CN104143926B

CN104143926B - 用于逆变器直流母线电容器包装的集成电和热解决方案

Info

Publication number: CN104143926B
Application number: CN201410194109.3A
Authority: CN
Inventors: 陈礼华; 陈清麒; 沙拉姆·萨雷
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2013-05-09
Filing date: 2014-05-09
Publication date: 2019-09-17
Anticipated expiration: 2034-05-09
Also published as: DE102014106395A1; CN104143926A; US20140334105A1; US9445532B2

Abstract

本发明提供一种结合热和电考虑的改进的电容器包装解决方案。包装可包括电耦接至母线的电容器元件以及母线和外壳之间的热增强绝缘层。绝缘层可提供在邻近外壳基座和侧壁部分的位置。母线可设置在邻近绝缘层的位置并配置为沿着包装侧面和沿着包装长度在电容器元件下面延伸，以在母线与电容器元件接触之前，为远离母线的热消散提供延长的导热路径。增强绝缘层配置为远离母线将热量传导至外壳，以避免电容器的热点温度。降低的电容器温度允许使用更小、更便宜的电容器，在未累及性能的情况下减少了逆变器成本。

Description

用于逆变器直流母线电容器包装的集成电和热解决方案

技术领域

本发明总体上涉及用于逆变器功率模块(inverter power module)的直流母线(dc-link)电容器，尤其涉及电和热性能的电容器包装功能。

背景技术

用于电动和混合动力车辆的牵引逆变器典型地包括通过例如可存储和释放能量的电容器或电容器组这样的无源电子装置与电源耦接的一个或多个高性能的逆变器电路。该电容器可稳定直流母线电压、吸收纹波电流、使电源电感效应去耦和减少逆变器功率级的漏电感。为了最小化寄生或漏电感以及优化性能，连接电容器(1inking capacitor)典型地位于尽可能接近逆变器的半导体功率开关的位置，该电容器的尺寸和设计通常由其连接的逆变器的尺寸和功率特性所决定。逆变器运行可产生热量，热量可部分传递到连接电容器上。不幸的是，电容器包装热导率通常相当差，典型地小于1W/m.K。因此，甚至少量的热量传递到电容器上也可显著增加其温度。功率模块内部温度可达到150℃，但是大多数连接电容器仅允许105℃或低于105℃。因此，电容器温度典型地成为操作设计约束条件。结果，逆变器连接电容器典型地会增大尺寸以承受逆变器施加的热挑战，并因此增加了逆变器系统的成本、尺寸和重量。

图1A表示电耦接至逆变器功率模块104的传统的现有技术中的逆变器直流母线电容器包装102。包装102的特征是长L、高H和宽W。传统的电容器包装102包括放置电容器元件108的树脂层106和可为包装102提供支承的外壳110。母线(bus bar)112具有在元件108上面延长并与元件108耦接的内部部分114。母线112也包括外部延长以与逆变器功率模块104连接的外部部分116。传递到母线外部部分116的热量可在有限的范围辐射到外部环境；然而，许多热量传导到内部部分114。由于包装102欠佳的热性能，传递的热量可实质上提高电容器元件108的温度。不幸的是，高温可导致电容器在较低的电压水平被击穿。高温也可对电容器的电性能产生不利的影响并缩短其使用寿命。

图1B表示针对传统的直流母线电容器包装102的示例性的等效电路120，其包括IGBT端子和外壳/冷却剂之间的一系列热阻R1-R5。基于电路120，下述等式(1)提供了包装102的传统的直流母线电容器的最高温度的表达式：

T_最高(C_传统)＝T_冷却剂+(R3+R4+R5)/(R1+R2+R3+R4+R5)*(T_PM-T_冷却剂) (等式1)

其中：T_冷却剂＝冷却剂温度

T_PM＝功率模块温度

R1＝从IGBT端子至直流母线电容器内部母线部分114的母线外部部分116的热阻；

R2＝从电容器内部母线部分114至电容器元件108的树脂的热阻；

R3＝6.6C/W，电容器元件108从上到下的热阻；

R4＝从电容器元件108底部至外壳110的环氧树脂106的热阻

R5＝如果直接冷却，是从电容器外壳110至冷却剂的热阻，或者如果对流冷却，是从电容器外壳110至空气的热阻

下面提供了上述列出的变量的示例性的值：

L＝210mm

W＝160mm

H＝33mm，

R1＝0.54C/W

R2＝0.1C/W

R3＝6.6C/W

R4＝0.1C/W

R5＝0.4C/W

将上述值代入等式1中得到简化的等式2：

T_最高(C_传统)＝T_冷却剂+0.92*(T_PM--T_冷却剂) (等式2)

