JP2019502267A - 液冷システムによって冷却される少なくとも１つのパワーダイを備える少なくとも１つのパワーモジュールを備えるシステム - Google Patents
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Abstract
本発明は、液冷システムによって冷却される少なくとも１つのパワーダイを備える少なくとも１つのパワーモジュールを備え、液冷システムは、パワーモジュールの各パワーダイに少なくとも１つの電位を提供するように配置されている、システムであって、液冷システムは、非導電性パイプによって互いに接続された第１の電流搬送バー及び第２の電流搬送バーから構成され、第１のバーは、パワーモジュールの頂部に配置され、パワーダイに第１の電位を提供し、第２のバーは、パワーモジュールの底部に配置され、パワーダイに第２の電位を提供し、液冷媒は導電性であり、チャネル表面は電気的絶縁層によって覆われていることを特徴とする、システムに関する。
Description
本発明は、包括的には、液冷システムによって冷却される少なくとも１つのパワーダイを備える少なくとも１つのパワーモジュールを備えるシステムに関する。
従来の電力変換器はパワー半導体を含み、パワー半導体は、例えば、直接銅接合（ＤＣＢ）により、下面から基板に取り付けられ、ダイの上面にワイヤボンディングによって接続される。このアセンブリは、熱を拡散させるために金属ベースプレートの上に配置され、その後、環境応力から保護するために熱可塑性材料内に入れられる。得られたパワーモジュールは、かさばるヒートシンクの上に取り付けられ、バスバーにより電気接続がなされる。
パワーエレクトロニクス用途における高パワー密度は、常に優先事項であった。ワイドバンドギャップ材料の出現により、パワーモジュールはサイズが縮小し、パワーステージのパワー密度が増大した。スイッチング周波数の増大もまた、受動素子のサイズを低減させることができる。しかしながら、この傾向により、パワーモジュールにおいてヒートシンクのための場所が少なくなる。
このために、本発明は、液冷システムによって冷却される少なくとも１つのパワーダイを備える少なくとも１つのパワーモジュールを備え、液冷システムは、パワーモジュールの各パワーダイに少なくとも１つの電位を提供するように配置されている、システムであって、液冷システムは、非導電性パイプによって互いに接続された第１の電流搬送バー及び第２の電流搬送バーから構成され、第１のバーは、パワーモジュールの頂部に配置され、パワーダイに第１の電位を提供し、第２のバーは、パワーモジュールの底部に配置され、パワーダイに第２の電位を提供し、液冷媒は導電性であり、チャネル表面は電気的絶縁層によって覆われていることを特徴とする、システムに関する。
したがって、多機能バスバーにより、パワーモジュールのサイズ及びコストを低減させることができる。
さらに、パワーモジュールは、電気接続のために追加の場所を必要とすることなく、熱交換領域全体において両面冷却システムにより効率的に冷却される。異なる電圧レベルにある異なるバーの間に短絡が生じる危険性なしに、任意のタイプの液冷媒を使用することができる。
特定の特徴によれば、第１のバーはチャネルを備え、第２のバーはチャネルを備え、チャネルは、液冷媒が流れるパイプによって互いに接合されている。
したがって、単一冷媒回路が必要である。
したがって、異なる電圧レベルにある異なるバーの間に短絡が生じる危険性なしに、任意のタイプの液冷媒を使用することができる。
特定の特徴によれば、各チャネル内にフィンが導入されるか、又は各チャネルは複数のサブチャネルに分割されている。
したがって、熱交換領域が増大し、チャネル内部で圧力降下を増大させることなく、液冷媒と冷却器との間で熱対流が増大する。
特定の特徴によれば、チャネルの内面は表面処理が施されている。
したがって、冷却器と冷媒との間の熱対流が増大する。
特定の特徴によれば、液冷システムは、パワーモジュールの複数のダイに少なくとも１つの電力供給を提供するように配置されている。
特定の特徴によれば、パワーモジュールは同一であり、矩形形状を有し、液冷システムは、パワーモジュールの相対的に大きい側に対して垂直に配置されている。
したがって、単一の又は複数のパワーモジュールを使用して、同様のパワーモジュールから構成されかつ同じ冷却システムによって給電される単一の又は複数のモジュール式電力変換器が構築される。
特定の特徴によれば、各パワーモジュールは、分離層及び導体層によって形成された多層構造体であり、パワーダイは多層構造体に埋め込まれている。
