CN212990933U

CN212990933U - 车用母线电容模块及逆变器

Info

Publication number: CN212990933U
Application number: CN202021429835.6U
Authority: CN
Inventors: 余庆; 陈炯; 于梦园; 张弛; 袁宝成; 孙辉
Original assignee: United Automotive Electronic Systems Co Ltd
Current assignee: United Automotive Electronic Systems Co Ltd
Priority date: 2020-07-20
Filing date: 2020-07-20
Publication date: 2021-04-16
Anticipated expiration: 2030-07-20

Abstract

本实用新型提供了一种车用母线电容模块及逆变器。所述车用母线电容模块包括陶瓷电容器和印刷电路板，所述陶瓷电容器以印刷电路板为载体，所述印刷电路板的金属箔做叠层设计，相较于现有技术中的聚丙烯薄膜电容器，所述陶瓷电容器在满足设计需求下更小体积，并且不再需要对电容器做散热设计，有效的减少机械散热设计成本；本实用新型还提供了一种逆变器，所述逆变器包括所述车用母线电容模块、功率模块以及冷却装置，不同的所述陶瓷电容器并联组合方案使得所述车用母线电容模块的体积、形状根据实际应用做相应调整，所述车用母线电容模块和功率模块的布局方式更加灵活化，有效降低逆变器体积，提高电机控制器的功率密度。

Description

车用母线电容模块及逆变器

技术领域

本实用新型涉及汽车领域，尤其涉及一种车用母线电容模块及包含该车用母线电容模块的逆变器。

背景技术

近年来，汽车技术日益发展，汽车对相关系统零部件的要求也越来越高。同时，这些系统零部件也在影响和制约着汽车的发展，其中电机控制器的性能对汽车尤其是电动汽车起着非常重要的作用。逆变器作为电机控制器中不可或缺的部件，直接影响着电机控制器的性能。而母线电容模块和功率模块是逆变器的主要元件，起到储能和滤波的作用。

电容器是母线电容模块的核心部件。通常，业界多采用聚丙烯薄膜电容器作为逆变器的母线电容模块。参阅图1，大面积的铜排包裹聚丙烯薄膜芯子10，所述的聚丙烯薄膜芯子10一般是利用环氧树脂12塑封在塑料外壳13内，所述的聚丙烯薄膜芯子10是由聚丙烯薄膜制成。由于塑料外壳13的热阻较大，还需要利用铜排将聚丙烯薄膜芯子10的热量引出到聚丙烯薄膜电容器20的外部。其中，所述铜排可以分为正铜排11和负铜排16，所述绝缘纸15将正铜排11和负铜排16隔离开，由正铜排11和负铜排16作为聚丙烯薄膜电容器20的两极板。为了提高散热效果以及减小聚丙烯薄膜电容器的等效串联电感，所述铜排经常通过叠层工艺处理后再直贴水冷板布置。

由于电子装置迅速向短小轻薄的方向发展，因此电容器的材料和尺寸也会随之变化。现有工艺中，聚丙烯薄膜10的主流厚度为大于2微米，后续发展趋势为降低到2微米以下，但聚丙烯薄膜10厚度太低会带来耐压和等效串联电阻问题，这使得聚丙烯薄膜10的发展受到限制。当聚丙烯薄膜电容器的薄膜厚度大于2微米时，最大纹波电流为1.2A/mF，电容密度为0.72mF/cm³，因此，受限于薄膜厚度，聚丙烯薄膜电容器的耐纹波电流能力差，电容密度不高，需要使用高容值、大体积的电容器去满足设计需求；同时，聚丙烯薄膜电容器耐高温能力不强，考虑到内部等效串联电阻的影响，聚丙烯薄膜电容器的最高短时工作温度仅为115摄氏度，最高持续工作温度仅为105摄氏度，应用在诸如电动汽车等场合上时需着重考虑散热问题。

接着，参阅图2，逆变器通常包括聚丙烯薄膜电容器20和功率模块21，所述聚丙烯薄膜电容器20通过铜排201与所述功率模块21电连接，由于所述功率模块21和所述聚丙烯薄膜电容器20都需要采用水冷板14，限制了所述功率模块21和所述聚丙烯薄膜电容器20的布局方式，即所述功率模块21和所述聚丙烯薄膜电容器20一般为平铺设计(并排布置在水冷板14上)，导致所述由功率模块21和所述聚丙烯薄膜电容器20构成的逆变器体积较大，从而导致整个电机控制器体积较大，功率密度不高。

