CN101510727A

CN101510727A - 带有到基片的直接dc连接件的电容器

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Publication number: CN101510727A
Application number: CNA2008101282654A
Authority: CN
Inventors: T·G·沃德; G·约翰; E·P·扬科斯基; D·F·纳尔逊; G·S·史密斯; J·M·纳加施马
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2007-07-06
Filing date: 2008-07-04
Publication date: 2009-08-19
Anticipated expiration: 2028-07-04
Also published as: DE102008031491A1; CN101510727B; US8400775B2; US20090009980A1

Abstract

本发明涉及带有到基片的直接DC连接件的电容器。提供用于功率逆变器模块的子部件。该装置包括电容器，所述电容器具有端子且集成到壳体中。基片安装在壳体上方。所述基片包含功率半导体开关且具有至少一个直流(DC)接头。所述直流接头直接连接到所述电容器的所述端子。

Description

带有到基片的直接DC连接件的电容器

技术领域

[1]本发明总体上涉及功率逆变器模块，且更特定地涉及功率逆变器模块的子部件，其包括带有到集成到基片中或沉积在基片上的直接直流(DC)连接件的电容器。

背景技术

[2]功率逆变器模块通常用于许多应用中。例如，汽车工业使用功率逆变器以将从电池供应的直流(DC)转换为用于提供动力给诸如电动机和牵引驱动系统的设备的交流(AC)。

[3]功率逆变器模块包括设置在功率半导体开关和DC功率源之间的电容器设备，如所谓的“DC链接”电容器。电容器的使用用于稳定输入电压变化。

[4]许多高功率密度功率逆变器模块采用液体冷却，其中功率开关安装在液体冷却的散热片上。电容器靠近开关设置。这增加了总体封装件的覆盖区，电容器和开关之间的母线的长度，从而增加母线的封装体积和电感。

[5]因此，希望采用将电容器设置为尽可能靠近开关的设计，该设计减少母线连接件的长度和母线连接件的相关电感。此外，这种设计应当最小化附加资源的花费和附加的复杂性。另外，本发明的其它希望的特性和特性从随后的详细说明和所附权利要求书结合附图以及前述技术领域和背景技术显而易见。

发明内容

[6]在一个实施例中，提供用于功率逆变器模块的子部件。电容器具有端子且集成到壳体中。基片安装在壳体上方。所述基片包含功率半导体开关且具有至少一个直流(DC)接头。所述至少一个直流接头直接连接到所述电容器的所述端子。

[7]在另一实施例中，提供用于包括壳体的功率逆变器模块部件的装置。电容器集成到所述壳体中且具有输出端子。半导体开关设备集成到基片中且布置在所述壳体上方。所述基片具有输入接头结构。所述输入接头结构直接联接到所述输出端子。

[8]在又一实施例中，提供用于功率逆变器模块的装置。电容器集成到壳体中。所述电容器具有对应于多个直流(DC)连接件的每个的多个输出端子引线。多个半导体开关设备布置在多个基片上且安装在所述壳体上方。所述多个半导体开关设备中的每个联接到从所述多个基片延伸的多个输入端子。所述多个输入端子中的每个直接联接到所述多个输出端子引线中的每个。

附图说明

[9]本发明将在其后结合以下附图描述，其中相同的附图标记表示相同的元件，且

[10]图1图示了功率逆变器电路的示范性示意图；

[11]图2以三维图示了功率逆变器的第一示范性部件，其中基片靠近电容器安装在散热片上；

[12]图3图示了图2所示的功率逆变器的示范性部件的俯视图；

[13]图4以三维图示了根据本发明的功率逆变器的第二示范性部件，其中基片安装在电容器壳体上方；

[14]图5图示了图4所示的功率逆变器的示范性部件的俯视图；

[15]图6以三维图示了集成到壳体中的电容器，所述壳体带有多个相应的DC输出端子；和

[16]图7再次以三维图示了图6所示的壳体，其中含有多个功率半导体开关设备的多个基片安装在壳体上方。

具体实施方式

[17]以下的详细说明实质上仅仅是示意性的，而不是限制本发明、或本发明的应用和使用。此外，不由出现在前述技术领域、背景技术、发明内容或以下详细说明中的任何明确的或隐含的理论限定。

[18]图1图示了三相功率逆变器电路10的示范性示意图。功率逆变器电路10提供前述输入DC功率到AC载荷的转换，AC载荷为例如电动机。DC功率源联接到DC-和DC+输入端子12。电容器14，如前述DC链接电容器14，设置跨过DC-和DC+端子12。电容器14的输出端子连接到晶体管16，如绝缘栅双极晶体管(IGBT)16。晶体管与二极管18并联联接且通过栅驱动和控制印刷电路板(PCB)(即，控制器)控制。两个晶体管16和二极管18的串联构成三相开关设备的支线22。三个支线22中的每个分别联接到表示A、B和C相的AC输出26。此外，希望将连接件(例如，引线17)限制在电容器14和开关22之间，这减少了相应的母线连接件的长度和这些母线连接件的相关电感。

