CN104734533B - 紧凑型逆变器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种紧凑型逆变器及制造方法，包括DC‑Link电容和三相全桥模块，每个单相全桥模块包括冷却板、上下半桥IGBT芯片、直流母线正负极铜排、相线铜排、导热绝缘垫片和驱动控制板；直流母线正负极铜排和相线铜排通过导热绝缘垫片与冷却板固定，上半桥IGBT芯片和下半桥IGBT芯片分别与直流母线正极铜排和相线铜排固定，上半桥IGBT芯片和下半桥IGBT芯片的发射极分别与相线铜排和直流母线负极铜排连接；DC‑Link电容一端具有三个正极引脚，另一端具有三个负极引脚；三个单相全桥模块围成一个供DC‑Link电容装入的内腔，DC‑Link电容的正负极引脚分别与不同的直流母线正负极铜排连接。本发明利用现有标准封装的IGBT芯片，从三维方向布置结构，减小了逆变器的体积和成本，保证了逆变器的功率要求。

Description

紧凑型逆变器及其制造方法

技术领域

本发明涉及驱动逆变器技术，尤其属于一种适用于电动汽车（包括纯电动汽车和混合动力电动汽车）的紧凑型逆变器以及这种逆变器的制造方法。

背景技术

目前，电动汽车及混合动力汽车中使用的逆变器体积功率密度要求非常高，逆变器的体积已成为整个产品的关键竞争力，目前先进的逆变器能达到12KW/L。功率越来越高，体积越来越小，成本越来越低，这已经成为逆变器结构的最重要要求，因此紧凑型逆变器的研究备受关注。

在国产的电动汽车中，逆变器的体积很大，但功率密度一般小于5KW/L，放置在车内的难度较大，如图2示出了传统的逆变器单相组件的结构，其中IGBT模块10、冷却板20和DC-Link电容30自上而下平铺，三相组件也采用平面布置的方式。而国际上的高功率密度（最高15KW/L）的逆变器都需要定制电子器件，如IGBT模块和DC-Link电容，这些定制的器件不但价格昂贵，而且变形设计非常困难，普遍适用性较差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种紧凑型逆变器及其制造方法，无需特别定制电子器件，可以有效减小逆变器的体积，提高逆变器的功率密度，同时显著降低成本。

为了解决上述技术问题，本发明提供的紧凑型逆变器，包括一个DC-Link电容和三个单相全桥模块，所述三个单相全桥模块分别为U相全桥模块、V相全桥模块和W相全桥模块；所述三个单相全桥模块围成一个内腔，所述DC-Link电容固定在该内腔中，且DC-Link电容的正负极对应地连接在三个单相全桥模块上。

其中，每个单相全桥模块包括冷却板、上半桥IGBT芯片、下半桥IGBT芯片、直流母线正极铜排、直流母线负极铜排、相线铜排、导热绝缘垫片和驱动控制板；所述直流母线正极铜排、直流母线负极铜排和相线铜排固定在冷却板上，三个铜排与冷却板之间设有导热绝缘垫片；所述上半桥IGBT芯片固定在直流母线正极铜排上，下半桥IGBT芯片固定在相线铜排上，上半桥IGBT芯片的发射极与相线铜排连接，下半桥IGBT芯片的发射极与直流母线负极铜排连接，上半桥IGBT芯片的其它极和下半桥IGBT芯片的其它极均与驱动控制板连接；三个单相全桥模块的冷却板端部相互靠近，形成所述内腔。

其中，DC-Link电容的一端具有三个正极引脚，另一端具有三个负极引脚，DC-Link电容与冷却板固定，DC-Link电容的每个正极引脚与一个单相全桥模块的直流母线正极铜排连接，每个负极引脚与一个单相全桥模块的直流母线负极铜排连接。

其中，所述每个单相全桥模块的相线铜排位于直流母线正极铜排和直流母线负极铜排之间。

在上述结构中，所述U相全桥模块的冷却板靠近直流母线负极铜排的一端与V相全桥模块的冷板却靠近直流母线正极铜排的一端相邻，U相全桥模块的冷却板靠近直流母线正极铜排的一端与W相全桥模块的冷板却靠近直流母线负极铜排的一端相邻，V相全桥模块的冷板却靠近直流母线负极铜排的一端与W相全桥模块的冷板却靠近直流母线正极铜排的一端相邻。

