專利名稱：用于電的功率控制的電路裝置和冷卻裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于電的功率控制的電子電路裝置，以及特別是涉及用
于對(duì)設(shè)置在功率控制裝置中的功率半導(dǎo)體器件(例如可控硅元件、IGBT (絕緣柵雙極型晶體管)和功率場(chǎng)效應(yīng)管(Power-FET))進(jìn)行散熱的 裝置。
這種功率半導(dǎo)體器件和其他的電路裝置或環(huán)境之間的接口包括用 于電連接功率半導(dǎo)體器件的電接口和特別是設(shè)計(jì)用于有效地散熱的熱 接口，所述熱在功率半導(dǎo)體器件工作中產(chǎn)生。
特別地，本發(fā)明涉及一種電路裝置，其用于借助功率半導(dǎo)體器件來(lái) 進(jìn)行電的功率控制，該電路裝置包括至少一個(gè)功率控制裝置和至少一個(gè) 散熱裝置，該散熱裝置具有與所述至少一個(gè)功率控制裝置的熱接觸。
用于排出在功率控制裝置中產(chǎn)生的熱量的散熱裝置特別是考慮到 避免在導(dǎo)熱并導(dǎo)電的散熱裝置和電子部件之間的過(guò)大的差電壓而設(shè)計(jì)。
現(xiàn)有技術(shù)
用于電的功率控制的電路裝置，在各個(gè)電路部件(例如功率半導(dǎo)體 器件)之間以及在器件和相應(yīng)的散熱裝置(例如冷卻元件)之間具有電 壓差，該電壓差可能達(dá)到高達(dá)擊穿電壓的大的值。
在根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的電路裝置中，功率半導(dǎo)體器件設(shè)置在散熱裝置 上，這些散熱裝置與地相連，并且因此接地或者處于地電勢(shì)。這種傳統(tǒng) 的、用于控制三相交流電流和交流電壓的功率控制裝置以全部的功率控 制模塊設(shè)置在單個(gè)的散熱裝置上，該散熱裝置被鉗位或連接到0伏特、 例如地M上，如圖1所示。為了三相交流電流或交流電壓的功率控制， 三重地設(shè)計(jì)根據(jù)圖1的電路裝置。圖1的電路裝置包括三個(gè)開(kāi)關(guān)單元E1、 E2和E3。各個(gè)電路單元E1、 E2和E3又分別由串聯(lián)的功率半導(dǎo)體器件 Tla、 T2a或T3a、 T4a構(gòu)成。
電容器C1通過(guò)兩個(gè)電阻R1和R2的串聯(lián)電路放電。圖1中的另外 兩個(gè)功率控制裝置E2和E3以類似的方式被構(gòu)成。全部的功率半導(dǎo)體器 件Tla、 T2a..... T3c、 T4c設(shè)置在散熱裝置WO上用于冷卻。
3散熱裝置W0除了良好的導(dǎo)熱性之外還具有高的導(dǎo)電性。在電路裝
置工作中，必須留心功率半導(dǎo)體器件的連接點(diǎn)(Anschlusspunkten )和散 熱裝置WO之間的電壓差不超過(guò)確定的預(yù)先給定的最大電勢(shì)差值即擊穿 電壓。
為了解決該問(wèn)題，提出了為每一對(duì)功率半導(dǎo)體器件設(shè)置單個(gè)的散熱 裝置W1、 W2、 W3、 W4、 W5和W6，如圖2所示。這種設(shè)置雖然避免 了如圖1中所示的全部的功率半導(dǎo)體器件和單個(gè)的散熱裝置W0之間的 大的電勢(shì)差，但是不利地增大了所需的電路部件的數(shù)目。
不利的是，這種設(shè)置僅僅針對(duì)單器件裝置或雙器件裝置而設(shè)計(jì)。相 應(yīng)的散熱裝置Wl-W6的電勢(shì)由此被鉗位到兩個(gè)功率半導(dǎo)體器件之間的 中心電勢(shì)(Mitte叩otential)上,這將電壓負(fù)載限制為中間電路電壓("連 接電壓(Link voltage )，，)的大約四分之一。
此外，圖2所示的電路裝置的一個(gè)重要缺點(diǎn)在于，這樣大數(shù)量的散 熱裝置極易受干擾并且昂貴，在所示的情況中針對(duì)三相系統(tǒng)有18個(gè)散 熱裝置(圖2示出了僅僅針對(duì)一個(gè)相的電路部件)。
此外，不合乎目的的是，不可能針對(duì)H橋模塊來(lái)設(shè)計(jì)這種散熱裝置，
因?yàn)樗鼈儾痪哂泄餐闹行碾妱?shì)點(diǎn)。于是，根據(jù)圖2所提出的解決方案 可以降低單開(kāi)關(guān)封裝或雙開(kāi)關(guān)封裝的介電電壓負(fù)載，然而不利的是，這
