功率模塊對稱布置的功率換流器組件的製作方法

2023-11-30 23:46:31 3

專利名稱：功率模塊對稱布置的功率換流器組件的製作方法
技術領域：
本發明總體上涉及功率換流器，並且更具體地涉及一種在功率換流器內部 的功斜莫塊M"稱布置的汽車功率換流器。
背景技術：
近年來，技術上的進步以及在風格方面不斷發展的品位，使得汽車設計已 經發生了本質的變化。變化之一涉及到汽車內部電力系統的複雜性，尤其是代 用燃料車輛，例如混合動力、電力、以及燃料電池車輛。這樣的4調燃料車輛 典型地使用一臺或多臺電動機，可能與另一個致動器相結合，來驅動車輪。另 外，這樣的汽車可能還包括其他的電機，以及其他高壓組件，^行汽車內部 的各種其他系統，例如空調機。
由於代用燃料汽車一般僅包括直流(DC)電源供給，因此要設置直流-交 流(DC/AC)逆變器(或功率逆變器)以將直流電轉換為電l腿常所需的交流 電(AC)。這樣的車輛，尤其是燃料電池車輛，也經常JOT兩個分離的電壓源， 比如電池組以及燃料電池，來給驅動^的電動機提供動力。因此，功率換流 器，比如直流-交流(DC/DC)換流器，典型地也設置來用以管理和傳遞來自兩 個電壓源的電力。
大功率密度逆變器經常使用液體7襯卩，其中附接於基片和/或底板上的開關 安裝在液冷散熱器上。傳統的三相逆變器由三個半橋或引腳製成。用於汽車中 的牽引力使得很難將三個半橋裝配到單個基片上。另外，將所有的開關都設於 單個基片之上會面臨將大基片附接於底板或散熱器上的挑戰，因為其會對逆變 器的熱性能以及可靠性產生負面影響。因此，將半橋裝配於單獨的的基片上，然後將其用或不用底板進行封裝以形歸相(例如相A、 B及C)逆變器。
一般地，在A相和B相之間的電容耦合與在B相和C相之間的耦合或者 在C和A之間的耦合是不相同的，反之亦然。從開關到直流傳輸線電容器以及 交流輸出端的母線長度也並非對於所有的相位都是一樣的，因此這導致了三相 的不等寄生電感以及阻抗。三相中的不等寄生效應導致了三個基片上損失的不 平均分配，並對逆變器的長期可靠性產生負面影響。另外，如果對電流的需求 發生改變，則可能會需要將更多的開關添加到基片上。而且，如果需要,變 器，那麼可能會要求封裝上的改變，導艦變器佔地面積、^!R及成本都增加。 因此，需要提供具有與戰特性有關的改進性能的同時能夠允許先進熱管 理的一種逆變器布置。此外，本發明的其他理想特徵和特性將通過下面結合附 圖以及上述的技術領域與背景所,進行的描述而得到淸楚的展現。

發明內容
提供了一種功率換流器。該功率換流器組件包括第一、第二以及第三功率 模±央。第二功率模塊與第一功率模i央聯接，這樣第二功率模塊與第一功率模塊 間隔第一間距。第三功率模塊與第一和第二功率模塊聯接，這樣第三功率模塊 與第二功率模塊間隔第二間距並且與第一功率模塊間隔第三間距。第一、第二 以及第三間距大致相等。
提供了一種汽車逆變器組件。汽車逆變器組件包括底板以及與底板聯接的 多個大致相同的逆變器模±央。該多個大致相同的逆變器模塊包括多對相鄰逆變 器模塊。每一對都包括第一和第二逆變器模塊。在每一對中，第一逆變器模塊 的選取點與第二逆變器模塊上的對應點間隔開一定間距。多個大致相同的逆變 器模塊布置為使得每一對相鄰逆變器模塊的間距都基本相等。
提供了一種汽車驅動系統。汽車驅動系統包括電動機，直流(DC)電源， 電源逆變器，以及處理器。直流電源與電動機聯接。逆變器與電動機和直流電 源聯接，從而接收來自於直流電源的直流電並為電動機衝共交流(AC)電。所 ,變器包括底板；與底板麟的第一功率模±央；與底板職的第二功^^莫塊， 其與第一功率模塊間隔第一間距；以及與底板聯接的第三功率模塊，其與第二 功率模塊間隔第二間距並且與第一功率模塊間隔第三間距。第一、第二以及第 三間距大致相等。處理器設置為對電動機、直流電源以及逆變器進行控制並且 可操作地與它們相，。


