CN101297611B - 用于功率器件的集成的热和电连接系统 - Google Patents

Abstract

本发明所描述的电系统适用于电动车辆或混合车辆。电系统包括电器件，诸如功率晶体管，其联接到导电且导热的汇流条上。电器件的各别节点联接到汇流条上使得汇流条携带电器件所生成的组合信号。汇流条也被热联接到传导传热系统，诸如液体冷却的冷却板。因此，汇流条用作用于电系统的导电导管和基于传导的散热片。

Description

用于功率器件的集成的热和电连接系统

技术领域

本发明大体而言涉及电子系统，且更具体地说，涉及用于功率器件的连接系统，其提供用于器件的电连接和用于传热目的的热连接。

背景技术

诸如高功率晶体管的电功率器件在许多系统中用于许多实际应用。举例说来，这些器件可见于用于电动车辆或混合车辆的直流至直流转换器中。在这种情形中，直流至直流转换器可用于将相对高的直流电池电压(例如，42或300伏)转换为相对低的直流电压(例如，12伏)。在这种示例应用和其它示例应用中，多个功率器件可并联以生成组合的输出信号。在操作中，功率器件可生成大量热。

实际高功率器件通常包括热板或壳体，其被设计成处理该器件所生成的热。翅式散热片(finned heat sink)和/或风扇常常用于经由热对流技术来冷却高功率器件。散热片与风扇的使用在某些应用中可能是不当的，特别是那些具有物理尺寸和/或成本限制的应用中。

因此，需要用于在尺寸上较为紧凑的高功率器件的电系统比常规系统具有更少的部件，提供高功率器件的直接冷却，并且比常规系统具有更低的成本。另外，结合附图和前述技术领域与背景技术，通过下文的发明详述和所附权利要求书，本发明的其它希望的特点和特征将变得显而易见。

简要描述

根据本发明的示例实施例构造的电系统包括用作信号总线的导电且导热的汇流条(bus bar)和热传导散热片用于系统中的电器件。不需要单独的翅式散热片装置用于这样的系统，因此减小了系统的成本、尺寸和复杂性。本发明的上述方面和其它方面在一个形式中可通过电系统来执行，该电系统包括：导电且导热的汇流条，其被构造成用于联接到电器件输入节点或输出节点，该汇流条包括热传导传热表面；连接端口，其位于汇流条上用于互连信号；以及，冷却板，其被热联接到热传导传热表面并且与热传导传热表面电绝缘，该冷却板被构造成提供从汇流条的热传导。

附图简述

将在下文中结合附图来描述本发明，其中类似的标号表示类似的元件，且

图1是根据本发明的示例实施例构造的电系统的前透视图；

图2是图1所示的电系统的后透视图；

图3是图1所示的电系统的俯视图；

图4是如从图3的线4-4所观察的图1所示的电系统的侧视图；

图5是根据本发明的示例实施例构造的电系统的图示；

图6是根据本发明的示例实施例构造的电系统的剖视图；

图7是适用于图1所示电系统的电路板的后视图；以及

图8是图7所示电路板的前视图。

详细描述

下文的具体描述在本质上只是示范性的并且不用于限制本发明或本发明的应用和用途。另外，预期并不受前述技术领域、背景技术、发明概述或下文发明详述中所出现的任何表达的或暗示的理论限制。

为了简要起见，与电功率器件操作、传热、电系统制造、电路板制造和系统的其它功能方面(和系统的各别操作构件)相关的常规技术将不在本文中详细地描述。另外，本文所包括的附图用于表示各种元件之间的示例功能关系和/或物理联接。应注意的是，在实际实施例中可能存在许多替代或额外功能关系或物理连接。

如本文所使用的“节点”表示任何内部或外部参考点、连接点、接合、信号线、传导元件等等，在节点存在给定信号、逻辑电平、电压、数据模式、电流或量。此外，两个或两个以上节点可能通过一个物理元件来实现(且即使在公共模式(common mode)接收或输出，两个或两个以上信号可被多路传输、调制或另外被区分)。