[19]转向图2，描绘了功率逆变器设备的示范性部分28。部分28包括安装在散热片30上的电容器，散热片30通常称为“冷却板”30。对应于三相逆变器每个支线的一连串功率半导体开关22靠近电容器14安装。

[20]此外，开关22包括了一连串晶体管16和二极管18，晶体管16和二极管18可以包含在一个或更多的半导体晶片中。开关22和从而相应的半导体晶片可以布置在基片上或集成到基片中。在一个实施例中，基片可以包括陶瓷介电层(即，氮化铝或氧化铝)，该介电层夹层在两个铜层之间。基片允许开关22的电绝缘。然而，基片将由开关22产生的热热传导给冷却板30。由冷却板30封装的母线(未示出)将电容器的输出端子与开关22的输入端子电联接。

[21]图3图示了图2所示的部分28的结构的俯视图。同样，电容器14安装在冷却板30上。开关22安装到冷却板30且靠近电容器14，如图所示。通过将开关靠近电容器安装，连接电容器和开关的母线的长度可能造成不希望的特性，如信号损失和寄生效应，例如母线的寄生电感。另外，封装件28的覆盖区增加，导致增加的封装件28体积。

[22]图4根据要求保护的主题从概念上图示了仪器32，其中开关38安装在电容器36上。在所示实施例中，可以看到基片39，开关38布置或集成在基片39上。

[23]在前述图2和3中，将包括开关22的基片靠近电容器14定位的动机在于提供由开关22产生的热传导到冷却板30中的热传导性。然而，开关22及其集成晶片可以从顶表面或夹层在基片下侧和电容器14顶部之间的冷却板30冷却。一种这种冷却方法包括采用介电流体，该介电流体喷洒在开关22的顶表面上且通过热交换器设备处理。然而，本领域技术人员应当理解，可以采用多种冷却技术以提供开关顶表面的冷却，从而减轻冷却板30热耗散的需要。根据冷却技术中的所述变化，底板34可用于取代冷却板30提供用于仪器32的电容器36和开关38的结构支撑。因此，在所示实施例中，底板34总体上表示用底板34取代冷却板30，以继续提供结构支撑。然而，在其它实施例中，可以看出，底板34不是必需的，因为机械隔离可以通过使用集成在电容器上的壳体提供。

[24]图5图示了仪器32的俯视图。同样，开关38和基片39直接安装到电容器36。电容器36的输出端子直接连接到基片39的输入端子。因此，最小化电容器和基片39以及开关38之间的电感。再次，开关38和基片39从电容器36附近移开，释放底板34的表面区域，这些表面区域否则将与开关38和基片39有关。因此，仪器32的覆盖区和仪器32的相应体积可以制成更小，因为底板34在其它实施例中可以去除。

[25]图6图示了在示范性逆变器部件40中去除底板以减少仪器32的覆盖区的结果。电容器(未示出)可集成到壳体结构42中或通过壳体结构42封装。壳体42的顶表面43适于接收基片的底表面。电容器和由此壳体42可以设置用于各种应用。在所示实施例40中，电容器和壳体42围绕轴线44成圆形布置。然而，电容器和壳体42可以以各种形状和尺寸设置。在一个实施例中，壳体42提供电容器的振动隔离，取代冷却板30或底板34。壳体42可以由刚性热塑性材料制成以给电容器和开关设备提供足够的结构支撑。

[26]一连串输出端子46形成在基片上，如图所示。端子46为方形和平坦的，如图所示，或对具体应用定制。端子46延伸通过壳体以与电容器连接。类似地，电容器的输入端子可以延伸通过壳体且形成到总线端子结构48(例如，DC+和DC-)中，以电连接到DC功率源。母线48仅在基片和壳体下共面，以减少电感。

[27]转向图7，描绘了示范性逆变器部件组件50，其包括带有安装在其上的一连串开关52的前述部件40。开关52布置在基片53上或集成到基片53中，以用于结构支撑。开关/晶片52的热冷却可以通过前述顶表面冷却技术或前述夹层结构提供。

[28]可以看出，开关52和基片53的多个输入端子可以形成在接头结构54中，接头结构54延伸出基片53或从基片53延伸。接头54的物理结构可以形成与电容器的输出端子46直接相关。例如，在图6中，端子46为方形且大致平坦的，具有一连串安装孔47。类似地，图7所示的接头54是方形且大致平坦的，其中接头54的安装孔55对应于(例如，排成行)端子46的安装孔47，以附接螺钉或螺栓机构。然而，应当理解，其它技术，如钎焊和焊接，可以用于直接将接头54与端子46接合。

