CN108370653B - 一种汽车电力电子组件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种汽车电力电子组件，包括：金属盖板(2)、冷却管(10)、多个金属散热器主体(20、21)和印刷电路板(40)，冷却管(10)容置在沿着盖板(2)的第一表面延伸的凹槽(4)中，多个金属散热器主体(20、21)设置在盖板(2)的第二、相对的表面上并且具有与盖板热传导接触的第一端面，每个散热器主体(20、21)在侧表面上承载至少一个待冷却的半导体元件(30)，印刷电路板(40)设置在与盖板的第二表面相距一定距离处并且为半导体元件(30)提供电子接触点，印刷电路板(40)与散热器主体的第二端面(26)接触，第二端面(26)为与盖板(2)的第二表面接触的第一端面(24)相对，其特征在于，每个散热器主体从与盖板(2)接触的第一端面(24)到与印刷电路板(40)接触的第二端面(26)逐渐变细，使得与盖板(2)的接触面积大于与印刷电路板(40)的接触面积，其中每个散热器主体逐渐变细的形状包括相对的侧壁，该侧壁随着距盖板(2)增加的距离而朝彼此会聚并且承载半导体元件(30)。

Description

一种汽车电力电子组件
发明内容
本发明涉及一种汽车电力电子组件，包括金属盖板、冷却管、多个金属散热器主体和印刷电路板，所述冷却管被容置在沿盖板第一表面延伸的凹槽中，所述多个金属散热器主体设置在盖板的第二、相对的表面上并且具有与所述盖板热传导接触的第一端面，每个散热器主体在侧表面上承载至少一个待冷却的半导体元件，所述印刷电路板设置在与所述盖板的第二表面相距一定距离处并且为所述半导体元件提供电子接触点，所述印刷电路板与所述散热器主体的第二端面接触，所述第二端面与第一端面是相对的，第一端面与所述盖板的第二表面接触。
除其他电子电路元件之外，电力电子组件使用用于控制和转换电功率的固态电子电路元件。在现有技术中，电力电子组件功率转换由诸如二极管、晶体闸流管、三极管和晶体管的半导体元件执行。典型的电力电子装置是AC/DC转换器(整流器)。与用于传输和处理电子信号和数据的电子设备相比，电力电子设备明显处理更大量的电能。因此，用于转换和处理大量电能的半导体元件会产生大量的热量，因此需要进行冷却以避免元件的损坏或故障。为此，已知的是将半导体元件安装在具有高导热性的散热器主体上。散热器主体继而与冷却管热接触，冷却流体流动经过所述冷却管以驱散来自半导体元件的热量。这种包括冷却流体布置的电力电子组件在例如US5,829,516B1和US 2014/0225249 A1中进行了描述。
电力电子组件也在汽车行业中应用，例如作为电池充电器。除了传统内燃机之外，特别是在使用电动机的混合动力车辆中，电力电子组件被用于将车辆减速时产生的机械能转换产生电能，并且利用所产生的电能给电池充电。
汽车电力电子组件的一个示例是基于ELTEK/法雷奥(Valeo)车载充电器。该电力电子组件包括金属铸造的盖板。在盖板的第一表面上形成了凹槽，并且将大致U形的冷却管压入配合在盖板的凹槽中。U形冷却管的入口端和出口端是从盖板的一个侧边突出以连接到冷却流体回路。在与第一表面相对的盖板的第二表面上存在用作电力电子组件的电子元件的安装结构。此外，有散热器主体与盖板的第二表面热传导接触。散热器主体由金属制成并且具有扁平立方体的形状，并且半导体元件安装在板状散热器主体的各个大的相对表面上。印刷电路板与散热器主体中与盖板接触的端面相对的端面接触。散热器主体的立方体状或板状矩形形状意味着从与盖板接触的第一端面到与印刷电路板接触的第二端面的纵向延伸上具有相同的横截面积。承载在散热器主体的侧壁上的半导体元件通过导体连接到印刷电路板。
