CN111284331A - 内建有分流电阻和功率晶体管的马达控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种内建有分流电阻和功率晶体管的马达控制装置，包括一高导热基板；一导热设置于高导热基板的导电回路，包括彼此间隔设置的一第一导热接垫部和一第二导热接垫部；一导接于导电回路的高功率晶体管；及一导接至高功率晶体管的分流电阻，分别具有一热膨胀系数大于高导热基板的本体，以及一对由本体延伸的焊接部，其中本体具有一个预定宽度，且焊接部的宽度大于预定宽度，以及本体是和高导热基板相间隔设置，使得当焊接部被焊接至第一导热接垫部和第二导热接垫部时，在宽度方向上分散承担本体和高导热基板间的受热膨胀应力。

Description

内建有分流电阻和功率晶体管的马达控制装置

技术领域

本发明涉及一种控制装置，尤其是一种内建有分流电阻和高耗能组件的控制装置，其中，高耗能组件可以是一种高功率晶体管。

背景技术

近年由于化石能源的来源逐渐枯竭及环境污染的问题，使得运用绿能的动力车辆成为市场新宠，一方面可节约能源，另一方面亦可降低污染，经由马达扭力及转速不断地提升，目前已成功研发出包括油电混合动力车辆(HEV-Hybrid Electric Vehicle)，纯电动汽车，或者是电动机车等车种。

一般而言，以马达作为动力来源的车辆，基础结构包括动力/发电马达、高压蓄电装置、及一供进行高/低电压或者是交-直流电转换的马达控制装置。由马达控制装置将高压蓄电装置送出的电流转换成符合马达的配电规格，使马达运转驱动车辆前进，并在马达输出电流时将电流转换成对应的电压储存至高压蓄电装置。

在电动车内不管是用于驱动马达或储存于高压蓄电装置的电流，动辄至少数十安培，甚至可高达数百近千安培，因此熟悉本技术领域的人可轻易理解，在马达控制装置上增设分流电阻是一种常用的监测传输电流变化方案，不仅可实时保护马达和高压蓄电装置，更重要的是能降低意外发生的机率。然而，就现有分流电阻在与马达控制装置结合时仍存在些许问题，尤其是当大电流流经分流电阻所产生高发热的问题。

如图1所示的马达控制装置，该分流电阻9具有两导接端点，其中一端是和现有的电线91一起，被螺栓92锁固在马达控制装置的输入端口93上。然而，螺栓92锁固的位置必然会产生结合处施力不均匀，可能导致贴合不平整，残留些许空气于缝隙中，甚至施力过度造成些许形变，电阻随之提高；经大电流连续传输，并联有些许缝隙的连接部位，会因电阻微升而造成随电流平方而升高的发热、不仅无谓地消耗电能，尤其是高温对于周边所有组件都会造成更高电阻及促进组件老化，热电阻会进一步影响监测结果，组件老化则降低整体电路设备的使用寿命。

再者，由于车辆在行驶过程中不断地产生震动，大幅提升螺栓松脱的机率，使得分流电阻衔接电线的缝隙扩大，电阻与热阻问题益发严重。此种结构设计，由于是外接至马达控制电路，因此整体的散热除少部分是经由上述螺栓及导线传出，大部分发热都是依赖周边的空气对流而发散，使得此种分流电阻的体积相当庞大，动辄例如2X 8厘米大小。

另有一种马达控制装置为提升分流电阻的散热效率，将分流电阻的尺寸缩小，并嵌入至马达控制装置的高导热基板上，如图2所示，该分流电阻8系以导热的树酯层81(Epoxy)黏固于高导热基板82上，而导线83是由分流电阻8的两端延伸外接于分流装置，但因应置放位置的改变及体积微型化，也衍生出负面效应，主要是温度升高：当分流电阻本身尺寸缩小，电子信道截面宽度大幅缩小，电流密度因而增大，工作温度也会跟着上升；更糟糕地，由于原本的分流电阻长宽动辄数厘米，钻孔供螺锁接触的区域面积也可以有至少1至4平方厘米，在微型化后，经导热胶黏着至高导热基板，导热的接触面积仅剩下数十平方毫米，可导热的区域因而大减，完全无法因应上述发热密度大增的问题。此外，导热胶即使名为导热，但实际导热系数远低于金属，使得分流电阻发热密度增大，传热面积缩小，传热途径热阻无法降低，传递至高导热基板的热能受阻碍，大部分的热能反而累积在分流电阻无法分散，这也就是本发明要解决的问题之一。

