路)與主循環(huán)通路之間采用液體意義上的并聯(lián)連接。亦即，冷卻劑管道M的一個(gè)末端與冷卻劑進(jìn)口 20連接，另一末端與主循環(huán)通路的冷卻劑出口 22連接。兩個(gè)冷卻劑循環(huán)通路采用這種連接方案的優(yōu)點(diǎn)在于，所述功率轉(zhuǎn)換器模塊的連接端子可以保持原樣。如具有冷卻劑管道M的母線系統(tǒng)8在圖2中的透視圖所示，母線系統(tǒng)8的正極母線觀的表面34未設(shè)絕緣層，因此，冷卻劑管道M必須由一種絕緣的、但導(dǎo)熱性能良好的材料制成，因?yàn)榱鹘?jīng)冷卻劑管道M的冷卻劑帶電位。如果該表面34設(shè)有絕緣層，所述冷卻劑管道就不必采取絕緣措施。母線系統(tǒng)8中的各部件經(jīng)過(guò)空間固定處理，以免在層壓處理過(guò)程中發(fā)生空間上的相對(duì)位移。冷卻劑管道M同樣如此。其位置固定地緊固在母線系統(tǒng)8 的正極母線觀的表面34。為此可將冷卻劑管道M與該表面34予以粘接。經(jīng)層壓處理后將產(chǎn)生一個(gè)操作方式與市售層壓式母線系統(tǒng)無(wú)異的可冷卻母線系統(tǒng)8。通過(guò)層壓處理可以使由母線26J8和30、絕緣層32及冷卻劑管道M構(gòu)成的母線疊組得到機(jī)械固定。通過(guò)上述安裝在母線系統(tǒng)8上的冷卻劑管道M可以降低母線系統(tǒng)的溫度，從而使所用功率半導(dǎo)體模塊2和4得到最大程度的利用。也就是說(shuō)，相比母線系統(tǒng)8得不到冷卻的功率轉(zhuǎn)換器模塊，本發(fā)明的功率轉(zhuǎn)換器模塊工作能力更強(qiáng)，因?yàn)闆Q定該功率轉(zhuǎn)換器模塊工作能力的是所用功率半導(dǎo)體模塊2和4的功率，而不再是母線系統(tǒng)8所用的層壓材料的最大極限溫度。
權(quán)利要求
1.一種包括至少兩個(gè)功率半導(dǎo)體模塊0，4)的功率轉(zhuǎn)換器模塊，所述功率半導(dǎo)體模塊以導(dǎo)熱方式與一液冷式散熱體(6)機(jī)械連接并借助一母線系統(tǒng)(8)與所述功率轉(zhuǎn)換器模塊的多個(gè)連接端子(10，12，14)導(dǎo)電相連，所述母線系統(tǒng)具有至少兩個(gè)相互絕緣的母線06， 觀，30)，其特征在于，所述母線系統(tǒng)(8)配有至少一個(gè)冷卻劑管道(M)，所述冷卻劑管道與所述母線系統(tǒng) (8)形成一結(jié)構(gòu)單元。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率轉(zhuǎn)換器模塊，其特征在于， 所述母線系統(tǒng)(8)和所述冷卻劑管道04)層壓在一起。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的功率轉(zhuǎn)換器模塊，其特征在于， 所述冷卻劑管道04)與所述液冷式散熱體(6)液體連通。
4.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的功率轉(zhuǎn)換器模塊，其特征在于，所述冷卻劑管道04)沿所述母線系統(tǒng)(8)的一表面(34)呈蜿蜒曲折的波紋狀布置。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的功率轉(zhuǎn)換器模塊，其特征在于，所述母線系統(tǒng)(8)上布置有兩個(gè)冷卻劑管道(M)，且每個(gè)冷卻劑管道04)各對(duì)準(zhǔn)所述功率轉(zhuǎn)換器模塊的一個(gè)功率半導(dǎo)體模塊0，4)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的功率轉(zhuǎn)換器模塊，其特征在于， 所述兩個(gè)冷卻劑管道04)之間采用液體意義上的并聯(lián)連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的功率轉(zhuǎn)換器模塊，其特征在于， 所述兩個(gè)冷卻劑管道04)之間采用液體意義上的串聯(lián)連接。
8.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的功率轉(zhuǎn)換器模塊，其特征在于， 所述冷卻劑管道04)由一不導(dǎo)電的塑料構(gòu)成。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種包括至少兩個(gè)功率半導(dǎo)體模塊(2，4)的功率轉(zhuǎn)換器模塊，所述功率半導(dǎo)體模塊以導(dǎo)熱方式與一液冷式散熱體(6)機(jī)械連接并借助一母線系統(tǒng)(8)與所述功率轉(zhuǎn)換器模塊的多個(gè)連接端子導(dǎo)電相連，所述母線系統(tǒng)具有至少兩個(gè)相互絕緣的母線。根據(jù)本發(fā)明，所述母線系統(tǒng)(8)與至少一個(gè)冷卻劑管道(24)連接，其中，所述母線系統(tǒng)(8)和所述冷卻劑管道(24)形成一結(jié)構(gòu)單元。根據(jù)本發(fā)明，所述冷卻劑管道(24)用于導(dǎo)散所述層壓式母線系統(tǒng)(8)中的附加損耗功率。
文檔編號(hào)H05K7/14GK102246612SQ200980149444
公開(kāi)日2011年11月16日 申請(qǐng)日期2009年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月10日
發(fā)明者哈拉爾德·波納特, 斯特凡·亨切爾 申請(qǐng)人:西門(mén)子公司