JP2021515398A - 電力スイッチングモジュールおよび前記モジュールを統合する電子パワーデバイス - Google Patents

Abstract

電力モジュールは、少なくとも１つの電力スイッチングブランチが統合されている電子ボード（ＥＢ）と、コンデンサ（ＣＥ）と、少なくとも３つの直流電力電源バスバー（Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３）とを含み、電子ボードは第１のバスバー（Ｂ１）と第２のバスバー（Ｂ２）との間に取り付けられており、コンデンサは第２のバスバー（Ｂ２）と第３のバスバー（Ｂ３）との間に取り付けられており、電子ボード、コンデンサおよびバスバーは、電子ボードおよびコンデンサの「プレスパック」タイプの組立てを可能にする電気的接触面を含む。【選択図】図２

Description

本発明は、２０１８年２月２７日に出願されたフランス特許出願第１８５１６９０号の優先権を主張するものであり、その内容（文章、図面、および特許請求の範囲）は参照により本明細書に組み込まれる。

本発明は一般的にパワーエレクトロニクス分野に関する。より詳細には、本発明は、電力スイッチングモジュールおよびそのようなモジュールを統合する電子パワーデバイスに関する。

インバータおよび電力変換器などの電子パワーデバイスが、限定されないが、輸送、工業、照明、加熱等の多くの活動分野に存在する。ＣＯ_２排出がより少ない再生可能エネルギー源に向かう所望のエネルギー遷移の結果として、パワーエレクトロニクスがさらに一層普及するようになるに違いなく、増大する経済的制約および技術的制約を順守しなければならない。電子パワーデバイスの分野における現在の研究開発が、特に、コストを削減すること、より高いコンパクト性のために電力密度を高めること、信頼性を高めること、寄生素子および電磁放射を減少させること、および消散エネルギーの熱的伝達に重点を置いている。

電子パワーデバイスに適用可能な様々な制限は、各々がブリッジの１つのスイッチングブランチに相当する「電力モジュール」と呼ばれる基本の電力スイッチングモジュールを含む、スイッチングブリッジのモジュール方式をもたらした。したがって、例えば６相または３相スイッチングブリッジ、または任意の数の相もしくは極を含むブリッジが、複数の電力モジュールを組み立てることにより得られ得る。

３Ｄ構造が、パワーチップの両面冷却を有しかつ電子パワーデバイスのコンパクト性を高めることに関して何らかの利益を有する電力モジュールのために提案されている。高められたコンパクト性の探索は、熱平衡を達成しかつ信頼性を確実にするために、能動構成要素および受動構成要素の温度を臨界値より下に維持する能力を必要とする。構成要素に可能な限り近接して消散エネルギーを取り出すことが望ましい。構成要素から成る熱源と熱散逸手段から成るヒートシンクとの間の熱経路は最適化されなければならない。したがって、高性能冷却デバイスが不可欠である。

今日の炭化ケイ素（ＳｉＣ）および窒化ガリウム（ＧａＮ）ならびに間もなくのダイヤモンドなどの新しい電力半導体の可用性と、それらの慎重な使用とは、電力モジュールのコンパクト性の増大に向かっている。これらの新しい半導体は、ジュール損失の減少に有利に働くより高い電流密度、より高いスイッチング周波数、およびより高い電圧を可能にする。しかし、より高い電圧は絶縁破壊のリスクを高め、かつ異なる電位にある構成要素間の距離の縮小に反するので、解決策が見出されなければならない。

コンパクト性の探索と様々な設計制約を順守することとの間の最良の可能性のある妥協を達成するために、抵抗性の、誘導性の、かつ容量性の寄生素子の減少が不可欠である。電力バスバーにおける寄生インダクタンスがスイッチング周波数の上昇に反する。スイッチング周波数の上昇はコンパクト性に有利に働くが、スイッチング損失、および構成要素により消散される電力を増大させる。可能性のある破壊的な過電圧から回路を保護し、電磁放射の制御を向上させ、生成される熱を減少させ、かつスイッチング速度を上げるために、寄生インダクタンスを低減する必要がある。

