CN102882403A

CN102882403A - 一种逆变器电路及其结构

Info

Publication number: CN102882403A
Application number: CN2012103798048A
Authority: CN
Inventors: 杜承润
Original assignee: Tianjin Santroll Electric Automobile Technology Co Ltd
Current assignee: Tianjin Santroll Electric Automobile Technology Co Ltd
Priority date: 2012-10-09
Filing date: 2012-10-09
Publication date: 2013-01-16

Abstract

本发明公布了一种逆变器电路及其结构，包括PCB板，导热绝缘材料，散热座，卡簧。PCB板上具有由晶体管构成的三路电路，晶体管为MOSFET晶体管或IGBT晶体管；每一路电路由多个晶体管单元并联构成，每个晶体管单元包括两个MOSFET晶体管，或两个IGBT晶体管；散热座上从具有4个矩形凸起，4个矩形凸起平行排列并隔挡形成3个空间，固定在PCB板上的晶体管也同时位于4个矩形凸起所隔挡形成的3个空间中，晶体管对称贴附于矩形凸起的侧面，之间有散热材料；卡簧两端紧压矩形凸起的侧面上的晶体管。针对传统逆变器成本高、易虚焊、导热性差的缺陷，设计出一种成本低廉、通用性好、电气性能和导热效果良好的方案。

Description

一种逆变器电路及其结构

技术领域

本发明涉及交直流转换技术领域，特别涉及一种三相逆变全桥并联的逆变器电路及其结构。

背景技术

随着电力电子、电机控制技术的发展，三相电机控制器在机电一体化、工业传动、机器人、新能源汽车、电动场地车等许多领域得到了广泛应用，尤其近年来的新能源汽车用电机控制器，其控制电机的类型也是多种多样，而对于电机供电离不开核心的功率逆变全桥部分，功率逆变部分承担着重要角色，并要承受近600A的大电流。

针对上述情况全世界的半导体厂家及功率器件厂家推出了各种各样的应对方案，目前主要的成熟方案就是功率晶体管模块，一种铝基板上贴装管芯，后通过绑定线引到端子上的封装工艺，还有一种形式是在双层电路铝基板上贴装分立的功率晶体管。

下面就目前的现有技术存在的缺陷及问题列举说明：

功率模块方案：

1.模块价格高，同等容量的模块的价格是分立晶体管价格的近2～4倍。

2.设计不灵活，结构和参数受所选模块限制。

3.可替换性差，性能稳定的模块厂家基本被国外垄断，且封装不统一，带来采购风险。

4.驱动设计的匹配调节受限，很难看到管芯的驱动波形，给具体应用带来设计风险。

双层电路铝基板贴装分立方案：

1.成本较高，双层电路铝基板工艺较复杂，因此成本是单层电路铝基板的约2倍，并且这部分成本是额外增加的。

2.质量控制难，由于双层电路铝基板的工艺复杂性，容易造成一致性差、翘曲、分层等现象。

3.焊接易虚焊，由于功率晶体管是通过SMT技术表贴在铝基板上的，由于双层电路铝基板的镀锡面的平整性并非理想，加之焊接面较大等因素，晶体管底部容易存在气穴，一旦有气穴曾在，散热和导电将受到严重影响，如通过X射线筛查，设备投入又将是不小的数目。

4.导热性能差，由于功率晶体管的散热面到散热器之间的物质依次有焊锡、顶层铜箔、导热绝缘填充材料、底层铜箔、导热绝缘填充材料、铝基、导热材料、最后到散热器上，相当于串联了7种热阻体，并且分布不一定均匀，使导热系数大打折扣。

