CN104321870A - 电功率模块设置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种电功率模块(14)，包括功率晶体管(15)和用于控制所述功率晶体管(15)的控制组件(17)，具体而言，所述模块(14)通过热传导来冷却。本发明的所述模块还包括：承载所述功率晶体管的AMB/Si3N4型主基板(16)，这一主基板(16)自身通过被设置在所述模块(14)中以与承载结构(21)直接接触来构成用于散发所述功率晶体管(15)所产生的热量的散热底板，所述承载结构(21)通过在所述模块(24)就位时进行传导来提供冷却；以及承载所述控制组件(17)的陶瓷基板(18)，这一陶瓷基板(18)自身由所述主基板(16)承载。

Description

电功率模块设置
本发明涉及被设计成通过使其与它所控制的致动器相邻而用在航空类应用中的电功率模块，这需要严峻环境中的高可靠性以及低重量和低体积。
背景技术
这样的反相器模块被设计成置于电源与电磁致动器之间，用于将电功率信号注入致动器的电马达，所述功率信号具有依赖于发送给该模块的命令的且随时间变化的频率。
作为示例，这一类型的模块可被用来根据命令以及可持续变化的工作条件来移动飞机的副翼或其他空气动力学元件。
在实践中，这样的模块接收控制指令，并且根据这些指令，它调整递送给致动器的功率信号的频率以及所述功率信号的其他参数。
这样的模块(其一部分在图1的图解剖面中示出并在本文中被称为1)包括由功率基板3承载的功率晶体管2，功率基板3自身由铜底板4承载以散发功率晶体管所产生的热量。它还包括控制功率晶体管的控制组件6和与其他组件9一起提供的接口卡8，控制组件6被另一基板7承载。
如在图1中可见的，承载控制组件6的基板7位于由承载它们的功率基板3和底板4所形成的组装件上方，同时也与所述组装件间隔开，从而使得可能减少将控制组件连接到功率晶体管2的连接11的长度。
功率基板3(它们一般是直接敷铜/铝氧化物(DBC/Al2O3)类型)在它们的顶面上具有用于接纳功率晶体管2的铜轨且它们的底面敷有铜。
每一功率基板3通过焊接到铜底板4的顶面而紧固到所述底板，并且所述铜底板2的相对面邻接载体结构，所述载体结构构成用于通过在组装件就位双时通过传导来冷却模块1的热阱，所述模块的最热部分是其功率晶体管。
发明目的
本发明的目标是提出一种在可靠性、紧致性、以及重量方面比已知模块更令人满意的电功率模块结构。
发明概要
为此，本发明提供了一种电功率模块，包括功率晶体管以及用于控制所述功率晶体管的控制组件，所述模块通过热传导来冷却，并且所述电功率模块特征在于它还包括：
-承载功率晶体管的活性金属接合/氮化硅(AMB/Si3N4)型主基板，这一主基板自身通过设置在所述模块中以与承载结构直接接触来构成用于散发功率晶体管所产生的热量的散热底板，所述承载结构通过在所述模块就位时进行传导提供冷却；以及
-承载所述控制组件的陶瓷基板，这一陶瓷基板自身由所述主基板承载。
使用这一设置，附加的铜层不再是必需的，因为散热通过承载所有功率晶体管的基板来直接提供。所述模块的组件的数量因而减少，从而使得提高其可靠性、降低其重量以及提高其紧致性成为可能。
本发明还提供以上定义的模块，其中主基板的轨道以及主基板所承载的陶瓷基板的轨道通过导线互连，这些导线中的每一个的一端接合到主基板的轨道以及另一端接合到陶瓷基板的轨道。
本发明还提供以上定义的模块，其中所述陶瓷基板是厚层氧化铝类型。
本发明还提供以上定义的模块，进一步包括功率连接垫，功率连接垫中的每一个是一条传导金属板的形式，该金属板条被切出并折叠以容纳夹紧卡式螺母，每一个垫通过将构成它的经折叠的金属板条的一端或多端接合到主基板的轨道来被紧固到所述基板，每一螺母被设置成接纳紧固螺栓以将电源部件紧固到该垫。