下面將結合後面的附圖對本發明進衍兌明，其中相同的標記表示相同的元 件，並且
圖1為根據本發明一個實施例的示例性汽車示意圖； 圖2為圖1中汽車上的電壓源逆變器系統的框圖； 圖3為圖1中汽車上的逆變器示意圖4為圖3中根據本發明一個實施例的逆變器內的逆變器模塊的上表面的
圖5為圖4中逆變器模塊的下表面透視圖； 圖6為根據本發明一個實施例的逆變器組件俯視圖；以及 圖7和圖8為根據本發明不同實施例的逆變器模塊布置的俯視圖。 實施例說明
以下詳細說明實際上僅僅是示例性的，並非是意在限定本發明或本發明的 應用和使用。此外，也並非意在通過前述的技術領域、背景技術、以及發明內 容或下述的詳細說明中的任何明示或暗示理論而對本發明進行約束。
以下描述將提到"連接"或"聯接"在一起的元件或特徵。正如這裡所使 用的，"連接"指的是一元件/特徵機械地接合於(或直接地相連於)另一元件/ 特徵，而並非必須直接地。同樣地，"職"指的是一元件/特徵直接或間接地接 合於(或直接或間接地相連於)另一元件/特徵，而並非必須機械地。然而，應 當明白雖然兩個元件可照下面所述，在一個實施例中，被"連接"，但是在另一 個實施例中類似元件則可稱為被"聯接"，反之亦然。因此，雖然此處所示的示 意圖表示出元件的布置示例，但其他加裝的元件、裝置、特徵或組件都可存在 於實際實施例中。
此外，不同的組件及特徵在此可^頓特定的數糊述詞，例如第一、第二 第三等等，以及位置和/或角度描述詞，例如水平及垂！3l6a行表述。然而，這 樣的描述詞僅僅用於對附圖的描述目的，而並不肖鏡作是限制，因為不同的組 件在其他實施例中可以重新布置。同時也應該理解圖1至8僅僅是說明性質的 而並非是按實際比例繪製的。
圖1到圖8圖示功率換流器。在一個實施例中，功率換流器組f^括第一、 第二以及第三功率模塊。第二功率模塊與第一功率模塊聯接，這樣第二功率模塊與第一功率模塊間隔第一間距。第三功率模塊與第一和第二功率模塊聯接，
這樣第三功率模塊與第二功率模塊間隔第二間距並且與第一功率模塊相間隔第 三間距。所述第一、第二以及第三間距大致相等。
圖1表示根據本發明的一個實施例的糊(或者"汽車")10。汽車10包 括底盤12，車身14，四個車輪16，以及電子控制系統18。車身14布置在底盤 12上並且大致包圍著汽車10的其他部件。車身14與底盤12可共同地構成車架。 *車輪16者瞎車身14相應邊角處聯接到底盤12上。
汽車10可以是各種不同類型汽車中的任意一種，例如轎車、貨車、卡車或
運動型多功能車(suv)，並且可以是兩輪驅動(2WD)(即後^^驅動或者fr^
驅動)、四輪驅動(4WD)、或者全輪驅動(AWD)。汽車10還可包含各種不同 類型發動機中的任意一種或其組合，例如以汽油或柴油為燃料的內燃機、"靈活 燃料車輛"(FFV)發動機(即使用汽油與酒精的混合物)、氣體化合物(例如 氫和/或天然氣)燃料發動機、燃傲電動混合發動機以及電動機。
在圖l所示的實施例中，汽車10是混合車輛，並且還包括促動器組件20、 電池組(或直流(DC)電源)22、功率逆變器組件(，變器)24以及散熱器 26。促動器組件20包括內燃機28以及電動敏發電機(或電機)30。本領域技 術人員可以理解，電動機30在其中包括變速器，並且雖未示出但也包括定子組 件(包括傳導線圈)、轉子組件(包括鐵磁芯)以及冷卻液(即冷卻劑)。按照 通常所理解的，電動機30內部的定子組件和/或轉子組件可包括多個電磁極(例 如十六個極)。
