CN111211607B - 用于在电流补偿电路处排热的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于在电流补偿电路(211，221，231)处散热的方法，其中具有该电流补偿电路的充电装置对高电压电池实施充电，其中该充电装置在其输入侧由充电线缆供应交流电，并且其中通过该充电装置在其输出侧提供用于给该高电压电池充电的直流电，其中该充电装置不具有电流分离，并且在输入侧处安装在该充电装置中的至少一个电容器中由于该交流电造成相应的泄露电流，该电容器与保护导体连接，其中该相应的泄露电流通过该电流补偿电路来补偿，其中该电流补偿电路通过功率半导体电子器件实现，并且其中在此在该功率半导体电子器件中产生的热量通过该功率半导体电子器件到该充电装置的壳体内的承载板的连接排出。此外，要求保护一种实施该方法的系统。

Description

用于在电流补偿电路处排热的方法和系统
本发明涉及用于从在电流补偿电路处使用的功率半导体散热的方法和系统。
电动车辆开始批量生产使得电子部件的使用增多，其件数一直增加并且其单价部分地下降。同时，出现新的要求，即例如大数据、连接或电子移动性。因此，在此方面，此前安装的电子部件的重新组织造成其在电动车辆中的分布和布置有所变化。
目前，在高电压部件区域内存在的是在电动车辆中的单独的壳体、单独的紧固装置、单独的冷却软管和单独的接线，这意味着高安装耗费和增大的车辆重量。此外，如今的车载充电装置出于安全原因在交流电输入功率范围与高电压电源的直流电范围之间具有电流分离。这种电流分离在传统情况下藉由变压器进行，这些变压器带来较高的重量引入，并且在大多数情况下还在充电装置的单独壳体中占据大量空间。
在文献DE 10 2012 212 291 A1中描述了一种用于直流电快速充电的设备，该设备设置成用于不同充电标准的设备。为了保证电流分离，使用DC/DC谐振转换器。
从现有技术中还已知在没有进行电流分离的情况下实施电池的充电过程的解决方案。于是，文献DE 10 2010 062 972 A1描述了一种电流不分离的充电组件，该充电组件在充电过程期间藉由接触器与待充电的电池连接。一旦充电过程停止，电池同样藉由接触器与电机分离。
与变压器或接触器相比，功率半导体是轻型的并且节省空间的电子部件。在车辆技术中，文献DE 10 2014 006 841 A1中公开了功率电子部件对电路板和承载板上的一种一般性的连接。在此，承载板也用作功率半导体的冷却体。
在此背景下，本发明的目的在于提供一种在封装、效率、重量、成本和功效方面优化的并且因此电流不分离的充电装置，该充电装置在交流电连接到该充电装置时给电动车辆的高电压电池提供直流电。在车辆技术中存在的规定中，例如在接触安全性方面，必须在此保证，由于不存在电流分离因而安全电路是必须的，其部件可能发热，该热量必须被排出。
为了实现上述目的，提出一种用于在电流补偿电路处散热的方法，其中具有该电流补偿电路的充电装置对高电压电池实施充电，其中该充电装置在其输入侧由充电线缆供应交流电，并且其中通过该充电装置在其输出侧提供用于给高电压电池充电的直流电，其中该充电装置不具有电流分离，并且在输入侧处安装在该充电装置中的至少一个电容器中通过该交流电实现相应的泄露电流，该电容器与保护导体连接，其中该相应的泄露电流通过该电流补偿电路来补偿，其中该电流补偿电路通过功率半导体电子器件实现，并且其中在此在功率半导体电子器件中产生的热量通过功率半导体电子器件到该充电装置的壳体内的承载板的连接排出。
充电装置可以是所谓的SAC充电装置。在此，SAC是正弦振幅转换器(SineAmplitude Converter)的缩写，并且在现有技术中作为电网部件的通用名称出现，这些电网部件在通向电源的电路板上使用。在此，SAC充电装置指代在电动车辆(该电动车辆可以是汽车)中安装的所谓的车载充电装置，用于在充电过程中提供充电电压。
该充电装置有利地不具有分离变压器，即可实现电流分离。因为通常使用的变压器相对更重并且在生产上是昂贵的，由此可以节省重量还有成本。此外，也可以节省用于电流分离的、通常与分离变压器相伴随的电气部件，例如功率开关器和二极管。有利的是，通过在充电装置中代替电流分离的电气部件，避免了直流电压从高电压电池中反向馈送到充电线缆中并且因此反向馈送到所连接的网络中。
在根据本发明的方法的一个实施方式中，根据本发明使用的电流补偿电路(也被称为I-Comp)有助于需要保证的接触安全性，以便符合标准ISO 6469。电流补偿电路是安全电路的一部分，该安全电路在电流不分离的充电装置(也被称作gng充电装置)中保证与通过分离变压器实现的电流分离相同的安全性。在充电装置的输入侧存在的输入端滤波器(该输入端滤波器例如可以是具有所谓的Y形电容器的电网滤波器)具有与保护导体连接的至少一个电容器，该电容器在例如以50/60Hz的电网电压连接交流电时导致泄露电流。然而，也可能由于线路容量或绕组导致泄露电流。当充电装置或保护导体的绝缘层损坏时，这样的泄露电流可能导致危及人体的接触电流。根据本发明的方法设置的电流补偿电路现在补偿相应的泄露电流。在此，在电流补偿电路处产生的损耗功率可能处于2W与10W之间并且表现为热量，该热量必须强制性地从充电装置的壳体中排出，以免进一步加热壳体内部空间。为了散热必须将被损耗功率加热的功率半导体电子器件连接到承载板上。然后藉由承载板排出热量。