下文的描述提到“节点”或结构件(feature)被“连接”或“联接”在一起。除非另外清楚地表明，如在本文所使用的“连接”表示一个节点/结构件直接连接到另一节点/结构件(或与它直接通信)且未必是机械连接。同样，除非另外清楚地表明，“联接”表示节点/结构件直接或间接地联接到另一节点/结构件(或与它直接或间接地通信)且未必是机械联接。因此，虽然附图描绘了元件的示例布置、但在实际实施例中可存在额外中间元件、器件、结构件或构件(假定系统的功能性不会受到不利的影响)。

图1是根据本发明的示例实施例构造的电系统100的前透视图，图2是电系统100的后透视图，图3是电系统100的俯视图，以及图4是如从图3中的线4-4所观察的电系统100的侧视图。电系统100代表本发明的一个实际实施例，其适用于与用于电动车辆或混合车辆的直流至直流转换器连接。然而，本发明的范围并不限于这样的实际应用，且本发明可以多种不同的实际配置来实施。

电系统100通常包括一个或多个电器件102、联接到电器件102的汇流条104、联接到汇流条104和联接到电器件102的电路板组件106、以及冷却板108(在图1和图2中仅描绘了冷却板108的一部分，传热界面)。汇流条104是导电且导热的并用于携带由电器件102生成的或接收的信号同时还用作传热构件，其提供电器件102与冷却板108之间的热传导。

在这个示例中，电器件102是诸如功率晶体管的功率器件，且电器件102具有用于组合信号的公共节点。换言之，汇流条104所携带的信号可能基于各别电器件102所生成的多个各别信号。虽然并不是本发明的要求，本文所描述的每个电器件102是功率晶体管，其具有源极节点(其用作电源节点)、栅极节点(其用作控制节点)以及漏极节点(当控制节点被偏压“开启”时，实际上所有源极节点电流通过漏极节点传递)。在实际实施例中，每个电器件102包括壳体或包装的传导基体部分，其可用铜或任何适当电与热导体形成。此外，壳体的传导部分被联接到，或另外对应于，用于电器件102的高电流节点。换言之，每个电器件102的传导壳体可用作该电器件102的漏极节点。

使用任何适当技术、构件、机制等保持电器件102靠在汇流条104上。举例说来，电系统100可利用夹钳、弹簧或夹子109，其给予力来保持电器件102与汇流条104接触。或者(或此外)，电器件102可使用安装螺钉或螺栓而紧固到汇流条104上。在实际实施例中，向电器件102和汇流条104的接合处涂覆适当糊剂、化合物或物质以促进有效的导电性和导热性。举例说来，电系统100可利用银基糊剂来用于这个目的。

汇流条104可使用螺栓、螺钉或任何适当紧固器件或技术而联接到冷却板108和/或联接到安装结构上。在这个示例中，使用螺纹紧固件111将汇流条104固定到冷却板108上。汇流条104可包括电绝缘套管、护环和/或垫圈(未图示)，其使螺纹紧固件111与汇流条104绝缘。

汇流条104优选地由具有高导电性和导热性的适当材料形成。举例说来，汇流条104可由铜、铝或其合金等形成。汇流条104包括器件接触表面110，其被联接到电器件102的漏极节点以提供电器件102与汇流条102之间的电与热接口。在所示出的实施例中，器件接触表面110对应于汇流条104的平坦上表面，且器件接触表面110被构造成建立与每个电器件102的输出表面(例如，每个电器件102的外传导壳体的底部平坦安装表面)的电接触。汇流条104还包括热传导传热表面112(参看图4)，其热联接到冷却板108并且与冷却板108电绝缘以提供从汇流条104的热传导。