信頼性を向上させるために、詳細には厳しい熱サイクルが存在する用途において、所謂「プレスパック」技術が用いられる。「プレスパック」技術では、構成要素を定位置に接触した状態で維持する機械的圧力またはクランプ手段により、電気的接触が確実にされる。「プレスパック」技術は、電力モジュール自体をモジュール式にし、そのサブモージュール自体を検証可能かつ交換可能にすることを可能にする。これは、結果的に、さらなる標準化、および生産コストの削減をもたらす。さらに、「プレスパック」技術は、デバイスが分解され得ることに因り、デバイスの修理を容易にすることに関しても重要である。

ディスクまたは円筒形ウェーハの形の表側幾何学的形状を有する電子パワーデバイスは、特に重要である。円筒形ウェーハの形のこの外部幾何学的形状は、詳細には、その円筒形ステータの延長部において、回転電気機械の後部における電子電力変換器の統合を容易にする。したがって、変換器の電力モジュールは、幾何学的に、隣接する円筒形セクタ内に含有されなければならない。回転電気機械の後部に変換器の直流電流電源バスのフィルタコンデンサを埋め込むことは、通常、この種のコンデンサの大サイズに因り、問題を引き起こす。先行技術では、回転電気機械の後部における統合を容易にするために、並列接続で取り付けられている複数の円筒形コンデンサを有するように、前記フィルタコンデンサを形成することが知られている。

今日、より高いコンパクト性および円筒形ウェーハの形の外部形状を有する電子パワーデバイスの製造を容易にし、前述の設計制約を順守することにおいてより良い妥協を可能にし、新しいＳｉＣおよびＧａＮ電力半導体ならびに３Ｄ技術および「プレスパック」技術に適した、新規の構造を有する電力モジュールを提案することが望ましいように思われる。

第１の態様によれば、本発明は、少なくとも１つの電力スイッチングブランチが統合されている電子ボードと、コンデンサと、少なくとも３つの直流電源バスバーとを含む電力モジュールに関し、そこで、電子ボードは第１のバスバーと第２のバスバーとの間に取り付けられており、コンデンサは第２のバスバーと第３のバスバーとの間に取り付けられており、電子ボード、コンデンサおよびバスバーは、電子ボードおよびコンデンサの「プレスパック」タイプの取付けを可能にする電気的接触面を含む。

ある特性によれば、電力モジュールは、特定の角度を有する円筒形セクタに含有される外部形状を有し、電気的接触面は円筒形セクタの径方向対称面に対して略垂直である。

ある特性によれば、コンデンサは多層セラミックタイプである。

さらに別のある特性によれば、電子ボードは所謂「ＳｉＰ（システムインパッケージ）」タイプであり、制御手段と少なくとも１つの第１のレベルの容量性フィルタコンデンサを含む。

さらに別のある特性によれば、第１のレベルの容量性フィルタコンデンサは、多層セラミックタイプのコンデンサである。

さらに別のある特性によれば、第１のバスバーは、複数の冷却フィンを含む、円弧の形状の外面を含む。

さらに別のある特性によれば、３つのバスバーのうちの少なくとも第１のバスバーは、径方向対称面に対して対称に傾斜した２つの接合面を含む。

さらに別のある特性によれば、熱伝達機能および／または耐火機能および／または電気絶縁機能を有する液体の通過および／または充填用の少なくとも１つのチャネルが３つのバスバーのうちの少なくとも１つに含まれる。

さらに別のある特性によれば、少なくとも１つの電力スイッチングブランチがＧａＮ、ＳｉＣ、ＭＯＳＦＥＴまたはＩＧＢＴタイプの少なくとも１つのトランジスタを含む。

さらに別のある特性によれば、３つの直流電源バスバーは銅および／またはアルミニウムで作製されている。

別の態様によれば、本発明は、また、簡潔に前述されている複数の電力モジュールを含む電子パワーデバイスに関し、該電力モジュールは円状に配置されており、その第１のバスバー、第２のバスバーおよび第３のバスバーにより電気的に接触している。

ある特性によれば、電子パワーデバイスは、電気的な、機械的な、かつ／もしくは電子的な液体および／または要素により占められる中心容積を含み、該液体は熱伝達機能および／または耐火機能および／または電気絶縁機能を有する。

