專利名稱：一種功率模塊及功率變換系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型提出的技術(shù)方案涉及一種功率模塊。具體的說，涉及一種集成有散熱和保護(hù)功能的功率轉(zhuǎn)換模塊以及對輸出波形的濾波。
背景技術(shù)：
近年來，產(chǎn)品的模塊化設(shè)計已經(jīng)在產(chǎn)業(yè)上得到越來越多的應(yīng)用。所謂模塊化設(shè)計，就是將不同的功能劃分并設(shè)計成對應(yīng)功能模塊。通過對一定范圍內(nèi)的不同功能或不同規(guī)格的產(chǎn)品進(jìn)行功能分析，從而通過對不同模塊的選擇和組合構(gòu)成滿足不同需求的產(chǎn)品。而且，通過對不同的產(chǎn)品需求進(jìn)行功率分級，可以并聯(lián)多個模塊。通過模塊化產(chǎn)品設(shè)計，可以簡化開發(fā)設(shè)計過程，避免對不同產(chǎn)品中相同功能的重復(fù)開發(fā)，以較少的開發(fā)獲得多種不同功能的產(chǎn)品。對功能模塊的不同組合可以構(gòu)建成多樣化的滿足用戶需求的產(chǎn)品的特點，而且各個功能模塊又具有符合一定標(biāo)準(zhǔn)的物理和電氣接口，因此，在模塊的劃分和接口定義與企業(yè)批量化生產(chǎn)中采購、物流、生產(chǎn)和服務(wù)的實際情況相對應(yīng)的情況下，就可以用批量化生產(chǎn)的方式生產(chǎn)需要定制的產(chǎn)品。功率轉(zhuǎn)換裝置，例如直流-直流(DC-DC)轉(zhuǎn)換器或交流-直流(AC-DC)轉(zhuǎn)換器等在電氣領(lǐng)域有著廣泛的用途。目前，對于功率轉(zhuǎn)換裝置的設(shè)計，通常都采用三相二電平系統(tǒng)。在典型的功率轉(zhuǎn)換設(shè)備中，需要使用多個同樣的模塊來實現(xiàn)整體的功能。因此，模塊化設(shè)計在功率轉(zhuǎn)換設(shè)備中得到了廣泛的應(yīng)用。通過模塊化設(shè)計，僅需要改變模塊的數(shù)量就可以對整個設(shè)備的性能進(jìn)行調(diào)節(jié)。另外，由于各個模塊之間性能和結(jié)構(gòu)的一致性，就可以很容易地構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。通過大規(guī)模采購?fù)瑯恿慵?，設(shè)備的總體成本也可以得到有效控制。相應(yīng)地，存貨管理、服務(wù)流程以及對技術(shù)人員和用戶的培訓(xùn)也可以得到進(jìn)一步的優(yōu)化。采用模塊化設(shè)計，可以使得產(chǎn)品的設(shè)計周期快捷，產(chǎn)品的可靠性也從快速的設(shè)計周期中得到提高。典型的功率轉(zhuǎn)換模塊通常包括消耗功率的部件，例如半導(dǎo)體原件和電阻等，這些消耗功率的部件通常直接安裝在金屬散熱器上，使得這些部件與散熱器的熱交換界面直接相連，以保證良好的散熱效果。功率轉(zhuǎn)換模塊還包括功率半導(dǎo)體部件。在一個功率轉(zhuǎn)換模塊中可以包括單個、兩個或是六個功率半導(dǎo)體部件，多個半導(dǎo)體部件之間經(jīng)過通用DC母線連接到正極和負(fù)極極柱。對于DC-AC轉(zhuǎn)換模塊，將多個功率半導(dǎo)體部件連接為可以提供三相輸出的交流信號。功率半導(dǎo)體的操作可以通過門驅(qū)動電路提供的驅(qū)動信號進(jìn)行通斷。如上所述，為了提高功率轉(zhuǎn)換設(shè)備設(shè)計的效率，就需要構(gòu)建出模塊化的功率轉(zhuǎn)換模塊。
