一种超大功率的H桥功率单元模块的制作方法

一种超大功率的h桥功率单元模块
技术领域
1.本发明涉及功率单元设计技术领域，尤其涉及一种超大功率的h桥功率单元模块。


背景技术：

2.目前的电力电子行业，h桥拓扑结构级联变频器单元结构普遍采用的是功率半导体，散热器和直流母线电容等放在一个由金属腔体或者塑壳腔体的一体式模块，这样的优点是结构紧凑，方便维护。但是前提是整个模块重量必须要轻才能实现方便维护。如果是超大功率的级联变频器模块，交流输出电流几千安以上的，那么单级h桥功率模块需要配置的直流母线电容重量就超过200kg，再加上功率半导体和散热器，单级模块总重量应该超过300kg。所以目前行业内将功率半导体，散热器和直流母线电容放在一个腔体里面的一体式结构是不符合超大功率h桥级联变频器使用要求的。
3.现有的技术的功率单元模块的功率半导体器件和直流母线电容都是集成在一起的，如果功率半导体器件坏了，需要对直流母线电容进行拆卸，再对功率半导体器件进行更换维修，维护时间长且过程繁琐。
4.功率半导体器件的集电极与发射极的连接线路上排列难以达到均衡排布，电流无法从各个功率半导体器件上均衡流入各个形成的p电位及n电位；
5.在超大功率的系统上的直流母线电容配置数量多，所占面积比较大，直流母线电容到功率半导体模块的直流端的连接由于线路多，连接端子没有进行正负间隔排列，导致从直流母线电容到功率半导体直流端的电流不均衡，由于各直流母线电容与半导体功率模块之间连接容易造成直流母线的杂散电感量增大，模块电压出现敏感，会导致模块爆炸，出现安全问题。
6.超大功率的系统上的直流母线电容模块的直流母线电容配置数量多，整体重量比较大，整个直流母线电容模块内部排列复杂，内部的直流母线电容一旦有一个损坏，导致整个模块需要进行维修，同时母线电容模块的内部装配、安装时间较长。


技术实现要素：

7.本发明要解决的技术问题是提出一种超大功率的h桥功率单元模块，该超大功率的h桥功率单元模块的功率半导体模块和直流母线电容模块分别为两个相互独立的模块，可以在不拆直流母线电容模块的前提下，单独维护功率半导体模块，简化和缩短维护时间，提高了从直流母线电容到功率半导体直流端的均流能力，使得从直流母线电容到功率半导体直流端的电流均衡，减小各直流母线电容与半导体功率模块之间连接造成的直流母线的杂散电感量，减小模块电压出现敏感，避免导致模块爆炸，更加安全，使得电流从各个功率半导体器件上均衡流入各个形成的p电位及n电位，优化直流母线电容模块的装配、安装和维护时间。
8.为解决上述技术问题，本发明提供一种超大功率的h桥功率单元模块，包括功率单元模块主体、设置于所述功率单元模块主体上的第一桥臂功率半导体子模块、第二桥臂功
率半导体子模块、直流母线电容组件及直流导电母线，所述第一桥臂功率半导体子模块及第二桥臂功率半导体子模块通过所述直流导电母线电性连接，所述第一桥臂功率半导体子模块及第二桥臂功率半导体子模块对称设置于所述直流母线电容组件的上部，所述直流母线电容组件设置于所述第一桥臂功率半导体子模块及第二桥臂功率半导体子模块的下方；所述第一桥臂功率半导体子模块或者所述第二桥臂功率半导体子模块包括：若干功率半导体器件、功率半导体散热器、第一叠层导电母排组、交流输出汇流导电母排及交流输出均流导电母排，所述若干功率半导体器件与所述功率半导体散热器之间设置有绝缘膜，所述若干功率半导体器件与所述第一叠层导电母排组之间设置有绝缘膜，所述第一叠层导电母排组与所述交流输出汇流导电母排之间设置有绝缘膜，所述交流输出汇流导电母排与交流输出均流导电母排之设置有绝缘膜，所述若干功率半导体器件设置于所述功率半导体散热器的上部，所述第一叠层导电母排组设置于所述若干功率半导体器件的上部，将所述若干功率半导体器件以两个功率半导体器件为一个单元分成多个功率半导体器件单元，所述多个功率半导体器件单元并联在一起，所述交流输出汇流导电母排设置于所述第一叠层导电母排组上并用于将所述多个功