CN1816911A - 配有橡胶密封垫的电子功率模块和相应的生产方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的是减小功率模块，特别是用在电子马达控制设备上的电子功率模块的体积。为此，用一个环形的橡胶密封垫(6)在冷却元件(7至12)之间构造一个空间，并用封装材料(16)封装一个位于其中的半导体设备(2)。这样就可以用散热器(9至12)从两侧冷却所述半导体设备(2)，从而可以减小功率模块的体积。

Description

配有橡胶密封垫的电子功率模块和相应的生产方法
技术领域
本发明涉及一种电子功率模块，特别是用在对马达进行软启动的电子马达控制设备上的电子功率模块，它具有一个第一冷却设备、一个第二冷却设备和一个安置在第一和第二冷却设备之间的半导体设备。此外，本发明还涉及一种生产电子功率模块的相应的方法。
背景技术
上述类型的已有技术的电子功率模块是用于对马达进行软启动的功率电子单元的一个组成部分。这种功率电子单元包括一个或若干个必须具有短时负荷功能的功率模块。这种电子功率模块的作用是在一个相位上载流和对电流产生影响，也就是说，所需电子功率模块的数量取决于所涉及电源的相数(单相电源或三相电源)。
这种功率电子单元只在马达的启动阶段承载电流，到了工作阶段时，则由一个并联的开关设备承担这个任务。
用于软启动马达的电流只是马达直接启动电流的一小部分。正常启动电流占直接启动电流的25％到75％。然而，由于软启动所用的电流比直接启动电流小，所以马达软启动时需要的启动时间比直接启动时更长。
在启动阶段时，电子功率模块的半导体中会产生极大的损耗功率。通过对功率模块，或者更准确地说是功率半导体和散热器(heat sink)进行合理组合，必须要保证所述半导体的温度不超出半导体的最高容许阻挡层温度，否则所述的半导体就会损坏。此外，鉴于配电箱内空间有限，电子功率模块还需变得更小。
在已有技术(但未以印刷出版物的形式公开)的一种晶闸管功率模块中，两个单个晶闸管反并联连接(connected back-to-back in parallel)，挤压在一个散热器对称的两半之间。散热器的其中一半被从中间分成两部分，这两个部分与一根具有一定柔韧度的导线相连接。这样，即使圆盘形元件的高度不一，也可以从表面对晶闸管圆盘形元件进行压缩。这种已知的功率元件被设计得既能短时间高负荷工作，又能在长期的正常状态下持续工作，它的两个散热器半球是电路的一部分，并且是带电的。
软启动时出现的短时负荷会在硅元件(cell)中引起很大的损耗功率，负荷开始后，这个损耗功率会立刻导致圆盘形元件的升温。大约2至5秒后，硅元件和散热器之间出现一个恒定的温差，也就是说，上述圆盘形元件已处于一个热稳定状态中，这时，几乎所有的损耗功率都用在了加热散热器上。在这种情况下，功率模块的冷却通过一个风扇进行的。
其次，已知的西门子3RW30、3RW22和3RW34系列的功率模块由晶闸管模块构成，换流容量在250kW以下。和上述具有晶闸管圆盘形元件的功率模块一样，这种功率模块的冷却也是在晶闸管的一个侧面上通过一个铝散热器进行。所述晶闸管模块和散热器之间敷了一层导热膏或安装了一层导热薄膜。
此外，本申请人的德国专利申请10022341.9公开了对一种电子功率模块的改进结构。这种结构的特征在于，两个没有外壳的半导体器件夹在两个铜条之间，这两个半导体器件包括半导体元件身和多个钼盘。这部分结构安装在一个壳体内，并进行封装。采用封装化合物是保证必要的电绝缘，防止元件受到周围环境的有害影响。所述散热器安装在一个侧面上。
上述电子功率模块的整个结构相当大，这一点会使开关设备显著变大。
发明内容
因此，本发明的目的是，减小电子功率模块的尺寸，同时保证装置具有所需的冷却能力。
根据本发明，这个目是通过一种电子功率模块，特别是用在对马达进行软启动的电子马达控制设备上的电子功率模块实现的；该电子功率模块具有一个第一冷却设备、一个第二冷却设备和一个安置在第一和第二冷却设备之间的半导体设备，其中，半导体设备周围安置了一个弹性环形零件，环形零件之内的空间被用封装材料进行封装，所述空间部分地以第一和第二冷却设备为界，所述半导体设备即位于所述空间中。
此外，本发明还涉及一种生产电子功率模块，特别是用在对马达进行软启动的电子马达控制设备上的电子功率模块的方法。具体而言，这种方法就是：将一个半导体设备安置在一个第一和一个第二冷却设备之间，将一个弹性环形零件安置在半导体设备周围，其中，环形零件之内出现一个空间，这个空间部分地以第一和第二冷却设备为界，所述半导体设备位于其中，用一种封装化合物对该空间进行封装。
