CN101417602B - 功率模块对称布置的功率换流器组件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及功率模块对称布置的功率换流器组件，具体而言本发明提供了一种功率换流器组件。该功率换流器组件包括第一、第二以及第三功率模块。第二功率模块与第一功率模块联接使得第二功率模块与第一功率模块间隔第一间距。第三功率模块与第一和第二功率模块联接使得第三功率模块与第二功率模块间隔第二间距并且与第一功率模块间隔第三间距。第一、第二以及第三间距大致相等。

Description

功率模块对称布置的功率换流器组件
相关申请的交叉引用
本申请要求于2007年7月30提交的编号60/952,765的美国临时专利申请的权益(其全部内容在此引入作为参考)。
技术领域
本发明总体上涉及功率换流器，并且更具体地涉及一种在功率换流器内部的功率模块呈对称布置的汽车功率换流器。
背景技术
近年来，技术上的进步以及在风格方面不断发展的品位，使得汽车设计已经发生了本质的变化。变化之一涉及到汽车内部电力系统的复杂性，尤其是代用燃料车辆，例如混合动力、电力、以及燃料电池车辆。这样的代用燃料车辆典型地使用一台或多台电动机，可能与另一个致动器相结合，来驱动车轮。另外，这样的汽车可能还包括其他的电机，以及其他高压组件，来运行汽车内部的各种其他系统，例如空调机。
由于代用燃料汽车一般仅包括直流(DC)电源供给，因此要设置直流-交流(DC/AC)逆变器(或功率逆变器)以将直流电转换为电机通常所需的交流电(AC)。这样的车辆，尤其是燃料电池车辆，也经常使用两个分离的电压源，比如电池组以及燃料电池，来给驱动车轮的电动机提供动力。因此，功率换流器，比如直流-交流(DC/DC)换流器，典型地也设置来用以管理和传递来自两个电压源的电力。
大功率密度逆变器经常使用液体冷却，其中附接于基片和/或底板上的开关安装在液冷散热器上。传统的三相逆变器由三个半桥或引脚制成。用于汽车中的牵引力使得很难将三个半桥装配到单个基片上。另外，将所有的开关都设于单个基片之上会面临将大基片附接于底板或散热器上的挑战，因为其会对逆变器的热性能以及可靠性产生负面影响。因此，将半桥装配于单独的的基片上，然后将其用或不用底板进行封装以形成三相(例如相A、B及C)逆变器。
一般地，在A相和B相之间的电容耦合与在B相和C相之间的耦合或者在C和A之间的耦合是不相同的，反之亦然。从开关到直流传输线电容器以及交流输出端的母线长度也并非对于所有的相位都是一样的，因此这导致了三相的不等寄生电感以及阻抗。三相中的不等寄生效应导致了三个基片上损失的不平均分配，并对逆变器的长期可靠性产生负面影响。另外，如果对电流的需求发生改变，则可能会需要将更多的开关添加到基片上。而且，如果需要双逆变器，那么可能会要求封装上的改变，导致逆变器占地面积、体积及成本都增加。
因此，需要提供具有与上述特性有关的改进性能的同时能够允许先进热管理的一种逆变器布置。此外，本发明的其他理想特征和特性将通过下面结合附图以及上述的技术领域与背景所进行的描述而得到清楚的展现。
发明内容
提供了一种功率换流器。该功率换流器组件包括第一、第二以及第三功率模块。第二功率模块与第一功率模块联接，这样第二功率模块与第一功率模块间隔第一间距。第三功率模块与第一和第二功率模块联接，这样第三功率模块与第二功率模块间隔第二间距并且与第一功率模块间隔第三间距。第一、第二以及第三间距大致相等。
