CN103782670B - 用于冷却功率电子器件的系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供用于冷却具有优化的机电结构的功率电子器件的系统和方法。功率电子器件可包含一个或多个功率晶体管组件、一个或多个电容器组件、可与所述一个或多个功率晶体管组件和所述一个或多个电容器组件电连通的一个或多个功率互连组件，以及一个或多个散热器组件。所述一个或多个功率晶体管组件和所述一个或多个电容器组件可与所述一个或多个散热器组件热连通，并且可各自位于所述一个或多个散热器组件的基本上相对的侧面上，以便可从所述一个或多个功率晶体管组件和所述一个或多个电容器组件向相同的一个或多个散热器组件传递热量。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求提交于2011年5月5日的美国临时申请No.61/482,878的权益，其通过引用整体并入于此。
背景技术
功率电子器件因内部组件过热而具有局限。功率电子器件的内部组件的机电结构也是可影响电性能和热性能的重要因素。存在对于使功率电子器件的尺寸和重量最小化的需求，特别是在诸如电动车辆和混合动力电动车辆等移动应用中尤为如此。利用改进的内部组件冷却，有可能设计出与传统设计相比在更为紧凑和更低重量的封装中产生更高功率的功率电子器件。改进的冷却可促进内部组件的操作电流的增加，这可直接转化为更高的功率，并从而转化为功率电子器件的更高的功率密度。改进的冷却还可为内部组件提供更大的热操作余量，这可转化为内部组件的更高的可靠性，并因此转化为功率电子器件总体上更高的可靠性。同时优化功率电子器件的内部组件的机电结构也可在更为紧凑和更低重量的封装中提供改善的电性能和热性能，这样也有助于更高的功率密度。
因此，存在对于功率电子器件的改进的系统和方法的需求，所述改进的系统和方法可为功率电子器件的关键内部组件提供改进的冷却，并可同时为内部组件提供优化或改进的机电结构，从而支持高可靠性和高功率密度。
发明内容
本发明提供用于冷却具有优化的机电结构的功率电子器件的系统和方法。本文所描述的本发明的各个方面可适用于下文所述的任何特定应用或任何其他类型的功率电子器件。本发明可作为独立系统或方法来应用，或者作为诸如在车辆中的集成系统的一部分来应用。应当明白，本发明的不同方面可个别地、共同地或者彼此结合地理解。
本发明的一个方面可针对如下功率电子器件，其包含：一个或多个功率晶体管组件；一个或多个电容器组件；一个或多个功率互连组件，其可与所述一个或多个功率晶体管组件和所述一个或多个电容器组件电连通；以及一个或多个散热器组件。所述一个或多个功率晶体管组件和所述一个或多个电容器组件可与所述一个或多个散热器组件热连通，并且可各自位于所述一个或多个散热器组件的基本上相对的侧面上，以便可从所述一个或多个功率晶体管组件和所述一个或多个电容器组件向相同的一个或多个散热器组件传递热量。
根据本发明的另一方面可提供用于冷却功率电子器件的方法。该方法可包括提供一个或多个功率晶体管组件、一个或多个电容器组件、可与所述一个或多个功率晶体管组件和所述一个或多个电容器组件电连通的一个或多个功率互连组件，以及一个或多个散热器组件，其中所述一个或多个功率晶体管组件和所述一个或多个电容器组件可与所述一个或多个散热器组件热连通。该方法还可包括将所述一个或多个功率晶体管组件和所述一个或多个电容器组件安置在所述一个或多个散热器组件的基本上相对的侧面上，以便可从所述一个或多个功率晶体管组件和所述一个或多个电容器组件向相同的一个或多个散热器组件传递热量，从而冷却所述一个或多个功率晶体管组件和所述一个或多个电容器组件。
当结合以下描述和附图考虑时，将会进一步理解并明白本发明的其他目标和优点。虽然以下描述可能含有描述本发明特定实施方式的具体细节，但不应将此解释为对本发明范围的限制，而是应当解释为优选实施方式的范例。对于本发明的每个方面而言，本文所提出的为本领域普通技术人员所知的许多变化都是可能的。在不偏离本发明精神的情况下可在本发明范围内做出多种改变和修改。
援引并入
