CN112448651A - 操作车辆的电动驱动器的控制器和制造该控制器的方法 - Google Patents

操作车辆的电动驱动器的控制器和制造该控制器的方法 Download PDF

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Abstract

一种用于操作车辆的电动驱动器的控制器(10)，该控制器包括：一个或多个功率模块(16)，该一个或多个功率模块具有一个或多个功率半导体；中间电路电容器(14)，该中间电路电容器与该功率模块或与该多个功率模块(16)并联连接；冷却器(12)，该冷却器用于导出由该功率模块或该多个功率模块(16)产生的热量；电路载体(18)，该电路载体用于电接触该功率模块或该多个功率模块(16)，其中电路载体(18)具有第一区段(17)和与第一区段(17)成角度的第二区段(19)，其中第一区段(17)和第二区段(19)是各自垂直于该功率模块或该多个功率模块(16)中的至少一个功率模块的主平面定向的。

Description

操作车辆的电动驱动器的控制器和制造该控制器的方法
技术领域
本发明涉及电动汽车、尤其用于操作车辆的电动驱动器的控制器的领域。
背景技术
控制器、尤其集成的控制器(例如DC/AC逆变器(Inverter))越来越多地在机动车辆中应用。DC/AC逆变器用于用多相交流电流给电动机器(例如电动机)通电。在此，将由借助于DC能量源(例如电池)产生的直流电流转换成多相交流电流。为此目的，控制器包括一个或多个功率模块，这些功率模块包括桥电路(例如半桥)。功率模块基于功率半导体、尤其晶体管(例如MOSFET和HEMT)。为了操控，将这些功率半导体连接到电路载体、尤其电路板上。
为了满足节约高耗费的构造和连接技术(AVT)的要求并且由此降低逆变器的制造成本，使用组合的电路载体，这些电路载体既用于驱动操控(Driver)，也用于控制(Control)。这种组合的电路载体作为组合的控制和驱动板(CCDB)是已知的。尽管这减少了电路载体的不同的部分(驱动部分和控制部分)之间的插接连接件的需要，然而具有如下缺点：在操作功率模块时，由于引导高电流并且快速切换功率半导体而造成耦入到CCDB中的较高的干扰发射。这提高了对额外的滤波措施的需求，以便使逆变器能够根据应用实现操作。因此伴随的是，已知的逆变器因此与提高的成本和降低的输出功率相关。
从DE 10 2016 202 547A1已知一种集成的控制器，该控制器被设计为逆变器。该控制器包括电路载体，该电路载体包括用于驱动操控的第一区段和用于控制的第二区段，其中第一区段和第二区段借助于柔性的第三区段相互弯曲地连接。然而，除了干扰耦合高之外，已知的控制器还具有如下缺点：限制了可安装到冷却器上的功率模块的数量并且因此限定了逆变器的功率密度。
发明内容
因此本发明所基于的目的在于，提供一种控制器，其中至少部分地克服上述缺点。
这个目的通过根据本文所述的控制器、制造方法以及这种控制器在车辆中的用途实现。
在本发明的范围内，控制器用于操作车辆、尤其电动车辆和/或混合动力车辆的电动驱动器。控制器优选包括DC/AC逆变器(英语：Inverter)或者包括DC/AC逆变器的一部分。尤其，控制器用于给电动机器(E-Maschine)、例如电动机和/或发电机通电。DC/AC逆变器优选用于从借助于能量源(例如电池)的DC电压产生的直流电流生成多相交流电流。
控制器总体上具有一个或多个功率模块、中间电路电容器、冷却器和电路载体。额外地，控制器可以具有用于耦入(Einkoppeln)借助于能量源产生的输入电流的输入侧的连接端和用于耦出(Auskoppeln)基于输入电流产生的输出电流的输出侧的连接端。针对输入电流，该功率模块或这些功率模块和中间电路电容器可以彼此并联连接。
相应的功率模块基于功率半导体，桥电路组件优选由这些功率半导体构成。桥电路组件可以包括一个或多个桥电路，这些桥电路例如构成半桥。每个半桥包括高侧开关(HSS)和与高侧开关串联的低侧开关(LSS)。每个半桥被指配给多相交流电流(输出电流)的一个电流相位。
HSS和/或LSS包括一个或多个功率半导体构件，例如IGBT、MOSFET或HEMT。基于HSS或LSS的半导体材料优选包括所谓的宽禁带半导体(宽带隙较大的半导体)，例如SiC或GaN。
