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CN112636609A - 具有与电动机的共享冷却系统的高密度集成功率控制组件 - Google Patents

具有与电动机的共享冷却系统的高密度集成功率控制组件 Download PDF

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CN112636609A
CN112636609A CN202011074292.5A CN202011074292A CN112636609A CN 112636609 A CN112636609 A CN 112636609A CN 202011074292 A CN202011074292 A CN 202011074292A CN 112636609 A CN112636609 A CN 112636609A
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S·苏纳加
S·N·乔什
D·J·洛函
Y·刘
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Toyota Motor Engineering and Manufacturing North America Inc
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Abstract

一种安装在三相电动机的轴向端部上的集成功率控制组件，包括：基板；两个输入母线，每个输入母线具有在所述基板上交替地间隔开的正极性和负极性；多组成对器件；以及对应于电动机的三相的三个输出母线，其中，一组成对器件包括开关半导体和二极管。内部输入母线具有与相反极性的内部输入母线和相反极性的外部输入母线相邻的边缘，并且被配置为具有与外部输入母线的至少两倍数量一样多的器件。一组或多组成对器件沿边缘轴向地设置在外部输入母线上和内部输入母线上。单独的输出母线设置在一组或多组成对器件上并与其电连接，所述一组或多组成对器件设置在相反极性的相邻输入母线上。

Description

具有与电动机的共享冷却系统的高密度集成功率控制组件
相关申请的交叉引用
本申请要求在2019年10月7日提交的题为“High Density Integrated PowerModules With Cooling”的美国临时专利申请62/911,719的优先权，该申请通过引用整体结合于此。
技术领域
本说明书总体上涉及用于车辆中的电动机的功率控制组件，更具体地，涉及电气化车辆中具有与电动机的共享冷却系统的高密度集成功率控制组件。
背景技术
电气化车辆(例如，混合动力电动车辆、插电式混合动力电动车辆、燃料电池车辆和电动车辆)中的常规电动机驱动系统由三个部分组成—电动机、功率控制单元(PCU)和高压电缆。在这种类型的系统中，电动机和其相应的PCU被分开设计和安装。然而，由于电缆和分离壳体的存在，功率密度受到限制。互连电缆产生额外的功率损耗、重量和体积、降低了系统效率。冷却系统被单独地设计用于电动机和PCU，从而增加了冷却系统的复杂性。
另外，由于功率控制组件(例如，逆变器电路)被设计成以增加的功率水平和电流密度操作，因此它们产生高热通量。这意味着功率控制组件中的印刷电路板(PCB)和设置在其上的有源和无源元件应当能够承受更高的温度和热致应力。常规的散热器可能无法移除足够的热量以有效地将功率控制组件的工作温度降低到可接受的温度水平。此外，常规的散热器和冷却结构可能需要额外的接合层和热匹配材料(例如，结合层、基板、热界面材料)。这些附加层和其它因素增加了功率控制组件的封装尺寸和相当大的热阻，并使它们的热管理具有挑战性。
因此，希望具有被配置成从其有效地去除高热通量的高密度集成功率控制组件。
发明内容
本说明书涉及电气化车辆中具有与电动机的共享冷却系统的高密度集成功率控制组件。在一个实施例中，公开了一种集成功率控制组件，该集成功率控制组件被配置成作为用于具有三相的电动机的逆变器。该集成功率控制组件被直接安装在电动机的轴向端部上。该集成功率控制组件包括基板、在基板上横向间隔开的四个输入母线、多组成对器件以及与电动机的三相对应的三个输出母线，其中一组成对器件包括开关半导体和二极管。四个输入母线包括交替布置的两个正极性输入母线和两个负极性输入母线。相反极性的内部输入母线被布置在相反极性的外部输入母线之间。内部输入母线具有与相反极性的内部输入母线相邻的边缘和与相反极性的外部输入母线相邻的边缘。内部输入母线被配置为具有与在外部输入母线上设置的器件的至少两倍数量一样多的器件设置在其上。一组或多组成对器件沿与相反极性的外部输入母线相邻的边缘和沿与相反极性的外部输入母线相邻的边缘轴向设置在单独的外部输入母线上以及单独的内部输入母线上。单独的输出母线设置在一组或多组成对器件之上并与该一组或多组成对器件电耦接，所述一组或多组成对器件设置在相反极性的相邻输入母线上。
