CN108369934A - 用于使换向电感最小化的紧凑型堆叠式功率模块及其制造方法 - Google Patents

用于使换向电感最小化的紧凑型堆叠式功率模块及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明描述了一种紧凑型堆叠式功率模块(10)。所述模块(10)包括具有正极板表面(122)的正极直流总线电压板(120)和具有负极板表面(112)的负极直流总线电压板(110)。所述模块(10)还包括：具有相对的第一输出板表面(102)和第二输出板表面(104)的交流输出板(100)；接触所述负极板表面(112)和所述第一输出板表面(102)的第一半导体开关(150)；以及接触所述正极板表面(122)和所述第二输出板表面(104)的第二半导体开关(160)。所述模块(10)还包括接触所述负极板表面(112)和所述正极板表面(122)的电容器(130)。所述电容器(130)与所述第一半导体开关(150)和所述第二半导体开关(160)并联电连接。

Description

用于使换向电感最小化的紧凑型堆叠式功率模块及其制造 方法
技术领域
本发明的技术大体上涉及电功率模块。在一些实施例中，该技术更具体地涉及堆叠式电功率模块，该电功率模块被配置为在电功率模块的操作中使其一个或多个回路中的换向电感最小化。
背景技术
半桥电路和H桥电路广泛用于各种应用。半桥电路由上开关、下开关和与上开关和下开关并联连接的电容器组成。
通常，H桥包括两个半桥。例如，H桥可以用在单相逆变器中。多个H桥可以串联连接用于模块化多电平转换器(M2C)中。
传统半桥电路和H桥电路的缺点是在模块开关和(多个)本地电容器之间的回路中产生不期望的高水平的换向电感。
与传统H桥和半桥相关联的其它挑战包括(多个)电容器中过热和产生不需要的应变。
发明内容
鉴于上述缺陷，需要如半桥电路和H桥电路等电路布置，其中为了类似的目的，换向电感被消除或明显低于传统电路。
使换向电感最小化的优点包括增加电路的可靠性以及实现该电路的装置的可靠性。具有较低换向电感的电路可以随着时间提供较高的输出电压。
本发明技术在各种实施例中实现这个目标和其它目标。在一个实施例中，功率模块包括桥电路，其中与传统电路相比，开关与(多个)相应电容器之间的回路的尺寸显着减小。
通过以紧密连接的方式配置和布置电路部件来实现最小的回路尺寸，以形成超小型或超紧凑型模块。
本文对特征如何布置的引用可以指的是但不限于该特征如何相对于其它特征进行定位。对如何配置特征的引用可以指的是但不限于该特征的大小设计、如何成形和/或该特征的材料。为了简单起见，术语被配置在本文中有时用于指代两个概念-配置和布置。
在各种实施例中，该技术还包括用于减轻可能另外在所述模块的陶瓷电容器中产生的应变的特征。
在一些实施例中，该技术包括冷却特征。在一个实施例中，冷却特征包括利用冷却流体围绕全部或至少一部分的所述电路以促进直接冷却。
本发明提供了一种紧凑型堆叠式功率模块，其包括具有相应的正极板表面和负极板表面的正极直流总线电压板和负极直流总线电压板，所述模块包括：交流输出板，其具有相对的第一输出板表面与第二输出板表面；第一半导体开关，其接触所述负极板表面和所述第一输出板表面；第二半导体开关，其接触所述正极板表面和所述第二输出板表面；电容器，其(i)接触负极板表面和正极板表面，并且(ii)与第一半导体开关和第二半导体开关并联连接。
所述板中的至少一个板可以包括邻近所述电容器的凹槽，以在所述紧凑型堆叠式功率模块的操作中在所述模块中的力到达所述电容器之前消除所述力。
所述正极直流总线电压板可以主要包括第一材料，并且在邻近所述电容器处包括比所述第一材料软的第二材料，以在所述紧凑型堆叠式功率模块的操作中在所述模块中产生的力到达所述电容器之前消除所述力。第一材料可以是铜，第二材料可以是铜合金。所述第二材料可以从由金、汞和铜合金组成的组中选择。
所述电容器可以是带引线电容器，即，所述电容器通过一个或多个引线连接到所述正极直流总线电压板，以在所述紧凑型堆叠式功率模块的操作中在所述模块中产生的力到达所述电容器之前消除所述力。