本发明的主导思想是，不再像传统做法一样将通电零件安装在密封壳体内，再用软的封装化合物进行封装。因为这种结构只允许从单侧进行冷却。根据本发明，壳体的功能是通过一个例如夹在所用铜条之间的橡胶密封垫来实现的。
本发明的结构保证了采用极小的安装尺寸来实现很高的开关频率很高。这是因为从半导体通过蓄热器向安装在两侧的散热器传热时的热阻非常小。但之所以能减小安装尺寸，其中最主要的原因是，两侧都安装了散热器后，就可以对半导体进行对称散热。通过在两侧上安装散热器，模块的结构宽度在理想情况下几乎可以减半。功率模块的结构宽度减小后，开关设备的结构宽度也可以减小。这一点对于有效利用配电箱的体积非常有利。在此，较小的总宽比较小的总深或总高更重要。
通过按本发明的结构，可以不再使用上述专利申请中所述的昂贵的夹紧系统，因为散热器承担了该专利申请中所用的钢横梁或压力装置所具有的支承功能。埋在散热器中的碟簧组件可以用作弹性元件，借此也可以减小部件总的深度。
优选情况下，第一和第二冷却设备都至少包括一个散热器。除此之外，所述冷却设备也可以具有各自的金属条，来对半导体设备进行直接散热，并用于半导体设备的电接触。
为了简化安装过程和降低生产成本，可以将冷却设备的金属条和散热器设计成一个单一的构件。在此，铜和铝都是该构件适用的材料。
所述半导体设备可以具有两个实行反并联电连接的半导体元件，这里所说的半导体元件主要指晶闸管而言。在此，所述半导体元件优选地为没有外壳的半导体元件，这样，不仅可以对其进行直接散热，还减小了其结构。
具有密封功能的弹性环形零件优选地由橡胶材料制成，它可以用来平衡冷却设备和半导体元件的加工公差。
除了可以对半导体和软的封装化合物进行机械性保护之外，所述弹性环形零件还具有这样一种上文中提到过的功能，即通过密封金属条之间或冷却设备之间的缝隙，为封装材料创造一个液密的空间。此外，所述弹性环形零件还具有这样一种功能，即在电源端和负荷端之间保持必要的最小电气间隙和最小爬电距离。这一点意味着，两个所述冷却设备或所述的复数个铜条处于不同的电压电位，必须保持一个预定的距离来避免发生闪络。因此，所述环形零件在轴向上最好具有一个基本恒定的尺寸，这样就能确保第一冷却设备和第二冷却设备之间存在一个规定的电气间隙和爬电距离。
此外，所述环形零件还优选地具有一个开口或空隙，用于触发晶闸管的导线从这里穿过，并且/或者，可以从这个开口或空隙中注入封装化合物。
附图说明
下面借助附图对本发明作进一步说明，其中：
图1为按本发明的功率模块的零件分解图；
图2为一个装配完整的功率模块的三维图；
图3为图2所示功率模块的侧视图；
图4为图2所示功率模块的横断面图；以及
图5为一个具有按本发明的功率模块的电路图。
下文中具体说明的实施例是本发明优选的实施形式。
具体实施方式
图1所示的是按本发明的电子功率模块的零件分解图。其中的核心元件是一个半导体模块1，它由两个半导体元件(semiconductor cell)2构成，并支配一个栅极端子3。如图所示，半导体模块1的上方是用于触发晶闸管的辅助阴极的导线4和5。半导体模块1的下方是一个橡胶密封垫6，装配完毕后，它是绕在半导体模块1的周边上的。
此外，图1还显示了铜条7和8，它们与半导体模块1直接接触，来使其触点闭合，并缓冲开关操作循环中产生的损耗热。每个铜条7和8的外表面上分别安置了两个散热器(heat sink)9、10和11、12。上面旋有螺栓14的绝缘套管13用于固定这个结构。埋在各个散热器9、10中的碟簧组15用作弹性元件。这种结构设计也有助于缩小功率模块的体积，特别是有助于减小结构深度。
图2所示的是装配完整的功率模块的三维图。从中可以看到图1所示的大部分元件。但是从图2中看不到半导体模块1，这是因为它处在散热器9、10、11、12和橡胶密封垫6之间的间隙内。
图3所示的是按本发明的功率模块的侧视图。各相关部件，请参考图2或图1。
图4所示的是图3所示侧视图的一个横截面。从中可以清楚地看到，半导体模块1上的半导体元件2是如何嵌入金属条，或者更准确地说是铜条7、8中的。铜条7、8的热量散发到它们各自的散热器9、10、11、和12上。所述散热器一般由铜或铝制成。如果将所述金属条7、8和所述散热器9、10、11和12设计成一个单构件，就可以不再设置其他传热通路。这样，就可以再次缩小尺寸和减低成本。
在图4中以单构件形式出现的半导体元件2由一个硅片构成。一般情况下，这个硅片嵌在两个金属(例如钼)垫片之间，并配有一个用于接入敏化电流脉冲(activation current pulse)的触点闭合装置(栅极线路)。
