CN113517097A - 用于介电涂覆的母线的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

提供了一种用于介电材料涂层母线的方法和系统。在一个示例中，导电材料可以形成为母线的形状，并且母线的部分可以选择性地涂覆有介电材料，该介电材料可以是电绝缘并且热传导的。母线的介电涂覆的部分可以经由被压缩在母线上的热界面材料将热量发散到散热器。

Description

用于介电涂覆的母线的系统和方法
技术领域
本公开涉及一种用于介电涂覆的母线(busbar)的系统和方法。该系统和方法可以适用于制造用在逆变器系统中的介电涂覆的母线。
背景技术
在布线方案不可行的情况下，可以在电力分配系统中使用母线来传输电流。母线是将电力从供应点分配到许多输出电路的导电材料。用在各种构造中的母线可以有多种形状和尺寸，诸如实心条、扁平条或棒，并且通常由铜、铝或黄铜构成。它们的截面尺寸和材料成分决定了可以由该母线承载的电流大小。
任何母线的电流承载能力都受到系统的最高工作温度的限制，其与系统的热管理有关。母线的冷却有利于提高电力密度，这是电力电子设备所需要的。母线的诸如在逆变器中的高频应用，会使大量的热量产生。在没有足够的冷却的情况下，母线可能过热，导致整个系统性能劣化。
母线的一部分可以诸如通过包覆成型而由诸如聚合物的绝缘材料覆盖，以保护母线的导电部分不被可能引起短路的外部物体接触。然而，由于电绝缘材料的较低导热性，来自母线组件的散热可能受到不利影响，由此降低组件的电力密度。此外，包覆成型的绝缘材料的增加的厚度可能进一步降低母线组件的热性能。较厚的包覆成型材料可能引起母线系统尺寸增大，这可能引起封装问题。
本文的发明人已经认识到上述问题并且已经开发了一种用于高压母线的方法，该方法包括：将导体形成为母线的形状，利用介电材料涂覆母线的未遮掩区域以形成母线的介电涂覆部分，以及将母线的介电涂覆部分压缩至附接到散热器的热界面材料(TIM)。以这种方式，通过形成粉末涂覆的介电母线以及使用热界面材料，可以改善散热器的散热。
例如，母线可以由诸如铜的金属锻造而成。母线的要保持未涂覆的一部分可以被遮掩，并且粉末涂层可以施加于母线的剩余的、未遮掩的部分。用于涂层的粉末材料可以是在导热的同时表现出电绝缘的介电材料。随后母线可以安装在诸如逆变器的部件中，并且母线的介电涂覆部分经由压力部件压缩到TIM上。TIM可以附接至散热器，用于从母线散热。
以这种方式，通过利用较薄的介电粉末涂层代替较厚的热绝缘聚合物材料，可以加速母线的冷却。通过使用粉末，当涂覆在母线中的包括弯折部和弯曲部的不规则形状时，可以获得更高的灵活性。母线组件的较小厚度可以进一步有利于将母线封装在部件内。使用热界面材料的技术效果是可以改善散热，该热界面材料利用压力部件被压缩到母线上，作为母线和散热器之间的交界部。总的来说，通过利用在导热的同时电绝缘的材料涂覆母线，由于改善的热管理和电力密度，可以改善母线的运行情况。
应当理解，提供以上概述是为了以简化的形式介绍在详细描述中进一步描述的概念的选择。这并不意味着确定所要求保护的主题的关键或必要特征，所要求保护的主题的范围由所附权利要求唯一地限定。此外，所要求保护的主题不限于解决以上或在本公开的任何部分中指出的任何缺点的实施方式。
附图说明
附图作为说明书的一部分并入本文。本文描述的附图示出了当前公开的主题的实施例，并且说明了本公开的所选原理和教导。然而，附图未示出当前公开的主题的所有可以能的实施例，并且不旨在以任何方式限制本公开的范围。
图1示出了包括多个母线的逆变器的一部分的截面。
图2A示出了涂覆有介电粉末材料的母线的立体图。
图2B示出了图2A的母线的正视图。
图2C示出了图2A的母线的后视图。
图2D示出了图2A的母线的俯视图。
图2E示出了图2A的母线的仰视图。
图3示出了用于制造涂覆有介电粉末材料的母线的示例方法。
图4示出了用于静电流化床粉末涂覆工艺的示例设置的示意图。
具体实施方式
下文的描述涉及用于制造涂覆有介电粉末材料的母线的系统和方法。母线上的粉末涂层可以提供电绝缘，同时有导热性以加速散热。这种粉末涂覆的母线可以用于高频应用中，例如逆变器中。图1示出了包括布置成用于改进热管理的多个母线的逆变器的示例截面图。粉末涂覆的母线的不同视图在图2A-图2E中示出。图3讨论了一种用于制造粉末涂覆的母线，并将这种母线结合到组件中，例如逆变器系统中的方法。因此，图4描绘了用于利用介电粉末材料涂覆母线的示例静电流化床粉末涂覆工艺。
