模塊化逆變器裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于模塊化逆變器的裝置。該裝置包括多個(gè)功率半導(dǎo)體器件（5，7）和冷卻元件（2），冷卻元件連接到功率半導(dǎo)體器件（5，7）以用于冷卻功率半導(dǎo)體器件，其中功率半導(dǎo)體器件（5，7）和冷卻元件（2）圍繞該裝置的中軸線（9）以下述方式布置：功率半導(dǎo)體器件和冷卻元件圍繞中軸線（9）對(duì)通道（10）限界，冷卻介質(zhì)能夠在該通道中沿著中軸線的方向流動(dòng)。本發(fā)明的特征在于，該裝置還包括圍繞該裝置的中軸線（9）的管形的第一環(huán)形薄膜電容器（11），其中功率半導(dǎo)體器件（5，7）設(shè)置在冷卻元件（2）和第一環(huán)形薄膜電容器（11）的內(nèi)表面之間。
【專利說明】模塊化逆變器裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種模塊化逆變器裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]逆變器是能夠?qū)崿F(xiàn)生成具有可變頻率的電壓的電氣設(shè)備。通常，逆變器結(jié)合馬達(dá)使用以用于以可變的頻率對(duì)其進(jìn)行控制或者相應(yīng)地當(dāng)將電功率傳輸回網(wǎng)絡(luò)時(shí)，由此逆變器必須生成具有對(duì)應(yīng)于網(wǎng)絡(luò)頻率的頻率的電壓。對(duì)網(wǎng)絡(luò)供電的這種逆變器通常稱作網(wǎng)絡(luò)逆變器。逆變器也可以是用于控制馬達(dá)或者其他負(fù)載的變頻器的一部分。變頻器通常由兩個(gè)轉(zhuǎn)換器、即整流器和逆變器形成，在該整流器和逆變器之間存在直流電壓或者直流電流中間電路。整流器和逆變器也可以彼此物理間隔地定位并且一個(gè)整流器可以經(jīng)由共同的中間電路對(duì)多個(gè)逆變器供電或者替代性地，幾個(gè)整流器可以對(duì)一個(gè)逆變器供電。整流器的實(shí)例是二極管電橋或者晶閘管電橋。變頻器通常也包括一個(gè)或更多個(gè)扼流圈設(shè)備。用在變頻器中或者結(jié)合變頻器使用的該扼流圈設(shè)備的實(shí)例包括連接到變頻器的整流器的輸入端的輸入扼流圈和連接到變頻器的逆變器的輸出端的輸出扼流圈。
[0003]當(dāng)前使用的變頻器結(jié)構(gòu)通常包括輸入扼流圈、輸入電橋、電容器組和IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)模塊。電容器組通常是多個(gè)電容器的復(fù)雜組并且通常需要冷卻。直到保護(hù)等級(jí)IP20 (防護(hù)等級(jí))，機(jī)械設(shè)備通常構(gòu)建有一個(gè)鼓風(fēng)機(jī)，在該鼓風(fēng)機(jī)中將冷卻介質(zhì)主流、例如空氣主流借助于功率半導(dǎo)體器件的冷卻元件或其他對(duì)象所需要的分配類型傳送到功率半導(dǎo)體器件的冷卻元件和其他對(duì)象。冷卻元件通常是一件式元件或者多件式元件，這些部件借助支撐機(jī)構(gòu)束在一起。
[0004]在保護(hù)等級(jí)IP21或更高的保護(hù)等級(jí)中，電子裝置空間(稱作潔凈空間)和用于冷卻元件的空間(稱作污濁空間)通常為了實(shí)際原因而彼此分隔。為了這兩個(gè)空間都具有適量的空氣，這兩個(gè)空間通常具有其自身的鼓風(fēng)機(jī)。可能的輸入扼流圈通常定位在污濁側(cè)上，或者定位在單獨(dú)的空氣空間中或者跟隨冷卻元件的空間中。替代性地，可能的交流輸入扼流圈也可以由連接到中間電路的直流扼流圈來替代，但是在該情況下扼流圈的機(jī)械位置也處于相同的位置中?？赡艿慕Y(jié)構(gòu)特定的輸出扼流圈通常機(jī)械地定位在與輸入扼流圈相同的位置中。在一些結(jié)構(gòu)中，可能的扼流圈完全地定位在設(shè)備之外，在該情況下，這些扼流圈由于冷卻結(jié)構(gòu)和其自身的支撐機(jī)構(gòu)而與其在集成時(shí)的情況下相比尺寸更大。
