本发明涉及电力电子技术领域，具体地说，涉及一种H桥臂双面散热功率模块。
背景技术：
功率半导体器件广泛应用于轨道交通、工业变频等领域，但标准封装功率半导体器件仅具备开关管的功能，并且集成度不高。作为变流器核心部件之一的变流模块，则由标准封装功率半导体器件、散热器、低感母排，门极驱动器和结构件等构成，由于受到构造形式、器件布局和器件功能的限制，在功率密度、智能化和便捷应用等方面还存在诸多不完善的地方。
技术实现要素：
为解决上述问题，本发明提供了一种H桥臂双面散热功率模块，所述功率模块包括：
散热器层；
主电路层，其包括H桥臂功率半导体电路和至少两组衬板，其中，第一组衬板和第二组衬板分别接触式地设置在所述散热器层的第一侧面和第二侧面上，所述H桥臂功率半导体电路中的功率半导体芯片分别设置在所述第一组衬板和第二组衬板上；
控制电路，其包括第一控制模块和第二控制模块，所述第一控制模块和第二控制模块分别分布在所述散热器层的两侧，并与所述H桥臂功率半导体电路电连接，用于控制所述H桥臂功率半导体电路的工作状态。
根据本发明的一个实施例，所述第一组衬板和第二组衬板分别包含多个矩阵式排布的衬板。
根据本发明的一个实施例，各个所述功率半导体芯片对应固定设置在各个衬板上，并与对应的衬板形成衬板单元。
根据本发明的一个实施例，所述H桥臂功率半导体电路中的上桥臂功率半导体芯片和下桥臂功率半导体芯片分别设置在所述第一组衬板和第二组衬板上。
根据本发明的一个实施例，所述第一组衬板和第二组衬板中的一组衬板上设置有直流正铜排和交流铜排，另一组衬板上设置有直流负铜排和交流铜排，并且所述直流正铜排与同一侧的交流铜排为部分叠式设置的板状，所述直流负铜排与同一侧的交流铜排为部分叠式设置的板状。
根据本发明的一个实施例，所述直流正铜排、直流负铜排以及交流铜排均具有与衬板的导电层电连接的引脚，其中，
靠近衬板的所述直流正铜排或相同侧的交流铜排上设置有供远离衬板的相同侧的交流铜排或直流正铜排上的引脚穿过的避让孔，且/或，靠近衬板的所述直流负铜排或相同侧的交流铜排上设置有供远离衬板的相同侧的交流铜排或直流负铜排上的引脚穿过的避让孔。
根据本发明的一个实施例，在所述散热器层的第一端设置有用于与所述直流正铜排连接的直流正电连接器、用于与所述直流负铜排连接的直流负电连接器和用于与所述交流铜排连接的交流电连接器，其中，所述直流正电连接器、直流负电连接器和交流电连接器构造为插拔式电接头。
根据本发明的一个实施例，所述功率模块还包括：
电流传感器，其设置在所述交流连接器处，并与所述控制电路电连接。
根据本发明的一个实施例，在所述散热器层的第一端设置有端壳，并且所述直流正电连接器、所述直流负电连接器、所述交流电连接器和所述插拔式管接头穿过所述端壳。
根据本发明的一个实施例，在所述散热器层的第一侧面和第二侧面上分别设置有第一壳体和第二壳体，其中，
所述第一壳体与所述端壳和散热器层形成第一容纳腔，所述直流正铜排以及位于所述散热器层的第一侧面上的交流铜排位于所述第一容纳腔内；
所述第二壳体与所述端壳和散热器层形成第二容纳腔，所述直流负铜排以及位于所述散热器层的第二侧面上的交流铜排位于所述第二容纳腔内。
根据本发明的一个实施例，在所述第一容纳腔和/或第二容纳腔内灌注有绝缘材料。
根据本发明的一个实施例，在所述第一壳体和第二壳体的外侧分别设置有第三壳体和第四壳体，所述第三壳体与第一壳体形成用于容纳所述第一控制模块的第三容纳腔，所述第四壳体与第二壳体形成用于容纳所述第二控制模块的第四容纳腔，所述第一控制模块和第二控制模块电连接。
根据本发明的一个实施例，所述第一组衬板和第二组衬板分别通过设置在其导电层上的插针与所述第一控制模块和第二控制模块对应连接。
根据本发明的一个实施例，所述功率模块还包括分别通过所述第三壳体和所述第四壳体并穿过所述端壳的螺杆，所述螺杆的一端延伸出所述端壳的第一端面。
