一种大容量功率模块的制作方法

本实用新型涉及一种功率半导体装置，具体涉及一种大容量功率模块，能够应用于柔性直流输电、SVG等大功率电力电子整流和逆变装置当中。

背景技术：

随着电力电子技术的发展，高压大容量功率模块越来越多的应用于高压变频器、百兆乏STATCOM及柔性直流输电系统当中，随着电力电子设备的容量进一步增大，其系统核心构成功率模块的单台容量也不断增大。功率模块主要由高压大容量的开关器件、叠层母排、水冷散热器(风冷散热器)以及母线电容构成，电容是功率模块的重要组成部分，其重量占据整个功率模块重量的三分之二以上，尺寸接近模块的一半。随着模块容量的增加，电容的体积以及重量也不断上升，随之而来的整机体积及占地面积也出现上升，导致整机的成本增加。大容量功率模块的安装、拆卸和维护难度较大，一旦模块在运行过程中出现故障，如果采用将整个模块带电容从整机上拆卸后进行维修的方式，将占用较多的人力、物力、财力，在实际中，电容却是可靠性非常高的器件，其维护几率非常低，维护几率较高的是核心功率元器件即功率组件，另外随着功率模块配合整机容量的提升，功率模块扩容时，功率模块面临整体结构调整、重新设计，而实际在一定条件下扩容时只需改变电容单方向的尺寸即可。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种模块紧凑，各组件布置合理，便于功率模块的拆装及维护，能够有效增大功率密度的大容量功率模块。

为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案为：

包括底座以及分别安装在底座固定位上的电容和功率组件；所述的功率组件包括主框架，主框架上安装有水冷散热器，水冷散热器的两侧设置有IGBT模块、IGBT驱动板以及放电电阻，所述IGBT模块、IGBT驱动板以及放电电阻的外侧依次安装有叠层母排和主母排，所述的叠层母排上设有用于主母排与IGBT模块对应连接的孔位，主母排上开设有用于实现电容与IGBT模块进行连接的孔位，所述水冷散热器两侧的主母排之间设置有用于故障后短路连接的旁路开关，旁路开关竖直固定并且与主母排连接，水冷散热器的顶部设置有进/出水嘴，所述的主框架上还安装有控制模块以及取能电源。

所述底座上安装有用于封装功率组件的防腐蚀盖板。

所述的侧面盖板上开有散热孔，上盖板对应进/出水嘴开有缺口，前盖板采用绝缘板并开有主母排伸出孔。

四个IGBT模块与两个放电电阻分两组对称固定在水冷散热器的两侧，两块IGBT驱动板分别设置在IGBT模块的旁侧并与水冷散热器单侧的两个IGBT模块连接。

所述的控制模块外部单独设有自身保护壳。

所述的水冷散热器顶部在进/出水嘴四周开有集水槽，集水槽连接开设在水冷散热器底部的漏水嘴接头。

所述的电容、功率组件以及底座上均设置有吊装孔。

所述的底座上设有导条。

与现有技术相比，本实用新型根据是否经常需要维护进行区分，将电容与功率组件单独安装，由于电容维护频率较低，功率组件维护频率较高，维护功率组件时单独对其进行拆卸，这样大大降低了维护难度，提高了维护以及安装效率。功率组件通过主框架以水冷散热器为基础进行搭建，充分利用各元器件的特点，通过合理布置各元器件的位置，能够最大限度的利用空间，便于减小模块体积，增大功率密度。电容采用独立底部支撑的固定形式，模块扩容时，只需延伸电容及底座的尺寸，无需改变功率组件，因此为系列化组装提供良好基础。

附图说明

图1本实用新型的整体结构示意图；

图2本实用新型功率组件的外部结构示意图；

图3本实用新型功率组件的内部结构示意图；

图4本实用新型功率组件的局部结构示意图；

图5本实用新型以水冷散热器为中心双面对称布局示意图；

图6本实用新型电容的装配示意图；

图7本实用新型整体的装配示意图；

附图中：Ⅰ-电容；Ⅱ-功率组件；Ⅲ-底座；1-侧面盖板；2-上盖板；3-前盖板；4-主框架；5-取能电源；6-第一叠层母排；7-主母排；8-IGBT模块；9-水冷散热器；10-进/出水嘴；11-第二叠层母排；12-控制模块；13-旁路开关；14-放电电阻；15-第一主母排；16-第二主母排；17-第一IGBT驱动板；18-第二IGBT驱动板；19.漏水嘴接头。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步的详细说明。

参见图1，本实用新型在结构上包括电容Ⅰ、功率组件Ⅱ以及底座Ⅲ，其中电容Ⅰ与功率组件Ⅱ均放置于底座Ⅲ上，且电容Ⅰ在后，功率组件Ⅱ在前，当电容Ⅰ与功率组件Ⅱ放置到相应位置之后，通过螺栓将电容Ⅰ和功率组件Ⅱ固定在一起。

