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CN102611327A - 层叠结构的功率转换器 - Google Patents

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CN102611327A CN2011104339853A CN201110433985A CN102611327A CN 102611327 A CN102611327 A CN 102611327A CN 2011104339853 A CN2011104339853 A CN 2011104339853A CN 201110433985 A CN201110433985 A CN 201110433985A CN 102611327 A CN102611327 A CN 102611327A
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Abstract

提供了一种层叠结构的功率转换器。本发明的目的在于，通过将功率半导体元件模块有效地排列在散热器上来减小散热器的尺寸以及降低成本和所需风扇的能力。应用于提供三相交流输出或输入的功率转换电路的功率半导体元件模块如下排列在散热器上：奇数的并联连接的功率半导体元件模块排列在U、W和V相中的U和W相中，而偶数的并联连接的功率半导体元件模块在V相中相对于用于冷却散热器的空气的流通方向分两行排列，由此减小散热器上的间隙并有效地排列这些模块。

Description

层叠结构的功率转换器
技术领域
本发明涉及通过并联连接功率半导体模块来构成的层叠结构的功率转换器。
背景技术
图6示出作为典型功率转换器的逆变器的主电路图。
在该图中，11是DC(直流)电源(电路)，12是诸如马达(Mo)之类的负载，而13是由功率半导体元件组成的功率转换部件(逆变器)，该功率转换部件可提供可变电压和频率的交流(AC)输出。DC电源(电路)11一般通过AC电源和二极管整流器由具有大电容的电解电容器构成。
在逆变器13中，标记14表示作为开关元件的IGBT(绝缘栅双极晶体管)、而15表示反并联连接到IGBT的二极管，并且分别包括这些元件的六个电路构成逆变器。一般而言，功率半导体模块(IGBT模块)由一对两个元件(上元件和下元件)或一组六个元件构成。提供三相输出并具有高于某一电平的电容的逆变器一般由分别包含两个元件的IGBT模块构成，IGBT模块的数量是3的倍数。
当要增大功率转换器的容量时，需要增大元件电流的规格。为此，可能需要应用具有高规格电流的IGBT模块，或者可能需要并联连接IGBT模块。图7示出其中各自包含两个元件的三个IGBT模块M在每一相中并联连接的示例。图8示出包含两个元件的IGBT模块M的外观。如图8所示，模块M包括例如作为正端子的端子16(P)、作为负端子的端子17(N)、输出端子18(U)等。
由于产生损耗，IGBT模块一般需要用于冷却热的散热器。在图9中示出常规铝散热器。其通常具有长方体的形状，由吸热部件19和散热片(fin)部件20构成，并且通过使散热片部件20通风来实现冷却。根据图7所示的示例，并联连接的三个IGBT模块放置在散热部件中作为所有相的或作为单独相的九个模块，每个IGBT模块包含三个模块，分别如图10和11所示。
例如，在日本专利申请特开No.2005-117783中公开了包含两个元件的IGBT模块和紧密放置的三个并联连接的IGBT模块的示例的配置。
如上所述，在其中IGBT模块并联连接的功率转换器中，鉴于使IGBT模块之间的电流达到平衡，IGBT模块需要排列成接近吸热部件，如其中所有九个模块排列在一个散热器上的图10、或其中包含三个模块的每一相排列在散热器上的图11所示。
然而，当并联连接的模块的数量增加(例如，图12的情况下的五个)时，逆变器的总尺寸可能并未减小，如其中三相在X方向(横向)上拉长排列的图13所示。
另一方面，当模块相对于通风方向分两行排列时，X方向(横向)的长度可缩短，如其中三个并联连接的IGBT模块的三相排列在一个散热器上的图14A、其中三个并联连接的IGBT模块的每一相排列在每个散热器上的图14B、其中五个并联连接的IGBT模块的三相排列在一个散热器上的图15A、以及其中五个并联连接的IGBT模块的每一相排列在每个散热器上的图15B所示。
然而，当并联连接的模块的数量为奇数时，与数量为偶数的情况相反，如图14和15所示虚线21产生死区(部分地示出；同样适用于其余部分)，从而难以促进散热器的有效利用。
当如图16所示(在三个并联连接的IGBT模块的情况下)五个和四个模块分别排列在上风侧和下风侧时，与图14和15所示的情况下相比，死区可减小。然而，由于V相中的两个IGBT模块排列在下风侧，因此那两个模块的热负载比其他相中的IGBT模块的热负载大，从而导致需要基于V相的热设计。
发明内容
图17示出其中五个并联连接的IGBT模块排列在两个散热器上的示例。
在此情况下，散热器1A和1B包含排列在上面的不同数量的IGBT模块，从而需要基于具有更多IGBT模块的散热器1A的热设计；因此，需要散热器和具有更高的发散能力的风扇。
由此，本发明的目的在于，有效地利用散热器来减小散热器的尺寸以及降低成本和所需风扇能力。
为了解决以上问题，根据权利要求1所述的本发明是层叠结构的功率转换器，包括：提供三相交流输出或输入且由每相基本上为奇数的并联连接的功率半导体元件模块构成的功率转换电路；以及用于冷却功率半导体元件模块的散热器，其中奇数的并联连接的功率半导体元件模块排列在第一相和第三相中，而偶数的并联连接的功率半导体元件模块在第二相中相对于用于冷却散热器的空气的流通方向分成两行排列在散热器上。
根据权利要求2所述的本发明是层叠结构的功率转换器，包括：提供三相交流输出或输入且由每相基本上为奇数的并联连接的功率半导体元件模块构成的功率转换电路；以及用于冷却功率半导体元件模块的散热器，其中五个并联连接的功率半导体元件模块排列在第一相和第三相中，而六个并联连接的功率半导体元件模块在第二相中相对于用于冷却散热器的空气的流通方向分成两行排列在两个散热器上，从而第一相和第三相中的五个模块以及第二相中的三个模块排列在一个散热器中，而第二相中的三个模块和第三相中的五个模块排列在另一个散热器中。
在根据权利要求1或2所述的本发明中，排列有偶数模块的相可排列在散热器的中央部(根据权利要求3所述的本发明)。在根据权利要求1至3所述的本发明中，两行功率半导体元件模块可排列在散热器上，从而相对于流通方向分两个单独的行排列(根据权利要求4所述的本发明)。
根据本发明，可有效地利用散热器，从而减小散热器的尺寸并且还降低所需风扇的能力。因此，可减少功率转换器的叠层和功率转换器的总尺寸，并且可降低其成本。
附图说明
图1是示出本发明的一方面的构成图；
图2是示出图1中的、具有不同数量的并联连接的模块的一方面的构成图；
图3是示出本发明的另一方面的构成图；
图4是示出图1的一方面的变体的构成图；
图5是示出图3的一方面的变体的构成图；
图6是逆变器的一般示例的电路构成图；
图7是示出三个并联连接的功率半导体模块的逆变器电路的构成图；
图8是包含两个元件的功率半导体模块的外部视图；
图9是铝散热器的外部视图；
图10是示出其中三相的功率半导体模块排列在一个散热器上的示例的俯视图；
图11是示出其中三相的功率半导体模块排列在三个散热器上的示例的俯视图；
图12是示出其中一相的功率半导体模块排列在一个散热器上的示例的俯视图；
图13是示出其中三相的功率半导体模块排列在三个散热器上的示例的俯视图；
图14是示出其中三个并联连接的功率半导体模块排列在散热器上的示例的俯视图；
图15是示出其中五个并联连接的功率半导体模块排列在散热器上的示例的俯视图；
图16是示出图14A的变体的俯视图；以及
图17是示出其中五个并联连接的功率半导体模块排列在两个散热器上的示例的俯视图。
具体实施方式
图1是示出本发明的一方面的构成图。在本实施例中，在U相和W相中五个IGBT模块M并联连接，而在V相中六个IGBT模块M并联连接。根据该构成，在散热器1的吸热部件没有死区，从而允许有效地利用散热器1。由于V相比其他相多一个模块，因此在图17中V相上的比其他相大的热负载可减小。
在图2中，在U和W相中三个IGBT模块M并联连接，而在V相中四个IGBT模块M并联连接，即，除并联连接的模块数量以外的细节与以上图1的细节相同；由此省略详细解释。
图3示出本发明的另一方面。
在本方面中，除设置有两个散热器1A和1B以外，与图1相类似的，在U和W相中五个IGBT模块M并联连接，而在V相中六个IGBT模块M并联连接。根据该构成，散热器1A和1B上的热负载(IGBT模块的总生成损耗)得到均衡，并且与图17相比，在V相中每个模块的生成损耗减少到5/6；由此，整个散热器上的热负载(IGBT模块的总生成损耗)减小，从而可减小散热器的尺寸并且可降低所需风扇的能力。
图4示出图1和2的变体。
在本实施例中，具有两行的散热器1分成上部件和下部件，并且第一行和第二行中的模块M分别排列在散热器1A和1B上。根据该构成，可均衡散热器1A和1B上的热负载。
图5示出图3的变体，其中图3中的第一行和第二行中的模块M分别排列在散热器1A和1B、以及1C和1D上。根据该构成，可均衡散热器1A至1D上的热负载。
在上文中示出其中三个和五个IGBT模块并联连接的实施例；然而，本发明一般可应用于其中并联连接的模块数量基本上为诸如七个(在此情况下，在V相中八个模块并联连接)和九个(在此情况下，在V相中十个模块并联连接)之类的奇数的实施例。例如，本发明可同样应用于其中元件不仅是IGBT而且是诸如MOSFET和二极管之类的功率半导体模块、并且转换器提供交流输入的实施例中。