或者，所述U相全桥模块的冷却板靠近直流母线负极铜排的一端与W相全桥模块的冷板却靠近直流母线正极铜排的一端相邻，U相全桥模块的冷却板靠近直流母线正极铜排的一端与V相全桥模块的冷板却靠近直流母线负极铜排的一端相邻，W相全桥模块的冷板却靠近直流母线负极铜排的一端与V相全桥模块的冷板却靠近直流母线正极铜排的一端相邻。

较佳的，所述三个单相全桥模块围成的内腔截面为六边形或圆形或三角形或带圆角的三角形。

其中，所述DC-Link电容的两端分别具有一铜排，一端的铜排形成有三个正极引脚，另一端的铜排形成有三个负极引脚。

优选的，所述驱动控制板固定在单相全桥模块的IGBT芯片上。

进一步地，所述冷却板具有冷却流道，所述冷却流道可通过搅拌摩擦焊形成。

本发明还提供所述紧凑型逆变器的制造方法，包括以下步骤：

步骤1，将上半桥IGBT芯片固定在直流母线正极铜排上，并将下半桥IGBT芯片固定在相线铜排上；

步骤2，将上半桥IGBT芯片的发射极引脚与相线铜排连接，并将下半桥IGBT芯片的发射极引脚与直流母线负极铜排连接；

步骤3，将直流母线正极铜排、直流母线负极铜排和相线铜排固定到冷却板上，三个铜排与冷却板之间布置导热绝缘垫片；

步骤4，将驱动控制板固定在上半桥IGBT芯片和下半桥IGBT芯片上，并将所有IGBT芯片的其它极均与驱动控制板连接，完成一个单相全桥模块的组装；

步骤5，按照步骤1至步骤4组装另外两个单相全桥模块；

步骤6，在DC-Link电容的一端安装带三个正极引脚的铜排，在另一端安装带三个负极引脚的铜排；

步骤7，将三个单相全桥模块固定并围成一个内腔，并把DC-Link电容装入内腔中固定；

步骤8，将DC-Link电容的三个正极引脚分别与三个单相全桥模块的直流母线正极铜排连接，三个负极引脚分别与三个单相全桥模块的直流母线负极铜排连接。

其中，在步骤1中，上半桥IGBT芯片和下半桥IGBT芯片分别通过锡焊的方式固定在直流母线正极铜排和相线铜排上；在步骤2中，所有IGBT芯片的发射极引脚通过电阻焊或激光焊与对应的铜排连接；在步骤7中，三个单相全桥模块通过螺钉固定，DC-Link电容通过灌胶的方式固定在内腔中；在步骤8中，DC-Link电容的所有引脚通过电阻焊与对应的铜排连接。

与现有大体积的平铺式逆变器结构相比，本发明的有益之处在于：

1）从三维方向布置三个单相全桥模块，充分利用空间，减小了逆变器的体积；

2）对IGBT芯片的要求较低，可以直接采用目前常见的标准封装的IGBT芯片进行组合，提高了可扩展性，同时不同的逆变器只需要根据功率要求增加或者减少IGBT芯片的数量即可，不需要像传统IGBT模块那样更改或定制特殊结构或形状的IGBT芯片；

3）针对每相全桥模块单独设计冷却板，使得冷却板的尺寸减小为原来的1/3，并将冷却板与IGBT设计成一体组件，三相采用完全相同的组件进行装配，减少了冷却板的成本；

4）IGBT芯片通过铜排安装到冷却板上，铜排可以增大散热面积及热容，提高散热能力；

5）三个单相全桥模块（包括IGBT芯片、各铜排和水冷板）围成一圈形成内腔，DC-Link电容设于中间的内腔中，这样降低了电容器的工作环境温度，电容器的容量需求可以减小为原来的3/5，大大降低了产品体积和成本；

6）冷却板在逆变器中所包围的体积增加，降低了产品腔体内的温度，能够提高电子器件的工作性能；

7）三个单相全桥模块围成一圈布置，整体电流回路路径变短，减小了逆变器模块的寄生电感。

附图说明

图1是采用三相全桥的逆变器的电路原理图；

图2是传统逆变器平铺结构的示意图；

图3是本发明逆变器中单相全桥模块的结构示意图；

图4是本发明逆变器中DC-Link电容的示意图；

图5是本发明的逆变器的结构示意图；

图6是本发明逆变器中单相全桥模块的布局图；

图7是本发明的逆变器的立体结构示意图。

其中附图标记说明如下：

10为IGBT模块；20为冷却板；30为DC-Link电容；

1为冷却板；21为上半桥IGBT芯片；22为下半桥IGBT芯片；3为U相相线铜排；4为V相相线铜排；5为W相相线铜排；6为直流母线正极铜排；7为直流母线负极铜排；8为导热绝缘垫片；9为DC-Link电容；10为驱动控制板。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明提供的紧凑型逆变器，适用于电动汽车，包括纯电动汽车和混合动力汽车，如图5、图7所示，包括一个DC-Link电容9和三个单相全桥模块，三个单相全桥模块分别为U相全桥模块、V相全桥模块和W相全桥模块。

