一种变频器及其功率单元的制作方法

本实用新型涉及电气工程领域，特别涉及一种变频器及其功率单元。

背景技术：

随着电力电子技术的不断发展，对变频器的使用也越来广泛，在变频器中的功率单元是实现整流或逆变功能的核心组件，功率单元的性能直接影响变频器的性能。而散热是影响功率单元性能的一个重要因素，功率器件在工作时产生的热量，将导致器件的温度升高超过器件允许的最高温度，从而造成器件性能降低甚至损坏。因此，提升变频器中功率单元的散热性能是十分必要的。

发明人在实现本发明的过程中发现，目前在变频器中通常使用强迫风冷散热的方式对功率单元进行散热，但是强迫风冷的散热方式受散热器面积、环境温度、变频器使用环境、风扇和噪音多方面的限制，例如，风冷散热使用需要灰尘量很小，干净的环境；而风冷散热并不能满足大功率变频器的功率单元的散热要求，为解决环境对变频器散热的影响以及大功率变频器的功率单元的散热问题，目前出现了水冷散热的方式，但是，这种水冷散热器的水冷管组件安装于功率单元内，缠绕在高压支撑电容四周，存在因管道老化而造成泄露损害器件的风险，同时，水冷散热需要在功率单元下部安装散热交换器，而整体变频器需要配套冷却循环系统，使得散热器体积大，加工复杂，成本高。目前的功率单元通常采用层叠安装的方式，堆叠层数多，使得功能区分不明显，不利于安装和维护。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种变频器及其功率单元，使得增强了对功率单元的散热，同时，使得功率单元的功能区分明显，利于安装及维护。

为解决上述技术问题，本实用新型的实施方式提供了一种变频器的功率单元，包括：电容组件、功率组件、板卡组件和电阻组件；该电容组件包括电解电容、电容支架和电容母排，其中，该电解电容安装于该电容支架上，且该电解电容与该电容母排连接；该功率组件包括液冷板、功率模块和输入铜排，该功率模块与该输入铜排电连接，并且该功率模块与该液冷板平行且贴合在该液冷板的第一表面上；该板卡组件包括驱动板，该驱动板用于驱动该功率模块的导通，其中，该板卡组件的驱动电能从该电容母排走线取电获取；该电阻组件安装于该液冷板的第二表面，该第二表面与该第一表面平行相对，其中，该电阻组件分别与该电容组件和该板卡组件电连接。

本实用新型的实施方式还提供了一种变频器，包括以上功率单元。

本实用新型实施方式相对于现有技术而言，通过将变频器功率单元分为电容组件、功率组件、板卡组件和电阻组件，使得变频器功率单元的功能区分明显，利于安装和维护。由于功能区分明显，更利于功率的扩展；电容组件中由于电解电容安装于电容支架上，且电解电容与电容母排连接，因此，通过更换电容支架即可实现对不同功率的功率单元的电解电容器件数量的灵活配置，增强了对不同功率需求的功率单元中的电解电容的灵活配置。功率组件中功率模块与液冷板平行且贴合在液冷板的第一表面上，电阻组件安装于该液冷板的第二表面上，由于电阻和功率模块在工作状态时产生热量高，通过与液冷板的贴合，使得器件与液冷板接触，加快器件的散热，同时，在液冷板的两个表面上安装功率模块和电阻组件，充分利用了液冷板的散热作用，节约了空间，减小了功率单元的体积。

另外，还包括隔离板，用于隔离该电容组件与该功率组件，使该电容组件和该功率组件各自处于两个独立的风道中。通过使用隔离板，使得电容组件和功率组件各自处于两个独立的风道中，避免了电容组件与功率组件在工作状态产生热耦合，同时，电容组件和功率组件分别处于独立的风道，加强了电容组件和功率组件的散热。

另外，隔离板为环氧板。环氧板有较好的耐热性能和介电性能，可以有效隔离发热的电容组件和功率组件。

另外，液冷板包括：散热板和液冷管；该液冷管以多道U字型安装在散热板的正面，该散热板的正面为平整表面。以多道U字型在散热板上安装液冷管，使得散热板与液冷管之间的接触面积最大，加强散热板的散热能力，同时散热板的正面为平整表面，增强其他器件与散热板之间的接触面积，进一步增强液冷板的散热能力。

