CN110832760A - 电压转换器、电气系统、机动车辆及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种电压转换器(104)包括：第一和第二母线(106、108)，至少一个功率模块(110)，其包括至少一对第一和第二可命令开关(112、114)。为每个功率模块(110)提供了一个电容器，该电容器具有至少为500微法拉优选至少为560微法拉的值，并且位于足够靠近可命令开关(112、114)，使得母线(106、108、122)为每对可命令开关(112、114)定义导电路径(408)，该导电路径(408)从电容器的第一端子开始，依次穿过这两个可命令开关(112、114)中的每个并终止于电容器的第二端子，该导电路径(408)具有至多40纳亨优选地至多30纳亨的电感。

Description

电压转换器、电气系统、机动车辆及其制造方法
技术领域
本发明涉及电压转换器和电气系统、机动车辆以及与其相关的制造方法。
背景技术
已知使用具有以下的类型的电压转换器：
-第一和第二母线，
-至少一个功率模块，其具有：
-至少一对第一和第二可命令开关，每个可命令开关具有两个主端子和一个控制端子，该控制端子用于选择性地打开和关闭其两个主端子之间的可命令开关，第一可命令开关的第一主端子连接到第一母线，第二可命令开关的第二主端子连接到第二母线，
-对于每对可命令开关，第三母线，第一可命令开关的第二主端子和第二可命令开关的第一主端子连接到第三母线，
-至少一个电容器，其具有的第一和第二端子分别连接到第一和第二母线。
第一和第二母线旨在接收高的DC电源电压。一个或多个电容器的作用是过滤该电源电压。为了使过滤有效，该电容器或这些电容器具有至少等于500微法拉的高电容，并且放置在位于靠近施加有电源电压的第一和第二母线的端部的电容器块中。
发明内容
本发明的目的是提出一种具有改进的电源电压过滤的电压转换器。
为此，提出一种上述类型的电压转换器，其特征在于，为每个功率模块提供了电容器，该电容器具有至少为500微法拉优选至少为560微法拉的值，并且位于足够靠近可命令开关，使得母线为每对可命令开关定义导电路径，该导电路径从电容器的第一端子开始，依次穿过这两个可命令开关中的每个并终止于电容器的第二端子，该导电路径具有至多40纳亨优选地至多30纳亨的电感。
借助于本发明，将电容器放置得尽可能靠近每个功率模块的可命令开关，从而可以改善过滤。该解决方案比除电容器块外还在功率模块附近增加小电容器例如陶瓷电容器的方案更为有益。具体地，本发明提出的解决方案使得有可能获得相同的结果，同时限制了电子部件的数量，因此限制了电压转换器的成本和体积。
可选地，每个导电路径具有的长度为至多100mm，优选地至多70mm。
同样可选地，每个功率模块的每个可命令开关位于距电容器定心于其上的轴线在10和30mm之间的距离处，优选地在15和25mm之间。
同样可选地，电压转换器还具有散热器壳体，其具有围绕一个或多个功率模块及相关的一个或多个电容器的水平周边，散热器壳体在该水平周边上具有空气进口孔，并且在中心处具有向下的空气出口孔，一个或多个电容器位于比可命令开关更靠近穿过空气出口孔的竖直轴线。
同样可选地，每对的可命令开关布置成形成斩波臂。
同样可选地，电压转换器具有三个功率模块，每个功率模块具有两对可命令开关。
还提出了一种电气系统，该电气系统具有：
-根据本发明的电压转换器，
-电动机，其具有分别与功率模块相关的相，电动机的每个相具有分别连接到相关功率模块的两个第三母线的两个端部。
可选地，电动机设计成驱动机动车辆的车轮。
还提出了一种具有根据本发明的电气系统的机动车辆。
还提出了一种用于制造根据本发明的电压转换器的方法，该方法包括：
-对于每个功率模块，确定相关电容器的位置足够靠近可命令开关，以便母线为每对可命令开关定义导电路径，该导电路径从电容器的第一端子开始，依次穿过这两个可命令开关中的每个并终止于电容器的第二端子，该导电路径具有至多40纳亨优选地至多30纳亨的电感，
-对于每个功率模块，通过将相关电容器放置在确定的位置处来制造电压转换器。
附图说明
图1是具有实现本发明的电压转换器的电气系统的电路图。
图2是位于电压转换器中的功率模块和相关电容器的三维视图。
图3是仅电容器的三维视图。
图4是不带电容器的功率模块的三维视图。
图5是电压转换器的三维视图。
图6是示出用于制造电压转换器的方法的步骤的框图。
具体实施方式
