一种水冷功率模块单元的制作方法

1.本实用新型涉及功率模块技术领域，具体涉及一种水冷功率模块单元。


背景技术：

2.目前，我国电气化铁道牵引供电系统采用的是工频单相交流制供电方式，相对于三相电力系统而言，牵引负荷具有不对称性，因此，我国实行的电气化铁路牵引供电系统及传统异相供电技术，在实现重载和高速电力牵引时存在以下三个方面突出问题：(1)以负序为主的电能质量问题；(2)列车通过电分相时，导致列车速度降低和牵引力损失问题；(3)列车通过电分相时，机车和接触网之间产生复杂电气暂态过程，严重危及牵引网安全和列车运行，而且电分相装置可靠性较低，成为牵引供电系统中最薄弱的一个环节。
3.对此，用以解决高速铁路牵引供电系统中存在的电分相、谐波、负序等问题的同相供电系统无疑是最为理想的办法，作为同相供电系统核心部件之一的功率模块的研发至关重要，当前的功率模块主要采用的是风冷散热，存在运行噪声大、环境适应性差、散热效率低、体积大、重量重等缺点。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本实用新型提供一种水冷功率模块单元，采用水冷板散热，使得功率模块散热效率更高，能够快速有效地降低功率模块工作时的温度，提升功率模块的使用寿命和产品的可靠性，且能有效降低系统噪声。本实用新型通过以下技术手段实现：
5.一种水冷功率模块单元，包括柜体和输入输出铜排，所述柜体内设置有水冷板、功率模块和软母排，所述功率模块安装于所述水冷板上，所述功率模块的输入输出端通过所述软母排与所述输入输出铜排的一端连接，所述输入输出铜排的另一端作为所述水冷功率模块单元的输入输出端设置于所述柜体外部。
6.进一步地，所述功率模块与水冷板之间采用免排水设计的快速连接器连接。
7.进一步地，还包括与所述功率模块连接的控制单元，所述控制单元安装于所述柜体正面的防护罩内，所述水冷功率模块单元的输入输出端设置于所述柜体的背面外侧。
8.进一步地，所述功率模块包括串联侧功率模块和并联侧功率模块，所述输入输出铜排包括第一串联侧输入输出铜排、第二串联侧输入输出铜排、第一并联侧输入输出铜排和第二并联侧输入输出铜排，所述软母排包括第一串联侧输入输出软母排、第二串联侧输入输出软母排、第一并联侧输入输出软母排和第二并联侧输入输出软母排，所述第一串联侧输入输出铜排、第二串联侧输入输出铜排、第一并联侧输入输出铜排和第二并联侧输入输出铜排的一端分别与所述第一串联侧输入输出软母排、第二串联侧输入输出软母排、第一并联侧输入输出软母排和第二并联侧输入输出软母排的一端连接，所述第一串联侧输入输出软母排和第二串联侧输入输出软母排的另一端分别与所述串联侧功率模块两个桥臂的两个交流端连接，所述第一并联侧输入输出软母排和第二并联侧输入输出软母排的另一端分别与所述并联侧功率模块两个桥臂的两个交流端连接，所述第一串联侧输入输出铜排
和第二串联侧输入输出铜排的另一端作为所述水冷功率模块单元的串联侧输出输出端设置于所述柜体外，所述第一并联侧输入输出铜排和第二并联侧输入输出铜排的另一端作为所述水冷功率模块单元的并联侧输出输出端设置于所述柜体外。
9.进一步地，所述柜体内还设置有母线支撑电容以及水平重叠设置的叠层母排，所述叠层母排包括正极层母排和负极层母排，所述母线支撑电容设置于所述正极层母排和负极层母排的下方，安装有功率模块的水冷板设置于所述柜体内右侧壁中上位置，所述母线支撑电容的正极与所述正极层母排连接，所述母线支撑电容的负极与所述负极层母排连接，所述功率模块中功率管桥臂直流端的一端与所述正极层母排连接，所述功率模块中功率管桥臂直流端的另一端与所述负极层母排连接。
10.进一步地，还包括开关电源，所述开关电源的正负极分别与所述正极层母排和负极层母排连接。
11.进一步地，还包括安装于所述水冷板上的放电电阻，所述放电电阻的两端分别与所述正极层母排和负极层母排连接。
12.进一步地，所述柜体的正面下部、左侧壁下部和右侧壁下部均设置有散热进风口，所述柜体的背面上部设置有散热出风口。
13.进一步地，所述柜体正面设置有可折叠拉手，所述柜体左侧壁和右侧壁外均设置有拉手。
14.进一步地，在所述第一并联侧输入输出软母排或第二并联侧输入输出软母排上设置有电流互感器，所述电流互感器设置于所述柜体内部，在所述第一并联侧输入输出铜排或第二并联侧输入输出铜排上串联有熔断器，所述熔断器设置于所述柜体外部。