图1示出了包括多个母线104的逆变器102的示例截面图100。在一个示例中，逆变器102可以用在车辆的推进源中。推进源可以是提供扭矩以推进车辆的电动马达。推进源可以消耗经由电逆变器提供的交流电(AC)电力。替代地，推进源可以对逆变器提供AC电力。电力逆变器可以从电能储存装置(例如，牵引电池或牵引电容器)提供高压直流电(DC)电力。逆变器可以将来自电能储存装置的DC电力转换成用于推进源的AC电力。替代地，可以对逆变器提供来自推进源的AC电力。逆变器可以将来自推进源的AC电力转换成DC电力以储存在电力储存装置中。
逆变器可以包括绝缘栅双极晶体管(IGBT)和硅二极管。这些电力部件安装(诸如钎焊)在直接覆铜(Direct Bond Copper，简称DBC)基板上，其包括铜层和夹在铜层之间的绝缘陶瓷层。导线结合或其它互连可以用于提供母线和各种模具之间的电气连接，其中母线提供与外部系统的电气通信。
用在逆变器中的母线可以是交流电(AC)母线和直流电(DC)母线中的一种。母线的尺寸可以基于母线是传导直流电或是交流(相)电而变化。例如，可以在电力设备和AC母线之间使用导线结合等进行电连接。在操作期间，这些电力装置组合起来将通过正、负DC母线接收的DC信号转换为通过AC母线传输到AC系统的单相AC输出信号，AC系统诸如车辆推进系统的电驱动电动机。由于电力装置的运行，母线被加热，并且需要用散热系统来加速母线的冷却。通过将母线的温度维持在阈值水平内，可以提高该设置的电力密度。
在逆变器102的截面100中，看到与电力装置接触的三个AC母线104。每个母线104均是金属的，诸如由铜、铝或铜合金制成。母线104可以包括实心金属主体和一个或多个外连接部分。母线经由外连接部分联接到电力装置。母线主体(不包括外连接部分)的表面可以经由电绝缘材料覆盖，以保护母线的导电部分不被可能引起与接地部件(诸如接地散热器)的电气短路的外部物体接触。为了在电气绝缘的同时维持母线主体的导热性，母线的主体可以涂覆有介电粉末。介电粉末涂层106的厚度可以显著小于(例如小于一半)其它使用的电绝缘形式(诸如模制覆盖聚合物)，这可以进一步改善母线的热管理。涂覆有介电粉末的示例母线在图2A-图2E中示出。
散热器110设置成相邻于母线104，以用于发散来自母线的热量。冷却流体可以通过散热器循环，散热器可以吸收来自母线和其它相邻部件的热量。在流过逆变器的受热部件后，冷却流体可以流到散热部件，在该处收集的热量可以从冷却流体中发散到大气中。为了改善散热，每个母线102和散热器110之间的交界部可以衬有热界面材料(TIM)112。TIM可以是导热材料，其可以有效地将热量从母线传导到散热器，由此有效地降低母线的温度。热界面材料的示例包括硅酮、增强硅酮(如带有玻璃纤维)、增强聚合物等。为了经由TIM改善母线与散热器之间的接触，可以将压力部件108定位在母线上，以将压力施加到母线与散热器之间的TIM上。由于施加的压力，母线与TIM以及TIM与散热器之间的相应接触可以维持不变，并且它们之间没有任何空气间隙。由于空气的较低导热系数，空气间隙会导致经由TIM从母线传递到散热器的热量减少。图3阐述了用于制造经由热界面材料与散热器热联通的涂覆的母线的示例方法。
以这种方式，通过利用导热但电绝缘的材料涂覆母线，随后使用压力部件将该母线定位成经由TIM与散热器接触，可以改善逆变器中的母线系统的热管理。改善的热管理可以提供来自电力部件的更高的电力密度，由此提高逆变器的效率。
图2A-图2E示出涂覆有介电粉末的母线201的多个视图。图2A示出了母线201的立体图200，图2B示出了母线201的正视图220，图2C示出了母线201的后视图240，图2D示出了母线201的俯视图260，图2E示出了母线201的仰视图。母线201可以是交流电(AC)母线或直流电(DC)母线。例如，母线201可以是图1中的母线104。母线201可以包括主体202和处在主体202的每一端处的两个外连接部分206。母线的主体202可以沿坐标系250的x轴延伸，而外连接部分206可以沿y轴延伸。.在其它实施例中，母线可以具有任意数量的外连接部分206。外连接部分206可以联接到设备的诸如逆变器的电力装置。外连接部分206可以包括孔，将母线连接到电力装置的导线可以通过该孔。母线的主体可以具有一个或多个弯折部或弯曲部210。
