电力电子堆叠组合件的制作方法

本发明涉及一种电子电力堆叠组合件，其呈现特征为直接冷却其中容纳的半导体模块的优势；即，所述半导体模块通过与经由辐射器元件和前述半导体模块循环的冷却剂流体直接接触而得以冷却。

背景技术：

本发明的应用领域为电子电力转换器：从交流电到交流电、直流电到直流电、交流电到直流电，且反之亦然。半导体模块、冷凝器、用于不同元件之间的电连接的母线以及辐射器包含于组合件中。这种配置使得能够获得紧凑、高性能的组合件，从而实现制造成本的改善。

使用电子电力转换器控制电动机的速度和扭矩在工业和能源产业中众所周知；其还用于控制连接到电网的系统(例如用于发电的风力涡轮发电机和光伏反相器(有源和反应性的)，或用于在交流电系统中产生无功功率的statcom(静态同步补偿器))中的功率和电流，或用于控制直流电系统(例如整流器和hvdc(高压直流电)传输系统或用于蓄电池或燃料电池的控制系统)中的功率和电流。

当前，混合动力车辆以及单独通过电运行的车辆的重要性不断地增大，其中组件的大小和重量以及其运行温度都至关重要。

本质上，所有系统共同地共享高功率电子模块(例如二极管和igbt)和例如冷凝器等能量存储元件的使用。所有这些元件归因于运行期间的能量损失而产生相当大量的热。此热必须通过高效冷却系统耗散掉，所述冷却系统必须维持所有组件的温度在控制下且低于运行温度限制。

在过去，使用具有受迫气流的气冷式辐射器；这些辐射器低廉且稳健，但在功率损耗高时效率低。一段时间以后，采用通过流过通道的水冷却的辐射器，其中载热流体被引导经过上面附接待冷却元件的封闭管道。尽管此类型的辐射器复杂得多(因为这种类型的辐射器需要辅助抽汲系统来使流体移动，且空气-水辐射器具有强制通风以耗散热)，但这些系统比气冷式辐射器的效率高得多。

所装配元件之间的温度差在电力电子冷却系统中不可避免并且还是不合需要的，因为其间的高温度差将组合件的能力限制于最热元件的温度而非元件总体的温度。

在本专利中，已开发直接冷却辐射器，其中载热流体与待冷却元件直接接触，从而归因于待冷却元件与冷却剂流体之间的低热阻而实现更高效的热传递且可容易地控制。借助于此类型的冷却，可降低设备的大小。此使得能够减小设备的重量，增大能量特定密度且降低每电力单元的成本。

技术实现要素：

本发明涉及一种电力电子堆叠组合件，其包括：至少一个辐射器元件，冷却剂流体流过所述至少一个辐射器元件，其中所述辐射器元件包括至少一个外壳；在所述至少一个外壳中的至少一个安装基底；至少一个半导体模块，其附着到至少一个安装基底；至少一个驱动器元件，其附着在至少一个半导体模块上；至少一个冷凝器；母线，其用以连结所述组合件的电组件，其中所述辐射器元件的至少一个外壳包括用于使流体通过的至少一个通孔，所述冷却剂流体经由所述至少一个通孔朝向出现于所述安装基底与所述半导体模块之间的通道流过在所述安装基底中形成的多个穿孔，所述冷却剂流体变得与至少一个半导体模块直接接触。

所述电子电力堆叠组合件的所述辐射器元件包括第一歧管和第二歧管，其方式为使得所述冷却剂流体从所述第一歧管流动到所述第二歧管，从而变得与所述半导体模块接触且冷却所述半导体模块。

为本发明的目标的所述电子电力堆叠组合件的冷却剂流体直接冷却所述半导体模块，以平行方式经由出现于不同安装基底与形成电子电力堆叠的半导体模块之间的通道从所述第一歧管流动到所述第二歧管，维持流过两个歧管的相同方向，且确保最热半导体模块与最冷半导体模块之间的温度差小于或等于3摄氏度。

为本发明的目标的所述电子电力堆叠组合件的辐射器元件包括快速连接，用于将冷却剂流体装填到第一歧管和第二歧管两者中。

所述电子电力堆叠组合件对于每一半导体模块包括：所述安装基底，所述安装基底对于每一半导体模块是独立的，使得所述半导体模块彼此独立；在所述辐射器元件与所述安装基底之间的数个第一o形环，以保证所述安装基底与所述辐射器元件之间的接点的水密性；数个第二o形环，以保证所述半导体模块与所述安装基底之间的接点的水密性。

出现于所述安装基底与所述半导体模块之间的所述通道的厚度小于1mm，且所述通道经设计以实现每一半导体模块与所述冷却剂流体之间的最低热阻。

为本发明的目标电子电力堆叠组合件的安装基底包括位置对应于用于使流体从所述辐射器元件通过的所述通孔的多个穿孔。

在为本发明的目标的所述电子电力堆叠组合件中，所述驱动器通过至少一个螺栓附着到每一半导体模块且借助于安装板附着到所述辐射器元件，其方式为使得所述安装板在一个末端处通过至少一个螺栓附着到所述辐射器元件，且在另一末端处借助于螺栓附着到所述驱动器。