如等式2所示，示例性的传统的电容器经历的最高温度可超过功率模块和外壳之间的温差的90％，表明在功率模块产生的许多热量可传递给传统的连接电容器。从等式(1)和(2)可看出，传统的电容器包装提供电容器对防止由功率模块运行导致的温度增加的保护较少。使用具有循环冷却剂的逆变器冷却板可降低传统的电容器的温度。尽管如此，因为传统的电容器包装的热导率非常低，典型地低于1W/m.K，所以无论热量在包装内由纹波电流产生或者从外部功率模块传递来，电容器都很难散发热量或使热量消散。甚至几瓦的热量也可使电容器温度急剧上升。实验结果表明，在某些情况下，电容器温度可增加50℃或更多。不幸的是，这样的温度增加可对电容器寿命产生明显不利的影响；可以预期，每10℃温度增加可缩短电容器大约50％的使用寿命。此外，一些系统通过相同的连接电容器将多个逆变器耦接至电源，使该电容器暴露在由多个逆变器电源产生的热量中。结果，为了保证电容器能够承受高温，传统的逆变器设计通常包括尺寸远大于仅电气要求所需尺寸的电容器。不幸的是，过大的电容器增加了逆变器功率模块的尺寸和成本。

发明内容

一示例性的系统包括耦接至电容器包装的逆变器功率模块，其配置为从母线通过热增强绝缘层至外壳(case)使热量消散。在一示例性的实施例中，外壳可包括基座和侧壁，并且该绝缘层可设置在邻近外壳的位置。母线可设置在邻近绝缘层的位置。在一示例性的实施例中，绝缘层设置在母线和基座之间并邻近母线的位置，以及母线和侧壁之间并邻近母线的位置。作为示例，但并非限制，外壳可包含逆变器功率模块的外壳或能够进一步降低电容器温度的具有循环冷却剂的专用冷却板。

在一示例性的实施例中，电容器包装可包括电耦接至母线、外壳和设置在母线和外壳之间并邻近母线的位置的绝缘层的至少一个电容器元件。在一示例性的实施例中，绝缘层可设置在母线和外壳基座之间的位置，以及母线和外壳侧壁之间的位置。因为绝缘层邻近母线和外壳，其可远离母线将热量传递给外壳，保护电容器元件免受现有技术中连接电容器所经历的温度的大幅上升。较低的电容器温度使其能够承受更高的电压。因为包装提供改进的热性能，功率模块总成可采用更小、更经济的连接电容器。在一示例性的性实施例中，母线和邻近的绝缘层可通过电容器包装深度的延长，并与其长度相交，以在其与电容器元件接触之前，为远离母线的热消散提供更长的导热路径。

附图说明

图1A表示传统的连接电容器的对比示例。

图1B表示图1A的传统的连接电容器的等效电路。

图2A表示本发明的一示例性的系统的电路。

图2B表示本发明的一示例性的系统的电路。

图3表示本发明的一示例性的增强电容器包装的正剖视图。

图4表示本发明的一示例性的增强电容器包装的正立体图。

图5表示本发明的一示例性的增强电容器包装的等效电路。

具体实施方式

本发明的示例性的实施例呈现于此；然而，本发明可以以各种可替代的方式实施，正如将对本领域的技术人员显而易见的那样。为了便于理解本发明和为权利要求提供基础，各个附图包括在说明书中。这些附图可能未按比例绘制并且相关的元件可能被省略，以强调本发明的新颖特征。提供在附图中描述的结构和功能细节，目的是教导本领域的技术人员在本发明的实践，并且不应理解为限制。

图2A表示本发明的一示例性的系统200的电路图。作为示例，并非限制，系统200可在电动或混合动力车辆的电力驱动系统中使用。电源202可与逆变器204耦接以驱动负载206，其在电动车辆中可以是电动机。作为示例，电源202可包含与电压转换器耦接的高压电池。在一示例性的实施例中，逆变器204可包含6个开关单元208，每个都包含与二极管D反平行的晶体管，例如，绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，配置为对负载206提供交流电。在电源202和逆变器204之间，可设置采用具有改善的热性能的包装的连接电容器C_TH。连接电容器C_TH可配置为吸收在逆变器204或电源202产生的纹波电流，以及为逆变器的控制使dc-link电压Vo稳定。电容器C_TH可提供在提高热消散时同时提高电性能的包装中。

