功率集成模块及电力电子设备的制作方法

[0001]
本实用新型实施例涉及电力电子设备领域，更具体地说，涉及一种功率集成模块及电力电子设备。


背景技术：

[0002]
交-直-交拓扑是变频器/驱动器/ups(uninterruptible power system不间断电源)/电源等常用电力电子设备的主回路功率拓扑，如图1所示，为三相交
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直-交功率拓扑示意图。该拓扑通常包含以下部件：整流单元、逆变单元、直流母线滤波器、制动单元、上电缓冲单元等。
[0003]
以下以电压型变换器为例对上述三相交-直-交功率拓扑进行说明。在该拓扑中，整流单元通常采用二极管实现，逆变单元则通常采用igbt(insulatedgate bipolar transistor，绝缘栅双极型晶体管)或mosfet(metal-oxide
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semiconductor field-effect transistor，金属-氧化物半导体场效应晶体管)实现，直流母线滤波器采用电容或lc滤波器实现。
[0004]
在某些应用场合中，逆变单元会进入发电状态，其交流侧的能量会回馈至直流母线，因此需要在直流母线上增加制动单元，对回馈的能量进行消耗。通常，制动单元包括制动电阻rb、制动开关及制动续流二极管，制动开关通常采用igbt或mosfet实现。
[0005]
上电缓冲单元则用于抑制上电瞬间电网对母线电容的充电电流，上电缓冲单元通常包括缓冲电阻rc和缓冲开关sw。在刚上电时，缓冲开关sw处于断开状态，电网通过缓冲电阻rc给母线电容cdc充电，当母线电容cdc完成充电，母线电压基本稳定之后，缓冲开关sw闭合，整流单元即可直接给母线电容及逆变单元供电，设备进入正常工作状态。其中，缓冲开关sw通常采用继电器、接触器或晶闸管等实现。
[0006]
在实际应用中，上述交-直-交拓扑可以使用分立器件搭建，也可以使用功率集成模块(power integrated module，pim)实现。相较于分立器件，功率集成模块在实际应用中会使得产品设计和制造得到极大简化。
[0007]
如图2所示，为常用的功率集成模块的示意图，该模块采用cib(即 converter+inverter+braker，整流+逆变+制动)拓扑，其集成了二极管整流单元、igbt逆变单元、igbt制动开关和制动续流二极管。此外，如图3所示，也有集成晶闸管作为上电缓冲开关的功率模块，但其仅包括整流单元和用作上电缓冲开关的晶闸管t1。
[0008]
在使用如图2所示的采用cib拓扑的功率模块时，一般会采用继电器或接触器作为上电缓冲开关与功率模块连接。然而，继电器或接触器的体积相对较大，且通常在产品设计中，由于受到耐环境要求的限制，只能采用自然散热，其热量难以传导至设备外。
[0009]
在使用如图3所示拓扑的功率模块时，由于逆变和制动并没有集成，因此需要使用另外的器件实现逆变和制动功能，通常会使用集成六个igbt的功率模块作为逆变器，另外再选取分立器件或集成一个igbt与一个二极管的功率模块作为制动单元，这样就会需要两个以上的功率集成模块。


