一种电驱动与电控制集成装置的制作方法

本发明属于自动化控制技术领域，具体涉及机上电驱动与电控制高密度集成装置。

背景技术：

对于中小型无人飞行器、特殊用途无人机等装备，需要使用舵机、加压泵等装置实现动力控制、飞行控制等核心功能。在其中，电机控制是不可获取的重要技术环节。

现有电机通常由永磁同步电机、直流无刷电机、直流有刷电机集中。其中直流有刷电机控制方案相对简单，但由于受到电机本身技术特点影响(电刷容易损坏、电弧)，应用场景相当有限。以直流无刷电机、永磁同步电机为代表的另一类电机，则由于控制系统复杂，因此在使用时通常需要配备较大的控制器使用。

因此，对于无人机、机器人和其他特殊飞行器等对空间有严格要求的应用场景，通常无法采用永磁同步电机、直流无刷电机等控制精度高且更为可靠的技术。与此同时，降低现有驱动控制模块的体积也成为一部分该行业技术人员的工作目标。

减小驱动控制模块体积，技术难点存在于以下几个方面：

1.该模块由两部分内容组成，分别是控制功能和驱动功能，其中控制功能为弱电电路，驱动功能为强电电路，二者间需要具备一定的隔离度以防电磁兼容性问题。常规技术方案里，通常采用两块不同的电路板隔离放置的形式。

2.用于控制电机的igbt(或mosfet)电路，由于考虑散热等问题，通常每个器件都单独设置热沉(hotsink)等结构，而一个两路驱动的功率模块，通常需要12个igbt器件，造成很大的体积浪费。

3.为适用于工业应用的标准连接器，模块尺寸难以下降。

近年来国内外很多公司都开展了模块小型化的技术尝试，其中较为著名的是意大利elmo公司和中国深圳的微秒科技，其开发的高功率密度模块均可以达到60mmx60mmx50mm的尺寸维度。

上述两者更关注工业应用领域，出于成本考虑其功率密度已经做到极限。但对于敏感技术领域，可以采用成本更为高昂的技术手段，进一步提升产品性能。

技术实现要素：

本发明需解决的技术问题是提供一种体积小、高功率密度的电驱动与电控制集成装置。

为解决上述技术问题，本发明提供的电驱动与电控制集成装置，采取技术方案如下：

采用三层结构，自上而下分别是控制模块、驱动模块和开关模块，所述控制模块、驱动模块和开关模块分别组装在上层基板、中层基板和下层基板上，基板之间通过互连支柱进行电学互连和机械支撑。

所述开关模块下方设置下层散热器，所述控制模块上方设置上层散热器；位于所述下层散热器、上层散热器之间的两侧设置散热侧壁。

所述上层基板、中层基板和下层基板与散热侧壁连接，所述上层基板、下层基板材料选用但不限于aln宝石陶瓷基板或钨铜，中间层基板材料选择但不限于有机基板或aln宝石陶瓷基板。

进一步地，所述控制模块、驱动模块由分立的元器件、芯片组成，所述开关模块由大功率开关芯片裸芯片以及相关的无源器件组成，所述开关芯片包括但不限于mosfet或igbt裸芯片。

进一步地，所述散热侧壁设置条形开孔或由多根均匀分布的柱形侧壁构成。

进一步地，所述控制模块通过导热胶与上层散热器相连，所述开关模块中的开关芯片采用金属扣板与基板焊接。

本发明提出本发明驱动控制模块采用了多层堆叠的结构，实现了驱动控制模块的小型化，同时通过采用高导热宝石陶瓷衬底、裸芯片功率控制晶闸管和集中化的散热通路设计，提升了驱控一体模块产品的功率密度、减小了封装体积。

本发明公开的集成装置，集成芯片可达30颗，该组件具备高功率三相电机驱动能力，驱动电压150v～300v，电机工作功率不小于10kw,工作电流不超过50a，瞬时电流120a/100ms。采用本发明公开的多层结构、高导热基板、金属散热盖板、金属热沉，采用新型封装的igbt或mosfet，整体驱动模块基板尺寸(不包括散热器)不超过50mm*50mm*24mm，环境温度70℃时，组件表面最高温度可以降低至157.3℃以下，组件最高温度可以控制在175℃以内。

附图说明

图1是本发明实施例设计的驱动控制模块结构示意图；

其中，1是控制模块，2是驱动模块，3是开关模块，4是下层散热器，5是上层基板，6是互连支柱，7是中层基板，8是下层基板，9是上层散热器，10是散热侧壁。

图2是图1结构的侧视图。

具体实施方式

下面结合附图和优选实施例对本发明作进一步说明。

在优选实施例中，驱动控制模块结构示意图如图1所示，具有三层结构，自上而下分别是控制模块1、驱动模块2和开关模块3，所述控制模块1、驱动模块2和开关模块3分别组装在上层基板5、中层基板7和下层基板8上，基板之间别通过连接器和互连支柱6进行电学互连和机械支撑。所述开关模块3下方设置下层散热器4，所述控制模块1上方设置上层散热器9；位于所述下层散热器4、上层散热器9之间的两侧设置散热侧壁10。

上层基板5、中层基板7和下层基板8与散热侧壁10连接，上层基板5、下层基板8材料选用但不限于aln宝石陶瓷基板、钨铜，中间层基板材料选择但不限于有机基板或aln宝石陶瓷基板。

所述控制模块1包括数字逻辑soc，及相关闪存芯片，ram芯片、以太网芯片，电源变换芯片、晶振等。所述驱动模块2包括接口电路等芯片。所述开关模块3包括逆变器裸芯片以及强电相关电路。

所述控制模块1、驱动模块2可以是分立的元器件、芯片组成，也可以是封装好的模块；开关模块3由大功率开关芯片裸芯片以及相关的无源器件组成。所述开关芯片包括但不限于mosfet或igbt裸芯片。

为增加受热面积，所述散热侧壁10上设置条形开孔或由多根均匀分布的柱形侧壁构成，如图2所示。材料选用但不限于钨铜、aln宝石陶瓷等。

所述控制模块1通过导热胶与散热器9相连，所述开关模块3中的开关芯片采用金属扣板与基板焊接。

下面结合应用实施例对本发明进一步说明。

一种电机驱动组件如图1、图2所示，x-y方向基板尺寸为50mm×50mm，高度25mm(不含上下散热片)，分为三层结构，最上层为控制模块1，包括数字逻辑soc，及相关闪存芯片，ram芯片、以太网芯片，电源变换芯片、晶振，中间层放置接口电路，包括以太网芯片、隔离芯片。最底层放置逆变器裸芯片以及强电相关电路。

其中上层基板5和中层基板7选用的是氮化铝材料，尺寸50mm×50mm，厚度1.5mm，下层基板8选用的是氮化铝材料，尺寸50mm×50mm，厚度1mm。基板之间具有互连支柱6，分布于基板两侧，主要材质是铜；上层控制模块上方是上层散热器9，尺寸为60mm×50mm，厚度20mm，控制模块内所有芯片与散热器通过导热胶粘接。下层基板8下方贴装有下层散热器4，尺寸150mm×150mm，厚度20mm。上层散热器与下层散热器之间具有六根柱形散热侧壁10，尺寸是4mm×10mm，厚度25mm，均匀分布在模块两侧，柱形散热侧壁10之间距离为10mm，模块的上中下层基板分别与柱形散热侧壁相连接。