根据本发明的一个实施例，在所述散热器层的第一端面设置有冷却液入口和冷却液出口，在所述冷却液入口和冷却液出口上设置有插拔式管接头。
根据本发明的一个实施例，所述功率模块还包括：
温度传感器，其设置在所述衬板上，并与所述控制电路信号连接。
根据本发明的一个实施例，所述散热器层的第一端面上设置有导向孔。
相较于现有的功率半导体，本发明所提供的功率模块将控制电路集成在了设备内部，这样在运行时也就不需要额外配置控制电路，从而使得功率模块能够实现驱动、监测、保护、诊断等智能化控制功能，提高了设备的通用化程度。
同时，该功率模块采用了无基板的水冷散热方式，相较于现有的功率模块，其散热效率更高，并且体积更小、结构更加简单。此外，本功率模块采用了快速插拔式的连接方式，这样也就使得设备的拆装更为方便。对于本功率模块来说，根据实际需要可以方便地进行并联组合。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
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的附图做简单的介绍：
图1是根据本发明一个实施例的功率模块的爆炸图；
图2是根据本发明一个实施例的功率模块的分层结构图；
图3是根据本发明一个实施例的H桥臂功率半导体电路的电路结构示意图。
图4是根据本发明一个实施例的功率半导体模块的立体图；
在附图中，相同的部件使用相同的附图标记，附图并未按照实际的比例绘制。
具体实施方式
以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
同时，在以下说明中，出于解释的目的而阐述了许多具体细节，以提供对本发明实施例的彻底理解。然而，对本领域的技术人员来说显而易见的是，本发明可以不用这里的具体细节或者所描述的特定方式来实施。
针对现有技术中所存在的问题，本发明提供了一种新的双面散热功率模块。图1和图2分别示出了本实施例中该功率模块的爆炸图和分层结构图。
如图1和图2所示，本实施例中，功率模块100包括：散热器层1、主电路层2和控制电路。其中，主电路层2包括H桥臂功率半导体电路和至少两组衬板21。其中，第一组衬板21a直接接触式地设置在散热器层1的第一侧面上，第二组衬板21b直接接触式地设置在散热器层1的第二侧面上。H桥臂功率半导体电路中的功率半导体芯片22分别设置在第一组衬板21a和第二组衬板21b上。
本实施例中，第一组衬板21a和第二组衬板21b分别包含多个矩阵式排布的衬板。其中，各个功率半导体芯片对应固定设置在相应的衬板上，并与对应的衬板形成衬板单元。
本实施例所提供的功率模块100所包含的衬板直接设置在散热器层1的两个侧面上，这样可以有效避免使用标准封装的功率半导体器件的基板。这种设置方式能够有效降低功率半导体芯片与散热器层之间的热阻，从而提高整个功率模块的散热效率。同时，这种设置方式还能够使得功率模块100的结构更加紧凑，有助于降低整个功率模块的体积和重量。此外，由于本实施例中，功率半导体芯片是设置在散热器层1的两面的，因此这样可以有效增加散热器层1的利用面积，从而有助于进一步提高功率模块的功率密度并减小功率模块的体积。
图3示出了本实施例中H桥臂功率半导体电路的电路结构示意图。
如图3所示，H桥臂功率半导体电路包括第一功率半导体芯片301、第二功率半导体芯片302、第三功率半导体芯片303和第四功率半导体芯片304。其中，本实施例中，优选地，第一功率半导体芯片301和第三功率半导体芯片303形成H桥臂功率半导体电路的上桥臂并设置在第一组衬板21a上，第二功率半导体芯片302和第四功率半导体芯片304形成H桥臂功率半导体电路的下桥臂并设置在第二组衬板21b上。