现在将参考图1描述实现本发明的电气系统100。
电气系统100例如旨在安装在机动车辆中。
电气系统100首先具有电源102，其设计为输送例如在20V和100V之间的DC电压U，例如为48V。电源102具有例如电池。
电气系统100还具有电机130，电机130具有旨在具有相应相电压的多个相(未示出)。
电气系统100还具有连接在电源102和电机130之间的电压转换器104，以执行DC电压U和相电压之间的转换。
电压转换器104首先具有正母线106和负母线108，其旨在连接到电源102以便接收DC电压U，正母线106接收高电势，而负母线108接收低电势。
电压转换器104还具有至少一个功率模块110，其具有一个或多个相母线122，相母线122旨在分别连接到电机130的一个或多个相，以便提供它们各自的相电压。
在所描述的示例中，电压转换器104具有三个功率模块110，每个功率模块包括连接到电机130的两个相的两个相母线122。
更精确地，在所描述的示例中，电机130具有两个三相系统，每个三相系统包括三相，并且旨在彼此电相偏置120°。优选地，功率模块110的第一相母线122分别连接至第一三相系统的三相，而功率模块110的第二相母线122分别连接至第二三相系统的三相。
对于每个相母线122，每个功率模块110具有连接在正母线106和相母线122之间的顶侧开关112和连接在相母线122和负母线108之间的底侧开关114。开关112、114因此布置为以形成斩波臂，相母线122在斩波臂中形成中心抽头。
每个开关112、114具有第一和第二主端子116、118以及控制端子120，控制端子120旨在根据施加到其上的控制信号选择性地在其两个主端子116、118之间断开和闭合开关112、114。开关112、114优选地是晶体管，例如金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，其具有形成控制端子120的栅极以及分别形成主端子116、118的漏极和源极。
在所描述的示例中，开关112、114分别具有板的形式，该板例如是大致矩形的并且具有上面和下面。第一主端子116在下面延伸，而第二主端子118在上面延伸。此外，下面形成散热器面。
对于每个功率模块110，电压转换器104还具有电容器124，该电容器具有分别连接到正母线106和负母线108的正端子126和负端子128。
应当理解，正母线106、负母线108和相母线122是设计成承受至少1A的电流的刚性元件。它们优选地具有至少1mm的厚度。
此外，在所描述的示例中，电机130同时具有交流发电机和电动机功能。更精确地，机动车辆还具有热力发动机(未示出)，其具有输出轴，电机130通过皮带(未示出)连接至该输出轴。热力发动机旨在通过其输出轴来驱动机动车辆的车轮。因此，在交流发电机模式下的操作期间，电机从输出轴的旋转沿电源102的方向供应电能。电压转换器104然后用作整流器。在电动机模式下操作期间，电机驱动输出轴(作为内燃机的补充或替代)。电压转换器104然后用作逆变器。
电机130例如位于机动车辆的变速器或离合器中或者代替交流发电机。
在说明书的其余部分中，将参考竖直方向H-B更详细地描述电压转换器104的元件的结构和布局，“H”代表顶部，“B”代表底部。
参考图2，在所描述的示例中，母线106、108、122分别具有彼此相邻延伸的水平和共平面的平面部分202、204、206。
此外，每个可命令开关112、114具有大致矩形板的形式，并且其第一主端子116在下面(在图中不可见)的至少一部分上延伸，而其第二主端子118在上面上延伸。
对于每对可命令开关112、114，将第一开关112的背面压靠在第一母线106的平面部分202和第三母线122的平面部分206中的一个上，以将其第一主端子116连接到第一母线106或第三母线122。在所描述的示例中，第一可命令开关112的背面压靠在第一母线106的平面部分202上。此外，第一开关112的上面通过至少一个导电接线片208连接到第一母线106的平面部分202和第三母线122的平面部分206中的另一个，从而将其第二主端子116连接到第一母线106或第三母线122。在所描述的示例中，第一开关112的上面通过三个接线片208连接到第三母线122的平面部分206。
