专利名称：一种功率模块及功率变换系统的制作方法
技术领域：
本实用新型提出的技术方案涉及一种功率模块。具体的说，涉及一种集成有散热和保护功能的功率转换模块以及对输出波形的滤波。
背景技术：
近年来，产品的模块化设计已经在产业上得到越来越多的应用。所谓模块化设计，就是将不同的功能划分并设计成对应功能模块。通过对一定范围内的不同功能或不同规格的产品进行功能分析，从而通过对不同模块的选择和组合构成满足不同需求的产品。而且，通过对不同的产品需求进行功率分级，可以并联多个模块。通过模块化产品设计，可以简化开发设计过程，避免对不同产品中相同功能的重复开发，以较少的开发获得多种不同功能的产品。对功能模块的不同组合可以构建成多样化的满足用户需求的产品的特点，而且各个功能模块又具有符合一定标准的物理和电气接口，因此，在模块的划分和接口定义与企业批量化生产中采购、物流、生产和服务的实际情况相对应的情况下，就可以用批量化生产的方式生产需要定制的产品。功率转换装置，例如直流-直流(DC-DC)转换器或交流-直流(AC-DC)转换器等在电气领域有着广泛的用途。目前，对于功率转换装置的设计，通常都采用三相二电平系统。在典型的功率转换设备中，需要使用多个同样的模块来实现整体的功能。因此，模块化设计在功率转换设备中得到了广泛的应用。通过模块化设计，仅需要改变模块的数量就可以对整个设备的性能进行调节。另外，由于各个模块之间性能和结构的一致性，就可以很容易地构建标准系统结构。通过大规模采购同样零件，设备的总体成本也可以得到有效控制。相应地，存货管理、服务流程以及对技术人员和用户的培训也可以得到进一步的优化。采用模块化设计，可以使得产品的设计周期快捷，产品的可靠性也从快速的设计周期中得到提高。典型的功率转换模块通常包括消耗功率的部件，例如半导体原件和电阻等，这些消耗功率的部件通常直接安装在金属散热器上，使得这些部件与散热器的热交换界面直接相连，以保证良好的散热效果。功率转换模块还包括功率半导体部件。在一个功率转换模块中可以包括单个、两个或是六个功率半导体部件，多个半导体部件之间经过通用DC母线连接到正极和负极极柱。对于DC-AC转换模块，将多个功率半导体部件连接为可以提供三相输出的交流信号。功率半导体的操作可以通过门驱动电路提供的驱动信号进行通断。如上所述，为了提高功率转换设备设计的效率，就需要构建出模块化的功率转换模块。
发明内容根据本实用新型的一种优选实施方式，提供了一种功率模块，包括至少一个功率电路；风扇组件，以可拆卸的方式安装在功率电路上；该功率电路进一步包括半导体转换部件，将由直流母线输入的直流信号转换成交流信号，并通过交流母线输出；过滤半导体转换部件输出的交流信号的多个滤波器部件，设置在交流母线上；位于直流侧的射频干扰抑制部件；在系统故障的时候断开输入或输出线路的保护部件，设置在直流母线或交流母线中至少一个上；以及为功率模块提供电源的供电端，与半导体转换部件相连接。这种模块的优点在于，其设计使得制造商可以对零件的配置合理化，制造过程标准化，获得更高质量的产品以及削减生产成本。并且，还给提供维护等服务的供应商提供了便利，例如仅需要配有单个备用功率模块而不需准备多个备用零件，维护操作的过程简单快速。使用这种标准化的模块，可以使得制造商有更多的精力投入产品的升级设计。根据本实用新型的另一个优选具体实施方式
，其中该功率模块中还包括至少一个控制器，该控制器探测直流母线和交流母线上传输的信号，并基于所探测到的信号，对一个或多个功率电路提供相应控制信号。根据本实用新型的另一个优选具体实施方式
，其中所述滤波器组件包括PWM滤波器和线性滤波器以及正弦滤波器和射频干扰滤波器。根据本实用新型的另一个优选具体实施方式