在许多情况下，连接电容器可配置为将多个逆变器耦接至电源。图2B描述了系统220的电路图，系统220具有电源222和耦接至此处分别表示为负载206、226的多个负载的多个逆变器，此处表示为逆变器204和附加逆变器224。虽然图2B仅示出了两个逆变器和两个负载，但是可以理解的是，多逆变器系统可包括两个以上逆变器。需要进一步注意的是耦接至一个或多个逆变器的连接电容器可包含具有彼此平行设置的多个电容器元件的电容器组。采用热增强包装的连接电容器C_TH可设置为连接电源222和逆变器204、224，其每个可包含可分别被驱动以对负载206、226提供交流电的多个半导体开关单元208。为了减少电路中的寄生和漏电感，有利地将连接电容器C_TH放置在离半导体开关单元208尽可能近的位置。然而，这种接近会使连接电容器C_TH承受逆变器204、224产生的热量。包装连接电容器C_TH并将其配置为使热量有效地消散，同时Vo电压稳定。其改进的热性能降低了其经受的最高温度并提高了其可靠性。因此，其可在尺寸上小于传统的连接电容器，并且可因此降低逆变器功率模块的尺寸和成本。

图3和4表示一示例性的实施例300，包括逆变器功率模块302，其耦接至具有改进的热性能的增强电容器包装304。图3描述了正剖视图，以及图4描述了正立体图。逆变器功率模块302可包括如上所述参照图2B中描述的系统的一个或多个逆变器，并且逆变器功率模块302可配置用于电连接电容器包装304。作为示例，包装304可通过一个或多个螺钉303电耦接至逆变器模块302。

增强电容器包装304可包括一个或多个电容器元件306、配置为将元件306彼此耦接并耦接至逆变器功率模块302的母线310和外壳320。绝缘层330可设置在母线310和外壳320之间，以远离母线310将热量传递给外壳320，以减少电容器元件306的温度上升。在一示例性的实施例中，母线310和绝缘层330可配置为沿着具有高度H_TH的包装304的高度/深度尺寸和沿着具有长度L_TH的包装的线性/长度尺寸延伸，以便为热量传递提供多于传统的电容器包装典型地提供的表面面积。

电容器元件306可设置在树脂层308中。在一示例性的实施例中，电容器元件306可包含轧制聚丙烯薄膜，其在相对面上具有喷涂的金属电极307。在一示例性的实施例中，元件306可如图3和4所示那样横向放置在包装304内。因此，元件306可在包装304内具有水平定向。树脂层308可包含电绝缘的环氧树脂，其可在包装304中支承电容器元件306和对电容器元件306制模。在一示例性的实施例中，树脂层308也可配置具有热增强特性。导电母线310可将电容器元件306彼此电耦接并耦接至功率模块302。

外壳320可包括基座322和侧壁324。在一示例性的实施例中，基座322可配置为从侧壁324延伸至第二相对的侧壁326；并且外壳侧壁324可配置为从基座322延伸至顶部相对端328。在一示例性的实施例中，外壳320可包含配置为提供支承和远离包装304内部传导热量的金属物质。例如，外壳320可包含铝，其提供进一步的耐湿性的优点。在一示例性的性实施例中，外壳320的某些部分或全部可包含冷却板，其可配备有循环冷却剂，以针对逆变器功率模块302起到散热器的作用。

绝缘层330可提供母线310和外壳320之间的电绝缘，也可提供导热介质，其可改进从母线310至外壳320的热量传递，并因此降低传递到电容器元件306的热量。在一示例性的性实施例中，绝缘层330包含配置为提高热消散的热增强物质。作为示例，绝缘层330可包含环氧物质，例如，但不限于氧化铝填料这样的导热填料已经注入该环氧物质中。该填料颗粒可呈球形，以进一步增强热导率。在一示例性的实施例中，即使在电容器元件306和外壳320之间的距离增加的情况下，热增强绝缘层330可具有低至0.1C/W的热阻。

