技术领域
[0001] 本
发明涉及一种旨在从直流
电流向电负载提供
三相电流的逆变器。
[0002] 本发明的领域更具体地是混合动
力车辆或
电动车辆的领域，其中
能量存储在
蓄电池中以便利用交流电流为牵引
电动机运行提供动力。
背景技术
[0003] 对于这种类型的应用，有必要将离开
蓄电池的直流电流转换成三相交流电流，为此使用逆变器。通常，这种逆变器包括
开关模式动力供给
电路的开关单元，该开关单元由控制电路控制。传统上，开关单元包括H个半桥，每个半桥由两个开关组成。开关单元相对笨重，并仅在一侧配备冷却
散热器。因此，这些开关单元在没有
散热器的一侧倾向于朝向
电子控制卡
辐射热量。由于开关单元的电子元件的冷却相对有限，假设其表面积越大，与散热器的
接触面越大，热量的排出越好，则必须增加这些组件的尺寸。这倾向于增加开关单元的尺寸，因此增加了包括这种单元的逆变器的尺寸。其他开关单元提供双侧冷却，但这通常不是最佳的，并且同样必须增加组件的尺寸以增加与散热器的接触表面。
[0004] 此外，逆变器通常包括电容
滤波器，该电容滤波器包括在逆变器的输入
端子之间与开关单元并联布置的一个或多个电容器，以便过滤
电压振荡。考虑到离开逆变器的线电流的均方根(RMS)，更具体地确定这种电容滤波器的电容器的尺寸。例如，对于转换500安培(A)RMS线电流的逆变器，电容器必须允许通过该值的65％或325A RMS的电流。因此，电容滤波器的电容器笨重。
[0005] 由于所有这些原因，使得可以切换500A RMS的线电流的逆变器通常占用6至8立方米的体积。
[0006] 然而，机动车辆中的空间受到限制，特别是在混合动力车辆的发动
机舱中。
[0007] 此外，在现有文献中，特别是在2017年3月的电力电子新兴与选择主题的IEEE杂志(IEEE JOURNAL OF EMERGING AND SELECTED TOPICS IN POWER ELECTRONICS)第5卷第1期的LYU等人的题为“通过增加分段牵引驱动的并联三相逆变器模
块编号来降低直流-链路RMS电流(in IEEE JOURNAL OF EMERGING AND SELECTED TOPICS IN POWER ELECTRONICS)”的文章中已知的是，通过将并联连接在逆变器的两个输入端子上的两组受控开关交错用于每一相来制作逆变器的开关单元，并且可以在电动机的每一相上并联输送两个交流电流。
[0008] 此外，US-A-2006/0138993公开了一种逆变器，其中开关单元包括交错的开关组，其使得可以并联地为两个电动机供电，或者为电动机提供动力使其可以在两个相反的方向上运行。US-A-2006/0138993未考虑逆变器的尺寸。
[0009] 最后，从EP-A-2010402中已知在半导
体模块的厚度中生产
传热流体循环管，该
半导体模块尤其包括逆变器内的电容器。
发明内容
[0010] 本发明旨在通过提出一种新的逆变器结构来改善已知逆变器的紧凑性，其中由于开关单元的结构，电气元件的尺寸得到改善，这使得可以减小电容滤波器的体积。并且，其中倾向于加热的逆变器部件的冷却特别有效地完成，这再次使得可以减小电容滤波器的体积。
[0011] 为此，本发明涉及一种用于电连接到直流电压源以便利用三相电流供电的逆变器，该逆变器包括开关单元，对于电流的每一相，该开关单元又包括由两组可控开关形成的开关模式电源电路，每组受控开关提供开关单元的独立端子，同时该开关单元还包括包含该开关模式电源电路的密封壳体。该逆变器还包括电容滤波器。根据本发明，该壳体在两个相对的表面上设有带有传热流体的热交换装置。分配器安装在壳体上游的传热流体循环回路中，以将传热流体朝向壳体的两个相对表面导向。此外，使用至少一个
热管来冷却电容滤波器，而包含在热管中的流体的冷凝发生的热管的一部分与分配器热接触。
[0012] 由于本发明，每相具有两组交错的受控开关的开关单元的结构限制了开关单元输出电流的均方根，这使得可以使用一个或几个体积较小的电容器来用于电容滤波器。由于开关单元的壳体因为热交换装置可以在其两个相对的表面上被冷却，该开关单元的冷却更有效并且不需要大的
