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
技術領域：
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
于對設置在功率控制裝置中的功率半導體器件(例如可控硅元件、IGBT (絕緣柵雙極型晶體管)和功率場效應管(Power-FET))進行散熱的 裝置。
這種功率半導體器件和其他的電路裝置或環(huán)境之間的接口包括用 于電連接功率半導體器件的電接口和特別是設計用于有效地散熱的熱 接口，所述熱在功率半導體器件工作中產(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體器件來 進行電的功率控制，該電路裝置包括至少一個功率控制裝置和至少一個 散熱裝置，該散熱裝置具有與所述至少一個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 避免在導熱并導電的散熱裝置和電子部件之間的過大的差電壓而設計。
現(xiàn)有技術
用于電的功率控制的電路裝置，在各個電路部件(例如功率半導體 器件)之間以及在器件和相應的散熱裝置(例如冷卻元件)之間具有電 壓差，該電壓差可能達到高達擊穿電壓的大的值。
在根據(jù)現(xiàn)有技術的電路裝置中，功率半導體器件設置在散熱裝置 上，這些散熱裝置與地相連，并且因此接地或者處于地電勢。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 制模塊設置在單個的散熱裝置上，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， 三重地設計根據(jù)圖1的電路裝置。圖1的電路裝置包括三個開關單元E1、 E2和E3。各個電路單元E1、 E2和E3又分別由串聯(lián)的功率半導體器件 Tla、 T2a或T3a、 T4a構成。
電容器C1通過兩個電阻R1和R2的串聯(lián)電路放電。圖1中的另外 兩個功率控制裝置E2和E3以類似的方式被構成。全部的功率半導體器 件Tla、 T2a..... T3c、 T4c設置在散熱裝置WO上用于冷卻。
3散熱裝置W0除了良好的導熱性之外還具有高的導電性。在電路裝
置工作中，必須留心功率半導體器件的連接點(Anschlusspunkten )和散 熱裝置WO之間的電壓差不超過確定的預先給定的最大電勢差值即擊穿 電壓。
為了解決該問題，提出了為每一對功率半導體器件設置單個的散熱 裝置W1、 W2、 W3、 W4、 W5和W6，如圖2所示。這種設置雖然避免 了如圖1中所示的全部的功率半導體器件和單個的散熱裝置W0之間的 大的電勢差，但是不利地增大了所需的電路部件的數(shù)目。
不利的是，這種設置僅僅針對單器件裝置或雙器件裝置而設計。相 應的散熱裝置Wl-W6的電勢由此被鉗位到兩個功率半導體器件之間的 中心電勢(Mitte叩otential)上,這將電壓負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重要缺點在于，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三相系統(tǒng)有18個散 熱裝置(圖2示出了僅僅針對一個相的電路部件)。
此外，不合乎目的的是，不可能針對H橋模塊來設計這種散熱裝置，
因為它們不具有共同的中心電勢點。于是，根據(jù)圖2所提出的解決方案 可以降低單開關封裝或雙開關封裝的介電電壓負載，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。
在EP 0 802 619 Al中說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)明內容
在功率半導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。此外設計了用于功率半導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)電勢差。
本發(fā)明的任務是，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 裝置具有小的單個部件數(shù)目。
根據(jù)本發(fā)明，該任務通過一種具有權利要求1特征的用于電的功率 控制的電路裝置解決。本發(fā)明的其他擴展方案由從屬權利要求中得到。
本發(fā)明的一個核心思想在于，設置最少數(shù)目的散熱裝置，其中單個 的散熱裝置被鉗位到固定地預先給定的電勢上。優(yōu)選的是，該固定地預 先給定的電勢為在兩個屬于功率控制模塊的功率控制裝置之間的中間 電勢。
因此，本發(fā)明的基本思想在于，每個相僅僅設置三個散熱裝置，它 們對稱地被鉗位到在功率控制模塊的單個功率控制裝置之間的相應的 中心電勢上。通過這種方式， 一方面實現(xiàn)了最佳地降低功率半導體器件 和相應的散熱裝置之間的電壓負荷，其中要使用的部件的數(shù)目相對于現(xiàn) 有技術被減少。
