专利名称：一种集成式功率模块以及光伏并网逆变装置的制作方法
技术领域：
本实用新型属于光伏并网发电技术领域，具体涉及一种集成式功率模块以及包含该集成式功率模块的光伏并网逆变装置。
背景技术：
太阳能是一种新兴的绿色能源，由于其清洁、高效、永不衰竭、且不受地域资源限制，因此具有安全可靠、无噪声、无污染、制约少、故障率低、维护简便等优点，可广泛应用于社会生活的各个领域，特别是应用于光伏并网电站系统。大功率光伏并网逆变装置是光伏电站的核心设备，其包括电容器、并网逆变器、LCL滤波器、交流接触器等多种器件。在光伏并网逆变装置中，光伏阵列中产生的直流电在电容器中滤除纹波后，在并网逆变器中转换成与电网同频、同相的符合电网要求的正弦·交流电，然后经LCL滤波器滤除高次谐波，最后经过交流接触器输入电网。目前，现有的并网逆变装置大都是设置在逆变柜体中。其中，并网逆变器是由多个功率器件经串联或并联连接，并通过控制单元的控制，同时利用功率器件本身具有的通断能力，实现将直流电转化为交流电的功能器件。目前，并网逆变器中的功率器件一般采用绝缘门双极晶体管IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), I GBT 具有 GTR(大功率晶体管)高电流密度、低饱和电压和耐高压的优点，以及M0SFET(场效应晶体管)高输入阻抗、高开关频率和低驱动功率的优点；但是，IGBT同时也是一种大功率电子元件，发热量可达数千瓦，而要保持I GBT正常使用，其温度不能超过某一界限(若温度过高可能会引起IGBT的热击穿)，而且，IGBT过高的发热量和逆变柜体的散热性能差也会导致逆变柜体中某他器件的性能下降，最终导致整个系统不稳定。同时，目前大功率光伏并网逆变装置除散热性不好之外，还存在很多布局不合理的地方。比如同种器件由于体积大、数量多，布局稍有不合理，很容易造成逆变柜体中空间紧张；多种器件之间的接线比较零乱，不便于线路检查；引线过长，影响电子器件的电气性能指标；电子器件的进线端子、出线端子及其他接线端子不统一，导致操作人员对电子器件的安装、操作和维护均不方便；柜体内的空间没有得到合理的利用，空间利用率低。
实用新型内容本实用新型所要解决的技术问题是针对现有技术所存在的上述不足，提供一种集成式功率模块以及包含该集成式功率模块的并网逆变装置，该集成式功率模块的布局合理，能够有效节省逆变柜体中功率模块的占用空间。解决本实用新型技术问题所采用的技术方案是该集成式功率模块包括电容组、功率器件组以及散热单元，其中，该集成功率模块中还包括有箱体，所述电容组安装在箱体的前面板上，所述散热单元包括散热器组，所述功率器件组与所述散热器组组装在一起，并共同安装在箱体的后面板上。优选的是，所述功率器件组的输入端与所述电容组的输出端连接在一起，所述电容组的输入端构成该集成式功率模块的进线端子，所述功率器件组的输出端构成该集成式功率模块的出线端子，该集成式功率模块的进线端子和二次接线端子设置在箱体的前面板上，该集成式功率模块的出线端子设置在箱体的底部。优选的是，所述电容组包括多个并联连接的电容，所述功率器件组包括多个并联连接的功率器件，所述散热器组包括多个散热器，所述散热器的数量与功率器件的数量相等，每个散热器上对应安装一个功率器件。优选的是，单个散热器包括基片和散热齿片，所述基片和散热齿片连接为一体，所述散热齿片固定在箱体的后面板上，所述单个功率器件安装在单个散热器的基片上，所述多个电容的各输出端通过第一并联连接组件并联连接，所述多个功率器件的各输入端通过第二并联连接组件并联连接，所述第一并联连接组件与第二并联连接组件连接为一体。