CN112152471A - 用于电源装置的集成功率单元 - Google Patents

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Abstract

本公开提供了“用于电源装置的集成功率单元”。一种DC‑AC逆变器包括多个功率单元。每个功率单元具有一对开关、DC链接电容器、AC母线和DC母线以及包封所述开关、所述电容器和所述母线的整体式绝缘材料。每个开关夹在所述AC母线中的一个与所述DC母线中的一个之间。所述整体式绝缘材料暴露夹持每个开关的所述母线中的至少一个的外表面。

Description

用于电源装置的集成功率单元
技术领域
本公开涉及电动车辆和用于电动车辆的电源装置。
背景技术
电动车辆和混合动力车辆可包括被配置为将电功率从直流电(DC)转换成交流电(AC)和/或将电功率从交流电转换成直流电的功率模块。
发明内容
一种车辆包括电机、电池和逆变器。所述电机被配置为推进所述车辆。所述电池被配置为向所述电机提供电功率。所述逆变器被配置为将来自所述电池的DC电功率转换成AC电功率，并将所述AC电功率输送到所述电机。所述逆变器包括功率单元阵列。每个功率单元具有一对开关电路、DC链接电容器、AC母线和DC母线以及包封所述开关电路、所述电容器和所述母线的整体式绝缘材料。每个开关电路夹在所述AC母线中的一个与所述DC母线中的一个之间。每个开关电路经由所述DC母线电连接到所述DC链接电容器。所述整体式绝缘材料暴露夹持每个开关电路的所述母线中的至少一个的外表面。
一种DC-AC逆变器包括多个功率单元。每个功率单元具有一对开关、DC链接电容器、AC母线和DC母线以及包封所述开关、所述电容器和所述母线的整体式绝缘材料。每个开关夹在所述AC母线中的一个与所述DC母线中的一个之间。所述整体式绝缘材料暴露夹持每个开关的所述母线中的至少一个的外表面。
一种用于DC-AC逆变器的功率单元包括母线、一对开关、DC链接电容器和整体式绝缘材料。所述一对开关经由所述母线电连接到所述DC链接电容器。每个开关夹在一对所述母线之间。所述整体式绝缘材料包封所述开关、所述电容器和所述母线。所述整体式绝缘材料暴露夹持每个开关的所述母线中的至少一个的外表面。
附图说明
图1是耦合到DC功率源和电机的逆变器的电路图；
图2示出形成逆变电路的半桥中的一个；
图3示出用于构造逆变器的功率单元阵列中的一个功率单元；
图4示出用于功率单元的第一替代布置；
图5示出用于功率单元的第二替代布置；并且
图6示出功率单元阵列和用于功率单元阵列的冷却系统。
具体实施方式
本文描述了本公开的实施例。然而，应当理解，所公开的实施例仅是示例并且其他实施例可采取各种形式和替代形式。附图不一定按比例绘制；一些特征可能会被放大或最小化以示出特定部件的细节。因此，本文所公开的具体结构和功能细节不应被解释为是限制性的，而是仅作为教导本领域技术人员以不同方式采用实施例的代表性基础。如本领域普通技术人员将理解，参考附图中的任一个示出和描述的各种特征可以与一个或多个其他附图中示出的特征进行组合，以产生未明确示出或描述的实施例。示出的特征的组合提供用于典型的应用的代表性实施例。然而，对于特定应用或实现方式，可能期望与本公开的教义一致的特征的各种组合和修改。
参见图1，示出了耦合到功率源12和电机14的逆变器10的电路图。逆变器10也可称为功率控制器或电源装置。电机可以是电动马达或马达/发电机组合。逆变器10可用于车辆11(诸如电动或混合动力车辆)的电驱动系统中。功率源12可耦合到逆变器10，以便驱动电机14。在一些情况(包括电动或混合动力车辆的情况)下，功率源12可以是被配置为向电机14提供电功率的电池，诸如牵引电池，并且电机14可以是被配置为推进车辆11的电动马达或电动马达/发电机组合。逆变器10可包括逆变电路16和电压转换器17。电压转换器17可以是DC-DC转换器。替代地，电压转换器17可以是不与逆变器10成一整体的单独部件。逆变电路16和电压转换器17可被配置为将电功率输送到电机14。
