一种功率驱动系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及电机的驱动技术领域。
【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RDS_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RDS(_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]为了克服现有技术的不足，本发明目的在于提供一种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的功率驱动系统。
[0005]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，本发明包括一种单层铝基板的三相并联电路及电气结构。
[0006]所述的单层铝基板的三相并联电路包括: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10个MOSFET，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U、V、W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铜板材；铜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；铜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
□ O
[0014]本发明与现有技术相比，其有益效果表现如下:
(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。
[0015](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。
[0016](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。
[0017](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。
【附图说明】
[0018]图1是本发明的系统不意图；其中:1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。
[0019]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。
[0020]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。
[0021]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。
[0022]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。
[0023]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。
[0024]图7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。
[0025]图8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】
[0026]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。
[0027]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10个MOSFET，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。
[0028]单层铝基板的三相并