CN117526670A - 用于运行机动车的电动驱动装置的功率电子器件模块的逆变器的逆变器结构体 - Google Patents

用于运行机动车的电动驱动装置的功率电子器件模块的逆变器的逆变器结构体 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于运行机动车的电动驱动装置的功率电子器件模块的逆变器的逆变器结构体，其具有散热体和至少一个相，其中，针对每个相设置有：至少一个布置在散热体的散热板的上侧上的半桥，和在至少一个半桥上上下相叠的通过绝缘元件彼此电绝缘的直流和交流汇流排，其中，直流和交流汇流排的抽头设置在功率电子器件模块的相互对置的侧上。布置在直流汇流排那侧并且布置在直流汇流排与散热板之间并且与更靠近散热板的直流汇流排及散热板传导式连接的至少一个由导热材料构成的第一导引元件，和/或布置在交流汇流排那侧并且布置在交流汇流排与散热板之间并且与交流汇流排及散热板传导式连接的至少一个由导热材料构成的第二导引元件。

Description

用于运行机动车的电动驱动装置的功率电子器件模块的逆变 器的逆变器结构体
技术领域
本发明涉及电动汽车、尤其是用于电动驱动装置的电子器件模块的领域。
背景技术
近几十年来，电子器件模块、例如功率电子器件模块在机动车中的使用急剧增加。这一方面可归因于改进燃油节约和车辆性能的必要性，另一方面可归因于半导体技术的进步。这种电子器件模块的突出的示例是DC/AC逆变器(Inverter)，其用于向电机、例如电动马达或发电机提供多相的交流电流。在此，借助DC能量源、例如电池产生的直流电流被转换为多相的交流电流。针对该目的，电子器件模块包括多个电子器件构件，利用这些电子器件构件实现桥式电路(例如半桥)、
例如半导体功率开关，其也被称为功率半导体。
在迄今已知的逆变器布置中，功率半导体、即一起形成半桥的半导体功率开关(形式为高边开关HS或低边开关LS)从中间回路电容器出发依次布置。也就是说，这些功率半导体并不并排布置，而是利用其电接触端子(在其上获取AC电流)对置，从而例如高边开关HS的电接触端子比低边开关LS的电接触端子更靠近中间回路。
汽车结构中的逆变器必须适配于车辆中的不同的功率等级。这导致的是，必须通过逆变器提供不同的电流。在多个情况下，在经济上没有意义的是，针对每个功率等级都设计具有相关的功率电子器件的适配的模块。由于该原因，并联地使用分立的功率开关或多个功率模块，以便实现所需的功率等级。例如，针对每个电相，多个、例如四个半桥并排布置，从而逆变器变为总共十二个半桥那么“长”。
为了承载所需的电流，必须对汇流排进行散热。为此，汇流排设计得很大。为了附加的散热，也可以设置与逆变器的壳体的热接驳。
发明内容
然而，因为在此还存在改进需求，所以本发明的任务是，提供改进的对汇流排的散热。
该任务通过根据独立权利要求的功率电子器件模块的逆变器的逆变器结构体和其在机动车中的用途来实现。有利的设计方案是从属权利要求的主题。
提出了一种用于运行机动车的电动驱动装置的功率电子器件模块的逆变器的逆变器结构体，该逆变器结构体具有配备了散热板的散热体和至少一个相，其中，针对每个相设置有：至少一个布置在散热板的上侧上的半桥，和在至少一个半桥上上下相叠的通过绝缘元件彼此电绝缘的直流汇流排和交流汇流排，其中，直流汇流排的抽头和交流汇流排的抽头设置在功率电子器件模块的相互对置的侧上。还设置的是：至少一个由导热材料构成的第一导引元件，第一导引元件布置在直流汇流排那侧，并且布置在直流汇流排与散热板之间，并且与更靠近散热板的直流汇流排及散热板传导式连接，和/或至少一个由导热材料构成的第二导引元件，第二导引元件布置在交流汇流排那侧，并且布置在交流汇流排与散热板之间，并且与交流汇流排及散热板传导式连接。
在一个实施方案中，导引元件一体式地由散热板形成，或者形成为单独的构件且与散热板导热连接。
在一个实施方案中，在导引元件的与汇流排传导式连接的上侧上设置有电绝缘的导热材料。
