基于双向螺旋流道水冷散热基板的三相逆变功率模块

摘要

本发明涉及逆变功率模块，具体为基于双向螺旋流道水冷散热基板的三相逆变功率模块，解决现有散热流道不合理、散热性能差、尺寸和重量大，不易快速插拔安装的问题，方案：双向螺旋流道的水冷散热基板上设有三相逆变功率电路，其上层叠布置T性复合母排和驱动板，基板前沿设支撑座，两侧设置有水接头和固定块，固定块上穿有螺杆和把手。优点：冷却液流阻小散热均匀；水接头安装拆卸方便不干涉加工精度低；布局不受流道影响；回路电感小IGBT的热性能功率模块工作可靠性高；布局紧凑，体积小及重量轻，节省成本；接口有序前置，便于维修维护，节省外部快速连接装置；驱动信号抗干扰性高。

权利要求

1.一种基于双向螺旋流道水冷散热基板的三相逆变功率模块，其特征在于：包括水冷散热基板，所述水冷散热基板包括冷却主板（1）、钎焊板（2）、盖板（3）三层叠加而成；所述冷却主板（1）上开有中心对称且对称中心平滑贯通的双向螺旋流道，所述盖板（3）上垂直于盖板面设置有两个水接头（13），所述水接头（13）分别与流道的两端贯通；所述盖板（3）及冷却主板（1）的板面上开有多个安装螺纹孔；所述水冷散热基板的上表面的前沿竖直固定有绝缘支撑座（5），所述水接头（13）设置于绝缘支撑座（5）两侧，所述绝缘支撑座（5）上方的水冷散热基板上有序紧凑布置有三相逆变功率电路，所述三相逆变功率电路包括三路两端并联的由两个功率器件（4）串联构成的半桥电路，三路半桥电路的中间点分别引出作为交流端子U、V、W，三路半桥电路的上下桥臂引出作为直流端子；所述三相逆变功率电路上层设置有前置端子的T型复合母排（6），所述T型复合母排（6）的前沿设置有固定折弯，所述固定折弯与绝缘支撑座（5）通过螺钉连接，所述绝缘支撑座（5）两侧的安装螺纹孔内竖直固定有高于T型复合母排（6）的屏蔽支撑板（7），所述屏蔽支撑板（7）上沿设置有驱动板固定折弯，所述驱动板固定折弯上设置有驱动板（8），所述驱动板（8）上设置有低压信号连接器（11）和低压电源连接器（12）；所述驱动板（8）上设置有四角与驱动板（8）通过螺栓连接的防护盖板（10）；所述水冷散热基板两侧通过安装螺纹孔分别固定有两个安装块（9），同侧的所述安装块（9）沿水冷散热基板长度方向水平穿有安装螺杆，所述安装块之间还固定有提拉把手。

2.根据权利要求1所述的基于双向螺旋流道水冷散热基板的三相逆变功率模块，其特征在于：所述功率器件（4）为能够实现逆变功能的功率半导体器件IGBT、SiC-IGBT、MOSFET和SiC中的一种。

说明书

基于双向螺旋流道水冷散热基板的三相逆变功率模块

技术领域

[0001] 本发明涉及逆变功率模块，具体为基于双向螺旋流道水冷散热基板的三相逆变功率模块。

背景技术

[0002] 近年来，交流传动电力机车牵引变流装置正在向大功率和高度集成化、轻量化等方向发展，由此导致系统耗散功率密度急剧增大，功率模块作为整个变流装置的核心部件，所以功率模块的高集成度、轻量化设计是非常有必要的。目前大部分的功率模块由于受到散热装置的结构限制，功率器件布局、冷却接口、电气接口、机械接口均不能随意变动，出现功率模块整体结构臃肿，外形尺寸大，重量重等缺点。这既不便于功率模块与外部变流装置的快速插拔和安装，且功率模块体积重量大，从而占用外部装置整体的空间大。因此，设计一种散热良好，功率器件布局合理，易于快速插拔和安装，外形小，重量轻的逆变功率模块是十分有必要的。