在操作中，电器件102生成各别高电流信号，在这个示例中，其代表通过组合形成由汇流条104携带的组合电流的电流。汇流条104可包括一个或多个端口114以提供这种组合信号。如在下文中结合图6更详细地描述，端口114可被构造为内螺纹孔，其容纳外螺纹螺栓、管脚(pin)或端子，而外螺纹螺栓、管脚或端子可依次连接到电缆或其它适当电导管。

参看图2，可使用螺钉、螺栓或任何适当紧固技术或机制将电路板组件106联接到汇流条104上。在这个示例中，使用螺纹螺栓115保持电路板组件106靠在汇流条104上，螺纹螺栓115被形成于汇流条104的边缘内的内螺纹孔接纳。如在下文中更具体地描述，螺栓115可能是导电的且被构造成建立汇流条104与形成于电路板组件106上的一个或多个传导迹线之间的电连接。

在这个示例中，汇流条104被联接到电器件102的漏极接点。电系统100还可包括另一汇流条116，其被联接到电器件102的源极接点。汇流条116被安装到电路板组件106上，电路板组件106包括传导迹线(参看图7和图8)。即，可能使用诸如翅式散热片的对流技术来冷却汇流条116。

图5是根据本发明的示例实施例构造的电系统200的图示。可如上文关于电系统100所描述的来实现电系统200。电系统200通常包括至少一个电器件202、汇流条204、电路板组件206和冷却板208(这些构件在上文中结合电系统100描述)。图5示意性地描绘了电器件202与汇流条204之间的电联接210、电器件202与电路板组件206之间的电联接212和汇流条204与电路板组件206之间的电联接214。图5还示意性地描绘了电器件202与汇流条204之间的、汇流条204与电绝缘体216之间的和电绝缘体216与冷却板208之间的热联接(如波形线所示)。电系统100还利用电绝缘体，然而，在图1至4的视图中隐藏了电绝缘体。

图5示意性地示出了与电系统200相关联的电路径和热路径。即，汇流条204用作电器件202的电导体和散热片。由导热材料形成的电绝缘体212联接于汇流条204的热传导传热表面与冷却板208之间。在实际实施例中，电绝缘体212可由以下材料形成：陶瓷填充硅酮材料、诸如

的聚酰亚胺材料、塑料、聚氨酯等。电绝缘体212用于其中冷却板208由导电材料形成的实际使用中；电绝缘体212防止电流泄漏和短路。电绝缘体212的导热性促进从汇流条204到冷却板208的有效传热。在一个实际实施例中，冷却板208是液体冷却的热传导传热子系统的一部分。举例说来，冷却板208可被实现为携带适当冷却剂的腔室或导管的外壁或外表面。电器件202所生成的热通过电绝缘体216传导到汇流条204，到冷却板208并且最后到腔室或导管内的冷却剂。

电路板组件206优选地包括电接口218，当电路板组件206联接到汇流条204时，电接口218形成与汇流条204的电连接。在一个实际实施例中，电接口218被实现为形成于电路板组件206上的导电接口迹线(在下文中结合图7更详细地描述)且当电路板组件206联接到汇流条204时，接口迹线接触汇流条204的边缘。在示例实施例中，每个电器件202包括高电流管脚，且该高电流管脚被联接到电路板组件206上的传导迹线220。传导迹线220优选地被构造成建立电接口218(例如，在电路板组件206上的接口迹线)与各别电器件202的高电流管脚之间的电连接。这种“冗余”连通性被示意地描述于图5中的电路板组件206内。即，由电器件202所生成的大部分电流通过汇流条204流动到系统连接(而不是通过电路板组件206)。

图6是根据本发明的示例实施例所构造的电系统300的剖视图。电系统300与电系统100和电系统200共有多个元件和结构件，且在本文中将不再冗余地描述这些公共的元件和结构件。举例说来，电系统通常包括电器件302、具有器件接触表面310的汇流条304、电路板组件306、冷却板308和电绝缘体312。

