CN108352381B - 用于电动机的功率模块 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于电动机的功率模块。所述功率模块包括至少一个半导体开关半桥。根据本发明地，所述半导体开关半桥包括高侧半导体开关和低侧半导体开关，其中所述半桥的所述半导体开关具有分别通过所述半导体开关的平坦地构造的表面区域形成的切换路径端子。所述切换路径端子、尤其是切换路径端子的法向量分别指向相同的方向。所述高侧半导体开关和所述低侧半导体开关将至少一个导电层夹在彼此之间，所述至少一个导电层将所述半桥的所述低侧半导体开关的切换路径端子和所述高侧半导体开关的切换路径端子彼此电连接。优选地，通过至少一个导电层形成所述半桥的输出端子。

Description

用于电动机的功率模块
技术领域
本发明涉及一种用于电动机的功率模块。功率模块具有至少一个半导体开关半桥。
发明内容
根据本发明，半导体开关半桥具有高侧半导体开关和低侧半导体开关，其中半桥的半导体开关具有分别通过所述半导体开关的特别平坦地构造的表面区域形成的切换路径端子。所述切换路径端子、尤其是切换路径端子的平坦法向量分别指向相同的方向。所述高侧半导体开关和所述低侧半导体开关将至少一个导电层夹在彼此之间，所述至少一个导电层将所述半桥的所述低侧半导体开关的切换路径端子和所述高侧半导体开关的切换路径端子彼此电连接。优选地，通过至少一个导电层形成所述半桥的输出端子。通过这种构造可以有利地提供紧凑的功率模块。如此，功率模块可以节省空间地布置在电动机中。
在功率模块的一种优选的实施方式中，所述半导体开关的所述切换路径端子与半桥彼此对置。优选地，半导体开关的切换路径端子被布置成彼此共面。借助导电层彼此连接的切换路径端子可以如此将导电层尤其是按照三明治的方式夹在彼此之间。如此，功率模块可以有利地节省空间地构造。
在一种优选的实施方式中，所述功率模块构造用于多相电路、尤其是马达电流的电路，并且对于每个相来说具有至少一个或仅一个半导体开关半桥。如此，所述功率模块例如能够具有用于操控三相马达的三个半导体开关半桥。每个半导体开关半桥可以例如具有若干或多个单个半导体开关半桥，所述单个半导体开关半桥彼此并联连接，尤其是被布置为线。
对于每个切换路径端子，半导体开关半桥优选具有至少两个、三个或四个或超过四个表面区域，所述表面区域构造成导电的并且与切换路径端子连接。如此，表面区域可以分别形成接触垫。
在功率模块的一种优选的实施方式中，在所述层的平坦的延伸部中，至少一个从所述相导电轨横向或者以横向分量偏离的接触指成型到所述相导电轨上，导电层具有相导电轨。所述接触指优选地将所述半导体开关的与所述输出端子连接的所述切换路径端子彼此连接。接触轨如此可以有利地形成汇流排，所述汇流排集合从接触指导出的电流或者所述汇流排将电流分配到接触指上，其中所分配的电流可以借助接触指被引导给切换路径端子。
进一步有利地，来自例如通过模具模块形成的功率模块的导电轨可以从模具模块的模体中伸出，并且如此从外部电接触。
在一种优选的实施方式中，所述半导体开关分别通过场效应晶体管形成，其中所述高侧半导体开关的与所述半桥的所述输出端子连接的切换路径端子是源极端子，并且所述低侧半导体开关的与所述半桥的所述输出端子连接的切换路径端子是漏极端子。如此，由两个MOS场效应晶体管（MOS =金属氧化物半导体）或MIS场效应晶体管（MIS =金属绝缘体半导体）形成的半导体开关半桥有利地紧凑且节省空间地被构造。进一步有利地，通过紧凑的构造，功率模块可以具有低的自感。
在一种优选的实施方式中，半导体开关分别通过IGBT（绝缘栅双极晶体管）形成，其中所述高侧半导体开关的与所述半桥的所述输出端子连接的切换路径端子是发射极端子，并且所述低侧半导体开关的与所述半桥的所述输出端子连接的切换路径端子是集电极端子。半桥-由IGBT晶体管组成-可以如此有利地节省空间地构造。
