专利名称：具有液冷式电容器和低电感总线结构的功率变换器的制作方法
技术领域：
本发明通常涉及一种功率变换器，且更特别涉及一种
用于车辆中的功率变换器。
背景技术：
近年来，技术的进步(以及日益演变的爱好风格)已 经在车辆惯用的设计和制造方法中引起了实质性的变化。 一个变化包 括车辆内部各种电气系统的复杂化。结果，车辆(特别是混合动力车
辆)中的电气系统消耗的电功率不断增大。
用于上述交通工具中的许多电器部件(例如，电机) 接收来自交流(AC)电源的电功率。然而，用于上述应用中的动力源 (即，电池)仅配备了直流(DC)电源。因此，被称为功率变换器的装 置被用于将直流电转换为交流电。 因为涉及大功率，所以经常利用散热器系统来冷却功 率变换器。然而，用于冷却内燃机的散热器中的流体工作温度通常太 高而不能有效地冷却常规的变换器。因此， 一般配备单独的散热器系 统来冷却变换器。另外，当交通工具的电气系统的电力需求继续增加 时，常规的功率变换器由于其尺寸大和局限的特性正日益变得不适宜 了。 因此，希望提供一种具有改进的冷却系统的功率变换 器。另外，希望提供一种具有减小尺寸和改进特性的功率变换器。此 外，在结合附图和上述技术领域及背景技术的随后详细说明和权利要 求中可以显而易见地得到本发明其他期望的器件和特征。
发明内容
提供了一种交通工具的功率变换器。该交通工具的功 率变换器包括一外壳，该外壳具有第一和第二开口且至少局部地形成 一空腔，并且在所述空腔的笫一和第二侧面上有一流体通道。笫一和 第二功率模块分别在空腔的第一和第二侧面上连接到外壳上。位于空
腔内部的一电容装置，以便当笫一及第二功率模块和电容装置发热 时，流体通过流体通道流入笫一开口中，并且从第二开口中流出，至
少来自第一及笫二功率模块和电容装置的一些热量被传递到流体中并 通过第二开口被散发。 提供一车辆。所述车辆包括车架、连接到该车架上的 致动器、与车架和致动器配合的功率变换器和冷却系统。该功率变换 器包括一外壳，该外壳具有第一和第二开口且至少局部地形成一空 腔，并且在所述空腔的第一和第二侧面上有一流体通道。第一和第二
功率模块分别在空腔的笫一和笫二侧面上连接到外壳上。位于空腔内 部的一电容装置，以便当第一及笫二功率模块和电容装置发热时，流 体通过流体通道流入第一开口中，并且从第二开口中流出，至少来自 第一及第二功率模块和电容装置的热量被传递到流体中并通过第二开 口被散发。冷却系统连接到车架上且包括装有流体的散热器，并且位 于致动器和功率变换器的流体通道中，以便流体流向及流出致动器并 流向变换器，通过流体通道流入外壳的第一开口中，并从第二开口中 流出，并流回散热器中，以便由致动器、第一和二功率模块和电容装 置产生的热量被传递到流体中并分别从致动器和功率变换器中被散 发。
以下将结合附图来描述本发明，其中同样的附图标记 表示同样的元件，和 图l是包含功率变换器的车辆的示意视图； 图2是图1中功率变换器的分解立体图，其图示了该 功率变换器的外壳、电容装置、输入滤波器和功率模块装置； 图3是图2中的外壳、电容装置和输入滤波器的分解 立体图； 图4是图3中的外壳沿直线4-4的剖视图； 图5是图2中的外壳、电容装置、输入滤波器和功率 模块装置的分解立体图；和 图6是图5中的外壳、电容装置和输入滤波器沿直线 6-6的剖视图。
具体实施例方式 以下的详细说明实际上仅是示例性的，且并不用于限 制本发明或本发明的应用和使用。此外，不受出现于现有技术领域、 背景、概要或以下详细说明中的任何明示或默示理论的限制。 以下描述的元件或器件被"连接，，或"配合"在一起。 在此处所使用的，除非明确说明，否则"连接"是指一个元件/器件 被直接连接到另 一个元件/器件上(或直接与另 一元件/器件连通)， 而不必是用机械方法连接。同样，除非明确说明，否则"配合"是指 一个元件/器件被直接或间接地连接到另 一个元件/器件上(或直接或 间接地与另一元件/器件连通)，而不必是用机械方法连接。然而，很 清楚，虽然两个元件在一个实施例中可以如下被描述为"连接"，而 在备选实施例中，同样的元件可以被描述为"配合"，反之亦然。因 此，虽然此处所示的示意图描述了元件的范例式排列，但是在实际的 实施例中可以存在附加的插入元件、装置、器件或元件。图l到图6图示了一交通工具的功率变换器。该交通
