开关电路及其开关布局结构、电机控制器、变换器
阅读说明：本技术 开关电路及其开关布局结构、电机控制器、变换器 (Switch circuit and switch layout structure thereof, motor controller and converter ) 是由 陈文杰 杜恩利 吴一凡 于 2021-07-09 设计创作，主要内容包括：本发明公开了开关电路及其开关布局结构、电机控制器、变换器,开关布局结构包括直流母线电容、第一开关器件及第二开关器件；第一开关器件第一端通过正母线与直流母线电容正极电连接；第二开关器件第二端通过负母线与直流母线电容负极电连接；第一开关器件第二端、第二开关器件第一端分别与交流输出母线电连接；第一开关器件和第二开关器件交替排列成开关器件排,开关器件排中第一开关器件第一端、第二开关器件第二端位于该排同侧；该开关布局结构中两开关器件交替排布成排,两种开关器件不同端位于开关器件排的同侧,使两种开关器件与直流母线电容电连接的路径长度相近,有助于减小开关电路的杂散电感,提高应用该开关电路的变换器的性能和效率。(The invention discloses a switch circuit and a switch layout structure thereof, a motor controller and a converter, wherein the switch layout structure comprises a direct current bus capacitor, a first switch device and a second switch device; the first end of the first switching device is electrically connected with the positive electrode of the direct current bus capacitor through the positive bus; the second end of the second switching device is electrically connected with the negative electrode of the direct current bus capacitor through a negative bus; the second end of the first switching device and the first end of the second switching device are respectively and electrically connected with the alternating current output bus; the first switching devices and the second switching devices are alternately arranged into a switching device row, and the first ends of the first switching devices and the second ends of the second switching devices in the switching device row are positioned on the same side of the row; two switching devices are alternately arranged in a row in the switch layout structure, different ends of the two switching devices are positioned on the same side of the switching device row, so that the path lengths of the two switching devices electrically connected with the direct-current bus capacitor are close, the stray inductance of the switching circuit is reduced, and the performance and the efficiency of a converter using the switching circuit are improved.)
