JP6827085B2 - 高電圧電力モジュール - Google Patents

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Description

政府支援
[0001]本発明は、海軍研究事務所によって授与された契約番号Ｎ０００１４−１５−Ｃ−００５１の下で政府資金を用いて行われた。米国政府は本発明に一定の権利を有する。
[0002]本開示は、電力モジュールに関し、詳しくは高電圧、高周波電力モジュールに関する。
[0003]電力モジュールは、電力変換システムにおいて様々な機能を果たすことができる独立型のデバイスである。例えば、電力モジュールは、昇圧変換器、降圧変換器、ハーフブリッジ変換器、フルブリッジ変換器、またはそれらの任意の部分を形成するのに必要な任意の数のスイッチング構成部品を含むことができる。従来の電力モジュールは、シリコン（Ｓｉ）スイッチング構成部品を有する、一般に使用される電力変換回路を有する。多くの適用例において有効であるが、シリコンスイッチング構成部品を有する電力変換回路を使用することにより、一般に、電力変換回路が動作することができるスイッチング周波数が制限される。次いで、これにより、より大きな磁性構成部品の使用が必要となり、それにより、電力変換システムの費用が上昇することがある。さらに、シリコンスイッチング構成部品の効率が制限され、それにより、電力変換システムにおける不必要なエネルギー消費が生じることがある。
[0004]従来の電力モジュールは、一般に、修理または再加工に適さない単一目的デバイスである。従来の電力モジュールは、電源基板に恒久的に取り付けられ、所望どおりに１つまたは複数の電気コネクタに接続された、いくつかの電力半導体ダイを含むことができる。電力半導体ダイへの接続部の恒久的性質により、従来の電力モジュールは、通常、それらが設計されている単一の特定の機能（例えば、昇圧変換器、降圧変換器、ハーフブリッジ変換器、またはフルブリッジ変換器における）だけに使用することができる。さらに、電力半導体ダイのうちの１つが故障した場合、従来の電力モジュール全体を通常交換しなければならない。
[0005]電力モジュールのいくつかの重要な性能測定基準（例えば、ゲート制御ループインダクタンスおよび電源ループインダクタンス）は、電力半導体ダイのレイアウトおよびその接点と１つまたは複数の電気接点との間の経路設定によって決まる。電力モジュールのこれらの態様の改善は、絶えず進化しているが、改善には顕著な余地がある。
[0006]上記の観点から、性能が改善された電力モジュールが必要とされる。具体的には、修理可能で再加工可能である電力モジュールが必要とされる。さらに、高いスイッチング速度で動作することができ、高い効率を提供することができる電力モジュールが必要とされる。最後に、レイアウトおよびその接続経路が改善された電力モジュールが必要とされる。
[0007]一実施形態において、電力モジュールが、第１のサブモジュールと第２のサブモジュールとを含む。第１のサブモジュールは、少なくとも第１の電力半導体ダイを含む。第２のサブモジュールは、少なくとも第２の電力半導体ダイを含む。取外し可能なジャン
パが、第１の電力半導体ダイの少なくとも１つの接点と、第２の電力半導体ダイの少なくとも１つの接点との間に結合され、したがって、取外し可能なジャンパを設けたとき、電力モジュールは、第１の機能を提供するように構成され、取外し可能なジャンパを取り外したとき、電力モジュールは、第２の機能を提供するように構成される。取外し可能なジャンパを介して第１の電力半導体ダイと第２の電力半導体ダイとを接続することにより、電力モジュールを再構成することが可能になり、したがって、電力モジュールは、電力変換システムにおいて様々な機能を果たすことができる。さらに、取外し可能なジャンパを介して第１の電力半導体ダイと第２の電力半導体ダイとを接続することにより、第１のサブモジュールと第２のサブモジュールとを独立して試験することが可能になる。
[0008]一実施形態において、第１のサブモジュールと第２のサブモジュールとは、電力モジュールから独立して取外し可能である。したがって、第１のサブモジュールまたは第２のサブモジュールのいずれかにおける１つまたは複数の構成部品の故障の場合に、電力モジュール全体を交換するのではなく、特定のサブモジュールを交換することができる。