15.进一步地，所述柜体采用弱磁性的不锈钢材料。
16.进一步地，所述水冷板上还设置有用于驱动所述功率模块的驱动单元。
17.一种水冷功率模块，包括柜体，还包括水冷板装配子模块、电流传感器装配子模块、绝缘子装配子模块、接线端子装配子模块、拉手装配子模块、软母排、输入输出铜排、控制单元、开关电源、叠层母排和母线支撑电容，其中，水冷板装配子模块包括水冷板、设置于水冷板上的功率模块和放电电阻，所述功率模块通过所述软母排与所述输入输出铜排的一端连接，所述输入输出铜排的另一端通过所述绝缘子装配子模块固定于所述柜体的外壁，所述功率模块中功率管桥臂的直流端、放电电阻和母线支撑电容均与所述叠层母排连接，所述开关电源通过所述接线端子装配子模块与所述叠层母排连接，所述拉手装配子模块安装于所述柜体的外壁，所述电流传感器装配子模块安装于所述输入输出铜排上。
18.本实用新型的有益效果如下：
19.1、采用水冷板散热，使得功率模块散热效率更高，能够快速有效地降低功率模块工作时的温度，提升功率模块的使用寿命和产品的可靠性，且能有效降低系统噪声；
20.2、采用模块化结构和大量符合人体工程学的设计(机箱侧面设计有四个拉手、顶部设计有4个安装吊环的孔、正面设计有可折叠的拉手、正面和背面使用的绝缘板采用不同颜色进行区别)，使得加工、组装更加方便；
21.3、结构紧凑、体积小，重量轻，比传统的风冷散热功率模块的体积减少15-30％，重量减少30-40％；
22.4、采用软母排的设计，能够有效地避免由于应力造成的关键器件的损伤；
23.5、独立的强弱电分区布置，使得安装、维护更方便；
24.6、功率模块与水冷板之间采用防漏水、免排水设计的快速连接器连接，相对于传统的螺纹连接，可快速对有问题的功率模块从设备上进行拆卸和更换，使得安装和维护更方便、更高效。
附图说明
25.图1为实施例1示出的水冷功率模块单元轴侧图一；
26.图2为实施例1示出的水冷功率模块单元轴侧图二；
27.图3为实施例1示出的水冷功率模块单元左视图；
28.图4为实施例1示出的水冷功率模块单元正视图；
29.图5为实施例1示出的功率管桥臂示意图。
30.附图标记:1—柜体，2—开关电源，3—可折叠拉手，4—控制单元，5—母线支撑电容，6 —叠层母排，601—正极层母排，602—负极层母排，7—电流互感器，8—拉手，9—输入输出铜排，901—第一串联侧输入输出铜排，902—第二串联侧输入输出铜排，903—第一并联侧输入输出铜排，904—第二并联侧输入输出铜排，10—熔断器，11—软母排，12—水冷板，13 —放电电阻，14—驱动单元，15—功率模块，1501—串联侧功率模块，1502—并联侧功率模块，16—防护罩，17—快速连接器。
具体实施方式
31.为了使本领域的技术人员更好地理解本实用新型的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步的描述。
32.实施例1
33.如图1—图4所示，本实施例提供一种水冷功率模块单元，包括柜体1和输入输出铜排9，所述柜体1内设置有水冷板12、功率模块15和软母排11，所述功率模块15安装于所述水冷板12上，所述功率模块15的输入输出端通过所述软母排11与所述输入输出铜排9的一端连接，所述输入输出铜排9的另一端作为所述水冷功率模块单元的输入输出端设置于所述柜体 1外部。
34.本实施例采用水冷方式对功率模块15进行冷却，使得功率模块15散热效率更高，能够快速有效地降低功率模块15工作时的温度，提升功率模块15的使用寿命和产品的可靠性，且能有效降低系统噪声；其次，本实施例采用软母排11将功率模块15和输入输出铜排9连接起来，即功率模块15和输入输出铜排9之间采用软连接，可以消除应力，避免由于应力造成功率模块15或功率模块15中关键器件的损伤。
35.作为优选，所述功率模块15与水冷板12之间采用免排水设计的快速连接器17连接。这里，采用防漏水、免排水的快速连接器17，相对于传统的螺纹连接，使得水冷板12的安装和维护更方便高效。
36.作为优选，本实施例还包括与所述功率模块15连接的控制单元4，所述控制单元4安装于所述柜体1正面的防护罩16内，所述水冷功率模块单元的输入输出端设置于所述柜体1的背面外侧。这里，采用防护罩16，可以对控制单元4起到保护、防尘和隔离作用，在具体实施时，还可以采用防拆铅封设计，另外，将控制单元4设置在柜体1的正面，将水冷功率模