仍然參照圖l，在一個實施例中，內燃機28與電動機30集成一體從而通 過一根或多根傳動軸32使兩者機械地與至少部分車輪16相聯接。在其外部與 車架相連接，並且雖然未詳細說明，但在其中包括多條冷卻流道，其中容納有 例如水和/或乙二醇(即"防凍劑")的冷卻液(即H嘲劑)，並且散熱器26與發 動機28和逆變器24聯接。
參照圖2，在根據本發明的實施例中表示出了電壓源逆變器系統(或電力 驅動系統)34。電壓源逆變器系統34包括與調製器38輸出端聯接的控制器36， 其中調製器38繼而具有與逆變器24的第一輸出端相連接的輸入端。控制器36 具有與逆變器24的輸入端聯接的輸出端，其中逆變器24具有與電機30聯接的 第二輸出端。控制器36以及調製器38可與圖1所示的電子控制系統18集成一體。
圖3對圖1和圖2中的逆變器24 (或功率換流器)進行了更詳細的示意性 說明。逆變器24包括與電機30聯接的三相電路。更具體地說，逆變器24包括 具有與電壓源4 (例如電池組22)聯接的第一輸入端以及與電機30聯接的輸 出端的開關網絡。雖然示出的是單個電壓源，但是也可以使用與兩組電源相連 接的分布式直流電。
開關網絡包括具有反並聯二極體(即反並聯到*開關)的對應於電機30 每一相位的H^ (a、 b與c)開關組。每一對開關組包括具有與電壓源22正極 聯接的第一接線端的第一開關或電晶體(即"高"開關)40、 42與44，以及具 有與電壓源22負極聯接的第二接線端以及與第一開關40、 42與44的第二接線 端聯接的第一接線端的第二開關(即"低"開關)46、 48與50。
圖4與圖5說明了根據本發明一個實施例中逆變器組件24的逆變器(或電 源)模±央52。逆變器模±央52包括基片54以及基片54上的多個電子器件56。 基片54為大致的長方形，舉例來說，其長度在100到120毫米(mm)之間， 寬度在20到30mm之間，並且厚度(未示出)在1到5mm之間。基片54具有 上表面62以及下表面64，並且在一個實施例中，為直接敷銅(DBC)基片， 按照通常理解，其具有陶瓷芯66 (例如碸土或氮化鋁)以及在該芯體66相對側 (即上下表面62與64)上形成鄉佔結的銅層68。
參照圖4，對上表面62上的銅層68進行蝕亥似形成大致在基片54相對端 部78之間延伸的各種傳導構件(例如母線)70、 72、 74以及76。如圖所示， 直流電接線端80在逆變器模i央52的相對端部78與母線72和76相連接，並且 交流電(AC)接線端82沿著逆變器模塊52兩相對側84中的一側與母線70相 連接。
電子器件56包括分別安裝到母線72與74上的兩排電晶體模(或模)86 與二極體模88。每個電晶體模86都包括具有在其上構成的集成電路的半導體基 片(例如矽基片)，按照通常理解，該集成電路包括一個或多個獨立半導體設備 形式的開關，例如絕緣柵雙極電晶體(IGBTs)。
仍然參照圖4，逆變^li央還包括使得電子器件56與母線70、 72、 74以 及76相互連接的多個引線接合件90。為了清楚地說明，圖4中僅表示出了部分 弓l線接合件90。應該注意到母線72上的模86和88與連接到母線72的直流電接線端80之間的電連接是在模86和88與母線72相連接處(即母線72的裝置 部分)實現的。然而，母線74上的模86和88與連接到母線76的直流電接線 端之間的電連接是M使母線74上的模86和88與母線76的裝置部分92相連 接的引線接合件90而實現的。因此，直流電流入的裝置部分(即部分母線72 與76)位於相應母線72與76的直流電接線端80之間。