率半导体器件单元的中间电位进行汇合连接形成交流p电位或者交流n电位，所述交流输出均流导电母排设置于所述交流输出汇流导电母排上部并用于优化电流均衡流入功率半导体器件形成交流p电位或者交流n电位，所述第一叠层导电母排组包括第一正叠层导电母排及第一负叠层导电母排，所述正叠层导电母排及负叠层导电母排之间设置有绝缘膜，所述正叠层导电母排下端面与所述直流母线电容组件的正电位连接，所述正叠层导电母排上端面与所述多个功率半导体器件单元的一侧的汇流主集电极连接，所述负叠层导电母排下端面与所述直流母线电容组件的负电位连接，所述负叠层导电母排上端面与所述多个功率半导体器件单元另一侧的汇流主发射极连接。
9.优选地，所述交流输出均流导电母排为两根，两根交流均流导电母排相对于所述交流汇流导电母排的中心对称放置，两根所述交流均流导电母排的上端贴紧形成输出交流p电位或者交流n电位，两根所述交流均流导电母排的下端与所述交流汇流导电母排贴紧形成导电连接。
10.优选地，所述直流母线电容组件包括若干直流母线电容器件、母线电容安装构件、第二叠层导电母排组，第二叠层导电母排组包括第二正叠层母排及第二负叠层母排，所述第二正叠层母排与第二负叠层母排之间设置有绝缘膜，所述若干直流母线电容器件安装于所述母线电容安装构件上，所述若干直流母线电容器件拆分成多个直流母线电容组，所述第二正叠层母排设置有第二导电母排正电位接线端子，所述第二负叠层母排设置有第二导电母排负电位接线端子，各个所述直流母线电容组配置有与所述第二正叠层母排依次连接的母线电容正导电端子，各个所述直流母线电容组配置有与所述第二负叠层母排依次连接的母线电容负导电端子，所述多个直流母线电容组的所述母线电容正导电端子及母线电容负导电端子相间设置，所述第二导电母排正电位接线端子将所有直流母线电容组的母线电容正导电端子连接起来，所述第二导电母排负电位接线端子将所有直流母线电容组的母线电容负导电端子连接起来。
11.优选地，所述第一叠层导电母排组呈c型结构，所述第一叠层导电母排组的左右两侧将功率半导体器件包裹起来，第一正叠层导电母排设置有第一导电母排正电位接线端子，第一负叠层导电母排设置有第一导电母排负电位接线端子，第一导电母排正电位接线
端子及第一导电母排负电位接线端子正负交替排布，所述第一叠层导电母排组左右两侧的接线端子左右对称设置，所述第一导电母排正电位接线端子用于跟第二导电母排正电位接线端子连接，所述第一导电母排负电位接线端子用于跟所述第二导电母排负电位接线端子相连接。
12.优选地，各个所述直流母线电容组上设置有方便搬抬作业及直流母线电容器件更换的母线电容组搬抬提手。
13.优选地，所述第一桥臂功率半导体子模块的所述若干功率半导体器件呈两列对称排布，分别为：第一列功率半导体器件组及第二列功率半导体器件组，所述若干功率半导体器件的发射极都朝向同一侧，所述若干半导体器件的集电极都朝向另一侧；所述第二桥臂功率半导体子模块的所述若干功率半导体器件呈两列对称排布，分别为：第三列功率半导体器件组及第四列功率半导体器件组，所述若干半导体器件的发射极都朝向同一侧，所述若干半导体器件的集电极都朝向另一侧。
14.优选地，所述超大功率的h桥功率单元模块还包括用于对第一桥臂功率半导体子模块或者第二桥臂功率半导体子模块的功率半导体器件进行控制的驱动控制模块。
15.优选地，各个功率半导体器件单元为所述第一列功率半导体器件组的一个功率半导体器件与第二列功率半导体器件组中相对应的一个功率半导体器件串联在一起组成。
16.优选地，各个功率半导体器件单元为所述第三列功率半导体器件组的一个功率半导体器件与第四列功率半导体器件组中相对应的一个功率半导体器件串联在一起组成。
17.优选地，所述第一负叠层导电母排与所述功率半导体散热器连接，使得所述功率半导体散热器得负电位。
