一種功率驅(qū)動系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及電機(jī)的驅(qū)動技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著化石能源的減少及人類對環(huán)境污染的日益關(guān)注，以電機(jī)為動力的驅(qū)動系統(tǒng)得以廣泛的應(yīng)用，尤其在移動交通工具領(lǐng)域得以高速發(fā)展，如電動汽車及混合動力汽車動力驅(qū)動系統(tǒng)，高速鐵路機(jī)車動力驅(qū)動系統(tǒng)，軍用艦船驅(qū)動系統(tǒng)，無人機(jī)無人車驅(qū)動系統(tǒng)等。移動交通工具驅(qū)動系統(tǒng)目前主要有兩個方向，一類是低壓系統(tǒng)，電池電壓一般在100V以下，主要應(yīng)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(tǒng)，電池電壓一般在200V以上，主要應(yīng)用于高速移動交通工具，如高度電動車輛、高速鐵路機(jī)車等。在驅(qū)動系統(tǒng)的功率器件中，MOSFET以其開關(guān)速度快，易于并聯(lián)，成本相對較低等特點(diǎn)，非常適合低壓系統(tǒng)。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(dǎo)通損耗很低，另外其RDS(_具有正溫度系數(shù)，使得MOSFET適合于并聯(lián)使用，理想狀況下并聯(lián)后的電流能力位各單個器件電流之和，因而可以根據(jù)系統(tǒng)功率要求，決定并聯(lián)MOSFET的個數(shù)。但使用多個并聯(lián)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(lián)使用，其結(jié)構(gòu)設(shè)計主要有三種:(I)基于復(fù)雜直流母線的并聯(lián)，這種結(jié)構(gòu)基本采用直插式的M0SFET，的具體實施方法是:先規(guī)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(shè)計好的PCB板上，這種結(jié)構(gòu)安裝工藝復(fù)雜，實際生產(chǎn)效率低下，而且維修及調(diào)試都非常不便；(2)基于單層鋁基板的并聯(lián)，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(dǎo)熱系數(shù)高非常利于MOSFET的熱均衡，但是其缺點(diǎn)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(lián)，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(dāng)，但是其缺點(diǎn)是鋁基板的生產(chǎn)工藝復(fù)雜，成本大大提高，而且因為加入了一層FR-4，導(dǎo)致鋁基板的導(dǎo)熱系數(shù)下降，并且不利于MOSFET的熱均衡。當(dāng)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(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明目的在于提供一種保持單層鋁基板導(dǎo)熱率高、熱均衡性好的優(yōu)點(diǎn)，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(qū)動系統(tǒng)。
[0005]基于單層鋁基板配合疊層母線的電氣結(jié)構(gòu)，在減少電流回路面積的同時，保持單層鋁基板導(dǎo)熱率高、熱均衡性好的優(yōu)點(diǎn)，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(fā)明包括一種單層鋁基板的三相并聯(lián)電路及電氣結(jié)構(gòu)。