本発明の他の利点および特徴が、添付図面を参照して、本発明の特定の実施形態の以下の詳細な説明を読むと、より明確になるであろう。

本発明による電力モジュールの特定の実施形態の配線流れ図である。 本発明による電力モジュールの外側斜視図である。 本発明による電力モジュールの断面図である。 複数の電力モジュールを含む、本発明による電子パワーデバイスの特定の実施形態の外側斜視図である。

図１は、本発明による電力モジュール１の特定の実施形態の電気回路図である。該電力モジュール１はＳｉＰ（「システムインパッケージ」）タイプであり、スイッチングブリッジブランチＢＭ、コントローラμＣならびに容量性フィルタ手段Ｃ_ＩおよびＣ_Ｅを含む。

この場合、スイッチングブリッジブランチＢＭは、窒化ガリウム（ＧａＮ）タイプの２つのトランジスタＴ_ＨＳおよびＴ_ＬＳを含む。当然、ＭＯＳＦＥＴトランジスタまたはＩＧＢＴトランジスタなどの他のタイプの電子電源スイッチが使用され得る。トランジスタＴ_ＨＳおよびＴ_ＬＳは、「ハイサイド」および「ローサイド」と呼ばれる高部および低部を形成しており、正＋直流電圧および負−直流電圧それぞれの直流電源バス間に接続されている。図１に示されている通り、トランジスタＴ_ＨＳおよびＴ_ＬＳのドレイン電極Ｄおよびソース電極Ｓは＋直流電圧バスおよび−直流電圧バスそれぞれに接続されている。トランジスタＴ_ＨＳおよびＴ_ＬＳそれぞれのソース電極Ｓおよびドレイン電極Ｄは相互接続されて、電力モジュール１のスイッチト出力（ｓｗｉｔｃｈｅｄ ｐｏｗｅｒ ｏｕｔｐｕｔ）ＯＵＴを形成する。

コントローラμＣは、そのゲート電極Ｇを介して、トランジスタＴ_ＨＳおよびＴ_ＬＳのスイッチングを制御し、絶縁破壊を検出することなどの用途に応じた他の機能を遂行することができる。

容量性濾過手段は、＋直流バスと−直流バスとの間に接続されている第１のコンデンサＣ_Iおよび第２のコンデンサＣ_Ｅとを含む。該コンデンサは、それぞれ第１のレベルの容量性フィルタ手段および第２のレベルの容量性フィルタ手段を形成している。

スイッチングブリッジブランチＢＭ、コントローラμＣおよびコンデンサＣ_Iは、ＳｉＰタイプの同じ電子ボードＥＢ内に含まれる。

コンデンサＣ_Iは、通常、多層セラミックタイプであり、１つだけのコンデンサまたは並列した複数のコンデンサから形成され得る。電子ボードＥＢ内に埋め込まれていることにより、第１のレベルの容量性フィルタ手段としてのコンデンサＣ_Iは、トランジスタチップにより近接して位置している。

電子ボードＥＢは、プリント基板を有しかつ３Ｄ構造を有する電子ボードを製造する証明済みの経済的な技術を用いて形成され得ることが有利である。

第２のレベルの容量性フィルタ手段としてのコンデンサＣ_Ｅは、コンデンサＣ_Iよりさらに大きい容量を有し、したがって、さらに相当な容量性濾過を確実にする。コンデンサＣ_Ｅは大規模構成要素であり、電子ボードＥＢの外側上に埋め込まれている。コンデンサＣ_Ｅは、通常、多層セラミックタイプである。

バスバー間に電子ボードＥＢおよびコンデンサＣ_Ｅの配置を有する、電力モジュール１の材料構造は、ここで、図２から図４までを参照して、以下に詳細に記載される。

外側斜視図である図２に示されている通り、電力モジュール１は円筒形セクタＳＣ内に含有される。該円筒形セクタＳＣは、セクタ軸ＡＡ、半径Ｒ、セクタ角度α、および高さＨにより画定されている。本特定の実施形態では、該セクタＳＣは６０°に等しい角度である。

