CN112425056A - 电气电路、开关臂和电压转换器 - Google Patents

电气电路、开关臂和电压转换器 Download PDF

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CN112425056A CN201980047914.4A CN201980047914A CN112425056A CN 112425056 A CN112425056 A CN 112425056A CN 201980047914 A CN201980047914 A CN 201980047914A CN 112425056 A CN112425056 A CN 112425056A
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M.法尔古尔
R.亨内盖特
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Abstract

电气电路，包括：主电导体(106B)；压靠所述主电导体(106B)的电部件(112)；和覆盖所述主电导体(106B)和所述电部件(112)的电绝缘体(302)，所述电绝缘体(302)背向所述主电导体(106B)的上端面(304)。所述电气电路还包括防火元件(404)，所述防火元件(404)抵靠所述电绝缘体(302)的上端面(304)的部分(604)的至少85％延伸，或者延伸所述电绝缘体(302)的上端面(304)的部分(604)的至少85％的预定距离，所述部分(604)包括所述电绝缘体(302)的上端面(304)的距所述电部件(112)最近的一个或多个点。

Description

电气电路、开关臂和电压转换器
技术领域
本发明涉及电气电路、开关臂和电压转换器。
背景技术
以编号WO2007003824A2公布的PCT国际申请描述了一种电气电路，其包括：
-第一电导体，称为主电导体，
-电部件，其压靠第一主电导体，
-电绝缘体，其覆盖第一主电导体和电部件，所述电绝缘体具有背向第一主电导体的上端面。
更确切地说，所述电部件是电压转换器的开关臂的可控的开关，所述电源模块包括外壳，所述外壳限定将所述开关布置在其中的承盘。所述承盘被用电绝缘体凝胶或环氧树脂填充并且由塑料盖封闭。
但是，在电部件过热的情况下，例如在可控开关情形中的短路情况下，热量扩散到电绝缘体中，使得其上端面可能起火，从而危及周围的元件。
本发明目的在于至少部分地克服上述问题。
发明内容
为此，本申请提出了一种电气电路，其包括：
-第一电导体，称为主电导体，
-电部件，其压靠第一主电导体，
-电绝缘体，其覆盖第一主电导体和所述电部件，所述电绝缘体具有背向第一主电导体的上端面，
其特征在于，所述电气电路还包括防火元件，所述防火元件抵靠所述电绝缘体(302)的上端面(304)的部分(604)的至少85％延伸，或者延伸所述电绝缘体的上端面的部分的至少85％的预定距离，所述部分将所述电绝缘体的上端面的距所述电部件最近的一个或多个点组合在一起。
由此，借助于所述防火元件，阻止或至少限制了火势的蔓延。
根据一个附加特征，所述预定距离小于1mm，优选地小于0.5mm，并且更优选地小于0.2mm。
所述防火元件和所述电绝缘体的上端面之间的距离优选尽可能小，以便阻止火势蔓延到尽可能靠近电部件的位置。但是，可以在所述防火元件和所述电绝缘体的上端面之间插入粘合剂或树脂层，特别是为了促进所述防火元件和所述电绝缘体之间的支承力的良好分布。所述防火元件和所述电绝缘体的上端面之间的距离小于1mm，优选小于0.5mm，并且更优选小于0.2mm，这允许所述防火元件保持阻止或限制火势蔓延的良好能力。
可选地，所述防火元件由金属制成，所述金属例如是钢。
另外可选地，所述防火元件呈板的形式。
另外可选地，所述电绝缘体是环氧树脂。由此，所述电绝缘体足够硬以本身形成保护外壳，使得其不再需要提供限定承盘的外壳。
另外可选地，所述电气电路还包括至少一个电连接，所述至少一个电连接用以将所述电部件连接到称为主电导体的第二电导体，每个电连接的导电段是所述第一主电导体的导电段的至少十分之一小。
另外可选地，所述电部件是可控开关，例如是绝缘栅场效应晶体管。
