JP2023538212A - 少なくとも３つの電力ユニットを備えた電力モジュール - Google Patents

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シュメンガー，イェンス
ケーグラー，ロマン
ルフト，アレクサンダー
ナミスロ，ルッツ
ロッペルト，ベルント
シュヴィン，トーマス
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Siemens AG
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Abstract

少なくとも２つの電力ユニット（４）を備える電力モジュール（２）。本発明は、少なくとも２つの電力ユニット（４）を備える電力モジュール（２）に関しており、当該電力ユニット（４）は、それぞれ、少なくとも１つのパワー半導体（６）および基板（８）を含む。電力モジュールに必要な構成空間を削減するために、及び、放熱を改善するために、少なくとも１つのパワー半導体（６）はそれぞれ、特には材料接合的に、それぞれの基板（８）に接続されており、少なくとも２つの電力ユニット（４）の基板（８）は、それぞれ、共通の冷却体（２６）の表面（２４）に、直接、材料接合的に接続されていること、が提案される。

Description

少なくとも２つの電力ユニットを備えた電力モジュール。
本発明は、少なくとも２つの電力ユニットを備えた電力モジュールに関する。
さらに本発明は、少なくとも１つのその種の電力半導体モジュールを備えた電力変換装置に関する。
その種の電力変換装置では一般に、特にはハウジングによって閉じられた開閉器モジュールであって、最近ではディスクリート設計で製造される開閉器モジュールが、例えば中実の金属製のベースプレートを介して、冷却体上にねじ止めされる。電力変換装置とは、例えば整流器、インバータ、コンバータまたは直流電圧変換器として理解されるべきである。
特許文献１には、ベースプレートが多層基板として形成されており、硬化された熱伝導性ペーストを施されているパワー半導体モジュールであって、冷却体と熱接触させられるパワー半導体モジュール、が記載されている。
特許文献２には、プリント基板上に取り付けるための電力モジュールであって、ヒートシンクの表面上に取り付けるための第１の側面を備え、この第１の側面が、ヒートシンク上の電気的な電力モジュールの取付位置において、ヒートシンクに対してほぼ平行に配置されており、電気的な接続要素を有する第２の側面を備え、この電気的な接続要素は、電気的な電力モジュールをプリント基板に電気的に接続するように、調整されている、電力モジュール、が記載されている。電気的な電力モジュールが、少なくとも１つのダボ状の固定要素を備えるか、又は、少なくとも１つのタボ状の固定要素を受け入れるように調整されている場合には、より簡単な方法で、プリント回路基板およびヒートシンクに、接続され得る。この固定要素は、ヒートシンクの少なくとも１つの孔に挿入可能であり、また、固定クランプ要素を、以下のように収容するように、調整されている、つまり、固定クランプ要素が、ヒートシンクの少なくとも１つの孔内の少なくとも１つのダボ状の固定要素への導入によって、固定クランプするように、調整されている。
特許文献３には、ベースプレートに切欠が設けられている電力モジュールユニットを製造するための方法、が記載されている。このベースプレートは、パワー半導体を担持する基板に、接続される。基板がベースプレートに固定された後、冷却リブが、ベースプレートの切欠内へ案内され、形状固定的におよび／または摩擦固定的に、固定される。
特許文献４には、電流および／または電気信号の伝送のための、電気的な圧入接点、特には圧入ピン接点、が記載されており、当該接点は、圧入部および／または装着部を有し、それらは、リリーフ部を介して互いに機械的に結合されており、リリーフ部は、バランス領域およびストッパ領域を有しており、バランス領域は、圧入部および取付部の連結した相対移動を可能にし、ストッパ領域は、圧入部および取付部の互いに向かっての移動を阻止し、リリーフ部のストッパ領域は、電気的な圧入接点の力中心線に対して対称に、配置されており、これに沿って電気的な圧入接点に圧入力を導入することができ、この圧入力は、電気的な圧入接点の担体への圧入から、結果として得られる。
ドイツ特許出願公開１０２００９００１７２２号公報 ドイツ特許出願公開１０２０１００２２５６２号公報 欧州特許出願公開３６２４１８４号公報 ドイツ特許出願公開１０２００８００７３１０号公報
このような背景から、本発明の課題は、電力モジュールに必要な構成空間を削減すること、及び、放熱を改善すること、である。
この課題は、本発明によれば、少なくとも２つの電力ユニットを備えた電力モジュールであって、当該電力ユニットは、それぞれ、少なくとも１つのパワー半導体および基板を含み、それぞれ少なくとも１つのパワー半導体は、特には材料接合的に、それぞれの基板に接続されており、少なくとも３つの電力ユニットの基板は、それぞれ、直接、材料接合的に、共通の冷却体の表面に接続されており、冷却体は、ガス状冷却材が冷却材流れ方向に流れるように、構成されており、冷却材流れ方向は、冷却体の表面に対してほぼ平行に延びており、電力ユニットは冷却材流れ方向に対して横方向にずれて、配置されており、冷却体は冷却材流れ方向に延びて配置された冷却リブを有する、電力モジュールによって、解決される。
さらに、上記の課題は、本発明によれば、少なくとも１つのこのような電力モジュールを備えた電力変換装置によって、解決される。
電力モジュールに関連して以下に挙げる利点および好ましい実施形態は、電力変換装置にそのまま適用することができる。
本発明は、熱的なインタフェースの数を減らすことによって、電力モジュールの所要空間を減らし、それに伴い冷却を改善するという考慮に基づいている。そのような電力モジュールは少なくとも３つの電力ユニットを有し、電力ユニットはそれぞれ、少なくとも１つのパワー半導体および基板を含む。基板は、両面がメタライズ（金属膜化）された誘電体材料層、であり、この誘電体材料層は、例えば２５μｍ～４００μｍ、特には５０μｍ～２５０μｍの厚さｄ、を有する。さらに、誘電体材料層は、セラミック材料、例えば窒化アルミニウムまたは酸化アルミニウム、または、有機材料、例えばポリアミド、を含む。特には、メタライズ部は、銅、モリブデン、金、および／または、銀、を含む。さらに、基板のメタライズ部の少なくとも１つの面は、構造化されて形成されていてもよい。パワー半導体は、特にはトランジスタおよび／またはダイオードとして、設計されており、トランジスタは、例えば絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ：insulated gate bipolar transistor）として、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ：metal oxide semiconductor field effect transistor）として、または、電界効果トランジスタ（field effect transistor）として、設計されている。それぞれの少なくとも１つのパワー半導体は、特には材料接合的に、例えば焼結接続またははんだ接続を介して、それぞれの基板に接続されている。
電力ユニットの基板は、それぞれ、特には少なくとも１つのパワー半導体に対して離背する面で、直接的に材料接合的に、共通の冷却体の表面と接続されている。直接的に材料接合的に接触する、とは、接着剤、はんだ錫、焼結ペースト、・・・、などの、材料接合的な接続を形成するための接続手段を含む、直接的な接触を意味しているが、ボンディングワイヤ、スペーサ、ベースプレート、熱伝導ペースト、・・・、などの、追加的な接続要素は除外される。このような追加的な接続要素を省略することにより、パワー半導体の改良された熱的結合が達成され、その結果より良好な冷却が行われる。さらに、直接の材料接合的な接続により、構造空間が節約される。共通の冷却体上に少なくとも３つの電力ユニットを材料接合的に接続することにより、冷却体の表面上への電力ユニットの位置決めに関する高い柔軟性がもたらされ、これは、熱拡散を通じて最適化された放熱を達成すること、及び、冷却体の表面を最大限に利用すること、に寄与する。
冷却体は、ガス状の冷却材が冷却材流れ方向に流れるように構成されており、冷却材流れ方向は冷却体の表面にほぼ平行に延びている。ガス状の冷却材は例えば空気である。特には、電力モジュールは、冷却体の冷却リブと流体技術的な接続状態にあるファンによって、片側で冷却され、その結果、ファンからの空気は冷却体の表面に対してほぼ平行に、冷却体の冷却リブに渡って流れる。このような構成は、安価で信頼性が高い。
