功率模块的制作方法

本实用新型涉及一种功率模块。

背景技术：

在变流器、逆变器等电气设备中，功率元件模块的稳定性和可靠性至关重要，尤其是当应用在风电、光伏等设备中时，由于这些设备主要在诸如大西北等恶劣的环境中使用，因此电气设备在运行过程中会受到风沙雨雪等外部杂质的污染或腐蚀，会在绝缘材料表面形成泄漏电流路径。若这些泄漏电流路径构成一条导电通路，则出现表面闪络或击穿现象。绝缘材料的这种变化需要一定的时间，它是由长时间加在器件上的工作电压所引起的，器件周围环境的污染能加速这一变化。

此外，由于工作环境相对恶劣，高发热量可能会使电气设备的寿命大大降低，因此对功率元件模块自身的散热效果、设备周边环境的温度及设备安装场所的面积都有着更为高层次的要求。

因此，需要一种具有良好的绝缘性能和散热效果、同时可控制制造成本且便于后期维护的功率模块。

技术实现要素：

为了解决功率元件模块的绝缘性能差和散热效果不佳等问题，本实用新型提供一种具有良好的绝缘性能和散热效果、同时可控制制造成本且便于后期维护的功率模块。

本实用新型的一方面提供一种功率模块，所述功率模块包括：功率元件；导电排，设置在所述功率元件的两侧，用于将所述功率元件与外部部件电连接；散热装置，设置在所述功率元件的至少一侧，其中，设置在所述功率元件的所述至少一侧的所述导电排位于相应的散热装置与所述功率元件之间；以及绝缘紧固件，在所述散热装置设置在所述功率元件的一侧的情况下，所述绝缘紧固件将设置在所述功率元件的一侧的所述散热装置与设置在所述功率元件的另一侧的所述导电排彼此固定连接；在所述散热装置设置在所述功率元件的两侧的情况下，所述绝缘紧固件将设置在所述功率元件的两侧的所述散热装置彼此固定连接，使得所述功率元件被夹紧在其两侧的所述导电排之间。

优选地，所述绝缘紧固件可包括紧固构件、第一隔离件和第二隔离件，所述第一隔离件和所述第二隔离件具有中空结构，并且套在所述紧固构件上，使所述紧固构件与所述功率元件、所述导电排以及所述散热装置之间电绝缘。

优选地，所述第一隔离件和所述第二隔离件可均为T形，且可包括直径较小的杆部和直径较大的头部，所述第一隔离件和所述第二隔离件的头部可开设有至少一个槽，用于增加所述紧固构件与所述散热装置之间的爬电距离，所述槽可沿着圆周方向延伸，在所述槽为多个的情况下，多个所述槽可在径向方向上相互间隔开。

优选地，所述第一隔离件的杆部和所述第二隔离件的杆部可彼此接合。

优选地，所述第一隔离件的杆部的端部和所述第二隔离件的杆部的端部可相互套接。

优选地，所述绝缘紧固件可包括绝缘螺栓和紧固螺母，或者可包括绝缘螺杆和紧固螺母，在所述绝缘螺栓以及紧固螺母上可开设有至少一个槽，所述槽可沿着圆周方向延伸，在所述槽为多个的情况下，多个所述槽可在径向方向上相互间隔开。

优选地，所述功率模块还可包括绝缘壳体，所述绝缘壳体可包括第一绝缘侧壁、第二绝缘侧壁和散热挡板，所述第一绝缘侧壁和所述第二绝缘侧壁可围绕所述功率模块的内部带电组件，并可形成进风口和出风口，所述散热挡板可覆盖在所述进风口和所述出风口上。

优选地，所述散热挡板可通过绝缘固定件固定到所述散热装置上。

优选地，在所述第一绝缘侧壁与所述散热装置中的一者上可设置有突起部，在所述第一绝缘侧壁与所述散热装置中的另一者上可设置有用于卡住所述突起部的卡槽。

优选地，所述功率模块还可包括定位构件，所述定位构件可限制所述功率元件和/或所述导电排的安装位置。

根据本实用新型的功率模块可具有镜像安装的散热结构，使得功率元件可双面散热，增加散热体积，降低散热成本。

根据本实用新型的功率模块可通过绝缘紧固件将镜像安装的散热结构彼此紧固连接，以将功率元件夹持在中间，无需用于固定功率元件的另外的连接构件，可节约材料成本，提高人工安装效率。

