專利名稱：復合電容及其使用的制作方法
技術領域：
本發明涉及電力裝置的電容部件領域，具體來說，涉及用作電力頻率轉換器中的 DC鏈路電容的復合電容。
背景技術：
電力頻率轉換器將單相或三相交流電壓轉換為具有另一個頻率和/或相數的交流電壓。如圖8所示的現有技術頻率轉換器通常包括將交流(AC)轉換成直流(DC)的整流器、將直流(DC)轉換成交流(AC)的逆變器以及連接整流器和逆變器的DC鏈路。DC鏈路包括充當DC鏈路電壓的能量存儲和濾波器的電容部件。
電力頻率轉換器或其它電力裝置中使用的常規電容部件包括一個或數個電容器， 電容器直接安裝在電力頻率轉換器的主電路板上，并且趨向于占用主電路板上的大面積。 另外，對于基于來自于多種不同電容器類型的電容器的一系列電力裝置的制造商，供應鏈管理是一個重要問題。最后，主電路板上的出故障電容器的更換可能是費時費力的。
因此，本發明的一個目的是創建一種克服了上述缺點的電容部件。
US 6215278公開具有改進封裝密度并且包含串聯連接電容器單元的單一類型的盒式電容器模塊，串聯連接電容器單元設置在電容器組中，其中散熱器安裝在位于電容器組外部的模塊的端面上。定位在模塊的任何表面上的柔性印刷電路包括用于監測信號的互連。折疊電容器單元不是剛性地安裝在支承板上，而是緊密地擠入堆疊單元的相對端的兩個壓力板之間。
US 4912597公開具有在平行的兩行依次設置的十個基本電容器的電容器組，各行的電容器電連接到兩個平行介電印刷電路板(PCB)的相應一個。兩個PCB是相同的，并且包括按照完全相同的方式來配置和設置的銅覆層和介電帶。相應地，各由PCB和一行五個電容器組成的兩個模塊在物理上不是能區分的。發明內容
按照本發明，提出一種復合電容，該復合電容包括相互電連接的多個物理上能區分的電容器模塊。電容器模塊的每個包括安裝于并且電連接到模塊特定印刷電路板(PCB) 的一定數量的基本電容器，其中來自多個模塊的所有基本電容器屬于單一類型。
在本發明的上下文中，物理上能區分的電容器模塊呈現不同的機械和/或電氣性質。也就是說，多個物理上能區分的電容器模塊之中的兩個電容器模塊可具有不同數量的基本電容器。或者兩個模塊的PCB可在形狀、大小、厚度或拓撲方面加以區分。能區分的模塊還可在其上安裝的基本電容器的內部布線、印刷電路或者電互連方面有所不同。
從單一類型的基本電容器來組成復合電容極大地簡化其生產和維護。在可用于裝置內部的電容部件的體積可能在至少一個方向受到限制或局限的那些電力裝置中，通過使用多個電互連電容器模塊所獲得的空間靈活性是有利的。通過不同電容器模塊所實現的幾何上靈活的設置、包括將它們相互之間成任意角度設置并且占用常規電容部件無法填充的電力裝置中的周邊面積的可能性最終耗用電力裝置中的較小空間。
按照本發明的一個優選實施例，電容器模塊的至少一個安裝于并且電連接到支承板，其中其所有圓柱基本電容器的中心軸設置成與支承板的表面大致平行。
按照本發明的另一個優選實施例，一個模塊的基本電容器設置在模塊特定PCB的一側或兩側。基本電容器通過印刷電路電連接在模塊特定PCB之上或之中，以便構成電容器模塊的總電容。
按照本發明的另一個優選實施例，模塊包括設置在模塊特定PCB上的附加部件， 例如分壓電路、高頻電容器、充電和放電電路或者電容器診斷電路。分別通過簡化與其它模塊的連接，擴展高頻帶寬，并且檢測模塊的性能，附加部件有助于復合電容的更完整功能性。
按照本發明的另一個優選實施例，模塊特定PCB可包括準許冷卻空氣經過的孔， 并且沿與基本電容器的中心軸平行的方向建立冷卻空氣流。孔設置在與基本電容器之間的空曠區域(open area)重疊的區域中，其中在沿所述方向查看模塊時，PCB是可見的。
