WO2018036355A1

WO2018036355A1 - 智能功率模块、电机控制器和车辆

Info

Publication number: WO2018036355A1
Application number: PCT/CN2017/095723
Authority: WO
Inventors: 杨小华; 陈银; 严百强
Original assignee: BYD Co Ltd
Current assignee: BYD Co Ltd
Priority date: 2016-08-24
Filing date: 2017-08-02
Publication date: 2018-03-01
Anticipated expiration: 2019-02-24
Also published as: CN107786070A; CN107786070B

Abstract

一种智能功率模块(10)、电机控制器和车辆。所述智能功率模块(10)包括电力电子器件(11)、用于该电力电子器件(11)的散热装置、用于驱动所述电力电子器件(11)的驱动板(13)和与所述电力电子器件(11)连接的电容器(14)，其特征在于，所述散热装置包括第一散热器(12a)和第二散热器(12b)，所述电力电子器件(11)被夹持在所述第一散热器(12a)和第二散热器(12b)之间，并且所述电力电子器件(11)与所述第一散热器(12a)和第二散热器(12b)一起固定于所述电容器(14)上。该智能功率模块(10)不仅具有较高的散热效率，同时还具有标准化、易扩展和节省空间等优点。

Description

智能功率模块、电机控制器和车辆

技术领域

本公开涉及车辆领域，具体地，涉及一种智能功率模块、电机控制器和车辆。

背景技术

IGBT模块是由IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，即：绝缘栅双极型晶体管)与FWD(Freewheeling diode，即：续流二极管芯片)通过特定的电路桥接封装而成的模块化半导体器件，其主要起到整流、逆变、变频等作用，并且被较为广泛的应用于轨道交通、家电节能、风力发电、太阳能光伏以及新能源汽车(如电动汽车等)等领域。

典型地，在电动汽车领域，电机控制器中通常设置有IGBT模块，以将蓄电池的直流电流(DC)转换为用于驱动电机的交流电流(AC)。现有的电机控制器通常包括箱体以及设置在箱体中的IGBT模块、IGBT驱动电路板、IGBT控制电路板和薄膜电容器。其中各部件在箱体中的布置大致为下述结构：IGBT模块固定在箱体的底板上，IGBT驱动电路板和IGBT控制电路板依次设置在IGBT模块的上方并连接于IGBT模块，薄膜电容器位于IGBT模块的一侧并且也固定在箱体上，箱体的侧壁上设置有用于电连接蓄电池的DC端子和用于电连接电机的AC端子，薄膜电容器和IGBT模块并联地电连接在DC端子的正极和负极之间，并且IGBT模块还连接于AC端子，以输出交流电给电机。另外，箱体的底板中设置有用于冷却液流过的流体通道，以帮助IGBT模块散热。

然而，这种电机控制器往往受限于上述的结构布置方式，由于IGBT模块仅有一个表面接触箱体的底板，因此IGBT模块的散热效果并不理想。当电机的功率较大时，长时间工作的情况下，IGBT模块将产生大量的热量，IGBT模块的温度急剧升高，此时，仅靠一个表面与箱体的底板中的冷却液进行热交换无法减缓IGBT模块温度的升高速度。

另外，在产品设计时，选择某一型号的IGBT模块之后，需要另外设计与之匹配的薄膜电容器、IGBT驱动电路板、散热器等部件，因此，研发工作通常涉及到电子电路设计、结构设计、散热系统设计等多个领域的专业知识，对设计人员的技术面及经验的有非常高的要求，且工作量非常巨大。此外，当同一名研发人员设计不同功率的产品时，所用的IGBT模块类型也不一样，这时整个产品需要从头设计，打样、测试、认证，非常费力费时，而且结构不紧凑，占用空间大。并且，在生产不同功率的产品时，生产流程及生产工艺也不同，备货原料种类多，需要找不同供货资源，大大地增加了成本。

