专利名称：具有功率转换部件的环形电容器的制作方法
技术领域：
本发明涉及功率转换电子设备中用作DC链路电容器的环形因子电容器。具体而言，本发明涉及围绕所述电容器或在所述电容器内部放置功率开关装置的配置选择，其对于给定的电容器电流而言能够使电容器内部温度上升最小。较低的内部温度将会产生可靠性的改进。这些配置选择的优点的另一种陈述方式为，对于给定的温度上升允许更高的电流通过所述电容器。这些配置选择还使得DC链路电容器与半导体开关之间的电感连接比典型的现有技术中的更低。
背景技术：
在广泛应用的针对DC电压转换或DC到AC变换的功率转换技术中，典型的电路布置使用与开关半导体装置尽可能接近的电容器。该电容器用于减小从开关装置看来的DC 源的阻抗。出于以下多个原因需要该电容器。1)该电容器以所使用的开关频率给转换/变换开关提供电流。其从DC源去除了其他高频电流，这些高频电流通常对该源的寿命和可靠性是有害的。2)该电容器去除了由开关动作引起的大部分“噪音”并且有助于将“噪音”抑制在功率转换/变换界限以内。3)该电容器对开关的较低电感在开关断开期间降低了开关处的电压升高，而开关处的电压升高对于变换器/转换器设计者来说是主要问题。该电容器还存储能量，从而使得DC源的短时间中断不会使输出中断，但该功能与本发明无关。在功率转换/变换的已知技术领域中，用于该应用中的电容器称为“DC链路电容器”。通常根据必须由该电容器给开关提供的开关频率的AC电流的幅度以及应用DC源可接受的最大AC电流来决定这个电容器的尺寸。对于大功率转换系统，到2008年10月15日为止，商业上可获得的电容器卷绕机还不能够缠绕足够大的单个电容器元件来满足DC链路电容器的需求。通过将两个或更多个电容器绕组相互连接来制成适合的电容器以获得所期望的电压和AC电流承载需求。这可以由电容器制造商利用封装在具有用于连接至功率转换系统的至少一个端子对的金属或塑料容器之内的完整组件来实现。DC链路电容器还可以是由几个被适当配置的离散电容器组成的“组”。对于这两种实现方式(内部连接的电容器绕组，或外部连接的电容器)，几乎都不能够保证每个电容元件承载相同的电流，这是因为承载相同的电流意味着从开关半导体到每个电容器元件的连接的阻抗要相等。最接近开关(从而到开关的阻抗最小)的电容器绕组将承载不成比例的电流从而导致不成比例的发热。与开关半导体最接近的电容器将获得产生的AC电流的最大份额。现有技术对于组装的DC链路电容器实现方式的性能限制为，承载最多电流的电容器元件中的温度上升将限定整个电容器的电流承载能力；难以将电容器元件与开关半导体之间的电感最小化。对于用户组装的“电容器组”的DC链路电容器而言，也存在同样的问题，在组中位于最接近开关半导体的各个电容器将承载多于其份额的电流。这是因为，最接近的电容器将具有与电流源最短的距离并因此在电路中的阻抗最低。电容器的长期可靠性是电流负载条件下的电容器中最热点的函数。在此区域中将会出现薄弱点以及最终的故障。因此，电容器的长期可靠性将会是电容器中最热点的函数。
发明内容
在本发明中，DC链路电容器为环形因子(环状的)电容器。在本发明中，功率半导体开关的布置方式使得围绕电容器形状的区域更加均勻地分布开关电流。通过围绕环形形状更加均勻地分布电流，在任意一个连接点处的电流密度被附接到电容器的均勻布置的连接点的数量减小。这种在任意一个连接点处的减小的电流密度直接减小了电容器内的电流密度的不均勻性，结果是损耗更加均勻，并且对于给定的总电容器电流在任意点处的温度升高得以减小。本发明的一个优点在于对于给定的开关电流能够实现低的热耗散。本发明的另一个优点在于对于任意给定的电容器电流，DC链路电容器的长期可靠性得以增加；电容器可靠性为热点温度的函数平均每降低温度10°c将会使可靠性提高2倍。本发明的另一个优点在于其具有非常低的有效串联电感(ESI)。从电容器到开关的较短的距离导致了较低的电感，其降低了开关装置在断开时可见的电压过冲。由低的有效串联电感(ESI)提供的另一个相关优点在于可以消除对跨接在功率半导体开关的端子上的额外的缓冲电容器的需求。本发明的另一个优点在于其具有非常低的有效串联电阻(ESR)。电容器内更均勻的电流密度导致了较少的发热，其反映为较低的ESR。