Claims (4)

1.一种层叠结构的功率转换器，包括：提供三相交流输出或输入且由每相基本上为奇数的并联连接的功率半导体元件模块构成的功率转换电路；以及用于冷却所述功率半导体元件模块的散热器，其中
奇数的并联连接的功率半导体元件模块排列在第一相和第三相中，而偶数的并联连接的功率半导体元件模块在第二相中相对于用于冷却所述散热器的空气的流通方向分成两行排列在所述散热器上。
2.一种层叠结构的功率转换器，包括：提供三相交流输出或输入且由每相基本上为奇数的并联连接的功率半导体元件模块构成的功率转换电路；以及用于冷却所述功率半导体元件模块的散热器，其中
五个并联连接的功率半导体元件模块排列在第一相和第三相中，而六个并联连接的功率半导体元件模块在第二相中相对于用于冷却所述散热器的空气的流通方向分成两行排列在两个散热器上，从而所述第一相中的五个模块以及所述第二相中的三个模块排列在一个散热器中，而所述第二相中的三个模块和所述第三相中的五个模块排列在另一个散热器中。
3.如权利要求1或2所述的层叠结构的功率转换器，其特征在于，排列有所述偶数模块的相排列在所述散热器的中央部。
4.如权利要求1至3中任一项所述的层叠结构的功率转换器，其特征在于，两行功率半导体元件模块排列在所述散热器上，从而相对于所述流通方向分两个单独的行排列。
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