公开内容

本公开的目的在于提供一种智能功率模块、电机控制器和车辆，所述智能功率模块具有较高的散热效率，同时还具有标准化、易扩展和节省空间等优点。

为了实现上述目的，本公开提供一种智能功率模块，其中，该智能功率模块包括电力电子器件、用于该电力电子器件的散热装置、用于驱动所述电力电子器件的驱动板和与所述电力电子器件连接的电容器，所述散热装置包括第一散热器和第二散热器，所述电力电子器件被夹持在所述第一散热器和第二散热器之间，并且所述电力电子器件与所述第一散热器和第二散热器一起固定于所述电容器上。

在上述技术方案的基础上，本公开提供一种电机控制器，该电机控制器包括箱体，其中，所述电机控制器还包括设置在所述箱体内的根据本公开实施例提供的智能功率模块和用于控制所述智能功率模块的电力电子器件的控制板，该控制板电连接于所述智能功率模块的驱动板，所述智能功率模块的电容器固定于所述箱体。

在上述技术方案的基础上，本公开还提供一种车辆，该车辆设置有蓄电池和电机，其中，该车辆设置有本公开提供的电机控制器，该电机控制器电连接在所述蓄电池和所述电机之间。

通过上述技术方案，本公开提供的智能功率模块在电力电子器件的两个相对侧对应设置第一散热器和第二散热器，从而使得电力电子器件的双面都能够与散热器发生热交换，提高散热效率。另外，由于电力电子器件、第一散热器和第二散热器一起固定在电容器上，因此四者实际上形成为一个整体，具有固定的功率。在实际应用中，可以根据所需的功率选择具有某一功率值的本公开提供的智能功率模块，所需的功率值能够被该智能功率模块所固有的功率值整除，在这种情况下，仅需要确定获得所需的功率需要几个智能功率模块即可，因此根据本公开实施例提供的智能功率模块的标准化、易扩展和节省空间的优点，从而很大程度上缩短了设计开发周期、制造工时以及成本。本公开提供的电机控制器和车辆包括本公开提供的智能功率模块，因此同样具有上述优点。

本公开的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本公开的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本公开，但并不构成对本公开的限制。在附图中：

图1是根据本公开的具体实施方式提供的智能功率模块的立体图，其中未示出固定板；

图2是图1中所示的智能功率模块的分解立体图，其中未示出固定板；

图3是根据本公开的具体实施方式提供的电机控制器的从上方看的立体图，其中，为了便于示出其中的部件，未示出箱体和固定板；

图4是根据本公开的具体实施方式提供的电机控制器的从下方看的立体图，其中，为了便于示出其中的部件，未示出箱体和固定板；

图5是根据本公开的另一种具体实施方式的智能功率模块的分解立体图，其中，示出了固定板；

图6是根据本公开的另外一种具体实施方式提供的电机控制器的从上方看的立体图，其中，为了便于示出其中的部件，未示出箱体，但示出了固定板；

图7是根据本公开的另一种具体实施方式提供的电机控制器的从下方看的立体图，其中，为了便于示出其中的部件，未示出箱体，但示出了固定板。

附图标记：

10智能功率模块；

11电力电子器件；11a直流连接端；11b三相交流连接端；

12a第一散热器；12b第二散热器；

13驱动板；

14电容器；14a正极连接口；14b负极连接口；141垫块；142连接孔；143固定脚；

15a输入管；15b输出管；

16a直流导线；16b三相交流导线；

17固定板；

18固定拉片。

具体实施方式

以下结合附图对本公开的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本公开，并不用于限制本公开。

在本公开中，在未作相反说明的情况下，所使用的方位名词如“上方、下方”是指图1(或图2、图5)中相应的部件的“上方、下方”，在此基础上，本公开中所使用的术语“侧表面”或“侧面”是指图1中相应的部件的侧表面或侧面；所使用的“长度方向”、“高度方向”是分别以图1(或图2、图5)中的左右方向、上下方向为基准进行定义的，仅用于解释说明本公开，并不用于限制。