本發明還涉及上述復合電容作為空間受限低壓或中壓電力頻率轉換器中的DC鏈路電容的使用。
圖1示出按照本發明的復合電容；
圖2、圖3和圖4示出復合電容的三個電容器模塊；
圖5和圖6示出電容器模塊的兩個示意截面；
圖7示出基于五種不同類型的基本電容器的五個電容器模塊；
圖8示出現有技術電力頻率轉換器的示意圖。
具體實施方式
圖1示出具有多個電容器模塊(32、33、34和35)的復合電容，其中各電容器模塊包括模塊特定PCB (印刷電路板)并且安裝在支承板(31)上。多個電容器模塊通過支承板上的適當連接電路按照串聯和/或并聯連接相互電連接。電容器模塊和支承板共同形成將要在諸如電力頻率轉換器之類的電力裝置中使用的復合電容或電容部件。各電容器模塊包括一個單一模塊特定PCB，并且設置在單一 PCB上的所有圓柱基本電容器(36)是同一板特定模塊的組成部分。電容器模塊按照如下方式安裝在支承板上使得所有圓柱基本電容器的中心軸設置成與支承板的表面大致平行。
所安裝模塊的數量、其相互布置以及各模塊的尺寸(例如寬度、長度、深度)能夠任意選擇，使得所產生復合電容可具有不按照標準矩形體積的整體形狀。作為舉例，圖1所示的電容器模塊的布置產生楔形總體積。總電容由支承板上安裝的模塊的總數、各模塊上的基本電容器的數量以及基本電容器電連接的具體細節來組成。
多個電容器模塊之中的至少兩個根據例如機械性質或電氣性質是物理上能區分的。也就是說，這些不同模塊的PCB可在形狀、大小、厚度或拓撲方面加以區分。不同模塊還可具有不同數量的基本電容器，和/或在基本電容器的內部布線或電互連方面加以區分。 因此，兩個不同模塊的總電容可以不同或相同。
復合電容的結構和配置非常靈活，并且可優化成適合或填充電力裝置中的任何可用空間。與僅使用最接近PCB表面的單層體積的常規電容部件相比，所提出的復合電容能夠通過堆疊基本電容器來占用PCB表面上方的內部空間的附加部分。例如，圖1中的電容器模塊(32、33、34、3幻示出沿與支承板(31)垂直的方向依次設置的三至六個基本電容器 (36)。四個電容器模塊相互平行地設置。但是，為了最有效地利用特定電力裝置中的不規則空間，兩個或更多PCB模塊可備選地在其相交處形成任意角度。因此，所提出的復合電容實現電力裝置中的可用三維空間的優化使用。
模塊能夠通過各種連接手段來安裝在支承板上。通過適當地選擇連接手段，模塊能夠易于重復安裝和移開。也就是說，在單個電容器模塊沒有正確起作用的情況下，該電容器模塊能夠直接地由備用電容器模塊來更換。此外，如果在操作期間，對于電力裝置將要求不同的總電容，則可相應地對支承板添加或者從支承板移開模塊。
在以下設計方面，優選的是基于大量具有小電容的基本電容器而不是幾個具有大電容的電容器來構建電容器模塊。這樣，如果只有一個或少數幾個基本電容器出故障，而電容器模塊的其它基本電容器繼續正確地工作，則總電容僅少許地減小。因此，提高了所提出模塊的可靠性。
此外，通過低電感PCB上的小電容的大量并聯連接，電容器模塊的總等效雜散電感變得極低，這可有利地產生穩定開關行為。另外，大量小電容器所生成的總熱量通常小于相同電容的幾個大電容器所生成的熱量。
最后，由大量相同基本電容器所構成的模塊的總電容產生可觀的規模經濟以及簡化的供應鏈管理。
圖2中示出第一單獨電容器模塊。單一類型的許多基本電容器(1 安裝在模塊特定印刷電路板PCB(Il)上。基本電容器的類型和電容能夠按照預計應用的要求來任意選擇。圖2中，基本電容器(1 安裝在PCB(Il)的兩側。備選地，基本電容器(1 可以僅安裝在PCB的單側。考慮PCB的維度和各基本電容器的占用面積，盡可能多的基本電容器安裝在PCB上。也就是說，通過按照正方形或者甚至三角形密排晶格來并排設置基本電容器， 電容器所占用的PCB表面的面積與PCB的總表面面積大致相同。
