CN117712058A - 功率模块和包括其的逆变器及机电装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及功率模块和包括其的逆变器及机电装置。所述功率模块包括：基板，所述基板具有电路层以及彼此相对的第一表面和第二表面；半导体器件，所述半导体器件贴装在所述第一表面上并且与所述电路层上的电路电连接；以及散热器，所述散热器与所述第二表面相附接以形成从所述半导体器件经由所述基板至所述散热器的传热路径，其中所述散热器具有采用超导热材料且与所述传热路径热连通的热传导层。本功率模块具有突出的散热性能，能够有效促进提升系统集成度和工作稳定性。

Description

功率模块和包括其的逆变器及机电装置

技术领域

本发明涉及电子器件技术领域，更具体来讲，本发明涉及功率模块和包括其的逆变器及机电装置。

背景技术

随着电子科技发展，在许多装置中已使用了大量电子器件，这些电子器件在工作期间常会产生一定的热能，甚至有时可能会产生并积累大量的热能。为了避免这些装置及其电子器件在过高温度环境下工作而带来性能问题，现有技术提供了很多技术手段对此进行散热处理。

例如，功率模块（Power Module）是将功率电力电子器件按照一定的功能需求组合后封装形成一个模块，通常是采用焊接或烧结等方式将这些器件（所谓的管芯）设置在功率模块的电路基板上，同时为功率模块配置使用由诸如铜、铝等纯金属材料制成的散热器。由于铜、铝等纯金属材料具有优良的导热性能，因此可以对功率模块起到积极有益的散热降温处理效果。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了功率模块和包括其的逆变器及机电装置，从而可以解决或至少缓解现有技术中存在的上述问题和其他方面的问题中的一个或多个，或者可以为现有技术提供可替换的技术方案。

首先，根据本发明的一个方面，提供了一种功率模块，其包括：

基板，所述基板具有电路层以及彼此相对的第一表面和第二表面；

半导体器件，所述半导体器件贴装在所述第一表面上并且与所述电路层上的电路电连接；以及

散热器，所述散热器与所述第二表面相附接以形成从所述半导体器件经由所述基板至所述散热器的传热路径，其中所述散热器具有采用超导热材料且与所述传热路径热连通的热传导层。

在根据本发明的功率模块中，可选地，所述散热器具有腔体，所述腔体的内部填充有冷却介质用于与经由所述传热路径和所述热传导层传递至所述腔体的热量进行热交换。

在根据本发明的功率模块中，可选地，所述散热器具有散热鳍片，所述散热鳍片与所述热传导层相连并且布置在所述腔体的内部；并且/或者，所述腔体是封闭腔体或者具有至少一个入口和至少一个出口，所述冷却介质经由所述入口进入所述腔体，并且经由所述出口离开所述腔体。

在根据本发明的功率模块中，可选地，所述散热器设置成与所述基板沿着所述第二表面的方向平行布置，并且所述散热器在与所述第二表面相附接的一侧具有不小于所述基板的尺寸的散热面。

在根据本发明的功率模块中，可选地，所述功率模块具有采用绝缘材料的壳体，并且所述壳体布置成至少部分地覆盖所述基板和所述半导体器件，所述绝缘材料包括硅胶或热固性树脂材料。

在根据本发明的功率模块中，可选地，所述半导体器件通过烧结、键合或焊接方式贴装在所述第一表面上，并且/或者所述散热器与所述第二表面焊接或粘结连接，并且/或者所述超导热材料包括超导热铝材料。

在根据本发明的功率模块中，可选地，所述电路层设置有电源接口、输入接口和输出接口，所述功率模块经由所述电源接口与输入电源相连，并且经由所述输入接口接收输入信号并经过设置在所述电路板上的控制单元和所述半导体器件处理后形成输出信号，所述输出信号经由所述输出接口向外输出；并且/或者，所述电路层设置成单层或多层。

在根据本发明的功率模块中，可选地，所述半导体器件包括场效应晶体管（FET）或绝缘栅双极型晶体管（IGBT），所述控制单元和所述半导体器件设置成根据所述输入信号将所述输入电源变换处理成从所述输出接口向外输出的输出电压信号。

其次，根据本发明的另一个方面，进一步提供了一种逆变器，其包括如以上任一项所述的功率模块，所述功率模块设置有多个绝缘栅双极型晶体管，所述多个绝缘栅双极型晶体管电连接用于控制所述逆变器进行从直流电压到交流电压的转换、或者从交流电压到直流电压的转换。