[0005]當(dāng)前的逆變器和變頻器結(jié)構(gòu)或者更普遍地馬達(dá)控制器結(jié)構(gòu)尤其關(guān)于設(shè)置冷卻是有問題的。盡管所需要的冷卻元件的尺寸由于更精確的設(shè)計(jì)、更小的損耗和物理上更小的功率半導(dǎo)體器件而連續(xù)地降低，關(guān)于設(shè)備的外部尺寸所需要的空氣量(或其他冷卻介質(zhì)的量)甚至增長。此外，充足空氣量的分配在考慮鼓風(fēng)機(jī)的功率、噪音和使用壽命的情況下優(yōu)選地借助于大的鼓風(fēng)機(jī)以低的鼓風(fēng)速率來實(shí)現(xiàn)。為了該原因，冷卻所需要的空間相對(duì)于設(shè)備尺寸在當(dāng)前使用的解決方案中是相當(dāng)大的。這尤其還在IP21或更高的保護(hù)等級(jí)中強(qiáng)調(diào)。

【發(fā)明內(nèi)容】
[0006]本發(fā)明的目的是提供一種裝置，使得可以解決或者至少減輕上述問題。本發(fā)明的目的借助通過獨(dú)立權(quán)利要求來闡明特征的裝置和模塊化逆變器來實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明的優(yōu)選的實(shí)施方式在從屬權(quán)利要求中公開。
[0007]本發(fā)明基于下述思想:將功率半導(dǎo)體器件和與其相關(guān)聯(lián)的冷卻元件圍繞該裝置的中軸線布置在至少一個(gè)管形的環(huán)形薄膜電容器之內(nèi)，使得冷卻元件圍繞中軸線從至少三側(cè)對(duì)通道限界，冷卻元件的冷卻表面延伸到該通道并且冷卻介質(zhì)能夠在該通道中沿著中軸線的方向流動(dòng)。
[0008]該解決方案的優(yōu)點(diǎn)是根據(jù)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)提供用于冷卻介質(zhì)流的自然通道，該通道能夠?qū)崿F(xiàn)冷卻介質(zhì)、例如空氣以受控制的方式循環(huán)通過設(shè)備，因?yàn)楣苄蔚碾娙萜鲊@功率級(jí)和冷卻元件。由于該原因，在節(jié)約空間的同時(shí)可以有效地實(shí)施冷卻。此外，本發(fā)明允許在設(shè)備的不同部件中一致地實(shí)施冷卻。此外，根據(jù)本發(fā)明的解決方案能夠?qū)崿F(xiàn)模塊化結(jié)構(gòu)，該模塊化結(jié)構(gòu)例如提供保護(hù)和維護(hù)設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]現(xiàn)在，參考附圖，結(jié)合優(yōu)選的實(shí)施方式來更詳細(xì)地描述本發(fā)明，其中，
[0010]圖1從上方示出根據(jù)逆變器單元的實(shí)施方式的裝置，
[0011]圖2從上方示出根據(jù)逆變器單元和逆變器供電單元的組合的實(shí)施方式的裝置；
[0012]圖3從上方示出根據(jù)三級(jí)逆變器單元的實(shí)施方式的裝置。
【具體實(shí)施方式】
[0013]本發(fā)明可以結(jié)合多種逆變器解決方案來應(yīng)用，進(jìn)而不限制于結(jié)合任何特定類型的設(shè)備一起使用。例如，逆變器單元、逆變器單元和逆變器供電單元的組合和三級(jí)逆變器單元在此作為本發(fā)明的實(shí)施方式來提出。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解的是，本發(fā)明不應(yīng)被認(rèn)為是局限于所述三種設(shè)備或者它們的組合。逆變器供電的類型、通過逆變器控制的負(fù)載或者它們之間的連接、例如電壓電平或者相數(shù)也與本發(fā)明的基本思想是不相關(guān)的。此外，應(yīng)用本發(fā)明時(shí)所結(jié)合的逆變器的外部的或內(nèi)部的電連接件與本發(fā)明是不相關(guān)的，因此為了清晰性而將這些電連接件從圖中略去。本發(fā)明不限制于在附圖中示出的實(shí)例，但是也可以應(yīng)用于其他類型的逆變器解決方案。