需要指出的是，在本发明的不同实施例中，H桥臂功率半导体电路中所包含的各个功率半导体芯片可以采用不同的芯片来实现，本发明不限于此。例如，在本发明的一个实施例中，功率半导体芯片可以采用带有续流二极管的IGBT芯片来实现。
为了提高散热器层1的空间利用率，本实施例中，散热器层1的主体优选地为矩形盒状，并且，第一侧面和第二侧面相对式设置。在本实施例中，以图1中的散热器层1的上表面为第一侧面，而下表面为第二侧面为例进行阐述。需要注意的是，衬板可设置在散热器层1的多个表面上，而设置有衬板的散热器层1的表面也不限于相对式分布。
优选地，衬板(包括第一组衬板21a和第二组衬板21b)可以采用焊接的方式直接固定在散热器层1的第一侧面和第二侧面上。而功率半导体电路中的功率半导体芯片22也可以通过焊接的方式设置在相应的衬板上。这种连接结构简单，并更好地将功率半导体芯片22产生的热量传递到散热器层1上。
需要指出的是，在本发明的不同实施例中，根据实际需要，衬板21可以通过不同的合理方式来固接在散热器层1的侧面上，本发明不限于此。
本实施例中，衬板在散热器层1的第一侧面和第二侧面优选地呈矩阵式分布。这种方式能够使得衬板紧密排列，从而优化功率模块100的结构，有助于减小功率模块100的体积并提高其功率密度。
本实施例中，功率半导体电路中的各个器件优选地通过键合线进行连接，当然，在本发明的其它实施例中，功率半导体电路中的各个器件还可以通过其他合理的方式进行连接，本发明不限于此。
在散热器层1的第一侧面上设置直流正铜排37和交流铜排39，并且直流正铜排37和交流铜排39设置在第一组衬板21a的外侧且与第一组衬板21a之间电能传输。直流正铜排37和交流铜排39均构造为板状，两者在如图1所示的上下方向上部分重叠。在两者之间以及最外侧设置绝缘层(图中未示出)。
同理地，在散热器层1的第二侧面上设置直流负铜排38和交流铜排39，并且直流负铜排38和交流铜排39设置在衬板单元2的外侧且与第二组衬板21b之间电能传输。直流负铜排38和同一侧的交流铜排39均构造为板状，两者在如图1所示的上下方向上部分重叠，并且直流负铜排38相对于交流铜排39远离衬板单元2。在两者之间以及最外侧设置绝缘层(图中未示出)。
需要说明的是，直流正铜排37和交流铜排39，直流负铜排38和交流铜排39之间的结构关系可以根据实际情况而选择。也就是，本申请并不限定直流正铜排37和交流铜排39，直流负铜排38和交流铜排39的相对上下位置关系。
在一个实施例中，直流正铜排37、直流负铜排38和交流铜排39均具有引脚36，以用于与相应衬板的导电层连接从而实现电传输。例如，直流正铜排37远离第一组衬板21a，而交流铜排39靠近第一组衬板21a，也就是，直流正铜排37在交流铜排39之上。为了实现直流正铜排37的引脚36能够与第一组衬板21a的导电层接触，在交流铜排39上设置有避让孔41，以用于直流正铜排的引脚36穿过。
需要指出的是，本实施例中，在散热器层1的第二侧面方向上，直流负铜排38和交流铜排39的位置和连接关系与直流正铜排37和交流铜排39的位置和连接关系相同或近似，在此不再赘述。
在散热器层1的第一端设置直流正电连接器32，直流正电连接器32与直流正铜排37连接。同时，在散热器层1的第一端设置直流负电连接33，直流负电连接33与直流负铜排38连接。并且，在交流铜排39的第一端还设置有用于与交流铜排39连接的交流电连接器35。
本实施例中，直流正电连接器32、直流负电连接器33和交流电连接器35均优选地构造为插拔式电接头，以用于快速连接。同时，优选地，如图1所示，直流正电连接器32包括至少三个相对式间隔设置的弹片30。另外，直流负电连接器33和交流电连接器35也同样可以设置为包括至少三个相对式间隔设置的弹片30。通过将直流正电连接器32、直流负电连接器33和交流电连接器35构造为这种插拔式接头可以将功率模块100顺利并简单地与系统快速插拔连接。