[29]接头54与端子46直接连接显著减少或排除开关52和电容器之间的母线连接。在所示实施例50中，一连串翅片56集成到开关52中，且电并入到基片53中(即，通过基片自身的电路径)。翅片56用作开关52的输出端子，提供三相AC电路的每个相应的支线/相的AC输出。翅片56可以联接到电动机或使用AC功率的其它载荷。

[30]通过将接头54与端子46直接连接，可获得最小的设备50覆盖区和体积。同样，可以减少母线连接件和/或引线长度，这减少了相关的电感且增加了总体逆变器性能。此外，部件50具有减少的部件数量，获得了较低的制造成本。

[31]虽然在前述详细说明中已经阐述至少一个示范性实施例，应当理解存在大量的变型。也应当理解，示范性实施例或多个示范性实施例仅为示例，且不旨在以任何方式限定本发明的范围、应用或结构。相反，前述详细说明提供本领域技术人员实施示范性实施例或多个示范性实施例的便利的路线图。应当理解，可以对元件的功能和布置进行各种修改，而不偏离所附权利要求书及其合法等价物陈述的本发明的范围。

Claims

1.一种用于功率逆变器模块的子部件，包括：

壳体；

具有端子且集成到壳体中的电容器；

安装在壳体上方的基片；

包含在所述基片中的功率半导体开关；和

联接到所述功率半导体开关的至少一个直流(DC)接头，其中所述至少一个直流(DC)接头直接连接到所述电容器的所述端子。

2.根据权利要求1所述的用于功率逆变器模块的子部件，其特征在于，所述至少一个直流(DC)接头连接到所述功率半导体开关的输入端子。

3.根据权利要求1所述的用于功率逆变器模块的子部件，其特征在于，所述电容器壳体安装到用于结构支撑的底板。

4.根据权利要求1所述的用于功率逆变器模块的子部件，其特征在于，还包括联接到电容器的输入端子且集成到电容器壳体中的DC母线，以提供到DC功率源的电连接。

5.根据权利要求1所述的用于功率逆变器模块的子部件，其特征在于，电容器围绕轴线成圆形布置。

6.根据权利要求1所述的用于功率逆变器模块的子部件，其特征在于，还包括联接到功率半导体开关的输出端子且集成到电容器壳体中的交流(AC)端子，以提供到载荷的电连接。

7.根据权利要求1所述的用于功率逆变器模块的子部件，其特征在于，所述直流接头包括总线以从电容器传递电给基片。

8.一种功率逆变器模块部件，包括：

壳体；

集成到所述壳体中且具有输出端子的电容器；

布置在所述壳体上方的基片；

集成到基片中且布置在所述壳体上方的半导体开关设备；和

集成到所述基片和半导体开关设备中的输入接头结构，所述输入接头结构直接联接到电容器的所述输出端子。

9.根据权利要求8所述的功率逆变器模块部件，其特征在于，所述输出端子布置在所述壳体的顶表面上。

10.根据权利要求9所述的功率逆变器模块部件，其特征在于，所述输入接头结构连接到所述基片的底表面，与所述半导体开关设备电连通。

11.根据权利要求8所述的功率逆变器模块部件，其特征在于，所述电容器是圆形电容器。

12.根据权利要求11所述的功率逆变器模块部件，其特征在于，所述基片围绕所述圆形电容器的顶部成角度地布置。

13.根据权利要求8所述的功率逆变器模块部件，其特征在于，所述半导体开关设备连接到控制器。

14.一种用于功率逆变器模块的装置，包括：

可设置为集成到壳体中的电容器，所述电容器具有对应于多个直流(DC)连接件的每个的多个输出端子引线；

多个半导体开关设备，其布置在多个基片上方且安装在所述壳体上方，所述多个半导体开关设备中的每个联接到从所述多个基片延伸的多个输入端子，其中所述多个输入端子中的每个直接联接到所述多个输出端子引线中的每个。

15.根据权利要求14所述的电容器和开关装置，其特征在于，所述多个半导体开关设备中的每个包括相关的晶体管和二极管。

16.根据权利要求15所述的电容器和开关装置，其特征在于，所述晶体管还包括绝缘栅双极晶体管(IGBT)。

17.根据权利要求15所述的电容器和开关装置，其特征在于，所述晶体管集成到半导体晶片中。

18.根据权利要求14所述的电容器和开关装置，其特征在于，所述多个半导体开关设备中的每个对应于多个AC输出相中的每个。

19.根据权利要求14所述的电容器和开关装置，其特征在于，还包括从所述壳体延伸且联接到所述电容器的输入端子的总线端子，以提供到功率源的电连接。

20.根据权利要求14所述的电容器和开关装置，其特征在于，所述多个基片包括布置在第一和第二铜层之间的陶瓷层。