CN216162569U - 一种功率模块组件及电机控制器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种功率模块组件及电机控制器，功率模块组件包括对应交流电每一相的功率模块，功率模块包括输出铜排以及一一对应的上桥IGBT单管和下桥IGBT单管，上桥IGBT单管的集电极和外部直流电正极电连接，下桥IGBT单管的发射极和外部直流电负极电连接，上桥IGBT单管的发射极和下桥IGBT单管的集电极分别和输出铜排电连接，上桥IGBT单管、下桥IGBT单管底部分别设有用于导热的陶瓷覆铜板。本实用新型只需单个功率模块组件就可以输出交流电的每一相，减小了设备的体积，每个功率模块中IGBT单管进行并联以输出高功率和高密度电流，此外IGBT单管用陶瓷覆铜板导热，省去导热硅脂并降低了功率模块的热阻。

Description

一种功率模块组件及电机控制器

技术领域

本实用新型涉及功率半导体器件技术领域，尤其涉及一种功率模块组件及电机控制器。

背景技术

新能源电机控制器作为新能源汽车的核心部件之一，它是新能源汽车实现各种工作模式的关键，直接影响整车性能。

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，绝缘栅双极型晶体管，是由BJT(双极型三极管) 和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件,兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点，在电机控制器中，IGBT功率模块组件是电机控制器最核心的器件，其成本占到电机控制器总成成本的40％左右。目前，IGBT功率模块组件大多被国外公司垄断，不同厂商生产的功率模块组件由于模块形式和接口尺寸不同，其兼容性较差。

中国专利CN110254247A公开了一种半桥功率模块组件，采用固定于支撑结构件内的至少两个功率IGBT单管，并通过输出铜排、正极铜排和负极铜排将所述至少两个功率IGBT 单管并联，以实现传统功率模块高功率、高电流密度输出的功能，且区别于传统功率模块，其兼容性更好，但是该专利采用三个独立的功率模块组件才能组成一个完整的电机控制器，单个功率模块组件仅支持单相电流，增加了电机控制器的复杂程度。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本实用新型提供一种功率模块组件及电机控制器，结构紧凑且具有良好的散热性能。

为解决上述技术问题，本实用新型提出的技术方案为：

一种功率模块组件，包括三个与交流电每一相一一对应的功率模块，所述功率模块包括用于输出对应相的输出铜排以及至少一对上桥IGBT单管和至少一对下桥IGBT单管，所述上桥IGBT单管和下桥IGBT单管一一对应，所述上桥IGBT单管的集电极和外部直流电的正极电连接，所述下桥IGBT单管的发射极和外部直流电的负极电连接，所述上桥IGBT单管的发射极和下桥IGBT单管的集电极分别和输出铜排电连接，每一对上桥IGBT单管、每一对下桥IGBT单管底部分别设有用于导热的陶瓷覆铜板。

进一步的，所述上桥IGBT单管的引脚侧设有用于连接集电极的集电极端子，每一对上桥IGBT单管相对于引脚侧的另一侧设有上桥集电极铜排，所述上桥IGBT单管的集电极端子通过对应的陶瓷覆铜板和对应的上桥集电极铜排电连接，所述上桥集电极铜排和外部直流电的正极连接。

进一步的，所述下桥IGBT单管的引脚侧设有用于连接集电极的集电极端子，每一对下桥IGBT单管相对于引脚侧的另一侧设有下桥集电极铜排，所述下桥IGBT单管的集电极端子通过对应的陶瓷覆铜板和对应的下桥集电极铜排电连接，所述下桥集电极铜排和输出铜排电连接。

进一步的，还包括用于连接外部直流电负极的负极铜排，所述下桥IGBT单管的引脚侧设有用于连接发射极的发射极引脚，所述下桥IGBT单管的发射极引脚通过负极铜排和外部直流电的负极连接。