另外提出了一种开关臂，其包括第一和第二电气电路和磁性环托，所述第一和第二电气电路均是根据本发明的电气电路，其中所述第二电气电路的所述第一主电导体包括称为局部导电体的第一导电体和第二导电体，所述第一导电体和所述第二导电体被彼此电连接，其中所述磁性环托绕所述第二局部电导体卷绕，并且其中所述第一电气电路的每个电连接将所述第一电气电路的电部件连接到第一局部电导体。
可选地，所述第二局部电导体通过熔焊、铜焊或螺纹接合被电连接到所述第一局部电导体。
另外可选地，所述开关臂还包括包围所述磁性环托和所述第二局部电导体的塑料材料包覆件，并且其中所述防火元件附接到所述塑料材料包覆件。
另外可选地，所述防火元件具有至少一个楔片，每个所述楔片被包覆在所述塑料材料包覆件中，以便将所述防火元件附接到所述塑料材料包覆件(402)。
另外提出了一种电压转换器，其包括根据本发明的开关臂和用于所述开关臂在两者之间延伸的两个部件，其中所述防火元件具有至少一个柔性叶片，所述柔性叶片由所述两个部件中的一个部件变形以便将所述开关臂压靠所述两个部件中的另一部件。
可选地，所述两个部件中的一个部件是散热器。
附图说明
图1是实施本发明的电气系统的电路图。
图2是图1的电气系统的电压转换器的电力模块的三维图，无包覆件或防火元件。
图3是电力模块的第一子模块的三维图。
图4是电力模块的第二子模块的三维图。
图5是类似于图4的图，无包覆件。
图6是电力模块的一部分的截面图，示出了防火元件的布置。
图7是电压转换器的截面图，示出了电力模块的定位。
图8是示出用于制造所述电力模块的方法的步骤的框图。
具体实施方式
现在，将参考图1说明实施本发明的电气系统100。
电气系统100例如用以安装在机动车辆中。
电气系统100首先具有设计成输送直流电压U的电源102，所述直流电压U例如在20V和100V之间，例如是48V。电源102具有例如电池。
电气系统100还包括电机130，电机130包括旨在具有相应的相电压的多个相(未示出)。
电气系统100还包括电压转换器104，电压转换器104连接在电源102和电机130之间，以执行直流电压U和相电压之间的转换。
电压转换器104首先包括正母线106和负母线108，所述正母线106和负母线108用以连接到电源102以接受直流电压U，所述正母线106接收高电势并且所述负母线108接收低电势。
电压转换器104还包括至少一个电力模块110，所述至少一个电力模块110包括一个或多个相母线122，所述一个或多个相母线122用以分别连接到电机130的一个或多个相，以便提供它们相应的相电压。
在所述的示例中，电压转换器104包括三个电力模块110，每个电力模块110包括与电机130的两个相连接的两个相母线122。
更确切地说，在所述的示例中，电机130包括两个三相系统，每个三相系统均包括三个相。所述两个三相系统用以彼此电气相位偏移120°。优选地，电力模块110的第一相母线122分别连接到第一三相系统的三个相，而电力模块110的第二相母线分别连接到第二三相系统的三个相。
对于每个相母线122，每个电力模块110包括连接在正母线106和相母线122之间的高侧开关112和连接在相母线122和负母线108之间的低侧开关114。所述开关112、114由此布置为形成开关臂，其中相母线122形式中心抽头。
每个开关112、114包括第一和第二主端子116、118和控制端子120，所述控制端子120用以根据对其施加的控制信号而选择性地断开和接通在其两个主端子116、118之间的开关112、114。开关112、114优选是晶体管，例如金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFETs)，具有形成控制端子120的栅极及形成主端子116、118的漏极和源极。
在所述的示例中，开关112、114每个具有板的形式，例如为大致矩形且具有上端面和下端面。第一主端子116延伸过下端面，而第二主端子118延伸过上端面。
将理解，正母线106、负母线108和相母线122是设计成耐受至少1A的电流的刚性导电体。它们优选具有至少1mm的厚度和/或至少1mm2的导电段。
另外，在所述的示例中，正母线106首先包括连接电力模块110的正共用母线106A，并且在每个电力模块110中，包括连接到正共用母线106A的正局部母线106B。类似地，负母线108包括连接电力模块110的负共用母线108A，并且在每个电力模块110中，包括用于每个低侧开关114的负局部母线108B，所述负局部母线108B连接到负共用母线108A。所述连接在图1中以菱形示出。
