功率模块及变流器的制作方法

本实用新型涉及风力发电设备技术领域，尤其涉及一种功率模块及变流器。

背景技术：

随着风力发电技术的发展，以及风火同价的度电成本压力，风力发电设备向兆瓦级以上容量不断发展，导致全功率变流器容量也随之不断扩大。在全功率变流器中，功率模块承担着将电机侧低频交流电整流成直流，和电网侧将直流逆变为工频正弦波并网的作用。

功率模块通常作为一个独立的组件使用，一方面便于组装生产和维护，另一方面，便于通过功率模块组件的并联实现容量的扩展。全功率风机变流器一般放置在塔筒或机舱中，但塔筒和机舱的尺寸都非常紧张，这就要求风电变流器必须具备非常高的功率密度。

在三电平功率模块组件中，由于存在中线点电位，直流母排为三层(直流正，中性点电位，直流负)，需要额外考虑由于换流回路杂散电感带来的电压应力，以及由于直流电容数量增加(三电平直流电容需要串联使用)，使得如何降低功率模块的尺寸，同时保证功率模块的功率密度成为一个亟待解决的问题。

因此，亟需一种新的功率模块及变流器。

技术实现要素：

本实用新型实施例提供一种功率模块及变流器，旨在降低功率模块尺寸的同时，还能够保证功率模块的功率密度。

本实用新型实施例一方面提供了一种功率模块，包括：散热器，在自身厚度方向上具有相对的第一表面和第二表面，在第一方向上具有相对的第一侧边和第二侧边；整流组件，在第一表面与第一侧边相邻设置，整流组件包括两个以上的整流IGBT模块，两个以上的整流IGBT模块沿第二方向间隔分布，第二方向与第一方向相交；逆变组件，设置于第一表面且在第一方向上与整流组件相继分布，逆变组件包括两个以上的逆变IGBT模块，两个以上的逆变IGBT模块沿第二方向间隔分布；支撑电容，连接于整流组件和逆变组件。

根据本实用新型的一个方面，支撑电容和散热器层叠设置，且支撑电容设置于散热器的第二表面。

根据本实用新型的一个方面，还包括：

叠层母排，叠层母排包括相互连接的第一叠层母排和第二叠层母排；

第一叠层母排连接于整流组件和逆变组件；

第二叠层母排连接于支撑电容，以使支撑电容通过第一叠层母排和第二叠层母排连接于整流组件和逆变组件。

根据本实用新型的一个方面，第二叠层母排和支撑电容层叠设置，且第二叠层母排设置于散热器和支撑电容之间。

根据本实用新型的一个方面，散热器还包括用于连接第一侧边和第二侧边的第三侧边；

第一叠层母排与第三侧边相邻的边缘弯折形成有第一连接片；

第二叠层母排与第三侧边相邻的边缘弯折形成有第二连接片；

第一叠层母排和第二叠层母排通过第一连接片和第二连接片连接。

根据本实用新型的一个方面，第一连接片和第二连接片均在散热器的厚度方向上与第三侧边相邻；

功率模块还包括连接母排，连接母排用于连接第一连接片和第二连接片，并设置于第一连接片和第二连接片远离散热器的一侧。

根据本实用新型的一个方面，第一叠层母排还包括层叠设置的两个以上的第一子连接排，每一个第一子连接排与第三侧边相邻的边缘弯折形成有第一子连接片，第一连接片由两个以上的第一子连接片层叠设置形成；

第二叠层母排还包括层叠设置的两个以上的第二子连接排，每一个第二子连接排与第三侧边的相邻的边缘弯折形成有第二子连接片，第二连接片由两个以上的第二子连接片层叠设置形成。

根据本实用新型的一个方面，第一叠层母排设置于整流组件和逆变组件远离散热器的一侧；

第一叠层母排至少部分地覆盖整流组件和逆变组件。

根据本实用新型的一个方面，还包括：平衡IGBT模块，用于控制中性点的电位，沿第二方向与逆变IGBT模块间隔设置，平衡IGBT模块连接于第一叠层母排，且第一叠层母排进一步覆盖平衡IGBT模块。

