CN106561076A - 具有导热界面材料的逆变器及应用其的混合动力车 - Google Patents

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Abstract

提供了一种包括混合功率控制单元(HPCU)的混合动力车。HPCU包括：功率模块，其内部布置有芯片，各芯片在工作时产生热量；冷却器，冷却功率模块发出的热量；芯片焊接界面材料(SIM)，接合芯片与功率模块而形成内部接合层；以及冷却器焊接界面材料(SIM)，接合功率模块与冷却器而形成外部接合层。因此，实现了冷却性能的改善和成本的降低，而不会发生当使用低导热率的TIM时导致的涂布厚度不均匀和抽出现象。

Description

具有导热界面材料的逆变器及应用其的混合动力车
技术领域
本发明涉及逆变器，且更具体地，涉及一种具有能够通过冷却器与功率模块之间的接合实现冷却性能改善和成本降低的导热界面材料的逆变器，和应用该逆变器的混合动力车。
背景技术
一般地，安装在作为电动机驱动车辆的混合动力车或电动车上的混合功率控制单元(HPCU)，用于升高输入电压以减小施加至系统的电流并改善电动机性能。特别地，HPCU是混合动力车和电动车的关键技术。通常，HPCU与作为核心部件并占大部分成本的绝缘栅双极晶体管(IGBT)和冷却器一起构造。特别地，IGBT称为功率模块，并且功率模块的半导体器件(芯片)在工作时由于其高内压和大电流而产生大量的热。因此，可减小半导体器件和二极管的额定电流以改善功率模块的冷却性能。此外，可减小芯片的尺寸。因此，可减少制造芯片的成本，并且功率模块可稳定地工作。
例如，在HPCU技术领域，除了冷却器和功率模块的单面或双面冷却方法以外，还需要改善功率模块的冷却性能的、与冷却器的形状或接合相关的技术。热界面材料(TIM)接合方法是冷却器接合技术的代表例。在TIM接合方法中，使用导热脂将冷却器接合至功率模块。示例性冷却方法包括使用导热脂将冷却器接合至功率模块的一个表面的单面冷却壳体型冷却方法。替代地，双面冷却模塑型冷却方法使用导热脂将冷却器接合至功率模块的两个表面。因此，由于导热脂介于功率模块与冷却器之间，功率模块的冷却性能通过导热脂的导热率得到改善。由此，HPCU具有改善的热性能，同时减少了功率模块的制造成本。
然而，由于TIM接合方法应用于单面冷却壳体型冷却方法和双面冷却模塑型冷却方法两者，因此具有有限的性能特征。首先，由于TIM具有约0～5K/Wm的低导热率，并且HPCU(功率模块冷却器)具有约20～30％的热性能，因此HPCU的总体冷却性能低。第二，由于功率模块在工作期间重复的热收缩和膨胀，会发生消耗TIM的抽出现象，因此导致TIM的不足。第三，由于在冷却器与功率模块之间涂敷TIM困难，因此功率模块可能因为TIM厚度的偏差而具有不均匀的导热率。此外，功率模块可能由于部分高温而具有低可靠性。第四，TIM涂敷于功率模块的至少两个至四个表面的双面冷却模塑型冷却方法，具有与单面冷却壳体型冷却方法相同的有限特征。
在本部分公开的上述信息仅仅为了加强对本发明背景的理解，因此其可能包含不构成本国内本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。
发明内容
本发明提供一种具有导热界面材料的逆变器，能够实现混合动力车的冷却性能的改善和成本的降低。此外，本发明通过使用具有高导热率的SIM接合冷却器和功率模块，与使用具有低导热率的TIM相比，不会产生涂布厚度不均匀和抽出现象。特别地，可实现通过改善功率模块的冷却性能而降低HPCU的成本，并提高竞争力。
根据本发明的一个方面，一种具有导热界面材料的逆变器可包括：功率模块，内部布置有芯片，各芯片在工作时产生热量；冷却器，构造为冷却功率模块发出的热量；芯片SIM，接合芯片与功率模块而形成内部焊料层；以及冷却器SIM，接合功率模块与冷却器而形成外部焊料层。芯片SIM可具有高于冷却器SIM的熔化温度。