此外，根据本发明的又一个方面，还提供了一种机电装置，其包括：

如以上任一项所述的功率模块；以及

工作部件，所述工作部件与所述功率模块的输出接口电连接，用以接收来自于所述输出接口的输出信号而工作。

根据本发明方案，通过在功率模块的散热器中应用导热性能突出的超导热材料，并且可结合使用冷却介质、散热鳍片等多种散热手段，使得本功率模块具有显著的散热性能，能够有利地促进实施功率模块的高功率密度优化设计，提高系统集成度和工作稳定性。本功率模块应用范围广泛，非常适合在众多类型的装置设备中配置使用。

附图说明

图1是一个根据本发明的功率模块实施例的构成示意图。

图2是一个根据本发明的逆变器示意图，其中同时示出了与逆变器相连的工作部件。

具体实施方式

参考图1，在该图中示范性地显示了一个根据本发明的功率模块实施例的大致构成情况，该功率模块与现有功率模块产品相比具有更加优良和突出的散热性能和工作稳定性。如图1所示，功率模块100设置有基板11、半导体器件12和散热器13，下面就对这些组成部分进行具体介绍。

在图1示例中，基板11是用作电子元器件进行电子线路连接的支撑载体，它通过其中的电路层110提供电子线路，可以用该电路层110来电连接符合具体应用所需的电子元器件，例如场效应晶体管或绝缘栅双极型晶体管等半导体器件12，比如MOSFET、IGBT等。为了简化图面起见，在图1中仅绘示了一个半导体器件12用作示范性阐释。此类电子元器件可通过诸如烧结（如银烧结）、键合或者焊接等任何可行的工艺方式贴装到基板11上并与电路层110上的电路形成电连接。电路层110可以按需设置单层、两层或更多层的电子线路并且可具有任何可能的、甚至复杂的电子线路布局，这可以通过使用例如铜等导电性材料并通过蚀刻、激光烧刻等加工工艺来制成。在一个或一些实施方式下，可以使用单层或多层印刷电路板（PCB）来非常方便地实现上述具有电路层110的基板11。

如图1所示，基板11可以具有两个彼此对置的表面，即第一表面111和第二表面112。如上所述，可以将半导体器件12贴装在基板11的第一表面111上并与电路层110上的电路形成电连接；同时，可根据应用需要采用诸如焊接、粘结等任何可行方式将散热器13附接到基板11的第二表面112上，从而将基板11和散热器13接合在一起以形成从半导体器件12经由基板11到散热器13的传热路径，以便用来对半导体器件12和基板11等进行散热降温处理。

在散热器13中创新性地应用了超导热材料，即设置了采用超导热材料的热传导层131。作为可选情形，按照实际需求可以将散热器13与第二表面112相附接的本体部分133在整体上全部使用超导热材料制成，或者也可以仅将本体部分133中的一部分使用超导热材料制成而其他部分则可结合使用常规的金属导热材料（如铜、铝或铝合金等）制成，或者还可以考虑在本体部分133上涂覆具有超导热材料的涂层来形成热传导层131。

在本文中，超导热材料是泛指导热系数超过400 W/(m*k)的具有优异热传导性能的材料，例如作为示例的超导热铝材料（Super Thermally Conductive Aluminum, STCA），它的导热系数超过450 W/(m*k)，甚至可达到700 W/(m*k)或更高，这已经远远超过了现有功率模块产品的散热器惯常使用的优良纯金属导热材料（例如Cu的导热系数为400 W/(m*k)，Al的导热系数为200 W/(m*k)）的导热性能。

尽管如此，由于铜、铝等纯金属材料本身具有优良的导热性能，并且容易获得且已得到长期的大规模使用，因此使得由这些材料制成的金属散热器在现有功率模块产品工作时确实能够起到积极有益的散热降温效果，从而造成本领域技术人员早已习惯于使用此类散热性能优良的纯金属导热材料来解决散热问题。

然而，本申请发现随着对于功率模块的不断需求发展，特别是面临实现更高的功率密度等方面要求，致使功率模块的工作条件日趋严格，在工作期间产生和积累的热量变得更多。对此，本发明破除了业界对于散热器材料选择的已固化的偏见认识而创新性地提出将诸如STCA等超导热材料应用到功率模块的散热器中，从而不仅能促使传热速度更快、散热效率更高，而且也使得使用厚度更薄的散热器成为可能，这将非常有利于降低系统整体热阻并实现更加紧凑布局，促进半导体器件等能够更快速且均匀地散热降温，将模块整体温度控制得更均匀一致，进而保障并提升功率模块的工作性能。因此，与现有产品对比，本发明的功率模块不仅具有更加优异的散热性能，而且能够有效提高系统整体集成度，在同等条件下允许集成布置更复杂的电子线路和元器件，实现更先进和丰富的功能应用。

