CN106416446B - 驱动器组件 - Google Patents

Abstract

驱动器组件(100)包括多个半导体开关(105)，这些半导体开关以如下方式布置在一个平面(110)内，即，在该平面内的相邻的半导体开关的间距都相等，并且每个半导体开关具有相同数量的相邻的半导体开关。

Description

驱动器组件

技术领域

本发明涉及一种驱动器组件。本发明尤其涉及驱动器组件的元件的热量引出。

背景技术

例如在机动车上的控制单元设立用于提供电流或电压，以便控制所联接的用电器。例如可以提供三相交流电压，以便控制所联接的电动马达的转动方向和转动速度。

驱动器组件包括多个半导体开关，以便提供所需电流或所需电压。半导体开关通常不是无损耗地工作，从而必须从其中引出热量。为了实现尽可能短且直接地引导通向半导体开关的引线并且能够通过共同散热体进行散热，半导体开关通常串联或矩阵状地布置。在此，放置于***外部区域的半导体开关与更靠内放置的半导体开关相比更好地散热。由于温度不同，半导体开关可以不同程度地加电负荷，从而可能降低驱动器组件的总的电负荷。半导体开关也可能以不同的强度或速度老化，从而它们的故障概率不同。由此，可能提高整个驱动器组件的故障概率。此外，通向半导体开关的引线的长度可能具有不同的长度，由此可能对引线区域内的电磁兼容性(EMV)、阻抗或电压降产生负面影响。

发明内容

本发明任务在于提供一种改进的驱动器组件。本发明通过具有独立权利要求特征的驱动器组件解决该任务。从属权利要求说明优选实施方案。

根据本发明的驱动器组件包括多个半导体开关，这些半导体开关以如下方式布置在一个平面内，即，在平面内的相邻的半导体开关之间的间距都相等，并且每个半导体开关具有相同数量的相邻的半导体开关。

半导体开关例如可以包括双极型晶体管、场效应晶体管、金属氧化物半导体场效应晶体管、晶闸管、开关二极管或绝缘栅双极型晶体管。半导体开关优选是分立的构件，它们可以单独定位在所述平面内。如果每个半导体开关给出相同的热功率，则在这些半导体开关上可以出现相同温度。在半导体开关的所在处的能量输入基于相邻的半导体开关由它们的布置方式而定地针对所有半导体开关来说是大小相等的。由于温度相等，相同的老化、相同的负荷或相同的故障概率适用于所有半导体开关。由此，驱动器组件更可靠或更能加载。

在优选实施方案中，半导体开关均匀分布在圆周线上。换句话说，半导体开关在平面内的布置方式是围绕预定的点旋转对称的。在此还优选的是，这是n次转动对称的，其中，n是所使用的半导体开关的数量。

在一个实施方案中，半导体开关之间的间距限定为它们轮廓的点在平面内的最小间距。在另一实施方案中，可以在每个半导体开关上标出一个点，其中，两个半导体开关之间的间距限定为所配属的点之间的间距。所标出的点例如可以是几何中点或者是半导体开关工作中升温最明显的点。半导体开关的定位可以通过所标出的点的定位说明。

在一个实施方案中，所标出的点具有所述的相对间距就够了，其中，半导体开关在平面内的旋转对准可自由选择。由此，通向半导体开关的引线可以有利地很短或极少交叉地引导。

在另一实施方案中，半导体开关彼此的旋转对准或者关于基准点的旋转对准是有意义的。这些半导体开关可以尤其均匀地彼此对准。为此，可以在各个半导体开关上设置如下的方向，所述方向优选延伸通过上述得所标出的点。这些半导体开关的方向例如可以彼此平行地延伸，或者由这些方向与共同的点围成的角对于所有半导体开关来说可以是相等的。这样尤其在这些半导体开关不足以精确地模块化为径向对称的热源时，可以改善驱动器组件之内的均匀的热分布。