在一种优选的实施方式中，所述接触指包括两个彼此平行布置的导电层，所述导电层通过电绝缘的绝缘层彼此分离。所述接触指的所述层优选接触彼此不同的半导体开关的彼此对置的端子。如此，有利地可以从在低侧半导体开关和高侧半导体开关之间延伸的中间空间中节省空间地且低电感地为半桥、尤其是半桥的半导体开关供应电压。
优选地，电绝缘的绝缘层由电介质形成。电介质例如是聚酰亚胺层或聚酰胺层。以这种方式，有利地可以形成对应于两个彼此平行布置的导电层的表面的中间电路电容器，所述中间电路电容器如此集成在功率模块中。
在一种优选实施方式中，相导电轨和导电轨的接触指分别彼此嵌接。以所述方式，来自功率模块的电源供应部和电流导出部可以构造得特别紧凑。
附图说明
现在在下面借助附图和其它实施例来描述本发明。由在从属权利要求中和在附图中描述的特征得出其它有利的实施方式变体。
图1示意性地示出了用于形成半导体开关半桥的半导体装置的实施例，其中两个半导体开关将用于电流供应部和电流导出部的电接触夹在彼此之间；
图2以分解图示意性地示出了在用于构造由FET晶体管形成的三个半导体开关半桥中的半导体装置，其中用于电流供应部和电流导出部的电接触被夹在低侧晶体管和高侧晶体管之间；
图3示出了用于构造功率模块的制造步骤，所述功率模块包括在图2所示的组件，其中高侧晶体管与电端子、尤其是导电轨和输出端子钎焊；
图4示出了用于构造功率模块的制造步骤，所述功率模块包括在图3所示的组件，其中低侧半导体开关与电端子、尤其是导电轨和输出端子钎焊；
图5示出了用于构造功率模块的另一制造步骤，所述功率模块包括在图4所示的组件，其中所述组件嵌入模料中；
图6示出了图4中所示的半导体装置的变体，其中半桥在输出侧与相分离开关连接；
图7示出了用于产生具有相分离开关的功率模块的制造步骤，其中低侧半导体开关被钎焊到电端子上；
图8示出了用于产生具有相分离开关的功率模块的制造步骤，其中，图7中所示的组件嵌入模料中。
具体实施方式
图1示出了用于半导体装置1的实施例。在该实施例中，半导体装置1形成包括半导体开关半桥的功率模块。在该实施例中，半导体开关半桥包括低侧半导体开关2和高侧半导体开关3。在该实施例中通过场效应晶体管形成的低侧半导体开关2具有源极端子7作为切换路径端子和漏极端子5作为另一切换路径端子。高侧半导体开关3具有漏极端子6作为切换路径端子和源极端子4作为另一切换路径端子。高侧半导体开关3的源极端子4与低侧半导体开关的漏极端子5电连接。半导体开关2和3分别构造成平坦的。源极端子7具有表面区域42，所述表面区域与高侧半导体开关3的漏极端子6的表面区域43对置地布置。低侧半导体开关2的源极端子7和漏极端子5分别在共同的平面中延伸。
低侧半导体开关2的漏极端子5和高侧半导体开关3的源极端子4将输出端子8夹在彼此之间，并且分别借助电的连接器件11与输出端子8材料配合地（stoffschlüssig）或材料配合地（materialschlüssig）电连接。连接器件11例如是钎焊器件、烧结钎焊连接部或导电粘合剂。在该实施例中，输出端子8通过平坦地延伸的板材块或板材条（也称为冲压栅格或引线框）形成。输出端子8例如通过铜片或银片形成。输出端子8可以例如通过接触指形成。
在该实施例中，源极端子7借助连接器件11、尤其是钎焊器件、导电粘合剂或烧结金属与导电层9连接。导电层9例如可以形成用于为半导体开关半桥供电的输出端子。漏极端子6借助连接器件11、尤其是钎焊器件或者导电粘合剂或烧结金属与导电层10连接。在该实施例中，导电层10形成用于为半导体开关半桥供电的另一端子。在该实施例中，导电层9和10平行且彼此间隔地布置并且将电绝缘层12夹在彼此之间。导电层9和10如此彼此电绝缘。