[0009]一実施形態において、電力モジュールは、第３のサブモジュールを含み、次いで、第３のサブモジュールは、第３の電力半導体ダイを含む。追加の取外し可能なジャンパが、第３の電力半導体ダイの少なくとも１つの接点を第２の電力半導体ダイの少なくとも１つの接点に結合する。取外し可能なジャンパと追加の取外し可能なジャンパとを設けたとき、電力モジュールは、単相動作モードで動作するように構成される。取外し可能なジャンパと追加の取外し可能なジャンパとを取り外したとき、電力モジュールは、三相動作モードで動作するように構成される。取外し可能なジャンパと追加の取外し可能なジャンパとを使用して、第１の電力半導体ダイと、第２の電力半導体ダイと、第３の電力半導体ダイとを接続することにより、電力モジュールは、複数の動作モードで動作し、したがって、様々な機能を果たすことが可能になる。さらに、取外し可能なジャンパと追加の取外し可能なジャンパとを介して第１の電力半導体ダイと、第２の電力半導体ダイと、第３の電力半導体ダイとを接続することにより、第１のサブモジュールと、第２のサブモジュールと、第３のサブモジュールとを独立して試験することが可能になる。
[0010]一実施形態において、電力モジュールが、第１の電力半導体ダイと、第２の電力半導体ダイと、第１の電力半導体ダイと第２の電力半導体ダイとの間に結合された多層印刷回路板（ＰＣＢ：ｐｒｉｎｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ ｂｏａｒｄ）とを含む。特に、第１の電力半導体ダイと第２の電力半導体ダイとは、それぞれ、第１の接点と第２の接点とを含む。第１の電力半導体ダイの第１の接点と第２の半導体ダイの第１の接点とは、多層ＰＣＢの第１の導電層を介して互いに結合される。第１の電力半導体ダイの第２の接点と第２の電力半導体ダイの第２の接点とは、多層ＰＣＢの第２の導電層を介して互いに結合され、多層ＰＣＢの第２の導電層は、絶縁層によって第１の導電層から分離される。第１の導電層は第１の電気コネクタに結合することができ、第２の導電層は第２の電気コネクタに結合することができる。多層ＰＣＢの互いに異なる層を使用して、第１の電力半導体ダイの接点と第２の電力半導体ダイの接点とを結合することにより、それぞれの導電層は、第１の導電層と第２の導電層とが単層ＰＣＢ（同じ幅を有するＰＣＢの場合）上で互いに隣接していた場合、普通なら可能となるはずよりも幅が広くなることが可能となる。したがって、第１の電気コネクタから第１の電力半導体ダイの第１の接点と第２の電力半導体ダイの第１の接点との、および第２の電気コネクタから第１の電力半導体ダイの第２の接点と第２の電力半導体ダイの第２の接点とのインダクタンスは低減され、それによって、電力モジュールの性能が改善される。
[0011]一実施形態において、第１の電力半導体ダイと第２の電力半導体ダイとの第１の接点はゲート接点であり、第１の電力半導体ダイと第２の電力半導体ダイとの第２の接点はソース接点であり、したがって、第１の電気コネクタと第２の電気コネクタとの間の導
電経路は、ゲート制御ループを画定する。ゲート制御ループのインダクタンスは、いくつかの実施形態においては約１５ｎＨ未満でよいが、わずか約１ｎＨまででよい。次いで、ゲート制御ループのインダクタンスを低減することにより、電力モジュールにおける干渉および損失が低減し、それによって、その性能が改善される。
[0012]一実施形態において、第１の電気コネクタと第２の電気コネクタとは、マイクロ同軸（ＭＣＸ：ｍｉｃｒｏ ｃｏａｘｉａｌ）コネクタに一緒に設けられる。第１の電気コネクタと第２の電気コネクタとをＭＣＸコネクタに設けることにより、外部コネクタとそれぞれの電気コネクタとの間のインダクタンスおよび干渉が低減し、それによって、電力モジュールの性能がさらに改善される。
[0013]一実施形態において、複数の電力半導体ダイが、第３の電気コネクタと第４の電気コネクタとの間に直列に結合される。第３の電気コネクタと第４の電気コネクタは、ボルト締めされた幅広いコネクタであり、したがって、第３の電気コネクタと第４の電気コネクタとの間の電気経路は、約２０ｎＨ未満およびわずか約１ｎＨまでのインダクタンスを有する。他の実施形態においては、第３の電気コネクタと第４の電気コネクタとの間の電気経路は、約１６．５ｎＨ未満でよい。
