CN109155297A - 包括含有由液冷系统冷却的至少一个功率管芯的至少一个功率模块的系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种包括至少一个功率模块的系统，所述至少一个功率模块包括由液冷系统冷却的至少一个功率管芯，所述液冷系统被设置成向功率模块的各个功率管芯提供至少一个电位，其特征在于，液冷系统由通过不导电管道连接在一起的第一载流条和第二载流条构成，第一载流条位于功率模块的顶部并向功率管芯提供第一电位，而第二载流条位于功率模块的底部并向功率管芯提供第二电位，并且液体冷却剂导电，并且通道表面被电绝缘层覆盖。

Description

包括含有由液冷系统冷却的至少一个功率管芯的至少一个功 率模块的系统

技术领域

本发明总体上涉及一种包括至少一个功率模块的系统，所述至少一个功率模块包括由液冷系统冷却的至少一个功率管芯(die)。

背景技术

传统的功率变换器包括功率半导体，功率半导体从底侧附接(例如，直接铜焊接(DCB))至基板，并且通过引线键合连接在管芯的顶侧上。该组装件被位于金属底板上以便散热，然后被装入热塑性材料中以防止环境应力。所获得的功率模块被附接在体积庞大的散热器上，并且通过汇流条(busbar)电连接。

发明内容

[技术问题]

电力电子应用中的高功率密度始终是优先考虑的事项。随着宽带隙材料的出现，功率模块尺寸缩小，并且功率级的功率密度增大。开关频率的提高还允许减小无源组件的尺寸。然而，这种趋势使得功率模块具有较小的散热器空间。

[问题的解决方案]

为此，本发明涉及一种包括至少一个功率模块的系统，所述至少一个功率模块包括由液冷系统冷却的至少一个功率管芯，所述液冷系统被设置成向所述功率模块的各个功率管芯提供至少一个电位，其特征在于，所述液冷系统由通过不导电管道连接在一起的第一载流条和第二载流条构成，所述第一载流条位于所述功率模块的顶部并且向所述功率管芯提供第一电位，而所述第二载流条位于所述功率模块的底部并向所述功率管芯提供第二电位，液体冷却剂导电，并且通道表面被电绝缘层覆盖。

因此，功率模块的尺寸和成本可以因多功能汇流条而减小。

而且，所述功率模块通过整个热交换区域的双面冷却系统有效冷却，而无需额外的电连接空间。可以使用任何类型的液体冷却剂，处于不同电压电平的不同汇流条之间没有短路的风险。