円筒形セクタに含有されるこの外部構成は、複数の電力モジュールを隣接するように配置することにより、円筒形ウェーハの形の電子パワーデバイスを形成することを可能にする。図４に示されている通り、この場合、６相電子パワーデバイスＣＯＮＶが、６つの類似電力モジュール１から６までを組み立てることにより得られ得る。

図２および図３をより詳細に参照すると、電力モジュール１は、実質的に、電子ボードＥＢ、コンデンサＣ_Ｅ、およびバスバーＢ１、Ｂ２およびＢ３を含む。電子ボードＥＢおよびコンデンサＣ_Ｅは、バスバーＢ１とＢ２との間設けられている内容積Ｅ１およびバスバーＢ２とＢ３との間に設けられている内容積Ｅ２それぞれに含有されている。

電力モジュール１では、バスバーＢ１およびＢ３は、質量極性（ｍａｓｓ ｐｏｌａｒｉｔｙ）に対応する連続的な負電圧−直流にされることが意図されており、バスバーＢ２は連続的な正電圧＋直流にされることが意図されている。

バスバーＢ１、Ｂ２およびＢ３は、アルミニウムまたは銅などの金属導体で形成されており、プロファイルバーを部分に成形することおよび／または機械加工することおよび／または切削することにより製造され得る。

バスバーＢ１は、円弧の形状の外側面Ｆ１上に形成されている複数の冷却フィン１０を含む。該冷却フィン１０は、円弧の形状の外側面Ｆ１から外側に向かって径方向に延在している。バスバーＢ１はこのようにヒートシンクを形成している。さらに、バスバーＢ１は、詳細には、略平面である２つの傾斜接合面Ｆ２と、略平面の内面Ｆ３とを含む。

２つの接合面Ｆ２はバスバーＢ１の対向する長手方向端部を形成しており、円筒形セクタＳＣの径方向対称面ＰＳに対して２分のαの角度で傾斜している。角度α＝６０°の円筒形セクタ内に含有されている電力モジュール１を有する本実施形態では、２つの接合面Ｆ２は角度２分のα＝３０°で傾斜している。

バスバーＢ１の接合面Ｆ２は、隣接する電力モジュールの対応する接合面Ｆ２と接触することが意図されている。接合面Ｆ２を適格とするために本明細書に用いられている「平面の」という用語は厳密に解釈される必要がないことが留意される。実際、図３に示されている通り、前記接合面Ｆ２は、例えば、「Ｖｉｔｏｎ（登録商標）」タイプなどのシールを収容するための溝部１１を含み得る。また、取外し可能な機械的接続手段（図示せず）が前記接合面Ｆ２の領域内に配置され得る。

略平面である内面Ｆ３は、クランプにより電子ボードＥＢと接触している面である。接合面Ｆ２に関して前述されているのと同様に、内面Ｆ３を適格とするために本明細書に用いられている「平面の」という用語は、用途に応じて様々な装置が設けられ得ると仮定すると、厳密に解釈される必要がない。

バスバーＢ２は、詳細には、バスバーＢ２の対向する長手方向端部を形成する２つの接合面Ｆ４と、第１の面Ｆ５および第２の面Ｆ６とを含む。

バスバーＢ１の面Ｆ２と同様に、２つの接合面Ｆ４は円筒形セクタＳＣの径方向対称面ＰＳに対して角度２分のαで傾斜している。該接合面Ｆ４は隣接する電力モジュールの対応する接合面Ｆ４と接触することが意図されている。

バスバーＢ２の第１の面Ｆ５は、クランプにより電子ボードＥＢと接触している面である。図２および図３に示されている通り、チャネル１２が前記第１の面Ｆ５に配置されており、通常、熱伝達機能および／または耐火機能および／または電気絶縁機能を有する液体の循環または充填を対象としている。当然、他の実施形態では、やはりまたは独占的に、液体のチャネルはバスバーＢ１の内面Ｆ３に形成され得る。耐火機能および電気絶縁機能は、電気絶縁破壊もしくは発火および電力モジュールの後続の可能性のある劣化を防止することを可能にすることが留意されるであろう。