本说明书中所提到的所有公开、专利和专利申请均通过引用而并入与此，其程度等同于明确地和个别地指出通过引用而并入每一个别公开、专利或专利申请。
附图说明
本发明的新颖特征在所附权利要求中具体阐明。通过参考对利用到本发明原理的说明性实施方式加以阐述的以下详细描述和附图，将会获得对本发明的特征和优点的更好的理解，在附图中：
图1A示出了根据本发明实施方式的功率电子器件的内部组件。
图1B示出了根据本发明实施方式的功率电子器件的内部组件的替换视图。
具体实施方式
虽然本文已示出和描述了本发明的优选实施方式，但对于本领域技术人员显而易见的是，此类实施方式只是以示例的方式提供的。在不偏离本发明的情况下，本领域技术人员现将想到大量变化、改变和替换。应当理解，在本发明的实践中可采用对在此所描述的本发明实施方式的各种替代方案。
图1A示出了根据本发明实施方式的功率电子器件的内部组件。在本发明的一些实施方式中，功率电子器件可以是功率转换器，举例而言，诸如可发挥功能将DC（直流）功率转换为AC（交流）功率、将AC功率转换为DC功率、将DC功率转换为不同电压或变动电压下的DC功率或者将AC功率转换为不同电压和/或频率或变动电压和/或频率下的AC功率或者其任何组合的器件。例如，在一些实施方式中，功率电子器件可以是可用于驱动AC电机的三相变频AC逆变器。AC电机的示例可包括马达、发电机，或者可能需要一些形式的AC电功率来进行操作的任何种类的机器。备选地，功率电子器件可以是任何类型的功率转换器、逆变器、整流器，或者是可能包括一些形式的功率晶体管组件和一些形式的电容器组件并且可能需要用于这些组件的一些形式的冷却和/或电互连和机械互连的任何类型的器件。
功率电子器件可在系统中使用。例如，该器件可用于车辆，诸如汽车、摩托车、卡车、厢式货车、公交车，或者其他类型的客运、商用或工业车辆、火车或其他类型的轨道车辆、船舶、飞机或任何其他类型的车辆，或者其他类型的商用或工业机械或设备。
功率电子器件可在高电流水平下操作，并可产生比相同尺寸和重量的常规器件更高的功率。例如，功率电子器件可在大约50A、100A、200A、500A或1000A或更大的电流下操作，并可产生大约20kW、50kW、100kW、200kW或500kW或更大的功率。集成冷却和机电结构可通过提供关键内部组件的冷却以及提高或优化电互连和机械互连的性能和封装密度来支持功率电子器件的更高的功率密度。
图1B示出了根据本发明实施方式的具有机电结构的功率电子器件的内部组件和冷却方法的替换视图。功率电子器件的内部组件可包含：一个或多个功率晶体管组件1；一个或多个电容器组件2；一个或多个功率互连组件3，其可与一个或多个功率晶体管组件1和一个或多个电容器组件2电连通；以及一个或多个散热器组件4。一个或多个功率晶体管组件1和一个或多个电容器组件2可与一个或多个散热器组件4热连通。所述一个或多个功率晶体管组件和所述一个或多个电容器组件可直接接触或者可不直接接触所述一个或多个散热器组件。
在一个示例中，所述一个或多个功率晶体管组件可具有与所述一个或多个散热器组件的表面相接触的表面。功率晶体管组件表面与散热器组件表面可在形状上互补。例如，功率晶体管组件表面和散热器组件表面可全都是基本上平坦的，并可提供稳固的热连接。同样地，所述一个或多个电容器组件可具有与所述一个或多个散热器组件的表面相接触的表面。电容器组件表面与散热器组件表面可在形状上互补。例如，电容器组件表面和散热器组件表面可全都是基本上平坦的，并可提供稳固的热连接。
在另一示例中，所述一个或多个功率晶体管组件可具有可与一个或多个中间组件的表面相接触的表面，并且所述一个或多个中间组件可具有可与所述一个或多个散热器组件的表面相接触的表面。所述一个或多个中间组件可由或者可不由高热导率材料构造而成。此外，所述一个或多个中间组件可由或者可不由高电导率材料构造而成。在一些情况下，材料可以是电绝缘材料。所述一个或多个中间组件可配置用于在所述一个或多个功率晶体管组件与所述一个或多个散热器组件之间提供高热导率或最大化的热导率。类似地，所述一个或多个电容器组件可具有可与一个或多个中间组件的表面相接触的表面，并且所述一个或多个中间组件可具有可与所述一个或多个散热器组件的表面相接触的表面。所述一个或多个中间组件可由或者可不由高热导率材料构建而成。此外，所述一个或多个中间组件可由或者可不由高电导率材料构建而成。在一些情况下，材料可以是电绝缘材料。所述一个或多个中间组件可配置用于在所述一个或多个电容器组件与所述一个或多个散热器组件之间提供高热导率或最大化的热导率。