另外，功率组件还包括功率组件外壳；该功率组件外壳包括背板、侧面板、顶部和底部；该背板与该液冷板反面连接，用于安装该板卡组件；该侧面板与该电容支架平行相对，并与该电容支架组合形成腔体；该功率组件还包括：第一轴流风机，该第一轴流风机安装在该功率组件外壳的顶部与该功率组件对应，用于该功率组件的散热；该电容组件中还包括：第二轴流风机，该第二轴流风机安装在该功率组件外壳的底部与该电容组件对应，用于该电容组件的散热。通过功率组件外壳，将板卡组件同其他组件分开，使得功能区分明显，同时在功率组件外壳的顶部和底部安装轴流风机，进一步增强了功率组件和电容组件的散热能力。

另外，还包括：柜体；该柜体包括第一侧面板和第二侧面板，该第一侧面板与该电容组件、该功率组件平行相对，该第二侧面板与该电阻组件、板卡组件平行相对；该第一侧面板、电容支架、该功率组件外壳、第二侧面板依次组合。通过柜体，将功率单元中各组件包含在柜体内，减少灰尘对功率单元的影响。

另外，液冷板还包括：铜制外螺丝旋转接头；该铜制外螺丝旋转接头焊接于该液冷管进出口位置，且该铜制外螺丝旋转接头延伸至该柜体外，该散热板和该液冷管位于柜体内。通过对液冷板增加铜制外螺丝旋转接头，使得液冷管与电器件完全分离，防止液冷管中冷却工质泄露对电器件的影响，同时，通过铜制外螺丝旋转接头可以快速与客户端连接而无需进行焊接，使得连接更加简单。

另外，板卡组件还包括：电源板，用于提供该轴流风机所需的驱动电能。

另外，输入铜排与该功率模块平行且放置方向一致。输入铜排与该功率模块平行且放置方向一致，保证了载流量高且更利于铜排的散热。

另外，输入铜排采用三相输入，至少包含3根铜排。采用多根铜排输入，增强输入铜排的载流能力。

另外，还包括底部支架；该底部支架至少有两个表面为空，用于该功率组件的进线和散热。底部支架至少两个表面为空，使得功率组件进线方便，同时增强功率单元的散热能力。

另外，柜体的第一侧面板与该电解电容对应，且该第一侧面板设有第一通风孔；该柜体的第二侧面板与第一侧面板上的第一通风孔平行交错的位置设有第二通风孔。通过在柜体的第一侧面板和第二侧面板设置通风孔，增强功率单元的散热能力，同时第一通风孔与第二通风孔的位置平行交错，使得在扩展电容组件时，确保电解电容有对应的足够面积的通风孔，确保功率单元在扩展时也能有较强的散热能力。

另外，柜体的第二侧面板通风孔处设置风道挡板。隔离电解电容和板卡组件，防止电解电容产生的热量对板卡的影响。

另外，液冷管中的制冷剂为1，1，1，2-四氟乙烷。该制冷剂的换热系数高，散热效果好。

另外，电容母排采用两层层叠结构。电容母排采用两层层叠结构，提高了电容母排的载流能力。

另外，背板上设置环形孔，该环形孔包括第一环形孔和第二环形孔；第一环形孔用于从该电容母排走线取电；第二环形孔用于所述驱动板与所述功率模块连接走线。通过环形孔，利于各组件之间的连接。