另一个优点在于简化的连接总线结构成为可能，并且可以针对重量、体积和成本降低来对其进行设计。本发明的另一个优点在于可以将连接到电容器的功率半导体开关布置在电容器的空心之内，并且可以对其进行配置使得电容器中的电流更加均勻地分布。该优点在于中央区域为布置功率半导体开关的有效位置并且将增大变换器的功率密度。本发明的另一个优点在于可以按照这样的方式对功率半导体开关进行配置，即，一对4角总线板可以配置有3个半导体开关和DC输入(如图8所示)，以降低成本、体积和重量。本发明的另一个优点(如图8所体现的)在于可以使用简单的技术来进行制作， 从而导致较低的成本和良好的可重复性。
图1为按照本申请中的介绍配置的具有单个功率转换部件的环形电容器的顶视图。图IB为图1中的电容器的截面的侧视图。图2为针对较低的温度上升进行配置的具有单个功率转换部件的环形电容器的顶视图。图3为针对较低的电感和较低的电容器温度上升进行配置的具有三个功率转换部件的环形电容器的顶视图。图4为示出了组件的一部分并且详细描述了安装在中心孔中并附接到冷却板的半导体开关芯片(die)的连接的环形电容器的截面侧视图。(集成的电容器/开关组件)图5为示出了组件的一部分并且详细描述了安装在中心孔中并与冷却板电绝缘的半导体开关芯片的连接的环形电容器的截面侧视图。(集成的电容器/开关组件)图6为针对较低的电感和较低的温度上升的具有围绕外部边缘等距离间隔开的三个功率转换部件的环形电容器的顶视图。图7为具有三个功率转换部件和DC输入的空间有效布置的环形电容器的顶视图。图8为利用偏移的汇流条(bus plate)进一步完善的图7的环形电容器的顶视图， 偏移的汇流条提供了电容器、三个功率转换部件与DC输入之间的方便连接。此图包括用于详细说明的放大的成角度的局部视图。图9为具有位于中心孔处的DC输入的针对较低的电感和较低的温度上升的具有围绕外部边缘等距离间隔开的三个功率转换部件的环形电容器的顶视图。
具体实施例方式在图1中示出了具有单个功率转换部件的金属化薄膜聚合物环形电容器。环形电容器主体101具有可变化的中心孔半径，使得功率转换部件102适合于具体的规格，为部件的上部端子104、下部端子103和输出端子105的留出必要空间。在图1中，利用典型的商业上可获得的功率转换部件来定位各端子以获得可能的最短路径。然后可以对环形电容器的外径和厚度进行选择，以实现用于功率转换应用的期望电容。在图IB中标示(address) 了环形电容器的厚度。将环形电容器101的深度制成与功率转换部件102的高度匹配，从而端子103和104能够保持用于与电容器连接的最短距离，并因此保持对该构造可能的最低连接电感。应当理解，所示功率转换部件仅是众多已有或者未来商业可用的、能够被类似地容纳在电容器中心孔内的功率转换部件中的一种。图2中的环形电容器示出了也处在电容器主体101的中心孔中的单个功率转换部件102。此示例中的上部端子104和下部端子103沿着环等间隔地分布。该布置不会提供最短的连接路径，但是将更好地对电容器电流进行分布，这将减小环形电容器的温度上升。
7同样，环形电容器的深度将与功率转换部件的高度匹配，如图IB所示。在这样确定了电容器的厚度和内径的情况下，外径可以改变以产生期望的电容。实际上，关于端子布置必须做出温度上升与较低的连接电感哪个对于应用而言更为重要的折衷决定。应当注意到，可以实现电容器宽度/形状的变化而仍旧符合电容器内更加均勻的电流密度的意图。根据应用，使用不止一个功率转换部件可能是有利的。在图3中示出了用于使得电容器温度上升和连接电感两者最小化的三相变换器的三点连接方法的示例。功率转换部件102位于环形电容器主体101的内孔中。由所使用的部件的尺寸来确定内孔的半径。在此实施例中，对部件定位以更好地分布电容器电流。这将使得环形电容器中的温度上升最小化。将环状物的深度与部件的高度进行匹配(如图IB所示)，这同样将得到利用对端子 104和103的连接来说可能的最短路径的优点，并因此还产生了最低的连接电感。应当理解，所示的部件的布置仅是任意数量或尺寸的能够被类似地容纳的商业上可获得的功率转换部件的一个示例。图4是示出了电容器和半导体开关集成为单个单元以获取比使用分离的、商业可获得的封装功率转换部件更好的空间效率的实施例的截面示图。