整个母线201可以由导电且导热的诸如铜或铜合金的金属制成。导电母线用于将电流从组件内的一个电力装置传输到另一个。母线的主体202可以涂覆有电绝缘材料，以减少当母线的主体与组件的诸如散热器的接地部件接触时发生短路的可能性。在该示例中，母线的主体202被涂覆有介电粉末材料。介电涂层210可以在金属主体202上具有均匀厚度。在一个示例中，介电涂层210的厚度可以在0.1mm与1mm的范围内。在另一示例中，介电涂层210的厚度可以是0.3mm。由于介电粉末的薄涂层，可以改善母线的封装(由于减小的厚度，消耗的空间更少)。粉末涂层可以应用于任何形状和尺寸的母线，并且可以有效地用于涂覆主体的弯曲部和非均匀部段。相比于用于覆盖母线主体的其它绝缘材料(诸如绝缘纸)，粉末涂层允许用于不规则的弯曲部和形状的更高的设计灵活性，这有利于优化逆变器部件的封装。
由于母线在中、高压条件下使用的潜在可能性，涂层210的介电强度可以高于阈值强度，以确保涂覆的主体202的电绝缘。在一个示例中，阈值强度可以在3000V/mm至4000V/mm的范围内。在另一个示例中，阈值强度可以是3500V/mm。涂层的高于阈值的介电强度可确保不会有用于短路的蠕变路径。图3示出了一种用于制备具有介电涂层的母线并且在逆变器内部定位该母线的示例方法。
由于母线的整个主体上的介电粉末涂层，母线主体在电绝缘的同时可以是导热的，这使得可以通过母线主体的整个表面区域发散热量。
以这种方式，图1和图2A-图2E提供了一种用于逆变器的系统，该系统包括：金属母线，该金属母线具有与电绝缘导热粉末材料至少部分地层压的表面区域；以及热界面材料，该热界面材料压缩在母线与散热器的交界部中。
图3示出了用于制造涂覆有介电粉末材料的母线(诸图1中的母线104或图2A中的母线201)的示例方法300。方法300可以用于制造AC母线和DC母线两者。
在302处，方法300可以包括：基于所需的设计来形成金属母线。例如，该母线可以由铜或铜合金来锻造。该母线可以具有主体和伸出该主体的一个或多个外连接部分。由于铜的高导电性，整个母线可以是导电的。外连接部分可以用于与其它母线或电力装置连接。母线的主体可以沿表面具有弯曲部或曲率部。
在304处，可以遮掩母线的要保持导电性的区域。可以不用电绝缘材料涂覆的区域可包括外连接部分，因为外连接部分联接到组件的其它导电构件，并且期望电流始终流过该连接部。通过遮掩这些区域，在随后的涂覆工艺中，这些区域将不会被电绝缘的介电粉末涂覆，由此允许这些区域的表面保持导电性。
在306处，母线的未遮掩部分，诸如母线主体的表面区域，可以被涂覆导热但电绝缘的粉末材料。在一个示例中，粉末材料可以是在300℃以上高温下具有高介电强度和尺寸稳定性的环氧树脂。用于粉末涂层的商业产品的一个示例可以是阿克苏诺贝尔树脂涂层EL4 HNE01R(Aksonobel
Figure BDA0003013543500000061
EL4 HNE01R)。
介电粉末材料可以经由静电流化床粉末涂覆工艺涂覆在母线的清洁表面上。图4示出了用于静电流化床粉末涂覆工艺的示例设置(setup)的示意图400。
设置400可以包括腔室404，该腔室404包括靠近其基部413的静电栅极408。多孔膜406可以定位在腔室404内，在静电栅极408上方，以允许将流化空气泵送到腔室404中。空气泵可以联接到该腔室并且加压空气可以经由空气通路414从空气泵供应到该腔室。空气通路414可以在静电栅极408和多孔膜406中的每一个下方联接到腔室404。加压空气416可以经由多孔膜406进入腔室的顶部分。
流化粉末(在此也称为乳剂)410可以占据多孔膜406上方的腔室404。流化粉末可以包括要用于在空气中涂覆母线的介电粉末的乳剂。静电栅极408可以带负电荷，导致粉末材料的云412在乳剂410的顶表面处形成。以这种方式，粉末材料可以在腔室404的顶部分处形成静电粉末云412。
要涂覆粉末材料的部件426，诸如母线，可以从传送带422悬挂。传送带422可以沿着由箭头424所示的方向在腔室404上方移动。当传送带422移动时，部件426可以行进穿过静电粉末云。在移动穿过粉末云时，粉末材料可以均匀地沉积在部件上。传送带的速度可以与沉积在部件426上的粉末涂层的厚度成反比，涂层的厚度随着传送带422的移动速度的降低而增加。因此，传送带的速度可以基于母线上的介电涂层的期望厚度来调节。在一个示例中，经由静电流化床粉末涂覆技术获得的介电涂层的厚度可在0.1mm与3mm的范围内。在一个示例中，介电涂层210的厚度可以在0.1毫米与1毫米的范围内。