，其中所述保护部件是设置在直流母线和交流母线上的熔丝保护装置；所述供电部件包括用于直流母线电容的软充电电路。根据本实用新型的另一个优选具体实施方式
，其中该半导体转换部件是IGBT器件。根据本实用新型的另一个优选具体实施方式
还包括电流回路，该电流回路与控制器相连，在控制器发现故障的时候将功率模块断开。根据本实用新型的另一个优选具体实施方式
，该功率模块还包括壳体，用于将功率电路和风扇封装在其中；在该壳体至少一个面上设置有通风口 ；该壳体包括至少一个可以拆卸的面板。其中，功率电路和风扇的一体化部件可以通过可拔插的部件安装在壳体上。这种可拔插功率电路设计的优点在于，为制造、安装和更换提供了实际和便捷的方式。根据本实用新型的另一个优选具体实施方式
，其中在该壳体上还设置有显示组件，与功率电路相连，用于显示功率模块的标示以及功率模块的工作状态；至少一个通信端口，与功率电路相连，用于跟其他设备进行通信；辅助电源接口，外部辅助电源可以通过该接口与功率电路相连接；并且该壳体的外表面为粗糙不平的。其中，将显示部件配置为不必依赖于主控制器的处理，而可以直接提供关于模块状态信息的显示。该功率模块还包括可设置的开关，用于标示各个功率模块，通过将产生的每个模块事件标示出所属于哪个模块，将各事件与其模块相对应。此时，各个模块仍旧保持标准状态。最后，该使用安全电流环路以提供快速独立的系统关闭。使得在系统中的全部模块在总控制器的控制下立即关闭，或是在需要关闭系统的时候关闭任意一个模块。根据本发明的一个实施例，提供包括多个功率模块的功率变换系统，其中功率模块包括至少一个功率电路；风扇组件，以可拆卸的方式安装在功率电路上；半导体转换部件，将由直流母线输入的直流信号转换成交流信号，并通过交流母线输出；过滤半导体转换部件输出的交流信号的多个滤波器部件，设置在交流母线上；位于直流侧的射频干扰抑制部件；在系统故障的时候断开输入或输出线路的保护部件，设置在直流母线或交流母线中至少一个上；为功率模块提供电源的供电端，与半导体转换部件相连接；至少一个探测直流母线和交流母线上传输的信号，并基于所探测到的信号对一个或多个功率电路提供相应控制信号的控制器。所述多个功率模块之一的控制器被指定为主控制器；所述控制器通过设置在交流母线上的电流或电压感应元件检测每个功率模块的工作电压或工作电流，并且根据检测结果执行智能控制以便提高所述多个功率模块的并行处理能力。
本实用新型的这些和其他方面将从下面参照附图的详细描述中变得显而易见，其中图1示出了依照本实用新型优选实施例的一种功率模块的电路结构示意图；图2A和2B示出了依照优选实施例安装的功率模块示意图，以及图3A和;3B示出了依照优选实施例的功率模块的内部结构。
具体实施方式
通常，直流-交流(DC-AC)转换器被称为逆变器(inverter)，这是一种把直流电转变成交流电的电力设备。它通常由逆变桥、控制器和滤波电路组成，广泛适用于家用电器以及工业设备等领域。电压型逆变器的典型工作方式是在任何时刻都有不同相的三只主管导通，每次换相都是在同一相上下两个桥臂间进行的。图1示出了依照本实用新型优选实施方式的一种功率转换模块的示意性电路框图。为了实现良好的性能，在本优选实施方式中描述的模块电路集成了多个电路元件。下面将依照附图描述该模块。直流电通过直流熔丝保护11和11’通过射频干扰(RFI)抑制器件10进入功率转换模块。该射频干扰抑制部件可以显著地降低本地产生的电磁辐射。直流母线分为三条支路，每条支路上设置有两个半导体器件13，例如IGBT器件。