功率模块可以是其中冷却器通过冷却器SIM接合至功率模块的第一表面的单面冷却功率模块。单面冷却功率模块可包括通过芯片SIM接合至芯片的第一DBC板，与第一DBC板结合使得冷却器通过冷却器SIM接合至第一DBC板的露出的外表面的壳体，以及占据(例如，填充)壳体的内部空间的填料。填料可以是凝胶。在第一DBC板的露出的外表面与冷却器之间可布置底板。冷却器SIM可用于接合第一DBC板的露出的外表面与底板，并可接合底板与冷却器。
功率模块可以是其中冷却器通过冷却器SIM接合至功率模块的两个表面的双面冷却功率模块。双面冷却功率模块可包括：第一和第二DBC板，形成彼此相对的空间；以及填料模塑体，填充第一和第二DBC板之间的空间。芯片可通过芯片SIM分别接合至第一和第二DBC板的相对的表面。冷却器可通过冷却器SIM分别接合至第一和第二DBC板的露出的外表面。填料模塑体可以是环氧模塑料(EMC)。在第一和第二DBC板之间可布置间隔件，其相对的表面可通过芯片SIM接合至芯片。芯片SIM可用于接合芯片与间隔件，并可接合间隔件与第二DBC板。
根据本发明的另一示例性实施例，一种混合动力车可包括：内燃机；电动发电机，构造为在被电驱动的同时发电；电池，构造为在被充电的同时供电；以及包括单面冷却功率模块的HPCU。单面冷却功率模块可具有第一DBC板，通过芯片SIM接合至第一和第二芯片；壳体，与第一DBC板结合使得第一冷却器通过冷却器SIM接合至第一DBC板的露出的外表面；以及填料，占据壳体的内部空间。
根据本发明的示例性实施例，一种混合动力车可包括：内燃机；电动发电机，构造为在被电驱动的同时发电；电池，构造为在被充电的同时供电；以及HPCU。HPCU可包括双面冷却功率模块，其具有第一和第二DBC板，形成彼此相对的空间；以及填料模塑体，占据第一和第二DBC板之间的空间。第一和第二芯片可通过芯片SIM分别接合至第一和第二DBC板的相对的表面。此外，第一和第二冷却器可通过冷却器SIM分别接合至第一和第二DBC板的露出的外表面。
附图说明
根据以下结合附图进行的详细说明，本发明的上述和其他目的、特征和优点将得以更清楚地理解，其中：
图1是示出根据本发明的第一示例性实施例的具有导热界面材料的单面冷却壳体型逆变器的示例性视图；
图2是示出根据本发明的第二示例性实施例的具有导热界面材料的双面冷却模塑型逆变器的示例性视图；
图3A是示出应用根据本发明的示例性实施例的具有导热界面材料的逆变器的混合动力车的示例的示例性视图；并且
图3B至图3C是示出根据本发明的示例性实施例的HPCU的示例性视图。
具体实施方式
现在将详细参照本发明的各种示例性实施例，其示例将在以下参照附图更详细地说明。然而，本发明可以不同形式实施，而不应解释为限制于本文所述的实施例。相反，本发明意在不仅覆盖这些示例性实施例，而且覆盖可包括在所附权利要求限定的本发明的思想和范围内的各种替代形式、改型、等价形式和其他实施例。在整个说明书中，在本发明的所有附图和示例性实施例中，相同的附图标记表示相同的部件。
本文所使用的术语仅用于说明特定实施例的目的，而非意在限制本发明。如本文所使用的，单数形式“一个”、“一种”和“该”意在也包括复数形式，除非上文中另外清楚表明。还将理解的是，词语“包括”和/或“包含”当在本说明书中使用时，指定所述特征、整体、步骤、操作、元素和/或部件的存在，但不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、部件和/或其群组的存在或添加。如本文所使用的，词语“和/或”包括一个或多个相关列出项目的任何和所有组合。例如，为了使本发明的说明清晰，无关的部件未示出，为且为了清楚起见，层和区域的厚度被夸大。此外，当表述一层在另一层或基板“上”时，该层可直接位于另一层或基板上，或者两者之间可布置有第三层。
应当理解的是，本文所使用的术语“车辆”或“车辆的”或者其它类似术语包括一般的机动车辆，例如包括运动型多功能车辆SUV)、公共汽车、卡车、多种商用车辆在内的乘用车辆，包括多种艇和船在内的水运工具，航空器等等，并且包括混合动力车辆、电动车辆、插电式混合电动车辆、氢动力车辆及其它替代燃料车辆(例如，从石油以外的资源取得的燃料)。如本文所提到的，混合动力车辆是具有两种或更多种动力源的车辆，例如具有汽油动力和电动力两者的车辆。