根据本公开的具体实施方式，提供一种智能功率模块10，参考图1、图2和图5中所示，该智能功率模块10包括电力电子器件11、该电力电子器件11的散热装置、用于驱动所述电力电子器件11的驱动板13和与所述电力电子器件11连接的电容器14，其中，所述散热装置包括第一散热器12a和第二散热器12b，所述电力电子器件11被夹持在所述第一散热器12a和第二散热器12b之间，并且电力电子器件11、第一散热器12a和第二散热器12b一起固定于所述电容器14上。

因此，通过上述技术方案，根据本公开实施例提供的智能功率模块10在电力电子器件11的两侧对应设置第一散热器12a和第二散热器12b，从而使得电力电子器件11能够双面散热，提高散热效率。另外，由于电力电子器件11、第一散热器和12a和第二散热器12b一起固定在电容器14上，因此四者实际上形成为一个整体，具有固定的功率。在实际应用中，可以根据所需的功率选择具有某一功率值的根据本公开实施例提供的智能功率模块10，所需的功率值能够被该智能功率模块10所固有的功率值整除，在这种情况下，仅需要确定获得所需的功率需要几个智能功率模块10即可，因此根据本公开实施例提供的智能功率模块10具有标准化、易扩展的优点，从而很大程度上缩短了设计开发周期、制造工时以及成本。

在本公开提供的具体实施方式中，电容器14可以设置在靠近第一散热器12a的侧面(如图1中所示的实施例)，也可以设置在靠近第二散热器12b的侧面(如图5中所示的实施例)，可拆卸地连接于所述电容器14的固定板17将第一散热器12a和第二散热器12b与电力电子器件11一起固定连接于所述电容器14上，以使得电力电子器件11、第一散热器12a、第二散热器12b和电容器14形成为一个整体。

在本公开提供的具体实施方式中，第一散热器12a和第二散热器12b可以以任意合适的方式实施，例如，根据电力电子器件11的具体结构，第一散热器12a和第二散热器12b可以相同，也可以不同，只要能够贴靠在电力电子器件11的两个相对的侧表面上以能够夹持电力电子器件11即可。在此需要说明的是，此处所说的“贴靠”，是指第一散热器12a和第二散热器12b各自的一个侧表面(可以定义该侧表面为内表面，与下文中的“外侧”相对应)与电力电子器件11的相应的侧表面相贴合，并且优选的是，第一散热器12a和第二散热器12b的上述侧表面至少能够完全覆盖电力电子器件11的相应的侧表面，从而使得电力电子器件11与散热器之间可以进行充分的热交换。

可选择地，也是优选地，第一散热器12a、第二散热器12b和电力电子器件11相互平行设置，即三者的长度方向、高度方向和厚度方向均彼此平行。在这种情况下，第一散热器12a或第二散热器12b的侧表面为同时在第一散热器12a或第二散热器12b的长度方向和高度方向上延伸的一个表面，定义其中的一个朝向电力电子器件11的侧表面为上述内表面，另一个侧表面为外表面，该外表面朝向电容器14(如果有)。这种情况下，在满足电力电子器件11热交换的同时，可以尽可能地减小第一散热器12a和第二散热器12b的厚度，从而有助于减小智能功率模块10的体积。

此外，为了促进电力电子器件11与第一散热器12a和第二散热器12b之间的热交换，第一散热器12a的内表面和第二散热器12b的内表面上分别涂覆有导热材料，例如，导热硅脂，以加强与电力电子器件11之间的热交换。

在本公开提供的具体实施方式中，电力电子器件11可以具有任意合适的形状。可选择地，也是优选地，具体可以参考图2中所示，所述电力电子器件11具有两个相对的平的侧表面，所述第一散热器12a和所述第二散热器12b均为扁管，所述散热装置还包括用于冷却介质(例如空气、水或油)流动的输入管15a和输出管15b，所述第一散热器12a和第二散热器12b并联地流体连接在所述输入管15a和输出管15b之间。在这种情况下，第一散热器12a和第二散热器12b共用一条输入管道和一条输出管道，能够减少管道的数量，有益于整个智能功率模块10的体积的减小。