还优选的是，设置有至少六个半导体开关，其中，多相逆变器至少包括驱动器组件。这种逆变器通常包括多个分别具有两个半导体开关的半桥。多相逆变器尤其可以设立用于控制多相电动马达。逆变器尤其可以设置在机动车上，例如用于转向支持或制动支持、后桥电转向、高度电调节(英语：Levelling-by-Wire)以及用于电驱动装置。此外，逆变器可以设置用于通常提供较小结构空间的两轮车辆。

其中至少一个半桥优选与作为分相器的另一半导体开关电耦联(koppeln)，通过该分相器能分开相应的由半桥构成的相。由此，可以在故障情况下产生安全状态。还优选的是，其中每个半桥与作为分相器的另一半导体开关电耦联。此外优选的是，分相器在电传导路径上设置在所配属的半桥的下游。这种分相尤其可以用于例如电转向支持或以其他方式的支持的紧急运行策略。

还优选的是，至少一个分相器布置在平行于半导体开关的平面内。至少一个分相器例如可以布置在半导体开关承载元件的不同于半导体开关所在的另一侧上。承载元件优选是电路板。还优选的是，如果设置多于一个分相器，这些分相器以如同针对半导体开关的前述方式布置在另一侧上。替选的是，这些分相器可以以前述方式与半导体开关一起布置在一个平面内。因而，针对分相器分别可以实现相同的前述优点。

还优选的是，分相器和半导体开关在不同平面内分别布置在圆周线上，其中，在穿过平面的俯视图中，配属于分相器的圆周线由配属于半导体开关的圆周线环绕。由此，可以对具有半导体开关和分相器的承载元件的承载材料的热负荷进行平衡。还可以降低可能的向半导体开关的温度输入。此外，可以实现半导体开关和分相器的紧凑的布置方式。进一步优选地，圆周线具有穿过平面的共同的中点轴线。因而可以获得承载材料的均匀的热负荷。

此外优选的是，设置有用于与半导体开关并且还优选与至少一个分相器热耦联的散热体，其中，散热体包括多个放置于一个平面内的接触区段，这些接触区段用于抵靠在半导体开关上并且还优选地抵靠在至少一个分相器上。通过使用唯一的散热体，可以均匀对半导体开关和还优选地对至少一个分相器进行均匀散热，并且可以得到材料和装配的成本优势。

在一个实施方案中，接触区段由呈圆盘形状的接触面包围。散热体的面对其中一个半导体开关并且还优选面对至少一个分相器的上侧由此可以简单且节省成本地构造。在另一实施方案中，接触区段由如下的接触面包围，该接触面具有如同贴靠在散热体上的半导体开关以及还优选布置在同一平面内的分相器那么多的顶点的正多边形形状。由此，可以改善散热体的散热功率。此外，散热体的固定通过其多边(多角)形状得到简化。还优选的是，散热体可以由同步马达的壳体构造或者替选地以凸缘形式接在所述壳体上。后者尤其有利于密封要求很高的逆变器端侧装配。

在另一实施方案中，接触区段由具有如同贴靠在散热体上的布置在平面内的半导体开关那么多的顶点的正多边形形状的接触面包围。

半导体开关或分相器的旋转布置方式尤其还有利于将逆变器直接接驳至同步马达的端侧或接触侧。由此，可以最短路径地实现接触，其方式是：将马达接触端与承载元件或承载元件接触端连接。为此，可以有利方式充分利用半导体布置的中间自由空间。此外优选的是，具有整合的磁体的马达轴端部也可以借助孔凹口穿过所述自由空间，以便实现使转子位置传感器探测转动角，所述转子位置传感器例如是霍尔触感器，并且优选布置在平行于承载元件的另外的承载元件或电路板上。

在一个实施方案中，半导体开关以及还优选至少一个分相器包括表面装配的构件，其中，半导体开关以及还优选至少一个分相器借助导体迹线电接触，散热体包括放置于平面之外的用于与至少一个导体迹线热耦联的凸起。由此，可以附加地对导体迹线进行散热，从而可以改善地避免驱动器组件区域内的热点(英语“hotspot”)。半导体开关以及还优选至少一个分相器可以布置在任意的、能表面装配的壳体内，其中，在特别优选的实施方案中应用直接场效应管(DirectFET)。

