CN110034664A - 一种sic电动汽车的功率模组 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种SIC电动汽车的功率模组，包括：SIC MOSFET器件、散热器、低感母排、电容芯群组、驱动器、传感器和水电端子，功率模组从下到上依次设置散热器、SIC MOSFET器件、驱动器、电容芯群组；电容芯群组与SIC MOSFET器件电连接并置于SIC MOSFET器件上方，驱动器通过焊接在SIC MOSFET器件的辅助端子上安装固定，所述的功率模组各组成部件通过环氧树脂三层灌封的技术方式整体封装填充而成，无金属外壳。本发明的功率模组将电机控制单元(MCU)拆分独立出来，应用中可以根据车厂要求将电机控制单元与功率模组安装在一起做为完整的汽车控制器使用，也可以由车厂把电机控制单元的功能集成到车辆控制单元(VCU)中，功率模组只做为一个执行部件供车厂使用。

Description

一种SIC电动汽车的功率模组
技术领域
本发明涉及一种电动汽车控制器领域，特别涉及一种SIC电动汽车的功率模组。
背景技术
功率模块是为了满足功率半导体器件工作而将必备的部件按一定的组合方式集成后的一个独立的功能体，这种模块内部各部件采用紧固件连接或锡焊接，外部壳体可以使用铝合金外壳，也可以整体灌封不使用外壳。在现有技术中，功率模块的方式主要出现在兆瓦级大功率变流装置中，功率半导体器件是以IGBT为主，而在电动汽车行业现有的产品都是功率控制器，即功率模块和电机控制单元(MCU)的组合，而且半导体器件也是IGBT。
现有汽车控制器内的布局方式主要为：独立的电容器，IGBT分体式布局，通过螺栓连接的传统型式。已有独立电容器的安装布置型式，由于内部存在较大紧固件安装间隙，部件绝缘间隙，部件布局间隙，使控制器体积大，重量大，功率密度比较低。受已有独立电容器和IGBT布局连接的结构限制，主电路杂散电感难以进一步减小优化，在开关速度更快的新型功率器件应用中受到限制。已有独立电容器，在工作环境温度较高时散热性能受到限制，发热只能依靠辐射散热，工作寿命降低。
现有的汽车控制器外壳使用铝壳结构，密封性能差，设备稳定性差，可靠性低，寿命较短。控制器内部由于其分散的组织型式，各个车厂对其研究应用的技术难度高，通常向专业厂商外购，应用方式不够灵活，要对电机工作性能的调节也只能通过协调专业厂商来完成。
发明内容
为了进一步提高汽车控制器的功率密度比，提高产品可靠性，满足下一代新型半导体功率器件对内部电路更低的杂散电感的要求，满足车厂对控制器的灵活应用方式的需求，本发明提出一种SIC电动汽车的功率模组的设计方案。
本发明的技术方案是这样实现的：
本发明公开了一种SIC电动汽车的功率模组，包括：SIC MOSFET器件、散热器、电容芯群组、驱动器、传感器和水电端子，所述的功率模组从下到上依次设置散热器、SICMOSFET器件、驱动器、电容芯群组；所述的电容芯群组与SIC MOSFET器件电连接并置于SICMOSFET器件上方，所述的驱动器通过焊接在SIC MOSFET器件的辅助端子上安装固定，所述的功率模组各组成部件通过环氧树脂三层灌封的技术方式整体封装填充而成，无金属外壳。
进一步地，所述的灌封采用三层结构，具体是：第一层是隔离及密封层，采用纯环氧树脂材料，先真空浸渍，后高温固化；第二层是缓冲释放层，采用柔性聚氨酯，先真空灌封，后中温固化；第三层是粘合密封层，采用高温环氧材料，先真空灌封，后高温固化。
进一步地，所述的功率模组不包含电机控制单元电路板的部件。
进一步地，所述的功率模组对外控制信号输入接口焊接在驱动器上，功率模组灌封后控制信号接口露在功率模组的侧面。
进一步地，所述的功率模组上表面具有安装电机控制单元电路板的位置，以致可与电机控制单元电路板组合后形成一个完整的汽车控制器。
进一步地，所述的功率模组采用的MOSFET器件为碳化硅(SIC)MOSFET器件。
在本发明中，SIC电动汽车的功率模组功能上区别于现有汽车控制器，将电机控制单元(MCU)拆分独立出来，应用中可以根据车厂要求将电机控制单元与功率模组安装在一起做为完整的汽车控制器使用，也可以由车厂把电机控制单元的功能集成到车辆控制单元(VCU)中，功率模组只做为一个执行部件供车厂使用，如VVVF电机控制和逻辑控制等功能与整车车辆控制单元(VCU)集成为一个控制单元，这些控制策略和程序将统一由整车厂家来完成，功率模组只作为一个独立的执行部件使用。
实施本发明的一种SIC电动汽车的功率模组，具有以下有益的技术效果：
由于采用灌封绝缘技术，模组内部安装间隙小，部件绝缘间隙小，部件布局紧凑，合理利用的空间，而使得功率模组体积小，重量轻，功率密度比大，适应控制器的小型化，高效率的发展需求。