發(fā)明內(nèi)容根據(jù)本實用新型的一種優(yōu)選實施方式，提供了一種功率模塊，包括至少一個功率電路；風(fēng)扇組件，以可拆卸的方式安裝在功率電路上；該功率電路進(jìn)一步包括半導(dǎo)體轉(zhuǎn)換部件，將由直流母線輸入的直流信號轉(zhuǎn)換成交流信號，并通過交流母線輸出；過濾半導(dǎo)體轉(zhuǎn)換部件輸出的交流信號的多個濾波器部件，設(shè)置在交流母線上；位于直流側(cè)的射頻干擾抑制部件；在系統(tǒng)故障的時候斷開輸入或輸出線路的保護(hù)部件，設(shè)置在直流母線或交流母線中至少一個上；以及為功率模塊提供電源的供電端，與半導(dǎo)體轉(zhuǎn)換部件相連接。這種模塊的優(yōu)點在于，其設(shè)計使得制造商可以對零件的配置合理化，制造過程標(biāo)準(zhǔn)化，獲得更高質(zhì)量的產(chǎn)品以及削減生產(chǎn)成本。并且，還給提供維護(hù)等服務(wù)的供應(yīng)商提供了便利，例如僅需要配有單個備用功率模塊而不需準(zhǔn)備多個備用零件，維護(hù)操作的過程簡單快速。使用這種標(biāo)準(zhǔn)化的模塊，可以使得制造商有更多的精力投入產(chǎn)品的升級設(shè)計。根據(jù)本實用新型的另一個優(yōu)選具體實施方式
，其中該功率模塊中還包括至少一個控制器，該控制器探測直流母線和交流母線上傳輸?shù)男盘枺⒒谒綔y到的信號，對一個或多個功率電路提供相應(yīng)控制信號。根據(jù)本實用新型的另一個優(yōu)選具體實施方式
，其中所述濾波器組件包括PWM濾波器和線性濾波器以及正弦濾波器和射頻干擾濾波器。根據(jù)本實用新型的另一個優(yōu)選具體實施方式
，其中所述保護(hù)部件是設(shè)置在直流母線和交流母線上的熔絲保護(hù)裝置；所述供電部件包括用于直流母線電容的軟充電電路。根據(jù)本實用新型的另一個優(yōu)選具體實施方式
，其中該半導(dǎo)體轉(zhuǎn)換部件是IGBT器件。根據(jù)本實用新型的另一個優(yōu)選具體實施方式
還包括電流回路，該電流回路與控制器相連，在控制器發(fā)現(xiàn)故障的時候?qū)⒐β誓K斷開。根據(jù)本實用新型的另一個優(yōu)選具體實施方式
，該功率模塊還包括殼體，用于將功率電路和風(fēng)扇封裝在其中；在該殼體至少一個面上設(shè)置有通風(fēng)口 ；該殼體包括至少一個可以拆卸的面板。其中，功率電路和風(fēng)扇的一體化部件可以通過可拔插的部件安裝在殼體上。這種可拔插功率電路設(shè)計的優(yōu)點在于，為制造、安裝和更換提供了實際和便捷的方式。根據(jù)本實用新型的另一個優(yōu)選具體實施方式
，其中在該殼體上還設(shè)置有顯示組件，與功率電路相連，用于顯示功率模塊的標(biāo)示以及功率模塊的工作狀態(tài)；至少一個通信端口，與功率電路相連，用于跟其他設(shè)備進(jìn)行通信；輔助電源接口，外部輔助電源可以通過該接口與功率電路相連接；并且該殼體的外表面為粗糙不平的。其中，將顯示部件配置為不必依賴于主控制器的處理，而可以直接提供關(guān)于模塊狀態(tài)信息的顯示。該功率模塊還包括可設(shè)置的開關(guān)，用于標(biāo)示各個功率模塊，通過將產(chǎn)生的每個模塊事件標(biāo)示出所屬于哪個模塊，將各事件與其模塊相對應(yīng)。此時，各個模塊仍舊保持標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)。最后，該使用安全電流環(huán)路以提供快速獨立的系統(tǒng)關(guān)閉。使得在系統(tǒng)中的全部模塊在總控制器的控制下立即關(guān)閉，或是在需要關(guān)閉系統(tǒng)的時候關(guān)閉任意一個模塊。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，提供包括多個功率模塊的功率變換系統(tǒng)，其中功率模塊包括至少一個功率電路；風(fēng)扇組件，以可拆卸的方式安裝在功率電路上；半導(dǎo)體轉(zhuǎn)換部件，將由直流母線輸入的直流信號轉(zhuǎn)換成交流信號，并通過交流母線輸出；過濾半導(dǎo)體轉(zhuǎn)換部件輸出的交流信號的多個濾波器部件，設(shè)置在交流母線上；位于直流側(cè)的射頻干擾抑制部件；在系統(tǒng)故障的時候斷開輸入或輸出線路的保護(hù)部件，設(shè)置在直流母線或交流母線中至少一個上；為功率模塊提供電源的供電端，與半導(dǎo)體轉(zhuǎn)換部件相連接；至少一個探測直流母線和交流母線上傳輸?shù)男盘?，并基于所探測到的信號對一個或多個功率電路提供相應(yīng)控制信號的控制器。所述多個功率模塊之一的控制器被指定為主控制器；所述控制器通過設(shè)置在交流母線上的電流或電壓感應(yīng)元件檢測每個功率模塊的工作電壓或工作電流，并且根據(jù)檢測結(jié)果執(zhí)行智能控制以便提高所述多個功率模塊的并行處理能力。