此外，对于每对可命令开关112、114，第二可命令开关114的背面压靠在第二母线108的平面部分204和第三母线122的平面部分206中的一个上，从而将其第一主端子116连接到第二母线108或第三母线122。在所描述的示例中，第二开关114的背面压靠在第三母线122的平面部分206上。此外，第二开关114的上面经由至少一个接线片210连接至第二母线108的平面部分204和第三母线122的平面部分206中的另一个，从而将其第二主端子118连接到第二母线108或第三母线122。在所描述的示例中，第二开关114的上面通过至少一个导电接线片210连接到第二母线108的平面部分204。
因此，由于母线106、108、122的布置彼此相邻延伸而不是堆叠，因此可以限制功率模块110的竖直体积。
此外，在所描述的示例中，可命令开关112、114的控制端子120在其上面上延伸，并且连接至控制引脚212。
参考图3，每个电容器124具有至少500微法拉优选至少560微法拉的值。每个电容器124例如是化学电容器。
电容器124是大尺寸的。例如，每个电容器124的最大尺寸为至少15mm。一般而言，此最大尺寸至少为30毫米。例如，每个电容器124通常是圆柱形的，其半径在5至15mm之间，并且高度在18mm至40mm之间，优选地在20mm至35mm之间。
此外，每个电容器124在下部圆形面上具有形成其第一端子126的中心引脚和形成其第二端子128的两个凸耳。
参考图4，对于每个功率模块110，相关的电容器124旨在以轴线402为中心。此外，第一母线106具有穿孔404，该穿孔404旨在容纳形成电容器124的第一端子126的引脚，第二母线108具有两个穿孔406，该两个穿孔406旨在分别容纳形成其第二端子128的两个凸耳。
母线106、108、122为每对可命令开关112、114定义了导电路径408，该导电路径408从电容器124的第一端子126开始(如图4所示，通过穿孔404)，依次穿过这两个可命令开关112、114中的每个并终止于电容器124的第二端子(如图4所示，通过穿孔406之一)。图4仅示出了两对可命令开关112、114中的一个的导电路径408。当然，另一对可命令开关112、114也存在另一类似的导电路径。
轴线402且因此电容器124位于足够靠近可命令开关112、114，使得每个导电路径408具有至多40纳亨优选地至多30纳亨的电感。为了实现这样小的电感，导电路径408的长度优选为至多100mm，更优选为至多70mm。此外，仍然为了获得如此小的电感，每个可命令开关112、114优选地位于距轴线402在10和30mm之间的距离处，更优选地在15和25mm之间。因此，可命令开关112、114同时首先距离轴线402足够远以允许安装电容器124，其次足够靠近以使得每个电感路径408能够相对较短以便表现出期望的电感。在所描述的示例中，可命令开关112、114位于梯形的四个角部处，该梯形具有小底座(两个高侧开关112之间的距离)和大底座(两个低侧开关之间的距离)。轴线402位于距大底座的中部小于10mm。开关112、114因此围绕电容器124，从而使得可以将它们定位成靠近电容器124。
参考图5，电压转换器104还具有散热器壳体502，其具有围绕功率模块110和电容器124的水平周边。该水平周边设置有散热片504，在它们之间限定了空气进口孔506。此外，散热器壳体502在中心处具有向下的空气出口孔508，该空气旨在冷却电机130。
电容器124优选地定位成比功率模块110更靠近空气出口孔508，特别是比可命令开关112、114更靠近。电容器124因此位于中心并且功率模块110因此位于电压转换器104的周边。
在所描述的示例中，电压转换器104安装在电动机130上，电动机130具有形成风扇的转子(未示出)，该风扇经由空气出口孔508吸入空气，从而建立从空气进口孔506延伸到空气出口孔508并冷却功率模块110特别是可命令开关112、114的气流。
借助于电容器124在电压转换器104的中心处的位置，即使它们分别尽可能地靠近功率模块110放置，电容器124也不会阻止这些气流穿过功率模块110。
现在将参考图6描述用于制造电压转换器104的方法。
对于每个功率模块110，在步骤602中，确定相关电容器124的位置足够靠近可命令开关112、114，以便母线106、108、122为每对可命令开关112、114定义导电路径408，该导电路径408从电容器124的第一端子126开始，依次穿过这两个可命令开关112、114中的每个并终止于电容器124的第二端子，该导电路径的电感至多为40纳亨，优选地至多30毫亨。该确定可以例如通过计算机仿真来执行。
