CN110462821A - 包括介电载体的电力电子模块 - Google Patents

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Abstract

一种电力电子模块(1)，包括与连接导体(6、7)连接的至少一个半导体(5)，并且包括介电载体(10)，介电载体(10)具有固定层(9)和可移动层(11)，所述连接导体中的至少一个(6)安装在固定层(9)上，固定层(9)和可移动层(11)具有近似的介电常数，并且沿面向该至少一个连接导体(6)的至少一个表面重叠。

Description

包括介电载体的电力电子模块
本发明涉及电力电子器件领域，更具体地涉及转换电力电路，该电力电路的高电压产生在散热和电绝缘方面的约束。
特别地，高电压引起与以下两种需求有关的问题：使电力部件在工作中产生的热量消散的需求，以及使电位存在很大差异的元件电绝缘的需求。
电力电子器件的目的是改变电能的呈现以获得最大效率。这包括以下形式：特别是将AC转换为DC(整流电路)、将DC转换为AC(逆变电路)、改变AC电压的有效值(调光电路)、改变DC电压的平均值(斩波电路)或改变AC电压的频率(循环换流电路)。
在本领域中，通常使用一种电力电子模块，其一般采用壳体形状，该壳体安装有连接端子并且包含通过连接导体连接到该连接端子的一个或更多个电力半导体。因为在高电压、电流和/或开关频率水平下工作，所以电力半导体释放热量。所产生的热量很多，必须提供主动或被动的散热装置，以便电力电子模块正常且安全地工作。另外，由于高电压，在连接导体之间产生很大的电位差，这需要电绝缘以防止形成电弧，以及防止甚至可能的模块的破坏。
通常用于解决散热和电绝缘问题的方案包括：将每个半导体及其连接导体安装在通常由陶瓷制成的载体衬底上，该载体衬底是电绝缘体并且表现出令人满意的导热特性。该陶瓷还与冷却装置接触，使得待消散的热量通过陶瓷扩散到冷却装置，冷却装置将接收的热量散发到热传递流体(空气、水或其他流体)中。
随着尤其是能源的倍增，特别是可再生能源的生产，以及这些能源与电网的连接，目前出现了新的问题。从诸如风力涡轮机(交流电)或光伏板(直流电)的不同来源的能量的生产，需要在配电网内引入将交流电转换为直流电或将直流电转换为交流电的站。这种能量的分配还需要重新设计电网络本身，例如提供用于传输高压直流电的网络。这尤其导致在电网内引入电力电子模块以用于新的目的，并且导致在高电压下切换直流电，直流电的切换在绝缘方面更困难。除了这些新的约束之外，存在如下持续趋势：减小电力电子模块的尺寸和/或增加其中包含的半导体的密度，这适用于整个应用领域。
这些新的问题要求电力电子模块具有提高的散热能力，并且同时具有更好的电绝缘性。
现有技术中使用的用于制造载体衬底的陶瓷(例如铝或氮化硼)在导热(散热)和电绝缘方面表现更好，其成本与电力电子行业兼容。在导热和绝缘方面，存在比这些陶瓷表现更好的材料，这些材料要么过于昂贵而被排除在电子应用之外(例如金刚石)，要么有毒或对环境有害而又被这些应用排除在外(例如氧化铍)。
因此，用于改善现有技术的电力电子模块的电绝缘的常见解决方案包括：在电力电子模块经受更严格的条件时，增加载体衬底的厚度。然而，由于热量被热传递流体排出之前必须首先通过更大厚度的衬底，所以这种厚度增加也导致散热能力的降低。衬底材料的导热性虽然很高，但远非理想，并且调节衬底的厚度仅仅是在散热功能与电绝缘功能之间权衡。一个提升导致另一个降低。
文献US8432030描述了一种电力电子模块，其中通过借助第二冷却装置增加模块的散热能力来减轻该问题。该方案提出了一种与半导体的载体衬底相互作用的传统冷却装置，还提出了一种作用在半导体的相对面上的第二冷却装置。使冷却装置加倍在数学上来说提供了更好的散热，但构成了更复杂、更昂贵且更不紧凑的方案。