[0014]一実施形態において、電力半導体ダイの各１つが、その内部ボディダイオードを逆並列ダイオードとして使用する。各電力半導体ダイの内部ボディダイオードを逆並列ダイオードに使用することにより、各デバイスのサイズが低減することができ、したがって、電力モジュールの設置面積の低減が可能になり、または追加の電力半導体ダイを電力半導体ダイに設けることが可能になる。
[0015]一実施形態において、電力モジュールは、６．５ｋＶから１６ｋＶの間を遮断し、オン状態抵抗が２５０ｍΩから４５０ｍΩの間あたりの最大２４０Ａまで伝導する定格にすることができる。
[0016]一実施形態において、電力モジュールの蓋が、電気コネクタが貫通して延びるいくつかの開口部を含む。開口部のうちの少なくとも１つは、クリーページエクステンダ（ｃｒｅｅｐａｇｅ ｅｘｔｅｎｄｅｒ）によって囲まれ、クリーページエクステンダは、いくつかの同心凹部および／または隆起部を含む。クリーページエクステンダは、コネクタの各１つの間の沿面距離を効果的に延ばし、したがって、電力モジュールは、ＵＬ８４０およびＩＥＣ６０６６４−１ ｃｒｅｅｐａｇｅ／ｃｌｅａｒａｎｃｅ ｆｏｒ ａ １５ｋＶ ｍｏｄｕｌｅ ｗｉｔｈ ａ ｆｏｏｔｐｒｉｎｔ ｏｆ １９５ｍｍｘ１２５ｍｍｘ２３．５ｍｍ（１９５ｍｍｘ１２５ｍｍｘ２３．５ｍｍの設置面積を有する１５ｋＶモジュールのクリーページ／クリアランス）を満足させる。
[0017]当業者は、添付の図面の図に関連して以下の好ましい実施形態の詳細な説明を読んだ後、本開示の範囲を認識し、その追加の態様を理解するであろう。
[0018]本明細書に組み込まれており、本明細書の一部を形成する添付の図面の図は、本開示のいくつかの態様を示し、説明とともに、本開示の原理を明らかにする働きをする。
[0019]本開示の一実施形態による電力モジュールの等角図である。 [0020]本開示の一実施形態による電力モジュールの上面図である。 [0021]本開示の一実施形態による電力モジュール内の電力変換回路の上面図である。 [0022]本開示の一実施形態による電力モジュール内の電力変換回路の回路図である。 [0023]本開示の一実施形態による電力モジュールの分解図である。 [0024]本開示の一実施形態によるクリーページエクステンダを示す図である。 [0024]本開示の一実施形態によるクリーページエクステンダを示す図である。 [0024]本開示の一実施形態によるクリーページエクステンダを示す図である。 [0025]本開示の一実施形態による多層印刷回路板（ＰＣＢ）を示す図である。
[0026]以下に記載する実施形態は、当業者が実施形態を実施し、実施形態を実施する最良の態様を示すことが可能になるように必要な情報を表す。添付の図面の図に照らして以下の説明を読むと、当業者は、本開示の概念を理解し、本明細書で特に対処されないこれらの概念の適用例を認識するであろう。これらの概念および適用例は、本開示の範囲および添付の特許請求の範囲内に含まれることを理解されたい。
[0027]第１の、第２のなどの用語は、様々な要素を説明するために本明細書で使用することができるが、これらの要素は、これらの用語によって限定されないものとすることを理解されよう。これらの用語は、１つの要素を別の要素と区別するためだけに使用される。例えば、本開示の範囲から逸脱することなく、第１の要素は、第２の要素と呼ぶことができ、同様に、第２の要素は、第１の要素と呼ぶことができる。本明細書では、「および／または（ａｎｄ／ｏｒ）」という用語は、関連した列挙品目のうちの１つまたは複数の任意のおよびすべての組合せを含む。
[0028]層、領域、または基板などの要素は、別の要素「上（ｏｎ）」にある、または別の要素「の上（ｏｎｔｏ）」に延びると称されるとき、それは他の要素の直接上にあり、または他の要素の直接上に延びることができ、または介在要素が存在してもよいことを理解されよう。対照的に、要素が別の要素「の直接上（ｄｉｒｅｃｔｌｙ ｏｎ）」にあり、または別の要素「の直接上（ｄｉｒｅｃｔｌｙ ｏｎｔｏ）」に延びると称されるとき、介在要素は何も存在しない。同様に、層、領域、または基板などの要素が別の要素「の上（ｏｖｅｒ）」にあり、または別の要素「の上（ｏｖｅｒ）」に延びると称されるとき、それは他の要素の直接上にあり、または他の要素の直接上を延びることができ、または介在要素が存在してもよいことが理解されよう。