在一些实施方式中，在散热器组件与中间组件、功率晶体管组件和/或电容器组件之间可基本上不提供间隙或空间。例如，在一些情况下，在功率晶体管组件与散热器组件之间和/或在电容器组件与散热器组件之间基本上不提供间隙或空间。在一些情况下，不在功率晶体管组件与散热器组件之间和/或在电容器组件与散热器组件之间提供中间组件。在其他情况下，可在功率晶体管组件与散热器组件之间和/或在电容器组件与散热器组件之间提供一个或多个中间组件。所述一个或多个中间组件可帮助功率晶体管组件与散热器组件之间和/或电容器组件与散热器组件之间的热传递。例如，所述一个或多个中间组件可包含一些类型的热接口材料，诸如导热膏或导热垫。所述一个或多个中间组件可具有低电导率。例如，所述一个或多个中间组件的电导率可低于形成功率互连组件的材料的电导率。在一些情况下，所述一个或多个中间组件可包含一个或多个功率互连组件。备选地，所述一个或多个中间组件可不包含一个或多个功率互连组件。
功率晶体管组件表面可直接接触散热器组件表面，从而使面向散热器组件的功率晶体管组件的表面积的很大一部分接触散热器表面。例如，大于50%、60%、70%、80%、90%、95%、99%、99.5%或99.9%的面向散热器组件的功率晶体管组件表面可接触散热器表面或者配置用于接触散热器表面。位于功率晶体管组件表面与散热器组件表面之间的可帮助功率晶体管组件与散热器组件之间的热传递的一个或多个中间组件可被认为是与功率晶体管组件和/或散热器组件成为一体，从而使功率晶体管组件可被认为是与散热器直接接触。类似地，电容器组件表面可直接接触散热器组件表面，从而使面向散热器组件的电容器组件的表面积的很大一部分接触散热器表面。例如，大于50%、60%、70%、80%、90%、95%、99%、99.5%或99.9%的面向散热器组件的电容器组件表面可接触散热器表面或者配置用于接触散热器表面。位于电容器组件表面与散热器组件表面之间的可帮助电容器组件与散热器组件之间的热传递的一个或多个中间组件可被认为是与电容器组件和/或散热器组件成为一体，从而使电容器组件可被认为是与散热器直接接触。在一些实施方式中，面向散热器组件的基本上所有的功率晶体管组件表面可直接接触散热器，并且/或者面向散热器组件的基本上所有的电容器组件表面可直接接触散热器。
一个或多个功率晶体管组件1和一个或多个电容器组件2可位于一个或多个散热器组件4的基本上相对的侧面上，以便可从一个或多个功率晶体管组件1和一个或多个电容器组件2向相同的一个或多个散热器组件4传递热量，从而冷却所述一个或多个功率晶体管组件和所述一个或多个电容器组件。在一些实施方式中，所述一个或多个功率晶体管组件和所述一个或多个电容器组件彼此不直接接触，但各自同时与所述一个或多个散热器组件热连通。此外，所述一个或多个功率晶体管组件和所述一个或多个电容器组件可各自同时与相同的一个或多个散热器组件热连通。另外，所述一个或多个功率晶体管组件和所述一个或多个电容器组件可各自同时与相同的一个或多个散热器组件直接物理接触。
散热器组件可具有第一侧面和相对的或基本上相对的第二侧面。在一些情况下，第一侧面和第二侧面可基本上平行。在其他情况下，第一侧面和第二侧面可成角度定向，该角度可包括但不限于1度角、5度角、10度角、15度角、30度角、45度角、60度角、75度角、80度角、85度角或89度角。一个或多个功率晶体管组件可通过第一侧面而与散热器热连通。一个或多个电容器组件可通过第二侧面而与散热器热连通。散热器可具有连接第一侧面和第二侧面的第三侧面、第四侧面或任何数目的附加侧面。在一些实现中，第三侧面、第四侧面或任何数目的附加侧面不在其上具有功率晶体管组件或电容器组件。备选地，除了或代替可与第一侧面热连通的一个或多个功率晶体管组件或可与第二侧面热连通的一个或多个电容器组件，第三侧面、第四侧面或任何数目的附加侧面可在其上具有一个或多个功率晶体管组件和/或一个或多个电容器组件。