半导体开关芯片106A和 106B表示通常包含在商业封装的半导体装置(诸如在图3中简化示出的，标号102)之内的部件的一部分或全部。这些部件位于环形电容器101的中心孔中。在此实施例中，一个半导体开关芯片106A直接连接到冷却板109，该冷却板109又直接连接到电容器的底面。实际上，半导体开关芯片106A变为在之前的附图中所提及的下部端子。由于连接到冷却板的第一半导体开关芯片106A，第二半导体开关芯片106B有必要与电活性(active)的冷却板电绝缘。这利用导热电绝缘材料层108来实现。半导体开关芯片106B连接到电容器的顶面111并且实际上成为之前的附图中所提及的上部端子。半导体开关芯片106B通过小导电铜板107连接到输出端子105。示出开关半导体驱动和返回接合线110和多发射极接合线113，以使得该附图更加清晰且可信。应当理解，此图示说明仅示出了本领域技术人员所知的功率转换部件的一部分。还应当理解，任意数量的部件可以被制作并用于图4所示并说明的环状物之中。图5是示出了电容器和半导体开关集成为单个单元以获取比使用分离的、商业可获得的封装功率转换部件更好的空间效率的另一实施例的截面示图。半导体开关芯片106A 和106B表示通常包含在商业封装的半导体装置(诸如在图3中简化示出的，标号102)之内的部件的一部分或全部。这些部件位于环形电容器101的中心孔中。在此实施例中，导热电绝缘层108覆盖电容器101与冷却板109之间的整个表面。通过小导电板114连接到电容器的半导体开关芯片106A实际上为之前的附图中所提及的下部端子。如图4所示，半导体开关芯片106B连接到电容器的顶面111并且实际上成为之前的附图中所提及的上部端子。半导体开关芯片106B通过小导电铜板107连接到输出端子105。示出开关半导体驱动和返回接合线110和多发射极接合线113，以使得该附图更加清晰且可信。应当理解，此图示说明仅示出了本领域技术人员所知的功率转换部件的一部分。还应当理解，任意数量的部件可以被制作并用于图5所示并说明的环状物之中。图6示出了一个不同的实施例，其中功率转换部件102围绕冷却板109上的电容器101的外圆周分布。在所示例说明的三项变换器示例中，所得到的电容器电流分布将围绕电容器外部圆周对称地间隔开。这可以在环状物直径较小的情况下产生与图1至图5所示实施例相同的电容值。将环状物的深度与部件的高度进行匹配(如图IB所示例)，这还将得到产生低电感的端子104和103的最短连接长度的优点。注意，端子103和104的连接长度在此实施例中比图3所示的连接长度稍短。还应当理解，所示的部件的布置仅是任意数量或尺寸的能够被类似地围绕电容器来定位以针对任意功率转换应用获得电容器中更均勻的电流密度的商业上可获得的功率转换部件的一个示例。图7的包围线给出了开关半导体102围绕环形电容器101的布置。这种布置能够更有效地利用功率转换包围体积的空间。在所示的情况下，电容器的外周长被功率转换部件和DC输入等分。DC输入端子115A和115B位于一个象限中，三个功率转换部件102位于其他三个象限中。开关部件102没有如图6所示的那样围绕整个电容器101均勻分布，但所得到的电容器电流分布仍旧比图1所示的更均勻，并且为了显著的空间效率增益进行的折衷最小。再次，环状物的深度与部件的高度匹配，从而上部端子104和下部端子103能够获得短连接长度(低电感)的优点。虽然附图示出了三相变换器和单个输入端子对，但是应当理解，可以类似地分布任意数量的部件或DC输入端子对，以在任意给定的空间效率布置内获取所述优点的优势。如上所述，根据所使用的部件和应用的需求来确定环形电容器的内外半径和深度。图8进一步完善了图7中所描述的部件的空间效率布置。包围线117限定了空间。电容器101被夹在两个汇流条之间。顶部汇流条118提供方便的方式来连接正极DC 输入115A和功率转换部件的正极端子。底部汇流条119提供方便的方式来连接负极DC输入115B和功率转换部件的负极端子。如上所述，根据所使用的部件和应用的需求来确定环形电容器的内外半径和深度。在图8中包括了详细说明功率转换部件102、电容器101以及顶部和底部汇流条118和119之间的连接的放大的成角度的视图。