电气组件和用于制造电子组件的方法与流程

1.本发明涉及一种可用于功率逆变器电路的电气组件和一种用于制造电子组件的方法。功率逆变器电路是将直流电(dc)改变为交流电(ac)的电子设备或电路。


背景技术：

2.功率逆变器电路用于电动车辆中，用于将电池提供的直流电转换成电机所需的交流电。因此，功率逆变器电路可以连接到电动车辆电池组，该电动车辆电池组以优选在300至800 v范围内的电压提供直流电。尤其是在汽车应用中，体积和重量优化是关键学科。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供一种改进的电气组件及其制造方法。
4.该目的通过权利要求1和第二独立权利要求的主题来解决。
5.提供了一种电气组件，其包括dc链路电容器和emc滤波器。电气组件包括输入端口和输出端口。emc滤波器至少包括第一滤波器级和第二滤波器级。第一滤波器级布置在输入端口和dc链路电容器之间，并且第二滤波器级布置在输出端口和dc链路电容器之间。
6.dc链路电容器可以被配置为存储能量。特别地，dc链路电容器可以是临时存储电容器。dc链路电容器可以被配置为用作负载平衡能量存储设备。dc链路电容器可以被配置为保护功率逆变器电路免受瞬时电压尖峰、浪涌和emi的影响。dc链路电容器可以具有在50到1000
µ
f的范围内的电容，优选在100到300
µ
f的范围内。可替代地，dc链路电容器可以具有大于1000
µ
f的电容。
7.dc链路电容器可以是包括塑料薄膜的薄膜电容器、陶瓷电容器或铝电解电容器中的一种。可替代地，dc链路电容器可以包括任何其他电介质材料。
8.emc滤波器可以配置为限制不想要的发射，并提高功率逆变器电路的抗扰度。
9.emc滤波器的每个滤波器级可以配置为提供滤波。每个滤波器级可以包括至少一个滤波器元件。特别地，每个滤波器级可以包括至少一个滤波器元件，其选自缓冲电容器、y电容器、x电容器和作为电感器操作的磁性元件。
10.缓冲电容器、y电容器、x电容器中的每一个可以是包括塑料薄膜的薄膜电容器、陶瓷电容器或铝电解电容器中的一种。可替代地，缓冲电容器、y电容器和x电容器可以包括任何其他电介质材料。
11.术语“电气组件”可以指包括组件的所有元件被布置在其中的单个外壳或机架的组件。电气组件可以被配置用于，当在特定时刻在输出端口处不需要能量时，在dc链路电容器中临时存储能量。电气组件可以被配置用于对电信号中的噪声或其他扰动进行滤波。
12.通过将dc链路电容器和emc滤波器组合到单个电气组件，与dc链路电容器和单独的emc滤波器组合相比较，可以降低整体体积要求。
13.电气组件可以不包括dc链路电容器和emc滤波器之间的接口，该接口在组装电气组件时必须闭合。因此，组件到功率逆变器电路的电连接的复杂性可以降低，因为并不必须
闭合dc链路电容器和emc滤波器之间的单独的接口。因此，可以减少制造或组装时间，并且还可以减少错误组装的风险。
14.通过将第一滤波器级和第二滤波器级布置在dc链路电容器的相对侧，可以减少或甚至避免从输入端口或从输出端口到dc链路电容器的噪声的迁移。特别地，输出端口可以连接到逆变器半导体桥，逆变器半导体桥可能是噪声、寄生电流或其他扰动的源。通过确保第二滤波器级布置在输出端口和dc链路电容器之间，保护dc链路电容器免受扰动。在噪声影响dc链路电容器之前，噪声可以被第二滤波器级在噪声源附近抑制。
15.第一滤波器级和第二滤波器级可以通过它们在电容器两侧的布置来减少由dc链路电容器的寄生电感引起的振铃。