18.采用上述结构之后，超大功率的h桥功率单元模块，包括功率单元模块主体、设置于所述功率单元模块主体上的第一桥臂功率半导体子模块、第二桥臂功率半导体子模块、直流母线电容组件及直流导电母线，所述第一桥臂功率半导体子模块及第二桥臂功率半导体子模块通过所述直流导电母线电性连接，所述第一桥臂功率半导体子模块及第二桥臂功率半导体子模块对称设置于所述直流母线电容组件的上部，所述直流母线电容组件设置于所述第一桥臂功率半导体子模块及第二桥臂功率半导体子模块的下方；所述第一桥臂功率半导体子模块或者所述第二桥臂功率半导体子模块包括：若干功率半导体器件、功率半导体散热器、第一叠层导电母排组、交流输出汇流导电母排及交流输出均流导电母排，所述若干功率半导体器件与所述第一叠层导电母排组之间设置有绝缘膜，所述第一叠层导电母排组与所述交流输出汇流导电母排之间设置有绝缘膜，所述交流输出汇流导电母排与交流输出均流导电母排之设置有绝缘膜，所述若干功率半导体器件设置于所述功率半导体散热器的上部，所述第一叠层导电母排组设置于所述若干功率半导体器件的上部，将所述若干功率半导体器件以两个功率半导体器件为一个单元分成多个功率半导体器件单元，所述多个功率半导体器件单元并联在一起，所述交流输出汇流导电母排设置于所述第一叠层导电母排组上并用于将所述多个功率半导体器件单元的中间电位进行汇合连接形成交流p电位或者交流n电位，所述交流输出均流导电母排设置于所述交流输出汇流导电母排上部并用于优化电流均衡流入功率半导体器件形成交流p电位或者交流n电位，所述第一叠层导电母排组包括第一正叠层导电母排及第一负叠层导电母排，所述正叠层导电母排及负叠层导电母排之间设置有绝缘膜，所述正叠层导电母排下端面与所述直流母线电容组件的正电位连
接，所述正叠层导电母排上端面与所述多个功率半导体器件单元的一侧的汇流主集电极连接，所述负叠层导电母排下端面与所述直流母线电容组件的负电位连接，所述负叠层导电母排上端面与所述多个功率半导体器件单元另一侧的汇流主发射极连接；
19.该超大功率的h桥功率单元模块达到的有益效果为：
20.功率半导体模块和直流母线电容模块分别为两个相互独立的模块，可以在不拆直流母线电容模块的前提下，单独维护功率半导体模块，简化和缩短维护时间；
21.第一桥功率半导体模块及第二桥功率半导体模块分开，第一桥功率半导体模块及第二桥功率半导体模块的左右两侧都可以引导电母线接到直流母线电容的正负导电端子上，第一桥功率半导体模块及第二桥功率半导体模块左右两侧的正负叠层直流母线接线端子依次按照正负间隔排列，并且跟直流母线电容的直流叠层铜排的正负接线导电端子依次对应并形成导电连接，提高了从直流母线电容到功率半导体直流端的均流能力，使得从直流母线电容到功率半导体直流端的电流均衡，减小各直流母线电容与半导体功率模块之间连接造成的直流母线的杂散电感量，减小模块电压出现敏感，避免导致模块爆炸，更加安全；
22.功率半导体器件的集电极与发射极的连接线路上进行均衡排布，电流从各个功率半导体器件上均衡流入各个形成的p电位及n电位；
23.将直流母线电容模块组件拆分为若干小直流母线电容模块组，每个小直流母线电容模块组相互间的正负导电端子按照正负电位一一对应相互连接，最终形成一个大的直流母线电容组件，优化直流母线电容模块的装配、安装和维护时间。
附图说明
24.图1为本发明一种超大功率的h桥功率单元模块的立体图；
25.图2为本发明一种超大功率的h桥功率单元模块的主视图；
26.图3为本发明一种超大功率的h桥功率单元模块的第一桥臂功率半导体子模块或者所述第二桥臂功率半导体子模块的整体结构图；
27.图4为本发明一种超大功率的h桥功率单元模块的第一桥臂功率半导体子模块或者所述第二桥臂功率半导体子模块的内部结构图；
28.图5为本发明一种超大功率的h桥功率单元模块的直流母线电容组件的整体结构图；
29.图6为本发明一种超大功率的h桥功率单元模块的第一桥臂功率半导体子模块或者所述第二桥臂功率半导体子模块的多个功率半导体器件单元的连接电路图。
具体实施方式
30.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