根据本实用新型的功率模块的绝缘紧固件具有绝缘隔离结构，可提高绝缘性能，避免功率元件的正负极短路，并且其结构简单，便于制造。

根据本实用新型的功率模块的绝缘紧固件具有槽，可增加爬电距离，延长绝缘紧固件的使用寿命，大幅提升绝缘等级。

根据本实用新型的功率模块的散热风扇单元直接安装在散热结构的前端，对功率元件直接散热，可降低风阻，提高风扇的利用率，便于后期的维护与安装。

根据本实用新型的功率模块的绝缘壳体与内部带电组件绝缘隔离，提高安全性，并且便于操作和维护。

附图说明

图1是示出根据本实用新型的功率模块的立体图；

图2是示出根据本实用新型的沿图1的A-A’线截取的功率模块的内部截面图；

图3是示出根据本实用新型的沿图1的B-B’线截取的功率模块的内部截面图；

图4是示出根据本实用新型的功率模块的第一示例的绝缘紧固件的第一隔离件与第二隔离件的结合的示意图；

图5是示出根据本实用新型的第一示例的绝缘紧固件的第二隔离件的示意图；

图6是示出根据本实用新型的第一示例的绝缘紧固件的第一隔离件的示意图；

图7是示出根据本实用新型的第一示例的绝缘紧固件的第一隔离件的头部结构的示意图；

图8是示出根据本实用新型的功率模块的第二示例的绝缘紧固件的示意图；

图9是示出根据本实用新型的功率模块的第三示例的绝缘紧固件的示意图；

图10是示出根据本实用新型的功率模块的壳体的绝缘侧壁的示意图；

图11是示出根据本实用新型的安装有散热风扇单元的功率模块的立体图。

附图标号说明：

100：功率模块，110：功率元件，120：导电排，130：散热装置，140、 240、340：绝缘紧固件，141：紧固构件，142：第一隔离件，143：第二隔离件，241：绝缘螺栓，242、342：紧固螺母，341：绝缘螺杆，150：定位构件， 160：绝缘壳体，161：第一绝缘侧壁，162：第二绝缘侧壁，163：散热挡板， 164：绝缘固定件，200：散热风扇单元。

具体实施方式

这里描述的特征可按照不同的方式实施，并且将不被解释为局限于这里所描述的示例。更确切地说，已经提供这里所描述的示例，使得本实用新型是彻底的和完整的，且将把本实用新型的全部范围传达给本领域的普通技术人员。

在下文中，将参照图1至图11详细说明本实用新型的功率模块。

如图1和图2所示，根据本实用新型的功率模块100包括功率元件110、导电排120、散热装置130以及绝缘紧固件140。

功率元件110可以是诸如晶闸管等的功率元件，但是不限于此，其也可以是场效应管、双极性晶体管等的任何需要对其进行散热的高损耗器件。尽管图中示出功率元件110为两个的情况，但是功率元件110的个数不受具体限制，其可以为任意个。

导电排120可设置在功率元件110的两侧，用于将功率元件110的正负极分别与外部部件电连接。

散热装置130可设置在功率元件110的至少一侧，例如，如图2中所示，可在功率元件110的两侧均设置散热装置130。散热装置130可对称地设置在功率元件110的作为正负极的散热面的两侧上。为了提高散热效果，散热装置130可以包括多个散热片或散热肋。例如，如图2所示，散热装置130 可以是具有多个散热片的梳状散热器，显然也可以是其他类型的散热结构。散热装置130可利用铝等具有良好的散热特性的材料形成。

在散热装置130设置在功率元件110的两侧的情况下，导电排120可介于功率元件110与散热装置130之间，在此，导电排120可用作功率元件110 的外部电连接装置，同时用作将功率元件110的热量传递给散热装置130的散热基板。然而，导电排120的设置方式不限于上述构造，例如，其也可与散热装置130一体地形成。