在另一个实施例中，公开了一种电动机组件，包括三相电动机、被配置成作为用于三相电动机的逆变器的集成功率控制组件、以及热连接三相电动机和集成功率控制组件的共享冷却系统。集成功率控制组件被直接安装在电动机的轴向端部上。该集成功率控制组件包括基板、在基板上横向间隔开的四个输入母线、多组成对器件以及与电动机的三相对应的三个输出母线，其中一组成对器件包括开关半导体和二极管。四个输入母线包括交替布置的两个正极性输入母线和两个负极性输入母线。相反极性的内部输入母线被布置在相反极性的外部输入母线之间。内部输入母线具有与相反极性的内部输入母线相邻的边缘和与相反极性的外部输入母线相邻的边缘。内部输入母线被配置为具有与在外部输入母线上设置的器件的至少两倍数量一样多的器件设置在其上。一组或多组成对器件沿与相反极性的外部输入母线相邻的边缘和沿与相反极性的外部输入母线相邻的边缘轴向设置在单独的外部输入母线上以及单独的内部输入母线上。单独的输出母线设置在一组或多组成对器件之上并与该一组或多组成对器件电耦接，所述一组或多组成对器件设置在相反极性的相邻输入母线上。
结合附图，根据以下详细描述，将更全面地理解由本文所述的实施例提供的这些和附加特征。
附图说明
附图中阐述的实施例本质上是说明性和示例性的，而不是要限制由权利要求书限定的主题。当结合附图阅读时，可以理解以下对说明性实施例的详细描述，其中，相同的结构用相同的附图标记表示，并且其中：
图1示出了根据本文所示和所述的一个或多个实施例的示例集成功率控制组件的透视顶视图；
图2示出了根据本文所示和所述的一个或多个实施例的图1的示例集成功率控制组件的透视底视图；
图3示出了根据本文所示和所述的一个或多个实施例的具有图1的示例集成功率控制组件的第一实施例的电动机组件的电路图；
图4示出了根据本文所示和所述的一个或多个实施例的具有图1的示例集成功率控制组件的第二实施例的电动机组件的电路图；
图5A示意性地示出了根据本文所示和所述的一个或多个实施例的图1的示例集成功率控制组件的第一实施例的没有输出连接的顶视图；
图5B示意性地示出了根据本文所示和所述的一个或多个实施例的图1的示例集成功率控制组件的第一实施例的具有输出连接的顶视图；
图6A示意性地示出了根据本文所示和所述的一个或多个实施例的图1的示例集成功率控制组件的第二实施例的没有输出连接的顶视图；
图6B示意性地示出了根据本文所示和所述的一个或多个实施例的图1的示例集成功率控制组件的第二实施例的具有输出连接的顶视图；
图7A示出了根据本文所示和所述的一个或多个实施例的沿图5B的示例集成功率控制组件的第一实施例的截面轴线A-A的侧面截面图；
图7B示出了根据本文所示和所述的一个或多个实施例的沿图5B的示例集成功率控制组件的第一实施例的截面轴线B-B的侧面截面图；
图8A示出了根据本文所示和所述的一个或多个实施例的沿图6B的示例集成功率控制组件的第二实施例的截面轴线A'-A'的侧面截面图；
图8B示出了根据本文所示和所述的一个或多个实施例的沿图6B的示例集成功率控制组件的第二实施例的截面轴线B'-B'的侧面截面图；
图9A示意性地示出了根据本文所示和所述的一个或多个实施例的具有共享液冷型冷却系统的电动机组件，该共享液冷型冷却系统热连接图1的示例集成功率控制组件和其中的电动机；
图9B示意性地示出了根据本文所示和所述的一个或多个实施例的具有共享气冷型冷却系统的电动机组件，该共享气冷型冷却系统热连接图1的示例集成功率控制组件和其中的电动机；以及
图10示意性地示出了根据本文所示和所述的一个或多个实施例的具有图1的示例集成功率控制组件的示例电动车辆。
具体实施方式
本文描述的各种实施例针对电气化车辆中具有与电动机的共享冷却系统的高密度集成功率控制组件。集成功率控制组件被配置成用作直接安装在电动机的轴向端部上的逆变器，并且与电动机共享冷却系统。集成功率控制组件包括两个输入母线，每个输入母线具有在基板上交替地间隔开的正极性和负极性，其中，单独的输入母线具有设置在其上的多组成对器件。一组成对器件包括开关半导体器件和二极管。对应于电动机的三相的三个输出母线设置在多组成对器件之上并与该多组成对器件电耦接。通过输入母线接收的直流(DC)信号被多组成对器件转换成交流(AC)信号，并通过输出母线输出。集成功率控制组件中输入母线和输出母线的使用和配置产生了紧凑的无引线键合封装，其减少了功率损耗、电压尖峰和栅极回路电感，同时也有助于耗散在器件的操作期间产生的热量。在一些实施例中，相反极性的相邻输入母线上的开关半导体器件和二极管在垂直相反的方向上对齐(即，在取向上物理地翻转)，这进一步提高了封装密度并减小了封装尺寸。最后，在集成功率控制组件和电动机之间使用共享冷却系统消除了对于用于集成功率控制组件的单独冷却系统的需要。通过以下实施例的描述，说明或暗示本公开的各种其它方面及其变化。
参考附图，图1-2示出了示例集成功率控制组件100的透视顶视图和透视底视图，该组件被配置为用于三相电动机320(图3-4和9A-9B中所示)的逆变器。然而，在不同的实施例中，示例集成功率控制组件100可被配置成作为用于具有两相或三相以上的电动机的逆变器，而不脱离本公开的原理和范围。在图1-2所示的非限制性示例中，集成功率控制组件100被配置成作为三相(U，V，W)逆变器，其使用用于电动机320的脉宽调制(PWM)将DC电压分别转换为三个不同相U、V和W中的三个相等振幅的正弦AC波。在一些实施例中，在电动机320具有多于三相的情况下，集成功率控制组件100被配置成产生额外的或替代的(一个或多个)AC输出以用于冗余。
集成功率控制组件100包括具有底表面112和侧壁116的圆柱环形金属壳体110。在其上具有横向间隔开的四个输入母线140a、140b、140c和140d的基板120沿侧壁116通过弧形开口114容纳在壳体110中。四个输入母线140a、140b、140c和140d被配置为具有三个电容器160a、160b、160c以及横跨它们设置的多个器件。虽然在图1的非限制性实施例中使用三个电容器160a、160b、160c，但在其它实施例中可存在一个、两个或三个以上等效电容的电容器。三个输出母线150a、150b、150c电耦接到四个输入母线140a、140b、140c和140d以及设置在其上的器件。三个输出母线150a、150b、150c分别通过三个矩形开口115a、115b、115c容纳在壳体110外部。三个矩形开口115a、115b、115c位于侧壁116的相对端部上。印刷电路板(PCB)170被结合(例如，使用焊球)在壳体110内的三个输出母线150A、150b、150c和三个电容器160A、160b、160c之上并横跨它们。
