一种高频三电平DCDC变流器模块及装配方法与流程

一种高频三电平dcdc变流器模块及装配方法
技术领域
1.本发明涉及辅助变流器技术领域，特别地涉及一种高频三电平dcdc变流器模块及装配方法。


背景技术：

2.随着我国轨道交通行业的快速发展，辅助变流器作为列车的重要供电单元一直在不断升级，原先笨重的变流装置逐渐被小型高效的变流器所取代。为了实现变流器的高性能、高效率、高功率密度，研究人员通过采用新材料、新器件和新的电路拓扑组合等各种方式来实现辅助变流器高功率密度的目标。
3.但是，目前针对变流器模块的结构布局方面的研究较为欠缺，现有变流器模块大多采用平面二维布局结构，各个功能单元基本布局在一个平面内，占用面积大、空间利用率小且不利于整合安装；同时难以实现各个功能单元的模块化装配，各个功能单元的装配较为复杂，装配效率低。


技术实现要素：

4.针对上述现有技术中的问题，本技术提出了一种高频三电平dcdc变流器模块及装配方法，针对变流器模块的结构布局进行设计，以实现功能单元的模块化装配，提高装配效率。
5.第一方面，本发明提出了一种高频三电平dcdc变流器模块，包括散热器，所述散热器的表面上安装有半导体器件，沿垂直且远离所述半导体器件所在表面的方向依次设置有复合母排、电容组件以及控制组件；
6.所述复合母排覆盖在所述半导体器件上方，所述电容组件包括用于安装电容器的电容支架，所述电容支架的底部固定于所述散热器且其顶部支撑所述控制组件。
7.在一个实施方式中，所述电容组件包括相邻设置的斩波电容单元与llc电容单元，所述斩波电容单元与所述llc电容单元中均包括在垂直于所述散热器表面的平面内均布的多个电容器，所述电容器电连接所述复合母排。
8.在一个实施方式中，所述复合母排为弯折结构，其包括覆盖在所述半导体器件上方的第一部分以及弯折后位于所述斩波电容单元的外侧第二部分，所述第一部分与所述第二部分分别电连接所述llc电容单元与所述斩波电容单元。
9.在一个实施方式中，所述斩波电容单元中的电容器为正负极位于同一端，且所述斩波电容单元的多个电容器的正负极所在的电极端朝向相同且朝向所述第二部分。
10.在一个实施方式中，所述电容支架包括对应所述斩波电容单元的第一电容支架，所述第一电容支架包括两个相对设置的支撑部，所述支撑部包括两个支柱以及设置所述两个支柱之间的支撑板，所述支柱底部固定于所述散热器；
11.其中，所述斩波电容单元中的电容器夹持于两个所述支撑板之间。
12.在一个实施方式中，所述斩波电容单元中的电容器的正负极共同所在的电极端容
纳于其中一个所述支撑板上的安装口中，另一端通过螺栓连接另一个所述支撑板上的螺孔。
13.在一个实施方式中，所述安装口中具有防止所述电极端脱出所述安装口的限位结构，限位结构为所述安装口口沿内侧的台阶状结构，所述电极端抵接于所述台阶状结构。
14.在一个实施方式中，所述电容支架包括对应所述llc电容单元的第二电容支架，所述第二电容支架包括上下两个支撑梁，所述llc电容单元中的电容器以卧置的姿态夹持于所述两个支撑梁之间且其两端分别通过铜排连接所述复合母排的第一部分。
15.在一个实施方式中，所述llc电容单元中的电容器的圆周最外层表面具有柔性的缓冲层，所述缓冲层能够形变，以实现所述llc电容单元中的电容器在所述第二电容支架上的装配位置的微调。
16.在一个实施方式中，所述散热器的相对于所述半导体器件所在表面的另一侧表面上具有散热结构，所述散热结构包括多个针状的散热翅片。
17.在一个实施方式中，所述散热结构中具有所述散热翅片密集分布的密集区与所述散热翅片稀疏分布的稀疏区；
18.其中，所述密集区与所述稀疏区分别对应相对高发热区域与相对低发热区域；和/或所述稀疏区靠近冷却介质输入口，所述密集区远离冷却介质输入口。
19.在一个实施方式中，所述控制组件包括安装板与设置在安装板上的控制单元，所述安装板固定于所述电容支架的顶部，所述控制单元电连接所述半导体器件。