技术领域
本发明涉及电路器件布局设计
技术领域
，更具体地说，涉及一种开关电路的开关布局结构、一种开关电路、一种电机控制器，还涉及一种变换器。背景技术
变换器的主功率电路拓扑为图1所示的三相全桥电路，由开关器件(如IGBT或MOSFET)并联组成三个上桥臂和三个下桥臂。以U相为例，请参阅图2，n个第一开关器件(如IGBT或MOSFET，n大于等于2)，也可以称为上管开关器件并联组成上桥臂，所有第一开关器件的C极(或D极)引脚101通过正母线与直流母线电容相连接、E极(或S极)引脚102和U相交流输出相连接；n个第二开关器件(如IGBT或MOSFET，n大于等于2)，也可以称为下管开关器件并联组成下桥臂，所有第二开关器件的C极(或D极)引脚201和U相交流输出相连接、E极(或S极)引脚202通过负母线与直流母线电容相连接，第一开关器件(第二开关器件)的结构请参阅图3和图4，第一开关器件(第二开关器件)相对的两端分别设置有C极(或D极)引脚101(201)以及E极(或S极)引脚102(202)；由此构成U相的主功率电路，V相和W相电路结构与U相类似。
但是，变换器主功率电路中开关器件布局结构如图5-图8所示，第一开关器件的C极(或D极)引脚101、第二开关器件的E极(或S极)引脚202分布在两排开关器件相背的两端，导致第一开关器件1、第二开关器件2与直流母线电容的连接路径长度具有较大差异，进而导致用于连接第一开关器件1与直流母线电容的正母线以及用于连接第二开关器件2与直流母线电容的负母线的重叠面积较小，而主功率电路的杂散电感和正负母线的有效层叠面积负相关，因此现有开关器件布局结构会造成主功率电路的杂散电感大，影响变换器的性能和效率。
综上所述，如何解决现有技术中主功率电路中上、下管开关器件与直流母线电容之间的路径长度差异大，导致杂散电感大，影响变换器的性能和效率的问题，是本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的第一个目的在于提供一种开关电路的开关布局结构，以使两种开关器件与直流母线电容电连接的路径长度相近，减小开关电路的杂散电感，提高应用该开关电路的变换器的性能和效率。
本发明的第二个目的在于提供应用上述开关布局结构的开关电路、电机控制器、变换器。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种开关电路的开关布局结构，包括：
直流母线电容；
第一开关器件，所述第一开关器件为至少一个；
第二开关器件，所述第二开关器件为至少一个；
其中，所述第一开关器件的第一端通过正母线与所述直流母线电容的正极电连接；所述第二开关器件的第二端通过负母线与所述直流母线电容的负极电连接；所述第一开关器件的第二端、所述第二开关器件的第一端分别与交流输出母线电连接；
所述第一开关器件和所述第二开关器件交替排列成开关器件排，所述开关器件排中第一开关器件的第一端、第二开关器件的第二端位于该排同侧。
优选地，所述开关器件排中第一开关器件为多个并相互并联、第二开关器件为多个并相互并联，且该排中所有第一开关器件的第二端、所有第二开关器件的第一端均与同一个交流输出母线电连接。
优选地，所述开关器件排为三排，并且三排中第一开关器件的第二端、所述第二开关器件的第一端分别与U相交流输出导体、V相交流输出导体、W相交流输出导体电连接。
优选地，各排所述开关器件排中，第一开关器件的第一端、第二开关器件的第二端均位于该排朝向所述直流母线电容的一侧。
优选地，三排所述开关器件排沿预设方向依次排布，或者沿与所述预设方向垂直的方向依次排布；所述预设方向为开关器件排中各器件依次排列的方向。
优选地，三排所述开关器件排沿所述直流母线电容周向依次布置。
优选地，所述直流母线电容位于开关器件排中各开关器件排列方向的一侧，且三排所述开关器件排位于所述直流母线电容同侧。