桥电路被安装在电路载体上。电路载体具有用于驱动操控(即用于调节半桥的门电压)的第一区段和用于控制的第二区段。第二区段在与第一区段成角度的位置中延伸。这两个区段优选通过弯曲的第三区段相互连接。电路载体的第一区段和第二区段优选各自包括电路板(例如PCB)并且优选构成组合的驱动和控制电路板(CCDB)。替代性地，第一区段和/或第二区段可以具有其他类型的电路载体(例如具有额外的陶瓷基板的电路载体)。
电路载体的第一区段和第二区段可以各自形成一个独立的电路载体。在这种情况下涉及包括第一电路载体和第二电路载体的电路载体组件。
冷却器用于导出由功率半导体产生的热量并且因此防止控制器过热。冷却器优选包括由金属、进一步优选地由铝构成的冷却体，功率模块热联接到该冷却体。一个或多个导热层同样可以被布置在功率模块与冷却体之间，以降低功率模块(一方面)与冷却器(另一方面)之间的、例如由于其间形成的气隙而相对较高的热阻。
该功率模块或这些功率模块(一方面)与电路载体(另一方面)之间的连接和/或电路载体(一方面)与冷却器(另一方面)之间的连接优选以粘合连接、螺钉连接、焊接连接、插接连接和/或卡合连接的形式实现。
控制器可以形成用于将输入电流转换成三相交流电流的三相系统或用于将输入电流转换成六相交流电流的六相系统。
该功率模块或这些功率模块被构造成面型，并且沿主平面延伸，该功率模块或这些功率模块沿该主平面具有至少一个主表面，优选具有两个彼此相反的主表面，该主表面或这些主表面大于该功率模块或这些功率模块的其他表面。
电路载体的第一区段和第二区段是各自垂直于一个功率模块或多个功率模块中的至少一个功率模块定向的。这意味着，电路载体的第一区段和第二区段是各自垂直于主平面定向的，并且因此垂直于一个功率模块或多个功率模块中的至少一个功率模块的主表面或多个主表面定向的。
以这种方式，归因于要耦入的输入侧的电流强度较高和该功率模块或这些功率模块的快速切换并且大体上平行于面型的功率模块或多个面型的功率模块扩散的干扰场较少地耦入到电路载体中。这改善了控制器的功能能力。此外，可以省去用于补偿干扰耦合的额外的滤波措施。这降低了控制器的制造成本。
在本文中给出了有利的设计方案和改进方案。
根据一个实施方式，第一区段和第二区段彼此围成直角。
这可以实现控制器的立方体形状，这具有明确限定的结构形状并且简化了集成到车辆中的结构空间中。
根据另一个实施方式，多个功率模块被安装在冷却器的两个彼此相反的侧面上。
以这种方式，提高了借助于冷却器冷却的功率模块的数量，而无需为此扩大结构空间。控制器的功率密度因此相对较高。
根据另一个实施方式，冷却器被布置在一个功率模块或多个功率模块中的至少一个功率模块的由主平面限定的主表面上。
以这种方式，冷却器特别节省结构空间地布置，因此可以实现紧凑的控制器。
根据另一个实施方式，中间电路电容器被容纳在由该功率模块或这些功率模块和电路载体限定的结构空间中。
优选地，结构空间从一个功率模块或多个功率模块的主表面出发沿由第一区段构成的第一壁和由第二区段构成的第二壁延伸。优选地，主表面进一步背离冷却器。
当冷却器在两侧配备有具有第一功率模块组和第二功率模块组的功率模块时，由一个/多个功率模块和冷却器组成的组件优选居中地布置在电路载体的第一区段和/或第二区段上，使得电路载体的第一区段或第二区段延伸超出这两个功率模块组。在这种情况下产生两个结构空间，中间电路电容器可以分别被容纳在这些结构空间中。
附图说明
现在示例性地并且参照附图描述实施方式。在附图中：
图1以俯视图示出了根据一个实施方式的控制器的示意图；
图2示出了根据另一个实施方式的控制器的示意图；并且
图3示出了根据另一个实施方式的控制器的示意图。
在附图中，相同的附图标记涉及相同或功能类似的参考部分。在各个附图中分别标出了相关的参考部分。
具体实施方式
图1示出了控制器10的示意图，该控制器优选被设计为逆变器。控制器10具有主动冷却器12、功率模块16、中间电路电容器14、电路载体18和连接端13。电路载体18包括用于驱动操控功率模块16的第一区段17(通过单向的箭头指出)和用于控制的第二区段19(通过双向的箭头指出)。控制器10的在图1中示出的不同构件之间的位置关系应理解为纯示意性地，而不应理解为真实比例。