进一步的，还包括散热器，所述陶瓷覆铜板分别固定设置于散热器上。

进一步的，所述散热器内部设有空腔，所述空腔中设有散热齿，所述散热器底部设有与所述空腔连通的进水端口和出水端口，所述进水端口和出水端口上分别套设有密封圈。

本实用新型还提出一种电机控制器，包括箱体内从上至下依次布置的驱动板、功率模块组件和控制板，所述功率模块组件为任一所述的功率模块组件，所述驱动板和功率模块组件中每个上桥IGBT单管、下桥IGBT单管、上桥集电极铜排、下桥集电极铜排电连接，所述控制板和驱动板电连接。

进一步的，还包括直流输入接口以及交流输出组件，所述直流输入接口以及交流输出组件分别设置于所述功率模块组件中的散热器上，所述交流输出组件和每个输出铜排电连接，所述直流输入接口和上桥集电极铜排以及负极铜排电连接。

进一步的，所述交流输出组件上设有电流传感器，所述电流传感器和驱动板电连接。

进一步的，还包括低压直流输入接口，所述低压直流输入接口设置于箱体上，所述低压直流输入接口和控制板电连接。

与现有技术相比，本实用新型的优点在于：

1.本实用新型设置与三个与交流电每一相一一对应的功率模块，从而单个功率模块组件就可以输出交流电的每一相，减小了设备的体积，每个功率模块中，上桥IGBT单管的集电极和外部直流电的正极电连接，下桥IGBT单管的发射极和外部直流电的负极电连接，上桥 IGBT单管的发射极和下桥IGBT单管的集电极分别和输出铜排电连接，从而将每一对上桥 IGBT单管进行并联且每一对下桥IGBT单管进行并联，可以输出高功率和高密度电流，且具有良好兼容性，此外每个功率模块中，每一对上桥IGBT单管、每一对下桥IGBT单管底部分别设有用于导热的陶瓷覆铜板，省去了导热硅脂的涂覆，降低了功率模块的热阻；

2.本实用新型的上桥IGBT单管衬底的集电极通过对应的陶瓷覆铜板和对应的上桥集电极铜排电连接，下桥IGBT单管衬底的集电极通过对应的陶瓷覆铜板和对应的下桥集电极铜排电连接，利用了铜排和陶瓷覆铜板的导电特性，电流通过集电极铜排和陶瓷覆铜基板直接到IGBT单管衬底的集电极，降低了热损耗并提高了散热性能，同时降低了杂散电感；

3.本实用新型实施例的电机控制器中，控制板、功率模块组件和驱动板分层布置，结构紧凑，提高了空间利用率。

附图说明

图1为本实用新型实施例的功率模块组件的结构图。

图2为本实用新型实施例的电机控制器的外部结构图。

图3为本实用新型实施例的电机控制器的内部结构图。

图例说明：10-直流输入接口、20-盖板、30-箱体、40-低压直流输入接口、50-驱动板、60-功率模块组件、61-负极铜排、62-输出铜排、63-上桥集电极铜排、64-IGBT单元、641-上桥IGBT单管、642-下桥IGBT单管、65-陶瓷覆铜板、66-端口、661-进水端口、662-出水端口、67-密封圈、68-散热器、69-下桥集电极铜排、70-电流传感器、80-交流输出组件、90- 水管接头、100-控制板、110-电容单元。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本实用新型作进一步描述，但并不因此而限制本实用新型的保护范围。

如图1所示，本实用新型提出的功率模块组件包括三个与交流电每一相一一对应的功率模块，图1中的三个功率模块沿功率模块组件的长度方向依次布置，分别对应交流电的U/V/W 相，每一个所述功率模块均包括用于输出对应相的输出铜排62以及IGBT单元64，IGBT单元64包括至少一对上桥IGBT单管641和至少一对下桥IGBT单管642，所述上桥IGBT单管641和下桥IGBT单管642一一对应，所述上桥IGBT单管641的集电极和外部直流电的正极电连接，所述下桥IGBT单管642的发射极和外部直流电的负极电连接，所述上桥IGBT 单管641的发射极和下桥IGBT单管642的集电极分别和输出铜排62电连接，通过上述结构，功率模块组件可以直接输出交流电每一相，减小了设备的体积，同时功率模块中将至少一对上桥IGBT单管641并联组成上桥臂，将至少一对下桥IGBT单管642并联组成下桥臂，通过采用多个IGBT单管并联来实现高功率和高密度电流的输出，可扩展性强，兼容性好且成本相对较低。