可通过绝缘紧固件140连接散热装置130和导电排120，以固定功率元件110。具体地，在散热装置130设置在功率元件110的一侧的情况下，绝缘紧固件140可将设置在功率元件110的一侧的散热装置130与设置在功率元件110的另一侧的导电排120彼此固定连接，使得功率元件110被夹紧在其两侧的导电排120之间，在散热装置130设置在功率元件110的两侧的情况下，绝缘紧固件140可将设置在功率元件110的一侧的散热装置130与设置在功率元件110的另一侧的散热装置130彼此固定连接，使得功率元件110 被夹紧在其两侧的导电排120之间。

具体来说，如图2至图6所示，绝缘紧固件140可包括紧固构件141、第一隔离件142和第二隔离件143。紧固构件141可包括螺杆和螺母或者螺栓和螺母。第一隔离件142和第二隔离件143可具有中空结构，以套在紧固构件141上，使得紧固构件141与周围的其他部件之间电绝缘，避免紧固构件141将功率元件110的正负极导通，尤其是在紧固构件141为导电体的情况下。第一隔离件142和第二隔离件143可利用绝缘材料形成，以确保设置在其内部的紧固构件141的电绝缘。

具体地，第一隔离件142用于使紧固构件141的第一端与位于相应一侧的散热装置130以及导电排120绝缘，第二隔离件143用于使紧固构件141 的第二端与位于相应一侧的散热装置130以及导电排120绝缘。

第一隔离件142和第二隔离件143可形成为T形形状，包括头部和杆部，头部的直径大于杆部的直径。相应地，散热装置130和导电排120上可设置有供第一隔离件142和第二隔离件143的杆部穿过的通孔，并且第一隔离件 142和第二隔离件143的头部的直径可大于散热装置130的通孔的直径，使得当第一隔离件142和第二隔离件143的杆部穿过散热装置130的通孔时，第一隔离件142和第二隔离件143的头部可卡在散热装置130的通孔上。第一隔离件142和第二隔离件143的杆部可从散热装置130朝向功率元件110 穿过散热装置130上的通孔，使得头部卡设在散热装置130上，位于散热装置130的与功率元件110相对的另一侧。此外，如图5和图6所示，第一隔离件142和第二隔离件143的头部的端面的中央位置可形成用于容纳紧固构件141的螺母的凹入部。

第一隔离件142和第二隔离件143的杆部可具有彼此结合的结构，例如，第一隔离件142和第二隔离件143的杆部可相互对接并套设在一起。如图5 和图6所示，第一隔离件142的杆部的端部的内径可略大于第二隔离件143 的杆部的端部的外径，使得第一隔离件142的杆部可套在第二隔离件143的杆部的外部。

此外，如图5和6所示，第一隔离件142和第二隔离件143的头部的端面中可开设有至少一个槽，以增加紧固构件141到散热装置130的爬电距离，可延长第一隔离件142和第二隔离件143的使用寿命，大幅提高绝缘等级。至少一个槽可沿着圆周方向延伸，在槽为多个的情况下，多个槽可沿径向方向间隔布置。此外，槽可形成在用于容纳紧固构件141的螺母的凹入部周围。图7中示出了头部具有多个槽的第一隔离件142的立体图，第二隔离件143 的头部也可具有类似的结构。

在安装绝缘紧固件140时，可先将第一隔离件142和第二隔离件143分别卡设在两个散热装置130的通孔上，优选地使杆部彼此对接，以尽可能多地覆盖紧固构件141的外表面，然后将紧固构件141(例如，图2中所示的螺杆)穿过第一隔离件142和第二隔离件143的内部，并在第一隔离件142 和第二隔离件143的头部处进行紧固(例如，将螺母旋拧在螺杆的两端)，以将预先放置在两个散热装置130之间的功率元件110、导电排120等夹持在散热装置130之间。