種冷卻方法不能用于較新的裝置如H橋模塊。
在EP 0933 867 Al中說(shuō)明了這種類型的、用于電的功率控制的電子 電路裝置，其中在EP 0933 867 Al的圖2b中(下面使用的參考標(biāo)記指 EP 0933 867 Al),散熱裝置(14)與功率控制裝置(10)電連接，并 且電絕緣(13)僅僅在散熱裝置(14)和冷卻翼片(O)之間、而不是 在散熱裝置(14)和功率控制裝置(10)之間被公開(kāi)。
在EP 0 802 619 Al中說(shuō)明了另外的這種類型的、用于電的功率控 制的電子電路裝置。

發(fā)明內(nèi)容
在功率半導(dǎo)體器件和其他的電路裝置或者環(huán)境之間的熱接口用于
散熱。此外設(shè)計(jì)了用于功率半導(dǎo)體器件的電連接的電接口。由此，在電 子部件和散熱裝置之間可出現(xiàn)電勢(shì)差。
本發(fā)明的任務(wù)是，為用于電的功率控制的功率控制模塊或功率控制
4裝置提供一種有效的散熱裝置，在大的耐電壓擊穿性的情況下，該散熱 裝置具有小的單個(gè)部件數(shù)目。
根據(jù)本發(fā)明，該任務(wù)通過(guò)一種具有權(quán)利要求1特征的用于電的功率 控制的電路裝置解決。本發(fā)明的其他擴(kuò)展方案由從屬權(quán)利要求中得到。
本發(fā)明的一個(gè)核心思想在于，設(shè)置最少數(shù)目的散熱裝置，其中單個(gè) 的散熱裝置被鉗位到固定地預(yù)先給定的電勢(shì)上。優(yōu)選的是，該固定地預(yù) 先給定的電勢(shì)為在兩個(gè)屬于功率控制模塊的功率控制裝置之間的中間 電勢(shì)。
因此，本發(fā)明的基本思想在于，每個(gè)相僅僅設(shè)置三個(gè)散熱裝置，它 們對(duì)稱地被鉗位到在功率控制模塊的單個(gè)功率控制裝置之間的相應(yīng)的 中心電勢(shì)上。通過(guò)這種方式， 一方面實(shí)現(xiàn)了最佳地降低功率半導(dǎo)體器件 和相應(yīng)的散熱裝置之間的電壓負(fù)荷，其中要使用的部件的數(shù)目相對(duì)于現(xiàn) 有技術(shù)被減少。
此外，這種設(shè)置能夠?qū)崿F(xiàn)以雙H橋的形式來(lái)設(shè)計(jì)用于電的功率控制 的電路裝置。在此，3.3kV標(biāo)準(zhǔn)部件可以用于針對(duì)4.16kV設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)單 元。
根據(jù)本發(fā)明的用于電的功率控制的電路裝置具有至少 一個(gè)功率控 制裝置和至少一個(gè)散熱裝置，該散熱裝置具有與所述至少一個(gè)功率控制 裝置的熱接觸，其中散熱裝置被鉗位到固定地預(yù)先給定的電勢(shì)上。優(yōu)選 的是，所述至少一個(gè)散熱裝置與所述至少一個(gè)功率控制裝置電絕緣地設(shè) 置。由此，可以有利地實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步降低在功率半導(dǎo)體器件和相應(yīng)的散熱 裝置之間的電壓負(fù)荷。
根據(jù)本發(fā)明的 一 個(gè)優(yōu)選的改進(jìn)方案，功率控制裝置通過(guò)至少兩個(gè)功 率半導(dǎo)體器件的串聯(lián)電路來(lái)構(gòu)建。在此， 一對(duì)功率控制裝置構(gòu)成一個(gè)功
率控制模塊。合乎目的的是，需要三個(gè)功率控制模塊用于相的控制。
一個(gè)模塊的功率控制裝置有利地通過(guò)放電電阻的串聯(lián)電路彼此電連接。
根據(jù)本發(fā)明的另 一優(yōu)選的改進(jìn)方案，所述至少 一個(gè)散熱裝置被鉗位 到其上的、固定地預(yù)先給定的電勢(shì)通過(guò)放電電阻來(lái)確定。在此，放電電 阻是分壓電阻。
根據(jù)本發(fā)明的另一優(yōu)選的改進(jìn)方案，散熱裝置鉗位到其上的、固定 地預(yù)先給定的電勢(shì)是用于電的功率控制的電路裝置關(guān)于地電勢(shì)的中間