工具的功率变换器包括具有空腔的外壳和流体通道。流体通道具有第 一和第二开口并位于空腔的第一和笫二侧面(例如，相对侧面)上。 第一和笫二功率模块分别在空腔的第一和笫二侧面上连接到外壳上。 位于空腔内部的一电容装置，以便当第一及第二功率模块和电容装置 发热时，流体通过流体通道流入第一开口中，并且从第二开口中流出， 至少来自第一及第二功率模块和电容装置的热量被传递到流体中并通 过第二开口散发。 图l图示了本发明的一个实施例的交通工具(或车辆) 10。车辆10包括一底盘12、 一车身14、四个车轮16和一电子控制系统 18。车身14被布置在底盘12上并基本上包裹车辆10的其它部件。车身 14和底盘12可以共同形成车架。各车轮16可转动地连接到靠近车身14 的各自拐角处的底盘12上。 车辆10可以是许多不同类型车辆中的任何一种，例如 (举例来说)轿车、货车、卡车或运动型车辆(SUV)，并且可以是两 轮驱动(2WD)(即，后轮驱动或前轮驱动)、四轮驱动(4WD)或全轮 驱动(AWD)的。虽然未图示，车辆10也可以包括许多不同类型发动 机中的任何一种(或许多不同类型发动机的组合)，例如(举例来说) 汽油或柴油的内燃机、"混合燃料车辆"(FFV)的发动机(即，使用
汽油和酒精的混合物)、气体化合物(例如，氢气和天然气)燃料的 发动机、内燃机/电机的混合式发动机(即，"混合动力车辆")和电
机。在一实施例中，其中车辆10是四轮驱动(4WD)或全轮驱动(AWD) 的，发动机被用机械方法连接到所有车轮上。另外，当由本领域的技 术人员来考虑时，车辆10可以包括图1中未图示的许多附加部件。 在图l所示的示例性的实施例中，车辆10是混合动力 车辆，并且还包括致动器20、电池22、变换器24和散热器26。致动器 20包括内燃机27和电动机/发电机28。虽然未图示，但是电机28包括 变速器并且与内燃机27结合在一起，以便用机械方法通过一个或多个 传动轴30将两者连接到至少某些车轮16上。散热器26在车架的外部被 连接到车架上，虽然未进行详细图示，所述散热器包括多个冷却通道， 该冷却通道中容纳有如水和/或乙二醇(即，防冻剂)的冷却液(即， 冷却剂)。在范例的图示中，散热器26包括两个进口阀口31和两个出 口阀口32，各阀口被连接到(即，在流体通道中)内燃机27和变换器 24中的一个上。 电子控制系统18与致动器20、电池22和变换器24可操 作地连通。虽未详细图示，但是电子控制系统18包括各种传感器和车 辆控制模块或电子控制器(ECU)和至少一个信息处理器和/或存储器 64，所述信息处理器或存储器包括储存在其里面(或储存在另一个可 读取媒介的计算机中)用于执行下述步骤和方法的指令。 图2-5更详细地图示了一个实施例的变换器24。特别 参见图2，变换器24包括外壳34 (或车架)、电容装置36、输入滤波器 38、笫一与笫二功率模块装置40及42、连接器板44、控制器46和电流 传感器47。 图3图示了外壳34、电容装置36和输入滤波器38。在 所述的实施例中，外壳34大致是矩形的，例如，长度46在8到15英寸 之间，宽度48在3到8英寸之间，且高度50在3到8英寸之间。在一个实 施例中，外壳34可以具有大约10升(L)的体积。外壳34是由导热材 料(如，铝或钢)组成，并且包括形成在其中央部位的空腔52。如图 所示，空腔52可以延伸过外壳34的长度46和宽度48的大部分以及基本 上全部高度50，以便空腔52的顶端被露出来。结合图3参照图4，外壳 34还包括位于其各侧面上的功率模块开口54,所述开口从外表面56延