16.在一个实施例中，emc滤波器包括另外的滤波器级。另外的滤波器级可以是第三滤波器级。emc滤波器可以包括多于三个滤波器级。
17.emc滤波器和dc链路电容器可以集成到单个电路中。单个电路包括电气组件的输入端口和输出端口。
18.输入端口可以被配置用于将电气组件连接到dc输入，并且输出端口可以被配置用于将电气组件连接到逆变器半导体桥。电气组件可以被配置为在输入端口处接收直流电，并在输出端口处提供直流电。
19.第二滤波器级可以被配置为避免到dc链路电容器的噪声迁移。特别地，在电气组件的输出端口处例如由逆变器半导体桥提供的任何噪声可以在到达dc链路电容器之前由第二滤波器级直接滤波和抑制。因此，第二滤波器级可以被认为是早期滤波器级。第二滤波器级可以被配置为在噪声可能在功率逆变器电路中传播之前在源附近对噪声进行滤波。
20.第二滤波器级可以包括缓冲电容器。缓冲电容器可以被配置成与磁性元件结合以形成lc滤波器，其中缓冲电容器补偿磁性元件的漏电感。缓冲电容器可以是能量吸收电路，其用于消除当开关或逆变器半导体桥断开时由电路电感引起的电压尖峰。缓冲电容器的目的是通过消除当开关突然断开时出现的电压瞬变，或通过抑制开关接触的火花，或通过限制半导体开关(如晶闸管、gto晶闸管、igbt和双极晶体管)的电压转换速率来提高电磁兼容性。
21.缓冲电容器可以具有在0.1
µ
f到10
µ
f的范围内的电容。缓冲电容器可以具有明显小于dc链路电容器的电容的电容。例如，缓冲电容器可以具有小于dc链路电容器的电容的十分之一、优选小于dc链路电容器的电容的3%的电容。
22.第二滤波器级可以包括连接在信号线和参考电位之间的至少一个y电容器。在一些实施例中，y电容器与电阻元件组合，该电阻元件与y电容器串联连接，并提供电阻阻尼（damping）。
23.第二滤波器级可以包括作为电感器操作的磁性元件。磁性元件可以布置在信号线中。信号线可以连接输入端口的端子和输出端口的端子。第二滤波器级可以包括均作为电感器操作的两个磁性元件。
24.磁性元件可以均包括镍-锌或锰-锌铁氧体磁芯或纳米晶体带磁芯。这两种材料在105至108hz的频率下提供良好的滤波。因此，这些磁性元件被配置为抑制由dc链路电容器的寄生电感引起的振铃。
25.第一滤波器级可以包括连接在两个信号线之间的x电容器。x电容器可以具有在
0.1
µ
f到10
µ
f的范围内的电容。x电容器可以具有明显小于dc链路电容器的电容的电容。例如，x电容器可以具有小于dc链路电容器的电容的十分之一、优选小于dc链路电容器的电容的3%的电容。
26.第一滤波器级可以包括连接在信号线和参考电位之间的至少一个y电容器。在一些实施例中，y电容器与电阻元件组合，该电阻元件与y电容器串联连接，并提供电阻阻尼。
27.第一滤波器级可以包括作为电感器操作的磁性元件。第一滤波器级的磁性元件可以包括镍-锌或锰-锌铁氧体磁芯或纳米晶体带磁芯。这两种材料在105至108hz的频率下提供良好的滤波。因此，这些磁性元件被配置为抑制由dc链路电容器的寄生电感引起的振铃。
28.dc链路电容器可以被配置为提供噪声抑制。通过将dc链路电容器布置在均包括作为电感器操作的磁性元件的两个滤波器级之间，dc链路电容器也可以用作干扰抑制电容器。
29.根据一个实施例，电气组件可以包括至少一个传感器和/或至少一个功能组件。传感器可以是温度传感器、电流传感器、湿度传感器、压力传感器或气体传感器。电气组件还可以包括从温度传感器、电流传感器、湿度传感器、压力传感器和气体传感器中选择的多于一个传感器。功能组件可以是用于传输数据的模块。