在一个实施方案中，汇流排在其与导引元件的上侧传导式连接的区域中具有电绝缘的绝缘元件。
在一个实施方案中，形成为电绝缘的绝缘元件的框体布置在最上方的汇流排上方，并且被设立成用于充当汇流排和导引元件的固定和定位。
此外，提出了逆变器的逆变器结构体在用于驱控配备有电驱动装置的机动车的电驱动装置的功率电子器件模块中的用途。
此外，提出了具有配备了所描述的逆变器结构体的逆变器的功率电子器件模块。同样提出了机动车的具有至少一个电机、传动装置和功率电子器件模块的电驱动装置，尤其是电车桥驱动装置，以及具有该电驱动装置的机动车。
本发明的另外的特征和优点由下面借助示出根据本发明的细节的附图对本发明的实施例的描述，并且由权利要求得到。在本发明的变型方案中，各个特征可以单独实现或以任意的组合多个地实现。
附图说明
下面借助附图详细阐述本发明的优选的实施方式。
图1示出了根据本发明的实施方案的功率电子器件模块从直流侧的斜视图；
图2示出了根据本发明的实施方案的功率电子器件模块从交流侧的斜视图；
图3示出了根据本发明的实施方案的没有汇流排的功率电子器件模块的俯视图；
图4示出了根据本发明的实施方案的具有汇流排的功率电子器件模块的俯视图；
图5示出了根据本发明的实施方案的具有逆变器和功率电子器件模块的机动车。
在下面的附图描述中，相同的元件或功能设有相同的附图标记。
具体实施方式
在迄今的逆变器1中，从中间回路电容器被引导至模块并且在交流方向引导离开的汇流排DC1、DC2和AC(也被称为母线)没有被主动地/传导式地散热，从而其必须被设计得非常大，以便承载必要的电流。此外，当汇流排DC1、DC2和AC受到过强的热负载时，通过逆变器的壳体来实现它们的散热。这特别适用于逆变器1的连续运行。因此，如已经在开头提到的那样，本发明的目的是，提供对汇流排DC1、DC2和AC的改进的散热。
首先，参考图1至图4描述功率电子器件模块100的基本结构。功率电子器件模块100具有散热体10，该散热体具有至少一个散热板11。在所示的实施方案中，在附图中所示的壳体12用于容纳散热板11并引导散热液。在多个接在一起的功率电子器件模块100(多个相)的情况下，散热板11可以针对每个相单独设置，或者可以形成为在所有相上延伸的一个散热板11(如在B6模块中)。
如图3所示的那样，在散热板11的上侧设置有至少一个半桥20，该半桥具有相属的、在该实施方案中并联连接的功率半导体(高边开关21或低边开关22)。然而，功率半导体的布置不局限于所示的实施方案。更确切地说，根据实施方案，功率半导体也可以以其他的顺序布置。
在半桥20上方并且与其相属的接触部连接地，直流汇流排DC1、DC2(直流负极和直流正极)和交流汇流排AC上下相叠地布置，如尤其在图1中可看到的那样。在此，根据应用，直流负汇流排可以布置在直流正汇流排下方，或可以相反地布置。
如在图1中可看到的那样，汇流排DC1、DC2和AC通过绝缘元件30～32彼此电绝缘。绝缘元件30～32通常由不具有特别良好的导热性的塑料形成。
直流汇流排DC1、DC2的抽头指向功率电子器件模块100的与交流汇流排AC的抽头不同的侧，如在附图(尤其是图4)中可看到的那样。抽头有利地位于功率电子器件模块100的相互对置的侧上。
在散热板11的上侧与直流侧的最下方的直流汇流排DC1和/或与交流侧的交流汇流排AC之间、在未由半桥10或其他的构件占据的区域处分别设置有导引元件110，如在图1和图2中可看到的那样。导引元件由良好导热的材料(比绝缘元件30～32的塑料更好地导引)、例如铜或铝形成。导引元件110可以一体式地由散热板11形成，或者可以作为单独的导引元件110例如借助间隙垫、间隙填充物、填塞、焊接或类似方法接驳在散热板11上。
在一个实施方案中，汇流排DC1、AC在导引元件110的区域中不被绝缘元件32包围。在该情况下，在汇流排DC1、AC与导引元件110之间设置有电绝缘的导热材料40、41。如果绝缘元件32具有足够的导热性，那么绝缘元件32也可以用作导热材料40、41。