优选的是，所述第一并联连接组件为第一叠层母排，所述第一叠层母排包括第一面板、第二面板和第一连接板，所述第一面板与第二面板以及第一连接板分别连接，第一面板、第二面板以及第一连接板的板面方向互相垂直，第一连接板设于第一面板的侧边，所述多个电容设于第一面板上，第一连接板上开设有第一螺孔；所述第二并联连接组件为第二叠层母排，所述第二叠层母排包括第三面板和第三连接板，所述第三面板与第三连接板的板面方向垂直，且第三连接板设于第三面板的侧边，所述第三连接板上开设有与第一连接板上的第一螺孔对应的第三螺孔，通过在所述第一螺孔和第三螺孔中设置螺栓能使第一叠层母排和第二叠层母排连接在一起。进一步优选的是，所述第一叠层母排的第一面板上开设有多个第一内孔，所述多个电容分别通过螺栓固定在多个第一内孔中，所述第一内孔的数量以及排列方式根据所述多个电容对直流电源的滤波能力来进行设定；所述第二叠层母排的第三面板上开设有多个第二内孔，所述多个功率器件分别通过螺栓固定在第二内孔中，所述第二内孔的数量以及排列方式根据直流电源转化成交流电源的实际需要进行设定。优选的是，所述第一叠层母排和第二叠层母排均包括采用合成板制成，所述合成板包括采用导电材料制成的内层以及包覆在所述内层外的由绝缘材料制成的外层。其中，所述内层采用紫铜板制作，所述外层采用诺米克纸制作。更优选的是，所述散热单元还包括设于箱体内的散热通道，箱体的后面板下部和上部分别开设有模块进风口和模块出风口，所述模块进风口与模块出风口之间的通道即构成所述散热通道，所述散热器组中各个散热器的散热齿片设于所述散热通道中。该所述散热通道的散热方式为下进风、上出风方式。优选的是，所述功率器件组中的各功率器件采用IGBT模块，所述多个IGBT模块并联连接在一起形成所述功率器件组。所述并联的IGBT模块的数量根据直流电源转化成交流电源的实际需要进行设定。一种光伏并网逆变装置，包括功率模块，所述功率模块采用上述集成式功率模块。本实用新型集成式功率模块有效解决了功率模块布局不合理的问题，有效节省了功率模块的占用空间，同时也使得功率模块的散热性能好。其有益效果具体表现如下I.该集成式功率模块中由于采用箱体，各主要模块组如电容组、功率器件组以及散热组都放置在箱体内，且箱体内的布局紧凑合理，使得各模块组之间的结构简单紧凑、布局合理整齐,空间利用率高,有效节省了集成式功率模块的体积；[0018]2.各模块组之间采用叠层母排进行连接，有效地减小了各器件之间的引线距离，减小了引线电感；3.各输入端子和输出端子统一、位置设计合理，使得整个功率模块中功率流顺畅，且便于操作和后期维护。
图I为本实用新型实施例中集成式功率模块的结构示意图；图2为图I的侧视图；图3为图I中集成式功率模块的正视图；图4为图I中箱体外表面的结构示意图；图5A为实施例中第一叠层母排的结构示意图；图5B为实施例中第二叠层母排的结构示意图；图5为第一叠层母排与第二叠层母排的连接示意图。图中1-电容组；2_IGBT模块组；3_散热器组；4_第一叠层母排；5_第二叠层母排；8_直流输入端子；9_交流输出端子；10_ 二次接线端子；11_模块进风口 ；12_模块出风口 ；13_栅格；14_箱体；15-第一面板；16_第二面板；17-第三面板；18_第一连接板；20-第三连接板；21_第一螺孔；22_第三螺孔；23_螺栓(螺钉)。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本实用新型的技术方案，
以下结合附图和具体实施例对本实用新型集成式功率模块以及包含该集成式功率模块的光伏并网逆变装置作进一步详细描述。本实用新型的设计构思在于，按照并网逆变电源的功率和电压等级，将并网逆变装置中与功率器件组有连接关系的其他器件，采用就近原则、并按照功率流的走向进行合理布局，并依次连接在一起，从而形成一个紧凑的、具有一定功率转换功能的集成式功率模块。如图1、2所示，该集成式功率模块主要包括箱体14、电容组I、功率器件组和散热单元，所述散热单元主要包括散热器组3，所述电容组I、功率器件组和散热器组3均设置在箱体14中。所述电容组I安装在箱体14的前面板上，所述功率器件组与散热器组3组装在一起，并共同安装在箱体14的后面板上。