在一示例性的实施例中，绝缘层330可具有邻近基座322设置的基座部分332和邻近侧壁324设置的侧壁部分334。作为示例，但并非限制，绝缘层基座部分332可设置在两个侧壁324和326之间的邻近基座322的整个长度L_TH的位置。在一示例性的实施例中，绝缘层侧壁部分334可设置在基座322和相对端328之间的邻近包装304的整个高度H_TH的位置。

母线310可具有配置为邻近绝缘层基座部分332延伸的基座部分312，并且可具有配置为邻近绝缘层侧壁部分334延伸的侧壁部分314。在一示例性的实施例中，母线基座部分312可配置为邻近所述绝缘层基座部分332，从所述绝缘层侧壁部分334至第二侧壁326延伸到包装长度L_TH。类似地，作为示例，母线侧壁部分314可配置为邻近绝缘层侧壁部分334，从绝缘层基座部分332至相对端328延伸，从而沿着尺寸H_TH最大化延伸。作为示例，但并非限制，母线310可包含导电材料，例如，铜板。因此，在一示例性的实施例中，母线可配置为通过电容器的深度和横跨其长度延伸。绝缘层可配置为连续地邻近母线310，因为其横越侧壁324和基座322。提供沿着包装304的侧壁324和基座322的母线310和绝缘层330提供了到外壳320的热消散的更长导热路径，并且在母线310与电容器元件306接触之前，与如图1A所示的传统的电容器包装相比，允许远离母线310传递的更多的热量。

在一示例性的实施例中，一个或多个接触延伸部316可从母线基座部分312通过树脂层308向上延伸至接触电容器元件306的表面上的电极307。在一示例性的实施例中，母线侧壁部分314可包括端子辅助部分(terminal subportion)318，其配置为延伸到绝缘层侧壁部分334和侧壁324之外，用于电连接逆变器功率模块302。作为示例，但并非限制，如图3和4所示，母线侧壁部分314、绝缘层侧壁部分334和外壳侧壁324可在树脂层308上面延伸。因此，即使当母线310连续地邻近绝缘层330时，其也并不总是邻近树脂层308。在一示例性的实施例中，电容器元件306设置在树脂层308中，母线310和绝缘层330可连同外壳320一起进行制模。然而，也可预期可选择的实施例，例如，但不限于，其中使用例如螺钉或螺栓这样的耦接方法的实施例。

图3表示电容器包装304的剖视图，其中，仅可看出一个母线310。然而，如图4所示，也可包括配置为耦接元件306的相对面上的电极的第二母线311。在一示例性的实施例中，绝缘层330可提供第二母线311和外壳320之间的电绝缘和热量传递。然而，可以预期的是，可选择的布置可配置为实现相同的目的，例如，可在外壳320和第二母线311之间设置独立的绝缘层，或者母线311和母线318可层压为一体，以便减少杂散电感。

图5描述了用于热增强包装304的等效电路400。基于电路400，和使用下面列出的值，已经使用数学软件提供等式(3)，作为采用本发明的热增强包装的电容器元件的最高温度的表达式。

T_最高(C_TH)＝T_外壳+0.24(T_PM-T_外壳) (等式3)

其中：

L_TH＝210mm；(电容器包装长度)

W_TH＝160mm；(电容器包装宽度)

H_TH＝33mm；(电容器包装高度)

T_外壳＝电容器外壳温度；

T_PM＝功率模块温度

并且下面的值用于热阻：

R6＝0.54C/W，母线端子辅助部分318的热阻；

R7＝1.5C/W，母线侧壁部分314的热阻；

R8＝0.1C/W，绝缘层330的热阻；

R9＝0.4C/W，外壳320的热阻；

R10＝0.2C/W，树脂层308的热阻；

R11＝3.3C/W，至包装外壳320的平均电容器元件306热阻；

R12＝2.7C/W，从母线310至盖元件306的热阻

参照等式(3)，其表示热增强包装的连接电容器的最高温度，电容器元件306经受的最高温度远低于由等式(2)表示的传统的连接电容器的元件所经历的最高温度。本发明显著提高了远离包装内部传递至外壳的热量，由此降低了电容器必须承受的最高温度。如等式(2)和(3)所示，由增强电容器包装304所消散的热量大约是由传统的电容器包装所消散的热量的三倍。针对热增强电容器包装，由功率模块引起的温度的增加总计为功率模块和外壳之间的温差的约25％。传统的包装的温度增加总计为功率模块和外壳之间的温差的约90％。因此，本发明显著减轻了由功率模块运行所引起的温度增加。