根据一个优选实施方案，给每个半桥配属短路开关，该短路开关与将半桥的两个半导体开关彼此电连接的传导路径电耦联，其中，这些短路开关彼此电连接。借助短路开关例如可以对用作发电机的电动马达进行制动。替选或附加地，基于安全要求可以是直至电动马达静止的制动，该安全要求在故障情况下要求优选相应于安全状态的难以进行的运动能力或受卡阻的运动能力。这种安全要求或这种相短路例如可以以有利方式用于主动式后轮转向***。

短路开关优选是金属氧化物半导体场效应晶体管或直接场效应管。还优选的是，短路开关以与半导体开关或分相器有关的前述方式来布置并且还优选地与散热体耦联。尤其在对短路开关进行时建议这种布置方式以及耦联。在其他方面，短路开关的如前述那样的布置方式(其优选布置在不同于半导体开关所在的另一平面内)不是强制的。

此外优选的是，用于电连接半导体开关的联接端的导体迹线具有基本上大小相等的表面。通过所说明的半导体开关在平面内的布置方式可以实现的是，在几何结构上类似地设计电连接。尤其优选的是，通向不同半导体开关的导体迹线基本上等长、等宽和等厚。电特性例如电阻、阻抗或对电磁干扰场的影响可以彼此相当。此外，单相电流可以相互匹配。还可以获得尽可能低的电磁兼容发射。如果半导体开关电负荷均匀，导体迹线区域内的热功率也能彼此相当。导体迹线的优选实施方案优选能用在导体迹线上，用以电连接一个或多个分相器的联接端和/或短路开关的联接端。

在一个变型方案中，驱动器组件包括预定数量的半导体开关，其中，每个半导体开关配属给至少两个上述的驱动器组件中的一个。换而言之，驱动器组件的半导体开关也可以布置成两组或多组，其中，所述布置规定适用于每一组。这两组可以布置在一个平面或不同平面内。在一个实施方案中，组的平面彼此平行。

此外优选的是，可以设置具有根据前述实施方案之一的分相器或短路开关的冗余的逆变器电路。

附图说明

现在结合附图更准确说明本发明，图中：

图1示出驱动器组件的半导体开关的一种布置方式；

图2示出图1的半导体开关的替选布置方式；

图3示出按照图1的布置方式的三相逆变器的电路图；

图4示出按照图1的布置方式所示的三相逆变器的电路图，该三相逆变器具有按照图1的布置方式的分相器；并且

图5示出按照图1的布置方式所示的三相逆变器的电路图，该三相逆变器具有短路开关；

图6示出图1的驱动器组件的实施方案的侧视图；并且

图7示出图3的三相逆变器上的温度图。

具体实施方案

图1示出驱动器组件100的示意图。驱动器组件100包括多个半导体开关105，其中，在图1纯示范性设置六个半导体开关105。这些半导体开关105类型相同且以二维方式布置在平面110内。在此，布置方式如下，即，每个半导体开关105具有数量相同的相邻的半导体开关105，并且这些相邻的半导体开关105之前的间距均相等。

在所示实施方案中，半导体开关105均匀分布地放置于围绕中点120的圆周线115上。也就是说，半导体开关105在圆周线115上分别以60°彼此错开。这种布置方式关于中点120具有6次转动对称。

半导体开关105的布置方式如下选择，即，用于与半导体开关105热耦联的共同的散热体125可以具有接触面130，其相对于中点120旋转对称并且平行于平面110。在所示实施方案中，散热体125的接触面130具有圆盘形状；在另一实施方案中，接触面130也可以具有规则的多边形形状，其中，优选的是，角数相应于相邻的半导体开关105的数量。

半导体开关105的布置方式的选择主要基于热原因。因此，普遍接受的是在半导体开关105的布置方式中很小的错误或公差。如果需要较高精度的对准，则可以在每个半导体开关105上标出点位135，关于该点位测量半导体开关105之间的定位或间距。在所示实施方案中，标出的这些点位分相对应于半导体开关上表的几何中点并且标出的这些点位135分别放置于圆周线115上，其中，在此，在圆周线115上相邻的半导体开关105的标出的点位135之间的间距大小相等。在另一实施方案中，半导体开关105彼此的间距关于它们的轮廓在平面内的最小间距来限定。在所示实施方案中，半导体开关105在平面110内彼此的旋转对准以不同方式选择。

