具有改善的空间利用率和热管理特性的功率电子器件模块的制作方法

1.本公开整体涉及工业充电和汽车领域。更特别地，本公开涉及一种具有改善的空间利用率和热管理特性的功率电子器件模块(pem)，诸如在电动车辆(ev)或混合动力电动车辆(hev)的充电器中使用的pem。


背景技术：

2.常规地，在用于与ev和hev等相关的高功率充电器应用的功率电子器件机柜(pec)中使用的pem由外壳组成，在该外壳中设置有多个印刷电路板(pcb)、冷却风扇和其他部件。这些pcb包括：高电压、高功率pcb，其中一些可包括变得非常热的电磁；以及低电压、低功率pcb，这些pcb不会变得那么热但可能受到来自电磁器件(electromagnetics)(的电磁干扰(emi)的影响。pcb通常以整体或简单的并列构型布置在外壳中，从而导致关于外壳的空间和热管理挑战以及emi问题。
3.虽然以例示性环境上下文的方式提供了本发明背景，但对于本领域的普通技术人员而言将显而易见的是，本公开的概念和原理也可在其他环境上下文中实施，包括工业充电和汽车领域之外的环境上下文。


技术实现要素：

4.在本公开的pem中，高电压、高功率pcb的热ac输入滤波器部分(即，电磁器件)与高电压、高功率pcb的主功率段分离并且竖直地安装在相关联外壳的侧壁上。高电压、高功率pcb的主功率段沿着外壳的底部相邻于下部底座散热器设置，该主功率段在该下部底座散热器处被最有效地冷却。低电压、低功率pcb设置在高电压、高功率pcb的主功率段上方与下部底座散热器相反。这种布置使pem空间利用率最小化，优化高电压、高功率pcb由下部底座散热器进行的冷却，并且将低电压、低功率pcb与来自ac输入滤波器部分的emi隔离。
5.此外，磁性部件被封闭在一个或多个注塑的导热塑料封装件内，在该一个或多个注塑的导热塑料封装件的底部上具有模制销翅片，这些模制销被构造成增强到或穿过外壳的下部底座散热器的热传递。在模制销翅片突出穿过下部底座散热器的情况下，塑料封装件直接接合下部底座散热器，并且模制销直接交接在外壳外部或与之整合的相邻于下部底座散热器延伸的导管中的冷却剂。在此，应当指出，下部底座散热器可由上部底座散热器替换或补充，并且同样应用原理。
6.最后，导管可结合到下部底座散热器和外壳自身的体积中，其中翅片或销结构设置在冷却剂流的部分中，以经由增大的热传递表面积增强从下部底座散热器到冷却剂流的热传递。在此，使用“转向部”或翅片结构形成的曲折导管路径可与外壳内的相邻高电压、高功率开关和电磁部件并置排列，以减慢需要更多冷却的区域中的冷却剂流，而在热管理问题更温和的区域中可使用导致与曲折导管路径相比更低的冷却剂流压降的销结构。该整合的下部底座散热器可由压铸金属等制造，从而形成简单、低成本的整合结构。整合到下部底座散热器自身中的翅片或销结构可与上述磁性部件封装件的模制销结合使用。同样，在此
应当指出，下部底座散热器可由上部底座散热器替换或补充，并且同样应用原理。
7.在一个例示性实施方案中，本公开提供了一种用于工业或车辆电池充电器系统等的功率电子器件模块，其包括：底座外壳，该底座外壳包括散热器表面和多个侧壁；主功率段印刷电路板，该主功率段印刷电路板相邻于底座外壳的散热器表面设置；低电压、低功率印刷电路板，该低电压、低功率印刷电路板设置成相邻于主功率段印刷电路板与底座外壳的散热器表面相反；以及交流输入滤波器部分印刷电路板，该交流输入滤波器部分印刷电路板包括沿着底座外壳的多个侧壁中的一个侧壁设置并且在底座外壳内与低电压、低功率印刷电路板分离的电磁器件。