少なくとも３つの電力ユニットは、冷却材流れ方向に対して横方向にずれて、配置されている。ずらした配置により、最適な放熱を持ちびく熱の拡散が、達成される。
さらなる実施形態は、電力ユニットの基板がそれぞれ、少なくとも２５Ｗ・ｍ－１・Ｋ－１、特には少なくとも１００Ｗ・ｍ－１・Ｋ－１の熱伝導率、および、２５μｍ～４００μｍまでの厚さ、特には５０μｍ～２５０μｍの厚さを備えた誘電体材料層を、有することを企図している。例えば、誘電体材料層は、窒化アルミニウムまたは酸化アルミニウムから作製されている。特には、冷却体表面に材料接合的に接続された複数の基板によって、このような薄いセラミック層の使用が、可能となり、これはパワー半導体の熱的結合の改善につながる。
さらなる実施形態は、電力ユニットのうちの少なくとも２つが、共通のハウジングを有することを、企図している。このような共通のハウジングは、例えばプラスチックから作製されている。共通のハウジングにより、構造空間が節約される。
さらなる実施形態は、電力ユニットのうちの少なくとも２つが、特にはボンディング接続を介して、導電的に互いに接続されていることを、企図している。このタイプのボンディング接続は、例えばボンディングワイヤまたはリボンボンドを介して、作製される。例えば、複数の同一の電力ユニットがボンディング接続を介して並列に相互接続可能であり、これは、より高い負荷電流を駆動することに寄与する。このようなモジュール構造により、電力モジュールは、安価にスケーラブルな方法で、製造され得る。
さらなる実施形態は、第１の金属材料からなる冷却体が、その表面に少なくとも１つの凹部を有し、当該凹部が第２の金属材料で充填されており、当該第２の金属材料は第１の金属材料よりも高い熱伝導率を有し、電力ユニットの少なくとも１つの基板は第２の金属材料に直接材料接合的に接続されていることを、企図している。例えば、第１の金属材料はアルミニウムであり、第２の金属材料は銅である。第２の金属材料で充填された凹部により、冷却体での電力ユニットの改良された熱接続が、達成される。
さらなる実施形態は、第２の金属材料が冷却体の表面とほぼ同一平面上で終端することを、企図している。冷却体の表面と同一平面上に構成された終端とは、凹部の充填部の終端が平坦でほぼ冷却体の表面に対して連続すること、として理解されるべきである。特には、第２の金属材料は、ほぼシームレスに冷却体表面へ移行する平坦な表面、を形成する。そのような平面な設計によって、冷却体への最適な熱的結合が達成され、第２の金属材料に接続された基板における、機械的応力および／または熱的応力が回避される。
さらなる実施形態は、少なくとも２つの電力ユニットのそれぞれに、第２の金属材料を充填した凹部が割り当てられていることを、企図している。第２の金属材料で充填された複数の凹部は、例えばそれぞれの基板よりも大きな面積を有し、基板エッジのそれぞれにおいて基板上方に突出する島部として、設計され、それによって、冷却体での電力ユニットの改善された熱的結合が達成される。
さらなる実施形態は、第２の金属材料が積層法（英：additive method、独：additives Verfahren）によって少なくとも１つの凹部内に導入されていることを、企図している。例えば、第２の金属材料は、低温ガス溶射によって少なくとも１つの凹部に導入されている。積層法は、特に鋳造法と比較して、凹部の下側での、第１の金属材料の非常に低い厚さを可能にし、その結果、冷却リブは、第１の金属材料よりも高い熱伝導率を有する第２の金属材料に非常に近くに存在し、その結果、冷却流体への改善された熱的結合が達成される。
さらなる実施形態は、熱拡散によってパワー半導体の最適な冷却がもたらされるように、電力ユニットが冷却体の表面上に配置されることを、企図している。複数の電力ユニットは、冷却体上で、特には冷却材流れ方向に関連して、以下のように配向され、そして、間隔を置かれている、すなわち、電力ユニットのパワー半導体において、特には近似的に点状に、生成する廃熱が、可能な限り均等に冷却体の表面上に分配され、そうして熱の拡散が行われるように、配向され、そして、間隔を置かれている。このような配置は、作動中の電力モジュールのより高い堅牢性をもたらす。
さらなる実施形態は、電力ユニット間の間隔が冷却材流れ方向でおよび／または冷却材流れ方向に対して横方向で変化することを、企図している。たとえば、それぞれ１つの電力ユニットが３相システムの１つの相に割り当てられている。冷却材流れ方向でのおよび／または冷却材流れ方向に対する横方向での間隔を変えることによって、最適な放熱が達成される。
さらなる実施形態は、電力ユニット間の間隔が冷却材流れ方向において増加することを、企図している。冷却材は、冷却材流れ方向において電力ユニットの下側で加熱されるので、間隔の増大により、強弱に加熱された冷却材のより良好な混合が達成される。さらに、少なくともより大きな冷却は、間隔が増加するにつれて達成され、その結果、冷却材流れ方向で増加する間隔は、冷却体上でのより均一な温度分布を導く。
さらなる実施形態は、冷却体の表面に対してほぼ平行に延びて配置されたパワーボードが、自由に位置決め可能な接点を介して、電力ユニットに接続されており、自由に位置決め可能な接点が電力ユニットのそれぞれの基板に材料接合的に接続されていることを、企図している。パワーボードとは、導体板であって、例えば、特には複層（マルチレイヤー）的に設計された、プリント回路基板（ＰＣＢ：Printed-Circuit-Board）として実施された導体板、を意味するものと理解されるべきである。導体板は、例えば、電力ユニットへのインタフェース、ドライバ回路、制御回路、および／または、コンデンサ、を含む。自由に位置決め可能な接点とは、例えば、ピンであって、その構造的特性により基板上に自由に位置決め可能なピン、として理解されるべきである。そのような構造的特性は、例えば、脚部であって、ピンを、例えば基板との材料接合的な接続により、ハウジングまたは他の安定化手段なしに、基板上に自由且つ安定的に配置することを可能にする脚部である、および／または、ウォブル回路（英：wobble circle、独：Taumelkreis）であって、パワーボード内におけるボアの見つけ出しを容易にし、例えば作動中の熱膨張の際の、より良好な安定性および堅牢性をもたらすウォブル回路、である。例えば、自由に位置決め可能な接点は、それぞれの基板上にはんだ付けされており、圧入接続を用いてパワーボードに接続されている。このような接点は、低い抵抗および高い通電容量を達成するために、例えば銅または銅合金から製造されている。接点が自由に位置決め可能であることにより、短い導電路とそれに付随する低インダクタンスが達成され、これにより、低インピーダンス且つ低損失の電力ユニットが可能になる。さらに、安価且つ容易に、電力ユニットのセル個別の設計が可能となる。
さらなる実施形態は、自由に位置決め可能な接点が、力中心線に対して非対称に設計されていることを、企図している。力中心線に沿って、圧入力は、自由に位置決め可能な接点へ、導入可能である。自由に位置決め可能な接点の非対称設計は、従来技術と比較して、より低いツールコストでより高い導体断面を実現することができ、これにより接点の通電容量が高められる。
さらなる実施形態は、冷却体が押出成形によって、シリコン含有量が１．０％までの、特には０．６％までの、アルミニウム合金から作られることを、企図している。特には鋳造された冷却体との比較において、押出成形された冷却体により、より良好な熱伝導性が達成されるが、その理由は、押出プロセスにおいて、低い割合のシリコンが使用可能であることにある。このようなアルミニウム合金から作られている押出成形された冷却体は、より良好な熱拡散をもたらす。
さらなる実施形態は、冷却リブが、冷却リブ間の距離に対する冷却リブの長さの比が少なくとも１０になるように、配置されていることを企図している。このような比率は、例えば、押出成形によって、達成することができる、その際、特には押出成形された冷却体を用いて、最適な放熱が達成される。さらに、そのような比率では、例えば２０ｍｍから３０ｍｍの長さを有する、短い冷却リブが可能になり、その結果、冷却体を有する電力モジュールは、はんだ付け炉において、特には自動的に、処理可能であり、それにより電力モジュールの製造がより容易でより安価になる。
さらなる実施形態は、冷却体が、３．５ｍｍから５ｍｍの、特に３．５ｍｍから４ｍｍの、ほぼ一定の第１の厚さを有するベースプレートを、有し、その際、ベースプレートおよび冷却体の冷却リブは、一体的に作製されていることを、企図している。例えば押出成形によって製造可能であるそのような薄いベースプレートは、改善された放熱をもたらす。さらに、そのような薄いベースプレートは、電力モジュールの全体的な高さを減少させ、その結果、電力モジュールは、冷却体と共に、はんだ付け炉において、特に自動的に、処理可能であり、それにより電力モジュールの製造がより容易でより安価になる。