本实施例中，所述电容组I包括多个并联连接的电容；所述功率器件组包括多个并联的功率器件，本实施例中，所述功率器件采用IGBT模块，即所述功率器件组为IGBT模块组2，该IGBT模块组2包括并联的三个IGBT模块，所述散热器组3包括并列设置的三个独立散热器，所述三个IGBT模块分别装在所述三个散热器上。散热器组3的作用在于使箱体14中聚焦的热量快速散发，所述单个散热器包括连接为一体的基片和散热齿片。在本实施例中，所述散热齿片安装在箱体14的后面板上，所述单个IGBT模块安装在单个散热器的基片上。IGBT模块组2的作用在于将直流电转化为交流电，在本实施例中，由于并网逆变器采用三相全桥逆变形式，每个IGBT模块即为一个桥臂上的两个开关管(IGBT)的集合，为了能同时输出三相交流电，本实施例中，IGBT模块组2包括三个IGBT模块，由于每个IGBT模块均包括有一个输入端和一个输出端，因此本实施例中的IGBT模块组2包括三个输入端和三个输出端。如图2所示，所述三个IGBT模块的三个输入端通过第二并联连接组件并联连接在一起，所述多个电容的各输出端通过第一并联连接组件并联连接在一起，所述第一并联连接组件与第二并联连接组件连接在一起，电容组I的输入端形成该集成式功率模块的进线端子，即直流输入端子8，所述三个IGBT模块的三个输出端形成该集成式功率模块的三个出线端子，即所述IGBT模块组中三个IGBT模块的三个输出端各通过一个出线铜排连接后引出而形成该集成式功率模块的三相出线端子，即交流输入端子9。如图5A所示，本实施例中，所述第一并联连 接组件采用第一叠层母排4，第一叠层母排4包括第一面板15、第二面板16和第一连接板18，第一面板15与第二面板16以及第一连接板18分别连接，且第一面板15、第二面板16以及第一连接板18的板面方向互相垂直，第一面板15与第二面板16呈L型连接，第一连接板18设于第一面板15的一侧边，所述电容组I中的多个电容设于第一面板15上，第一连接板18上开设有第一螺孔21。如图5B所示，所述第二并联连接组件采用第二叠层母排5，第二叠层母排5包括第三面板17和第三连接板20，第三面板17与第三连接板20的板面方向垂直，第三连接板20设于第三面板17的侧边使得第三面板17与第三连接板20呈L型连接，所述第三连接板20上开设有与第一连接板18上的第一螺孔21对应的第三螺孔22，通过在第一螺孔21和第三螺孔22中穿过螺栓(或螺钉)23以使得第一叠层母排4和第二叠层母排5连接在一起(如图5所示)，进而可使电容组I与I GBT模块组2并联连接在一起。这里应该理解的是，图I中没有示出第一叠层母排4和第二叠层母排5，以便能较清楚地观察到该集成式功率模块的内部结构。如图5A、5B和图5所示，所述第一叠层母排4中的第一面板15上开设有多个用于固定电容的第一内孔，所述第一内孔的数量以及排列方式根据所述多个电容对直流电源的滤波能力来进行设定；所述第二叠层母排中的第三面板17上开设有多个用于固定IGBT模块的第二内孔，所述第二内孔的数量以及排列方式根据直流电转化成交流电的实际需要进行设定。其中，所述第一叠层母排4和第二叠层母排5采用合成板制成，所述合成板包括采用导电材料制成的内层以及包覆在所述内层外的由绝缘材料制成的外层。在本实施例中，所述合成板的内层采用紫铜板(T2Y2)制作，其外层采用诺米克纸(FR-I)制作。所述第一叠层母排4和第二叠层母排5通过模具压制而成，耐压值为5kV。使用叠层母排可以使得电容组I与I GBT模块组2能够很容易并联连接在一起，而且具有如下优点(1) 一次性安装，不易出错；(2)结构紧凑，可以减小设备尺寸，降低整体成本；(3)为叠层结构，因而能有效减少占用空间的导线，减少线路的杂散电感，减小寄生电容以及减小EMI辐射；(3)采用片状结构，能通过大电流，具有良好的散热性能；(4)采用包覆结构，寿命可达数十年。