逆变电路16可包括开关单元18。开关单元18可称为开关电路或开关。开关单元18可各自包括与二极管22反并联的晶体管20，诸如绝缘栅双极晶体管(IGBT)。替代地，其他类型的电路可用于形成开关单元18，诸如金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。多对19的开关单元18串联布置并且在功率源12的正DC总线21与负DC总线23之间延伸。多对19的开关单元18各自包括逆变电路16的半桥19。每个半桥19经由AC总线25连接到电机14的一个相。开关单元18可被配置为向电机14提供AC功率。更具体地，逆变电路16可被配置为将由功率源12提供的DC功率转换成AC功率，然后将所述AC功率输送到电机14。逆变器10可包括DC链接电容器24。链接电容器24可设置在功率源12与逆变电路16之间。链接电容器24也在功率源12的正DC总线21与负DC总线23之间延伸。链接电容器24可被配置为吸收在逆变电路16或功率源12处生成的纹波电流，并且使DC链路电压Vo稳定，以用于逆变电路16控制。换句话说，链接电容器24可被布置成限制由于由逆变电路16或可包括功率源12的电池(诸如牵引电池)生成的纹波电流而在逆变电路16的输入端处发生的电压变化。逆变器10可包括用于控制逆变电路16的驱动板26。驱动板26可以是栅极驱动板，其被配置为在将来自功率源12的DC功率转换成AC功率并将AC功率输送到电机14时操作开关单元18的晶体管20。
电压转换器17可包括电感器。包括电感器的电压转换器的电路(未示出)可被配置为放大或增大从功率源12输送到电机14的电功率的电压。熔断器28可设置在逆变电路16的直流侧，以保护逆变电路16免受电功率浪涌。
本公开不应被解释为限于图1的电路图，而应包括包含其他类型的逆变电路、电容器、转换器或其组合的功率控制装置。例如，逆变电路16可以是包括任何数量的开关单元的逆变器，并且不限于图1中所描绘的开关单元的数量。替代地，链接电容器24可被配置为将一个或多个逆变器耦合到功率源。
参见图2，示出了形成逆变电路16的半桥19中的一个。开关单元18中的每一个夹在一对金属板之间。更具体地，金属板中的每一个可包括形成正DC总线21、负DC总线23或AC总线25的一部分的母线。例如，形成半桥19的第一开关单元18可夹在作为正DC总线21的一部分的第一金属板30与作为AC总线25的一部分的第二金属板32之间，并且电连接到第一金属板30和第二金属板32两者。形成半桥19的第二开关单元18可夹在作为负DC总线23的一部分的第三金属板34与也作为AC总线25的一部分的第四金属板36之间，并且电连接到第三金属板34和第四金属板36两者。
半桥19内的开关单元18经由AC总线25彼此串联电连接。更具体地，第二金属板32和第四金属板36(其均是AC总线25的一部分)在端子38处彼此电连接。第一金属板30(其为正DC总线21的一部分)可包括端子40，并且第三金属板34(其为负DC总线23的一部分)可包括端子42。端子40和端子42用于将半桥19连接到链接电容器24的一部分。端子40可与端子42重叠以减小寄生电感。出于电绝缘的目的，绝缘片44可放置在端子40与端子42之间。第二金属板32(其为AC总线25的一部分)可包括用于AC输出的端子46。端子46可用于在半桥19与电机14的一相之间建立电连接。替代地，端子46可从第四金属板36而不是第二金属板32延伸。应当理解，可基于设计或封装要求来调节端子40、42和46的位置(例如，端子可在不同于图2所示的方向上从其相应金属板的另一端突出)。
数字电端子48被配置为在半桥19内的开关单元18与驱动板26之间建立电连接。数字电端子可通过引线接合连接到功率半导体(即，开关单元18)。
散热器50可设置在每个开关单元18与将每个开关单元18夹在其间的相应板中的一个之间。更具体地，第一散热器50可设置在第一开关单元18与第二金属板32(其为AC总线25的一部分)之间，并且第二散热器50可设置在第二开关单元18与第三金属板34(其为负DC总线23的一部分)之间。另外地或替代地，散热器50可设置在开关单元18中的每一个与将每个开关单元18夹在其间的相应板中的另一个之间。散热器50可以是具有良好的电导率和热导率的材料(诸如铜、铝、钢等)的板或块。
