具有电池电力系统和交错功率模块的交通工具的制作方法

背景技术：

技术实现思路

1、本文公开了一种在电池电力系统中使用的交错功率模块。电池电力系统进而可以用在电气化(electrified)移动或固定系统上，电气化移动或固定系统诸如是但不限于电动或混合电动交通工具。特别地，本公开的功率模块采用折叠/多层印刷电路板(pcb)，即具有如本文阐述构造的平行切换管芯的印刷电路板，以最佳地耦合环路部件并且从而减小电感，特别是寄生环路电感和杂散电感。本公开的pcb被配置为四层、多侧、安装有功率器件的pcb。在没有本教导的情况下，用于功率模块的控制器可能试图减缓(retard)功率模块中的固态开关的切换速度，以减少电流/电压过冲。然而，这样的控制动作可能导致更高的损耗、减小的操作范围(对于移动系统应用)和总体性能降低。因此，如本文描述的功率模块的pcb构造旨在解决电池电力系统内的这些和其他可能的性能问题。

2、特别地，根据实施例的功率模块包括开关输出节点(sw)、局部电压总线和定位在局部电压总线的正和负母线(busbar)之间的多层pcb。正母线和负母线分别连接到正输入节点(hv+)和负输入节点(hv-)。第一功率开关组(power switch set)连接到与pcb的第一侧相邻的正母线，其中第一功率开关组在正输入节点(hv+)和开关输出节点(sw)之间具有第一/高侧电流路径，例如代表性配置中的顶侧。第二功率开关组连接到与pcb的第二侧相邻的负母线，其中第二功率开关组在负输入节点(hv-)和开关输出节点(sw)之间具有第二/低侧(例如底侧)电流路径。多个解耦电容器连接到正母线和负母线，局部电压总线母线位于第一/高侧电流路径和第二/低侧电流路径之间。

3、在可能的实施例中，第一和第二功率开关组分别表面安装(surface-mount)到pcb的第一和第二侧。可选地，高侧和低侧功率开关可以体现为金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)，其中在如下阐述的本公开的范围内，其他固态配置是可能的。

4、在不同的实现中，功率模块包括至少六个解耦电容器，或者可能包括至少二十四个解耦电容器。在后一种情况下，功率模块可以被配置为三相(或更多)多电平转换器，其示例实施例在下面详细描述。

5、一个或多个分流电阻器或其他电流传感器可以安装到pcb的第一/顶侧。

6、在另一个实施例中，功率模块包括栅极驱动器集成电路(ic)，例如在可能的配置中的高侧栅极驱动器集成电路(ic)和低侧栅极驱动器ic。在可能的实现中，高侧和低侧栅极驱动器ic放置在pcb的相应顶侧和底侧上，其中对称的栅极驱动器迹线(trace)和重叠的栅极环路穿过pcb的内层。第一/高侧功率开关组通过第一空间或间隙与pcb的第一侧分离，其中第一间隙包含高侧栅极驱动器ic。类似地，第二功率开关组通过包含低侧栅极驱动器ic的第二间隙与pcb的第二/底侧分离。

7、与表面安装相反，在功率模块的替代构造中，第一和第二功率开关组可以嵌入pcb内。在这样的配置中，pcb可以限定在第一和第二功率开关组之间延伸的冷却通道。冷却通道可以包含导热冷却材料，用于同时冷却第一和第二半导体开关组。

8、本文还公开了一种电池电力系统。电池电力系统可以包括主dc电压总线、可连接到主dc电压总线的电化学电池组、以及可操作用于在电池组的放电模式期间为负载供电的功率模块，该负载例如是一个或多个电力牵引马达或其他电力马达。功率模块包括可连接到主dc电压总线的局部电压总线，其中局部电压总线具有布置在相应平行平面中的正和负母线。该实施例中的pcb定位在正和负母线之间。连接到与pcb的第一/顶侧相邻的正母线(busbar)的第一功率开关组被配置为作为功率模块的高侧开关操作。类似地，第二功率开关组连接到与pcb的第二/底侧相邻的负母线。第二功率开关组作为功率模块中的低侧开关操作。正和负母线位于高侧和低侧开关的电流路径之间。解耦电容器连接到正和负母线，例如在pcb的第一/顶侧上。

9、根据本公开的另一方面的交通工具包括交通工具本体、连接到交通工具本体的道路轮和电池电力系统。电池电力系统，其可操作为驱动系统来为一个或多个道路轮提供动力(power)以推进交通工具，所述电池电力系统包括主dc电压总线、可连接到主dc电压总线的牵引电池组、以及多相交流(ac)推进或牵引马达。电池电力系统进一步包括功率逆变器，该功率逆变器可操作用于在电池组的放电模式期间对电力牵引马达赋能。

10、交通工具的代表性实施例中的功率模块可以用作功率逆变器的部分，并且包括连接到主dc电压总线的局部电压总线。局部电压总线包括布置在平行平面中的正和负母线。功率模块还包括定位在正和负母线之间的多层pcb。第一功率开关组连接到与pcb的第一侧相邻的正母线，并且被配置为如上指出的在功率模块中作为高侧开关操作。第二功率开关组连接到与pcb的第二侧相邻的负母线，并且被配置为在功率模块中作为低侧开关操作。在该特定实现中，母线位于高侧开关和低侧开关的电流路径之间。至少二十四个解耦电容器连接到局部电压总线，例如在pcb的第一侧上。在该代表性实现中，功率模块被配置为三相多电平转换器。