8.在另一个例示性实施方案中，本公开提供了一种用于工业或车辆电池充电器系统等的功率电子器件模块，其包括：底座外壳，该底座外壳包括散热器表面；电磁部件，该电磁部件相邻于底座外壳的散热器表面设置；以及导热塑料封装件，该导热塑料封装件部分地或完全地绕电磁部件设置；其中导热塑料封装件的底部表面包括多个突出翅片结构或销结构，该多个突出翅片结构或销结构适于突出穿过被制造成进入或穿过底座外壳的散热器表面的端口，并且进入在底座外壳形成或相邻于底座外壳的散热器表面设置的冷却流体通道中。
9.在另一个例示性实施方案中，本公开提供了一种用于工业或车辆电池充电器系统等的功率电子器件模块底座外壳，其包括：散热器表面，该散热器表面包括内部散热器表面和外部散热器表面；以及多个壁结构，该多个壁结构设置在内部散热器表面和外部散热器表面之间，该多个壁结构在用于将冷却流体接收到冷却流体通道中的入口端口和用于从冷却流体通道递送冷却流体的出口端口之间限定密封的冷却流体通道。功率电子器件模块底座外壳还包括：在内部散热器表面和外部散热器表面之间的冷却流体通道内形成的多个翅片和/或销结构，该多个翅片和/或销结构适于中断冷却流体通道内的冷却流体在输入端口和输出端口之间的流动。
附图说明
10.本文参考各种附图说明并描述了本公开，其中视情况而定，类似的组装部件/方法步骤由类似的参考标号表示，并且在附图中：
11.图1为本公开的pem的一个例示性实施方案的透视图，其突出显示了相关联内部部件的相对放置，以使空间利用率最小化、增强热管理并使emi隔离最大化；
12.图2为根据本公开的封闭在导热塑料封装件中的图1的pem的第一电磁部件的透视图；
13.图3为根据本公开的封闭在导热塑料封装件中的图1的pem的第二电磁部件的透视图；
14.图4为安装有图2和图3的封闭电磁部件的图1的pem的透视图；
15.图5为未安装图2和图3的封闭电磁部件的图1的pem的透视图，其突出显示了下部底座散热器的相关联热管理腔体；并且
16.图6为未安装图2和图3的封闭电磁部件的图1的pem的透视图，其突出显示了下部底座散热器的相关联热管理腔体和整合的冷却流体通道。
具体实施方式
17.同样，在用于与ev和hev等相关的高功率充电器应用的pec中使用的pem由外壳组成，在该外壳中设置有多个pcb、冷却风扇和其他部件。这些pcb包括：高电压、高功率pcb，其中一些可包括变得非常热的电磁；以及低电压、低功率pcb，这些pcb不会变得那么热但可能受到来自电磁器件的emi的影响。pcb通常以整体或简单的并列构型布置在外壳中，从而导致关于外壳的空间和热管理挑战以及emi问题。这是不利的，因为期望快速高功率(300kw )直流(dc)充电器较小并且具有高功率密度。在此类充电器应用中，多个pem可布置在pec中。
18.此外，在pem内，磁性部件是主要的热发生器，并且通常用灌封材料封装在金属壳体中，然后用热界面材料(诸如间隙垫或油脂)组装到下部底座散热器上。此类包封由于金属壳体内所需的电磁隔离而不期望地大并且具有高质量，并且热隔离是不期望地低效的，由于设置在金属壳体和下部底座散热器之间的居间结构而具有不期望地高的热阻。此外，所得成本不期望地高。
19.最后，外壳的下部底座散热器可使用气体或液体经由在外壳外部相邻于下部底座散热器延伸的一系列导管进行流体冷却。使用单独的部件再次导致空间和热管理问题，其中相对于组合的外壳-热管理系统，热耦合不足。