附图说明

图1是根据本实用新型第一实施方式的一种变频器的功率单元中电容组件的结构示意图；

图2是根据本实用新型第一实施方式的一种变频器的功率单元中电容母排的结构示意图；

图3是根据本实用新型第一实施方式的一种变频器的功率单元的功率组件的结构示意图；

图4是根据本实用新型第一实施方式的一种变频器的功率单元中功率组件与电容组件的结构示意图；

图5是根据本实用新型第一实施方式的一种变频器的功率单元中板卡组件和电阻组件的结构示意图；

图6是根据本实用新型第一实施方式的一种变频器的功率单元中板卡组件的结构示意图；

图7是根据本实用新型第一实施方式的一种变频器的功率单元的柜体的结构示意图；

图8是根据本实用新型第一实施方式的一种变频器的功率单元的爆炸结构示意图；

图9是根据本实用新型第二实施方式的一种变频器的功率单元的铜制外螺丝旋转接头的结构示意图；

图10是根据本实用新型第二实施方式的一种变频器的功率单元的结构示意图；

图11是根据本实用新型第二实施方式的一种变频器的功率单元的爆炸结构示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本实用新型各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。

本实用新型的第一实施方式涉及一种变频器的功率单元。如图1至图8所示，本实用新型的变频器的功率单元包括但不限于：电容组件101、功率组件102、板卡组件103和电阻组件104。

如图1所示为电容组件101的结构示意图，包括但不限于：电解电容1011、电容支架1012和电容母排(电容输出正铜排10131、电容输出负铜排10132和中间铜排10133，如图2所示)，电解电容1011安装于电容支架1012上，且电解电容1011与电容母排连接。

具体的说，电解电容1011的数量可以根据实际需求确定，例如710kW的功率变频器，使用16个电解电容，630kW的功率变频器使用14个电解电容。电容组件101的具体结构如图1所示，电解电容1011以两组纵向排列的方式安装在电容支架1012上；安装时，将电解电容1011和电容底部绝缘纸安装在电容支架1012上，并通过定位盖预紧。电容母排的结构如图2所示，电容母排包括电容输出正铜排10131、电容输出负铜排10132以及中间铜排10133。如图2所示，自上而下，依次是电容输出正铜排10131、电容输出负铜排10132和中间铜排10133，其中，电容输出正铜排10131和电容输出负铜排10132放置在电解电容1011上，中间铜排与两组纵向排列的电解电容1011接触，三个铜排之间通过绝缘纸隔离。通过中间铜排10133将两组并联的电解电容对应的正负极串接在一起。

值得一提的是，电容母排采用两层层叠的结构，增加电容母排的载流量，例如，电容输出正铜排和电容输出负铜排各自采用2层2mm的铜排叠层结构。

功率组件102的结构如图3所示，功率组件102包括但不限于：液冷板1021、功率模块1022和输入铜排1023，功率模块1022与输入铜排1023电连接，并且该功率模块1022与液冷板1021平行且贴合在该液冷板1021的第一表面上。

具体的说，液冷板1021包括：散热板10211和液冷管10212，如图3所示，散热板10211为导热良好的金属，例如，散热板为铝制板，散热板10211分为正反两面，正面为平整表面。液冷管10212以多道U字型安装在散热板的正面，液冷管10212同样为导热良好的金属，例如，采用铜制材料制成。液冷管中的冷却工质可以为制冷剂为1，1，1，2-四氟乙烷(简称“R134a”)R134a具有不易燃、无毒、无刺激、无腐蚀性等优点，同时，它的换热系数高，散热效果好。本实施方式中冷却工质以R134a为例进行说明，但本实用新型不对冷对工质做限制。

功率模块1022的数量为6个，该6个功率模块纵向排列，与液冷板1021平行且贴合在液冷板1021的第一表面上，如图3所示。其中，第一表面为液冷管所在表面，功率模块1022为可控硅功率模块。同时，功率模块1022与输入铜排1023电连接，输入铜排1023采用三相输入，至少包含3根铜排，为了增加输入铜排1023的载流量，本实施方式中采用6根铜排作为输入铜排，输入铜排1023与功率模块1022平行且放置方向一致，纵向放置，如图4所示。

功率组件102还包括功率组件外壳，功率组件外壳包括但不限于：背板10241、侧面板10242、顶部10243和底部10244；其中，背板10241、侧面板10242和顶部10243是由一个钣金折成的，背板10241(参见图5)与液冷板1021反面连接，侧面板10242与电容支架1012平行相对，并与电容支架1012组合形成腔体，具体结构如图4至图5所示。