本发明还提供以上定义的模块，进一步包括由铜层和Kapton层构成的叠层部件形式的并具有孔形式的端子的功率总线，这一总线通过穿过所述模块并旋紧到所述垫上的紧固螺栓来被紧固到所述模块的其余部分。
本发明通过以上定义的模块，包括金属机架，并且其中所述功率总线具有在所述总线就位时紧靠所述机架的铜层，以此方式与机架进行协作来构成法拉第笼。
附图简述
图1(以上描述)是从现有技术已知的模块设置的局部图解剖视图；
图2是本发明的设置的局部图解剖视图；
图3是示出由本发明的模块的主基板承载的功率连接垫的视图；
图4是示出连接到本发明的模块的功率总线的功率连接垫的视图；
图5是本发明的模块的功率连接垫的俯视立体图；
图6是本发明的模块的功率连接垫的俯视立体图；
图7是本发明的功率模块的功率总线的俯视图；
图8是示出构成其堆叠的各层的本发明的模块的功率总线的分解视图；以及
图9是本发明的模块的功率总线的立体图。
具体实施方式
本发明的基本概念是将合适的单个共同主基板上的各功率晶体管编组在一起，以避免对附加散热底板的需求。这使得降低所得组装件的尺寸和重量成为可能，同时还消除了由将功率基板焊接到铜底板上所引起的可靠性不确定性。
这样的焊接造成已知模块的由于这些模块遭受的不同膨胀而引起的故障源，从而将焊接压迫到使其破裂的点或的确破坏它的点。
更确切地，根据本发明，支撑功率晶体管的主基板是单个AMB/Si3N4型基板。这一类型的基板具有使其随工作周期增加机械和热强度的机械和热特性，使得它还可构成散热底板而没有被降级的风险。
在本发明的在图2中图解地示出的并且在此中被称为14的模块中，构成所述模块的功率桥的各功率晶体管15由AMB/Si3N4型的共同主基板14来承载，该AMB/Si3N4型主基板在其顶面上提供铜轨且其底面也由铜制成。
为了进一步提高紧致性，控制组件17及其相关联的电源电路(它控制功率晶体管15)以及还有温度探针都由陶瓷18制成的基板来承载，陶瓷基板自身由主基板16直接承载，同时被粘合到主基板。
有利地，陶瓷基板18是厚层氧化铝类型，以具有良好的热传导性，从而便于有效排除控制组件所产生的热量。
所有功率晶体管和控制它们的所有组件因而在由主基板16构成的同一共同支撑件上被编组在一起，主基板16还担当散热底板。
如图2所示，控制组件17经由接合线19连接到功率晶体管15，接合线19将位于陶瓷基板18的顶面上的轨道连接到位于主基板15的顶面上的轨道。
在现有技术中，每一功率晶体管15通过直接接合(焊接)到功率基板16的轨道来连接到所述轨道，并且它经由接合(焊接)到晶体管的顶面以及所述轨道的导线来连接到所述基板的顶面的另一轨道，所使用的功率晶体管是不具有保护封装的晶体管。
如图2所示，主基板16被直接抵靠承载结构21安装，在本发明的模块就位时承载结构21形成热阱，以此方式来有效地冷却功率晶体管。换言之，在本发明的组装件的底部的主基板还构成所述模块的散热底板。
另外，陶瓷基板所承载的控制组件在物理上非常接近它们控制的功率晶体管，从而给予该系统更好的功能行为。
承载其他组件23的接口卡22可被置于由功率基板16与它所承载的各元件(即，功率晶体管、陶瓷基板、以及各控制组件)构成的组装件的上方。这一接口卡22随后与由主基板16及它所承载的各元件构成的组装件间隔开，同时与该组装件平行地延伸。
以互补的方式，粘合到功率基板的金属框架24使得将所述基板及其各元件紧固到所述接口卡22，同时限定围起功率晶体管及其控制部件的内部空间。这一内部空腔有利地用凝胶来填充以保护这些电子元件。
如上所示，电子模块遭受到相当大的循环温度变化，从而造成可使其各组件在机械上被压迫到使这些组件降级的点的不同膨胀。