图2示出了根据实施方式的集成的控制器100的透视图。与图1的总体上的控制器10一样，图2的控制器100同样包括主动冷却器102、功率模块106a、b、中间电路电容器104、电路载体108和连接端1032、1034。具体地，控制器100包括第一功率模块106a和第二功率模块106b，其中第一功率模块106a和第二功率模块106b被安装在两个彼此相反的侧面上，即被安装在冷却器102的在透视图中的上侧面或下侧面上。这意味着，冷却器102在两侧配备有功率半导体，这提高了控制器100的功率密度。
第一功率模块106a和第二功率模块106b被设计成面型并且沿主平面延伸，第一功率模块106a的在透视图中面朝上的主表面和第二功率模块106b的在透视图中面朝下的主表面大体上与该主平面平行地延伸。中间电路电容器104包括两个子电容器。在透视图中上方的子电容器被指配给第一功率模块106a。在透视图中下方的子电容器被指配给第二功率模块106b。在功率模块106a、b的与中间电路电容器104相反的端部(即在透视图中在端侧)上布置有电路载体108的第一区段107。
在中间电路电容器104上布置有多个正触点1042和负触点1044，这些正触点和负触点用于功率模块106a、b的输入侧的接触。
在此，第一区段107示例性地被设计为电路板，该电路板是垂直于功率模块106a、b的主平面定向的。在功率模块106a、b的侧面，电路载体108的第二区段109同样以垂直于功率模块106a、b的主平面定向的方式布置。在第一区段107与第二区段109之间设置有弯曲的第三区段105，该第三区段用于使第一区段107与第二区段109连接。
以这种方式，归因于要耦入的输入侧的电流强度较高和该功率模块或这些功率模块106a、b的快速切换并且大体上平行于面型的功率模块106a、b扩散的干扰场较少地耦入到电路载体108中。这改善了控制器100的功能能力。此外，可以省去用于补偿干扰耦合的额外的滤波措施。这降低了控制器100的制造成本。
图2的控制器100优选涉及六相系统。第一功率模块106a和第二功率模块106b优选各自包括三个子模块，因此在控制器100中总共存在六个子模块。每个子模块被指配给六个电流相位中的一个电流相位。与此相对应地，设置有用于耦出相应的相位电流(即总交流电流的部分电流，其中每个部分电流具有六个电流相位中的一个电流相位)的连接端1032、1034。在图2中可以看到，连接端1032、1034在透视图中在端侧穿过电路载体108的第一区段107。
图3示出了根据实施方式的另一个集成的控制器200的透视图。与图1的总体上的控制器10和图2的控制器100一样，图3的控制器200同样包括主动冷却器202、功率模块206a、b、c、中间电路电容器204、电路载体208和连接端2032。不同于图2中的实施方式，图3的控制器200涉及三相系统，在该三相系统中，功率模块包括三个子模块206a、b、c。每个子模块被指配给这三个电流相位中的一个电流相位。对应地，设置有用于耦出相应的相位电流的三个连接端2032。
替代于在图2和图3中示出的实施方式，中间电路电容器可以被容纳在由功率模块和电路载体限定的间隙/结构空间中。在图2中可以看到两个这样的间隙。第一间隙从第一功率模块106a出发沿第一区段107和第二区段109在透视图中向上延伸。第二间隙从第二功率模块106b出发沿第一区段107和第二区段109在透视图中向下延伸。在图3中同样可以看到这样的间隙，该间隙从功率模块206a、b、c出发沿第一区段207和第二区段209在透视图中向上延伸。这个措施是有利的，原因在于控制器100、200可以采取更紧凑的结构形状。
附图标记清单
10 控制器
12 冷却器
13 连接端
14 中间电路电容器
15 弯曲部分
16 功率模块
17 第一区段
18 电路载体
19 第二区段
100 控制器
102 冷却器
1032 第一连接端
1034 第二连接端
104 中间电路电容器
1042 正触点
1044 负触点
105 弯曲部分
106a 第一功率模块
106b 第二功率模块
107 第一区段
108 电路载体
109 第二区段
200 控制器
202 冷却器
2032 连接端
204 中间电路电容器
2042 正触点
2044 负触点
205 弯曲部分
206a 第一子模块
206b 第二子模块
206c 第三子模块
207 第一区段
208 电路载体
209 第二区段