优选地，还包括散热器，各开关器件分别固定于所述散热器表面。
优选地，所述开关器件通过焊接或者导热胶粘接的方式固定于所述散热器表面。
优选地，所述开关器件排中，第一开关器件的第一端、第二开关器件的第二端分别靠近所述散热器的第一边沿；所述散热器的第一边沿贴近所述直流母线电容。
优选地，所述开关器件排中，所有第一开关器件的第一端通过同一个所述正母线与所述直流母线电容的正极电连接、所有第二开关器件的第二端通过同一个所述负母线与所述直流母线电容的负极电连接。
优选地，与同一排所述开关器件配合的所述正母线和负母线层叠布置。
优选地，所有所述第一开关器件的第一端均通过同一个所述正母线与所述直流母线电容的正极电连接、所有所述第二开关器件的第二端均通过同一个所述负母线与所述直流母线电容的负极电连接。
优选地，开关器件的第一端和第二端位于该开关器件相对的两端。
一种开关电路的开关布局结构，包括：
直流母线电容；
第一开关器件，所述第一开关器件为至少一个；
第二开关器件，所述第二开关器件为至少一个；
其中，所述第一开关器件的第一端通过正母线与所述直流母线电容的正极电连接；所述第二开关器件的第二端通过负母线与所述直流母线电容的负极电连接；所述第一开关器件的第二端、所述第二开关器件的第一端分别与交流输出母线电连接；
所述第一开关器件和所述第二开关器件分别排成不同排；各排中所述第一开关器件第一端、第二开关器件的第二端朝向同侧。
优选地，还包括散热器，所述第一开关器件排、所述第二开关器件排分别固定在所述散热器中相对的两面。
一种开关电路，包括开关布局结构，所述开关布局结构为上任意一项所述的开关布局结构。
优选地，所述直流母线电容分别与所述正母线、所述负母线相互分体；或者
所述直流母线电容与所述正母线、所述负母线为一体式结构。
一种电机控制器，所述电机控制器的控制电路为如上所述的开关电路；
所述第一开关器件和所述第二开关器件串联后通过所述正母线和所述负母线与所述直流母线电容并联，所述直流母线电容用于与直流电容串联；所述第一开关器件和所述第二开关器件通过所述交流输出母线与电机电连接。一种变换器，包括主功率电路，所述主功率电路为如上所述的开关电路。
本发明提供一种开关电路的开关布局结构，包括直流母线电容、第一开关器件、第二开关器件；第一开关器件为至少一个；第二开关器件为至少一个；其中，第一开关器件的第一端通过正母线与直流母线电容的正极电连接；第二开关器件的第二端通过负母线与直流母线电容的负极电连接；第一开关器件的第二端、第二开关器件的第一端分别与交流输出母线电连接；第一开关器件和第二开关器件交替排列成开关器件排，开关器件排中第一开关器件的第一端、第二开关器件的第二端位于该排同侧。
该开关布局结构中，第一开关器件和第二开关器件交替排布成排，并且两种开关器件的第一端和第二端分别位于开关器件排的同侧，使两种开关器件与直流母线电容电连接的路径长度相近，有助于增加正负母线的有效重叠面积，从而达到减小开关电路的杂散电感，提高应用该开关电路的变换器的性能和效率的目的。
本发明还提供另一种开关布局结构，包括直流母线电容、第一开关器件、第二开关器件；第一开关器件为至少一个；第二开关器件为至少一个；其中，第一开关器件的第一端通过正母线与直流母线电容的正极电连接；第二开关器件的第二端通过负母线与直流母线电容的负极电连接；第一开关器件的第二端、第二开关器件的第一端分别与交流输出母线电连接；第一开关器件和第二开关器件分别排成不同排；各排中第一开关器件第一端、第二开关器件的第二端朝向同侧。
该开关布局结构中，第一、第二开关器件分别排布成不同排，并且各排中第一开关器件的第一端、第二开关器件的第二端朝向同侧，能缩短两种开关器件与直流母线电容电连接的路径长度差异，有助于增加正负母线的有效重叠面积，从而达到减小开关电路的杂散电感，能提高应用该开关电路的变换器的性能和效率的目的。
本发明还提供应用上述开关布局结构的开关电路、电机控制器、变换器，有助于降低杂散电感。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术中电机控制器主功率电路拓扑图；
图2为图1所示电机控制器的U相细化电路图；
图3为现有技术中分立开关器件的立体结构示意图；
图4为现有技术中分立开关器件的俯视图；
