功率模块的制作方法

1.本发明属于轨道车辆技术领域，具体而言，涉及一种功率模块。


背景技术：

2.近几年来，在大功率交流传动机车或者动力分散高速动车组中一般都在海拔1500米以下运行，最高海拔也不超过2500米。由于高海拔特殊的气候条件的影响，对电气产品的要求比较高，至少在电气间隙和爬电距离方面比低海拔要大几倍，例如在额定电压为dc3600v时，1500米海拔要求电气间隙为13mm，爬电距离约为30mm；而5000米海拔则需要电气间隙为42mm，爬电距离最小为60mm。
3.但是功率模块上使用的高压大功率电气元件如igbt、二极管的设计电气间隙较小，例如型号为fz750r65ke3的igbt电气间隙为26mm，爬电距离56mm，不能满足高海拔的使用要求。


技术实现要素：

4.本发明为了解决现有的功率模块无法满足高海拔的使用要求的技术问题，提出了一种功率模块，该功率模块包括：igbt组件和设置在所述igbt组件上部的复合母排；所述复合母排和所述igbt组件之间设置有密封盒结构；所述密封盒结构内的密封空腔中灌封有绝缘胶，以使所述复合母排的下表面的各端子之间通过所述绝缘胶进行电气隔离，以及所述igbt组件中igbt的各端子之间通过所述绝缘胶进行电气隔离。
5.可选的，所述密封盒结构包括：第一密封盒部和第二密封盒部，所述第一密封盒部和所述第二密封盒部连接；所述第一密封盒部固定在所述复合母排的下表面，所述第二密封盒部与所述igbt组件固定连接。
6.可选的，该功率模块，还包括：水冷基板；所述igbt组件固定在所述水冷基板上；
7.所述密封盒结构包括：第一密封盒部和第二密封盒部，所述第一密封盒部和所述第二密封盒部连接；所述第一密封盒部固定在所述复合母排的下表面，所述第二密封盒部固定在所述水冷基板上，所述igbt组件位于所述第二密封盒部的内部。
8.可选的，在所述复合母排的上表面上设置有用于隔开不同极性的端子的绝缘条。
9.可选的，所述复合母排的上表面的每个端子上均设置有圆环绝缘柱。
10.可选的，在所述复合母排的下表面上设置有用于隔开不同极性的端子的绝缘条。
11.可选的，所述复合母排的下表面的每个端子上均设置有圆环绝缘柱。
12.可选的，所述复合母排的下表面的每个端子的非接触面上喷涂有绝缘防护层。
13.可选的，所述绝缘条为e型绝缘条。
14.可选的，所述复合母排包括：直流正极母排、直流负极母排以及交流端母排；所述igbt组件包括一个或者多个单相桥，每个所述单相桥由一上桥臂及一下桥臂组成，所述上桥臂和/或所述下桥臂可以由一igbt或多个并联的igbt组成。
15.本发明的有益效果为：
16.本发明通过在复合母排和igbt组件之间设置密封盒结构，并在密封盒结构内的密封空腔中灌封绝缘胶，以使复合母排的下表面的各端子之间通过绝缘胶进行电气隔离，以及igbt组件中igbt的各端子之间通过绝缘胶进行电气隔离，由于绝缘胶的电气绝缘性能远远强于空气，因此本发明的功率模块可以满足高海拔的电器绝缘要求。
附图说明
17.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：
18.图1是本发明实施例复合母排的下表面的示意图；
19.图2是本发明实施例igbt组件的示意图；
20.图3是本发明实施例功率模块的爆炸图；
21.图4是本发明实施例复合母排的上表面的第一示意图；
22.图5是本发明实施例复合母排的上表面的第二示意图；
23.图6是本发明实施例复合母排和igbt组件组合示意图；
24.图7是图6中的a-a截面的示意图；
25.图8是本发明实施例功率模块的整体示意图。
26.【标号说明】
27.1：水冷基板；
28.11：水接头1；
29.12：水接头2；
30.2：igbt组件；
31.21：igbt；
32.22：第二密封盒部；
33.3：复合母排；
34.31：交流端母排；
35.32：直流正极母排；
36.33：直流负极母排；
37.34：第一密封盒部；
38.35：绝缘结构；
39.4：母排罩；
40.5：高压插式连接器；
41.6：驱动电路板；
42.61：驱动电路板的信号输入接口；
43.62：驱动电路板的电源输入接口；
44.7：脉冲分配板；
45.71：脉冲分配板的信号输入接口；
46.72：脉冲分配板的电源输入接口；
47.73：与驱动电路板信号接口；
48.74：与驱动电路板电源接口；