面Ｆ３およびＦ５は、バスバーＢ１とＢ２との間での電子ボードＥＢの「プレスパック」取付けに適している。面Ｆ３とＦ５との間に配置されている内容積Ｅ１は、電子ボードＥＢが受容されることを可能にする。

バスバーＢ２の第２の面Ｆ６は、バスバーＢ３の略平面の第１の面Ｆ７に対向して配向されている略平面の面である。面Ｆ６とＦ７とは略平行であり、コンデンサＣ_Ｅが含有される第２の内容積Ｅ２を画定している。面Ｆ６およびＦ７は、クランプにより、コンデンサＣ_Ｅの第１の略平面の電極および第２の略平面の電極と接触しており、バスバーＢ２とＢ３との間でのコンデンサＣ_Ｅの「プレスパック」取付けに適した面である。

第１の面Ｆ７に加えて、バスバーＢ３は、詳細には、バスバーの対向する長手方向端部を形成する２つの接合面Ｆ８と、第２の面Ｆ９とを含む。バスバーＢ１の接合面Ｆ２と同様に、２つの接合面Ｆ８は、円筒形セクタＳＣの径方向対称面ＰＳに対して角度２分のαで傾斜している。接合面Ｆ８は、隣接する電力モジュールの対応する接合面Ｆ８と接触することが意図されている。

バスバーＢ１、Ｂ２およびＢ３の面Ｆ３、Ｆ５、Ｆ６およびＦ７全てが、前記円筒形セクタの径方向対称面ＰＳに対して略垂直な電気的接触面であり、バスバー間での電子ボードＥＢおよびコンデンサＣ_Ｅの「プレスパック」取付けを可能にする。

バスバーＢ３の第２の面Ｆ９は略平面であり、第１の面Ｆ７と平行であり、円筒形セクタＳＣの径方向対称面ＰＳに対して垂直な、電力モジュール１の端面を形成している。円筒形セクタＳＣのセクタ軸ＡＡと面Ｆ９との間の容積Ｅ３が利用可能である。

図２において可視のチャネル１３の存在が留意されるであろう。該チャネルはバスバーＢ３の最上端面および最下端面に設けられている。チャネル１３は、詳細には、熱伝達液体および／または耐火液体および／または電気絶縁液体の通過または充填を対象としている。

電力モジュール１の「プレスパック」組立ては、短絡を防止するために、例えば、必要なクランプまたは絶縁ねじ通路を通して取り付けられているねじを確実にする弾性ファスナを活用する。クランプによるこれらの機械的組立て技術は当業者に周知されており、本明細書に詳細に記載されない。

図４において明確である通り、本発明による複数の電力モジュール（本例では１から６まで）が組み立てられて、円筒形ウェーハの形の電子パワーデバイスＣＯＮＶを形成する場合、中心容積ＶＣが、自由なままである異なる容積Ｅ３の追加により、利用可能なままである。

本発明による複数の電力モジュールを使用して生産される電子パワーデバイスによれば、中心容積ＶＣは様々な機能に特化され得る。したがって、例えば、中心容積ＶＣは、部分的にまたは完全に、熱伝達機能および／または耐火機能および／または電気絶縁機能を有する液体の循環または充填に特化され得る。別の使用では、中心容積ＶＣは、部分的にまたは完全に、例えばリチウムイオンタイプの電池、超コンデンサ、または任意の他の機械的な、電気的な、かつ／もしくは電子的な要素の形の、追加の容量性フィルタ手段および／あるいはエネルギー貯蔵手段を収容することに特化され得る。

電子パワーデバイスＣＯＮＶの最上面および底面は、バスバーＢ１およびＢ３の電圧−直流にされる板により閉鎖される。ファラデー箱がこのように得られ、電磁両立性（ＥＭＣ）を助長する電磁防御手段をもたらす。最上面および底面の領域内の封止は、例えば「Ｖｉｔｏｎ（登録商標）」タイプのシールにより確実にされ得る。

ここで、電子パワーデバイスＣＯＮＶの円形ウェーハ形状は、前記デバイスを回転電気機械、例えばトラクションエンジンまたは回生ブレーキシステムと関連する可逆的機械、内での統合に完全に適するようにすることが留意されるであろう。

