CN103051313B - 一种实现电子开关器件均衡并联的方法及其结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实现电子开关器件均衡并联的方法，包括：(1)将正、负极输入接入两个水冷母排，形成正极输入水冷母排和负极水冷母排；(2)用相同的两层铜板相错层叠构成复合母排；(3)将多个电子开关器件均布设置在两层铜板的重叠区域上，组成电子开关单元；(4)在正、负极输入水冷母排上各设置两组电子开关单元，每组电子开关单元的电子开关器件均紧压对应的水冷母排；(5)每个电子开关器件的漏极、源极均与各自对应铜板垂直连接；各连接点在两铜板重叠区域上均布，实现电子开关器件的均衡并联。本发明还公开了利用上述方法的实现电子开关器件均衡并联的结构。本发明可实现并联的电子开关器件具有更好的均流性能、散热良好。

Description

一种实现电子开关器件均衡并联的方法及其结构

技术领域

本发明涉及一种实现电子开关器件均衡并联的方法，还涉及应用该方法的结构。

背景技术

在电力电子行业中，经常用到开关类元器件来实现控制或变换电能，开关类元器件如绝缘栅双极晶体管（IGBT），电力场效应晶体管（mos管）等。这类开关器件在工作时都比较脆弱，过流、电压高、电压低、电压不稳、温度过高等都会影响性能、寿命，甚至造成损坏。

为了满足大容量电气设备使用需求，通常采用并联电力电子开关器件的方式来实现控制大电流，如图1所示。并联时，要使每个器件流过均等的电流是非常重要的，一旦电流平衡达到破坏，那么电流过于集中的那个器件将可能被损坏，对电源系统的稳定性，可靠性都有很大的影响。而目前并联电力电子开关器件的结构方式，导电路径比较长，且各路径彼此孤立，长短不一，阻抗大，损耗大，流过元器件的电流大小不一，热应力差别大，一旦平衡被破坏，那么电流过于集中的那个器件将缩短寿命甚至损坏。

同时，快速开关器件在关断时由于其连接导体产生的电感的作用，会在开关器件上产生关断过电压，一旦这个过电压高于器件的额定耐压，则会损坏器件，也就是说，在实际实用中，开关器件的并联扩展受到连接导体的电感的限制。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种实现电子开关器件均衡并联的方法，可实现并联的电子开关器件具有更好的均流性能、散热良好。

本发明的目的之二是提供利用上述方法的实现电子开关器件均衡并联的结构。

本发明的目的之一通过以下技术方案实现：

一种实现电子开关器件均衡并联的方法，包括：

（1）将正、负极输入接入两个水冷母排，形成正极输入水冷母排和负极水冷母排；

（2）用相同的两层铜板相错层叠构成复合母排，两层铜板间设置绝缘层；

（3）将多个电子开关器件均布设置在两层铜板的重叠区域上，组成电子开关单元；

（4）在正、负极输入水冷母排上各设置两组电子开关单元，每组电子开关单元的电子开关器件均紧压对应的水冷母排；

其中：

在正极输入水冷母排上：将复合母排其中一层铜板分别连接至正极输入水冷母排上的所有电子开关器件的漏极D和正极输入水冷母排；将复合母排的另一层铜板连接至正极输入水冷母排上的所有电子开关器件的源极S，并用作输出端；

在负极输入水冷母排上：将复合母排其中一层铜板分别连接至负极输入水冷母排上的所有电子开关器件的源极S和负极输入水冷母排；将复合母排的另一层铜板连接至负极输入水冷母排上的所有电子开关器件的漏极D，并用作输出端；

（5）每个电子开关器件的漏极D、源极S均与各自对应铜板垂直连接，形成漏极D、源极S连接点在导电方向上均等的导电路径；各连接点在两铜板重叠区域上均布，以使每个电子开关器件的漏极D、源极S在铜板上输入输出的导电路径均相等，实现电子开关器件的均衡并联。