文献EP2277365描述了一种用于冷却电力电子模块的系统，其实施了与前述方案近似的方案，其中两个冷却装置作用在半导体的两侧。还通过使用两相流体作为热传递流体，增加了散热能力。由于两相流体沸点低，因此两相流体与待冷却元件接触时从液态转变为气态，相变增加了冷却性能。该方案同样以更大的复杂性为代价来增加模块的冷却能力。
在现有技术的各种冷却模块中，如以上所述的那些，需要增加电绝缘方面性能的更严格的条件导致载体衬底的厚度增加，这转而导致冷却性能下降，而这种下降随后又通过上述更复杂的冷却装置来减弱。
本发明的目的是改善现有技术的电力电子模块。
为此，本发明的主题是一种电力电子模块，包括与连接导体连接的至少一个半导体，还包括介电载体，该介电载体具有固定层和可移动层，所述连接导体中的至少一个安装在固定层上，固定层和可移动层表现出近似的介电常数，并且沿面向该至少一个连接导体的至少一个表面叠加。
以库仑/伏特/米(C.V-1.m-1)或法拉/米(F.m-1)表示的材料的介电常数，允许测量电场对该材料的影响。该介电常数还可以表示为称为“相对介电常数”或“材料的介电常量”的无量纲量，该无量纲量是为了获得所讨论的材料的介电常数而使真空介电常数所乘以的因数。
根据固定层和可移动层具有近似的介电常数的特征，是指固定层的介电常数和可移动层的介电常数的值足够接近，使得由这两个层叠加形成的组件在受到电场作用时表现出均匀的行为，从而允许电位梯度在介电载体的整个厚度上均匀分布。因此，固定层的介电常数和可移动层的介电常数相等或足够接近以允许这种均匀的行为。在例如由锐角产生的峰值电位的区域处，有助于击穿现象，更一般地说，有助于在高电压下模块劣化的现象。相反，电位梯度的均匀分布允许避免这些现象。
根据一个优选的特征，当可移动层的介电常数与固定层的介电常数之间的差小于固定层的介电常数的50％，或甚至小于20％时，载体的介电层的相应介电常数被认为是近似的。
将介电载体布置成层并且使介电常数均质化，使得当介电载体受到电场作用时，电位梯度可以得到最佳分布，以便无论固定层的厚度如何，都提高了介电载体的电绝缘能力，该固定层的尺寸可能设计成促进热交换，即，被设计的更薄。
本发明与本技术领域中的通常推理相反，因为本发明提出了使在冷却方面的性能和在电绝缘方面的性能去相关，使得增加一个性能不会降低另一个性能。现有技术的载体衬底和冷却装置的功能在此由同一个介电载体执行，该介电载体的两个层(一个固定层、另一个可移动层)各自参与冷却和绝缘这两个功能，而这些功能不会发生冲突。
此外，另一物理特性在材料中的电场分布中发挥作用，特别是当待绝缘电压为连续时发挥作用：其导电率。根据另一特征，电力电子模块可以具有固定层和可移动层，该固定层和可移动层表现出相当的导电率。由于绝缘体的导电率变化很大(从10-8至10-20S.m-1)，因此当固定层和可移动层的导电率的比率在10以内时，也就是说，当最高导电率小于最低导电率的10倍时，固定层和可移动层的导电率被认为是相当的。
电力电子模块可以包括以下附加特征中的单个或其组合：
-电力电子模块还包括围绕半导体和连接导体布置的填充凝胶，该填充凝胶的介电常数与固定层的介电常数近似；
-可移动层沿纹理接触界面与固定层接触；
-固定层由介电陶瓷衬底组成；
-可移动层由介电流体组成；
-可移动层的介电流体包含在跨固定层的整个区域延伸的腔室内，因此，固定层和可移动层具有重叠的相同区域；或者，替代地，可移动层的流体包含在一个或更多个较小腔室内，该一个或更多个较小腔室仅跨面向至少一个连接导体的区域延伸，因此，固定层和可移动层在面向所述至少一个连接导体的整个表面上重叠；