在另一实施方案中，也考虑每个半导体开关105关于中点120的旋转对准。这例如在如下情况下可以是有意义的，即，半导体开关105在平面110内的轮廓不同于图1所示那样而是长形。为了确定对准，可以在半导体开关105上预定方向140，该方向以优选方式从标出的点位135出发延伸。为了均衡半导体开关105关于中点120的彼此对准，优选的是，全等地选择由方向140分别以经过中点120的半径围成的角度。在另一实施方案中，方向140也以其他方式彼此均衡，其方式例如是：方向140彼此平行地延伸或成对垂直地延伸。

在图1的视图中，每个半导体开关105刚好具有两个相邻的半导体开关105，即，在圆周线115上一个靠右，一个靠左。相距更远的半导体开关105(在它们之间在圆周线115上放置有另一半导体开关105)均为不相邻。

在一个实施方案中，不相邻的半导体开关之间的间距至少有相邻的半导体开关105之间的间距的1.5倍那么大。通过这个条件可以确保的是，半导体开关105对不相邻的半导体开关105的热影响小到可忽略不计。在圆周线115上的六个半导体开关105的所示实施方案中，不相邻的半导体开关105彼此相距例如至少有相邻的半导体开关105彼此相距的1.7倍那么远。

图2示出图1的驱动器组件100的半导体开关105的替选布置方式。在此，形成第一组205和第二组210，它们分别包括驱动器组件100的多个半导体开关105。示范性地在每个组205、210内分别存在三个半导体开关105。半导体开关105根据上述参考图1的布置方式所阐述的预给定布置在各个组205、210中。在所示实施方案中，给每个组205、210配属单独的散热体125；在替选实施方案中，当所有半导体开关105放置于相同的平面110内时，也可以应用单个的散热体125。在又一其他实施方案中，这些半导体开关105也可以放置于平行平面110内，其中，散热体125分别沿背离另一平面110的方向延伸。第一组205的半导体开关105尤其可以布置在电路板的上侧上，而第二组210的半导体开关105可以布置在电路板的下侧上，半导体开关105以机械和电的方式安装在电路板上，其中，散热体125沿相反方向背离电路板延伸。

图3示出三相逆变器300的电路图。视图以混合方式示出，即，半导体开关105及它们的连接作为线路符号示出，与此同时，半导体开关105的布置方式以几何形状来绘制。所示实施方案指向图1的实施例。未示出三相逆变器300的除了驱动器组件100之外的元件。

示范性地，第一引线305与高电势连接，第二引线310与低电势连接。每两个半导体开关105形成引线305与310之间的半桥。半桥的中间截取端作为输出线路315至325被引出。三相电动马达例如可以与这些输出线路连接，三相电动马达的转矩、转速或转动方向可以通过相应地驱控半导体开关105来控制。这种电动马达例如可以用于机动车上的控制任务，例如转向支持或制动支持。

虽然半导体开关105之间的连接并非无交叉地示出，但是可以看到，引线305、310和输出线路315至325可以在几何形状上类似地实施。尤其是对应的线路305至325的长度可以彼此相当。在此，基本上仅考虑线路305至325的放置于围绕未示出中点120的圆周内的部分，其中，该圆周分别接触半导体开关105的径向最外点。