基板120包括热界面层730、设置在热界面层730上的散热层720、以及电气隔离层710，如图7A-7B和8A-8B所示。热界面层730由热界面材料(TIM)形成，诸如但不限于用于增强的热连接的硅。散热层720由导电材料形成，诸如但不限于铜、铝、镍等。电气隔离层710由电隔离材料形成，诸如但不限于氮化铝。
四个输入母线140a、140b、140c和140d以及三个输出母线150a、150b、150c由导电材料形成，诸如但不限于铜、铝、镍等。在一些实施例中，PCB 170可以由玻璃纤维增强环氧树脂形成的阻燃复合材料构成，诸如但不限于FR-4。在其它实施例中，PCB 170可以由能够承受超过250℃的温度的陶瓷材料构成，诸如但不限于低温共烧陶瓷(LTCC)材料或氧化铝。
图3示出了具有示例集成功率控制组件310的第一实施例的电动机组件300的电路图，而图5A-5B示意性地示出了其相应的顶视图，具有和没有输出连接。因此，图5A示出了没有三个输出母线150a、150b、150c和PCB 170的集成功率控制组件310的顶视图。图5B示出了具有其上设置的三个输出母线150a、150b、150c但是仍然没有PCB 170的集成功率控制组件310。图7A-7B示出了分别沿示例集成功率控制组件310的第一实施例的图5B中的截面轴线A-A和B-B的侧面截面图。图7A-7B另外示出了在集成功率控制组件310中PCB 170如何设置在三个输出母线150a、150b、150c之上。
如图3所示，集成功率控制组件310电连接在电池350和具有U相AC输入322、V相AC输入324和W相AC输入326的电动机320之间。在该第一实施例中，集成功率控制组件310包括多组成对器件330a、330b、…、330n—每组具有电连接到二极管(例如，D1、D2等)的开关半导体器件(例如，Q1、Q2等)—从电池350接收DC输入并向电动机320提供AC输出，其中第一组成对器件中的开关半导体器件和二极管分别与第二组成对器件中的二极管和开关半导体器件横向相邻，所述第二组成对器件与所述第一组成对器件横向相邻。例如，第一组330a的二极管D1与第二组330b的开关半导体器件Q2横向相邻，并且第一组330a的开关半导体器件Q1与第二组330b的二极管D2横向相邻，其中330a和330b是横向相邻的成对器件组。
此外，流入单独的成对器件组330a、330b、…、330n的DC输入电流流过电连接到电池350的正极端子352的两个正极端子340b、340d中的任一个或电连接到电池350的负极端子354的两个负极端子340a、340c中的任一个。例如，第一组330a通过负极端子340a从电池接收DC输入电流，而第二组330b通过正极端子340b从电池接收DC输入电流。最后，从相邻成对器件组330a、330b、…、330n流出的AC输出电流被结合以被传递到U相AC输入322、V相AC输入324或W相AC输入326。例如，来自第一组330a和第二组330b的AC输出电流被结合以被传递到U相AC输入322。
图3还示出了电耦接在电池350和流入单独的成对器件组330a、330b、…、330n的DC输入电流之间的电容器160a、160b、160c。例如，电容器160a电耦接在电池350和流入第一组330a和第二组330b的DC输入电流之间。电容器160a、160b、160c可操作以平滑和平衡来自电池350的DC输入电流的任何电压振荡，使得成对器件组330a、330b、…、330n中的开关半导体器件Q1、Q2等可最佳地操作以产生AC输出。如上所述，在不同的实施例中，可以有一个、两个或多于三个的执行三个电容器160a、160b、160c的相同功能的等效电容的电容器。
如图5A-5B所示，成对器件组330a、330b、…、330n设置在四个输入母线140a、140b、140c、140d上。四个输入母线140a、140b、140c、140d包括交替布置在基板120上的两个正极性的输入母线140b、140d，以及两个负极性的输入母线140a、140c。两个正极性的输入母线140b、140d通过两个正极端子340b、340d提供到电池350(图5A-5B中未示出)的DC连接，而两个负极性的输入母线140a、140c通过两个负极端子340a、340c提供到电池350(图5A-5B中未示出)的DC连接。因此，具有正极端子340b的内部输入母线140b和具有负极端子340c的内部输入母线140c被布置在具有负极端子340a的外部输入母线140a和具有正极端子340d的外部输入母线140d之间。
正极性的内部输入母线140b具有与负极性的外部输入母线140a相邻的边缘342b和与负极性的内部输入母线140c相邻的边缘344b。类似地，负极性的内部输入母线140c具有与正极性的内部输入母线140b相邻的边缘342c和与正极性的外部输入母线140d相邻的边缘344c。因此，正极性和负极性的单独的内部输入母线140b、140c具有分别与负极性和正极性的内部输入母线140c、140b相邻的边缘344b、342c。此外，正极性和负极性的单独的内部输入母线140b、140c具有分别与负极性和正极性的外部输入母线140a、140d相邻的边缘342b、344c。