所述电容器可以是第一电容器，并且所述紧凑型堆叠式功率模块可以包括第二电容器，所述第二电容器接触所述第二负极板表面和所述正极板表面，并且与所述第一半导体开关和第二半导体开关电并联。
所述正极直流总线电压板、所述负极直流总线电压板和所述交流输出板可以是铜总线板。
所述第一半导体开关和第二半导体开关中的每一个可以包括绝缘栅双极型晶体管(IGBT)或金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。
所述表面中的每一个可以基本上是平面的。
所述交流输出板可以是第一交流输出板，所述电容器可以是第一电容器，并且所述紧凑型堆叠式功率模块还可以包括：第二交流输出板，其包括相对的第三输出板表面与第四输出板表面；第二电容器，其在负极板表面和正极板表面之间延伸；第三半导体开关，其接触负极板表面和第三输出板表面；第四半导体开关，其接触正极板表面和第四输出板表面。
第一半导体开关可以包括内置体二极管。
紧凑型堆叠式功率模块可以还包括：二极管，所述二极管在所述正极板表面与所述第一输出板表面之间与所述第一半导体开关并联连接。
所述板中的每一个可以具有基本上大于所述板的厚度的宽度以及基本上大于所述板的所述厚度的长度。每个板的宽度可以是板的厚度的至少十倍，并且长度可以是板的厚度的至少十倍。
所述电容器可以是第一电容器，并且所述紧凑型堆叠式功率模块可以还包括第二电容器，所述第二电容器接触所述第二负极板表面和所述正极板表面，并且与所述第一半导体开关和第二半导体开关电并联。
本发明还提供了一种制作紧凑型堆叠式功率模块的方法，其包括：布置电容器、正极直流总线电压板和负极直流总线电压板，其中，电容器定位在正极直流总线电压板和负极直流总线电压板之间，并与正极直流总线电压板的正极板表面和负极直流总线电压板的负极板表面接触；在正极直流总线电压板和负极直流总线电压板之间布置交流输出板、第一半导体开关和第二半导体开关，其中：所述第一半导体开关接触所述负极板表面和交流输出板的第一输出板表面；并且第二半导体开关接触正极板表面和交流输出板的第二输出板表面。
所述板中的每一个可以具有基本上大于所述板的厚度的宽度以及基本上大于所述板的所述厚度的长度。
本发明还可以提供一种紧凑型堆叠式功率模块，其包括：正极直流总线电压板；负极直流总线电压板；电容器，其在正极直流总线电压板和负极直流总线电压板之间延伸并与二者接触；两个半导体开关，其被布置为与电容器电并联；以及应变消除特性，其从包括以下各项的组中选择：所述直流总线电压板中的一个包括邻近所述电容器的凹槽；所述直流总线电压板中的一个主要包括第一材料，并且在邻近所述电容器处包括比所述第一材料柔软的第二材料；电容器是带引线的电容器，通过一个或多个引线连接到至少一个所述直流总线电压板中的至少一个。
所述板中的每一个可以具有基本上大于所述板的厚度的宽度以及基本上大于所述板的所述厚度的长度。
下面参照附图更详细地描述进一步的特征和优点以及各种实施例的结构和操作。该技术不限于本文描述的具体实施例。本文仅为了说明性目的呈现所述实施例。基于本文包含的教导，其它实施例对于(多个)相关领域的技术人员将是显而易见的。
附图说明
示例性实施例可以采取各种部件和部件布置的形式。在附图中示出示例性实施例，在所有附图中，相似的附图标记可以指示各个附图中的相应或相似的部分。
附图仅用于示出优选实施例的目的，而不被解释为限制该技术。鉴于附图的以下使能描述，本发明技术的新颖方面对于本领域普通技术人员而言将是明显的。
图1是根据本发明技术的实施例的紧凑型堆叠式半桥功率模块的平面图。
图2是从图1所示的箭头2-2的角度看的紧凑型堆叠式半桥功率模块的第一侧视图。
图3是从图1所示的箭头3-3的角度看的紧凑型堆叠式半桥功率模块的另一侧视图。
图4是根据本发明技术的实施例的紧凑型堆叠式H桥功率模块的平面图。
图5是从图4所示的箭头5-5的角度看的紧凑型堆叠式H桥功率模块的第一侧视图。
图6是从图4所示的箭头6-6的角度看的紧凑型堆叠式H桥功率模块的另一侧视图。
图7示出了表示制造本发明技术的超紧凑型功率模块的方法的流程图。
具体实施方式