11、一种功率模块，包括：开关输出节点(sw)；局部电压总线，具有布置在相应平行平面上的正母线和负母线，正母线和负母线分别连接到正输入节点(hv+)和负输入节点(hv-)；印刷电路板(pcb)，定位在正母线和负母线之间；第一功率开关组，连接到与pcb的第一侧相邻的正母线，第一功率开关组在正输入节点(hv+)和开关输出节点(sw)之间具有第一/高侧电流路径；第二功率开关组，连接到与pcb的第二侧相邻的负母线，第二功率开关组在负输入节点(hv-)和开关输出节点(sw)之间具有第二/低侧电流路径；和多个解耦电容器，连接到正母线和负母线，局部电压总线母线位于第一/高侧电流路径和第二/低侧电流路径之间。其中，第一功率开关和第二功率开关组分别被表面安装到pcb的第一侧和pcb的第二侧。其中，第一功率开关组和第二功率开关组被配置为金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)。其中，多个解耦电容器包括至少六个解耦电容器。其中，至少六个解耦电容器包括二十四个解耦电容器，并且其中功率模块被配置为三相多电平转换器。进一步包括：安装到pcb的一个或多个电流传感器。其中，一个或多个电流传感器包括一个或多个分流电阻器。进一步包括：栅极驱动器集成电路(ic)，连接到pcb，接近第一功率开关组和第二功率开关组。其中，栅极驱动器ic包括：高侧栅极驱动器集成电路(ic)；和低侧栅极驱动器ic，并且其中：第一功率开关组通过第一间隙与pcb的第一侧分离，第一间隙在其中包含高侧栅极驱动器ic；和第二功率开关组通过第二间隙与pcb的第二侧分离，第二间隙在其中包含低侧栅极驱动器ic。其中，第一功率开关组和第二功率开关组嵌入在pcb内。其中：在第一功率开关组和第二功率开关组之间的pcb中限定间隙；并且间隙填充有导热材料，导热材料可操作用于冷却第一功率开关组和第二功率开关组。

12、一种用于给负载供电的电池电力系统，包括：主直流(dc)电压总线；电池组，可连接到dc电压总线；和功率模块，可操作用于在电池组的放电模式期间为负载供电，功率模块包括：开关输出节点(sw)；局部电压总线，连接到主dc电压总线并具有布置在相应平行平面上的正母线和负母线，正母线和负母线分别连接到正输入节点(hv+)和负输入节点(hv-)；印刷电路板(pcb)，定位在正母线和负母线之间；第一功率开关组，连接到与pcb的第一侧相邻的正母线，第一功率开关组在正输入节点(hv+)和开关输出节点(sw)之间具有第一/高侧电流路径；第二功率开关组，连接到与pcb的第二侧相邻的负母线，第二功率开关组在负输入节点(hv-)和开关输出节点(sw)之间具有第二/低侧电流路径；和多个解耦电容器，连接到正母线和负母线，局部电压总线位于第一/高侧电流路径和第二/低侧电流路径之间。进一步包括：负载，其中负载包括电力马达。其中，电力马达是多相交流(ac)牵引马达，并且其中功率模块被配置为三相多电平转换器，其具有作为多个解耦电容器的二十四个解耦电容器的集合。其中，功率模块包括栅极驱动器集成电路(ic)，所述栅极驱动器集成电路(ic)具有高侧栅极驱动器ic和低侧栅极驱动器ic，其中：第一功率开关组通过第一间隙与pcb的第一侧分离，第一间隙在其中包含高侧栅极驱动器ic；和第二功率开关组通过第二间隙与pcb的第二侧分离，第二间隙在其中包含低侧栅极驱动器ic。其中：第一功率开关组和第二功率开关组嵌入在pcb内。其中：

13、pcb限定了伸长的冷却通道，所述伸长的冷却通道在第二功率开关和第一功率开关组的相应平面之间延伸并与之平行；并且伸长的冷却通道填充有导热材料。

14、一种交通工具，包括：交通工具本体；道路轮的集合，连接到交通工具本体；和电池电力系统，可操作用于为道路轮的集合中的一个或多个道路轮提供动力以推进交通工具，电池电力系统包括：主直流(dc)电压总线；电池组，可连接到主dc电压总线；多相交流(ac)电力牵引马达，具有连接到一个或多个道路轮的输出构件；和功率模块，连接到电力牵引马达并可操作用于在电池组的放电模式期间对电力牵引马达赋能，功率模块包括：开关输出节点(sw)；局部电压总线，连接到主dc电压总线并具有布置在相应平行平面上的正母线和负母线，正母线和负母线分别连接到正输入节点(hv+)和负输入节点(hv-)；印刷电路板(pcb)，定位在正母线和负母线之间；第一功率开关组，连接到与pcb的第一侧相邻的正母线，第一功率开关组在正输入节点(hv+)和开关输出节点(sw)之间具有第一/高侧电流路径；第二功率开关组，连接到与pcb的第二侧相邻的负母线，第二功率开关组在负输入节点(hv-)和开关输出节点(sw)之间具有第二/低侧电流路径；和至少二十四个解耦电容器，连接到pcb的第一侧上的局部电压总线，其中功率模块被配置为三相多电平转换器。其中，功率模块包括：高侧栅极驱动器集成电路(ic)；和低侧栅极驱动器ic，其中：第一功率开关组通过第一间隙与pcb的第一侧分离，第一间隙在其中包含高侧栅极驱动器ic；并且第二功率开关组通过第二间隙与pcb的第二侧分离，第二间隙在其中包含低侧栅极驱动器ic，其中第一功率开关组和第二功率开关组嵌入在pcb内。其中，pcb限定了冷却通道，所述冷却通道在嵌入在pcb内的第一功率开关组和第二功率开关之间延伸。

15、当结合附图和所附权利要求书考虑时，本公开的上述特征和优优势以及其他特征和伴随的优势将从对用于实行本公开的说明性示例和模式的以下详细描述中容易地清楚。此外，本公开明确包括以上和以下呈现的要素和特征的组合和子组合。