在图5A-5B所示的非限制性实例中，一组或多组成对器件330a、330b、…、330n轴向设置在单独的外部输入母线140a、140d上。一组或多组成对器件330a、330b、…、330n分别沿与负极性和正极性的内部输入母线140c、140b相邻的边缘344b、342c轴向设置在正极性和负极性的单独的内部输入母线140b、140c上。此外，一组或多组成对器件330a、330b、…、330n分别沿与负极性和正极性的外部输入母线140a、140d相邻的边缘342b、344c轴向设置在正极性和负极性的单独的内部输入母线140b、140c上。因此，内部输入母线140b、140c被配置为具有与在外部输入母线140a、140d上设置的器件的至少两倍数量一样多的器件设置在其上。如图5A-5B的非限制性实施例所示，六组成对器件330a、330b、…、330n，即十二个器件设置在每个内部输入母线140B、140c上，而仅三组成对器件330a、330b、…、330n，即六个器件设置在每个外部输入母线140a、140d上。虽然在图5A-5B所示的实施例中，三十六个器件-十八个开关半导体器件和十八个二极管-设置在输入母线140a、140b、140c、140d之上并横跨输入母线140a、140b、140c、140d，但是在不同实施例中可设置更多或更少数量的器件。
在一些实施例中，相反极性的相邻输入母线140a、140b/140b、140c/140c、140d上的开关半导体器件Q1、Q2等可在垂直相反方向对齐(即，在取向上物理地翻转，使得相应开关半导体器件Q1、Q2等的栅极G(Q1)、G(Q2)等位于相应开关半导体器件Q1、Q2等的相反表面上)，以减小封装尺寸并提高封装密度。在其它实施例中，相反极性的相邻输入母线140a、140b/140b、140c/140c、140d上的二极管D1、D2等可另外或替代地在垂直相反方向对齐(即，在取向上物理地翻转)，以减小封装尺寸并提高封装密度。
如图5B所示，三个输出母线150a、150b、150c设置在横跨四个输入母线140a、140b、140c、140d的一组或多组成对器件330a、330b、…、330n上。单独的输出母线150a/150b/150c电耦接到横跨相反极性的相邻输入母线140a、140b/140b、140c/140c、140d设置的一组或多组成对器件330a、330b、…、330n。单独的输出母线150a/150b/150c提供对应于电动机320的三相U、V、W中的单独一相的AC输出连接(图5A-5B中未示出)。最后，如图5A-5B所示，电容器160a、160b、160c设置成横跨四个输入母线140a、140b、140c、140d，使得单独的电容器160a/160b/160c设置成横跨相反极性的相邻输入母线140a、140b/140b、140c/140c、140d。
当电动机320接通时，开关半导体器件Q1、Q2等使得通过输出母线150a、150b、150c输出到电动机320的AC电流能够流动。开关半导体器件Q1、Q2等可以是一个或多个半导体器件，诸如但不限于绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、反向传导IGBT(RC-IGBT)、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、功率MOSFET、二极管、晶体管和/或其组合(例如，电源卡)。在一些实施例中，开关半导体器件Q1、Q2等可包括宽带隙半导体，并且可由任何合适的材料形成，诸如但不限于碳化硅(SiC)、二氧化硅(SiO2)、氮化铝(AlN)、氮化镓(GaN)和氮化硼(BN)等。在一些实施例中，开关半导体器件Q1、Q2等在高电流和高温下工作，例如超过250℃，并且产生大量的热，为了示例集成功率控制组件100的继续工作，必须去除这些热。当电动机320关闭时，二极管D1、D2等使得DC电流能够通过输入母线140a、140b、140c、140d流回电池350。
图7A示出了沿图5B的截面轴线A-A的集成功率控制组件310的截面图。截面轴线A-A贯穿安装在基板120上设置的四个输入母线140a、140b、140c、140d上的开关半导体器件Q4、Q10、Q16和二极管D3、D9、D15。开关半导体器件Q4设置在外部输入母线140a上，二极管D3和开关半导体器件Q10设置在内部输入母线140b上，二极管D9和开关半导体器件Q16设置在内部输入母线140c上，以及二极管D15设置在外部输入母线140d上。开关半导体器件Q4和二极管D3向设置在其上的输出母线150a提供输出。开关半导体器件Q10和二极管D9向设置在其上的输出母线150b提供输出。开关半导体器件Q16和二极管D15向设置在其上的输出母线150c提供输出。在一些实施例中，可使用诸如但不限于铜接合膏或焊料的接合剂将开关半导体器件Q4、Q10、Q16接合至对应的输入母线140a、140b、140c、140d和输出母线150a、150b、150c。PCB170设置在三个输出母线150a、150b、150c之上并横跨所述三个输出母线。PCB 170具有设置在其上的多个栅极驱动器件770，用于可操作地控制集成功率控制组件310上的每个开关半导体器件Q1、Q2等。如图7A所示，三个栅极驱动器件770(Q4)、770(Q10)和770(Q16)设置在PCB170上，用于分别可操作地控制开关半导体器件Q4、Q10、Q16。