本发明所述步骤（4）中，用导体穿过复合母排，将所有电子开关器件的栅极G和源极S连接至复合母排外的控制回路连接，作为电子开关器件的触发点。

本发明所述绝缘层为PET绝缘纸。

本发明的目的之二通过以下技术方案实现：

一种利用上述方法的实现电子开关器件均衡并联的结构，包括：正极输入水冷母排、负极输入水冷母排、电子开关器件、复合母排和输出水冷母排，所述电子开关器件分别安装固定于正极输入水冷母排和负极输入水冷母排，所述复合母排包括相错层叠设置的双层铜板及位于双层铜板间的绝缘层；所述正极输入水冷母排上的电子开关器件漏极D分别连接对应复合母排的其中一层铜板和正极输入水冷母排，对应复合母排的另一层铜板分别连接正极输入水冷母排上的电子开关器件源极S和输出水冷母排；所述负极输入水冷母排上的电子开关器件源极S分别连接对应复合母排的其中一层铜板和负极输入水冷母排，对应复合母排的另一层铜板分别连接负极输入水冷母排上的电子开关器件漏极D和输出水冷母排；所述电子开关器件与各自对应的铜板的连接点在两层铜板的重叠区域上均布，形成流经各电子开关器件均等的导电路径，实现电子开关器件的均衡并联。

本发明所述铜板的厚度为6mm~8mm。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1）本发明的电子开关元器件均装在水冷母排上，而水冷母排具导电、散热、骨架支撑的作用，大大减少器件数量，缩小了体积，降低了制造成本；母排截面面积大，适合大电流输出，且损耗低；母排采用柱状结构，没有弯曲，在大电流流动时具有最小的等效电感，效率最高、电磁干扰最小；各电路模块安装在母排上，借助母排散热，另外母排特殊散热结构的设计，使其具有更好的散热效果。

2）本发明采用复合母排并联电子开关器件，各个元件均匀分布，导电路径很短且相同，能够有效的均衡各个开关器件的电流，使电源系统稳定性好，电子开关器件的寿命延长，扩大了电气容量；各个电子器件导电路径相同。

3）本发明的复合母排的单层铜板通过铜柱与电子开关器件的漏极D相连接的同时与对角的源极S被绝缘材料隔离。复合母排上的另一层铜板则通过同样的方法与漏极D电气绝缘，与对角的源极S电气连接。如此，复合母排上的两层铜板分别与电子开关器件的漏极D、对角的源极S或连接或隔离，形成不同的电气极性，不同极性的铜板由于基本彼此覆盖，在电力电子开关器件关断时，作为连接导体本身产生的电感正好极性相反，彼此抵消，具有更低的电感，降低由于电压击穿而引起的电力电子开关器件损坏的可能性。

附图说明

图1为常规电子开关器件并联连接的原理图；

图2为本发明电子开关器件采用复合母排的并联连接原理图；

图3为本发明电子开关器件与复合母排的连接示意图；

图4为图3的A-A剖视图；

图5为本发明水冷母排上的电子开关器件与复合母排的连接示意图；

图6为图5的E向视图。

图中：1、正极输入水冷母排；2、负极输入水冷母排；3、电子开关器件；4、复合母排；41、铜板；5、输出水冷母排；6、内六角不锈钢螺丝；7、环氧柱；8、回路控制单元；9、绝缘胶；10、铜柱。