硅表面来散热。使用一个或多个热管可以特别可靠和有效地冷却电容滤波器，利用这个事实，在逆变器的输入端，传热流体具有相对低的
温度，这允许包含在该热管中的流体有效冷凝。由于所有这些原因的组合，本发明的逆变器具有优化的电气和热操作，这使得可以将其包括在比已知设备小得多的体积中，对于提供600A RMS的直
流线电流的逆变器，该体积小于3立方米，实际上大约2立方米。
[0013] 根据本发明的有利但可选的方面，这种逆变器可以包含以下特征中的一个或多个，以任何技术上允许的组合考虑：
[0014] -电容式滤波器由多个
热泵冷却，这些热泵在电容式滤波器和分配器之间并联延伸。
[0015] -与分配器热接触的每个热泵的部分是其与电容滤波器相对的端部。
[0016] -与分配器热接触的每个热泵的部分胶合或
焊接在分配器的外表面上。
[0017] -开关单元分为三个模块，每个模块包括两个输入端子，两个输出端子，两组开关，两组开关并联安装在两个输入端子之间并且每个开关连接到输出端子和包括该两组开关的壳体的一部分。
[0018] -壳体在其相对的每个表面上限定传热流体循环通道。
[0019] -壳体的每个部分限定每个传热流体循环通道的一部分，并且当开关单元由三个模块的组件构成时，这些通道部分对准并且流体连通。
[0020] -电容滤波器包括至少一个通过
母线连接到开关单元的电容器，至少一个热管直接与电容滤波器热接触或间接热接触，即与母线板或元件接触，母线板或元件反过来与电容滤波器接触，并且该热管也与分配器接触。
[0021] -电容滤波器具有支持300V至950V之间的
电源电压的容量，开关单元能够为电负载的每一相提供具有两相交流电流，其强度介于100和500A RMS之间，逆变器输出600A RMS的累积线电流，并且逆变器的总体积小于或等于8立方米，优选为6立方米，更优选为3立方米，还更优选为2立方米。
[0022] 根据另一方面，本发明涉及一种机动车辆，其包括蓄电池、电力牵引电动机和逆变器，该逆变器用于从该蓄电池输送的直流电流向该牵引电动机提供三相电流。根据本发明，逆变器如上所述。
[0023] 考虑到逆变器的相对小的尺寸，这种机动车辆更容易设计和维护。
[0024] 通过以下根据其原理仅作为示例提供并且参考
附图进行的逆变器和机动车辆的一个
实施例的描述，本发明将被更好地理解，并且其其它优点将更清楚地呈现。
附图说明
[0025] 图1是根据本发明的机动车部件的示意性电气图示，其包括根据本发明的逆变器；
[0026] 图2是属于图1的逆变器的开关单元的模块的局部剖开透视图；
[0027] 图3是图1的逆变器的分解局部透视图；
[0028] 图4是图1的逆变器的侧视图。
具体实施方式
[0029] 在图1中，部分地示出了混合动力机动车V的电力牵引链C。该牵引链C包括蓄电池2、逆变器4和三相牵引电动机6。
[0030] 蓄电池2输送介于300V和950V之间(例如等于450V)的直流电压V2。电池2连接在逆变器4的两个输入端子42和44上。
[0031] 该逆变器4包括开关单元46和电容滤波器48，它们两者并联连接在端子42和44上。
[0032] 逆变器2还包括命令卡50和控制卡52。实际上，卡50和52可以组合在单个实体卡上。
[0033] 开关单元46由三个相同的模块462,464和466形成，其分别设置来提供牵引电动机6的第一相62，第二相64和第三相66。在图1中，模块462，464和466通过垂直虚线相对于彼此界定。
[0034] 每个模块462，464或466包括由在端子42和44之间并联布置的两组开关形成的开关模式电源电路。例如，模块462包括由两个开关4622的第一组E1和两个开关4624的第二组E2组成的第一电路C462。开关单元46的所有开关是相同的并且包括
绝缘栅双极晶体管(IGBT)463和反激
二极管465。
[0035] 在未示出的替代方案中，还可以从MOS(金属
氧化物半导体)组件(例如
碳化硅(SiC)或氮化镓(GaN))设计该开关单元。在这些情况下，不需要反激二极管。
[0036] 模块462的第一输出端子4626电连接在组E1的两个开关4622之间。模块462的第二输出端子4628电连接在组E2的开关4624之间。有利地由导电