作为可选情形，在图1中还展示了对于散热器13的可行的优化设计，它们可以根据需要单独地或者结合起来实施。

举例而言，在一个或一些实施方式下，可以将散热器13构造成具有腔体130，通过在该腔体的内部填充冷却介质14（例如水等），以便用来与经由上述传热路径和热传导层131传递到腔体130的热量进行热交换，从而达到对功率模块100进行散热降温的目的。对于腔体130，它可以通过散热器13的本体部分133和附加部分134一起组合构建形成，例如采用焊接、机加工等工艺将它们制成。附加部分134与本体部分133可以使用相同或不同的材料，例如它们都可以直接选择使用STCA或其他适用的超导热材料来制成，又比如附加部分134可使用与超导热材料相比在导热系数上相对小的导热材料（如铜、铝或铝合金等）来制成。腔体130的具体容积大小、形状构造等允许按需进行设置，例如可以将腔体构造形成封闭腔体，或者也可以将腔体构造成具有一个或多个入口以及一个或多个出口，以便在一些应用场合下允许冷却介质14通过上述入口进入该腔体，并且经由上述出口离开腔体，从而形成冷却介质的制冷循环回路；再比如，可以将附加部分134的两侧可选地构造成超过本体部分133，以便可以对功率模块100上的半导体器件12等形成一定的保护、遮蔽等作用。

再举例来讲，在一个或一些实施方式下，可以将散热器13构造成具有散热鳍片132用来促进功率模块100的散热降温处理。散热鳍片132与热传导层131之间形成热传导通路，可以将散热鳍片132布置在腔体130的内部，例如将每一个散热鳍片132可选地全部地或者部分地浸入到冷却介质14中，从而促进热交换过程更加充分、均匀地进行。作为可选情形，可以将散热鳍片132设置成例如针形、波形等任何合适的构型。应当理解，散热鳍片132的具体配置数量、布置位置等在本发明方案中均允许按需灵活设置。

需要说明的是，可以在功率模块100的基板11上设置诸如电源接口、输入接口、输出接口等各种可能接口（未示出），例如可通过电源接口和输入接口分别将来自于功率模块100之外的输入电源和输入信号引入到该功率模块100中。在图1中示例性地展示出了电源接口可以通过例如柔性导电体与诸如直流电连接器等元器件进行电连接，该直流电连接器可通过例如柔性导电体与诸如电磁过滤器（其可以具有PCB控制板用于电磁过滤控制处理）等元器件进行连接；然后，通过设置在基板11上用于逻辑和/或功率控制等的控制单元和半导体器件12，用来对输入信号进行处理从而形成输出信号，再将该输出信号经由输出接口向外输出以提供给所需要的应用。举例而言，例如当半导体器件12被设置为场效应晶体管（如MOSFET）或绝缘栅双极型晶体管时，可以通过此类半导体器件和上述控制单元用来根据输入信号将输入电源变换处理成相应的输出电压信号，这样的输出电压信号可向外提供给工作部件200（图2），或者将上述输出电压信号用于诸如逆变器等元器件，以便用来根据应用需要实现从直流电压转换成交流电压，或者与之相反地从交流电压转换成直流电压的电压变换处理。

此外，作为示例说明，功率模块100可设置具有绝缘性能的壳体部分，这在图1中使用附图标记16进行了对应标示。根据不同应用情况，壳体16可以采用诸如硅胶、热固性树脂或者其他适宜材料来制成，通过壳体16可以按需全部地或者部分地覆盖基板11和半导体器件12，以便对它们起到绝缘保护、防止灰尘等杂物侵入等防护目的。

应当理解，以上关于功率模块100中这些组成部分的描述只是用于示例性说明目的。例如，关于基板11、电路层110、半导体器件12、散热器13等具体构造、配置数量、布局位置等情况，可以根据不同实施场合来进行设置，本发明对此不做出任何的具体限制。

比如，可以散热器13可选地设置成与基板11二者在沿着第二表面112的方向上形成平行布置，以便促使获得相对较大的散热接触面积。此外，作为一种可选情形，可以将散热器13设置成在朝向第二表面112的一侧上具有大于或等于基板11的尺寸的散热面，以便有利于促进整体散热效果。例如图1所示，可以将除了半导体器件12之外的满足应用所需的其他可能元器件也布置在散热器13上进行散热处理，从而在系统整体上促进获得更佳的全面的散热降温处理效果。

另外，根据本发明的技术方案，还提供了一种逆变器。可以在该逆变器中设置根据本发明的功率模块，并且在功率模块中设置多个IGBT，通过将这些IGBT彼此进行电连接，可以用来控制逆变器实现将直流电压转换成交流电压，或者实现从交流电压到直流电压的电压变换操作。