尽管本文通过具体实施方式的说明性实施例描述了示例性实施例，但应该理解的是，该技术不限于此。本领域技术人员参阅本文提供的教导将认识到在其范围内的其它修改、应用和实施例以及其中在此描述的紧凑型堆叠式功率模块具有显著实用性的其它领域。
在各种实施例中，该结构包括半桥电路或H桥电路，半桥电路或H桥电路在邻近的正负极直流(DC)总线电压板以及交流(AC)输出板之间包括与至少一个导体并联布置的半导体开关。
A、半桥功率模块-图1至图3
转向附图，更具体地，转向第一附图，图1是紧凑型堆叠式功率模块或系统10的平面图。图1的堆叠式功率模块10被配置为半桥。
图2是沿图1的线2-2截取的图1的堆叠式半桥功率模块的第一侧视图。图3是沿图1的线3-3截取的图1的堆叠式半桥功率模块的另一侧视图。图4至图6示出了第二示例性堆叠式功率模块20的视图。
尽管分别在图1至图3和图4至图6中示出了一个半桥和一个H桥，但是本发明技术可以用于通过任何数量的电容器和开关使任意数量的这种桥、如堆叠在一起的两个或更多个H桥连接在一起，以形成多电平桥-例如，模块化多电平转换器(M2C)。每个额外的电桥将为整个模块提供额外量的电压。
与传统电路相比，本发明技术的功率模块10、20在一个或多个尺寸上更小或最小化，以使功率模块的回路中的换向电感最小化。
图1的紧凑型堆叠式功率模块10包括交流(AC)输出条或板100。AC输出板100包括相对的第一AC输出板表面102与第二AC输出板表面104(图2)。
AC输出板100和本文所述的每个板可以具有多种几何形状和材料中的任何一种。例如，在各种实施例中，AC输出板100可以具有基本上大于AC输出板100的厚度106的宽度105。例如，在各种实施例中，宽度105是厚度106的约10倍至20倍之间或者更大。在各种实施例中，AC输出板100可具有基本上大于AC输出板100的厚度106的长度107。例如，在各种实施例中，长度107是厚度106的约10倍至20倍之间或者更大。关于宽度和/或长度的类似几何形状可以应用于本文描述的其它条或板。
在各种实施例中，本文描述的一个或多个板包含铜。并且在各种实施例中，AC输出板以及本文描述的每个板的主相对表面中的一个或两个是基本上平面的。其它部件、如电容器和半导体开关的相对表面也可以是大致平面的。如接触AC输出板的开关的邻近表面的平面性增加接触并因此促进表面之间的电流的有效传递。
本文描述的电端子、即AC输出端子和正负极DC端子在本文中主要被描述为条或板。这些引用并不意味着必然限制端子可以实现的几何结构。虽然端子主要被称为例如板，但是端子不限于具有均匀的厚度或完全平坦。在各种实施例中，端子基本上是平坦的，并且它们的长度显著大于厚度。在某些情况下，它们的宽度基本上大于厚度。
紧凑型堆叠式功率模块10还包括具有相对的第一负极板表面112与第二负极板表面114的负极直流(DC)总线电压条或板110。
紧凑型堆叠式功率模块10还包括正极DC总线电压条或板120。正极DC总线电压板120具有相对的第一正极DC板表面122与第二正极DC板表面124。
正极DC总线电压板120和负极DC总线电压板110代表功率模块10的各个相。板110、120中的每一个或至少正极DC总线电压板110可以被称为作为基板。
紧凑型堆叠式功率模块10还包括第一电容器130。在各种实施例中，电容器是陶瓷电容器。在一些实施方式中，电容器130具有多层陶瓷电容器(MLCC)构造。
电容器130包括相对的第一电容器表面132与第二电容器表面134。第一电容器表面132连接到负极DC总线电压板110的第一负极板表面112或至少布置在模块10中以接触负极DC总线电压板110的第一负极板表面112。第二电容器表面134连接到第一正极板表面122或至少布置在模块10中以接触第一正极板表面122。
紧凑型堆叠式功率模块10还包括多个开关。在各种实施例中，开关包括第一半导体开关150。
开关150可以以多种方式中的任何一种来配置。开关150可以包括例如绝缘栅双极型晶体管(IGBT)或金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。
