CN105917574B - 驱动器组件 - Google Patents

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Abstract

驱动器组件包括预定数量的半导体开关，其中，其中一个半导体开关布置在圆周线之内并且其余半导体开关布置在该圆周线上。

Description

驱动器组件
技术领域
本发明涉及一种驱动器组件。本发明尤其涉及驱动器组件的元件的布置。
背景技术
例如装载于机动车上的控制器用于提供电流或者电压，以控制所联接的负载。例如可以提供三相交流电压，以控制所联接的同步电动机的转动方向、转矩或者转速。
驱动器组件包括多个半导体开关，以提供同步电动机所需的电流或者电压。半导体开关通常不是无损耗工作的，因此必须将热量从其中引出。为了尽可能短且直接地引导通向半导体开关的引线并且能够通过共同的散热体进行散热，通常矩阵状地或者随机地布置半导体开关。在运行中，半导体开关根据它们的布置情况不同强度地升温，因此它们呈现不同的温度。由于不同的温度，半导体开关可以不同强度地加载电负荷，因此可能降低驱动器组件的总的电负荷。半导体开关也可能以不同的强度或速度老化，因此它们的故障概率不同。由此，会提高整个驱动器组件的故障概率。此外，通向半导体开关的引线可能具有不同的长度，由此可能对引线区域中的电磁兼容性、阻抗或者电压降产生负面影响。
发明内容
本发明的任务是提供一种改善的驱动器组件。本发明通过具有独立权利要求特征的驱动器组件解决了该任务。从属权利要求呈现了优选实施方案。
根据本发明的驱动器组件包括预定数量的半导体开关，其中，其中一个半导体开关布置在圆周线之内并且其余半导体开关布置在该圆周线上。由此，半导体开关在运行中可以基本上均匀地升温。优选地，其中一个半导体开关与圆的中点相邻地布置，并且其余半导体开关围绕该中点布置在圆周线上。由此，半导体开关的基本上均匀的升温可以得到进一步优化。半导体开关的热负荷可以是基本上相等的，使得半导体开关的电负荷能力也基本上相等。由此，可以整体提高整个驱动器组件的电负荷能力。替选地，在相同的负荷能力的情况下可以使得半导体开关的尺寸更小。由于相同的热负荷，半导体开关也可以以相同强度或者相同速度老化，因此与半导体开关的使用寿命相关的电负荷能力可以保持相当。由此，驱动器开关的电负荷能力可以在长期稳定的。可以提高驱动器组件的长期可靠性。这特别是在控制对于安全性关键的元件、例如装载于机动车上的电转向助力器的情况下是有利的。
优选地，位于圆周线上的半导体开关均匀分布。为此，在圆周线上相邻的半导体开关分别成相对于中点的相同的角度。半导体开关的布置可以是具有容差的，其方式是：在每个半导体开关的表面上选择任意的点，该点在圆周线上的位置或者相对于其他半导体开关的位置遵循以上所述。在另一种实施方案中，半导体开关具有相当的结构形式并且相当地选择半导体开关的表面上的点。例如，分别可以在几何中点上或者在运行过程中最强升温的区域中选点。
尤其当在最强升温的区域中选点时，可以任意选择各个半导体开关相对于热量分布的旋转的取向。在另一种实施方案中，各个半导体开关也可以相对于它们的轮廓线的最小间距彼此取向。当半导体开关的表面相对较大并且表面在运行中相对较均匀地升温时，这是特别有利的。
在另一种实施方案中，位于圆周线上的半导体开关与中间的半导体开关的间距可以同样大。由此，中间的半导体开关(它可能最强烈地承受来自其余半导体开关的热量输入)的升温可以受控地改善。因此，可以更容易地实现半导体开关的均匀温度。
在一种特别优选的实施方案中，驱动器组件用于驱控三相同步电动机。为此，驱动器组件包括三个半桥，它们一共具有九个半导体开关。每个半桥包括三个半导体开关，它们彼此接成高侧开关、低侧开关和相分隔器。在这种情况下，相分隔器设置用于将高侧开关和低侧开关之间的中间截取端与同步电动机的相联接端连接。