通过交流汇流排AC下方的导引元件110，在交流侧(图2)借助电绝缘的导热材料40、例如(在图2中示出的)间隙垫或具有间隙填充物的绝缘膜来实现至散热板11的传导式导引，以便散热交流汇流排AC。
在直流侧(图1)，同样借助电绝缘的导热材料41实现最下方的直流汇流排DC1的直接的传导式散热。在此，也可以使用间隙垫或(在图1中示出的)具有间隙填充物的绝缘膜。在此，绝缘膜有利地不仅布置在导引元件110的上侧，而且也在其侧向区域处包围该导引元件，如在图3中可看到的那样，即在一定程度上确保在导引元件110与散热板11之间不能存在电接触。此外，由于直流汇流排DC1、DC2的复合结构，直流汇流排DC2的良好的、面式的、间接的散热可以通过直流汇流排DC1、DC2之间的绝缘平面(绝缘元件31)来实现。
在替选的实施方案中，通常为模制料的绝缘元件32也可以用作电绝缘件，从而不必使用导热材料40、41。
由于导引元件110在散热板11上方的定位，直至散热结构(散热板11)的热路径在任何情况下都明显好于在逆变器1的壳体处的散热，该壳体只能实现到散热剂的非常间接的散热路径。
有利地，在功率电子器件模块100内较差地热接驳(这可以通过功率电子器件模块100的内部结构确定)的直流汇流排DC1或DC2直接传导式地与导引元件110连接。在所示的实施方案中，这是直流汇流排DC1。
通过直流侧的传导式散热，也能够实现中间回路电容器的非常好的散热，该中间回路电容器通常在直流侧直接与功率电子器件模块100联接。
最上方的绝缘元件30(其同时作为框体，如图4所示的那样用于固定汇流排DC1、DC2、AC)也可以用作压紧件，以便能够实现汇流排AC和DC1的更好的接触(在该实施方案中)。在此，能够实现汇流排DC1、DC2、AC和传导式的散热接驳部(导引元件110和导热材料40、41)彼此间的定位。有利地，绝缘元件30借助从绝缘元件30的上侧延伸至散热板11的拱顶的螺钉紧固在散热板11上。
半桥20的高边开关21或低边开关22包括一个或多个功率半导体构件、例如IGBT或MOSFET。由半桥20形成的桥式电路可以施装在电路板上，从而功率半导体可以借助在电路板的装配侧存在的电接触部与机动车200的控制器、例如电子控制单元(ECU)电连接和/或以信号技术连接。因此，控制器能够驱控功率开关21或22，以用于运行电动驱动装置、尤其是对电机、配备有相应的驱动装置的机动车200通电。电路板可以包括印刷电路板(例如PCB)或柔性电路板。
在附图中示出了具有一个相和七个半桥20的功率电子器件模块100的结构的实施方案，以便阐明本发明的原理。然而，也可以设置多个相、例如两个或三个或其倍数、例如六个、九个、十二个等的相。也可以实现B6模块。还可以设置更多或更少的半桥20。
此外，可以使用不同的功率半导体、例如Si-IGBT、SiC-MOSFET、SiC级联、GaN。同样可以在功率电子器件模块100内同时使用多个不同的半导体类型、例如Si-IGBT和SiC-MOSFET。
所示的功率电子器件模块100针对每个电相都具有半导体模块。每个半导体模块具有至少一个半桥20，该半桥分别由能在两侧电接触的高边开关21和与之并联布置且连接的能在两侧电接触的低边开关22形成。针对每个相，通过直流汇流排DC1和DC2从功率开关21或22的一侧(在图4中从左侧)来实现直流电流供应。通过交流汇流排AC，在功率开关21或22另一侧(在图4中在右侧)获取所产生的交流电流。
在本发明的范围内的功率电子器件模块100用于运行借助蓄电池或燃料电池驱动的机动车200的电动马达，如图5所示。机动车200尤其是商用车、例如载重车或公共汽车，或乘用车。功率电子器件模块100包括DC/AC逆变器(英语：Inverter 1)。功率电子器件模块还可以包括AC/DC整流器(英语：Rectifier)、DC/DC转换器(英语：DC/DC Converter)、变压器(英语：Transformer)和/或不同的电转换器或这种转换器的一部分，或者可以是其一部分。尤其地，功率电子器件模块100用于对电机、例如电动马达和/或发电机通电。DC/AC逆变器优选用于，从借助能量源、例如电池的DC电压产生的直流电流来产生多相的交流电流。DC/DC转换器例如用于，将来自燃料电池的直流电流转换(升压)为可由驱动装置使用的直流电流。