开关150包括相对的第一开关表面152与第二开关表面154。第一开关150布置在模块10中，使得其第一表面152连接到负极DC总线电压板110的第一负极板表112或至少接触负极DC总线电压板110的第一负极板表112。第二开关表面154连接到第一AC输出板表面102或至少布置在模块10中以接触第一AC输出板表面102。
紧凑型堆叠式功率模块10还包括第二半导体开关160。第二开关160可以像第一开关150，如通过作为IGBT或MOSFET。
第二开关160包括相对的开关表面162、164。第一表面162连接到第二AC输出板表面104或至少布置在模块10中以接触第二AC输出板表面104。表面162、164的第二表面164连接到第一正极板表面122或至少布置在模块10中以接触第一正极板表面122。
如下面进一步描述的，模块10可以包括额外的开关。
所示出的任何或所有开关可具有从其延伸并连接到邻近基板的接合线。仅通过示例的方式，在图1和图2中示出了从半导体开关160延伸的接合线165。接合线165可以将每个主体半导体开关连接到该开关连接到的任一个或两个板。通过示例的方式，图2示出了通过接合线165连接到AC输出板100和正极DC板120两者的开关160。可以为结合其它开关示出和描述的任何或所有开关提供相同的配置(例如，图4至图6的实施例)。
开关150、160可以用其它名称来引用并且具有各种配置，如电源开关和芯片。
在各种实施例中，每个开关150、160包括内置体二极管(为了简单起见未详细示出)。在其中开关不包括内置体二极管的一些实施例中，模块10包括与(多个)相应电容器并联连接在负极板表面112和第一输出板表面102之间的二极管(未详细示出)。
在一个实施例中，紧凑型堆叠式功率模块10包括一个或多个附加电容器，如所示的第二电容器140。每个附加电容器在正极DC板120和负极DC板110之间延伸。附加电容器可以在任何方式像上述的第一电容器130。例如，它们可以是陶瓷电容器，并且可以具有MLCC结构。
关于添加电容器，已经确定模块10中与开关和电容器相关联的总串联电感减少了并联放置的电容器的数量。用于确定要包括在功率模块10中的电容器的数量的变量还包括(a)可靠性和(b)电流和/或电压要求。
关于可靠性变量(a)，与具有更多电容器的系统相比，具有更少的电容器可以由于降低的复杂性和电流路线而略微提高可靠性。
关于电流/电压变量(b)，电容器额定值(例如电压和/或电流额定值)会影响使用多少种类型的电容器和哪种类型的电容器。所选的(多个)电容器需要适应本应用所需的电压和电流输出能力。
第二电容器140包括相对的第一电容器表面142与第二电容器表面144。第一电容器表面142连接到第一负极板表面112或至少布置在模块10中以接触第一负极板表面112。第二电容器表面144连接到第一正极板表面122或至少布置在模块10中以接触第一正极板表面122。
应该理解的是，根据图1所示的电路结构，电容器130、140中的每一个在正负极DC相端子120、110和AC输出板100之间与第一半导体开关150和第二半导体开关160平行地电定位。
B、H桥功率模块-图4至图6
图4是配置为全H桥的紧凑型堆叠式功率模块或系统20的平面图。图5是沿图4的线5-5截取的堆叠式H桥功率模块的第一侧视图。图6是沿图4的线6-6截取的图1的堆叠式H桥功率模块的另一侧视图。
如同图1的示出的第一模块10，与传统电路相比，第二模块20在一个或多个尺寸上更小或最小化，以使模块20的回路中的换向电感最小化。
紧凑型堆叠式功率模块20包括连接的两个图1至图3中的半桥模块10。功率模块20在模块20的第一侧(图4的视图的左侧)包括AC输出板100以及正负极DC总线电压板120、110。这些部件的相对表面在图1至图3中标示，但未在图4至图6中标示来简化这些视图。图4至图6的紧凑型堆叠式功率模块20还包括图1中描述的电容器130、140和半导体开关150、160。
在第二侧(图4的视图的右侧)，模块20可以包括与第一侧基本上类似的结构。两侧具有各自的AC输出板100、200并共用正负极DC总线电压板。DC总线电压板210、220可以与图1至图3的板110、120相同或相似。如图4至图6所示，对于全H桥布置，板210、220可以更长和/或更宽，以延伸跨过模块20的第一侧和第二侧。