したがって、パワーダイは、モジュールの導体層に対して低インダクタンス接続を有する。
特定の特徴によれば、各パワーモジュールは、多層構造体に埋め込まれるコンデンサーを更に備える。
したがって、バスコンデンサーの寄生インダクタンスが低減し、したがって、パワーモジュールのスイッチング遷移によって発生するノイズが低減する。
特定の特徴によれば、各パワーモジュールは、多層構造体の表面上に配置されるか、又は多層構造体内に完全に若しくは部分的に組み込まれる、パワーダイの駆動回路を更に備える。
したがって、ゲートドライバー回路はパワーステージに近く、それにより、スイッチング速度の上昇が可能になり、したがって、パワーダイのスイッチング損失が低減する。
特定の特徴によれば、各パワーモジュールは、多層構造体内に位置するインダクターと、多層構造体の表面に配置される磁性材料とを更に備える。
したがって、モジュール式電力変換器におけるモジュール間の電流不均衡を低減させるために、パワーモジュール間の許容差が低減する。
特定の特徴によれば、パワーダイを備える多層構造体の部分のみが、液冷システムによって冷却される。
本発明の特徴は、一例の実施形態の以下の説明を読むことによってより明らかになるであろう。この説明は、添付図面に関して作成されたものである。
図１は、本発明による、液冷バスバーによって冷却されるパワーモジュールの一部の第１の例を表す図である。
図１の例では、液冷バスバーは、２本のバー１０ａ及び１０ｂから構成されている。バーは、例えば、銅、アルミニウムのような金属又は合金等、任意の優れた熱伝導及び導電体から作製することができる。液冷バスバーは、液冷バスバー内の液冷媒の流れを可能にするために、少なくとも１つのチャネル、少なくとも１つの入口ＩＮ及び少なくとも１つの出口ＯＵＴを備える。チャネルは、対流係数を向上させるために、フィン又は任意の表面状態を有することができる。出口ＯＵＴにおける冷媒流体は、バスバー自体に取り付けることができ、又はパイプ若しくはチューブによってバスバーに接続することができる、図１には図示しない熱交換器に輸送される。
液冷バスバーは、冷却対象のパワーモジュールＰＭ１及びＰＭ２への機械的固定具として作用するために、任意の幾何学的特徴、アンカー及び／又は孔を有することができる。本発明によれば、液冷バスバーは、パワーモジュールＰＭ１及びＰＭ２に電位を提供するために少なくとも１つの電気端子を有する。図１の例では、液冷バスバーは、ＤＣ＋及びＤＣ−と示す２つの電気端子を有する。液冷バスバーは、例えば、焼結、はんだ又は接着剤のような任意の従来の技法によって取り付けられた多層構造体によって作製することができる。液冷バスバーはまた、機械加工その他のような他の従来の技法で作製することもできる。
第１のバー１０ａは、モリブデンシート又は放熱ばねのような導電性及び熱伝導性インターフェースシート１２及び１３を通して、パワーモジュールＰＭ１及びＰＭ２の頂部に連結される。第１のバー１０ａは、パワーモジュールＰＭ１及びＰＭ２に負の直流電圧を提供する。
第２のバー１０ｂは、モリブデンシート又は放熱ばねのような導電性及び熱伝導性インターフェースシート１４及び１５を通して、パワーモジュールＰＭ１及びＰＭ２の底部に連結される。
第２のバー１０ｂは、パワーモジュールＰＭ１及びＰＭ２に正の直流電圧を提供する。
第１のバー及び第２のバーは、冷媒流体が流れることができるチャネルを備える。
第１のバー及び第２のバーは、１６と示すパイプを用いて機械的に連結される。パイプ１６は、電気的絶縁特性を有する。
冷媒流体は、ＩＮにおいてバー１０ｂのチャネル内に入り、第２のバーのチャネルを通って進み、パイプ１６を通して第１のバーのチャネルに達し、開口部ＯＵＴを通って液冷バスバーから出る。
冷媒流体は導電性であり、チャネル表面は、１１ａ及び１１ｂと示す電気的絶縁層によって覆われている。
２つのバーは、バー１０ａ及び１０ｂとパワーモジュールＰＭ１及びＰＭ２との間に伝導性インターフェースシート１１〜１５を通して圧接及び電気的接触をもたらすために、図１には図示しない電気的に絶縁された又は非導電性のねじ及びボルトによって、互いに取り付けられる。
チャネルの内部１１ａ及び１１ｂは、優れた熱伝導体（有機物、セラミック等）でもある分離材料でコーティングされる。コーティングは、スクリーン印刷、スパッタリングその他等の任意の堆積方法によって行うことができる。バー１０ａ及び１０ｂは、パワーモジュールを機械的に安定させるのに役立つ１つ以上の凹部を有する。
図２は、液冷バスバーによって冷却されるパワーモジュールを表す図である。