提供了一种汽车逆变器组件。汽车逆变器组件包括底板以及与底板联接的多个大致相同的逆变器模块。该多个大致相同的逆变器模块包括多对相邻逆变器模块。每一对都包括第一和第二逆变器模块。在每一对中，第一逆变器模块的选取点与第二逆变器模块上的对应点间隔开一定间距。多个大致相同的逆变器模块布置为使得每一对相邻逆变器模块的间距都基本相等。
提供了一种汽车驱动系统。汽车驱动系统包括电动机，直流(DC)电源，电源逆变器，以及处理器。直流电源与电动机联接。逆变器与电动机和直流电源联接，从而接收来自于直流电源的直流电并为电动机提供交流(AC)电。所述逆变器包括底板；与底板联接的第一功率模块；与底板联接的第二功率模块，其与第一功率模块间隔第一间距；以及与底板联接的第三功率模块，其与第二功率模块间隔第二间距并且与第一功率模块间隔第三间距。第一、第二以及第三间距大致相等。处理器设置为对电动机、直流电源以及逆变器进行控制并且可操作地与它们相连通。
附图说明
下面将结合后面的附图对本发明进行说明，其中相同的标记表示相同的元件，并且
图1为根据本发明一个实施例的示例性汽车示意图；
图2为图1中汽车上的电压源逆变器系统的框图；
图3为图1中汽车上的逆变器示意图；
图4为图3中根据本发明一个实施例的逆变器内的逆变器模块的上表面的俯视图；
图5为图4中逆变器模块的下表面透视图；
图6为根据本发明一个实施例的逆变器组件俯视图；以及
图7和图8为根据本发明不同实施例的逆变器模块布置的俯视图。
实施例说明
以下详细说明实际上仅仅是示例性的，并非是意在限定本发明或本发明的应用和使用。此外，也并非意在通过前述的技术领域、背景技术、以及发明内容或下述的详细说明中的任何明示或暗示理论而对本发明进行约束。
以下描述将提到“连接”或“联接”在一起的元件或特征。正如这里所使用的，“连接”指的是一元件/特征机械地接合于(或直接地相连于)另一元件/特征，而并非必须直接地。同样地，“联接”指的是一元件/特征直接或间接地接合于(或直接或间接地相连于)另一元件/特征，而并非必须机械地。然而，应当明白虽然两个元件可照下面所述，在一个实施例中，被“连接”，但是在另一个实施例中类似元件则可称为被“联接”，反之亦然。因此，虽然此处所示的示意图表示出元件的布置示例，但其他加装的元件、装置、特征或组件都可存在于实际实施例中。
此外，不同的组件及特征在此可使用特定的数字描述词，例如第一、第二、第三等等，以及位置和/或角度描述词，例如水平及垂直来进行表述。然而，这样的描述词仅仅用于对附图的描述目的，而并不能看作是限制，因为不同的组件在其他实施例中可以重新布置。同时也应该理解图1至8仅仅是说明性质的而并非是按实际比例绘制的。
图1到图8图示功率换流器。在一个实施例中，功率换流器组件包括第一、第二以及第三功率模块。第二功率模块与第一功率模块联接，这样第二功率模块与第一功率模块间隔第一间距。第三功率模块与第一和第二功率模块联接，这样第三功率模块与第二功率模块间隔第二间距并且与第一功率模块相间隔第三间距。所述第一、第二以及第三间距大致相等。
图1表示根据本发明的一个实施例的车辆(或者“汽车”)10。汽车10包括底盘12，车身14，四个车轮16，以及电子控制系统18。车身14布置在底盘12上并且大致包围着汽车10的其他部件。车身14与底盘12可共同地构成车架。每个车轮16都在车身14相应边角处联接到底盘12上。
汽车10可以是各种不同类型汽车中的任意一种，例如轿车、货车、卡车或运动型多功能车(SUV)，并且可以是两轮驱动(2WD)(即后轮驱动或者前轮驱动)、四轮驱动(4WD)、或者全轮驱动(AWD)。汽车10还可包含各种不同类型发动机中的任意一种或其组合，例如以汽油或柴油为燃料的内燃机、“灵活燃料车辆”(FFV)发动机(即使用汽油与酒精的混合物)、气体化合物(例如氢和/或天然气)燃料发动机、燃烧/电动混合发动机以及电动机。