49.8：分配板罩；
50.9：驱动板罩；
51.10：绝缘胶；
52.101：把手；
53.102：连接座。
具体实施方式
54.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
55.需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。
56.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
57.本发明提供一种功率模块，通过改进现有功率模块的结构来满足高海拔的电气性能的要求。
58.本发明提供了一种功率模块，包括：igbt组件2和设置在所述igbt组件2上部的复合母排3。所述复合母排3和所述igbt组件2之间设置有密封盒结构，所述密封盒结构内的密封空腔中灌封有绝缘胶10，以使所述复合母排3的下表面的各端子之间通过所述绝缘胶10进行电气隔离，以及所述igbt组件2中igbt21的各端子之间通过所述绝缘胶进行电气隔离。
59.需要说明的是，本发明的密封盒结构可以为一个或多个。
60.在本发明一个实施例中，所述密封盒结构包括：第一密封盒部34和第二密封盒部22，所述第一密封盒部34和所述第二密封盒部22连接。具体的，第一密封盒部34的下端设置有凹槽，第二密封盒部22插入第一密封盒部34的下端的凹槽中，实现与第一密封盒部34连接。
61.在本发明一个具体实施例中，第一密封盒部34固定在复合母排3的下表面，复合母排3下表面上的所有端子均位于第一密封盒部34内。第二密封盒部22的下部与igbt组件2的侧部连接，并环绕igbt组件2，由此igbt组件2上表面上各igbt的所有端子均位于第二密封盒部22内，第二密封盒部22的上部与第一密封盒部34的下部连接。在本实施例中，第一密封盒部34的内侧面、第二密封盒部22的内侧面、复合母排3的下表面以及igbt组件2的上表面共同构成一个密封空腔，该密封空腔中灌封有绝缘胶10。
62.如图1和图2所示，在本发明另一个实施例中，igbt组件2固定在水冷基板1上，所述密封盒结构包括：第一密封盒部34和第二密封盒部22，所述第一密封盒部34和所述第二密封盒部22连接，所述第一密封盒部34固定在所述复合母排3的下表面，复合母排3下表面上的所有端子均位于第一密封盒部34内。所述第二密封盒部22固定在所述水冷基板1上，所述
igbt组件2位于所述第二密封盒部22的内部，由此igbt组件2上表面上各igbt的所有端子均位于第二密封盒部22内。在本实施例中，第一密封盒部34的内侧面、第二密封盒部22的内侧面、复合母排3的下表面、水冷基板1的部分上表面以及igbt组件2的上表面共同构成一个密封空腔，该密封空腔中灌封有绝缘胶10。
63.在本发明一个实施例中，为了进一步满足高海拔的电气绝缘要求，本发明在所述复合母排3的上表面上设置有用于隔开不同极性的端子的绝缘条，如图4中的绝缘结构35所示。本发明通过绝缘条可以增加复合母排3上表面的各个端子之间电气间隙，由此来满足母排上面各个端子之间电气间隙要求，因此整个结构满足设备电气绝缘性能要求。
64.在本发明一个实施例中，为了进一步满足高海拔的电气绝缘要求，本发明还可以在复合母排3的上表面的每个端子上均设置圆环绝缘柱，如图5中的绝缘结构35所示。本发明通过在每个端子上设置有圆环绝缘柱可以增加复合母排3上表面的各个端子之间电气间隙，由此来满足母排上面各个端子之间电气间隙要求，因此整个结构满足设备电气绝缘性能要求。
65.由以上实施例可以看出，本发明通过在igbt组件2和复合母排3之间形成密封盒结构且灌封绝缘胶10，以及在复合母排上表面增加绝缘结构(绝缘条、圆环绝缘柱)，可以增加功率模块的电气间隙和爬电距离，满足功率模块在高海拔处的使用要求。
66.进一步的，如果在安装过程中密封盒结构内的绝缘胶未灌装满，或者使用过程中密封盒结构内的绝缘胶减少，会导致复合母排3下表面上的端子之间的绝缘被破坏，即不满足高海拔使用要求。为了解决上述问题，在本发明一个实施例中，本发明可以参照复合母排3上表面的结构，在复合母排下表面的不同极性端子之间增加绝缘条，该绝缘条的高度应保证能深入到绝缘胶内，由此防止了由于密封盒结构内的绝缘胶未灌装满或者减少导致的复合母排下表面上的端子之间的电气绝缘性不理想的问题，进一步保证了功率模块可以满足高海拔使用要求。