回到图3，在308处，可以将母线安装在诸如逆变器系统的部件内，且具有热材料作为散热器和母线之间的交界部。在逆变器运行期间，母线可能被加热，并且需要对母线进行热管理，以维持逆变器的电力输出。散热器靠近母线，并且流过散热器的冷却流体可以从母线中排出热量。为了加强母线和散热器之间的交界部，使用了热材料。热界面材料的示例包括硅酮、增强硅酮、增强聚合物等。例如，热材料的片材可以夹在母线主体和散热器之间。在一个示例中，在母线和散热器之间用作片材的热材料的厚度可以在1mm到3mm的范围内。通过用介电粉末材料涂覆母线的主体，可以提高母线表面区域的导热系数。来自母线的热量可以通过介电涂层和热材料传导到散热器。
为了维持母线和散热器之间经由热材料的接触，在310处，可以安装压力部件以保持与介电涂覆的母线主体的面的共用接触，以将母线压靠热材料。压力部件可以是将母线压靠热材料和散热器的板。通过使用压力部件，母线和散热器之间经由热材料的接触可以保持坚固，其间没有任何空间。通过始终维持接触，可以有利于改善从母线到散热器的热传导。
以这种方式，通过利用介电粉末材料来涂覆母线主体并且将该母线安装在组件(诸如逆变器)内且在母线和散热器的交界部中有被压缩的热材料，可以改善从母线到散热器的热传递。通过改善母线系统的热管理，可以改善组件的电力集中度。
在一个示例中，一种用于高压母线的方法，该方法包括：将导体形成为母线的形状，利用介电材料涂覆母线的未遮掩区域以形成母线的介电涂覆部分，以及将母线的介电涂覆部分压缩至附接到散热器的热界面材料(TIM)。在先前任何或所有示例中，附加地或可选地，该母线的形状包括主体和从主体延伸的一个或多个外连接部分，该母线经由外连接部分联接到外部部件。在先前任何或所有示例中，附加地或可选地，未遮掩区域包括母线的主体，外连接部分在涂覆之前被遮掩。在先前任何或所有示例中，附加地或可选地，对未遮掩区域进行涂覆经由静电流化床粉末涂层工艺来进行，并且通过使母线移动穿过构成介电材料的静电粉末云来对母线涂覆。在先前任何或所有示例中，附加地或可选地，静电粉末云形成在呈粉末形式的带电的介电材料的乳剂上方，该乳剂通过使加压空气流过被包含在腔室中的流化的粉末而形成。在先前任何或所有示例中，附加地或可选地，母线从传送带悬挂并且移动穿过静电粉末云。在先前任何或所有示例中，附加地或可选地，涂层厚度在0.1mm与1mm的范围内。在先前任何或所有示例中，附加地或可选地，介电材料是具有高于阈值介电强度的环氧树脂。在先前任何或所有示例中，附加地或可选地，阈值介电强度在3000V/mm与4000V/mm的范围内。在先前任何或所有示例中，附加地或可选地，一块热界面材料经由压力部件压缩在导体的介电涂覆部分和散热器之间。在先前任何或所有示例中，附加地或可选地，该方法还包括，将母线附接在车辆推进系统的逆变器内，母线在逆变器内的两个电力装置之间传导电流。在先前任何或所有示例中，附加地或可选地，母线是交流电(AC)母线和直流电(DC)母线之一。
用于母线的另一示例系统包括：母线主体，其包括导热介电粉末材料的涂层，该主体经由热界面材料与散热器共面地接触。在先前任何示例中，附加地或可选地，该母线包括源自主体的一个或多个未涂覆的外连接部分。在先前任何或所有示例中，附加地或可选地，还包括：与母线主体共面接触的压力板，该压力板将母线主体压缩到热界面材料。在先前任何或所有示例中，附加地或可选地，母线和散热器中的每一个都与电力装置接触，母线的主体经由导热介电粉末材料和热界面材料将热量发散到流过散热器的冷却流体。在先前任何或所有示例中，附加地或可选地，主体上的涂层厚度在0.2mm与0.5mm的范围内。
在又一示例中，一种系统，包括：金属母线，该金属母线具有与电绝缘导热粉末材料至少部分地层压的表面区域；以及热界面材料，该热界面材料压缩在母线与散热器的交界部中。在先前任何示例中，附加地或可选地，热界面材料经由被定位在母线的层压表面区域上的压力部件来压缩。在先前任何或所有示例中，附加地或可选地，该粉末材料是包括环氧树脂的介电材料。