参见图2，3，功率组件Ⅱ包含主框架4，外围由侧面盖板1、上盖板2、前盖板3安装至主框架4的各个面上。主框架4用于安装水冷散热器9、取能电源5、旁路开关13以及控制模块12。侧面盖板1、上盖板2、前盖板3起到保护功率组件内部核心元器件的作用，同时具有防腐蚀的功能，其中侧面盖板1开设有部分散热孔，便于水冷散热器9进行热量交换，上盖板2上设置有水冷散热器9的进/出水嘴10的开孔，前盖板3为整块绝缘板材，并且前盖板3上开设有第一主母排15和第二主母排16的伸出孔。

参见图3，4，功率组件Ⅱ的核心器件包含水冷散热器9、四个IGBT模块8、一个取能电源5、两个放电电阻14、两块叠层母排、两块主母排以及两块IGBT驱动板，取能电源5放置于水冷散热器9下方，其他以水冷散热器9为中心，对称分布于水冷散热器9两侧面上。

参见图4，本实用新型四个IGBT模块8分成两组分别固定在水冷散热器9的左右两个侧面上，并且完全对称地进行安装。在两侧水冷散热器9的IGBT模块8上方安装有放电电阻14，第一IGBT驱动板17以及第二IGBT驱动板18置于IGBT模块8的旁侧，IGBT驱动板17和第二IGBT驱动板18分别与水冷散热器9单侧的两个IGBT模块8连接。

参见图4，5，本实用新型第一叠层母排6与第二叠层母排11分别与水冷散热器9上单面相应IGBT模块8远离水冷散热器9的表面贴合连接，并且第一叠层母排6与第二叠层母排11设置有第一主母排15与第二主母排16对应与IGBT模块8连接的孔位；第一主母排15与第二主母排16一端分别通过第一叠层母排6与第二叠层母排11上设置的孔位与对应的IGBT模块8连接，另一端延伸出功率组件前面板3对应的位置。

参见图3，4，第一主母排15与第二主母排16中间设置有旁路开关13，旁路开关13竖直固定，分别与第一主母排15与第二主母排16连接起到功率模块故障后短路连接的作用，此种放置方式能有效利用空间，进而提高模块的功率密度。

参见图3，控制模块12设置有单独的保护外壳，控制模块12以器件面向后安装于功率组件Ⅱ中，以此增加功率组件Ⅱ插接线缆的便利程度，降低功率组件的宽度尺寸。

参见图5，水冷散热器9顶部设置有进/出水嘴10，进/出水嘴10周边开设有集水槽，水槽底部开设有凹槽连接到散热器底部开设的漏水嘴接头19。

如图1所示，本实用新型功率模块在一定条件下扩容和系列化组装时，无需改变功率组件Ⅱ，只需改变电容Ⅰ及一体化底座Ⅲ前后的尺寸。

本实用新型功率模块整体装配过程如下：

按图6所示，首先将一体化底座Ⅲ置于具有一定高度的台面上，将电容Ⅰ以吊装方式放置于一体化底座Ⅲ的上表面，适当调整位置，采用螺栓从底部向上的方向固定电容。

按图5所示，将IGBT模块8及放电电阻14分别安装于水冷散热器9的两侧板面上，后将第一IGBT驱动板17与第二IGBT驱动板18分别与水冷散热器9两侧面的IGBT模块8连接，然后将第一叠层母排6、第二叠层母排11分别与水冷散热器9上单面相应IGBT模块8远离水冷散热器9的表面贴合连接，以此形成一个以水冷散热器9为基础的安装组件。

按图3所示，将取能电源5安装于功率组件Ⅱ的底部，随后将第一主母排15及第二主母排16分别安装到水冷散热器9两侧IGBT模块8的孔位，另一端向前伸出功率组件主框架4前部，最后竖向安装旁路开关13，并与第一主母排15、第二主母排16及旁路开关13连接。

按图2所示，将左右侧面盖板1、上盖板2、前盖板3安装到功率组件Ⅱ主框架4的外部。

按图7所示，将功率组件Ⅱ放置于底座Ⅲ上，功率组件Ⅱ底部设有利于滑动或减小摩擦力的导条，采用由前向后的方式推送使得两个叠层母排分别与电容Ⅰ的对应接口进行连接，最后采用螺栓从底部向上的方向固定功率组件Ⅱ。

本实用新型取能电源5放置于水冷散热器9下面，取能电5用金属外壳封装，其外壳与所述主框架4接触，用于保证等电位。电容Ⅰ采用独立底部支撑固定形式，功率模块扩容时，只需延伸电容Ⅰ及底座Ⅲ的前后尺寸，无需改变功率组件。同时电容Ⅰ、功率组件Ⅱ以及底座Ⅲ上设计有吊装孔，用于吊装运输。本实用新型能够最大限度的利用空间，提升功率密度。