如图1所示，本实施例中，每一对上桥IGBT单管641底部设有陶瓷覆铜板65，每一对下桥IGBT单管642底部也设有陶瓷覆铜板65，覆铜陶瓷(Direct Bonding Copper，简称为“DBC”)基板简称陶瓷覆铜板，由顶部金属层、中间陶瓷层以及底部金属层构成，具有陶瓷的高导热、高电绝缘、高机械强度、低膨胀等特性，通过将陶瓷覆铜板65设置于上桥IGBT 单管641底部和下桥IGBT单管642底部，有效改善了导热效果，省去了导热硅脂的涂覆，简化了功率模块的结构也降低了功率模块的热阻。

对于上桥IGBT单管641和下桥IGBT单管642，其引脚侧原本设有用于连接栅极的栅极引脚、用于连接集电极的集电极引脚以及用于连接发射极的发射极引脚，本实施例中，我们将上桥IGBT单管641和下桥IGBT单管642引脚侧的集电极引脚切除预设长度，集电极引脚切除预设长度后的保留部分为集电极端子，我们还单独设计了上桥集电极铜排63和下桥集电极铜排69，功率模块中，每一对上桥IGBT单管641分别对应一个上桥集电极铜排63，每一对下桥IGBT单管642分别对应一个下桥集电极铜排69，上桥集电极铜排63和下桥集电极铜排69分别设置于对应的上桥IGBT单管641和下桥IGBT单管642相对于引脚侧的另一侧，每一对上桥IGBT单管641的集电极端子和对应的上桥集电极铜排63通过焊接的方式与对应的陶瓷覆铜板65的金属层电连接，每一对下桥IGBT单管642的集电极端子和对应的下桥集电极铜排69也通过焊接的方式与对应的陶瓷覆铜板65的金属层电连接，使得整个回路的杂散电感更小，热损耗更低，上桥IGBT单管641以及下桥IGBT单管642的电流输出能力更强，功率模块中，所述上桥集电极铜排63和外部直流电的正极电连接，每一对上桥IGBT单管641的发射极引脚以及下桥集电极铜排69通过焊接的方式和输出铜排62电连接。

通过上述结构，对于上桥IGBT单管641，传输至集电极的电流通过对应的上桥集电极铜排63和陶瓷覆铜板65输入而不是从集电极引脚输入，同样的对于下桥IGBT单管642，传输至集电极的电流通过对应的下桥集电极铜排69和陶瓷覆铜板65输入而不是从集电极引脚输入，整个回路的杂散电感更小，热损耗更低，IGBT的电流输出能力更强，由于铜的导电性能良好，陶瓷覆铜板65表面的覆铜增加了集电极的截流面积，散热性能更好，且陶瓷覆铜板 65中的陶瓷层具有良好导热性，因此相比于从集电极引脚直接向IGBT单管衬底的集电极输入电流，本实施例的方案热损耗更低且散热性能更好，功率模块的杂散电感也相对较低。

如图1所示，本实施例中，功率模块组件还包括用于连接外部直流电负极的负极铜排61，每个功率模块中，每一对下桥IGBT单管642的发射极引脚分别通过焊接的方式与负极铜排 61电连接，从而确保连接稳固且避免连接外部直流电负极时存在发射极引脚断路或者接触不良的情况。

通过上文所述的连接结构，功率模块组件中每个功率模块的电流回路为：正极电流依次通过上桥集电极铜排63和对应的陶瓷覆铜基板65发往对应的上桥IGBT单管641的集电极，然后经上桥IGBT单管641的发射极引脚发往输出铜排62，并输出对应相的电流，同时由输出铜排62经对应的下桥集电极铜排69和对应的陶瓷覆铜基板65发往对应的下桥IGBT单管 642的集电极，然后经下桥IGBT单管642的发射极引脚发往负极铜排61，最后通至负极。