图5为现有技术中电机控制器主功率电路的立体结构示意图；
图6为现有技术中电机控制器主功率电路中直流母线电容、上管开关器件和正母线的装配图；
图7为现有技术中电机控制器主功率电路中直流母线电容、上管开关器件、下关开关器件、正母线和负母线的装配图；
图8为现有技术中电机控制器主功率电路中直流母线电容、上管开关器件、下关开关器件、正母线、负母线和交流输出的装配图；
图9为本发明第一种实施例提供的开关电路的开关布局结构的立体示意图；
图10为本发明第一种实施例提供的开关电路的开关布局结构的主视图；
图11为本发明实施例提供的第一开关器件与第二开关器件构成的开关器件排的立体示意图；
图12为本发明实施例提供的第一开关器件与第二开关器件构成的开关器件排的主视图；
图13为本发明第二种实施例提供的开关电路的开关布局结构的立体示意图；
图14为本发明第二种实施例提供的开关电路的开关布局结构的主视图；
图15为本发明第三种实施例提供的开关电路的开关布局结构的立体示意图；
图16为本发明第三种实施例提供的开关电路的开关布局结构的主视图；
图17为本发明第四种实施例提供的开关电路的开关布局结构的立体示意图；
图18为本发明第四种实施例提供的开关电路的开关布局结构的主视图；
图19为本发明第五种实施例提供的开关电路的开关布局结构的立体示意图；
图20为本发明第五种实施例提供的开关电路的开关布局结构的主视图；
图21为本发明第六种实施例提供的开关电路的开关布局结构的立体示意图；
图22为本发明第六种实施例提供的开关电路的开关布局结构的主视图；
图23为本发明第七种实施例提供的开关电路的开关布局结构的立体示意图；
图24为本发明第七种实施例提供的开关电路的开关布局结构的主视图；
图25为本发明第八种实施例提供的开关电路的开关布局结构的主视图。
其中：
1为第一开关器件；2为第二开关器件；101/201为C级(D级)引脚；102/202为E级(S级)引脚；3为正母线；4为负母线；5为散热器；6为U相交流输出导体；7为V相交流输出导体；8为W相交流输出导体；9为直流母线电容。
具体实施方式
本发明的核心之一是提供一种开关电路的开关布局结构，以使两种开关器件与直流母线电容电连接的路径长度相近，减小开关电路的杂散电感，提高应用该开关电路的变换器的性能和效率。
本发明的另一核心在于提供应用上述开关布局结构的开关电路、电机控制器、变换器。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图9-图12，图9为本发明第一种实施例提供的开关电路的开关布局结构的立体示意图，图10为本发明第一种实施例提供的开关电路的开关布局结构的主视图，图11为本发明实施例提供的第一开关器件与第二开关器件构成的开关器件排的立体示意图，图12为本发明实施例提供的第一开关器件与第二开关器件构成的开关器件排的主视图。
本发明在上述附图所示实施例中提供了一种开关电路的开关布局结构，该开关布局结构包括直流母线电容9、第一开关器件1以及第二开关器件2。
其中，第一开关器件1以及第二开关器件2分别为至少一个，第一开关器件1以及第二开关器件2的相对的两端分别引出C级(D级)引脚101(201)和E级(S级)引脚102(202)，第一开关器件1的第一端C级(D级)引脚101通过正母线3与直流母线电容9的正极电连接；第二开关器件2的第二端E级(S级)引脚202通过负母线4与直流母线电容9的负极电连接；第一开关器件1的第二端、第二开关器件2的第一端分别与交流输出母线电连接，以构成U相、V相或W相的主功率电路；第一开关器件1和第二开关器件2交替排列成开关器件排，第一开关器件1与第二开关器件2的交替排列可以为图9-图12所示的两个开关器件的器件主体部分处于同一平面，若第一开关器件1以及第二开关器件2分别为多个，则各第一开关器件1与各第二开关器件2的器件主体部分均处于同一平面，也可以为两个开关器件的器件主体部分分别位于两个平面，这两个平面平行或呈夹角设置，若第一开关器件1以及第二开关器件2分别为多个，则第一开关器件1与第二开关器件2构成的各个开关器件排可以在平面内沿横向和/或纵向排列，开关器件排中第一开关器件1的第一端、第二开关器件2的第二端位于该排同侧。