注意，所示出的各种动作、操作和/或功能可以以所示出的顺序、并行地来执行，或者在某些情况下被省去。同样，实现本文描述的示例性示例的特征和优点的处理顺序不是必要的，而是为了便于说明和描述而提供。取决于被使用的特定策略，可以重复地执行所示的动作、操作和/或功能中的一个或多个。如果需要，可以省略本文所述的一个或多个方法步骤。
可以理解，本文公开的构造和例程本质上是示例性的，并且这些具体示例不应被认为是限制性的，因为可以进行多种变化。例如，以上技术可以应用于包括不同类型的推进源的动力系统，所述推进源包括不同类型的电机和变速器。本公开的主题包括本文公开的各种系统和构造以及其它特征、功能和/或特性的所有新颖且非显而易见的组合和子组合。
所附权利要求特别指出了被认为是新颖且非显而易见的某些组合和子组合。这些权利要求可能涉及一个元件或第一元件或其等同物。应当将这样的权利要求理解为包括一个或多个这样的元件的结合，既不需要也不排除两个或多个这样的元件。在本申请或相关申请中，可以通过修改本权利要求或通过提出新权利要求来主张所公开的特征、功能、元件和/或特性的其它组合和子组合。这样的权利要求，无论是在范围上与原始权利要求相比更宽、更窄、相同或不同，都被认为包括在本公开的主题范围内。

Claims (15)

1.一种用于高压母线的方法，所述方法包括：
将导体形成为所述母线的形状；
利用介电材料涂覆母线的未遮掩区域，以形成母线的介电涂覆部分；以及
将所述母线的介电涂覆部分压缩至附接到散热器的热界面材料(TIM)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述母线包括主体和从所述主体延伸的一个或多个外连接部分，所述母线经由所述外连接部分联接到外部部件。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述未遮掩区域包括所述母线的主体，并且其中，所述外连接部分在涂覆之前被遮掩。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对所述未遮掩区域进行涂覆是经由静电流化床粉末涂层工艺来进行的，并且通过使所述母线移动穿过构成所述介电材料的静电粉末云来对所述母线进行涂覆。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述静电粉末云形成在带电的介电材料的乳剂上方，所述乳剂通过使加压空气流过被包含在腔室中的流化的粉末而形成。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述母线从传送带悬挂并且移动穿过所述静电粉末云。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述介电涂覆部分上的涂层厚度在0.1mm与1mm的范围内。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述介电材料是具有高于阈值介电强度的环氧树脂。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述阈值介电强度在3000V/mm与4000V/mm的范围内。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，一块所述热界面材料经由压力部件压缩在所述导体的介电涂覆部分和所述散热器之间。
11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：将所述母线附接在车辆推进系统的逆变器内，所述母线在所述逆变器内的两个电力装置之间传导电流。
12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述母线是交流电(AC)母线和直流电(DC)母线之一。
13.一种系统，所述系统包括：
金属母线，所述金属母线的表面区域至少部分地层接有电绝缘的导热粉末材料；以及
热界面材料，所述热界面材料压缩在所述母线和散热器的交界部中。
14.根据权利要求13所述的系统，其特征在于，所述热界面材料经由被定位在所述母线的层压表面区域上的压力部件来压缩。
15.根据权利要求13所述的系统，其特征在于，所述粉末材料是包括环氧树脂的介电材料。
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