如图1所示，本实施例中，功率模块组件还包括散热器68，所述陶瓷覆铜板65分别通过焊接的方式固定设置于散热器68上，通过陶瓷覆铜板65的导热性能，散热器68能够迅速为每个功率模块的进行降温。

本实施例中，所述散热器68内部设有空腔，所述空腔中设有散热齿，如图1所示，本实施例中，所述散热器68底部设有两个与所述空腔连通的端口66，分别为进水端口661和出水端口662，进水端口661和出水端口662通过胶接、螺纹连接或者压接的方式与散热器68连接，进水端口661和出水端口662分别与散热器68的空腔连通形成水流通道，通过水冷的方式提高散热效率，所述进水端口661和出水端口662上分别套设有密封圈67，可以连接水管时密封水道。

如图2和图3所示，本实用新型还提出一种电机控制器，包括箱体30内从上至下依次布置的驱动板50、功率模块组件60、控制板100，所述功率模块组件60为任一所述的功率模块组件，所述驱动板50和功率模块组件中每个上桥IGBT单管641的发射极引脚及栅极引脚、下桥IGBT单管642的发射极引脚及栅极引脚、上桥集电极铜排63、下桥集电极铜排69通过焊接的方式电连接，所述控制板100和驱动板50通过排线的方式电连接，控制板100发射低压信号给驱动板50，低压信号在驱动板50被信号放大后控制上桥IGBT单管641以及下桥IGBT单管642开通和关断。

通过上述结构，驱动板50、功率模块组件60、控制板100分层布置，结构紧凑，提高了箱体30内部的空间利用率。

如图2所示，本实施例中，箱体30顶部设有盖板20，从而便于根据实际需要打开盖板 20对箱体30内部的设备进行维护。

如图2和图3所示，本实施例中的电机控制器还包括直流输入接口10以及交流输出组件 80，交流输出组件80是由三根铜排(U\V\W三相)和一个注塑件通过包塑在一起构成的一个整体，所述直流输入接口10以及交流输出组件80分别通过螺钉固定设置于功率模块组件 60中的散热器68上，所述交流输出组件80U\V\W三相的三根铜排和对应相的功率模块的输出铜排62通过焊接的方式电连接，从而可以输出用于驱动电机的U相、V相和W相交流电，所述直流输入接口10和上桥集电极铜排63以及负极铜排61电连接，从而向上桥集电极铜排63输入直流电正极并向负极铜排61输入直流电负极。

本实施例中，直流输入接口10采用插接件，此外，本实施例中的电机控制器还包括电容单元110，电容单元110设置于散热器68上，插接件通过电容单元110和上桥集电极铜排63 以及负极铜排61电连接，本实施例中电容单元110采用直流支撑电容器，直流支撑电容器通过螺钉固定设置于散热器68上，插接件通过直流支撑电容器和上桥集电极铜排63以及负极铜排61电连接，插接件、上桥集电极铜排63以及负极铜排61分别和直流支撑电容器通过焊接方式电连接。直流支撑电容器可以对插接件的输出电压进行平滑滤波，并且防止电压过冲和瞬时过电压对上桥IGBT单管641造成影响

如图3所示，本实施例的电机控制器中，所述交流输出组件80上设有电流传感器70，电流传感器70通过螺钉固定设置于交流输出组件80上，用于采集交流输出组件80输出的电流，所述电流传感器70和驱动板50通过焊接的方式电连接，从而将采集的电流数据反馈给驱动板50，便于驱动板50根据电流数据进行后续调整。

如图2和图3所示，本实施例中的电机控制器还包括低压直流输入接口40，所述低压直流输入接口40设置于箱体30上，所述低压直流输入接口40和控制板100电连接。本实施例中，低压直流输入接口40也采用插接件，所述插接件通过螺钉固定设置于箱体30上，并且通过线束与控制板100电连接。

如图3所示，本实施例的电机控制器中，所述箱体30的底部设有水管接头90，所述水管接头90通过螺钉固定设置于箱体30的底部，所述水管接头90分别和进水端口661、出水端口662一一对应，进水端口661、出水端口662的端部分别插设于对应水管接头90的内孔中，进水端口661的密封圈67设置于进水端口661外壁与对应水管接头90的内孔间的空隙，出水端口662的密封圈67设置于出水端口662外壁与对应水管接头90的内孔间的空隙，使得进水端口661、出水端口662分别和对应的水管接头90安装稳固并增加了密封性。