本发明的目的是提供一种汽车电力电子组件，对于包括在汽车电力电子组件中的半导体元件具有更高的冷却效率。此外，如果半导体元件之间可以利用印刷电路板上的短导电线路长度而通过印刷电路板来连接，则这将是有利的。
根据本发明，每个散热器主体从与盖板接触的第一端面到与印刷电路板接触的第二端面具有逐渐变细的形状，使得与盖板的接触面积大于与印刷电路板的接触面积。每个散热器主体的锥形形状包括相对的侧壁，这些侧壁随着距盖板增加的距离而朝向彼此会聚并且承载半导体元件。
一方面逐渐变细的散热器主体允许提供与盖板的大的接触面积，并因此为需要冷却的盖板的热传导提供大的面积。另一方面，相对的会聚的侧壁允许保持与印刷电路板的接触面积更小。这意味着由于跟与盖板相同接触面积的立方体散热器主体相比，朝着印刷电路板的半导体元件的末端是更加靠近的，所以连接一个半导体元件和印刷电路板上导电线路的导体总长度、连接散热器主体的相对侧壁上的半导体元件到印刷电路板上导电线路的导体长度，以及接触点与导体之间的导电线路的长度可以保持相对较小。由于以下原因，小的导体长度和印刷电路板上小的导电线路长度是有利的。
电气性能通过具有较短的连接线路而得以改善，例如将作为发射和接收天线的线路所产生的干扰最小化，所述干扰可能导致组件产生EMI(电磁干扰)噪声或放大操作环境中存在的EMI噪声。换言之，较短的导电线路改善了组件的电磁兼容性(EMC)特性。此外，线路的电阻随着线路长度的增加而增加，这由于热量产生而导致电力传输中更高的功率损失。另外，较长的线路会增加每个段上的传输时间延迟，从而降低设备性能和充分控制系统的能力。最后，线路越长，电感和电容越高，并且对在电路的特征频率上谐振振荡(其也称为振铃现象)的敏感度越高。因此，根据本发明的许多方面，散热器主体的相对逐渐变细的侧壁上半导体器件之间导电线路的长度的减小，改善了电力电子组件的性能。
在一个优选实施例中，每个散热器主体具有截顶棱柱的形状，截顶棱柱具有限定第一端面的大底面，并且棱柱的顶端的平面切割形成与第一端面相对的第二端面。在原始棱柱为对称棱柱的情况下，存在两个相对的会聚侧壁以相同角度相对于第一端面倾斜，并且存在两个相对的平行侧壁，该两个相对的平行侧壁具有顶部截断的等腰三角形形状。相对的两个平行侧壁之间的距离决定了截顶棱柱的长度，并决定了可以在相对的会聚侧壁上相邻放置多少个半导体元件。
当然，还有许多其他具有会聚的相对侧壁的可能的形状，例如具有两对会聚的相对侧壁的截顶棱锥体。另一个例子是具有矩形底部作为第一端面的截顶楔形散热器主体，其中一个侧壁从第一端面垂直于第二端面延伸，一个相对的侧壁相对于底面倾斜并且朝垂直侧壁逐渐变细至第二个端面。另外两个侧壁设置在平行平面中，并且具有顶角被切除的直角三角形形状。
在一个优选实施例中，散热器主体形成为至少一个成对布置，每个散热器主体成对布置具有平行的一对相邻散热器主体，其通过整体成形的连接部分连接，使得散热器主体的第一端面和连接部分的邻接端面形成与盖板共同的接触面积。由于连接部分的端面的附加面积，该共同的接触面积大于两个散热器主体的第一端面的总和，这进一步改善了从散热器主体到盖板的热传导。
在一个优选实施例中，提供了一对两个第一散热器主体成对布置，所述一对两个第一散热器主体成对布置并排设置在盖板上，其中散热器主体和连接部分在盖板的横向方向上对齐。一对两个散热器主体成对布置的第二端面通过散热器主体的第二端面提供了印刷电路板的分布式支撑，该第二端面在盖板的横向方向上间隔开一定距离以提高机械稳定性。
