CN116470357A - 一种pcb母排及电机控制器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种PCB母排及电机控制器，其中PCB母排包括：开窗结构，顶层和底层具有交直流走线的金属开窗，用于外焊扩流与散热的金属片并引出交直流端子；多个功率开关器件，均匀排布在母排顶层，包括三组单相桥结构，单相桥结构包括上桥臂相互并联的功率开关器件和下桥臂相互并联的功率开关器件；交流接线点，由每组单相桥结构上下桥臂之间相互并联的功率开关器件连接成；直流电容，位于上下桥臂功率开关器件的中间位置，分别与每组单相桥的功率开关器件并联。通过顶层和底层的开窗结构，可以外焊不同厚度的铜片，达到期望的通流能力及散热效果，通过多组PCB叠层设计减小了电路中的杂散电感，电子元器件对称排布达到了很好的均流效果。

Description

一种PCB母排及电机控制器
技术领域
本发明涉及电机控制器技术领域，具体涉及一种PCB母排及电机控制器。
背景技术
电机控制器主要由功率模块、功率驱动模块和中央控制模块组成，电力电子功率器件是电机控制器的核心部件，决定了电机控制系统的性能和成本。现有技术中，由于SiCMOSFET管耐高温、损耗低、适合高频工作的特性，应用SiC MOSFET设计电机控制器是本领域的研究重点。SiC MOSFET管并联可以实现中小功率等级的控制器，然而常用高纯度无氧铜做成特殊的复合结构作为母排的方案却不适合分立SiC MOSFET器件的安装与焊接，此外，SiC器件开关速度快，对回路杂散参数敏感，较大的杂散电感使得SiC MOSFET在高速开关的过程中承受较大的电压过冲，并将引起开关震荡，产生额外的功率损耗，器件失效风险剧增，影响电机控制器的效率、开关频率和可靠性的进一步提升。
现有技术中，分立SiC MOSFET器件中功率驱动电路主要采用大功率驱动电路的控制方式进行驱动，利用功率模块结合高纯度无氧铜做成的叠层母排，使得中功率驱动电路成本高，价格昂贵。另外，由于SiC MOSFET模块自身回路电感，以及受模块封装的限制，回路设计中杂散电感比较大，不均衡的电流会使得各并联器件间产生不对等的损耗和电流、电压应力，短板效应迫使整个系统降额运行，会比较严重的影响电机控制器中逆变器的效率和功耗等性能。而现有技术中基于PCB母排板做成的分立器件控制器，母排为了尽可能的走大电流，面积通常比较大，功率密度低，杂感也比较大，而且走大电流时由于PCB板基材的原因会发热严重，因此只适合小功率的控制器设计。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种PCB母排及电机控制器，解决母排无法兼顾提高散热效果、减小杂散电感、均衡电流及降低功率密度各功能的问题。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
第一方面，本发明实施例提供了一种PCB母排，包括：
开窗结构，由垂直的多组PCB叠层组成，母排的顶层和底层具有直流和交流走线的金属开窗，用于外焊扩流与散热的金属片并引出交直流端子；
多个功率开关器件，均匀排布在母排的顶层，多个功率开关器件构成三相全桥结构，三相全桥结构包括三组单相桥结构，所述单相桥结构包括上桥臂相互并联的功率开关器件和下桥臂相互并联的功率开关器件；
交流接线点，由每组单相桥结构上下桥臂之间相互并联的功率开关器件连接成，所述交流接线点为上桥臂与下桥臂的接线中点，用于外焊铜柱连接电机；
直流电容，位于上下桥臂功率开关器件的中间位置，分别与每组单相桥的功率开关器件并联。
本发明实施例提供的PCB母排，通过顶层和底层开窗结构，增加了通流能力以及板子的散热，通过多组PCB叠层设计减小了电路中的杂散电感，对称排布的电子元器件达到了很好的均流效果，弥补了常用PCB母排只能用于小功率场合的不足。
可选地，所述功率开关器件为SiC MOSFET管。
SiC MOSFET管具有耐高温、损耗低、适合高频工作的特点，在该母排结构的设计中作为功率开关器件是现有器件中的最佳选择。
可选地，所述PCB母排形状为圆形。