[0006]所述的單層鋁基板的三相并聯(lián)電路包括:在單層鋁基板上，由下至上分成3個區(qū)域21、22、23 (如圖2所示)，分別是U、V、W相區(qū)域，每個區(qū)域由上管并聯(lián)MOSFET模組和下管并聯(lián)MOSFET模組構(gòu)成，整個三相并聯(lián)電路共有6排平行的并聯(lián)MOSFET模組，每一排模組中包括10個MOSFET，6排并聯(lián)MOSFET模組將單層鋁基板分成7個電流匯流區(qū)，從下至上分別為U相下管源極匯流區(qū)37、U相上管源極與U相下管漏極匯流區(qū)36、U相和V相上管漏極匯流區(qū)35、V相上管源極與下管漏極匯流區(qū)34、W相與V相下管源極匯流區(qū)33、W相上管源極與下管漏極匯流區(qū)32、W相上管漏極匯流區(qū)31 ;在W相上管漏極匯流區(qū)31、U相和V相上管漏極匯流區(qū)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(qū)37、V相上管源極與下管漏極匯流區(qū)33分別布置有負(fù)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(qū)36、V相上管源極與下管漏極匯流區(qū)34、W相上管源極與下管漏極匯流區(qū)32分別布置有交流輸出接口 310。
[0007]由于此三項并聯(lián)電路是對稱的，所以以W相的電流走向為例進(jìn)行電路動態(tài)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(qū)，從W相上管并聯(lián)MOSFET模組流至W相上管源極與下管漏極匯流區(qū)，在W相上管源極與下管漏極匯流區(qū)有交流輸出接口，用于輸出電流，電流經(jīng)W相下管并聯(lián)MOSFET模組至W相與V相下管源極匯流區(qū)，經(jīng)負(fù)極電流輸出接口流出，完成電流由電源正極輸入至電源負(fù)極輸出的電流回路。
[0008]所述電氣結(jié)構(gòu)包括:鋁基板直流輸入輸出結(jié)構(gòu)、交流電流輸出結(jié)構(gòu)、疊層母線結(jié)構(gòu)和輸入輸出信號結(jié)構(gòu)；鋁基板直流輸入輸出結(jié)構(gòu)采用焊接的方式連接在三相并聯(lián)電路的正極電流輸入接口 39、負(fù)極電流輸出接口 38上；交流電流輸出結(jié)構(gòu)用螺釘緊固的方式連接在三相并聯(lián)電路的交流輸出接口 310上；疊層母線結(jié)構(gòu)的輸入輸出壓接位7用螺釘緊固壓裝在直流電流輸入結(jié)構(gòu)上；信號輸入輸出結(jié)構(gòu)焊接在鋁基板上，使得U、V、W相區(qū)域21、22、23分別有一個信號輸入輸出端口。此電氣結(jié)構(gòu)利用PCB作為直流母線，正負(fù)極分別走PCB頂層和底層，正負(fù)極之間非常高的重合性，有效減少雜散電感，并使生產(chǎn)操作簡單，效率高并且易于實現(xiàn)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(jié)構(gòu)采用銅板材；銅板材的一側(cè)設(shè)有用于焊接的焊接平面91，焊接平面91上設(shè)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(nèi)的氣體排出，降低焊接空洞率的同時提高焊接強(qiáng)度；銅板材的另一側(cè)設(shè)有用于壓接的導(dǎo)電平面92，導(dǎo)電平面92上設(shè)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(dǎo)線等導(dǎo)體壓接在導(dǎo)電平面92上實現(xiàn)和模塊外部的電流輸入和輸出。
[0010]所述交流電流輸出結(jié)構(gòu)包括導(dǎo)電塊101、絕緣護(hù)套102、緊定螺釘103。
[0011]所述導(dǎo)電塊101的一側(cè)設(shè)有2處用于壓接的導(dǎo)電平面104、105，兩處導(dǎo)電平面104、105上均設(shè)有安裝孔106 ;導(dǎo)電塊101的另外一側(cè)設(shè)有I處導(dǎo)電平面107，所述導(dǎo)電平面107上設(shè)有螺紋孔108 ;所述絕緣護(hù)套102的外部是一個階梯軸109，階梯軸109的中心設(shè)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(dǎo)電塊101。
[0012]所述疊層母線結(jié)構(gòu)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(dǎo)電層；第二層為FR-4環(huán)氧板；第三層為底層銅箔，即為底層導(dǎo)電層。
[0013]所述信號輸入輸出結(jié)構(gòu)使三相驅(qū)動電路的每一相分別使用一個信號輸入輸出端
□ O
[0014]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其有益效果表現(xiàn)如下:
(I)本發(fā)明在減少電流回路面積的同時，保持單層鋁基板導(dǎo)熱率高、熱均衡性好的優(yōu)點(diǎn)，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(fā)明電路方面結(jié)構(gòu)簡單，易于擴(kuò)展和模塊化，可以通過變更并聯(lián)MOSFET的數(shù)量來匹配不同功率等級的驅(qū)動系統(tǒng)，具有較大的靈活性。