具体实施方式

如图2～6所示，一种实现电子开关器件均衡并联的方法，包括：

（1）将正、负极的输入分别接入两个水冷母排，形成正极输入水冷母排和负极输入水冷母排，两水冷母排平行设置；水冷母排采用水冷铝母排。

（2）在正极输入水冷母排和负极输入水冷母排上分别设置复合母排，其中，复合母排由相同的两层铜板相错层叠构成，两层铜板间设置绝缘层，以绝缘隔离两层铜板，该绝缘层为PET绝缘纸；两铜板分别为铜母排，铜母排为导电后形成极性相反的紫铜板，大部分面积彼此互相覆盖。根据电流密度与实际接触面积，紫铜板横截面面积设为90mm×8mm。紫铜板A1、A2的耐压要求为1KV，紫铜板A1、A2中间用的PET绝缘纸可在较宽的温度范围内具有优良的物理机械性能，长期使用温度可达120℃，电绝缘性优良。其它需要电气绝缘的地方则灌注绝缘胶或填充环氧柱，不存在电气间隙。紫铜板A1、A2、绝缘纸PET、绝缘胶9、环氧柱7通过热熔加压，常温固化等工艺，组成一个固定的整体，电气隔离安全可靠，结构简洁紧凑，实现无错误安装，维护方便。

（3）将多个电子开关器件均布设置在两层铜板的重叠区域上，组成电子开关单元。

（4）在正、负极输入水冷母排上各设置两组电子开关单元，即共四组电子开关单元，每组电子开关单元的电子开关器件均紧压对应的水冷母排。本实施例每组电子开关器件的数量为6个或12个。压装面光滑平整、与电力电子器件电气绝缘，电子开关器件工作时所产生的热量主要由此面传导给水冷铝母排带走；

其中：

在正极输入水冷母排上：将复合母排其中一层铜板分别连接至正极输入水冷母排上的所有电子开关器件的漏极D和正极输入水冷母排；将复合母排的另一层铜板连接至正极输入水冷母排上的所有电子开关器件的源极S，并用作输出端；

在负极输入水冷母排上：将复合母排其中一层铜板分别连接至负极输入水冷母排上的所有电子开关器件的源极S和负极输入水冷母排；将复合母排的另一层铜板连接至负极输入水冷母排上的所有电子开关器件的漏极D，并用作输出端。

（5）每个电子开关器件的漏极D、源极S均与各自对应铜板垂直连接，形成漏极D、源极S连接点在导电方向上均等的导电路径；各连接点在两铜板重叠区域上均布，以使每个电子开关器件的漏极D、源极S在铜板上输入输出的导电路径均相等，实现电子开关器件的均衡并联。

如图5所示，本实施例的一种利用上述方法的实现电子开关器件均衡并联的结构，包括：正极输入水冷母排1、负极输入水冷母排2、电子开关器件3、复合母排4、输出水冷母排5，电子开关器件分3别安装固定于正极输入水冷母排1和负极输入水冷母排2，复合母排4包括相错层叠设置的双层铜板41及位于双层铜板41间的绝缘层；正极输入水冷母排1上的电子开关器件漏极D分别连接对应复合母排4的其中一层铜板41和正极输入水冷母排1，对应复合母排4的另一层铜板41分别连接正极输入水冷母排1上的电子开关器件源极S和输出水冷母排5；负极输入水冷母排2上的电子开关器件源极S分别连接对应复合母排4的其中一层铜板41和负极输入水冷母排2，对应复合母排4的另一层铜板41分别连接负极输入水冷母排2上的电子开关器件漏极D和输出水冷母排5；电子开关器件3与各自对应的铜板41的连接点在两层铜板41的重叠区域上均布，形成流经各电子开关器件3均等的导电路径，实现电子开关器件3的均衡并联。

如图5~6所示，对于输入路径比较短的单个电子开关器件3，如电子开关器件a，其输出路径则比较长；对于输入路径比较长的单个电子开关器件3，如电子开关器件c，其输出路径则比较短。各个电子开关器件3对称均布在水冷母排上，与各自对应铜板41的连接点在两层铜板41的重叠区域也对称均布。因此各个电子开关器件3并联形成均等的导电路径。