与现有技术相比，本发明上述实施例中提供的开关布局结构中，第一开关器件1和第二开关器件2交替排布成排，并且两种开关器件的第一端和第二端分别位于开关器件排的同侧，使两种开关器件与直流母线电容9电连接的路径长度相近，有助于增加正负母线4的有效重叠面积，从而达到减小开关电路的杂散电感，提高应用该开关电路的变换器的性能和效率的目的。
开关器件排可以如图9-图12所示仅由一个第一开关器件1以及一个第二开关器件2构成，也可以由多个第一开关器件1以及多个第二开关器件2构件，其中第一开关器件1与第二开关器件2的数量相同，如图13和图14所示实施例，开关器件排中第一开关器件1为多个且各个第一开关器件1的C级(D级)引脚通过正母线3相互并联于直流母线电容9的正极、第二开关器件2为多个其各个第二开关器件2的E级(S级)引脚通过负母线4相互并联于直流母线电容9的负极，同时该排中所有第一开关器件1的第二端E级(S级)引脚、所有第二开关器件2的第一端C级(D级)引脚均与同一个交流输出母线电连接，以形成U相、V相以及W相中的一个。
在一个开关布局结构中，开关器件排可以有多排，且各开关器件排可以在平面内沿横向或纵向排列，具体地，如图15和图16所示，开关器件排为三排，并且第一排第一开关器件1的第二端E级(S级)引脚、第二开关器件2的第一端C级(D级)引脚与U相交流输出导体6电连接，第二排第一开关器件1的第二端E级(S级)引脚、第二开关器件2的第一端C级(D级)引脚与V相交流输出导体7，第三排第一开关器件1的第二端E级(S级)引脚、第二开关器件2的第一端C级(D级)引脚与W相交流输出导体8电连接。
作为优选地，上述各排开关器件排中，第一开关器件1的第一端、第二开关器件2的第二端均位于该排朝向直流母线电容9的一侧。
具体地，根据直流母线电容9结构的不同，各排开关器件排可以沿直线布置，也可以沿曲线布置，即各排开关器件排沿预设方向依次排布，或者沿与预设方向垂直的方向依次排布；预设方向为开关器件排中各器件依次排列的方向，或者各排开关器件排沿直流母线电容9周向依次布置。
如图15和图16所示，在该实施例中，三排开关器件排沿垂直于上述预设方向的方向布置，这种排列方式形成了使各开关器件形成了近似于矩阵的排列结构，U相交流输出导体6接头、V相交流输出导体7接头以及W相交流输出导体8接头分别位于对应开关器件排的一侧。
在图17和图18所示实施例中，三排开关器件排沿上述预设方向布置，从图中可以看出，三排开关器件排沿一条直线排列成一长条状结构，U相交流输出导体6接头、V相交流输出导体7接头以及W相交流输出导体8接头分别位于对应开关器件排远离直流母线电容9的一端。
如图19和图20所示，直流母线电容9呈圆柱形结构，三排开关器件排沿直流母线电容9周向均布，各开关器件排中开关器件沿直流母线电容9的径向呈放射状排列，相应地，U相交流输出导体6、V相交流输出导体7以及W相交流输出导体8分别呈弧形结构，或者U相交流输出导体6、V相交流输出导体7以及W相交流输出导体8与各个开关器件连接的一边呈弧形结构以与对应开关器件排的各个开关器件连接。
在图21和图22所示实施例中，直流母线电容9呈圆角三棱柱状，三排开关器件排分别设置于直流母线电容9的三个侧面，直流母线电容9的每个侧面可以设置一个开关器件排，也可以设置多个开关器件排。
需要说明的是，虽然在上述图15-图20所示实施例中，每个开关器件排由三个第一开关器件1以及三个第二开关器件2构成，在图21和图22所示实施例中，每个开关器件排由两个第一开关器件1以及两个第二开关器件2构成，但并不意味着开关器件排必须由两对或三对第一开关器件1以及第二开关器件2构成，在实际应用中，可以根据需要对开关器件排内第一开关器件1以及第二开关器件2的对数进行增减，在此不做限定。
作为优选地，如图23和图24所示，在本发明另一种实施例中，直流母线电容9位于开关器件排中各开关器件排列方向的一侧，且三排开关器件排位于直流母线电容9同侧，与图15和图16所示的方案不同的是，在图23和图24所示实施例中，直流母线电容9的位置移到了各个开关器件排的侧面。
进一步优化上述技术方案，上述开关电路的开关布局结构还包括散热器5，在图9、图10及图13-图24的实施例中，散热器5未示出，各开关器件分别固定于散热器5表面，根据开关器件排内各第一开关器件1以及各第二开关器件2排列方式的不同，各开关器件可以固定于散热器5的同一个表面，也可以固定于散热器5不同的表面，散热器5包括但不限于相变散热器5、水冷散热器5、风冷散热器5或者上述三者中至少两者的组合散热器5。