在一个优选实施例中，在盖板上并排设置有两个第二散热器主体成对布置，其中散热器主体和连接部分在盖板的横向方向上对齐，其中两个第一散热器主体成对布置设置在所述盖板的纵向方向上与所述第二散热器主体成对布置相距一定距离处，所述盖板的纵向方向垂直于横向方向。这种布置提供了与印刷电路板接触的散热器主体的另外的第二端面，其中接触面积是沿着纵向和横向方向分布以改善印刷电路板的机械稳定性和支撑。
在一个优选实施例中，冷却管设置在盖板的第一表面上，并且一个或多个散热器主体成对布置是设置在盖板的第二表面上，使得当冷却管投射到所述盖板的第二表面时，冷却管在直线的垂直方向上与所述连接部分相交，所述直线连接所述散热器主体成对布置的两个散热器主体。以这种方式，冷却管有效地冷却每个散热器主体成对布置的连接部分，成对布置的两个散热器主体围绕着连接部分对称地设置，所述连接部分位于盖板相对面的交叉冷却管区域中。这样，双排布置的两个散热器主体通过在盖板相对面上的单个冷却管以有效的方式被冷却。
在一个优选实施例中，盖板和散热器主体由铝制成。
根据本发明的另一方面，提供了一种汽车电力电子组件组合，其包括如前述的第一和第二汽车电力电子组件。第一和第二汽车电力电子组件的第一盖板和第二盖板具有相同的设计，其中冷却管的延伸和第一表面中的凹槽是围绕着盖板的纵向轴线180°对称的。这些盖板是相互设置在彼此的顶部上，但是将第二盖板围绕自身纵向轴线旋转180°，使得第一和第二汽车电力电子组件的盖板的第一表面彼此相对，并且适配有它们的凹槽和共用相同的冷却管。这种两个组合的汽车电力电子组件的布置允许特别紧凑的设计和冷却管的有效使用。
附图说明
下面将结合附图中所示的优选实施例来描述本发明，其中：
图1示出了根据本发明的汽车电力电子组件的优选实施例的透视图；
图2示出了图1的汽车电力电子组件的透视图，其中上壳体部分被移除；
图3示出了图1和图2中的汽车电力电子组件的横截面图。
图4示出了图3的横截面的局部放大图；和
图5示出了电力电子组件的下部的透视图，其中除了半导体元件之外，散热器主体上的其他电子元件被移除以简化说明。
具体实施方式
参考图1的透视图，汽车电力电子组件包括盖板2，在该实施例中，盖板2与整体成形的侧壁8一起形成上壳体构件的一部分，侧壁8形成一个在底侧上敞开的矩形碗状物。在盖板2的第一表面(上表面)上形成凹槽4，凹槽4设置成容置大致U形的冷却管，该冷却管匹配地压入到凹槽4中。该冷却管10允许循环冷却流体以去除盖板2中的热能。
从图2的透视图中可以看出，存在支撑着印刷电路板40的近似平面的下壳体部分6。电力电子组件的许多电子元件(诸如线圈等)被安装在印刷电路板40上，这里不再详细描述。此外，散热器主体20、21连接到印刷电路板40并且在盖板2的第二表面上与盖板2连接，该盖板2的第二表面与包括凹槽4和冷却部分10的表面相对。
散热器主体20、21的设计将参考图2-5来进行描述。在附图中所示的优选实施例中，散热器主体20、21被设置为散热器主体成对布置22。应该注意的是，在附图中，仅有一个散热器主体成对布置设置有参考数字。每个散热器主体成对布置22包括平行并排设置的一对散热器主体20、21。一对散热器主体20、21通过整体成形的连接部分23连接，该连接部分23在散热器主体成对布置22的两个散热器主体20、21之间延伸。连接部分23扩大了与盖板2的接触面积并进一步改善了到盖板2的热传导。