在一些实施方式中，可与一个或多个功率晶体管组件1和一个或多个电容器组件2电连通的一个或多个功率互连组件3可由具有高电导率的材料（诸如铜）构建而成，其可支持具有低电阻损耗的高电流传输。此类材料的附加示例可包括其他材料，诸如铝、黄铜、银、金、铁、钢、锡或铅，或者任何其他导电材料或任何合金、混合物，或者它们的组合。还可配置一个或多个功率互连组件3，以便使一个或多个电容器组件2与一个或多个功率晶体管组件1之间的电传输电路中的电感较低或得到最小化。
所述一个或多个功率互连组件可直接接触或者可不直接接触所述一个或多个功率晶体管组件或所述一个或多个电容器组件。在一些情况下，所述一个或多个功率互连组件可通过一个或多个导电中间组件或材料来接触所述一个或多个功率晶体管组件。类似地，在一些情况下，所述一个或多个功率互连组件可通过一个或多个导电中间组件或材料来接触所述一个或多个电容器组件。
所述一个或多个功率互连组件可接触或者可不接触所述一个或多个散热器组件。在一个示例中，所述一个或多个功率互连组件可接触所述一个或多个功率晶体管组件并可接触所述一个或多个电容器组件，而不接触所述一个或多个散热器组件。此外，所述一个或多个功率互连组件可在可与所述一个或多个散热器组件热连通的所述一个或多个功率晶体管组件的侧面的基本上相对的侧面上接触所述一个或多个功率晶体管组件。类似地，所述一个或多个功率互连组件可在可与所述一个或多个散热器组件热连通的所述一个或多个电容器组件的侧面的基本上相对的侧面上接触所述一个或多个电容器组件。所述一个或多个功率互连组件可具有包裹所述一个或多个功率晶体管组件和所述一个或多个电容器组件的配置，从而使所述一个或多个功率互连组件同时可在可与所述一个或多个散热器组件热连通的侧面的基本上相对的侧面上接触所述一个或多个功率晶体管组件，并且还可在可与所述一个或多个散热器组件热连通的侧面的基本上相对的侧面上接触所述一个或多个电容器组件。备选地或附加地，所述一个或多个功率互连组件可接触所述一个或多个功率晶体管组件的任何一个或多个侧面，并且/或者可接触所述一个或多个电容器组件的任何一个或多个侧面。
在一些情况下，所述一个或多个功率互连组件可不接触所述一个或多个散热器组件。所述一个或多个功率互连组件可在不接触散热器组件的情况下在散热器组件的外部经过和/或沿着散热器组件的一个或多个侧面经过。所述一个或多个功率互连组件可以穿过或者可以不穿过散热器组件中的孔或开口而不接触散热器组件。在一些实现中，所述一个或多个功率互连组件可不穿过所述一个或多个散热器组件的任何部分。所述一个或多个功率互连组件可在所述一个或多个散热器组件周围经过和/或沿其外部经过。
在另一示例中，所述一个或多个功率互连组件可接触所述一个或多个功率晶体管组件并可接触所述一个或多个电容器组件，并且还可接触所述一个或多个散热器组件和/或与其热连通。所述一个或多个功率互连组件可基本上在可与所述一个或多个散热器组件热连通的所述一个或多个功率晶体管组件的相同的侧面上接触所述一个或多个功率晶体管组件，并且所述一个或多个功率互连组件还可接触所述一个或多个散热器组件和/或与其热连通。类似地，所述一个或多个功率互连组件可基本上在可与所述一个或多个散热器组件热连通的所述一个或多个电容器组件的相同的侧面上接触所述一个或多个电容器组件，并且所述一个或多个功率互连组件还可接触所述一个或多个散热器组件和/或与其热连通。
