一种功率驱动系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种功率驱动系统，包括一种单层铝基板的三相并联电路的工艺结构设计，使各汇流区完成对应MOSFET的并联；一种铝基板的电源输入结构，直流电流输入端采用焊接的方式连接在铝基板上，采用压接的方式用螺钉和叠层母线连接；一种交流电流输出结构，采用压接方式的输出接口，采用方形焊盘，用螺钉紧固的方式输出，使生产操作简单，效率高并且易于实现模块化，使得各模块之间连接简单；一种叠层母线的结构，利用PCB作为直流母线，正负极分别走PCB顶层和底层，正负极之间非常高的重合性；一种输入输出信号结构设计，使得每一桥臂的MOSFET单独使用一个连接器；一种针对单层铝基板电性能特点设计的MOSFET布局，使得单块铝基板的输出电流可达到400Arms。
【专利说明】一种功率驱动系统【技术领域】
[0001]本发明涉及一种功率驱动系统，主要用于电机驱动。
【背景技术】
[0002]随着化石能源的减少及人类对环境污染的日益关注，以电机为动力的驱动系统得以广泛的应用，尤其在移动交通工具领域得以高速发展，如电动汽车及混合动力汽车动力驱动系统，高速铁路机车动力驱动系统，军用舰船驱动系统，无人机无人车驱动系统等。移动交通工具驱动系统目前主要有两个方向，一类是低压系统，电池电压一般在100V以下，主要应用于低速移动交通工具，如低速电动车、无人侦察车等；另一类则是高压系统，电池电压一般在200V以上，主要应用于高速移动交通工具，如高度电动车辆、高速铁路机车等。在驱动系统的功率器件中，MOSFET以其开关速度快，易于并联，成本相对较低等特点，非常适合低压系统。低压MOSFET的目前可以做到十几毫欧甚至几毫欧，这样使得其导通损耗很低，另外其Rdsw具有正温度系数，使得MOSFET适合于并联使用，理想状况下并联后的电流能力位各单个器件电流之和，因而可以根据系统功率要求，决定并联MOSFET的个数。但使用多个并联MOSFET带来的问题是增加了器件连接、散热、电流均衡和热均衡问题。
[0003]目前针对多个MOSFET并联使用，其结构设计主要有三种:(I)基于复杂直流母线的并联，这种结构基本采用直插式的M0SFET，的具体实施方法是:先规划好元件的分布及直流母线的连接方式，然后将固定在直流母线上的MOSFET焊接在设计好的PCB板上，这种结构安装工艺复杂，实际生产效率低下，而且维修及调试都非常不便；(2)基于单层铝基板的并联，这种方法一般采用的是表面贴装式M0SFET，用单层铜箔连接，其安装工艺大大简化，导热系数高非常利于MOSFET的热均衡，但是其缺点是电流回路面积大，造成杂散电感大；(3)基于双层基板的并联，这种方法一般也采用的是表面贴装式M0SFET，用双层铜箔连接，其电流回路小，利于减小杂散电感，安装工艺和单层铝基板相当，但是其缺点是铝基板的生产工艺复杂，成本大大提高，而且因为加入了一层FR-4，导致铝基板的导热系数下降，并且不利于MOSFET的热均衡。当然除了以上方法以外还有其他的一些方法，但都有一定的缺点。
【发明内容】
[0004]本发明的技术解决问题:克服现有技术的不足，提供一种功率驱动系统:基于单层铝基板配合叠层母线的电气结构，在减少电流回路面积的同时，保持单层铝基板导热率高、热均衡性好的优点，以较小的面积提供较大的功率密度和良好的热均衡性。
[0005]本发明的技术解决方案:一种功率驱动系统，其特征在于:包括一种单层铝基板的三相并联电路布局及电气结构。