除非特别陈述或从上下文显然可见，如本文所使用的，词语“约”应理解为处于本领域的正常公差范围内，例如在平均值的2倍标准偏差内。“约”可理解为在所述值的10％、9％、8％、7％、6％、5％、4％、3％、2％、1％、0.5％、0.1％、0.05％或0.01％内。除非从上下文另外明确，否则本文提供的所有数值均由词语“约”修饰。
图1是示出根据本发明的示例性实施例的具有导热界面材料的单面冷却壳体型逆变器的示例性视图。如图所示，单面冷却壳体型逆变器1可包括单面冷却功率模块10、第一冷却器20-1以及SIM接合部30。单面冷却壳体型逆变器1可以是HPCU或者可与HPCU一起构成。
具体地，单面冷却功率模块10可包括在矩形表面的一个表面开口的壳体11，覆盖壳体11的开口表面的第一直接敷铜(DBC)板13-1，在壳体11的内部空间内接合至第一DBC板13-1的第一和第二芯片15-1、15-2，以及填充壳体11的内部空间的填料17。此外，壳体11可具有在一侧露出第一DBC板13-1的圆形或三角形或多边形形状。铜基板可应用于第一DBC板13-1。第一和第二芯片15-1、15-2可以是半导体芯片。填料17可以是胶体溶液在一定浓度以上稠化而固化成紧密的网状形式所制成的凝胶。
在一些示例性实施例中，第一冷却器20-1可附接至单面冷却功率模块10的壳体11，并可构造成通过利用波纹部分增加面积而吸收和耗散从单面冷却功率模块10产生的热。例如，当壳体11具有第一DBC板13-1结合至壳体11的一个表面的矩形截面时，第一冷却器20-1可附接至第一DBC板13-1的露出的外表面。
SIM接合部30可包括接合单面冷却功率模块10的内部部件的芯片SIM 31，熔化温度低于芯片SIM 31从而将第一冷却器20-1接合至单面冷却功率模块10的冷却器SIM 33，以及布置在第一冷却器20-1与单面冷却功率模块10之间的底板35。例如，芯片SIM 31可用于接合第一DBC板13-1与第一和第二芯片15-1、15-2，以及接合第一DBC板13-1和底板35，由此直接应用于单面冷却功率模块10。相反，冷却器SIM 33可用于接合底板35和第一冷却器20-1，由此直接应用于第一冷却器20-1。换言之，芯片SIM 31可直接应用于单面冷却功率模块10以形成内部焊料层，并且冷却器SIM 33可直接应用于第一冷却器20-1以形成外部焊料层。
特别地，冷却器SIM 33可具有比芯片SIM 31更低的熔化温度。更低的熔化温度可防止布置在底板35与第一DBC板13-1之间的焊料层(芯片SIM 31)以及布置在第一DBC板13-1与第一和第二芯片15-1、15-2之间的焊料层(芯片SIM 31)因第一冷却器20-1焊接至底板35时所产生的高温而再熔化。此外，底板35可由除不能焊接的陶瓷以外的材料制成。
图2是示出根据本发明的示例性实施例的具有导热界面材料的双面冷却模塑型逆变器的示例性视图。如图所示，双面冷却模塑型逆变器1-1可包括双面冷却功率模块10-1，第一和第二冷却器20-1、20-2，以及SIM接合部30。双面冷却模塑型逆变器1-1可以是HPCU，也可与HPCU结合在一起。
具体地，双面冷却功率模块10-1可包括彼此隔开一定距离且彼此相邻的第一和第二DBC板13-1、13-2。此外，第一和第二芯片15-1、15-2可接合至第一DBC板13-1，并且填料模塑体17-1可在使第一和第二DBC板13-1、13-2各自的一个表面露出外部地包围第一和第二DBC板13-1、13-2的同时，封闭由第一和第二DBC板13-1、13-2形成的内部空间。第一和第二芯片15-1、15-2可以是半导体芯片。填料模塑体17-1可使用环氧模塑料(EMC)。
第一和第二冷却器20-1、20-2可分别附接至双面冷却功率模块10-1的第一和第二DBC板13-1、13-2的露出的外表面。第一和第二冷却器20-1、20-2可分别构造为通过利用波纹部分增加面积而吸收和耗散从双面冷却功率模块10-1产生的热。例如，第一冷却器20-1可附接至第一DBC板13-1的露出的外表面，第二冷却器20-2可附接至第二DBC板13-2的露出的外表面。特别地，第一和第二冷却器20-1、20-2可具有相同的部件。
