紧凑型热效率牵引电机逆变器制造技术

一种紧凑型且热效率牵引驱动电机逆变器，特征为集成印刷电路板在分开的电隔离层上承载功率电路和信号电路二者，而没有显著的电磁干扰。通过使用电镀盲孔来保持与承载有信号电路的分布的电隔离层电连通。通过利用特征为具有内部流量平衡器以优化冷却剂流量的液体冷却隔绝栅双极晶体管模块来提高热效率。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】紧凑型热效率牵引电机逆变器
本公开总体上涉及电动车辆技术，并且更具体地说，涉及改进的牵引电机逆变器，其特征是紧凑和热效率设计，包括能够在电隔离层上承载功率电路和信号电路二者并具有低电磁干扰的集成印刷电路板，并且通过创新性冷却剂流量优化来实现优异的传热性能。
技术介绍
在许多电动车辆中牵引驱动电机逆变器是必不可少的部件。该部件是必须的是因为大多数电动车辆由需要交流(AC)电的牵引驱动电机推进，然而通常可利用的便携式电源是一些提供稳定的直流(DC)电源的类型的电化学电池。牵引驱动电机逆变器将可利用的DC电转换成AC电以便可有效地利用这种动力。将DC电转换成具有优选的波形和相位的AC电的过程相当复杂，其需要多个零部件，包括：控制器、X电容器和Y电容器、开关模式电源、隔绝栅双极晶体管和用于支撑高电压高电流的电路或“功率电路”、和低电压低电流的栅极驱动器电路或“信号电路”二者的一些印刷电路板。在传统方向上，将功率电路和信号电路支撑在分开的印刷电路板上以防止由与流经功率电路的电流相关联的电磁能量场引起的电磁感应或静电耦合导致信号电路劣化、发生故障或其他干扰。然而，对于功率电路和信号电路来说使用分开的印刷电路板导致传统的牵引电机逆变器模块大于如果要使得这种印刷电路板能结合所需要的尺寸。如果能将牵引电机逆变器的功率电路和信号电路组合到具有足够电磁屏蔽的单个多层集成功率-信号印刷电路板上，则将防止功率电路对信号电路产生显著的干扰，此外能减小总牵引电机逆变器模块的尺寸，与传统设计相比提供竞争性优势。与许多工业一样，电动车辆工业高速创新，并且在提高性能和/或减小这种部件的物理尺寸方面具有相当大的压力。在这种竞争激烈的市场上，即使在这方面进行逐步改善也能证明是有价值的优势。需要提供特征是多层印刷电路板的牵引电机逆变器，该多层印刷电路板能够将功率电路和信号电路二者支撑在分开的电隔离层上而不经受由电磁辐射所导致的过度干扰的问题。牵引电机逆变器的另一个重要的设计问题是散热。由于对于驱动牵引电机来说高电压和高电流是必然的，所以牵引电机逆变器可产生相当大的热量。在无法有效地散热的情况下这可能成为问题，这是因为过多的热量积累可导致多种不期望的效果，诸如材料的过早劣化和/或电路的暂时性或永久性的故障。在许多情况下，这种散热问题可限制性能，这是因为故意将系统控制或约束成防止其产热的速度的能力超过传统设计的散热能力。在这种情况下，即使散热技术中不太显著的改进也可立即使得性能提升，因为这种改进允许该装置将功率增加到其能够操作的最高功率处。可替换地，该装置可再设计成较小、较节能或表现出增加的功率密度。当前在液体冷却功率半导体装置中的创新性是通过优化穿过散热表面的流量分布来提高热效率。这种改善可集成到牵引电机逆变器中以有助于使降低操作温度、延长操作时间、增加功率效率、增加功率容量和/或允许将总设备物理上再设计成较小。在美国实用专利申请第15787711号(“‘711申请”)中详细描述了这种创新，该申请还是美国实用专利第9,443,786号(“‘786专利”)的改进。‘786专利和‘711申请由此将其全部内容(包括摘要、全部说明书、附图和权利要求书)通过引证结合于本说明书。对于牵引电机逆变器来说存在使其结合并利用‘786专利中所公开的创新性功率半导体冷却技术并且改进通过‘711申请所公开的创新性公开的文本中的牵引电机逆变器的需求。本公开与现有技术的区别之处在于提供了迄今为止未知的优势，如下文的
技术实现思路
中所描述的。
技术实现思路
