一種功率驅動系統的制作方法

一種功率驅動系統的制作方法
【專利摘要】本發明涉及一種功率驅動系統，包括一種單層鋁基板的三相并聯電路的工藝結構設計，使各匯流區完成對應MOSFET的并聯；一種鋁基板的電源輸入結構，直流電流輸入端采用焊接的方式連接在鋁基板上，采用壓接的方式用螺釘和疊層母線連接；一種交流電流輸出結構，采用壓接方式的輸出接口，采用方形焊盤，用螺釘緊固的方式輸出，使生產操作簡單，效率高并且易于實現模塊化，使得各模塊之間連接簡單；一種疊層母線的結構，利用PCB作為直流母線，正負極分別走PCB頂層和底層，正負極之間非常高的重合性；一種輸入輸出信號結構設計，使得每一橋臂的MOSFET單獨使用一個連接器；一種針對單層鋁基板電性能特點設計的MOSFET布局，使得單塊鋁基板的輸出電流可達到400Arms。
【專利說明】一種功率驅動系統【技術領域】
[0001]本發明涉及一種功率驅動系統，主要用于電機驅動。
【背景技術】
[0002]隨著化石能源的減少及人類對環境污染的日益關注，以電機為動力的驅動系統得以廣泛的應用，尤其在移動交通工具領域得以高速發展，如電動汽車及混合動力汽車動力驅動系統，高速鐵路機車動力驅動系統，軍用艦船驅動系統，無人機無人車驅動系統等。移動交通工具驅動系統目前主要有兩個方向，一類是低壓系統，電池電壓一般在100V以下，主要應用于低速移動交通工具，如低速電動車、無人偵察車等；另一類則是高壓系統，電池電壓一般在200V以上，主要應用于高速移動交通工具，如高度電動車輛、高速鐵路機車等。在驅動系統的功率器件中，MOSFET以其開關速度快，易于并聯，成本相對較低等特點，非常適合低壓系統。低壓MOSFET的目前可以做到十幾毫歐甚至幾毫歐，這樣使得其導通損耗很低，另外其Rdsw具有正溫度系數，使得MOSFET適合于并聯使用，理想狀況下并聯后的電流能力位各單個器件電流之和，因而可以根據系統功率要求，決定并聯MOSFET的個數。但使用多個并聯MOSFET帶來的問題是增加了器件連接、散熱、電流均衡和熱均衡問題。
[0003]目前針對多個MOSFET并聯使用，其結構設計主要有三種:(I)基于復雜直流母線的并聯，這種結構基本采用直插式的M0SFET，的具體實施方法是:先規劃好元件的分布及直流母線的連接方式，然后將固定在直流母線上的MOSFET焊接在設計好的PCB板上，這種結構安裝工藝復雜，實際生產效率低下，而且維修及調試都非常不便；(2)基于單層鋁基板的并聯，這種方法一般采用的是表面貼裝式M0SFET，用單層銅箔連接，其安裝工藝大大簡化，導熱系數高非常利于MOSFET的熱均衡，但是其缺點是電流回路面積大，造成雜散電感大；(3)基于雙層基板的并聯，這種方法一般也采用的是表面貼裝式M0SFET，用雙層銅箔連接，其電流回路小，利于減小雜散電感，安裝工藝和單層鋁基板相當，但是其缺點是鋁基板的生產工藝復雜，成本大大提高，而且因為加入了一層FR-4，導致鋁基板的導熱系數下降，并且不利于MOSFET的熱均衡。當然除了以上方法以外還有其他的一些方法，但都有一定的缺點。

【發明內容】

[0004]本發明的技術解決問題:克服現有技術的不足，提供一種功率驅動系統:基于單層鋁基板配合疊層母線的電氣結構，在減少電流回路面積的同時，保持單層鋁基板導熱率高、熱均衡性好的優點，以較小的面積提供較大的功率密度和良好的熱均衡性。
[0005]本發明的技術解決方案:一種功率驅動系統，其特征在于:包括一種單層鋁基板的三相并聯電路布局及電氣結構。