当不包括相邻的连接部分23而单独考虑每个散热器主体20、21时，在优选实施例中，每个散热器主体20、21具有截顶棱柱的形状，并具有两个会聚的平面侧壁，这两个会聚的平面侧壁沿着散热器主体的第一端面24到第二端面26的方向朝彼此逐渐变细。在所示的优选实施例中，原始棱柱是对称棱柱。除了相对的会聚侧壁之外，还有两个另外的平面侧壁，其具有顶部截断的等腰三角形形状。这两个相对的侧壁设置在彼此相对的平行平面中。
半导体元件30设置在散热器主体20、21的相对的会聚侧壁上。半导体元件30通过弹性夹具压在会聚的相对侧壁上，如图4中所示。导体32(参见图4)从半导体元件延伸到印刷电路板，其中导体32被电连接到接触点，该接触点与印刷电路板上的导电线路接触。
截顶棱柱的大的底面形成散热器主体20、21的第一端面24。相对的第二端面26由原始棱柱的截顶形成，该截顶在平行于第一端面24的平面上切除原始对称棱柱的顶端。由于逐渐变细的、会聚的侧壁，散热器主体20、21的横截面积随着距第一端面24的距离的增加而减小并且在第二端面26处变得最小。由于这种设置，与盖板2的接触面积可以变大，以便确保从散热器主体20、21到盖板2的有效热传导。另一方面，与具有与第一端面24相同面积的立方体散热器主体的情况相比，相对较小的相对的第二端面26允许来自相对的会聚侧壁上的半导体部件30的导体32也是会聚的，并且导体32在印刷电路板40上具有更靠近的接触点。由于印刷电路板上更近的接触点，连接接触点的导体线路可以更短，例如图4中所示。导电线路在散热器主体相对的会聚侧壁上的半导体元件30的接触点之间，印刷电路板上更短的导电线路是有利的，因为降低了电力电子组件对干扰和其他噪声的敏感性和改进了如上所述的其他性能特性。
如图2和图5所示，在印刷电路板40上具有相同设计的四个散热器主体成对布置22。两个第一散热器主体成对布置22中并排设置，并且散热器主体20、21和连接部分23沿盖板2的横向(矩形盖板2的较小延伸的方向称为横向)对齐。此外，在印刷电路板的纵向上存在第二行两个对齐的散热器主体成对布置22，使得四个散热器主体成对布置22设置在假设矩形的拐角上。以这种方式，获得了散热器主体20、21的第二端面26对印刷电路板40的稳定机械支撑。这对于印刷电路板和与其连接的元件的长期稳定性和耐久性是重要的，以及对组件承受汽车应用中经常发生的振动的抵抗是重要的。
例如如图3和图4所示，螺纹螺栓28连接印刷电路板40下方的中间底板并延伸穿过散热器主体20、21，螺栓28容纳在盖板2中的螺纹孔中以固定和支撑下底板6的组件，附接的中间底板支撑着印刷电路板40、散热器主体20、21和盖板2作为一种机械稳定的设置。
包括底板2和侧壁8的上壳体构件可以例如制成挤压铝部件。散热器主体也可以由铝制成。
参考图3的视图以及变形的实施例(未示出)，其中盖板2的上表面上的凹槽设置成使得冷却管仅一半的横截面的被容置在其中，并且盖板2的上表面成形为使得没有突出由凹槽4的边缘限定的水平面以外的部分，可以实现如下的非常紧凑的聚合物体。具有相同设计的盖板的第二电力电子组件可以放置在围绕纵向轴线(垂直于图3的图平面的轴线)旋转180°的第一电力电子组件的上面，使得冷却管的上半部分被容置在上部第二底板的凹槽中以形成对称且紧凑的设置。这种结构意味着冷却管的形状和凹槽的延伸部分是围绕纵向轴线180°旋转对称的。以这种方式可以实现非常紧凑的设计。

Claims (8)