由此，可以产生用于驱控同步电动机的紧凑的且热稳定的驱动器组件，它由于附加的相分隔器而具有改善的可控性。尤其可行的是，例如当检测到故障状态时通过相分隔器将同步电动机关断。由此，与安全相关的或者对于安全性关键的系统中的同步电动机可以更好地进入安全状态，在其中，同步电动机既不短接也不流过电流。例如，同步电动机可以用于在机动车中增强或减弱驾驶员引起的转向力。如果通过相分隔器将同步电动机关断，那么转向力既不增强也不减弱。因此，即使在故障情况下也确保了机动车的预定的转向行为。
优选地，相分隔器的三个半导体开关布置成一排，并且在这一排的一侧上布置三个高侧开关而在另一侧上布置三个低侧开关。在这种情况下，位于中间的半导体开关必定是相分隔器。由此，可以改善驱动器组件中的热量分布的对称性。此外，可以更容易地无交叉地引导各个半导体开关之间的电连接。通过改善的连接引导可以对连接的电磁相兼容性、阻抗和线路电阻进行改善或者彼此适配。由此，驱动器组件可以更精确地控制或者更不易发生故障。
半导体开关可以是具有相同的引脚分配的能表面安装的元件。特别是在最后描述的布置的情况下，半导体开关之间的线路引导由此可以进一步简化。对流过同步电动机的相的电流进行引导的电连接可以易于无交叉地在平面中延伸。由此，可以更容易地规划和制造用于半导体开关的匹配的电路载体，例如具有施装的导体迹线的印制电路板。电路载体的升温还可以更好地控制。
优选地，设置用于抵靠在半导体开关上的散热体。该散热体尤其可以具有圆形的与各个半导体开关发生抵靠的基面。由此，可以产生驱动器组件所包括的均匀散热的半导体开关的圆柱体的布置。散热体可以安置于半导体开关上，使得由此产生的单元能单独操纵，由此可以将例如驱动器组件在用于驱控同步电动机的控制器中的安装过程简化。此外，散热体的或者单元的圆形形状可以与同步电动机的圆柱体形状相对应，使得更好地实现单元在同步电动机上的节省空间的安置。
在一种优选实施方案中，散热体包括突起，该突起用于抵靠在两个半导体开关之间的位于表面上的电连接元件上。在上述的电路载体的情况下，可以例如通过突起接触导体迹线。该突起可以有助于降低或补偿通过电连接元件从一个半导体开关到另一个半导体开关的热量输入。此外，该突起可以用于散热体在电路载体上的更好的机械固定。
特别优选的是，在半导体开关之间设置多个突起，使得半导体开关在运行中升温到相同的温度。突起的尺寸和位置可以例如通过计算、模拟或者试错法确定。突起的体积越大，它的热量引出就越强，使得与抵靠在突起上的连接元件连接的两个半导体开关可以更好地彼此热隔离。
在另一种实施方案中，还设置用于驱控半桥的控制装置。该控制装置用于监视同步电动机的相电压或者相电流，并且在特定的相电压或者相电流提示高侧开关或者低侧开关的损坏的情况下通过相分隔器将同步电动机关断。由此，包括驱动器组件、控制装置和同步电动机的组件即使在故障状态下也可以进入安全状态。这特别是在装载于机动车上的上述的安全相关系统的情况下(例如转向助力器)可以是有利的。
附图说明
下面参照附图更详细地说明本发明，其中：
图1示出驱动器组件的半导体开关的布置；
图2示出具有图1的驱动器组件的组件的电路图；
图3示出图1的驱动器组件的半导体开关之间的线路引导，并且
图4示出图1的驱动器组件的一种实施方案的侧视图。
具体实施方式
图1示出具有多个半导体开关105的驱动器组件100的示意性俯视图。半导体开关105优选是能表面安装的元件，所述元件布置于平面110中，该平面尤其通过电路载体115的表面，例如印制电路板的表面形成。半导体开关可以例如包括双极型晶体管、场效应晶体管、金属氧化物半导体场效应晶体管、晶闸管、开关二极管或者绝缘栅双极型晶体管。作为实例，设置九个半导体开关105，它们的电布局在下面更详细地说明。其中一个半导体开关105布置在圆周线125的中点120的区域中，而其余的半导体开关105位于圆周线125上。