在这一上下文中，本发明的模块配备由其主基板16承载的用于对所述模块供电的功率连接垫26，并且所述模块经由所述功率连接垫递送其功率信号。根据本发明，所述垫被设计成具有某种弹性量，以便更好地承受不同膨胀的影响。
如可从图5中看到的，每一个垫26具有板状金属元件，该金属元件被切出并折叠以首先容纳卡式螺母且其次限定折叠进去以成为共面的两端凸板，从而使得能够通过焊接到基板16的轨道而被紧固。
一旦就位，即一旦焊接到主基板16，每一连接垫26就接收螺栓27旋入它所围起的螺母的螺纹，以紧固功率电连接条，这些条在图6中被引用为28。
如可在图5和6中看到的，一旦它们被焊接到主基板16，各个垫26(它们是相同的)的顶面就全部在同一水平上，从而一旦该组装件就位，就维持连接条28与主基板16之间的空隙。
如可理解的，条28通过螺栓27被紧固到垫26，螺栓27穿过所述条的端部中提供的孔且旋入垫26中，以在所述螺栓头部27与所述垫26的主体之间夹紧所述连接条28的所述端部。
每一个垫26是从一条铜板29制造的，所述垫被切出以限定基本上矩形的轮廓且具有位于两个主凸板32和33之间的中心孔31，所述主凸板彼此对齐地延伸并且与所述矩形轮廓的主端部相对应。
这一切出条的板29还具有相对于限定孔31的中心区域向外径向延伸的四条舌36、37、38以及39。如可在附图中看到的，两个主凸板和四条舌绕中心孔31彼此间隔开60度。
所述条板29的主凸板32和33以围起六边形螺母41并同时将其拘住的方式向下折叠进去。以互补的方式，所述凸板32和33的自由端42和43以共面的方式向外折叠进去，从而使得可能将它们焊接到主基板16的铜轨。
以互补的方式，舌36和38以与条板29的其余部分协作来限定将螺母41完全保持固定的笼的方式也向下折叠进去，并且舌37和39在相对的方向上折叠进去，以此方式突出在垫26的顶面之外，以将所述垫要接收的连接条28保持就位。
通过它们的一般结构，由折叠铜板制成的这些垫26呈现出弹性，由此不存在所述模块遭受损伤所述模块或其连接的不同膨胀的风险：每一个垫在不同膨胀的情况下有效地伸缩，从而使得在所述模块的各组件中引起的机械压力相应地降低。
具体而言，每一个垫26在与折叠进去的凸板32和33的主体的轴法线对应的方向上呈现大量弹性。
本发明的模块还包括功率传输总线，所述功率传输总线经由螺栓27连接到垫26且还构成包围所述模块14的主体或机架的覆盖并且在附图中不可见。
这一功率总线(在图7、8以及9中示出)(其中它被引用为44)是传递用于对所述模块供电的高电流以及所述模块递送给它所控制的致动器的高电流的功率总线。
根据本发明，这一功率传输总线被制造成叠层元件的形式，所述功率传输总线基本上是由矩形轮廓限定的平面形状，所述叠层元件形成铜层和Kapton层的堆叠，所述Kapton形成绝缘体。
提供了从其经度边缘突出的五个外部连接舌，这些舌被引用为46a到46e且电连接到位于总线44的中心区域且是具有导电外部环的通孔形式的五个对应端子47a到47e。
舌46a经由它作为其一部分的垫28连接到端子47a，且以类似的方式，舌46b、46c、46d、46e分别经由不同的垫28电连接到端子47b、47c、47d以及47e。
总线44中的这些电连接通过元件堆叠来提供，包括图8中示出的三个铜层48、49以及50且通过Kapton层(未示出)彼此绝缘。以互补的方式，两个附加层52和53被安装在总线44的顶面和底面，如可在图8和9中看到的。
顶部铜层48是在端子47b到47e处提供有四个大直径孔的平板的形式。在端子47a处提供了较小孔以形成这一端子，并且还提供它因而电连接到端子47a的舌46a。