需要指出的是，在本发明的不同实施例中，直流正电连接器32与直流正铜排37既可以为一体化结构，也可以为分体式结构。在分体式制造过程中，可以通过焊接、铆接或者螺栓等连接方式固定。同理地，直流负电连接器33与直流负铜排38既可以为一体化制造，也可以为分体式结构，并通过焊接、铆接或者螺栓等连接方式固定。交流电连接器35与交流铜排39可为一体化制造，也可以为分体式结构，并通过焊接、铆接或者螺栓等连接方式固定。
同时，还需要指出的是，图1所示的交流电连接器35与交流铜排39仅仅是示意性地说明其排布方式，并不是对交流电连接器35与交流铜排39的具体结构以及数量进行限定。本实施例中，由于主电路层包含的电路为H桥臂功率半导体电路，因此交流电连接器35与交流铜排39对应地分别包括两组接口，这两组接口分别对应于H桥臂功率半导体电路的两个交流输出端。
本实施例中，散热器层1优选地采用水冷散热的方式。如图1所示，在散热器层1的第一端设置有冷却液入口13和冷却液出口，以用于与外部冷却液系统连接，对功率模块100的功率半导体芯片等发热部件散热。并且，在冷却液入口13和冷却液出口上均设置有插拔式管接头15。通过这种设置可以很容易地将此功率模块100与外部冷却液系统连接。另外，此插拔式管接头15与直流正电连接器32、直流负电连接器33和交流电连接器35均设置在散热器层1的同一端，可通过盲插形式实现电气与冷却液连接，极大提高了安装便捷性。
如图1和图2所示，本实施例中，在散热器层1的第一端设置有端壳70，以用于限定直流正电连接器32、直流负电连接器33、交流电连接器35和插拔式管接头15的位置。具体地，直流正电连接器32、直流负电连接器33、交流电连接器35和插拔式管接头15均穿过端壳70，从而与外界电气与冷却液连接。优选地，本实施例中，端壳70由塑料等绝缘材料起到绝缘作用。
在散热器层1的第一侧面上设置第一壳体71，并且第一壳体71与端壳70和散热器层1形成第一容纳腔。直流正铜排37，以及位于散热器层1的第一侧面上的交流铜排39和第一组衬板21a位于第一容纳腔内。
同理地，在散热器层1的第二侧面上设置第二壳体73，并且第二壳体73与端壳70和散热器层1形成第二容纳腔。直流负铜排38，以及位于散热器层1的第二侧面上的交流铜排39和第二组衬板21b位于第二容纳腔内。
本实施例中，在第一容纳腔和第二容纳腔中灌注有绝缘材料，这样也就可以实现容纳腔内各个器件的可靠绝缘。例如，绝缘材料可以为硅胶、硅橡胶或环氧材料等。通过这种设置能保证功率模块100的稳定正常工作，延长使用寿命。
在一个实施例中，在第一壳体71的外侧设置第三壳体75，第三壳体75与第一壳体71形成第三容纳腔。在第二壳体73的外侧设置第四壳体77，第四壳体77与第二壳体73形成第四容纳腔。同时，在第三容纳腔和第四容纳腔内均设置有控制电路板。其中，控制电路板包括第一控制模块(即第一控制板)6a和第二控制模块(即第二控制板)6b。第一控制模块6a与第一组衬板21a电连接，从而实现对第一组衬板21a上各个器件/芯片的驱动、监测、保护和诊断等智能化控制。第二控制模块6b与第二组衬板21b电连接，从而实现对第二组衬板21b上各个器件/芯片的驱动、监测、保护和诊断等智能化控制。
本实施例中，第一壳体71、第二壳体73、第三壳体75和第四壳体77之间的连接限定了功率模块100的其它部件的位置，并起到了支撑作用，同时，保证功率模块100的正常工作，避免不同的部件之间的干扰。另外，上述设置优化了功率模块100的整体结构，使其具有集成度高、体积小、重量轻等优点。
结合图4可以看出，本实施例中，第一控制模块6a和第二控制模块6b之间存在电连接，二者配合地实现对功率模块100中各个被控器件/芯片的控制。其中，在其中一个控制模块的第二端设置有电源接口61，以用于为控制模块提供低压电源。并且优选地，第一控制模块6a的第二端设置有光纤接口62，以实现控制模块与上层控制单元的通信。