此外，在所述的示例中，正共用母线106A和负共用母线108A每个由单个导电部件形成。
此外，在所述的示例中，电机130同时具有发电机和电动机功能。更确切地说，机动车辆还包括具有输出轴的热力发动机(未示出)，电机130经由皮带(未示出)连接到所述输出轴。所述热力发动机用以通过其输出轴驱动机动车辆的驱动轮。由此，在以发电机模式期间，电机通过输出轴的旋转而在朝向电源102的方向上供给电能。电压转换器104然后作为整流器运行。在以电动机模式操作期间，电机驱动所述输出轴(以作为热力发动机的补充或作为其替代)。电压转换器104然后作为逆变器操作。
电机130例如位于机动车辆的变速器中或位于离合器中，或者代替发电机。
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”表示顶部，并且“B”表示底部。
参考图2至7，现在将更详细描述电力模块110中的一个，要指出的是，其它电力模块110是类似的。
参考图2，电力模块110包括第一和第二子模块。
第一子模块包括正局部母线106B和负局部母线108B。对于每个相母线122，它还包括形成该相母线122的一部分的局部母线202。它还包括开关112、114。
母线106B、202、108B呈水平平面板的形式，具有在1mm和1.5mm之间的厚度，例如为1.2mm的厚度，并且具有水平平面上端面。此外，母线106B、202、108B共面并且紧邻彼此延伸，这使得可以限制电力模块110的竖向体积。
每个高侧开关112的下端面压靠正局部母线106B的上端面并且被铜焊到后者，以便机械地附接到高侧开关112。该附接还使得可以将其第一主端子电连接到正局部母线106B。此外，对于每个高侧开关112，所述第一子模块包括一个或优选地多个例如由铝制成的导电带210，所述导电带210从所讨论的高侧开关112的上端面延伸到局部母线202中的相应一个，以便将它们电气连接。优选地，导电带210的导电段是母线106B、202、108B的导电段的至少十分之一小。
类似地，每个低侧开关114的下端面压靠局部母线202的上端面，并被铜焊到后者以便机械地附接低侧开关114。该附接还使得可以将其第一主端子电连接到相母线122。
此外，对于每个低侧开关114，所述第一子模块包括一个或优选地多个例如由铝制成的导电带212，所述导电带212从低侧开关114的上端面延伸到负局部母线108B中的相应一个，以便将它们电气连接。优选地，导电带212的导电段是母线106B、202、108B的导电段的至少十分之一小。
第二子模块具有例如通过铜焊、熔焊或螺纹接合而附接到局部母线202的另一局部母线204，使得两者被彼此机械地附接并电连接。由此，每个相母线122包括两个局部母线202、204。
除它们的端部外，局部母线204还呈水平平面板的形式，具有1mm和1.5mm之间的厚度，例如是1.2mm。局部母线204的一个端部可采取弯曲形式以便利于它们附接到局部母线202。
局部母线204还包括连接端子206，所述连接端子206用以连接到电机130的相。一般地，连接端子206的形式关联于电机130的相端子的形式。
第二子模块包括围绕每个局部母线204的磁性环托208，所述磁性环托208设有气隙，霍尔效应传感器(未示出)将布置在所述气隙中以测量流过相应连接端子206的相电流。
参考图3，以附图标记200标示的第一子模块还包括环氧树脂包覆件302，所述环氧树脂包覆件302围绕正局部母线106B、负局部母线108B、局部母线202、开关112、114和导电带210、212延伸以保护它们。环氧树脂包覆件302由此形成特别地覆盖母线106B、202、108B和开关112、114的电绝缘体。所述环氧树脂包覆件302具有背向母线106B、202、108B的上端面304。上端面304是平面且是水平的。用于包覆件302的材料例如具有大于80N/mm2、优选大于100N/mm2的弯曲极限。例如，用于包覆件302的材料可以是弯曲极限为140N/mm2的名称为G720E类型H的环氧树脂，或者是弯曲极限为105N/mm2的名称为XE 8495的环氧树脂。