対照的に、要素が別の要素「の直接上（ｄｉｒｅｃｔｌｙ ｏｖｅｒ）」にあり、または別の要素「の直接上（ｄｉｒｅｃｔｌｙ ｏｖｅｒ）」に延びると称されるとき、介在要素は何も存在しない。要素が別の要素に「接続される（ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ）」、または別の要素に「結合される（ｃｏｕｐｌｅｄ）」と称されるとき、それは他の要素に直接接続し、または結合することができ、または介在要素が存在してよいことも理解されよう。対照的に、要素が別の要素に「直接接続される（ｄｉｒｅｃｔｌｙ ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ）」、または「直接結合される（ｄｉｒｅｃｔｌｙ ｃｏｕｐｌｅｄ）」と称されるとき、介在要素は何も存在しない。
[0029]「より下（ｂｅｌｏｗ）」または「より上（ａｂｏｖｅ）」または「上の（ｕｐｐｅｒ）」または「下の（ｌｏｗｅｒ）」または「水平の（ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ）または「垂直の（ｖｅｒｔｉｃａｌ）」などの相対語は、図に示すように、１つの要素、層、または領域の別の要素、層、または領域に対する関係を説明するために本明細書で使用することができる。これらの用語および上記に説明した用語は、図に示す向きに加えて、デバイスの種々の向きを包含することが意図されていることを理解されよう。
[0030]本明細書で使用する術語は、特定の実施形態だけを説明するためであり、本開示
を限定することが意図されていない。本明細書では、「１つの（ａ）」、「１つの（ａｎ）」、および「その（ｔｈｅ）」という単数形は、文脈が明確に他を指示していない限り、複数形も含むことが意図されている。「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」、「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｅｓ）」、および／または「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」という用語は、本明細書に使用されたとき、記載された特徴、整数、ステップ、動作、要素、および／または構成部品の存在を明記するが、１つまたは複数の他の特徴、整数、ステップ、動作、要素、構成部品、および／またはそれらの群の存在または追加を除外しないことがさらに理解されよう。
[0031]特に他の定義がない限り、本明細書に使用するすべての用語（技術的および科学的用語を含む）は、本開示が属する技術分野の当業者によって一般に理解されるのと同じ意味を有する。本明細書に使用する用語は、本明細書および関連技術の文脈におけるそれらの意味に合致した意味を有すると解釈すべきであり、本明細書に明示的にそのように定義していない限り、理想的なまたは過度に形式ばった意味で解釈されないことがさらに理解されよう。
[0032]図１および２は、本開示の一実施形態による電力モジュール１０を示す。具体的には、図１は電力モジュール１０の等角図を示すが、図２は電力モジュール１０の上面図を示す。以下に説明する電力モジュール１０の部分は、１つまたは複数の回、重複することがあるが、同一の部分は、図面を取り乱し、したがって、混乱させることを避けるために、１回または２回だけラベル付けすることができる。電力モジュール１０は、筐体１２と蓋１４とを含む。筐体１２は、電力モジュール１０を電力変換システム（図示せず）に取り付けるために、貫通して取付け締結具１８を設けることができる、いくつかの取付け開口部１６を含む。さらに、筐体１２は、それぞれ蓋１４を筐体１２に固定するために蓋取付け締結具２２を受けるように構成された、いくつかのねじ切りされた開口部２０を含む。蓋１４は、筐体１２におけるねじ切りされた開口部２０に対応するいくつかの蓋取付け開口部２４を含み、したがって、蓋取付け締結具２２は、蓋１４を筐体１２に固定するために、蓋取付け開口部２４を通り抜け、ねじ切りされた開口部２０内に固定される。