为了确定半导体开关105的位置，可以在其轮廓线内选择一个点130，该点在圆周线125上或者在中点120上的精确位置可以确定。优选地，半导体开关105具有相同的轮廓线，并且在相对应的部位上选择点130。这些部位可以例如基于几何上的考虑或热学上的考虑进行选择，例如选择在几何中点或者最强升温的点上。但在图1中，在半导体开关上相应地偏离中心地选择点130。在这种情况下，中间的半导体开关105的点130落在中点120上。其余八个半导体开关105的点130均匀分布在圆周线125上，使得相邻的点130相对于中点120分别成360°：8＝45°的角。
优选地，半导体开关105与散热体135热耦合。散热体135优选地具有用于抵靠于半导体开关105的表面上的圆形基面140。在另一种实施方案中，基面140也可以是具有与布置于圆周线125上的半导体开关105一样多的角的正多边形。由此，驱动器组件100可以获得基本上圆柱体的形状，它可以与能通过驱动器组件100控制的同步电动机的端部区段的圆柱体形状相对应。驱动器组件100在端部区段的区域中可以有利地节省空间地布置在同步电动机上。尤其是，驱动器组件100可以布置在端部区段的轴向延长部上，由此驱动器组件100与同步电动机可以形成能独立操纵的单元。同步电动机和驱动器组件100可以布置在共同的壳体中。
散热体135可以通过导热垫、导热膏或者云母盘更好地热接合。由此可以引起半导体开关105与散热体135的电绝缘，当半导体开关105的电联接端位于其表面上时，这尤其是有利的。例如在所谓的直接场效应管(DirectFET)的情况下就是如此，所述直接场效应管优选地用作驱动器组件100中的半导体开关105。
图2示出控制器200，它尤其用于在机动车上运行。控制器200包括图1的驱动器组件100以及控制装置205，并且该控制器用于驱控三相同步电动机210。同步电动机210尤其可以包括在影响机动车上的与安全相关的或者对于安全性关键的功能的促动器中。例如，机动车的转向设备可以包括电转向助力器，该电转向助力器由同步电动机210驱动。在另一种实施方案中，同步电动机210也可以设置用于对机动车上的其他装置进行驱动，例如用于车窗升降器、电车顶或者座位调整器的驱动。
同步电动机210例如配置为星形电路并包括三个相215至225，它们分别用于与电流源或者耗电器连接，用以控制同步电动机210的转动方向、转速或者转矩。下面，“相”这个概念一般用于指所示的三相同步电动机210的三个电联接端中的一个。
三个相215至225与控制器200连接。控制装置205用于驱控驱动器组件100，使得各个相215至225以限定的时序与正电势230或者负电势235连接，从而在同步电动机210上出现预定的转动运动或者预定的转矩。
此外，控制装置205优选地用于确定故障情形并在此后将驱动器组件100关断，使得三个相215至225既不彼此连接也不与电势230或235之一连接。
为此，可以在相215至225与驱动器组件100之间的连接部上分别设置传感器240。传感器240可以用于确定位于各相215至225上施加的电压或者流过各相215至225的电流。在另一种实施方案中，仅仅设置两个传感器240，并且针对剩余的相215至225的相对应的测量值的确定以分析方式进行，尤其是基于基尔霍夫定律。
在该实施方案中，传感器240用于确定相电流。为此，传感器240包括纵向电阻245，该纵向电阻也称为分路器并且各个相215至225的电流流过该纵向电阻。纵向电阻245上的电压降在该示例性的实施方案中通过测量放大器250确定，使得存在与流过相215至225的电流成比例的信号。该信号优选地由控制装置205来评估。
在驱动器组件100的区域中的功能故障例如可能导致其中一个相215至225持续地与正电势230或者负电势235连接。在这种情况下，也可以在没有对驱动器组件100进行相应驱控的情况下确定流过相应的相215至225的电流。该功能故障也可以通过对相电压的观察探测到。
在另一种实施方案中，可以设置转动传感器245以扫描同步电动机210的转动运动。该转动传感器245可以与控制装置205连接，并且可以根据转动传感器245的转动信号控制相电流的时序。此外，可以通过转动传感器245确定功能故障，在该功能故障的情况下，同步电动机210不同于通过相215至225的驱控所期待的那样转动，例如因为同步电动机受到机械卡阻并且不管其控制情况如何完全不转动。