以下において、本発明は、図中に示めされた実施例を用いて、より詳細に記述および説明される。
電力モジュールの第１の実施形態の概略図を断面図で示す。 電力モジュールの第２の実施形態の概略図を上面図で示す。 電力モジュールの第３の実施形態の概略図を上面図で示す。 電力モジュールの第４の実施形態の概略図を上面図で示す。 電力モジュールの第５の実施形態の概略図を上面図で示す。 電力モジュールの第６の実施形態の概略的な立体図を示す。 自由に位置決め可能な接点の立体図を示す。 電力モジュールを備えた電力変換装置の概略図を示す。
以下に説明する実施例は本発明の好ましい実施形態である。実施例において、実施形態の記載構成要素は、それぞれ互いに独立して考慮されるべき本発明の個々の特徴を表し、これらもまた互いに独立して本発明を展開し、したがって個々にまたは図示されたもの以外の組合わせで本発明の一部とみなされる。さらに記載された実施形態は、すでに説明した本発明のさらなる特徴によって補完することもできる。
同じ符号は異なる図においても同じ意味を有する。
図１は、電力モジュール（パワーモジュール）２の第１の実施形態の概略図を断面図で示している。電力モジュール２は、例えば２つの電力ユニット４を有しており、当該電力ユニット４はそれぞれパワー半導体６および基板８を含む。パワー半導体６はトランジスタ１０としてまたはダイオード１２として設計されており、トランジスタ１０は例えば絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）として、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）として、または電界効果トランジスタとして、設計されている。例えばトランジスタ１０の各々には、特には逆並列の、ダイオード１２が割り当てられている。
両方の電力ユニット４の基板８は誘電材料層１４を有し、当該誘電材料層１４は、セラミック材料、例えば窒化アルミニウム又は酸化アルミニウム、又は、有機材料、例えばポリアミド、を含む。誘電材料層１４は、２５μｍ～４００μｍ、特に５０μｍ～２５０μｍの厚さｄを有する。さらに、基板８はそれぞれ、パワー半導体６に対して向かい合う側側１６に、特に構造化された、上側のメタライズ部（金属層部）１８と、パワー半導体６に対して離背する側２０に、下側のメタライズ部（金属層部）２２とを有し、基板８はそれぞれ、直接材料接合的に、共通の冷却体２６の表面２４と接続されている。上側のメタライズ部１８および下側のメタライズ部２２は、例えば銅から製造されている。冷却体２６に対する材料接合的な接続部２８は、はんだ付けまたは焼結によって、作られる。直接的な材料接合的な接触とは、接着剤、はんだ、焼結ペーストなどの材料接合を形成するための接続手段は含むが、追加の導電体、ボンディングワイヤ、スペーサ、ベースプレート、熱伝導ペーストなどの追加的な接続手段は除外される。またパワー半導体６の、基板８に対して向かい合う側３０は、それぞれ同様に、はんだ付けまたは焼結によって製造される材料接合的な接続部２８を介して、基板８の上側のメタライズ部１８に接続されている。パワー半導体６の、基板８に対して離背する側３２は、それぞれ、ボンディング接続部３４を介して、基板８の上側のメタライズ部１８に接続されている。ボンディング接続部３４は、例えば少なくとも１つのボンディングワイヤ、少なくとも１つのリボンボンド、および／または、ボンディング接続部を製造するための他の手段、を含む。
図１のトランジスタ１０は、例えばＩＧＢＴとして、設計されており、それらのコレクタ接点Ｃは、パワー半導体６の基板８に対して向かい合う側３０で、それぞれ材料接合的な接続部２８を介して、基板８の上側のメタライズ部１８に接続されている。ＩＧＢＴとして実施されたトランジスタ１０のエミッタ接点Ｅは、それから電気的に絶縁されて、ボンディング接続部３４を介して、基板８の上側のメタライズ部１８に接続されている。トランジスタ１０のゲート接点およびダイオード１２のボンディング接続部は、見やすさの理由から、図１には示されていない。
冷却体２６の表面２４に対してほぼ平行に延びるように配置されたパワーボード３６は、自由に位置決め可能な接点３８を介して、電力ユニット４に接続されており、自由に位置決め可能な接点３８は、材料接合的に、電力ユニット４のそれぞれの基板８の上側のメタライズ部１８に、接続されている。自由に位置決め可能な接点３８は、弾性的にたわむ部分を有しており、また、例えば圧入接続で、パワーボード３６に接続されている。
冷却体２６は第１の金属材料３９から作られている。その表面２４には、第２の金属材料４２で充填された凹部４０が設けられており、第２の金属材料４２は、第１の金属材料３９よりも高い熱伝導率を有する。例えば、第１の金属材料３９はアルミニウムであり、第２の金属材料４２は銅である。少なくとも２つの電力ユニット４の各々には、第２の金属材料４２で充填された凹部４０が、割り当てられており、第２の金属材料４２は、冷却体２６の表面２４とほぼ同一平面に終端しており、各基板８の下側のメタライズ部２２は、材料接合的に、第２の金属材料４２に接続されている。特には、第２の金属材料４２は、積層法を用いて、例えば低温ガス溶射を用いて、凹部内に導入されている。各電力ユニット４には、パワー半導体６の温度を監視するために、専用のセンサ、特には温度センサ、が割り当てられていてもよい。
図２は、電力モジュール２の第２の実施形態の概略図を上面図で示している。冷却体２６は、例えば冷却フィンなどによって、ガス状の冷却材が冷却材流れ方向４４に流れるように、構成されており、冷却材流れ方向４４は冷却体２６の表面２４に対してほぼ平行に延びている。ガス状の冷却材は例えば空気であり、当該空気は、ファンを介して冷却体２６の冷却フィンを渡って冷却材流れ方向４４へ流れる。電力モジュール２は、例えば２つの電力ユニット４を有し、当該電力ユニット４は、熱拡散によってパワー半導体６の最適な冷却が生じるように、冷却体２６の表面２４上で離されている。さらに、電力ユニット４は、同一の寸法ｘ、ｙを有する矩形の基面を有する。パワー半導体６の最適な冷却を達成するために、電力ユニット４は、冷却材流れ方向４４に対して横方向から見て、第１の横方向変位ｘ１分だけずれて、配置されている。加えて、電力ユニット４は、冷却材流れ方向４４に見て、長手方向変位ｙ１分だけ、離間している。冷却体２６の表面２４の大きさに基づいて、横方向変位ｘ１および長手方向変位ｙ１は、電力ユニット４のそれぞれの寸法ｘ、ｙよりも、小さい。電力ユニット４の冷却体２６との材料接合的な接続によって、必要とされる取付け点４６はより少ない。例えば、各電力ユニット４には２つの取付け点４６が割り当てられており、冷却体２６は少なくとも２つの取付け点４６、特には少なくとも４つの取付け点４６、を有する。図２の電力モジュール２のさらなる設計は、図１の設計に対応する。
図３は電力モジュール２の第３の実施形態の概略図を上面図で示しており、２つの電力ユニット４は共通のハウジング４８を有している。電力モジュール２の両方の電力ユニット４は、ボンディング接続部３４を介して、互いに導電的に接続されており、ボンディング接続部３４は、ボンディング接続部３４を形成するための複数のボンド・ワイヤ、リボンボンド、および／または、他の手段、を有する。例えば、ハウジング４８は、高電流用途のためのハーフブリッジ回路を含み、２つのハーフブリッジであって、それぞれ１つの電力ユニット４に割り当てられたハーフブリッジが、より高い負荷電流を駆動するために、並列に接続されている。図３の電力モジュール２のさらなる設計は、図２の設計に対応する。
図４は、電力モジュール２の第４の実施形態の概略図を上面図で示しており、電力モジュール２は３つの電力ユニット４を備えている。電力ユニット４間の間隔ｘ１、ｘ２、ｙ１、ｙ２は、冷却材流れ方向４４および冷却材流れ方向４４に対して横方向、で変化する。電力ユニット４のほぼ均一な冷却を保証するために、これらは、冷却材流れ方向４４で電力ユニット４間の間隔ｙ１，ｙ２が増大するように、配置されている。図３の電力モジュール２のさらなる設計は、図２の設計に対応する。
図５は、電力モジュール２の第５の実施形態の概略図を上面図で示しており、電力ユニット４間の間隔ｘ１、ｘ２、ｙ１、ｙ２を変化させることに加えて、基板８上の構成要素の異なる配置によって、追加の熱拡散が達成される。特には、パワー半導体６は、自由に配置可能な接点３８と共に、パワー半導体４の最適な冷却が発生するように、それぞれの基板上に配置されている。それぞれの基板８の面積は、より大きな熱拡散のために、変更され得る。図５の電力モジュール２のさらなる設計は、図４の設計に対応する。