此外，這種設置能夠實現(xiàn)以雙H橋的形式來設計用于電的功率控制 的電路裝置。在此，3.3kV標準部件可以用于針對4.16kV設計的驅動單 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 一個功率控 制裝置和至少一個散熱裝置，該散熱裝置具有與所述至少一個功率控制 裝置的熱接觸，其中散熱裝置被鉗位到固定地預先給定的電勢上。優(yōu)選 的是，所述至少一個散熱裝置與所述至少一個功率控制裝置電絕緣地設 置。由此，可以有利地實現(xiàn)進一步降低在功率半導體器件和相應的散熱 裝置之間的電壓負荷。
根據(jù)本發(fā)明的 一 個優(yōu)選的改進方案，功率控制裝置通過至少兩個功 率半導體器件的串聯(lián)電路來構建。在此， 一對功率控制裝置構成一個功
率控制模塊。合乎目的的是，需要三個功率控制模塊用于相的控制。
一個模塊的功率控制裝置有利地通過放電電阻的串聯(lián)電路彼此電連接。
根據(jù)本發(fā)明的另 一優(yōu)選的改進方案，所述至少 一個散熱裝置被鉗位 到其上的、固定地預先給定的電勢通過放電電阻來確定。在此，放電電 阻是分壓電阻。
根據(jù)本發(fā)明的另一優(yōu)選的改進方案，散熱裝置鉗位到其上的、固定 地預先給定的電勢是用于電的功率控制的電路裝置關于地電勢的中間
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先給定 的電勢鉗位到在第 一和第二功率控制裝置的連接點之間的中心電勢。
優(yōu)選的是，不同功率模塊的不同散熱裝置彼此獨立地被鉗位到不同 的、可固定地預先給定的電勢上。
根據(jù)本發(fā)明的另 一優(yōu)選的改進方案，所述至少 一個散熱裝置附加地 被導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 功率半導體器件彼此電連接。
借助這種電路裝置解決了本發(fā)明的任務，即設計帶有有效的散熱 的、電的功率控制，其中需要較少數(shù)目的部件，其中同時實現(xiàn)了高的耐 電壓擊穿性。
本發(fā)明的實施例在附圖中示出并且在下面的描述中被進一步闡述。 其中
圖1示出了帶有單個的散熱裝置的、用于電的功率控制的傳統(tǒng)電路
裝置；
圖2示出了帶有多個浮動的(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)明的一個優(yōu)選實施例的、帶有被電鉗位的散熱 裝置的功率控制裝置。
在附圖中，相同的參考標記表示相同或者功能相同的部件或步驟。
具體實施例方式
在下面參照圖3描述本發(fā)明的一個實施例。
在圖3中示出了針對一個相的、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如圖3中所示的相電路。 為了說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，既不設置單個的、處于地電勢的散熱裝置，如其在圖1中參照傳統(tǒng)的第一電路裝置所描述的那樣，也不設置大量的、 單個的散熱裝置(每個功率控制模塊兩件)，其中這些散熱裝置于是必 須處于自由浮動的電勢上，如參照圖2在上面針對另一傳統(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 相具有三個散熱裝置101a、 101b和101c。所示的三個散熱裝置101a、 101b和101c既不處于地電勢102,也不是自由浮動的。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 鉗位到固定地預先給定的電勢上，即鉗位到散熱裝置101a、 101b或101c 的、相對于參考電勢(即地電勢102)的相應的電勢103a、 103b和103c 上。
用于功率控制的電路裝置由三個可分開標識的塊組成，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設置在第一散熱裝置 101a上并且與其導熱連接，第一和第二功率控制裝置201b、 202b設置 在第二散熱裝置101b上并且與其導熱連接，而第一和第二功率控制裝 置201c或202c與第三散熱裝置101c導熱連接。此外，相應的散熱裝置 101a、 101b、 101c與所屬的功率控制裝置201a、 202a、 201b、 202b、 201c、 202c電絕緣地設置，由此有利地可以實現(xiàn)進一步降j氐在相應的功率控制 裝置201a、 202a、 201b、 202b、 201c、 202c的功率半導體器件Tla、 T2a、 T3a、 T4a、 Tlb、 T2b、 T3b、 T4b、 Tlc、 T2c、 T3c、 T4c和相應的散熱 裝置101a、 101b、 101c之間的電壓負荷。
第一和第二功率控制裝置201和202分別由功率半導體器件(例如 IGBT)的串聯(lián)電路構建，其中這些功率控制裝置的第一端子分別電連接 在共同的點上，而第一和第二連接單元104a和105a通過兩個電阻Rl、 R2的串聯(lián)電路彼此連接。
要指出的是，針對三個可分開標識的功率控制才莫塊200a、200b、200c 的參考標記設置了小寫字母a、 b、 c,以便表明與相應的功率控制模塊 的對應關系。