如图9所示，到组件的DC输入可以经由电容器101的中心孔附接，其中连接点均勻分布。正极DC输入115A附接到电容器的一侧，负极DC输入115B附接到电容器的另一侧。功率转换部件102围绕周长分布以利用如图6所描述的优势。为了进一步增大电容器的低温度上升的优点，到组件的负极DC输入115B可以使用冷却板109作为输入连接来连接，并因此能够在电容器的表面上均勻地分布电流。可以如上所述连接正极DC输入115A。 最终，DC输入连接可以成为附接到电容器的整个内圆周的圆盘形状。虽然附图示出了三相变换器，但是应当理解，任意数量的功率转换部件可以类似地围绕位于中央的DC输入分布以在电容器中实现最小的整体温度上升。如上所述，根据所使用的部件和应用的需求来确定环形电容器的内外半径和深度。虽然本文仅示例并描述了本发明的某些特征，但是对于本领域技术人员来说将会出现许多变型和改变。因此，应当理解，所附权利要求旨在涵盖所有落入本发明的实质精神之内的所有这些变型和改变。
权利要求
1.一种电气组件，其包括卷绕式薄膜电容器，所述薄膜电容器具有环形环状物的形式， 具有实质上大于该环状物的厚度的外径，具有位于所述电容器的相对端面上的导电触点， 具有被选择为容纳一个或多个电功率控制部件的内径，其中所述电功率控制部件位于所述电容器的内径中，并且其中所述电功率控制部件与所述电容器上的所述触点电连接。
2.根据权利要求1的电气组件，其中所述电容器的厚度被选择为提供位于所述电容器的相对端面上的电触点与位于所述电容器的内径中的一个或多个所述电功率控制部件之间可能的最短连接路径，以使得所形成的电路的总电感最小。
3.根据权利要求2的电气组件，其中使用从列表中所选择的方法来实现所述电容器的电触点与一个或多个所述电功率控制部件之间的电连接，所述列表包括但不限于印刷电路板或导电并导热的冷却板。
4.根据权利要求2的电气组件，其中围绕所述电容器的内圆周以规则的间隔分隔开从每个所述电功率控制部件到所述电容器上的电触点的连接点，以减小由通过所述电容器的电流所引起的温度上升。
5.根据权利要求2的电气组件，其中一个或多个导热并导电的板提供与所述电容器的一个端面或两个端面的电连接和热连接，并且其中所述电功率控制部件被适当地定位，以保持所述组件的全部功能。
6.根据权利要求2的电气组件，其中在一个或多个导热并导电的板之间布置电绝缘并导热的层，以便在所述电容器的一个端面或两个端面与所述导热并导电的板之间提供电绝缘，并且其中所述电功率控制部件被适当地定位，以保持所述组件的全部功能。
7.根据权利要求2的电气组件，其中所述电容器的每个端面上的多于一个的电触点围绕所述电容器的内圆周均勻分布，以减小所述电容器的温度上升。
8.根据权利要求2的电气组件，其中一个或多个导电并导热的端板连接到所述电容器的相对端面，其中所述端板实质上大于所述电容器的端面，其中定位所述端板以使其彼此偏移，其中所述端板具有延伸超过所述电容器的外圆周的外径的、用于连接到所述电功率控制部件的翼片或凸缘，并且其中所述电功率控制部件以保持所述组件的全部功能的方式固定到所述端板。
9.根据权利要求8的电气组件，其中设计所述电气组件以控制直流和交流电功率流两者，其中引入到该组件的直流电连接到所述端板上的一个或多个所述翼片或凸缘，以优化来自该组件中AC和DC的结合的热耗散。
10.根据权利要求9的电气组件，其中所述端板利用电绝缘并导热的层固定到一个或多个导热冷却板。
11.根据权利要求2的电气组件，其中通过位于所述电容器的第一端面上的内径中的电连接将直流电引入到所述组件，其中通过位于所述电容器的第二端面上的内径中的电连接将直流电从所述组件移除，其中直流电连接点围绕所述电容器的内圆周均勻分布，并且其中从列表中选择直流触点，所述列表包括但不限于电翼片阵列或圆盘状连续电极。
12.根据权利要求2的电气组件，其中通过由与所述电容器的一个端面接触放置的导电并导热的冷却板形成的电连接，将直流电引入到所述组件或从所述组件移除，其中通过位于所述电容器的相对端面上的内径中的电连接将直流电从所述组件移除或引入到所述组件，其中直流电连接点围绕所述电容器的内圆周均勻分布，并且其中从列表中选择直流触点，所述列表包括但不限于电翼片阵列或圆盘状连续电极。