本発明は、例として本明細書に記載されている特定の実施形態に限定されない。本発明の用途に応じて、当業者が、添付の特許請求の範囲の範囲内にある様々な修正形態および変形形態を作成し得ると考えられる。

Claims (12)

1. 少なくとも１つの電力スイッチングブランチ（ＢＭ）が統合されている電子ボード（ＥＢ）と、コンデンサ（Ｃ_Ｅ）と、少なくとも３つの直流電源バスバー（Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３）とを含む電力モジュール（１）であって、前記電子ボード（ＥＢ）は第１のバスバー（Ｂ１）と第２のバスバー（Ｂ２）との間に取り付けられており、前記コンデンサ（Ｃ_Ｅ）は前記第２のバスバー（Ｂ２）と第３のバスバー（Ｂ３）との間に取り付けられており、前記電子ボード（ＥＢ）、前記コンデンサ（Ｃ_Ｅ）および前記バスバー（Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３）は、前記電子ボード（ＥＢ）および前記コンデンサ（Ｃ_Ｅ）の「プレスパック」タイプの取付けを可能にする電気的接触面（Ｆ３、Ｆ５、Ｆ６、Ｆ７）を含む、電力モジュール（１）。
2. 特定の角度（α）を有する円筒形セクタ（ＳＣ）に含有される外部形状を有し、前記電気的接触面（Ｆ３、Ｆ５、Ｆ６、Ｆ７）は前記円筒形セクタ（ＳＣ）の径方向対称面（ＰＳ）に対して略垂直であることを特徴とする、請求項１に記載の電力モジュール。
3. 前記コンデンサ（Ｃ_Ｅ）は多層セラミックタイプであることを特徴とする、請求項１または２に記載の電力モジュール。
4. 前記電子ボード（ＥＢ）は「ＳｉＰ」タイプであり、制御手段（μＣ）と少なくとも１つの第１のレベルの容量性フィルタコンデンサ（Ｃ_I）を含むことを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の電力モジュール。
5. 前記第１のレベルの容量性フィルタコンデンサ（Ｃ_I）は前記多層セラミックタイプのコンデンサであることを特徴とする、請求項４に記載の電力モジュール。
6. 前記第１のバスバー（Ｂ１）は、複数の冷却フィン（１０）を含む、円弧の形状の外面（Ｆ１）を含むことを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載の電力モジュール。
7. 前記３つのバスバー（Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３）のうちの少なくとも前記第１のバスバー（Ｂ１）は、前記径方向対称面（ＰＳ）に対して対称に傾斜している２つの接合面（Ｆ２、Ｆ４、Ｆ８）を含むことを特徴とする、請求項１から６および請求項２のいずれか一項に記載の電力モジュール。
8. 熱伝達機能および／または耐火機能および／または電気絶縁機能を有する液体の通過および／または充填用の少なくとも１つのチャネル（１２、１３）が前記３つのバスバー（Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３）のうちの少なくとも１つに含まれることを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載の電力モジュール。
9. 前記少なくとも１つの電力スイッチングブランチ（ＢＭ）はＧａＮ、ＳｉＣ、ＭＯＳＦＥＴまたはＩＧＢＴタイプの少なくとも１つのトランジスタを含むことを特徴とする、請求項１から８のいずれか一項に記載の電力モジュール。
10. 前記３つの直流電源バスバー（Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３）は銅および／またはアルミニウムで作製されていることを特徴とする、請求項１から９のいずれか一項に記載の電力モジュール。
11. 請求項１から１０のいずれか一項に記載の複数の電力モジュール（１から６まで）を含み、前記電力モジュール（１から６まで）は円状に配置されており、その前記第１のバスバー（Ｂ１）、前記第２のバスバー（Ｂ２）、および前記第３のバスバー（Ｂ３）により電気的に接触していることを特徴とする、電子パワーデバイス。
12. 電気的な、機械的な、かつ／もしくは電子的な液体および／または要素により占められる中心容積（ＶＣ）を含み、前記液体は熱伝達機能および／または耐火機能および／または電気絶縁機能を有することを特徴とする、請求項１１に記載の電子パワーデバイス。

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