由此可以看出，目前市场上的逆变器技术需要进行改进。

发明内容

本发明的目的是提供一种成本低廉、设计灵活、通用性好、质量控制容易、电气性能和导热效果良好逆变器电路及其结构。

本发明是采取以下技术方案实现的：

包括晶体管，三相交流电的U、V、W接口、直流电的B+、B-接口，逆变器电路具有由晶体管构成的三路电路，晶体管为MOSFET晶体管或IGBT晶体管；每一路电路由多个晶体管单元并联构成，每个晶体管单元包括两个MOSFET晶体管，或两个IGBT晶体管；当为MOSFET晶体管时，一个晶体管的漏极和另一个晶体管的源极相连形成晶体管单元，晶体管单元剩余的漏极接B+接口，剩余的源极接地，三路电路中的各晶体管单元中相连的漏极和源极的公共结点相连接形成公共结点并分别连接至U、V、W接口；当为IGBT晶体管时，一个晶体管的集电极和另一个晶体管的发射极相连形成晶体管单元，晶体管单元剩余的集电极接B+接口，剩余的发射极接地，三路电路中的各晶体管单元中相连的发射极和集电极的公共结点相连接形成公共结点并分别连接至U、V、W接口；B-接口接地。

三路电路中或者均为MOSFET晶体管，或者均为IGBT晶体管，各晶体管的参数及性能一致，三路电路的各路电路所包含的晶体管单元的数量相同。

U、V、W接口为输出接口时，B+、B-接口为输入接口，B+、B-接口接入直流电，U、V、W接口输出三相交流电；U、V、W接口为输如接口时，B+、B-接口为输出接口，U、V、W接口接入三相交流电，B+、B-接口输出直流电。

三路电路中的晶体管，当为MOSFET晶体管时，每一路电路中源极接地的晶体管的栅极耦合形成节点，每一路电路中漏极接B+接口的晶体管的栅极耦合形成节点，三路电路共形成6个节点，6个节点分别与控制电路相连接，控制电路配置各个晶体管处于开关状态，并控制各个晶体管的工作方式；当为IGBT晶体管时，每一路电路中发射极接地的晶体管的栅极耦合形成节点，每一路电路中集电极接B+接口的晶体管的栅极耦合形成节点，三路电路共形成6个节点，6个节点分别与控制电路相连接，控制电路配置各个晶体管处于开关状态，并控制各个晶体管的工作方式。

在B+接口与地之间具有直流母线电容，起到平滑电压的作用。

一种逆变器结构，包括散热座，卡簧，具有上文所述的逆变器电路的PCB板，散热材料，散热座上从具有4个矩形凸起，4个矩形凸起平行排列并隔挡形成3个空间，固定在PCB板上的晶体管也同时位于4个矩形凸起所隔挡形成的3个空间中，而对于每一个空间，晶体管对称贴附于空间两侧矩形凸起的侧面，晶体管与矩形凸起的侧面之间有散热材料；卡簧位于矩形凸起所隔挡形成的空间中，卡簧两端紧压贴附于空间两侧的矩形凸起的侧面上的晶体管。

散热座的材质为铝合金。

导热绝缘材料为涂有硅胶的绝缘膜。

本发明与现有技术相比具有显著的优点和有益效果，具体体现在以下几个方面：

运用到最基本组成部件，普通PCB板、导热绝缘膜、一体成型散热器型材、卡簧，容易购买且价格低廉。

逆变器断路的电路走线结构和组合方式简单有效，易于控制电路对逆变器进行控制和配置。

附图说明

图1是本发明在晶体管为MOSFET时的逆变器电路图。

图2是本发明在晶体管为IGBT时的逆变器电路图。

图3是本发明的逆变器结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例做进一步详述，以下关于本发明的实施方式的描述只是示例性，并不是为了限制本发明的所要保护的主题，对于本发明所描述的实施例还存在的其他在权利要求保护范围内的变化，都属于本发明所需要保护的主题。

对于本发明中所提到得“耦合”，根据电气、电子、机械领域的定义，是指两个或两个以上的电路元件或电网络的输入与输出之间存在紧密配合与相互影响，并通过相互作用从一侧向另一侧传输信号或能量的现象，概括的说耦合就是指两个或两个以上的实体相互依赖于对方的一个量度。在本发明中可以理解为数字信号、电压、电流等能量流的传输方式，根据各模块之间的不同情况下作用关系本发明的中的“耦合”可以进一步理解为直接连接或间接连接。所以虽然本发明的实施例中公布了一种各个组件的示例性布局和结构，但该发明的保护主题内还包含在保护主题的范围内具有不同的耦合方式下的其他布局和结构。