图4和图5分别示出以分相电路或短接电路来扩展的三相逆变器300的电路图。该视图与图3等效实施，因此关于半导体开关105的布置方式和电连接参引图1的相关部分。

图4尤其示出具有分相电路的三相逆变器300，其包括三个构造为分相器的另外的半导体开关106，它们分别配属给由两个半导体开关105组成的半桥并且与之电耦联。分相器106布置在与包括半导体开关105的***的平面平行的平面内。分相器106优选布置在电路板的不同于导体开关105所在的另一侧上。各个分相器106经由配属给各自的半桥的第一输出线路315或第二输出线路320或第三输出线路325与各自的半桥电耦联。因而，分相器106设置在各自的半桥的下游。分相器106的这种布置方式以相应于半导体开关105的布置方式的前述方式来实现，其中，分相器106在平面的俯视图内布置在与半导体开关105相同的圆周线上，其中，一个分相器106布置在两个相邻的半导体开关105之间。根据替选实施例，分相器106布置在如下的圆周线上，该圆周线在***平面的俯视图中放置于具有半导体开关105的圆周线之内。由此，可以实现半导体开关105和分相器106的紧凑的布置方式。此外，具有半导体开关105和分相器106的电路板关于热负荷方面得到进一步平衡。

图5尤其示出具有短接电路的三相逆变器300，其包括三个构造为短路开关的另外的半导体开关107，它们分别配属给由两个半导体开关105组成的半桥并且与之电耦联以及彼此电耦联。短路开关107布置在与包括半导体开关105的***的平面平行的平面内。分相器107优选布置在电路板的不同于导体开关105所在的另一侧上。各个短路开关107与将形成半桥的两个半导体开关105连接的线路电耦联，并且经由共同的连接线路330与其他短路开关107电耦联。因而短路开关107设置在形成半桥的半导体开关105的下游。各个短路开关107布置在其用于与各自的线路联接的联接点附近，以便使用尽量短距离的联接线路。只要例如要对短路开关107的散热，短路开关107的布置方式可以按照另一优选的、未示出的实施例以相应于分相器106布置方式的前述方式来实现。

图6示出图1的驱动器组件100的实施方案的侧视图。电路板400具有上侧405和下侧410。一个或多个与半导体开关105电连接的导体迹线415在上侧405上延伸。在此，半导体开关105在表面装配并且同样放置在电路板400的上侧405。

散热体125的接触面130的接触区段420贴靠在半导体开关105的背离电路板400的抵靠面425上，以便建立热耦联。为了改善热传导、为了电绝缘或高度补偿可以在抵靠面425与接触区段420之间设置热传导垫、热传导膏、云母垫片或在优选尽可能差的导电能力下尽可能具有良好的传热性的另外的元件。

散热体125可以具有凸起430，其位于包括接触区段420的平面110之外。凸起430沿电路板400的方向延伸并且与导体迹线415热耦联。在此，优选导体迹线415被热接驳，该导体迹线包括引线或输出线路305至325；然而也可以包括控制线路。在此，也可以在凸起430与导体迹线415之间设置有用于补偿高度、改善热传导或电绝缘的元件。

图7在靠上的区域中示出六个半导体开关105的圆形布置方式的温度图，这些半导体开关在本示例中被用作用于图3的三相逆变器300的驱动器组件100。图5的靠下的区域中示出半导体开关105的已知的矩形布置方式。

在三相逆变器300中，半导体开关105基本上以相同频率和占空比接通和断开，从而每个半导体开关105实际上将相同的电功率转化为热功率。示出了平面110的俯视图。半导体开关105在它们的上侧与散热体125接触。概括性地示出它们的温度在共同的区域内下降的几何形状区域，其中，以℃的的数字示例性地录入温度范围的平均值。

可以看到，在上方所示的圆形布置方式中，每个半导体开关105的表面仅包括很小的温度范围，并且半导体开关105的表面基本上具有相同温度范围。因而单个的半导体开关105的温度负荷和所有半导体开关105的温度负荷在很大程度上是均匀的。由此，驱动器组件100的半导体开关105的老化和故障概率在其运行时间内基本上可以是相同的。由此，半导体开关105可以改善地按照预定电负荷来设计大小。尤其是在安全关键的应用中，例如在控制伺服电机时(例如用于机动车上的转向支持或制动支持)这可以是有利的。