电缆形成的两条电线L12和L22分别将端子4626和4628连接到牵引电动机6的第一相62的绕组622。
[0037] 同样地，在图1中示出但不可见，在模块464和466中形成第一和第二组受控开关并且它们各自的输出端子4646，4648，4666和4668分别由电路C464和C466提供并连接到电动机6的第二相64和第三相66的绕组642和662。
[0038] 根据开关单元46的开关4622，4624等的连接模式，通过线路L12，L22等的输出电流的RMS强度等于用于相同的牵引电动机6的包括单组开关的模块产生的电流的RMS强度的大约一半。
[0039] 命令卡50使得可以根据预定顺序切换晶体管463，并且控制卡52控制该组。为了清楚起见，这些卡50和52未在图3中示出。
[0040] 以必须以600A RMS的线电流供电的牵引电动机6为例，在每条线L12，L22等上行进的线电流具有300A RMS的强度。
[0041] 在附图的示例中，逆变器可以被配置为使得每个端子4226，4628，4646，4648，4666和4668传递强度在100和500A RMS之间的相电流。
[0042] 逆变器4在牵引电动机6的每个相上输出累积电流，其强度是来自第一相62的端子4226和端子4628、第二相64的端子4646和端子4648以及第三相66的端子4666和端子4668的相电流的总和。因此，逆变器4可以为牵引电动机6的相提供累积电流，其强度在200A RMS和
1000A RMS之间。
[0043] 电容滤波器48包括一个或多个电容器482。在该示例中，使用两个电容器。并且在仅使用这两个的该示例中，这些电容器经历对应于线电流的RMS的约32％或192A RMS的电流。
[0044] 开关单元460内的模块462在图2中以外部视图单独示出，并且在图3和4的开关单元46内仍然以外部视图示出。该模块包括密封的整体壳体4621，其形成在两个半壳体4621A和4621B中，半壳体4621A和4621B布置在承载电路C462的
电子电路板的两侧。这些半壳体可密封地组装并且留下不可见的端子，其暴露以便连接到逆变器4的输入端子42和44以及输出端子4626和4628。
[0045] 整体式壳体4621由电绝缘材料制成，例如Ultem(注册商标)聚醚(PEI)。
[0046] 半壳体4621A和4621B中的每一个分别限定管4623A，4623B，使得可以在开关4622和4624的的紧邻处循环传热流体，例如含有添加剂的
水或任何其他传热流体。
[0047] 如图2中的剖开图所示，突刺(spurs)4625布置在每个管4623A和4623B中，以促进在这些管中循环的传热流体与壳体4621之间的热交换。或者，这些突刺可以由翅片或其他浮雕件(relief)代替，以寻求改善传热流体和壳体4621之间的热传递。4625或翅片构成模块462内的散热器。为了良好的热输出，该散热器优选焊接到
支撑电路C462的组件的支撑板上。
[0048] 根据另一替代方案，可以省略这些浮雕件(relief)。
[0049] 模块464和466还包括与壳体4621相同的整体壳体4641和4661。
[0050] 当组装开关单元46时，整体式壳体4621，4641和4661通过未示出的机械装置相互并置和固定，使得这些整体式壳体4621，4641和4661一起构成开关单元46的复合和密封壳体461，并且其各自的相应管彼此对齐并流体连接。然后，这些管构成相应的两组管道46A和46B，它们在开关单元46的整个长度上延伸。
[0051] 因此，通道46A和46B以及它们包含的浮雕件可选地构成分布在密封壳体461的两个相对表面(即其下表面461A及其下表面461B)上的热交换装置，如图3和图4所示。
[0052] 分别设置分配器60和收集器70来为通道46A和46B供应传热流体并排出位于这些通道中的传热流体。
[0053] 有利地，部件60和70是相同的。但是，这不是强制性的。
[0054] 分配器60包括由导热材料(例如金属，并且在这种情况下优选
铝或