在图1所示的实施例中，汽车10是混合车辆，并且还包括促动器组件20、电池组(或直流(DC)电源)22、功率逆变器组件(或逆变器)24以及散热器26。促动器组件20包括内燃机28以及电动机/发电机(或电机)30。本领域技术人员可以理解，电动机30在其中包括变速器，并且虽未示出但也包括定子组件(包括传导线圈)、转子组件(包括铁磁芯)以及冷却液(即冷却剂)。按照通常所理解的，电动机30内部的定子组件和/或转子组件可包括多个电磁极(例如十六个极)。
仍然参照图1，在一个实施例中，内燃机28与电动机30集成一体从而通过一根或多根传动轴32使两者机械地与至少部分车轮16相联接。在其外部与车架相连接，并且虽然未详细说明，但在其中包括多条冷却流道，其中容纳有例如水和/或乙二醇(即“防冻剂”)的冷却液(即冷却剂)，并且散热器26与发动机28和逆变器24联接。
参照图2，在根据本发明的实施例中表示出了电压源逆变器系统(或电力驱动系统)34。电压源逆变器系统34包括与调制器38输出端联接的控制器36，其中调制器38继而具有与逆变器24的第一输出端相连接的输入端。控制器36具有与逆变器24的输入端联接的输出端，其中逆变器24具有与电机30联接的第二输出端。控制器36以及调制器38可与图1所示的电子控制系统18集成一体。
图3对图1和图2中的逆变器24(或功率换流器)进行了更详细的示意性说明。逆变器24包括与电机30联接的三相电路。更具体地说，逆变器24包括具有与电压源Vdc(例如电池组22)联接的第一输入端以及与电机30联接的输出端的开关网络。虽然示出的是单个电压源，但是也可以使用与两组电源相连接的分布式直流电。
开关网络包括具有反并联二极管(即反并联到每个开关)的对应于电机30每一相位的三对(a、b与c)开关组。每一对开关组包括具有与电压源22正极联接的第一接线端的第一开关或晶体管(即“高”开关)40、42与44，以及具有与电压源22负极联接的第二接线端以及与第一开关40、42与44的第二接线端联接的第一接线端的第二开关(即“低”开关)46、48与50。
图4与图5说明了根据本发明一个实施例中逆变器组件24的逆变器(或电源)模块52。逆变器模块52包括基片54以及基片54上的多个电子器件56。基片54为大致的长方形，举例来说，其长度在100到120毫米(mm)之间，宽度在20到30mm之间，并且厚度(未示出)在1到5mm之间。基片54具有上表面62以及下表面64，并且在一个实施例中，为直接敷铜(DBC)基片，按照通常理解，其具有陶瓷芯66(例如矾土或氮化铝)以及在该芯体66相对侧(即上下表面62与64)上形成或粘结的铜层68。
参照图4，对上表面62上的铜层68进行蚀刻以形成大致在基片54相对端部78之间延伸的各种传导构件(例如母线)70、72、74以及76。如图所示，直流电接线端80在逆变器模块52的相对端部78与母线72和76相连接，并且交流电(AC)接线端82沿着逆变器模块52两相对侧84中的一侧与母线70相连接。
电子器件56包括分别安装到母线72与74上的两排晶体管模(或模)86与二极管模88。每个晶体管模86都包括具有在其上构成的集成电路的半导体基片(例如硅基片)，按照通常理解，该集成电路包括一个或多个独立半导体设备形式的开关，例如绝缘栅双极晶体管(IGBTs)。