半导体模块1或者更准确地说是半导体元件2所在的、介于金属条或铜条7、8与矩形橡胶密封垫6之间的空间采用封装化合物16进行封装。由此可以达到稳定和绝缘的要求。为此，图2显示了一个开口17，从这里可以将封装化合物16注入到金属条7、8与橡胶密封垫6之间的空间内。连接线3和5穿过橡胶密封垫6中的这个开口17而突出在外面。
所述橡胶密封垫6所具有的表面结构有助于扩大两个处于不同电位的金属条7、8之间的爬电距离。金属条7、8中设置了用于电接触的相应接口18。
所述散热器9、10、11和12通过螺栓14、绝缘套管13和碟簧组件15彼此旋接在一起。
最后，图5所示的是两个连接在一个四端网络上的功率模块20和21的电路图。其中的每个功率模块20或21都与上述附图中所示的功率模块相一致。功率模块20或21的电路图的特征在于采用了实行反并联电连接的晶闸管TH1、TH2，或TH3和TH4。每个晶闸管(TH1至TH4)都由一个半导体元件2(参见图1和图4)构成。
所述四端网络的输入端上有一个频率为fin的电压Vin。Iout表示输出电流。
在功率模块的体积保持不变的情况下，具有按本发明的结构的功率模块可以改善冷起动能力或提高起动频率；或者，在冷起动能力和起动频率保持不变的情况下，具有按本发明的结构的功率模块的体积可以更小。其中，冷起动能力指的是由电流和时间得出的最大载荷谱。这个载荷谱可以由一个处于确定环境温度下的电动机起动器实现，而且不会出现由于超过最高容许阻挡层温度而引起的半导体开关元件损坏的情况。所述起动频率指的是由马达高速运行的电流和时间、持续起动时间和每小时内的通断操作次数(每一单位时间内的开关操作循环数)得出的最大载荷谱。这个载荷谱可以由一个处于确定环境温度下的电动机起动器实现，而且不会出现由于超过最高容许阻挡层温度而引起的半导体开关元件损坏的情况。

Claims (12)

1.一种电子功率模块，特别是用在对马达进行软启动的电子马达控制设备上的电子功率模块，它具有一个第一和一个第二冷却设备(7至12)和一个安置在第一和第二冷却设备(7至12)之间的半导体设备(1)，其特征是：所述半导体设备(1)周围安置了一个弹性环形零件(6)，其中，所述环形零件(6)之内的空间用封装材料封装，所述空间部分地以第一和第二冷却设备(7至12)为界，所述半导体设备(1)位于其中。
2.根据权利要求1所述的电子功率模块，其特征是：所述第一和第二冷却设备(7至12)都至少包括一个散热器(9至12)。
3.根据权利要求1或2所述的电子功率模块，其特征是：所述第一和/或第二冷却设备(7至12)各具有一个金属条(7，8)，来对所述半导体设备(1)进行直接散热，并用于所述半导体设备(1)的电接触。
4.根据权利要求3所述的电子功率模块，其特征是：各个所述金属条(7，8)至少和其中一个所述散热器(9至12)是一个单构件。
5.根据权利要求3或4所述的电子功率模块，其特征是：各个所述金属条(7，8)和至少其中一个所述散热器(9至12)由铜和/或铝制成。
6.根据上述权利要求中任一权利要求所述的电子功率模块，其特征是：所述半导体设备(1)具有两个实行反并联电连接的半导体元件(TH1至TH4)。
7.根据权利要求6所述的电子功率模块，其特征是：所述半导体元件(TH1至TH4)为没有外壳的半导体元件(2)。
8.根据上述权利要求中任一权利要求所述的电子功率模块，其特征是：所述环形零件(6)由橡胶制成。
9.根据上述权利要求中任一权利要求所述的电子功率模块，其特征是：所述环形零件(6)在轴向上具有一个基本恒定的尺寸，这样就能确保第一冷却设备和第二冷却设备(7至12)之间存在一个规定的电气间隙和爬电距离。
10.根据上述权利要求中任一权利要求所述的电子功率模块，其特征是：所述环形零件(6)具有一个开口或空隙(17)，用于触发晶闸管的导线(3，5)从这里穿过，并且/或者，可以从这个开口或空隙(17)中注入封装材料(16)。
11.一种生产电子功率模块，特别是用在对马达进行软启动的电子马达控制设备上的电子功率模块的方法，将一个半导体设备(1)安置在一个第一和一个第二冷却设备(7至12)之间，其特征在于：
将一个弹性环形零件(6)安置在所述半导体设备(1)周围，其中，所述环形零件(6)之内出现一个空间，所述空间部分地以第一和第二冷却设备(7至12)为界，所述半导体设备(1)位于其中，并且
用封装材料(16)对所述空间进行封装。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征是：封装之前，用所述环形零件(6)将两个所述冷却设备(7至12)隔开，确保第一和第二冷却设备(7至12)之间存在一个规定的电气间隙或爬电距离。
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