将PCB母排形状做成圆形，不仅可以更好地保证元器件的对称性，保证均流效果，承载尽可能大电流的前提下，圆形母排的功率密度最高，同时这种紧凑型的设计也节约了原材料成本。
可选地，所述金属开窗为铜开窗，金属片为不规则形状与不同厚度的铜片。
可选地，所述母排承载的电流与所述铜片厚度成正比。
本发明实施例提供的PCB母排的铜开窗设计，可以根据承载电流需求选择合适厚度的铜片，保证电流流通的同时，达到更好的散热效果。
可选地，每组PCB叠层包括：正母线层、负母线层，在相邻层中所述正母线层和所述负母线层相邻，每组PCB叠层形成一个回路。
每组PCB叠层中的正母线层和负母线层中流过的电流大小相等，方向相反，降低了母排回路的杂散电感，避免功率开关器件在高速开关的过程中承受较大的电压过冲，从而降低功率损耗，提升系统效率。
可选地，母排的正中心位置有两个直流输入端子，分别连接所述正母线层和负母线层。
将直流输入端子放在母排的正中心位置，有利于实现直流电流到各并联器件的回路对称，保证均流效果。
可选地，所述母排由垂直的八组PCB叠层组成，共形成四个回路。
在实际应用中，经过多次试验验证，由八组PCB组成的四回路母排从成本和降低回路杂散电感效果两方面考虑，为最佳方案。
可选地，所述每组单相桥结构中上桥臂相互并联的功率开关器件的漏极均连接所述正母线层，所述每组单相桥结构下桥臂相互并联的功率开关器件的功率源极均连接所述负母线层，所述每组单相桥结构上桥臂相互并联的功率开关器件的功率源极连接所述每组单相桥结构下桥臂相互并联的功率开关器件的漏极。
通过执行上述实施方式，可实现交流接线点到上下桥臂并联功率开关器件的距离及阻抗均相等。并且，通过每组叠层母排建立电气连接关系，电流从正母线层经过电容到达负母线层，可形成最小的电流环路，减小回路上的电感值。因此，通过上述连接关系，电流均有最小环路，最终使得环路上电感较小。
第二方面，本发明实施例提供了一种电机控制器，包括：
功率模块，包括第一方面任一项所述的PCB母排；
驱动模块，用于为电机提供动力；
控制模块，用于控制所述功率模块和驱动模块使电机工作。
本发明实施例提供的电子控制器，通过具有第一方面任一实施例所述PCB母排的功率模块，辅助电机高效稳定工作。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种PCB母排的结构示意图；
图2A为本发明实施例提供的一种PCB母排的一个具体实施例中八层PCB叠层的结构示意图；
图2B为本发明实施例提供的一种PCB母排的一个具体实施例中电流方向相反的两个导体的接线方式；
图3为本发明实施例提供的一种PCB母排的一个具体实施例中正负母线层等效的两个导体的连线图；
图4A为本发明实施例提供的一种PCB母排的顶层铜开窗的结构示意图；
图4B为本发明实施例提供的一种PCB母排的底层铜开窗的结构示意图；
图5为多个电子元器件在圆形PCB板上的位置分布图；
图6为本发明实施例提供的一种PCB母排的一个具体实施例中U相桥臂的电路原理图；
图7为本发明实施例提供的一种PCB母排的一个具体实施例中实际PCB走线的示意图；
图8为本发明实施例提供的一种电机控制器的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
实施例1
本发明实施例提供了一种PCB母排，如图1所示，包括：
开窗结构，由垂直的多组PCB叠层组成，母排的顶层和底层具有直流和交流走线的金属开窗，用于外焊扩流与散热的金属片并引出交直流端子。顶层与底层的开窗是为了焊接铜片，使交直流电流承载更大的电流，同时增强散热性能。没有外焊铜片时，PCB板规格为：铜厚1OZ(相当于0.14mm)，线宽1mm的条件下，最大只能经过1A电流，本发明实施例通过开窗外焊铜片，在相同的PCB板规格条件下，经过的电流可增大到原有电流的三倍以上。
具体地，在一实施例中，每组PCB叠层包括：正母线层、负母线层，在相邻层中正母线层和负母线层相邻，每组PCB叠层形成一个回路。每组PCB叠层中的正母线层和负母线层中流过的电流大小相等，方向相反，利用垂直方向上方向相反的电流在最小的环路面积上有最小的寄生电感的原理，降低了母排回路的杂散电感，避免功率开关器件在高速开关的过程中承受较大的电压过冲，从而降低功率损耗，提升系统效率。