在根据本发明的方法的一个实施方式中，通过在功率半导体电子器件与承载板之间的间隙填充物或间隙垫实现连接。由此，在功率半导体电子器件与承载板之间的气隙被充满，并且借助于通过间隙填充物或间隙垫的热传导形成散热，否则该散热受限于小的接触点或热辐射。
在根据本发明的方法的另一个实施方式中，通过压在功率半导体电子器件上的夹子实现连接，该夹子被固定在承载板上。为了保证在功率半导体电子器件与承载板之间的尽可能广泛的接触形成，通过根据本发明的夹子产生接触压力。在此，间隙填充物或间隙垫也可以位于功率半导体电子器件与承载板之间。
在根据本发明的方法的还另一个实施方式中，通过固定在功率半导体电子器件上的粘接鳍片实现连接，这些粘接鳍片与承载板粘接。粘接鳍片例如在功率半导体电子器件处与承载板平行地伸出，并且然后朝向承载板弯曲，其中粘接鳍片用其相应的末端借助于耐温的粘接剂与承载板粘接。
在根据本发明的方法的一个实施方式中，电流补偿电路的布局直接布置在承载板上。电流补偿电路的功率半导体电子器件因此不构成分开的集成电路，例如所谓的芯片，而是将功率半导体电子器件的单独的电气部件以及它们之间的导轨直接施加到承载板上。然后，引导水的管路系统布置在承载板的底侧处。其他的冷却剂或对汽车的冷却系统的连接也是可以想象的。
在根据本发明的方法的另一个实施方式中，选择IMS电路板或DBC电路板作为承载板。IMS是绝缘金属基板(Insulated Metal Substrate)的缩写并且由散热用的具有(例如由铝或铜制成的)金属芯的电路板组成，该金属芯通过导热的、然而电绝缘的层与功率半导体电路或功率半导体电子器件的导轨分离。由损耗功率形成的热量经过金属芯并且在其中分散开。然后，热量从承载板扩大的面积被动地辐射到环境中或通过冷却系统主动地排出。选择性地，也可以使用基于陶瓷的直接敷铜板(Direct Bonded Copper，缩写为DBC)作为电路板材料。
在根据本发明的方法的还另一实施方式中，由承载板形成充电装置的壳体壁。因此有利的是，可以以节省材料的方式直接向SAC充电装置的环境中进行散热。
此外，要求保护一种用于在电流补偿电路处散热的系统，该系统包括具有该电流补偿电路的电流不分离的充电装置，在该充电装置的输入侧由充电线缆施加或可以施加交流电，并且在其输出侧提供或可以提供用于给高电压电池充电的直流电，其中该充电装置在其输入侧具有与保护导体连接的至少一个电容器，其中该电流补偿电路被配置为，对通过该交流电在该至少一个电容器中产生的泄露电流进行补偿并且其中该电流补偿电路包括功率半导体电子器件，其中由于对相应的泄露电流的补偿导致发热，并且其中该系统具有承载板，该功率半导体电子器件连接到该承载板处，并且该承载板设计成吸收热量。
根据本发明的系统的设计中，该系统在功率半导体电子器件与承载板之间具有间隙填充物或间隙垫。在功率半导体电子器件、间隙填充物或间隙垫与承载板之间的接触形成可以通过夹子或弹簧机械地增强。
在根据本发明的系统的另一设计中，该系统具有电流补偿电路的直接布置在承载板上的布局，并且该系统包括与该承载板连接的水冷装置，该水冷装置被设计为，将从电流补偿电路传递到该承载板上的热量排出。
本发明的其他优点和设计方案从说明书和附图中得出。
不言而喻，在不脱离本发明范围的情况下，以上提到的这些特征以及仍将在以下说明的特征不仅能够在相应给出的组合中使用，而且还可以在其他组合中或者单独地使用。
图1示意性地示出充电装置的框图，该充电装置具有连接到根据本发明的散热装置的功率半导体电子器件。
图2示意性地示出通过根据本发明方法的实施方式获得的功率半导体电子器件到承载板的不同的连接。
图3示意性示出根据本发明的方法的实施方式，其中电流补偿电路的布局直接布置在被水冷的承载板上。
图1示意性地示出充电装置100的框图，该充电装置具有连接到根据本发明的散热装置的功率半导体电子器件111。交流电的相L1 101、相L2 102和相L3 103以及中性导体104贴靠在充电插座的输入端。此外，提供保护导体105。除了电流补偿电路的以I-Comp指代的功率半导体电子器件111外，充电装置100还具有另外的模块110和120，例如在功率中断、电磁兼容性或多种控制方面。在输出端108和109，由充电装置100提供用于给高电压电池130充电的高伏电压。
图2示意性地示出通过根据本发明的方法的实施方式获得的、由电流补偿电路I-Comp形成的功率半导体电子器件211、221、231到承载板212、222、232的不同连接210、220、230。在此，散热被动地通过承载板212、222、232进行，该承载板也可以是充电装置的壳体壁。在连接210中，功率半导体电子器件211通过间隙垫213与承载板212连接。替代于间隙垫213也可以使用间隙填充物。在连接220中，功率半导体电子器件221另外通过夹子224被压向间隙垫223并且进一步压向承载板222。夹子224(也可以是金属弹簧)通过螺钉225与承载板222拧接。在连接230中，功率半导体电子器件231通过粘合鳍片234用耐温的粘接剂235与承载板232粘接。间隙垫233位于功率半导体电子器件231与承载板232之间。在适当时，可以将具有夹子224的连接220和具有粘接鳍片234的连接230组合。
