一種功率驅動系統的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及電機的驅動技術領域。
【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RDS_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RDS(_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]為了克服現有技術的不足，本發明目的在于提供一種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的功率驅動系統。
[0005]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，本發明包括一種單層鋁基板的三相并聯電路及電氣結構。
[0006]所述的單層鋁基板的三相并聯電路包括: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10個MOSFET，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U、V、W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銅板材；銅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；銅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
□ O
[0014]本發明與現有技術相比，其有益效果表現如下:
(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。
[0015](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。
[0016](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。
[0017](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。
【附圖說明】
[0018]圖1是本發明的系統不意圖；其中:1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。
[0019]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。
[0020]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。
[0021]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。
[0022]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。
[0023]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。
[0024]圖7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。
[0025]圖8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】
[0026]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。
[0027]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10個MOSFET，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。
[0028]單層鋁基板的三相并