源极端子7和漏极端子6将导电层9和10以及按照三明治方式夹在导电层9和10之间的电绝缘层12夹在彼此之间。源极端子7的表面区域42这样通过导电层9电接触，并且漏极端子6的表面区域43通过导电层10电接触。导电层9和10例如被向外引导，从而使得半导体开关可以如此从外部电接触。
如此形成的紧凑构造的半导体开关半桥可以嵌入到模体15中。在该实施例中，例如构造成导电层的输出端子8从模体15中伸出。导电层9、导电层10和夹在它们之间的绝缘层12可以共同形成导电轨44或导电轨的组成部分，并且共同从模体15中伸出。因此，半导体开关半桥可以通过导电轨44被供应电流，其中通过低侧半导体开关2和高侧半导体开关3切换的电流可以通过输出端子8流出。
低侧半导体开关2具有指向外的绝缘层13，在半导体开关2中产生的损耗热可以通过所述绝缘层导出。高侧半导体开关3具有指向外的绝缘层14，在半导体开关2中产生的损耗热可以通过所述绝缘层导出。包括半导体开关2和3的半桥可以如此有利地通过两个彼此偏离的侧面来散热。绝缘层13和14可以分别通过陶瓷层、DBC层（DBC=直接敷铜）形成，其中用于材料配合的连接、尤其是钎焊或烧结的铜层与吸热装置指向外。吸热装置、例如冷却体可以借助导热粘合剂耦连到例如通过聚酰亚胺层形成的绝缘层13和14上。
图2以分解图示意性地示出了半导体装置16的组成部分。在该实施例中，半导体装置16形成功率模块，所述功率模块具有用于操控三相电动机或三相电机的三个半导体开关半桥。在该实施例中，半导体装置16包括三个高侧半导体开关，即高侧场效应晶体管17、高侧场效应晶体管18和高侧场效应晶体管19。场效应晶体管17、18和19分别构造成平坦的，其中切换路径端子、尤其是漏极端子23和源极端子25分别利用其平坦的延伸部指向相同的方向。
半导体开关17的漏极端子23还通过两个另外的端子部分23a和23b形成。除了源极端子25之外，半导体开关17的源极端子还包括两个另外的端子部分25a和25b，所述端子部分分别通过半导体开关17的表面区域形成。
形成半导体开关17的源极端子和漏极端子的表面区域沿着纵向轴线30彼此交替地更换。如此，沿着纵向轴线30，形成源极端子25的表面区域与形成漏极端子23的表面区域相邻地布置。形成源极端子25的表面区域之后是形成漏极端子部分23a的表面区域。沿着纵向轴线，漏极端子部分23a之后是源极端子部分25a,并且源极端子部分25a之后是漏极端子部分23b。漏极端子部分23b之后是源极端子部分25b。如此，沿着纵向轴线30布置的两个源极端子部分将漏极端子部分夹在彼此之间，并且沿着纵向轴线30布置的漏极端子部分将源极端子部分夹在彼此之间。
半导体装置16也包括导电轨27，所述导电轨在该实施例中包括两个彼此平行布置的并且借助绝缘层29彼此电绝缘的导电层28和31。导电轨27沿着纵向轴线30延伸。沿着纵向轴线30，彼此间隔的接触指、如接触指32成型到导电轨27上，其中接触指分别如导电轨27那样包括导电层28和31以及布置在其中的绝缘层29。导电轨27和成型到导电轨27上的接触指因而包括两个彼此平行布置的并且借助绝缘层29彼此电绝缘的接触平面。
接触指32的导电层31构造成与漏极端子23钎焊。在该实施例中，还有两个另外的沿纵向轴线30彼此间隔的接触指32a和32b成型到导电轨27上。接触指32a的导电层31构造成与漏极端子23a电连接、尤其是钎焊、例如再流钎焊。接触指32b的导电层31构造成与漏极端子23b钎焊。因此，导电轨27、尤其是导电轨27的导电层31可以借助接触指32、32a和32b与半导体开关17的漏极端子、尤其是漏极端子部分23、23a和23b电连接。半导体开关17可以如此借助导电轨27与电压源、尤其是电压源的正极电连接。
半导体装置16也包括低侧半导体开关20，所述低侧半导体开关构造成与高侧半导体开关17共同形成半导体开关半桥。半导体装置16也包括半导体开关21，所述半导体开关构造成与高侧半导体开关18共同形成半导体开关半桥，并且包括另一低侧半导体开关22，所述另一低侧半导体开关构造成与高侧半导体开关19共同形成半导体开关半桥。