[0006]所述的單層鋁基板的三相并聯電路布局包括:在單層鋁基板上，由下至上分成3個區域21、22、23 (如圖2所示)，分別是U、V、W相區域，每個區域由上管并聯MOSFET模組和下管并聯MOSFET模組構成，整個三相并聯電路共有6排平行的并聯MOSFET模組，每一排模組中包括η個M0SFET，其中η≤I ;6排并聯MOSFET模組將單層鋁基板分成7個電流匯流區，從下至上分別為U相下管源極匯流區37、U相上管源極與U相下管漏極匯流區36、U相和V相上管漏極匯流區35、V相上管源極與下管漏極匯流區34、W相與V相下管源極匯流區33、W相上管源極與下管漏極匯流區32、W相上管漏極匯流區31 ;在W相上管漏極匯流區31、U相和V相上管漏極匯流區35分別布置有正極電流輸入接口 39，在U相下管漏極匯流區37、V相上管源極與下管漏極匯流區33分別布置有負極電流輸出接口 38 ;在U相上管源極與U相下管漏極匯流區36、V相上管源極與下管漏極匯流區34、W相上管源極與下管漏極匯流區32分別布置有交流輸出接口 310 ；
[0007]由于此三項并聯電路是對稱的，所以以W相的電流走向為例進行電路動態的描述。電流由正極電流輸入接口流入W相上管漏極匯流區，從W相上管并聯MOSFET模組流至W相上管源極與下管漏極匯流區，在W相上管源極與下管漏極匯流區有交流輸出接口，用于輸出電流，電流經W相下管并聯MOSFET模組至W相與V相下管源極匯流區，經負極電流輸出接口流出，完成電流由電源正極輸入至電源負極輸出的電流回路。
[0008]所述電氣結構包括:鋁基板直流輸入輸出結構、交流電流輸出結構、疊層母線結構和輸入輸出信號結構；鋁基板直流輸入輸出結構采用焊接的方式連接在三相并聯電路的正極電流輸入接口 39、負極電流輸出接口 38上；交流電流輸出結構用螺釘緊固的方式連接在三相并聯電路的交流輸出接口 310上；疊層母線結構的輸入輸出壓接位7用螺釘緊固壓裝在直流電流輸入結構上；信號輸入輸出結構焊接在鋁基板上，使得1￥、胃相區域21、22、23分別有一個信號輸入輸出端口。此電氣結構利用PCB作為直流母線，正負極分別走PCB頂層和底層，正負極之間非常高的重合性，有效減少雜散電感，并使生產操作簡單，效率高并且易于實現模塊化，各模塊之間連接簡單可靠。
[0009]所述鋁基板直流輸入輸出結構采用U形導電板材；U形導電板材的一側設有用于焊接的焊接平面91，焊接平面91上設 有用于增加浸潤長度、方便焊接排氣的多個開槽93，此開槽可以有效的增加焊接的浸潤長度，并且 有助于大面積焊接時焊膏內的氣體排出，降低焊接空洞率的同時提高焊接強度；U形導電板材的另一側設有用于壓接的導電平面92，導電平面92上設有用于螺釘安裝的螺紋孔94，外部的輸入輸出電流通過母線、導線等導體壓接在導電平面92上實現和模塊外部的電流輸入和輸出。
[0010]所述交流電流輸出結構包括導電塊101、絕緣護套102、緊定螺釘103。
[0011]所述導電塊101的一側設有2處用于壓接的導電平面104、105，兩處導電平面104、105上均設有安裝孔106 ;導電塊101的另外一側設有I處導電平面107，所述導電平面107上設有螺紋孔108 ;所述絕緣護套102的外部是一個階梯軸109，階梯軸109的中心設有安裝孔110，安裝孔110用于安裝緊定螺釘103，階梯軸109用于壓緊導電塊101。
[0012]所述疊層母線結構采用PCB作為直流母線，有3層，第一層為頂層銅箔，這一層為頂層導電層；第二層為FR-4環氧板；第三層為底層銅箔，即為底層導電層。
[0013]所述信號輸入輸出結構使三相驅動電路的每一相分別使用一個信號輸入輸出端□。
[0014]本發明與現有技術相比，其有益效果表現如下:
[0015](I)本發明在減少電流回路面積的同時，保持單層鋁基板導熱率高、熱均衡性好的優點，這樣可以以較小的面積提供較大的功率密度和良好的熱均衡性。[0016](2)本發明電路方面結構簡單，易于擴展和模塊化，可以通過變更并聯MOSFET的數量來匹配不同功率等級的驅動系統，具有較大的靈活性。
[0017](3)本發明電氣結構方面采用焊接及螺釘緊固的連接方式，工藝易于實現，使得鋁基板生產易于批量化，控制器組裝操作簡單，效率高，可靠性高。
[0018](4)由于減小了回路面積，功率密度高、熱均衡性能好、可靠性高，所以使得系統的整體成本比原有的技術方案低，對低壓驅動系統的推廣能起到積極作用。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1是本發明的系統不意圖；其中:I是導流柱B+、2是導流柱B_、3是電容、4是頂層銅箔、5是FR-4環氧板、6是底層銅箔、7是鋁基板輸入輸出壓接位、8是交流導流柱、9是二相并聯電路。
[0020]圖2是本發明的電路原理圖；其中:21是U相區域、22是V相區域、23是W相區域。
[0021]圖3是本發明的三相并聯電路MOSFET分布及電流關系；其中:31是W相上管匯流區、32是W相上管源極與下管漏極匯流區、33是W相與V相下管源極匯流區、34是V相上管源極與下管漏極匯流區、35是U相和V相上管漏極匯流區、36是U相上管源極與U相下管漏極匯流區、U相下管源極匯流區。
[0022]圖4是本發明的鋁基板示意圖；其中:31是W相上管匯流區、32是W相上管源極與下管漏極匯流區、33是W相與V相下管源極匯流區、34是V相上管源極與下管漏極匯流區、35是U相和V相上管漏極匯流區、36是U相上管源極與U相下管漏極匯流區、U相下管源極匯流區、38是負極電流輸出接口、39是正極電流輸入接口、310是交流輸出接口。
[0023]圖5是本發明的三相并聯電路結構示意圖；其中:51是緊定螺釘，52是絕緣護套，53是導電塊，54是B+鋁基板輸入壓接位，55是鋁基板，56是導熱界面材料，57是散熱片，58、59、510是信號輸入輸出端口、511是M0SFET、512是B-鋁基板輸入壓接位、513是B+鋁基板輸入壓接位、514是B-鋁基板輸入壓接位。
[0024]圖6是本發明的疊層母線結構示意圖；其中:4是頂層銅箔、5是FR-4環氧板、6是底層銅箔。
[0025]圖7是本發明每排3只MOSFET并聯的電路原理圖；
[0026]圖8是本發明每排12只MOSFET并聯的電路原理圖；
[0027]圖9是本發明的鋁基板直流輸入輸出結構示意圖；其中:91是焊接平面，92是用于壓接的導電平面，93是用于增加浸潤長度、方便焊接排氣的多個開槽，94是用于螺釘安裝的螺紋孔。
[0028]圖10是本發明的交流輸入結構示意圖；其中:104、105是導電平面，106是安裝孔、107是導電塊53另外一側的導電平面，108是螺紋孔，109是階梯軸，110是安裝孔。
【具體實施方式】
[0029]如圖1所示，本發明的功率驅動系統包括單層鋁基板的三相并聯電路布局及電氣結構。
[0030]單層鋁基板的三相并聯電路布局包括:在單層鋁基板上，由下至上分成3個區域21、22、23 (如圖2所示)，分別是U、V、W相區域，每個區域由上管并聯MOSFET模組和下管并聯M0SFET模組構成，整個三相并聯電路共有6排平行的并聯M0SFET模組，每一排模組中包 括n個M0SFET，其中n≤1 ;6排并聯M0SFET模組將單層鋁基板分成7個電流匯流區，從下 至上分別為U相下管源極匯流區37、U相上管源極與U相下管漏極匯流區36、U相和V相上 管漏極匯流區35、V相上管源極與下管漏極匯流區34、W相與V相下管源極匯流區33、W相 上管源極與下管漏極匯流區32、W相上管漏極匯流區31 ;在W相上管漏極匯流區31、U相和 V相上管漏極匯流區35分別布置有正極電流輸入接口 39，在U相下管漏極匯流區37、V相 上管源極與下管漏極匯流區33分別布置有負極電流輸出接口 38 ;在U相上管源極與U相下 管漏極匯流區36、V相上管源極與下管漏極匯流區34、W相上管源極與下管漏極匯流區32 分別布置有交流輸出接口 310。