对应于设置在正极性的内部输入母线140b上的开关半导体器件Q10的栅极驱动器件770(Q10)通过设置成穿过PCB 170的第一导电通孔790a电连接到设置在开关半导体器件Q10与输出母线150b之间的开关半导体器件Q10的栅极G(Q10)，以驱动栅极驱动信号。栅极驱动器件770(Q10)通过设置成穿过PCB 170的第二导电通孔790b电接地至输出母线150b。在一些实施例中，第一导电通孔790a可以是设置在PCB 170与开关半导体器件Q10的栅极G(Q10)之间的导电柱。
对应于设置在负极性的输入母线140a、140c上的开关半导体器件Q4、Q16的栅极驱动器件770(Q4)、770(Q16)分别通过L形导电通孔780a电连接到设置在开关半导体器件Q4、Q16和输入母线140a、140c之间的开关半导体器件Q4、Q16的栅极G(Q4)、G(Q16)。分别穿过PCB 170和开口760(Q4)、760(Q16)设置的单独的L形导电通孔780a代替接合线用于驱动栅极驱动信号。开口760(Q4)、760(Q16)被成形为容纳L形导电通孔780a，并且通过分别在负极性的输入母线140a、140c内切割孔而形成，以便露出开关半导体器件Q4、Q16的栅极端子。此外，栅极驱动器件770(Q4)、770(Q16)通过设置成穿过PCB 170的第三导电通孔780b电接地至负极性的输入母线140a、140c。
图7B示出了沿图5B的截面轴线B-B的集成功率控制组件310的截面图。截面轴线B-B贯穿安装在基板120上设置的四个输入母线140a、140b、140c、140d上的开关半导体器件Q5、Q11、Q17和二极管D6、D12、D18。二极管D6设置在外部输入母线140a上，开关半导体器件Q5和二极管D12设置在内部输入母线140b上，开关半导体器件Q11和二极管D18设置在内部输入母线140c上，以及开关半导体器件Q17设置在外部输入母线140d上。二极管D6和开关半导体器件Q5向设置在其上的输出母线150a提供输出。二极管D12和开关半导体器件Q11向设置在其上的输出母线150b提供输出。二极管D18和开关半导体器件Q17向设置在其上的输出母线150c提供输出。如图7B所示，三个栅极驱动器件770(Q5)、770(Q11)和770(Q17)设置在PCB 170上，用于分别可操作地控制开关半导体器件Q5、Q11、Q17。
对应于设置在正极性的输入母线140b、140d上的开关半导体器件Q5、Q17的栅极驱动器件770(Q5)、770(Q17)通过设置成穿过PCB 170的第一导电通孔790a电连接到设置在开关半导体器件Q5、Q17和输出母线150b、150d之间的开关半导体器件Q5、Q17的栅极G(Q5)、G(Q17)，以驱动栅极驱动信号。栅极驱动器件770(Q5)、770(Q17)通过设置成穿过PCB 170的第二导电通孔790b电接地至输出母线150b、150d。在一些实施例中，第一导电通孔790a可以是设置在PCB 170和开关半导体器件Q5、Q17的栅极G(Q5)、G(Q17)之间的导电柱。
对应于设置在负极性的内部输入母线140c上的开关半导体器件Q11的栅极驱动器件770(Q11)通过L形导电通孔780a分别电连接到设置在开关半导体器件Q11和内部输入母线140c之间的开关半导体器件Q11的栅极G(Q11)。分别穿过PCB 170和开口760(Q11)设置的单独的L形导电通孔780a代替接合线用于驱动栅极驱动信号。开口760(Q11)被成形为容纳L形导电通孔780a，并且通过在负极性的内部输入母线140c内切割孔而形成，以便露出开关半导体器件Q11的栅极端子。此外，栅极驱动器件770(Q11)通过设置成穿过PCB 170的第三导电通孔780b电接地至负极性的内输入母线140c。
在图7A-7B的非限制性示例中，基板120可设置在具有多个微通道755的冷却装置750之上。在不同的实施例中，基板120还可热连接到共享液冷型冷却系统950(图9A中所示)或共享气冷型冷却系统960(图9B中所示)。
图4示出了具有示例集成功率控制组件410的第二实施例的电动机组件400的电路图，而图6A-6B示意性地示出了其相应的顶视图，具有和没有输出连接。因此，图6A示出了没有三个输出母线150a、150b、150c和PCB 170的集成功率控制组件410的俯视图。图6B示出了集成功率控制组件410，其上设置有三个输出母线150a、150b、150c，但是仍然没有PCB 170。图8A-8B示出了分别沿示例集成功率控制组件410的第二实施例的图6B中的截面轴线A'-A'和B'-B'的侧面截面图。图8A-8B另外示出了PCB 170如何布置在集成功率控制组件410中的三个输出母线150a、150b、150c之上。
如图4所示，集成功率控制组件410电连接在电池350和具有U相AC输入322、V相AC输入324和W相AC输入326的电动机320之间。在该第二实施例中，集成功率控制组件410包括多组成对器件430a、430b、…、430n—每组具有电连接到二极管(例如，D1、D2等)的开关半导体器件(例如，Q1、Q2等)—从电池350接收DC输入并向电动机320提供AC输出，其中第一组成对器件中的开关半导体器件和二极管与横向邻近第一组成对器件的第二组成对器件中的开关半导体器件和二极管分别横向相邻。例如，第一组430a的二极管D1与第二组430b的二极管D2横向相邻，并且第一组430a的开关半导体器件Q1与第二组430b的开关半导体器件Q2横向相邻，其中430a和430b是横向相邻的成对器件组。