30.根据另外的方面，本发明涉及一种功率逆变器电路，其包括上述电气组件和逆变器半导体桥，其中电气组件的输出端口连接到逆变器半导体桥。
31.另一方面涉及一种用于制造上述电子组件的方法。优选的方法包括以下步骤:a.制造功能dc链路电容器单元，b.将功能dc链路电容器单元连接到母线，c.制造包括第一滤波级和第二滤波级的emc滤波器或滤波器子单元，d.将连接到母线的功能dc链路电容器单元和emc滤波器或滤波器子单元组装在外壳中。
32.所述步骤不一定必须按照上述给定的顺序执行。特别地，步骤c可以在步骤a之前、或在步骤b之前或在步骤d之前执行。
33.在步骤d中，传感器和/或功能组件可以组装在外壳中。传感器可以是温度传感器、电流传感器、湿度传感器、压力传感器或气体传感器。电气组件还可以包括从温度传感器、电流传感器、湿度传感器、压力传感器和气体传感器中选择的多于一个传感器。功能组件可以是用于传输数据的模块。
附图说明
34.在下文中，参照附图描述本发明的优选实施例。
35.图1示出了功率逆变器电路。
36.图2示出了功率逆变器电路的电气组件的电路图。
37.图3和图4示出了可用作磁性元件的两个磁芯的磁导率。
38.图5以透视图示出了电气组件。
39.图6示出了与比较功率逆变器电路的噪声水平相比的图1所示功率逆变器电路的噪声水平。
40.图7示出了比较功率逆变器电路。
具体实施方式
41.图1示出了功率逆变器电路1。功率逆变器电路1包括电气组件2、逆变器半导体桥3和磁性元件4。电气组件2包括输入端口2a和输出端口2b。电气组件2的输入端口2a也是功率逆变器电路1的输入端口。电气组件2的输入端口2a被配置为连接到dc输入，例如电池。
42.逆变器半导体桥3包括输入端口3a和输出端口3b。电气组件2的输出端口2a被配置为连接到逆变器半导体桥3的输入端口3a。逆变器半导体桥3的输出端口3b被配置为连接到线缆，其中逆变器半导体桥3被配置为向线缆提供交流电。线缆被配置为连接到电机。磁性元件4布置为围绕逆变器半导体桥3的输出端口3b。磁性元件4被配置为提供对逆变器半导体桥3的输出端口3b处提供的交流电的滤波。
43.逆变器半导体桥3被配置为将在功率逆变器电路1的输入端口处提供的直流电转换成在功率逆变器电路1的输出端口处提供的交流电。逆变器半导体桥3包括一个或多个晶体管。
44.电气组件包括dc链路电容器c
dcl
和emc滤波器(emc=电磁兼容性)。dc链路电容器c
dcl
被配置为存储能量。emc滤波器被配置为限制不想要的发射并提高逆变器抗扰度。
45.电气组件的dc链路电容器c
dcl
和emc滤波器集成到单个电路中。因此，为了将dc链路电容器c
dcl
和emc滤波器连接到功率逆变器电路1，在电气组件2和逆变器半导体桥3之间只必须闭合单个接口连接。
46.emc滤波器包括第一滤波器级6和第二滤波器级7，其如图1示意性所示。 第一滤波器级6布置在电气组件2的输入端口2a和dc链路电容器c
dcl
之间。第二滤波器级7布置在电气组件2的输出端口2b和dc链路电容器c
dcl
之间。
47.在功率逆变器电路1的操作期间，在逆变器半导体桥3中会产生寄生电流和扰动。通过将第二滤波器级7布置在电气组件2的输出端口2b处，第二滤波器级7被布置成靠近逆变器半导体桥3。因此，在寄生电流或扰动可以到达dc链路电容器c
dcl
之前，第二滤波器级7可以滤波并减少逆变器半导体桥3中产生的任何寄生电流或扰动。因此，第二滤波器级7可以避免从逆变器半导体桥3到dc链路电容器c