项目采用功率薄膜电容芯的灌封模式来生产模组，由于电容芯和IGBT布局连接的结构优化，杂散电感减小，满足了开关速度更快的SIC MOSFET功率器件的使用条件。并且内部的铜排也不用再做绝缘处理，降低构件的成本，更加有利于推广和被接受。
使用SIC MOSFET器件代替传统IGBT器件，SIC MOSFET具有更高的开关频率，更低的导通损耗和开关损耗，发热量低，工作结温高，一定程度上提升了电动汽车的续航能力。
提出一种新的汽车控制器应用模式。一体化灌封功率模组的型式，打破了传统的控制器组织形式，降低行业应用门槛。整车厂只要在功率模组上加装一块电机控制板就可以组成一个控制器。也可以直接将电机控制板集成在车辆控制单元VCU中，集成后，功率模组就完全成为一个单独的执行器，从架构上，更加有利于整车厂对整车的性能进行调校，也有利于整车厂降低系统成本。
由于汽车的行驶环境变化大，控制器对密封要求高，本项目采用灌封的方式，直接就能解决所有密封问题，功率模组密封等级达到IP68，即使电动汽车发生泡水事故，功率模组仍然能够不受影响，提高了电动汽车的环境适用能力。
通过集成，有利于统一接口，实现大批量自动化产线生产，可以极大的提高可靠性和进一步降低成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的实施例SIC电动汽车的功率模组内部结构示意图；
图2为本发明的实施例SIC电动汽车的功率模组灌封后的整体结构图；
图3为本发明的实施例SIC电动汽车的功率模组将电机控制单元电路板(MCU)组合在一起成为一个完整的汽车控制器的示意图；
图4为本发明的实施例SIC电动汽车的功率模组车厂的第一种运用方式的原理图。
图5为本发明的实施例SIC电动汽车的功率模组车厂的第二种运用方式的原理图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1、图2、图3、图4及图5，实施例，一种SIC电动汽车的功率模组1，包括：SICMOSFET器件30、散热器40、电容芯群组10、驱动器20、电端子50、进水口401、出水口402等。所述的功率模组1各组成部件通过环氧树脂三层灌封的技术方式整体封装填充而成，无金属外壳。功能上区别于现有汽车控制器，将电机控制单元3(MCU)拆分独立出来，应用中可以根据车厂要求将电机控制单元3与功率模组1安装在一起做为完整的汽车控制器2使用，也可以由车厂把电机控制单元3的功能集成到车辆控制单元4(VCU)中，功率模组1只做为一个执行部件供车厂使用。
SIC MOSFET功率器件在工作时产生的热量，经由铝制散热器40传递至散热器40内部的流道中的冷却水，冷却水经进水口401和出水口402与外界循环，将热量送到系统外部，为SIC功率模组散热。
SIC MOSFET器件30、散热器40、电容芯群组10、驱动器20等统一灌封入功率模组，安装底板为水冷的散热器40。功率模组为无外壳的灌装件，内部空间间隙均由环氧树脂填充。所述的灌封采用三层结构，具体是：第一层是隔离及密封层，采用纯环氧树脂材料，先真空浸渍，后高温固化；第二层是缓冲释放层，采用柔性聚氨酯，先真空灌封，后中温固化；第三层是粘合密封层，采用高温环氧材料，先真空灌封，后高温固化。
电容芯群组10包括：正母排(低感母排)、电容芯、负母排，电容芯下部锡焊接连接正母排、电容芯上部锡焊连接负母排；电容芯群组10的正母排包含有与SIC MOSFET器件30相连接的三个正端子，负母排包含有与SIC MOSFET器件30相连接的三个负端子。
如图4及图5，功率模组1是不包含电机控制单元电路板3(MCU)的独立部件。可根据车厂要求将电机控制单元电路板3与功率模组1安装在一起做为完整的汽车控制器2使用，整车厂可以保持原有对汽车控制器的使用习惯不变。另一种应用方式，可以将电机控制单元电路板3(MCU)的功能集成在车辆控制单元4(VCU)中。如VVVF电机控制和逻辑控制等功能与整车车辆控制单元4(VCU)集成为一个控制单元，这些控制策略和程序将统一由整车厂家来完成，功率模组只作为一个独立的执行部件使用。
功率模组采用的功率MOSFET器件为碳化硅(SIC)MOSFET器件。
功率模组1的直流电源输入为电动汽车的储能电池，外部电源通过电端子50与正母排和负母排连接。电容芯与正母排和负母排通过锡焊连接，在主电路系统中起到直流电压的支撑作用，稳定主电路的直流电压。正母排和负母排同时连接到MOSFET器件30的正负极，通过低电感的结构设计极大的降低了电容和MOSFET之间的杂散电感，减小了MOSFET在开关过程中的振荡和过电压，对其高速开关下的可靠工作十分重要。由三只功率MOSFET器件30组成的三相桥臂受控制器发来的脉宽调制(PWM)信号指令将直流电逆变成变压变频(VVVF)三相交流电，用于驱动电动汽车的牵引电机工作。