[0014]圖1示出根據(jù)實(shí)施方式的裝置的俯視圖。在圖1中示出的裝置包括三個(gè)功率半導(dǎo)體器件5或三組功率半導(dǎo)體器件和連接到功率半導(dǎo)體器件的三個(gè)冷卻元件2，為每個(gè)功率半導(dǎo)體器件5設(shè)有一個(gè)冷卻元件。功率半導(dǎo)體器件形成三個(gè)相同的功率級(jí)U、V、W。根據(jù)該實(shí)施方式，功率半導(dǎo)體器件5以及冷卻元件2圍繞該裝置的中軸線9以下述方式布置:冷卻元件的冷卻表面8從功率半導(dǎo)體器件5和冷卻元件2之間的連接部開始基本上朝向中軸線9延伸，并且功率半導(dǎo)體器件5從功率半導(dǎo)體器件和冷卻元件之間的連接部開始基本上遠(yuǎn)離中軸線9延伸，使得圍繞中軸線從至少三側(cè)對(duì)通道10限界，冷卻元件的冷卻表面8位于該通道中并且冷卻介質(zhì)能夠在該通道中沿中軸線9的方向流動(dòng)。冷卻介質(zhì)例如可以是污濁的空氣或者液體。功率半導(dǎo)體器件和相關(guān)的印刷電路板位于第一環(huán)形薄膜電容器11的內(nèi)表面和冷卻元件2之間的潔凈空間中。
[0015]在圖1中的實(shí)例的裝置中，圍繞中軸線9對(duì)通道10限界。冷卻元件2和功率半導(dǎo)體器件5配裝在具有圓形橫截面的管狀的環(huán)形薄膜電容器11之內(nèi)。環(huán)形薄膜電容器11在中軸線9的方向上不必必須是圓形的，并且例如也可以使用具有倒圓邊三角形的或者正方形的橫截面的管。環(huán)形薄膜電容器包括導(dǎo)電材料和絕緣材料的卷。環(huán)形薄膜電容器具有與例如卷中的匝數(shù)、絕緣體的厚度和卷的高度相關(guān)的特定的電容。通過使用更厚的導(dǎo)體和絕緣體可以分別增強(qiáng)電流和電壓處理能力。
[0016]優(yōu)選地，使用兩個(gè)電容器并且第二環(huán)形薄膜電容器12具有與第一環(huán)形薄膜電容器11相同的形狀但是不同的物理尺寸，使得將第一環(huán)形薄膜電容器11配裝在第二環(huán)形薄膜電容器12之內(nèi)。因此，第一環(huán)形薄膜電容器11具有更小的直徑并且優(yōu)選地與第二環(huán)形薄膜電容器12相比具有更多匝以匹配第二環(huán)形薄膜電容器的電容。通過將每個(gè)電容器的一個(gè)端子連接在一起，將電容器串聯(lián)連接。該連接也在其中產(chǎn)生中性點(diǎn)。在實(shí)施方式中，電容器包括散熱元件，例如可以固定到中性點(diǎn)的散熱片或一組散熱片。
[0017]串聯(lián)連接的環(huán)形薄膜電容器11、12用作逆變器裝置的直流電容器。因?yàn)橹绷麟娙萜骶喙β拾雽?dǎo)體器件5相當(dāng)近，所以單獨(dú)的鉗位電容器可以從逆變器裝置中略去。該裝置的構(gòu)造也提供許多其他的優(yōu)點(diǎn)。借助兩個(gè)環(huán)形電容器的簡單裝置可以實(shí)現(xiàn)高電容。電容器沒有阻礙用于冷卻功率半導(dǎo)體器件5的通道10，并且仍然可以簡單地實(shí)現(xiàn)對(duì)電容器的冷卻。也可以簡單地對(duì)通道進(jìn)行更改以用于水冷的目的。具有非常低的電感的系統(tǒng)可以借助逆變器裝置通過使用短的環(huán)形薄膜電容器來設(shè)置。通過使電容器更長、更厚和/或增加電容器中的匝數(shù)，逆變器裝置也能夠簡單地縮放以用于更大的功率級(jí)。
[0018]功率半導(dǎo)體器件5或功率半導(dǎo)體器件組優(yōu)選地以模塊化的方式安裝到逆變器裝置，使得功率半導(dǎo)體器件5或功率半導(dǎo)體器件組可以在故障的情況逐個(gè)地移走和更換。優(yōu)選地，每個(gè)功率半導(dǎo)體器件5都固定到單獨(dú)的冷卻元件2，使得在故障的情況下，有故障的功率半導(dǎo)體器件可以隨其冷卻元件一起移開，同時(shí)其他的功率半導(dǎo)體器件和冷卻元件保持在原位。成對(duì)的功率半導(dǎo)體器件5和冷卻元件2可以例如借助于引導(dǎo)裝置和槽或者在軌道上安裝，或者可以緊固到逆變器設(shè)備但是優(yōu)選地不相互緊固。
[0019]逆變器裝置可以包括至少一個(gè)扼流圈。所述至少一個(gè)扼流圈可以安裝在冷卻元件的上表面或下表面上。所述至少一個(gè)扼流圈可以是空心扼流圈。此外，所述至少一個(gè)扼流圈可以是輸入扼流圈和/或輸出扼流圈。
[0020]圖2中的示例性的實(shí)施方式的裝置包括六個(gè)功率半導(dǎo)體器件5、7或者六個(gè)功率半導(dǎo)體器件組和三個(gè)冷卻元件2。冷卻元件2包括類似于圖1的冷卻表面8的板狀的或者翅片狀的冷卻表面，盡管在圖2中沒有示出該冷卻表面。冷卻元件2對(duì)通道10限界，冷卻介質(zhì)能夠在該通道中沿中軸線9的方向流動(dòng)。冷卻介質(zhì)例如可以是污濁的空氣或者液體。功率半導(dǎo)體器件和相關(guān)的印刷電路板位于第一環(huán)形薄膜電容器11的內(nèi)表面和冷卻元件2之間的潔凈空間。