20.图1为本公开的pem组件10和pem封装件12的一个例示性实施方案的透视图，其突出显示了相关联内部部件的相对放置，以使空间利用率最小化、增强热管理并使emi隔离最大化。如上所论述，例如，在工业或车辆充电器应用中，多个此类pem组件10和pem封装件12可设置在pec中。在本公开的pem 10和封装件12中，前一高电压、高功率pcb的热ac输入滤波器部分16(即，电磁器件)与前一高电压、高功率pcb的主功率段18分离，并且垂直安装在封装件12的外壳14的侧壁20上/平行于该侧壁安装。前一高电压、高功率pcb的主功率段18沿着/平行于封装件12的底部相邻于下部底座散热器22设置。与主功率段18一样，ac输入滤波器部分16仍然由具有热电磁器件的pcb组成，但是这些部件现在是分离的并且如所提供的那样布置。低电压、低功率pcb 24以“第二层(second story)”或“堆叠”构型设置在前一高电压、高功率pcb的主功率段18上方与下部底座散热器22相反。这种布置使pem空间利用率最小化，优化前一高电压、高功率pcb由下部底座散热器22进行的冷却，并且将低电压、低功率pcb24与来自ac输入滤波器部分16的emi隔离。与常规情况一样，一个或多个冷却风扇26在外壳14内设置在前一高电压、高功率pcb的主功率段18上、通过该主功率段或以其他方式相邻于该主功率段，并且将空气循环到所有pem部件。
21.在例如优选地小且具有高功率密度的快速的高功率(300kw )dc充电器中，ac输入滤波器部分16的电磁器件变热并产生emi，这可在低电压、低功率pcb 24中产生噪声。因此，这些部件现在是物理分离的。通常由ac-dc转换器和dc-dc升压器组成的主功率段18也变热，并且现在被设置成直接相邻于下部底座散热器22并且靠近一个或多个冷却风扇26。如下文更详细地描述的，该下部底座散热器22现在以整合方式进行流体冷却。由于低电压、低功率pcb 24(其通常由处理器和连接器组成)相对于其他部件不产生同样多的热量，因此它不需要同样多的冷却，并且可与下部底座散热器22分离，从而允许其“堆叠”在主功率段18的顶部上与下部底座散热器22相反，从而节省外壳14内的空间。这样，沿着z轴的冷却可集中在外壳14的底部处，下部底座散热器22位于该底部处。
22.对本领域的普通技术人员将显而易见的是，在此可交换“底部”和“顶部”以及“下
部”和“上部”，并且ac输入滤波器部分16可设置在封装件12的外壳14的任何侧壁20上，前提条件是与低电压、低功率pcb 24的分离出于emi隔离目的而被最大化。
23.一般来讲，外壳14的部分可由高导热金属如铸造铝制成。除ac输入滤波器部分16、主功率段pcb 18、低电压、低功率pcb 24以及一个或多个冷却风扇26之外，构成pem 10的其他部件包括但不限于电流传感器、继电器、功率模块和母线。pem 10中还包括任何数量的电磁部件30、40，这些电磁部件将在下文更详细地讨论。
24.图2为根据本公开的封闭在导热塑料封装件32中的图1的pem 10的第一电磁部件30的透视图。在此，第一电磁部件30为功率因数校正(pfc)电感器，但其可以是任何合适的电磁部件。导热塑料封装件32完全地(或部分地)绕第一电磁部件30注塑或以其他方式设置。所利用的导热塑料材料可以是具有高热导率的独特塑料共混物，并且通常具有约2mm-3mm的厚度，并且用于将pem 10的其他部件与第一电磁部件30热隔离和电磁隔离。如图所示，导热塑料封装件32的底部表面34包括多个翅片、销或类似结构36，这些翅片、销或类似结构增大了可用于到周围冷却流体(无论是气体还是液体)的热传递的表面积，而不会导致冷却流体流的过度中断。这些翅片或销36可与导热塑料封装件32的其余部分注塑、增材制造或以其他方式形成。优选地，翅片或销36具有一定长度，使得它们部分地或完全地突出穿过封装件12(图1)的下部底座散热器22(图1)并进入冷却流体流中。图2还示出了突出穿过导热塑料封装件32的各种电接触件38。导热塑料封装件32可包括在封装件12内的其他表面上的任何数量和构型的端口和翅片或销结构，这些结构增强与由一个或多个冷却风扇26(图1)产生的周围冷却空气流的热耦合。