电器件302包括对应于其电节点的高电流管脚314(在这个示例中，管脚314表示为功率晶体管的漏极接点)。电器件302的传导壳体的下表面也对应于电器件302的高电流节点。如图6所描绘，保持电器件302靠在接触表面310上使得其传导壳体形成与汇流条304的电连接。虽然在图6中未示出，使用任何适当附接技术或机制将汇流条304附接到冷却板308上。实际上，电绝缘体312位于汇流条304与冷却板308之间以使汇流条304与冷却板308电绝缘。使用任何适当附接技术或机制将电路板组件306附接到汇流条304上。在示例实施例中，电系统300采用螺纹螺栓、螺钉或其它紧固件316，其穿过电路板组件306插入且被直接拧到汇流条304内。

如上文结合电系统100所描述，汇流条304可包括适当地构造的输入/输出端口318来提供输入/输出信号。在这个示例中，输入/输出端口318被实现为形成于汇流条304中的内螺纹孔。螺纹孔被构造成接纳具有外螺纹且导电的螺栓、管脚或端子320。端子320可以适当方式被成形、定尺寸并被选路(routed)以适于具体应用的需要。举例说来，端子320可通过形成于冷却板308(和/或传热子系统)内的孔或导管322馈送以提供在冷却板308下方的电接入。实际上，使插入于孔322内的套管324电绝缘可使端子320与可能导电的冷却板308绝缘。

如上文所述，用于电系统的电路板组件提供用于电系统中电器件的电路径。在本文所描述的示例实施例中，每个电器件具有三个管脚(用于源极、栅极和漏极)，且每个管脚电联接到形成于电路板组件上的蚀刻迹线。在这点上，图7是适用于电系统100的电路板组件400的后视图，且图8是电路板组件400的前视图。电路板组件400已被简化以仅示出与本文所述的本发明的示例实施例相关的结构件和元件。实际上，电路板组件400将包括对于本描述的目的不重要的额外的传导迹线、构件和特征。

电路板组件400的后侧402通常包括形成于其上的导电迹线404和导电源极迹线406。每个传导源极迹线406从各别源极管脚插座408到各别源极汇流条插座410选路。参看图1，源极汇流条插座410被适当地构造并设置以容纳源极汇流条116的尖头或接片(tab)使得源极汇流条116可被焊接或结合到传导源极迹线406

电路板组件400的前侧412通常包括传导接口迹线414。如上文所述，当电路板组件400被保持靠在汇流条的边缘上时接口迹线形成与汇流条的电连接。在这点上，接口迹线414可将漏极管脚插座416连接在一起用作公共节点。在示例实施例中，漏极管脚插座416为穿过电路板组件400的板所形成的孔，且电器件的漏极管脚穿过漏极管脚插座416插入并且被焊接到或结合到包围漏极管脚插座416的迹线414的部分上。传导迹线414提供用于电器件的并行连接(除了汇流条连接之外)且传导迹线414无需提供到电路板组件400的其它元件或构件上的传导路径。

此外，可使用形成于电路板组件400的板内的传导通道将传导迹线414和接口迹线404联接在一起，或通过导电螺栓或紧固件来将传导迹线414和接口迹线404联接在一起，导电螺栓或紧固件还用于将电路板组件400附接到汇流条上(参看图2和图6)。在这点上，电路板组件400可包括形成于其内的多个安装孔418，其中安装孔418位于靠近传导迹线414和接口迹线404处或被传导迹线414和接口迹线404包围。这种并行连接设置确保汇流条、接口迹线404、传导迹线414、电器件的高电流管脚(例如，漏极管脚)和电器件的高电流节点(例如，电器件的传导壳体或包装)代表用于电系统的公共节点。

虽然在前文的详细描述中展示了至少一个示范性实施例，但应了解还存在很多种变型。还应了解该或该等示范性实施例只是示例，且决不用以任何方式限制本发明的范围、适用性或配置。相反，前述具体描述将向本领域技术人员提供实施该或该等示范性实施例的方便途径。应了解在不背离所附权利要求书和其法律等同技术所陈述的本发明的范围的情况下，可以对元件的功能和设置做出各种变化。