技术实现要素：

[0010]
本实用新型实施例针对上述功率集成模块需连接继电器或接触器以实现上电缓冲，并导致体积大、散热难，以及使用未集成逆变的功率集成模块需连接额外的功率模块以实现逆变，并导致连接相对复杂的问题，提供一种新的功率集成模块及电力电子设备。
[0011]
本实用新型实施例解决上述技术问题的技术方案是，提供一种功率集成模块，包括模块主体以及封装在所述模块主体内的整流单元、逆变单元、用于连接所述整流单元和逆变单元的直流母线以及串联连接在直流母线上的缓冲开关组件，且所述缓冲开关组件包括串联连接在所述直流母线上的半导体开关器件；所述模块主体表面设有第一交流端子组、第二交流端子组、第一端脚组以及第二端脚组，且所述第一交流端子组与所述整流单元的交流侧电性连接，所述第二交流端子组与所述逆变单元的交流侧电性连接，所述第一端脚组与逆变单元的控制端电性连接，所述第二端脚组与所述半导体开关器件的控制端电性连接。
[0012]
优选地，所述直流母线包括正直流母线和负直流母线；所述功率集成模块还包括封装在所述模块主体内的制动开关和制动续流二极管，所述制动开关和制动续流二极管串联连接在负直流母线和正直流母线之间；所述模块主体表面设有第三端脚组，且所述第三端脚组与所述制动开关的控制端电性连接。
[0013]
优选地，所述缓冲开关组件包括与所述半导体开关器件反并联的二极管，所述半导体开关器件由单向可控硅、绝缘栅双极型晶体管或金属-氧化物半导体场效应晶体管构成。
[0014]
优选地，所述半导体开关器件由双向可控硅构成。
[0015]
优选地，所述整流单元由三相二极管整流桥构成；或者，所述整流单元由单相二极管整流桥构成。
[0016]
优选地，所述模块主体表面设有直流母线端子，且所述直流母线端子与所述直流母线电性连接。
[0017]
优选地，所述直流母线包括正直流母线和负直流母线，所述半导体开关器件串联连接在所述正直流母线上，且所述半导体开关器件的阴极与所述逆变单元连接。
[0018]
优选地，所述直流母线包括正直流母线和负直流母线，所述半导体开关器件串联连接在所述负直流母线上。
[0019]
本实用新型实施例还提供一种电力电子设备，包括主控板以及如上所述的功率集成模块。
[0020]
实施本实用新型实施例的功率集成模块及电力电子设备具有以下有益效果：通过将缓冲开关组件与整流单元、逆变单元一起集成到模块主体，在使用时无需再连接继电器或接触器实现缓冲开关，可简化产品的设计和制造，降低开发和制造成本。本实用新型实施例可避免传统使用继电器或接触器作为缓冲开关而导致的体积增大及散热问题。
附图说明
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图1是现有电力电子设备中常用的主回路功率拓扑的示意图；
[0022]
图2是现有采用cib拓扑的功率集成模块的示意图；
[0023]
图3是现有继承有上电缓冲开关的功率集成模块的示意图；
[0024]
图4是本实用新型实施例提供的功率集成模块的示意图；
[0025]
图5是本实用新型另一实施例提供的功率集成模块的示意图；
[0026]
图6是本实用新型又一实施例提供的功率集成模块的示意图。
具体实施方式
[0027]
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
[0028]
如图4所示，是本实用新型实施例提供的功率集成模块的示意图，该功率集成模块可应用于变频器、驱动器、ups、电源等电力电子设备，并作为其主功率回路。本实施例的功率集成模块包括整流单元41、逆变单元42、正直流母线和负直流母线以及缓冲开关组件43，其中整流单元41和逆变单元42通过直流母线连接，缓冲开关组件43包括串联连接在直流母线上的半导体开关器件，并且上述整流单元41、逆变单元42、正直流母线和负直流母线以及缓冲开关组件 43通过绝缘材料封装形成模块主体(整流单元41、逆变单元42、缓冲开关组件 43具体可由焊接在基板上的功率半导体芯片构成)。具体地，上述整流单元41、逆变单元42、正直流母线和负直流母线以及缓冲开关组件43可通过注塑封装方式形成模块主体(该模块主体还封装有散热面外露的散热基板)。在实际应用中，上述整流单元41、逆变单元42、正直流母线和负直流母线以及缓冲开关组件43也可采用绝缘外壳并灌胶的方式封装形成模块主体。