功率模块10的第二侧包括如第一侧的第一电容器130和第二电容器140以及第一半导体开关150和第二半导体开关160的第三电容器230和第四电容器240以及第三半导体开关250和第四半导体开关260。
模块20可以包括额外的电容器，如所示的第四电容器240。每个额外的电容器在正负极DC板220、210之间延伸。如关于添加电容器所述，已经确定模块20的与开关和电容器相关联的总串联电感减少了并联放置的电容器的数量。
第二示例性模块20的部件和结构可以另外像第一示例性模块10的部件和结构。例如，第二示例性模块20的任何电容器也可以是陶瓷电容器，并且可以具有MLCC结构。如同第一半导体开关150和第二半导体开关160，在各种实施例中，第三半导体开关250和第四半导体开关260中的每一个都可以包括内置体二极管(为了简单起见未详细示出)。在任何开关250、260不包括内置体二极管的一些实施例中，模块20可以包括在邻近的正极或负极DC板表面和相应的AC输出板表面之间与开关250、260并联连接的二极管(未详细示出)。并且模块20的任何开关可以包括IGBT或MOSFET。模块20可以包括额外的开关，并且额外的半桥或H桥可以被添加到功率模块。
应该理解的是，根据图至图6所示的电路结构，第一侧电容器130、140中的每一个与该侧相应的半导体开关150、160平行地电定位，并且第二侧电容器230、240中的每一个与该侧相应的半导体开关250、260平行地电定位。
C、应变消除特性
在各种实施例中，功率模块10、20的结构包括被配置和布置在模块中以消除可能在电容器或开关中产生的应变的一个或多个特征。虽然本文主要描述消除应变，但所述引用可包括消除应力和影响电容器的其它力。
电容器可能特别容易受到损坏。消除应变有助于保持电容器完好无损，如防止裂纹或防止被损害。
与电容器定位和操作相关的应变消除主要在下文中为了简化而被描述，但是可以考虑与任何模块开关结合使用。
在各种实施例中，应变消除包括被配置和布置在模块10、20中的部件，以邻近于目标部件(例如电容器)在模块10、20中提供增加的柔性或柔软度水平。以这种方式，跨过或通过部件的机械力、如应力和应变受到限制。机械力可以来自各种来源，如模块操作中产生的振动，或者间接来自如在模块10、20内或附近的热循环等其它效应。
关于添加作为应变消除的柔性(A)，可以提供柔性以限制电容器移动和/或邻近主体电容器的(多个)部件的移动。
关于添加作为应变消除的柔软度或阻尼(B)，提供柔软化或阻尼结构以吸收模块10、20中的机械力，由此限制呈现到主体电容器的力的量。
在一些实施例中，应变消除特性包括主体电容器通过一个或多个引线连接到如正极DC板表面122的邻近表面。引线可以如通过粘合剂用来代替表面安装或者附加到一些表面安装。单个示例性引线由图2中的附图标记145表示。两个或更多引线可以将每个主体电容器连接到邻近部件的(多个)邻近表面。
在其中一个实施例中，应变消除特性包括与主体部件接触的邻近板中的至少一个，所述板具有主要邻近电容器的第一材料以及比第一材料柔软且邻近电容器的第二材料。较软的材料可嵌入或以其它方式设置在基板、例如正极DC板120的主要材料中或与其邻近，以消除在功率模块10、20的操作中将影响电容器的应变。关于比第一材料更柔软的第二材料，第二材料可以例如在施加压缩力时更易于产生永久形状变化。可以参照材料的延展性、弹性刚度、塑性、应变、强度、韧性、刚性、粘弹性和粘度中的一种或多种来测量第一材料和第二材料的相对柔软度(或硬度)，例如使用任何适当的测量技术，如划痕、压痕(洛氏、维氏、肖氏等)或反弹。
第二材料可以定位在电容器安装在板上或连接到板的位置。例如，第二材料可以接收来自电容器的引线，如标记145指示的引线，这可以进一步增加阻尼。
通过示例的方式，第二材料由图2中的附图标记126、128表示。第二材料可以形成为具有各种几何形状中的任何几何形状，例如尺寸和形状。例如，第二材料可以形成环、一个或多个盘，或者在直线或弯曲的指状物或延伸部分中延伸到板120中的任何深度。在一个实施例中，选择第二材料的尺寸、形状和位置以匹配电容器的尺寸、形状和/或位置，其可以包括电容器的引线的位置。