Claims (16)

1.一种电系统，包括：

导电且导热的汇流条，其被构造成用于联接到电器件高电流节点，所述汇流条包括热传导传热表面；

用于信号的连接端口，其位于所述汇流条上；

冷却板，其热联接到所述热传导传热表面并且与所述热传导传热表面电绝缘，所述冷却板被构造成提供从所述汇流条的热传导；以及

具有电接口的电路板组件，所述电路板组件联接到所述汇流条使得所述电接口形成与所述汇流条的电连接。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括电绝缘体，所述电绝缘体联接于所述热传导传热表面与所述冷却板之间，所述电绝缘体是导热的。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述冷却板是被液体冷却的。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述汇流条包括器件接触表面，所述器件接触表面被构造成建立与电器件输出表面的电接触。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电路板组件联接到所述汇流条使得所述电接口接触所述汇流条的边缘。

6.一种电系统，其包括：

电器件，其具有用于信号的节点；

导电且导热的汇流条，其具有器件接触表面与热传导传热表面，所述器件接触表面联接到所述电器件的所述节点；

冷却板，其热联接到所述热传导传热表面并且与所述热传导传热表面电绝缘，所述冷却板被构造成提供从所述汇流条的热传导；以及

电路板组件，所述电路板组件上形成有导电接口迹线，所述电路板组件联接到所述汇流条使得所述接口迹线形成与所述汇流条的电连接。

7.根据权利要求6所述的电系统，其特征在于，所述汇流条还包括用于提供所述信号的连接端口。

8.根据权利要求6所述的电系统，其特征在于，还包括电绝缘体，所述电绝缘体联接于所述热传导传热表面与所述冷却板之间，所电绝缘体是导热的。

9.根据权利要求6所述的电系统，其特征在于，所述器件接触表面被构造成建立与所述电器件的传导壳体的电接触，所述传导壳体对应于所述节点。

10.根据权利要求6所述的电系统，其特征在于，所述电路板组件联接到所述汇流条使得所述接口迹线接触所述汇流条的边缘。

11.根据权利要求6所述的电系统，其特征在于：

所述电器件包括联接到所述节点的管脚；以及

所述电路板组件包括传导迹线，用于建立所述接口迹线与所述管脚之间的电连接。

12.根据权利要求6所述的电系统，其特征在于，所述电器件包括功率晶体管。

13.一种电系统，包括：

第一电器件，其具有用于第一信号的第一节点；

第二电器件，其具有用于第二信号的第二节点；

导电且导热的汇流条，其具有器件接触表面与热传导传热表面，所述器件接触表面联接到所述第一节点并且联接到所述第二节点，所述汇流条被构造成携带基于所述第一信号与所述第二信号的组合信号；

冷却板，其热联接到所述热传导传热表面并且与所述热传导传热表面电绝缘，所述冷却板被构造成提供从所述汇流条的热传导；以及

电路板组件，所述电路板组件具有形成于其上的导电接口迹线，所述电路板组件联接到所述汇流条使得所述接口迹线形成与所述汇流条的电连接。

14.根据权利要求13所述的电系统，其特征在于，还包括电绝缘体，所述电绝缘体联接于所述热传导传热表面与所述冷却板之间，所述电绝缘体是导热的。

15.根据权利要求13所述的电系统，其特征在于，所述器件接触表面被构造成建立与所述第一电器件的第一传导壳体和与所述第二电器件的第二传导壳体的电接触，所述第一传导壳体对应于所述第一节点，且所述第二传导壳体对应于所述第二节点。

16.根据权利要求13所述的电系统，其特征在于：

所述第一电器件包括联接到所述第一节点的第一管脚；

所述第二电器件包括联接到所述第二节点的第二管脚；以及

所述电路板组件包括传导迹线用于建立所述接口迹线、所述第一管脚与所述第二管脚之间的电连接。

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