本實用新型的這些和其他方面將從下面參照附圖的詳細(xì)描述中變得顯而易見，其中圖1示出了依照本實用新型優(yōu)選實施例的一種功率模塊的電路結(jié)構(gòu)示意圖；圖2A和2B示出了依照優(yōu)選實施例安裝的功率模塊示意圖，以及圖3A和;3B示出了依照優(yōu)選實施例的功率模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
具體實施方式
通常，直流-交流(DC-AC)轉(zhuǎn)換器被稱為逆變器(inverter)，這是一種把直流電轉(zhuǎn)變成交流電的電力設(shè)備。它通常由逆變橋、控制器和濾波電路組成，廣泛適用于家用電器以及工業(yè)設(shè)備等領(lǐng)域。電壓型逆變器的典型工作方式是在任何時刻都有不同相的三只主管導(dǎo)通，每次換相都是在同一相上下兩個橋臂間進(jìn)行的。圖1示出了依照本實用新型優(yōu)選實施方式的一種功率轉(zhuǎn)換模塊的示意性電路框圖。為了實現(xiàn)良好的性能，在本優(yōu)選實施方式中描述的模塊電路集成了多個電路元件。下面將依照附圖描述該模塊。直流電通過直流熔絲保護(hù)11和11’通過射頻干擾(RFI)抑制器件10進(jìn)入功率轉(zhuǎn)換模塊。該射頻干擾抑制部件可以顯著地降低本地產(chǎn)生的電磁輻射。直流母線分為三條支路，每條支路上設(shè)置有兩個半導(dǎo)體器件13，例如IGBT器件。圖中共有分為三組的六個半導(dǎo)體器件，每條支路上的兩個半導(dǎo)體器件13對應(yīng)于交流電的一相，通過圖中沒有示出的選通驅(qū)動器，使得同一相中的兩個半導(dǎo)體器件交替導(dǎo)通。使得半導(dǎo)體器件輸出的信號為三相交流信號。如圖所示，在輸出AC信號的線路上設(shè)置有功率濾波電抗器15，軟充電電路14，濾波器16以及保護(hù)機(jī)構(gòu)11”，例如交流熔絲。將作為保護(hù)機(jī)構(gòu)的交流和直流熔絲保護(hù)都安裝在容易更換和探測的位置，以方便維護(hù)操作。每個功率模塊中都設(shè)置有控制器110，在功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中采用多個功率模塊的情況下，將指派一個控制器為系統(tǒng)的主控制器。各個控制器可以顯示功率模塊的狀態(tài)以及對各自模塊操作進(jìn)行控制。功率轉(zhuǎn)換模塊中還設(shè)置有電流環(huán)路18和與外部設(shè)備進(jìn)行通信的通信控制端口 17。附加電源19用于在故障情況下給本模塊提供電能。主控制器110所產(chǎn)生的信號電流(例如IOmA)將經(jīng)過電流環(huán)路18流過系統(tǒng)中配置的每個功率模塊。在每個功率模塊中觀察此信號電流是否存在，并可以在出現(xiàn)故障的時候中斷此信號電流。如果發(fā)現(xiàn)信號電流消失，部分或所有的功率模塊將在一定時間(例如小于IOys)內(nèi)關(guān)閉。依照這樣的方式，可以在出現(xiàn)故障的時候主控制器可以緊急關(guān)閉系統(tǒng)內(nèi)配置的各個模塊。主控制器還可以在與特定模塊的通信線路出現(xiàn)問題的時候，將相應(yīng)的模塊關(guān)閉。通信控制端口 17使用多電平通信協(xié)議，以在各個模塊之間進(jìn)行有優(yōu)先級的通信。本實施例的功率轉(zhuǎn)換模塊中還集成設(shè)置有風(fēng)扇單元12。風(fēng)扇單元12設(shè)置為靠近主要發(fā)熱設(shè)備如IGBT管13，以提高模塊整體的散熱性能。