-所述一个或更多个腔室是封闭的腔室，在腔室中，流体的移动性由自然对流提供；或者，替代地，所述一个或更多个腔室与冷却回路连接；
-可移动层的流体的沸腾温度低于工作中的电力电子模块的温度，以提高两相冷却。
不管固定层的材料如何，即使是在增加了绝缘需求的情况下，本发明也允许减小固定层的厚度，并且本发明允许将该厚度减小到小于由击穿电压限制的最小厚度，该最小厚度在这里称为“临界绝缘厚度”。例如，如果用于介电载体的固定层的陶瓷的击穿电压为25kV/mm(包括通常的安全系数)，则用于25kV的模块的临界绝缘厚度为1mm。在这种情况下，固定层的厚度可以小于1mm。无论材料如何，不论是固体还是流体，都通过可移动层来补偿固定层的绝缘作用，以达到所需的水平。
因此，尽管在考虑固定层的介电强度和电力电子模块的最大电压(即可以施加于连接导体的最大电压)的情况下，固定层的厚度也可以小于临界绝缘厚度，但是，固定层的厚度和可移动层的厚度之和大于所述临界绝缘厚度。
现在参考附图描述本发明的一个优选示例性实施例，其中：
-图1是根据本发明的电力电子模块的剖视图；
-图2是图1的电力电子模块的俯视图；
-图3是图1的电力电子模块没有壳体的情况下的俯视图；
-图4是图1的电力电子模块的仰视图；
-图5示意性地示出了图1的电力电子模块的热传递流体回路；
-图6是来自图1的一些元件的局部剖视图，示出了在介电载体中的电位的分布；
-图7类似于图5，用于现有技术的电力电子模块；
-图8是根据本发明的电力电子模块的一个变型实施例的仰视图；
-图9是根据图8的变型的电力电子模块的剖视图。
图1至图4示出了根据本发明的电力电子模块1。电力电子模块1包括壳体2，壳体2装配有用于连接模块1的第一端子3和第二端子4。为了简化说明，电力电子模块1是包括两个端子3、4和单个半导体5的简单的模块，其中，半导体5设置有两个极。
图2的俯视图示出了两个端子3、4，可以从壳体2外部接近这两个端子3、4，以便将模块1与模块1所用于的电路电连接。在模块1的内部，第一端子3和第二端子4分别连接到第一连接导体6和第二连接导体7。在本示例中，具有两个极的半导体5与连接导体6、7中的每一个连接。因此，半导体5通过其一个面经由焊接线8连接到第一连接导体6，形成其第一极的连结，并且半导体5自身通过其相对的面焊接到第二连接导体7，形成其第二极的连结。
在本示例中，两个连接导体6、7是两个铜的矩形，如图3所示，图3是在模块1没有壳体的情况下的俯视图。这两个连接导体6、7安装在介电载体10的固定层9上，该介电载体10还包括位于固定层9下方的可移动层11。可移动层11用阴影线示出以提高清楚性。在本示例中，介电载体10的固定层9和可移动层11是平行六面体，其厚度在图1中可见，其长度和宽度在图4中可见(在图4的仰视图中，示出了在没有壳体的情况下的模块1，介电载体10占据阴影区域)。
固定层9为半导体5提供机械支撑与附接，并且还将由半导体5放出的热量向可移动层11热传导。固定层9还对连接导体6、7之间的电绝缘起到了作用，但仅仅是部分作用。
因此，固定层9的厚度可以仅足以在不受电绝缘要求限制的情况下为半导体5提供机械强度。特别地，该厚度可能不足以单独提供当模块1连接到某电压时所需的介电强度，鉴于此，可移动层也参与介电强度，如下。
可移动层11就其本身而言提供或补充电绝缘，从而防止模块1内的电弧，并且可移动层11还排出从固定层9接收的热量。
可移动层11的电绝缘功能通过本可移动层与固定层9直接接触并且通过其构成材料的选择来实现，该构成材料对电场效应的反应特性与固定层9的反应特性近似，这表现为固定层9的介电常数与可移动层11的介电常数近似。固定层9和可移动层11一起形成一致绝缘体，其总厚度的大小被设置成足以根据给定电压所需的介电强度来确定，该给定电压通过模块1的端子3、4连接到电路而施加到模块1。介电载体10的总厚度对应于固定层9和可移动层11的厚度的组合。