20.在一个实施方式中，还包括设置在变流器模块侧面的滑动部件，所述滑动部件的两端分别固定于所述散热器与所述控制组件的边缘，其外侧面为光滑平面。
21.在一个实施方式中，所述复合母排上具有用于连接所述散热器的连接孔，所述连接孔能够配合紧固件以固定连接所述散热器。
22.上述技术特征可以各种适合的方式组合或由等效的技术特征来替代，只要能够达到本发明的目的。
23.第二方面，本发明提出了一种应用于上述变流器模块的装配方法，包括以下步骤：
24.s10：将半导体器件安装至散热器上的对应位置；
25.s20：安装复合母排，使所述复合母排的相应的部分覆盖并连接所述半导体器件；
26.s30：安装电容组件，将装配有电容器的电容支架安装在复合母排的上方，所述电容支架的底部与复合母排错开并固定连接所述散热器；
27.s40：安装控制组件，将所述控制组件安装在所述电容组件的上方，所述控制组件与所述电容支架的顶部固定连接。
28.在一个实施方式中，步骤s40之前，还包括步骤：
29.s31：安装侧板，所述侧板位于所述变流器模块的侧面，其底部与顶部分别固定连接于所述散热器以及所述控制组件的边缘。
30.在一个实施方式中，步骤s40之后，还包括步骤：
31.s50：安装滑动部件，所述滑动部件位于所述变流器模块的侧面且与所述侧板相对，所述滑动部件光滑的一侧表面朝外，其的两端分别固定连接于所述散热器与所述控制组件的边缘。
32.本发明提供的一种高频三电平dcdc变流器模块及装配方法，与现有技术相比，至
少具备有以下有益效果：
33.本发明的一种高频三电平dcdc变流器模块及装配方法，采用沿垂直于散热器表面的方向依次叠加的分层布局结构，不同的功能单元分布于不同的层级上，层次分明，减少相互之间的干涉；并且能够实现功能单元的模块化，大大提升了一次性的装配成功率，便于生产线操作，提升了生产效率。
附图说明
34.在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：
35.图1显示了本发明的变流器模块的整体结构示意图；
36.图2显示了本发明的变流器模块的复合母排的结构示意图；
37.图3显示了本发明的变流器模块的斩波电容单元的结构示意图；
38.图4显示了本发明的变流器模块的llc电容单元的结构示意图；
39.图5显示了本发明的变流器模块的散热器的散热结构所在一侧的结构示意图；
40.图6显示了本发明的变流器模块的散热器的半导体器件所在一侧的结构示意图；
41.图7显示了本发明的变流器模块的滑动部件的结构示意图。
42.在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例。
43.附图标记：
44.10-散热器，11-散热结构，111-稀疏区，112-密集区，12-半导体器件，20-复合母排，21-第一部分，22-第二部分，23-连接孔，30-电容组件，31-电容支架，32-电容器，310-斩波电容单元，311-第一电容支架，3111-支柱，3112-支撑板，3113-安装口，3114-提手，3115-螺栓，312-第二电容支架，320-llc电容单元，321-铜排，40-控制组件，41-安装板，42-控制单元，50-侧板，60-滑动部件。
具体实施方式
45.下面将结合附图对本发明作进一步说明。
46.本发明的实施例提供了一种高频三电平dcdc变流器模块，包括散热器10，散热器10的表面上安装有半导体器件12，沿垂直且远离半导体器件12所在表面的方向依次设置有复合母排20、电容组件30以及控制组件40；
47.复合母排20覆盖在半导体器件12上方，电容组件30包括用于安装电容器32的电容支架31，电容支架31的底部固定于散热器10且其顶部支撑控制组件40。