圖3示出除了設置在PCB上的基本電容器之外還具有若干電子部件的電容器模塊。附加電子部件能夠易于與電容器模塊集成，以便提高性能或者增加預期功能性。附加部件可包括分壓電路、高頻電容器和電容器診斷電路。
具體來說，能夠集成與主電容器并聯連接的專用高頻電容器，以便改進模塊的頻率帶寬；并且可集成診斷傳感器，以便檢測和提高電容器模塊的信令性能。可提供分壓電路 (例如并聯電阻器)，以便允許與其它電容器模塊的簡便串聯連接。其它附加功能可通過集成電容器放電和充電電路來增加。
如前所述，基于PCB的電容器模塊能夠配備有用于任何預計目的或應用的各種連接器。雖然任何市場銷售類型的連接器能夠用作電容器模塊的連接手段，但是圖2和圖3 示出特殊設計的超寬低阻抗連接器(1 。連接器(1 使得有可能易于可逆地將電容器模塊附連到支承板以及從支承板拆卸電容器模塊。
應當注意，雖然圖2和圖3所示的PCB具有正方形形狀，但是PCB也能夠設計成具有任何其它形狀。例如，三角形或圓形PCB也是可能的，并且甚至在它將用于其中的電力裝置的內部空間看來是優選的。
圖4示出在電容器模塊的PCB(Il)上提供的多個空氣對流孔02)。空氣對流孔允許冷卻空氣沿與PCB上安裝的基本電容器(12)平行的方向來流動。為此，孔按照如下方式設置在PCB上使得在沿基本電容器(1 的方向查看PCB時，孔至少部分是可見的，S卩，孔與基本電容器之間的間隙基本上重合。
圖5和圖6示出互連PCB上的基本電容器的無數可能方式之中的兩種。
圖5示出模塊的截面，其中所有基本電容器Gl)并聯連接并且安裝在PCB的一側上。PCB包括三層，S卩，正導電層(44)、負導電層06)以及夾合在上述兩個導電層之間的絕緣層(45) 0基本電容器的正和負引腳(42,43)在引腳-PCB連接觸點(47,49)處與正和負導電層(44、46)連接。具體來說，正引腳42在觸點09)上與正導電層04)連接，而負引腳經由正導電層中提供的開口或凹口 G8)來穿過正導電層，并且在PCB的相對側的觸點 (47)處與負導電層06)連接。類似地，基本電容器能夠安裝在PCB的兩側上，并且通過兩個導電層并聯電連接。
圖6中示出模塊的截面，其中電容器兩兩串聯連接并且安裝在PCB的一側上。與圖5相反，上導電層分為第一上導電層(610)和第二上導電層(64)，它們均用作連至上述連接器或者連至其它相鄰的基本電容器對的串聯觸點。
圖6中，所有電容器(61)((1至04)與底導電層(611)連接。但是，電容器Cl和 C2均與第一上導電層(610)連接，并且電容器C3和C4均與第二上導電層(64)連接。因此，基本電容器Cl和C2作為第一組并聯連接；并且基本電容器C3和C4作為第二組并聯連接。第一電容器組(C1、C2)與第二電容器組(C3、C4)串聯連接。
圖7示出具有大致相同總電容并且基于五種不同類型的基本電容器的五個電容器模塊(71、72、73、74和75)。基本電容器的幾何和電布置產生如下物理性質。
-第一模塊A(71)包括4個基本電容器，并且其總表面面積為25^75mm2；其總體積為7320404mm3 ；其總阻抗Zmax(IOkHz，20°C )為5m0hm ；以及其總紋波電流能力I_AC max(100Hz，85°C )為 90. 2A。