参见图3，示出了用于构造逆变器10的任何功率单元阵列52中的一个。至少三个功率单元52互相连接以形成逆变器10，所述逆变器10输出三相的AC功率，如由图1中的逆变器10所示出。每个功率单元52包括半桥19和电容器54。当功率单元阵列52连接以形成逆变器10时，功率单元的电容器54共同形成链接电容器24。电容器54可以是堆叠式薄膜电容器。电容器54包括作为正DC总线21的一部分的第五金属板56和作为负DC总线23的一部分的第六金属板58。第五金属板56和第六金属板58将电容器54电连接到半桥19。更具体地，第五金属板56可经由端子40连接到第一金属板30(其也为正DC总线21的一部分)，并且第六金属板58可经由端子42连接到第三金属板34(其为负DC总线23的一部分)，以便将电容器54电连接到半桥19。第五金属板56可包括端子60，并且第六金属板58可包括端子62。端子60和62可用于在功率单元52(或更具体地，电容器54)与功率源12之间建立电连接。
功率单元32可由整体式非金属绝缘材料64包封。更具体地，半桥19(包括一对开关单元18)、电容器54、正DC总线21的部分(包括第一金属板30和第五金属板56)、负DC总线23的部分(包括第三金属板34和第六金属板58)以及AC总线25的部分(包括第二金属板32和第四金属板36)可由整体式非金属绝缘材料64包封。整体件可以指的是某种物品，所述物品被铸造为单个单元，在无接头或接缝的情况下由某种材料形成或构成，或者由单个单元组成。整体式非金属绝缘材料64可包括非导电的环氧树脂、合成树脂、塑料或能够将半桥19、电容器54和金属板(即，母线)包覆成型并包封成单个封装件或部件以使得在半桥19与电容器54之间提供电压隔离的其他材料。整体式非金属绝缘材料64可以是整体式的，因为其是固体的单件。整体式非金属绝缘材料64可形成固体的单件，其既围绕半桥19、电容器54和金属板(即，母线)，又填充可能存在于半桥19、电容器54与金属板(即，母线)之间的任何空隙。整体式非金属绝缘材料64还可在半桥19与电容器54之间提供热绝缘。
整体式绝缘材料64可暴露夹持每个开关单元18的板中的至少一个的外表面。更具体地，整体式绝缘材料64可暴露第一金属板30的外表面66和第四金属板36的外表面68。另外地或替代地，整体式非金属绝缘材料64可暴露第二金属板32的外表面和第三金属板34的外表面。散热器50更具体地与金属板直接接触，并且设置在开关单元18中的一个与金属板的所暴露的外表面(例如，外表面66和68)中的一个之间，以便于促进热量经由暴露的外表面66和68从开关单元传递到功率单元52的外部。外表面66和外表面68可沿同一平面基本上对准。沿同一平面基本上对准可包括离处于完全相同的平面上至多5毫米或至多5°的偏差。
端子46可突出穿过整体式绝缘材料64，以便接收与电机14的连接。数字端子48可突出穿过整体式绝缘材料64，以便接收与驱动板26的连接。端子60和62可突出穿过整体式绝缘材料64，以便接收与功率源12的连接。功率单元阵列52的端子60与62之间的并联连接形成用于逆变器10的逆变电路和链接电容器连接。
图3中的功率单元52的半桥19设置成与电容器54的长边缘相邻。半桥19和电容器54均平放，这增加了沿功率单元52的顶侧和底侧的功率单元的总体表面积。图4和图5分别描绘用于功率单元52的第一替代布置和第二替代布置。第一替代布置描绘了设置成与电容器54的短边缘相邻的半桥19，其中半桥19和电容器54均平放。第二替代布置描绘设置在电容器54的顶部上的半桥19。这些不同的布置可适应于特定应用的需要。例如，图3和图4所描绘的布置可通过增大功率单元52的总体外表面积来促进功率单元52的增加的冷却，而图5所描绘的布置可促进对更紧凑设计的包装要求。
参见图6，示出了功率单元阵列52和用于功率单元阵列52的冷却系统。更具体地，逆变器10可以是三相逆变器，并且功率单元阵列52可包括将DC功率转换成三相AC功率的恰好三个功率单元52。夹持功率单元阵列中的每个功率单元52的每个开关单元18的板(例如，第一金属板30和第四金属板36)的所暴露的外表面(例如，外表面66和68)可沿同一平面基本上对准。沿同一平面基本上对准可包括离处于完全相同的平面上至多5毫米或至多5°的偏差。