[0021]圖2的裝置可以用作具有第一組功率半導(dǎo)體器件5的逆變器單元以及用作具有第二組功率半導(dǎo)體器件7的逆變器供電單元。逆變器裝置可以包括至少一個(gè)扼流圈I。所述至少一個(gè)扼流圈I可以安裝在冷卻元件的上表面或下表面上。所述至少一個(gè)扼流圈可以是空心扼流圈。此外，所述至少一個(gè)扼流圈I可以是輸入扼流圈和/或輸出扼流圈。鋁的或者銅的冷卻元件2例如不過多地對(duì)扼流圈I的磁通量作出反應(yīng)。因此，冷卻元件2的外殼和支撐結(jié)構(gòu)(沒有示出)距扼流圈I盡可能地遠(yuǎn)，使得由扼流圈I引起的磁通量不能夠干擾外部設(shè)備或者逆變器自身的電子裝置。此外，通過直接地或者間接地通過冷卻元件2的冷卻介質(zhì)流對(duì)支撐結(jié)構(gòu)中的由磁通量引起的可能的發(fā)熱進(jìn)行處理。
[0022]圖3示出根據(jù)三級(jí)逆變器的實(shí)施方式的裝置的俯視圖。圖3中的示例性的實(shí)施方式的裝置包括九個(gè)功率半導(dǎo)體器件13、15、17或者九組功率半導(dǎo)體器件13、15、17和九個(gè)冷卻元件2。功率半導(dǎo)體器件形成三個(gè)相同的功率級(jí)U、V、W。優(yōu)選地，每個(gè)功率級(jí)的中間的功率半導(dǎo)體器件15對(duì)其他的功率半導(dǎo)體器件13、17是倒置的，因此能夠?qū)崿F(xiàn)短的輸出線。冷卻元件2包括類似于圖1的冷卻表面8的板狀的或者翅片狀的冷卻表面，盡管在圖2中沒有示出該冷卻表面。冷卻元件2對(duì)通道10限界，冷卻介質(zhì)能夠在該通道中沿中軸線9的方向流動(dòng)。冷卻介質(zhì)例如可以是污濁的空氣或者液體。功率半導(dǎo)體器件和相關(guān)的印刷電路板位于第一環(huán)形薄膜電容器11的內(nèi)表面和冷卻元件2之間的潔凈空間。逆變器裝置可以包括至少一個(gè)扼流圈。所述至少一個(gè)扼流圈可以安裝在冷卻元件的上表面或下表面上。所述至少一個(gè)扼流圈可以是空心扼流圈。此外，所述至少一個(gè)扼流圈可以是輸入扼流圈和/或輸出扼流圈。
[0023]還要注意的是，為了清晰性，可能存在于利用本發(fā)明的設(shè)備中的許多部件已經(jīng)從與上面的實(shí)例相關(guān)聯(lián)的附圖中略去。在附圖中以相當(dāng)簡化的方式示出結(jié)構(gòu)的機(jī)械附件。為了簡明性，可以以多種替代性的方式實(shí)施的半導(dǎo)體器件模塊5、7、13、15、17相互間的機(jī)械和電氣連接以及模塊例如到扼流圈I和用戶界面(未示出)的電氣連接已經(jīng)從附圖中略去。
[0024]在上面描述的實(shí)施方式之內(nèi)或者除其之外，根據(jù)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)可以用在多個(gè)附加的實(shí)施方式中。根據(jù)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)可以用于實(shí)施逆變器、整流器或者變頻器的基本結(jié)構(gòu)。
[0025]當(dāng)結(jié)合多種電氣部件一起使用時(shí)，根據(jù)本發(fā)明的機(jī)械機(jī)構(gòu)通常最佳地工作在比當(dāng)前結(jié)構(gòu)更寬泛的領(lǐng)域中。由此，根據(jù)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)通過不僅包含一個(gè)設(shè)備也包含其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的(例如，供電單元、扼流圈單元、鼓風(fēng)機(jī)單元、控制單元)整個(gè)設(shè)備/整組設(shè)備、例如變頻器來實(shí)施模塊化。這種意義的模塊化可以考慮涉及使每個(gè)內(nèi)部單元的附連點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)化。以該方式獲得的整體優(yōu)點(diǎn)對(duì)于生產(chǎn)而言可以是顯著的。