具体的说，液冷板1021安装在背板10241上，使得液冷板1021的反面与背板10241连接(如图5所示)；功率组件外壳1024与电容支架1012组合形成腔体，保护腔体内的器件。

功率组件102还包括：第一轴流风机1025，第一轴流风机1025安装于功率组件外壳1024的顶部10243上且与功率组件102对应，用于该功率组件102的散热，图4为电容组件101和功率组件102的安装示意图。此时，功率组件102完成安装。

值得一提的是，电容组件101还包括：第二轴流风机1014，第二轴流风机1014安装在功率组件外壳1024的底部10244与电容组件101对应，用于电容组件101的散热，如图4所示。在电容组件101和功率组件102中间还包括隔离板105，如图4所示，用于隔离电容组件101与功率组件102，使电容组件101和功率组102件各自处于两个独立的风道中。其中，隔离板具有较好的耐热性能，例如，隔离板为环氧板。

图6为板卡组件103的结构示意图，板卡组件103包括但不限于：驱动板1031，驱动板1031用于驱动功率模块1022的导通，其中，板卡组件103的驱动电能从电容母排1013走线取电获取；板卡组件103还包括：电源板1032，电源板1032用于提供轴流风机所需的驱动电能。

具体的说，本实施方式中驱动板1031的数量以2块为例进行说明，两块驱动板1031以纵向排列的方式安装在功率组件外壳1024的背板10241上，与液冷板1021平行，如图5所示。电源板1032安装在功率组件外壳1024的背板10241上，安装位置位于第一轴流风机1025下，液冷板1021上的位置。

此外，如图5所示，电源板1032的电能是通过背板10241上的第一环形孔从电容母排走线取电获取的，第一环形孔的位置位于电源板1032侧，以便电源板1032取电线束的插接方便。驱动板1031与功率模块1022(参见图8)由背板10241隔开，因此，驱动板1031与功率模块1022通过第二环形孔进行连接走线，第二环形孔的数量与驱动板1031的数量一致，本实施方式中，第二环形孔为2个，位于两块驱动板1031侧。

电阻组件104，如图5所示，安装于液冷板10241的第二表面，其中，液冷板10241的第二表面与第一表面平行相对，电阻组件104分别与电容组件101和板卡组件102电连接。

具体的说，电阻组件104包括均压电阻1041和充电电阻1042，其中，均压电阻1041的数量不做限制，例如，可以使用2个均压电阻，也可以使用4个均压电阻。本实施方式中以4个均压电阻为例进行说明，均压电阻1041的数量为4个，有效的避免了因个别均压电阻1041的内阻差异造成电路分压不均的情况。充电电阻1042的数量为6个，均压电阻1041和充电电阻1042以纵向排列的方式安装在液冷板10241的第二表面，如图5所示，均压电阻1041与电解电容1011串联，同时，还可以通过第二环形孔进行均压电阻1041和电解电容1011的连接走线。充电电阻1042与功率模块1022串接。

此外，变频器的功率单元还包括柜体。柜体如图7所示，包括第一侧面1061和第二侧面板1062。图8为变频器功率单元的结构爆炸图，第一侧面板1061与电容组件101、功率组件102平行相对，第二侧面板1062与电阻组件104和板卡组件103平行相对，第一侧面板1061、电容支架1012、功率组件外壳1024、第二侧面板1062依次组合，变频器功率单元最后组合如图7所示。