作为优选地，各开关器件通过焊接或者导热胶粘接的方式固定于散热器5表面。
进一步地，开关器件排中，第一开关器件1的第一端C级(D级)引脚、第二开关器件2的第二端E级(S级)引脚分别靠近散热器5的第一边沿；散热器5的第一边沿贴近直流母线电容9，在图9、图10及图13-图22所示实施例中，均可以采用上述方式布置散热器5。
开关器件排中，所有第一开关器件1的第一端通过同一个正母线3与直流母线电容9的正极电连接、所有第二开关器件2的第二端通过同一个负母线4与直流母线电容9的负极电连接，即每相主功率电路中分别利用一正、负母线4与电容相连。
进一步地，与同一排开关器件配合的正母线3和负母线4层叠绝缘布置，如图9、图10及图13-图24所示。
所有第一开关器件1的第一端均通过同一个正母线3与直流母线电容9的正极电连接、所有第二开关器件2的第二端均通过同一个负母线4与直流母线电容9的负极电连接，即所有相主功率电路中均是利用同一正、负母线4与电容相连，如图9、图10及图13-图24所示。
下面对另一种开关电路的开关布局结构进行介绍，该种开关布局结构包括直流母线电容9、第一开关器件1以及第二开关器件2，其中，第一开关器件1为至少一个，第二开关器件2为至少一个，第一开关器件1的第一端通过正母线3与直流母线电容9的正极电连接，第二开关器件2的第二端通过负母线4与直流母线电容9的负极电连接，第一开关器件1的第二端、第二开关器件2的第一端分别与交流输出母线电连接，第一开关器件1和第二开关器件2分别排成不同排，第一开关器件排位于第一平面，第二开关器件排位于第二平面，第一平面与第二平面呈夹角设置或平行设置，如图25所示，在该图实施例中，第一平面指散热器5的上表面，第二平面指散热器5的下表面，当散热器5上下表面平行时，第一开关器件排与第二开关器件排平行布置，若散热器5上下表面不平行，则相应地，第一开关器件排与第二开关器件排也不平行；各排中第一开关器件1第一端、第二开关器件2的第二端朝向同侧。
该开关布局结构中，第一、第二开关器件2分别排布成不同排，并且各排中第一开关器件1的第一端、第二开关器件2的第二端朝向同侧，能缩短两种开关器件与直流母线电容9电连接的路径长度差异，有助于增加正负母线4的有效重叠面积，从而达到减小开关电路的杂散电感，能提高应用该开关电路的变换器的性能和效率的目的。
作为优选地，如图25所示，上述开关电路的开关布局结构还包括散热器5，第一开关器件排、第二开关器件排分别固定在散热器5中相对的两面，上述第一开关器件1排中的多个第一开关器件1在图25中沿垂直于纸面的方向排布，第二开关器件2排中的多个第二开关器件2在图25中沿垂直于纸面的方向排布，相应地，每相中的正负母线4在图25中沿垂直于纸面的方向延伸以与开关器件排的各个开关器件连接，在该实施例中，每相主功率电路中分别利用一正、负母线4与电容相连。
本发明实施例还提供了一种开关电路，该开关电路包括开关布局结构，开关布局结构为如上述实施例所述的开关布局结构，由于采用了上述实施例中的开关布局结构，该开关电路的技术效果请参阅上述实施例。
进一步优化上述技术方案，直流母线电容9分别与正母线3、负母线4相互分体；或者直流母线电容9与正母线3、负母线4为一体式结构。
本发明实施例还提供了一种电机控制器，该电机控制器的控制电路为如上述实施例所述的开关电路；第一开关器件1和第二开关器件2串联后通过正母线3和负母线4与直流母线电容9并联，直流母线电容9用于与直流电容串联；第一开关器件1和第二开关器件2通过交流输出母线与电机电连接。
本发明实施例还提供了一种变换器，包括主功率电路，该主功率电路为如上述实施例所述的开关电路。
由于都采用了上述实施例所述的开关电路，而开关电路包括前述的开关布局结构，因此电机控制器以及变换器的技术效果请参考上述实施例中对于开关布局结构的描述。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
- 上一篇：一种医用注射器针头装配设备
- 下一篇：一种基于霍尔传感器的无刷电机霍尔位置矫正方法