所述一个或多个功率互连组件可直接接触或者可不直接接触所述一个或多个散热器组件。在一些情况下，所述一个或多个功率互连组件可具有与所述一个或多个散热器组件的表面相接触的表面。功率互连组件表面与散热器组件表面可在形状上互补。例如，功率互连组件表面和散热器组件表面可全都是基本上平坦的，并可提供稳固的热连接。功率互连组件表面可直接接触散热器组件表面，从而使面向散热器组件的功率互连组件的表面积的很大一部分接触散热器表面。例如，大于50%、60%、70%、80%、90%、95%、99%、99.5%或99.9%的面向散热器组件表面的功率互连组件表面可接触散热器表面或配置用于接触散热器表面。在一些实施方式中，基本上不在面向功率晶体管组件的散热器组件的侧面上的功率互连组件表面与散热器组件表面之间提供间隙或空间。在其他实施方式中，基本上不在面向电容器组件的散热器组件的侧面上的功率互连组件表面与散热器组件表面之间提供间隙或空间。在其他情况下，所述一个或多个功率互连组件可具有可与一个或多个中间组件的表面相接触的表面，并且所述一个或多个中间组件可具有可与所述一个或多个散热器组件的表面相接触的表面。所述一个或多个中间组件可由或者可不由高热导率材料构造而成。此外，所述一个或多个中间组件可由或者可不由高电导率材料构造而成。在一些情况下，材料可以是电绝缘材料。所述一个或多个中间组件可配置用于在所述一个或多个功率互连组件与所述一个或多个散热器组件之间提供高热导率或最大化的热导率。位于功率互连组件表面与散热器组件表面之间的可帮助功率互连组件与散热器组件之间的热传递的一个或多个中间组件可被认为是与功率互连组件和/或散热器组件成为一体，从而使功率互连组件可被认为是与散热器直接接触。
在一些实施方式中，功率互连组件可具有一个或多个弯折、弯曲或皱折。对弯折的任何描述亦可适用于弯曲或皱折或者其他表面特征或形状，并且反之亦然。例如，功率互连组件可具有包裹配置，其拥有两个或更多个基本上垂直的弯折以形成有角的C形。功率互连组件可具有沿着散热器的一个侧面的第一弯折，以及沿着散热器的另一侧面的第二弯折。功率互连组件可具有位于或靠近基本上与散热器组件相对的功率晶体管组件的侧面的第一弯折，以及/或者位于或靠近基本上与散热器组件相对的电容器组件的侧面的第二弯折。第一弯折和第二弯折可使功率互连组件能够至少部分地包裹功率晶体管组件和电容器组件。在一些实施方式中，功率晶体管组件、散热器组件和/或电容器组件的至少一部分可位于功率互连组件的各部分之间。
在一些实施方式中，一个或多个功率晶体管组件1可以是功率半导体模块，诸如绝缘栅双极型晶体管（IBGT）模块。备选地，在其他实施方式中，所述一个或多个功率晶体管组件可以是本领域已知的或今后开发的任何类型的功率晶体管组件、器件或装置，或者其任何配置、变化或组合。此外，所述一个或多个功率晶体管组件可具有任何物理形式、结构或配置，并可包含任何类型的封装、外壳、固定件或连接。
在一些示例中，一个或多个功率晶体管组件1可包含一个或多个功率晶体管模块，其中可将多个单个的功率晶体管器件一起封装在单一外壳中。在其他示例中，所述一个或多个功率晶体管组件可包含一个或多个分立的功率晶体管器件，其中可将单一功率晶体管器件单独地封装在单个外壳中。此外，在一些情况下，所述一个或多个功率晶体管组件可附加地包含或者可不包含伴随功率晶体管器件的任何数目的其他类型的器件，诸如二极管器件、传感器件或任何其他类型的器件或者它们的组合。
功率晶体管器件可以是任何类型的半导体器件，并可包含诸如硅、锗、碳化硅、砷化镓、氮化镓等半导体材料，或者本领域已知的或今后开发的任何其他类型的半导体材料，或者它们的任何组合。功率晶体管器件可具有任何类型的晶体管结构，诸如双极结型晶体管（BJT）、结栅场效应晶体管（JFET）、金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）、绝缘栅双极型晶体管（IGBT），或者本领域已知的或今后开发的任何其他类型的晶体管结构，或者它们的任何组合。
在一些实施方式中，一个或多个电容器组件2可以是薄膜式电容器，诸如聚丙烯膜电容器。备选地，在其他实施方式中，所述一个或多个电容器组件可以是任何其他类型的薄膜式电容器，诸如聚酰胺膜、聚碳酸酯膜、聚酯膜、聚酰亚胺膜、聚苯乙烯膜、聚砜膜或聚四氟乙烯（PTFE）膜电容器，或者是任何其他类型的电容器，诸如纸介、玻璃、云母、陶瓷、氧化铝电解质、氧化钽电解质、油浸、真空、双电层电容器（EDLC），或者本领域已知的或今后开发的任何其他类型的电容或电能存储组件、器件或装置，或者它们的任何配置、变化或组合。此外，所述一个或多个电容器组件可具有任何物理形式、结构或配置，并可包含任何类型的封装、外壳、固定件或连接。