[0031]單層鋁基板的三相并聯電路布局（以并聯M0SFET的數量為8為例）如圖2 ：Q1至 Q16 為 W 相的 MOSFET，Q17 至 Q32 為 V 相的 MOSFET，Q33 至 Q48 位 U 相的 M0SFET。其中 Q1 至Q8這8只MOSFET并聯；Q9至Q16這8只MOSFET并聯；Q17至Q24這8只MOSFET并聯； Q25 至 Q32 這 8 只 MOSFET 并聯，Q33 至 Q40 這 8 只 MOSFET 并聯；Q41 至 Q48 這 8 只 MOSFET 并聯。Q1至Q48在鋁基板上如圖2所示，按U、V、W相的分布將整個鋁基板可分成3個區域， 這48個MOSFET對稱分布在這3個區域中。Q1至Q16分布在W相區域23 ；Q17至Q32分布 在V相區域22 ;Q33至Q48分布在U相區域21。
[0032]在圖2中，同時給出了 MOSFET的電流分布，由于各相電流走向是相同的，這里具體 分析W相的電流走向：
[0033]如圖3中所示，Q1至Q8的源極并聯形成W相上管漏極匯流區31，Q1至Q8的源極 與Q9至Q16的漏極相連形成W相上管源極與下管漏極匯流區32，Q9至Q16的源極并聯形 成W相和V相下管源極匯流區33。
[0034]W相的電流走向如圖3所示，電流由疊層母線電源正端流入W相上管漏極匯流區 31，并從W相上管源極與下管漏極匯流區32流出，通過導電塊53和交流導流柱8輸入輸出 交流電流，W相和V相下管源極匯流區33疊層母線的電源負端連接，完成電流由“B+”輸入 至“B-”輸出的電流回路。圖3中W相上管漏極匯流區31與U相和V相上管漏極匯流區35 通過疊層母線連接，W相和V相下管源極匯流區33和U相下管匯流區37通過疊層母線連 接。
[0035]圖4為招基板不意圖, 對應圖3的連接關系。如圖4所不W相上管漏極匯流區31、 W相和V相下管源極匯流區33、U相和V相上管漏極匯流區35、U相下管源極匯流區37分 別有一個焊盤38，用于焊接電流輸入輸出導電片；在胃相上管源極與下管漏極匯流區32、V 相上管源極與下管漏極匯流區34、U相上管源極與下管漏極匯流區36分別有2個對稱分布 的對外連接焊盤39，用于輸入輸出交流電流。
[0036]所述電氣結構包括：鋁基板直流輸入輸出結構、交流電流輸出結構、疊層母線結構 和輸入輸出信號結構；M0SFET511焊接在鋁基板Q1-Q48的焊盤上；鋁基板直流輸入輸出結 構采用焊接的方式連接在三相并聯電路的正極電流輸入接口 39、負極電流輸出接口 38上； 交流電流輸出結構用螺釘緊固的方式連接在三相并聯電路的交流輸出接口 310上；疊層母 線結構的輸入輸出壓接位7用螺釘緊固壓裝在直流電流輸入結構上；信號輸入輸出結構焊 接在鋁基板上，使得U、V、W相區域21、22、23分別有一個信號輸入輸出端口。