如图5A、5B和图5所示，所述第一叠层母排4中的第二面板16远离第一面板15的一侧还设置有两个凸出部，所述两个凸出部并列设置，该两个凸出部即构成电容组的输入端以形成该集成式功率模块的进线端子，即将电容组中的多个电容的正极互相并联在一起，负极互相并联在一起，并分别连接至两个凸出部上，最终形成如图2所示的直流输入端子8 ;所述IGBT模块的输出端通过出线铜排引出形成该集成式功率模块的出线端子，最终形成如图2所示的交流输出端子9。如图3所示，该集成式功率模块的直流输入端子8、二次接线端子10 (用于后期接线过程中方便设计改动而预留的接线口)设置在箱体14的前面板上，交流输出端子9设置在箱体14的底部并从箱体14的底部伸出。上述各接线端子的设置，使整个集成式功率模块的功率流顺畅，且便于操作人员进行接线和维护。优选的是,所述散热单元中还包括有设于箱体14内的散热通道。如图4所示,箱体14的后面板的下部和上部分别开设有模块进风口 11和模块出风口 12，模块进风口 11与模块出风口 12之间的通道即构成所述散热通道，即所述散热通道的散热方式为下进风、上出风方式。所述散热器组3中各个散热器的散热齿片设于所述散热通道中。当抽风机开始工作时，散热通道中的空气流动即可将散热齿片上聚集的热量带走。一种光伏并网逆变装置，其包括上述集成式功率模块。在该光伏并网逆变装置中 包括有柜体，所述集成式功率模块设置在所述柜体中，所述集成式功率模块的进线端子和二次接线端子设置在所述柜体的前面板上，所述集成式功率模块的出线端子从柜体的下方穿出，使得接线方便且不易出错。当该集成式功率模块安装在光伏并网逆变装置的柜体中后，集成式功率模块中的模块进风口 11位于柜体下方的后侧，模块出风口 12位于柜体上方的后侧。如图4所示，所述柜体的顶部和底部还开设有多个用于散热的栅格13，所述柜体顶部与所述模块出风口12相应的位置还开设有柜体风口，有利于快速散热；而且，在光伏并网逆变装置的柜体外部正对所述柜体风口的位置还安装有对所述集成式功率模块中的散热通道进行抽风的抽风机，这样抽风机一开始工作，集成式功率模块的箱体内部就会形成下进风上出风的散热通道，从而可以获得良好的散热效果。在该光伏并网逆变装置中，所述集成式功率模块通过导轨设置成相对柜体的其他部分为可推拉移动的活动单元，比如形成一个可推拉的类似抽屉的箱体，以便安装和后期维护工作。在安装本实施例所述的集成式功率模块时，先将三个散热器并排放置在箱体的后面板上，然后在每一个散热器上均安装一个IGBT模块，使IGBT模块与散热器先组装形成一个单独部分，通过第二叠层母排并联连接各个IGBT模块的输入端，并使IGBT模块与散热器形成一个独立的、可拆卸的单元固定在箱体的后面板上；然后，将多个电容并联通过第一叠层母排形成电容组，并使电容组成为一个独立、可拆卸的单元固定在箱体的前面板上 ’最后，将第一叠层母排的第一连接板和第二叠层母排的第三连接板连接在一起，从而完成集成式功率模块的安装。进一步的，可以通过导轨将该集成式功率模块安装在并网逆变装置的柜体中，使得所述集成式功率模块设置成相对所述柜体其他部分为可推拉移动的活动单
J Li ο这里应该理解的是，本实用新型中的功率器件组的具体连接方式以及电容组的连接方式，均根据并网逆变装置中逆变器的实际需要来进行设定，功率器件也可以根据需要选择除本实施例所述的I GBT以外的其他功率器件；另外，本实施例中所述的第一叠层母排和第二叠层母排的具体结构和布局形式也可以根据并网逆变装置中的逆变器的实际需要来进行设置，这里不再赘述。[0047]可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本实用新型的原理而采用的示例性实施方式，然而本实用新型并不局限于此。对于本领域内的普通 技术人员而言，在不脱离本实用新型的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本实用新型的保护范围。