综上所述，本发明期望将分流电阻顺利表面安装焊接至现有的高导热基板上，一方面可用简单的方式结合，并确保结合关系稳固，并以桥接式的结构，使得热阻大幅降低同时兼具减缓震动所带来的影响，尤其可以扩大接触面积，且完全避免接触位置空气隙残留等问题，让所发热能部分可被对流的空气携走，其余则顺利导向高导热基板，从而降低分流电阻温度及对环境造成发热干扰。

发明内容

针对现有技术的上述不足，根据本发明的实施例，希望提供一种一种内建有分流电阻和功率晶体管的马达控制装置，旨在实现如下目的：(1)使得分流电阻的微型化成为可行，并藉由扩大面积的表面安装焊接，提升散热效率；(2)藉由表面安装的结合方式，提高分流电阻和导热基板结合的稳定性及导热性；(3)藉由大面积的焊接部以及额外增加的架高结构，降低热膨胀应力的影响；(4)藉由良好的热传导设计，有效运用原有的高导热基板及周边散热设备，保持分流电阻在良好的温度环境运作。

根据实施例，本发明提供的的一种内建有分流电阻和高耗能组件的控制装置，包括：一基板；至少一导热设置于上述基板的导电回路，该导电回路包括彼此间隔设置的至少一第一导热接垫部和一第二导热接垫部；至少一受电流变化而改变运作状态的高耗能组件，供设置于上述导电回路；及至少一导接至上述高耗能组件的分流电阻，前述分流电阻分别具有一热膨胀系数大于上述基板的本体，以及一对由前述本体分别沿相反方向外扩延伸的焊接部，其中前述本体具有一个预定宽度，且前述焊接部的宽度大于前述预定宽度，以及前述本体是和上述基板相间隔设置，使得当上述焊接部被焊接至前述第一导热接垫和第二导热接垫时，上述焊接部和上述第一导热接垫部和上述第二导热接垫部间，在宽度方向上分散承担上述本体和上述基板间的受热膨胀应力。

再者，将上述控制装置应用于车用马达，即成为一种内建有分流电阻和功率晶体管的马达控制装置，包括一高导热基板，导热系数大于10W/m·k，且热膨胀系数小于10×10^-6/K；至少一导热设置于上述高导热基板的导电回路，该导电回路包括彼此间隔设置的至少一第一导热接垫部和一第二导热接垫部；至少一导接于上述导电回路的高功率晶体管；及至少一导接至上述高功率晶体管的分流电阻，前述分流电阻分别具有一热膨胀系数大于上述高导热基板的本体，以及一对由前述本体分别沿相反方向外扩延伸的焊接部，其中前述本体具有一个预定宽度，且前述焊接部的宽度大于前述预定宽度，以及前述本体是和上述高导热基板相间隔设置，使得当上述焊接部被焊接至前述第一导热接垫部和第二导热接垫部时，上述焊接部和上述第一导热接垫部和上述第二导热接垫部间，在宽度方向上分散承担上述本体和上述高导热基板间的受热膨胀应力。

经由上述揭露，相对于现有技术，本发明内建有分流电阻和功率晶体管的马达控制装置，可以将分流电阻制造成数毫米大小的表面安装组件，顺利微型化，并且利用简单的表面安装方式焊接至导电回路，加以，架高部分的结构设计，可以提供有效的缓冲，降低热膨胀应力的影响，提升结合稳定性与可靠性；尤其扩大焊接区域面积，提升散热效率，将热能实时散出，有效减少能量累积，藉此增加使用安全性。

附图说明

图1为现有技术的立体示意图，用于说明分流电阻同电线被栓于输入端口上的马达控制装置。

图2为另一现有技术的剖面示意图，用于说明分流电阻与高导热基板的相对位置。

图3为本发明第一较佳实施例的立体示意图，用于说明内建有分流电阻和功率晶体管的马达控制装置的大部结构。

图4为图3实施例的部分放大示意图，用于说明分流电阻的结构。

图5为图3实施例的部分剖面示意图，用于说明分流电阻的结合方式以及热能传递的方向。

图6为本发明第一实施例的部分立体示意图，用于说明具缓冲震动功能的强化电阻。

图7为本发明第二较佳实施例的立体示意图，用于说明将高导热基板嵌入至PCB板。

图8为图7实施例的立体示意图，用于说明基板整合完成的内建有分流电阻和功率晶体管的马达控制装置。

其中：1为内建有分流电阻和功率晶体管的马达控制装置；11、11’为高导热基板；12’为PCB板；13、13’为导点回路；131为第一导热接垫部；133为第二导热接垫部；14’为孔洞；15、15’为高功率晶体管；17、17’为分流电阻；171为本体；173为焊接部；175为长度侧缘；177为宽度侧缘；18’为温度感应装置；19为充填底胶层；27为强化电阻；271为本体；272为弹性臂；273为焊接部；8为分流电阻；81为树酯层；82为高导热基板；83为导线；9为分流电阻；91为电线；92为螺栓；93为输入端口。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐述本发明。这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明记载的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修改同样落入本发明权利要求所限定的范围。