图中共有分为三组的六个半导体器件，每条支路上的两个半导体器件13对应于交流电的一相，通过图中没有示出的选通驱动器，使得同一相中的两个半导体器件交替导通。使得半导体器件输出的信号为三相交流信号。如图所示，在输出AC信号的线路上设置有功率滤波电抗器15，软充电电路14，滤波器16以及保护机构11”，例如交流熔丝。将作为保护机构的交流和直流熔丝保护都安装在容易更换和探测的位置，以方便维护操作。每个功率模块中都设置有控制器110，在功率转换系统中采用多个功率模块的情况下，将指派一个控制器为系统的主控制器。各个控制器可以显示功率模块的状态以及对各自模块操作进行控制。功率转换模块中还设置有电流环路18和与外部设备进行通信的通信控制端口 17。附加电源19用于在故障情况下给本模块提供电能。主控制器110所产生的信号电流(例如IOmA)将经过电流环路18流过系统中配置的每个功率模块。在每个功率模块中观察此信号电流是否存在，并可以在出现故障的时候中断此信号电流。如果发现信号电流消失，部分或所有的功率模块将在一定时间(例如小于IOys)内关闭。依照这样的方式，可以在出现故障的时候主控制器可以紧急关闭系统内配置的各个模块。主控制器还可以在与特定模块的通信线路出现问题的时候，将相应的模块关闭。通信控制端口 17使用多电平通信协议，以在各个模块之间进行有优先级的通信。本实施例的功率转换模块中还集成设置有风扇单元12。风扇单元12设置为靠近主要发热设备如IGBT管13，以提高模块整体的散热性能。在本实施例的功率转换模块中，将电源和信号连线设置为便于安装的形式。在交流母线上还设置有脉宽调节滤波器111，以使得该模块可以输出正弦电压。通过集成的软充电电路14，使得该模块可以直接与交流电源相连。在交流母线上还设置有线性电抗112，以避免滤波电容器和其他系统电容器之间的共振相互作用。通过设置在交流母线上的电流或电压感应元件113，控制器可以探测到当前模块的工作电压或工作电流，并根据探测到的参数执行智能保护和独立控制，从而提高并行处理能力。如图1所示，优选实施例中的功率转换模块已经包括了可以有效地削弱本地辐射的射频干扰抑制元件。由于在每个模块中已有独立的抗电磁干扰元件，因此就不需要设置针对整个系统的整体电磁兼容滤波器。图2A和2B示出了依照本实用新型优选实施例的功率转换装置的外部结构示意图。优选使用表面粗糙的金属材料制造该壳体22，以便于用户操作，并且可以给内部电子设备良好的接地以及保护。如图2A所示，在壳体的表面上设置有冷却空气入口 21。如图2B所示，依照本实用新型的功率转换模块就设置在壳体内与冷却空气入口 21对应的位置。图2A所示的壳体上，具有可拆卸的前盖23，便于用户打开并维护设置在壳体内的功率转换电路部件和风扇。优选地将在功率转换模块中的可拆除风扇组件12设置在便于通过前盖23进行操作的位置，例如靠近前盖23。根据在实际工作中的需要，只要便于操作内部的功率电路和风扇部件，壳体上可拆卸的面板也可以处于其他位置，例如背面或侧面寸。功率转换模块壳体上还设置有电源组件M，为整个模块提供直流电和交流电的连接。壳体前面板上的显示部件25可用于设置和显示模块的标示号码(例如与设备一一对应的ID号)，并且显示功率模块的工作参数和状态。这样，不用打开前盖23，通过观察显示部件上的模块参数和状态就可以迅速识别并确定模块的工作情况。废气出口沈设置在壳体背部，从前端冷却空气入口 21进入的空气将从这里流出。在壳体的顶部还设置有通信端口 27，用于与其他功率模块或各种控制设备相连接并进行通在壳体的前面设置附加电源接口 28，用于连接后备电源。在主电源出现故障的时候，将通过后备电源供电以维持模块的工作。图3A和;3B进一步示出了功率模块部中各个电气/机械元件的设置方式。