伸到围绕空腔52的矩形内壁58上。外壳34还包括流体通道60，所述流 体通道贯穿围绕内壁58外围的外壳34。如图4所示，流体通道60在外 壳34两侧面上的功率模块的开口54上露出来。在所述的实施例中，外 壳进一步包括通过靠近流体通道60相对端部的其一个端部的进口62和 出口64。 再参见图3，电容装置36基本上为矩形的形状，其尺 寸类似于外壳34的空腔52的大小。虽然未图示，但电容装置36包括一 组导体板或多组导电板，所述导电板按间隔关系布置并绕成线團以形 成电容器或多联电容器，如一般所理解的。输入滤波器38或电磁干扰 (EMI)滤波器被连接到电容器装置36的一端上，并且在一个实施例 中，所述滤波器包括电气地连接到电容装置36内部的电容器(电容器 组)上的法拉第线圈。如图3中的箭头所指示的，电容装置36和输入 滤波器38被放置在外壳34的空腔52中。虽然未图示，但可以将环氧树 脂或树脂材料放入容纳有电容装置36和输入滤波器38的空腔52中以包 裹装置36和滤波器38，从而将装置36和滤波器38固定到外壳34上。 图5图示了外壳34，所述外壳具有放置在空腔52中的 电容装置36及输入滤波器38和功率模块装置40及42。在所示的实施例 中，各功率模块装置40和42包括安装到功率模块板68上的三个功率模 块装置66。虽然未图示，各功率模块装置66可以包括具有集成电路的 半导体底基(例如，硅基片)，所述集成电路具有多个半导体装置(例 如，晶体管和/或开关)。确定功率模块板68的大小以覆盖功率模块开 口54，包括从在与功率模块装置66相对的侧面上的中央部分伸出的一 排散热器插脚70，所述功率模块板由导热材料(如，铝)组成。如由 图5中的箭头所指示的，功率模块装置40和42与功率模块开口54对齐， 并且被固定到外壳34的相对侧面上，所述外壳具有位于功率模块板68 和外壳34围绕功率模块开口54的外围的外表面56之间的0形环。因此， 功率模块装置40和42按"背靠背"的结构在电容装置36的相对侧面上 被连接到外壳34上。如图6所示，功率模块装置40和42被固定，以便 当功率模块板68连同0形环72—起沿功率模块开口 54密封流体通道60 时，功率模块板68上的散热器插脚70伸入流体通道60中。 再参见图2，连接器板44包括进口74和出口76，并且 被固定到外壳34与输入滤波器38相对的端部上，以便进口74和出口64
位于进口62和出口76的流体通道中，分别如图6所示。控制器46被安 装到电容装置36上面的外壳34上，并且如下述包括用于控制变换器24 操作的一微处理器(如一般理解的)。虽然未特别图示，但电流传感 器47与控制器46可操作地连通(例如，电气地连接在一起)。如图2所 示，变换器24的各种部件可以被固定到具有许多螺紋部件78 (如，螺 钉)的外壳34上。
仍然参见图l，在行驶期间，通过按交替方式利用内
来驱动交通工具IO。为了向电机28提供电力，在向电机24发送电力之 前，必须向24提供直流(DC)电力，所述变换器将直流电力转换为交 流(AD)电力。为了冷却内燃机27，散热器26内部的流体直接从散热 器26流入到内燃机27中。流体吸收了来自发动机27的热量并且返回到 散热器26中，在散热器中流体被冷却。在所示的实施例中，提供给内 燃机27的相同的流体还被提供给变换器24。 参照图2和6，流体通过连接器板44上的进口74并穿过 进口62进入流体通道60中。在流体通道的第一部分中(即，靠近第一 功率模块装置40和电容装置36的相应侧面的部分)，由第一功率模块 装置40产生的并通过各自的功率模块板68传导到散热器插脚70上的热 量以及由电容装置36产生的并通过外壳34的内壁58传导的热量被流体 传递(或被流体吸收)。同样，在流体通道的第二部分中(即，靠近 第二功率模块装置42和电容装置36的相应侧面的部分)，由笫二功率 模块装置42产生的并通过各自的功率模块板68传导到散热器插脚70上 的热量以及由电容装置36产生的并通过外壳34的内壁58传导的热量被 传递到流体。 另外，由输入滤波器38产生的并通过外壳34传导的热 量被传递到流体通道笫三部分(即，靠近输入滤波器38并与流体通道 60的第一和第二互连的部分)中的流体。 然后，流体穿过出口64并通过连接器板44上的出口76 从流体通道60中流出。再参见图l，然后流体返回到散热器中，流体 在回到内燃机27和/或变换器24中之前在散热器中被冷却。 上述功率变换器的一个优点是，因为功率模块装置的 背对背的结构，流体可以同时散发来自电容装置多个侧面以及功率模
