CN103368414A - 一种用于电动车辆驱动控制的变换器装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种冷却效果好、体积小、通电容量高、可靠性高的用于电动车辆驱动控制的变换器装置，包括冷却底板、三个平行地布置在冷却底板上的桥臂；每个桥臂包括上、下桥臂、驱动电路板、负极铜条板及电解电容；每个桥臂的上桥臂金属条和下桥臂金属条固定在冷却底板上；上、下桥臂金属条的下表面分别通过导热绝缘垫与冷却底板的上表面贴合；所有的上桥臂MOS管和下桥臂MOS管的金属外壳的下表面分别与上、下桥臂金属条的上表面贴合，每个上桥臂MOS管的三个引脚都朝着下桥臂金属条；所有的下桥臂MOS管以与相对的上桥臂MOS管错位一有效距离L的方式布置在下桥臂金属条上，每个下桥臂MOS管的三个引脚都朝着上桥臂金属条。

Description

一种用于电动车辆驱动控制的变换器装置

技术领域

本发明涉及一种功率半导体元件组成的装置，具体涉及一种用于电动车辆驱动控制的变换器装置。

背景技术

电动车辆在长期运行中必须安全可靠。但对公路运输及非公路运输的移动车辆中功率较大的车辆驱动控制的变换器装置及电机在散热与性能稳定方面，比小功率的驱动控制的变换器及电机要求更高，而目前市场上的大功率的控制器技术还不完善，特别是在高可靠性和小型化等方面。当前市场上的变换器装置中，一般PCB板的材料为FR4基板，其热导系数为0.8W/mK，故其热导率很小、热阻很大。若在功率晶体管附近放置较不耐热的电子元件（如电容），这些电子元件会吸收功率MOS管的热量而导致温度上升，降低其使用寿命。加上发热元件都焊接在印刷电路板PCB板上，而印刷电路板PCB板为热的不良导体，故其发热元件的热量也不容易被带走，造成电子元件因热散逸现象而失效。

日本专利JP2001-16870公开了一种功率模块，由于该专利对于在设计布局方面是有严格限制的功率模块，除了减小装置自身的尺寸外，即使对于输出功率的输出端子构造，从布局的立场出发，也必须提高自由度。但是上述文献没有提到这个问题，没有公开或建议解决该问题的措施。

日本专利JP2001-16870需要通过风扇来帮助散热，这就必然增加驱动器的体积和成本，同时也会降低变换器的效率。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种用于电动车辆驱动控制的变换器装置，它具有冷却效果好、体积小、通电容量高、可靠性高的优点。

本发明的目的是这样实现的：一种用于电动车辆驱动控制的变换器装置，包括一冷却底板、三个平行地布置在冷却底板上的桥臂、一正极端子及一负极端子；每个桥臂包括一上桥臂、一下桥臂、一驱动电路板、一负极铜条板及电解电容；所述上桥臂包括多个并联连接且并排地布置在上桥臂金属条上的上桥臂MOS管；所述下桥臂包括多个并联连接且并排地布置在下桥臂金属条上的下桥臂MOS管；其中，每个桥臂的所述上桥臂金属条和下桥臂金属条分别通过螺钉间隔并平行地固定在所述冷却底板上，并且上桥臂金属条的下表面和下桥臂金属条的下表面分别通过一导热绝缘垫与所述冷却底板的上表面贴合；所有的上桥臂MOS管的金属外壳的下表面与所述上桥臂金属条的上表面通过螺钉连接后贴合，每个上桥臂MOS管的三个引脚都朝着所述下桥臂金属条并且向上弯折90°；所有的下桥臂MOS管以与相对的上桥臂MOS管错位一有效距离L的方式布置在所述下桥臂金属条上，并且所有的下桥臂MOS管的金属外壳的下表面与所述下桥臂金属条的上表面通过螺钉连接后贴合，每个下桥臂MOS管的三个引脚都朝着所述上桥臂金属条并且向上弯折90°；每个桥臂的驱动电路板平行地设置在所有的所述上桥臂MOS管和所有的下桥臂MOS管的上方，使每个桥臂的所有的所述上桥臂MOS管的引脚和所有的下桥臂MOS管的引脚以最短的距离连接到相应的所述驱动电路板上；所述负极铜条板连接在所述驱动电路板的上表面并且与所有的垂直穿过所述驱动电路板的所述下桥臂MOS管的源极引脚连接；所述电解电容布置在所述上桥臂金属条和下桥臂金属条之间的所述冷却底板上，以使电解电容的引脚以最短的布线距离与所述驱动电路板连接；所述正极端子与三个所述上桥臂金属条连接；所述负极端子与三个所述负极铜条板连接。