在本實施例的功率轉(zhuǎn)換模塊中，將電源和信號連線設(shè)置為便于安裝的形式。在交流母線上還設(shè)置有脈寬調(diào)節(jié)濾波器111，以使得該模塊可以輸出正弦電壓。通過集成的軟充電電路14，使得該模塊可以直接與交流電源相連。在交流母線上還設(shè)置有線性電抗112，以避免濾波電容器和其他系統(tǒng)電容器之間的共振相互作用。通過設(shè)置在交流母線上的電流或電壓感應(yīng)元件113，控制器可以探測到當(dāng)前模塊的工作電壓或工作電流，并根據(jù)探測到的參數(shù)執(zhí)行智能保護(hù)和獨立控制，從而提高并行處理能力。如圖1所示，優(yōu)選實施例中的功率轉(zhuǎn)換模塊已經(jīng)包括了可以有效地削弱本地輻射的射頻干擾抑制元件。由于在每個模塊中已有獨立的抗電磁干擾元件，因此就不需要設(shè)置針對整個系統(tǒng)的整體電磁兼容濾波器。圖2A和2B示出了依照本實用新型優(yōu)選實施例的功率轉(zhuǎn)換裝置的外部結(jié)構(gòu)示意圖。優(yōu)選使用表面粗糙的金屬材料制造該殼體22，以便于用戶操作，并且可以給內(nèi)部電子設(shè)備良好的接地以及保護(hù)。如圖2A所示，在殼體的表面上設(shè)置有冷卻空氣入口 21。如圖2B所示，依照本實用新型的功率轉(zhuǎn)換模塊就設(shè)置在殼體內(nèi)與冷卻空氣入口 21對應(yīng)的位置。圖2A所示的殼體上，具有可拆卸的前蓋23，便于用戶打開并維護(hù)設(shè)置在殼體內(nèi)的功率轉(zhuǎn)換電路部件和風(fēng)扇。優(yōu)選地將在功率轉(zhuǎn)換模塊中的可拆除風(fēng)扇組件12設(shè)置在便于通過前蓋23進(jìn)行操作的位置，例如靠近前蓋23。根據(jù)在實際工作中的需要，只要便于操作內(nèi)部的功率電路和風(fēng)扇部件，殼體上可拆卸的面板也可以處于其他位置，例如背面或側(cè)面寸。功率轉(zhuǎn)換模塊殼體上還設(shè)置有電源組件M，為整個模塊提供直流電和交流電的連接。殼體前面板上的顯示部件25可用于設(shè)置和顯示模塊的標(biāo)示號碼(例如與設(shè)備一一對應(yīng)的ID號)，并且顯示功率模塊的工作參數(shù)和狀態(tài)。這樣，不用打開前蓋23，通過觀察顯示部件上的模塊參數(shù)和狀態(tài)就可以迅速識別并確定模塊的工作情況。廢氣出口沈設(shè)置在殼體背部，從前端冷卻空氣入口 21進(jìn)入的空氣將從這里流出。在殼體的頂部還設(shè)置有通信端口 27，用于與其他功率模塊或各種控制設(shè)備相連接并進(jìn)行通在殼體的前面設(shè)置附加電源接口 28，用于連接后備電源。在主電源出現(xiàn)故障的時候，將通過后備電源供電以維持模塊的工作。圖3A和;3B進(jìn)一步示出了功率模塊部中各個電氣/機(jī)械元件的設(shè)置方式。如圖3A所示，功率模塊中包括給直流母線電容器32，以及為該電容器設(shè)置的電阻31，該電阻為相對于電容器對稱設(shè)置的一對。功率模塊中還包括直流母線33，用于本地直流母線的電容34，設(shè)置在直流母線一側(cè)的電流傳感器35，半導(dǎo)體驅(qū)動器電路板36、用于脈寬調(diào)節(jié)濾波器的電感器37、線路接觸器38以及用于濾波器的電容器39。其中，線路接觸器38用于給模塊提供與電源的單獨連接。圖3B進(jìn)一步示出散熱機(jī)構(gòu)311以及軟充電電阻312?；陂喿x上述說明書，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以構(gòu)思出上述優(yōu)選實施方式之外的其他變形方式。但本實用新型的保護(hù)范圍應(yīng)根據(jù)下面所附的權(quán)利要求而不是上述優(yōu)選實施例而確定。本實用新型的權(quán)利要求書的保護(hù)范圍應(yīng)包括與上述實施方式所體現(xiàn)的整體構(gòu)思屬于同一構(gòu)思內(nèi)的所有變形方式。