此外，流入单独的成对器件组430a、430b、…、430n的DC输入电流流过电连接到电池350的正极端子352的两个正极端子440b、440d中的任一个或电连接到电池350的负极端子354的两个负极端子440a、440c中的任一个。例如，第一组430a通过负极端子440a从电池350接收DC输入电流，而第二组430b通过正极端子440b从电池350接收DC输入电流。最后，从相邻的成对器件组430a、430b、…、430n流出的AC输出电流被结合以被传递到U相AC输入322、V相AC输入324或W相AC输入326。例如，来自第一组430a和第二组430b的AC输出电流被结合以被传递到U相AC输入322。
图4还示出了电连接在电池350和流入单独的成对器件组430a、430b、…、430n的DC输入电流之间的电容器160a、160b、160c。例如，电容器160a电耦接在电池350和流入第一组430a和第二组430b的DC输入电流之间。电容器160a、160b、160c可操作以平滑和平衡来自电池350的DC输入电流的任何电压振荡，使得成对器件组430a、430b、…、430n中的开关半导体器件Q1、Q2等可最佳操作以产生AC输出。如上所述，在不同的实施例中，可以有一个、两个或多于三个的执行三个电容器160a、160b、160c的相同功能的等效电容的电容器。
如图6A-6B所示，成对器件组430a、430b、…、430n设置在四个输入母线上，即，具有负极端子440a的外部输入母线140a，具有正极端子440b的内部输入母线140b，具有负极端子440c的内部输入母线140c，以及具有正极端子440d的外部输入母线140d。四个输入母线140a、140b、140c、140d以与图5A-5B所示和上文所述的基本类似的方式布置在基板120上。
正极性的内部输入母线140b具有与负极性的外部输入母线140a相邻的边缘442b和与负极性的内部输入母线140c相邻的边缘444b。类似地，负极性的内部输入母线140c具有与正极性的内部输入母线140b相邻的边缘442c和与正极性的外部输入母线140d相邻的边缘444c。因此，正极性和负极性的单独的内部输入母线140b、140c具有分别与负极性和正极性的内部输入母线140c、140b相邻的边缘444b、442c。此外，正极性和负极性的单独的内部输入母线140b、140c具有分别与负极性和正极性的外部输入母线140a、140d相邻的边缘442b、444c。
在图6A-6B所示的非限制性示例中，一组或多组成对器件430a、430b、…、430n轴向设置在单独的外部输入母线140A、140d上。一组或多组成对器件430a、430b、…、430n分别沿邻近负极性和正极性的内部输入母线140c、140b的边缘444b、442c轴向设置在正极性和负极性的单独的内部输入母线140b、140c上。此外，一组或多组成对器件430a、430b、…、430n分别沿邻近负极性和正极性的外部输入母线140a、140d的边缘442b、444c轴向设置在正极性和负极性的单独的内部输入母线140b、140c上。因此，内部输入母线140b、140c配置成与在外部输入母线140a、140d上设置的器件的至少两倍数量一样多的器件设置在其上。如图6A-6B的非限制性实施例所示，六组成对器件430a、430b、…、430n，即十二个器件设置在每个内部输入母线140b、140c上，而仅三组成对器件430a、430b、…、430n，即六个器件设置在每个外部输入母线140a、140d上。虽然在图6A-6B所示的实施例中，三十六个器件-十八个开关半导体器件和十八个二极管-设置在输入母线140a、140b、140c、140d之上并横跨输入母线140a、140b、140c、140d，但是在不同的实施例中可设置更多或更少数量的器件。
在一些实施例中，相反极性的相邻输入母线140a、140b/140b、140c/140c、140d上的开关半导体器件Q1、Q2等可沿垂直相反方向对齐(即，在取向上物理地翻转，使得相应开关半导体器件Q1、Q2等的栅极G(Q1)、G(Q2)等位于相应开关半导体器件Q1、Q2等的相反表面上)，以减小封装尺寸并提高封装密度。在其它实施例中，相反极性的相邻输入母线140a、140b/140b、140c/140c、140d上的二极管D1、D2等可另外或替代地沿垂直相反方向对齐(即，在取向上物理地翻转)，以减小封装尺寸并提高封装密度。最后，如图6B所示，三个输出母线150a、150b、150c以与图5A-5B所示和上述基本类似的方式横跨四个输入母线140a、140b、140c、140d设置在一组或多组成对器件430a、430b、…、430n之上。
