CN117412485A - 一种基于pcb的电机控制器 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种基于PCB的电机控制器。所述电机控制器包括散热底衬和六层PCB板层组件;其中,所述六层PCB板层组件内设置有电机控制器器件;所述六层PCB板层组件及其对应的电机控制器器件依次按层堆叠并设置散热底衬上。所述散热底衬的一侧依次堆叠设置有第六层PCB板层组件、第五层PCB板层组件、第四层PCB板层组件、第三层PCB板层组件、第二层PCB板层组件和第一层PCB板层组件。通过将功率模块和电容器以及控制器驱动板采用PCB工艺进行深度集成,省掉传统电机控制器的这些部件之间的螺丝连接以及排线连接,以及焊接工艺,实现了系统的深度融合,同时降低了系统成本。
Description
技术领域
本发明提出了一种基于PCB的电机控制器,属于机控制器技术领域。
背景技术
随着新能源车发展和推广普及,电机控制器作为电驱动的核心部件,其重要性不断提升。随着新能源车辆的不断增多,传统的电机控制器设计思路已经不能满足日益增多的用量需求,而且性能逐渐遇到瓶颈。随着第三代半导体SiC和GaN的不断发展,电机控制器小型化的趋势日益明显。因此对电机控制器的设计提出了新的需求。传统的电机控制器基于功率模块,DClink电容器,控制板和驱动板,连接铜排通过打螺丝等工艺进行连接,装配复杂,生产流程长且容易出错。
发明内容
本发明提供了一种基于PCB的电机控制器,用以解决现有技术中传统的电机控制器基于功率模块,DClink电容器,控制板和驱动板,连接铜排通过打螺丝等工艺进行连接,装配复杂,生产流程长且容易出错的问题,所采取的技术方案如下:
一种基于PCB的电机控制器,所述电机控制器包括散热底衬和六层PCB板层组件;其中,所述六层PCB板层组件内设置有电机控制器器件;所述六层PCB板层组件及其对应的电机控制器器件依次按层堆叠并设置散热底衬上。
进一步地,所述散热底衬的一侧依次堆叠设置有第六层PCB板层组件、第五层PCB板层组件、第四层PCB板层组件、第三层PCB板层组件、第二层PCB板层组件和第一层PCB板层组件。
进一步地,所述第六层PCB板层组件包括焊接层、第六层PCB板和绝缘导热材料层;其中,所述焊接层布设于所述散热底衬上;所述第六层PCB板设置于焊接层的远离所述散热底衬的一侧表面上;所述绝缘导热材料层布设于所述第六层PCB板的远离所述焊接层的一侧表面上。
进一步地,所述第五层PCB板层组件包括第五层PCB板和多个通气孔;所述第五层PCB板布设于所述第六层PCB板层组件的远离所述散热底衬的一侧表面上;所述多个通气孔设置于所述第五层PCB板上。
进一步地,所述第四层PCB板层组件包括第四层PCB板和多个功率器件;所述多个功率器件布设于第四层PCB板上,并且,所述多个功率器件的金属柱穿过第四层PCB板与所述第五层PCB板层组件的第五层PCB板进行连接。
进一步地,所述功率器件的远离金属柱一侧的器件表面上设置有上桥功率晶圆,或,述功率器件的远离金属柱一侧的器件表面上设置有下桥功率晶圆。
进一步地,所述第三层PCB板层组件包括第三层PCB板和多个Shunt电阻;其中,所述第三层PCB板上设置有多个器件孔,所述多个器件孔与所述功率器件的数量一致。其中,所述第三层PCB板41的厚度尺寸通过如下公式获取:
其中,D表示第三层PCB板41的厚度尺寸;H0表示Shunt电阻的厚度尺寸;Hs表示以PCB板材料为基准时,Shunt电阻通过PCB板材料进行散热时,所允许的最大允许的PCB板材料厚度;D0表示PCB板常规使用厚度;e表示常数;ΔHs表示补偿厚度。
进一步地,所述功率器件的上表面设置的上桥功率晶圆和下桥功率晶圆穿过第三层PCB板裸露至所述第三层PCB板远离于第四层PCB板的一侧表面上;其中,所述多个Shunt电阻嵌入在每两个器件孔为一组的器件孔组的一侧第三层PCB板的板层内。
进一步地,所述第二层PCB板层组件包括第直流电源正极接触端、相输出端和直流电源负极接触端;其中,所述直流电源正极接触端的接触触点与第一功率器件的非上桥功率晶圆部位连接;所述相输出端的第一接触触点与功率器件的上桥功率晶圆部位连接;所述相输出端的第二接触触点与所述第一功率器件相邻的第二功率器件的非下桥功率晶圆部位连接;所述直流电源负极接触端的接触触点与第二功率器件的下桥功率晶圆部位连接。