權(quán)利要求1.一種功率模塊，包括 至少一個功率電路；風(fēng)扇組件，以可拆卸的方式安裝在功率電路上； 該功率電路進(jìn)一步包括半導(dǎo)體轉(zhuǎn)換部件，將由直流母線輸入的直流信號轉(zhuǎn)換成交流信號，并通過交流母線輸出；過濾半導(dǎo)體轉(zhuǎn)換部件輸出的交流信號的多個濾波器部件，設(shè)置在交流母線上； 位于直流側(cè)的射頻干擾抑制部件；在系統(tǒng)故障的時候斷開輸入或輸出線路的保護(hù)部件，設(shè)置在直流母線或交流母線中至少一個上；以及為功率模塊提供電源的供電端，與半導(dǎo)體轉(zhuǎn)換部件相連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率模塊，其中該功率模塊中還包括至少一個探測直流母線和交流母線上傳輸?shù)男盘?，并基于所探測到的信號對一個或多個功率電路提供相應(yīng)控制信號的控制器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率模塊，其中所述濾波器部件包括PWM濾波器和線性濾波器以及射頻干擾抑制部件。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率模塊，其中所述保護(hù)部件是設(shè)置在直流母線和交流母線上的熔絲保護(hù)裝置； 所述功率電路包括軟充電電路。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率模塊，其中 該半導(dǎo)體轉(zhuǎn)換部件是IGBT器件。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的功率模塊，還包括與控制器相連并且在控制器發(fā)現(xiàn)故障的時候?qū)⒐β誓K斷開的電流回路。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率模塊，還包括殼體，用于將功率電路和風(fēng)扇封裝在其中； 在該殼體至少一個面上設(shè)置有通風(fēng)口； 該殼體包括至少一個可以拆卸的面板。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的功率模塊，其中在該殼體上還設(shè)置有與功率電路相連并且顯示功率模塊的標(biāo)示以及功率模塊的工作狀態(tài)的顯示組件； 與功率電路相連并且跟其他設(shè)備進(jìn)行通信的至少一個通信端口 ； 輔助電源接口，外部輔助電源可以通過該接口與功率電路相連接；并且該殼體的外表面為粗糙不平的。
9.一種包括多個如權(quán)利要求2所述的功率模塊的功率變換系統(tǒng)，其中 所述多個功率模塊之一的控制器被指定為主控制器；所述控制器通過設(shè)置在交流母線上的電流或電壓感應(yīng)元件檢測每個功率模塊的工作電壓或工作電流，并且根據(jù)檢測結(jié)果執(zhí)行智能控制以便提高所述多個功率模塊的并行處理能力。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的功率變換系統(tǒng)，還包括 開關(guān)，用于標(biāo)示每個功率模塊。
專利摘要本實用新型提供了一種功率模塊，包括至少一個功率電路，以可拆卸的方式與安裝至功率電路的風(fēng)扇組件。其中，該功率電路還包括半導(dǎo)體轉(zhuǎn)換部件，用于將直流母線輸入的直流信號轉(zhuǎn)換成交流信號，并通過交流母線輸出。該功率電路還在交流母線上配置有濾波器部件，用于過濾半導(dǎo)體轉(zhuǎn)換部件輸出的交流信號。在直流母線或交流母線中至少一個上設(shè)置保護(hù)部件，在系統(tǒng)故障的時候斷開輸入或輸出線路或二者。此外，設(shè)置為功率模塊提供電源的供電部件。
文檔編號H05K7/20GK202172365SQ20102050212
公開日2012年3月21日 申請日期2010年8月19日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月19日
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