CN111373850A - 电力模块 - Google Patents

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Abstract

一种电力模块，其包括电力组件(21、22)和支撑件(30)，每个支撑件(30)包括至少一个金属部分(31；32)，支撑件的金属部分形成电力模块(1)的基板，至少一个支撑件(30a、30b、30c、30d、30e)包括相对于彼此成大于0°的角度的两个成角度的金属部分，每个电力组件通过被定位在两个不同支撑件的两个金属部分之间来被固定至所述两个金属部分，该电力模块被布置成使得去往或来自电力组件的电力电流在支撑件的金属部分中流动。

Description

电力模块
本发明涉及电力模块的领域。
发明背景
以完全常规的方式，电力模块包括充当开关的半导体。这些半导体被安装在电绝缘基板上。
作为示例，电力模块可包括用于驱动机电致动器的电动机的逆变器。
作为示例，这些半导体可以是以下类型的功率晶体管：结型场效应晶体管(JFET)；绝缘栅双极晶体管(IGBT)；或金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。
作为示例，基板可由陶瓷层构成，该陶瓷层呈现出层压在其每个面上的金属层。除了提供电绝缘之外，基板还用于传递由半导体耗散的热通量。
这样的电力模块通常还包括底板，该底板移除热通量并机械地支撑该电力模块。底板通常由铜或铝制成，并且其通常被安装在散热器上。
在操作中，电力模块生成可能相当严重的温度循环。温度循环在基板中以及在基板与半导体之间的界面处产生高水平的机械应力。这些机械和热应力引起了电力模块的多种故障模式，并且它们往往增加在电力模块中出现故障的概率。
发明目的
本发明的目的是要降低在电力模块中出现故障的概率。
发明内容
为了达成该目的，提供了一种电力模块，其包括电力组件和支撑件，每个支撑件包括至少一个金属部分，支撑件的金属部分形成电力模块的基板，至少一个支撑件包括相对于彼此成大于0°的角度的两个成角度的金属部分，每个电力组件通过被定位在两个不同支撑件的两个金属部分之间来被固定至所述两个金属部分，该电力模块被布置成使得去往或来自电力组件的电力电流在支撑件的金属部分中流动。
电力电流在其中流动的电力模块的支撑件用于以三种模式同时散热：通过传导、通过对流、以及通过辐射。这种散热尤其有效。此外，电力模块的基板由金属制成，并且不包括可被热循环削弱的陶瓷层。
还提供了一种机电致动器，其包括如上面所描述的电力模块以及还有电动机这两者。
本发明可以鉴于以下对本发明的特定、非限定性实施例的描述而被更好地理解。
附图简述
参考附图，在附图中：
·图1是本发明的电力模块的逆变器的电路图；
·图2是本发明的电力模块的截面图；
·图3是图2的详细视图；
·图4是本发明的电力模块的通用电池的截面图；以及
·图5是本发明的电力模块的截面图，在其上示出了塑性材料盖。
发明的详细描述
参考图1，本发明的电力模块1包括形成逆变器2的电力组件。
逆变器2形成被集成在机电致动器中的电气系统的一部分。
除了电气系统之外，机电致动器还包括三相电动机3(连同未示出的其他元件，且尤其是致动器构件)。电机3经由逆变器2来被供电和驱动。
除了逆变器2，电气系统还包括连接电路4和附加模块5。
连接电路4包括连接电容器6、第一连接组件7、和第二连接组件8。
连接电路4被连接至图1中未示出的发电机，该发电机在正电源导体10上产生正直流(DC)电源电压并且在负电源导体11上产生负DC电源电压。发电机还产生在正电源导体10和在负电源导体11中流动的电源电流Ial。
连接电容器6被并联连接在正电源导体10和负电源导体11之间。
第一连接组件7(由阻抗表示)被串联连接在正电源导体10中。第二连接组件8(由阻抗表示)被串联连接在负电源导体11中。
以常规方式，附加模块5包括控制电路13、监视电路14、保护电路15、和测量电路20。附加模块5的电路尤其用于控制逆变器2并因而控制电机3，并且用于监视和保护逆变器2和电机3。
