CN115701204A - 用于电力电子系统的冷板 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于电力电子系统的冷板。公开了一种能量管理单元(EMU)。该EMU包括：夹在第一印刷电路板(PCB)与第二PCB之间的冷板，该冷板包括一个或更多个磁元件；其中，冷板被构造成冷却第一PCB和第二PCB两者。

Description

用于电力电子系统的冷板
技术领域
本发明涉及电动车辆的车载充电器(OBC)和DC-DC转换器，并且特别地，涉及用于电力电子组件的磁元件机械和热接口。
背景技术
通常，在汽车应用中，功率磁元件是空气冷却的或者一个表面直接联接至液体冷却的冷板。由于散热通量路径是一维的，所以类似这样的电力电子磁元件尺寸过大。另外，典型的磁元件需要到包括刀片连接器的子组件的复杂焊接连接或直接焊接至板。
高功率和高密度电源通常包含冷板，功率硅和功率磁元件均安装至该冷板。在组装好电源之后，接近印刷电路板(PCB)或者移除PCB以结束线路测试是困难的或者在某些情况下是根本不可能的。这是因为开关硅器件通常用螺栓(直接地，或通过PCB安装螺栓)连接至冷板，而磁元件用导热材料灌封到冷板中，同时这两个部件直接焊接至PCB。
发明内容
本公开内容的一个方面涉及一种共享冷板歧管，其冷却每一侧的两个电力电子PCB，例如，一侧上的DC-DC和另一侧上的OBC，该共享冷板歧管减少了电力电子组件的部件、成本和尺寸。
本公开内容的第二方面涉及一种冷板歧管，该冷板歧管允许低压和高流量的冷却剂通过，使得能量管理单元(EMU)能够被封装在电池冷却回路和电池组外壳内，从而消除了笨重的连接器和外壳，减小了重量、空间和成本，同时提高了可靠性。
本公开内容的第三方面涉及一种冷板歧管，该冷板歧管包围多个磁性元件并且可靠地冷却和密封多个(例如，六个)磁表面，从而使得能够进行更好的冷却并且使能量存储设备或传递设备进一步缩小尺寸。
本公开内容的第四方面涉及一种包括螺纹接口的磁组件，该磁组件使组装变得容易并且同时允许磁元件与PCB之间的低阻抗接触，同时提供抵抗振动的坚固的机械连接并且使热界面材料的压缩压力局部地反作用于磁性螺钉。磁性螺钉端子还同时用作PCB的压铆螺柱(standoff)。
本公开内容的第五方面涉及一种构建具有螺纹接口的磁元件的过程。
附图说明
图1提供了根据本公开内容的实施方式的示例性能量管理单元的立体图。
图2提供了根据本公开内容的实施方式的示例性冷却歧管的分解图。
图3示出了根据本公开内容的实施方式的与PCB的示例性磁元件接口的细节。
图4a和图4b提供了根据本公开内容的实施方式的到图3的PCB的磁体螺纹接口的每个特定特征的功能的详细图示。
图5示出了根据本公开内容的实施方式的螺纹接口制造过程中的示例性步骤。
图6a至图6c示出了根据本公开内容的实施方式的在图5的制造过程的不同阶段的螺纹接口。
具体实施方式
在以下对优选实施方式的描述中，参照形成本说明书的一部分的附图，并且在附图中通过图示的方式示出了可以实践的具体实施方式。应当理解的是，可以使用其他实施方式并且可以在不脱离本公开内容的实施方式的范围的情况下作出结构改变。
图1示出了根据本公开内容的实施方式的示例性EMU 110。EMU 110包括共享的冷板歧管(“冷板”)100，该冷板100能够冷却每一侧上的两个电力电子PCB，例如，一侧上的DC-DC PCB 112和另一侧上的OBC 102。通过将冷板100制成多层，磁元件108的覆盖区可以与功率硅和其他PCB部件102的覆盖区交叠。这通过将冷板100分层成如图2所示的多层组件来实现。
如图2所示，多层组件10的两个外层4、2包含安装有功率硅器件的端盖歧管。在两侧上紧接着的两个内部件3、5是密封衬垫。在所示实施方式中，密封衬垫5可以是简单的O形环，而密封衬垫3可以是在两侧上具有不对称密封表面的衬垫板，该衬垫板有助于围绕磁引线9向外部进行密封，同时允许冷却剂围绕引线在磁元件上方流动。应当理解的是，根据密封要求，可以使用其他类型的密封衬垫。