为本发明的目标的所述电子电力堆叠组合件的母线连结所述组合件的所述电组件，且为具有多层配置的母线，其中导电板与绝缘板形成平行层。

所述母线的所述导电板是由选自铝或铜的材料制成，且所述绝缘板是由克维拉(kevlar)制成，其方式为使得利用这些材料制造的所述母线呈现可能最低的寄生电感。

所述电子电力堆叠组合件接受选自高达6.5kv的130mm或190mm模块的半导体模块。

为本发明的目标的所述电子电力堆叠组合件的辐射器元件是由挤制铝制成，从而降低生产成本。

为本发明的目标的所述电子电力堆叠组合件的所述母线包括数个用于连接到额外电子电力堆叠组合件的连接器，从而使得能够并联地连接两个或更多个电子电力堆叠组合件。

为本发明的目标的所述电子电力堆叠组合件包括容纳至少一个冷凝器的框架，且进一步包括数个测量所述冷却剂流体的温度的温度探头。

为本发明的目标的所述电子电力堆叠组合件的每一半导体模块元件包括温度探头，所述温度探头测量前述半导体模块的温度。

附图说明

作为对本文中作出的描述的补充，附有一组图式作为所述描述的组成部分，其中描绘以下内容：

图1描绘为本发明的目标的具有直接冷却的电子电力堆叠组合件的透视分解图。

图2描绘为本发明的目标的电子电力堆叠组合件的辐射器元件的透视图。

图3描绘具有安装基底、半导体模块和其间的o形环的辐射器元件的透视分解图。

图4a为图3分解图中的元件的侧视图。

图4b为图3中描绘的元件在装配后的连接的侧视图。

图4c为图3中描绘的元件在装配后的连接的横向截面图。

图5a为冷凝器已经由框架连接的辐射器元件的透视图。

图5b为图5a中描绘的元件的正视图。

图6a为除框架之外的所有元件已连接的辐射器元件的透视图。

图6b为图6a中描绘的元件的侧视图。

图6c为图6a和6b中描绘的元件的从上方看的平面图。

具体实施方式

为克服本说明书的先前部分中提及的技术难题，提出本发明的目标，即具有借助于上面附着半导体模块(2)的辐射器元件(1)的直接冷却的电子电力堆叠组合件，其方式为使得前述半导体模块(2)与经由辐射器元件(1)循环的冷却剂流体之间存在直接接触。

为本发明的目标的电子电力堆叠组合件的辐射器元件(1)包括与单个项目相关联的第一歧管(3)和第二歧管(4)。

所述辐射器元件(1)包括数个安装基底(7)借助于数个固定螺栓(12)附着到的多个外壳(5)，半导体模块(2)附着在所述安装基底上。

在多个外壳(5)的内部中，辐射器元件(1)包括数个用于使流体通过的通孔(6)，其目的为连接第一歧管(3)和第二歧管(4)与半导体模块(2)。安装基底(7)包括位置对应于用于使流体在辐射器元件(1)中通过的通孔(6)的多个穿孔(8)。借助于此组合件，经由歧管(3，4)循环的冷却剂流体在经由辐射器元件(1)循环期间变得与半导体模块(2)直接接触，从而冷却所述半导体模块(2)。

在辐射器元件(1)与安装基底(7)之间，数个第一o形环(9)放置于用于使流体通过辐射器元件(1)的通孔(6)中，以便保证安装基底(7)与辐射器元件(1)之间的接点的水密性，且此外，放置第二o形环(10)以保证半导体模块(2)与安装基底(7)之间的接点的水密性，从而形成用于使流体在附着到辐射器元件(1)的每一半导体模块(2)与安装基底(7)之间循环的通道。

出现于安装基底(7)与半导体模块(2)之间的通道是以如下方式设计：使得确保半导体模块(2)与接触所述半导体模块(2)的冷却剂流体之间的最大热传递。为实现此最大热传递，必须使冷却剂流体应尽可能快速地循环；伴随通道的速度和直径，存在压力效果，所述压力随着冷却剂流体的流速增大而增大，且在管道的直径增大时下降。这意味着，为了获得通过小直径管道的高流速，压力要高，从而使得大的昂贵的泵是必需的。

在为本发明的目标的电子电力堆叠组合件中，出现于安装基底(7)与半导体模块(2)之间的用于使流体循环的通道已经设计而以始终小于1mm的高度为特征；长度将由所安装的半导体模块(2)的型号限定。这种配置使得能够在2巴压力下以100l/min的流速运行，这一压力为选择可能与成本竞争的泵的折衷解决方案。利用为本发明的目标的电子电力堆叠组合件，实现比常规液体冷却系统小5倍且比气冷式系统小10倍的热阻。