在一些实施方式中，一个或多个功率互连组件3可包含功率互连总线。功率互连总线可与一个或多个功率晶体管组件1和一个或多个电容器组件2电连通。在一些情况下，功率互连总线可包含两个或更多个导电组件。所述两个或更多个导电组件可由或者可不由一个或多个电绝缘组件或材料所分隔。此外，可将或者可不将所述两个或更多个导电组件配置成使得一个或多个电容器组件2与一个或多个功率晶体管组件1之间的电传输电路的电容处于期望范围之内。
备选地，在其他实施方式中，一个或多个功率互连组件3可包含可能能够在一个或多个功率晶体管组件1与一个或多个电容器组件2之间传递电功率的任何类型的组件、材料或装置。此外，所述一个或多个功率互连组件可具有任何物理形式、结构或配置，并可包含任何类型的封装、外壳、固定件或连接。例如，所述一个或多个功率互连组件可包括或采用一个或多个线、条、杆、板、网状物、网、块，或者它们的任何配置、变化或组合。
此外，可将或者可不将一个或多个功率互连组件3配置成使得所述一个或多个功率互连组件能够在一个或多个功率晶体管组件1与一个或多个电容器组件2之间传递特定量的功率，同时将所述一个或多个功率互连组件的温度限制在超过环境条件的期望的上升量。
在一些实施方式中，一个或多个散热器组件4可以是冷板型散热器，其可通过引导流体流过散热器而得到冷却，以便使热量可从散热器传递到流体，从而冷却散热器。备选地，在其他实施方式中，一个或多个散热器组件4可以是本领域已知的或今后开发的任何类型的散热器组件、器件或装置，以使得所述一个或多个散热器组件可将热量从一个或多个功率晶体管组件1、一个或多个电容器组件2和/或一个或多个功率互连组件3传递到所述一个或多个散热器组件。此外，所述一个或多个散热器组件可具有任何物理形式、结构或配置，并可包含任何类型的封装、外壳、固定件或连接。在一些情况下，所述一个或多个散热器组件可将热量从所述一个或多个功率晶体管组件、所述一个或多个电容器组件和/或所述一个或多个功率互连组件传递到环境空气或条件。环境空气或条件可具有或者可不具有主动流动的流体。可以发生被动或主动的热传递。
可被引导流过所述一个或多个散热器组件的冷却流体可以是本领域已知的任何流体。流体可包括液体或气态流体。在一些实施方式中，冷却流体可以是气体，诸如空气；或液体，诸如水、油或者一种类型的液态介电流体；或任何此类流体的蒸汽或汽雾；或任何其他类型的流体。可采用本领域已知的或今后开发的任何类型的冷却剂。在一些实施方式中，可提供流体组合。例如，可使用包含大约一半水和一半乙二醇或丙二醇的溶液。可以根据期望的热、电、化学或流动特性来选择流体。例如，流体可具有期望范围之内的比热，或者可以是具有大于期望值的电阻率的非导电流体，或者可以是对于构成功率电子器件的组件具有化学惰性或化学活性的流体，或者可以是具有期望范围之内的粘度的流体。
向功率电子器件供应的流体可以是或者可以不是加压的。在一些情况下，可通过诸如泵或压缩机等正压力源来对流体加压。正压力源可位于器件之外（例如，在器件的入口侧），或者可以是器件的一部分。在其他实施方式中，可通过诸如真空等负压力源来对流体加压。负压力源可位于器件之外（例如，在器件的出口侧），或者可以是器件的一部分。在一些情况下，压力源可与功率电子器件成为一体，并可帮助器件内的流体流动。可以创造出可帮助流体流动的任何压差。此外，可通过重力来帮助流体流动。在一些情况下，可通过对流效应或其他温差来帮助流体流动。
在一些示例中，流体可容纳在散热器组件内，并可在散热器组件内流动。备选地，流体可从外部源向散热器提供。流体可离开散热器。进入和离开散热器的流体可以是闭环流体处理系统的一部分，或者可以是开环系统的一部分。散热器组件可具有一个或多个内部导管，该内部导管可使流体能够在其中流动。散热器组件可在其中具有一个或多个通道或鳍片，可由一个或多个板所形成，可具有壳管式配置，或者可具有任何配置或特征，或者可包含它们的任何组合。