优选地，可在每个功率元件110的外侧对称地设置两个绝缘紧固件140，以更牢固地将功率元件110夹持在散热装置130之间。

在上述结构中，可通过绝缘紧固件140将功率元件110和导电排120夹紧在散热装置130之间，因此，功率元件110可不需要通过另外的连接装置固定到散热装置130或导电排120。此外，由于绝缘紧固件140包括电绝缘的隔离件，因此，在对功率元件110通电时，避免了正负极经由紧固构件141 导通而引起短路。在这种情况下，制造紧固构件141的材料可以选择导电或非导电材料。

尽管上面描述了绝缘紧固件140包括电绝缘的隔离件和紧固构件的示例，但是根据本实用新型的绝缘紧固件140也可形成为其他构造。下面将参照图8和图9描述根据本实用新型的第二示例和第三示例的绝缘紧固件。

如图8所示，根据本实用新型的第二示例的绝缘紧固件240可包括绝缘螺栓241和紧固螺母242，绝缘螺栓241的杆部可形成有螺纹，可将绝缘螺栓241的杆部穿过位于功率元件110两侧的散热装置130以及导电排120上的通孔，绝缘螺栓241的头部卡设在散热装置130和/或导电排120的通孔上，将紧固螺母242旋拧在绝缘螺栓241的杆部的一端，通过旋拧紧固螺母242 将功率元件110的两端的散热装置130和导电排120紧固，从而将功率元件 110夹紧固定。绝缘螺栓241的头部可开设有至少一个槽，并且尽管图中未示出，但是紧固螺母242的端面上也可开设有至少一个槽，槽沿着圆周方向延伸，并且多个槽可在径向上相互隔开，以增大绝缘螺栓与散热装置130之间的爬电距离。

如图9所示，根据本实用新型的第三示例的绝缘紧固件340可包括绝缘螺杆341和两个紧固螺母342，可将绝缘螺杆341穿过散热装置130和/或导电排120的通孔，并将紧固螺母342旋拧到绝缘螺杆341的两端。类似地，紧固螺母342上也可开设有至少一个槽(未示出)，以增大爬电距离。

图8和图9中所示的绝缘螺栓241和紧固螺母242以及绝缘螺杆341和紧固螺母342可利用诸如尼龙等绝缘材料形成。

在上述结构中，导电排120和散热装置130可镜像安装在功率元件110 的两侧上，这样的结构可增加散热体积，降低散热成本，并且安装简便，可提高人工安装效率。

此外，如图2所示，根据本实用新型的功率模块100还可包括定位构件 150。定位构件150可设置在散热装置130与功率元件110之间，以在安装绝缘紧固件140之前，将功率元件110和导电排120定位在预设位置处，防止在安装绝缘紧固件140的过程中功率元件110和导电排120移位。

如图2中所示，定位构件150可以为插在功率元件110、导电排120和散热装置130之间的定位销，功率元件110、导电排120和散热装置130上可形成有相应的凹槽或孔，以容纳定位销。此外，定位构件150也可形成为可将功率元件110与导电排120之间以及导电排120与散热装置130之间相互卡合的定位槽和定位凸起。

功率元件110与导电排120之间以及导电排120与散热装置130之间的定位方式不限于上述构造，定位构件150可形成为各种形式，功率元件110 与导电排120之间以及导电排120与散热装置130之间可通过不同的方式进行定位，只要能够限制功率元件110和导电排120不会移位即可。

除了上述内部组件之外，根据本实用新型的功率模块100还可包括容纳上述内部组件的绝缘壳体160。

如图1所示，绝缘壳体160可包括第一绝缘侧壁161和第二绝缘侧壁162 以及散热挡板163。第一绝缘侧壁161和第二绝缘侧壁162可利用绝缘材料形成，以与内部带电组件电绝缘。

如图2和图10所示，相对地设置的一对第一绝缘侧壁161的内表面上可形成有突起部，相应地，散热装置130的侧部可设置有卡槽，可通过将第一绝缘侧壁161的突起部插入到散热装置130的卡槽中而将第一绝缘侧壁161 安装到散热装置130的侧部。可选地，也可在第一绝缘侧壁161上设置卡槽，并且在散热装置130的侧部设置突起部，只要能将彼此卡合在一起即可。此外，第一绝缘侧壁161也可通过诸如铆接等其他连接方式安装，只要确保内部组件与壳体外部电绝缘即可。