31.实施例一
32.请参阅图1至图4，图1为本发明一种超大功率的h桥功率单元模块的立体图，图2为本发明一种超大功率的h桥功率单元模块的主视图，图3为本发明一种超大功率的h桥功率
单元模块的第一桥臂功率半导体子模块或者所述第二桥臂功率半导体子模块的整体结构图，图4为本发明一种超大功率的h桥功率单元模块的第一桥臂功率半导体子模块或者所述第二桥臂功率半导体子模块的内部结构图；
33.本实施例公开了一种超大功率的h桥功率单元模块，包括功率单元模块主体12、设置于功率单元模块主体12上的第一桥臂功率半导体子模块2、第二桥臂功率半导体子模块4、直流母线电容组件3及直流导电母线13，第一桥臂功率半导体子模块2及第二桥臂功率半导体子模块4通过直流导电母线13电性连接，第一桥臂功率半导体子模块2及第二桥臂功率半导体子模块4对称设置于直流母线电容组件3的上部，直流母线电容组件3设置于第一桥臂功率半导体子模块2及第二桥臂功率半导体子模块4的下方；
34.第一桥臂功率半导体子模块2或者第二桥臂功率半导体子模块4包括：若干功率半导体器件22、功率半导体散热器21、第一叠层导电母排组23、交流输出汇流导电母排241及交流输出均流导电母排242，若干功率半导体器件22与功率半导体散热器21之间设置有绝缘膜，若干功率半导体器件22与第一叠层导电母排组23之间设置有绝缘膜，第一叠层导电母排组23与交流输出汇流导电母排241之间设置有绝缘膜，交流输出汇流导电母排241与交流输出均流导电母排242之设置有绝缘膜，若干功率半导体器件22设置于功率半导体散热器21的上部，第一叠层导电母排组23设置于若干功率半导体器件22的上部；
35.请参阅图6，图6为本发明一种超大功率的h桥功率单元模块的第一桥臂功率半导体子模块或者所述第二桥臂功率半导体子模块的多个功率半导体器件单元的连接电路图；
36.将若干功率半导体器件22以两个功率半导体器件为一个单元分成多个功率半导体器件单元26，多个功率半导体器件单元26并联在一起，交流输出汇流导电母排241设置于所述第一叠层导电母排组23上并用于将多个功率半导体器件单元26的中间电位进行汇合连接形成交流p电位或者交流n电位，交流输出均流导电母排242设置于交流输出汇流导电母排241上部并用于优化电流均衡流入功率半导体器件22形成交流p电位或者交流n电位，第一叠层导电母排组23包括第一正叠层导电母排及第一负叠层导电母排，所述正叠层导电母排及负叠层导电母排之间设置有绝缘膜，正叠层导电母排下端面与所述直流母线电容组件3的正电位连接，正叠层导电母排上端面与所述多个功率半导体器件单元26的一侧的汇流主集电极连接，负叠层导电母排下端面与直流母线电容组件3的负电位连接，负叠层导电母排上端面与所述多个功率半导体器件单元26另一侧的汇流主发射极连接。
37.实施例二
38.本实施例以实施例一为基础，在本实施例中，交流输出均流导电母排242为两根，两根交流均流导电母排242相对于交流汇流导电母排241的中心对称放置，两根交流均流导电母排242的上端贴紧形成输出交流p电位或者交流n电位，两根所述交流均流导电母排的下端与交流汇流导电母排241贴紧形成导电连接。
39.实施例三
40.本实施例以实施例一为基础，在本实施例中，第一桥臂功率半导体子模块2的所述若干功率半导体器件22呈两列对称排布，分别为：第一列功率半导体器件组及第二列功率半导体器件组，所述若干功率半导体器件22的发射极都朝向同一侧，所述若干半导体器件22的集电极都朝向另一侧；第二桥臂功率半导体子模块4的所述若干功率半导体器件22呈两列对称排布，分别为：第三列功率半导体器件组及第四列功率半导体器件组，所述若干半
导体器件22的发射极都朝向同一侧，所述若干半导体器件22的集电极都朝向另一侧。
41.在本实施例中，所述超大功率的h桥功率单元模块还包括用于对第一桥臂功率半导体子模块2或者第二桥臂功率半导体子模块4的功率半导体器件进行控制的驱动控制模块25。