在电子电力堆叠组合件发明的优选实施例中，六个半导体模块(2)可以连接到辐射器元件(1)。

鉴于在电子电力堆叠组合件中，所述组合件的能力受到半导体模块(2)中的一个的最大温度限制，因此为了最小化连接到辐射器元件(1)的半导体模块(2)之间的温度差，在为本发明的目标的电子电力堆叠组合件中，已选择在相同方向上经过第一歧管(3)和第二歧管(4)的流动配置；即，冷的冷却剂经由第一歧管(3)的一个末端进入，变得与半导体模块(2)接触，其中冷却剂流体升温，且随后，热流体在入口的对置末端经由第二歧管(4)退出。借助于此流动配置，在为本发明的目标的电子电力堆叠组合件中，连接到辐射器元件(1)的不同半导体模块(2)之间的温度差限于最大3度。

在为本发明的目标的电子电力堆叠组合件中，使流过歧管的方向在相同方向上而采用的配置比其它可能组合(例如在相反方向上的配置)产生更好结果，因为其使得第一歧管(3)与第二歧管(4)之间的压力自然地平衡，从而使得通道内的速度能够均衡，导致不同半导体模块(2)的温度之间的平衡。

为本发明的目标的电子电力堆叠组合件的辐射器元件(1)经设计用于将具有标准ihm130mm、ihmb130mm、ihm190mm和ihmb190mm密封盒(capsule)且电压高达6.5kv的半导体模块(2)附着在其上；这些半导体模块(2)在现有技术中已知。

辐射器元件(1)包括快速连接(13)，用于将冷却剂流体装填到第一歧管(3)和第二歧管(4)两者中。

在本发明的优选实施例中，辐射器元件(1)由挤制铝制成，且借助于机械加工工艺形成流体的通孔。

为本发明的目标的电子电力堆叠组合件包括在辐射器元件(1)中的数个温度监控探头(14a，14b)，所述探头测量流体入口和出口温度。

在为本发明的目标的电子电力堆叠组合件中，安装基底(7)可与半导体模块(2)一起独立地拆卸，从而使得能够替换每一半导体模块(2)(如果需要替换)。此举使得能够简化且减少维护和修复工作，减少替换半导体模块所必需的时间，使设备长时间不能运行的缺点降到最低。

为本发明的目标的电子电力堆叠组合件的每一半导体模块(2)通过6个螺栓附着到安装基底(7)。由一个半导体模块(2)和固持所述半导体模块的安装基底(7)形成的每一总体又通过6个螺栓附着到辐射器元件(1)；借助于所述连接，在不同半导体模块(2)之间实现如此公开的机械独立性。

为本发明的目标的电子电力堆叠组合件的每一半导体模块(2)包括通过六个螺栓中的一个(半导体模块(2)借助于所述螺栓附着到安装基底(7))附着到每一半导体模块(2)的温度探头(21)。

所述电子电力堆叠组合件包括配置为pcb的至少一个驱动器(15)，从而使得半导体模块(2)能够运行；即，所述驱动器为信号调节器，因为控制系统发送的光学信号由驱动器调节且变换成电信号，电信号为半导体模块(2)运行所需要的类型。

驱动器(15)借助于螺栓附着到安装板(11)，且所述板借助于两个螺栓附着到辐射器元件(1)。

为本发明的目标的电子电力堆叠组合件包括将其电组件连结在一起的母线(17)；所述母线(17)为具有通过数个导电板(18)和数个绝缘板(19)形成的平行层的多层配置。在图1中，可以观察到平行层的配置；所述配置为：绝缘板(19)-导电板(18)-双重绝缘板(19)-导电板(18)-绝缘板(19)。

根据电子电力堆叠组合件的最终应用的电流密度要求，导电板(18)由选自铝或铜的材料制成。

在本发明的优选实施例中，绝缘板(19)由克维拉制成，克维拉为电导率非常低的材料；出于此原因，此材料的厚度可以非常小，从而减小导电板(18)之间的区域。以此方式，电组件之间的寄生电感尽可能低，且半导体模块(2)中的过电压应力得以降低。

母线(17)包括数个用于连接到其它电子电力堆叠组合件的连接器(未在图式中描绘)，从而实现多个电子电力堆叠组合件的并联连接，因此获得具有2个和3个电压电平的三相桥配置，即在2个或3个电压电平处的三相桥的并联配置或“背靠背”类型的配置。

最后，电子电力堆叠组合件包括框架(20)，在本发明的优选实施例中，框架(20)容纳多个冷凝器(16)，其方式为使得框架(20)在与上面所述辐射器元件(1)处于用于半导体模块(2)的外壳(5)中的侧对置的侧上位于辐射器元件(1)中。

在此部分中，已描述本发明的优选实施例；可以从本文的内容导出另外的实施例；因此，本发明的真实范围是由本文档中的权利要求书提供。

工业应用

此组合件适用于如在“背景技术”部分中表达的大量工业中；在所有那些工业中，电力电子都具有重要性。

在以上描述中，已使用以下元件符号：

1.辐射器元件，

2.半导体模块，

3.第一歧管，

4.第二歧管，

5.外壳，

6.用于流体的通孔，

7.安装基底，

8.穿孔，

9.第一o形环，

10.第二o形环，

11.安装板，

12.固定螺栓，

13.快速连接器，

14a、14b.流体温度探头，

15.驱动器，

16.冷凝器，

17.母线，

18.导电板，

19.绝缘板，

20.框架，和

21.半导体模块温度探头。