CN117937892A - 多合一功率模块和电机驱动系统 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及一种多合一功率模块和电机驱动系统。所述多合一功率模块包括散热组件和两个功率组件，所述两个功率组件分别置于所述散热组件的相对两侧，其中，每一所述功率组件包括衬板、以及设于所述衬板上的多个IGBT单元和一组功率端子；其中，所述一组功率端子分别与所述多个IGBT单元对应连接，且多个所述IGBT单元连接形成三相全桥模块。本申请的多合一功率模块，将多个IGBT单元组装在一起，相较于两个单独的三相全桥模块或六个单独的单相半桥模块，由于不需要为每一模块单独设置散热组件，可以节约至少一散热组件的生产制造成本，并且，体积更小，具有更高的功率密度。

Description

多合一功率模块和电机驱动系统
技术领域
本申请涉及功率器件技术领域，特别是涉及一种多合一功率模块和电机驱动系统。
背景技术
功率模块在新能源汽车领域，主要用在电驱动系统中，完成电能转换的作用。功率模块产品可将电池的直流电转成三相交流电，驱动电机运转。当前电驱系统中使用的模块多为半桥模块或三相全桥模块。使用时将三个半桥组合成全桥或应用单个全桥模块为电驱系统中的永磁同步电机定子供电。当采用异步电机或双定子电机或双电机系统时，需使用6个半桥模块或2个三相全桥模块才能驱动电机运转，相应地，要为每一模块单独设置配套的散热器、控制器等，增加了电驱系统的生产制造成本。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够降低生产制造成本的多合一功率模块和电机驱动系统。
在一个实施例中，提供了一种多合一功率模块，包括：
散热组件；
两个功率组件，所述两个功率组件分别置于所述散热组件的相对两侧，其中，每一所述功率组件包括衬板、以及设于所述衬板上的多个IGBT单元和一组功率端子；其中，所述一组功率端子分别与所述多个IGBT单元对应连接，且多个所述IGBT单元连接形成三相全桥模块。
在其中一个实施例中，每一所述功率组件包括六个IGBT单元，所述一组功率端子包括用于接收直流信号的三组直流端子和用于输出交流信号的三组交流端子，其中，三组所述直流端子分别和所述三相全桥模块的三个输入端对应连接，三组交流端子分别和所述三相全桥模块的三个输出端对应连接。
在其中一个实施例中，各所述交流端子位于所述衬板的同一侧，各所述直流端子位于所述衬板的同一侧，且所述交流端子和所述直流端子位于所述衬板的相对两侧。
在其中一个实施例中，每一所述功率组件还包括用于接收控制信号的三组信号端子，各所述信号端子位于所述衬板的同一侧，且所述信号端子和所述交流端子位于衬板的同一侧。
在其中一个实施例中，所述散热组件包括：
散热壳体，所述散热壳体设有容纳腔，所述散热壳体相对设置的第一侧和第二侧分别设有所述功率组件，所述散热壳体相对设置的第三侧和第四侧分别对应开设有进水口和出水口；
散热结构，设置在所述容纳腔内。
在其中一个实施例中，所述衬板包括：
第一铜层，所述第一铜层设于所述散热组件上；
绝缘层，设置在所述第一铜层上，用于隔离所述第一铜层和第二铜层；
第二铜层，设置在所述绝缘层上，其中，多个所述IGBT单元和所述功率端子设置在所述第二铜层上。
在其中一个实施例中，所述绝缘层为DBC陶瓷层。
在其中一个实施例中，所述第二铜层上还设有多个铜带，所述每一所述IGBT单元包括2个IGBT芯片和1个Diode芯片；其中，所述铜带分别和所述IGBT芯片的源极、所述第二铜层连接。
上述多合一功率模块包括散热组件和两个功率组件，两个功率组件分别置于散热组件的相对两侧，可以理解，两个功率组件共用一个散热组件。每一功率组件包括衬板、以及设于衬板上的多个IGBT单元和一组功率端子，一组功率端子分别与多个IGBT单元对应连接，且多个IGBT单元连接形成三相全桥模块。本申请的多合一功率模块，将多个IGBT单元组装在一起，相较于两个单独的三相全桥模块或六个单独的单相半桥模块，由于不需要为每一模块单独设置散热组件，可以节约至少一散热组件的生产制造成本，并且，体积更小，可提升功率器件的功率密度。
第二方面，本申请还提供了一种电机驱动系统，包括电机和上述任一实施例所述的多合一功率模块；其中，所述电机与所述多合一功率模块的功率端子连接。
在其中一个实施例中，所述电机包括异步电机、双定子单转子永磁同步电机和双永磁同步电机中的一种，每一所述功率组件包括三组交流端子和三组直流端子；其中，