图3示意性示出根据本发明的方法的实施方式，其中电流补偿电路的布局301直接布置在被水冷的承载板302上。位于电路板上的布局301通过螺钉303与承载板302拧接。承载板302(该承载板也可以是充电装置的壳体壁)与冷却剂流经的管路系统310牢固连接。冷却剂在接口312处到达管路系统310中，沿着箭头316流经该管路系统，在此主动吸收热量(该热量已经作为电流补偿电路的布局301中的损耗功率产生并且已经被传递到承载板302)，并且通过接口314离开管路系统310。接口312和314可以与汽车的冷却系统连接。冷却剂可以是水或者另一种常用的冷却剂。

Claims (10)

1.一种用于在电流补偿电路(111，211，221，231，301)处散热的方法，其中具有该电流补偿电路(111，211，221，231，301)的充电装置(100)对高电压电池(130)实施充电，其中该充电装置(100)在其输入侧(101，102，103)由充电线缆供应交流电，并且其中通过该充电装置在其输出侧(108，109)提供用于给该高电压电池(130)充电的直流电，其中该充电装置(100)不具有电流分离，并且在该输入侧(101，102，103)处安装在该充电装置(100)中的至少一个电容器中由于该交流电造成相应的泄露电流，该电容器与保护导体(105)连接，其中该相应的泄露电流通过该电流补偿电路(111，211，221，231，301)来补偿，其中该电流补偿电路(111，211，221，231，301)通过功率半导体电子器件(111，211，221，231，301)实现，并且其中在此在该功率半导体电子器件(111，211，221，231，301)中产生的热量通过该功率半导体电子器件(111，211，221，231，301)到该充电装置(100)的壳体内的承载板(212，222，232，302)的连接排出。
2.根据权利要求1所述的方法，其中该连接通过在该功率半导体电子器件(111，211，221，231)与该承载板(212，222，232)之间的间隙填充物或间隙垫(213，223，233)实现。
3.根据前述权利要求之一所述的方法，其中该连接通过压在该功率半导体电子器件(221)上的夹子(224)实现，该夹子固定在该承载板(222)处。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其中该连接通过固定在该功率半导体电子器件(231)处的粘接鳍片(234)实现，这些粘接鳍片与该承载板(233)粘接。
5.根据权利要求1所述的方法，其中该电流补偿电路(111)的布局(301)直接布置在承载板(302)上，并且该承载板(302)借助于水冷装置(310)冷却。
6.根据前述权利要求之一所述的方法，其中选择IMS电路板或DBC电路板作为承载板(212，222，232，302)。
7.根据前述权利要求之一所述的方法，其中通过该承载板(212，222，232，302)形成该充电装置(100)的壳体壁。
8.一种用于在电流补偿电路(111，211，221，231，301)处散热的系统，该系统包括具有该电流补偿电路(111，211，221，231，301)的电流不分离的充电装置(100)，在该充电装置的输入侧(101，102，103)由充电线缆施加交流电并且在其输出侧(108，109)提供用于给高电压电池(130)充电的直流电，其中该充电装置(100)在其输入侧上具有与保护导体(105)连接的至少一个电容器，其中该电流补偿电路(111，211，221，231，301)被配置为，对通过该交流电在该至少一个电容器中产生的相应的泄露电流进行补偿并且其中该电流补偿电路(111，211，221，231，301)包括功率半导体电子器件(111，211，221，231，301)，在该功率半导体电子器件中由于对该相应的泄露电流的补偿导致发热，并且其中该系统最后具有承载板(212，222，232，302)，该功率半导体电子器件(111，211，221，231，301)连接到该承载板处，并且该承载板被设计成吸收热量。
9.根据权利要求8所述的系统，该系统在功率半导体电子器件(111，211，221，231)与承载板(212，222，232)之间具有间隙填充物或间隙垫(213，223，233)。
10.根据权利要求8所述的系统，该系统具有该电流补偿电路(111)的直接布置在承载板(302)上的布局(301)，并且该系统包括与该承载板(302)连接的水冷装置(310)，该水冷装置被设计为，将从该电流补偿电路(111)传递到该承载板(302)上的热量排出。
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