如果因此确定了功能故障，那么控制装置205可以关断驱动器组件100。优选地，为此在驱动器组件100中设置专用的半导体开关105，它们以如下方式来驱控，即，中断相215至225与驱动器组件100的其他半导体开关105之间的电连接，这将在下面更详细说明。
图3示出用于图2的控制器200的图1的驱动器组件100的半导体开关105之间的示例性的线路引导。在这种情况下，采用与图1中所示的实施方案相应的半导体开关105的优选布置。所示的是在没有散热体135的情况下印制电路板115的俯视图。示意性地示出了电连接。
在所示的优选实施方案中，在三个半桥305至315中安排有九个半导体开关105。每个半桥305至315包括三个半导体开关105，其中一个用作高侧开关320，一个用作低侧开关325，一个用作相分隔器330。半桥305至315的相分隔器330用于建立与其中一个相215至225的能切换的连接。相分隔器330的以这种方式能切换地与各相215至225连接的联接端与高侧开关320的联接端连接，以便切换到正电势230，并且与低侧开关325的联接端连接，以便切换到负电势235。在这种情况下，通常通过相应的驱控避免同一半桥305至315的高侧开关320和低侧开关325的同时闭合。
半导体开关105优选地具有相同的引脚分配。为此，可以使用相同类型的半导体开关105。在另一种实施方案中，高侧开关320和低侧开关325的半导体开关105可以形成互补对，其中，可以采用镜像颠倒的引脚分配。
此外优选的是半导体开关105是能表面安装的。在图3中，将半导体开关安置在电路载体115的表面上。半导体开关105尤其可以包括优选使用直接场效应管的结构形式的场效应晶体管。
九个所示的半导体开关105中的每一个都优选地能独立驱控。在每个半导体开关105上设置有控制联接端335，该控制联接端可以与控制装置205连接。每个半导体开关105的另外两个联接端通过在图3中用粗线示意性表示的连接元件340彼此电连接，如以上所述那样。优选地，半导体开关105相对于中点120和圆周线125(两者均未示出)布置成使得三个相分隔器330排成一排或者位于一条直线上。在这种情况下，其中两个相分隔器330位于圆周线125上并且第三个相分隔器330在处于一条直线上的它们之间位于中点120的区域中。优选地，高侧开关320布置于该线的一侧，在图3中位于上侧，而低侧开关325布置于另一侧，在图3中位于下侧。在这种情况下，高侧开关320和低侧开关325都位于圆周线125上。
如图3中所示，半导体开关105之间的连接、半导体开关105与和电势230和235之间的连接以及半导体开关105与和相215至225的联接端之间的连接可以容易地保持无交叉且很短。控制联接端335与和控制装置205之间的连接可以以已知的方式容易地分拆。在一种优选实施方案中，将所有向控制联接端335延伸的电连接可以在不同于连接元件340的平面中延伸，所述连接元件引导流过同步电动机210的相215至225的电流。为此可以使用具有多个平面的电路载体115，连接元件340可以在所述平面上引导。在所示的实施方案中，引导电流的连接元件340在电路载体115的上侧上引导，而用于通过镀通孔来接触控制联接端335的连接元件可以敷设于电路载体115的下侧上。
图4示出图1的驱动器组件100的一种实施方案的侧视图。散热体135的基面140抵靠在半导体开关105的上表面上。优选地，散热体135与半导体开关105的热耦合通过插入它们之间的导热剂405进行。导热剂405优选具有小的热阻并优选用于跨接半导体开关105的上表面与散热体135的基面140之间的不同宽度的间隙。由此可以补偿半导体开关105的竖直的安装容差。此外优选的是导热剂405是电绝缘的。导热剂405可以例如包括导热垫、导热膏或者云母盘。