在这种情况下，固定板17可以设置为两个，两个固定板17分别位于第一散热器12a和第二散热器12b的外侧，固定板17的上边缘和下边缘上可以分别设置有安装孔，对应地，电容器14的侧表面上可以设置有连接片，该连接片上设置有相应的连接孔142，在安装时，两个固定板17将第一散热器12a、第二散热器12b和电力电子器件11夹持在中间，之后通过螺栓组件穿过两个固定板17上的安装孔和连接片上的连接孔142，将两个固定板17固定到电容器14上。

在上述具体实施方式中，输入管15a和输出管15b可以以任意合适的形式设置。可选择地，也是优选地，所述输入管15a和输出管15b相互平行且分别位于扁管的两端，所述输入管15a和输出管15b朝向同一侧(即朝向第一散热器12a所在的一侧或者朝向第二散热器12b所在的一侧)延伸，并且被设置为使得其中的冷却介质沿大致垂直于扁管的侧表面的方向流动，其中，此处的“大致垂直于扁管的侧表面”是为了约束输入管15a和输出管15b的布置，即为将输入管15a和输出管15b的延伸方向约束为大致垂直于扁管的侧表面，以便于之后将电力电子器件11、第一散热器12a、第二散热器12b、电容器14和固定板17等约束在输入管15a和输出管15b之间，从而使得智能功率模块的结构更加紧凑(下文中将详细描述)。这种布置的优点在于：对于下文中将描述到的电机控制器来说，当需要设置多个智能功率模块10才能满足实际的功率需求时，多个智能功率模块10可以共用同一条冷却液输入管15a或冷却液输出管15b，并且，能够将电力电子器件11、下文中将描述到的电容器14以及第一散热器12a和第二散热器12b限制在冷却液输入管15a和冷却液输出管15b之间，从而不仅能够节省空间、使得智能功率模块的结构更加紧凑，而且还能够减少冷却液管道的数量，从而相应地减小电机控制器的重量。

另外，在本公开提供的具体实施方式中，电容器14可以具有任意所需的形状，优选地，电容器14为图1至图7中所示的长方体形状，其长度方向与高度方向分别与电力电子器件 11的长度方向和高度方向平行。在本公开另外的具体实施方式中，电容器14也可以为其它形状，例如，圆柱形，该圆柱形的电容器14的轴线方向可以与电力电子器件的长度方向平行，所述第一散热器12a和第二散热器12b的外表面的形状可以形成为与圆柱形电容器14的外表面相配合的曲面形状，以便于与电容器14的外表面尽可能多且紧密地接触。

此外，在本公开提供的具体实施方式中，驱动板13可以覆盖在所述电力电子器件11和所述电容器14上，一方面便于与电力电子器件11的电连接，另一方面还有益于减小智能功率模块10的整体体积。在此需要解释的是，在图1至图7所示的具体实施方式中，驱动板13位于电力电子器件11和电容器14的上方，但在其他的具体实施方式(未示出)中，例如当电力电子器件11位于电容器14的上方时，驱动板13位于电容器14的一侧，以能够同时覆盖电力电子器件11和电容器14。因此，“驱动板13可以覆盖在所述电力电子器件11和所述电容器14上”并不能仅理解为“驱动板13位于电力电子器件11和电容器14的上方”。

此外，电容器14可以设置在冷却液输入管15a和冷却液输出管15b之间，如图1和5中所示，这种设置的优点在于：在下文将描述的车辆控制器中，当需要设置多个智能功率模块10才能满足实际的功率需求时，参考图3、图4、图6和图7，相邻的两个智能功率模块10中，其中一者的电容器14能够贴靠在另一者的第二散热器12b(当智能功率模块10中的各部件如图2中的顺序排列布置时)或者第一散热器12a(智能功率模块10中的各部件如图5中的顺序排列布置时)的外表面上。从而使得电容器14的两个侧面都能够发生热交换，提高散热效率。另外，第一散热器12a的外表面和第二散热器12b的外表面上可以分别涂覆有导热材料，例如，导热硅脂，以加强与电容器14之间的热交换。