冷却系统可包括设置在每个功率单元52的板(例如，第一金属板30和第四金属板36)的所暴露的外表面(例如，外表面66和68)中的每一个上的第一冷却歧管70。第一冷却歧管70可延伸超过板(例如，第一金属板30和第四金属板36)的边缘，并与每个功率单元52的电容器54重叠。第一冷却歧管70可包括入口72和出口74，其允许冷却液体流动通过冷却歧管70，并从功率单元52去除多余的热量。可促进以下热量传递：从开关单元18开始，并且经由散热器50且经由板的仍然暴露的外表面(例如，外表面66和68)之间的直接接触进入流动通过冷却歧管70的液体中，从而通过整体式非金属绝缘材料64和冷却歧管70。
冷却系统可包括第二冷却歧管76。每个开关单元18和将每个开关单元18夹在其间的板(例如，板30、32、34和36)进一步夹在第一冷却歧管70与第二冷却歧管76之间。第二冷却歧管76可包括入口78和出口80，其允许冷却液体流动通过冷却歧管70，并从功率单元52去除多余的热量。
在说明书中使用的词语是描述性词语而非限制性词语，并且应当理解，在不脱离本公开的精神和范围的情况下可以做出各种改变。如前所述，各种实施例的特征可被组合以形成可能未明确描述或示出的另外的实施例。尽管各个实施例可能已经被描述为就一个或多个所期望特性而言相较其他实施例或现有技术实现方式来说提供优点或是优选的，但是本领域的普通技术人员将认识到，一个或多个特征或特性可以折衷以实现期望的总体系统属性，这取决于特定应用和实现方式。因而，就一个或多个特性而言被描述为不如其他实施例或现有技术实现方式理想的实施例处在本公开的范围内，并且对于特定应用来说可能是理想的。
根据本发明，提供了一种车辆，其具有：电机，所述电机被配置为推进所述车辆；电池，所述电池被配置为向所述电机提供电功率；以及逆变器，所述逆变器被配置为将来自所述电池的DC电功率转换成AC电功率，并将所述AC电功率输送到所述电机，所述逆变器包括功率单元阵列，每个功率单元具有：一对开关电路、DC链接电容器、AC母线和DC母线、以及包封所述开关电路、所述电容器和所述母线的整体式绝缘材料，其中每个开关电路夹在所述AC母线中的一个与所述DC母线中的一个之间，每个开关电路经由所述DC母线电连接到所述DC链接电容器，并且所述整体式绝缘材料暴露夹持每个开关电路的所述母线中的至少一个的外表面。
根据一个实施例，每个功率单元内的所述母线的所暴露的外表面沿同一平面基本上对准。
根据一个实施例，所述功率单元阵列中的每个功率单元的所述母线的所暴露的外表面沿同一平面基本上对准。
根据一个实施例，本发明的进一步特征在于，冷却歧管设置在每个功率单元的所暴露的母线的所述外表面中的每一个上。
根据一个实施例，本发明的进一步特征在于第一冷却歧管和第二冷却歧管，并且其中每个开关电路和将每个开关电路夹在其间的所述相应的AC母线和DC母线夹在所述第一冷却歧管与所述第二冷却歧管之间。
根据一个实施例，所述第一冷却歧管和所述第二冷却歧管中的至少一个延伸超过所述母线的边缘，并与所述DC链接电容器重叠。
根据一个实施例，所述逆变器是三相逆变器，所述功率单元阵列包括三个功率单元，并且每个功率单元的所述多对的开关电路是所述三相逆变器的半桥。
根据一个实施例，本发明的进一步特征在于散热器，所述散热器设置在每个开关电路与将每个开关电路夹在其间的所述相应的母线的所暴露的外表面之间。
根据本发明，提供了一种DC-AC逆变器，其具有：多个功率单元，所述多个功率单元各自具有一对开关、DC链接电容器、AC母线和DC母线以及包封所述开关、所述电容器和所述母线的整体式绝缘材料，其中每个开关夹在所述AC母线中的一个与所述DC母线中的一个之间，并且所述整体式绝缘材料暴露夹持每个开关的所述母线中的至少一个的外表面。
根据一个实施例，所述母线的所暴露的外表面沿同一平面基本上对准。
根据一个实施例，所述多个功率单元中的每个功率单元的所暴露的母线的所述外表面沿同一平面基本上对准。
根据一个实施例，本发明的进一步特征在于，冷却歧管设置在每个功率单元的所暴露的母线的所述外表面中的每一个上。
根据一个实施例，本发明的进一步特征在于第一冷却歧管和第二冷却歧管，并且其中每个开关和将每个开关夹在其间的所述相应的AC母线和DC母线夹在所述第一冷却歧管与所述第二冷却歧管之间。
根据一个实施例，所述第一冷却歧管和所述第二冷却歧管中的至少一个延伸超过所述母线的边缘，并与所述DC链接电容器重叠。