半导体装置16也包括输出端子34，在该实施例中，所述输出端子例如构造成冲压的或激光切割的板材块（也称为冲压栅格或引线框）。输出端子34包括沿纵向轴线30延伸的导电轨和沿着纵向轴线30彼此间隔地成型到导电轨上的接触指33、33a和33b。
接触指33构造成利用平坦的侧面与高侧半导体开关17的源极端子25钎焊并且利用与此对置的侧面与低侧半导体开关20的漏极端子24钎焊。低侧半导体开关20的与漏极端子24沿着纵向轴线30相邻布置的源极端子26构造成与接触指32的导电层28钎焊，从而使得源极端子26可以通过导电轨27、尤其是导电轨27的导电层28与电压源的极、尤其是电压源的负极连接。
接触指33a构造成与源极端子25a钎焊，并且接触指33b构造成与源极端子25b连接。
输出端子34的接触指33如此将高侧半导体开关17的源极端子25与低侧半导体开关20的漏极端子24连接，并将漏极端子24的子端子24a与源极端子25的子端子25a连接。接触指33b将低侧半导体开关20的漏极端子的子端子24b与高侧半导体开关17的源极端子25的子端子25b连接。输出端子34的接触指33、33a和33b因而按照三明治的方式夹在分别平坦地延伸的半导体开关之间，即高侧半导体开关17和低侧半导体开关20之间。
还有用于电接触高侧半导体开关18的另外的接触指以及还有用于电接触高侧半导体开关19的另外三个接触指成型到导电轨27上。
半导体装置16也包括用于包括高侧半导体开关18和低侧半导体开关21的半导体开关半桥的输出端子35以及用于包括高侧半导体开关19和低侧半导体开关22的半桥的输出端子36。可以如此分别将电机的相、尤其是电机的定子线圈连接到输出端子34、35和36上。
导电轨27的接触指和输出端子、如输出端子34、35或36的接触指分别构造成在平坦的延伸部中彼此嵌接。导电轨和输出端子的接触指如此布置在共同的平面中，并且可以尤其是按照三明治的方式共同夹在高侧半导体开关17和低侧半导体开关20之间。
在另一种实施方式中，半导体开关17、18、19、20、21和22可以分别构造成IGBT。源极端子则对应于发射极端子，并且漏极端子对应于集电极端子。
半导体开关分别具有在图2中未示出的控制端子、尤其是栅极端子，并且分别构造成在栅极端子处接收用于接通半导体开关的控制信号，并且根据控制信号接通或中断半导体开关。栅极端子例如可以由导电轨27的绝缘区域形成。
图3示出了用于产生功率模块的制造步骤，所述功率模块包括在图2中所示的半导体装置16的在图2中已示出的部分。对于在图3中示出的制造步骤，导电轨27的接触指利用导电层31放到高侧半导体开关如半导体开关17、半导体开关18和半导体开关19的切换路径端子上，并且例如借助焊膏和再流钎焊电连接并材料配合地连接。输出端子34的接触指被放置到相应的如图2中已经描述的高侧半导体开关17的切换路径端子上，并且利用焊膏如图1中描述的那样与相应的切换路径端子钎焊。
在如图3所示的同一步骤中，输出端子35可以与高侧半导体开关18钎焊，并且输出端子36可以与高侧半导体开关19钎焊。
图4示出用于产生功率模块的制造步骤，所述功率模块包括在图2中所示的组件，其中低侧半导体开关20、21和22放到导电轨27上并且放到输出端子34、35和36上，并且与导电轨27和输出端子钎焊。
输出端34如此将高侧半导体开关17的源极端子与低侧半导体开关20的漏极端子连接。半导体开关半桥可以如此借助导电轨27连接到电压源上，所述半导体开关半桥包括根据图4彼此平行布置的半导体开关，即高侧半导体开关17和低侧半导体开关20，所述高侧半导体开关和低侧半导体开关共同形成半导体开关半桥。