此外，在本公开提供的具体实施方式中，所述电容器14可以为任意合适的类型的电容器，优选地，所述电容器14为薄膜电容器。

此外，在本公开提供的具体实施方式中，所述电力电子器件11可以为任意合适的电力电子器件11，优选地，所述电力电子器件11为IGBT模块。在实际应用中，可以根据所需的功率选择IGBT模块的个数，因此，在本公开提供的具体实施方式中，IGBT模块可以为一个，也可以为并联的多个。例如，在图1、图2和图5所示的具体实施方式中，IGBT模块为并联的三个。每个IGBT模块包括直流连接端11a和三相交流连接端11b(图5中未示出)，每个IGBT模块的直流连接端11a通过紧固件并联地连接于电容器14的直流连接端口(即正极连接口14a和负极连接口14b)，以连接直流电源，例如蓄电池。每个IGBT模块的三相交流连接端11b用于在通过IGBT模块将直流电转换为交流电之后将交流电输出。此外，为了便于IGBT模块的直流连接端11a与电容器14的直流连接端口之间的连接，并且借助该连接而将IGBT模块相对于电容器14固定，可以在IGBT模块的直流连接端11a与电容器14之间设置垫块141，从而能够通过紧固件(例如螺栓或螺钉)穿过垫块141而将IGBT模块的直流连接端11a与电容器14的直流连接端口连接。

在上述技术方案的基础上，本公开还提供一种电机控制器，该电机控制器包括箱体，其中，所述电机控制器还包括设置在所述箱体内的本公开提供的智能功率模块10和用于控制电力电子器件11的控制板(未示出)，该控制板电连接于所述驱动板13，电容器14固定于所述箱体，例如，参考图5中所示，电容器14可以通过固定脚143固定到电机控制器的箱体上，第一散热器12a和第二散热器12b可以通过固定拉片固定到电机控制器的箱体上。

优选地，根据实际所需的电机控制器的额定功率，所述智能功率模块10可以设置为多个，并且多个所述智能功率模块10并联，并联后的组合能够使得电机控制器具有所需的额定功率。因此，根据本公开实施例的智能功率模块10具有标准化、易扩展的优点，从而在很大程度上能够缩短研发周期，降低生产成本，提高生产效率。

另外在本公开提供的具体实施方式中，所述智能功率模块10优选地设置有冷却液输入管15a和冷却液输出管15b，多个所述智能功率模块10并排设置，例如，如图3和图4中所示，图中示出的电机控制器中设置有三个智能功率模块10，沿着冷却液输入管15a和冷却液输出管15b的延伸方向依次排列在冷却液输入管15a和冷却液输出管15b之间，并且，三个智能功率模块10共用所述冷却液输入管15a和所述冷却液输出管15b。

另外，当电力电子器件11为IGBT模块时，所述箱体上设置有直流端子和交流端子，所述智能功率模块中的电容器和IGBT模块通过直流导线16a并联地连接在所述直流端子的正极和负极之间，并且每个所述智能功率模块中的所述IGBT模块的三相交流连接端11b通过三相交流导线16b连接，以连接于所述交流端子，如图3、图4、图6和图7中所示。

在上述具体实施方式中，直流导线16a和三相交流导线16b均为铜条，从而不仅能够起到电连接的作用，而且还能够起到一定的固定作用。

在上述技术方案的基础上，本公开还提供一种车辆，该车辆设置有蓄电池和电机，其中，该车辆设置有根据本公开实施例的电机控制器，该电机控制器电连接在所述蓄电池和所述电机之间。

以上结合附图详细描述了本公开的优选实施方式，但是，本公开并不限于上述实施方式中的具体细节，在本公开的技术构思范围内，可以对本公开的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本公开的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本公开对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本公开的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本公开的思想，其同样应当视为本公开所公开的内容。