本实施例中，如图3~4所示，每个电子开关器件3有2个源极S，1个漏极D，1个栅极G。在复合母排4的铜板41上开孔，单层铜板41与电子开关器件3需要电气连接的地方通过铜柱10插入开孔中导电连接，以连接固定电子开关器件3的源极S、漏极D、栅极G，连接后在复合母排4四周灌注绝缘胶。根据电气设置，栅极G及其对角源极S，为电子开关器件3的触发点，采用内六角不锈钢螺丝6，结构上穿过复合母排，将所有电子开关器件的栅极G和对角的源极S与控制回路连接，此栅极G、源极S用环氧材料构成的环氧柱7与复合母排4绝缘，漏极D与复合母排4通过绝缘胶9绝缘；由于触发电流很小即可达到电气设置的要求，因此内六角不锈钢螺丝6作为导电媒体连接电子开关器件3与回路控制单元8，作为电子开关器件的触发点；另一源极S及其对角漏极D，分别与紫铜板A1或紫铜板A2连接。

本发明的实施方式不限于此，按照本发明的上述内容，利用本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，本发明还可以做出其它多种形式的修改、替换或变更，均落在本发明权利保护范围之内。

Claims (5)

1.一种实现电子开关器件均衡并联的方法，其特征在于包括：

(1)将正、负极输入接入两个水冷母排，形成正极输入水冷母排和负极输入水冷母排；

(2)用相同的两层铜板相错层叠构成复合母排，两层铜板间设置绝缘层；

(3)将多个电子开关器件均布设置在两层铜板的重叠区域上，组成电子开关单元；

(4)在正、负极输入水冷母排上各设置两组电子开关单元，每组电子开关单元的电子开关器件均紧压对应的水冷母排；

其中：

在正极输入水冷母排上：将复合母排其中一层铜板分别连接至正极输入水冷母排上的所有电子开关器件的漏极(D)和正极输入水冷母排；将复合母排的另一层铜板连接至正极输入水冷母排上的所有电子开关器件的源极(S)，并用作输出端；

在负极输入水冷母排上：将复合母排其中一层铜板分别连接至负极输入水冷母排上的所有电子开关器件的源极(S)和负极输入水冷母排；将复合母排的另一层铜板连接至负极输入水冷母排上的所有电子开关器件的漏极(D)，并用作输出端；

(5)每个电子开关器件的漏极(D)、源极(S)均与各自对应铜板垂直连接，形成漏极(D)、源极(S)连接点在导电方向上均等的导电路径；各连接点在两铜板重叠区域上均布，以使每个电子开关器件的漏极(D)、源极(S)在铜板上输入输出的导电路径均相等，实现电子开关器件的均衡并联。

2.根据权利要求1所述的实现电子开关器件均衡并联的方法，其特征在于：所述步骤(4)中，用导体穿过复合母排，将所有电子开关器件的栅极(G)和源极(S)连接至复合母排外的控制回路，作为电子开关器件的触发点。

3.根据权利要求1或2所述的实现电子开关器件均衡并联的方法，其特征在于：所述绝缘层为PET绝缘纸。

4.一种利用权利要求3所述方法的实现电子开关器件均衡并联的结构，其特征在于包括：正极输入水冷母排、负极输入水冷母排、电子开关器件、复合母排和输出水冷母排，所述电子开关器件分别安装固定于正极输入水冷母排和负极输入水冷母排，所述复合母排包括相错层叠设置的双层铜板及位于双层铜板间的绝缘层；所述正极输入水冷母排上的电子开关器件漏极(D)分别连接对应复合母排的其中一层铜板和正极输入水冷母排，对应复合母排的另一层铜板分别连接正极输入水冷母排上的电子开关器件源极(S)和输出水冷母排；所述负极输入水冷母排上的电子开关器件源极(S)分别连接对应复合母排的其中一层铜板和负极输入水冷母排，对应复合母排的另一层铜板分别连接负极输入水冷母排上的电子开关器件漏极(D)和输出水冷母排；所述电子开关器件与各自对应的铜板的连接点在两层铜板的重叠区域上均布，形成流经各电子开关器件均等的导电路径，实现电子开关器件的均衡并联。

5.根据权利要求4所述的实现电子开关器件均衡并联的结构，其特征在于：所述铜板的厚度为6mm～8mm。