[0016](3)本發(fā)明電氣結(jié)構(gòu)方面采用焊接及螺釘緊固的連接方式，工藝易于實現(xiàn)，使得鋁基板生產(chǎn)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(tǒng)的整體成本比原有的技術(shù)方案低，對低壓驅(qū)動系統(tǒng)的推廣能起到積極作用。
【附圖說明】
[0018]圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)不意圖；其中:1是導(dǎo)流柱B+、2是導(dǎo)流柱B_、3是電容、4是頂層銅箔、5是FR-4環(huán)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(dǎo)流柱、9是二相并聯(lián)電路。
[0019]圖2是本發(fā)明的電路原理圖；其中:21是U相區(qū)域、22是V相區(qū)域、23是W相區(qū)域。
[0020]圖3是本發(fā)明的三相并聯(lián)電路MOSFET分布及電流關(guān)系；其中:31是W相上管匯流區(qū)、32是W相上管源極與下管漏極匯流區(qū)、33是W相與V相下管源極匯流區(qū)、34是V相上管源極與下管漏極匯流區(qū)、35是U相和V相上管漏極匯流區(qū)、36是U相上管源極與U相下管漏極匯流區(qū)、U相下管源極匯流區(qū)。
[0021]圖4是本發(fā)明的鋁基板示意圖；其中:31是W相上管匯流區(qū)、32是W相上管源極與下管漏極匯流區(qū)、33是W相與V相下管源極匯流區(qū)、34是V相上管源極與下管漏極匯流區(qū)、35是U相和V相上管漏極匯流區(qū)、36是U相上管源極與U相下管漏極匯流區(qū)、U相下管源極匯流區(qū)、38是負(fù)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(fā)明的三相并聯(lián)電路結(jié)構(gòu)示意圖；其中:51是緊定螺釘，52是絕緣護(hù)套，53是導(dǎo)電塊，54是B+鋁基板輸入壓接位，55是鋁基板，56是導(dǎo)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(fā)明的疊層母線結(jié)構(gòu)示意圖；其中:4是頂層銅箔、5是FR-4環(huán)氧板、6是底層銅箔。
[0024]圖7是本發(fā)明的鋁基板直流輸入輸出結(jié)構(gòu)示意圖；其中:91是焊接平面，92是用于壓接的導(dǎo)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(fā)明的交流輸入結(jié)構(gòu)示意圖；其中:104、105是導(dǎo)電平面，106是安裝孔、107是導(dǎo)電塊53另外一側(cè)的導(dǎo)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(fā)明的功率驅(qū)動系統(tǒng)包括單層鋁基板的三相并聯(lián)電路布局及電氣結(jié)構(gòu)。
[0027]單層鋁基板的三相并聯(lián)電路布局包括:在單層鋁基板上，由下至上分成3個區(qū)域21、22、23 (如圖2所示)，分別是U、V、W相區(qū)域，每個區(qū)域由上管并聯(lián)MOSFET模組和下管并聯(lián)MOSFET模組構(gòu)成，整個三相并聯(lián)電路共有6排平行的并聯(lián)MOSFET模組，每一排模組中包括10個MOSFET，6排并聯(lián)MOSFET模組將單層鋁基板分成7個電流匯流區(qū)，從下至上分別為U相下管源極匯流區(qū)37、U相上管源極與U相下管漏極匯流區(qū)36、U相和V相上管漏極匯流區(qū)35、V相上管源極與下管漏極匯流區(qū)34、W相與V相下管源極匯流區(qū)33、W相上管源極與下管漏極匯流區(qū)32、W相上管漏極匯流區(qū)31 ;在W相上管漏極匯流區(qū)31、U相和V相上管漏極匯流區(qū)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(qū)37、V相上管源極與下管漏極匯流區(qū)33分別布置有負(fù)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(qū)36、V相上管源極與下管漏極匯流區(qū)34、W相上管源極與下管漏極匯流區(qū)32分別布置有交流輸出接口 310。
[0028]單層鋁基板的三相并