換句話說，如果母線72與76視為傳導線或 ，則直流電接線端80連接 到跡線的相對端，且母線的裝置部分連接到該相對端之間的跡線。如圖3所提 示的，直流電接線端80與電池組22電連接(圖1 )，同時交流電接線端82則與 電機30電連接。應該注意到每個電子器件56 (例如第一、第二、第三、第四， 等等)可視為具有母線72或76上的相應^S部分。
圖5說明逆變器模塊52的下表面64。如圖所示，下表面64上的銅層68 僅僅是圍繞其外圍進行t頓U，從而以形成與母線70、 72、 74和76以及模86和 88電隔離的散熱器或冷卻板。雖然並未特別地表示，但是，按照本領域的通常 理解，逆變器模塊52的下表面64可以設置成和冷卻裝置(例如有毛細流體 (wicking fliud)流過的散熱器或冷卻板)相接觸，從而以帶走在運行期間產生 的熱量。
圖6更為詳細地說明了根據本發明的一個實施例的逆變器組件24。逆變器 組件24包括外殼(或電容默卜殼)94和多個逆變器模塊52 (類似於如上所述)、 以及接線端組件96。外殼94外形為大致圓形並且包括直流電輸入端98，多個 直流電導體IOO，以及電機軸開口102。雖然並未詳細地表示，但M流電導體 100將直流電輸入端98與逆變^^莫塊52的直流電接線端80電連接。電機軸開 口 102外形為圓形並且位於外殼94的中央部。外殼94可由複合材料或塑料構 成並且在其中包括一個或多個電容器(未示出)。在一個實施例中，電機30的 軸104 (在一個實施例中與外殼94相鄰近)插AM:外殼94的電機軸開口 102 (圖6)從而與汽車10的變速器匹配(圖l)。
在圖示的實施例中，按照通常理解，逆變器組件24包括安裝於外殼94的 三個逆變^+莫塊52，每一個與電l腿行相位之一相關聯。如圖所示，逆變f^莫 塊圍繞電機軸104以及電機軸開口102 (和/鼢卜殼94)對稱地布置，並且具有 相對電機軸開口 102遠離的交流電接線端82。在圖6所示具有的三個逆變器模 塊52的實施例中，逆變器模塊52是相對於彼此等距離間隔的。也就是說，所有三個逆變器模塊52之間的間距都是相同的。換句話說，所有三個逆變器模塊 52上相對應點(或部分)之間的間距間隔相同的距離。因為所有三個都是大致 相同的，因此至少在所示實施例中，對應點可以在逆變器模塊52上任意選取。 例如，測出逆變器模塊52 (和/或基片54)的中央部112之間的間距106、 108 以及IIO。如圖6所示，所有三個間距106、 108以及110都基本相同。圖6中 所示的對稱也包括軸對稱(例如三重的)，並鵬變器模塊與中心點(例如軸104) 間隔相等距離。雖然未示出，但是也應注意至晦一模塊52的中垂線與另一個模 塊52的中垂線是在中心點相交的。
再參照圖l，在所示實施例中，逆變器24接收並與電動機30共用7賴P劑。 散熱器26可類似鵬接至lj逆變器24和/或電動機30。電子控制系統18體為 與驅動器組件20、電池組22以及逆變器組件24可操作地相連通。雖然未詳細 iA/示出，但是電子控律係統18包括各種傳麟以及汽車控庫鵬塊、或電子控制 器(ECU)(比如逆變，制井莫塊以及車輛控制器)、以及至少一個處理器和/或 存儲器，其上(或在另一電腦可讀媒介中)存儲有指令以用於執行以下所述的 程序以及方法。同時還應理解，電子控制系統18可包括，或整合有，如圖2所 示的部分逆變器組件24，例如控制器36以及調製器38。
在運行期間，參照圖1及圖2，通過內燃機28與電動機30以交替的方式 或者M內燃機28與電動機30同時為車輪16提供動力而使汽車10得以運行。 為了驅動電動機30,在電力被輸送到電動機30之前，從電池組22 (以及燃料 電池汽車中的燃料電池)將直流電提供給將直流電轉換為交流電的逆變器24。 正如本領域技術人員所能理解的，將直流電轉換為交流電基本上是通過以"切 換頻率"(Fsw)(例如12千赫茲(kHz))操作逆變器24內部的電晶體33 (即重 復進t"刀換)來實現的。通常，控帝幡36產生一個脈衝寬度調製(PWM)信 號用以控帝腿變器24的切換動作。在j腿實施例中，控帝'J器36^iM產生具 有與逆變器24的每個切換周期相關聯的單個零向量的非連續PWM (DPWM) 信號。然後逆變器24將PWM信號轉換成調製電壓波形以用以操作電機30。
