[发明专利]用于逆变器直流母线电容器包装的集成电和热解决方案

说明书

本发明提供一种结合热和电考虑的改进的电容器包装解决方案。包装可包括电耦接至母线的电容器元件以及母线和外壳之间的热增强绝缘层。绝缘层可提供在邻近外壳基座和侧壁部分的位置。母线可设置在邻近绝缘层的位置并配置为沿着包装侧面和沿着包装长度在电容器元件下面延伸，以在母线与电容器元件接触之前，为远离母线的热消散提供延长的导热路径。增强绝缘层配置为远离母线将热量传导至外壳，以避免电容器的热点温度。降低的电容器温度允许使用更小、更便宜的电容器，在未累及性能的情况下减少了逆变器成本。

技术领域

本发明总体上涉及用于逆变器功率模块(inverter power module)的直流母线(dc-link)电容器，尤其涉及电和热性能的电容器包装功能。

背景技术

用于电动和混合动力车辆的牵引逆变器典型地包括通过例如可存储和释放能量的电容器或电容器组这样的无源电子装置与电源耦接的一个或多个高性能的逆变器电路。该电容器可稳定直流母线电压、吸收纹波电流、使电源电感效应去耦和减少逆变器功率级的漏电感。为了最小化寄生或漏电感以及优化性能，连接电容器(1inking capacitor)典型地位于尽可能接近逆变器的半导体功率开关的位置，该电容器的尺寸和设计通常由其连接的逆变器的尺寸和功率特性所决定。逆变器运行可产生热量，热量可部分传递到连接电容器上。不幸的是，电容器包装热导率通常相当差，典型地小于1W/m.K。因此，甚至少量的热量传递到电容器上也可显著增加其温度。功率模块内部温度可达到150℃，但是大多数连接电容器仅允许105℃或低于105℃。因此，电容器温度典型地成为操作设计约束条件。结果，逆变器连接电容器典型地会增大尺寸以承受逆变器施加的热挑战，并因此增加了逆变器系统的成本、尺寸和重量。

图1A表示电耦接至逆变器功率模块104的传统的现有技术中的逆变器直流母线电容器包装102。包装102的特征是长L、高H和宽W。传统的电容器包装102包括放置电容器元件108的树脂层106和可为包装102提供支承的外壳110。母线(bus bar)112具有在元件108上面延长并与元件108耦接的内部部分114。母线112也包括外部延长以与逆变器功率模块104连接的外部部分116。传递到母线外部部分116的热量可在有限的范围辐射到外部环境；然而，许多热量传导到内部部分114。由于包装102欠佳的热性能，传递的热量可实质上提高电容器元件108的温度。不幸的是，高温可导致电容器在较低的电压水平被击穿。高温也可对电容器的电性能产生不利的影响并缩短其使用寿命。

图1B表示针对传统的直流母线电容器包装102的示例性的等效电路120，其包括IGBT端子和外壳/冷却剂之间的一系列热阻R1-R5。基于电路120，下述等式(1)提供了包装102的传统的直流母线电容器的最高温度的表达式：

T_最高(C_传统)＝T_冷却剂+(R3+R4+R5)/(R1+R2+R3+R4+R5)*(T_PM-T_冷却剂) (等式1)

其中：T_冷却剂＝冷却剂温度

T_PM＝功率模块温度

R1＝从IGBT端子至直流母线电容器内部母线部分114的母线外部部分116的热阻；

R2＝从电容器内部母线部分114至电容器元件108的树脂的热阻；

R3＝6.6C/W，电容器元件108从上到下的热阻；

R4＝从电容器元件108底部至外壳110的环氧树脂106的热阻

R5＝如果直接冷却，是从电容器外壳110至冷却剂的热阻，或者如果对流冷却，是从电容器外壳110至空气的热阻

下面提供了上述列出的变量的示例性的值：

L＝210mm

W＝160mm