参考图4，以附图标记201标示的第二子模块还包括塑料材料包覆件402，所述塑料材料包覆件402围绕磁性环托208和局部母线204延伸，以便将磁性环托208保持为机械地附接到局部母线204。第二子模块201还包括防火元件404，该防火元件404在所述的示例中由水平金属板形成，该水平金属板附接到包覆件402的下端面且从其突出。所述金属板例如是钢板。防火元件404具有至少一个柔性叶片406(在所示示例中为三个)，所述柔性叶片优选位于从包覆件402的下端面突出的区域中的一个中。在所述的示例中，每个柔性叶片406具有矩形形状，其一端通过向上折叠连接到防火元件404的其余部分。每个柔性叶片406例如通过切割和折叠形成防火元件404的金属板而获得。防火元件404的厚度例如在0.5mm和1mm之间。
由此，完整的电力模块110包括如图3中所示的第一子模块200和如图4中所示的第二子模块201，所述第一子模块200和第二子模块201附接到彼此。
参考图5，防火元件404还具有用以嵌入在包覆件402中的三个舌片502，以便将防火元件404附接到其上。
参考图6，对于每个开关112、114，防火元件404延伸到电绝缘体302的上端面304的距相关开关112、114最近的部分604的1mm内、优选0.2mm内，至少85％(在所述的示例中，100％)。更确切地说，该部分604(在图6中以粗虚线表示)至少将电绝缘体302的上端面304的距相关开关112、114最近的点组合在一起。距开关112、114最近的这些点在图6中以附图标记606标示。在所述的示例中，距开关112、114最近的点是在竖向方向上与开关112、114在一直线上的那些点。由此，在所述的示例中，防火元件404至少延伸到开关112、114上方以覆盖它。
总体上，所述部分604将电绝缘体302的上端面304的所述点组合在一起，这些点位于相关的开关112、114的小于或等于预定距离D的距离处。该预定距离D大于在相关的开关112、114和包覆件302的上表面304之间的包覆件302的厚度E，所述厚度E对应于在相关的开关112、114和包覆件302的上表面304之间的最小距离。预定距离D例如小于4mm。在所述的示例中，预定距离D是约2mm。
在电力模块110短路的情况下，导电带210、212变得越来越热，直到它们断裂。但是，由于它们嵌入在较硬的环氧树脂中，因此多片导电带210、212保持接触并使电流流过。由此，流动的电流对开关110、112加热，并且热量扩散到包覆件302中，直到其上端面304着火。距每个开关110、112最近的点是由于开关110、112的接近而温度首先升高的点，因此是优先保护的点。因此，防火元件404的存在使得可以阻止火势蔓延，或至少延迟火势蔓延。
参考图7，电压转换器104包括外壳702，该外壳702限定用以容纳用于控制开关112、114的电路板(未示出)例如印刷电路板的壳体。电压转换器104还包括散热器704，其旨在用以散发热量，特别是散发来自开关112、114的热量。散热器704尤其包括散热片706。此外，散热器704还包括用于接收螺钉(未示出)的轴，该螺钉用于将外壳702附接到散热器704。
每个电力模块110用以在外壳702和散热器704之间延伸。当外壳702附接到散热器704时，外壳702用以压迫所述一个或多个柔性叶片406以使它们变形，从而使电力模块110压靠散热器704。优选地，所述一个或多个柔性叶片406设计为使得一旦因外壳702而变形，则它们将至少70N的竖向力传递到电力模块110。由此，该按压使得可以防止母线随着时间而移动离开散热器704。该按压还使得可以避免使用螺钉来将电力模块110附接到散热器704。
优选地，在外壳702附接到散热器704并压迫所述一个或多个柔性叶片406之前，将电路板安放在外壳702中并附接到外壳702。
参考图8，现在将描述用于制造一个电力模块110的方法800。
在步骤802中，获得第一和第二子模块200、201，但无包覆件302、402。
在步骤804中，环氧树脂在低压下被注入并交联，以形成环氧树脂包覆件302。所述低压注塑使得可以避免破坏到易碎的导电带210、212。在步骤806中，在高压下注入塑性材料，以形成塑料材料包覆件402。
在步骤808中，所述两个子模块200、201附接到彼此。为此，防火元件404粘附到环氧树脂包覆件302的上端面304，并且局部母线204附接到局部母线202。