現在參照圖3與圖4,供糹^變器組件24的直流電^l:流電接線端80處 流入每一逆變器模±央52。然後該電流流向逆變器模塊52的中心，在那裡其被輸 送給各種電子器件56。因此，直流電被供給到電子器件56,或更具體地，從相 反方向被供給到母線72和76的裝置部分92。電流還從連接到母線72的直流電接線端80以類似方式流向母線72的裝置部分。
在流過各種電子器件56並且被轉換為交流電之後，電流從逆變器模塊52 經由交流電接線端82流入母線70，最後流入電機30 (圖l)。
一個優點是所提供的對稱的、可量測的三相基片布置在所有的三個相位上 產生大致相同或相同的寄生效應並且降低了電容耦合。從而，逆變器模塊的布 置改善了可靠性，斷氏了電感，並且增強了可量測性。
圖7示出了根據本發明另一實施例的逆變器模塊52的布置。該布置包括六 個逆變器模塊52 (類似於如上所述的)，並且雖然未示出，但也可類似於如上所 述而安裝於外殼。逆變器模塊52相對於中心點114以類1以六邊形的形狀而對稱 地布置。換句話說，如果將逆變器模±央52看作是包括多對相鄰的逆變掛莫塊(例 如，六對)，那麼每一對(^^f有對)內相鄰逆變器模塊上的對應點(例如，選 取的模116)由相同間距間隔開。在圖7中，間距118到128是在相鄰逆變器模 塊52上的所選模116之間測量的。如圖7所示，所有六個間距118到128都基 本相同。圖6中所示的對稱也包括軸對稱(例如六重的)，並且逆變器模塊與中 心點114間隔相等距離。雖然未示出，但是也應注意到每一，莫塊52的中垂線與 另一個模塊52的中垂線是在中心點114處相交的。
圖8根據本發明更進一步的實施例說明了逆變器模塊52的布置。圖8中所 示的布置類似於圖6所示，並且包括相對於中心點130對稱地布置的三個逆變 器模塊52。然而，在圖8所示的實施例中，逆變器模塊布置為使得交流電接線 端82向內地面向中心點130。雖然未示出，但是模塊52類似於如上所述而安裝 於外殼。
其他的實施例可利用不同於如上所述以及附圖所示的逆變器(或電源)模
塊。逆變器模塊的數量可以改變(例如可使用八個)並且可布置為類似其他不
同多邊形的形狀，比如八邊形。每一個逆變器模±央可對應於電積運行的一個獨
立相位，或者幾個逆變器模塊可並聯連接以共同對應於電豐腿行的單相。
儘管至少一個示例性的實施例已在前面進行了詳細說明，但應當理解為其
可以存在有多種的變化形式。還應當認識到示例性實施例僅僅是示例，而並非 意在從各方面來對本發明的範圍、應用或結構進行限定。相反地，上述詳細說 明將為本領域技術人員提供便利的途徑以用以實施示例性的實施例。應當認識 到在不離開如所附權禾腰求及其法定同等範圍所規定的本發明範圍的情況下可以對功能以及要素的排列作出不同的變化。
權利要求
1、一種功率換流器組件，其包括第一功率模塊；第二功率模塊，所述第二功率模塊聯接到第一功率模塊，使得第二功率模塊與第一功率模塊相間隔第一間距；以及第三功率模塊，所述第三功率模塊聯接到第一和第二功率模塊，使得第三功率模塊與第二功率模塊間隔第二間距並且與第一功率模塊間隔第三間距，所述第一、第二以及第三間距基本相等。
2、 如權禾腰求1中所述的功率換流器組件，其中所述第一、第二以及第三功率模塊中的每一個都包括至少一個電子器件。
