CN105007020A - 采用功率模块的电机控制器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种采用功率模块的电机控制器，其包括散热底板以及位于所述散热底板上的外壳体，所述外壳体与散热底板固定连接；在散热底板上设置用于连接并驱动电机的功率模块，在所述功率模块上方设置用于产生电机控制信号且控制功率模块开关状态的控制板，在所述控制板与功率模块间设有功率电路板，功率模块通过功率电路板上的插针与控制板电连接；在功率电路板还设置用于功率模块与外部电源连接的电源连接柱以及用于功率模块与电机连接的电机连接柱，所述电源连接柱、电机连接柱的端部穿出外壳体外。本发明结构紧凑，降低电机控制器的空间体积，提高电机控制器的可靠性以及生产效率，降低安装维修成本，满足大功率的使用要求。

Description

采用功率模块的电机控制器

技术领域

本发明涉及一种控制器，尤其是一种采用功率模块的电机控制器，属于功率控制的技术领域。

背景技术

随着电池技术和大功率电力电子技术的成熟，新能源电动车迅速发展，优化了能源生产结构，改善了环境。新能源车辆主要有电机系统、电控系统、电池系统组成，电池系统是能源存储机构，电机系统是运动机构，电控系统是主要的控制机构，电控系统的核心是电机控制器。

目前市场上常见的电机控制器包含控制驱动电路、功率管电路、散热器等，控制驱动电路根据传感信号产生电机控制信号，控制功率管电路的开关，通过功率管电路驱动电机系统；散热器将电机控制器热量向外界传输。一般地，电机控制器内的所有功能单元设计在一块PCB（Printed Circuit Board，印制电路板）上，即通过一块PCB实现电机控制器所有的功能。在PCB上，功率管电路采用分立的半导体功率器件实现，一个电机控制器需要多个分立的功率器件，通常3KW的电机控制器要用到36个MOSFET功率管，而8KW的控制器，功率管电路内更是达到了96个MOSFET功率管。

随着功率的增大，电机控制器用到的功率管数量也增加。当功率管数量增加后，产生了如下诸多问题：首先是生产过程中需要对各个功率管的驱动电路设计与安装，为减少功率管的栅极干扰，对PCB的布线要求较高；此外，需要对每个功率管进行焊接，安装繁琐，成品率低；同时在后期维修时检测困难，更换繁琐。

其次，由于在功率管生产过程中，不同功率管间存在着导通电阻、击穿电压等的不同，实际工作工程中，在大负载运行时，电机控制器内功率管散热不均，会导致不同功率管之间的电流不均匀，容易导致部分功率管因电流过大而失效；此外，由于不同功率管击穿电压的不一致性，在受到电压冲击时，一些低击穿电压的功率管提前击穿，导致故障。功率管参数分布的不均匀，使得电机控制器设计和故障排查更加复杂。而在市场竞争激烈中，为降低成本而极限使用功率管时，上述问题更加严重。随着二轮车、三轮车、四轮电动汽车对电机控制器的功率要求逐步提高，在大功率、大电流的情况下，采用大量分立功率管的电机控制器可靠性等问题进一步突出。

为解决多功率管并联的问题，现有技术往往采用在MOSFET管的源、漏连接处加装铜条，以提高通过大电流的可靠性；或将分立MOSFET分组形成U、V、W三相模块，进行安装。上述方式虽有效扩展了MOSFET的适用范围，但没有解决根本问题，制造过程复杂，在大功率大电流下仍然存在隐患。

再者，分立的功率管的封装形式决定了其本身的热容量比较小，散热通过热传导传出，存在着散热效率低的问题。而且，分立的功率管有各自的封装，在多管安装时，占用较大的空间，体积较大。如上所述，随着功率增大，分立的功率管引起了诸多问题，功率管数量的增加，使得控制器的可靠性降低，同时引起了控制和驱动电路进一步的复杂化，使得控制器的生产率下降，体积增大，这些成为电机控制器成本上升的主要原因，限制了电机控制器的使用范围，成为电机控制器设计生产的瓶颈。

分立器件的缺点被广泛认识，技术上也逐渐倾向于在控制器中采用功率模块。功率模块提供了新的机遇，在大功率电源变换场合，出现了利用IGBT功率模块的应用。而在电动车控制器领域，出现了将多个分立器件集成在一块PCB上构成功率模块，模块中利用合理布线，一定程度上解决分立器件间的一致性问题，降低了分立器件的缺陷，但未能从根本上解决问题。

在控制器设计中迫切需要进一步引入新的功率器件降低控制器设计的复杂性，同时需要研究新的布局和结构，研究控制器各个部分的有效信号连接方式，以及相互嵌套的装配方法，以此设计更为可靠、紧凑、散热效率高的低成本控制器。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种采用功率模块的电机控制器，其结构紧凑，降低电机控制器的空间体积，提高电机控制器的可靠性以及生产效率，降低安装维修成本，满足大功率的使用要求。