第一材料126和第二材料128可以包括各种材料中的任何一种。在各种实施例中，第一材料是铜且第二材料是铜合金、金或汞中的一种。
在各种实施例中，应变消除特性包括形成在板中的一个或多个凹槽。当功率模块10被使用时，凹槽用于消除可能在模块10的电容器130中或附近产生的应变。
一个或多个凹槽设置在将安装电容器的地方或其附近，以消除紧凑型堆叠式功率模块10的操作中的应变。示例性凹槽由图2中的附图标记129表示。(多个)凹槽可以以任何适当的尺寸和形状在任何位置形成。例如，(多个)凹槽可以形成环、一个或多个盘，或者沿着板(例如板120)的表面在直线或弯曲的指状物或延伸部分中延伸到任何深度。
D、冷却特征
在一些实施例中，该技术包括冷却功能或特征。在一个实施例中，通过用冷却流体(未详细示出)围绕功率模块10、20的至少一部分来实现冷却，以在模块10、20的操作期间促进直接冷却。在操作中，整个功率模块10、20可以浸没在如不导电冷却流体的冷却流体中以促进直接冷却。
这些功能可以包括将功率模块10、20的一些部分或全部浸入或没入流体中。例如，冷却流体可以是不导电的或相变流体。
模块和冷却布置可以配置成以多种方式中的任何一种促进热从模块10、20流动离开。通常，这些布置被配置成使得热流出模块10、20并进入冷却流体(未详细标示，并可以被认为围绕任何所示模块)。例如，在一个实施例中，这些布置被配置成使得热大部分、主要或完全通过所公开的板100、110、120中的任何一个或多个(例如，铜AC输出总线条和铜+/-DC总线电压总线条)流出模块10、20并进入冷却流体。在一些实施方案中，热主要或完全从在半导体芯片150、160安装到相应条上的位置处或附近(例如，在其侧面)的板流动。
在一些实施例中，这些布置被配置为使得热通过从半导体150、160直接流到冷却流体而离开模块10、20，其中半导体直接暴露于冷却流体。
可以与本发明技术一起使用的相关冷却技术也公开在通用电气公司的申请和专利中，包括但不限于第8,711,565号美国专利，该专利描述了使用不导电冷却流体进行直接冷却的方法，并且在此并入本文。
E、操作方法-图7
图7是示出根据本发明技术执行的方法700的操作的流程图。
方法700的操作或步骤不一定以任何特定顺序呈现，并且以替代顺序执行一些或全部步骤是可能的并且是可预期的。为了便于描述和说明，已经按照展示的顺序呈现了这些步骤。在不脱离所附权利要求的范围的情况下，可以添加、省略和/或同时执行所述步骤。所示方法700可以在任何时候结束。
方法700用于制造超紧凑型堆叠式功率模块，如所描述的模块10、20。方法700可以由一个或多个参与者执行，如人员和/或计算机控制的机器-例如机器人。下面主要针对机器人描述该方法。
方法700在701处开始并且流程进行到方框702，其中机器人布置电容器130、正极DC总线电压板120和负极DC总线电压板110，如图1或图4所示。
即，机器人将电容器130定位在板110、120之间，与正极DC总线电压板120的正极板表面122以及负极DC总线电压板110的负极板表面112接触。
在框704处，机器人将AC输出板100、第一半导体开关150和第二半导体开关160布置在正负极DC总线电压板120、110/220、210之间，如一个实施例中图1所示以及另一实施例中图4所示。
该模块被布置成使得：
第一半导体开关150接触AC输出板100的第一负极DC板表面112和第一AC输出板表面102；和
第二半导体开关160接触AC输出板100的第一正极板表面122和第二AC输出板表面104。
可以进一步执行操作以产生图4至图6的第二示例性紧凑型堆叠式功率模块20。
操作可以包括如通过表面安装技术和/或引线连接来连接任何表面。
如返回路线705所示，过程700可以重复，以制造额外的功率模块10、20，否则该方法可以在707处结束。
F、益处和优点
该部分阐述了上述本发明技术的益处。
主要益处包括消除或至少大大减小将在如包括半桥和H桥的那些功率模块的开关与本地电容器之间的电路回路中发生的换向电感。