散热器组件的暴露面可具有期望的材料特性。在一些实施方式中，散热器组件的暴露面可以是可在其中容纳流体流动特征的壳体或外壳。在另一示例中，散热器组件的暴露面可以是热块的外表面，该热块可以是或者可以不是实心的。散热器组件的暴露面可以是导热的。优选地，散热器组件的暴露面可具有高热导率。散热器组件的暴露面可具有或者可不具有高电导率。在一些情况下，散热器组件的暴露面可具有低电导率，或者可以是电绝缘的。
在一些实施方式中，将功率晶体管组件和电容器组件与相同的散热器组件相接触可使散热器组件能够同时对功率晶体管组件和电容器组件两者加以冷却。与采用附加的散热器组件来通过专用于功率晶体管组件和专用于电容器组件的单个散热器组件提供单独的冷却的情况相比，这种配置可需要更少的组件。直接使功率晶体管组件和/或电容器组件接触散热器组件可支持从功率晶体管组件和/或电容器组件到散热器组件的有效和/或高效的热传递。类似地，使功率晶体管组件和/或电容器组件通过一个或多个导热中间组件而接触散热器组件可支持从功率晶体管组件和/或电容器组件到散热器组件的有效和/或高效的热传递。热量可通过传导而从功率晶体管组件和/或电容器组件传递到散热器组件。在功率晶体管组件和/或电容器组件与散热器组件之间具有相对较大的表面积接触可支持较高或最大化的传导热传递速率。
根据本发明实施方式的功率电子器件配置可使功率电子器件能够具有相对紧凑的占位面积和/或封装体积。例如，功率电子器件可具有大于、小于和/或等于大约100cm2、200cm2或400cm2的占位面积。此外，举例而言，功率电子器件可具有大于、小于和/或等于大约10cm、15cm或20cm的封装高度。
整个功率电子器件或其一部分可由壳体所包围。器件壳体可包括为了容纳、支撑和/或保护或者任何其他类似功能的目的而包围整个器件或其一部分的任何结构或组件。结构或组件可发挥器件壳体的功能，或者可构成器件壳体的一部分，并者可额外地执行其他不相关的功能。壳体可包围整个器件组装件或其一部分，或者可包围器件的任何整个单独组件或其一部分。包围功率电子器件的整个一个或多个单独组件或其一部分的一个或多个单个结构或组件可分别发挥器件壳体的功能，并且还可共同构成器件壳体。对于本领域技术人员将会显而易见的是，本文所提及的器件壳体还可在不偏离本文所提供的描述的情况下被称为其他术语，包括箱、框架、外壳或其他类似的术语。本文所提及的器件壳体可共同地包括可以执行对功率电子器件或功率电子器件的任何单个组件的容纳、支撑和/或保护或任何其他类似功能的任何及所有单个结构和/或组件（例如，散热器）。在一些实施方式中，整个器件壳体或其一部分可以是流体密封的。
功率电子器件可采用高功率电连接。可靠的高功率连接可能需要具有可接受的电流密度的低电阻电接触。铜DC功率连接中的典型最大电流密度可大约为2.2x106A/m2。这通常可将超过40℃的环境温度中的连接的温升限制在30℃以下。例如，参见ANSIC37.20C-1974,IEEE standard27-1974。在铜三相AC功率连接中，传统上在功率电子器件中可靠地使用7x106A/m2的最大峰值电流密度。
从前文所述中应当理解，虽然已对特定实现进行了图示说明和描述，但在此预期并且可以对其做出各种修改。本发明也不旨在受到说明书内所提供的具体示例的限制。虽然已参考上述说明书对本发明进行了描述，但本文对优选实施方式的描述和图示说明并不旨在以限制意义来解释。此外，应当理解，本发明的所有方面并不限于本文所阐述的具体描绘、配置或相对比例，其取决于多种条件和变量。本发明的实施方式在形式和细节上的各种修改对于本领域技术人员将会是显而易见的。因此，预期本发明还应涵盖任何此类修改、变化和等同物。
Claims (20)
1.一种功率电子器件，包括：
一个或多个功率晶体管组件；
一个或多个电容器组件；
一个或多个功率互连组件，其与所述一个或多个功率晶体管组件和所述一个或多个电容器组件电连通，其中所述功率互连组件形成有多个弯折，从而部分地包裹所述功率晶体管组件和电容器组件；以及