在控制电路板6的内部还设置有电流传感器接口(图中未示出)，以实现控制电路板6与电流传感器5的连接。通过上述设置能保证控制电路的正常工作，并且有利于信号传输，降低干扰。另外，上述设置方式有助于功率模块100优化布局，通用化程度高。
需要说明的是，在第一组衬板21a和第二组衬板21b的导电层上均设置有插针23。插针23向上和向下分别穿过第一壳体71和第二壳体73而与相应的控制模块电连接，从而实现控制模块与相应的衬板之间的信号传输。
本实施例中，为了优化功率模块100的结构，方便插针23等部件的设置，还可以设置辅助衬板21’。该辅助衬板21’与衬板21电连接。例如，在图1中，为了优化插针23的布设位置，在靠近散热器层1的第二端面的第一侧面和第二侧面上设置有辅助衬板21’。
本实施例中，功率模块100优选的还包含有螺杆11。螺杆11穿过第三壳体75、第四壳体77和端壳70并延伸到端壳70的第一端面之外。
在安装功率模块100的过程中，该螺杆11用于为功率模块100导向和定位。在安装过程中，螺杆11还起到了缓冲冲击力的作用。另外，在功率模块100安装到位后，该螺杆11还起到了固定功率模块100的作用。本实施例中，分别用于与第三壳体75以及第四壳体77配合设置的两个螺杆优选地设置在端壳70的同一端面的对角线上。
本实施例中，在端壳70的第一端面上设置有导向孔12。优选地，在端壳70的第一端面上设置两个导向孔12，并位于对角线上。具体的，两个导向孔12与两个螺杆11分布在端壳70的四个角上。在功率模块100安装过程中，先由导向孔12与外界的系统的导销配合，进行精确导向及定位，紧接着顺利实现电气与冷却液管路的快速插拔式连接。另外，在功率模块100安装到位后，该导向孔12还起到了固定功率模块100的作用。
为了进行温度信号的采集，衬板上还可以设置有温度传感器8。在本发明的不同实施例中，温度传感器的具体安装位置根据功率半导体芯片22的实际发热情况而设定，控制模块可以通过插针对上述温度传感器产生的的温度信号进行采集，以用于驱动、监测、保护及诊断等智能化控制。
根据实际需要，功率模块100还可以在交流电连接器35处设置电流传感器5，此电流传感器5可以与控制电路信号连接。当然，电流传感器5的设置位置不限于此，也可以设置在其它位置。例如，在本发明的其他实施例中，电流传感器也可以在控制电路板上，控制电路板可以通过上述的电流传感器进行电流信号采集，以用于驱动、监测、保护以及诊断等智能化控制。
此外，功率模块100还可选用内部带有电流测量及温度测量的功率半导体芯片22，以实现芯片级的快速、准确的监测。控制电路板通过相应插针对上述信号进行采集，用于驱动、监测、保护及诊断等智能化控制。
应该理解的是，本发明所公开的实施例不限于这里所公开的特定结构或处理步骤，而应当延伸到相关领域的普通技术人员所理解的这些特征的等同替代。还应当理解的是，在此使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并不意味着限制。
说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”意指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语“一个实施例”或“实施例”并不一定均指同一个实施例。
虽然上述示例用于说明本发明在一个或多个应用中的原理，但对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的原理和思想的情况下，明显可以在形式上、用法及实施的细节上作各种修改而不用付出创造性劳动。因此，本发明由所附的权利要求书来限定。