机动车200、尤其是乘用车和商用车以及公共汽车的电驱动装置(简称电动驱动装置)的DC/DC转换器和逆变器1被设计成用于高电压范围，并且尤其被设计成用于从大约650伏起的反向电压等级中。
所描述的逆变器结构体例如用于机动车200中。机动车200尤其可以具有电驱动车桥。机动车200原则上可以构造为纯内燃机式机动车200、混合动力式机动车或电动车。
附图标记列表
1 逆变器
100 功率电子器件模块
200 机动车
DC1、DC2 直流汇流排
AC 交流汇流排
10 散热体
11 上侧/散热板
110 传导式的导引元件
12 壳体
20 半桥
21 高边开关(HS)
12 低边开关(LS)
30～32 汇流排的绝缘元件
40、41 导热材料

Claims (9)

1.用于运行机动车(200)的电动驱动装置的功率电子器件模块(100)的逆变器(1)的逆变器结构体，所述逆变器结构体具有：
-配备了散热板(11)的散热体(10)，和
-至少一个相，其中，针对每个相设置有：
-布置在所述散热板(11)的上侧上的至少一个半桥(20)，和
-在所述至少一个半桥(20)上上下相叠的通过绝缘元件(30～32)彼此电绝缘的直流汇流排(DC1、DC2)和交流汇流排(AC)，其中，所述直流汇流排(DC1、DC2)的抽头和所述交流汇流排(AC)的抽头设置在所述功率电子器件模块(100)的相互对置的侧上，
其特征在于具有，
-至少一个由导热材料构成的第一导引元件(110)，所述第一导引元件布置在所述直流汇流排(DC1、DC2)那侧，并且布置在所述直流汇流排与所述散热板(11)之间，并且与更靠近所述散热板(11)的直流汇流排(DC1)及所述散热板(11)传导式连接，和/或
-至少一个由导热材料构成的第二导引元件(110)，所述第二导引元件布置在所述交流汇流排(AC)那侧，并且布置在所述交流汇流排与所述散热板(11)之间，并且与所述交流汇流排(AC)及所述散热板(11)传导式连接。
2.根据权利要求1所述的逆变器(1)的逆变器结构体，其中，所述导引元件(110)一体式地由所述散热板(11)形成，或者形成为单独的构件且与所述散热板(11)导热连接。
3.根据权利要求1或2所述的逆变器(1)的逆变器结构体，其中，在所述导引元件(110)的与汇流排(DC1、AC)传导式连接的上侧上设置有电绝缘的导热材料(40、41)。
4.根据权利要求1或2所述的逆变器(1)的逆变器结构体，其中，汇流排(DC1、AC)在其与所述导引元件(110)的上侧传导式连接的区域中具有电绝缘的绝缘元件(32)。
5.根据前述权利要求中任一项所述的逆变器(1)的逆变器结构体，其中，形成为电绝缘的绝缘元件(30)的框体布置在最上方的汇流排(DC2、AC)上方，并且被设立成用于充当汇流排(DC1、DC2、AC)和所述导引元件(110)的固定和定位。
6.根据前述权利要求中任一项所述的逆变器(1)的逆变器结构体在用于驱控机动车(200)的电驱动装置的功率电子器件模块(100)中的用途。
7.功率电子器件模块(100)，所述功率电子器件模块具有配备了根据权利要求1至5中任一项所述的逆变器结构体的逆变器(1)。
8.机动车(200)的电驱动装置，尤其是电车桥驱动装置，所述电驱动装置具有至少一个电机、传动装置和根据权利要求7所述的功率电子器件模块(100)。
9.机动车(200)，所述机动车具有根据权利要求8所述的电驱动装置。
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