一个或多个散热器组件，其中所述一个或多个功率晶体管组件和所述一个或多个电容器组件与所述一个或多个散热器组件热连通，并且其中所述一个或多个功率晶体管组件和所述一个或多个电容器组件各自位于所述一个或多个散热器组件的基本上相对的侧面上。
2.根据权利要求1所述的功率电子器件，其中所述一个或多个功率晶体管组件具有与所述一个或多个散热器组件的表面相接触的表面。
3.根据权利要求1所述的功率电子器件，其中所述一个或多个电容器组件具有与所述一个或多个散热器组件的表面相接触的表面。
4.根据权利要求1所述的功率电子器件，其中所述一个或多个功率晶体管组件具有与一个或多个中间组件的表面相接触的表面，并且其中所述一个或多个中间组件具有与所述一个或多个散热器组件的表面相接触的表面。
5.根据权利要求1所述的功率电子器件，其中所述一个或多个功率互连组件在与所述一个或多个散热器组件热连通的所述一个或多个功率晶体管组件的侧面的基本上相对的侧面上接触所述一个或多个功率晶体管组件。
6.根据权利要求1所述的功率电子器件，其中所述一个或多个功率互连组件在与所述一个或多个散热器组件热连通的所述一个或多个电容器组件的侧面的基本上相对的侧面上接触所述一个或多个电容器组件。
7.根据权利要求1所述的功率电子器件，其中在所述一个或多个功率晶体管组件与所述一个或多个散热器组件之间基本上不提供间隙。
8.根据权利要求1所述的功率电子器件，其中在所述一个或多个电容器组件与所述一个或多个散热器组件之间基本上不提供间隙。
9.根据权利要求1所述的功率电子器件，其中所述一个或多个功率互连组件具有两个或更多个弯折，形成基本上C形。
10.根据权利要求1所述的功率电子器件，其中所述一个或多个电容器组件与所述一个或多个散热器组件直接热连通。
11.一种用于冷却功率电子器件的方法，包括：
提供一个或多个功率晶体管组件；
提供一个或多个电容器组件；
提供一个或多个功率互连组件，其与所述一个或多个功率晶体管组件和所述一个或多个电容器组件电连通，其中所述功率互连组件形成有多个弯折，从而部分地包裹所述功率晶体管组件和电容器组件；以及
提供一个或多个散热器组件，其中所述一个或多个功率晶体管组件和所述一个或多个电容器组件与所述一个或多个散热器组件热连通，并且其中所述一个或多个功率晶体管组件和所述一个或多个电容器组件中各自位于所述一个或多个散热器组件的基本上相对的侧面上，使得热量从所述一个或多个功率晶体管组件和所述一个或多个电容器组件传递到相同的一个或多个散热器组件，从而冷却所述一个或多个功率晶体管组件和所述一个或多个电容器组件。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述一个或多个功率晶体管组件具有与所述一个或多个散热器组件的表面相接触的表面。
13.根据权利要求11所述的方法，其中所述一个或多个电容器组件具有与所述一个或多个散热器组件的表面相接触的表面。
14.根据权利要求11所述的方法，其中所述一个或多个功率晶体管组件具有与一个或多个中间组件的表面相接触的表面，并且其中所述一个或多个中间组件具有与所述一个或多个散热器组件的表面相接触的表面。
15.根据权利要求11所述的方法，其中所述一个或多个功率互连组件在与所述一个或多个散热器组件热连通的所述一个或多个功率晶体管组件的侧面的基本上相对的侧面上接触所述一个或多个功率晶体管组件。
16.根据权利要求11所述的方法，其中所述一个或多个功率互连组件在与所述一个或多个散热器组件热连通的所述一个或多个电容器组件的侧面的基本上相对的侧面上接触所述一个或多个电容器组件。
17.根据权利要求11所述的方法，其中在所述一个或多个功率晶体管组件与所述一个或多个散热器组件之间基本上不提供间隙。
18.根据权利要求11所述的方法，其中在所述一个或多个电容器组件与所述一个或多个散热器组件之间基本上不提供间隙。
19.根据权利要求11所述的方法，其中所述一个或多个功率互连组件具有两个或更多个弯折，形成基本上C形。
20.根据权利要求11所述的方法，其中所述一个或多个电容器组件与所述一个或多个散热器组件直接热连通。
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