中间铜层49具有限定舌46a到46e以及端子47b到47e的四个不同铜元件。如可理解的，这四个元件中的每一个构成图4的四个垫28之一。换言之，这四个元件分别将舌46b到46e连接到端子47b到47e，同时以彼此电绝缘的方式来被布置。每一端子47b到47e以相对小直径的孔的形式被限定在这些元件之一中。另外，经由端子47a穿过的元件具有所述端子处的大直径孔(图8中不可见)。
底层50是由基本上矩形轮廓限定的单个铜盘的形式，并且在总线44被紧固到所述模块的机架时，所述底层50紧靠所述机架，使得它与所述模块的机架协作来限定法拉第笼，即将所述模块的内部组件与外部电磁干扰隔离开的笼。
如可理解的，这一底部铜层50在端子47a到47e处提供有五个大直径孔。
如在图8中可看到的，底部绝缘层53具有基本上小于盘50的尺寸的尺寸，以此方式使得所述盘的轮廓是清晰的，以便在所述组装件就位时与所述模块的机架电接触。
两个附加Kapton层分别置于层48和49之间以及层49和50之间，使得这些层彼此完全电绝缘。
以互补的方式，所述功率总线44承载安装在顶部绝缘层52上的两个电容器(引用为55和56)，这些电容器中的每一个首先连接到顶部铜层48，且其次连接到中间铜层49，中间铜层49将舌46b连接到端子47b。
如在图9中可看到的，一旦总线44在它所装备的本发明的模块的机架上就位，螺栓27就在端子47a到47e中的每一个处穿过所述总线，以便夹紧由主基板16承载的弹性垫26。这样的总线因而既围起所述机架或封装(从而构成将反相器在电磁上绝缘的法拉第笼)，又通过舌46a到46e构成到电源装置的连接以及到致动器的连接。

Claims (6)

1.一种电功率模块(14)，包括功率晶体管(15)和用于控制所述功率晶体管(15)的控制组件(17)，所述模块(14)通过热传导来冷却，且所述电功率模块的特征在于它进一步包括：
承载所述功率晶体管的AMB/Si3N4型主基板(16)，该主基板(16)自身通过被设置在所述模块(14)中以与承载结构(21)直接接触来构成用于散发所述功率晶体管(15)所产生的热量的散热底板，所述承载结构(21)通过在所述模块(24)就位时进行传导来提供冷却；以及
承载所述控制组件(17)的陶瓷基板(18)，这一陶瓷基板(18)自身由所述主基板(16)承载。
2.如权利要求1所述的模块，其特征在于，所述主基板(16)的轨道以及所述主基板(16)所承载的所述陶瓷基板(18)的轨道通过导线(19)互连，所述导线(19)中的每一个的一端接合到所述主基板(16)的轨道而另一端接合到所述陶瓷基板(18)的轨道。
3.如权利要求1所述的模块，其特征在于，所述陶瓷基板(18)是厚层氧化铝类型。
4.如任何前述权利要求所述的模块，其特征在于，还包括功率连接垫(26)，所述功率连接垫(26)中的每一个是一条传导金属板(29)的形式，该金属板条被切出并折叠以容纳夹紧卡式螺母(41)，每一个垫(26)通过将构成它的经折叠的金属板条的一端或多端接合到所述主基板(16)的轨道来被紧固到所述基板，每一螺母(41)被设置成接纳紧固螺栓以将电源部件紧固到所述垫。
5.如权利要求4所述的模块，其特征在于，还包括由铜层和Kapton层构成的叠层部件形式的并具有孔形式的端子(47a-47e)的功率总线(44)，该总线通过紧固螺栓(27)在被旋紧到所述垫(26)中的同时穿过所述模块来被紧固到所述模块的其余部分。
6.如权利要求5所述的模块，其特征在于，包括金属机架，并且其中所述功率总线(44)具有在所述总线(44)就位时紧靠所述机架的铜层(50)，以此方式与所述机架进行协作来构成法拉第笼。
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