当所述电机为所述异步电机时，一所述功率组件的三组交流端子分别和所述异步电机的定子绕组连接，另一所述功率组件的三组交流端子分别和所述异步电机的转子绕组连接；
当所述电机为所述双定子单转子永磁同步电机时，一所述功率组件的三组交流端子分别和所述双定子单转子永磁同步电机的第一定子绕组连接，另一所述功率组件的三组交流端子分别和所述双定子单转子永磁同步电机的第二定子绕组连接；
当所述电机为所述双永磁同步电机时，一所述功率组件的三组交流端子分别和一永磁同步电机的定子绕组连接，另一所述功率组件的三组交流端子分别和另一永磁同步电机的定子绕组连接。
上述电机驱动系统中，采用本申请的多合一功率模块可实现同时输出两组三相交流信号，来控制电机驱动的功能。尤其是对于采用双定子单转子永磁同步电机或异步电机或双永磁同步电机的电机驱动系统，相较于传统的设置两个独立的三相全桥模块，并设置对应的两套散热器和控制器，来控制双定子单转子永磁同步电机或异步电机或双永磁同步电机驱动的方案，本申请仅设置一组散热组件即可满足多合一功率模块的散热需求，降低了电机驱动系统的生产制造成本，还提高了功率密度。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或传统技术中的技术方案，下面将对实施例或传统技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，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为一个实施例中多合一功率模块的结构示意图；
图2为一个实施例中功率组件的结构示意图；
图3为一个具体的实施例中功率组件的结构示意图；
图4为一个具体的实施例中多合一功率模块的结构示意图；
图5为另一个具体的实施例中功率组件的结构示意图；
图6为一个实施例中电机驱动系统的结构示意图。
附图标记说明：
100-散热组件，200-功率组件，210-衬板，220-IGBT单元，230-功率端子，231-直流端子，2311-第一相直流端子，2312-第二相直流端子，2313-第三相直流端子，232-交流端子，2321-第一相交流端子，2322-第二相交流端子，2323-第三相交流端子，240-信号端子，241-第一组信号端子，242-第二组信号端子，243-第三组信号端子，250-铜带，260-塑封外壳，10-多合一功率模块，20-电机。
具体实施方式
为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的实施例。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使本申请的公开内容更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。
可以理解，“至少一个”是指一个或多个，“多个”是指两个或两个以上。“元件的至少部分”是指元件的部分或全部。
在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也可以包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应当理解的是，术语“包括/包含”或“具有”等指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的存在，但是不排除存在或添加一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的可能性。同时，在本说明书中使用的术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。
功率模块主要在电驱系统中，完成电能转换的作用。功率模块产品可将电池的直流电转成三相交流电，驱动电机运转。当前电驱系统中使用的模块多为半桥模块或三相全桥模块。使用时将三个半桥组合成全桥或应用单个全桥模块为电驱系统中的永磁同步电机定子供电。当采用异步电机或双定子电机或双电机系统时，需使用六个半桥模块或两个个三相全桥模块才能驱动电机运转，相应地，还要为每一模块单独设置配套的散热器、控制器等，增加了电驱系统的生产制造成本。