[0006]所述的单层铝基板的三相并联电路布局包括:在单层铝基板上，由下至上分成3个区域21、22、23 (如图2所示)，分别是U、V、W相区域，每个区域由上管并联MOSFET模组和下管并联MOSFET模组构成，整个三相并联电路共有6排平行的并联MOSFET模组，每一排模组中包括η个M0SFET，其中η≤I ;6排并联MOSFET模组将单层铝基板分成7个电流汇流区，从下至上分别为U相下管源极汇流区37、U相上管源极与U相下管漏极汇流区36、U相和V相上管漏极汇流区35、V相上管源极与下管漏极汇流区34、W相与V相下管源极汇流区33、W相上管源极与下管漏极汇流区32、W相上管漏极汇流区31 ;在W相上管漏极汇流区31、U相和V相上管漏极汇流区35分别布置有正极电流输入接口 39，在U相下管漏极汇流区37、V相上管源极与下管漏极汇流区33分别布置有负极电流输出接口 38 ;在U相上管源极与U相下管漏极汇流区36、V相上管源极与下管漏极汇流区34、W相上管源极与下管漏极汇流区32分别布置有交流输出接口 310 ；
[0007]由于此三项并联电路是对称的，所以以W相的电流走向为例进行电路动态的描述。电流由正极电流输入接口流入W相上管漏极汇流区，从W相上管并联MOSFET模组流至W相上管源极与下管漏极汇流区，在W相上管源极与下管漏极汇流区有交流输出接口，用于输出电流，电流经W相下管并联MOSFET模组至W相与V相下管源极汇流区，经负极电流输出接口流出，完成电流由电源正极输入至电源负极输出的电流回路。
[0008]所述电气结构包括:铝基板直流输入输出结构、交流电流输出结构、叠层母线结构和输入输出信号结构；铝基板直流输入输出结构采用焊接的方式连接在三相并联电路的正极电流输入接口 39、负极电流输出接口 38上；交流电流输出结构用螺钉紧固的方式连接在三相并联电路的交流输出接口 310上；叠层母线结构的输入输出压接位7用螺钉紧固压装在直流电流输入结构上；信号输入输出结构焊接在铝基板上，使得1￥、胃相区域21、22、23分别有一个信号输入输出端口。此电气结构利用PCB作为直流母线，正负极分别走PCB顶层和底层，正负极之间非常高的重合性，有效减少杂散电感，并使生产操作简单，效率高并且易于实现模块化，各模块之间连接简单可靠。
[0009]所述铝基板直流输入输出结构采用U形导电板材；U形导电板材的一侧设有用于焊接的焊接平面91，焊接平面91上设 有用于增加浸润长度、方便焊接排气的多个开槽93，此开槽可以有效的增加焊接的浸润长度，并且 有助于大面积焊接时焊膏内的气体排出，降低焊接空洞率的同时提高焊接强度；U形导电板材的另一侧设有用于压接的导电平面92，导电平面92上设有用于螺钉安装的螺纹孔94，外部的输入输出电流通过母线、导线等导体压接在导电平面92上实现和模块外部的电流输入和输出。
[0010]所述交流电流输出结构包括导电块101、绝缘护套102、紧定螺钉103。
[0011]所述导电块101的一侧设有2处用于压接的导电平面104、105，两处导电平面104、105上均设有安装孔106 ;导电块101的另外一侧设有I处导电平面107，所述导电平面107上设有螺纹孔108 ;所述绝缘护套102的外部是一个阶梯轴109，阶梯轴109的中心设有安装孔110，安装孔110用于安装紧定螺钉103，阶梯轴109用于压紧导电块101。
[0012]所述叠层母线结构采用PCB作为直流母线，有3层，第一层为顶层铜箔，这一层为顶层导电层；第二层为FR-4环氧板；第三层为底层铜箔，即为底层导电层。
[0013]所述信号输入输出结构使三相驱动电路的每一相分别使用一个信号输入输出端□。
[0014]本发明与现有技术相比，其有益效果表现如下:
[0015](I)本发明在减少电流回路面积的同时，保持单层铝基板导热率高、热均衡性好的优点，这样可以以较小的面积提供较大的功率密度和良好的热均衡性。[0016](2)本发明电路方面结构简单，易于扩展和模块化，可以通过变更并联MOSFET的数量来匹配不同功率等级的驱动系统，具有较大的灵活性。
[0017](3)本发明电气结构方面采用焊接及螺钉紧固的连接方式，工艺易于实现，使得铝基板生产易于批量化，控制器组装操作简单，效率高，可靠性高。
[0018](4)由于减小了回路面积，功率密度高、热均衡性能好、可靠性高，所以使得系统的整体成本比原有的技术方案低，对低压驱动系统的推广能起到积极作用。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1是本发明的系统不意图；其中:I是导流柱B+、2是导流柱B_、3是电容、4是顶层铜箔、5是FR-4环氧板、6是底层铜箔、7是铝基板输入输出压接位、8是交流导流柱、9是二相并联电路。
[0020]图2是本发明的电路原理图；其中:21是U相区域、22是V相区域、23是W相区域。
[0021]图3是本发明的三相并联电路MOSFET分布及电流关系；其中:31是W相上管汇流区、32是W相上管源极与下管漏极汇流区、33是W相与V相下管源极汇流区、34是V相上管源极与下管漏极汇流区、35是U相和V相上管漏极汇流区、36是U相上管源极与U相下管漏极汇流区、U相下管源极汇流区。
[0022]图4是本发明的铝基板示意图；其中:31是W相上管汇流区、32是W相上管源极与下管漏极汇流区、33是W相与V相下管源极汇流区、34是V相上管源极与下管漏极汇流区、35是U相和V相上管漏极汇流区、36是U相上管源极与U相下管漏极汇流区、U相下管源极汇流区、38是负极电流输出接口、39是正极电流输入接口、310是交流输出接口。
[0023]图5是本发明的三相并联电路结构示意图；其中:51是紧定螺钉，52是绝缘护套，53是导电块，54是B+铝基板输入压接位，55是铝基板，56是导热界面材料，57是散热片，58、59、510是信号输入输出端口、511是M0SFET、512是B-铝基板输入压接位、513是B+铝基板输入压接位、514是B-铝基板输入压接位。
[0024]图6是本发明的叠层母线结构示意图；其中:4是顶层铜箔、5是FR-4环氧板、6是底层铜箔。
[0025]图7是本发明每排3只MOSFET并联的电路原理图；
[0026]图8是本发明每排12只MOSFET并联的电路原理图；
[0027]图9是本发明的铝基板直流输入输出结构示意图；其中:91是焊接平面，92是用于压接的导电平面，93是用于增加浸润长度、方便焊接排气的多个开槽，94是用于螺钉安装的螺纹孔。
[0028]图10是本发明的交流输入结构示意图；其中:104、105是导电平面，106是安装孔、107是导电块53另外一侧的导电平面，108是螺纹孔，109是阶梯轴，110是安装孔。
【具体实施方式】
[0029]如图1所示，本发明的功率驱动系统包括单层铝基板的三相并联电路布局及电气结构。
[0030]单层铝基板的三相并联电路布局包括:在单层铝基板上，由下至上分成3个区域21、22、23 (如图2所示)，分别是U、V、W相区域，每个区域由上管并联MOSFET模组和下管并联M0SFET模组构成，整个三相并联电路共有6排平行的并联M0SFET模组，每一排模组中包 括n个M0SFET，其中n≤1 ;6排并联M0SFET模组将单层铝基板分成7个电流汇流区，从下 至上分别为U相下管源极汇流区37、U相上管源极与U相下管漏极汇流区36、U相和V相上 管漏极汇流区35、V相上管源极与下管漏极汇流区34、W相与V相下管源极汇流区33、W相 上管源极与下管漏极汇流区32、W相上管漏极汇流区31 ;在W相上管漏极汇流区31、U相和 V相上管漏极汇流区35分别布置有正极电流输入接口 39，在U相下管漏极汇流区37、V相 上管源极与下管漏极汇流区33分别布置有负极电流输出接口 38 ;在U相上管源极与U相下 管漏极汇流区36、V相上管源极与下管漏极汇流区34、W相上管源极与下管漏极汇流区32 分别布置有交流输出接口 310。