図６は、電力モジュール２の第６の実施形態の概略的な立体図を示しており、電力モジュール２は、３つの電力ユニット４を含んでいる。電力ユニット４はそれぞれ、ハウジングカバー５０を備えるハウジング４８を、有しており、ハウジングカバー５０は、手前側の電力ユニット４においては、透示状態で示されている。冷却体は、冷却材流れ方向４４に延びて配置された冷却リブ５２を備えたベースプレート５１を、有しており、冷却リブ５２はベースプレート５１と接続されており、冷却体２６のベースプレート５１と冷却リブ５２は、一体的に設計されている。ベースプレート５１は３．５ｍｍから５ｍｍの、特には３．５ｍｍから４ｍｍの、ほぼ一定の第１の厚さｄ１を有し、一方でリブは、ベースプレート５１の第１の厚さｄ１よりも小さい第２の厚さｄ２を有する。例えば、冷却リブ５２は、冷却材流れ方向４４に対して横方向で、等間隔に配置される。
冷却体２６は、アルミニウム合金から押出成形することにより、製造され、当該アルミニウム合金は、例えば０．１％～１．０％、特には０．１％～０．６％の、シリコン含有量を含む。さらに、冷却リブ５２は、冷却リブ５２の長さｌの冷却リブ５２間の間隔ａに対する比が、少なくとも１０、すなわちｌ／ａ≧１０、となるように、配置されている。図６の電力モジュール２のさらなる設計は、図４の設計に対応する。
図７は、自由に位置決め可能な接点３８の立体図を示す。自由に位置決め可能な接点３８は、圧入領域５３を有しており、当該圧入領域５３はパワーボード３６と接続可能である、また、自由に位置決め可能な接点３８は、力中心線５４に対して非対称に設計されており、力中心線５４に沿って圧入力は自由に位置決め可能な接点３８へ導入可能である。中央部５５には、例えばはんだ付け治具に、自由に位置決め可能な接点３８を位置合わせするための、位置決め補助部５６が、取付けられている。自由に位置決め可能な接点３８の下部５８は、非対称リリーフ部として設計されており、当該非対称リリーフ部は、弾性的に湾曲可能な部分６０とそれに平行に配置されたストッパ６２とを有し、ストッパは脚部６４からギャップ幅ｓだけ離されている。脚部６４は、はんだ付けまたは焼結などによる、材料接合的な接続のために、構成されている。特には、自由に位置決め可能な接点３８は、脚部６４を介して、基板８の上側のメタライズ部１８に、材料接合的に接続されている。弾性的に湾曲可能な部分６０は、規定された弾性経路を有するＳ字形状の弾性形態を有する。その結果、リリーフ部では、例えば揺れによって引き起こされる圧入プロセス中または運転中に発生する力が、吸収され得る。さらに、弾力性により公差を補うことができる。特に、弾性的に湾曲可能な部分６０のばね定数は、スタンピングによる横断面縮小によって、生成される。図７の自由に位置決め可能な接点３８のさらなる設計は、図１の設計に対応する。
図８は、電力モジュール２を備えた電力変換装置６６の概略図を示す。電力変換装置６６は、複数の電力モジュール２を含んでいてもよい。
要約すれば、本発明は、少なくとも２つの電力ユニット４を備えた電力モジュール２であって、当該電力ユニット４の各々が少なくとも１つのパワー半導体６および基板８を含む、電力モジュール２に関する。電力モジュールに必要な構造空間を削減するために、そして、放熱を改善するために、それぞれの少なくとも１つのパワー半導体６が、特に材料接合的に、それぞれの基板８に接続されており、少なくとも２つの電力ユニット４の基板８が、それぞれ、直接的に材料接合的に、共通の冷却体２６の表面２４に、接続されていることが、提案される。
２ 電力モジュール
４ 電力ユニット
６ パワー半導体
８ 基板
１０ トランジスタ
１２ ダイオード
１４ 絶縁材料層
１８ メタライズ部
２２ メタライズ部
２４ 冷却体の表面
２６ 冷却体
４４ 冷却材流れ方向
５２ 冷却リブ
少なくとも３つの電力ユニットを備えた電力モジュール。
本発明は、少なくとも２つの電力ユニットを備えた電力モジュールに関する。
さらに本発明は、少なくとも１つのその種の電力半導体モジュールを備えた電力変換装置に関する。
その種の電力変換装置では一般に、特にはハウジングによって閉じられた開閉器モジュールであって、最近ではディスクリート設計で製造される開閉器モジュールが、例えば中実の金属製のベースプレートを介して、冷却体上にねじ止めされる。電力変換装置とは、例えば整流器、インバータ、コンバータまたは直流電圧変換器として理解されるべきである。
特許文献１には、ベースプレートが多層基板として形成されており、硬化された熱伝導性ペーストを施されているパワー半導体モジュールであって、冷却体と熱接触させられるパワー半導体モジュール、が記載されている。
特許文献２には、プリント基板上に取り付けるための電力モジュールであって、ヒートシンクの表面上に取り付けるための第１の側面を備え、この第１の側面が、ヒートシンク上の電気的な電力モジュールの取付位置において、ヒートシンクに対してほぼ平行に配置されており、電気的な接続要素を有する第２の側面を備え、この電気的な接続要素は、電気的な電力モジュールをプリント基板に電気的に接続するように、調整されている、電力モジュール、が記載されている。電気的な電力モジュールが、少なくとも１つのダボ状の固定要素を備えるか、又は、少なくとも１つのタボ状の固定要素を受け入れるように調整されている場合には、より簡単な方法で、プリント回路基板およびヒートシンクに、接続され得る。この固定要素は、ヒートシンクの少なくとも１つの孔に挿入可能であり、また、固定クランプ要素を、以下のように収容するように、調整されている、つまり、固定クランプ要素が、ヒートシンクの少なくとも１つの孔内の少なくとも１つのダボ状の固定要素への導入によって、固定クランプするように、調整されている。
特許文献３には、ベースプレートに切欠が設けられている電力モジュールユニットを製造するための方法、が記載されている。このベースプレートは、パワー半導体を担持する基板に、接続される。基板がベースプレートに固定された後、冷却リブが、ベースプレートの切欠内へ案内され、形状固定的におよび／または摩擦固定的に、固定される。
特許文献４には、電流および／または電気信号の伝送のための、電気的な圧入接点、特には圧入ピン接点、が記載されており、当該接点は、圧入部および／または装着部を有し、それらは、リリーフ部を介して互いに機械的に結合されており、リリーフ部は、バランス領域およびストッパ領域を有しており、バランス領域は、圧入部および取付部の連結した相対移動を可能にし、ストッパ領域は、圧入部および取付部の互いに向かっての移動を阻止し、リリーフ部のストッパ領域は、電気的な圧入接点の力中心線に対して対称に、配置されており、これに沿って電気的な圧入接点に圧入力を導入することができ、この圧入力は、電気的な圧入接点の担体への圧入から、結果として得られる。
特許文献５には、バンドギャップの広い超高速半導体電力開閉装置用の、低インダクタンスの電力モジュールが、記載されている。導体路は、例えばＧａＮ Ｅ－ＨＥＭＴを有するスイッチングトポロジ用の電力バスを定義しており、この場合、電力端子は、電力バスからパッケージを通って延び、ヒートシンクとバスバーの間の間隔であって、沿面および通気要件を満たす間隔、を提供する。
特許文献６は、熱を発生させる電気部品、特にパワー半導体、と、この熱を排出するための冷却装置と、を備える電子機器を記載しており、冷却装置は、空気冷却器から形成されており、当該空気冷却器には液体冷却器が搭載されており、空気冷却器は、液体冷却器と熱を発生させる電気部品との間に設けられている。
ドイツ特許出願公開１０２００９００１７２２号公報 ドイツ特許出願公開１０２０１００２２５６２号公報 欧州特許出願公開３６２４１８４号公報 ドイツ特許出願公開１０２００８００７３１０号公報 米国特許公開ＵＳ２０２０／０１８５３０２号明細書 国際公開第２００７／０６５６６６号
このような背景から、本発明の課題は、電力モジュールに必要な構成空間を削減すること、及び、放熱を改善すること、である。
この課題は、本発明によれば、少なくとも２つの電力ユニットを備えた電力モジュールであって、当該電力ユニットは、それぞれ、少なくとも１つのパワー半導体および基板を含み、それぞれ少なくとも１つのパワー半導体は、特には材料接合的に、それぞれの基板に接続されており、少なくとも３つの電力ユニットの基板は、それぞれ、直接、材料接合的に、共通の冷却体の表面に接続されており、冷却体は、ガス状冷却材が冷却材流れ方向に流れるように、構成されており、冷却材流れ方向は、冷却体の表面に対してほぼ平行に延びており、電力ユニットは冷却材流れ方向に対して横方向にずれて、配置されており、冷却体は冷却材流れ方向に延びて配置された冷却リブを有し、冷却体の表面に対してほぼ平行に配置されたパワーボードが、自由に配置可能な接点を介して電力ユニットに接続されている、電力モジュールによって、解決される。
さらに、上記の課題は、本発明によれば、少なくとも１つのこのような電力モジュールを備えた電力変換装置によって、解決される。