上述的用于电动车辆驱动控制的变换器装置，其中，每个桥臂的所述上桥臂金属条和下桥臂金属条之间的所述冷却底板的上表面横向开设一凹槽，使所述电解电容位于所述凹槽内，并且所述电解电容与所述凹槽的底面和侧面之间分别设有导热膏。

上述的用于电动车辆驱动控制的变换器装置，其中，所述L为所述上桥臂MOS管或下桥臂MOS管上的每两个相邻的引脚的间隙。

上述的用于电动车辆驱动控制的变换器装置，其中，每个所述上桥臂MOS管的源极引脚与相对的所述下桥臂MOS管的漏极引脚在所述驱动电路板上的同一个焊孔内连接。

上述的用于电动车辆驱动控制的变换器装置，其中，所述导热绝缘垫的厚度为0.05～0.15mm，热传导率为2～4W/mK。

上述的用于电动车辆驱动控制的变换器装置，其中，所述正极端子通过一正极连接铜条与三个上桥臂金属条连接；该正极连接铜条垂直跨接在三个上桥臂金属条的一头；所述负极端子通过一负极连接铜条与三个负极铜条板连接；该负极连接铜条垂直跨接在三个负极铜条板的一头并位于所述正极连接铜条的正上方。

上述的用于电动车辆驱动控制的变换器装置，其中，所述变换器装置还包括布置在三个桥臂上方的控制器电路板。

上述的用于电动车辆驱动控制的变换器装置，其中，所述变换器装置还包括两个一一对应地安装在任意两个桥臂的下桥臂金属条上的电流传感器。

上述的用于电动车辆驱动控制的变换器装置，其中，所述冷却底板连接在一铝壳上，该铝壳包括一固定在所述冷却底板的上下端面的U形上盖及分别固定在上盖的两侧面和冷却底板的两侧面的左、右盖板，所述左盖板的前、中、后部分别开设一用于引出三个下桥臂金属条的穿孔，所述右盖板的中部和后部分别开设一用于引出所述正极端子和负极端子的穿孔；所述上盖的中部和前、后部分别设有散热翅条。

上述的用于电动车辆驱动控制的变换器装置，其中，所述上盖的两侧面、冷却底板的上下端面和两侧面及所述左、右盖板的内侧面分别涂有防水层或硅胶。

本发明的用于电动车辆驱动控制的变换器装置的技术方案具有以下特点：

1.由于上桥臂MOS管的金属外壳与上桥臂金属条的上端面贴合，下桥臂MOS管的金属外壳与下桥臂金属条的上端面贴合，上桥臂金属条和下桥臂金属条通过螺钉与冷却底板接合，这样为所有的MOS管建立了均热平台，有利于并联MOS管的均流，还给MOS管提高短期过载电流的冲击；

2.上桥臂MOS管的输出引脚都折弯成90°，而且与下桥臂MOS管是在错开一定位置相对应排列；上桥臂MOS管的一个输出电流的引脚与下桥臂MOS管的另一个输出电流引脚连接在对应的驱动电路板上相应的同一个焊孔中，使上、下桥电流直接通过MOS管导通，避免了过大电流至驱动电路板上而导致板上的电子元件承受过大电流烧毁；

3.每个桥臂的驱动电路板以最短的距离布置在对应的MOS管的上方，使MOS管所有的引脚固定在驱动电路板上，电解电容就近分布安装在上、下桥臂的电源侧，有利于减少母线分布电感；

4.电解电容是非接触的嵌入到上桥臂金属条与下桥臂金属条之间的冷却底板的凹槽内，并且在电解电容与冷却底板的凹槽之间加入导热膏，既可以改善电解电容的散热，又可以节省空间；

5.所有相的驱动电路板上都安装一负极铜条板，每块负极铜条板与本相的下桥臂MOS管的源极引脚相连接，同时负极端子与负极连接铜条相连，这样大电流完全不经过驱动电路板，使驱动电路板上的驱动和控制电路安全可靠；