根据本实用新型的一个方面，每个整流IGBT模块均包括整流输出端，整流输出端由整流IGBT模块沿靠近第一侧边的方向延伸形成；

每个逆变IGBT模块均包括逆变输出端，逆变输出端由逆变IGBT模块沿靠近第二侧边的方向延伸形成。

本实用新型另一方面还提供了一种变流器，包括上述的功率模块。

在本实用新型实施例中，整流组件和逆变组件设置于同一个散热器的表面，且整流组件和逆变组件沿第一方向间隔分布，整流组件的整流IGBT模块沿第二方向间隔分布，逆变组件的逆变IGBT模块沿第二方向间隔分布，第二方向和第一方向不同，因此整流组件和逆变组件能够较为均匀地布置于散热器的第一表面，从而减小散热器的占据空间。且整流组件和逆变组件设置于同一散热器上，并在整流组件和逆变组件之间分离了支撑电容，使得散热器只要满足整流组件和散热组件的散热需求，散热器无需考虑支撑电容的位置和尺寸影响，能够进一步简化散热器的结构尺寸，降低散热器的生产制造成本，除此之外，散热器上仅需要设置一组冷却液进出接头即可同时满足整流组件和逆变组件的散热需求，降低了冷却液进出接头的数量，并降低了维修难度。因此本实用新型能够在降低功率模块尺寸的同时，还能够保证功率模块的功率密度，降低功率模块的生产制造成本和维修难度。

附图说明

通过阅读以下参照附图对非限制性实施例所作的详细描述，本实用新型的其它特征、目的和优点将会变得更明显,其中，相同或相似的附图标记表示相同或相似的特征。

图1是本实用新型实施例的一种功率模块的结构示意图；

图2是本实用新型实施例的一种功率模块的部分结构主视图；

图3是本实用新型实施例的一种功率模块的部分结构立体图；

图4是本实用新型实施例的一种功率模块的支撑电容的结构示意图；

图5是图1中I处的局部细节结构示意图。

附图标记说明：

100、散热器；110、第一表面；120、第二表面；130、第一侧边；140、第二侧边；150、第三侧边；

200、整流组件；210、整流IGBT模块；211、整流输出端；

300、逆变组件；310、逆变IGBT模块；311、逆变输出端；

400、支撑电容；

510、第一叠层母排；511、第一连接片；512、第一子连接排；513、第一子连接片；520、第二叠层母排；521、第二连接片；522、第二子连接排；523、第二子连接片；

600、连接母排；

700、平衡IGBT模块；710、平衡输出端。

具体实施方式

下面将详细描述本实用新型的各个方面的特征和示例性实施例。在下面的详细描述中，提出了许多具体细节，以便提供对本实用新型的全面理解。但是，对于本领域技术人员来说很明显的是，本实用新型可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本实用新型的示例来提供对本实用新型的更好的理解。在附图和下面的描述中，至少部分的公知结构和技术没有被示出，以便避免对本实用新型造成不必要的模糊；并且，为了清晰，可能夸大了部分结构的尺寸。此外，下文中所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。

下述描述中出现的方位词均为图中示出的方向，并不是对本实用新型的实施例的具体结构进行限定。在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可视具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

为了更好地理解本实用新型，下面结合图1至图5根据本实用新型实施例的功率模块及变流器进行详细描述。

图1为本实用新型实施例提供的一种功率模块，包括：散热器100，在自身厚度方向上具有相对的第一表面110和第二表面120，在第一方向上具有相对的第一侧边130和第二侧边140；整流组件200，在第一表面110与第一侧边130相邻设置，整流组件200包括两个以上的整流IGBT模块210，两个以上的整流IGBT模块210沿第二方向间隔分布，第二方向与第一方向相交；逆变组件300，设置于第一表面110且在第一方向上与整流组件200相继分布，逆变组件300包括两个以上的逆变IGBT模块310，两个以上的逆变IGBT模块310沿第二方向间隔分布；支撑电容400，连接于整流组件200和逆变组件300。