在步骤604中，对于每个功率模块110，通过将相关电容器124放置在步骤602中确定的确定位置处来制造电压转换器104。
本发明不限于上述实施例，而是由所附权利要求书限定。实际上，对于本领域技术人员显而易见的是，可以对其进行改变。
此外，权利要求中使用的术语不应理解为限于上述实施例的要素，而应理解为涵盖本领域技术人员能够从其常识中推断出的所有等同要素。

Claims (10)

1.一种电压转换器(104)，具有：
-第一和第二母线(106、108)，
-至少一个功率模块(110)，其具有：
-至少一对第一和第二可命令开关(112、114)，每个可命令开关(112、114)具有两个主端子(116、118)和控制端子(120)，该控制端子(120)旨在选择性地在其两个主端子(116、118)之间断开和闭合可命令开关(112、114)，第一可命令开关(112)的第一主端子(116)连接到第一母线(106)，第二可命令开关(114)的第二主端子(118)连接到第二母线(108)，
-对于每对可命令开关(112、114)，第三母线(122)，第一可命令开关(112)的第二主端子(118)和第二可命令开关(114)的第一主端子(116)连接到第三母线(122)，
-至少一个电容器(124)，其具有分别连接到第一和第二母线(106、108)的第一和第二端子(126、128)，
其特征在于，为每个功率模块(110)提供了电容器(124)，该电容器(124)具有至少为500微法拉优选至少为560微法拉的值，并且位于足够靠近可命令开关(112、114)，使得母线(106、108、122)为每对可命令开关(112、114)定义导电路径(408)，该导电路径(408)从电容器(124)的第一端子(126)开始，依次穿过这两个可命令开关(112、114)中的每个并终止于电容器(124)的第二端子(128)，该导电路径(408)具有至多40纳亨优选地至多30纳亨的电感。
2.如权利要求1所述的电压转换器(104)，其中，每个导电路径(408)具有的长度为至多100mm，优选地至多70mm。
3.如权利要求1或2所述的电压转换器(104)，其中，每个功率模块(110)的每个可命令开关(112、114)位于距电容器(124)定心于其上的轴线(402)在10和30mm之间的距离处，优选地在15和25mm之间。
4.如权利要求1至3中任一项所述的电压转换器(104)，还具有散热器壳体(502)，其具有围绕一个或多个功率模块(110)及相关的一个或多个电容器(124)的水平周边，散热器壳体(502)在该水平周边上具有空气进口孔(506)，并且在中心处具有向下的空气出口孔(508)，一个或多个电容器(124)位于比可命令开关(112、114)更靠近穿过空气出口孔(508)的竖直轴线(510)。
5.如权利要求1至4中任一项所述的电压转换器(104)，其中，每对的可命令开关(112、114)布置成形成斩波臂。
6.如权利要求1至5中任一项所述的电压转换器(104)，具有三个功率模块(110)，每个功率模块具有两对可命令开关(112、114)。
7.一种电气系统(100)，具有：
-如权利要求1至6中任一项所述的电压转换器(104)，
-电动机(130)，其具有分别与功率模块(110)相关的相，电动机(130)的每个相具有分别连接到相关功率模块(110)的两个第三母线(122)的两个端部。
8.如权利要求7所述的电气系统(100)，其中，所述电动机(130)设计成驱动机动车辆的车轮。
9.一种机动车辆，具有如权利要求7或8所述的电气系统(100)。
10.一种用于制造如权利要求1至6中任一项所述的电压转换器(104)的方法(600)，包括：
-对于每个功率模块(110)，确定(602)相关电容器(124)的位置足够靠近可命令开关(112、114)，以便母线(106、108、122)为每对可命令开关(112、114)定义导电路径(408)，该导电路径(408)从电容器(124)的第一端子(126)开始，依次穿过这两个可命令开关(112、114)中的每个并终止于电容器(124)的第二端子(128)，该导电路径(408)具有至多40纳亨优选地至多30纳亨的电感，
-对于每个功率模块(110)，通过将相关电容器(124)放置在确定的位置处来制造(604)电压转换器(104)。
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