其中，如图3所示，U相全桥模块包括冷却板1、上半桥IGBT芯片21、下半桥IGBT芯片22、直流母线正极铜排6、直流母线负极铜排7、U相相线铜排3、导热绝缘垫片8和驱动控制板10。直流母线正极铜排6、直流母线负极铜排7和U相相线铜排3固定在冷却板1上，三个铜排与冷却板1之间设有导热绝缘垫片8。如图6所示，上半桥IGBT芯片21固定在直流母线正极铜排6上（上半桥IGBT芯片21的集电极与直流母线正极铜排6连接），下半桥IGBT芯片22固定在U相相线铜排3上（下半桥IGBT芯片22的集电极与U相相线铜排3连接），上半桥IGBT芯片21的发射极与U相相线铜排3连接，下半桥IGBT芯片22的发射极与直流母线负极铜排7连接，上半桥IGBT芯片21的其它极（门极和其它控制极）和下半桥IGBT芯片22的其它极均与驱动控制板10连接。同理，V相全桥模块和W相全桥模块与U相全桥模块的结构相同。

其中，驱动控制板10固定在单相全桥模块的顶部，即上下半桥IGBT芯片21、22上，如图7所示。

如图4所示，DC-Link电容9一端具有三个正极引脚，另一端具有三个负极引脚。

如图5、图7所示，三个单相全桥模块的冷却板1端部相互靠近，形成一个内腔，DC-Link电容9装入该内腔中并通过灌封胶与冷却板1的底部固定连接，DC-Link电容9的每个正极引脚与一个单相全桥模块的直流母线正极铜排6连接，每个负极引脚与一个单相全桥模块的直流母线负极铜排7连接，即DC-Link电容9的一个正极引脚与U相全桥模块的直流母线正极铜排6连接，再一个正极引脚与V相全桥模块的直流母线正极铜排6连接，最后一个正极引脚与W相全桥模块的直流母线正极铜排6连接，三个负极引脚的连接方式与正极引脚相同，故不再赘述。

如图3、图5和图6所示，每个单相全桥模块的相线铜排3、4、5位于直流母线正极铜排6和直流母线负极铜排7之间，这样便于上半桥IGBT芯片21和下半桥IGBT芯片的引脚连接，避免产生干涉。

据此，U相全桥模块的冷却板1靠近直流母线负极铜排7的一端与V相全桥模块的冷板却1靠近直流母线正极铜排6的一端相邻，U相全桥模块的冷却板1靠近直流母线正极铜排6的一端与W相全桥模块的冷板却1靠近直流母线负极铜排7的一端相邻，V相全桥模块的冷板却1靠近直流母线负极铜排7的一端与W相全桥模块的冷板却1靠近直流母线正极铜排6的一端相邻，如图5所示。

当然，V相全桥模块和W相全桥模块位置交换也可以，即U相全桥模块的冷却板靠近直流母线负极铜排的一端与W相全桥模块的冷板却靠近直流母线正极铜排的一端相邻，U相全桥模块的冷却板靠近直流母线正极铜排的一端与V相全桥模块的冷板却靠近直流母线负极铜排的一端相邻，W相全桥模块的冷板却靠近直流母线负极铜排的一端与V相全桥模块的冷板却靠近直流母线正极铜排的一端相邻。

在本实施例中，如图5、图7所示，三个单相全桥模块的冷却板1围成的内腔截面为六边形，当然，三个冷却板还可以为平面型，靠拢后形成截面为三角形的内腔，或者将图3中的冷却板弯折段变成弧形，靠拢后形成截面为圆形或带圆角的三角形的内腔，等等，只要是形成一内腔供DC-Link电容装入即可。

其中，DC-Link电容9的两端分别具有一铜排，一端的正极铜排形成有三个正极引脚，另一端的负极铜排形成有三个负极引脚。

上述紧凑型逆变器的制造方法，包括以下步骤：

步骤1，根据逆变器的功率要求选择一定数量的IGBT芯片数量，在本实施例中，如图5所示，上半桥和下半桥均由四个IGBT芯片组成，电流能力可达500A，按照图1的逆变器电路原理图所示，方框内为IGBT上半桥，因此该逆变器共需要24个IGBT芯片；