25.图3为根据本公开的封闭在导热塑料封装件42中的图1的pem 10的第二电磁部件40的透视图。在此，第二电磁部件40为高功率、高频变压器，但其可以是任何合适的电磁部件。导热塑料封装件42同样部分地(或完全地)绕第二电磁部件40注塑或以其他方式设置。所利用的导热塑料材料可以是具有高热导率的独特塑料共混物，并且通常具有约2mm-3mm的厚度，并且用于将pem 10的其他部件与第二电磁部件40热隔离和电磁隔离。如图所示，导热塑料封装件42的底部表面44包括多个翅片、销或类似结构46，这些翅片、销或类似结构增大了可用于到周围冷却流体(无论是气体还是液体)的热传递的表面积，而不会导致冷却流体流的过度中断。这些翅片或销46可与导热塑料封装件42的其余部分注塑、增材制造或以其他方式形成。优选地，翅片或销46同样具有一定长度，使得它们部分地或完全地突出穿过封装件12(图1)的下部底座散热器22(图1)并进入冷却流体流中。导热塑料封装件42可包括在封装件12内的其他表面上的任何数量和构型的端口和翅片或销结构，这些结构增强与由一个或多个冷却风扇26(图1)产生的周围冷却空气流的热耦合。在此，导热塑料封装件具有开放顶部以将第二电磁部件40的一部分暴露于封装件12内的周围环境，以帮助减小封装件的质量并使用更少的灌封材料。
26.图4为安装有图2和图3的封闭电磁部件30、40的图1的封装件12的透视图。虽然电磁部件30、40被示出为安装在封装件12的相对角部中，但对于本领域的普通技术人员将显而易见的是，也可利用其他安装位置，前提条件是相对于任何低电压、低功率pcb 24(图1)提供足够的间距，该低电压、低功率pcb可受到来自电磁部件30、40的emi的不利影响。
27.图5为未安装图2和图3的封闭电磁部件30、40的图1的封装件12的透视图，其突出显示了相关联热管理端口50，这些热管理端口由穿过表面设置的腔体组成，封闭电磁部件
30、40设置在该表面上。在此，封装件12的其上设置有封闭电磁部件30、40的内部表面由下部底座散热器22组成，该下部底座散热器将热量从pem 10(图1)的各个部件汲取到冷却流体流，该冷却流体流流经下部底座散热器22(如下文更详细地描述的)，或者在更常规的实施方案中相邻于下部底座散热器22。热管理端口50是在对应于电磁部件30、40的位置中的腔体，对应的翅片或销36(图2)、46(图3)被设置成穿过这些腔体并被引入相邻的冷却流体流中。优选地，电磁部件30、40的导热塑料封装件32(图2)、42(图3)经由原位按压密封件和/或密封剂密封地耦接到封装件12的内部表面，使得冷却流体保持在下部底座散热器22的冷却系统中并且不进入封装件12。
28.图6为未安装图2和图3的封闭电磁部件30、40的图1的封装件12的透视图，其突出显示了相关联热管理腔体50和整合的冷却流体通道60。同样，封装件12的内部表面由下部底座散热器22组成，该下部底座散热器将热量从pem 10(图1)的各个部件汲取到冷却流体流，该冷却流体流流经下部底座散热器22(如在此所述)，或者相邻于下部底座散热器22。热管理腔体50是在对应于电磁部件30、40的位置中的腔体，对应的翅片或销36(图2)、46(图3)被设置成穿过这些腔体并被引入相邻的冷却流体流中。优选地，电磁部件30、40的导热塑料封装件32(图2)、42(图3)经由原位按压密封件和/或密封剂密封地耦接到封装件12的内部表面，使得冷却流体保持在下部底座散热器22的冷却系统中并且不进入封装件12并不利地影响内部的电子器件。如图所示，下部底座散热器22自身的内部部分限定整合的冷却流体通道60，这些冷却流体通道60横穿封装件12的需要冷却的各个部分。冷却流体通道60被构造成使可由气体或液体(诸如水和冷却剂的50/50混合物)组成的冷却流体从入口端口62循环到被制造成进入封装件12中的出口端口64。在此，为清楚起见，冷却流体通道60被示出为不具有相关联的底部封装件表面。可利用任何合适形状的冷却流体回路。