图8A示出了沿图6B的截面轴线A'-A'的集成功率控制组件410的截面图。截面轴线A'-A'贯穿安装在基板120上设置的四个输入母线140a、140b、140c、140d上的开关半导体器件Q4、Q3、Q10、Q9、Q16和Q15。开关半导体器件Q4设置在外部输入母线140a上，开关半导体器件Q3和Q10设置在内部输入母线140b上，开关半导体器件Q9和Q16设置在内部输入母线140c上，以及开关半导体器件Q15设置在外部输入母线140d上。开关半导体器件Q4和Q3向设置在其上的输出母线150a提供输出。开关半导体器件Q10和Q9向设置在其上的输出母线150b提供输出。开关半导体器件Q16和Q15向设置在其上的输出母线150c提供输出。在一些实施例中，可使用诸如但不限于铜接合膏或焊料的接合剂将开关半导体器件Q4、Q3、Q10、Q9、Q16和Q15接合至对应的输入母线140a、140b、140c、140d和输出母线150a、150b、150c。PCB 170设置在三个输出母线150a、150b、150c之上并横跨所述三个输出母线。PCB 170具有设置在其上的多个栅极驱动器件770，用于可操作地控制集成功率控制组件310上的每个开关半导体器件Q1、Q2等。栅极驱动器件770可以包括一个或多个有源元件，并且可以耦接到一个或多个无源元件，诸如但不限于设置在PCB 170上的电容器、电阻器、变压器和电感器。如图8A所示，栅极驱动器件770(Q4)、770(Q3)、770(Q10)、770(Q9)、770(Q16)和770(Q15)设置在PCB 170上，用于分别可操作地控制开关半导体器件Q4、Q3、Q10、Q9、Q16和Q15。
对应于设置在正极性的输入母线140b、140b和140d上的开关半导体器件Q3、Q10和Q15的栅极驱动器件770(Q3)、770(Q10)和770(Q15)分别通过设置成穿过PCB 170的第一导电通孔790a电连接到设置在开关半导体器件Q3、Q10和Q15与输出母线150a、150b和150c之间的开关半导体器件Q3、Q10和Q15的栅极G(Q3)、G(Q10)和G(Q15)，以驱动栅极驱动信号。栅极驱动器件770(Q3)、770(Q10)和770(Q15)通过设置成穿过PCB 170的第二导电通孔790b电接地至输出母线150a、150b、150c。在一些实施例中，第一导电通孔790a可以是分别设置在PCB 170与开关半导体器件Q3、Q10和Q15的栅极G(Q3)、G(Q10)和G(Q15)之间的导电柱。
对应于设置在负极性的输入母线140a、140c和140c上的开关半导体器件Q4、Q9和Q16的栅极驱动器件770(Q4)、770(Q9)和770(Q16)分别通过L形导电通孔780a电连接到设置在开关半导体器件Q4、Q9和Q16与输入母线140a、140c和140c之间的开关半导体器件Q4、Q9和Q16的栅极G(Q4)、G(Q9)和G(Q16)。分别穿过PCB 170和开口760(Q4)、760(Q9)和760(Q16)设置的单独的L形导电通孔780a代替接合线用于驱动栅极驱动信号。开口760(Q4)、760(Q9)和760(Q16)被成形为容纳L形导电通孔780a，并且通过分别在负极性的输入母线140a、140c和140c内切割孔而形成，以分别露出开关半导体器件Q4、Q9、Q16的栅极端子。此外，栅极驱动器件770(Q4)、770(Q9)和770(Q16)通过设置成穿过PCB 170的第三导电通孔780b电接地至负极性的输入母线140a、140c和140c。
图8B示出了沿图6B的截面轴线B'-B'的集成功率控制组件410的截面图。截面轴线B'-B'贯穿安装在基板120上设置的四个输入母线140a、140b、140c、140d上的二极管D6、D5、D12、D11、D18和D17。二极管D6设置在外部输入母线140a上，二极管D5和D12设置在内部输入母线140b上，二极管D11和D18设置在内部输入母线140c上，以及二极管D17设置在外部输入母线140D上。二极管D6和D5电连接至设置在其上的输出母线150a。二极管D12和D11电连接至设置在其上的输出母线150b。二极管D18和D17电连接至设置在其上的输出母线150c。
图9A示意性地描绘了具有热连接电动机320和示例集成功率控制组件100的共享液冷型冷却系统950的电动机组件900a。电动机320包括装入电动机组件900a的壁910内的转子920和定子930。电动机组件900a具有第一轴向端部942、与第一轴向端部942相对的第二轴向端部944、以及在第一轴向端部942和第二轴向端部944之间的电动机轴940。电动机轴940朝向第二轴向端部944通入孔945。第一轴向端部942被配置成连接到车辆1000(图10中所示)的驱动轴和动力传动齿轮(未示出)。集成功率控制组件100直接安装到电动机320的第二轴向端部944。
共享液冷型冷却系统950包括设置在流体入口952和流体出口954之间的流体通道955。流体通道955围绕集成功率控制组件100和电动机轴940设置在孔945内。冷却流体流过由泵(未示出)在流体入口952和流体出口954之间引导的流体通道955。冷却流体被配置成吸收和传递由电动机320和集成功率控制组件100的操作产生的热量。冷却流体可以是导电流体，诸如乙二醇混合物、水等，或者是进行单相冷却的介电冷却流体。在一些实施例中，冷却流体可通过从液相转变成气相而经历两相冷却。
图9B示意性地示出了具有热连接电动机320和与其耦接的示例集成功率控制组件100的共享气冷型冷却系统960的电动机组件900b。电动机320包括装入电动机组件900b的壁910内的转子920和定子930。电动机组件900b具有设置在第一轴向端部942和第二轴向端部944之间的电动机轴940。电动机轴940朝向第二轴向端部944通入孔945。第一轴向端部942被配置成连接到车辆1000(图10中所示)的驱动轴和动力传动齿轮(未示出)。集成功率控制组件100直接安装到电动机320的第二轴向端部944。
共享气冷型冷却系统960包括在孔945内耦接到集成功率控制组件100的多个散热片970、在第一轴向端942处的空气入口982和在第二轴向端部944处的空气出口984。冷却空气从空气入口982流入多个散热片970，并从空气出口984流出。冷却空气被配置成吸收和传递由电动机320和集成功率控制组件100的操作产生的热量。