发明内容

[0003] 本发明解决现有逆变功率模块受散热流道结构限制导致的布局不合理、散热性能差、外形尺寸和重量大，不易快速插拔安装的问题，提供一种基于双向螺旋流道水冷散热基板的三相逆变功率模块。

[0004] 本发明是通过以下技术方案实现的：基于双向螺旋流道水冷散热基板的三相逆变功率模块，包括水冷散热基板，所述所述水冷散热基板包括冷却主板、钎焊板、盖板三层叠加而成；所述冷却主板上开有中心对称且对称中心平滑贯通的双向螺旋流道，（两条流道呈螺旋形分布，且螺旋中心圆滑贯通连接，该流道可为圆形或椭圆形），所述盖板上垂直于盖板面设置有两个水接头，所述水接头分别与流道的两端贯通；所述盖板及冷却主板的板面上开有多个安装螺纹孔；所述水冷散热基板的上表面的前沿竖直固定有绝缘支撑座，所述水接头设置于绝缘支撑座两侧，所述绝缘支撑座上方的水冷散热基板上有序紧凑布置有三相逆变功率电路，所述三相逆变功率电路包括三路两端并联的由两个功率器件串联构成的半桥电路，三路半桥电路的中间点分别引出作为交流端子U、V、W，三路半桥电路的上下桥臂引出作为直流端子；所述三相逆变功率电路上层设置有前置端子的T型复合母排，所述T型复合母排的前沿设置有固定折弯，所述固定折弯与绝缘支撑座通过螺钉连接，所述绝缘支撑座两侧的安装螺纹孔内竖直固定有高于T型复合母排的屏蔽支撑板，所述屏蔽支撑板上沿设置有驱动板固定折弯，所述驱动板固定折弯上设置有驱动板，所述驱动板上设置有低压信号连接器和低压电源连接器；所述驱动板上设置有四角与驱动板通过螺栓连接的防护盖板；所述水冷散热基板两侧通过安装螺纹孔分别固定有两个安装块，同侧的所述安装块沿水冷散热基板长度方向水平穿有安装螺杆，所述安装块之间还固定有提拉把手。冷却主板上开有流道，冷却主板、钎焊板、盖板三层叠加形成水冷散热基板。双向螺旋流道最大限度利用散热装置板面空间，且没有尖角、直角，流道平滑，冷却液流速由外圈至内圈，再由内圈至外圈，所遇阻力均匀，变化不大，完美解决了散热板整体散热不均匀，散热板表面温度跟随冷却液的流向变化、流阻大处不易散热和功率器件布局受流道限制等问题。冷却液在平滑的流道内不受尖角直角阻碍，流动顺畅。双螺旋结构的流道的出口可根据需要设置在板面的任意方向的边角处，方便布置散热板上元器件的布置和设置水接头的方向。水接头不受流道方向限制，可与板面垂直设置，方便安装拆卸维护，且不与周围器件发生干涉，采用手动对接的方式，加工精度要求更低。三路半桥电路分别形成三个交流输出桥臂，通过电缆线与外部装置进行电气连接，在控制单元控制下，一块驱动板驱动一支IGBT进行开通关断，将直流电逆变为三相交流电，为负载提供电源。根据水冷散热基板双向流道的特性，可将功率器件、水接头、高低压电气接口均集成在水冷散热基板的前沿，且所有接口前置，有效地缩小了功率模块的高度和深度，既缩短功率模块与外部接口的安装时间，而且各种接口布置有序，从而保证功率模块接口安装的准确性。其中，功率器件可选用能够实现逆变功能的功率半导体器件，例如IGBT、SiC-IGBT、MOSFET和SiC等半导体器件。基于双向螺旋流道水冷散热基板的三相逆变功率模块，在水冷散热基板单侧面有序紧凑布置功率器件；在功率器件上层布置前置端子的T型复合母排，通过复合母排实现电路中所有功率器件的电气连接，前置端子的T型复合母排在冷却接口限制的有限空间内实现了高压电气端子的合理布局，既保证了电气间隙和爬电距离，又实现交直流端子反向有序布置；屏蔽支撑板整体罩住复合母排，其两侧禁锢于水冷散热基板面，驱动板安装在屏蔽支撑板上方，屏蔽支撑板可有效屏蔽高压电对驱动板电磁干扰，且充当了驱动板的支撑装置，为高度集成功率模块的小型化做出贡献；防护盖板用于保护驱动板免遭受外部应力和杂质影响；同时交直流高压电气端子、水接头全部设置在功率模块前端，水冷散热基板前沿设置绝缘支撑座组合，既实现了可靠电气连接，又有利于散热和层叠结构的实现。功率模块在变流柜中采用卧式安装，以水冷散热基板背面为支撑面和滑道，通过安装螺杆与变流柜进行机械连接，并且减小了系统体积和重量。提拉把手方便维修和维护时取出整个逆变功率模块。