根据特定特征，所述第一载流条包括通道，所述第二载流条包括通道，所述通道通过液体冷却剂所流过的管道连接在一起。

因此，需要单个冷却剂回路。

因此，可以使用任何类型的液体冷却剂，处于不同电压电平的不同汇流条之间没有短路的风险。

根据特定特征，在各个通道中具有鳍片，或者将各个通道分割成多个子通道。

因此，热交换面积增加并且液体冷却剂与冷却器之间的热对流增加，而未增加通道内的压降。

根据特定特征，所述通道的内表面被进行表面处理。

因此，冷却器与冷却剂之间的热对流增加。

根据特定特征，所述液冷系统被设置成向功率模块的多个功率管芯提供至少一个电力供应。

根据特定特征，所述功率模块相同并具有矩形形状，并且所述液冷系统垂直于所述功率模块的较大侧设置。

因此，使用单个或多个功率模块来构建单个模块化功率变换器或者由相似功率模块构成并由同一冷却系统供电的多个模块化功率转换器。

根据特定特征，各个功率模块是以绝缘层和导电层形成的多层结构，并且所述功率管芯被嵌入所述多层结构中。

因此，所述功率管芯具有与所述模块的导电层的低电感连接。

根据特定特征，各个功率模块还包括电容器，所述电容器被嵌入所述多层结构中。

因此，减小了总线电容器的寄生电感，并因此减小了由功率模块的开关转换所产生的噪声。

根据特定特征，各个功率模块还包括所述功率管芯的驱动电路，所述驱动电路被设置在所述多层结构的表面上，或者完全或部分地集成在所述多层结构中。

因此，选通驱动器电路靠近功率级，这允许提高开关速度并因此减少功率管芯的开关损耗。

根据特定特征，各个功率模块还包括位于所述多层结构内的电感器以及设置在所述多层结构的表面上的磁性材料。

因此，减小了功率模块之间的容差，以便减小模块化功率变转换器中的模块之间的电流差异。

根据特定特征，所述液冷系统仅冷却所述多层结构的包括所述功率管芯的部分。

通过阅读示例实施方式的下列描述，本发明的特征将更清楚地显现，所述描述结合附图生成。

附图说明

图1是表示根据本发明的由液冷汇流条冷却的功率模块的截面的第一示例的图。

图2是表示根据本发明的由液冷汇流条冷却的功率模块的图。

图3是表示根据本发明的由液冷汇流条冷却的功率模块的组装件的图。

图4a表示制造由液冷汇流条冷却的功率模块的不同步骤。

图4b表示制造由液冷汇流条冷却的功率模块的不同步骤。

图4c表示制造由液冷汇流条冷却的功率模块的不同步骤。

图4d表示制造由液冷汇流条冷却的功率模块的不同步骤。

图4e表示制造由液冷汇流条冷却的功率模块的不同步骤。

图4f表示制造由液冷汇流条冷却的功率模块的不同步骤。

图5表示由液冷汇流条冷却的功率模块的电路。

具体实施方式

图1是表示根据本发明的由液冷汇流条冷却的功率模块的截面的第一示例的图。

在图1的示例中，液冷汇流条由两个汇流条10a和10b构成。所述汇流条可以由任何良好的热和电导体制成，诸如金属或合金，举例来说，例如铜、铝。液冷汇流条包括至少一个通道、至少一个入口IN以及至少一个出口OUT，以便使液冷汇流条内的液体冷却剂流动。所述通道可具有鳍片或任何表面条件以改善对流系数。出口OUT处的冷却剂流体被输送至图1中未示出的热交换器，所述热交换器可以安装在汇流条本身上，或者可以通过管道或管子连接至汇流条。

液冷汇流条可具有任何几何特征、锚固件和/或孔，以便用作至待冷却的功率模块PM1和PM2的机械固定装置。根据本发明，液冷汇流条具有至少一个电端子，以便为功率模块PM1和PM2提供电位。在图1的示例中，液冷汇流条具有标记为DC+和DC-的两个电端子。液冷汇流条可以通过由任何常规技术(举例来说，如烧结、焊接或粘合)附接的多层结构制成。液冷汇流条也可以用其它常规技术制成，如机械加工或其它。

第一汇流条10a通过导电和导热的界面片12和13(如Molibdinum板或热弹簧(thermal spring))连接至功率模块PM1和PM2的顶部。第一汇流条10a向功率模块PM1和PM2提供负DC电压。

第二汇流条10b通过导电和导热的界面片14和15(如Molibdinum板或热弹簧)连接至功率模块PM1和PM2的底部。

第二汇流条10b向功率模块PM1和PM2提供正DC电压。

第一汇流条和第二汇流条包括冷却剂流体可流过的通道。

利用标记为16的管道机械连接第一汇流条和第二汇流条。管道16具有电绝缘特性。

冷却剂流体在IN处进入汇流条10b的通道，穿过第二汇流条的通道，经过管道16到达第一汇流条的通道，并通过孔OUT离开液冷汇流条。

冷却剂液体是导电的，通道表面由被标记为11a和11b的电绝缘层覆盖。

两个汇流条通过图1中未示出的电绝缘或不导电的螺钉和螺栓彼此连接，以便通过导电界面片11至15在汇流条10a和10b与功率模块PM1和PM2之间进行压接和电接触。

通道的内部11a和11b涂覆有绝缘材料，所述绝缘材料也是良好的热导体(有机、陶瓷等)。可以通过任何淀积方法来进行涂覆，诸如丝网印刷、溅射或其它。汇流条10a和10b具有有助于机械地稳定功率模块的一个或更多个凹槽。

图2是表示由液冷汇流条冷却的功率模块的图。

该功率模块(例如，功率模块PM1)是具有像PCB一样的多层结构的两个子模块的组装件。各个子模块具有至少一个嵌入式半导体管芯，诸如SiC MOSFET、IGBT或其它。参照图4a至图4f，对功率模块组装件进行更详细公开。

在非常接近形成功率模块的功率级的功率管芯处，将电容器嵌入多层结构内(即，功率模块的基板中)作为总线电容器，以便使总线电压平滑。

包括功率管芯的部分通过由两个汇流条20a和20b构成的液冷汇流条冷却。

在图2的示例中，各个汇流条20a和20b包括一个通道，所述通道被分割成5个子通道，以便增加热交换。

根据变型例，在各个通道中具有鳍片。如图2所示的其它通道那样，汇流条20a的通道23a连接至汇流条20b的通道23b。

在同一多层结构中，还可以嵌入附加组件，像标记为25的控制集成电路、标记为26的电感器、变压器、传感器、附加电容器或电阻器。

而且，嵌入多层结构中或者安装在功率模块的外表面上，附加组件可以通过焊接或其它方式附接，以便包括针对功率模块的附加或补充功能。功率管芯上方和下方的功率模块表面由铜制成(经过或外经过精加工)，以便使能实现功率模块的总线连接。

图3是表示通过液冷汇流条冷却的功率模块的组装件的图。

在图3的示例中，包括一个输入部和一个输出部的液冷汇流条30冷却五个功率模块PM31至PM35。

液冷汇流条不是如已经公开的那样由两个汇流条构成，而是在图3的示例中由单个汇流条构成，所述单个汇流条通过从底部冷却功率管芯并同时向功率模块PM31至PM35提供DC电位。