逆变器2的电力组件包括被并联连接在正电源导体10和负电源导体11之间的电容器18、连同并联连接的三个桥臂16，并且每个桥臂包括两个JFET型的晶体管21。在给定桥臂16中并且在任何单个操作阶段中，这两个晶体管21在它们的触发器被顺序地致动时交替地中断信号。
相应二极管22被连接在每个晶体管21的漏极和源极之间。
因而定义了：第一桥臂16a，其包括第一晶体管21a、第一二极管22a、第二晶体管21b、和第二二极管22b；第二桥臂16b，其包括第三晶体管21c、第三二极管22c、第四晶体管21d、和第四二极管22d；以及第三桥臂16c，其包括第五晶体管21e、第五二极管22e、第六晶体管21f、和第六二极管22f。
第一中点P1在第一桥臂16a中坐落于第一晶体管21a和第二晶体管21b之间。第二中点P2在第二桥臂16b中坐落于第三晶体管21c和第四晶体管21d之间。第三中点P3在第三桥臂16c中坐落于第五晶体管21e和第六晶体管21f之间。
第一中点P1连接至电机3的第一相Ph1，第二中点P2连接至电机3的第二相Ph2，并且第三中点P3连接至电机3的第三相Ph3。
诸晶体管21的栅极被连接至附加模块5的控制电路13。控制电路13生成电控制电压Vc处的电控制电流Ic，这些电控制电流Ic被施加到诸晶体管21的栅极以便控制诸晶体管21，并因而控制电机3。
第一、第三和第五晶体管21a、21c和21e的漏极被连接至正电源导体10。
第二、第四和第六晶体管21b、21d和21f的源极被连接至负电源导体11。
第一、第三和第五晶体管21a、21c和21e的源极分别被连接至第二、第四和第六晶体管21b、21d和21f的漏极。
用于电机3的第一相Ph1的第一相电流Ip1通过第一桥臂16a来产生。用于电机3的第二相Ph2的第二相电流Ip2通过第二桥臂16b来产生。用于电机3的第三相Ph3的第三相电流Ip3通过第三桥臂16c来产生。
第一相电流Ip1、第二相电流Ip2和第三相电流Ip3是来自为电机3供电的逆变器2的交流电(AC)输出电流。
参考图2，电力模块1包括支撑件30，这些支撑件30承载逆变器2的电力组件。
支撑件30被以如下方式组装在一起：电力模块1呈现大致管状的、具有圆形截面和纵轴X的外形。
在该示例中，支撑件30包括第一支撑件30a、第二支撑件30b、第三支撑件30c、第四支撑件30d、第五支撑件30e、和第六支撑件30f。
图2是电力模块在平行于轴线X且包含轴线X的平面上的截面图。
在图2中，第一支撑件30a是T形的。第一支撑件30a具有相对于彼此成大于0°的角度的第一金属部分31和第二金属部分32。在该示例中，第一金属部分31和第二金属部分32相互正交。
第二支撑件30b、第三支撑件30c和第四支撑件30d均为直角成形的。因而，第二、第三和第四支撑件30b、30c和30d中的每一者具有各自的相对于彼此成大于0°的角度的第一金属部分31和第二金属部分32。在该示例中，第一金属部分31和第二金属部分32相互正交。
第五支撑件30e呈字母F的形状，其具有第一金属部分31、第二金属部分32和第三金属部分33。
第五支撑件30e的第二金属部分32相对于第五支撑件30e的第一金属部分31以及第三金属部分33两者都成大于0°的角度。
具体而言，第五支撑件30e的第二金属部分32与第五支撑件30e的第一金属部分31和第三金属部分33两者都正交。
第六支撑件30f在形状上成直线，并包括第一金属部分31。
诸支撑件30的诸第一金属部分31彼此平行并且与轴线X平行。
诸支撑件30的诸第二金属部分32彼此平行并且与轴线X正交。
在该示例中，诸金属部分之间的角度是在电力模块被制造时被确定的。
这些角度用于优化电力模块在壳体或在任何环境中的集成。具体而言，对电力模块的输入和输出的访问，尤其是对坐落在诸支撑件的诸金属部分上的输入连接器和输出连接器的访问，可以在三个维度上自由选择的角度处进行。
第一晶体管21a和第一二极管22a两者均被固定到第一支撑件30a的第二金属部分32以及第二支撑件30b的第二金属部分32，方式是通过被定位在诸所述第二金属部分32之间。
第一晶体管21a和第一二极管22a各自具有一个面，该面通过使用包括银粉的烧结材料进行烧结而固定至第一支撑件30a的第二金属部分32。
第一支撑件30a因而被电连接到第一晶体管21a的漏极和第一二极管22a的阴极。