块单元的输入输出端设置在柜体1的背面外侧，达到强弱电分区布置的效果，使得安装、维护更方便，同时还可以使得控制单元4与运行中产生强磁干扰的大功率器件进行隔离，当功率模块15的控制单元4发生故障时，维护人员可以在不将功率模块15从设备上拆卸的情况下，对控制单元4进行更换和维护。
37.作为优选，所述功率模块15包括串联侧功率模块1501和并联侧功率模块1502，所述输入输出铜排9包括第一串联侧输入输出铜排901、第二串联侧输入输出铜排902、第一并联侧输入输出铜排903和第二并联侧输入输出铜排904，所述软母排11包括第一串联侧输入输出软母排1101、第二串联侧输入输出软母排1102、第一并联侧输入输出软母排1103和第二并联侧输入输出软母排1104，所述第一串联侧输入输出铜排901、第二串联侧输入输出铜排902、第一并联侧输入输出铜排903和第二并联侧输入输出铜排904的一端分别与所述第一串联侧输入输出软母排1101、第二串联侧输入输出软母排1102、第一并联侧输入输出软母排1103 和第二并联侧输入输出软母排1104的一端连接，所述第一串联侧输入输出软母排1101和第二串联侧输入输出软母排1102的另一端分别与所述串联侧功率模块1501两个桥臂的两个交流端连接，所述第一并联侧输入输出软母排1103和第二并联侧输入输出软母排1104的另一端分别与所述并联侧功率模块1502两个桥臂的两个交流端连接，所述第一串联侧输入输出铜排901和第二串联侧输入输出铜排902的另一端作为所述水冷功率模块单元的串联侧输出输出端设置于所述柜体1外，所述第一并联侧输入输出铜排903和第二并联侧输入输出铜排904 的另一端作为所述水冷功率模块单元的并联侧输出输出端设置于所述柜体1外。
38.这里，功率管桥臂的交流端和直流端可以如图5所示，a点为功率管桥臂的交流端，b点和c点为功率管桥臂的两个直流端，当功率模块具有两个功率管桥臂时，则该功率模块具有两个交流端，当功率模块具有三个功率管桥臂时，则该功率模块具有三个交流端，另外，每个功率管桥臂具有两个直流端。
39.本实施例中，功率模块1501和功率模块1502中的电力电子器件均可以选择igbt，也可以根据需要选择其他类型的电力电子器件；本实施例中的功率模块1501和功率模块1502均可以包括两个功率管桥臂，一个功率管桥臂可以视作一个igbt模块，功率模块1501和功率模块1502可以构成交直交变流器。在具体实施本实施例时，当使用一台本实施例提供的水冷功率模块单元不能满足外部功率等需求，可以将若干台本实施例提供的水冷功率模块单元一起使用，相邻水冷功率模块单元的串联侧功率模块1501相互串联，各个水冷功率模块单元的并联侧功率模块1502相互并联，在实际设置时，可以令每台水冷功率模块单元的器件参数相同，也可以令每台水冷功率模块单元的器件参数不相同，根据实际情况选择即可。
40.作为优选，所述柜体1内还设置有母线支撑电容5以及水平重叠设置的叠层母排6，所述叠层母排6包括正极层母排601和负极层母排602，所述母线支撑电容5设置于所述正极层母排601和负极层母排602的下方，安装有功率模块15的水冷板12设置于所述柜体1内右侧壁中上位置，所述母线支撑电容5的正极与所述正极层母排601连接，所述母线支撑电容5的负极与所述负极层母排602连接，所述功率模块15中功率管桥臂直流端的一端与所述正极层母排601连接，所述功率模块15中功率管桥臂直流端的另一端与所述负极层母排602 连接。
41.这里，采用叠层母排6，可以有效减少电流路径，减少杂散电感的产生。具体实施时，母线支撑电容5的数量根据实际需要选择，比如可以设置十二只母线支撑电容5，将按装有功率模块15的水冷板12设置于柜体1内右侧壁中上位置，一方面可以合理利用柜体1的内部空间，方便输入输出铜排9和软母排11的走线布置，另一方面可以实现功率模块15单侧安装，方便在柜体1的一侧进行功率模块所有器件的安装和维护，当然，本领域技术人员也可以根据需要做其他合理的空间布置。