这里必须注意，液冷汇流条也可以由两个汇流条构成。

图4a至图4f表示制造由液冷汇流条冷却的功率模块的不同步骤。

功率模块由两个子模块构成，这些子模块具有如PCB的多层结构，图4a至图4f的不同步骤表示子模块之一的制造。

图4a表示基础层400，基础层400是不导电但导热的材料。例如，基础层400由FR4制成。例如，通过激光切割来切割基础层400，以便形成具有功率管芯401的尺寸的腔体。然后将功率管芯401放置在该腔体中。基础层可以分成两层或几层，所述层由至少一个高导热层402隔开(如铜之类的金属)，以增加热扩散。

图4b表示基础层400和功率管芯401，在功率管芯401上，将薄绝缘层403层压在基础层400的顶部上，并且将薄绝缘层406层压在基础层400的底部上。而且，将导电层404和405(例如，由铜制成)层压在薄绝缘层403和406上。这里必须注意，对另一个子模块执行相同的操作。

图4c表示功率模块制造的下一步骤。

然后，进行激光钻孔和金属化407、409以及410，以便将功率管芯401连接至导电层。功率管芯与导电层的接触可以完全覆盖功率管芯的顶部表面和底部表面，或者利用多个过孔连接或其它形状地部分覆盖。然后，例如通过化学或机械工序将导电层蚀刻，以便在薄导电层上获得所需的布局。

图4d表示功率模块制造的下一步骤。

在如图4c获得的组装件的两侧上层压附加的薄绝缘层411和412以及厚导电层413和414。

图4e表示功率模块制造的下一步骤。

再一次，然后进行激光钻孔和金属化(415和416)，以便连接薄导电层404和405以及厚导电层413和414。该连接可以通过多个过孔连接或者通过其它形状(如金属化铜正方形)来进行。蚀刻导电层，以便获得层413和414上的希望布局。应注意，在导电层413和414非常厚的一些特定情况下，可以在层压之前对导电层进行预先蚀刻。

图4f表示功率模块制造的下一步骤。

通过钻孔然后金属化来制成过孔417。而且，执行板加工或钻孔，以便放置电容器418和磁性材料。

这里必须注意，在图4的示例中，各个子模块由两个薄导电层和两个厚导电层形成。然而，在一般情况下，可以重复导电层和绝缘层的层压步骤，直到达到所需数量的导电层为止。

然后，利用导热和导电材料来组装这两个子模块。

在组装两个子模块之后执行外部组件焊接、附接以及磁性材料模制。

在组装这两个子模块之后，在顶部子模块的顶层与底部子模块的底层之间连接电容器。

电感器的第一部分在第一子模块上制成，而第二部分在第二子模块上制成。

图5表示可以通过液冷汇流条冷却的功率模块的电路的示例。

各个功率模块包括向功率管芯D1和D2提供选通信号的选通驱动器。

功率管芯D1的漏极连接至由液冷汇流条提供的正电位DC+。功率管芯D1的源极连接至功率管芯D2的漏极并连接至电感器L1的第一端子。

功率管芯D2的源极连接至由液冷汇流条提供的负电位DC-。

电感器L1的第二端子是功率模块的输出部。

自然地，在不脱离本发明的范围的情况下，可以对上述本发明的实施方式进行许多修改。

Claims (11)

1.一种包括至少一个功率模块的系统，所述至少一个功率模块包括由液冷系统冷却的至少一个功率管芯，所述液冷系统被设置成向所述功率模块的各个功率管芯提供至少一个电位，其特征在于，所述液冷系统由通过不导电管道连接在一起的第一载流条和第二载流条构成，所述第一载流条位于所述功率模块的顶部并向所述功率管芯提供第一电位，所述第二载流条位于所述功率模块的底部并向所述功率管芯提供第二电位，液体冷却剂导电并且通道表面被电绝缘层覆盖。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一载流条包括通道，所述第二载流条包括通道，所述通道通过不导电管道接合在一起，液体冷却剂流过所述不导电管道。

3.根据权利要求1至2中任一项所述的系统，其特征在于，在各个通道中具有鳍片，或者各个通道被分割成多个子通道。

4.根据权利要求2至3中任一项所述的系统，其特征在于，所述通道的内表面被进行表面处理。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的系统，其特征在于，所述液冷系统被设置成向功率模块的多个管芯提供至少一个电力供应。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述功率模块相同并具有矩形形状，并且，所述液冷系统垂直于所述功率模块的较大侧设置。

7.根据权利要求5或6所述的系统，其特征在于，各个功率模块是由绝缘层和导电层形成的多层结构，并且所述功率管芯被嵌入所述多层结构中。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，各个功率模块还包括电容器，所述电容器被嵌入所述多层结构中。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，各个功率模块还包括所述功率管芯的驱动电路，所述驱动电路被设置在所述多层结构的表面上，或者完全或部分地集成在所述多层结构中。

10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，各个功率模块还包括位于所述多层结构内的电感器以及设置在所述多层结构的表面上的磁性材料。

11.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述液冷系统仅冷却所述多层结构的包括所述功率管芯的部分。