衬垫板5的内侧围绕冷块(或中心块)1的磁袋的顶侧进行密封，而外侧围绕端板歧管2的磁引线9进行密封。衬垫板3允许冷却剂(图2中未示出)在磁元件6、8的顶部上方流动，而共模扼流圈(CMC)11、12允许冷却剂直接在盖歧管2的外部封装的场效应晶体管(FET)的底部下方流动。该衬垫板3在冷却剂通过中心板1时将冷却剂导入盖歧管2和从盖歧管2中导出。冷板的最后的层是中心块1。磁元件6、8和CMC 11、12灌封到中心板中。利用该多层冷板10实现了更高的封装和功率密度。
再次参照图1，还将注意到大的入口104和出口106支持低压和高容量冷却剂流。在本公开内容的实施方式中，磁元件108被浸没并且以所有表面(包括外缘以及顶部和底部)被冷却。另外，具有密封衬垫的歧管(例如图2所示的歧管)允许高流量。这些特征的组合使得磁元件108能够缩小尺寸。
使用用于自动变速器的类似密封衬垫的传统制造工艺可以保持制造成本低。如图2所示的衬垫3、5可以保持复杂冷却通道的高压密封。在这些实施方式中公开的示例性能量管理单元允许超高流量(高达约30LPM)，从而允许EMU冷却剂与电池组串联。这在EMU封装在电池组外壳内的情况下提供了优点。
图3示出了多层组件10与PCB的示例性磁元件接口的细节。在该实施方式中，为了方便组件310，磁性元件装配有螺纹接口302以允许螺钉接口304，螺纹接口和螺钉接口能够形成磁性元件300与PCB 308之间的电连接以及将PCB 308固定至冷块310的机械连接二者。该机械接口可以代替传统的铆合螺柱，并且还可以提供局部手段来达到在功率硅器件下方使用的热界面间隙垫材料的压缩力。
图4a和图4b提供了磁元件的到PCB的示例性磁体螺纹接口(图3中的302)的详细图示。如图4a和图4b所示，为了使PCB容易地组装到磁元件的磁性端子404以及可从磁元件的磁性端子404移除(无焊料)，使用固定螺纹(螺钉)端子404。当磁元件406深深地嵌入(灌封)到冷板中时，磁性端子404也可以用于将PCB(图4中未示出)固定直至冷板。当磁性螺钉端子402也用作PCB的安装位置时，也可以移除用于功率硅的紧固螺钉408，并且PCB可以向功率硅封装件下方的热界面材料410施加预加载以将它们保持在适当位置。这全部利用如图4所示的ABS塑料磁性端帽412来实现。
端帽412位于磁芯406的顶部，并且由底板(图2的2)保持在适当位置。此外，螺钉端子404可以被镀制成具有与PCB兼容的材料接口。该兼容的材料接口可以包括无电镍金(ENIG)、铜、金或镍的任何组合。磁性端帽通过图4所示的特定几何形状实现所有这些功能。特别地，在该实施方式中，六角螺钉端子404可以通过底座处的六角几何形状将螺钉扭矩传递至塑料端帽412。然后，端帽412可以通过外缘的外部几何形状将扭矩传递至冷块406。
图5是示出根据本公开内容的实施方式的螺纹接口制造过程中的示例性步骤的流程图。具体地，图5示出了组装磁引线的过程。首先，将螺钉端子插入到固定装置中(步骤501)。然后，将磁部件放置到固定装置中，并且固定装置相对于磁芯的顶表面定位所有螺钉端子(步骤502)。然后，将从磁部件出来的引线钎焊或焊接至螺钉端子(步骤503)。然后，将组件从固定装置移除，并且可选地将清漆施加至焊点(步骤504)。安装磁性端帽并且拧上杯状件以将所有螺钉端子在灌封过程之前拉起至相同高度(步骤505)。最后，用压紧固定装置将组件置于冷块中，并且施加热灌封(步骤506)。应当理解的是，图5中所示的步骤中的一些可以并行执行或者以不同的顺序执行，以可以实现相同的结果。
图6a示出了在执行图5的步骤501至504之后在固定装置604中的部分制造的螺纹接口600。已经将螺钉端子(统称为602)插入到固定装置604中。已经将磁元件606放置在固定装置604中并且用螺栓固定。固定装置604相对于平面的顶表面定位所有的螺钉端子602。从磁部件出来的引线被钎焊或焊接至螺钉端子602。
图6b示出了在执行图5的步骤505之后的进一步组装的螺纹接口600’。已经将部分组装的螺纹接口600’从固定装置移除，并且已经可选地将清漆施加至焊接点(统称为608)。
图6c示出了在图5的步骤506期间的螺纹接口600”。安装磁性端帽610并且拧上杯状件612以在灌封过程之前将所有螺钉端子拉至相同高度。然后，将螺纹接口600”置于冷块中(图6c中未示出)。
虽然已经参照附图充分地描述了本公开内容的实施方式，但是应当注意的是，各种改变和修改对于本领域技术人员而言将变得明显。这样的改变和修改应当被理解为包括在由所附权利要求限定的本公开内容的实施方式的范围内。