相对于现有技术而言，本实施方式提供的变频器的功率单元，电容组件中由于电解电容安装于电容支架上，且电解电容与电容母排连接，因此，通过更换电容支架即可实现对不同功率的功率单元的电解电容器件数量的灵活配置，增强了对不同功率需求的功率单元中的电解电容的灵活配置。功率组件中功率模块与液冷板平行且贴合在液冷板的第一表面上，电阻组件安装于该液冷板的第二表面上，由于电阻和功率模块在工作状态时产生热量高，通过与液冷板的贴合，使得器件与液冷板接触，加快器件的散热，同时，液冷板的散热板正面为平整表面，增强了功率模块与散热板直接的接触面积，加快功率模块的散热；在液冷板的两个表面上安装功率模块和电阻组件，充分利用了液冷板的散热作用，节约了空间，减小了功率单元的体积。在电容组件和功率组件之间使用隔离板，使得电容组件和功率组件分别处于独立的风道中，避免了电容组件与功率组件产生热耦合，影响功率单元的工作效率，同时，单独的风道更加利于电容组件和功率组件的散热。功率组件外壳的使用，分离了电容组件、功率组件和板卡组件，通过将变频器功率单元分为电容组件、功率组件、板卡组件分离，使得变频器功率单元的功能区分明显，利于安装和维护，同时在功率组件外壳上安装轴流风机，进一步加强了电容组件和功率组件的散热。

本实用新型的第二实施方式涉及一种变频器的功率单元。第二实施方式是第一实施方式的进一步改进，主要改进之处在于：在本实用新型第二实施方式中，液冷板还包括铜制外螺丝旋转接头10213，该铜制外螺丝旋转接头10213焊接于液冷管10212进出口位置，并延伸至柜体外；功率单元还包括底部支架，用于功率组件的进线和散热。具体结构如图9所示

具体的说，液冷管10212有一个冷却工质进口，一个冷却工质出口，铜制外螺丝旋转接头为两个，分别焊接于液冷管10212的冷却工质进口位置和冷却工质出口位置，并且铜制外螺丝旋转接头10213延伸至柜体外，通过铜制外螺丝旋转接头10213可以现场与客户端进行连接，而无需现场焊接。如图9所示，冷却工质在液冷管中采用下进上出的方式，防止冷却工质中气泡积累对液冷板散热造成影响。

底部支架107，底部支架107至少有两个表面为空，用于功率组件102的进线和散热，变频器功率单元如图10所示。

具体的说，底部支架107位于柜体106的下方，与第一轴流风机平行相对，柜体106放置在底部支架107上，本实施方式不限制底部支架的样式，本实施方式中以底部支架为长方体为例进行说明。底部支架107至少两个表面为空，其中，两个表面为与柜体接触的表面和与该表面平行相对的表面。本实施方式中，底部支架107的六个表面都为空，进一步方便功率组件进线和散热，底部支架107通过底座螺钉将电容组件、功率组件、板卡组件和电阻组件固定于柜体内。

此外，为了进一步加强功率单元的散热能力，在柜体106的第一侧面板1061上设有第一通风孔10611，第一通风孔10611与电解电容1011平行且相对，第二侧面板1062设有第二通风孔10621，第二通风口10621位于与第一侧面板1061上的第一通风孔10611平行交错的位置，如图10所示。同时，在第二侧面板的顶部和底部与电解电容平行相对的位置分别在设置出风孔，进一步加强功率单元的散热能力。在第二侧面板1062的第二通风孔10621位置设置风道挡风板10622，防止第二通风孔10621的热空气对板卡组件103造成热辐射，引起板卡温度过高。图11为变频器的功率单元结构的爆炸图。

本实施方式提供的变频器的功率单元，在液冷板的液冷管的进出口端焊接铜制外螺丝旋转接头，并将该铜制外螺丝旋转接头延伸至柜体外，无需焊接的方式与客户端连接，使得与客户端的连接更加简单，同时，由于铜制外螺丝旋转接头位于柜体外，使得冷却工质与电器件完全分离，不易发生泄漏，影响功率单元的电器件的性能，提高功率单元的安全性。增加底部支架，方便功率组件的进线和散热，同时，在拆装是更便于功率单元的放置。

本实用新型第三实施方式涉及一种功率变频器，包括第一实施方式或第二实施方式中的功率单元，功率单元的数量可以根据实际需要进行扩展，即可以只有一个功率单元，或者多个功率单元并联。

本实施方式提供的功率变频器，提高了变频器的散热能力，使得变频器在工作时更加稳定。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本实用新型的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本实用新型的精神和范围。