[0029]
上述模块主体表面设有第一交流端子组、第二交流端子组、第一端脚组以及第二端脚组，且第一交流端子组与封装在模块主体内的整流单元的交流侧电性连接，第二交流端子组与逆变单元的交流侧电性连接，第一端脚组与逆变单元的控制端电性连接，第二端脚组与半导体开关器件的控制端电性连接。
[0030]
具体地，第一交流端子组包括r端子、s端子以及t端子，并通过r端子、s 端子以及t端子连接外部输入的三相交流电；第二交流端子组包括u端子、v 端子以及w端子，并通过u端子、v端子以及w端子输出经过逆变的三相交流电；第一端脚组包括gup端脚、gun端脚、gvp端脚、gvn端脚、gwp端脚、 gwn端脚、eup端脚、evp端脚、ewp端脚以及vn端脚，并通过上述gup端脚、gun端脚、gvp端脚、gvn端脚、gwp端脚、gwn端脚、eup端脚、evp 端脚、ewp端脚以及vn端脚连接电力电子设备的主控板上的相应驱动信号输出端子；第二端脚组包括gt端脚，并通过该gt端脚连接电力电子设备的主控板上的相应驱动信号输出端子。
[0031]
上述功率集成模块通过将缓冲开关组件43与整流单元41、逆变单元42一起集成到模块主体，在使用时无需再连接继电器或接触器实现缓冲开关，可简化产品的设计和制造，降低开发和制造成本，可避免传统使用继电器或接触器作为缓冲开关而导致的体积增大及散热问题。
[0032]
在本实用新型的一个实施中，上述整流单元41可由三相二极管整流桥构成。此外，如图5所示，整流单元41可由单相二极管整流桥构成。从而功率集成模块可应用于不同的应用场合。
[0033]
在本实用新型的另一实施例中，为满足具有能量回馈的设备的需求，上述功率集成模块还包括封装在模块主体内的制动开关t2和制动续流二极管d2，上述制动开关t2和制
动续流二极管d2串联连接在正直流母线和负直流母线之间，并在制动开关t2导通时，通过连接到模块主体的制动电阻消耗逆变单元 42反馈到直流母线的能量。相应地，模块主体表面设有第三端脚组，且该第三端脚组与制动开关t2的控制端电性连接。
[0034]
上述第三端脚组具体可包括gb端脚，电力电子设备的主控板可通过gb端脚向制动开关t2输出控制信号，以对制动开关t2进行通断控制。
[0035]
上述缓冲开关组件43除了半导体开关器件t1外，具体还可包括与半导体开关器件t1反并联的二极管d1，相应地，半导体开关器件t1可由单向可控硅、绝缘栅双极型晶体管或金属-氧化物半导体场效应晶体管构成。此外，除了上述组合结构，缓冲开关组件43中的半导体开关器件t1也可直接采用双向可控硅，即缓冲开关组件43直接由双向可控硅构成，从而无需反并联的二极管d1。
[0036]
上述模块主体表面还可设有直流母线端子，且直流母线端子与直流母线电性连接。具体地，直流母线端子包括与正直流母线连接的p端子、p1端子，与负直流母线连接的n端子、n1端子、n2端子。上述p端子、p1端子以及n端子、 n1端子分别可连接直流电抗器，降低直流母线中的电压和电流谐波；而n1端子、n2端子则可连接缓冲电阻，以与缓冲开关组件43共同构成软启动单元。此外，通过上述p1端子、n2端子还可连接直流母线储能电容。
[0037]
在本实用新型的一个实施例中，上述半导体开关器件t1可串联连接在负直流母线上，且当半导体开关器件t1为单向可控硅时，其阳极与逆变单元42 连接。此外，如图6所示，上述半导体开关器件t1也可串联连接在正直流母线上，且当半导体开关器件t1为单向可控硅时，其阴极与逆变单元42连接。
[0038]
本实用新型实施例还提供一种电力电子设备，该电力电子设备具体可以为变频器、驱动器、ups、电源等，且该电力电子设备包括主控板以及如上所述的功率集成模块，且功率集成模块的第一端脚组以及第二端脚组与主控板电性连接。
[0039]
以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。