按照本发明提供的技术方案，所述采用功率模块的电机控制器，包括散热底板以及位于所述散热底板上的外壳体，所述外壳体与散热底板固定连接；在散热底板上设置用于连接并驱动电机的功率模块，在所述功率模块上方设置用于产生电机控制信号且控制功率模块开关状态的控制板，在所述控制板与功率模块间设有功率电路板，功率模块通过功率电路板上的插针与控制板电连接；在功率电路板还设置用于功率模块与外部电源连接的电源连接柱以及用于功率模块与电机连接的电机连接柱，所述电源连接柱、电机连接柱的端部穿出外壳体外。

所述功率电路板上设置三个电源连接柱以及两个电机连接柱，电机连接柱、电源连接柱分别位于功率电路板的两侧，电源连接柱、电机连接柱先穿过控制板后再穿出外壳体外。

所述功率模块的散热面紧贴散热底板，功率模块采用单相桥、三相桥或H桥电路，且在功率电路板上设置若干用于稳定电压的电解电容，所述电解电容的一端连接在功率电路板上，电解电容的另一端嵌置在散热底板的电容定位槽内。

所述功率电路板上设有用于支撑控制板的控制板支撑柱，所述控制板支撑柱分布于功率电路板的端脚。

在控制板上设置用于与外部通讯的通讯接口，所述通讯接口穿出外壳体外。

所述电源连接柱、电机连接柱均采用铜柱，控制板上设有允许电源连接柱穿过的控制板电源柱孔以及允许电机连接柱穿过的控制板电机柱孔。

所述散热底板采用铝板，散热底板通过螺栓与外壳体紧固连接。

本发明的优点：功率器件采用功率模块的结构，功率模块设置在散热底板上，从而能使得电机控制器的分立元件数量大量减少，能提高电机控制器可靠性，且易于安装维护；同时，功率模块的热容量大，散热更加有效，进一步提高了控制器的可靠性。通过功率模块、功率电路板、控制板的层叠式连接配合结构实现电机控制器的功能，层叠式的安装设计使得单位体积内的功率做的更大，能用于大功率场合；功率模块采用插针与功率电路板电连接，插针式设计有效减短了信号的传输路径，降低了寄生参数的影响，控制器更加可靠。

附图说明

图1为现有电动车的基本框图。

图2为现有电动车的电机控制器的功能示意图。

图3为本发明的结构示意图。

图4为本发明的分解图。

图5为本发明控制板的结构示意图。

图6为本发明功率电路板的结构示意图。

图7为本发明散热底板的结构示意图。

附图标记说明：1-外壳体、2-控制板、3-功率电路板、4-功率模块、5-散热底板、6-通讯接口、7-插针、8-电机连接柱、9-电源连接柱、10-外壳体电源柱孔、11-外壳体通讯接口孔、12-外壳体电机柱孔、13-外壳体安装固定孔、14-控制板电机柱孔、15-控制板电源柱孔、16-电解电容、17-底板安装固定孔、18-底板功率模块安装区、19-功率电路板功率模块安装区、20-电容定位槽以及21-控制板支撑柱。

具体实施方式

下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。

本发明的电机控制器用于电动车，电动车的基本结构如图1所示，其以电池为动力来源，以电动机为执行机构，控制器作为控制机构，完成调速、刹车、仪表显示等的控制功能。

如图2所示，电机控制器以系统芯片作为核心控制芯片，完成系统控制信号的接收和转换。过流保护主要完成电动车中母线电流的检测，完成过流的保护；电流检测主要完成电动车中电机相电流的检测，用于电机转动控制；电压检测用于检测电池电压，在不同电压情况下完成欠压或过压等保护措施；过温保护主要监测电机控制器的温度，保证电机控制器在合理的温度下有效工作；霍尔传感用于检测电机的位置和转速信号，电机控制器根据这些反馈信号完成电机的控制；电子刹车主要是在刹车或异常时控制电机有效制动；调速信号控制电机转动的速度；功率驱动完成对功率模块的高效可靠驱动，功率模块主要完成对电机的功率输送。

如图3和图4所示，为了降低电机控制器的空间体积，提高电机控制器的可靠性以及生成效率，降低安装维修成本，满足大功率的使用要求，本发明包括散热底板5以及位于所述散热底板5上的外壳体1，所述外壳体1与散热底板5固定连接；在散热底板1上设置用于连接并驱动电机的功率模块4，在所述功率模块4上方设置用于产生电机控制信号且控制功率模块4开关状态的控制板2，在所述控制板2与功率模块4间设有功率电路板3，功率模块4通过功率电路板3上的插针7与控制板2电连接；在功率电路板3还设置用于功率模块4与外部电源连接的电源连接柱9以及用于功率模块4与电机连接的电机连接柱8，所述电源连接柱9、电机连接柱8的端部穿出外壳体1外。