6.上桥臂金属条还具有输出功率的输出端子功能，在端子前端还能安装电流传感器，这样可极大地节约装置的构造空间；

7.所有相的正电源电流均可通过金属条导电，作为主回路电流的输入和输出端子，减少主回路负载电流的发热和电源干扰；

8.并联的MOS管的导电与关断的时间差异大为减少，使MOS管在进行时的可靠性大为提高；

9.由于MOS管的冷却效果进一步提高，热阻低且可靠性高，使变换器装置的通电容量能够提高，体积能够小型化。

附图说明

图1为本发明的用于电动车辆驱动控制的变换器装置的立体图；

图2为图1的左视图；

图3为图1的俯视图；

图4为图1中去掉上盖和左、右盖板的立体图；

图5为图4中去掉控制器电路板后的俯视图；

图6为图5中去掉一块驱动电路板的俯视图；

图7为图6中的A-A剖视图；

图8为本发明的变换器装置中采用的MOS管的引脚折弯示意图；

图9为本发明的变换器装置中任意一个桥臂中的并联的上桥臂MOS管和并联的下桥臂MOS管错位排列的结构示意图；

图10为图5中的B-B向视图。

具体实施方式

为了能更好地对本发明的技术方案进行理解，下面通过具体的实施例并结合附图进行详细地说明。

请参阅图1至图10，本发明的用于电动车辆驱动控制的变换器装置，包括一冷却底板1、三个平行地布置在冷却底板1上的桥臂、一正极端子9、一负极端子10、控制器电路板11及两个电流互感器12a、12b。

冷却底板1连接在一铝壳上，该冷却底板1上间隔一致地并自前至后地横向平行开设三条凹槽1a、1b、1c；铝壳包括一同通过螺钉固定在冷却底板1的上下端面的U形上盖2及分别固定在上盖2的两侧面和冷却底板1的两侧面的左、右盖板3、4，其中，左盖板3的前、中、后部分别开设一穿孔，左盖板3上还安装一接线端子5；右盖板4的中部和后部分别开设一用于引出正极端子9和负极端子10的穿孔；上盖2的中部和前、后部分别设有散热翅条；上盖2的两侧面、冷却底板1的上下端面和两侧面及左、右盖板3、4的内侧面分别涂有防水层或硅胶，使冷却底板1和铝壳构成一个密封腔体。

三个桥臂的结构相同并对应地为W相桥臂、U相桥臂、V相桥臂。

现以布置在冷却底板1的前部的W相桥臂为例说明。W相桥臂包括一上桥臂、一下桥臂、一驱动电路板63、一负极铜条板64及电解电容65；上桥臂包括多个并联连接且并排地布置在上桥臂金属条61上的上桥臂MOS管91；下桥臂包括多个并联连接且并排地布置在下桥臂金属条62上的下桥臂MOS管92；其中：

上桥臂金属条61上的上桥臂MOS管91的数量与下桥臂金属条62上的下桥臂MOS管92的数量相同；

上桥臂金属条61和下桥臂金属条62分别通过螺钉平行地且以间隔距离为凹槽1a的宽度的方式固定在冷却底板1上；上桥臂金属条61的下表面和下桥臂金属条62的下表面分别通过一导热绝缘垫60与冷却底板1的上表面贴合；导热绝缘垫60的厚度为0.05～0.15mm，热传导率为2～4W/mK；

所有的上桥臂MOS管91的金属外壳的下表面与上桥臂金属条61的上表面通过螺钉连接后贴合，有利于并联的半导体功率元件的均流，还给半导体功率元件提高承受短期过载电流的冲击；每个上桥臂MOS管91的源极引脚911、漏极引脚912和栅极引脚913都朝着下桥臂金属条62并且向上弯折90°；

所有的下桥臂MOS管92以与相对的上桥臂MOS管91错位一有效距离L的方式布置在下桥臂金属条62上，L为上桥臂MOS管91或下桥臂MOS管92上的每两个相邻的引脚的间隙，并且所有的下桥臂MOS管92的金属外壳的下表面与下桥臂金属条62的上表面通过螺钉连接后贴合，有利于并联的半导体功率元件的均流，还给半导体功率元件提高承受短期过载电流的冲击；每个下桥臂MOS管92的源极引脚921、漏极引脚922和栅极引脚923都朝着上桥臂金属条61并且向上弯折90°；