パワーモジュール、例えば、パワーモジュールＰＭ１は、ＰＣＢのような多層構造体を有する２つのサブモジュールのアセンブリである。サブモジュールの各々は、ＳｉＣ ＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴその他等の少なくとも１つの埋込半導体ダイを有する。パワーモジュールアセンブリについては、図４ａ〜図４ｆを参照してより詳細に開示する。
パワーモジュールのパワーステージを形成するパワーダイに非常に近接して、多層構造体内に、すなわちパワーモジュールの基板内に、バス電圧を平滑化するためにバスコンデンサー等のコンデンサーが埋め込まれる。
パワーダイを備える部分は、２つのバー２０ａ及び２０ｂから構成された液冷バスバーによって冷却される。
図２の例では、各バー２０ａ及び２０ｂは、熱交換を増大させるために５つのサブチャネルに分割される１つのチャネルを備える。
変形によれば、各チャネル内にフィンが導入される。バー２０ａの２３ａと示すチャネルは、図２に示す他のチャネルのようにバー２０ｂのチャネル２３ｂに接続される。
同じ多層構造では、２５と示す制御集積回路、２６と示すインダクター、変圧器、センサー、追加のコンデンサー又は抵抗器のような追加の素子もまた埋め込むことができる。
また、多層構造体内に埋め込まれるか又はパワーモジュールの外面に取り付けられて、パワーモジュールに追加の又は補足的な機能を含めるように、はんだ付けその他により追加の素子を取り付けることができる。パワーダイの上及び下のパワーモジュールの表面は、パワーモジュールのバス接続を可能にするために、仕上げあり又は仕上げなしに銅から作製される。
図３は、液冷バスバーによって冷却されるパワーモジュールのアセンブリを表す図である。
図３の例では、１つの入力及び１つの出力を備える液冷バスバー３０が、５つのパワーモジュールＰＭ３１〜ＰＭ３５を冷却する。
液冷バスバーは、既に開示したように２つのバーからは構成されておらず、図３の例では単一のバーから構成されており、それは、底部からパワーダイを冷却し、パワーモジュールＰＭ３１〜ＰＭ３５に同時に直流電位を提供する。
ここでは、液冷バスバーは、２つのバーからも構成することができることが留意されなければならない。
図４ａ〜図４ｆは、液冷バスバーによって冷却されるパワーモジュールの製造の異なるステップを表す。
パワーモジュールは、ＰＣＢのような多層構造体を有する２つのサブモジュールから構成され、図４ａ〜図４ｆの異なるステップは、サブモジュールのうちの１つの製造を表す。
図４ａは、非導電性及び熱伝導性材料であるベース層４００を表す。例えば、ベース層４００は、ＦＲ４から作製される。ベース層４００は、パワーダイ４０１のサイズの空洞を形成するために、例えばレーザー切断によって切断される。そして、パワーダイ４０１は、空洞内に配置される。ベース層は、熱拡散を増大させるために銅のような金属等、少なくとも１つのより熱伝導性の高い層４０２によって分離された、２つ又は幾つかの層に分割することができる。
図４ｂは、ベース層４００及びパワーダイ４０１を表し、その上で、ベース層４００の上部に薄い分離層４０３が積層され、ベース層４００の底部に薄い分離層４０６が積層される。さらに、薄い分離層４０３及び４０６の上に、例えば銅製の導電性層４０４及び４０５が積層される。ここでは、他のサブモジュールの同じ動作が行われることが留意されなければならない。
図４ｃは、パワーモジュール製造の次のステップを表す。
そして、パワーダイ４０１を導体層に接続するために、レーザー穴あけ及びメタライゼーション４０７、４０９及び４１０が行われる。導体層へのパワーダイ接点は、パワーダイ上面及び底面を完全に、又は複数のビア接続若しくは他の形状を用いることにより部分的に覆うことができる。その後、導体層は、薄い導体層の上に所望のレイアウトを得るために、例えば、化学的又は機械的プロセスにより、エッチングされる。
図４ｄは、パワーモジュール製造の次のステップを表す。
図４ｃにおいて得られるようなアセンブリの両側に、追加の薄い分離層４１１及び４１２並びに厚い導体層４１３及び４１４が積層される。
図４ｅは、パワーモジュール製造の次のステップを表す。
再度、薄い導体層４０４及び４０５と厚い導体層４１３及び４１４とを接続するために、レーザー穴あけ及びメタライゼーション（４１５及び４１６）が行われる。接続は、複数のビア接続により、又はメタライズされた銅の正方形体のような他の形状を通して、行うことができる。導体層は、層４１３及び４１４の上に所望のレイアウトを得るために、エッチングされる。導体層４１３及び４１４が非常に厚い幾つかの特定の場合では、それらは積層の前に事前エッチングすることができることに留意されたい。