进一步地,所述第一层PCB板层组件包括第一层PCB板、多个板载元件和DClink电容;所述第一层PCB板通过接触触点与第二层PCB板电连接;所述多个板载元件布设在第一层PCB板的远离第二层PCB板的一侧表面上;所述DClink电容设置在所述第一层PCB板的远离第二层PCB板的一侧表面上;其中,第一层PCB板底部所设置的接触点分别接触所述第二层PCB板层组件的直流电源正极接触端和直流电源负极接触端。
本发明有益效果:
本发明提出的一种基于PCB的电机控制器通过将功率模块和电容器以及控制器驱动板采用PCB工艺进行深度集成,省掉传统电机控制器的这些部件之间的螺丝连接以及排线连接,以及焊接工艺,实现了系统的深度融合,同时降低了系统成本。本实施例提出的上述技术方案可以用于从低压48V控制器到高压800V控制器的使用高压,根据系统的需求,选取合适的导热材料即可。同时,本发明提出的一种基于PCB的电机控制器对于控制器的生产装配,只需要SMT将电子元器件贴至PCB表面,装配至电机控制器课题内部即可,极大的降低了装配复杂度,也降低了产品的高度,对电机控制器的小型化有巨大的帮助。
附图说明
图1为本发明所述电机控制器的结构示意图;
(1,第六层PCB板层组件;2,第五层PCB板层组件;3,第四层PCB板层组件;4,第三层PCB板层组件;5,第二层PCB板层组件;6,第一层PCB板层组件;7,散热底衬;11,焊接层;12,第六层PCB板;13,绝缘导热材料层;21,第五层PCB板;22,通气孔;31,第四层PCB板;32,功率器件;33,金属柱;34,上桥功率晶圆;35,下桥功率晶圆;41,第三层PCB板;42,Shunt电阻;51,直流电源正极接触端;52,相输出端;53,直流电源负极接触端;61,第一层PCB板;62,板载元件;63,DClink电容)。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明,应当理解,此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明,并不用于限定本发明。
本发明实施例提出了一种基于PCB的电机控制器,如图1所示,所述电机控制器包括散热底衬和六层PCB板层组件;其中,所述六层PCB板层组件内设置有电机控制器器件;所述六层PCB板层组件及其对应的电机控制器器件依次按层堆叠并设置散热底衬上。
其中,所述散热底衬7的一侧依次堆叠设置有第六层PCB板层组件1、第五层PCB板层组件2、第四层PCB板层组件3、第三层PCB板层组件4、第二层PCB板层组件5和第一层PCB板层组件6。
所述第六层PCB板层组件包括焊接层11、第六层PCB板12和绝缘导热材料层13;其中,所述焊接层布设于所述散热底衬上;所述第六层PCB板设置于焊接层的远离所述散热底衬的一侧表面上;所述绝缘导热材料层布设于所述第六层PCB板的远离所述焊接层的一侧表面上。
所述第五层PCB板层组件2包括第五层PCB板21和多个通气孔22;所述第五层PCB板布设于所述第六层PCB板层组件的远离所述散热底衬的一侧表面上;所述多个通气孔设置于所述第五层PCB板上。
所述第四层PCB板层组件3包括第四层PCB板31和多个功率器件32;所述多个功率器件布设于第四层PCB板上,并且,所述多个功率器件的金属柱33穿过第四层PCB板与所述第五层PCB板层组件的第五层PCB板进行连接。
所述功率器件33的远离金属柱一侧的器件表面上设置有上桥功率晶圆34,或,所述功率器件33的远离金属柱一侧的器件表面上设置有下桥功率晶圆35。
所述第三层PCB板层组件4包括第三层PCB板41和多个Shunt电阻42;其中,所述第三层PCB板上设置有多个器件孔,所述多个器件孔与所述功率器件的数量一致。其中,所述第三层PCB板41的厚度尺寸通过如下公式获取:
其中,D表示第三层PCB板41的厚度尺寸;H0表示Shunt电阻的厚度尺寸;Hs表示以PCB板材料为基准时,Shunt电阻通过PCB板材料进行散热时,所允许的最大允许的PCB板材料厚度;D0表示PCB板常规使用厚度;e表示常数;ΔHs表示补偿厚度。
通过上述公式获取的第三层PCB板41的厚度尺寸既能够提高在对Shunt电阻进行部分覆盖的情况下实现强度保护,又能够提高对Shunt电阻进行覆盖情况下的散热速度,同时,又能够在对Shunt电阻保护情况下提高整体电机控制器的尺寸最小化程度。