仍然参照图4，逆变器模块还包括使得电子器件56与母线70、72、74以及76相互连接的多个引线接合件90。为了清楚地说明，图4中仅表示出了部分引线接合件90。应该注意到母线72上的模86和88与连接到母线72的直流电接线端80之间的电连接是在模86和88与母线72相连接处(即母线72的装置部分)实现的。然而，母线74上的模86和88与连接到母线76的直流电接线端之间的电连接是通过使母线74上的模86和88与母线76的装置部分92相连接的引线接合件90而实现的。因此，直流电流入的装置部分(即部分母线72与76)位于相应母线72与76的直流电接线端80之间。
换句话说，如果母线72与76视为传导线或迹线，则直流电接线端80连接到迹线的相对端，且母线的装置部分连接到该相对端之间的迹线。如图3所提示的，直流电接线端80与电池组22电连接(图1)，同时交流电接线端82则与电机30电连接。应该注意到每个电子器件56(例如第一、第二、第三、第四，等等)可视为具有母线72或76上的相应装置部分。
图5说明逆变器模块52的下表面64。如图所示，下表面64上的铜层68仅仅是围绕其外围进行蚀刻，从而以形成与母线70、72、74和76以及模86和88电隔离的散热器或冷却板。虽然并未特别地表示，但是，按照本领域的通常理解，逆变器模块52的下表面64可以设置成和冷却装置(例如有毛细流体(wicking fliud)流过的散热器或冷却板)相接触，从而以带走在运行期间产生的热量。
图6更为详细地说明了根据本发明的一个实施例的逆变器组件24。逆变器组件24包括外壳(或电容器外壳)94和多个逆变器模块52(类似于如上所述)、以及接线端组件96。外壳94外形为大致圆形并且包括直流电输入端98，多个直流电导体100，以及电机轴开口102。虽然并未详细地表示，但是直流电导体100将直流电输入端98与逆变器模块52的直流电接线端80电连接。电机轴开口102外形为圆形并且位于外壳94的中央部。外壳94可由复合材料或塑料构成并且在其中包括一个或多个电容器(未示出)。在一个实施例中，电机30的轴104(在一个实施例中与外壳94相邻近)插入通过外壳94的电机轴开口102(图6)从而与汽车10的变速器匹配(图1)。
在图示的实施例中，按照通常理解，逆变器组件24包括安装于外壳94的三个逆变器模块52，每一个与电机运行相位之一相关联。如图所示，逆变器模块围绕电机轴104以及电机轴开口102(和/或外壳94)对称地布置，并且具有相对电机轴开口102远离的交流电接线端82。在图6所示具有的三个逆变器模块52的实施例中，逆变器模块52是相对于彼此等距离间隔的。也就是说，所有三个逆变器模块52之间的间距都是相同的。换句话说，所有三个逆变器模块52上相对应点(或部分)之间的间距间隔相同的距离。因为所有三个都是大致相同的，因此至少在所示实施例中，对应点可以在逆变器模块52上任意选取。例如，测出逆变器模块52(和/或基片54)的中央部112之间的间距106、108以及110。如图6所示，所有三个间距106、108以及110都基本相同。图6中所示的对称也包括轴对称(例如三重的)，并且逆变器模块与中心点(例如轴104)间隔相等距离。虽然未示出，但是也应注意到每一模块52的中垂线与另一个模块52的中垂线是在中心点相交的。
再参照图1，在所示实施例中，逆变器24接收并与电动机30共用冷却剂。散热器26可类似地连接到逆变器24和/或电动机30。电子控制系统18设置为与驱动器组件20、电池组22以及逆变器组件24可操作地相连通。虽然未详细地示出，但是电子控制系统18包括各种传感器以及汽车控制模块、或电子控制器(ECU)(比如逆变器控制模块以及车辆控制器)、以及至少一个处理器和/或存储器，其上(或在另一电脑可读媒介中)存储有指令以用于执行以下所述的程序以及方法。同时还应理解，电子控制系统18可包括，或整合有，如图2所示的部分逆变器组件24，例如控制器36以及调制器38。