[0037](1)如圖1所示，疊層母線如圖中的4、5、6，通過“1導流柱B+”、“2導流柱B-”與電源相連，通過4個鋁基板輸入輸出壓接位7用螺釘緊固壓裝在三相并聯電路9的直流電流輸入結構上。電流從電源正極通過“I導流柱B+”經頂層銅箔、電容3，流到2個“B+鋁基板輸入壓接位”54、513，傳輸到三相并聯電路9各相的MOSFET漏極匯流區，鋁基板各相的MOSFET源極匯流區通過2個“B-鋁基板輸入壓接位” 512,514,經底層銅箔流至“2導流柱B-”完成電流從電源正極到電源負極的電流回路。此結構不但減少了電流回路面積，同時降低了電路中的寄生電感，有效提聞了電路的載流能力。系統有3個交流導流柱8,以W相為例，螺釘51通過絕緣套52將輸出導流塊53壓接在鋁基板55上，壓接焊盤為方形，如圖4中310所示，交流導流柱8壓接在在導流塊53的導電平面上(如圖10中107所示)，用于系統輸出交流電流。系統有三個信號輸入輸出端，MOSFET控制器信號通過信號輸入輸出端口 58、59、510將三相六路MOSFET的柵極控制信號輸入該功率板，以控制各MOSFET的導通-截止時間，各并聯的MOSFET由同一個控制信號控制；鋁基板55通過導熱界面材料56與散熱片57相連。此種電氣結構使生產操作簡單，效率高并且易于實現模塊化，使得各模塊之間連接簡單。
[0038](2)所述招基板直流輸入輸出結構如圖9所不,米用U形導電板材；U形導電板材的一側設有用于焊接的焊接平面91，焊接平面91上設有用于增加浸潤長度、方便焊接排氣的多個開槽93，此開槽可以有效的增加焊接的浸潤長度，并且有助于大面積焊接時焊膏內的氣體排出，降低焊接空洞率的同時提高焊接強度；U形導電板材的另一側設有用于壓接的導電平面92，導電平面92上設有用于螺釘安裝的螺紋孔94，外部的輸入輸出電流通過母線、導線等導體壓接在導電平面92上實現和模塊外部的電流輸入和輸出。
[0039](3)所述交流電流輸出結構如圖5所示，包括:導電塊53、絕緣護套52、緊定螺釘51 ；
[0040]如圖10所示，所述導電塊53的一側設有2處用于壓接導電平面104、105，導電平面104、105上設有安裝孔106 ;導電塊53的另外一側設有I處導電平面107，所述導電平面107上設有螺紋孔108 ;所述絕緣護套52的外部是一個階梯軸109，階梯軸109的中心設有安裝孔110，安裝孔110用于安裝緊定螺釘51，階梯軸109用于壓緊導電塊53。
[0041](4)所述疊層母線結構采用PCB作為直流母線，有3層，如圖6所示。第一層為頂層銅箔4，這一層為頂層導電層，其銅箔厚度一般為35-140 μ m ;第二層為FR-4環氧板5，其厚度一般在1.0-2.0mm ;第三層為底層銅箔6,這一層為底層導電層，其厚度一般在35-140 μ m。此種結構的疊層母線可以方便的焊接母線電容，使生產操作簡單、效率高并且易于模塊化。
[0042]此三相并聯電路可適用于不同數量的MOSFET并聯(例如由3只MOSFET組成并聯模組的原理圖如圖7所示，由12只MOSFET組成的并聯模組原理圖如圖8所示)可以匹配不同功率等級的驅動系統。同時通過以上方式設計的三相并聯電路還可以當做一個標準功率模塊，可以將以上結構的三相并聯電路并聯使用，并聯時只需通過將相應的輸入輸出端子連接在一起即可。
[0043]總之本發明這種結構是在傳統鋁基板上，通過專門設計的輸入和輸出端口和疊層母線連接為一個整體，可以以較小的板面積提供較大的功率密度和良好的熱均衡性。本發明包括一種單層鋁基板的三相并聯電路的工藝結構設計，使各匯流區完成對應MOSFET的并聯；一種鋁基板的電源輸入結構，直流電流輸入端采用焊接的方式連接在鋁基板上，采用壓接的方式用螺釘和疊層母線連接，使生產操作簡單，效率高并且易于實現模塊化，使得各模塊之間連接簡單；一種交流電流輸出結構，采用壓接方式的輸出接口，采用方形焊盤，用螺釘緊固的方式輸出，使生產操作簡單，效率高并且易于實現模塊化，使得各模塊之間連接簡單；一種疊層母線的結構，利用PCB作為直流母線，正負極分別走PCB頂層和底層，正負極之間非常高的重合性；一種輸入輸出信號結構設計，使得每一橋臂的MOSFET單獨使用一個連接器；一種針對單層鋁基板電性能特點設計的MOSFET布局，使得單塊鋁基板的輸出電流可達到400Arms。