本发明不局限于上述的实施例。实际上，可以对上述实施例进行的修改对于本领域技术人员将是明显的。
例如，包覆件302可采用除环氧树脂之外的材料。
另外，所使用的术语不应理解为局限于上述实施例中的元件，而应理解为涵盖本领域技术人员从其一般知识可推测出的所有等同元件。

Claims (13)

1.一种电气电路，包括
-第一电导体(106B；122)，所述第一电导体称为主电导体，
-电部件(112；114)，所述电部件(112；114)压靠所述第一主电导体(106B；122)，
-电绝缘体(302)，所述电绝缘体(302)覆盖所述第一主电导体(106B；122)和所述电部件(112；114)，所述电绝缘体(302)具有背向所述第一主电导体(106B；122)的上端面(304)，
其特征在于，所述电气电路还包括防火元件(404)，所述防火元件(404)抵靠所述电绝缘体(302)的所述上端面(304)的部分(604)的至少85％延伸，或者延伸所述电绝缘体(302)的所述上端面(304)的部分(604)的至少85％的预定距离，所述部分(604)将所述电绝缘体(302)的所述上端面(304)的距所述电部件(112；114)最近的一个或多个点组合在一起。
2.根据权利要求1所述的电气电路，其中所述预定距离小于1mm，优选地小于0.5mm，并且更优选地小于0.2mm。
3.根据权利要求1或2所述的电气电路，其中所述防火元件(404)由金属制成，所述金属例如是钢。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的电气电路，其中所述防火元件(404)呈板的形式。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的电气电路，其中所述电绝缘体(302)是环氧树脂。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的电气电路，还包括至少一个电连接(210；212)，所述至少一个电连接用以将所述电部件(112；114)连接到称为主电导体的第二电导体(122；108B)，每个电连接(210；212)的导电段是所述第一主电导体(106B；122)的导电段的至少十分之一小。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的电气电路，其中所述电部件(112；114)是可控的开关，例如是绝缘栅场效应晶体管。
8.一种开关臂，所述开关臂包括第一电气电路和第二电气电路以及磁性环托(208)，所述第一电气电路和所述每个第二电气电路每个均是根据权利要求6和7所述的电气电路并被组合在一起，其中所述第二电气电路的所述第一主电导体(122)包括称为局部导电体的第一导电体和第二导电体(202；204)，所述第一导电体和所述第二导电体被彼此电连接，其中所述磁性环托(208)绕所述第二局部电导体(204)卷绕，并且其中所述第一电气电路的每个电连接(210)将所述第一电气电路的电部件(112)连接到第一局部电导体(202)。
9.根据权利要求8所述的开关臂，其中所述第二局部电导体(204)通过熔焊、铜焊或螺纹接合被电连接到所述第一局部电导体(202)。
10.根据权利要求8或9所述的开关臂，还包括包围所述磁性环托(208)和所述第二局部电导体(204)的塑料材料包覆件(402)，并且其中所述防火元件(404)被附接到所述塑料材料包覆件(402)。
11.根据权利要求10所述的开关臂，其中所述防火元件(404)具有至少一个楔片(502)，每个所述楔片(502)被包覆在所述塑料材料包覆件(402)中，以便将所述防火元件(404)附接到所述塑料材料包覆件(402)。
12.一种电压转换器，所述电压转换器包括根据权利要求8至11中任一项所述的开关臂和所述开关臂在两者之间延伸的两个部件(702,704)，其中所述防火元件(404)具有至少一个柔性叶片(406)，所述柔性叶片(406)由所述两个部件中的一个部件(702)变形以便将所述开关臂压靠所述两个部件中的另一部件(704)。
13.根据权利要求12所述的电压转换器，其中所述两个部件中的一个部件(704)是散热器。
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