对此，在图2中示范性地给出了一种逆变器实施例框图，在图中除了由IGBT组成的IGBT功率模块部分之外，省略了该逆变器300中的其他部分以便简化图面。如图2所示，通过将例如六个IGBT以两两为一组形成三相桥臂，从而将它们电连接形成IGBT功率模块，用来控制逆变器300进行交直流电压之间的转换，经过该逆变器300转换处理后的输出电压可提供给工作部件200（如电机等）使其工作运行。

此外，根据本发明的设计思想，还提供了一种机电装置。在该机电装置中，可以设置工作部件和根据本发明的功率模块，该工作部件与功率模块的输出接口形成电连接，以便在接收来自于该输出接口的输出信号进行工作运行。

如前所述，由于根据本发明的功率模块具有相当突出的散热降温效果和工作稳定性，因此这非常有利于促进功率模块和工作部件一起长期地稳定工作运行，进而保证机电装置具有良好的工作性能。应当理解，根据本发明的机电装置具有广泛类型，例如可以包括但不限于例如各类电机、压缩机、液压装置等。

Claims (10)

1.一种功率模块（100），其特征在于，包括：

基板（11），所述基板（11）具有电路层（110）以及彼此相对的第一表面（111）和第二表面（112）；

半导体器件（12），所述半导体器件（12）贴装在所述第一表面（111）上并且与所述电路层（110）上的电路电连接；以及

散热器（13），所述散热器（13）与所述第二表面（112）相附接以形成从所述半导体器件（12）经由所述基板（11）至所述散热器（13）的传热路径，其中所述散热器（13）具有采用超导热材料且与所述传热路径热连通的热传导层（131）。

2.根据权利要求1所述的功率模块（100），其中，所述散热器（13）具有腔体（130），所述腔体（130）的内部填充有冷却介质（14）用于与经由所述传热路径和所述热传导层（131）传递至所述腔体（130）的热量进行热交换。

3.根据权利要求2所述的功率模块（100），其中，所述散热器（13）具有散热鳍片（132），所述散热鳍片（132）与所述热传导层（131）相连并且布置在所述腔体（130）的内部；并且/或者，所述腔体（130）是封闭腔体（130）或者具有至少一个入口和至少一个出口，所述冷却介质（14）经由所述入口进入所述腔体（130），并且经由所述出口离开所述腔体（130）。

4.根据权利要求1所述的功率模块（100），其中，所述散热器（13）设置成与所述基板（11）沿着所述第二表面（112）的方向平行布置，并且所述散热器（13）在与所述第二表面（112）相附接的一侧具有不小于所述基板（11）的尺寸的散热面。

5.根据权利要求1所述的功率模块（100），其中，所述功率模块（100）具有采用绝缘材料的壳体（16），并且所述壳体（16）布置成至少部分地覆盖所述基板（11）和所述半导体器件（12），所述绝缘材料包括硅胶或热固性树脂材料。

6.根据权利要求1所述的功率模块（100），其中，所述半导体器件（12）通过烧结、键合或焊接方式贴装在所述第一表面（111）上，并且/或者所述散热器（13）与所述第二表面（112）焊接或粘结连接，并且/或者所述超导热材料包括超导热铝材料。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的功率模块（100），其中，所述电路层（110）设置有电源接口、输入接口和输出接口，所述功率模块（100）经由所述电源接口与输入电源相连，并且经由所述输入接口接收输入信号并经过设置在所述电路板上的控制单元和所述半导体器件（12）处理后形成输出信号，所述输出信号经由所述输出接口向外输出；并且/或者，所述电路层（110）设置成单层或多层。

8.根据权利要求7所述的功率模块（100），其中，所述半导体器件（12）包括场效应晶体管（FET）或绝缘栅双极型晶体管（IGBT），所述控制单元和所述半导体器件（12）设置成根据所述输入信号将所述输入电源变换处理成从所述输出接口向外输出的输出电压信号。

9.一种逆变器，其特征在于，包括如权利要求1-8中任一项所述的功率模块（100），所述功率模块（100）设置有多个绝缘栅双极型晶体管，所述多个绝缘栅双极型晶体管电连接用于控制所述逆变器进行从直流电压到交流电压的转换、或者从交流电压到直流电压的转换。

10.一种机电装置，其特征在于，包括：

如权利要求1-8中任一项所述的功率模块（100）；以及

工作部件（200），所述工作部件（200）与所述功率模块（100）的输出接口电连接，用以接收来自于所述输出接口的输出信号而工作。