5電3各電壓(Zwischenkreisspannung)的四分之一 。
根據(jù)本發(fā)明的另 一優(yōu)選的改進(jìn)方案，功率控制裝置包括被分配 (zugeordnet)給彼此的第一和第二功率控制裝置，使得它們構(gòu)成功率 控制模塊，其中第一和第二功率控制裝置的放電電阻將固定地預(yù)先給定 的電勢(shì)鉗位到在第 一和第二功率控制裝置的連接點(diǎn)之間的中心電勢(shì)。
優(yōu)選的是，不同功率模塊的不同散熱裝置彼此獨(dú)立地被鉗位到不同 的、可固定地預(yù)先給定的電勢(shì)上。
根據(jù)本發(fā)明的另 一優(yōu)選的改進(jìn)方案，所述至少 一個(gè)散熱裝置附加地 被導(dǎo)電連接在連接單元上，該連接單元將功率控制裝置的所述至少兩個(gè) 功率半導(dǎo)體器件彼此電連接。
借助這種電路裝置解決了本發(fā)明的任務(wù)，即設(shè)計(jì)帶有有效的散熱 的、電的功率控制，其中需要較少數(shù)目的部件，其中同時(shí)實(shí)現(xiàn)了高的耐 電壓擊穿性。


本發(fā)明的實(shí)施例在附圖中示出并且在下面的描述中被進(jìn)一步闡述。 其中
圖1示出了帶有單個(gè)的散熱裝置的、用于電的功率控制的傳統(tǒng)電路
裝置；
圖2示出了帶有多個(gè)浮動(dòng)的(floatend)散熱裝置的、用于電的功率 控制的另一傳統(tǒng)電路裝置；以及
圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的、帶有被電鉗位的散熱 裝置的功率控制裝置。
在附圖中，相同的參考標(biāo)記表示相同或者功能相同的部件或步驟。
具體實(shí)施例方式
在下面參照?qǐng)D3描述本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例。
在圖3中示出了針對(duì)一個(gè)相的、用于電的功率控制的電路裝置。三 相電網(wǎng)需要一種電路裝置，該電路裝置包括三個(gè)如圖3中所示的相電路。 為了說(shuō)明用于電的功率控制的電路裝置的、根據(jù)本發(fā)明的冷卻裝置，考 慮根據(jù)圖3的相已經(jīng)足夠。
本發(fā)明所基于的原理是，既不設(shè)置單個(gè)的、處于地電勢(shì)的散熱裝置，如其在圖1中參照傳統(tǒng)的第一電路裝置所描述的那樣，也不設(shè)置大量的、 單個(gè)的散熱裝置(每個(gè)功率控制模塊兩件)，其中這些散熱裝置于是必 須處于自由浮動(dòng)的電勢(shì)上，如參照?qǐng)D2在上面針對(duì)另一傳統(tǒng)的、用于電 的功率控制的電路裝置所描述的那樣。
如圖3所示，根據(jù)本發(fā)明的、用于電的功率控制的電路裝置的一個(gè) 相具有三個(gè)散熱裝置101a、 101b和101c。所示的三個(gè)散熱裝置101a、 101b和101c既不處于地電勢(shì)102,也不是自由浮動(dòng)的。相反，在圖3 的電路裝置中可以看出本發(fā)明的基本思想即將散熱裝置101a-101c 鉗位到固定地預(yù)先給定的電勢(shì)上，即鉗位到散熱裝置101a、 101b或101c 的、相對(duì)于參考電勢(shì)(即地電勢(shì)102)的相應(yīng)的電勢(shì)103a、 103b和103c 上。
用于功率控制的電路裝置由三個(gè)可分開(kāi)標(biāo)識(shí)的塊組成，即功率控制 才莫塊200a、 200b和200c。這些功率控制才莫塊200的每個(gè)都具有第一和 第二功率控制裝置201、 202,這些功率控制裝置共同地通過(guò)被分配的散 熱裝置101a- 101c冷卻。
于是，第一和第二功率控制裝置201a、 202a設(shè)置在第一散熱裝置 101a上并且與其導(dǎo)熱連接，第一和第二功率控制裝置201b、 202b設(shè)置 在第二散熱裝置101b上并且與其導(dǎo)熱連接，而第一和第二功率控制裝 置201c或202c與第三散熱裝置101c導(dǎo)熱連接。此外，相應(yīng)的散熱裝置 101a、 101b、 101c與所屬的功率控制裝置201a、 202a、 201b、 202b、 201c、 202c電絕緣地設(shè)置，由此有利地可以實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步降j氐在相應(yīng)的功率控制 裝置201a、 202a、 201b、 202b、 201c、 202c的功率半導(dǎo)體器件Tla、 T2a、 T3a、 T4a、 Tlb、 T2b、 T3b、 T4b、 Tlc、 T2c、 T3c、 T4c和相應(yīng)的散熱 裝置101a、 101b、 101c之間的電壓負(fù)荷。