根據(jù)本發(fā)明，用于對相應的電容器(電容器單元)Cl、 C2進行放電的^L電電阻R1、 R2形成分壓器，其中在兩個電阻R1和R2或R3和 R4或R5和R6的連接點上的中心抽頭分別形成中心電勢，相應的散熱 裝置101a、 101b或101c^皮鉗位到該中心電勢上。
以下，i設的是，地電勢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的至少兩個功率半導體器件T3c、 T4c電連接 的第二連接單元107c稱為中心電勢點，并且與散熱裝置101c導電連接。
阻構建，即Rl =R2和R3 = R4),得到的是，相應的散熱裝置lOla、 101b凈皮鉗位到電勢103a或103b上，該電勢具有中間電路電壓相對于地 102 (0V)的四分之一的值(E/4)。
此外，還設置了三個參考電勢檢測單元X1、 X2和X3，在這些檢測 單元上可以檢測功率沖莫塊200a的、相對于散熱裝置101a的電勢103a 的相應參考電勢。
由此解決了根據(jù)本發(fā)明的任務，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，提供了高的耐電壓擊穿性。
參照圖3描述的用于設置功率控制裝置和散熱裝置的電路方案可以 特別有利地應用于具有如下配置的電路拓樸
-三電平中性點鉗位(3LNPC, Three Level Neutral Point Clamped );
-三電平有源中性點鉗位(ANPC, Active Neutral Point Clamped );
以及
—ABB —5電平拓樸(ABB5L, ABB Five—Level Topology)。
特別地，根據(jù)上述實施例參照圖3描述的電路裝置和冷卻裝置適于 4吏用在中壓運行中。
雖然本發(fā)明在上面借助優(yōu)選的實施例進行描述，然而其并不局限于 此，而是可以以多種方式4務改。
本發(fā)明也不局限于所提及的應用可能性。參 考 標 號 表 在附圖中相同的參考標號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
103a-103c散熱裝置的電勢
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
CI -C2電容器單元
Rl -R6放電電阻
Tl -T6功率半導體器件
XI -X3參考電勢檢測單元
9
權利要求
1. 用于電的功率控制的電路裝置，具有a)至少一個功率控制裝置(201a-201c，202a-202c)；以及b)至少一個散熱裝置(101a-101c)，其具有與所述至少一個功率控制裝置(201a-201c，202a-202c)的熱接觸；其特征在于，c)所述散熱裝置(101a-101c)被鉗位到固定地預先給定的電勢(103a-103c)上，以及d)所述至少一個散熱裝置(101a-101c)與所述至少一個功率控制裝置(201a-201c，202a-202c)電絕緣地被設置。
2. 根據(jù)權利要求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 )通過至少兩個功率半導體器件(Tl - T4) 的串聯(lián)電路構成。
3. 根據(jù)權利要求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)通過放電電阻(Rl -R6)的串聯(lián)電 路《皮此電連接。
4. 根據(jù)權利要求3所述的電路裝置，其特征在于，所述至少一個散 熱裝置(101a _ 101c)被鉗位到其上的、固定地預先給定的電勢(103a -103c)通過所述放電電阻(Rl - R6)來確定。
5. 根據(jù)權利要求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、固定地預先給定的電勢(103a- 103c)是所述用于電的功率控制的電路裝置的、相對于地電勢(102)的中間 電路電壓的四分之一 (E/4)。
6. 根據(jù)權利要求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 先給定的電勢(103a- 103c)鉗位到所述笫一和第二功率控制裝置(201a -201c, 202a- 202c)的連接點之間的中心電勢上。
7. 根據(jù)權利要求1所述的電路裝置，其特征在于，不同的散熱裝置 (101a-101c)能夠彼此獨立地被鉗位到不同的、固定地預先給定的電勢(103a- 103c)上。
全文摘要
本發(fā)明實現(xiàn)了一種用于電的功率控制的電路裝置，具有至少一個功率控制裝置(201a-201c，202a-202c)和至少一個散熱裝置(101a-101c)，其中所述至少一個散熱裝置(101a-101c)具有與所述至少一個功率控制裝置(201a-201c，202a-202c)的熱接觸。散熱裝置(101a-101c)能夠鉗位到固定地預先給定的電勢(103a-103c)上，并且與所述至少一個功率控制裝置(201a-201c，202a-202c)電絕緣地設置。
文檔編號H02M7/00GK101490942SQ200780025829
公開日2009年7月22日 申請日期2007年5月31日 優(yōu)先權日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 申請人:Abb研究有限公司