权利要求1.一种集成式功率模块，包括电容组、功率器件组以及散热单元，其特征在于，该集成功率模块中还包括有箱体，所述电容组安装在箱体的前面板上，所述散热单元包括散热器组，所述功率器件组与所述散热器组组装在一起，并共同安装在箱体的后面板上。
2.根据权利要求I所述的集成式功率模块，其特征在于，所述功率器件组的输入端与所述电容组的输出端连接在一起，所述电容组的输入端构成该集成式功率模块的进线端子，所述功率器件组的输出端构成该集成式功率模块的出线端子，该集成式功率模块的进线端子和二次接线端子设置在箱体的前面板上，该集成式功率模块的出线端子设置在箱体的底部。
3.根据权利要求2所述的集成式功率模块，其特征在于，所述电容组包括多个并联连接的电容，所述功率器件组包括多个并联连接的功率器件，所述散热器组包括多个散热器，所述散热器的数量与功率器件的数量相等，每个散热器上对应安装一个功率器件。
4.根据权利要求3所述的集成式功率模块，其特征在于，单个散热器包括基片和散热齿片，所述基片和散热齿片连接为一体，所述散热齿片固定在箱体的后面板上，所述单个功率器件安装在单个散热器的基片上，所述多个电容的各输出端通过第一并联连接组件并联连接，所述多个功率器件的各输入端通过第二并联连接组件并联连接，所述第一并联连接组件与第二并联连接组件连接为一体。
5.根据权利要求4所述的集成式功率模块，其特征在于，所述第一并联连接组件为第一叠层母排，所述第一叠层母排包括第一面板、第二面板和第一连接板，所述第一面板与第二面板以及第一连接板分别连接，第一面板、第二面板以及第一连接板的板面方向互相垂直，第一连接板设于第一面板的侧边，所述多个电容设于第一面板上，第一连接板上开设有第一螺孔；所述第二并联连接组件为第二叠层母排，所述第二叠层母排包括第三面板和第三连接板，所述第三面板与第三连接板的板面方向垂直，且第三连接板设于第三面板的侧边，所述第三连接上开设有与第一连接板上的第一螺孔对应的第三螺孔，通过在所述第一螺孔和第三螺孔中设置螺栓能使第一叠层母排和第二叠层母排连接在一起。
6.根据权利要求5所述的集成式功率模块，其特征在于，所述第一叠层母排的第一面板上开设有多个第一内孔，所述多个电容分别通过螺栓固定在多个第一内孔中；所述第二叠层母排的第三面板上开设有多个第二内孔，所述多个功率器件分别通过螺栓固定在第二内孔中。
7.根据权利要求6所述的集成式功率模块，其特征在于，所述第一叠层母排和第二叠层母排均包括采用合成板制成，所述合成板包括采用导电材料制成的内层以及包覆在所述内层外的由绝缘材料制成的外层。
8.根据权利要求6所述的集成式功率模块，其特征在于，所述散热单元还包括设于箱体内的散热通道，箱体的后面板下部和上部分别开设有模块进风口和模块出风口，所述模块进风口与模块出风口之间的通道即构成所述散热通道，所述散热器组中各个散热器的散热齿片设于所述散热通道中。
9.根据权利要求1-8任一项所述的集成式功率模块，其特征在于，所述功率器件组中的各功率器件采用I GBT模块，所述多个IGBT模块并联连接在一起形成所述功率器件组。
10.一种光伏并网逆变装置，包括功率模块，其特征在于，所述功率模块采用权利要求1-9任一项所述的集成式功率模块。
专利摘要本实用新型提供一种集成式功率模块以及光伏并网逆变装置。一种集成式功率模块，其包括电容组、功率器件组以及散热单元，该集成功率模块中还包括有箱体，所述电容组安装在箱体的前面板上，所述散热单元包括散热器组，所述功率器件组与所述散热器组组装在一起，并共同安装在箱体的后面板上。一种光伏并网逆变装置，包括功率模块，所述功率模块采用上述集成式功率模块。该集成式功率模块有效解决了功率模块布局不合理以及散热的问题。
文档编号H05K7/20GK202602524SQ201220122929
公开日2012年12月12日 申请日期2012年3月28日 优先权日2012年3月28日
发明者余宗洋, 陈长安, 梁欢迎 申请人:特变电工新疆新能源股份有限公司, 特变电工西安电气科技有限公司