本发明提供改进的电容器包装，其中考虑并改进了热和电特性。该包装配置为增加远离包装内部传递至外壳的热量，并因此减轻了内部或外部电源引起的温度的增加。可避免热点温度。可承受更高的电压。可使用更小的电容器作为连接电容器，避免为了承受大的温度增加而有意超出尺寸的需要。

热增强包装的外壳可包括基座和侧壁，基座和侧壁中的任一个或两者可包含逆变器冷却板。热增强绝缘层可沿着外壳基座和侧壁设置，以提供母线和外壳之间的电绝缘和热消散。母线可配置具有侧壁部分和基座部分，其中侧壁部分设置在邻近绝缘层贯穿包装的高度/深度的位置，基座部分设置在邻近绝缘层沿着增强包装的长度的位置，从而为远离母线传递的热量提供延长的导热路径，由此减少传递至电容器元件的热量，并降低包装的温度增加。

热增强电容器包装使得使用更小更经济的电容器以及在不累及电性能的情况下减少逆变器系统的总成本成为可能。此外，降低电容器温度提高了电容器的可靠性和寿命，降低了与逆变器系统关联的运行成本。热增强包装允许直流母线电容器直接与逆变器冷却板或外壳一起进行制模，由此减少了所需组件的数量，其可相应地简化或缩短制造工序，增加产量和减少制造成本。

增强电容器包装尤其适合于HEV/EV牵引逆变器的应用，因为车辆加速可导致逆变器间歇地产生传递给连接电容器的大量的热。本发明的改进的包装通过在母线与电容器接触之前远离母线传导热量，可保护电容器免受不利的热影响，并且防止电容器中的热量的蓄积。结果，电容器设计规格可基于平均车辆性能而不是基于必须考虑逆变器产生的热量的加速或高性能运行模式确定。

本发明的电容器包装的改进的热性能也可使电容器免受由电源而不是由逆变器功率模块产生的热量。例如，电容器内的内部逆变器纹波电流和外部环境条件可产生热量。当车辆停在阳光下时，在较长的一段时间位于较热的位置，例如一个小时或更长的时间，直流母线电容器温度可达到95℃或更高。本发明的增强包装可比传统的包装更快地使热消散，由此降低了电容器温度，以便更容易实现最大化的逆变器和电力驱动性能。

尽管本发明已经参考了附图中说明的非限制性的示例性的实施例进行了说明，但是应该注意的是，在不背离所附的权利要求中所述的本发明的范围的情况下，可使用等同物并且在这里作出替换。

Claims

1.一种逆变器系统，其特征在于，包含：

逆变器模块；

耦接至逆变器模块的电容器包装；

其中，该包装包括：

具有基座和侧壁的外壳；

母线，该母线具有配置为平行于基座的长度尺寸延伸的基座部分和配置为平行于侧壁的高度尺寸延伸的侧壁部分；

在树脂层内横向设置的至少一个电容器元件，该至少一个电容器元件在母线基座部分上方并且与母线基座部分电耦接；以及

热增强绝缘层，该热增强绝缘层完全位于母线和外壳之间并且邻近母线和外壳设置。

2.根据权利要求1所述的逆变器系统，其特征在于，母线设置在邻近绝缘层的位置。

3.根据权利要求1所述的逆变器系统，其特征在于，绝缘层设置在邻近基座和侧壁的位置。

4.根据权利要求3所述的逆变器系统，其特征在于，绝缘层设置在基座和母线之间以及侧壁和母线之间的位置。

5.根据权利要求1所述的逆变器系统，其特征在于，所述外壳包含用于所述逆变器模块的冷却板。

6.根据权利要求1所述的逆变器系统，其特征在于，所述热增强绝缘层配置为改进从包装内部至外壳的热消散。

7.一种电容器包装，其特征在于，包含：

具有基座和侧壁的外壳；

在树脂层内横向设置的至少一个电容器元件，该至少一个电容器元件在母线基座部分上方并且与母线基座部分电耦接；和

8.根据权利要求7所述的电容器包装，其特征在于，所述绝缘层设置在母线和外壳的基座之间并邻近母线的位置。

9.根据权利要求8所述的电容器包装，其特征在于，所述绝缘层从外壳的侧壁延伸至基座的相对端。

10.根据权利要求9所述的电容器包装，其特征在于，母线设置在邻近绝缘层、从绝缘层的第一端至绝缘层的第二相对端的位置。