基于此，本申请提出了一种可以降低电驱系统生产制造成本的多合一功率模块。如图1和图2所示，多合一功率模块包括散热组件100和两个功率组件200。两个功率组件分别设置在散热组件的相对两侧，每一功率组件200都包括衬板210、以及设置在衬板210上的多个IGBT单元220和一组功率端子230。功率端子230分别与多个IGBT单元220对应连接，并且多个IGBT单元220连接可形成三相全桥模块。
其中，IGBT是一种功率半导体开关，具有输入阻抗高、耐高压、响应速度快的优点。因此，在本申请实施例中，采用IGBT单元作为多合一功率模块的主要构成部分。两个功率组件200的布局、形状相似，以一个功率组件作为示例进行说明。衬板210可以是长方体、圆柱体或其他异形结构。衬板210的材料包括导电材料，例如铜、铝等材料。衬板210和散热组件100直接接触，可通过焊接或粘贴的方式将衬板210固定在散热组件100上。多个IGBT单元220和一组功率端子230可通过焊接或其他链接形式固定在衬板210上，以实现多个IGBT单元220、功率端子230之间的电气连接。示例性地，一个功率组件200可包括6个IGBT单元220，本申请实施例的多合一功率模块可以是十二合一功率模块。
在本申请实施例中，多合一功率模块可包括散热组件和两个功率组件，两个功率组件分别置于散热组件的相对两侧，可以理解，两个功率组件共用一个散热组件。每一功率组件包括衬板、以及设于衬板上的多个IGBT单元和一组功率端子，一组功率端子分别与多个IGBT单元对应连接，且多个IGBT单元连接形成三相全桥模块。本申请的多合一功率模块，将多个IGBT单元组装在一起，相较于两个单独的三相全桥模块或六个单独的单相半桥模块，由于不需要为每一模块单独设置散热组件，可以节约至少一散热组件的生产制造成本，并且，体积更小，可提升功率器件的功率密度。
在一个实施例中，每一功率组件包括六个IGBT单元，一组功率端子包括用于接收直流信号的三组直流端子和用于输出交流信号的三组交流端子。其中，三组直流端子分别和三相全桥模块的三个输入端对应连接，三组交流端子分别和三相全桥模块的三个输出端对应连接。直流端子可以为三端子结构，包括DC+端、DC-端和GND端。直流端子和交流端子可通过焊接的方式固定在衬板上。
进一步地，各交流端子位于衬板的同一侧，各直流端子位于衬板的同一侧，且交流端子和主流端子位于衬板的相对两侧。
每一功率组件还包括用于接收控制信号的三组信号端子，各信号端子位于衬板的同一侧，且信号端子和交流端子位于衬板的同一侧。各直流端子、交流端子和信号端子的材料可以是铜等导电材料。
示例性地，为了更好的说明本申请实施例中功率端子、信号端子和IGBT单元的对应连接关系，以图3所示的结构作为示例进行说明。一个功率组件包括IGBT单元1、IGBT单元2、IGBT单元3、IGBT单元4、IGBT单元5、IGBT单元6、三组直流端子、三组交流端子和三组信号端子。6个IGBT单元可构成一个三相全桥模块，IGBT单元1和IGBT单元2构成三相全桥模块的第一相，IGBT单元2和IGBT单元3构成三相全桥模块的第二相，IGBT5和IGBT6构成三相全桥模块的第三相。第一组直流端子2311通过衬板上的引线连接至第一相的输入端，第一组交流端子2321通过衬板上的引线连接至第一相的输出端，第一组信号端子241通过衬板上的引线连接至第一相的各IGBT单元的控制端；第二组直流端子2312通过衬板上的引线连接至第二相的输入端，第二组交流端子2322通过衬板上的引线连接至第二相的输出端，第二组信号端子242通过衬板上的引线连接至第二相的各IGBT单元的控制端；第三组直流端子2313通过衬板上的引线连接至第三相的输入端，第三组交流端子2323通过衬板上的引线连接至第三相的输出端，第三组信号端子243通过衬板上的引线连接至第三相的各IGBT单元的控制端。另一功率组件在散热组件的另一侧和该功率组件对称设置。
在一个功率组件中，三组直流端子接入的直流信号可经过6个IGBT单元组成的三相全桥模块进行逆变，将直流信号转换为交流信号之后，通过三组交流端子输出。三组交流端子输出的交流信号可以看作三相交流信号，可通过信号端子接收的控制信号控制该三相交流信号的幅值和频率。
在两个功率组件的直流端子同时接入直流信号的情况下，两个功率组件的交流端子可同时输出两组三相交流信号。可通过信号端子接口的控制信号分别控制两组交流信号的幅值和频率。
在一个实施例中，衬板包括第一铜层、绝缘层和第二铜层。其中，第一铜层设置在散热组件上，绝缘层设置在第一铜层上，第二铜层设置在绝缘层上，并且，第二铜层上设置有多个IGBT单元和功率端子。第一铜层、绝缘层和第二铜层可依次通过焊接的方式固定在散热组件上形成衬板。