48.具体地，如附图图1所示，本发明的dcdc变流器模块采用多层堆叠的布局结构并以此结构进行装配。其中，散热器10作为模块装配结构的基座，散热器10表面上均布多个半导体器件12，复合母排20覆盖在半导体器件12上，电容组件30整体位于复合母排20的上方，电容组件30的电容支架31的底部错开复合母排20并固定于散热器10，电容器32的顶部支撑并固定连接控制组件40，电容组件30的电容器32安装于电容支架31上并位于复合母排20与控制组件40之间的区域。最终，形成控制组件40、电容组件30、复合母排20、半导体器件12以及散热器10依次叠加的多层堆叠的布局结构。
49.参照附图图1，本发明的dcdc变流器模块采用沿垂直于散热器10表面的方向依次叠加的分层布局结构，每一层结构均只包括一个相应的功能单元，不同的功能单元分布于
不同的层级上，层次分明，减少相互之间的干涉，并且能够实现功能单元的模块化。装配时，只需按照分层结构的叠加顺序，将相应功能单元对应的功能子模块依次进行装配即可，大大提升了一次性的装配成功率，便于生产线操作，提升了生产效率，杜绝了由于人员的变化带来的装配困难的问题，便于后续的安装、拆卸和维护。
50.在一个实施例中，电容组件30包括相邻设置的斩波电容单元310与llc电容单元320，斩波电容单元310与llc电容单元320中均包括在垂直于散热器10表面的平面内均布的多个电容器32，电容器32电连接复合母排20。
51.具体地，如附图图1与图3所示，电容组件30包括在同一层级上左右相邻的斩波电容单元310与llc电容单元320，由于散热器10表面对应的平面内的空间有限，斩波电容单元310与llc电容单元320中的电容器32设置为在垂直于散热器10表面的平面内均布；尤其是电容器32数量较多的斩波电容单元310，其多个电容器32在垂直于散热器10表面的平面内具有多层结构，每层结构也包括多个电容器32，以此在垂直于散热器10表面的方向上进行装配空间的拓展。
52.因此，电容组件30中的斩波电容单元310与llc电容单元320采用左右布局，而相应电容单元的多个电容器32则结合左右布局与上下布局，进而整体提高了空间的利用率，使模块布局结构更合理、更紧凑，实现模块的小型化。
53.需要说明的是，斩波电容单元310与llc电容单元320中的电容器32均为柱状结构，其电极通常位于柱状结构的端部，故基于采用在垂直于散热器10表面的平面内均布的布局方式，为了连接的便利性，电容器32相对于散热器10采用卧置的方式，即电容器32的轴线平行于散热器10的表面。
54.在一个实施例中，复合母排20为弯折结构，其包括覆盖在半导体器件12上方的第一部分21以及弯折后位于斩波电容单元310的外侧第二部分22，第一部分21与第二部分22分别电连接llc电容单元320与斩波电容单元310。
55.具体地，如附图图1与图2所示，复合母排20包括相对弯折的第一部分21与第二部分22，第一部分21覆盖在半导体器件12并电连接半导体器件12与llc电容单元320中的电容器32；第二部分22相对第一部分21弯折后位于斩波电容单元310的外侧(即整个变流器模块的侧面)，斩波电容单元310中的电容器32可以直接连接第二部分22。母排结构之所以要这样设置，目的就是为了便于与电容组件30之间的连接，尤其是针对斩波电容单元310中垂直于散热器10表面的平面内具有多层结构的多个电容器32。
56.在一个实施例中，斩波电容单元310中的电容器32为正负极位于同一端，且斩波电容单元310的多个电容器32的正负极所在的电极端朝向相同且朝向第二部分22。
57.具体地，如附图图1与图3所示，斩波电容单元310中的电容器32的正负极所在的电极端朝向复合母排20的第二部分22，并且在变流器模块装配时，斩波电容单元310中的电容器32的电极端能够直接接触并电连接复合母排20的第二部分22，这样直接连接就免去了中间的电连接结构，缩短了回路。