Claims

一种智能功率模块(10)，其特征在于，所述智能功率模块(10)包括电力电子器件(11)、所述电力电子器件(11)的散热装置、用于驱动所述电力电子器件(11)的驱动板(13)和与所述电力电子器件(11)连接的电容器(14)，所述散热装置包括第一散热器(12a)和第二散热器(12b)，所述电力电子器件(11)被夹持在所述第一散热器(12a)和第二散热器(12b)之间，并且所述电力电子器件(11)与所述第一散热器(12a)和第二散热器(12b)一起固定于所述电容器(14)上。
根据权利要求1所述的智能功率模块(10)，其特征在于，所述电容器(14)设置在靠近所述第一散热器(12a)或第二散热器(12b)的侧面，可拆卸地连接于所述电容器(14)的固定板(17)将所述第一散热器(12a)和所述第二散热器(12b)与所述电力电子器件(11)一起固定于所述电容器(14)。
根据权利要求1所述的智能功率模块(10)，其特征在于，所述电力电子器件(11)具有两个相对的平的侧表面，所述第一散热器(12a)和所述第二散热器(12b)均为扁管，所述散热装置还包括用于冷却介质流动的输入管(15a)和输出管(15b)，所述第一散热器(12a)和第二散热器(12b)并联地流体连接在所述输入管(15a)和输出管(15b)之间。
根据权利要求3所述的智能功率模块(10)，其特征在于，所述输入管(15a)和输出管(15b)相互平行且分别位于所述扁管的两端，并且所述输入管(15a)和输出管(15b)朝向同一侧延伸，并且被设置为使得其中的冷却介质沿大致垂直于所述扁管的侧表面的方向流动。
根据权利要求4所述的智能功率模块(10)，其特征在于，所述电容器(14)位于所述输入管(15a)和所述输出管(15b)之间。
根据权利要求2-5中任意一项所述的智能功率模块(10)，其特征在于，所述驱动板(13)覆盖在所述电力电子器件(11)和所述电容器(14)上。
根据权利要求1所述的智能功率模块(10)，其特征在于，所述电力电子器件(11)为IGBT模块，该IGBT模块为一个或并联的多个。
根据权利要求7所述的智能功率模块(10)，其特征在于，所述IGBT模块为并联的三个，每个所述IGBT模块包括直流连接端(11a)和三相交流连接端(11b)，每个所述IGBT模块的所述直流连接端(11a)通过紧固件并联地连接于所述电容器(14)的直流连接端口，所述三相交流连接端(11b)用于输出三相交流电。
根据权利要求1所述的智能功率模块(10)，其特征在于，所述电容器(14)为薄膜电容器。
一种电机控制器，该电机控制器包括箱体，其特征在于，所述电机控制器还包括设置在所述箱体内的根据权利要求1-9中任意一项所述的智能功率模块(10)和用于控制所述智能功率模块(10)的电力电子器件(11)的控制板，该控制板电连接于所述智能功率模块(10)的驱动板(13)，所述智能功率模块(10)的电容器(14)固定于所述箱体内。
根据权利要求10所述的电机控制器，其特征在于，所述智能功率模块(10)设置为多个，并且多个所述智能功率模块(10)并联。
根据权利要求11所述的电机控制器，其特征在于，权利要求10中的所述智能功率模块(10)为根据权利要求5所述的智能功率模块(10)，多个所述智能功率模块(10)并排设置，并且共用所述智能功率模块(10)的输入管(15a)和输出管(15b)。
根据权利要求11所述的电机控制器，其特征在于，所述智能功率模块(10)为根据权利要求8所述的智能功率模块(10)，所述箱体上设置有直流端子和交流端子，所述智能功率模块(10)中的电容器(14)和IGBT模块通过直流导线(16a)并联地连接在所述直流端子的正极和负极之间，并且每个所述智能功率模块(10)中的所述IGBT模块的三相交流连接端(11b)通过三相交流导线(16b)连接，以连接于所述交流端子。
根据权利要求13所述的电机控制器，其特征在于，所述直流导线(16a)和所述三相交流导线(16b)均为铜条。
一种车辆，该车辆设置有蓄电池和电机，其特征在于，该车辆设置有根据权利要求10-14中任意一项所述的电机控制器，该电机控制器电连接在所述蓄电池和所述电机之间。