第一和第二功率控制裝置201和202分別由功率半導(dǎo)體器件(例如 IGBT)的串聯(lián)電路構(gòu)建，其中這些功率控制裝置的第一端子分別電連接 在共同的點(diǎn)上，而第一和第二連接單元104a和105a通過(guò)兩個(gè)電阻Rl、 R2的串聯(lián)電路彼此連接。
要指出的是，針對(duì)三個(gè)可分開(kāi)標(biāo)識(shí)的功率控制才莫塊200a、200b、200c 的參考標(biāo)記設(shè)置了小寫(xiě)字母a、 b、 c,以便表明與相應(yīng)的功率控制模塊 的對(duì)應(yīng)關(guān)系。
根據(jù)本發(fā)明，用于對(duì)相應(yīng)的電容器(電容器單元)Cl、 C2進(jìn)行放電的^L電電阻R1、 R2形成分壓器，其中在兩個(gè)電阻R1和R2或R3和 R4或R5和R6的連接點(diǎn)上的中心抽頭分別形成中心電勢(shì)，相應(yīng)的散熱 裝置101a、 101b或101c^皮鉗位到該中心電勢(shì)上。
以下，i設(shè)的是，地電勢(shì)102為0V。于是中間電路電壓為+E/2,該 中間電路電壓施加在第一功率控制模塊200a的第一功率控制裝置201a 的第一連接單元104a上，而負(fù)的中間電路電壓(-E/2)施加在第二功 率控制模塊200b的第二功率控制裝置202b的第二連接單元105b上。
將功率控制裝置202c的至少兩個(gè)功率半導(dǎo)體器件T3c、 T4c電連接 的第二連接單元107c稱為中心電勢(shì)點(diǎn)，并且與散熱裝置101c導(dǎo)電連接。
阻構(gòu)建，即Rl =R2和R3 = R4),得到的是，相應(yīng)的散熱裝置lOla、 101b凈皮鉗位到電勢(shì)103a或103b上，該電勢(shì)具有中間電路電壓相對(duì)于地 102 (0V)的四分之一的值(E/4)。
此外，還設(shè)置了三個(gè)參考電勢(shì)檢測(cè)單元X1、 X2和X3，在這些檢測(cè) 單元上可以檢測(cè)功率沖莫塊200a的、相對(duì)于散熱裝置101a的電勢(shì)103a 的相應(yīng)參考電勢(shì)。
由此解決了根據(jù)本發(fā)明的任務(wù)，即在減少所需的部件(特別是散熱 裝置101a- 101c)的數(shù)目的同時(shí)，提供了高的耐電壓擊穿性。
參照?qǐng)D3描述的用于設(shè)置功率控制裝置和散熱裝置的電路方案可以 特別有利地應(yīng)用于具有如下配置的電路拓樸
-三電平中性點(diǎn)鉗位(3LNPC, Three Level Neutral Point Clamped );
-三電平有源中性點(diǎn)鉗位(ANPC, Active Neutral Point Clamped );
以及
—ABB —5電平拓樸(ABB5L, ABB Five—Level Topology)。
特別地，根據(jù)上述實(shí)施例參照?qǐng)D3描述的電路裝置和冷卻裝置適于 4吏用在中壓運(yùn)行中。
雖然本發(fā)明在上面借助優(yōu)選的實(shí)施例進(jìn)行描述，然而其并不局限于 此，而是可以以多種方式4務(wù)改。
本發(fā)明也不局限于所提及的應(yīng)用可能性。參 考 標(biāo) 號(hào) 表 在附圖中相同的參考標(biāo)號(hào)表示相同的或功能相同的部件或步驟。
101a-101c散熱裝置
102地電勢(shì)
103a-103c散熱裝置的電勢(shì)
104a-104c第一連接單元
105a—105c第二連接單元
200a,200b，200c功能控制模塊
201a-201c第一功率控制裝置
202a-202c第二功率控制裝置
E中間電3各電壓電勢(shì)
CI -C2電容器單元
Rl -R6放電電阻