根据一种变型(未示出)，可移动层沿纹理接触界面与固定层接触。因此，固定层可以具有鳍状、弯道状或任何其他图案的纹理，以促进固定层和可移动层的互锁。
根据另一变型，此外，可移动层11的材料的导电率与固定层9的导热率相当，使得还促进电场在整个介电载体10的厚度上分布。因此，固定层9的导电率和可移动层11的导电率在10倍内。
在本示例中，选择用于制造可移动层11的材料是介电流体，该介电流体包含在由固定层9和壳体2限定的腔室内(参见图1)。可移动层11跨固定层9的整个区域延伸，固定层9和可移动层11因此具有相同的区域并在该整个区域上重叠。通过可移动层11经由流体入口12和流体出口13移动来实现热排出功能，流体入口12和流体出口13连接到冷却回路，冷却回路设置流体流动以允许排出热量。
图5中示出了这种冷却回路21。该冷却回路21允许形成可移动层11的流体流动，以允许从电力电子模块1排出热量。在所示示例中，冷却回路21包括储液槽22和泵23，储液槽22和泵23允许流体根据需要流过尽可能多的电力电子模块1。实际上，单个冷却回路21可以被提供用于包括多个模块1的设备。因此，图5的电力电子模块1A、1B、1C、1D、1E、1F使用相同的流体来形成它们各自的可移动层11。这些电力电子模块1A、1B、1C、1D、1E、1F之间的虚线连接表示流体可以流过串联连接和/或并联连接的模块。
此外，可以选择表现两相行为的流体，在这种情况下，冷却回路21包括冷凝器24。这种两相流体的沸腾温度低于该两相流体在电力电子模块1A、1B、1C、1D、1E、1F中所经受的温度。因此，流体以液态离开泵23，至少部分地在电力电子模块1A、1B、1C、1D、1E、1F中蒸发，然后在冷凝器24中回到液态。电力电子模块1的可移动层11在这种情况下由流动的液体、气体或两者的组合构成。
替代地，流体可以保持限制在限定可移动层11的腔室内，而没有冷却回路21，使得流体的移动借助于自然对流来完成，自然对流导致固定层9附近的流体(更热)与离固定层9更远的流体(更冷)之间的运动。当散热需求受到限制时，即，对于受到较少加热的半导体5来说，流体的这种内部移动足以使可移动层11运动。
在任何情况下，可以通过用于增加散热的任何已知附加特征(例如壳体2上的散热片)来增强冷却。
根据一个替代方案(未示出)，可移动层11可以制成柔性或刚性材料条带的形式，而不是流体可移动层11，材料条带被赋予与固定层9相对运动，使得在该材料条带相对于固定层9移位时，排出热量。
因此，可移动层11可以由固体、液体或气体、刚性或柔性材料或其组合组成。无论可移动层11的成分如何，其都相对于固定层9运动，使得介电载体10允许排出由半导体17产生的热量。
此外，可移动层11的构成材料的介电常数与固定层9的构成材料的介电常数近似。在本示例中，选择形成固定层9的材料是氮化铝，其相对介电常数等于8.5；选择形成可移动层11的材料是单氟酮流体，其相对介电常数等于7。因此，固定层9和可移动层11的介电常数值之间的差不超过固定层9的介电常数的20％。替代地，该差可以达到固定层9的介电常数的50％。因此，介电载体10在介电常数方面形成均匀设置，在存在电场的情况下表现出均匀的行为。
电力电子模块1可以可选地包括介电填充凝胶26，半导体5及其连接件嵌入介电填充凝胶26中(凝胶26在图1中示出)。还可以选择凝胶26的材料使得介电常数与固定层11的介电常数近似，以便由介电载体10和凝胶26形成的组件在存在电场的情况下表现出均匀的行为。因此，具有固定层9和可移动层11在介电常数方面的一致组件的优点可以扩展到由固定层9、可移动层11和凝胶26形成的组件。如前所述，当凝胶26的介电常数与固定层9的介电常数之间的差不超过固定层9的介电常数的20％或者50％时，凝胶26的介电常数被认为与固定层9的介电常数近似。