随着对电器的电机控制器的功率等级和功率密度要求越来越高，对其逆变器的母线电容模块提出了更高的要求，传统的聚丙烯薄膜电容器已经无法满足需求。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种车用母线电容模块，以解决现有技术中的车用母线电容模块体积过大的问题，同时减少机械散热设计成本，降低电容器的寄生电感。

本实用新型的又一目的在于提供一种逆变器，改善逆变器中母线电容模块和功率模块的布局方式，进一步降低逆变器体积，提高电机控制器的功率密度。

为实现上述目的及其他相关目的，本实用新型提供了一种车用母线电容模块，所述车用母线电容模块包括印刷电路板和至少一个陶瓷电容器，所述陶瓷电容器以所述印刷电路板为载体，所述印刷电路板包括至少两层金属箔以及设置在相邻两层金属箔之间的绝缘材料，所述陶瓷电容器包括金属排，所述陶瓷电容器的金属排与印刷电路板的金属箔电连接。

可选的，在所述车用母线电容模块中，所述金属排为铜排。

可选的，在所述车用母线电容模块中，所述陶瓷电容器的数量为至少两个，所述至少两个陶瓷电容器并联连接。

可选的，在所述车用母线电容模块中，所述至少两个陶瓷电容器分布在所述印刷电路板的两个面上。

可选的，在所述车用母线电容模块中，所述至少两个陶瓷电容器呈阵列排布。

可选的，在所述车用母线电容模块中，所述陶瓷电容器的金属排采用叠层设计。

可选的，在所述车用母线电容模块中，所述印刷电路板上设置有通孔，所述陶瓷电容器的金属排通过所述通孔与印刷电路板的金属箔电连接。

为实现上述目的以及其它相关目的，本实用新型还提供了一种逆变器，所述逆变器包括功率模块、冷却装置和车用母线电容模块，所述车用母线电容模块包括印刷电路板和至少一个陶瓷电容器，所述陶瓷电容器以所述印刷电路板为载体，所述印刷电路板包括至少两层金属箔以及设置在相邻两层金属箔之间的绝缘材料，所述陶瓷电容器包括一金属排，所述陶瓷电容器的金属排与印刷电路板的金属箔电连接，所述车用母线电容模块通过所述陶瓷电容器的金属排与所述功率模块电连接，述冷却装置设置于所述功率模块的底部。

可选的，在所述逆变器中，所述车用母线电容模块与所述功率模块相互垂直布置。

可选的，在所述逆变器中，所述冷却装置为水冷板。

综上所述，本实用新型提供了一种车用母线电容模块，所述车用母线电容模块包括陶瓷电容器和印刷电路板，所述陶瓷电容器以印刷电路板为载体，述陶瓷电容器的金属排与印刷电路板的金属箔电连接。相较于现有技术中的聚丙烯薄膜电容器，由于所述陶瓷电容器的耐纹波电流能力强，耐高温能力强，因此所述陶瓷电容器不再需要对电容器做水冷散热设计，可有效的减少机械散热设计成本以及母线电容模块体积。而且，由于陶瓷电容器相较于聚丙烯薄膜电容器的电流密度高，在满足相同要求的条件下，陶瓷电容器的体积相较于聚丙烯薄膜电容器的体积明显减小，有利于进一步降低车用母线电容模块的体积。

进一步，所述印刷电路板包括至少两层金属箔以及金属箔之间的绝缘材料，即所述印刷电路板的金属箔做叠层设计，由于金属箔之间通过印刷电路板的绝缘材料进行绝缘，相较于现有技术中的聚丙烯薄膜电容器通过两个铜排之间的一定间距来保证绝缘来说，所述印刷电路板的金属箔之间的距离可以设计的更小，可以有效的降低电容器的寄生电感。另外，通过印刷电路板上打通孔，可以有效的提高母线电容模块的散热能力。

再进一步，本实用新型采用不同的电容器并联组合方案使得车用母线电容模块的体积、形状可以根据实际应用做相应调整，车用母线电容模块和功率模块的布局方式有更多的选择，有利于降低逆变器体积，提高电机控制器的功率密度。

