[发明专利]用于冷却集成马达驱动器中的开关器件的系统和方法

说明书

本发明提供了用于冷却集成马达驱动器中的开关器件的系统和方法。集成马达驱动器中的功率半导体开关器件经由“拾取和放置”组装过程直接被安装至电路板基板。电路板基板然后被安装在集成马达驱动器的壳体内，并且优选地，电路板基板然后被安装在壳体内大致上居中的方位上。灌封材料被设置在集成马达驱动器的壳体内和电路板周围。灌封材料基本上包围电路板并填充集成马达驱动器内的容积。灌封材料被选择成在电路板与集成马达驱动器的壳体之间提供良好的导热性。灌封材料还被选择成提供柔性，使得由于灌封材料的加热和冷却而导致的该灌封材料的膨胀和收缩不会损坏电路板或安装至电路板的电子部件。

技术领域

本文公开的主题涉及用于冷却集成马达驱动器中的功率半导体器件的系统和方法。更具体地，功率半导体器件被安装至电路板，并且被安装在集成马达驱动器的壳体内。壳体的内部填充有灌封材料，该灌封材料提供了用于使热量从功率半导体器件传递至壳体并且然后通过壳体传递至周围环境的热传导路径。

背景技术

诸如电动马达或发电机的电动旋转机器已经变得普遍并且在许多应用和配置中被发现。电机包括静止部件(即定子)和旋转部件(即转子)。在电动马达中，例如经由安装至转子的磁体或者经由施加至缠绕在转子上的线圈或在该线圈中感应的电流而在转子中建立磁场。第二旋转磁场是由于施加至定子的受控电压产生的定子电流而建立的。定子中的磁场的旋转导致转子中的磁场跟随定子磁场，从而引起转子的旋转。轴或其他驱动构件被安装至转子并且延伸至转子壳体的外部，从而提供与诸如齿轮箱、泵或风扇的装置的机械联接，该装置将在转子旋转时被驱动。改变施加至定子的受控电压的幅度和频率以实现马达的期望操作。

如本领域技术人员已知的，利用本文中也被称为马达驱动器的马达控制器来改变施加至马达的电压的幅度和频率，以实现马达的期望操作。马达控制器被配置成在输入端处接收功率，在输入端处，输入功率可以从交流(AC)源或直流(DC)源被供应。如果输入功率从AC源被供应，则整流器部分将AC功率转换为DC功率。来自整流器部分的输出端或者直接由DC源供应的DC总线被设置到马达控制器内的DC总线。使用电流调节器和调制技术来控制逆变器部分，该逆变器部分又从DC总线向马达供应所需的电流和电压，以实现马达的期望操作。

逆变器部分包括功率半导体开关器件，诸如双极结型晶体管(BJT)、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)或金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。开关器件被快速接通和关断，以交替地将DC总线上的正DC电压、负DC电压或公共电压连接至逆变器部分的输出。使用已知的开关算法，逆变器部分的输出端处的电压将具有在期望的幅度和频率下的基波AC分量，这将提供马达的期望操作。

然而，功率半导体开关器件在操作期间经历器件内的功率损耗。由于传导通过每个器件的电流而导致在每个器件中耗散一些功率，这也被称为传导损耗。当器件在关断状态和导通状态之间转换时，每个器件中耗散另外的功率，这也被称为开关损耗。每个器件中还由于其他原因而导致耗散其他功率，这也被称为寄生损耗。每个器件中耗散的功率往往在器件内被转换成热能，从而导致器件的温度升高。重要的是从功率开关器件中去除热量，以避免开关器件的灾难性故障。

历史上，马达驱动器被安装在控制柜内。控制柜可以包括用于从柜中去除热量的空气调节单元。在一些应用中，柜本身可以位于环境受控的空间中，使得可以容易地去除马达驱动器内生成的热量。然而，近来对马达驱动器的改进已经导致马达驱动器被安装至马达。安装在马达上的马达驱动器被称为集成马达驱动器。因为马达驱动器被安装在马达上，所以马达驱动器不再位于控制柜内，而是位于受控机器或受控过程所位于的制造环境或其他环境中。受控机器或受控过程的环境温度可能高于控制柜内或容纳控制柜的控制室内的温度。因此，集成马达驱动器的热量管理比柜安装式马达驱动器的热量管理更具挑战性。