[0033]蓋１４は、貫通して筐体１２内の電力変換回路（図示せず）からの１つまたは複数の電気コネクタ２８（２８Ａと２８Ｂとして別々に示す）を設けるいくつかのコネクタ開口部２６をさらに含む。とりわけ、コネクタ開口部２６の各１つが、クリーページエクステンダ３０によって囲まれ、クリーページエクステンダ３０は、蓋１４にいくつかの高くなったおよび／またはくぼんだ同心リングを含む。クリーページは、以下に詳細に説明するように、蓋１４の表面に沿って測定される。各コネクタ開口部２６を囲むクリーページエクステンダ３０は、電気コネクタ２８をさらに離れて移動させることなく、この距離を効果的に増加させる。したがって、電力モジュール１０の全設置面積は、所望の沿面距離を維持しながら低減することができる。図示しないが、いくつかの実施形態において、クリーページエクステンダは、蓋１４の外縁の周りに設けてもよい。クリーページエクステンダは、相対的に小さな設置面積を維持しながら、電力モジュール１０にＵＬ８４０およびＩＥＣ６０６６４−１ ｃｒｅｅｐａｇｅ／ｃｌｅａｒａｎｃｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ（クリーページ／クリアランス要求事項）による１５ｋＶの定格をもたらすことができる。
[0034]筐体１２は、筐体長ＬＨ、筐体幅ＷＨ、および筐体高さＨＨによって画定される。いくつかの実施形態において、筐体長ＬＨは約１９５ｍｍでよく、筐体幅ＷＨは約１２５ｍｍでよく、筐体高さＨＨは約２３．５ｍｍでよい。したがって、筐体１２は、３ｘ ＥｃｏｎｏＤＵＡＬ ｆｏｏｔｐｒｉｎｔ ｃｏｌｄｐｌａｔｅに取り付けるように構成することができる。筐体１２および蓋１４は、いくつかの実施形態においてはプラスチックでよいが、しかし、筐体１２および蓋１４は、本開示の原理から逸脱することなく任意の適切な材料でよい。
[0035]電気コネクタ２８は、いくつかのボルト締めされたコネクタ２８Ａと、いくつかの低雑音コネクタ２８Ｂとを含むことができる。ボルト締めされたコネクタ２８Ａは、筐体１２内の電力変換回路（図示せず）との高電圧および／または高電流接続に使用することができる。低雑音コネクタ２８Ｂは、マイクロ同軸（ＭＣＸ）コネクタでよく、筐体１２内の電力変換回路（図示せず）におけるノードを制御するために低電圧および／または低電流接続部に使用することができる。
[0036]図３は、本開示の一実施形態による筐体１２内の電力変換回路３２の詳細を示す。電力変換回路３２は、いくつかの電力半導体ダイ３４と、いくつかの相互接続印刷回路板（ＰＣＢ）３６と、相互接続ＰＣＢ３６の間に結合された、いくつかの取外し可能なジャンパ３８とを含む。電力半導体ダイ３４の各１つは、電源基板４０に取り付けられ、その上面上に電力半導体ダイ３４に電気的に接続するためのいくつかの接点パッド４２を含む。ワイヤボンド４４が、各電力半導体ダイ３４の様々な接点パッド４２を所望の接続点に接続する。一実施形態において、電力半導体ダイ３４の各１つは、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ：ｍｅｔａｌ−ｏｘｉｄｅ−ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｆｉｅｌｄ−ｅｆｆｅｃｔ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）であり、したがって、接点パッド４２は、ゲート接点と、ドレイン接点と、ソース接点（図示せず）とを含む。他の実施形態においては、電力半導体ダイ３４の各１つは、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）でよい。電力半導体ダイ３４の各１つのドレイン接点とソース接点とは、ボルト締めされたコネクタ２８Ａのうちの１つに結合され、ボルト締めされたコネクタ２８Ａは、上記に説明したように、蓋を貫通して延び、電力半導体ダイ３４によって設けられた高電圧および／または高電流スイッチング経路の接続点を提供する。電力半導体ダイ３４の各１つのゲート接点とソース接点とは、相互接続ＰＣＢ３６のうちの１つを介して低雑音コネクタ２８Ｂのうちの１つに結合される。具体的には、電力半導体ダイ３４の各１つのゲート接点は、低雑音コネクタ２８Ｂのうちの１つにおける第１の接続点に結合されるが、電力半導体ダイ３４の各１つのソース接点は、低雑音コネクタ２８Ｂのうちの同じ１つの第２の接続点に結合され、第２の接続点は、第１の接続点から絶縁される。低雑音コネクタ２８Ｂは、電力半導体ダイ３４に提供すべき低電圧および／または低電流制御信号の接続点を提供する。