SIM接合部30可包括接合双面冷却功率模块10-1的内部部件的芯片SIM 31，熔化温度低于芯片SIM 31从而将第一和第二冷却器20-1、20-2两者接合至双面冷却功率模块10-1的冷却器SIM 33。间隔件35-1可通过芯片SIM 31接合至双面冷却功率模块10-1内。例如，芯片SIM31可用于接合第一DBC板13-1与第一和第二芯片15-1、15-2，以及接合第一和第二芯片15-1、15-2与间隔件35-1以及第二DBC板13-2，由此直接应用于双面冷却功率模块10-1。
相反，冷却器SIM 33可用于接合第一冷却器20-1与第一DBC板13-1的露出的外表面，以及接合第二冷却器20-2与第二DBC板13-2的露出的外表面，由此直接应用于各第一和第二冷却器20-1、20-2。换言之，直接应用于双面冷却功率模块10-1的芯片SIM 31可形成内部焊料层，并且直接应用于各第一和第二冷却器20-1、20-2的冷却器SIM33可形成外部焊料层。
特别地，各冷却器SIM 33可具有比芯片SIM 31低的熔化温度。因此，可防止布置在间隔件35-1与第二DBC板13-2以及第一和第二芯片15-1、15-2之间的焊料层(芯片SIM 31)以及布置在第一DBC板13-1与第一和第二芯片15-1、15-2之间的焊料层(芯片SIM 31)再熔化。例如，当各第一和第二冷却器20-1、20-2焊接至第一和第二DBC板13-1、13-2时产生的高温可导致再熔化。此外，间隔件35-1可由除不能焊接的陶瓷以外的材料制成。
此外，图3A是示出应用具有导热界面材料的逆变器的混合动力车的示例的示例性视图。如图所示，混合动力车100可包括发动机110，构造为在被电驱动的同时发电的电动发电机130，构造为在被充电的同时供电的电池150，以及构造为升高输入电压以减小施加至系统的电流的HPCU 170。发动机110可以是使用汽油、柴油或LPG作为燃料的内燃机，并可使混合动力车100被推进。电动发动机130可构造为两个电动发动机，并可使混合动力车100被推进。电池150可构造为高压电池和低压电池。
HPCU 170可包括构造为升高输入电压的电感器，构造为平滑输入电流的电容器，可提供构造为将交流(AC)输出电压供应至电动发电机130的接口的高压连接器，以及构造为将直流(DC)电压转换为三相交流电压的图1中所示的单面冷却功率模块10或图2中所示的双面冷却功率模块10-1。特别地，HPCU 170可包括替代使用现有的导热脂工艺而使用焊接工艺的单面冷却功率模块10或双面冷却功率模块10-1。因此，即使功率模块由于升高的内压和增大的电流而产生大量的热，功率模块的冷却性能也可实现提高的效率。因此，混合动力车100的整体性能可基于HPCU 170的高效冷却性能而得到显著改善。
如上所述，根据图3B和图3C中所示的示例性实施例的混合动力车包括HPCU 170，其可包括内部具有芯片15-1、15-2的功率模块10或10-1。各芯片可构造为在工作时产生热量。冷却器20-1和/或20-2可构造为冷却功率模块10或10-1发出的热。芯片SIM 31可接合芯片15-1、15-2与功率模块10或10-1而形成内部焊料层。冷却器SIM 33可接合功率模块10或10-1与冷却器20-1和/或20-2而形成外部焊料层。因此，冷却性能可得到改善并且成本可降低，而不会发生使用低导热率的TIM时导致的涂布厚度不均匀和抽出现象。特别地，可实现通过改善HPCU 170的冷却性能而减少HPCU 170的成本，并且实现高竞争力。
根据本发明的示例性实施例，HPCU包括使用具有高导热率的SIM接合的冷却器和功率模块，其提供以下优点。首先，与使用具有低导热率的TIM相比，HPCU具有约30％改善的冷却性能。第二，通过改善的功率模块的冷却性能，可减少芯片的尺寸和成本，由此HPCU可具有提高的竞争力。第三，由于即使功率模块反复工作也不会发生TIM因抽出而被消耗，因此HPCU可稳定地工作。第四，可通过布置在功率模块与冷却器之间的外部焊料层执行功率模块的高度偏差的补偿。因此，调整功率模块的高度偏差的工艺可与用于调整功率模块的高度偏差的工艺管理的简化一起得到简化。此外，由于HPCU包括使用SIM接合的冷却器和功率模块并安装至车辆，因此除电动车和混合动力车以外，HPCU还可更容易地应用于现有的氢燃料电池车辆。