3、 如權禾腰求2中所述的功率換流器組件，其中每一個功率模i央都包括使 得各自的至少一個電子器件聯接於其上的基片。
4、 如權利要求3中所述的功率換流器組件，其中每一個功率模塊中的至少 一個電子器件包括電晶體和二極體。
5、 如權利要求1中所述的功率換流器組件，其中所述第一、第二以及第三 功率模塊圍繞中心點對稱布置。
6、 如權利要求5中所述的功率換流器組件，還包括底板，所述第一、第二以及第三功率模塊與底板聯接。
7、 如權利要求6中所述的功率換流器組件，還包括與底板聯接並將第一、 第二以及第三功率模塊相互電連接的多個傳導構件。
8、 如權禾頓求7中所述的組件，其中第二個可拆卸連接結構與第二傳導組 件的第一部分至少在其三個側面上相接觸。
9、 一種汽車逆變器組件，其包括 底板；以及與底板聯接的多個基本相同的逆變器模塊，該多個基本相同的逆變激莫塊 包括多對相鄰逆變器模塊，每一對包括第一和第二逆變器模塊，在每一對中， 第一逆變器模塊上的選取點與第二逆變器模塊上的對應點間隔開一定間距，多 個基本相同的逆變器模塊布置為使得對每一對相鄰逆變器模塊該間距都基本相等。
10、如權利要求9中所述的汽車逆變器組件，其中多個基本相同的逆變器 模塊圍繞中心點對稱布置。
11、如權禾腰求io中所述的汽車逆變器組件，其中多個逆變^^莫塊中的每 一個都包括基片以及與基片聯接的至少一個電子器件。
12、 如權禾腰求ll中所述的汽車逆變器組件，其中至少一個電子器件包括電晶體和二極體。
13、 如權利要求12中所述的汽車逆變器組件，還包括將多個逆變器模i央之 間相互電連接的多個傳導構件。
14、 如權利要求13中所述的汽車逆變器組件，其中多個逆變^+tt央包括三 個逆變器模塊。
15、 如權利要求13中所述的汽車逆變器組件，其中多個逆變掛穀央包括多 於三個的逆變器模塊。
16、 一種汽車驅動系統，其包括 電動機；與電動機聯接的直流電源；與電動機和直流電源聯接的功率逆變器，以接收來自於直流電源的直流功 率並為電動機提供交流功率，該功率逆變器包括 底板；與底板聯接的第一功率模塊；第二功率模塊，其與底板聯接使得第二功率模塊與第一功率模塊間隔 第一間距；和第三功率模塊，其與底板聯接使得第三功率模塊與第二功率模塊間隔 第二間距並且與第一功率模塊間隔第三間距，第一、第二以及第三間距基本相 條和處理器，其可操作以與電動機、直流電源以及功率逆變器通信並設置為對 它們進行控制。
17、 如權禾腰求16中戶腿的汽車驅動系統，其中第一、第二以及第三功率模塊圍繞底板的中心點對稱地布置。
18、 如權利要求17中所述的汽車驅動系統，其中第一、第二以及第三功率模塊中的每一個都包括基片以及與基片聯接的電晶體。
19、 如權利要求18中所述的汽車驅動系統，其中功率逆變器還包括將第一、 第二以及第三功4^莫塊之間相互電連接的多個傳導構件。
20、 權利要求19中的汽車驅動系統，其中底板在其中心點處具有開口並且電動機包括延伸穿過底板的該開口的電機軸。
全文摘要
本發明涉及功率模塊對稱布置的功率換流器組件，具體而言本發明提供了一種功率換流器組件。該功率換流器組件包括第一、第二以及第三功率模塊。第二功率模塊與第一功率模塊聯接使得第二功率模塊與第一功率模塊間隔第一間距。第三功率模塊與第一和第二功率模塊聯接使得第三功率模塊與第二功率模塊間隔第二間距並且與第一功率模塊間隔第三間距。第一、第二以及第三間距大致相等。
文檔編號H05K7/02GK101417602SQ20081021542
公開日2009年4月29日 申請日期2008年7月30日 優先權日2007年7月30日
發明者D·F·內爾森, G·S·史密斯, G·約翰, T·G·沃德 申請人:通用汽車環球科技運作公司