所前文所述，电动车辆的领域正经历快速创新，从而对尺寸较小、较大热效率、示出较高功率密度和/或能够维持较大功率的创新性零部件产生巨大的经济需求。本公开描述了一种创新性的高度紧凑型且热效率牵引电机逆变器，其提供了所需要的优势。具体地，本公开教导了一种牵引电机逆变器，该牵引电机逆变器特征是在分开的电隔离层上支撑高电压、高电流的功率电路和低电压、低电流的栅极驱动器信号电路二者的创新性多层集成印刷电路板。AC和DC母线设计在印刷电路板中并且可处理高达400A的电流以用于80kW的电机。功率电路层和信号电路层由交替的不导电材料层电隔离开。利用多个电镀盲孔来促进位于内部电活性层与外部的电连通。使用多个电镀盲孔有助于电连通，同时使电应力分布更均匀并且提供良好的热释放和机械连续性。将功率电路和栅极驱动器信号电路创新性地集成到单个印刷电路板中允许牵引电机逆变器的设计比传统设计相比具有更紧凑的总占地面积，这是因为它消除了通常分配给分开的功率印刷电路板和信号印刷电路板以及分开的AC和DC母线的物理空间的需求。本公开还消除了在传统设计中有时需要包括的电磁板，以减少电磁辐射，这是因为在本公开中，印刷电路板的电活性层之间的不导电材料用于屏蔽这种电磁辐射。在优选的实施例中，电活性层由FR-4级玻璃加强环氧树脂层压材料(“FR4”)的层间隔开。尽管其是用于构造多层印刷电路板的常用材料，但并没有普遍使用20密耳厚的FR4层，这使得本公开的创新性集成变为可能。传统的9密耳厚的FR4层无法充分保护信号电路使其免受牵引电机通常需要的高电压和高电流的范围的影响，这可能是为什么之前在牵引电机逆变器领域未成功实施这种功率-信号印刷电路板集成的原因之一。本公开的创新成功的重要关键在于增加不导电层的厚度，该不导电层用于将电磁辐射屏蔽提高到可接受的水平。已通过测试确定20密耳的FR4足够厚而在功率电路经受360Vdc电压和400A的峰值安培(由7000RPM下向牵引驱动器提供10kHz的功率转换而成)保护功率电路使其免受电磁干扰。该确定是通过在由20密耳的FR4屏蔽时观察栅极驱动器信号波形的最小失真而得到的。这种栅极驱动器信号波形测试结果的示例性图表反映了最小的失真，其已包含在本说明书中。还可预见，可需要额外的厚度来使更高功率的实施例达到可接受的电磁屏蔽水平。可增加不导电层的厚度直到观察到可接受的屏蔽。此外，其他实施例可使用FR4级玻璃加强环氧树脂层压材料之外的材料，这可能需要不同的最小厚度以提供足够的屏蔽效果，这取决于材料的电磁性能。本公开设想将功率电路和信号电路集成到这样的一种单个印刷电路板中：该印刷电路板具有适当厚度的不导电材料层，以提供足够的电磁屏蔽，并使用多个电镀盲孔来促进和保持与位于分布的电隔离层内部的电活性层的牢固电连通。本公开的牵引电机逆变器的特征还有创新性液体冷却隔绝栅双极晶体管模块，如在‘711申请中所公开。牵引电机逆变器受益于创新性液体冷却隔绝栅双极晶体管模块，这是因为与没有创新性传统设计相比，其显示出了将功率半导体装置的温度降低多达百分之三十三(33％)的能力。该温度降低保护牵引电机逆变器在经受繁重任务的完整性，提高其热效率和电效率，并可使牵引电机逆变器与特征是传统液体冷却隔绝栅的竞争设备相比处理更大的功率或将其物理尺寸再设计成较小。如在‘711申请中更详细地阐述的，液体冷却隔绝栅双极晶体管模块包括歧管，该歧管具有通向第一增压室的流入以及从第二增压室抽吸的流出，并且热交换表面与位于本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种紧凑型且热效率的牵引电机逆变器设备，所述设备包括：/n控制器，所述控制器与以下各项电连通；/n开关模式电源；/n至少一个电容器；/n液体冷却隔绝栅双极晶体管功率模块；以及/n多层印刷电路板，具有多个电隔离层，其中，至少一个所述电隔离层安装有具有低电压、低电流的栅极驱动器电路，并且至少一个电隔离层安装有高电压、高电流的电路。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20180212 US 15/893,7671.一种紧凑型且热效率的牵引电机逆变器设备，所述设备包括：
控制器，所述控制器与以下各项电连通；
开关模式电源；
至少一个电容器；
液体冷却隔绝栅双极晶体管功率模块；以及
多层印刷电路板，具有多个电隔离层，其中，至少一个所述电隔离层安装有具有低电压、低电流的栅极驱动器电路，并且至少一个电隔离层安装有高电压、高电流的电路。


2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述多层印刷电路板中分布的电隔离层通过电镀盲孔来保持外部电连通。<...

【专利技术属性】
技术研发人员：乔治·R·伍迪，阿拉法特·纳耶梅，隆·C·库珀，
申请(专利权)人：ACP动力公司，
类型：发明
国别省市：美国;US