在本实用新型实施例中，整流组件200和逆变组件300设置于同一个散热器100的表面，且整流组件200和逆变组件300沿第一方向间隔分布，整流组件200的整流IGBT模块210沿第二方向间隔分布，逆变组件300的逆变IGBT模块310沿第二方向间隔分布，第二方向和第一方向不同，因此整流组件200和逆变组件300能够较为均匀地布置于散热器100的第一表面110，从而减小散热器100的占据空间。且整流组件200和逆变组件300设置于同一散热器100，并在整流组件200和逆变组件300之间分离了支撑电容400，使得散热器100只要满足整流组件200和散热组件的散热需求，散热器100本身的尺寸位置设计无需考虑支撑电容400的影响，能够进一步简化散热器100的结构，降低散热器100的生产制造成本，除此之外，当散热器100为液冷方式进行冷却时，散热器100上仅需要设置一组冷却液进出接头即可同时满足整流组件200和逆变组件300的散热需求，降低了冷却液进出接头的数量，并降低了维修难度。因此本实用新型能够在降低功率模块尺寸的同时，还能够保证功率模块的功率密度，降低功率模块的生产制造成本和维修难度。

其中，第一方向和第二方向的具体设置方式在此不做限定，优选的第一方向和第二方向相互垂直，使得整流IGBT模块210和逆变IGBT模块310能够更加均匀地分布于散热器100的第一表面110。第一方向可以为图1中的Z方向，第二方向可以为图1中的X方向。请一并参阅图2，整流组件200包括三个整流IGBT模块210，逆变组件300包括三个逆变IGBT模块310，整流IGBT模块210沿X方向间隔分布，逆变IGBT模块310沿X方向间隔分布，整流组件200和逆变组件300沿Z方向间隔部分，使得整流IGBT模块210和逆变IGBT模块310沿Z方向一一对应并间隔分布，使得整流IGBT模块210和逆变IGBT模块310成行成列分布，能够最大化减少整流组件200和逆变组件300共同占据的面积，从而有效减小散热器100的体积，降低功率模块的体积，同时还能够保证各IGBT模块之间的间距，提高散热效果。

进一步的，相同相位的整流IGBT模块210和逆变IGBT模块310沿Z方向对应设置，进一步减小相同相位的整流IGBT模块210和逆变IGBT模块310之间的间距，减少相同相位的整流IGBT模块210和逆变IGBT模块310之间连接电缆的用量，也能够防止连接电缆交叉布置而引起的电缆相互缠绕。

当功率模块应用于变流器，尤其是应用于风力发电机的变流器时，Z方向为竖直方向，功率模块沿竖直方向布置于风力发电机变流器内。由于风力发电机变流器的电机侧进线从叶轮的风力发电机引出，即变流器的交流进线位于变流器机柜的顶部；风力发电机变流器的电网侧出线引出至箱式变压器，即变流器的交流出线位于柜体底部，整个变流器柜体内部的电路为上进下出的形式，采用本实施例的功率模块，使得发电机的电流直接从整流组件200流入，从逆变组件300流出，能够有效减小电流流通路径，提高电流流通效率。

请一并参阅图3，在一些可选的实施例中，每个整流IGBT模块210均包括整流输出端211，整流输出端211由整流IGBT模块210沿靠近第一侧边130的方向延伸形成；每个逆变IGBT模块310均包括逆变输出端311，逆变输出端311由逆变IGBT模块310沿靠近第二侧边140的方向延伸形成。在这些可选的实施例中，整流输出端211和逆变输出端311分别朝向不同的方向延伸，当功率模块应用于变流器时，由于整个变流器柜体内部的电路为上进下出的形式，更加便于将功率模块接在变流器中，并便于接线。