58.此外，llc电容单元320中的电容器32的电极结构不同于斩波电容单元310的电容器32，llc电容单元320中的电容器32的分别位于两端，这也就是为何llc电容单元320中的电容器32要采用相对复合母排20的第一部分21的卧置姿态，这样才便于两端的正负极与复合母排20进行连接。装配时，需要额外的铜排321来由llc电容单元320中的电容器32的端部
延伸至复合母排20的第一部分21，以此相互电连接。
59.在一个实施例中，电容支架31包括对应斩波电容单元310的第一电容支架311，第一电容支架311包括两个相对设置的支撑部，支撑部包括两个支柱3111以及设置两个支柱3111之间的支撑板3112，支柱3111底部固定于散热器10；
60.其中，斩波电容单元310中的电容器32夹持于两个支撑板3112之间。
61.具体地，如附图图1与图3所示，斩波电容单元310的电容器32实际上是被夹持在第一电容支架311的两个支撑部之间，即被夹持在两个支撑部的两个支撑板3112之间。这样设置的目的在于，在变流器模块的整体装配前，进行斩波电容单元310子模块的装配时，可以根据电容器32的尺寸调整两个支撑部之间的距离，以匹配相应尺寸的电容器32。
62.支柱3111底部错开半导体器件12与复合母排20并与散热器10边缘的装配孔固定连接，散热器10边缘的装配孔可以设置多个且相邻两个装配孔之间可以具有不同的间距，以此匹配常见的几种不同尺寸的电容器32。
63.需要说明的是，变流器模块中的llc电容单元320的电容器一般数量较少，通常其的电容器在垂直于散热器10表面的平面内只会形成单层分布结构，即所有电容器分布于附图图1所示的同一水平面内。但是，根据llc电容单元320的电容器32的容量规格以及变流器模块的功率的不同，也可能llc电容单元320的电容器32是与斩波电容单元310的电容器32一样的多层分布结构。不管是单层结构还是多层结构，斩波电容单元310的所有电容器32的正极或负极均位于同一侧，那么依然通过在两端设置铜排321来实现电容器32的电极与复合母排20的电连接。
64.在一个实施例中，斩波电容单元310中的电容器32的正负极共同所在的电极端容纳于其中一个支撑板3112上的安装口3113中，另一端通过螺栓3115连接另一个支撑板3112上的螺孔。
65.具体地，如附图图1与图3所示，斩波电容单元310中的电容器32的电极端对应一个支撑板3112上的安装口3113，该安装口3113供电极端上的正负电极电连接复合母排20；而斩波电容单元310中的电容器32的另一端通过螺栓3115连接另一个支撑板3112的螺孔，这样可以利用螺栓3115螺孔的配合略微调整电容器32沿其轴线方向的位置；螺栓3115螺孔的配合结构也可以采用螺栓3115、通孔外加螺母的配合结构来替代。
66.原因在于，即便是同一规格的电容器32，由于生产批次以及加工精度的差异，其轴向的长度也可能存在一定的误差，即有长有短。而在装配时必须保证所有电容器32的电极端位于同一平面内，这样才能保证所有的电容器32的电极端都能够与复合母排20稳定连接，此时就可以通过螺栓3115螺孔的连接结构来调整使得所有电容器32的电极端位于同一平面内。而调整后的电容器32相对电极端的另一端可能参差不齐，此时可以在电容器32端部相对于支撑板3112之间的缝隙中设置弹性的垫片，以此保证电容器32端部结构的稳定性。
67.在一个实施例中，安装口3113中具有防止电极端脱出安装口3113的限位结构，限位结构为安装口3113口沿内侧的台阶状结构，电极端抵接于台阶状结构。
68.具体地，限位结构是沿安装口3113的口沿在支撑板3112内侧表面上开设环槽，环槽相对于安装口3113的口沿形成台阶状结构，电容器32的端部抵接台阶状结构，实际上电容器32的端部配合于环槽中，安装口3113的口径实际小于电容器32端部的直径。
69.在一个实施例中，电容支架31包括对应llc电容单元320的第二电容支架312，第二电容支架312包括上下两个支撑梁，llc电容单元320中的电容器32以卧置的姿态夹持于两个支撑梁之间且其两端分别通过铜排321连接复合母排20的第一部分21。