如图3A所示，功率模块中包括给直流母线电容器32，以及为该电容器设置的电阻31，该电阻为相对于电容器对称设置的一对。功率模块中还包括直流母线33，用于本地直流母线的电容34，设置在直流母线一侧的电流传感器35，半导体驱动器电路板36、用于脉宽调节滤波器的电感器37、线路接触器38以及用于滤波器的电容器39。其中，线路接触器38用于给模块提供与电源的单独连接。图3B进一步示出散热机构311以及软充电电阻312。基于阅读上述说明书，本领域技术人员可以构思出上述优选实施方式之外的其他变形方式。但本实用新型的保护范围应根据下面所附的权利要求而不是上述优选实施例而确定。本实用新型的权利要求书的保护范围应包括与上述实施方式所体现的整体构思属于同一构思内的所有变形方式。
权利要求1.一种功率模块，包括 至少一个功率电路；风扇组件，以可拆卸的方式安装在功率电路上； 该功率电路进一步包括半导体转换部件，将由直流母线输入的直流信号转换成交流信号，并通过交流母线输出；过滤半导体转换部件输出的交流信号的多个滤波器部件，设置在交流母线上； 位于直流侧的射频干扰抑制部件；在系统故障的时候断开输入或输出线路的保护部件，设置在直流母线或交流母线中至少一个上；以及为功率模块提供电源的供电端，与半导体转换部件相连接。
2.根据权利要求1所述的功率模块，其中该功率模块中还包括至少一个探测直流母线和交流母线上传输的信号，并基于所探测到的信号对一个或多个功率电路提供相应控制信号的控制器。
3.根据权利要求1所述的功率模块，其中所述滤波器部件包括PWM滤波器和线性滤波器以及射频干扰抑制部件。
4.根据权利要求1所述的功率模块，其中所述保护部件是设置在直流母线和交流母线上的熔丝保护装置； 所述功率电路包括软充电电路。
5.根据权利要求1所述的功率模块，其中 该半导体转换部件是IGBT器件。
6.根据权利要求2所述的功率模块，还包括与控制器相连并且在控制器发现故障的时候将功率模块断开的电流回路。
7.根据权利要求1所述的功率模块，还包括壳体，用于将功率电路和风扇封装在其中； 在该壳体至少一个面上设置有通风口； 该壳体包括至少一个可以拆卸的面板。
8.根据权利要求7所述的功率模块，其中在该壳体上还设置有与功率电路相连并且显示功率模块的标示以及功率模块的工作状态的显示组件； 与功率电路相连并且跟其他设备进行通信的至少一个通信端口 ； 辅助电源接口，外部辅助电源可以通过该接口与功率电路相连接；并且该壳体的外表面为粗糙不平的。
9.一种包括多个如权利要求2所述的功率模块的功率变换系统，其中 所述多个功率模块之一的控制器被指定为主控制器；所述控制器通过设置在交流母线上的电流或电压感应元件检测每个功率模块的工作电压或工作电流，并且根据检测结果执行智能控制以便提高所述多个功率模块的并行处理能力。
10.根据权利要求9所述的功率变换系统，还包括 开关，用于标示每个功率模块。
专利摘要本实用新型提供了一种功率模块，包括至少一个功率电路，以可拆卸的方式与安装至功率电路的风扇组件。其中，该功率电路还包括半导体转换部件，用于将直流母线输入的直流信号转换成交流信号，并通过交流母线输出。该功率电路还在交流母线上配置有滤波器部件，用于过滤半导体转换部件输出的交流信号。在直流母线或交流母线中至少一个上设置保护部件，在系统故障的时候断开输入或输出线路或二者。此外，设置为功率模块提供电源的供电部件。
文档编号H05K7/20GK202172365SQ20102050212
公开日2012年3月21日 申请日期2010年8月19日 优先权日2010年8月19日
发明者默里·波蒂厄斯 申请人:Abb有限公司