[0044]本發明未詳細闡述部分屬于本領域公知技術。
[0045]利用本發明所述的技術方案，或本領域的技術人員在本發明技術方案的啟發下，設計出類似的技術方案，而達到上述的技術效果的，均是落入本發明的保護范圍。
【權利要求】
1.一種功率驅動系統，其特征在于:包括單層鋁基板的三相并聯電路布局及電氣結構；所述單層鋁基板的三相并聯電路布局包括:在單層鋁基板上，由下至上分成3個區域分別是U、V、W相區域，每個區域由上管并聯MOSFET模組和下管并聯MOSFET模組構成；整個三相并聯電路共有6排平行的并聯MOSFET模組，每一排模組中包括η個M0SFET，其中η≤I ;6排并聯MOSFET模組將單層鋁基板分成7個電流匯流區，從下至上分別為U相下管源極匯流區、U相上管源極與U相下管漏極匯流區、U相和V相上管漏極匯流區35、V相上管源極與下管漏極匯流區、W相與V相下管源極匯流區、W相上管源極與下管漏極匯流區、W相上管漏極匯流區；在W相上管漏極匯流區、U相和V相上管漏極匯流區分別布置有正極電流輸入接口，在U相下管漏極匯流區、V相上管源極與下管漏極匯流區分別布置有負極電流輸出接口 ；在U相上管源極與U相下管漏極匯流區、V相上管源極與下管漏極匯流區、W相上管源極與下管漏極匯流區分別布置有交流輸出接口；所述電氣結構包括:鋁基板直流輸入輸出結構、交流電流輸出結構、疊層母線結構和輸入輸出信號結構；鋁基板直流輸入輸出結構采用焊接的方式連接在三相并聯電路的正極電流輸入接口、負極電流輸出接口上；交流電流輸出結構用螺釘緊固的方式連接在三相并聯電路的交流輸出接口上；疊層母線結構的輸入輸出壓接位用螺釘緊固壓裝在直流電流輸入結構上；信號輸入輸出結構焊接在鋁基板上，使得U、V、W相區域分別有一個信號輸入輸出端口。
2.根據權利要求1所述的功率驅動系統，其特征在于:所述鋁基板直流輸入輸出結構采用U形導電板材山形導電板材的一側設有用于焊接的焊接平面，焊接平面上設有用于增加浸潤長度、方便焊接排氣的多個開槽，此開槽能夠有效的增加焊接的浸潤長度，并且有助于大面積焊接時焊膏內的氣體排出，降低焊接空洞率的同時提高焊接強度；U形導電板材的另一側設有用于壓接的導電平面，導電平面上設有用于螺釘安裝的螺紋孔，外部的輸入輸出電流通過母線、導線等導體壓接在導電平面上實現和模塊外部的電流輸入和輸出。
3.根據權利要求1所述的功率驅動系統，其特征在于:所述交流電流輸出結構包括導電塊、絕緣護套和緊定螺釘；所述導電塊的一側設有兩處用于壓接的導電平面，兩處導電平面上均設有安裝孔；導電塊的另外一側設有I處導電平面，所述導電平面上設有螺紋孔；所述絕緣護套的外部是一個階梯軸，階梯軸的中心設有安裝孔，安裝孔用于安裝緊定螺釘，階梯軸用于壓緊導電塊。
4.根據權利要求1所述的功率驅動系統，其特征在于:所述疊層母線結構采用PCB作為直流母線，有3層，第一層為頂層銅箔，這一層為頂層導電層；第二層為FR-4環氧板；第三層為底層銅箔，即為底層導電層。
5.根據權利要求1所述的功率驅動系統，其特征在于:所述輸入輸出結構使三相驅動電路的每一相分別使用一個信號輸入輸出端口。
【文檔編號】H02M7/00GK103560682SQ201310326699
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2013年7月31日 優先權日:2013年7月31日
【發明者】佟炳然, 劉杰 申請人:佟炳然