根据一个实施例，所述逆变器是三相逆变器，所述多个功率单元包括三个功率单元，并且每个功率单元的所述多对的开关是所述三相逆变器的半桥。
根据一个实施例，本发明的进一步特征在于散热器，所述散热器设置在每个开关与将每个开关夹在其间的所述相应的母线的所暴露的外表面之间。
根据本发明，提供了一种用于DC-AC逆变器的功率单元，其具有：母线；经由所述母线电连接到DC链接电容器的一对开关，每个开关夹在一对所述母线之间；以及包封所述开关、所述电容器和所述母线的整体式绝缘材料，所述整体式绝缘材料暴露夹持每个开关的所述母线中的至少一个的外表面。
根据一个实施例，所述母线的所暴露的外表面沿同一平面基本上对准。
根据一个实施例，所述一对开关是逆变电路的半桥。
根据一个实施例，本发明的进一步特征在于散热器，所述散热器设置在每个开关与将每个开关夹在其间的所述相应的母线的所暴露的外表面之间。

Claims (15)

1.一种车辆，其包括：
电机，所述电机被配置为推进所述车辆；
电池，所述电池被配置为向所述电机提供电功率；以及
逆变器，所述逆变器被配置为将来自所述电池的DC电功率转换成AC电功率，并将所述AC电功率输送到所述电机，所述逆变器包括功率单元阵列，
每个功率单元具有，
一对开关电路，
DC链接电容器，
AC母线和DC母线，以及
包封所述开关电路、所述电容器和所述母线的整体式绝缘材料，其中每个开关电路夹在所述AC母线中的一个与所述DC母线中的一个之间，每个开关电路经由所述DC母线电连接到所述DC链接电容器，并且所述整体式绝缘材料暴露夹持每个开关电路的所述母线中的至少一个的外表面。
2.如权利要求1所述的车辆，其中每个功率单元内的所述母线的所暴露的外表面沿同一平面基本上对准。
3.如权利要求1所述的车辆，其中所述功率单元阵列中的每个功率单元的所述母线的所暴露的外表面沿同一平面基本上对准。
4.如权利要求3所述的车辆，其还包括冷却歧管，所述冷却歧管设置在每个功率单元的所暴露的母线的所述外表面中的每一个上。
5.如权利要求1所述的车辆，其还包括第一冷却歧管和第二冷却歧管，并且其中每个开关电路和将每个开关电路夹在其间的所述相应的AC母线和DC母线夹在所述第一冷却歧管与所述第二冷却歧管之间。
6.如权利要求5所述的车辆，其中所述第一冷却歧管和所述第二冷却歧管中的至少一个延伸超过所述母线的边缘，并与所述DC链接电容器重叠。
7.如权利要求1所述的车辆，其中所述逆变器是三相逆变器，所述功率单元阵列包括三个功率单元，并且每个功率单元的所述多对的开关电路是所述三相逆变器的半桥。
8.如权利要求1所述的车辆，其还包括散热器，所述散热器设置在每个开关电路与将每个开关电路夹在其间的所述相应的母线的所暴露的外表面之间。
9.一种DC-AC逆变器，其包括：
多个功率单元，所述多个功率单元各自具有一对开关、DC链接电容器、AC母线和DC母线以及包封所述开关、所述电容器和所述母线的整体式绝缘材料，其中每个开关夹在所述AC母线中的一个与所述DC母线中的一个之间，并且所述整体式绝缘材料暴露夹持每个开关的所述母线中的至少一个的外表面。
10.如权利要求9所述的逆变器，其中所述多个功率单元中的每个功率单元的所暴露的母线的所述外表面沿同一平面基本上对准。
11.如权利要求9所述的逆变器，其还包括第一冷却歧管和第二冷却歧管，并且其中每个开关和将每个开关夹在其间的所述相应的AC母线和DC母线夹在所述第一冷却歧管与所述第二冷却歧管之间。
12.如权利要求11所述的逆变器，其中所述第一冷却歧管和所述第二冷却歧管中的至少一个延伸超过所述母线的边缘，并与所述DC链接电容器重叠。
13.如权利要求9所述的逆变器，其还包括散热器，所述散热器设置在每个开关与将每个开关夹在其间的所述相应的母线的所暴露的外表面之间。
14.一种用于DC-AC逆变器的功率单元，其包括：
母线；
经由所述母线电连接到DC链接电容器的一对开关，每个开关夹在一对所述母线之间；以及
包封所述开关、所述电容器和所述母线的整体式绝缘材料，所述整体式绝缘材料暴露夹持每个开关的所述母线中的至少一个的外表面。
15.如权利要求14所述的功率单元，其中所述母线的所暴露的外表面沿同一平面基本上对准。
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