第一铜层可将多合一功率模块的热量传递至散热组件。绝缘层用于隔离第一铜层和第二铜层，并可以作为支撑层为多合一功率模块提供支撑。
第二铜层为刻蚀后形成的图案化的铜层，其可实现多个IGBT单元、功率端子之间的电气连接。
在一个实施例中，绝缘层为DBC陶瓷层。DBC陶瓷层的材料可以是氮化硅、氮化铝等材料，DBC陶瓷层具有良好的绝缘能力和导热能力。
进一步地，第二铜层上还设有多个铜带。每一IGBT单元包括2个IGBT芯片和1个Diode芯片。铜带分别和IGBT芯片的源极、第二铜层连接。可将铜带一侧通过焊接的方式链接至IGBT芯片源极，将铜带另一侧通过焊接的方式链接至第二铜层。
在一个实施例中，散热组件可包括散热壳体和散热结构。其中，散热壳体内部设置有容纳腔，散热壳体相对设置的第一侧和第二侧分别设置一功率组件，相对设置的第三侧和第四侧分别设置有进水口和出水口。散热结构可设置在容纳腔内。
散热壳体可以是圆柱体、椭圆柱体或其他异形结构，散热结构可以是针翅状散热结构。
在多合一功率模块工作时，冷却液可通过入水口流入容纳腔，并通过出水口流出容纳腔，散热结构可将两个功率组件的热量传递至冷却液，实现多合一功率模块的散热。
为了更好地说明本申请的多合一功率模块的结构，请参考图4和图5，以一个具体的实施例作为示例。
如图4所示，多合一功率模块包括散热组件100和两个功率组件200。两个功率组件200分别设置在散热组件100的相对两侧。功率组件200的直流端子231部分露出塑封外壳，以便于接收外部直流信号，交流端子232部分露出塑封外壳，以便于输出交流信号，信号端子240部分露出塑封外壳，以便于接收控制信号。
图5为一个功率组件具体的结构示意图。第一铜层211设置在散热组件100上，绝缘层212设置在第一铜层211上，第二铜层213设置在绝缘层212上。第二铜层213为刻蚀后的具有图案化的铜层，其上设置IGBT单元220、功率端子230、信号端子240、铜带250、以及多个电阻（电阻未标示）的焊接点，IGBT单元220由2个IGBT芯片和1个Diode芯片构成，可通过焊接的方式链接至第二铜层213，多组直流端子231、多组交流端子232和多组信号端子240可通过焊接的方式固定在第二铜层213上。铜带250一端和IGBT单元220连接，另一端焊接在第二铜层213上，IGBT单元220的信号可通过铜带250和第二铜层213上的走线传输。进一步地，通过塑封外壳260将各功率端子、信号端子、IGBT单元封装起来，可形成图4所示的多合一功率模块。
本申请实施例的多合一功率模块具有以下优点：
将12个IGBT单元封装在一起形成的多合一功率模块，可以同时输出两组三相交流信号，实现两个独立的三相全桥模块的功能。并且，本申请的多合一功率模块仅需设置一散热组件即可实现12个IGBT单元的散热需求，相较于使用两个独立的三相全桥模块，可以节约至少一散热组件的生产制造成本，与此同时，相较于独立的两个三相全桥模块和对应的两个散热结构，多合一功率模块的体积更小，具有更高的功率密度。
在一个实施例中，如图6所示，还提供了一种电机驱动系统，包括电机20和上述任一实施例中提供的多合一功率模块10。电机20和多合一功率模块10的功率端子连接。
电机20可为任意三相交流电机，其三个定子绕组可分别和多合一功率模块10中一功率组件的三组交流端子连接。在该功率组件的三组直流端子接入直流信号的情况下，其三组交流端子可输出三相交流信号至电机，控制电机20驱动。
在本申请实施例中，电机驱动系统可包括电机和多合一功率模块，可通过多合一功率模块输出三相交流信号控制器电机驱动。由于多合一功率模块具有较高的功率密度，电机驱动系统具有较高的功率密度。
在一个实施例中，电机包括异步电机、双定子单转子永磁同步电机和双永磁同步电机中的一种。
异步电机相较于传统的永磁同步电机结构简单，不会出现“退磁”的问题，稳定性强，在新能源汽车领域具有较多的应用。
双定子单转子永磁同步电机是一种轴向磁场电机，相较于传统径向电机，双定子单转子永磁同步电机具有更高的功率密度和扭矩密度，符合新能源汽车的轻量化设计需求。
双永磁同步电机主要运用在混动系统中，双永磁同步电机即两个永磁同步电机，双永磁同步电机具有节能高效的特点，能够明显提高新能源汽车的续航里程。
当电机为双定子单转子永磁同步电机时，一功率组件的三组交流端子分别和双定子单转子永磁同步电机的第一定子绕组连接，另一功率组件的三组交流端子分别和双定子单转子永磁同步电机的第二定子绕组连接。多合一功率模块可控制双定子单转子永磁同步电机的电能输出。