块装置的热量。因此，由流体提供的冷却增加了，所述冷却考虑到温 度上升的冷却液的使用。结果，用来冷却内燃机的流体还可以冷却变 换器。另一个优点是变换器的总尺寸减小了，从而减小了功率模块、 电容装置和输入滤波器之间的距离。从而当电源接头的电感减少时， 变换器的性能被改善。 其他实施例可以应用在混合动力车辆以外的其他种类 车辆中的功率变换器中，并与其他电气系统(如，动力转向系统或空 调系统)同时使用。变换器还可以被用于除车辆以外的交通工具(如 飞行器和船舶)或任何具有多种电气系统的系统中，所述系统需要在 直流(DC)和交流(AC)电之间进行转换的。 当在前述详细说明中已经说明过至少 一个示例性的实 施例时，应该考虑到，其存在许多变化。还应该考虑到，所述示例性 的实施例或示例性的实施例组仅是举例，总之并不打算来限制本发明 的范围、适用性或结构。更确切些，前述详细说明给本领域的技术人
图,^该理解，、在功能和元;排列i可以进行i种变化而不:离如k 利要求和法定的同等内容所阐明的本发明的范围。
权利要求
1.一种交通工具的功率变换器，包括一外壳，该外壳具有第一和第二开口且至少局部地形成一空腔，并且在所述空腔的第一和第二侧面上有一流体通道；第一和第二功率模块分别在所述空腔的第一和第二侧面上连接到外壳上；和位于所述空腔内部的一电容装置，以便当第一及第二功率模块和电容装置发热时，流体通过流体通道流入第一开口中，并且从第二开口中流出，至少来自第一及第二功率模块和电容装置的一些热量被传递到流体中并通过第二开口散发。
2. 如权利要求1所述的交通工具的功率变换器，其中所述 外壳包括一导热材料。
3. 如权利要求2所述的交通工具的功率变换器，其中所述 第一功率模块位于所述外壳的第一侧面上并且所述第二功率模块位于所述外壳的笫二侧面上。
4. 如权利要求3所述的交通工具的功率变换器，其中所述 第一侧面与所述第二侧面相对并且所述电容装置包括第一和第二侧 面。
5. 如权利要求4所述的交通工具的功率变换器，其中所述 流体通道包括第一部分和第二部分，所述第一部分靠近所述电容装置 和第一开口的第一侧面，并且所述第二部分靠近所述电容装置和第二 开口的第二侧面。
6. 如权利要求5所述的交通工具的功率变换器，其中所述 流体通道的第一部分位于笫一功率模块和所述电容装置的第一侧面之 间，并且所述流体通道的第二部分位于第二功率模块和所述电容装置 的第二侧面之间。
7.如权利要求6所述的交通工具的功率变换器，其中所述 外壳还包括第一和第二端部，所述第一和第二开口位于所述笫一端部 上。
8. 如权利要求7所述的交通工具的功率变换器，其中所述 电容装置还包括第一和第二端部，所述电容装置的第一端部基本上靠近所述外壳的第一端部，并且所述流体通道还包括与所述流体通道的 第一和笫二部分互连的第三部分并且第三部分基本上靠近所述外壳的 第二端部和所述电容装置的笫二端部。
9. 如权利要求8所述的交通工具的功率变换器，还包括位 于所述空腔内部并被连接到所述电容装置上的输入滤波器，所述输入 滤波器靠近所述流体通道的第三部分以便由所述输入滤波器产生的热 量被传递所述流体中并通过笫二开口被散发。
10. 如权利要求9所述的交通工具的功率变换器，还包括与 第一和第二功率模块、电容装置和输入滤波器可操作连通的控制器。
11. 一种车辆的功率变换器，包括一外壳，该外壳具有第一和第二相对侧面、第一和笫二相对端部 和通过其中的第一和第二开口，并且至少局部地形成一空腔和一流体 通道，所述空腔具有第一和第二相对侧面，所述流体通道在所述空腔 相应的第一和第二相对侧面上具有第一和第二部分，并靠近相应的第 一和第二开口，所述外壳包括导热材料；连接到所述外壳上的第一和第二功率模块，所述第一功率模块位于所述外壳的第一侧面上，并且所述笫二功率模块位于所述外壳的第 二侧面上；位于所述空腔内部的一电容装置，所述电容装置具有第一和第二 相对侧面和第一和笫二相对端部，并且被定位和定型以便所述电容装 置的第一端部靠近所述外壳的第一端部，所述流体通道的笫一部分位 于所述外壳的第一侧面和所述电容装置的笫一侧面之间，第二部分位 于所述外壳的第二侧面和所述电容装置的第二侧面之间，以便当第一 及第二功率模块和所述电容装置产生热量并且流体通过所述流体通道流入第一开口中并从第二开口流出时，至少一些热量被从第一及第二 功率模块和所述电容装置传递到所述流体中并通过笫二开口散发。