[0037]電力半導体ダイ３４は、図４にさらに示すように、群４６で配列することができる。各群４６は、群４６にわたって提供された電圧を分配するために、したがって、その電圧処理能力を高めるために、直列に結合された６つの電力半導体ダイ３４を含むことができる。各群４６は、サブモジュール４８を形成するために別の群と対にすることができる。各対を成す群４６は、同様に直列に接続することができ、したがって、各サブモジュール４８は、直列に結合された１２の電力半導体ダイ３４を含む。したがって、ボルト締めされたコネクタ２８Ａの第１の行が、それぞれのサブモジュール４８における電力半導体ダイ３４のうちの第１の１つのドレインとの接続部を設けることができ、ボルト締めされたコネクタ２８Ａの第２の行が、それぞれのサブモジュール４８における第１の群４６と第２の群４６との間のドレイン・ソース接続部との接続部を設けることができ、ボルト締めされたコネクタ２８Ａの第３の行が、それぞれのサブモジュール４８における電力半導体ダイ３４のうちの最後の１つのソース接続部との接続部を設けることができる。それぞれの群４６における各電力半導体ダイ３４のゲート・ソース制御接続部は、それぞれの相互接続ＰＣＢ３６を介して互いに結合することができる。群４６の様々な１つの間のゲート・ソース接続部は、取外し可能なジャンパ３８によって互いに結合することができる。図示しないが、ゲートリターンまたはソースセンス接続部（ｇａｔｅ ｒｅｔｕｒｎ ｏｒ ｓｏｕｒｃｅ ｓｅｎｓｅ ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ）が、一般に、電力半導体ダイ３４のソース接続部の各１つに対して設けられ、不飽和化接続部が、一般に、厄介な低インピーダンス短絡から保護するために設けられる。
[0038]各群４６のゲート接続部およびソース接続部のための取外し可能なジャンパ３８を図４に別々に示すが、それらは、図３に示すように、一般に、単一の取外し可能なジャンパ３８にまとめて設けられる。しかし、取外し可能なジャンパ３８は、本開示の原理から逸脱することなく任意の所望の構成で設けることができる。さらに、低雑音コネクタ２８Ｂを電力半導体ダイ３４のゲートおよびソース接続部に対して別々に示すが、低雑音コネクタ２８Ｂは、上記に説明したように、ＭＣＸコネクタとしてまとめて設けることができる。
[0039]取外し可能なジャンパ３８を使用することにより、電力モジュール１０を柔軟に再構成し、試験することが可能となる。取外し可能なジャンパ３８を設けたとき、電力半導体ダイ３４のサブセットのゲート接点とソース接点は、互いに結合される。具体的には、電力モジュール１０の上部に配置された１８の電力半導体ダイ３４は、スイッチングレグの第１の部分を形成するためにそれらのゲート接点とソース接点とを介して互いに結合されるが、電力モジュール１０の底部に配置された１８の電力半導体ダイ３４は、スイッチングレグの第２の部分を形成するためにそれらのゲート接点とソース接点とを介して互いに結合される。取外し可能なジャンパ３８を設けたとき、ボルト締めされたコネクタ２８Ａの各行は、一般に、互いに結合され、したがって、各サブモジュール４８は、並列に結合される。これにより、高性能電力変換システムに使用することができる、直列の２つの非常に大きなスイッチングデバイスを含む高電圧および高電流スイッチングレグが効果的に作り出される。そのような構成は、例えば、単相の電力変換システムに使用することができる。具体的には、電力モジュール１０は、取外し可能なジャンパ３８を設けたとき、ハーフブリッジ電力モジュールとして使用することができる。そのような構成において、電力モジュール１０は、１０ｋＶの遮断能力と、２４０Ａの順方向導通とを提供することができる。電力半導体ダイ３４は、参照によりそのデータシートの全体が本明細書に組み込まれている、Ｄｕｒｈａｍ，Ｎｏｒｔｈ ＣａｒｏｌｉｎａのＣｒｅｅ，Ｉｎｃ．製のモデル番号ＣＰＭ３−１００００−０３５０−ＥＳなどの３５０ｍΩのオン状態抵抗を有する１０ｋＶのＭＯＳＦＥＴでよい。追加の実施形態においては、電力半導体ダイ３４は、Ｄｕｒｈａｍ，Ｎｏｒｔｈ ＣａｒｏｌｉｎａのＣｒｅｅ，Ｉｎｃ．製のものなどの１０ｋＶのＩＧＢＴでよい。