附图说明

图1是现有技术中一种聚丙烯薄膜电容器的结构示意图。

图2是现有技术中一种逆变器的结构示意图。

图3是本实用新型实施例的陶瓷电容器结构示意图。

图4是本实用新型实施例的陶瓷电容器正视图。

图5是本实用新型实施例的车用母线电容模块结构示意图。

图6a和图6b是本实用新型实施例的陶瓷电容器采用不同并联组合方式的示意图。

图7是本实用新型实施例的逆变器结构示意图。

图1～2中：

10-聚丙烯薄膜芯子，11-正铜排，12-环氧树脂，13-塑料外壳，14-水冷板，15-绝缘纸，16-负铜排，20-聚丙烯薄膜电容器，201-铜排，21-功率模块；

图3～7中：

111-陶瓷电容器，1110-正金属排，1111-负金属排，211-印刷电路板，311-功率模块。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本实用新型提出的母线电容模块作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本实用新型的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本实用新型实施例的目的。

参阅图3和图4，是本实用新型实施例的陶瓷电容器的结构示意图和正视图。本实施例的陶瓷电容器111包括正金属排1110和负金属排1111。参阅图5，其是本实用新型实施例的车用母线电容模块结构示意图。本实施例的车用母线电容模块包括陶瓷电容器111和印刷电路板211。

所述陶瓷电容器111优选耐高温陶瓷电容器，具有耐高温能力强、体积小、电容量大、高频使用时损失率低及稳定性高等特性，但目前还未大量应用在汽车领域的母线电容模块和逆变器中。相较于聚丙烯薄膜电容器，耐高温陶瓷电容器的耐高温性能明显提高，一般情况下，所述耐高温陶瓷电容器的最高工作温度可以达到150摄氏度(同样的实验条件下，聚丙烯薄膜电容器的最高工作温度仅为115摄氏度)，因此，所述陶瓷电容器111为耐高温陶瓷电容器时，在聚丙烯薄膜电容器中必不可少的冷却装置(如水冷板)，在所述陶瓷电容器111中可以移除，由此减少了机械散热设计成本，同时能进一步降低逆变器体积，提高电机控制器的功率密度。对比聚丙烯薄膜电容器、多层陶瓷电容器和耐高温陶瓷电容器的主要电气性能，可以发现所述耐高温陶瓷电容器的耐纹波电流能力更强(同样的实验条件下，所述耐高温陶瓷电容器的耐纹波电流能力为12A/mF，聚丙烯薄膜电容器耐纹波电流能力为1.2A/mF，多层陶瓷电容器耐纹波电流能力为4.5)，并且，所述耐高温陶瓷电容器的电容密度更高(同样的实验条件下，所述耐高温陶瓷电容器的电容密度为4.88mF/cm³，聚丙烯薄膜电容器的电容密度为0.72mF/cm³，多层陶瓷电容器的电容密度仅为2.52mF/cm³)。因此，所述陶瓷电容器111为耐高温陶瓷电容器时，在满足同样的设计需求时，所述陶瓷电容器111的体积仅为聚丙烯薄膜电容器的20％。所以，采用所述陶瓷电容器111可以有效的减小车用母线电容模块的体积。

所述印刷电路板211可以作为陶瓷电容器111的载体，所述印刷电路板211包括至少两层金属箔以及设置于相邻两层金属箔之间的绝缘材料，所述金属箔优选铜箔。所述陶瓷电容器111包括金属排，所述金属排优选铜排，所述金属排包括正金属排1110和负金属排1111，为所述陶瓷电容器的两电极板，并分别与所述印刷电路板211的金属箔电连接。所述陶瓷电容器111的数量为至少一个，优选所述陶瓷电容器111的数量为至少两个，至少两个陶瓷电容器111之间为并联连接，可以通过所述陶瓷电容器111的金属排与所述印刷电路板211的金属箔之间的电连接实现至少两个陶瓷电容器111的并联连接。