[0005] 本发明具有以下优点：1、流道设计合理，充分解决了散热板整体散热不均匀，散热板表面温度跟随冷却液的流向变化、流阻大处不易散热的问题；2、水接头垂直于板面设置，方便安装拆卸维护，且不与周围器件发生干涉，采用手动对接的方式，加工精度要求更低；3、流道内没有尖角、直角，冷却液在平滑的流道内不受尖角直角阻碍，流动顺畅，散热快速而均匀，功率器件布局不受流道影响。4、无需在水冷散热基板外围设置金属框架，减小了占用面积，更加适合元器件轻量化、小型化设计；5、减小回路电感，保证了IGBT的热性能，提高功率模块工作的可靠性；6、单面布局结构紧凑，减小功率模块体积及重量，满足轻量化设计要求，节省产品设计成本；7、功率模块外部接口全部有序布置前置且螺栓紧固，既便于维修维护，又节省外部快速连接装置；8、提高了驱动信号抗干扰性，功率模块可靠性更高。

附图说明

[0006] 图1为水冷散热基板结构示意图；

[0007] 图2为流道示意图；

[0008] 图3为三相逆变功率模块结构示意图。

[0009] 图中：1-冷却主板，2-钎焊板，3-盖板，4-功率器件，5-绝缘支撑座，6-T型复合母排，7-屏蔽支撑板，8-驱动板，9-安装块，10-防护盖板，11-低压信号连接器，12-低压电源连接器，13-水接头。

具体实施方式

[0010] 基于双向螺旋流道水冷散热基板的三相逆变功率模块，包括水冷散热基板，所述所述水冷散热基板包括冷却主板1、钎焊板2、盖板3三层叠加而成；所述冷却主板1上开有中心对称且对称中心平滑贯通的双向螺旋流道，所述盖板3上垂直于盖板面设置有两个水接头13，所述水接13头分别与流道的两端贯通；所述盖板3及冷却主板1的板面上开有多个安装螺纹孔；所述水冷散热基板的上表面的前沿竖直固定有绝缘支撑座5，所述水接头13设置于绝缘支撑座5两侧，所述绝缘支撑座5上方的水冷散热基板上有序紧凑布置有三相逆变功率电路，所述三相逆变功率电路包括三路两端并联的由两个功率器件4串联构成的半桥电路，三路半桥电路的中间点分别引出作为交流端子U、V、W，三路半桥电路的上下桥臂引出作为直流端子；所述三相逆变功率电路上层设置有前置端子的T型复合母排6，所述T型复合母排6的前沿设置有固定折弯，所述固定折弯与绝缘支撑座5通过螺钉连接，所述绝缘支撑座5两侧的安装螺纹孔内竖直固定有高于T型复合母排6的屏蔽支撑板7，所述屏蔽支撑板7上沿设置有驱动板固定折弯，所述驱动板固定折弯上设置有驱动板8，所述驱动板8上设置有低压信号连接器11和低压电源连接器12；所述驱动板8上设置有四角与驱动板8通过螺栓连接的防护盖板10；所述水冷散热基板两侧通过安装螺纹孔分别固定有两个安装块9，同侧的所述安装块9沿水冷散热基板长度方向水平穿有安装螺杆，所述安装块之间还固定有提拉把手。

[0011] 具体实施时，所述功率器件4为能够实现逆变功能的功率半导体器件IGBT、SiC-IGBT、MOSFET和SiC。