图6的视图类似于图1的视图，示意性地示出了介电载体10中的电位分布。在本示例中，假设电力电子模块1被连接成使得第一端子3和因此的第一连接导体6为零电位，同时第二端子4和因此的第二连接导体7为高电位，例如5000V DC。
然后，在电力电子模块1的构成材料中在电位0处的元件(图6中用阴影示出)和电位5000V处的元件(图6中未用阴影示出)之间出现电位梯度。介电载体10中的电位梯度在图6中示出为梯度，其中从最暗到最亮的过渡表示从最高电位(5000V)到最低电位(0V)的过渡。电力电子模块1允许电位的最佳扩散，这通过允许电位梯度跨介电载体10的整个厚度分布来实现，尽管由两个层9、11产生，介电载体10在介电常数方面形成均匀的组件，这有利于电位梯度的这种均匀分布。
图7是与图6相似的视图，但示出了现有技术的电力电子模块14。图6和图7允许将根据本发明和根据现有技术的电位分布进行比较。参考图7，现有技术的电力电子模块14包括半导体17，半导体17与第一连接导体15以及第二连接导体16连接。这些连接导体15、16安装在绝缘的载体衬底18上，该绝缘的载体衬底18在其相对面上提供有冷却装置19。由铜制成的热桥20将载体衬底18热连接到冷却装置19，冷却装置19可以是被动的(如图7所示)或主动的(借助流过冷却装置19的热传递流体)。
在与如前所述相同的条件下(第一连接导体15处于电位0且第二连接导体16处于电位5000V DC)，电位梯度在描绘现有技术的图7中也由梯度来表示。载体衬底18执行了双重功能：进行在半导体17和冷却装置19之间的散热，以及为连接导体15、16提供完全的电绝缘。因此，电势可以仅跨载体衬底18的厚度分布。在载体衬底18的基部接触热桥20的精确位置处，电位必须降到值0。
通过比较，示出了现有技术的图7允许突出显示由图6所示的本发明实现的在更大厚度上的电位的有利分布。
图8和图9涉及根据本发明的电力电子模块的可移动层的一个变型实施例。图8和图9分别与图4和图1相似，并且相应的元件以相同的方式编号。
根据该变型实施例的电力电子模块1也包括与第一连接导体6和第二连接导体7连接的半导体5，整个组件安装在由固定层9和可移动层11组成的介电载体10上。变型实施例具体针对可移动层11，该可移动层11在此限制到面向第一连接导体6的表面。图8是(被示意性示出且没有壳体2的)电力电子模块1的仰视图，其以虚线示出了第一连接导体6和第二连接导体7的轮廓。外围件25限定由可移动层11占据的腔室，该腔室跨面向第一连接导体6的轮廓的整个区域延伸(参见图8)。以这种方式，固定层9和可移动层11面向连接导体6重叠(参见图9)。换句话说，在由第一连接导体6限定的轮廓的外部，介电载体10仅具有由固定层9组成的一个层，而在该轮廓的内部，介电载体10由重叠的固定层9和可移动层11组成。流体入口12和流体出口13相应地布置，以允许将流体引导到外围件25。
根据图8和图9的变型的介电载体10的布置以与图6的示例的连接相当的方式连接，即，使第二连接导体7为0电位且使第一连接导体6为高电位。进而，电位将以与图6中所示方式相似的方式跨介电载体10的两个层9、11分布。
类似图8和图9的变型实施例，介电载体可以由单独延伸的固定层组成以及由一个或更多个更小的可移动层组成，所述一个或更多个更小的可移动层面向一个或更多个连接导体布置，需要为所述一个或更多个连接导体提供空间用于电位的分布。