Tl -T6功率半導(dǎo)體器件
XI -X3參考電勢(shì)檢測(cè)單元
9
權(quán)利要求
1. 用于電的功率控制的電路裝置，具有a)至少一個(gè)功率控制裝置(201a-201c，202a-202c)；以及b)至少一個(gè)散熱裝置(101a-101c)，其具有與所述至少一個(gè)功率控制裝置(201a-201c，202a-202c)的熱接觸；其特征在于，c)所述散熱裝置(101a-101c)被鉗位到固定地預(yù)先給定的電勢(shì)(103a-103c)上，以及d)所述至少一個(gè)散熱裝置(101a-101c)與所述至少一個(gè)功率控制裝置(201a-201c，202a-202c)電絕緣地被設(shè)置。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路裝置，其特征在于，所述功率控制裝 置(201a-201c, 202a - 202c )通過(guò)至少兩個(gè)功率半導(dǎo)體器件(Tl - T4) 的串聯(lián)電路構(gòu)成。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的電路裝置，其特征在于，所述功率控 制裝置(201a-201c, 202a-202c)通過(guò)放電電阻(Rl -R6)的串聯(lián)電 路《皮此電連接。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的電路裝置，其特征在于，所述至少一個(gè)散 熱裝置(101a _ 101c)被鉗位到其上的、固定地預(yù)先給定的電勢(shì)(103a -103c)通過(guò)所述放電電阻(Rl - R6)來(lái)確定。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的電路裝置，其特征在于，所述散熱裝置 (101a- 101c)被鉗位到其上的、固定地預(yù)先給定的電勢(shì)(103a- 103c)是所述用于電的功率控制的電路裝置的、相對(duì)于地電勢(shì)(102)的中間 電路電壓的四分之一 (E/4)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的電路裝置，其特征在于，所述功率控制裝 置(201a-201c， 202a- 202c)包括被分配給彼此的第一和第二功率控 制裝置(201a-201c， 202a-202c),并且所述笫一和第二功率控制裝 置(201a-201c, 202a _ 202c)的放電電阻(Rl - R6 )將所述固定地預(yù) 先給定的電勢(shì)(103a- 103c)鉗位到所述笫一和第二功率控制裝置(201a -201c, 202a- 202c)的連接點(diǎn)之間的中心電勢(shì)上。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路裝置，其特征在于，不同的散熱裝置 (101a-101c)能夠彼此獨(dú)立地被鉗位到不同的、固定地預(yù)先給定的電勢(shì)(103a- 103c)上。
全文摘要
本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了一種用于電的功率控制的電路裝置，具有至少一個(gè)功率控制裝置(201a-201c，202a-202c)和至少一個(gè)散熱裝置(101a-101c)，其中所述至少一個(gè)散熱裝置(101a-101c)具有與所述至少一個(gè)功率控制裝置(201a-201c，202a-202c)的熱接觸。散熱裝置(101a-101c)能夠鉗位到固定地預(yù)先給定的電勢(shì)(103a-103c)上，并且與所述至少一個(gè)功率控制裝置(201a-201c，202a-202c)電絕緣地設(shè)置。
文檔編號(hào)H02M7/00GK101490942SQ200780025829
公開(kāi)日2009年7月22日 申請(qǐng)日期2007年5月31日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月7日
發(fā)明者L·梅森克, M·溫克爾恩肯帕, P·巴博薩, P·斯泰默 申請(qǐng)人:Abb研究有限公司