驱动电路板63平行地设置在所有的上桥臂MOS管91和所有的下桥臂MOS管92的上方，使所有的上桥臂MOS管91的引脚和所有的下桥臂MOS管92的引脚以最短的距离连接到驱动电路板63上；每个上桥臂MOS管91的源极引脚911与相对的下桥臂MOS管92的漏极引脚922在驱动电路板63上的同一个焊孔66内连接，形成焊接点67，使上、下桥电流直接通过MOS管导通，避免了过大电流至驱动电路板63上而导致板上的其它电子元件承受过大电流而烧毁；

负极铜条板64焊接在驱动电路板63的上表面并且与所有的垂直穿过驱动电路板63的下桥臂MOS管92的源极引脚921连接；使大电流完全不经过驱动电路板63，使驱动电路板63上的驱动和控制电路安全可靠；

电解电容65布置在上桥臂金属条61和下桥臂金属条62之间的凹槽1a内，以使电解电容65的引脚65a以最短的布线距离与驱动电路板63连接，有利于减少母线分布电感；电解电容65与凹槽1a的底面和侧面之间分别设有导热膏，既可以改善电解电容65的散热，又可以节省空间；又由于电解电容65以最短距离的布置在上桥臂MOS管91和下桥臂MOS管92的周围，减少了并联MOS管的导电与关断的时问差异及误动作，提高变换器的可靠性。

U相桥臂和V相桥臂一一对应地布置在冷却底板1的中部和后部并且结构和布置方式与W相桥臂完全相同；

在W相桥臂的下桥臂金属条62的左端面加工螺孔，与螺钉62a连接后组成W相输出端子62b(见图2、3、5)并由铝壳的左盖板3的前部穿孔引出；

在V相桥臂的下桥臂金属条72的左端面加工螺孔，与螺钉72a连接后组成V相输出端子72b(见图2、3、5)并由铝壳的左盖板3的中部穿孔引出；

在U相桥臂的下桥臂金属条82的左端面加工螺孔，与螺钉82a连接后组成U相输出端子82b(见图2、3、5)并由铝壳的左盖板3的后部穿孔引出；

正极端子9通过一正极连接铜条9a与三个上桥臂金属条61、71、81连接；该正极连接铜条9a垂直跨接在三个上桥臂金属条61、71、81的右端头；

负极端子10通过一负极连接铜条10a与W相桥臂、U相桥臂和V相桥臂的负极铜条板64、74、84连接；该负极连接铜条10a垂直跨接在三个负极铜条板64、74、84的右端头并通过铜垫10b位于正极连接铜条9a的正上方。

控制器电路板11平行布置在W相桥臂的负极铜条板64、U相桥臂的负极铜条板74和V相桥臂的负极铜条板84的上方。

两个电流传感器12a、12b一一对应地安装在U相桥臂和V相桥臂的下桥臂金属条72、82上，使金属条还具有输出功率的输出端子结构功能，这样可极大地节约变换器装置的构造空间。

W相桥臂、U相桥臂和V相桥臂的上、下臂金属条的材料，从冷却作用来看最好是铜，也可以是铝或其它金属复合材料。

在大功率车辆用的电机功率达数十千瓦，所用驱动变换器的MOS管的数量少，其通电容量是不够的，便必须有多个MOS管并联连接。另外，为了降底变换器在连续工作和频繁起动时的温度上升，通过各金属条与冷却底板1的热扩散的效果，降底稳态热阻，U、V、W相金属条与冷却底板1的连接的各面积，必须大于MOS管的金属外壳所贴的面积，这样能使MOS管建立均热平台。

本发明的变换器装置中，大电流经金属条流入到一相桥臂MOS管后，通过输出端子流入到电机线圈，然后再回到另一个相桥臂MOS管，流入到负极铜排，大电流完全不需要通过驱动电路板。

本发明，其特征在于输出的变频电源和正电源电流均可通过金属条导电，作为主回路电流的输入和输出端子，减少主回路负载电流的发热和电源干扰。

以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以作出各种变换或变型，因此所有等同的技术方案也应该属于本发明的范畴，应由各权利要求所限定。

Claims (10)

1.一种用于电动车辆驱动控制的变换器装置，包括一冷却底板、三个平行地布置在冷却底板上的桥臂、一正极端子及一负极端子；每个桥臂包括一上桥臂、一下桥臂、一驱动电路板、一负极铜条板及电解电容；所述上桥臂包括多个并联连接且并排地布置在上桥臂金属条上的上桥臂MOS管；所述下桥臂包括多个并联连接且并排地布置在下桥臂金属条上的下桥臂MOS管；其特征在于，