当电机为异步电机时，一功率组件的三组交流端子分别和异步电机的定子绕组连接，另一功率组件的三组交流端子分别和异步电机的转子绕组连接。多合一功率模块可同时控制异步电机的定子输出扭矩和转子输出扭矩。
当电机为双永磁同步电机时，一功率组件的三组交流端子分别和一永磁同步电机的定子绕组连接，另一功率组件的三组交流端子分别和另一永磁同步电机的定子绕组连接。多合一功率模块可同时控制两台永磁同步电机的输出，以使一永磁同步电机用于发电，另一永磁同步电机用于驱动。
在本申请实施例中，对于采用双定子单转子永磁同步电机或异步电机或双永磁同步电机的电机驱动系统而言，采用本申请的多合一功率模块可实现同时输出两组三相交流信号，来控制这些电机驱动的功能。相较于传统的设置两个独立的三相全桥模块，并设置对应的两套散热器和控制器，来控制双定子单转子永磁同步电机或异步电机或双永磁同步电机驱动的方案，本申请的电机驱动系统仅设置一组散热组件即可满足多合一功率模块的散热需求，降低了电机驱动系统的生产制造成本，还提高了其功率密度。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种多合一功率模块，其特征在于，包括：
散热组件；
两个功率组件，所述两个功率组件分别置于所述散热组件的相对两侧，其中，每一所述功率组件包括衬板、以及设于所述衬板上的多个IGBT单元和一组功率端子；其中，所述一组功率端子分别与所述多个IGBT单元对应连接，且多个所述IGBT单元连接形成三相全桥模块。
2.根据权利要求1所述的多合一功率模块，其特征在于，每一所述功率组件包括六个IGBT单元，所述一组功率端子包括用于接收直流信号的三组直流端子和用于输出交流信号的三组交流端子，其中，三组所述直流端子分别和所述三相全桥模块的三个输入端对应连接，三组交流端子分别和所述三相全桥模块的三个输出端对应连接。
3.根据权利要求2所述的多合一功率模块，其特征在于，各所述交流端子位于所述衬板的同一侧，各所述直流端子位于所述衬板的同一侧，且所述交流端子和所述直流端子位于所述衬板的相对两侧。
4.根据权利要求2所述的多合一功率模块，其特征在于，每一所述功率组件还包括用于接收控制信号的三组信号端子，各所述信号端子位于所述衬板的同一侧，且所述信号端子和所述交流端子位于衬板的同一侧。
5.根据权利要求1所述的多合一功率模块，其特征在于，所述散热组件包括：
散热壳体，所述散热壳体设有容纳腔，所述散热壳体相对设置的第一侧和第二侧分别设有所述功率组件，所述散热壳体相对设置的第三侧和第四侧分别对应开设有进水口和出水口；
散热结构，设置在所述容纳腔内。
6.根据权利要求1所述的多合一功率模块，其特征在于，所述衬板包括：
第一铜层，所述第一铜层设于所述散热组件上；
绝缘层，设置在所述第一铜层上，用于隔离所述第一铜层和第二铜层；
第二铜层，设置在所述绝缘层上，其中，多个所述IGBT单元和所述功率端子设置在所述第二铜层上。
7.根据权利要求6所述的多合一功率模块，其特征在于，所述绝缘层为DBC陶瓷层。
8.根据权利要求6所述的多合一功率模块，其特征在于，所述第二铜层上还设有多个铜带，所述每一所述IGBT单元包括2个IGBT芯片和1个Diode芯片；其中，所述铜带分别和所述IGBT芯片的源极、所述第二铜层连接。
9.一种电机驱动系统，其特征在于，包括电机和如权利要求1-8任一项所述的多合一功率模块；其中，所述电机与所述多合一功率模块的功率端子连接。
10.根据权利要求9所述的电机驱动系统，其特征在于，所述电机包括异步电机、双定子单转子永磁同步电机和双永磁同步电机中的一种，每一所述功率组件包括三组交流端子和三组直流端子；其中，
当所述电机为所述异步电机时，一所述功率组件的三组交流端子分别和所述异步电机的定子绕组连接，另一所述功率组件的三组交流端子分别和所述异步电机的转子绕组连接；
当所述电机为所述双定子单转子永磁同步电机时，一所述功率组件的三组交流端子分别和所述双定子单转子永磁同步电机的第一定子绕组连接，另一所述功率组件的三组交流端子分别和所述双定子单转子永磁同步电机的第二定子绕组连接；
当所述电机为所述双永磁同步电机时，一所述功率组件的三组交流端子分别和一永磁同步电机的定子绕组连接，另一所述功率组件的三组交流端子分别和另一永磁同步电机的定子绕组连接。
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