具体地，所述散热底板5采用铝板，散热底板5呈矩形状，外壳体1的形状与散热底板5的形状相适配，外壳体1压盖在散热底板5上，且外壳体1通过螺栓、螺钉等于散热底板5紧固连接。外壳体1压盖在散热底板5上后，在外壳体1内与散热底板5间形成电机控制器布置安装的收纳空间。具体实施时，外壳体1的底部设有外壳体安装固定孔13，在散热底板5上设置底板安装固定孔17，底板安装固定孔17与外壳体安装固定孔13相应。外壳体1压盖在散热底板5上后，外壳体安装固定孔13与底板安装固定孔17相对应，在外壳体安装固定孔13、底板安装固定孔17内嵌置固定螺栓，从而能将外壳体1紧固在散热底板5上。

本发明实施例中，功率模块4直接置于散热底板5上，功率模块4通过电机连接柱8能与电机连接，功率模块4通过电源连接柱9能与外部电源连接，功率模块4通过插针7与控制板2匹配电连接。具体实施时，控制板2包含图2中的系统芯片以及用于驱动功率模块4的功率驱动电路，控制板2中的系统芯片、功率驱动电路的具体电路形式及其之间的相互配合关系均可以采用本技术领域常用的形式，具体为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。控制板2根据外部的信号产生电机控制信号，电机控制信号通过功率驱动电路以及插针7加载至功率模块4上，以控制功率模块4内开关的导通状态。在功率模块4处于导通状态时，能通过电机连接柱9根据电机控制信号驱动电动机转动。

本发明实施例中，通过功率模块4能避免现有技术中功率管采用分立形式带来的问题，通过功率模块4、功率电路板3以及控制板2这种堆叠的配合的形式实现电机控制器的功能结构，从而能降低电机控制器的封装体积，功率模块4通过功率电路板3上的电源连接柱9与电源连接且通过电机连接柱8与电机连接，从而能满足大电流大功率的使用要求，提高电机控制器的适用范围。

进一步地，所述功率电路板3上设置三个电源连接柱9以及两个电机连接柱8，电机连接柱8、电源连接柱9分别位于功率电路板3的两侧，电源连接柱9、电机连接柱8先穿过控制板2后再穿出外壳体1外。

本发明实施例中，电机连接柱8、电源连接柱9采用铜柱，通过三个电机连接柱8分别与电机的U相、V相以及W相一一连接，两个电源连接柱9中，一个用于接地，一个用于连接电机的电源，电机连接柱8、电源连接柱9能确保在使用中大电流的通过性，确保用于大功率使用场合的可靠性。电机连接柱8、电源连接柱9垂直分布在功率电路板3上，位于功率电路板3下方的功率模块4通过相应的连接线与电机连接柱8、电源连接柱9匹配连接，具体连接形式可以根据需要进行选择，具体为本技术领域人员所熟知，此处不再详述。电机连接柱8的顶端、电源连接柱9的顶端穿出外壳体1外，通过位于外壳体1外的端部实现所需的连接。

具体实施时，外壳体1上设置外壳体电机柱孔10以及外壳体电源柱孔12，为了与电机连接柱8、电源连接柱9相匹配，外壳体1上的外壳体电机柱孔10为三个，外壳体1上的外壳体电源柱孔12为两个，通过外壳体电机柱孔10、外壳体电源柱孔12能对电机连接柱8、电源连接柱9导向，以将电机连接柱8、电源连接柱9引出。

如图5所示，所述功率电路板3上设有用于支撑控制板2的控制板支撑柱21，所述控制板支撑柱21分布于功率电路板3的端脚。

在控制板2上设置用于与外部通讯的通讯接口6，所述通讯接口6穿出外壳体1外。控制板2上设有允许电机连接柱8穿过的控制板电机柱孔14以及允许电源连接柱9穿过的控制板电源柱孔15。

本发明实施例中，控制板2位于功率电路板3的上方，功率电路板3也呈矩形状，控制板支撑柱21分布在功率电路板3的四个端角，通过控制板支撑柱21与控制板2连接后，能实现将控制板2支撑固定在功率电路板3上。为了方便检修等外部通讯，在控制板2上设有通讯接口6，通讯接口6位于控制板2的中心区，通讯接口6凸出在控制板2上。外壳体1上设有接口定位孔11，当外壳体1与散热底板5固定后，通讯接口6能通过接口定位孔11穿出外壳体1外，便于通讯连接。通讯接口6主要与控制板2的系统芯片连接，通讯接口6与控制板2的具体连接形式以及控制板2通过通讯接口6与外部通讯连接的具体形式均为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。