42.各个功率半导体器件单元26为所述第一列功率半导体器件组的一个功率半导体器件与第二列功率半导体器件组中相对应的一个功率半导体器件串联在一起组成。
43.各个功率半导体器件单元26为所述第三列功率半导体器件组的一个功率半导体器件与第四列功率半导体器件组中相对应的一个功率半导体器件串联在一起组成。
44.实施例四
45.请参阅图5，图5为本发明一种超大功率的h桥功率单元模块的直流母线电容组件的整体结构图；
46.本实施例以实施例一为基础，在本实施例中，直流母线电容组件3包括若干直流母线电容器件31、母线电容安装构件33、第二叠层导电母排组32，第二叠层导电母排组32包括第二正叠层母排及第二负叠层母排，第二正叠层母排与第二负叠层母排之间设置有绝缘膜，所述若干直流母线电容器件31安装于母线电容安装构件33上，若干直流母线电容器件31拆分成多个直流母线电容组，第二正叠层母排设置有第二导电母排正电位接线端子321，第二负叠层母排设置有第二导电母排负电位接线端子322，各个所述直流母线电容组配置有与第二正叠层母排依次连接的母线电容正导电端子，各个所述直流母线电容组配置有与所述第二负叠层母排依次连接的母线电容负导电端子，所述多个直流母线电容组的所述母线电容正导电端子321及母线电容负导电端子322相间设置，第二导电母排正电位接线端子321将所有直流母线电容组的母线电容正导电端子连接起来，所述第二导电母排负电位接线端子将所有直流母线电容组的母线电容负导电端子连接起来。
47.各个所述直流母线电容组上设置有方便搬抬作业及直流母线电容器件更换的母线电容组搬抬提手34。
48.实施例五
49.本实施例以实施例四为基础，在本实施例中，第一叠层导电母排组23呈c型结构，第一叠层导电母排组23的左右两侧将功率半导体器件22包裹起来，第一正叠层导电母排设置有第一导电母排正电位接线端子231，第一负叠层导电母排设置有第一导电母排负电位接线端子232，第一导电母排正电位接线端子231及第一导电母排负电位接线端子232正负交替排布，第一叠层导电母排组23左右两侧的接线端子左右对称设置，第一导电母排正电位接线端子231用于跟第二导电母排组正电位接线端子321连接，第一导电母排负电位接线端子232用于跟第二导电母排负电位接线端子322相连接。
50.实施例六
51.本实施例以实施例四为基础，在本实施例中，第一负叠层导电母排与功率半导体散热器21连接，使得功率半导体散热器21得负电位。
52.该超大功率的h桥功率单元模块的功率半导体模块和直流母线电容模块分别为两个相互独立的模块，可以在不拆直流母线电容模块的前提下，单独维护功率半导体模块，简化和缩短维护时间；
53.第一桥功率半导体模块及第二桥功率半导体模块分开，第一桥功率半导体模块及
第二桥功率半导体模块的左右两侧都可以引导电母线接到直流母线电容的正负导电端子上，第一桥功率半导体模块及第二桥功率半导体模块左右两侧的正负叠层直流母线接线端子依次按照正负间隔排列，并且跟直流母线电容的直流叠层铜排的正负接线导电端子依次对应并形成导电连接，提高了从直流母线电容到功率半导体直流端的均流能力，使得从直流母线电容到功率半导体直流端的电流均衡，减小各直流母线电容与半导体功率模块之间连接造成的直流母线的杂散电感量，减小模块电压出现敏感，避免导致模块爆炸，更加安全；
54.功率半导体器件的集电极与发射极的连接线路上进行均衡排布，电流从各个功率半导体器件上均衡流入各个形成的p电位及n电位；
55.将直流母线电容模块组件拆分为若干小直流母线电容模块组，每个小直流母线电容模块组相互间的正负导电端子按照正负电位一一对应相互连接，最终形成一个大的直流母线电容组件，优化直流母线电容模块的装配、安装和维护时间。
56.应当理解的是，以上仅为本发明的优选实施例，不能因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。