如图1和图2所示，该逆变器的电路包括晶体管，三相交流电的U接口、V接口、W接口、直流电的B+接口、B-接口，逆变器电路具有由晶体管构成的三路电路，晶体管为MOSFET晶体管或IGBT晶体管，U、V、W接口为输出接口时，B+、B-接口为输入接口，B+、B-接口接入直流电，U、V、W接口输出三相交流电；U、V、W接口为输如接口时，B+、B-接口为输出接口，U、V、W接口接入三相交流电，B+、B-接口输出直流电。

其中图1为晶体管为MOSFET晶体管时的电路结构图，图2为晶体管为IGBT晶体管时的电路结构图。

图1中，每一路电路由多个晶体管单元并联构成，每个晶体管单元包括两个MOSFET晶体管；三路电路的晶体管均为MOSFET晶体管，各晶体管的参数及性能一致，三路电路的各路电路所包含的晶体管单元的数量相同。

一个MOSFET晶体管的漏极和另一个MOSFET晶体管的源极相连形成晶体管单元，晶体管单元剩余的漏极接B+接口，剩余的源极接地，三路电路中的各晶体管单元中相连的漏极和源极的公共结点相连接形成公共结点并分别连接至U、V、W接口；B-接口接地。

每一路电路中源极接地的晶体管的栅极耦合形成节点，每一路电路中漏极接B+接口的晶体管的栅极耦合形成节点，三路电路共形成6个节点，6个节点分别与控制电路相连接，控制电路配置各个晶体管处于开关状态，并控制各个晶体管的工作方式。由于本发明的技术方案为逆变器的电路及结构，而控制电路不属于逆变器电路和结构的范围内，故在图1中没有标示出控制电路，这对于本领域内的技术人员是可以理解的，不会产生误解，故在发明中不做描述。

图2中，每一路电路由多个晶体管单元并联构成，每个晶体管单元包括两个IGBT晶体管；三路电路的晶体管均为IGBT晶体管，各晶体管的参数及性能一致，三路电路的各路电路所包含的晶体管单元的数量相同。

一个IGBT晶体管的集电极和另一个IGBT晶体管的发射极相连形成晶体管单元，晶体管单元剩余的集电极接B+接口，剩余的发射极接地，三路电路中的各晶体管单元中相连的集电极和发射极的公共结点相连接形成公共结点并分别连接至U、V、W接口；B-接口接地。

每一路电路中发射极接地的晶体管的栅极耦合形成节点，每一路电路中集电极接B+接口的晶体管的栅极耦合形成节点，三路电路共形成6个节点，6个节点分别与控制电路相连接，控制电路配置各个晶体管处于开关状态，并控制各个晶体管的工作方式。由于本发明的技术方案为逆变器的电路及结构，而控制电路不属于逆变器电路和结构的范围内，故在图2中没有标示出控制电路，这对于本领域内的技术人员是可以理解的，不会产生误解，故在此不做描述。

如图3所示，散热座1的材质为铝合金，其上具有4个矩形凸起，4个矩形凸起平行排列并隔挡形成3个空间，固定在PCB板2上的晶体管也同时位于4个矩形凸起所隔挡形成的3个空间中。虚线框100、200、300中的结构一致，在此以虚线框100结构为例描述。晶体管3对称贴附于格挡形成空间两侧矩形凸起的侧面。当为MOSFET晶体管时，对于空间两侧的晶体管3，一侧均为漏极接B+接口晶体管，一侧均为源极接地的晶体管；当为IGBT晶体管时，对于空间两侧的晶体管3，一侧均为集电极接B+接口晶体管，一侧均为发射极接地的晶体管。晶体管3与矩形凸起的侧面之间有导热绝缘材料4，导热绝缘材料4为涂有硅胶的绝缘膜。卡簧5为金属材质且具有机械弹性，位于矩形凸起所隔挡形成的空间中，卡簧5固定在两端紧压贴附于空间两侧的矩形凸起的侧面上的晶体管3。U接口6固定于PCB板2上且位于空间两侧的晶体管3之间。