虽然已关于参照的示例性实施例具体示出并说明了本发明，但是本领域技术人员显然可知，可作出各种变型和改型，而不脱离如所附权利要求所限定的本发明的思想和范围。示例性实施例应被考虑为仅是说明性的而非限制性的目的。

Claims (14)

1.一种具有导热界面材料的逆变器，包括：
功率模块，内部布置有芯片，各芯片构造为在工作时产生热量；
冷却器，构造为冷却所述功率模块发出的热量；
芯片焊接界面材料(SIM)，接合所述芯片与所述功率模块而形成内部接合层；以及
冷却器焊接界面材料(SIM)，接合所述功率模块与所述冷却器而形成外部接合层。
2.根据权利要求1所述的逆变器，其中，所述芯片SIM具有高于所述冷却器SIM的熔化温度。
3.根据权利要求1所述的逆变器，其中，所述功率模块是所述冷却器通过所述冷却器SIM接合至所述功率模块的一个表面的单面冷却功率模块。
4.根据权利要求3所述的逆变器，其中，所述单面冷却功率模块包括：
通过所述芯片SIM接合至所述芯片的第一直接敷铜(DBC)板；
与所述第一DBC板结合的壳体，其中所述冷却器通过所述冷却器SIM接合至所述第一DBC板的露出的外表面；以及
填充所述壳体的内部空间的填料。
5.根据权利要求4所述的逆变器，其中，所述填料是凝胶。
6.根据权利要求4所述的逆变器，其中，在所述第一DBC板的露出的外表面与所述冷却器之间布置底板，并且所述冷却器SIM用于接合所述第一DBC板的露出的外表面与所述底板，以及接合所述底板与所述冷却器。
7.根据权利要求1所述的逆变器，其中，所述功率模块是冷却器通过所述冷却器SIM接合至所述功率模块的两个表面的双面冷却功率模块。
8.根据权利要求7所述的逆变器，其中，所述双面冷却功率模块包括：
第一和第二DBC板，彼此相对布置在两者之间形成空间，以及
填料模塑体，填充所述第一和第二DBC板之间的空间，其中所述芯片通过所述芯片SIM分别接合至所述第一和第二DBC板的相对的表面，并且所述冷却器通过所述冷却器SIM分别接合至所述第一和第二DBC板的露出的外表面。
9.根据权利要求8所述的逆变器，其中，所述填料模塑体是环氧模塑料(EMC)。
10.根据权利要求8所述的逆变器，其中，在相对的表面通过所述芯片SIM接合至所述芯片的所述第一和第二DBC板之间布置间隔件，并且所述芯片SIM用于接合所述芯片与所述间隔件，以及接合所述间隔件与所述第二DBC板。
11.一种混合动力车，包括：
内燃机；
电动发电机，构造为在由所述内燃机内的电驱动的同时发电；
电池，构造为在被充电的同时供电；以及
混合功率控制单元(HPCU)，包括：
单面冷却功率模块，其包括通过芯片焊接界面材料(SIM)接合至第一和第二芯片的第一直接敷铜(DBC)板，与所述第一DBC板结合的壳体，其中第一冷却器通过冷却器SIM接合至所述第一DBC板的露出的外表面，以及
填充所述壳体的内部空间的填料。
12.根据权利要求11所述的混合动力车，其中，所述芯片SIM具有高于所述冷却器SIM的熔化温度。
13.一种混合动力车，包括：
内燃机；
电动发电机，构造为在由所述内燃机内的电驱动的同时发电；
电池，构造为在被充电的同时供电；以及
混合功率控制单元(HPCU)，包括：
双面冷却功率模块，其包括第一和第二直接敷铜(DBC)板，彼此相对地在两者之间形成空间；以及
填料模塑体，构造为填充所述第一和第二DBC板之间的空间，第一和第二芯片通过芯片焊接界面材料(SIM)分别接合至所述第一和第二DBC板的相对的表面，并且第一和第二冷却器通过冷却器SIM分别结合至所述第一和第二DBC板的露出的外表面。
14.根据权利要求13所述的混合动力车，其中，所述芯片SIM具有高于所述冷却器SIM的熔化温度。
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