13.一种电气组件，包括卷绕式薄膜电容器，所述薄膜电容器具有环形环状物的形式， 具有大于该环状物的厚度的外径，具有位于所述电容器的相对端面上的导电触点，其中一个或多个电功率控制部件围绕所述电容器环状物的外部圆周分布，并且其中所述电功率控制部件与所述电容器上的所述触点电连接。
14.根据权利要求13的电气组件，其中选择所述电容器的厚度，以提供位于所述电容器的相对端面上的电触点与围绕所述电容器的外圆周定位的一个或多个所述电功率控制部件之间可能的最短连接路径，以使得所形成的电路的总电感最小。
15.根据权利要求14的电气组件，其中使用从列表中所选择的方法来实现所述电容器的电触点与一个或多个所述电功率控制部件之间的电连接，所述列表包括但不限于印刷电路板或导电并导热的冷却板。
16.根据权利要求14的电气组件，其中围绕所述电容器的外圆周以规则的间隔分隔开从每个所述电功率控制部件到所述电容器上的电触点的连接点，以减小由通过所述电容器的电流所引起的温度上升。
17.根据权利要求14的电气组件，其中一个或多个导热并导电的板提供与所述电容器的一个或两个端面的电连接和热连接，并且其中所述电功率控制部件被适当地定位，以保持所述组件的全部功能。
18.根据权利要求14的电气组件，其中在一个或多个导热并导电的板之间定位电绝缘并导热的层，以便在所述电容器的一个或两个端面与所述导热并导电的板之间提供电绝缘，并且其中所述电功率控制部件被适当地定位，以保持所述组件的全部功能。
19.根据权利要求14的电气组件，其中所述电容器的每个端面上的多于一个的电触点围绕所述电容器的外圆周均勻分布，以减小所述电容器的温度上升。
20.根据权利要求14的电气组件，其中一个或多个导电并导热的端板连接到所述电容器的相对端面，其中所述端板实质上大于所述电容器的端面，其中定位所述端板以使其彼此偏移，其中所述端板具有延伸超过所述电容器的外圆周的外径的、用于连接到所述电功率控制部件的翼片或凸缘，并且其中所述电功率控制部件以保持所述组件的全部功能的方式固定到所述端板。
21.根据权利要求20的电气组件，其中设计所述电气组件以控制直流和交流电功率流两者，其中引入到所述组件的直流电连接到所述端板上的一个或多个所述翼片或凸缘，以优化来自所述组件中交流电和直流电的结合的热耗散。
22.根据权利要求21的电气组件，其中所述端板利用电绝缘并导热的层固定到一个或多个导热冷却板。
23.根据权利要求14的电气组件，其中通过位于所述电容器的第一端面上的内径中的电连接将直流电引入到所述组件，其中通过位于所述电容器的第二端面上的内径中的电连接将直流电从所述组件移除，其中直流电连接点围绕所述电容器的内圆周均勻分布，并且其中从列表中选择直流触点，所述列表包括但不限于电翼片阵列或圆盘状连续电极。
24.根据权利要求14的电气组件，其中通过由与所述电容器的一个端面接触放置的导电并导热的冷却板形成的电连接，将直流电引入到所述组件或从所述组件移除，其中通过位于所述电容器的相对端面上的内径中的电连接将直流电从所述组件移除或引入到所述组件，其中直流电连接点围绕所述电容器的内圆周均勻分布，并且其中从列表中选择直流触点，所述列表包括但不限于电翼片阵列或圆盘状连续电极。
全文摘要
一种由具有其他功率转换部件的环形电容器(闭路环形状的卷绕式金属化电介质电容器)的组件单元的形成将会允许较高密度的转换器设计(功率/单位体积)，其中所述其他功率转换部件是按照由环设计唯一允许的方式布置并附接的。电容器元件与开关半导体之间所得到的短的连接路径还提供了非常低的电感路径，其使得作为关断结果di/dt的开关半导体上的电压尖脉冲最小化。电容器作为开关半导体的短时间的电流源和吸收器。利用所描述的配置，可以使得由电容器所见的RMS电流更加体积均匀，从而能够实现更加均匀的温度上升。如所描述进行配置的单个电容器还减轻了在现有技术中当多个分立电容器并行连接时经常见到的总线共振问题。
文档编号H01G4/32GK102217013SQ200980145747
公开日2011年10月12日 申请日期2009年3月2日 优先权日2008年10月30日
发明者特里·霍斯金 申请人:埃德·索耶, 特里·霍斯金