70.具体地，斩波电容单元310与llc电容单元320分别对应单独的电容支架31。由于llc电容单元320的电容器32的正负极分别位于两端，并且分别通过铜排321连接复合母排20，因此其与复合母排20的连接结构本身具备一定的稳定性，其对应的第二电容支架312可以仅在支撑llc电容单元320的电容器的中部位置，即第二电容支架312的中被夹持于上下两个支撑梁之间，如附图图1与图4所示。
71.llc电容单元320的电容器32与复合母排20连接的铜排321的结构如附图图4所示，铜排321整体呈t字形，将相邻两个电容器32的同一端并联后连接复合母排20的第一部分21。
72.优选地，llc电容单元320中的电容器32的圆周最外层表面具有柔性的缓冲层，缓冲层能够形变，以实现llc电容单元320中的电容器32在第二电容支架312上的装配位置的微调。
73.在一个实施例中，散热器10的相对于半导体器件12所在表面的另一侧表面上具有散热结构11，散热结构11包括多个针状的散热翅片。
74.优选地，散热结构11中具有散热翅片密集分布的密集区112与散热翅片稀疏分布的稀疏区111；
75.其中，密集区112与稀疏区111分别对应相对高发热区域与相对低发热区域；和/或稀疏区111靠近冷却介质输入口，密集区112远离冷却介质输入口。
76.具体地，如附图图5所示，散热器10通过散热翅片与冷却介质之间的换热来实现模块的散热，参照模块的发热情况，对于相对高发热区域与相对低发热区域分别设置密集区112与稀疏区111，以针对性散热，提高散热效率。
77.此外，密集区112与稀疏区111可以相互交错分布，但总的来说，稀疏区111靠近冷却介质输入口，密集区112远离冷却介质输入口，因为靠近冷却介质输入口处的冷却介质的温度最低，换热的温差最大，此时散热翅片相对稀疏也能够满足散热需求。而远离冷却介质输入口处的冷却介质已经进行了一定程度的换热，其温度有所升高，换热的温差减小，需要增大换热面积来保证散热效果，因此将散热翅片设置为密集，以增大换热面积。
78.在一个实施例中，控制组件40包括安装板41与设置在安装板41上的控制单元42，安装板41固定于电容支架31的顶部，控制单元42电连接半导体器件12。
79.具体地，如附图图1所示，安装板41固定在电容支架31的顶部，可以是同时固定连接斩波电容单元310与llc电容单元320所对应的两个电容支架31，也可以只是固定连接斩波电容单元310所对应的第一电容支架311。参照附图图1所示，安装板41与第一电容支架311的支撑板3112的顶部固定连接，支撑板3112的顶部弯折后形成连接部，连接部上具有连接孔，安装板41上设置螺栓穿入连接孔，实现固定连接。变流器模块自带的控制单元42距离模块内部的各个功能单元的距离更近，其电连接线路更短，抗干扰性强。
80.进一步地，参照附图图1，安装板41的两侧边缘向同一侧弯折形成定位部，定位部上具有用于定位的缺口；装配时，支撑板3112顶部对应卡入缺口，实现安装板41的定位，而后可以准确的将安装板41的螺栓穿入支撑板3112顶部对应的连接孔中。
81.此外，第一电容支架311的两个支撑部对应的支柱3111的顶部之间连接有提手3114，该提手3114便于人员搬运变流器模块。
82.在一个实施例中，本发明的变流器模块在相对于复合母排20的第二部分22所在一侧的另一侧设置有侧板50，该侧板50也支撑在散热器10与控制组件40之间，提供一定的支撑作用。保证变流器模块整体结构的可靠性。同时，侧板50上也开设有多个散热孔，加强散热；复合母排20的接线端子也问位于侧板50一侧，侧板50上具有供接线端子伸出的缺口。