図４ｆは、パワーモジュール製造の次のステップを表す。
穴あけし、次いでメタライズすることにより、スルーホールビア４１７が形成される。また、コンデンサー４１８及び磁性材料を配置するために、基板機械加工又は穴あけが行われる。
ここでは、図４の例において、各サブモジュールは、２つの薄い導体層及び２つの厚い導体層によって形成されることが留意されなければならない。しかしながら、一般的に、導体及び絶縁層の積層ステップは、導体層の必要な数に達するまで繰り返すことができる。
そして、２つのサブモジュールは、熱伝導性及び導電性材料と組み立てられる。
２つのサブモジュールの組立後、外部素子のはんだ付け、取付け及び磁性材料成形が行われる。
上部サブモジュールの上部層と底部サブモジュールの底部層との間で２つのサブモジュールを組み立てた後に、コンデンサーが接続される。
インダクターの第１の部分は、第１のサブモジュールに形成され、第２の部分は、第２のサブモジュールに形成される。
図５は、液冷バスバーによって冷却することができるパワーモジュールの電気回路の一例を表す。
各パワーモジュールは、パワーダイＤ１及びＤ２にゲート信号を提供するゲートドライバーを備える。
パワーダイＤ１のドレインは、液冷バスバーによって提供される正電位ＤＣ＋に接続される。パワーダイＤ１のソースは、パワーダイＤ２のドレインにかつインダクターＬ１の第１の端子に接続される。
パワーダイＤ２のソースは、液冷バスバーによって提供される負電位ＤＣ−に接続される。
インダクターＬ１の第２の端子は、パワーモジュールの出力である。
当然のことながら、本発明の範囲から逸脱することなく、上述した本発明の実施形態に対して多くの変更を行うことができる。
Claims (11)
- 液冷システムによって冷却される少なくとも１つのパワーダイを備える少なくとも１つのパワーモジュールを備え、前記液冷システムは、前記パワーモジュールの各パワーダイに少なくとも１つの電位を提供するように配置されている、システムであって、前記液冷システムは、非導電性パイプによって互いに接続された第１の電流搬送バー及び第２の電流搬送バーから構成され、前記第１のバーは、前記パワーモジュールの頂部に配置され、前記パワーダイに第１の電位を提供し、前記第２のバーは、前記パワーモジュールの底部に配置され、前記パワーダイに第２の電位を提供し、前記液冷媒は導電性であり、前記チャネル表面は電気的絶縁層によって覆われていることを特徴とする、システム。
- 前記第１のバーはチャネルを備え、前記第２のバーはチャネルを備え、該チャネルは、液冷媒が流れる前記非導電性パイプによって互いに接合されていることを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
- 各チャネル内にフィンが導入されるか、又は各チャネルは複数のサブチャネルに分割されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載のシステム。
- 前記チャネルの前記内面は表面処理が施されていることを特徴とする、請求項２又は３に記載のシステム。
- 前記液冷システムは、パワーモジュールの複数のダイに少なくとも１つの電力供給を提供するように配置されていることを特徴とする、請求項１から４のいずれか１項に記載のシステム。
- 前記パワーモジュールは同一であり、矩形形状を有し、前記液冷システムは、前記パワーモジュールの相対的に大きい側に対して垂直に配置されていることを特徴とする、請求項５に記載のシステム。
- 各パワーモジュールは、分離層及び導体層によって形成された多層構造体であり、前記パワーダイは該多層構造体に埋め込まれていることを特徴とする、請求項５又は６に記載のシステム。
- 各パワーモジュールは、前記多層構造体に埋め込まれるコンデンサーを更に備えることを特徴とする、請求項７に記載のシステム。
- 各パワーモジュールは、前記多層構造体の表面上に配置されるか、又は前記多層構造体内に完全に若しくは部分的に組み込まれる、前記パワーダイの駆動回路を更に備えることを特徴とする、請求項８に記載のシステム。
- 各パワーモジュールは、前記多層構造体内に位置するインダクターと、該多層構造体の表面に配置される磁性材料とを更に備えることを特徴とする、請求項９に記載のシステム。
- 前記パワーダイを備える前記多層構造体の部分のみが、前記液冷システムによって冷却されることを特徴とする、請求項１０に記載のシステム。
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