另一方面,第三层PCB板上设置了多个器件孔,其数量与功率器件的数量相一致。这些器件孔用于安装功率器件或其他相关组件,以便它们可以正确连接和散热。通过在第三层PCB板上设置多个器件孔,并确保其数量与功率器件数量一致,可以有效地安装和连接功率器件,从而实现电路的组装和布线。计算第三层PCB板的厚度尺寸是为了确保PCB板的散热性能和结构强度。通过考虑Shunt电阻的厚度、散热要求以及其他参数,可以确定适当的PCB板厚度,以满足性能和散热需求。
总的来说,这段描述涉及到了在电路布板设计中关于PCB板厚度和器件孔设置的技术细节,旨在确保电路的性能和可靠性。这些步骤和参数的合理选择有助于实现高效的电路设计和散热管理。
所述功率器件的上表面设置的上桥功率晶圆和下桥功率晶圆穿过第三层PCB板裸露至所述第三层PCB板远离于第四层PCB板的一侧表面上;其中,所述多个Shunt电阻嵌入在每两个器件孔为一组的器件孔组的一侧第三层PCB板的板层内。
所述第二层PCB板层组件5包括第直流电源正极接触端51、相输出端52和直流电源负极接触端53;其中,所述直流电源正极接触端的接触触点与第一功率器件的非上桥功率晶圆部位连接;所述相输出端的第一接触触点与功率器件的上桥功率晶圆部位连接;所述相输出端的第二接触触点与所述第一功率器件相邻的第二功率器件的非下桥功率晶圆部位连接;所述直流电源负极接触端的接触触点与第二功率器件的下桥功率晶圆部位连接。
所述第一层PCB板层组件6包括第一层PCB板61、多个板载元件62和DClink电容63;所述第一层PCB板通过接触触点与第二层PCB板电连接;所述多个板载元件布设在第一层PCB板的远离第二层PCB板的一侧表面上;所述DClink电容设置在所述第一层PCB板的远离第二层PCB板的一侧表面上;其中,第一层PCB板底部所设置的接触点分别接触所述第二层PCB板层组件的直流电源正极接触端和直流电源负极接触端。
上述技术方案的工作原理为:将功率模块晶圆嵌套在功率模块leadframe中,采用小型化的设计,嵌入到PCB中间,省略掉传统的功率模块中功率晶圆上面的键合引线,而采用PCB通孔或塞入小铜柱和镀铜的方式实现连接。DCLink电容通过采用Ceralink电容或者高温电容,直接SMT焊接在PCB上。直流电源正极接触端和直流电源负极极接触端,采用PCB的铜层进行叠层互连(可以在第二层和第四层中实现),实现DCLink电容与功率器件的功率回路的最小化,可以将系统的功率寄生电感减小至3nH以下,降低的功率器件的电压尖峰,同时也减小了功率器件的开关损耗。PCB的第五层与第六层通过压合绝缘导热材料(高导热PP或者陶瓷),来满足功率器件的散热要求。通过电机控制器的控制板和驱动板合成在一个板子上,贴片在PCB顶面,实现与功率器件的最小化连接,可以实现最优的性能。
PCB板子内部也可以埋入shunt电阻,实现电流检测的功能,取代传统的电流传感器部件。
整块板子可以预先焊接在散热基板上,也可以SMT完成元器件焊接后,在焊接至散热基板上,与系统的散热水道进行装配。PCB的层内之间填充树脂材料,该树脂材料Tg值可达200度以上,满足整个系统的使用要求。
上述技术方案的效果为:本实施例提出的一种基于PCB的电机控制器将功率模块晶圆埋入PCB内部,采用通孔或者塞铜柱等工艺实现传统功率器件的键合引线,提高了功率模块的可靠性,同时降低了功率模块的生产工艺流程。DCLink电容通过PCB的层叠结构和走线,实现与功率芯片的叠层互连,实现了最短的功率路径,降低功率回路寄生电感至3Nh以下,提高了产品性能。电流传感器可以采用shunt电阻嵌入至PCB内部,实现电流信号的采集,省掉了传统的外置电流传感器设计。
同时,控制板,驱动板,电容铜排,功率模块采用PCB工艺一体融合,通过PCB走线和过孔,省掉了传统的板子间排线连接以及板子与功率模块之间的焊接,实现了信号的最短路径连接,提高了系统可靠性,降低系统体积。
另一方面,PCB工艺实现的电机控制器设计,节省了系统的装配环节和步骤,只需要安排一个PBC即可。同时,通过PCB工艺的电机控制器设计有效提高了系统的灵活性,可以根据客户的需求灵活调整产品设计,PCB的外形也可以进行灵活的调整,提高了客户的空间利用率,尤其是高度部分极大的降低,减小了控制器的体积。