電力モジュールに関連して以下に挙げる利点および好ましい実施形態は、電力変換装置にそのまま適用することができる。
本発明は、熱的なインタフェースの数を減らすことによって、電力モジュールの所要空間を減らし、それに伴い冷却を改善するという考慮に基づいている。そのような電力モジュールは少なくとも３つの電力ユニットを有し、電力ユニットはそれぞれ、少なくとも１つのパワー半導体および基板を含む。基板は、両面がメタライズ（金属膜化）された誘電体材料層、であり、この誘電体材料層は、例えば２５μｍ～４００μｍ、特には５０μｍ～２５０μｍの厚さｄ、を有する。さらに、誘電体材料層は、セラミック材料、例えば窒化アルミニウムまたは酸化アルミニウム、または、有機材料、例えばポリアミド、を含む。特には、メタライズ部は、銅、モリブデン、金、および／または、銀、を含む。さらに、基板のメタライズ部の少なくとも１つの面は、構造化されて形成されていてもよい。パワー半導体は、特にはトランジスタおよび／またはダイオードとして、設計されており、トランジスタは、例えば絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ：insulated gate bipolar transistor）として、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ：metal oxide semiconductor field effect transistor）として、または、電界効果トランジスタ（field effect transistor）として、設計されている。それぞれの少なくとも１つのパワー半導体は、特には材料接合的に、例えば焼結接続またははんだ接続を介して、それぞれの基板に接続されている。
電力ユニットの基板は、それぞれ、特には少なくとも１つのパワー半導体に対して離背する面で、直接的に材料接合的に、共通の冷却体の表面と接続されている。直接的に材料接合的に接触する、とは、接着剤、はんだ錫、焼結ペースト、・・・、などの、材料接合的な接続を形成するための接続手段を含む、直接的な接触を意味しているが、ボンディングワイヤ、スペーサ、ベースプレート、熱伝導ペースト、・・・、などの、追加的な接続要素は除外される。このような追加的な接続要素を省略することにより、パワー半導体の改良された熱的結合が達成され、その結果より良好な冷却が行われる。さらに、直接の材料接合的な接続により、構造空間が節約される。共通の冷却体上に少なくとも３つの電力ユニットを材料接合的に接続することにより、冷却体の表面上への電力ユニットの位置決めに関する高い柔軟性がもたらされ、これは、熱拡散を通じて最適化された放熱を達成すること、及び、冷却体の表面を最大限に利用すること、に寄与する。
冷却体は、ガス状の冷却材が冷却材流れ方向に流れるように構成されており、冷却材流れ方向は冷却体の表面にほぼ平行に延びている。ガス状の冷却材は例えば空気である。特には、電力モジュールは、冷却体の冷却リブと流体技術的な接続状態にあるファンによって、片側で冷却され、その結果、ファンからの空気は冷却体の表面に対してほぼ平行に、冷却体の冷却リブに渡って流れる。このような構成は、安価で信頼性が高い。
少なくとも３つの電力ユニットは、冷却材流れ方向に対して横方向にずれて、配置されている。ずらした配置により、最適な放熱を導く熱の拡散が、達成される。
パワーボードとは、導体板であって、例えば、特には複層（マルチレイヤー）的に設計された、プリント回路基板（ＰＣＢ：Printed-Circuit-Board）として実施された導体板、を意味するものと理解されるべきである。導体板は、例えば、電力ユニットへのインタフェース、ドライバ回路、制御回路、および／または、コンデンサ、を含む。自由に位置決め可能な接点とは、例えば、ピンであって、その構造的特性により基板上に自由に位置決め可能なピン、として理解されるべきである。そのような構造的特性は、例えば、脚部であって、ピンを、例えば基板との材料接合的な接続により、ハウジングまたは他の安定化手段なしに、基板上に自由且つ安定的に配置することを可能にする脚部である、および／または、ウォブル回路（英：wobble circle、独：Taumelkreis）であって、パワーボード内におけるボアの見つけ出しを容易にし、例えば作動中の熱膨張の際の、より良好な安定性および堅牢性をもたらすウォブル回路、である。
このような接点は、低い抵抗および高い通電容量を達成するために、例えば銅または銅合金から製造されている。接点が自由に位置決め可能であることにより、短い導電路とそれに付随する低インダクタンスが達成され、これにより、低インピーダンス且つ低損失の電力ユニットが可能になる。さらに、安価且つ容易に、電力ユニットのセル個別の設計が可能となる。
さらなる実施形態は、電力ユニットの基板がそれぞれ、少なくとも２５Ｗ・ｍ－１・Ｋ－１、特には少なくとも１００Ｗ・ｍ－１・Ｋ－１の熱伝導率、および、２５μｍ～４００μｍまでの厚さ、特には５０μｍ～２５０μｍの厚さを備えた誘電体材料層を、有することを企図している。例えば、誘電体材料層は、窒化アルミニウムまたは酸化アルミニウムから作製されている。特には、冷却体表面に材料接合的に接続された複数の基板によって、このような薄いセラミック層の使用が、可能となり、これはパワー半導体の熱的結合の改善につながる。
さらなる実施形態は、電力ユニットのうちの少なくとも２つが、共通のハウジングを有することを、企図している。このような共通のハウジングは、例えばプラスチックから作製されている。共通のハウジングにより、構造空間が節約される。
さらなる実施形態は、電力ユニットのうちの少なくとも２つが、特にはボンディング接続を介して、導電的に互いに接続されていることを、企図している。このタイプのボンディング接続は、例えばボンディングワイヤまたはリボンボンドを介して、作製される。例えば、複数の同一の電力ユニットがボンディング接続を介して並列に相互接続可能であり、これは、より高い負荷電流を駆動することに寄与する。このようなモジュール構造により、電力モジュールは、安価にスケーラブルな方法で、製造され得る。
さらなる実施形態は、第１の金属材料からなる冷却体が、その表面に少なくとも１つの凹部を有し、当該凹部が第２の金属材料で充填されており、当該第２の金属材料は第１の金属材料よりも高い熱伝導率を有し、電力ユニットの少なくとも１つの基板は第２の金属材料に直接材料接合的に接続されていることを、企図している。例えば、第１の金属材料はアルミニウムであり、第２の金属材料は銅である。第２の金属材料で充填された凹部により、冷却体での電力ユニットの改良された熱接続が、達成される。
さらなる実施形態は、第２の金属材料が冷却体の表面とほぼ同一平面上で終端することを、企図している。冷却体の表面と同一平面上に構成された終端とは、凹部の充填部の終端が平坦でほぼ冷却体の表面に対して連続すること、として理解されるべきである。特には、第２の金属材料は、ほぼシームレスに冷却体表面へ移行する平坦な表面、を形成する。そのような平面な設計によって、冷却体への最適な熱的結合が達成され、第２の金属材料に接続された基板における、機械的応力および／または熱的応力が回避される。
さらなる実施形態は、少なくとも２つの電力ユニットのそれぞれに、第２の金属材料を充填した凹部が割り当てられていることを、企図している。第２の金属材料で充填された複数の凹部は、例えばそれぞれの基板よりも大きな面積を有し、基板エッジのそれぞれにおいて基板上方に突出する島部として、設計され、それによって、冷却体での電力ユニットの改善された熱的結合が達成される。
さらなる実施形態は、第２の金属材料が積層法（英：additive method、独：additives Verfahren）によって少なくとも１つの凹部内に導入されていることを、企図している。例えば、第２の金属材料は、低温ガス溶射によって少なくとも１つの凹部に導入されている。積層法は、特に鋳造法と比較して、凹部の下側での、第１の金属材料の非常に低い厚さを可能にし、その結果、冷却リブは、第１の金属材料よりも高い熱伝導率を有する第２の金属材料に非常に近くに存在し、その結果、冷却流体への改善された熱的結合が達成される。
さらなる実施形態は、熱拡散によってパワー半導体の最適な冷却がもたらされるように、電力ユニットが冷却体の表面上に配置されることを、企図している。複数の電力ユニットは、冷却体上で、特には冷却材流れ方向に関連して、以下のように配向され、そして、間隔を置かれている、すなわち、電力ユニットのパワー半導体において、特には近似的に点状に、生成する廃熱が、可能な限り均等に冷却体の表面上に分配され、そうして熱の拡散が行われるように、配向され、そして、間隔を置かれている。このような配置は、作動中の電力モジュールのより高い堅牢性をもたらす。