[0031]单层铝基板的三相并联电路布局（以并联M0SFET的数量为8为例）如图2 ：Q1至 Q16 为 W 相的 MOSFET，Q17 至 Q32 为 V 相的 MOSFET，Q33 至 Q48 位 U 相的 M0SFET。其中 Q1 至Q8这8只MOSFET并联；Q9至Q16这8只MOSFET并联；Q17至Q24这8只MOSFET并联； Q25 至 Q32 这 8 只 MOSFET 并联，Q33 至 Q40 这 8 只 MOSFET 并联；Q41 至 Q48 这 8 只 MOSFET 并联。Q1至Q48在铝基板上如图2所示，按U、V、W相的分布将整个铝基板可分成3个区域， 这48个MOSFET对称分布在这3个区域中。Q1至Q16分布在W相区域23 ；Q17至Q32分布 在V相区域22 ;Q33至Q48分布在U相区域21。
[0032]在图2中，同时给出了 MOSFET的电流分布，由于各相电流走向是相同的，这里具体 分析W相的电流走向：
[0033]如图3中所示，Q1至Q8的源极并联形成W相上管漏极汇流区31，Q1至Q8的源极 与Q9至Q16的漏极相连形成W相上管源极与下管漏极汇流区32，Q9至Q16的源极并联形 成W相和V相下管源极汇流区33。
[0034]W相的电流走向如图3所示，电流由叠层母线电源正端流入W相上管漏极汇流区 31，并从W相上管源极与下管漏极汇流区32流出，通过导电块53和交流导流柱8输入输出 交流电流，W相和V相下管源极汇流区33叠层母线的电源负端连接，完成电流由“B+”输入 至“B-”输出的电流回路。图3中W相上管漏极汇流区31与U相和V相上管漏极汇流区35 通过叠层母线连接，W相和V相下管源极汇流区33和U相下管汇流区37通过叠层母线连 接。
[0035]图4为招基板不意图, 对应图3的连接关系。如图4所不W相上管漏极汇流区31、 W相和V相下管源极汇流区33、U相和V相上管漏极汇流区35、U相下管源极汇流区37分 别有一个焊盘38，用于焊接电流输入输出导电片；在胃相上管源极与下管漏极汇流区32、V 相上管源极与下管漏极汇流区34、U相上管源极与下管漏极汇流区36分别有2个对称分布 的对外连接焊盘39，用于输入输出交流电流。
[0036]所述电气结构包括：铝基板直流输入输出结构、交流电流输出结构、叠层母线结构 和输入输出信号结构；M0SFET511焊接在铝基板Q1-Q48的焊盘上；铝基板直流输入输出结 构采用焊接的方式连接在三相并联电路的正极电流输入接口 39、负极电流输出接口 38上； 交流电流输出结构用螺钉紧固的方式连接在三相并联电路的交流输出接口 310上；叠层母 线结构的输入输出压接位7用螺钉紧固压装在直流电流输入结构上；信号输入输出结构焊 接在铝基板上，使得U、V、W相区域21、22、23分别有一个信号输入输出端口。