第一较佳实施例

本发明第一较佳实施例提供的内建有分流电阻和功率晶体管的马达控制装置，系一种安装于轻油电车的马达控制装置，同时连接例如48V车用交流马达与48V锂电池，其结构详述于下，并请一并参照图3至图6所示。该内建有分流电阻和功率晶体管的马达控制装置1的大部结构包括一高导热基板11、一导电回路13、复数个高功率晶体管15、以及一分流电阻(Shunt Resistor)17。

本实施例中由最下层的高导热基板11依序往上说明，上述内建有分流电阻和功率晶体管的马达控制装置1系采用直接镀铜基板(DPC)作为基础结构，在该基础结构之中，最底层的高导热基板11是采用一种Al₂O₃的陶瓷材质制作而成，由于Al₂O₃的导热系数大于10W/m·k，且热膨胀系数小于10×10^-6/K，相较于传统的PCB基板，热能能更快速地被传导至空气中，再者，形变的幅度量也相对于PCB基板要来得小；随后，在前述高导热基板11上以薄膜制成的方式形成复数条厚度约200μm的导电回路13，其中，在该导电回路13中具有彼此间隔设置的第一导热接垫部131和一第二导热接垫部133，供上述分流电阻17对应设置。此外，上述基础结构除采用直接镀铜基板(DPC)，熟悉此技术领域的人士亦可轻易联想具导电回路的陶瓷基板种类更包括低温共烧多层陶瓷(LTCC)、高温共烧多层陶瓷(HTCC)、直接接合铜基板(DBC)、铝电路陶瓷散热基板(DBA)、活性金属焊接铜陶瓷基板(AMB)等均可与上述直接镀铜基板替换实施。

例释为IGBT的高功率晶体管15和导接于高功率晶体管15的分流电阻17均被设置于导电回路13上，其中，如图4所示，一种锰铜金属制成的分流电阻17系以本体171作为阻抗结构，并以本体171延伸出的焊接部173对应连接于上述第一导热接垫部和一第二导热接垫部，以微观而言，前述本体171结构大致具有两长度侧缘175和衔接两长度侧缘175的宽度侧缘177，在宽度侧缘177上具有一预定宽度，以及上述焊接部173系由本体171的两宽度侧缘177分别沿相反方向外扩延伸形成，使得焊接部173的宽度大于上述宽度侧缘177的预定宽度，如图4的虚线箭头示意两宽度的差距，亦即，焊接部173将可提供较大的焊接面，直接经由例如表面安装的方式，焊接于导热接垫上，不仅结合方便且焊接稳固，更提供大面积的导热。

因此，如图5所示，当大电流流经分流电阻17时，即使有大量热能产生，并且造成本体171与高导热基板11的相对热膨胀差异及挤压变形问题，但一方面在上述焊接部173与上述第一导热接垫部131和上述第二导热接垫部133间，都是导热良好的焊固结合，进一步让热能快速地经由焊接部173传递至高导热基板11散出；另方面，上述本体171和上述高导热基板11间因为热膨胀系数及温度差异产生的热膨胀应力，会因为本体171与高导热基板间存有较大的间隔，不仅容许空气流通，更可以有些许暂时性挠曲，如同图5中的箭头方向，且随着宽度方向分散，藉此缓冲热膨胀所产生的热应力，并且经实验结果得出，当焊接部电阻率大于1.68×10^-8Ωm或者是导热系数在200W/m·k以上将具有更佳的散热效率。

可选择地，若要进一步提升结合的强度，避免轻油电车因长期行驶的震荡，造成分流电阻17焊接部173的焊固交界处断裂，亦可考虑在本体171与高导热基板11之间更注入一充填底胶层19，由该充填底胶层19包覆本体171及焊接部173，藉此提升分流电阻17的结构强度，抵抗振荡而延长使用寿命。

另外，除上述利用充填底胶层的方式提升分流电阻的结构强度外，针对分流电阻的结构加以改良亦可达到相同的目的，为与上述分流电阻名称做区别，在此将该相异结构的分流电阻称为强化电阻27，其结构如图6所示，同样包括一本体271，两者差异在于该强化电阻27系由本体271先延伸形成一段弹性臂272，接着才形成一焊接部273，强化电阻27的弹性臂272能缓冲吸收震动波，此外，该强化电阻27的弹性臂272和焊接部273的宽度亦大于本体271的预定宽度，故在宽度方向上供大幅分散热膨胀应力，降低损坏的机率。