第一晶体管21a和第一二极管22a各自具有另一个面，该面通过使用烧结材料进行烧结而固定至第二支撑件30b的第二金属部分32。
第二支撑件30b因而被电连接到第一晶体管21a的源极和第一二极管22a的阳极。
第二晶体管21b和第二二极管22b被以相同的方式固定到第二支撑件30b和第三支撑件30c的第二金属部分32。
第二支撑件30b因而被电连接到第二晶体管21b的源极和第二二极管22b的阳极。第三支撑件30c因而被电连接到第二晶体管21b的漏极和第二二极管22b的阴极。
第四晶体管21d和第四二极管22d被以相同的方式固定到第三支撑件30c和第四支撑件30d的第二金属部分32。
第三支撑体30c因而被电连接到第四晶体管21d的漏极和第四二极管22d的阴极。第四支撑件30d因而被电连接到第四晶体管21d的源极和第四二极管22d的阳极。
第三晶体管21c和第三二极管22c被以相同的方式固定到第四支撑件30d和第五支撑件30e的第二金属部分32。
第四支撑件30d因而被电连接到第三晶体管21c的源极和第三二极管22c的阳极。第五支撑件30e因而被电连接到第三晶体管21c的漏极和第三二极管22c的阴极。
第六晶体管21f和第六二极管22f被以相同的方式固定到第三支撑件30c和第六支撑件30f的第二金属部分32。
第三支撑件30c因而被电连接到第六晶体管21f的漏极和第六二极管22f的阴极。第六支撑件30f因而被电连接到第六晶体管21f的源极和第六二极管21f的阳极。
第五晶体管21e和第五二极管22e被以相同的方式固定到第五支撑件30e和第六支撑件30f的第二金属部分32。
第五支撑件30e因而被电连接到第五晶体管21e的漏极和第五二极管22e的阴极。第六支撑件30f因而被电连接到第五晶体管21e的源极和第五二极管22e的阳极。
诸晶体管21和二极管22的精加工(即它们的触点的金属化)可包括任何金属材料，且尤其是以下材料：Ag、Au、Pd、Al、Cu、Ni等。
来自或去往诸晶体管21的电力电流在支撑件30的金属部分32中流动。
电力电流包括电源电流Ial、第一相电流Ip1、第二相电流Ip2、和第三相电流Ip3。
第一支撑件30a被连接至正电源导体10，并且电源电流Ial在第一支撑件30a的第一金属部分31和第二金属部分32中流动。第一晶体管21a的漏极和第一二极管22a的阴极因而被带到正DC电源电压。
第五支撑件30e被连接至正电源导体10，并且电源电流Ial在第五支撑件30e的第一金属部分31和第二金属部分32中流动。第三晶体管21c和第五晶体管21e的漏极、以及第三二极管22c和第五二极管22e的阴极因而被带到正DC电源电压。
第三支撑件30c被连接至负电源导体11，并且电源电流Ial在第三支撑件30c的第一金属部分31和第二金属部分32中流动。第二、第四和第六晶体管21b、21d和21f的源极、以及第二、第四和第六二极管21b、22d和22f的阳极因而被带到负DC电源电压。
第一、第二和第三相电流Ip1、Ip2和Ip3分别在第二、第四和第六支撑件30b、30d和30f中流动，分别流向电机3的第一、第二和第三相Ph1、Ph2和Ph3。
第二支撑件30b、第四支撑件30d和第六支撑件30f全都被至少部分地覆盖在铁磁陶瓷34中。在这些支撑件上，铁磁陶瓷34形成针对高频干扰的滤波器。铁磁陶瓷通过“增材制造”技术、或通过3D机电一体化集成设备(3D-MID)技术来施加。
至少一个支撑件30的厚度Es使得：
5.Ep<Es<30.Ep
其中被安装在所述支撑件30上的电力组件呈现出平均厚度Ep。
参考图3，应观察到，第一、第三、第五和第六支撑件30a、30c、30e和30f还承载将电控制电流Ic传达至诸晶体管21的栅极的轨道35。
每个晶体管21具有第一面36和第二面37，第一面36具有连接到晶体管21的漏极的第一导电元件和连接到晶体管21的栅极的第二导电元件，第二面37具有连接到晶体管21的源极的第三导电元件。
如上面阐述的，烧结材料38被布置在第一、第二和第三导电元件上。
在被布置在第二导电元件上的烧结材料38和金属部分32之间，既有轨道35又有绝缘层39。绝缘层39使轨道35与传达电力电流(电源电流或相电流)的支撑件30的金属部分32绝缘。