67.为了解决上述问题，在本发明一个实施例中，本发明可以参照复合母排3上表面的结构，在复合母排3的下表面的每个端子上均设置圆环绝缘柱，该圆环绝缘柱的高度应保证能深入到绝缘胶10内，由此防止了由于密封盒结构内的绝缘胶未灌装满或者减少导致的复合母排下表面上的端子之间的电气绝缘性不理想的问题，进一步保证了功率模块可以满足高海拔使用要求。
68.为了解决上述问题，在本发明一个实施例中，本发明还可以所述复合母排3的下表面的每个端子的非接触面上喷涂有绝缘防护层，该绝缘防护层的高度应保证能深入到绝缘胶10内，由此防止了由于密封盒结构内的绝缘胶未灌装满或者减少导致的复合母排下表面上的端子之间的电气绝缘性不理想的问题，进一步保证了功率模块可以满足高海拔使用要求。
69.在本发明一个实施例中，为了进一步提高复合母排的端子间的电气绝缘性，本发明上述实施例中的绝缘条可以采用e型绝缘条。
70.在本发明一个实施例中，所述复合母排包括：直流正极母排、直流负极母排以及交流端母排；所述igbt组件包括一个或者多个单相桥，每个所述单相桥由一上桥臂及一下桥臂组成，所述上桥臂和/或所述下桥臂可以由一igbt或多个并联的igbt组成。
71.图3是本发明实施例功率模块的爆炸图，图8是本发明实施例功率模块的整体示意
图，如图3和图8所示，在本发明一个实施例中，本发明的功率模块具体包括：水冷基板1、igbt组件2、复合母排3、驱动电路板6、脉冲分配板7、母排罩4、高压插式连接器5等部件。
72.igbt组件2，包括由一个或者多个单相桥或者单相桥的一部分，即可以由一个或者多个并联igbt组成一个上/下桥臂，一个上桥臂和下桥臂组成一个单相桥，作为交直流转换的基本功率单元，igbt组件2安装在水冷基板1上。
73.水冷基板1内有流道，在表面安装有水接头1和水接头2作为冷却液的入口和出口，水冷基板1主要是用来固定igbt组件2，并将igbt工作过程中产生的热量及时带走，降低igbt内半导体器件的温度，保证igbt的正常工作；也可以用来安装高压插式连接器5。
74.复合母排3由直流正、负极母排、交流端母排以及绝缘板等组成，母排采用覆膜结构，其中正负极分别连接在高压插式连接器5的正负极上，交流端母排可以通过绝缘子固定在水冷基板1上，复合母排3功能作为功率模块的电气的对外接口，连接igbt组件2和高压插式连接器5；绝缘板将正、负母排、交流母排进行电气隔离。
75.高压插式连接器5，固定在水冷基板1，包括直流正极、负极连接器以及电气隔离结构件组成，主要功能是在插式连接器正负极一侧连接母排正负极，另一侧作为对外接口，通过插式装置与箱体内中间直流母排组件进行可靠的电连接。
76.脉冲分配板7输出端与驱动电路板6进行连接，给驱动电路板6提供电源和控制信号，输入端与牵引控制装置连接，牵引控制装置提供其工作电源和工作信号，然后将信号处理后发送给驱动电路板6，驱动电路板6用来控制igbt的开关状态，从而可以实现对上桥臂组和下桥臂组的igbt的开关状态控制。
77.母排罩4由绝缘材料组成，扣在复合母排3上，可以通过底部固定在水冷基板上1，也可以通过顶部固定到高压插式连接器5上，脉冲分配板7和驱动电路板6安装在母排罩4上。母排罩4将电器系统的高压与低压进行电气分离，防止igbt开关时对驱动板和脉冲分配板等低压设备的电磁干扰。
78.在复合母排3下表面和igbt组件2之间有密封盒结构，密封盒内灌封绝缘胶10，排除空气，这样母排主端子，以及igbt各个端子之间绝缘胶进行电气隔离。由于绝缘胶的电气绝缘性能远远强于空气，因此可以满足高海拔的电气绝缘要求，且在母排的上表面采用e型绝缘条、圆环槽绝缘柱等结构增加各个端子之间电气间隙，来满足母排上面各个端子之间电气间隙要求，因此整个结构满足设备电器绝缘性能要求。
79.进一步的，在安装过程中，或者使用过程中密封盒内的绝缘胶减少，即母排下边端子之间的绝缘被破坏，即不满足高海拔使用要求。为了解决上述问题，则可以参照母排上表面的结构，即在母排下表面的不同极性端子之间增加绝缘条、圆环绝缘柱结构，或者在端子非接触面直接喷涂绝缘防护层，绝缘条(或者圆环绝缘柱或者绝缘防护层)的高度保证能深入到绝缘胶内。
80.在本发明一个实施例中，水冷基板1前端带有水接头1和水接头2，igbt组件由2个igbt并联上下桥臂组成单相桥电路，图3中水接头1和水接头2一般选用快插式接头，与箱体内快速插头母头配套使用，结构简单连接可靠，方便功率模块的安装，可以实现模块快速安装、更换。另外，水冷基板1两侧与机箱内的导轨形成滑块导轨结构，方便模块快速安装更换。