具体地，在一实施例中，母排由垂直的八组PCB叠层组成，共形成四个回路。如图2A所示为八层PCB叠层结构示意图，如图2B为电流方向相反的两个导体的接线方式(上下两层正负母线，可看成两个导体)。在实际应用中，经过多次试验验证，由八组PCB组成的四回路母排从成本和降低回路杂散电感效果两方面考虑，母排的回路杂散电感可以做到20nH以下，为最佳方案。
示例性地，将上下两层正负母线看成两个导体，其等效电路图如图3所示，其杂散电感的计算过程如下：
两个导体上的电压分别为：
其中，V1为上导体两端的电压值，V2为下导体两端的电压值，I1为上导体所在上导线中通过的电流，I2为下导体所在下导线中通过的电流，M为两导体之间的互感，L1为上导线的寄生电感值，L2是下导线的寄生电感值，则可推导出如下的公式：
其中，s为微分算子，V为两个导体上的电压，由图3可知，V＝V1＝V2，根据欧姆定律，导线上的总阻抗如下式：
在相邻两导体材料和厚度相同的情况下，两导体的寄生电感应该相同，即
L1＝L2＝L
因此，
其中L表示两导体的寄生电感。由公式可知，为减小总阻抗，必须增大互感，互感M表示为：
其中，μ0表示真空磁导率，l表示导体的长度，d表示两导体之间的距离，由公式可知，减小正负极之间的距离，可以增大互感，减小总阻抗。推导可知，在PCB布局时，如果相邻层间电流流向相反，并且距离相隔较近，可以大幅降低层间电磁感应产生的电感值。
具体地，在一实施例中，PCB母排形状为圆形。示例性地，两并联器件的母排直径可以做到8cm，在板子厚度只有2mm的情况下，单层铜厚可做到4盎司、层数为8的最大流通能力设计，将PCB母排形状做成圆形，不仅可以更好地保证元器件的对称性，保证均流效果，承载尽可能大电流的前提下，圆形母排的功率密度最高，同时这种紧凑型的设计也节约了原材料成本。
具体地，在一实施例中，金属开窗为铜开窗，金属片为不规则形状与不同厚度的铜片，母排承载的电流与外焊铜片厚度成正比。示例性地，如图4A所示，图中黑色部分为位于顶层的铜，且均已开窗(顶层(即第一层)、第三层、第五层、第七层均为相同的布铜方式，但只有顶层能做到开窗，外焊铜片，顶层的黑色部分表示外焊的铜片)，如图4B所示，图中黑色部分为底层的铜，且均已开窗(底层(第八层)、第二层、第四层、第六层均为相同的布铜方式，只有底层能开窗，底层的黑色部分表示外焊的铜片)。铜开窗处理使交直流走线上均可以外焊不规则的铜片，铜片的厚度和宽度可根据需要扩充的电流大小灵活设计，弥补了常用PCB板作为母排时只能用于小功率场合的不足，本发明实施例提供的PCB母排的铜开窗设计，可以根据承载电流需求选择合适厚度的铜排，外焊的铜排还有利于散热，保证电流流通的同时，达到更好的散热效果，试验发现，该PCB母排在交流峰值电流120A下运行最高温度为41.4℃。
多个功率开关器件，均匀排布在母排的顶层，多个功率开关器件构成三相全桥结构，三相全桥结构包括三组单相桥结构，单相桥结构包括上桥臂相互并联的功率开关器件和下桥臂相互并联的功率开关器件。如图5所示为多个电子元器件在圆形PCB板上的位置分布图。
具体地，在一实施例中，功率开关器件为SiC MOSFET管。SiC MOSFET管具有耐高温、损耗低、适合高频工作的特点，在该母排结构的设计中作为功率开关器件是现有器件中的最佳选择。
交流接线点，由每组单相桥结构上下桥臂之间相互并联的功率开关器件连接成，交流接线点为上桥臂与下桥臂的接线中点。示例性地，交流接线点U、V、W分别位于对应单相桥臂上下管的中间位置，并且交流接线点分别连接上管并联管的S点与下管并联管的D点，并且到并联管的距离相等，如图6所示为U相桥臂的电路原理图，V相、W相与U相同理，此处不再赘述，交流接线点与母线电容正极(或负极)到各并联管的距离均相等，保证与并联管的阻抗相等，杂感相同，有利于均流。
具体地，在一实施例中，每组单相桥结构中上桥臂相互并联的功率开关器件的漏极均连接正母线层，每组单相桥结构下桥臂相互并联的功率开关器件的功率源极连均接负母线层，每组单相桥结构上桥臂相互并联的功率开关器件的功率源极连接每组单相桥结构下桥臂相互并联的功率开关器件的漏极。如图7所示，为实际PCB走线的示意图。