步骤2，根据图1的逆变器电路图将所有的IGBT芯片通过锡焊的方式分别固定在对应的铜排上，如图6所示，四个上半桥IGBT芯片21固定在直流母线正极铜排6上，四个下半桥IGBT芯片22固定在U相相线铜排3上；

步骤3，通过电阻焊或者激光焊的方式将上半桥IGBT芯片21的发射极引脚与U相相线铜排3连接，并将下半桥IGBT芯片22的发射极引脚与直流母线负极铜排7连接，如图6所示；

步骤4，利用搅拌摩擦焊在冷却板1上加工冷却流道；

步骤5，将直流母线正极铜排6、直流母线负极铜排7和U相相线铜排3通过螺钉固定到冷却板1上，三个铜排与冷却板1之间布置导热绝缘垫片进行绝缘并传导热量；

步骤6，将驱动控制板10固定在上半桥IGBT芯片21和下半桥IGBT芯片22上，并将所有IGBT芯片的其它极均与驱动控制板10连接，这样就完成了U相全桥模块的组装；

步骤7，按照步骤2至步骤6分别组装V相全桥模块和W相全桥模块；

步骤8，在DC-Link电容9的一端安装带三个正极引脚的正极铜排，在另一端安装带三个负极引脚的负极铜排；

步骤9，将三个单相全桥模块通过螺钉固定并围成一个内腔，并把DC-Link电容装入内腔中，并通过灌胶的方式固定DC-Link电容9；

步骤10，将DC-Link电容9的一个正极引脚与U相全桥模块的直流母线正极铜排6连接，再一个正极引脚与V相全桥模块的直流母线正极铜排6连接，最后一个正极引脚与W相全桥模块的直流母线正极铜排6连接，一个负极引脚与U相全桥模块的直流母线负极铜排7连接，再一个负极引脚与V相全桥模块的直流母线负极铜排7连接，最后一个负极引脚与W相全桥模块的直流母线负极铜排7连接，如图7所示。

本发明从三维方向布置三个单相全桥模块，充分利用了空间，减小了逆变器的体积；三个单相全桥模块（包括IGBT芯片、各铜排和水冷板）围成一圈形成内腔，DC-Link电容设于中间的内腔中，这样降低了电容器的工作环境温度，电容器的容量需求可以减小为原来的3/5，大大降低了产品体积和成本，而且从IGBT到电容器电流回路路径变短，减小了逆变器模块的寄生电感。

此外，本发明对IGBT芯片的要求较低，可以直接采用目前常见的标准封装的IGBT芯片进行组合，提高了可扩展性，同时不同的逆变器只需要根据功率要求增加或者减少IGBT芯片的数量即可，不需要像传统IGBT模块那样更改或定制特殊结构或形状的IGBT芯片。同时，针对每相全桥模块单独设计冷却板，使得冷却板的尺寸减小为原来的1/3，并将冷却板与IGBT设计成一体组件，三相采用完全相同的组件进行装配，减少了冷却板的成本。而且，IGBT芯片通过铜排安装到冷却板上，铜排可以增大散热面积及热容，提高散热能力；冷却板在逆变器中所包围的体积增加，降低了产品腔体内的温度，能够提高电子器件的工作性能。

以上通过具体实施例对本发明进行了详细的说明，该实施例仅仅是本发明的较佳实施例，其并非对本发明进行限制。在不脱离本发明原理的情况下，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下对各冷却板的形状、IGBT芯片的数量等方面通过任何修改、等同替换、改进等方式所获得的所有其它实施例，均应视为在本发明所保护的技术范畴内。

Claims (14)

1.一种紧凑型逆变器，包括一个DC-Link电容和三个单相全桥模块，所述三个单相全桥模块分别为U相全桥模块、V相全桥模块和W相全桥模块，其特征在于，所述三个单相全桥模块围成一个内腔，所述DC-Link电容固定在该内腔中，且DC-Link电容的正负极对应地连接在三个单相全桥模块上；

所述每个单相全桥模块包括冷却板、上半桥IGBT芯片、下半桥IGBT芯片、直流母线正极铜排、直流母线负极铜排、相线铜排、导热绝缘垫片和驱动控制板；所述直流母线正极铜排、直流母线负极铜排和相线铜排固定在冷却板上，三个铜排与冷却板之间设有导热绝缘垫片；所述上半桥IGBT芯片固定在直流母线正极铜排上，下半桥IGBT芯片固定在相线铜排上，上半桥IGBT芯片的发射极与相线铜排连接，下半桥IGBT芯片的发射极与直流母线负极铜排连接，上半桥IGBT芯片的其它极和下半桥IGBT芯片的其它极均与驱动控制板连接。