如上所述，本文所述的集成功率控制组件100可结合到车辆1000的电动机组件900a、900b中。车辆1000可以是混合动力车辆、插电式混合动力车辆、电动车辆或使用电动机的任何车辆。图10示意性地示出了具有与示例集成功率控制组件100电耦接的电动机320的车辆1000。车辆1000通常包括汽油发动机1070和上述电动机320，这两者都被配置为向车辆1000的车轮1080提供旋转运动以沿道路推进车辆1000。示例集成功率控制组件100安装在电动机320的轴向端部上并被配置作为用于电动机320的逆变器。示例集成功率控制组件100又通过电连接器1075如上所述电耦接到电池组350。
本文所述的集成功率控制组件100可有利地被配置成用作电动机的逆变器。母线的使用缩短了电连接并消除了互连高压电缆，以形成紧凑封装的逆变器。除了通过去除引线接合来减小封装尺寸之外，无引线接合封装还减小了回路电感、电压尖峰和开关功率损耗。在实施例中，其中相反极性的相邻输入母线上的开关半导体器件和二极管在垂直相反的方向上对齐(即，在取向上物理地翻转)，封装密度被进一步增强。最后，在集成功率控制组件和电动机之间使用共享冷却系统消除了对于用于集成功率控制组件的单独冷却系统的需要。母线的使用还通过增加从开关半导体器件的额外散热保护而改善了集成功率控制组件的热性能。总体上，通过降低电气化车辆中使用的动力系的重量、体积和成本，集成功率控制组件的设计变得简单。
注意，术语“基本上”和“大约”在这里可以用来包括固有的不确定程度，其可以归因于任何定量比较、值、测量或其它表示。这些术语在本文中还用于表示定量表示可从所述参考变化而不导致所讨论的主题的基本功能和预期范围的变化的程度。
尽管本文已经说明和描述了特定实施例，但是应当理解，在不脱离所要求保护的主题的精神和范围的情况下，可以进行各种其它改变和修改。此外，尽管本文已经描述了所要求保护的主题的各个方面，但是这些方面不需要组合使用。因此，所附权利要求书旨在覆盖在所要求保护的主题的范围内的所有这样的改变和修改。

Claims (10)

1.一种集成功率控制组件，被配置成作为逆变器而被直接安装在具有三相的电动机的轴向端部上，所述集成功率控制组件包括：
基板；
在所述基板上横向间隔开的四个输入母线，所述四个输入母线包括交替布置的两个正极性输入母线和两个负极性输入母线，其中：
相反极性的内部输入母线被布置在相反极性的外部输入母线之间，内部输入母线具有与相反极性的内部输入母线相邻的边缘和与相反极性的外部输入母线相邻的边缘；以及
所述内部输入母线被配置为具有与在所述外部输入母线上设置的器件的至少两倍数量一样多的器件设置在其上；
轴向地设置在所述外部输入母线上的一组或多组成对器件，其中一组成对器件包括开关半导体器件和二极管；
沿着与相反极性的内部输入母线相邻的边缘轴向地设置在内部输入母线上的一组或多组成对器件；
沿着与相反极性的外部输入母线相邻的边缘轴向地设置在内部输入母线上的一组或多组成对器件；以及
对应于所述电动机的所述三相的三个输出母线，单独的输出母线设置在一组或多组成对器件之上并与所述一组或多组成对器件电耦接，所述一组或多组成对器件设置在相反极性的相邻输入母线上。
2.根据权利要求1所述的集成功率控制组件，还包括；
电路板，所述电路板设置在所述三个输出母线之上并横跨所述三个输出母线，其中所述电路板还包括设置在所述电路板上的栅极驱动器件，所述栅极驱动器件用于可操作地控制所述集成功率控制组件中的每个开关半导体器件。
3.根据权利要求1所述的集成功率控制组件，还包括；
一个或多个电容器，所述一个或多个电容器设置在所述四个输入母线之上并横跨所述四个输入母线，其中单独的电容器电耦接至电池。
4.根据权利要求1所述的集成功率控制组件，其中第一组成对器件中的第一开关半导体器件和第一二极管分别与第二组成对器件中的第二二极管和第二开关半导体器件横向相邻，其中所述第一组成对器件和所述第二组成对器件是横向相邻的成对器件组。
5.根据权利要求1所述的集成功率控制组件，其中第一组成对器件中的第一开关半导体器件和第一二极管分别与第二组成对器件中的第二开关半导体器件和第二二极管横向相邻，其中所述第一组成对器件和所述第二组成对器件是横向相邻的成对器件组。
6.根据权利要求1所述的集成功率控制组件，其中相反极性的相邻输入母线上的开关半导体器件在垂直相反的方向上对齐，使得所述开关半导体器件的栅极位于其相反的表面上。
7.根据权利要求1所述的集成功率控制组件，其中相反极性的相邻输入母线上的二极管在垂直相反的方向上对齐。
8.根据权利要求1所述的集成功率控制组件，其中所述基板包括：
热界面层；
设置在所述热界面层之上的散热层，所述散热层由导电材料形成；以及
电气隔离层。
9.根据权利要求1所述的集成功率控制组件，其中：
对应于设置在正极性的输入母线上的开关半导体器件的栅极驱动器件电连接到开关半导体器件的栅极，并接地到对应的输出母线，该输出母线通过设置成穿过电路板的导电通孔电耦接到开关半导体器件。
10.根据权利要求1所述的集成功率控制组件，其中：
对应于设置在负极性的输入母线上的开关半导体器件的栅极驱动器件通过L形导电通孔电连接到开关半导体器件的栅极，所述L形导电通孔设置成穿过电路板和负极性的输入母线内的开口；以及
栅极驱动器件通过设置成穿过电路板的导电通孔接地到负极性的输入母线。
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