在运行期间，参照图1及图2，通过内燃机28与电动机30以交替的方式或者通过内燃机28与电动机30同时为车轮16提供动力而使汽车10得以运行。为了驱动电动机30，在电力被输送到电动机30之前，从电池组22(以及燃料电池汽车中的燃料电池)将直流电提供给将直流电转换为交流电的逆变器24。正如本领域技术人员所能理解的，将直流电转换为交流电基本上是通过以“切换频率”(FSW)(例如12千赫兹(kHz))操作逆变器24内部的晶体管33(即重复进行切换)来实现的。通常，控制器36产生一个脉冲宽度调制(PWM)信号用以控制逆变器24的切换动作。在优选实施例中，控制器36优选地产生具有与逆变器24的每个切换周期相关联的单个零向量的非连续PWM(DPWM)信号。然后逆变器24将PWM信号转换成调制电压波形以用以操作电机30。
现在参照图3与图4，供给逆变器组件24的直流电在直流电接线端80处流入每一逆变器模块52。然后该电流流向逆变器模块52的中心，在那里其被输送给各种电子器件56。因此，直流电被供给到电子器件56，或更具体地，从相反方向被供给到母线72和76的装置部分92。电流还从连接到母线72的直流电接线端80以类似方式流向母线72的装置部分。
在流过各种电子器件56并且被转换为交流电之后，电流从逆变器模块52经由交流电接线端82流入母线70，最后流入电机30(图1)。
一个优点是所提供的对称的、可量测的三相基片布置在所有的三个相位上产生大致相同或相同的寄生效应并且降低了电容耦合。从而，逆变器模块的布置改善了可靠性，降低了电感，并且增强了可量测性。
图7示出了根据本发明另一实施例的逆变器模块52的布置。该布置包括六个逆变器模块52(类似于如上所述的)，并且虽然未示出，但也可类似于如上所述而安装于外壳。逆变器模块52相对于中心点114以类似六边形的形状而对称地布置。换句话说，如果将逆变器模块52看作是包括多对相邻的逆变器模块(例如，六对)，那么每一对(或所有对)内相邻逆变器模块上的对应点(例如，选取的模116)由相同间距间隔开。在图7中，间距118到128是在相邻逆变器模块52上的所选模116之间测量的。如图7所示，所有六个间距118到128都基本相同。图6中所示的对称也包括轴对称(例如六重的)，并且逆变器模块与中心点114间隔相等距离。虽然未示出，但是也应注意到每一模块52的中垂线与另一个模块52的中垂线是在中心点114处相交的。
图8根据本发明更进一步的实施例说明了逆变器模块52的布置。图8中所示的布置类似于图6所示，并且包括相对于中心点130对称地布置的三个逆变器模块52。然而，在图8所示的实施例中，逆变器模块布置为使得交流电接线端82向内地面向中心点130。虽然未示出，但是模块52类似于如上所述而安装于外壳。
其他的实施例可利用不同于如上所述以及附图所示的逆变器(或电源)模块。逆变器模块的数量可以改变(例如可使用八个)并且可布置为类似其他不同多边形的形状，比如八边形。每一个逆变器模块可对应于电机运行的一个独立相位，或者几个逆变器模块可并联连接以共同对应于电机运行的单相。
尽管至少一个示例性的实施例已在前面进行了详细说明，但应当理解为其可以存在有多种的变化形式。还应当认识到示例性实施例仅仅是示例，而并非意在从各方面来对本发明的范围、应用或结构进行限定。相反地，上述详细说明将为本领域技术人员提供便利的途径以用以实施示例性的实施例。应当认识到在不离开如所附权利要求及其法定同等范围所规定的本发明范围的情况下可以对功能以及要素的排列作出不同的变化。

Claims (15)