[0040]本明細書における実施形態は、１０ｋＶ部分に関連するものとして主に説明するが、本開示の原理から逸脱することなく任意の適切な部分を使用することができる。例えば、５ｋＶ部分、１５ｋＶ部分などを同様に使用することができる。
[0041]取外し可能なジャンパ３８を設けなかったとき、各サブモジュール４８は、他方と独立して動作することが可能になる。すなわち、電力半導体ダイ３４の特定の群４６に関連付けられた低雑音コネクタ２８Ｂに提供される制御信号は、他の群４６における電力半導体ダイ３４に提供されない可能性がある。そのような構成は、別々のサブモジュール４８を個々に試験するのに、またはサブモジュール４８の各１つが別々に制御される三相電力変換システムで電力モジュール１０を動作させるのに有用であり得る。一実施形態において、サブモジュール４８の各１つは、電力モジュール１０から別々に取外し可能である。したがって、単一のサブモジュール４８を独立して試験し、交換することが可能であり、それによって、電力モジュール１０を修理することが可能になる。
[0042]特定の数の電力半導体ダイ３４および特定の電力処理能力に関して電力モジュール１０を示し、上記に説明したが、本開示はそのように限定されない。すなわち、本開示の概念は、任意の数の電力半導体ダイを有し、互いに異なる電力処理能力を提供する電力モジュールに適用することができる。例えば、電力モジュール１０の上部および底部の１
８の電力半導体ダイ３４の代わりに、本開示の原理から逸脱することなく、３２、２４、９つ、６つ、または３つの電力半導体ダイ３４など、任意の数の電力半導体ダイ３４を使用することができる。
[0043]とりわけ、相互接続ＰＣＢ３６は、電力半導体ダイ３４のゲート接点間の接続部が第１の導電層上に設けられ、電力半導体ダイ３４のソース接点間の接続部が第２の導電層上に設けられる多層ＰＣＢでよい。これにより、相互接続ＰＣＢ３６の幅を増加させずに接続経路の横幅を従来の方式に比較して増加させることが可能になる。すなわち、電力半導体ダイ３４のゲート接点間の接続部および電力半導体ダイ３４のソース接点間の接続部を従来の方式と同様に同じ導電層上に（すなわち、同じ平面に）設けた場合、それらはこの層の表面積を共有しなければならず、それによって、導電経路の全幅が低減され、結果として抵抗および寄生インダクタンスの増加となる。多層ＰＣＢの使用により、ゲート接点と、ソース接点と、低雑音コネクタ２８Ｂとの間の寄生インダクタンスが大幅に低減され、次いで、それによって、電力モジュール１０の性能が高まる。一実施形態において、ゲート制御ループは、低雑音コネクタ２８Ｂのうちの１つの第１の接続点と第２の接続点との間の電気経路として画定される。多層相互接続ＰＣＢ３６の使用および相互接続ＰＣＢ３６上の接続部の電力半導体ダイ３４への近接により、ゲート制御ループのインダクタンスは、従来の電力モジュールと比較したとき低減することができ、一般に１５ｎＨ未満でよく、具体的には、おおよそ１０ｎＨでよい。一実施形態において、ゲート制御ループのインダクタンスは、約１ｎＨよりも大きくてよい。様々な実施形態において、ゲート制御ループのインダクタンスは、約１０ｎＨから１５ｎＨの間、約５ｎＨから１０ｎＨの間、および約１ｎＨから５ｎＨの間でよい。
[0044]ボルト締めされたコネクタ２８Ａの相対的に大きな幅およびそれらの電力半導体ダイ３４への近接により、電力モジュール１０の高電圧／高電流経路のインダクタンスの同様の低減が可能となり得る。具体的には、電力半導体ダイ３４のうちの第１の１つのドレイン接点と電力半導体ダイ３４のうちの最後の１つのソース接点との間の（またはボルト締めされたコネクタ２８Ａの第１の行とボルト締めされたコネクタ２８Ａの最後の行との間の）電気経路は、２０ｎＨ未満の、具体的にはおおよそ１６ｎＨのインダクタンスを有することができる。一実施形態において、電力半導体ダイ３４のうちの第１の１つのドレイン接点と電力半導体ダイ３４のうちの最後の１つのソース接点との間の電気経路のインダクタンスは、約１ｎＨよりも大きい。様々な実施形態において、電力半導体ダイ３４のうちの第１の１つのドレイン接点と電力半導体ダイ３４のうちの最後の１つのソース接点との間の電気経路のインダクタンスは、約１０ｎＨから１６ｎＨの間、約８ｎＨから１２ｎＨの間、および約６ｎＨから１０ｎＨの間である。一実施形態において、ボルト締めされたコネクタ２８Ａの幅は、約１５ｍｍから８０ｍｍの間であり、それにより、上記に説明したように、電源ループのインダクタンスが低減される。他の実施形態において、ボルト締めされたコネクタ２８Ａの幅は、約３０ｍｍから５０ｍｍの間および４０ｍｍから６０ｍｍの間でよい。