铜)制成的主体61，其是一体件并且可以将在图3中以轴线示出的管线82内以箭头F1方向到达的传热流体流分布成两个分别穿过通道46A和46B的传热流体F2和F3。如图3所示，主体61的朝向开关单元46的一侧设置有两个出口孔63A和63B，用于与通道46A和46B对准。
[0055] 然而，这不是强制性的，并且还可以考虑具有
覆盖通道46A和46B的入口的具有单个出口孔的分配器60。
[0056] 从分配器60引入到通道46A和46B中的传热流体沿着开关单元46的长度沿图3和4中的箭头F4的方向流动。从那里，传热流体通过图3中可见的通道46A和46B的孔口离开一系列壳体4621，4641和4661，并进入收集器70的主体71，传热流体从收集器70的主体71在排放管线84内以流动F5的形式离开。
[0057] 管线82和84以及通道46A和46B属于传热流体的循环回路，该循环由箭头F1至F5示出。
[0058] 开关单元46的冷却特别有效，因为，一方面它发生在密封壳体461的两个相对表面461A和461B上，另一方面由于散热器焊接在支撑板上，散热器和电路C462，C464和C466之间的热阻最小。因此，加热电路C462，C464和C466的部件的
风险是有限的，并且不必提供大的支撑。因此，这种双侧冷却参与了开关单元46的紧凑性，并因此参与逆变器4的紧凑性。
[0059] 开关单元46的模块化结构在生产率和维护方面带来了收益。实际上，在电路C462，C464，C466之一上观察到
缺陷的情况下，在开关单元46的制造期间，只需更换已经观察到该缺陷的模块就足够了，而不必丢弃整个开关单元46。在电开关单元46的寿命期间，在故障的情况下，可以在不必更换所有模块的情况下改变模块462,464和466中的一个。
[0060] 如图4所示，考虑到开关单元46不向逆变器的其他元件辐射热量，电子卡50和52可以沿着单元46的一个表面(即密封壳体461的上表面461B)布置，而不需要专
门的冷却。
[0061] 从图3和图4中更清楚地示出了电容滤波器48的结构。除了电容器482之外，该电容滤波器48还包括分别布置在电容器482下方和上方的两个接触板484和486，如图3和4所示。
[0062] 下接触板484有助于这些电容器相对于逆变器4的其余部分的机械维护。接触板484和486通过未示出的安装构件彼此机械连接，这允许它们抓住电容器48以形成子组件
48，其在逆变器4的制造期间易于操纵。
[0063] 或者，下接触板484可以由两个半板代替，两个半板分别位于电容器482的下方并且通过接触板486上的紧固片延伸。
[0064] 接触板486是多层结构，其包括绝缘芯和布置在该绝缘芯的任一侧上并且可以传导电流的两个导电层。
[0065] 上接触板486在与下接触板484相对的一侧包括用于承载电容器482并与电容器482连接的
基座4862和后部4864，后部4864垂直于基座4862延伸并且限定了用于连接到各模块462、464和466的输入端子的六个标签件(tabs)4866，即每个模块两个标签件。因此，上接触板486用作为开关单元46供电的母线(busbar)。
[0066] 在未示出的一个替代方案中，接触板484用作母线(busbar)。
[0067] 在未示出的另一替代方案中，电容滤波器48紧邻开关单元放置并且不是在上方或下方。
[0068] 在另一个替代方案中，可以省略板484和486，并且电容滤波器和开关单元之间的电连接通过另一种方式完成。
[0069] 接触板486限定了二面体D486，用于在逆变器4的安装配置中接收开关单元46。
[0070] 四个热管92，94，96和98也是逆变器4的一部分。这些热管各自采用密封壳体的形式，在没有另一种气体的情况下，该密封壳体包含与其气相平衡的液体形式的流体。在热管的最靠近待冷却的元件的一端，液体加热并
蒸发。然后，由这种蒸发产生的气体扩散到热管的另一端，在那里它被冷却直到它冷凝成再次变成液体，同时除去
热能。
[0071] 在该示例中，热管92至98由铜
外壳或任何其他导热金属制成，其包含液体和气体形式的
氨，或水，丙
酮，甲醇等。