[0037](1)如图1所示，叠层母线如图中的4、5、6，通过“1导流柱B+”、“2导流柱B-”与电源相连，通过4个铝基板输入输出压接位7用螺钉紧固压装在三相并联电路9的直流电流输入结构上。电流从电源正极通过“I导流柱B+”经顶层铜箔、电容3，流到2个“B+铝基板输入压接位”54、513，传输到三相并联电路9各相的MOSFET漏极汇流区，铝基板各相的MOSFET源极汇流区通过2个“B-铝基板输入压接位” 512,514,经底层铜箔流至“2导流柱B-”完成电流从电源正极到电源负极的电流回路。此结构不但减少了电流回路面积，同时降低了电路中的寄生电感，有效提闻了电路的载流能力。系统有3个交流导流柱8,以W相为例，螺钉51通过绝缘套52将输出导流块53压接在铝基板55上，压接焊盘为方形，如图4中310所示，交流导流柱8压接在在导流块53的导电平面上(如图10中107所示)，用于系统输出交流电流。系统有三个信号输入输出端，MOSFET控制器信号通过信号输入输出端口 58、59、510将三相六路MOSFET的栅极控制信号输入该功率板，以控制各MOSFET的导通-截止时间，各并联的MOSFET由同一个控制信号控制；铝基板55通过导热界面材料56与散热片57相连。此种电气结构使生产操作简单，效率高并且易于实现模块化，使得各模块之间连接简单。
[0038](2)所述招基板直流输入输出结构如图9所不,米用U形导电板材；U形导电板材的一侧设有用于焊接的焊接平面91，焊接平面91上设有用于增加浸润长度、方便焊接排气的多个开槽93，此开槽可以有效的增加焊接的浸润长度，并且有助于大面积焊接时焊膏内的气体排出，降低焊接空洞率的同时提高焊接强度；U形导电板材的另一侧设有用于压接的导电平面92，导电平面92上设有用于螺钉安装的螺纹孔94，外部的输入输出电流通过母线、导线等导体压接在导电平面92上实现和模块外部的电流输入和输出。
[0039](3)所述交流电流输出结构如图5所示，包括:导电块53、绝缘护套52、紧定螺钉51 ；
[0040]如图10所示，所述导电块53的一侧设有2处用于压接导电平面104、105，导电平面104、105上设有安装孔106 ;导电块53的另外一侧设有I处导电平面107，所述导电平面107上设有螺纹孔108 ;所述绝缘护套52的外部是一个阶梯轴109，阶梯轴109的中心设有安装孔110，安装孔110用于安装紧定螺钉51，阶梯轴109用于压紧导电块53。
[0041](4)所述叠层母线结构采用PCB作为直流母线，有3层，如图6所示。第一层为顶层铜箔4，这一层为顶层导电层，其铜箔厚度一般为35-140 μ m ;第二层为FR-4环氧板5，其厚度一般在1.0-2.0mm ;第三层为底层铜箔6,这一层为底层导电层，其厚度一般在35-140 μ m。此种结构的叠层母线可以方便的焊接母线电容，使生产操作简单、效率高并且易于模块化。
[0042]此三相并联电路可适用于不同数量的MOSFET并联(例如由3只MOSFET组成并联模组的原理图如图7所示，由12只MOSFET组成的并联模组原理图如图8所示)可以匹配不同功率等级的驱动系统。同时通过以上方式设计的三相并联电路还可以当做一个标准功率模块，可以将以上结构的三相并联电路并联使用，并联时只需通过将相应的输入输出端子连接在一起即可。
[0043]总之本发明这种结构是在传统铝基板上，通过专门设计的输入和输出端口和叠层母线连接为一个整体，可以以较小的板面积提供较大的功率密度和良好的热均衡性。本发明包括一种单层铝基板的三相并联电路的工艺结构设计，使各汇流区完成对应MOSFET的并联；一种铝基板的电源输入结构，直流电流输入端采用焊接的方式连接在铝基板上，采用压接的方式用螺钉和叠层母线连接，使生产操作简单，效率高并且易于实现模块化，使得各模块之间连接简单；一种交流电流输出结构，采用压接方式的输出接口，采用方形焊盘，用螺钉紧固的方式输出，使生产操作简单，效率高并且易于实现模块化，使得各模块之间连接简单；一种叠层母线的结构，利用PCB作为直流母线，正负极分别走PCB顶层和底层，正负极之间非常高的重合性；一种输入输出信号结构设计，使得每一桥臂的MOSFET单独使用一个连接器；一种针对单层铝基板电性能特点设计的MOSFET布局，使得单块铝基板的输出电流可达到400Arms。