根据本发明技术配置的具有较低换向电感的功率模块具有比传统技术更高的功率密度和改进的可靠性。
由于其紧凑性，本发明技术在一个或多个尺寸上更小的超紧凑型功率模块也是优选的。例如，通过较小的封装，它们可以用来提供比传统系统等效或更高的功率输出。
本发明技术的功率模块可以用于各种与功率相关的系统，如发电机。示例性系统包括风力逆变器和太阳能逆变器。
本发明技术的应变消除特性消除或至少减少否则可能在如电容器的功率模块部件中产生的力。在不受损害、如轻微的应变引发的裂纹时，电容器性能更好并且具有更长的使用寿命。
本发明技术还可以包括促进所描述的功率模块的冷却的冷却特征。与温度不受控制的模块相比，被冷却的模块不易受到损坏并且性能更好。
G、结论
本领域的技术人员可以做出本发明技术仍然涵盖的替代实施例、示例和修改，特别是根据前述教导。此外，应该理解的是，用于描述该技术的术语旨在具有描述性而不是限制性的文字的性质。
本领域技术人员还将认识到，在不脱离本发明技术的范围和精神的情况下，可以配置上述优选和替代实施例的各种改变和修改。因此，应该理解的是，在所附权利要求的范围内，可以以不同于本文具体描述的方式来实践该技术。

Claims (20)

1.一种紧凑型堆叠式功率模块(10；20)，包括：
负极直流总线电压板(110；210)，所述负极直流总线电压板(110；210)具有负极板表面(112)；
正极直流总线电压板(120；220)，所述正极直流总线电压板(120；220)具有正极板表面(122)；
交流输出板(100)，所述交流输出板(100)具有相对的第一输出板表面(102)与第二输出板表面(104)；
第一半导体开关(150)，所述第一半导体开关(150)接触所述负极板表面(112)和所述第一输出板表面(102)；
第二半导体开关(160)，所述第二半导体开关(160)接触所述正极板表面(122)和所述第二输出板表面(104)；以及
电容器(130)，所述电容器(130)与所述第一半导体开关(150)和所述第二半导体开关(160)并联连接并且接触所述负极板表面(112)和所述正极板表面(122)。
2.根据权利要求1所述的紧凑型堆叠式功率模块(10)，其中，所述负极直流总线电压板(110)和所述正极直流总线电压板(120)中的至少一个，包括邻近所述电容器(130)的凹槽(129)以消除所述模块(10)中的力。
3.根据权利要求1或2所述的紧凑型堆叠式功率模块(10)，其中，所述负极直流总线电压板(110)和所述正极直流总线电压板(120)中的至少一个主要包括第一材料，并且在邻近所述电容器(130)处包括比所述第一材料柔软的第二材料(126，128)，以消除所述模块(10)中的力。
4.根据权利要求3所述的紧凑型堆叠式功率模块(10)，其中，所述第一材料是铜且所述第二材料是铜合金。
5.根据权利要求3所述的紧凑型堆叠式功率模块(10)，其中，所述第二材料从由金、汞和铜合金组成的组中选择。
6.根据权利要求1所述的紧凑型堆叠式功率模块(10)，其中，所述电容器是通过一个或多个引线(145)连接至所述负极直流总线电压板(110)或所述正极直流总线电压板(120)的带引线的电容器，所述电容器连接到的负极直流总线电压板(110)和所述正极直流总线电压板(120)可选地还主要包括第一材料，并且在邻近所述电容器处包括比所述第一材料柔软的第二材料(128)，以接收所述一个或多个引线(145)。
7.根据前述任一权利要求所述的紧凑型堆叠式功率模块(10)，其中，另外包括与所述第一半导体开关(150)和第二半导体开关(160)并联连接并接触所述负极板表面(112)和正极板表面(122)的第二电容器(140)。
8.根据前述任一权利要求所述的紧凑型堆叠式功率模块(10)，其中，所述负极直流总线电压板(110)、所述正极直流总线电压板(120)和所述交流输出板(100)是铜总线板。
9.根据前述任一权利要求所述的紧凑型堆叠式功率模块(10)，其中，所述第一半导体开关(150)和第二半导体开关(160)中的每一个包括绝缘栅双极型晶体管或金属氧化物半导体场效应晶体管。
10.根据前述任一权利要求所述的紧凑型堆叠式功率模块(10)，其中，所述表面中的每一个基本上是平面的。