29.在结构上，下部底座散热器22包括内部散热器表面22a和外部散热器表面(同样，为清楚起见未示出，但类似于内部散热器表面22a)以及设置在内部散热器表面22a和外部散热器表面之间的多个壁结构22b，该多个壁结构在用于将冷却流体接收到冷却流体通道60中的入口端口62和用于从冷却流体通道60递送冷却流体的出口端口64之间限定密封的冷却流体通道60，从而形成穿过下部底座散热器的冷却流体回路。
30.翅片结构66或销结构68设置在冷却剂流动通道60的部分中，以增强经由增大的热传递表面积从下部底座散热器22到冷却剂流的热传递。在此，使用“转向部(switchback)”或翅片结构66形成的曲折导管路径可与封装件12内的相邻高电压、高功率开关和电磁部件并置排列，以减慢需要更多冷却的区域中的冷却剂流，而在热管理问题更温和的区域中可使用导致与曲折导管路径相比更低的冷却剂流压降的销结构68。该整合的下部底座散热器22可由压铸金属等制造，从而形成简单、低成本的整合结构。通常，整合的下部底座散热器22具有约3mm的厚度，并且翅片结构66和/或销结构68横穿该距离。整合到下部底座散热器22自身中的翅片结构66和/或销结构68结构可与上述磁性部件封装件32(图2)、42(图3)的模制销36(图2)、46(图3)结合使用。同样，在此应当指出，下部底座散热器22可由上部底座散热器替换或补充，并且同样应用原理。
31.因此，在本公开的pem中，高电压、高功率pcb的热ac输入滤波器部分(即，电磁器件)与高电压、高功率pcb的主功率段分离并且竖直地安装在封装件或外壳的侧壁上。高电压、高功率pcb的主功率段沿着封装件或外壳的底部相邻于下部底座散热器设置，该主功率
段在该下部底座散热器处被最有效地冷却。低电压、低功率pcb设置在高电压、高功率pcb的主功率段上方与下部底座散热器相反。这种布置使pem空间利用率最小化，优化高电压、高功率pcb由下部底座散热器进行的冷却，并且将低电压、低功率pcb与来自ac输入滤波器部分的emi隔离。
32.此外，磁性部件被封闭在一个或多个注塑的导热塑料封装件内，在该一个或多个注塑的导热塑料封装件的底部上具有模制销，这些模制销被构造成增强到或穿过封装件的下部底座散热器的热传递。在模制销突出穿过下部底座散热器的情况下，塑料封装件密封地接合下部底座散热器，并且模制销直接交接在封装件或外壳外部或与之整合的相邻于下部底座散热器延伸的导管中的冷却剂。在此，应当指出，下部底座散热器可由上部底座散热器替换或补充，并且同样应用原理。
33.最后，导管可结合到下部底座散热器和外壳自身的体积中，其中翅片或销结构设置在冷却剂流的部分中，以经由增大的热传递表面积增强从下部底座散热器到冷却剂流的热传递。在此，使用“转向部”或翅片结构形成的曲折导管路径可与外壳内的相邻高电压、高功率开关和电磁部件并置排列，以减慢需要更多冷却的区域中的冷却剂流，而在热管理问题更温和的区域中可使用导致与曲折导管路径相比更低的冷却剂流压降的销结构。该整合的下部底座散热器可由压铸金属等制造，从而形成简单、低成本的整合结构。整合到下部底座散热器自身中的翅片或销结构可与上述磁性部件封装件的模制销结合使用。同样，在此应当指出，下部底座散热器可由上部底座散热器替换或补充，并且同样应用原理。
34.虽然本文参考例示性实施方案及其具体示例说明和描述了本公开，但对于本领域的普通技术人员将显而易见的是，其他实施方案和示例可执行类似的功能和/或实现类似的结果。所有此类等同实施方案和示例均在本公开的精神和范围内，由此被设想，并且旨在由以下非限制性权利要求覆盖以用于所有目的。