1.一种汽车电力电子组件，包括：金属盖板(2)、冷却管(10)、螺纹螺栓(28)、多个金属散热器主体(20、21)和印刷电路板(40)，所述冷却管(10)被容置在沿着盖板(2)的第一表面延伸的凹槽(4)中，所述多个金属散热器主体(20、21)设置在所述盖板(2)的与第一表面相对的第二表面上并且具有与所述盖板热传导接触的第一端面，每个散热器主体(20、21)在侧表面上承载至少一个待冷却的半导体元件(30)，所述印刷电路板(40)设置在与所述盖板的第二表面相距一定距离处并且为所述半导体元件(30)提供电子接触点，所述印刷电路板(40)与所述散热器主体的第二端面(26)接触，所述第二端面(26)与第一端面(24)是相对的，第一端面(24)与所述盖板(2)的第二表面接触，
其特征在于，每个散热器主体从与所述盖板(2)接触的第一端面(24)到与所述印刷电路板(40)接触的所述第二端面(26)逐渐变细，使得与所述盖板(2)的接触面积大于与所述印刷电路板(40)的接触面积，其中每个散热器主体的锥形形状包括相对的侧壁，所述侧壁随着距盖板(2)的距离增加而朝彼此会聚并且承载半导体元件(30)，所述螺纹螺栓(28)连接印刷电路板(40)下方的中间底板并延伸穿过散热器主体(20、21)，螺纹螺栓(28)容纳在盖板(2)中的螺纹孔中以固定和支撑下底板(6)的组件。
2.根据权利要求1所述的汽车电力电子组件，其特征在于，每个散热器主体(20、21)具有截顶棱柱的形状，所述截顶棱柱具有限定所述第一端面(24)的大的底面积，并且一平面切割棱柱的顶端形成所述第二端面(26)。
3.根据权利要求1或2所述的汽车电力电子组件，其特征在于，所述散热器主体(20、21)形成为至少一个成对布置(22)，每个散热器主体成对布置(22)具有平行的相同设计的一对相邻散热器主体(20、21)，其通过整体成形的连接部分(23)连接，使得散热器主体的第一端面(24)和连接部分(23)的邻接端面形成与盖板(2)的共同接触面积。
4.根据权利要求3所述的汽车电力电子组件，其特征在于，两个第一散热器主体成对布置(22)并排设置在盖板(2)上，其中两个第一散热器主体(20、21)和连接部分(23)在盖板(2)的横向方向上对齐。
5.根据权利要求4所述的汽车电力电子组件，其特征在于，两个第二散热器主体成对布置并排设置在盖板(2)上，其中两个第二散热器主体和连接部分在盖板的横向方向上对齐，其中两个第一散热器主体成对布置设置为与所述第二散热器主体成对布置在所述盖板的纵向方向上相距一定距离，所述纵向方向垂直于横向方向。
6.根据权利要求5所述的汽车电力电子组件，其特征在于，冷却管(10)设置在盖板(2)的第一表面上，并且一个或多个散热器主体成对布置(22)设置在盖板(2)的第二表面上，使得当所述冷却管(10)投射到所述盖板(2)的第二表面时，冷却管(10)与一个或多个散热器主体成对布置(22)中的连接部分(23)相交。
7.根据权利要求5所述的汽车电力电子组件，其特征在于，所述盖板和所述第一和第二散热器主体是由铝制成。
8.一种汽车电力电子组件组合，包括两个根据权利要求1-7中任一项所述的汽车电力电子组件，其中两个汽车电力电子组件包括第一和第二汽车电力电子组件，第一盖板对应于所述第一汽车电力电子组件，第二盖板对应于所述第二汽车电力电子组件，第一盖板和第二盖板具有相同的设计，其中冷却管和第一表面中凹槽的延伸是围绕盖板的纵向轴线180°对称的，并且其中所述第一盖板和所述第二盖板是设置在彼此的顶部上但是将所述第二盖板围绕自身纵向轴线旋转180°，使得第一和第二汽车电力电子组件的盖板的第一表面彼此相对，并且适配有它们的凹槽以及共用相同的冷却管。
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