经由上述结构组合完成后，该内建有分流电阻和功率晶体管的马达控制装置运作流程如下。当轻油电车的混合动力控制器判断48V锂电池需要充电时，由48V车用交流马达将动力转换成高压交流电输出，混合动力控制器则控制高压交流电传送至内建有分流电阻和功率晶体管的马达控制装置的高功率晶体管，经由三相转换形成高压直流电，再经过分流电阻才储存至48V锂电池。在大电流不断传输的过程中，透过混合动力控制器连结至分流电阻的两端点，便能轻易的接收并运算目前通过的电流大小，一旦出现高于额定电流的高压直流电，混合动力控制器便会进行后续的安全程序，以维护行车安全。

第二较佳实施例

在第一较佳实施例中提及上述马达控制装置仅以一块陶瓷基板作为马达控制装置的基础底板，本发明第二较佳实施例的内建有分流电阻和高耗能组件的控制装置则系以两块基板搭配作为基础底板，同样以48V车用交流马达与48V锂电池为例，由于该控制装置大部结构与第一实施例类同，故本发明不再赘述，以下仅就差异部分进行详述，并请一并参照图7及图8所示。

作为基础底板的上述两块基板分别例释为陶瓷基板的高导热基板11’和PCB板12’，且于本实施例中PCB板12’上贯穿形成有一孔洞14’，随后将高导热基板11’嵌入至前述孔洞14’之中，使得与PCB板12’结合成一体化板块，而布设于高导热基板11’和PCB板12’上的导电回路13’也互相彼此导通，此时，为提升组件的工作效率，将易产生高热的高功率晶体管15’及分流电阻17’对应设置于上述高导热基板11’，另外，再将发热程度远小于高功率晶体管和分流电阻的分流装置(图中未标示)和温度感测装置18’对应安装于PCB板12’上的导电回路13’，藉此一举达成装置整合，及提升散热效率两个主要目的。

Claims (8)

1.一种内建有分流电阻和功率晶体管的马达控制装置，其特征是，包括：

一高导热基板，导热系数大于10W/m·k，且热膨胀系数小于10×10^-6/K；

至少一导热设置于上述高导热基板的导电回路，该导电回路包括彼此间隔设置的至少一第一导热接垫部和一第二导热接垫部；

至少一导接于上述导电回路的高功率晶体管；

至少一导接至上述高功率晶体管的分流电阻，前述分流电阻分别具有一本体，以及一对由前述本体分别沿相反方向外扩延伸的焊接部，其中前述本体具有一个预定宽度，且前述焊接部的宽度不小于前述预定宽度，以及前述本体是和上述高导热基板相间隔设置，使得当上述焊接部被焊接至前述第一导热接垫部和第二导热接垫部时，上述焊接部和上述第一导热接垫部和上述第二导热接垫部间，在宽度方向上分散承担上述本体和上述高导热基板间的受热膨胀应力。

2.如权利要求1所述的内建有分流电阻和功率晶体管的马达控制装置，其特征是，上述导热接垫的导热系数高于上述高导热基板。

3.如权利要求1或2所述的内建有分流电阻和功率晶体管的马达控制装置，其特征是，上述导电回路选自铜或铜合金的集合。

4.如权利要求1或2所述的内建有分流电阻和功率晶体管的马达控制装置，其特征是，进一步包括一填充于上述本体至上述高导热基板间的充填底胶层，供缓冲上述焊接部与上述本体所受马达震动应力。

5.如权利要求1或2所述的内建有分流电阻和功率晶体管的马达控制装置，其特征是，进一步包括一设置于上述导电回路的温度感测装置。

6.如权利要求1或2所述的内建有分流电阻和功率晶体管的马达控制装置，其特征是，上述焊接部的导热系数大于200W/m·K。

7.如权利要求1或2所述的内建有分流电阻和功率晶体管的马达控制装置，其特征是，上述焊接部的电阻率大于1.68×10^-8Ωm。

8.一种内建有分流电阻和高耗能组件的控制装置，其特征是，包括：

一基板；

至少一导热设置于上述基板的导电回路，该导电回路包括彼此间隔设置的至少一第一导热接垫部和一第二导热接垫部；

至少一受电流变化而改变运作状态的高耗能组件，供设置于上述导电回路；

至少一导接至上述高耗能组件的分流电阻，前述分流电阻分别具有一热膨胀系数大于上述基板的本体，以及一对由前述本体分别沿相反方向外扩延伸的焊接部，其中前述本体具有一个预定宽度，且前述焊接部的宽度大于前述预定宽度，以及前述本体是和上述基板相间隔设置，使得当上述焊接部被焊接至前述第一导热接垫部和第二导热接垫部时，上述焊接部和上述第一导热接垫部和上述第二导热接垫部间，在宽度方向上分散承担上述本体和上述基板间的受热膨胀应力。

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