所述陶瓷电容器111可通过焊接、铆接等方式固定在印刷电路板211一面上，也可以通过焊接、铆接等方式固定在所述印刷电路板211的两面上。优选将陶瓷电容器111固定在印刷电路板211的相对布置的两面上，以此降低母线电容模块的横截面积(即垂直于厚度方向的截面的面积)。当所述陶瓷电容器111分布在所述印刷电路板211的两面时，在所述印刷电路板211每面上布置的陶瓷电容器111的数目可以相同也可以不同，可依据实际需求而定。

为了提高散热效果以及减小电容器的等效串联电感，在本实施例中，母线电容模块采用叠层设计，所述的层叠设计包括通过印刷电路板的金属箔实现叠层设计和所述陶瓷电容器的金属排实现的叠层设计。在所述车用母线电容模块中，所述印刷电路板211的绝缘材料上下层的金属箔可以位置相同，所述金属箔之间依靠印刷电路板的绝缘材料绝缘，这样一种位置相同、类似于叠在一起的设计即为叠层设计。现有技术中的聚丙烯薄膜电容器的叠层设计是通过电容器的正铜排和负铜排实现的，两铜排之间必须存在一定间距来保证绝缘，两铜排之间的环路面积较大，因此寄生电感较大。相对来说，本实施例中的车用母线电容模块的叠层设计中金属箔之间的距离即为绝缘材料的厚度，绝缘材料的厚度相比于聚丙烯薄膜电容器实现叠层时的正铜排和负铜排之间的距离更小，因而寄生电感较小。

所述印刷电路板211上设置有通孔，所述通孔位于所述金属箔以及绝缘材料上，且在金属箔和绝缘材料上的位置相同。所述陶瓷电容器的金属排可以通过所述印刷电路板211上的通孔与所述印刷电路板211上绝缘材料两侧的金属箔电连接，因此，所述陶瓷电容器111的金属排之间(正金属排1110和负金属排1111之间)也存在绝缘材料，可以通过所述绝缘材料进行正金属排1110和负金属排1111之间的绝缘，同时，正金属排和负金属排可以相对于绝缘材料的位置相同，因此，所述陶瓷电容器111的金属排也可以形成叠层设计，即所述陶瓷电容器111的金属排可以通过印刷电路板的走线实现叠层工艺，进一步降低寄生电感。

可以理解的是，所述印刷电路板211上的通孔可以提高电容器的散热效果，所述通孔的数量大于等于所述陶瓷电容器111的数量，通孔的形状可以为圆形、三角形以及正方形等规则形状，也可以为云朵形以及花形等无规则形状。所述通孔的形状可以相同也可以不相同，以及这些通孔的面积可以相等也可以不相等。实验发现，通孔的设置会明显的提高散热效果，有助于延长电容器的使用寿命。

由于所述陶瓷电容器111的数量可变，且在所述印刷电路板211上的排布亦可变，即所述车用母线电容模块的体积、形状可变，所述车用母线电容模块与功率模块的排布可以更紧凑，这些都使得所述车用母线电容模块的等效串联电感较小。同时，由于排布更加紧凑，可以与高频功率模块件配合使用(如碳化硅)，从而可以进一步减小电机控制器的体积，提高整体的功率密度。

可知，陶瓷电容器的并联组合的方式可以是多样的，所述组合方式可以为有规律组合或者无规律组合，所述有规律组合例如为阵列组合或者图形组合等等，但都需满足在并联的条件下。优选地，陶瓷电容器为阵列组合，可以使得陶瓷电容器排布更紧密，减少印刷电路板的面积，即有助于减小车用母线电容模块的体积。当所述陶瓷电容器111分布在所述印刷电路板211的两个面上时，所述陶瓷电容器111在所述印刷电路板211每一面上的组合方式可以相同也可以不同。参考图6a和图6b，二者所采用的陶瓷电容器总数相等，且均分布成5列，但其中第三列和第四列的陶瓷电容器数目可以不同。多个陶瓷电容器111并联组合方式使得整个电容器的体积、形状可以根据实际应用做相应调整，功率模块件和母线电容模块的布局方式有了更多的选择。