2.根据权利要求1所述的紧凑型逆变器，其特征在于，所述DC-Link电容的一端具有三个正极引脚，另一端具有三个负极引脚，每个正极引脚与一个单相全桥模块的直流母线正极铜排连接，每个负极引脚与一个单相全桥模块的直流母线负极铜排连接。

3.根据权利要求1所述的紧凑型逆变器，其特征在于，所述每个单相全桥模块的相线铜排位于直流母线正极铜排和直流母线负极铜排之间。

4.根据权利要求3所述的紧凑型逆变器，其特征在于，所述U相全桥模块的冷却板靠近直流母线负极铜排的一端与V相全桥模块的冷却板靠近直流母线正极铜排的一端相邻，U相全桥模块的冷却板靠近直流母线正极铜排的一端与W相全桥模块的冷板却靠近直流母线负极铜排的一端相邻，V相全桥模块的冷板却靠近直流母线负极铜排的一端与W相全桥模块的冷板却靠近直流母线正极铜排的一端相邻。

5.根据权利要求3所述的紧凑型逆变器，其特征在于，所述U相全桥模块的冷却板靠近直流母线负极铜排的一端与W相全桥模块的冷板却靠近直流母线正极铜排的一端相邻，U相全桥模块的冷却板靠近直流母线正极铜排的一端与V相全桥模块的冷板却靠近直流母线负极铜排的一端相邻，W相全桥模块的冷板却靠近直流母线负极铜排的一端与V相全桥模块的冷板却靠近直流母线正极铜排的一端相邻。

6.根据权利要求1所述的紧凑型逆变器，其特征在于，所述三个单相全桥模块围成的内腔截面为六边形或圆形或三角形或带圆角的三角形。

7.根据权利要求2所述的紧凑型逆变器，其特征在于，所述DC-Link电容的两端分别具有一铜排，一端的铜排形成有三个正极引脚，另一端的铜排形成有三个负极引脚。

8.根据权利要求1所述的紧凑型逆变器，其特征在于，所述驱动控制板固定在单相全桥模块的IGBT芯片上。

9.根据权利要求1所述的紧凑型逆变器，其特征在于，所述冷却板具有冷却流道。

10.一种权利要求1所述的紧凑型逆变器的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，将上半桥IGBT芯片固定在直流母线正极铜排上，并将下半桥IGBT芯片固定在相线铜排上；

步骤2，将上半桥IGBT芯片的发射极引脚与相线铜排连接，并将下半桥IGBT芯片的发射极引脚与直流母线负极铜排连接；

步骤3，将直流母线正极铜排、直流母线负极铜排和相线铜排固定到冷却板上，三个铜排与冷却板之间布置导热绝缘垫片；

步骤4，将驱动控制板固定在上半桥IGBT芯片和下半桥IGBT芯片上，并将所有IGBT芯片的其它极均与驱动控制板连接，完成一个单相全桥模块的组装；

步骤5，按照步骤1至步骤4组装另外两个单相全桥模块；

步骤6，在DC-Link电容的一端安装带三个正极引脚的铜排，在另一端安装带三个负极引脚的铜排；

步骤7，将三个单相全桥模块固定并围成一个内腔，并把DC-Link电容装入内腔中固定；

步骤8，将DC-Link电容的三个正极引脚分别与三个单相全桥模块的直流母线正极铜排连接，三个负极引脚分别与三个单相全桥模块的直流母线负极铜排连接。

11.根据权利要求10所述的紧凑型逆变器的制造方法，其特征在于，在步骤1中，上半桥IGBT芯片和下半桥IGBT芯片分别通过锡焊的方式固定在直流母线正极铜排和相线铜排上。

12.根据权利要求10所述的紧凑型逆变器的制造方法，其特征在于，在步骤2中，所有IGBT芯片的发射极引脚通过电阻焊或激光焊与对应的铜排连接。

13.根据权利要求10所述的紧凑型逆变器的制造方法，其特征在于，在步骤7中，三个单相全桥模块通过螺钉固定，DC-Link电容通过灌胶的方式固定在内腔中。

14.根据权利要求10所述的紧凑型逆变器的制造方法，其特征在于，在步骤8中，DC-Link电容的所有引脚通过电阻焊与对应的铜排连接。