图5示出了用于产生功率模块的制造步骤，其中在图4中所示的半导体装置借助模料如此进行改型，使得导电轨27和输出端子34、35和36从由特别地聚合的模料形成的模体15中伸出。
图5也示出了一种变体，其中功率模块以热传导方式与吸热装置（在该示例中为冷却体45）连接。绝缘层13与冷却体、尤其是冷却片以热传导方式接触，从而使得损耗热可以通过冷却体45导出。冷却体45例如可以与热管连接，或者甚至可以通过热管形成。
图6示出了在图2、3和4中所示的半导体装置的一个变体，其中半导体开关半桥分别在输出侧与相分离开关连接。在该实施例中，相分离开关通过场效应晶体管、尤其是根据高侧半导体开关17而构造。
如半导体开关17、18和19那样的高侧半导体开关分别利用其平坦的延伸部布置在如相分离开关那样相同的平面中，即输入侧上与高侧半导体开关17的输出端连接的相分离开关38、输入侧上与包括高侧半导体开关18的半桥连接的相分离开关39以及输入侧上与包括高侧半导体开关19和低侧半导体开关22的半桥的输出端连接的相分离开关40。
为了将相分离开关38与高侧半导体开关17连接，半导体装置16包括导电的连接元件37，所述导电的连接元件在该实施例中构造成纵向延伸的接触指。
连接元件37例如作为尤其是冲压的或激光切割的板材、尤其是铜片来形成，并且与导电轨27的接触指32和32a之间的端部区段嵌接，并且因此可以如此在接触指32和32a之间电接触源极端子25。如此，连接元件37接触源极端子25而不是图2中的半导体装置16中的接触指33。连接元件37的端部区段与相分离开关38的切换路径端子钎焊连接，从而使得半导体开关17的源极端子25与相分离开关38连接，所述源极端子与低侧半导体开关20的漏极端子24共同形成半导体开关半桥的已经提到的输出端。
半导体装置16也包括输出端子34，其在半导体装置16中与相分离开关38的切换路径端子连接。
半导体装置16也包括连接元件37a，所述连接元件利用接触指32a和接触指32b之间的端部区段延伸，并且包括另一连接元件37b，所述另一连接元件与接触指32b相邻布置地延伸。如此，连接元件37、37a和37b形成包括高侧半导体开关17和低侧半导体开关20的半导体开关半桥的输出端，并且将该半导体开关半桥与相分离开关38连接。导电轨27和如连接元件37和输出端子34、35和36那样的连接元件分别布置在共同的平面中。
图7示出了用于产生功率模块的另一制造步骤，所述功率模块包括半导体装置16，其中在图7中，低侧半导体开关20与高侧半导体开关17对置地布置，低侧半导体开关21与高侧半导体开关18对置地布置，并且低侧半导体开关22与高侧半导体开关19对置地布置。低侧半导体开关20、21和22分别通过导电轨27、尤其是导电层28被供应电压，其中漏极端子作为输出端子与如连接元件37那样的连接元件电连接。低侧半导体开关20、21和22可以分别借助再流钎焊与导电轨27以及与如连接元件37那样的连接元件钎焊。
图8示出了功率模块，其中借助模料如此嵌入图7中所示出的半导体装置17，使得导电轨27和输出端子34、35和36从通过模料形成的模体41中伸出。

Claims (11)

1.用于电动机的功率模块（1、16、17），其中所述功率模块（1、16、17）包括至少一个半导体开关半桥，其特征在于，所述半导体开关半桥具有高侧半导体开关（2、17、18、19）和低侧半导体开关（3、20、21、22），其中所述半导体开关半桥的所述高侧半导体开关（2）和低侧半导体开关（3）具有分别通过所述半导体开关的平坦地构造的表面区域所形成的切换路径端子（4、5、6、7、23、24、25、26），并且所述半导体开关的所述切换路径端子（4、5、6、7、23、24、25、26）分别指向相同的方向，其中所述高侧半导体开关（2）和所述低侧半导体开关（3）将至少一个导电层（8、9、10、28、31、34、35、36）夹在彼此之间，所述至少一个导电层将所述半导体开关半桥的所述低侧半导体开关（3、20、21、22）的切换路径端子（4、6、24、26）和所述高侧半导体开关（2）的切换路径端子（5、7、23、25）彼此电连接，其中通过至少一个导电层（8、9、10）形成所述半导体开关半桥的输出端子。