本实施例还提供一种逆变器，参考图7所示，该逆变器包括车用母线电容模块、功率模块311以及放置在所述功率模块311底部的冷却装置，其中所述功率模块上表面可以设有驱动电路和二极管等本领域技术人员熟知的结构，在此不再赘述。多个陶瓷电容器111灵活的并联组合方案使得车用母线电容模块的体积、形状可以根据实际应用做相应调整，车用母线电容模块和功率模块311的布局方式有更多的选择，即车用母线电容模块和功率模块311之间的夹角可以为任意角度。当所述车用母线电容模块和功率模块311垂直布置，更具体地说，车用母线电容模块的印刷电路板211与功率模块311相互垂直布置(即二者之间的夹角为90度)，相对于印刷电路板211与功率模块311之间为水平布置或者其他方向布置来说，所述陶瓷电容器111与所述功率模块311的电连接可以更紧凑，即陶瓷电容器111与所述功率模块311电连接的金属排长度最短，有助于降低所述车用母线电容模块的等效串联电感，同时减小逆变器的体积，因此，优选地，所述车用母线电容模块和功率模块311之间的夹角为90度。

继续参阅图7，其显示了车用母线电容模块与功率模块311的一种布局方式，即车用母线电容模和功率模块311为相对垂直方向放置，散热的冷却装置(图中未标出)只需放置在功率模块311的底部对其进行散热即可，所述的冷却装置可以为水冷装置如水冷板或者水冷管等，也可以为风冷装置，如风冷板或者风冷管等。现在技术中的聚丙烯薄膜电容器的最高工作温度偏低，在正常工作时需要冷却装置进行降温，由于电容器和功率模块都需要冷却装置即水冷板，而水冷板的存在限制了电容器和功率模块的布局方式，因而传统方案中常见的母线电容模块和功率模块布局方式为平铺设计，底部为水冷板，这种结构散热仍然不是很好，整个电机控制器的体积较大，功率密度不高。由于陶瓷电容器相对于聚丙烯薄膜电容器来说，改变了芯子材料，电容器的耐高温性能得到了明显的提高，不再需要对电容器做额外的冷却装置。冷却装置的去除，能进一步降低逆变器体积，减少散热设计对逆变器整体布局的限制。采用陶瓷电容方案并辅以合适的布局方式，整个电机控制器的功率密度可以提高30％以上。

综上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并非用来限定本实用新型的实施范围。即凡依本实用新型申请专利范围的内容所作的等效变化与修饰，都应为本实用新型的技术范畴。

Claims

1.一种车用母线电容模块，其特征在于，所述车用母线电容模块包括印刷电路板和至少一个陶瓷电容器，所述陶瓷电容器以所述印刷电路板为载体，所述印刷电路板包括至少两层金属箔以及设置在相邻两层金属箔之间的绝缘材料，所述陶瓷电容器包括金属排，所述陶瓷电容器的金属排与印刷电路板的金属箔电连接。

2.如权利要求1所述的车用母线电容模块，其特征在于，所述金属排为铜排。

3.如权利要求1所述的车用母线电容模块，其特征在于，所述陶瓷电容器的数量为至少两个，所述至少两个陶瓷电容器并联连接。

4.如权利要求3所述的车用母线电容模块，其特征在于，所述至少两个陶瓷电容器分布在所述印刷电路板的两个面上。

5.如权利要求3所述的车用母线电容模块，其特征在于，所述至少两个陶瓷电容器呈阵列排布。

6.如权利要求1所述的车用母线电容模块，其特征在于，所述陶瓷电容器的金属排采用叠层设计。

7.如权利要求1所述的车用母线电容模块，其特征在于，所述印刷电路板上设置有通孔，所述陶瓷电容器的金属排通过所述通孔与印刷电路板的金属箔电连接。

8.一种逆变器，其特征在于，所述逆变器包括功率模块、冷却装置和车用母线电容模块，所述车用母线电容模块包括印刷电路板和至少一个陶瓷电容器，所述陶瓷电容器以所述印刷电路板为载体，所述印刷电路板包括至少两层金属箔以及设置在相邻两层金属箔之间的绝缘材料，所述陶瓷电容器包括金属排，所述陶瓷电容器的金属排与印刷电路板的金属箔电连接，所述车用母线电容模块通过所述陶瓷电容器的金属排与所述功率模块电连接，述冷却装置设置于所述功率模块的底部。

9.如权利要求8所述的逆变器，其特征在于，所述车用母线电容模块与所述功率模块相互垂直布置。

10.如权利要求8所述的逆变器，其特征在于，所述冷却装置为水冷板。