在该示例中，轨道35包括包含银和氧化物的导电材料。导电材料被分散在适用于丝网印刷的粘结剂中。
在该示例中，绝缘层39包括玻璃熔块类型的无机绝缘体。无机绝缘材料被分散在适用于丝网印刷的粘结剂中。
电子电力模块1用于通过各晶体管21之间的各向同性能量传递通过由支撑件30构成的基板来散热。
散热以三种模式同时发生：通过传导、通过对流、和通过辐射。可通过使用用于制造支撑件30的导热元件(其具有有益于良好辐射率的轮廓)来增强散热。通过使用“增材制造”技术来有利地形成这些轮廓。
还应当观察到，电组件被布置在电力模块1的外表面上。电组件包括连接电容器6、连同组件40和集成电路或“芯片”41。芯片41通过引线接合42连接至轨道43。这些电组件被安装在基板44上，在电路的这部分中该基板44是常规基板。
参考图4，支撑件30的布置是基于包括第一支撑件30a、第二支撑件30b和第三支撑件30c的通用电池45。应当观察到，在图4中，第二支撑件30b和第三支撑件30c设置有散热鳍46，这些散热鳍46增强了电力模块的冷却。
该通用电池45(其形成包括第一晶体管48a和第二晶体管48b的桥臂16)可根据需要被复制多次，以便创建任何电力功能。
应当观察到，第一晶体管48a和第二晶体管48b被定位在第二支撑件30b的相对侧，相对于彼此叠覆且居中。垂直于第一晶体管48a的面并穿过所述面的中心的第一轴Za与垂直于第二晶体管48b的面并穿过所述面的中心的第二轴Zb间隔开距离d，该距离d小于或等于具有较大面积的面的对角线的三分之一。
该通用电池45可以被不同地构造，即支撑件30可呈现出不同的形状，或者它们可以相对于彼此被不同地布置。
可使用各种形状的多个通用电池45来制造符合任何类型的要求的电力模块1以用于集成目的。
参考图5，电力模块1包括由塑性材料制成并且形状上呈管状的防漏盖50。在该示例中，盖50被固定到第二支撑件30b、第三支撑件30c、第四支撑件30d和第五支撑件30e。
支撑件30和盖50在电力模块1内部限定了通道51。
冷却流体Fr(例如，热传递液体或气体)因而在由支撑件30和盖50限定的通道51中流动。流体经由第二支撑件30b、第三支撑件30c和第四支撑件中所制成的孔口52流过这些支撑件。在通道51中流动的冷却液使电力模块1能够被非常有效地冷却。
冷却液用于使电力模块绝缘。在该示例中，冷却液的流速为0.001米每秒(m/s)左右。流速用于保证在由诸晶体管21形成的诸开关的电切换期间不发生局部放电。
诸支撑件30的轮廓具有用于产生大的面积以与冷却流体进行热交换的尺寸。
有利地，使用增材制造技术来制造诸支撑件30，尤其是第一金属部分31和第二金属部分32。作为示例，所使用的材料是铝。因而，可以在支撑件30的第一金属部分31内部和第二金属部分32内部限定冷却通道。
所得的热性能与冷却通道的直径成反比，但是液压头损失平衡与冷却通道的直径成正比。
对于直径在10微米(μm)至800μm范围内的冷却通道，该热交换器被称为“微通道”热交换器。对于直径在1毫米(mm)至10mm范围内的冷却通道，该热交换器被称为“迷你通道”热交换器。对于大于10mm的冷却通道直径，所使用的术语是“冷板”冷却。
在电力模块的制造期间，最初通过厚层丝网印刷在承载诸晶体管21的诸支撑件30的每个面上施加第一绝缘。之后，各组件被安装在诸支撑件30上，并且电力模块被组装。然后通过等离子体方法、通过气相沉积、通过蒸发、或通过滚压来沉积第二绝缘。这形成没有裂缝或气泡且呈现小于1μm的厚度变化的涂层。该涂层覆盖并绝缘了电力模块的所有内表面和外表面。
最后，电力模块用树脂覆盖或集成在保护性包装中。这用于保护电绝缘免受可引起刮擦、擦伤、压碎等的外部机械应力的影响。用于将电力模块连接到电机或某些其他装备的输入和输出连接器被留作待用。
自然地，本发明不限于所描述的实施例，而是涵盖了落入由权利要求书限定的本发明范围内的任何变型。
上面描述的电力模块包括逆变器，然而本发明自然可应用于实现任何类型的电力功能的任何类型的电力模块。
桥臂的数目自然会有所不同，所使用的电力组件也可能会有所不同。
尽管阐述了这些组件是通过烧结来固定至支撑件的，但也可使用其他固定手段，例如焊接或粘合。