42.作为优选，本实施例还可以包括开关电源2，所述开关电源2的正负极分别与所述正极层母排601和负极层母排602连接。这里，开关电源2选用宽范围电压的开关电源，并将开关电源2与正极层母排601和负极层母排602连接，当为母线通电，电压达到开关电源的工作的最低电压时，开关电源就可快速响应进行工作，为控制单元进行供电。
43.作为优选，还包括安装于所述水冷板12上的放电电阻13，所述放电电阻13的两端分别与所述正极层母排601和负极层母排602连接。将放电电阻13设置于水冷板12上，可以确保放电电阻13在工作过程中产生的热量被水冷板12带走，另外，设置放电电阻13，可以为母线支撑电容5提供放电路径，提升电路安全性能。
44.作为优选，所述柜体1的正面下部、左侧壁下部和右侧壁下部均设置有散热进风口，所述柜体1的背面上部设置有散热出风口。这里，设置进风口和出风口，可以使水冷功率模块单元内部空气与外部空气形成对流，有利于柜体1内部的母线支撑电容5、输入输出铜排9、软母排11等零件的散热，也可以帮助功率模块15散热。
45.作为优选，所述柜体1正面设置有可折叠拉手3，所述柜体1左侧壁和右侧壁外均设置有拉手8。这里，拉手8的具体位置和数量可以根据实际情况确定，比如，可以在柜体1左侧壁四个角的位置分别设置一个拉手8，还可以在柜体1右侧壁四个角的位置分别设置一个拉手8，可方便生产及维护人员对水冷功率模块单元进行转运；设置可折叠拉手3，主要是考虑到在实际使用时，可能会多台水冷功率模块单元联合使用，此时，通过可折叠拉手3，可以将其中一台水冷功率模块单元拉出，方便生产及维护人员操作。另外，为了吊装方便，还可以在柜体1底部设计合适数量的用于安装吊环的螺纹孔。
46.作为优选，在所述第一并联侧输入输出软母排1103或第二并联侧输入输出软母排1104 上设置有电流互感器7，所述电流互感器7设置于所述柜体1内部，在所述第一并联侧输入输出铜排903或第二并联侧输入输出铜排904上串联有熔断器10，所述熔断器10设置于所述柜体1外部。这里，电流互感器7可以为电流型hall传感器。
47.作为优选，所述柜体1采用弱磁性的不锈钢材料。这里，采用弱磁性的不锈钢材质，可以使得柜体1在产品运行时不会产生电磁热，从而提升产品的可靠性。为了提高柜体1的强度和抗冲击性能，可以在柜体1内的8个顶角处分别设置较强件。
48.作为优选，所述水冷板12上还设置有用于驱动所述功率模块15的驱动单元14。
49.实施例2
50.具体实施实施例1时，由于产品(水冷功率模块单元)整体体积大，重量较重，因此在前期设计时需要充分考虑后期生产装配及维护的便利、便携性，基于此，可以采用模块化设计，将产品分为若干子模块，再按工艺顺序通过零部件将各个子模块连接起来，最后成为一个合格的产品。模块化设计及装配具有如下优点：(1)单独装配各个子模块所需的空间要求小，工厂可以合理利用工厂的空间进行各个子模块的装配工作；(2)批量生产是，各个子
模块可以单独装配、单独质量检测，可以更有效地控制和保证产品的质量；(3)批量生产时，可以根据物料的回料情况以及人力资源的情况，合理提供安排各个子模块的安装，完成后再开展总装工作，可以有效提升效率。为此，本实施例提供：
51.一种水冷功率模块，包括柜体1，还包括水冷板装配子模块、电流传感器装配子模块、绝缘子装配子模块、接线端子装配子模块、拉手装配子模块、软母排11、输入输出铜排9、控制单元4、开关电源2、叠层母排6和母线支撑电容5，其中，水冷板装配子模块包括水冷板12、设置于水冷板12上的功率模块15和放电电阻13，所述功率模块15通过所述软母排 11与所述输入输出铜排9的一端连接，所述输入输出铜排9的另一端通过所述绝缘子装配子模块固定于所述柜体1的外壁，所述功率模块15中功率管桥臂的直流端、放电电阻13和母线支撑电容5均与所述叠层母排6连接，所述开关电源2通过所述接线端子装配子模块与所述叠层母排6连接，所述拉手装配子模块安装于所述柜体1的外壁，所述电流传感器装配子模块安装于所述输入输出铜排9上。
52.本实施例着重突出的是模块化设计，至于各个子模块中相应零部件的连接关系可以参考实施例1，此处不在描述。
53.以上仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本实用新型的限制，本实用新型的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。