さらなる実施形態は、電力ユニット間の間隔が冷却材流れ方向でおよび／または冷却材流れ方向に対して横方向で変化することを、企図している。たとえば、それぞれ１つの電力ユニットが３相システムの１つの相に割り当てられている。冷却材流れ方向でのおよび／または冷却材流れ方向に対する横方向での間隔を変えることによって、最適な放熱が達成される。
さらなる実施形態は、電力ユニット間の間隔が冷却材流れ方向において増加することを、企図している。冷却材は、冷却材流れ方向において電力ユニットの下側で加熱されるので、間隔の増大により、強弱に加熱された冷却材のより良好な混合が達成される。さらに、少なくともより大きな冷却は、間隔が増加するにつれて達成され、その結果、冷却材流れ方向で増加する間隔は、冷却体上でのより均一な温度分布を導く。
さらなる実施形態は、自由に位置決め可能な接点が電力ユニットのそれぞれの基板に材料接合的に接続されていることを、企図している。例えば、自由に位置決め可能な接点は、それぞれの基板上にはんだ付けされており、圧入接続を用いてパワーボードに接続されている。
さらなる実施形態は、自由に位置決め可能な接点が、力中心線に対して非対称に設計されていることを、企図している。力中心線に沿って、圧入力は、自由に位置決め可能な接点へ、導入可能である。自由に位置決め可能な接点の非対称設計は、従来技術と比較して、より低いツールコストでより高い導体断面を実現することができ、これにより接点の通電容量が高められる。
さらなる実施形態は、冷却体が押出成形によって、シリコン含有量が１．０％までの、特には０．６％までの、アルミニウム合金から作られることを、企図している。特には鋳造された冷却体との比較において、押出成形された冷却体により、より良好な熱伝導性が達成されるが、その理由は、押出プロセスにおいて、低い割合のシリコンが使用可能であることにある。このようなアルミニウム合金から作られている押出成形された冷却体は、より良好な熱拡散をもたらす。
さらなる実施形態は、冷却リブが、冷却リブ間の距離に対する冷却リブの長さの比が少なくとも１０になるように、配置されていることを企図している。このような比率は、例えば、押出成形によって、達成することができる、その際、特には押出成形された冷却体を用いて、最適な放熱が達成される。さらに、そのような比率では、例えば２０ｍｍから３０ｍｍの長さを有する、短い冷却リブが可能になり、その結果、冷却体を有する電力モジュールは、はんだ付け炉において、特には自動的に、処理可能であり、それにより電力モジュールの製造がより容易でより安価になる。
さらなる実施形態は、冷却体が、３．５ｍｍから５ｍｍの、特に３．５ｍｍから４ｍｍの、ほぼ一定の第１の厚さを有するベースプレートを、有し、その際、ベースプレートおよび冷却体の冷却リブは、一体的に作製されていることを、企図している。例えば押出成形によって製造可能であるそのような薄いベースプレートは、改善された放熱をもたらす。さらに、そのような薄いベースプレートは、電力モジュールの全体的な高さを減少させ、その結果、電力モジュールは、冷却体と共に、はんだ付け炉において、特に自動的に、処理可能であり、それにより電力モジュールの製造がより容易でより安価になる。
以下において、本発明は、図中に示めされた実施例を用いて、より詳細に記述および説明される。
電力モジュールの第１の実施形態の概略図を断面図で示す。 電力モジュールの第２の実施形態の概略図を上面図で示す。 電力モジュールの第３の実施形態の概略図を上面図で示す。 電力モジュールの第４の実施形態の概略図を上面図で示す。 電力モジュールの第５の実施形態の概略図を上面図で示す。 電力モジュールの第６の実施形態の概略的な立体図を示す。 自由に位置決め可能な接点の立体図を示す。 電力モジュールを備えた電力変換装置の概略図を示す。
以下に説明する実施例は本発明の好ましい実施形態である。実施例において、実施形態の記載構成要素は、それぞれ互いに独立して考慮されるべき本発明の個々の特徴を表し、これらもまた互いに独立して本発明を展開し、したがって個々にまたは図示されたもの以外の組合わせで本発明の一部とみなされる。さらに記載された実施形態は、すでに説明した本発明のさらなる特徴によって補完することもできる。
同じ符号は異なる図においても同じ意味を有する。
図１は、電力モジュール（パワーモジュール）２の第１の実施形態の概略図を断面図で示している。電力モジュール２は、例えば２つの電力ユニット４を有しており、当該電力ユニット４はそれぞれパワー半導体６および基板８を含む。パワー半導体６はトランジスタ１０としてまたはダイオード１２として設計されており、トランジスタ１０は例えば絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）として、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）として、または電界効果トランジスタとして、設計されている。例えばトランジスタ１０の各々には、特には逆並列の、ダイオード１２が割り当てられている。
両方の電力ユニット４の基板８は誘電材料層１４を有し、当該誘電材料層１４は、セラミック材料、例えば窒化アルミニウム又は酸化アルミニウム、又は、有機材料、例えばポリアミド、を含む。誘電材料層１４は、２５μｍ～４００μｍ、特に５０μｍ～２５０μｍの厚さｄを有する。さらに、基板８はそれぞれ、パワー半導体６に対して向かい合う側側１６に、特に構造化された、上側のメタライズ部（金属層部）１８と、パワー半導体６に対して離背する側２０に、下側のメタライズ部（金属層部）２２とを有し、基板８はそれぞれ、直接材料接合的に、共通の冷却体２６の表面２４と接続されている。上側のメタライズ部１８および下側のメタライズ部２２は、例えば銅から製造されている。冷却体２６に対する材料接合的な接続部２８は、はんだ付けまたは焼結によって、作られる。直接的な材料接合的な接触とは、接着剤、はんだ、焼結ペーストなどの材料接合を形成するための接続手段は含むが、追加の導電体、ボンディングワイヤ、スペーサ、ベースプレート、熱伝導ペーストなどの追加的な接続手段は除外される。またパワー半導体６の、基板８に対して向かい合う側３０は、それぞれ同様に、はんだ付けまたは焼結によって製造される材料接合的な接続部２８を介して、基板８の上側のメタライズ部１８に接続されている。パワー半導体６の、基板８に対して離背する側３２は、それぞれ、ボンディング接続部３４を介して、基板８の上側のメタライズ部１８に接続されている。ボンディング接続部３４は、例えば少なくとも１つのボンディングワイヤ、少なくとも１つのリボンボンド、および／または、ボンディング接続部を製造するための他の手段、を含む。
図１のトランジスタ１０は、例えばＩＧＢＴとして、設計されており、それらのコレクタ接点Ｃは、パワー半導体６の基板８に対して向かい合う側３０で、それぞれ材料接合的な接続部２８を介して、基板８の上側のメタライズ部１８に接続されている。ＩＧＢＴとして実施されたトランジスタ１０のエミッタ接点Ｅは、それから電気的に絶縁されて、ボンディング接続部３４を介して、基板８の上側のメタライズ部１８に接続されている。トランジスタ１０のゲート接点およびダイオード１２のボンディング接続部は、見やすさの理由から、図１には示されていない。
冷却体２６の表面２４に対してほぼ平行に延びるように配置されたパワーボード３６は、自由に位置決め可能な接点３８を介して、電力ユニット４に接続されており、自由に位置決め可能な接点３８は、材料接合的に、電力ユニット４のそれぞれの基板８の上側のメタライズ部１８に、接続されている。自由に位置決め可能な接点３８は、弾性的にたわむ部分を有しており、また、例えば圧入接続で、パワーボード３６に接続されている。
冷却体２６は第１の金属材料３９から作られている。その表面２４には、第２の金属材料４２で充填された凹部４０が設けられており、第２の金属材料４２は、第１の金属材料３９よりも高い熱伝導率を有する。例えば、第１の金属材料３９はアルミニウムであり、第２の金属材料４２は銅である。少なくとも２つの電力ユニット４の各々には、第２の金属材料４２で充填された凹部４０が、割り当てられており、第２の金属材料４２は、冷却体２６の表面２４とほぼ同一平面に終端しており、各基板８の下側のメタライズ部２２は、材料接合的に、第２の金属材料４２に接続されている。特には、第２の金属材料４２は、積層法を用いて、例えば低温ガス溶射を用いて、凹部内に導入されている。各電力ユニット４には、パワー半導体６の温度を監視するために、専用のセンサ、特には温度センサ、が割り当てられていてもよい。