-第二模塊B(7 包括6個基本電容器，并且其總表面面積為M7815mm2 ；其總體積為 7179627mm3 ；其總 Zmax (IOkHz，20°C )為 4. 67m0hm ；以及其總 I_AC max (100Hz, 85°C ) 為 97. 8A。
-第三模塊C(7!3)包括33個基本電容器，并且其總表面面積為431624mm2；其總體積為 7090664mm3 ；其總 Zmax (IOkHz，20°C )為 4. 36m0hm ；以及其總 I_AC max (100Hz, 85°C ) 為 151. 8A。
-第四模塊D(74)包括50個基本電容器，并且其總表面面積為653975mm2；其總體積為 10743430mm3 ；其總 Zmax (IOkHz, 20°C )為 4. 88m0hm ；以及其總 I_AC max (100Hz，85°C ) 為 170A。
-第五模塊E(7 包括270個基本電容器，并且其總表面面積為93^77mm2 ；其總體積為 6534000mm3 ；其總 Zmax (IOkHz, 20°C )為 4. 3m0hm ；以及其總 I_AC max (100Hz，85°C ) 為 1 . 9A。
上述模擬結果表示不同模塊的總體積具有極小差異。但是，模塊75的總表面大約為模塊71或72其中之一的四倍。相應地，預計模塊75的熱耗散比模式71和72的熱耗散具有更小的顧慮。此外，模塊73、74和75的紋波電流能力(I_AC)比模塊71和72的紋波電流能力(I_AC)明顯要高。
權利要求
1.一種包括相互電連接的多個物理上能區分的電容器模塊的復合電容，其中，所述多個電容器模塊的每個包括安裝于并且電連接到模塊特定印刷電路板PCB的一定數量的基本電容器，并且所述多個電容器模塊的所有所述基本電容器具有單一類型。
2.如權利要求1所述的復合電容，其特征在于，所述多個物理上能區分的電容器模塊之中的第一電容器模塊具有的基本電容器的數量與所述多個物理上能區分的電容器模塊之中的第二電容器模塊上的基本電容器的數量不同。
3.如權利要求1所述的復合電容，其特征在于，所述多個物理上能區分的電容器模塊之中的兩個電容器模塊的所述模塊特定PCB在形狀、尺寸、厚度、拓撲方面或者在將要安裝于其上的所述基本電容器的電互連方面有所不同。
4.如權利要求1所述的復合電容，其中，所述電容器模塊的至少一個包括安裝在模塊特定PCB上的圓柱基本電容器，其特征在于，所述模塊特定PCB安裝在支承板上，其中所有所述圓柱基本電容器的中心軸設置成與所述支承板的表面大致平行。
5.如權利要求1所述的復合電容，其特征在于，所述基本電容器設置在所述模塊特定 PCB的一側或兩側上，并且所述基本電容器通過所述模塊特定PCB的印刷電路來連接。
6.如權利要求1所述的復合電容，其特征在于，所述模塊的至少一個包括設置在所述模塊特定PCB上的分壓電路、高頻電容器電路、充電和放電電路以及電容器診斷電路中的至少一個。
7.如權利要求1所述的復合電容，其特征在于，所述模塊特定PCB包括準許冷卻空氣經過并且在相鄰電容器之間中循環的孔。
8.如權利要求1-7中的任一項所述的復合電容在電力頻率轉換器的DC鏈路中的使用。
全文摘要
復合電容部件包括相互電連接的多個物理上能區分的電容器模塊。能區分的模塊在設計電容部件時允許增加的電和/或幾何靈活性。電容器模塊的每個包括設置在模塊特定印刷電路板PCB上的多個基本電容器。電容器模塊的所有基本電容器具有單一類型，這簡化了電容部件的生產和維護。
文檔編號H02M7/00GK102549688SQ201080036753
公開日2012年7月4日 申請日期2010年8月9日 優先權日2009年8月13日
發明者D·科泰特 申請人:Abb研究有限公司