2.根据权利要求1所述的功率模块（1、16、17），其特征在于，所述半导体开关的所述切换路径端子（4、5、6、7、23、24、25、26）与半导体开关半桥彼此对置。
3.根据权利要求1或2所述的功率模块（1、16、17），其特征在于，所述功率模块（1、16、17）被构造用于多相电路，并且对于每个相来说具有至少一个或仅一个半导体开关半桥。
4.根据权利要求1或2所述的功率模块（1、16、17），其特征在于，所述导电层（28、31）具有相导电轨（27），在所述层的平坦的延伸部中，至少一个从所述相导电轨（27）横向地或者以横向分量偏离的接触指（33、33a、33b）成型到所述相导电轨上，其中所述接触指（33、33a、33b）将所述半导体开关（17、20）的、与所述输出端子（34、35、36）连接的所述切换路径端子（24、25）彼此连接。
5.根据权利要求1或2所述的功率模块（1、16、17），其特征在于，所述半导体开关分别通过场效应晶体管形成，其中所述高侧半导体开关的与所述半导体开关半桥的所述输出端子连接的切换路径端子是源极端子，并且所述低侧半导体开关的与所述半导体开关半桥的所述输出端子连接的切换路径端子是漏极端子。
6.根据权利要求1或2所述的功率模块（1、16、17），其特征在于，所述半导体开关分别通过绝缘栅双极晶体管形成，其中所述高侧半导体开关的与所述半导体开关半桥的所述输出端子连接的切换路径端子是发射极端子，并且所述低侧半导体开关的与所述半导体开关半桥的所述输出端子连接的切换路径端子是集电极端子。
7.根据权利要求1或2所述的功率模块（1、16、17），其特征在于，
所述功率模块包括导电轨，至少一个接触指（32、32a、32b）成型到所述导电轨上，其中所述接触指（32、32a、32b）电接触用于为所述半导体开关半桥供电的切换路径端子。
8.根据权利要求7所述的功率模块（1、16、17），其特征在于，所述接触指（32、32a、32b）包括两个彼此平行地布置的导电层（28、31），所述导电层通过电绝缘的绝缘层（29）彼此分离，其中所述接触指（32、32a、32b）的导电层（28、31）接触彼此不同的半导体开关（17、20）的彼此对置的端子（23、26）。
9.根据权利要求7所述的功率模块（1、16、17），其特征在于，所述导电层（28、31）具有相导电轨（27），在所述层的平坦的延伸部中，至少一个从所述相导电轨（27）横向地或者以横向分量偏离的接触指（33、33a、33b）成型到所述相导电轨上，其中所述接触指（33、33a、33b）将所述半导体开关（17、20）的、与所述输出端子（34、35、36）连接的所述切换路径端子（24、25）彼此连接，其中所述相导电轨（27）的和所述输出端子（34、35、36）的所述导电轨的接触指（32、32a、32b、33、33a、33b）分别彼此嵌接。
10.根据权利要求1或2所述的功率模块（1、16、17），其特征在于，所述功率模块（1、16、17）嵌入到模体（15、41）中。
11.根据权利要求7所述的功率模块（1、16、17），其特征在于，所述接触指（32、32a、32b）包括两个彼此平行地布置的导电层（28、31），所述导电层通过电介质彼此分离，其中所述接触指（32、32a、32b）的所述导电层（28、31）接触彼此不同的半导体开关（17、20）的彼此对置的端子（23、26）。
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