図２は、電力モジュール２の第２の実施形態の概略図を上面図で示している。冷却体２６は、例えば冷却フィンなどによって、ガス状の冷却材が冷却材流れ方向４４に流れるように、構成されており、冷却材流れ方向４４は冷却体２６の表面２４に対してほぼ平行に延びている。ガス状の冷却材は例えば空気であり、当該空気は、ファンを介して冷却体２６の冷却フィンを渡って冷却材流れ方向４４へ流れる。電力モジュール２は、例えば２つの電力ユニット４を有し、当該電力ユニット４は、熱拡散によってパワー半導体６の最適な冷却が生じるように、冷却体２６の表面２４上で離されている。さらに、電力ユニット４は、同一の寸法ｘ、ｙを有する矩形の基面を有する。パワー半導体６の最適な冷却を達成するために、電力ユニット４は、冷却材流れ方向４４に対して横方向から見て、第１の横方向変位ｘ１分だけずれて、配置されている。加えて、電力ユニット４は、冷却材流れ方向４４に見て、長手方向変位ｙ１分だけ、離間している。冷却体２６の表面２４の大きさに基づいて、横方向変位ｘ１および長手方向変位ｙ１は、電力ユニット４のそれぞれの寸法ｘ、ｙよりも、小さい。電力ユニット４の冷却体２６との材料接合的な接続によって、必要とされる取付け点４６はより少ない。例えば、各電力ユニット４には２つの取付け点４６が割り当てられており、冷却体２６は少なくとも２つの取付け点４６、特には少なくとも４つの取付け点４６、を有する。図２の電力モジュール２のさらなる設計は、図１の設計に対応する。
図３は電力モジュール２の第３の実施形態の概略図を上面図で示しており、２つの電力ユニット４は共通のハウジング４８を有している。電力モジュール２の両方の電力ユニット４は、ボンディング接続部３４を介して、互いに導電的に接続されており、ボンディング接続部３４は、ボンディング接続部３４を形成するための複数のボンド・ワイヤ、リボンボンド、および／または、他の手段、を有する。例えば、ハウジング４８は、高電流用途のためのハーフブリッジ回路を含み、２つのハーフブリッジであって、それぞれ１つの電力ユニット４に割り当てられたハーフブリッジが、より高い負荷電流を駆動するために、並列に接続されている。図３の電力モジュール２のさらなる設計は、図２の設計に対応する。
図４は、電力モジュール２の第４の実施形態の概略図を上面図で示しており、電力モジュール２は３つの電力ユニット４を備えている。電力ユニット４間の間隔ｘ１、ｘ２、ｙ１、ｙ２は、冷却材流れ方向４４および冷却材流れ方向４４に対して横方向、で変化する。電力ユニット４のほぼ均一な冷却を保証するために、これらは、冷却材流れ方向４４で電力ユニット４間の間隔ｙ１，ｙ２が増大するように、配置されている。図３の電力モジュール２のさらなる設計は、図２の設計に対応する。
図５は、電力モジュール２の第５の実施形態の概略図を上面図で示しており、電力ユニット４間の間隔ｘ１、ｘ２、ｙ１、ｙ２を変化させることに加えて、基板８上の構成要素の異なる配置によって、追加の熱拡散が達成される。特には、パワー半導体６は、自由に配置可能な接点３８と共に、パワー半導体４の最適な冷却が発生するように、それぞれの基板上に配置されている。それぞれの基板８の面積は、より大きな熱拡散のために、変更され得る。図５の電力モジュール２のさらなる設計は、図４の設計に対応する。
図６は、電力モジュール２の第６の実施形態の概略的な立体図を示しており、電力モジュール２は、３つの電力ユニット４を含んでいる。電力ユニット４はそれぞれ、ハウジングカバー５０を備えるハウジング４８を、有しており、ハウジングカバー５０は、手前側の電力ユニット４においては、透示状態で示されている。冷却体は、冷却材流れ方向４４に延びて配置された冷却リブ５２を備えたベースプレート５１を、有しており、冷却リブ５２はベースプレート５１と接続されており、冷却体２６のベースプレート５１と冷却リブ５２は、一体的に設計されている。ベースプレート５１は３．５ｍｍから５ｍｍの、特には３．５ｍｍから４ｍｍの、ほぼ一定の第１の厚さｄ１を有し、一方でリブは、ベースプレート５１の第１の厚さｄ１よりも小さい第２の厚さｄ２を有する。例えば、冷却リブ５２は、冷却材流れ方向４４に対して横方向で、等間隔に配置される。
冷却体２６は、アルミニウム合金から押出成形することにより、製造され、当該アルミニウム合金は、例えば０．１％～１．０％、特には０．１％～０．６％の、シリコン含有量を含む。さらに、冷却リブ５２は、冷却リブ５２の長さｌの冷却リブ５２間の間隔ａに対する比が、少なくとも１０、すなわちｌ／ａ≧１０、となるように、配置されている。図６の電力モジュール２のさらなる設計は、図４の設計に対応する。
図７は、自由に位置決め可能な接点３８の立体図を示す。自由に位置決め可能な接点３８は、圧入領域５３を有しており、当該圧入領域５３はパワーボード３６と接続可能である、また、自由に位置決め可能な接点３８は、力中心線５４に対して非対称に設計されており、力中心線５４に沿って圧入力は自由に位置決め可能な接点３８へ導入可能である。中央部５５には、例えばはんだ付け治具に、自由に位置決め可能な接点３８を位置合わせするための、位置決め補助部５６が、取付けられている。自由に位置決め可能な接点３８の下部５８は、非対称リリーフ部として設計されており、当該非対称リリーフ部は、弾性的に湾曲可能な部分６０とそれに平行に配置されたストッパ６２とを有し、ストッパは脚部６４からギャップ幅ｓだけ離されている。脚部６４は、はんだ付けまたは焼結などによる、材料接合的な接続のために、構成されている。特には、自由に位置決め可能な接点３８は、脚部６４を介して、基板８の上側のメタライズ部１８に、材料接合的に接続されている。弾性的に湾曲可能な部分６０は、規定された弾性経路を有するＳ字形状の弾性形態を有する。その結果、リリーフ部では、例えば揺れによって引き起こされる圧入プロセス中または運転中に発生する力が、吸収され得る。さらに、弾力性により公差を補うことができる。特に、弾性的に湾曲可能な部分６０のばね定数は、スタンピングによる横断面縮小によって、生成される。図７の自由に位置決め可能な接点３８のさらなる設計は、図１の設計に対応する。
図８は、電力モジュール２を備えた電力変換装置６６の概略図を示す。電力変換装置６６は、複数の電力モジュール２を含んでいてもよい。
要約すれば、本発明は、少なくとも２つの電力ユニット４を備えた電力モジュール２であって、当該電力ユニット４の各々が少なくとも１つのパワー半導体６および基板８を含む、電力モジュール２に関する。電力モジュールに必要な構造空間を削減するために、そして、放熱を改善するために、それぞれの少なくとも１つのパワー半導体６が、特に材料接合的に、それぞれの基板８に接続されており、少なくとも２つの電力ユニット４の基板８が、それぞれ、直接的に材料接合的に、共通の冷却体２６の表面２４に、接続されていることが、提案される。
２ 電力モジュール
４ 電力ユニット
６ パワー半導体
８ 基板
１０ トランジスタ
１２ ダイオード
１４ 絶縁材料層
１８ メタライズ部
２２ メタライズ部
２４ 冷却体の表面
２６ 冷却体
４４ 冷却材流れ方向
５２ 冷却リブ
少なくとも３つの電力ユニットを備えた電力モジュール。
本発明は、少なくとも３つの電力ユニットを備えた電力モジュールに関する。
この課題は、本発明によれば、少なくとも３つの電力ユニットを備えた電力モジュールであって、当該電力ユニットは、それぞれ、少なくとも１つのパワー半導体および基板を含み、それぞれ少なくとも１つのパワー半導体は、特には材料接合的に、それぞれの基板に接続されており、少なくとも３つの電力ユニットの基板は、それぞれ、直接、材料接合的に、共通の冷却体の表面に接続されており、冷却体は、ガス状冷却材が冷却材流れ方向に流れるように、構成されており、冷却材流れ方向は、冷却体の表面に対してほぼ平行に延びており、電力ユニットは冷却材流れ方向に対して横方向にずれて、配置されており、冷却体は冷却材流れ方向に延びて配置された冷却リブを有し、冷却体の表面に対してほぼ平行に配置されたパワーボードが、自由に配置可能な接点を介して電力ユニットに接続されている、電力モジュールによって、解決される。
さらなる実施形態は、電力ユニットの基板がそれぞれ、少なくとも２５Ｗ・ｍ －１ ・Ｋ －１ 、特には少なくとも１００Ｗ・ｍ －１ ・Ｋ －１ の熱伝導率、および、２５μｍ～４００μｍまでの厚さ、特には５０μｍ～２５０μｍの厚さを備えた誘電体材料層を、有することを企図している。例えば、誘電体材料層は、窒化アルミニウムまたは酸化アルミニウムから作製されている。特には、冷却体表面に材料接合的に接続された複数の基板によって、このような薄いセラミック層の使用が、可能となり、これはパワー半導体の熱的結合の改善につながる。
さらなる実施形態は、電力ユニットのうちの少なくとも３つが、共通のハウジングを有することを、企図している。このような共通のハウジングは、例えばプラスチックから作製されている。共通のハウジングにより、構造空間が節約される。