[0026]對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員明顯的是，隨著技術(shù)進(jìn)步，可以以多種方式來實(shí)施本發(fā)明的基本思想。因此，本發(fā)明及其實(shí)施方式不限于上述示例，而是可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)發(fā)生改變。
【權(quán)利要求】
1.用于模塊化逆變器的裝置，所述裝置包括多個(gè)功率半導(dǎo)體器件(5，7)和冷卻元件(2)，所述冷卻元件連接到所述功率半導(dǎo)體器件(5，7)以用于冷卻所述功率半導(dǎo)體器件(5，7)，其中所述功率半導(dǎo)體器件(5，7)和所述冷卻元件(2)圍繞所述裝置的中軸線(9)以下述方式布置:所述功率半導(dǎo)體器件(5，7)和所述冷卻元件(2)圍繞所述中軸線(9)從至少三側(cè)對(duì)通道(10)限界，所述冷卻元件的冷卻表面(8)延伸到所述通道并且冷卻介質(zhì)能夠在所述通道中沿著所述中軸線的方向流動(dòng)，并且所述功率半導(dǎo)體器件(5，7)從所述功率半導(dǎo)體器件和所述冷卻元件之間的連接部開始基本上遠(yuǎn)離所述中軸線延伸，其特征在于，所述裝置還包括圍繞所述裝置的所述中軸線(9)的管形的第一環(huán)形薄膜電容器(11)，其中所述功率半導(dǎo)體器件(5，7 )設(shè)置在所述冷卻元件(2 )和所述第一環(huán)形薄膜電容器(11)的內(nèi)表面之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，將所述功率半導(dǎo)體器件(5，7)劃分成三個(gè)或更多個(gè)組，由此至少一個(gè)冷卻元件(2)與每個(gè)組相關(guān)聯(lián)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的裝置，其特征在于，所述裝置還包括至少一個(gè)扼流圈(1)，所述至少一個(gè)扼流圈(I)布置在圍繞所述中軸線(9)限界的所述通道(10)中。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于，所述至少一個(gè)扼流圈(I)是空心扼流圈。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的裝置，其特征在于，所述至少一個(gè)扼流圈(I)是輸入扼流圈和/或輸出扼流圈。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，所述功率半導(dǎo)體器件(5，7)中的每一個(gè)與單獨(dú)的冷卻元件(2)連接并且設(shè)置成在沒有移走任何其他冷卻元件(2)的情況下被一起移走和更換。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，所述裝置包括鼓風(fēng)機(jī)，以用于將污濁空氣吹入到所述通道(10)中以便冷卻所述冷卻元件(2)和所述功率半導(dǎo)體器件(5，7)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，所述裝置還包括圍繞所述第一環(huán)形薄膜電容器(11)的管形的第二環(huán)形薄膜電容器(12)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于，所述第一環(huán)形薄膜電容器(11)的端子連接到所述第二環(huán)形薄膜電容器(12)的端子，使得所述連接在已連接的所述端子處產(chǎn)生中性點(diǎn)。
10.馬達(dá)控制器，包括根據(jù)權(quán)利要求1至9中任一項(xiàng)所述的裝置。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的馬達(dá)控制器，其特征在于，所述馬達(dá)控制器是逆變器、整流器或者變頻器。
【文檔編號(hào)】H05K7/20GK103457482SQ201310218384
【公開日】2013年12月18日 申請(qǐng)日期:2013年6月4日 優(yōu)先權(quán)日:2012年6月4日
【發(fā)明者】佩爾蒂·塞韋基維, 泰穆·?；R 申請(qǐng)人:Abb公司