Claims (21)

1.一种能量管理单元EMU，包括：
夹在第一印刷电路板PCB与第二PCB之间的冷板，所述冷板包括一个或更多个磁元件；
其中，所述冷板被构造成冷却所述第一PCB和所述第二PCB两者。
2.根据权利要求1所述的EMU，其中，所述第一PCB包括DC-DC PCB，并且所述第二PCB包括车载充电器OBC PCB。
3.根据权利要求1所述的EMU，其中，所述冷板包括一个或更多个磁袋，所述一个或更多个磁袋被构造成固持所述一个或更多个磁元件。
4.根据权利要求3所述的EMU，其中，所述冷板包括多个层，所述多个层包括：
顶部外层和底部外层，所述顶部外层和底部外层均包括端盖歧管，功率硅器件安装至所述端盖歧管。
5.根据权利要求4所述的EMU，其中，所述冷板还包括在所述顶部外层内部的第一密封衬垫和在所述底部外层内部的第二密封衬垫。
6.根据权利要求5所述的EMU，其中，所述第一密封衬垫包括O形环衬垫。
7.根据权利要求4所述的EMU，其中，所述第二密封衬垫包括在两侧具有不对称密封表面的衬垫板。
8.根据权利要求4所述的EMU，其中，所述第一密封衬垫被构造成围绕所述一个或更多个磁袋的顶侧进行密封。
9.根据权利要求4所述的EMU，其中，所述第二密封衬垫被构造成围绕所述一个或更多个磁元件的一个或更多个磁引线进行密封。
10.根据权利要求9所述的EMU，其中，所述第二密封衬垫被构造成允许冷却剂在所述一个或更多个磁元件上方流动，并且直接在所述底部外层的外部封装的场效应晶体管FET的底部下方流动。
11.根据权利要求9所述的EMU，其中，所述第二密封衬垫被构造成当冷却剂穿过所述冷板时将所述冷却剂导入所述底部外层和从所述底部外层导出。
12.根据权利要求1所述的EMU，还包括所述冷板的磁元件接口，所述磁元件接口包括：
螺纹接口，其包括所述一个或更多个磁元件与所述第一PCB之间的电连接以及将所述第一PCB固定至所述冷板的机械连接二者。
13.根据权利要求12所述的EMU，还包括在所述一个或更多个磁元件的顶部上的端帽。
14.根据权利要求12所述的EMU，其中，所述螺纹接口包括与所述第一PCB的兼容材料接口。
15.根据权利要求14所述的EMU，其中，所述兼容材料接口包括无电镍金ENIG、铜、金或镍的组合。
16.一种冷却装置，包括：
一个或更多个磁袋，其被构造成固持一个或更多个磁元件；
顶部外层和底部外层，所述顶部外层和底部外层均包括端盖歧管，功率硅器件安装至所述端盖歧管；
在所述顶部外层内部的第一密封衬垫，其被构造成围绕所述一个或更多个磁袋的顶侧进行密封；以及
在所述底部外层内部的第二密封衬垫，其被构造成围绕所述一个或更多个磁元件的一个或更多个磁引线进行密封。
17.根据权利要求16所述的冷却装置，还包括磁元件接口，所述磁元件接口包括：
螺纹接口，其包括所述一个或更多个磁元件与所述第一PCB之间的电连接以及将所述第一PCB固定至所述冷板的机械连接。
18.一种组装冷板的磁引线的方法，所述方法包括：
将一个或更多个螺钉端子插入到固定装置中；
将磁部件置于所述固定装置中，所述固定装置相对于所述磁部件的顶表面定位所述一个或更多个螺钉端子；
将从所述磁部件出来的一个或更多个引线附接至所述一个或更多个螺钉端子；
从所述固定装置移除与所述一个或更多个引线附接的磁部件；
将磁性端盖安装在所述磁部件上方；以及
拧上一个或更多个杯状件以将所述一个或更多个螺钉端子上拉至相同高度。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，还包括利用压紧固定装置将具有相同高度的一个或更多个螺钉端子的所述磁部件放入冷板中。
20.根据权利要求18所述的方法，其中，还包括将清漆施加至将所述一个或更多个引线附接至所述一个或更多个螺钉端子的一个或更多个附接点。
21.根据权利要求18所述的方法，其中，将从所述磁部件出来的一个或更多个引线附接至所述一个或更多个螺钉端子包括：将所述一个或更多个引线钎焊或焊接至所述一个或更多个螺钉端子。
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