相对地设置的一对第二绝缘侧壁162可通过诸如螺栓等连接构件连接到第一绝缘侧壁161，以将内部带电组件包围在绝缘侧壁中。此外，类似地，第一绝缘侧壁161与第二绝缘侧壁162也可通过上述的突起部和卡槽的卡合连接方式进行连接。

在第一绝缘侧壁161和第二绝缘侧壁162包围内部带电组件的情况下，在相对的两侧形成开口，分别用作进风口和出风口。一对散热挡板163分别覆盖在进风口和出风口上。

一对散热挡板163可分别设置在散热装置130的两个散热面上，并且具有多个散热孔，以将功率模块内部的热排放到外部。散热挡板163可通过绝缘固定件164安装到散热装置130上，例如，绝缘固定件164可以是诸如尼龙螺栓等绝缘连接件。此外，绝缘固定件164可使散热挡板163与内部带电组件之间分开预定距离，以使散热挡板163不与内部带电组件接触。

在上述绝缘壳体160中，散热挡板163仅通过绝缘固定件164连接到内部带电组件，因此，即使在散热挡板163由金属材料形成的情况下，其也可与内部电绝缘，提高了整个功率模块的绝缘性能以及散热挡板163的设计自由度。

尽管上面描述了绝缘壳体160由四个绝缘侧壁(第一绝缘侧壁161和第二绝缘侧壁162)以及两个散热挡板163组成，但是绝缘壳体160的构造不限于此，例如，绝缘壳体160的绝缘侧壁也可形成为“C”形或“匚”形的两个侧部构件，两个侧部构件的开口可彼此对接，以形成将内部组件容纳在其中的四面包围结构，并且两个侧部构件的内表面上也可如上所述地形成连接到散热装置130的突起部或卡槽，在这种情况下，两个侧部构件的对接处可通过铆接、榫接等连接方式彼此连接，并且可彼此部分地叠置。

此外，根据本实用新型的功率模块100的外部可设置有散热风扇单元200。如图11所示，散热风扇单元200可安装在至少一个散热挡板163的外部，以加速热量的排放，进一步提高功率模块的散热效果。优选地，散热风扇单元 200可安装在功率模块100的前端(即，功率模块100的在被安装在设备中时面向外部的一侧)上，以便于后期操作和维护。作为示例，可将至少一个散热风扇固定在散热风扇单元的安装壳体中，安装壳体可通过诸如螺栓等连接构件安装到散热挡板163。优选地，散热风扇的位置可与功率元件110的位置一一对应，以更直接、快速地进行散热。

如上所述，根据本实用新型的功率模块可具有镜像安装的散热结构，使得功率元件可双面散热，增加散热体积，降低散热成本。

此外，根据本实用新型的功率模块可通过绝缘紧固件将镜像安装的散热结构彼此紧固连接，以将功率元件夹持在中间，无需用于固定功率元件的另外的连接构件，可节约材料成本，提高人工安装效率。

此外，根据本实用新型的功率模块的绝缘紧固件具有绝缘隔离结构，可提高绝缘性能，避免功率元件的正负极短路，并且其结构简单，便于制造。

此外，根据本实用新型的功率模块的绝缘紧固件具有槽，可增加爬电距离，延长绝缘紧固件的使用寿命，大幅提升绝缘等级。

此外，根据本实用新型的功率模块的散热风扇单元直接安装在散热结构的前端，对功率元件直接散热，可降低风阻，提高风扇的利用率，便于后期的维护与安装。

此外，根据本实用新型的功率模块的绝缘壳体与内部带电组件绝缘隔离，提高安全性，并且便于操作和维护。

虽然已示出和描述了本实用新型的一些实施例，但本领域技术人员应该理解，在不脱离由权利要求及其等同物限定其范围的本实用新型的原理和精神的情况下，可以对这些实施例进行修改。