81.复合母排3上设置有高压端子与igbt组件2的c，e极电连接；复合母排3结构简单紧
凑，且杂散电感小，可以实现大电流，高电压元器件之间的电连接，减少igbt开关过程中的尖峰电压。
82.高压插式连接器5设置在水冷基板1的后端，高压插式连接器5前端的正负极分别与复合母排3的直流正负极进行连接，后端的正负极与箱体内母排对应的正负叉子进行配合并电连接，高压插式连接器5结构简单连接可靠，方便功率模块的安装，可以实现模块的快速安装和更换。
83.在复合母排3上面设置母排罩4，母排罩4上设置安装螺母用来固定驱动电路板6和脉冲分配板7，母排罩4底部与水冷基板1机械连接，母排罩4主要作用是覆盖高压器件，将高压和低压进行隔离，减少了igbt开关对低压电路的电磁干扰，并且若发生高压损坏(例如igbt炸裂，母排短路)时保护箱体内的其他部件免受破坏。
84.驱动电路板6与igbt组件2电连接，脉冲分配板7与驱动电路板6采用光电连接或者电连接；脉冲分配板7信号输入可以采用光/电的型式进行传输。
85.本发明为了满足高海的电气性能要求，如图1、图2、图4、图5、图6以及图7，对功率模块的结构进行改进，在高压连接部分采用密封结构灌封绝缘胶保证电器绝缘系能，母排上部高压端子系统之间采用增强绝缘结构增加电气间隙和爬电距离，因此，经过改进后的功率模块可以适用于高海拔的环境。
86.图1和图2是复合母排和igbt组件之间形成密封结构示意图，复合母排3的各端子用螺栓紧固到对应的igbt端子上，图1在母排下侧设置第一密封盒部34，第一密封盒部34上带有凹槽和第二密封盒部22进行配合保证结构密封性能。
87.图2是igbt/igbt组件之间设有第二密封盒部22，第二密封盒部22下部凹凸槽结构和igbt的周边形成密封，上部和第一密封盒部34配合。
88.图6和图7是复合母排和igbt组件等安装后的示意图。
89.如图6和图7所示，第一密封盒部34、复合母排3、第二密封盒部22以及igbt组件2的外壳结构相互配合，在igbt的各端子和复合母排的各端子之间形成密闭空间，在密闭空间灌封绝缘胶10。
90.图4是在复合母排3上部安装e型槽绝缘条，增加复合母排3安装后端子之间的电气间隙和爬电距离，根据结构和电器间隙要求可以使用不同e型槽的数量和深度。
91.图5是在复合母排3上部各端子安装圆环槽绝缘柱，增加复合母排3安装后端子之间的电气间隙和爬电距离，圆环槽绝缘柱根据结构和电气间隙要求可以全部安装或者部分安装。当然也可以采用其他增强绝缘结构来满足母排上部的电气性能要求。
92.上述结构的改进，可以使功率模块能够满足高海拔电气性能的要求。
93.在本发明一个实施例中，水冷基板1可以采用金属型材焊接结构，也可以采用热管散热等方式。
94.在本发明一个实施例中，驱动电路板6的数量可以与igbt组件2中igbt的数量相同，也可以一块驱动电路板6对应一个桥臂。
95.在本发明一个实施例中，脉冲分配板7与驱动电路板6的信号传输可以采用电信号也可以采用光信号等。
96.在本发明一个实施例中，脉冲分配板7的输入控制信号传输可以采用电信号也可以采用光信号等。
97.在本发明一个实施例中，igbt组件2包括多个并联igbt组成桥臂，也可以采用多桥臂结构。
98.在本发明一个实施例中，水接头1作为流入端，水接头2作为流出端的相同情况下，水冷基板1的流阻基本一致，方便安装时不受到安装方式影响(底部水平向下，底部水平向上，竖直安装等均可)。
99.在本发明一个实施例中，所有，脉冲分配板7与驱动电路板6可以集成在一起形成一体化结构，安装在母排罩4上。
100.在本发明一个实施例中，在水冷基板1前端安装有绝缘子用来支撑复合母排ac端，方便ac端接线，且减少母排振动对igbt的损坏。
101.在本发明一个实施例中，在水冷基板1前端和后端分别安装有把手101，方便安装和运输功率模块。
102.在本发明一个实施例中，在脉冲分配板7和驱动电路板6上分别安装有分配板罩8和驱动板罩9，增加对脉冲分配板7和驱动电路板6的保护，增加脉冲分配板7和驱动电路板6的可靠性。
103.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。