直流电容，位于上下桥臂功率开关器件的中间位置，分别与每组单相桥的功率开关器件并联。示例性地，直流电容布局时尽可能靠近功率开关器件放置，且位于各单相桥臂上下管的中间位置，可实现电容换流点到并联开关管的距离及阻抗相等，达到均流的效果。
本发明实施例提供的PCB母排，通过顶层和底层开窗结构，增加了通流能力以及板子的散热，通过多组PCB叠层设计减小了电路中的杂散电感，对称排布的电子元器件达到了很好的均流效果，弥补了常用PCB母排只能用于小功率场合的不足。
具体地，在一实施例中，母排的正中心位置有两个直流输入端子，分别连接正母线层和负母线层。将直流输入端子放在母排的正中心位置，有利于实现直流电流到各并联器件的回路对称，保证均流效果。
通过执行上述实施方式，可实现交流接线点到上下桥臂并联功率开关器件的距离及阻抗均相等。并且，通过每组叠层母排建立电气连接关系，电流从正母线层经过电容到达负母线层，可形成最小的电流环路，减小回路上的电感值。因此，通过上述连接关系，电流均有最小环路，最终使得环路上电感较小。
实施例2
本发明实施例提供了一种电机控制器，如图8所示，包括：
功率模块，包括实施例1中任一项的PCB母排。关于PCB母排的详细说明已在实施例1中阐述，此处不再赘述。
驱动模块，用于为电机提供动力。现有技术中能够满足驱动模块的功能即可，具体实现方式不做限制。
控制模块，用于控制功率模块和驱动模块使电机工作。现有技术中能够满足控制模块的功能即可，具体实现方式不做限制。
本发明实施例提供的电子控制器，通过具有第一方面任一实施例PCB母排的功率模块，辅助电机高效稳定工作。
虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (10)

1.一种PCB母排，其特征在于，包括：
开窗结构，由垂直的多组PCB叠层组成，母排的顶层和底层具有直流和交流走线的金属开窗，用于外焊扩流与散热的金属片并引出交直流端子；
多个功率开关器件，均匀排布在母排的顶层，多个功率开关器件构成三相全桥结构，三相全桥结构包括三组单相桥结构，所述单相桥结构包括上桥臂相互并联的功率开关器件和下桥臂相互并联的功率开关器件；
交流接线点，由每组单相桥结构上下桥臂之间相互并联的功率开关器件连接成，所述交流接线点为上桥臂与下桥臂的接线中点，用于外焊铜柱连接电机；
直流电容，位于上下桥臂功率开关器件的中间位置，分别与每组单相桥的功率开关器件并联。
2.根据权利要求1所述的PCB母排，其特征在于，所述功率开关器件为SiC MOSFET管。
3.根据权利要求1所述的PCB母排，其特征在于，所述PCB母排形状为圆形。
4.根据权利要求1所述的PCB母排，其特征在于，所述金属开窗为铜开窗，金属片为不规则形状与不同厚度的铜片。
5.根据权利要求4所述的PCB母排，其特征在于，所述母排承载的电流与所述铜片的厚度成正比。
6.根据权利要求1所述的PCB母排，其特征在于，每组PCB叠层包括：正母线层、负母线层，在相邻层中所述正母线层和所述负母线层相邻，每组PCB叠层形成一个回路。
7.根据权利要求6所述的PCB母排，其特征在于，母排的正中心位置有两个直流输入端子，分别连接所述正母线层和负母线层。
8.根据权利要求7所述的PCB母排，其特征在于，所述母排由垂直的八组PCB叠层组成，共形成四个回路。
9.根据权利要求7所述的PCB母排，其特征在于，所述每组单相桥结构中上桥臂相互并联的功率开关器件的漏极均连接所述正母线层，所述每组单相桥结构下桥臂相互并联的功率开关器件的功率源极均连接所述负母线层，所述每组单相桥结构上桥臂相互并联的功率开关器件的功率源极连接所述每组单相桥结构下桥臂相互并联的功率开关器件的漏极。
10.一种电机控制器，其特征在于，包括：
功率模块，包括权利要求1-9任一项所述的PCB母排；
驱动模块，用于为电机提供动力；
控制模块，用于控制所述功率模块和驱动模块使电机工作。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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