[0072] 热管92包括胶合在接触板484上的区段92a，在该示例中，区段92a胶合在下接触板484的与电容器482相对的表面。热管92还包括粘合在主体61的外表面61a上的端部92b。
[0073] 在省略下接触板484的替代方案中，热管与电容滤波器48直接热接触。
[0074] 因此，热管的区段92a与电容滤波器48热接触，并且其端部92b与分配器60热接触。
[0075] 在本发明的含义内，当两个部件布置成能够彼此交换热量时，两个部件处于热接触。可以使用几种解决方案(包括焊接、用导热胶粘合、热油脂等)以在这两个部件之间提供足够弱的热阻。
[0076] 因此，包含在热管92中的产品在区段92a内与板484接触加热到其蒸发的点，从而在热管中产生温度梯度。该温度梯度迫使
蒸汽沿着热管移动，直到它到达与分配器60接触的端部92b中的相对新鲜的区域，到达它
凝结的点，从而释放从分配器60上的板484提取的热量。
[0077] 热管94，96和98以相同的方式工作，每个都具有粘合在接触板484或486之一上的区段94a，96a或98a以及粘合在主体61的外表面61a上的端部94b，96b或98b。
[0078] 热管92，94，96和98在电容滤波器48和分配器60之间并联延伸。
[0079] 可选地，根据构成热管的材料的性质，该热管一方面可以焊接在板484和486上，另一方面可以焊接在主体61上，或者甚至使用另一种技术(特别是通过使用导热胶或
导热油脂等进行干扰(jamming)，钎焊，卷边，胶合等)与这些元件484，486和61热接触。
[0080] 该安装允许有效冷却电容滤波器48，当端部92b，94b，96b和98b达到相对低的温度时，甚至更有效。这可能是有效的，由于分配器60的主体61由尚未加热的传热流体行进，因为该传热流体还没有穿过开关单元46的通道46A和46B。
[0081] 由于与传统逆变器相比，通过电容滤波器48的电流被除以2，因此，由于任何容量的等效
串联电阻，该滤波器的加热相对于该传统逆变器被除以4。因此，从电容滤波器48提取的热量是传统逆变器的四倍，并且所提出的装置使得可以将接触板484和486的温度保持在小于5℃，以用于分配器60处的传热流体的温度。
[0082] 为了能够将逆变器置于高达105℃的环境空气中，并限制必须通
过热管排出的热流，可以有利地将由电容滤波器48与其板484和486形成的组件以及热管92至98放置在例如由厚度为1mm至4mm的
绝热材料制成的外壳中。
[0083] 在图3和4中，区段92a和94a示出在下接触板484的下方，而区段96a和98a示出在上接触板486上方。可选地，其他布置也是可能的。
[0084] 端部92b等可以分布在分配器60的任一侧上，例如，在图4中可见的表面61a的部分上的端部92b和96b以及在相对部分上的端部94b和98b。也可以考虑其他分布。
[0085] 由于上述特征的组合，本发明的逆变器4可以特别紧凑，如图4所示，同时具有与其用于供应机动车牵引电动机的用途相容的电气特性。在该示例中，逆变器4可以被供应介于300和950V之间的电压V2，并且向牵引电动机6的每个相62，64和66供应两个强度为300A RMS的交流电流。并且其积累以向电动机的每相提供600A RMS的强度，而逆变器4的总体积小于或等于8立方米，优选为6立方米，还更优选为3立方米。实际上，由于本发明，这种逆变器可具有2立方米的体积。
[0086] 对于具有较低RMS强度的线电流，这些尺寸将减小。
[0087] 可选地，热管的数量可以不同于4个，同时保持大于或等于1个，并且它们在接触板484和486之间的分布可以与所示的不同。
[0088] 根据另一替代方案，热管的热部件可以直接与电容器482接触。
[0089] 逆变器4可用于控制除牵引电动机(特别是发
电机)之外的电负载的三相电流。
[0090] 电容滤波器48的电容器482的数量可以不同于2个，特别是等于1个。
[0091] 分配器60的主体61可以由除铝之外的金属，特别是铜，或甚至非金属材料制成，例如导热的塑料材料。
[0092] 上面考虑的实施例和替代方案可以彼此组合以产生本发明的新实施例。