dcl
的噪声迁移。第二滤波器级7被配置为在噪声能够以不受控制的方式在功率逆变器电路内传播之前，就在源处对噪声进行滤波。因此，第二滤波器级7是早期滤波器级。
48.第一滤波器级6被布置在dc链路电容器c
dcl
和输入端口2a之间，使得第一滤波器级6被配置为在噪声能够迁移到dc链路电容器c
dcl
中之前，滤波并减少在输入端口2a处提供的任何噪声或寄生电流。
49.关于图2详细讨论了电气组件2，图2示出了电气组件2的电路图。特别地，图2更详细地示出了第一滤波器级6和第二滤波器级7。
50.电气组件2的输入端口2a和输出端口2b均包括两个端子。输入端口2a的第一端子通过第一信号线8连接到输出端口2b的第一端子。输入端口2a的第二端子通过第二信号线9连接到输出端口2b的第二端子。
51.第一滤波器级6包括第一y电容器c
y11
、第二y电容器c
y12
、x电容器c
x
、第一磁性元件lb1和第二磁性元件lb2，其中磁性元件lb1、lb2中的每一个作为电感器操作。
52.y电容器c
y11
、c
y12
被设计为滤波掉共模噪声。第一滤波器级6的第一y电容器c
y11
连接到第一信号线8和参考电位。参考电位可以是电气组件2的外壳或机架。第一y电容器c
y11
与第一电阻器r1串联连接。特别地，第一信号线8经由第一滤波器级6的第一电阻器r1和第一y电容器c
y11
连接到参考电位。第一电阻器r1提供电阻阻尼。
53.第一滤波器级6的第二y电容器c
y12
连接到第二信号线9和参考电位。特别地，第二信号线9经由第二电阻器r2和第二y电容器c
y12
连接到参考电位。
54.x电容器c
x
连接在两个信号线8、9之间。x电容器c
x
被配置为保护功率逆变器电路1免受差模干扰。
55.磁性元件lb1、lb2中的每一个包括磁芯。根据一个实施例，磁芯包括锰锌铁氧体。根据另一个实施例，磁芯包括纳米晶体带磁芯。
56.第一磁性元件lb1被布置围绕第一信号线8。第二磁性元件lb2被布置围绕第二信号线9。
57.此外，第一滤波器级6包括连接在两个信号线8、9之间的第三电阻器r3。第三电阻器r3并联连接到dc链路电容器c
dcl
。
58.第二滤波器级7包括第一y电容器c
y21
、第二y电容器c
y22
、缓冲电容器cs、第一磁性元件la1和第二磁性元件la2，磁性元件la1、la2中的每一个作为电感器操作。
59.第二滤波器级7的y电容器c
y21
、c
y22
被设计为滤波掉共模噪声。第二滤波器级7的第一y电容器c
y21
连接到第一信号线8和参考电位。参考电位可以是电气组件2的外壳或机架。第一y电容器c
y21
与第四电阻器r4串联连接。特别地，第一信号线8经由第二滤波器级7的第四电阻器r4和第一y电容器c
y21
连接到参考电位。第四电阻器r4提供电阻阻尼。
60.第二滤波器级7的第二y电容器c
y22
连接到第二信号线9和参考电位。特别地，第二信号线9经由第五电阻器r5和第二y电容器c
y22
连接到参考电位。
61.缓冲电容器cs连接在两个信号线8、9之间。
62.第二滤波器级7的磁性元件la1、la2中的每一个包括磁芯。根据一个实施例，磁芯包括锰锌铁氧体。根据另一个实施例，磁芯包括纳米晶体带磁芯。
63.第一磁性元件la1被布置围绕第一信号线8。第二磁性元件la2被布置围绕第二信号线9。
64.此外，第二滤波器级7包括连接在两个信号线8、9之间的第六电阻器r6。第六电阻器r6并联连接到dc链路电容器c
dcl
。