12. 如权利要求11所述的车辆功率变换器，还包括连接到所 述电容装置上并位于所述空腔内部的输入滤波器，所述输入滤波器靠 近所述流体通道的第三部分，以便由所述输入滤波器产生的热量被传 递到所述流体中并通过第二开口被散发。
13. 如权利要求12所述的车辆功率变换器，其中所述流体通 道还包括与第一和第二部分互连的第三部分，以使所述第三部分位于所述外壳的笫二端部和所述电容装置的第二端部之间。
14. 如权利要求13所述的车辆功率变换器，其中所述外壳和 所述电容装置各具有一长度和一宽度，所述外壳和所述电容装置中每 一个的相应长度大于所述外壳和所述电容装置中每一个的相应宽度。
15. 如权利要求14所述的车辆功率变换器，还包括与笫一及 第二功率模块、电容装置和输入滤波器可操作连通的控制器。
16. —种车辆，包括 一车架；一连接到所述车架上的致动器；一功率变换器，其连接到所述车架和致动器上，所述功率变换器 包括一外壳，该外壳具有第一和第二开口且至少局部地形成一空腔， 并且在所述空腔的第一和第二侧面上有一流体通道；第一和第二功率模块，在所述空腔相应的第一和笫二侧面上连接到外壳上；和位于所述空腔内部的一电容装置，以便当笫一及笫二功率模块和 电容装置发热时，流体通过流体通道流入笫一开口中，并且从第二开 口中流出，至少来自第一及笫二功率模块和电容装置的一些热量被传 递到流体中并通过笫二开口散发；和一冷却系统，其连接到所述车架上，所述冷却系统具有装有流体 的散热器，所述散热器与致动器和功率变换器流体连通，以便流体流 向及流出致动器并流向功率变换器，通过流体通道流入所述外壳的第 一开口中，并从第二开口中流出，并流回散热器中，以便由致动器、 第一及第二功率模块和电容装置产生的热量被传递到流体中并分别从 致动器和功率变换器中散发。
17. 如权利要求16所述的车辆，其中所述外壳的笫一侧面与所述外壳的第二侧面相对，所述电容装置包括第一和第二侧面，并且 所述流体通道包括第一部分和第二部分，笫一部分靠近所述电容装置 的第一侧面和笫一开口，第二部分靠近所述电容装置的笫二侧面和第 二开口。
18. 如权利要求17所述的车辆，其中所述流体通道的第一部 分位于第一功率模块和所述电容装置的第一侧面之间，并且所述流体通道的笫二部分位于第二功率模块和所述电容装置的第二侧面之间， 所述外壳还包括第一及第二端部、位于第一端部上的第一及第二开 口，并且所述电容装置还包括第一和第二端部，所述电容装置的第一 端部基本上靠近所述外壳的笫一端部，并且所述流体通道还包括与所 述流体通道的笫一和第二部分互连的第三部分，并且第三部分位于所 述外壳的第二端部和所述电容装置的笫二端部之间。
19. 如权利要求18所述的车辆，还包括连接到所述车架上的 许多车轮，许多车轮中的至少一些被用机械方法连接到所述致动器 上。
20. 如权利要求19所述的车辆，其中所述致动器是发动机， 并且还包括连接到所述车架上并且电力连接到所述功率变换器上的电 机，许多车轮中的至少一些被用机械方法连接到所述致动器上。
全文摘要
本发明涉及一种功率变换器。该功率变换器包括一外壳，该外壳具有第一和第二开口且至少局部地形成一空腔，并且在所述空腔的第一和第二侧面上有一流体通道。第一和第二功率模块分别在空腔的第一和第二侧面上连接到外壳上。位于空腔内部的一电容装置，以便当第一及第二功率模块和电容装置发热时，流体通过流体通道流入第一开口中，并且从第二开口中流出，至少来自第一及第二功率模块和电容装置的热量被转换到流体中并通过第二开口散发。
文档编号B60K11/02GK101188379SQ200710193209
公开日2008年5月28日 申请日期2007年11月20日 优先权日2006年11月20日
发明者D·唐, M·D·科里奇, M·L·塞洛吉, Y·杜 申请人:通用汽车环球科技运作公司