11.根据前述任一权利要求所述的紧凑型堆叠式功率模块(20)，另外包括：
第二交流输出板(200)，所述第二交流输出板(200)包括相对的第三输出板表面与第四输出板表面；
第三电容器(230)，所述第三电容器(230)接触所述负极板表面和所述正极板表面；
第三半导体开关(250)，所述第三半导体开关(250)接触所述负极板表面和所述第三输出板表面；和
第四半导体开关(260)，所述第四半导体开关(260)接触所述正极板表面和所述第四输出板表面。
12.根据权利要求11所述的紧凑型堆叠式功率模块(10)，其中，所述第三电容器(230)与所述第三半导体开关(250)和第四半导体开关(260)并联连接。
13.根据前述任一权利要求所述的紧凑堆叠式功率模块(10)，其中，所述第一半导体开关(150)和第二半导体开关(160)中的一个或两个包括内置体二极管。
14.根据权利要求1至12中任一项所述的紧凑型堆叠式功率模块(10)，其中，还包括：二极管，所述二极管在所述正极板表面(112)与所述第一输出板表面(102)之间与所述第一半导体开关(150)并联连接。
15.根据前述任一权利要求所述的紧凑型堆叠式功率模块(10；20)，其中，所述板(100，110，120；200，210，220)中的每一个具有基本上大于所述板的厚度的宽度以及基本上大于所述板的所述厚度的长度。
16.根据权利要求15所述的紧凑型堆叠式功率模块(10)，其中，每个板的宽度是所述板的所述厚度的至少十倍，并且长度是所述板的所述厚度的至少十倍。
17.一种用于制造紧凑型堆叠式功率模块(10；20)的方法，包括：
布置电容器(130；230)、负极直流总线电压板(110；210)和正极直流总线电压板(120；220)，其中所述电容器(130；230)被定位在所述正极直流总线电压板(120；220)与所述负极直流总线电压板(110；210)之间，并与所述负极直流总线电压板(110；210)的负极板表面(112)和所述正极直流总线电压板(120；220)的正极板表面(122)接触；以及
将交流输出板(100；200)、第一半导体开关(150；250)和第二半导体开关(160；260)布置在所述正极直流总线电压板(120；220)与所述负极直流总线电压板(110；210)之间，其中：
所述第一半导体开关(150；250)接触所述负极板表面(112)和所述交流输出板(100；200)的第一输出板表面(102)；并且
所述第二半导体开关(160；260)接触所述正极板表面(122)和所述交流输出板(100；200)的第二输出板表面(104)。
18.一种紧凑型堆叠式功率模块(10；20)，包括：
负极直流总线电压板(110)；
正极直流总线电压板(120)；
电容器(130或140)，所述电容器(130或140)在所述正极直流总线电压板(120)与所述负极直流总线电压板(110)之间延伸并与二者接触；
两个半导体开关(150，160)，所述两个半导体开关被布置成与所述电容器(130或140)电并联；以及
从由以下项组成的组中选择的应变消除特性：
负极直流总线电压板(110)和正极直流总线电压板(120)中的至少一个包括邻近所述电容器(130)的凹槽(129)；
负极直流总线电压板(110)和正极直流总线电压板(120)中的至少一个主要包括第一材料，并且在邻近所述电容器(140)处包括比所述第一材料软的第二材料(126，128)；以及
所述电容器(140)是带引线电容器，并通过一个或多个引线(145)连接到负极直流总线电压板(110)和正极直流总线电压板(120)中的至少一个。
19.根据权利要求18所述的紧凑型堆叠式功率模块(10)，其中，所述板(100；110；120)中的每一个具有基本上大于所述板的厚度的宽度以及基本上大于所述板的所述厚度的长度。
20.根据权利要求19所述的紧凑型堆叠式功率模块(10)，其中，每个板的宽度是所述板的所述厚度的至少十倍，并且长度是所述板的所述厚度的至少十倍。
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