显然,本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样,倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内,则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (9)
1.一种基于PCB的电机控制器,其特征在于,所述电机控制器包括散热底衬和六层PCB板层组件;其中,所述六层PCB板层组件内设置有电机控制器器件;所述六层PCB板层组件及其对应的电机控制器器件依次按层堆叠并设置散热底衬上;所述散热底衬的一侧依次堆叠设置有第六层PCB板层组件、第五层PCB板层组件、第四层PCB板层组件、第三层PCB板层组件、第二层PCB板层组件和第一层PCB板层组件;所述第三层PCB板层组件包括第三层PCB板和多个Shunt电阻;其中,第三层PCB板的厚度尺寸通过如下公式获取:
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其中,D表示第三层PCB板41的厚度尺寸;H0表示Shunt电阻的厚度尺寸;Hs表示以PCB板材料为基准时,Shunt电阻通过PCB板材料进行散热时,所允许的最大允许的PCB板材料厚度;D0表示PCB板常规使用厚度;e表示常数;ΔHs表示补偿厚度。
2.根据权利要求1所述基于PCB的电机控制器,其特征在于,所述第六层PCB板层组件包括焊接层、第六层PCB板和绝缘导热材料层;其中,所述焊接层布设于所述散热底衬上;所述第六层PCB板设置于焊接层的远离所述散热底衬的一侧表面上;所述绝缘导热材料层布设于所述第六层PCB板的远离所述焊接层的一侧表面上。
3.根据权利要求1所述基于PCB的电机控制器,其特征在于,所述第五层PCB板层组件包括第五层PCB板和多个通气孔;所述第五层PCB板布设于所述第六层PCB板层组件的远离所述散热底衬的一侧表面上;所述多个通气孔设置于所述第五层PCB板上。
4.根据权利要求1所述基于PCB的电机控制器,其特征在于,所述第四层PCB板层组件包括第四层PCB板和多个功率器件;所述多个功率器件布设于第四层PCB板上,并且,所述多个功率器件的金属柱穿过第四层PCB板与所述第五层PCB板层组件的第五层PCB板进行连接。
5.根据权利要求4所述基于PCB的电机控制器,其特征在于,所述功率器件的远离金属柱一侧的器件表面上设置有上桥功率晶圆,或,所述功率器件的远离金属柱一侧的器件表面上设置有下桥功率晶圆。
6.根据权利要求5所述基于PCB的电机控制器,其特征在于,所述第三层PCB板上设置有多个器件孔,所述多个器件孔与所述功率器件的数量一致。
7.根据权利要求6所述基于PCB的电机控制器,其特征在于,所述功率器件的上表面设置的上桥功率晶圆和下桥功率晶圆穿过第三层PCB板裸露至所述第三层PCB板远离于第四层PCB板的一侧表面上;其中,所述多个Shunt电阻嵌入在每两个器件孔为一组的器件孔组的一侧第三层PCB板的板层内。
8.根据权利要求1所述基于PCB的电机控制器,其特征在于,所述第二层PCB板层组件包括第直流电源正极接触端、相输出端和直流电源负极接触端;其中,所述直流电源正极接触端的接触触点与第一功率器件的非上桥功率晶圆部位连接;所述相输出端的第一接触触点与功率器件的上桥功率晶圆部位连接;所述相输出端的第二接触触点与所述第一功率器件相邻的第二功率器件的非下桥功率晶圆部位连接;所述直流电源负极接触端的接触触点与第二功率器件的下桥功率晶圆部位连接。
9.根据权利要求1所述基于PCB的电机控制器,其特征在于,所述第一层PCB板层组件包括第一层PCB板、多个板载元件和DClink电容;所述第一层PCB板通过接触触点与第二层PCB板电连接;所述多个板载元件布设在第一层PCB板的远离第二层PCB板的一侧表面上;所述DClink电容设置在所述第一层PCB板的远离第二层PCB板的一侧表面上;其中,第一层PCB板底部所设置的接触点分别接触所述第二层PCB板层组件的直流电源正极接触端和直流电源负极接触端。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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