可以理解的是，整流输出端211可以直接由整流IGBT模块210在Z方向上向靠近第一侧边130的方向延伸形成。优选的，为了预留出足够的接线空间，整流输出端211由整流IGBT模块210沿Y方向延伸预设距离后，继续在Z方向上向靠近第一侧边130的方向延伸形成。同理，逆变输出端311由逆变IGBT模块310沿Y方向延伸预设距离后，继续在Z方向上向靠近第二侧边140的方向延伸形成。

支撑电容400的设置位置在此不做限定，在一些可选的实施例中，支撑电容400和散热器100层叠设置，且支撑电容400设置于散热器100的第二表面120。在这些可选的实施例中，支撑电容400和整流组件200、逆变组件300沿图1中Y方向上的高度往往不同，当支撑电容400和整流组件200、逆变组件300位于同一平面时，会造成空间的浪费，支撑电容400和散热器100层叠设置，支撑电容400设置于散热器100的第二表面120，能够进一步优化功率模块的体积，有效利用空间，提高功率模块的功率密度。

请一并参阅图4，在一些可选的实施例中，功率模块还包括：叠层母排，叠层母排包括相互连接的第一叠层母排510和第二叠层母排520；第一叠层母排510连接于整流组件200和逆变组件300；第二叠层母排520连接于支撑电容400，以使支撑电容400通过第一叠层母排510和第二叠层母排520连接于整流组件200和逆变组件300。

在这些可选的实施例中，叠层母排分为第一叠层母排510和第二叠层母排520，第一叠层母排510用于连接整流组件200和逆变组件300，第二叠层母排520用于连接第一叠层母排510和支撑电容400，从而使得支撑电容400连接于整流组件200和逆变组件300。其中，第二叠层母排520上的电流会流入第一叠层母排510，第一叠层母排需要满足整流组件200、逆变组件300和支撑电容400的电流流量需求，而第二叠层母排520上仅流过支撑电容400的电流，由于电流流量和叠层母排的面积呈正比，当电流流量降低后，第二叠层母排520的厚度可以设计的更薄，节约重量及成本。除此之外，由于杂散电感和叠层母排的厚度成正比，当第二叠层母排520的厚度更薄以后，还能够降低叠层母排的杂散电感，进而降低换流过程中的电压力。

除此之外，在这些可选的实施例中，通过第一叠层母排510和第二叠层母排520，整流组件200和逆变组件300构成一个完整的IGBT模块组件，该IGBT模块组件和支撑电容400两部分相互独立，可以单独进行生产制造及维护。由于IGBT模块组件的装配难度和复杂性远高于支撑电容400，合理分配IGBT模块组件的加工和支撑电容400的加工，可以大幅度提高了生产加工效率。另外由于支撑电容400组一般采用的是薄膜电容，薄膜电容具有自愈性和高可靠性，对于现场的备品备件，可以仅考虑存放IGBT模块组件，降低了备品备件的成本。

第二叠层母排520和支撑电容400的相互位置在此不做限定，为了进一步简化装置结构，节省功率模块的体积，第二叠层母排520和支撑电容400层叠设置，且第二叠层母排520设置于散热器100和支撑电容400之间。在这些可选的实施例中，第二叠层母排520设置于散热器100和支撑电容400之间，还能够防止第二叠层母排520受碰撞而损坏，提高第二叠层母排520的使用寿命。

第一叠层母排510和第二叠层母排520之间的连接方式在此不做限定，例如散热器100还包括用于连接第一侧边130和第二侧边140的第三侧边150，第一叠层母排510与第三侧边150相邻的边缘弯折形成有第一连接片511；第二叠层母排520与第三侧边150相邻的边缘弯折形成有第二连接片521；第一叠层母排510和第二叠层母排520通过第一连接片511和第二连接片521连接。

其中，第一连接片511可以直接延伸至第二连接片521，然后利用焊接、粘接等方式使得第一连接片511和第二连接片521连接。但是当第一连接片511延伸至第二连接片521时，第一连接片511在Y方向上会伸出散热器100的第二表面120，使得第一连接片511凸出于散热器100，易被碰撞而导致第一连接片511发生损坏，影响第一连接片511的使用寿命。