驱动器20为焊接在MOSFET器件30辅助端子上面的电路板，将上一级控制信号转化为MOSFET器件30的门极驱动信号，同时能够提供在故障情况下对MOSFET器件30进行保护关断，避免故障扩大。
MOSFET器件30为SIC MOSFET器件，相比于硅(SI)半导体器件，碳化硅(SIC)器件的工作温度高、耐压高、开关速度快，这为电动汽车原有的SI IGBT替换为功率MOSFET提供了条件。用了SIC的MOSFET能够满足电动汽车功率模组对高电压、大电流的要求，而且SIC器件的高频特性使牵引电机的PWM信号频率更高，汽车电机的人耳可听到的噪音小，SIC的高温特性可以使原有汽车控制器的水冷散热方式能够转换成风冷散热方式，使散热系统更加简单可靠。
从下到上依次设置散热器40、MOSFET器件30、驱动器20及电容芯群组10；所述的电容芯群组10与驱动器20间具有间隙，所述的电容芯群组10与MOSFET器件30用螺钉电连接并置于MOSFET器件30上方，所述的驱动器20通过焊接在MOSFET器件30的辅助端子上安装固定。
将散热器40、SIC MOSFET器件30、驱动器20及电容芯群组10进行灌装。
灌封材料为环氧树脂，采用真空浸渍和高温固化的灌封技术将所含部件灌封为一个整体，整体无外壳，整体内部填充环氧树脂。
实施本发明的一种SIC电动汽车的功率模组，具有以下有益的技术效果：
提出一种新的汽车控制器应用模式，满足了整车厂对控制器部件灵活应用的需求。一体化灌封功率模组的型式，打破了传统的控制器组织形式，降低行业应用门槛。整车厂只要在功率模组上加装一块电机控制板就可以组成一个控制器。也可以直接将电机控制板集成在VCU中，集成后，功率模组就完全成为一个单独的执行器，使用简单，但从架构上，更加有利于整车厂对整车的性能进行调校，也有利于整车厂降低系统成本。
由于采用灌封绝缘技术，模组内部安装间隙小，部件绝缘间隙小，部件布局紧凑，合理利用的空间，而使得功率模组体积小，重量轻，功率密度比大，适应控制器的小型化，高效率的发展需求。
采用功率薄膜电容芯的灌封模式来生产模组，由于降低了耐压爬电的难度，电容芯和IGBT布局设计连接的结构优化，杂散电感减小，满足了开关速度更快的SIC MSOFET功率器件的使用条件。并且内部的铜排也不用再做绝缘处理，降低构件的成本，更加有利于推广和被接受。
使用SIC MOSFET器件代替传统IGBT器件，SIC MOSFET具有更高的开关频率，更低的导通损耗和开关损耗，发热量低，工作结温高，一定程度上提升了电动汽车的续航能力。
由于汽车的行驶环境变化大，控制器对密封要求高，本项目采用灌封的方式，直接就能解决所有密封问题，功率模组密封等级达到IP68，即使电动汽车发生泡水事故，功率模组仍然能够不受影响，提高了电动汽车的环境适用能力。
通过集成，有利于统一接口，实现大批量自动化产线生产，可以极大的提高可靠性和进一步降低成本。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种改动和变型而不脱离本发明实施例的精神和范围。这样，倘若本发明实施例的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (6)

1.一种SIC电动汽车的功率模组，包括：SIC MOSFET器件、散热器、电容芯群组、驱动器、传感器和水电端子，所述的功率模组从下到上依次设置散热器、SIC MOSFET器件、驱动器、电容芯群组；所述的电容芯群组与SIC MOSFET器件电连接并置于SIC MOSFET器件上方，所述的驱动器通过焊接在SIC MOSFET器件的辅助端子上安装固定，其特征在于，所述的功率模组各组成部件通过环氧树脂三层灌封的技术方式整体封装填充而成，无金属外壳。
2.根据权利要求1所述的功率模组，其特征在于，所述的灌封采用三层结构，具体是：第一层是隔离及密封层，采用纯环氧树脂材料，先真空浸渍，后高温固化；第二层是缓冲释放层，采用柔性聚氨酯，先真空灌封，后中温固化；第三层是粘合密封层，采用高温环氧材料，先真空灌封，后高温固化。
3.根据权利要求1所述的功率模组，其特征在于，所述的功率模组不包含电机控制单元电路板的部件。
4.根据权利要求1所述的功率模组，其特征在于，所述的功率模组对外控制信号输入接口焊接在驱动器上，功率模组灌封后控制信号接口露在功率模组的侧面。
5.根据权利要求3所述的功率模组，其特征在于，所述的功率模组上表面具有安装电机控制单元电路板的位置，以致可与电机控制单元电路板组合后形成一个完整的汽车控制器。
6.根据权利要求1所述的功率模组，其特征在于，所述的功率模组采用的MOSFET器件为碳化硅MOSFET器件。
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