在不脱离本发明范围的情况下，可以实施电力电子模块的其他变型实施例。例如，固定层9和可移动层11的形状可以比这里为便于理解仅描述成的简单矩形更复杂，这同样适用于连接导体6、7。此外，除了这里所示的简单示例，电力电子模块1可以包括多个或甚至大量的连接导体6、7和相应的半导体，这些连接导体6、7和相应的半导体可以是例如电力晶体管、电力晶闸管、电力二极管、调节器、控制器、放大器等。

Claims (15)

1.一种电力电子模块(1)，包括与连接导体(6、7)连接的至少一个半导体(5)，其特征在于，所述电力电子模块(1)包括介电载体(10)，所述介电载体(10)具有固定层(9)和可移动层(11)，所述连接导体中的至少一个(6)安装在固定层(9)上，固定层(9)和可移动层(11)表现出近似的介电常数并且沿面向该至少一个连接导体(6)的至少一个表面重叠。
2.根据权利要求1所述的模块，其特征在于，可移动层(11)的介电常数和固定层(9)的介电常数之间的差小于固定层(9)的介电常数的50％。
3.根据权利要求2所述的模块，其特征在于，可移动层(11)的介电常数和固定层(9)的介电常数之间的差小于固定层(9)的介电常数的20％。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的模块，其特征在于，所述电力电子模块(1)还包括围绕半导体(5)和连接导体(6、7)布置的填充凝胶(26)，所述填充凝胶(26)的介电常数与固定层(9)的介电常数近似。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的模块，其特征在于，可移动层(11)沿纹理接触界面与固定层(9)接触。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的模块，其特征在于，可移动层(11)的导电率与固定层(9)的导电率相当。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的模块，其特征在于，考虑固定层(9)的介电强度和所述电力电子模块(1)的最大电压的情况下，固定层(9)的厚度小于临界绝缘厚度。
8.根据权利要求7所述的模块，其特征在于，固定层(9)的厚度和可移动层(11)的厚度之和大于所述临界绝缘厚度。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的模块，其特征在于，固定层(9)由介电陶瓷衬底组成。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的模块，其特征在于，可移动层(11)由介电流体组成。
11.根据权利要求10所述的模块，其特征在于，可移动层(11)的介电流体包含在跨固定层(9)的整个区域延伸的腔室内，固定层(9)和可移动层(11)因此具有重叠的相同区域。
12.根据权利要求10所述的模块，其特征在于，可移动层(11)的流体包含在至少一个较小腔室(25)内，所述至少一个较小腔室(25)仅跨面向所述至少一个连接导体(6)的区域延伸，固定层(9)和可移动层(11)因此在面向所述至少一个连接导体(6)的整个表面上重叠。
13.根据权利要求11或12所述的模块，其特征在于，所述腔室是封闭的腔室，在所述腔室中，流体的移动性由对流提供。
14.根据权利要求11或12所述的模块，其特征在于，所述腔室与冷却回路连接。
15.根据权利要求10至14中任一项所述的模块，其特征在于，可移动层(11)的流体的沸腾温度低于所述电力电子模块(1)在工作中的温度，以提供两相冷却。
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