Claims (8)

1.一种用于操作车辆的电动驱动器的控制器(10)，所述控制器包括：
一个或多个功率模块(16)，所述一个或多个功率模块具有一个或多个功率半导体；
中间电路电容器(14)，所述中间电路电容器与所述功率模块或与所述多个功率模块(16)并联连接；
冷却器(12)，所述冷却器用于导出由所述功率模块或所述多个功率模块(16)产生的热量；
电路载体(18)，所述电路载体用于电接触所述功率模块或所述多个功率模块(16)，其中所述电路载体(18)具有第一区段(17)和与所述第一区段(17)成角度的第二区段(19)，其中所述第一区段(17)和所述第二区段(19)是各自垂直于所述功率模块或所述多个功率模块(16)中的至少一个功率模块的主平面定向的。
2.根据权利要求1所述的控制器(10)，其中所述第一区段(17)和所述第二区段(19)彼此围成直角。
3.根据权利要求1或2所述的控制器(10)，其中所述多个功率模块(16)包括第一功率模块组(106a)和第二功率模块组(106b)，所述第二功率模块组被安装在所述冷却器(12)的与所述第一功率模块组(106a)相反的侧面上。
4.根据权利要求3所述的控制器(10)，其中所述第一区段(17)和/或所述第二区段(19)沿假想轴线从所述第一功率模块组(106a)和所述第二功率模块组(106b)突出，在所述假想轴线的方向上，所述第一功率模块组(106a)、所述冷却器(12)和所述第二功率模块组(106b)彼此相继。
5.根据上述权利要求之一所述的控制器(10)，其中所述冷却器(12)被布置在所述功率模块或所述多个功率模块(16)中的至少一个功率模块的由所述主平面限定的主表面上。
6.根据上述权利要求之一所述的控制器(10)，其中所述中间电路电容器(14)被容纳在由所述功率模块或所述多个功率模块(16)和所述电路载体(18)限定的结构空间中。
7.根据上述权利要求之一所述的控制器(10)在车辆、尤其电动车辆和/或混合动力车辆中的用途。
8.一种方法，所述方法用于制造用于操作车辆的电动驱动器的控制器(10)，所述方法包括：
提供一个或多个功率模块(16)，所述一个或多个功率模块具有一个或多个功率半导体；
布置中间电路电容器(14)，其方式为使得所述中间电路电容器与所述功率模块或与所述多个功率模块(16)并联连接；
提供冷却器(12)，所述冷却器用于导出由所述功率模块或所述多个功率模块(16)产生的热量；
提供电路载体(18)，所述电路载体用于电接触所述功率模块或所述多个功率模块(16)，其中所述电路载体(18)具有第一区段(17)和与所述第一区段(17)成角度的第二区段(19)，其中所述第一区段(17)和所述第二区段(19)是各自垂直于所述功率模块或所述多个功率模块(16)中的至少一个功率模块的主平面定向的。
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