在下方所示的矩形的布置方式中，在其中相邻的半导体开关彼此间距不等，半导体开关105的表面的温度整体更高。此外，半导体开关105的表面分别包括更多的相距更远的温度范围。半导体开关105具有彼此明显不同的最高和最低温度。可以假设，温度负荷最高的半导体开关105最快老化并且具有最大的故障概率。然而，单个半导体开关105的老化和故障概率很难通过半导体开关105的表面上的明显的温度梯度来确定，从而所示布置方式的负荷性和耐受性可能承受很大的不确定性。此外，较小功率可以通过该逆变器***来持续地切换，这是因为单个半导体开关105的到达极限温度限定了整个***的关断极限或递降极限。

附图标记列表

100 驱动器组件

105 半导体开关

106 分相器

107 短路开关

110 平面

115 圆周线

120 中点

125 散热体

130 接触面

135 点位

140 方向

205 第一组

210 第二组

300 三相逆变器

305 第一引线(高电势)

310 第二引线(低电势)

315 第一输出线路

320 第二输出线路

325 第三输出线路

330 连接线路

400 电路板

405 上侧

410 上侧

415 导体迹线

420 接触区段

425 抵靠面

430 凸起

Claims (11)

1.一种驱动器组件(100)，所述驱动器组件具有多个半导体开关，其特征在于，所述半导体开关以如下方式布置在平面(110)内，即，在同一平面(110)内，相邻的半导体开关之间的间距都相等，并且每个半导体开关具有相同数量的相邻的半导体开关，其中，所述驱动器组件(100)被应用于三相逆变器(300)，并且其中，所述驱动器组件设置有九个半导体开关，其中，所述九个半导体开关包括六个构成配属给三相逆变器的三个相的三个半桥的半导体开关和三个分别构成分相器或短路开关的半导体开关，其中，配属给三相逆变器的三个相的半桥分别由两个半导体开关构成，并且每个半桥分别与一个构成分相器或短路开关的半导体开关电耦联。

2.根据权利要求1所述的驱动器组件(100)，其特征在于，所述六个构成配属给三相逆变器的三个相的三个半桥的半导体开关均匀分布在圆周线(115)上，并且/或者所述三个分别构成分相器或短路开关的半导体开关均匀分布在圆周线上。

3.根据权利要求1或2所述的驱动器组件(100)，其特征在于，不相邻的半导体开关之间的间距至少有相邻的半导体开关之间的间距的1.5倍那么大。

4.根据权利要求1或2所述的驱动器组件(100)，其特征在于，所述六个构成配属给三相逆变器的三个相的三个半桥的半导体开关均匀地彼此对准，并且/或者所述三个分别构成分相器或短路开关的半导体开关均匀地彼此对准。

5.根据权利要求1所述的驱动器组件(100)，其特征在于，所述三个分别构成分相器或短路开关的半导体开关经由共同的连接线路(330)彼此电耦联。

6.根据权利要求1所述的驱动器组件(100)，其特征在于，所述三个分别构成分相器或短路开关的半导体开关布置在另一平面内，所述另一平面不同于构造成半桥的半导体开关所布置在的平面。

7.根据权利要求1或2所述的驱动器组件(100)，其特征在于，具有用于与所述半导体开关热耦联的散热体(125)，其中，所述散热体包括多个放置于相应平面(110)内的、用于抵靠在所述半导体开关上的接触区段(420)。

8.根据权利要求7所述的驱动器组件(100)，其中，所述接触区段(420)由具有圆盘形状的接触面包围。

9.根据权利要求7所述的驱动器组件(100)，其中，所述接触区段(420)由接触面(130)包围，所述接触面具有正多边形形状，其中，所述正多边形形状的顶点数量与贴靠在所述散热体(125)上的布置在同一平面内的半导体开关的数量相同。

10.根据权利要求7所述的驱动器组件(100)，其特征在于，所述半导体开关是表面装配的构件，其中，所述半导体开关借助导体迹线(415)电接触，并且所述散热体(125)包括放置于所述平面(110)之外的、用于与至少一个导体迹线(415)热耦联的凸起(430)。

11.根据权利求中1或2所述的驱动器组件(100)，其特征在于，用于电连接所述半导体开关的接头的导体迹线(415)具有大小相等的表面。