[0044]本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。
[0045]利用本发明所述的技术方案，或本领域的技术人员在本发明技术方案的启发下，设计出类似的技术方案，而达到上述的技术效果的，均是落入本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种功率驱动系统，其特征在于:包括单层铝基板的三相并联电路布局及电气结构；所述单层铝基板的三相并联电路布局包括:在单层铝基板上，由下至上分成3个区域分别是U、V、W相区域，每个区域由上管并联MOSFET模组和下管并联MOSFET模组构成；整个三相并联电路共有6排平行的并联MOSFET模组，每一排模组中包括η个M0SFET，其中η≤I ;6排并联MOSFET模组将单层铝基板分成7个电流汇流区，从下至上分别为U相下管源极汇流区、U相上管源极与U相下管漏极汇流区、U相和V相上管漏极汇流区35、V相上管源极与下管漏极汇流区、W相与V相下管源极汇流区、W相上管源极与下管漏极汇流区、W相上管漏极汇流区；在W相上管漏极汇流区、U相和V相上管漏极汇流区分别布置有正极电流输入接口，在U相下管漏极汇流区、V相上管源极与下管漏极汇流区分别布置有负极电流输出接口 ；在U相上管源极与U相下管漏极汇流区、V相上管源极与下管漏极汇流区、W相上管源极与下管漏极汇流区分别布置有交流输出接口；所述电气结构包括:铝基板直流输入输出结构、交流电流输出结构、叠层母线结构和输入输出信号结构；铝基板直流输入输出结构采用焊接的方式连接在三相并联电路的正极电流输入接口、负极电流输出接口上；交流电流输出结构用螺钉紧固的方式连接在三相并联电路的交流输出接口上；叠层母线结构的输入输出压接位用螺钉紧固压装在直流电流输入结构上；信号输入输出结构焊接在铝基板上，使得U、V、W相区域分别有一个信号输入输出端口。
2.根据权利要求1所述的功率驱动系统，其特征在于:所述铝基板直流输入输出结构采用U形导电板材山形导电板材的一侧设有用于焊接的焊接平面，焊接平面上设有用于增加浸润长度、方便焊接排气的多个开槽，此开槽能够有效的增加焊接的浸润长度，并且有助于大面积焊接时焊膏内的气体排出，降低焊接空洞率的同时提高焊接强度；U形导电板材的另一侧设有用于压接的导电平面，导电平面上设有用于螺钉安装的螺纹孔，外部的输入输出电流通过母线、导线等导体压接在导电平面上实现和模块外部的电流输入和输出。
3.根据权利要求1所述的功率驱动系统，其特征在于:所述交流电流输出结构包括导电块、绝缘护套和紧定螺钉；所述导电块的一侧设有两处用于压接的导电平面，两处导电平面上均设有安装孔；导电块的另外一侧设有I处导电平面，所述导电平面上设有螺纹孔；所述绝缘护套的外部是一个阶梯轴，阶梯轴的中心设有安装孔，安装孔用于安装紧定螺钉，阶梯轴用于压紧导电块。
4.根据权利要求1所述的功率驱动系统，其特征在于:所述叠层母线结构采用PCB作为直流母线，有3层，第一层为顶层铜箔，这一层为顶层导电层；第二层为FR-4环氧板；第三层为底层铜箔，即为底层导电层。
5.根据权利要求1所述的功率驱动系统，其特征在于:所述输入输出结构使三相驱动电路的每一相分别使用一个信号输入输出端口。
【文档编号】H02M7/00GK103560682SQ201310326699
【公开日】2014年2月5日 申请日期:2013年7月31日 优先权日:2013年7月31日
【发明者】佟炳然, 刘杰 申请人:佟炳然