散热体135可以包括突起410，该突起用于抵靠在连接元件340上。在突起410和连接元件340之间同样可以设置导热元件405。通过突起410可以更好地使连接元件340散热。由此，可以减少沿着连接元件340向半导体开关105的热量输入。将两个半导体开关105彼此电连接的连接元件340尤其可以通过突起410散热。由此，可以改善两个半导体开关105的热隔离。
可以将突起410的尺寸、位置和形状选择成使得影响半导体开关105之间的热流，从而半导体开关105在运行中基本上相同地升温。可以在半导体开关106对之间设置多个突起410，其中，突起410也可以具有不同地成形。可以将突起410的尺寸和形状选择成使得确保半导体开关105在运行中的均匀升温。
一般而言优选的是，突起410仅仅延伸至在图3中用粗线表示的由电流流过的连接元件340，所述电流流过同步电动机210的相215至225。
附图标记
100 驱动器组件
105 半导体开关
110 平面
115 电路载体(印制电路板)
120 中点
125 圆周线
130 点
135 散热体
140 基面
200 控制器
205 控制装置
210 三相同步电动机
215 第一相
220 第二相
225 第三相
230 正电势
235 负电势
240 传感器
245 纵向电阻(分路器)
250 测量放大器
305 第一半桥
310 第二半桥
315 第三半桥
320 高侧开关
325 低侧开关
330 相分隔器
335 控制联接端
340 连接元件
405 导热剂
410 突起

Claims (8)

1.一种驱动器组件(100)，其中，总计设置九个半导体开关(105)，其特征在于
-其中一个半导体开关(105)布置在圆周线(125)之内并且其余半导体开关(105)布置在所述圆周线(125)上；并且
-所述驱动器组件(100)包括三个用于驱控三相同步电动机(210)的半桥(305、310、315)；
-其中，每个半桥(305、310、315)都包括三个半导体开关(105)，所述三个半导体开关接成高侧开关(320)、低侧开关(325)和相分隔器(330)；
-其中，所述相分隔器(330)设置用于将所述高侧开关(320)和所述低侧开关(325)之间的中间截取端与所述同步电动机(210)的相联接端(215、220、225)连接；
-并且其中，所述相分隔器(330)的三个半导体开关(105)布置成排，并且在所述排的一侧上布置三个高侧开关(320)而在另一侧上布置三个低侧开关(325)。
2.根据权利要求1所述的驱动器组件(100)，其特征在于，位于所述圆周线(125)上的半导体开关(105)均匀分布。
3.根据权利要求1或2所述的驱动器组件(100)，其特征在于，位于所述圆周线(125)上的半导体开关(105)与中间的半导体开关(105)的间距同样大。
4.根据权利要求1或2所述的驱动器组件(100)，其特征在于，半导体开关(105)是具有相同的引脚分配的能表面安装的元件。
5.根据权利要求1或2所述的驱动器组件(100)，所述驱动器组件还包括用于抵靠在半导体开关(105)上的散热体(135)。
6.根据权利要求5所述的驱动器组件(100)，其特征在于，所述散热体(135)包括突起(410)，所述突起用于抵靠在两个半导体开关(105)之间的位于表面上的电连接元件(340)上。
7.根据权利要求6所述的驱动器组件(100)，其特征在于，在半导体开关(105)之间设置多个突起(410)，使得半导体开关(105)在运行中升温到相同的温度。
8.根据权利要求1所述的驱动器组件(100)，其特征在于，还设置用于驱控所述半桥(305、310、315)的控制装置(205)，其中，所述控制装置(205)还用于监视所述同步电动机(210)的相电压或者相电流，并且在确定的相电压或者相电流提示所述高侧开关(320)或者所述低侧开关(325)的故障的情况下通过所述相分隔器(330)将所述同步电动机(210)关断。
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