1.一种功率换流器组件，其包括：
第一功率模块；
第二功率模块，所述第二功率模块联接到第一功率模块，使得第二功率模块与第一功率模块相间隔第一间距；
第三功率模块，所述第三功率模块联接到第一和第二功率模块，使得第三功率模块与第二功率模块间隔第二间距并且与第一功率模块间隔第三间距，所述第一、第二以及第三间距相等；
第四、第五和第六功率模块，所述第四、第五和第六功率模块联接到所述第一、第二和第三功率模块，其中所述第一、第二、第三、第四、第五和第六功率模块形成六对相邻的功率模块，并且其中所述六对相邻的功率模块旋转对称并且距离中心点等距。
2.如权利要求1中所述的功率换流器组件，其中所述第一、第二以及第三功率模块中的每一个都包括至少一个电子器件。
3.如权利要求2中所述的功率换流器组件，其中所述第一、第二、第三、第四、第五和第六功率模块中的每一个功率模块都包括使得各自的至少一个电子器件联接于其上的基片。
4.如权利要求3中所述的功率换流器组件，其中所述第一、第二、第三、第四、第五和第六功率模块中的每一个功率模块中的至少一个电子器件包括晶体管和二极管。
5.如权利要求1中所述的功率换流器组件，还包括底板，所述第一、第二以及第三功率模块与底板联接。
6.如权利要求5中所述的功率换流器组件，还包括与底板联接并将第一、第二以及第三功率模块相互电连接的多个传导构件。
7.一种汽车逆变器组件，其包括：
底板；以及
与底板联接的多个相同的逆变器模块，该多个相同的逆变器模块包括多对相邻逆变器模块，每一对包括第一和第二逆变器模块，在每一对中，第一逆变器模块上的选取点与第二逆变器模块上的对应点间隔开一定间距，多个相同的逆变器模块布置为使得对每一对相邻逆变器模块该间距都相等，其中所述多对相邻逆变器模块包括至少六对相邻逆变器模块，并且其中所述至少六对相邻逆变器模块旋转对称并且距离中心点等距。
8.如权利要求7中所述的汽车逆变器组件，其中多个相同的逆变器模块中的每一个都包括基片以及与基片联接的至少一个电子器件。
9.如权利要求8中所述的汽车逆变器组件，其中至少一个电子器件包括晶体管和二极管。
10.如权利要求9中所述的汽车逆变器组件，还包括将多个相同的逆变器模块之间相互电连接的多个传导构件。
11.如权利要求10中所述的汽车逆变器组件，其中多个相同的逆变器模块包括六个逆变器模块。
12.一种汽车驱动系统，其包括：
电动机；
与电动机联接的直流电源；
与电动机和直流电源联接的功率逆变器，以接收来自于直流电源的直流功率并为电动机提供交流功率，该功率逆变器包括：
底板；
与底板联接的多个相同的逆变器模块，该多个相同的逆变器模块包括多对相邻逆变器模块，每一对包括第一和第二逆变器模块，在每一对中，第一逆变器模块上的选取点与第二逆变器模块上的对应点间隔开一定间距，多个相同的逆变器模块布置为使得对每一对相邻逆变器模块该间距都相等，其中所述多对相邻逆变器模块包括至少六对相邻逆变器模块，并且其中所述至少六对相邻逆变器模块旋转对称并且距离中心点等距；和
处理器，其可操作以与电动机、直流电源以及功率逆变器通信并设置为对它们进行控制。
13.如权利要求12中所述的汽车驱动系统，其中所述多个相同的逆变器模块中的每一个都包括基片以及与基片联接的晶体管。
14.如权利要求13中所述的汽车驱动系统，其中功率逆变器还包括将所述多个相同的逆变器模块之间相互电连接的多个传导构件。
15.如权利要求14中所述的汽车驱动系统，其中底板在其中心点处具有开口并且电动机包括延伸穿过底板的该开口的电机轴。
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