83.参照附图图1，对于本发明的变流器模块整体来将，散热器10作为模块的底座，控制组件40的安装板41作为模块的顶板(顶板大小与散热器10表面面积大小相当)，复合母排20的第二部分22(第二部分22的顶部与安装板41的内侧表面接触)和与其对应的侧板50构成模块的两侧面的挡板，电容支架31的的支柱3111构成模块另外一个方向上的两侧面的支撑结构，进而整个模块成相对封闭的立方体结构，结构更为紧凑，更加小型化。
84.进一步地，本发明的变流器模块在装配后安装至电气柜中时，是以侧板50所在的一面朝上进行安装，因为复合母排20的接线端子位于这一面，即安装后的变流器模块的接线端子朝上，便于接线操作。此外，侧板50朝上也可以一定程度上阻挡外部环境中的灰尘以及其他异物落入变流器模块内部。
85.在一个实施例中，还包括设置在变流器模块侧面的滑动部件60，滑动部件60的两端分别固定于散热器10与控制组件40的边缘，其外侧面为光滑平面。
86.具体地，使变流器模块在电气柜内的拆装过程中能够沿一个方向滑动，这样做的目的在于：一是为了便于在一定范围内调整变流器模块的安装位置，以适应电气柜中的安装布局；二是由于变流器模块的重量较大，在安装时利用滑动可以相对电气柜滑进滑出，便于安装操作。由于变流器模块在电气柜中是以侧板50所在的一面朝上进行安装，故其与电气柜的滑动配合结构设置于与侧板50相对的另一侧(复合母排20的第二部分22所在的一面)，具体是通过设置表面光滑的滑动部件60配合电气柜中的轨道。参照附图图7，滑动部件60的整体呈板状，其两端分别连接散热器10与控制组件40的安装板41的边缘，滑动部件60的数量可以视情况设置，本实施例中并列地设置两个滑动部件60。
87.在一个实施例中，复合母排20上具有用于连接散热器10的连接孔23，连接孔23能够配合紧固件以固定连接散热器10。
88.具体地，复合母排与半导体器件以及电容组件之间的电连接结构的强度有限，而变流器模块在列车等使用场景中常常伴随一定强度的振动，因此需要加强复合母排的连接结构的强度。如附图图2所示，复合母排上有多个连接孔，连接孔实际位于复合母排的第一部分上，其能够配合螺栓等紧固件来使复合母排与散热器固定连接，这样就能够提高复合母排的连接结构的强度，进而提高变流器模块整体结构在振动环境下的稳定性。
89.本发明的实施例提供上述的高频三电平dcdc变流器模块的装配方法，包括以下步骤：
90.s10：将半导体器件安装至散热器上的对应位置；
91.s20：以预定姿态安装复合母排，使复合母排的第一部分覆盖半导体器件，复合母排的第二部分位于预定一侧；
92.s30：以预定布局安装电容组件，将事先与对应的电容支架装配好的电容单元(斩波电容单元与llc电容单元)安装在对应位置(电容支架的底部固定连接散热器)，电容器的
电极端分别电连接于复合母排的对应位置；
93.s31：在与复合母排的第二部分相对的一侧安装侧板，侧板的底部固定连接于散热器的边缘，其顶部与电容支架的位于同一水平面上；
94.s40：安装控制组件，控制组件覆盖在电容组件上，控制组件的安装板与电容支架的顶部固定连接且其边缘与侧板的顶部固定连接；
95.s50：安装滑动部件，滑动部件安装在复合母排的第二部分的外侧，与侧板相对，滑动部件光滑一侧的表面朝外，滑动部件的两端分别固定连接散热器与安装板的边缘。
96.需要说明的是，装配完毕后的变流器模块的结构如附图图1所示。以上各个组件之间的固定连接方式采用螺栓等可拆卸连接结构，便于拆装检修、维护。同时，以上安装顺序仅为模块装配的大致顺序，根据个组件之间的连接结构、连接关系的不同，也可以适应性的调整具体的顺序，但各个组件之间的相对位置关系以及连接关系不变。
97.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“底”、“顶”、“前”、“后”、“内”、“外”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
98.虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他实施例中。