さらなる実施形態は、電力ユニットのうちの少なくとも３つが、特にはボンディング接続を介して、導電的に互いに接続されていることを、企図している。このタイプのボンディング接続は、例えばボンディングワイヤまたはリボンボンドを介して、作製される。例えば、複数の同一の電力ユニットがボンディング接続を介して並列に相互接続可能であり、これは、より高い負荷電流を駆動することに寄与する。このようなモジュール構造により、電力モジュールは、安価にスケーラブルな方法で、製造され得る。
さらなる実施形態は、少なくとも３つの電力ユニットのそれぞれに、第２の金属材料を充填した凹部が割り当てられていることを、企図している。第２の金属材料で充填された複数の凹部は、例えばそれぞれの基板よりも大きな面積を有し、基板エッジのそれぞれにおいて基板上方に突出する島部として、設計され、それによって、冷却体での電力ユニットの改善された熱的結合が達成される。
冷却体２６は第１の金属材料３９から作られている。その表面２４には、第２の金属材料４２で充填された凹部４０が設けられており、第２の金属材料４２は、第１の金属材料３９よりも高い熱伝導率を有する。例えば、第１の金属材料３９はアルミニウムであり、第２の金属材料４２は銅である。少なくとも３つの電力ユニット４の各々には、第２の金属材料４２で充填された凹部４０が、割り当てられており、第２の金属材料４２は、冷却体２６の表面２４とほぼ同一平面に終端しており、各基板８の下側のメタライズ部２２は、材料接合的に、第２の金属材料４２に接続されている。特には、第２の金属材料４２は、積層法を用いて、例えば低温ガス溶射を用いて、凹部内に導入されている。各電力ユニット４には、パワー半導体６の温度を監視するために、専用のセンサ、特には温度センサ、が割り当てられていてもよい。
図２は、電力モジュール２の第２の実施形態の概略図を上面図で示している。冷却体２６は、例えば冷却フィンなどによって、ガス状の冷却材が冷却材流れ方向４４に流れるように、構成されており、冷却材流れ方向４４は冷却体２６の表面２４に対してほぼ平行に延びている。ガス状の冷却材は例えば空気であり、当該空気は、ファンを介して冷却体２６の冷却フィンを渡って冷却材流れ方向４４へ流れる。電力モジュール２は、例えば２つの電力ユニット４を有し、当該電力ユニット４は、熱拡散によってパワー半導体６の最適な冷却が生じるように、冷却体２６の表面２４上で離されている。さらに、電力ユニット４は、同一の寸法ｘ、ｙを有する矩形の基面を有する。パワー半導体６の最適な冷却を達成するために、電力ユニット４は、冷却材流れ方向４４に対して横方向から見て、第１の横方向変位ｘ１分だけずれて、配置されている。加えて、電力ユニット４は、冷却材流れ方向４４に見て、長手方向変位ｙ１分だけ、離間している。冷却体２６の表面２４の大きさに基づいて、横方向変位ｘ１および長手方向変位ｙ１は、電力ユニット４のそれぞれの寸法ｘ、ｙよりも、小さい。電力ユニット４の冷却体２６との材料接合的な接続によって、必要とされる取付け点４６はより少ない。例えば、各電力ユニット４には２つの取付け点４６が割り当てられており、冷却体２６は少なくとも３つの取付け点４６、特には少なくとも４つの取付け点４６、を有する。図２の電力モジュール２のさらなる設計は、図１の設計に対応する。
要約すれば、本発明は、少なくとも３つの電力ユニット４を備えた電力モジュール２であって、当該電力ユニット４の各々が少なくとも１つのパワー半導体６および基板８を含む、電力モジュール２に関する。電力モジュールに必要な構造空間を削減するために、そして、放熱を改善するために、それぞれの少なくとも１つのパワー半導体６が、特に材料接合的に、それぞれの基板８に接続されており、少なくとも３つの電力ユニット４の基板８が、それぞれ、直接的に材料接合的に、共通の冷却体２６の表面２４に、接続されていることが、提案される。

Claims (17)

  1. 少なくとも２つの電力ユニット（４）を備える電力モジュール（２）であって、前記電力ユニット（４）は、それぞれ、少なくとも１つのパワー半導体（６）および基板（８）を含み、
    少なくとも１つの前記パワー半導体（６）はそれぞれ、特には材料接合的に、それぞれの前記基板（８）に接続されており、
    少なくとも３つの前記電力ユニット（４）の前記基板（８）は、それぞれ、直接材料接合的に、共通の冷却体（２６）の表面（２４）に接続されており、
    前記冷却体（２６）は、ガス状の冷却材が冷却材流れ方向（４４）に流れるように、構成されており、
    前記冷却材流れ方向（４４）は、前記冷却体（２６）の前記表面（２４）に対してほぼ平行に延びており、
    前記電力ユニット（４）は、前記冷却材流れ方向（４４）に対して横方向にずれて配置されており、
    前記冷却体（２６）は、前記冷却材流れ方向（４４）に延びて配置された冷却リブ（５２）を、有する、
    電力モジュール（２）。
  2. 前記電力ユニット（４）の前記基板（８）は、それぞれ、少なくとも２５Ｗ・ｍ－１・Ｋ－１、特には少なくとも１００Ｗ・ｍ－１・Ｋ－１、の熱伝導率、および、２５μｍ～４００μｍ、特には５０μｍ～２５０μｍの厚さｄを有する、誘電体材料層（１４）を有する、請求項１に記載の電力モジュール（２）。
  3. 前記基板（８）は、それぞれ、２５μｍ～４００μｍ、特には５０μｍ～２５０μｍ、の厚さ（ｄ）を有する誘電体材料層（１４）を有する、請求項１または２いずれか１項に記載の電力モジュール（２）。
  4. 前記電力ユニット（４）のうち少なくとも２つは、共通のハウジング（４８）を有する、請求項１から３のいずれか１項に記載の電力モジュール（２）。
  5. 前記電力ユニット（４）の少なくとも２つは、特にはボンディング接続部（３４）を介して、互いに導電的に接続されている、請求項１から４のいずれか１項に記載の電力モジュール（２）。
  6. 第１の金属材料（３９）から製造されている前記冷却体（２６）は、その表面（２４）に少なくとも１つの凹部（４０）を有し、当該凹部（４０）は第２の金属材料（４２）で充填されており、当該第２の金属材料（４２）は、前記第１の金属材料（３９）よりも高い熱伝導率を有し、
    電力ユニット（４）の少なくとも１つの基板（８）は、前記第２の金属材料（４２）と、直接材料接合的に、接続されている、請求項１から５のいずれか１項に記載の電力モジュール（２）。
  7. 前記第２の金属材料（４２）は、前記冷却体（２６）の前記表面（２４）とほぼ同一平面上で、終端する、請求項６に記載の電力モジュール（２）。
  8. 前記少なくとも２つの電力ユニット（４）のそれぞれに、前記第２の金属材料（４２）が充填された凹部（４０）が、割り当てられている、請求項６または７のいずれか１項に記載の電力モジュール（２）。
  9. 前記第２の金属材料（４２）は、積層法によって、前記少なくとも１つの凹部（４０）内へ、導入されている、請求項６から８のいずれか１項に記載の電力モジュール（２）。
  10. 前記電力ユニット（４）間の間隔（ｘ１、ｘ２、ｙ１、ｙ２）は、前記冷却材流れ方向（４４）で、および／または、前記冷却材流れ方向（４４）に対して横方向で、変化する、請求項１から９のいずれか１項に記載の電力モジュール（２）。
  11. 前記電力ユニット（４）間の間隔（ｙ１、ｙ２）は、前記冷却材流れ方向（４４）で、増大する、請求項１から１０のいずれか１項に記載の電力モジュール（２）。
  12. 前記冷却体（２６）の前記表面（２４）に対してほぼ平行に延びて配置されたパワーボード（３６）が、自由に位置決め可能な接点（３８）を介して、前記電力ユニット（４）に接続されており、前記自由に位置決め可能な接点（３８）は、前記電力ユニット（４）のそれぞれの前記基板（８）に、材料接合的に、接続されている、請求項１から１１のいずれか１項に記載の電力モジュール（２）。
  13. 前記自由に位置決め可能な接点（３８）は、力中心線（５４）に対して非対称に、設計されている、請求項１２に記載の電力モジュール（２）。
  14. 前記冷却体（２６）は、シリコン含有量が１．０％までの、特には０．６％までの、アルミニウム合金から押出プレスにより製造されている、請求項１から１３のいずれか１項に記載の電力モジュール。
  15. 前記冷却リブ（５２）は、前記冷却リブ（５２）間の間隔（ａ）に対する前記冷却リブ（５２）の長さ（ｌ）の比が少なくとも１０であるように、配置されている、請求項１から１４のいずれか１項に記載の電力モジュール（２）。
  16. 前記冷却体（２６）は、３．５ｍｍから５ｍｍ、特には３．５ｍｍから４ｍｍの、ほぼ一定の第１の厚さｄ１を有するベースプレート（５１）を有し、
    前記ベースプレート（５１）と前記冷却体（２６）の前記冷却リブ（５２）とが、一体的に設計されている、請求項１から１５のいずれか１項に記載の電力モジュール（２）。
  17. 少なくとも１つの、請求項１から１６のいずれか１項に記載の電力モジュール（２）を有する電力変換装置（６６）。
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