由于电机连接柱8、电源连接柱9垂直分布在功率电路板3上，且电机连接柱8、电源连接柱9要穿出外壳体1外，因此，在控制板2上设置控制板电机柱孔14以及控制板电源柱孔15，电机连接柱8穿过控制板电机柱孔14、电源连接柱9穿过控制板电源柱孔15后，控制板2不会与电机连接柱8、电源连接柱9接触。

所述功率模块4的散热面紧贴散热底板1，功率模块4采用单相桥、三相桥或H桥电路，且在功率电路板3上设置若干用于稳定电压的电解电容16，所述电解电容16的一端连接在功率电路板3上，电解电容16的另一端嵌置在散热底板5的电容定位槽20内。

具体实施时，功率模块4包含了多个功率桥结构，可以是单相桥，三相桥，H桥电路结构中的至少一种；功率模块4内的功率器件包含功率MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，场效应管），IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor,绝缘栅双极晶体管)，功率二极管(POWER Diode)中的至少一种；控制、驱动元器件包括三极管、IC，被动组件中的至少一种。功率模块4的具体形式以及封装结构可以根据需要进行选择，具体为本技术领域人员所熟知。功率模块4能有效减少分立元件的数量，提高电机控制器的可靠性，易于安装维护，提高生成效率。

本发明实施例中，功率模块4采用单相桥的形式，在功率模块4采用单相桥后，在散热底板5上需要设置三个功率模块4，通过三个功率模块4来形成三相桥。图6和图7中示出了，三个功率模块4与功率电路板3以及散热底板5的配合形式。图6中，功率电路板3的下表面设置三个功率电路板功率模块安装区19，功率电路板3下表面除功率电路板功率模块安装区19外设置有大量的电解电容16，功率电路板3上的电解电容16相互并联，以形成较大的电容，所述较大的电容能稳定母线电压。在具体实施时，通过电容与功率器件、系统芯片等连接配合的形式为本技术常用的技术手段，此处不再赘述。图7中，散热底板5上也具有三个底板功率模块安装区18，此外，散热底板5上还设有电容定位槽20，电容定位槽20能允许电解电容16的端部嵌置，从而能实现电解电容16的紧密嵌套。三个功率模块4通过功率电路板3上的插针7能实现与控制板2的电连接，当然，除了插针7外还可以采用走短线等形式连接，通过插针7等的具体连接为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以 理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化均应认为在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种采用功率模块的电机控制器，包括散热底板（5）以及位于所述散热底板（5）上的外壳体（1），所述外壳体（1）与散热底板（5）固定连接；其特征是：在散热底板（5）上设置用于连接并驱动电机的功率模块（4），在所述功率模块（4）上方设置用于产生电机控制信号且控制功率模块（4）开关状态的控制板（2），在所述控制板（2）与功率模块（4）间设有功率电路板（3），功率模块（4）通过功率电路板（3）上的插针（7）与控制板（2）电连接；在功率电路板（3）还设置用于功率模块（4）与外部电源连接的电源连接柱（9）以及用于功率模块（4）与电机连接的电机连接柱（8），所述电源连接柱（9）、电机连接柱（8）的端部穿出外壳体（1）外。

2.根据权利要求1所述的采用功率模块的电机控制器，其特征是：所述功率电路板（3）上设置三个电机连接柱（8）以及两个电源连接柱（9），电机连接柱（8）、电源连接柱（9）分别位于功率电路板（3）的两侧，电机连接柱（8）、电源连接柱（9）先穿过控制板（2）后再穿出外壳体（1）外。

3.根据权利要求1所述的采用功率模块的电机控制器，其特征是：所述功率模块（4）的散热面紧贴散热底板（1），功率模块（4）采用单相桥、三相桥或H桥电路，且在功率电路板（3）上设置若干用于稳定电压的电解电容（16），所述电解电容（16）的一端连接在功率电路板（3）上，电解电容（16）的另一端嵌置在散热底板（5）的电容定位槽（20）内。

4.根据权利要求1所述的采用功率模块的电机控制器，其特征是：所述功率电路板（3）上设有用于支撑控制板（2）的控制板支撑柱（21），所述控制板支撑柱（21）分布于功率电路板（3）的端脚。

5.根据权利要求1所述的采用功率模块的电机控制器，其特征是：在控制板（2）上设置用于与外部通讯的通讯接口（6），所述通讯接口（6）穿出外壳体（1）外。

6.根据权利要求2所述的采用功率模块的电机控制器，其特征是：所述电机连接柱（8）、电源连接柱（9）均采用铜柱，控制板（2）上设有允许电源连接柱（9）穿过的控制板电机柱孔（15）以及允许电机连接柱（8）穿过的控制板电机柱孔（14）。

7.根据权利要求1所述的采用功率模块的电机控制器，其特征是：所述散热底板（5）采用铝板，散热底板（5）通过螺栓与外壳体（1）紧固连接。