每个桥臂的所述上桥臂金属条和下桥臂金属条分别通过螺钉间隔并平行地固定在所述冷却底板上，并且上桥臂金属条的下表面和下桥臂金属条的下表面分别通过一导热绝缘垫与所述冷却底板的上表面贴合；

所有的上桥臂MOS管的金属外壳的下表面与所述上桥臂金属条的上表面通过螺钉连接后贴合，每个上桥臂MOS管的三个引脚都朝着所述下桥臂金属条并且向上弯折90°；

所有的下桥臂MOS管以与相对的上桥臂MOS管错位一有效距离L的方式布置在所述下桥臂金属条上，并且所有的下桥臂MOS管的金属外壳的下表面与所述下桥臂金属条的上表面通过螺钉连接后贴合，每个下桥臂MOS管的三个引脚都朝着所述上桥臂金属条并且向上弯折90°；

每个桥臂的驱动电路板平行地设置在所有的所述上桥臂MOS管和所有的下桥臂MOS管的上方，使每个桥臂的所有的所述上桥臂MOS管的引脚和所有的下桥臂MOS管的引脚以最短的距离连接到相应的所述驱动电路板上；

所述负极铜条板连接在所述驱动电路板的上表面并且与所有的垂直穿过所述驱动电路板的所述下桥臂MOS管的源极引脚连接；

所述电解电容布置在所述上桥臂金属条和下桥臂金属条之间的所述冷却底板上，以使电解电容的引脚以最短的布线距离与所述驱动电路板连接；

所述正极端子与三个所述上桥臂金属条连接；

所述负极端子与三个所述负极铜条板连接。

2.根据权利要求1所述的用于电动车辆驱动控制的变换器装置，其特征在于，每个桥臂的所述上桥臂金属条和下桥臂金属条之间的所述冷却底板的上表面横向开设一凹槽，使所述电解电容位于所述凹槽内，并且所述电解电容与所述凹槽的底面和侧面之间分别设有导热膏。

3.根据权利要求1所述的用于电动车辆驱动控制的变换器装置，其特征在于，所述L为所述上桥臂MOS管或下桥臂MOS管上的每两个相邻的引脚的间隙。

4.根据权利要求1所述的用于电动车辆驱动控制的变换器装置，其特征在于，每个所述上桥臂MOS管的源极引脚与相对的所述下桥臂MOS管的漏极引脚在所述驱动电路板上的同一个焊孔内连接。

5.根据权利要求1所述的用于电动车辆驱动控制的变换器装置，其特征在于，所述导热绝缘垫的厚度为0.05～0.15mm，热传导率为2～4W/mK。

6.根据权利要求1所述的用于电动车辆驱动控制的变换器装置，其特征在于，所述正极端子通过一正极连接铜条与三个上桥臂金属条连接；该正极连接铜条垂直跨接在三个上桥臂金属条的一头；所述负极端子通过一负极连接铜条与三个负极铜条板连接；该负极连接铜条垂直跨接在三个负极铜条板的一头并位于所述正极连接铜条的正上方。

7.根据权利要求1所述的用于电动车辆驱动控制的变换器装置，其特征在于，所述变换器装置还包括布置在三个桥臂上方的控制器电路板。

8.根据权利要求1所述的用于电动车辆驱动控制的变换器装置，其特征在于，所述变换器装置还包括两个一一对应地安装在任意两个桥臂的下桥臂金属条上的电流传感器。

9.根据权利要求1所述的用于电动车辆驱动控制的变换器装置，其特征在于，所述冷却底板连接在一铝壳上，该铝壳包括一固定在所述冷却底板的上下端面的U形上盖及分别固定在上盖的两侧面和冷却底板的两侧面的左、右盖板，所述左盖板的前、中、后部分别开设一用于引出三个下桥臂金属条的穿孔，所述右盖板的中部和后部分别开设一用于引出所述正极端子和负极端子的穿孔；所述上盖的中部和前、后部分别设有散热翅条。

10.根据权利要求1所述的用于电动车辆驱动控制的变换器装置，其特征在于，所述上盖的两侧面、冷却底板的上下端面和两侧面及所述左、右盖板的内侧面分别涂有防水层或硅胶。

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