65.磁性元件la1、la2被配置为去耦合在电气组件2的输出端口2b处提供的寄生电流。特别地，寄生电流的电流峰值可以被磁性元件la1、la2抑制。同时，作为电感器操作的磁性元件la1、la2产生漏电感，该漏电感由缓冲电容器cs补偿。因此，磁性元件la1、la2和缓冲电容器cs提供了lc滤波器。
66.第一滤波器级6和第二滤波器级7中的每一个形成另外与y电容器组合的lc滤波器。由于dc链路电容器c
dcl
被布置在各自包括作为电感器操作的磁性元件lb1、lb2、la1、la2的两个滤波器级6、7之间，dc链路电容器c
dcl
被配置和布置成提供电容噪声抑制。因此，dc链路电容器c
dcl
在滤波器电路中提供了附加极点，并有助于减少电路中的附加对称电容器的总量。
67.dc链路电容c
dcl
的寄生电感会导致振铃。包括y电容器c
y11
、c
y12
、c
y21
、c
y22
、缓冲电容器cs和相应地x电容器c
x
的emc滤波器的两个滤波器级6、7可以减少不想要的振铃。
68.图3和图4示出了针对不同频率的可用作磁性元件lb1、lb2、la1、la2的两个磁芯的
磁导率。图3示出了实磁导率，并且图4示出了两个磁芯的复磁导率。根据第一实施例，磁性元件lb1、lb2、la1、la2的磁芯是mnzn磁芯。根据第二实施例，磁芯是纳米晶体带磁芯。曲线k1示出了第一实施例的磁芯的实和复磁导率，并且曲线k2示出了第二实施例的磁芯的实和复磁导率。
69.一般来说，两个磁芯在100khz以上的范围内损耗，这有助于抑制振铃。图4所示磁导率的复部反映了损耗。从图4中可以看出，mnzn磁芯提供高损耗，并且因此对大约106hz的频率的良好的滤波。此外，纳米晶体带磁芯提供对大约100khz的频率的特别好的滤波。纳米晶体带磁芯可以在千赫直到fm频率范围内提供良好的损耗。
70.图5以透视图示出了电气组件2。dc链路电容器c
dcl
需要电气组件2的大部分体积。第一滤波器级6布置在输入端口2a和dc链路电容器c
dcl
之间，并且第二滤波器级7布置在输出端口2b和dc链路电容器c
dcl
之间。通过将emc滤波器和dc链路电容器c
dcl
组合到包括具有输入和输出端子的一个机架10的单个组件中，与其中dc链路电容器和emc滤波器是单独的组件的设备相比，降低了整体体积要求。
71.图6示出了与如图7所示的其中emc滤波器和dc链路电容器被提供为单独的元件的比较功率逆变器电路的噪声水平nl
comp
相比的图1所示的功率逆变器电路1的噪声水平nl
new
。示出了与比较功率逆变器电路相比，包括本发明的电气组件2的功率逆变器电路1的噪声水平nl
new
降低。因此，与比较实施例相比，改善了功率逆变器电路1的性能。特别地，与比较实施例相比，对于高于10mhz的频率，本发明的功率逆变器电路1的噪声降低。
72.附图标记1功率逆变器电路2电气组件2a输入端口2b输出端口3逆变器半导体桥3a输入端口3b输出端口4磁性元件6第一滤波器级7第二滤波器级8第一信号线9第二信号线10机架c
dcl
dc链路电容器c
y11
第一滤波器级的第一y电容器c
y12
第一滤波器级的第二y电容器c
x
x电容器lb1第一滤波器级的第一磁性元件lb2第一滤波器级的第二磁性元件c
y21
第二滤波器级的第一y电容器cy22 第二滤波器级的第二y电容器c
s 缓冲电容器la
1 第二滤波器级的第一磁性元件la
2 第二滤波器级的第二磁性元件r1 第一电阻器r2 第二电阻器r3 第三电阻器r4 第四电阻器r5 第五电阻器r6 第六电阻器。