在一些可选的实施例中，第一连接片511和第二连接片521均在散热器100的厚度方向上与第三侧边150相邻；功率模块还包括连接母排600，连接母排600用于连接第一连接片511和第二连接片521，并设置于第一连接片511和第二连接片521远离散热器100的一侧。在这些可选的实施例中，由于设置有连接母排600，因此第一连接片511和第二连接片521沿Y方向的延伸长度可以较短，只要使得第一连接片511和第二连接片521能够分别连接于连接母排600即可。

可以理解的是，此处对连接母排600沿Y方向的延伸宽度不做限定，优选的，连接母排600在Y方向上相对的两个侧端面分别与第一叠层母排510和第二叠层母排520在同一平面，使得连接母排600在Y方向不会伸出第一叠层母排510和第二叠层母排520，节省连接母排600生产材料的同时，还能够进一步降低功率模块的体积。

请一并参阅图5，在一些可选的实施例中，第一叠层母排510还包括层叠设置的两个以上的第一子连接排512，每一个第一子连接排512与第三侧边150相邻的边缘弯折形成有第一子连接片513；第二叠层母排520还包括层叠设置的两个以上的第二子连接排522，每一个第二子连接排522与第三侧边150的相邻的边缘弯折形成有第二子连接片523。

其中，第一连接片511和第二连接片521的设置方式有多种，例如，每一个第一子连接片513沿第三侧边150的延伸方向间隔设置形成第一连接片511，每一个第二子连接片523沿第三侧边150的延伸方向间隔设置形成第二连接片521。但是当每一个第一子连接片513沿第三侧边150的延伸方向间隔设置时，由于每一个第一子连接排512的厚度较薄，使得第一子连接片513的刚度较弱，第一子连接片513受力很容易发生变形；同理，第二子连接片523受力也很容易发生变形。

因此，优选的，第一连接片511由两个以上的第一子连接片513层叠设置形成；第二连接片521由两个以上的第二子连接片523层叠设置形成。两个以上的第一子连接片513层叠在一起，能够有效提高第一连接片511的刚度和强度，从而避免第一连接片511受力发生变形，提高第一连接片511的使用寿命；同理，两个以上的第二子连接片523层叠形成第二连接片521，也能够有效提高第二连接片521的使用寿命。

在一些可选的实施例中，功率模块还包括平衡IGBT模块700，用于控制中性点的电位，平衡IGBT模块700沿第二方向与逆变IGBT模块310间隔设置，平衡IGBT模块700连接于第一叠层母排510，且第一叠层母排510进一步覆盖平衡IGBT模块700。在这些可选的实施例中，通过设置平衡IGBT模块700，能够有效提高功率模块的性能。平衡IGBT模块700和逆变IGBT模块310间隔设置，且第一叠层母排510进一步覆盖平衡IGBT模块700，使得在减少各IGBT模块在散热器100上占据的面积的同时，还能够减小第一叠层母排510沿第二方向的延伸长度。

在一些可选的实施例中，平衡IGBT模块700还包括平衡输出端710，平衡输出端710由平衡IGBT模块700沿靠近第二侧边140的方向延伸，并与逆变输出端311的设置方式相似，使用相同的设置方式，方便施工。

本实用新型第二实施例提供一种变流器，包括上述任一第一实施例的功率模块。由于本实施例包括上述任一第一实施例的功率模块，因此本实施例具有上述任一第一实施例功率模块具有的有益效果，在此不再赘述。

本实用新型可以以其他的具体形式实现，而不脱离其精神和本质特征。例如，特定实施例中所描述的算法可以被修改，而系统体系结构并不脱离本实用新型的基本精神。因此，当前的实施例在所有方面都被看作是示例性的而非限定性的，本实用新型的范围由所附权利要求而非上述描述定义，并且，落入权利要求的含义和等同物的范围内的全部改变从而都被包括在本实用新型的范围之中。