上述只是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型作任何形式上的限制。虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本实用新型。因此，凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本实用新型技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种功率模块组件，其特征在于，包括三个与交流电每一相一一对应的功率模块，所述功率模块包括用于输出对应相的输出铜排(62)以及至少一对上桥IGBT单管(641)和至少一对下桥IGBT单管(642)，所述上桥IGBT单管(641)和下桥IGBT单管(642)一一对应，所述上桥IGBT单管(641)的集电极和外部直流电的正极电连接，所述下桥IGBT单管(642)的发射极和外部直流电的负极电连接，所述上桥IGBT单管(641)的发射极和下桥IGBT单管(642)的集电极分别和输出铜排(62)电连接，每一对上桥IGBT单管(641)、每一对下桥IGBT单管(642)底部分别设有用于导热的陶瓷覆铜板(65)。

2.根据权利要求1所述的功率模块组件，其特征在于，所述上桥IGBT单管(641)的引脚侧设有用于连接集电极的集电极端子，每一对上桥IGBT单管(641)相对于引脚侧的另一侧设有上桥集电极铜排(63)，所述上桥IGBT单管(641)的集电极端子通过对应的陶瓷覆铜板(65)和对应的上桥集电极铜排(63)电连接，所述上桥集电极铜排(63)和外部直流电的正极连接。

3.根据权利要求1所述的功率模块组件，其特征在于，所述下桥IGBT单管(642)的引脚侧设有用于连接集电极的集电极端子，每一对下桥IGBT单管(642)相对于引脚侧的另一侧设有下桥集电极铜排(69)，所述下桥IGBT单管(642)的集电极端子通过对应的陶瓷覆铜板(65)和对应的下桥集电极铜排(69)电连接，所述下桥集电极铜排(69)和输出铜排(62)电连接。

4.根据权利要求1所述的功率模块组件，其特征在于，还包括用于连接外部直流电负极的负极铜排(61)，所述下桥IGBT单管(642)的引脚侧设有用于连接发射极的发射极引脚，所述下桥IGBT单管(642)的发射极引脚通过负极铜排(61)和外部直流电的负极连接。

5.根据权利要求1所述的功率模块组件，其特征在于，还包括散热器(68)，所述陶瓷覆铜板(65)分别固定设置于散热器(68)上。

6.根据权利要求5所述的功率模块组件，其特征在于，所述散热器(68)内部设有空腔，所述空腔中设有散热齿，所述散热器(68)底部设有与所述空腔连通的进水端口(661)和出水端口(662)，所述进水端口(661)和出水端口(662)上分别套设有密封圈(67)。

7.一种电机控制器，其特征在于，包括箱体(30)内从上至下依次布置的驱动板(50)、功率模块组件(60)和控制板(100)，所述功率模块组件(60)为权利要求1-6任一所述的功率模块组件，所述驱动板(50)和所述功率模块组件中每个上桥IGBT单管(641)、下桥IGBT单管(642)、上桥集电极铜排(63)、下桥集电极铜排(69)电连接，所述控制板(100)和驱动板(50)电连接。

8.根据权利要求7所述的电机控制器，其特征在于，还包括直流输入接口(10)以及交流输出组件(80)，所述直流输入接口(10)以及交流输出组件(80)分别设置于所述功率模块组件中的散热器(68)上，所述交流输出组件(80)和每个输出铜排(62)电连接，所述直流输入接口(10)和上桥集电极铜排(63)以及负极铜排(61)电连接。

9.根据权利要求8所述的电机控制器，其特征在于，所述交流输出组件(80)上设有电流传感器(70)，所述电流传感器(70)和驱动板(50)电连接。

10.根据权利要求7所述的电机控制器，其特征在于，还包括低压直流输入接口(40)，所述低压直流输入接口(40)设置于箱体(30)上，所述低压直流输入接口(40)和控制板(100)电连接。

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