在以上描述中，第一金属部分31和第二金属部分32相互正交。然而，至少一个支撑件的第一金属部分和第二金属部分可相对于彼此以某个其他角度来成角度，只要该角度大于0°。
还阐述了诸金属部分之间的角度是在电力模块被制造时被确定的。还可以规定，在将电力模块集成在包含所述电力模块的壳体中时，调整这些角度中的一个或多个。诸金属部分然后应通过使它们之间的角度能够被调整的固定手段来紧固在一起。

Claims (18)

1.一种电力模块，包括电力组件(21、22)和支撑件(30)，每个支撑件(30)包括至少一个金属部分(31；32)，所述支撑件的金属部分形成所述电力模块(1)的基板，至少一个支撑件(30a、30b、30c、30d、30e)包括相对于彼此成大于0°的角度的两个成角度的金属部分，每个电力组件通过被定位在两个不同支撑件的两个金属部分之间来被固定至所述两个金属部分，所述电力模块被布置成使得去往或来自所述电力组件的电力电流在所述支撑件的金属部分中流动。
2.根据权利要求1所述的电力模块，其特征在于，所述两个成角度的金属部分相互正交。
3.根据权利要求1所述的电力模块，其特征在于，所述两个成角度的金属部分被以如下方式布置：它们之间的角度能够在所述电力模块被集成在壳体中时被调整。
4.根据权利要求1所述的电力模块，其特征在于，所述电力组件包括可控组件(21)，所述电力模块包括轨道(35)以用于向所述可控组件传达电控制电流(Ic)，每个轨道被定位在两个不同支撑件的两个金属部分之间，每个轨道都通过绝缘层(39)与支撑件(30)的金属部分(32)绝缘。
5.根据权利要求4所述的电力模块，其特征在于，所述轨道(35)中的至少一者包括包含银和氧化物的导电材料，所述导电材料被分散在适用于丝网印刷的粘结剂中。
6.根据权利要求4所述的电力模块，其特征在于，所述绝缘层(39)中的至少一者包括玻璃熔块类型的无机绝缘材料，所述无机绝缘材料被分散在适用于丝网印刷的粘结剂中。
7.根据权利要求1所述的电力模块，其特征在于，每个电力组件(21、22)的一个面通过烧结来被固定至支撑件的金属部分。
8.根据权利要求1所述的电力模块，其特征在于，所述支撑件被部分地覆盖在形成低通滤波器的铁磁陶瓷(34)中。
9.根据权利要求1所述的电力模块，其特征在于，所述支撑件在所述电力模块内部限定通道(51)，所述电力模块被布置成使得流体在所述通道(51)中流动以便冷却所述电力模块。
10.根据权利要求9所述的电力模块，其特征在于，进一步包括也限定所述通道的防漏塑性材料盖(50)，所述盖被固定至支撑件。
11.根据权利要求1所述的电力模块，其特征在于，所述支撑件(30)通过使用增材制造技术来制造。
12.根据权利要求1所述的电力模块，其特征在于，冷却通道被限定在所述支撑件(30)内部。
13.根据权利要求1所述的电力模块，其特征在于，包括至少三个支撑件(30)。
14.根据权利要求1所述的电力模块，其特征在于，支撑件(30)具有厚度Es以使得：
5.Ep<Es<30.Ep
其中被安装在所述支撑件(30)上的所述电力组件的芯片呈现出平均厚度Ep。
15.根据权利要求1所述的电力模块，其特征在于，所述电力组件包括形成单个桥臂(16)的两个晶体管(21)和两个二极管(22)，所述电力模块包括其中流动着正DC电源电压处的电源电流的第一支撑件(30a)、其中流动着AC输出电流的第二支撑件(30b)、以及其中流动着负DC电源电压处的电源电流的第三支撑件(30c)。
16.根据权利要求15所述的电力模块，其特征在于，包括形成单个桥臂的第一晶体管(48a)和第二晶体管(48b)，所述第一晶体管(48a)和所述第二晶体管(48b)被定位在单个支撑件(30b)的两侧，以便相对于彼此叠覆且居中。
17.根据权利要求16所述的电力模块，其特征在于，垂直于所述第一晶体管(48a)的面并穿过所述面的中心的第一轴(Za)与垂直于所述第二晶体管(48b)的面并穿过所述面的中心的第二轴(Zb)间隔开距离(d)，所述距离(d)小于或等于具有较大面积的面的对角线长度的三分之一。
18.一种机电致动器，包括根据权利要求15所述的电力模块和电动机(3)。
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