虚线框200和虚线框300中的结构与虚线框100中的结构一致，分别为另外两相接口与其所对应的电路结构的安装结构。

PCB板上还具有B+、B-接口7，以及直流母线电容8，直流母线电容8连接B+接口与地，起到平滑电压的作用，由于直流母线电容8为非必要技术点器件，在逆变器的电路结构中为了达到平滑电压的作用均会设置，且其电路结构及其连接方式为本技术领域内人员所公知，不会引起误解，故为了突出本发明的必要技术点，在图1和图2中的电路图中直流母线电容不显示。

对于为本发明的示范性实施例，应当理解为是本发明的权利要求书的保护范围内其中的某一种示范性示例，具有对本领域技术人员实现相应的技术方案的指导性作用，而非对本发明的限定。

Claims

1.一种逆变器电路，包括晶体管，三相交流电的U、V、W接口、直流电的B+、B-接口，其特征在于：所述逆变器电路具有由晶体管构成的三路电路，晶体管为MOSFET晶体管或IGBT晶体管；每一路电路由多个晶体管单元并联构成，每个晶体管单元包括两个MOSFET晶体管，或两个IGBT晶体管；当为MOSFET晶体管时，一个晶体管的漏极和另一个晶体管的源极相连形成晶体管单元，晶体管单元剩余的漏极接B+接口，剩余的源极接地，三路电路中的各晶体管单元中相连的漏极和源极的公共结点相连接形成公共结点并分别连接至U、V、W接口；当为IGBT晶体管时，一个晶体管的集电极和另一个晶体管的发射极相连形成晶体管单元，晶体管单元剩余的集电极接B+接口，剩余的发射极接地，三路电路中的各晶体管单元中相连的集电极和发射极的公共结点相连接形成公共结点并分别连接至U、V、W接口；B-接口接地。

2.根据权利要求1所述的逆变器电路，其特征在于：所述三路电路中或者均为MOSFET晶体管，或者均为IGBT晶体管，各晶体管的参数及性能一致，三路电路的各路电路所包含的晶体管单元的数量相同。

3.根据权利要求1所述的逆变器电路，其特征在于：所述U、V、W接口为输出接口时，B+、B-接口为输入接口，B+、B-接口接入直流电，U、V、W接口输出三相交流电；U、V、W接口为输如接口时，B+、B-接口为输出接口，U、V、W接口接入三相交流电，B+、B-接口输出直流电。

4.根据权利要求1或权利要求2所述的逆变器电路，其特征在于：所述三路电路中的晶体管，当为MOSFET晶体管时，每一路电路中源极接地的晶体管的栅极耦合形成节点，每一路电路中漏极接B+接口的晶体管的栅极耦合形成节点，三路电路共形成6个节点，6个节点分别与控制电路相连接，控制电路配置各个晶体管处于开关状态，并控制各个晶体管的工作方式；当为IGBT晶体管时，每一路电路中发射极接地的晶体管的栅极耦合形成节点，每一路电路中集电极接B+接口的晶体管的栅极耦合形成节点，三路电路共形成6个节点，6个节点分别与控制电路相连接，控制电路配置各个晶体管处于开关状态，并控制各个晶体管的工作方式。

5.根据权利要求1逆变器电路，其特征在于：在B+接口与地之间具有直流母线电容，起到平滑电压的作用。

6.一种逆变器结构，包括：具有权利要求1所述的逆变器电路的PCB板，散热座，卡簧，散热材料，其特征在于：散热座上从具有4个矩形凸起，4个矩形凸起平行排列并隔挡形成3个空间，固定在PCB板上的晶体管也同时位于4个矩形凸起所隔挡形成的3个空间中，而对于每一个空间，晶体管对称贴附于空间两侧矩形凸起的侧面，晶体管与矩形凸起的侧面之间有导热绝缘材料；卡簧位于矩形凸起所隔挡形成的空间中，卡簧两端紧压贴附于空间两侧的矩形凸起的侧面上的晶体管。

7.根据权利要求6所述的一种逆变器结构，其特征在于：散热座的材质为铝合金。

8.根据权利要求6所述的一种逆变器结构，其特征在于：导热绝缘材料为涂有硅胶的绝缘膜。