[0045]図４に示すように、電力半導体ダイ３４は、多くの従来の電力モジュールと同様、逆並列ショットキーダイオードを含まない。これは電力半導体ダイ３４の内部ボディダイオードが使用されるためである。電力半導体ダイ３４の内部ボディダイオードを逆並列ダイオードとして使用することにより、電力半導体ダイ３４のサイズ、したがって、電力モジュール１０の全設置面積が大幅に低減される。これにより、追加の電力半導体ダイ３４を電力モジュール内に収めることが可能になり得、それによって、その電力処理能力が高まる。
[0046]図５は、本開示の一実施形態による電力モジュール１０の分解図を示す。電力モジュール１０の詳細は上記に説明したものと同じままであるが、図５は電力モジュール１
０から取り外された特定のサブモジュール４８を示す。図示するように、ボルト締めされたコネクタ２８Ａは、電源基板４０に結合され、筐体１２に設けたいくつかの開口部を貫通して延びる。次いで、電源基板４０は、基板５０の上に配置される。ガスケット５２が、サブモジュール４８を囲み、それを筐体１２に対して密封し、したがって、シリコンなどの絶縁ポッティング材、または誘電性流体が筐体１２の内側に密封される。これにより、ポッティングの前に硬化を必要とする従来のエポキシ工程と比較したとき、サブモジュール４８を密封する際の時間が節約され得る。いくつかの相互接続ＰＣＢコネクタ５４は、図示するように、相互接続ＰＣＢ３６を所定位置に保持する。電源基板４０と、基板５０と、各サブモジュール４８の特定のレイアウトにより、モジュールをハーフブリッジ構成で使用したとき、スイッチ位置ごとに約０．０２６°Ｃ／Ｗ未満の熱抵抗（ＲｊＣ）が可能になる。
[0047]とりわけ、電力モジュール１０にサブモジュール４８を使用することにより、各サブモジュール４８を独立して交換することが可能になる。したがって、単一のサブモジュール４８における単一の電力半導体ダイ３４の故障により、または複数の電力半導体ダイ３４の故障でも、従来のモジュール同様に電力モジュール１０全体を交換することは容易ではない。電力半導体ダイ３４は高価である可能性があるので、これは、結果として、従来の方式に比較したとき、大幅な費用節減になる可能性がある。
[0048]図６Ａから６Ｃは、本開示の様々な実施形態によるコネクタ開口部２６の詳細を示す。具体的には、図６Ａから６Ｃは、コネクタ開口部２６の断面図を示す。図６Ａに示すように、従来のコネクタ開口部２６は、クリーページエクステンダを何も含まない。図６Ｂは、コネクタ開口部２６のうちの１つを囲むいくつかの同心凹部５６を含むクリーページエクステンダ３０を示す。図６Ｃに示すように、同じ結果をいくつかの高くなった同心隆起部により達成することができる。図６Ａの第１の破線５８ならびに図６Ｂおよび６Ｃの第２の破線６０で示すように、従来の蓋１４の平らな表面に沿った沿面測定は、クリーページエクステンダ３０に沿った沿面測定よりも大幅に短い。したがって、クリーページエクステンダ３０により、コネクタを移動させずに、または他の方法で電力モジュール１０の設置面積を改変せずに、沿面距離の増加が可能となる。
[0049]図７は、本開示の一実施形態による相互接続ＰＣＢ３６のうちの１つの詳細を示す。具体的には、図７は、相互接続ＰＣＢ３６のうちの１つの分解図を示す。図示するように、相互接続ＰＣＢ３６は、第１の絶縁層６２と、第１の絶縁層６２の上の第１の導電層６４と、第１の導電層６４の上の第２の絶縁層６６と、第２の絶縁層６６の上の第２の導電層６８と、第２の導電層６８の上の第３の絶縁層７０とを含む。とりわけ、図示するように、多層構造を使用することにより、第１の導電層６４と第２の導電層６８とは相互接続ＰＣＢ３６の幅ＷＰＣＢにわたることが可能になる。これは、導電層を同じ平面上に設けた場合、それらがその平面の表面積を共有しなければならないので、可能ではない。したがって、相互接続ＰＣＢ３６の幅は、妥当な値で維持することができ、その一方で、相互接続ＰＣＢ３６内の接続には低インダクタンス経路を設けることができる。いくつかのビア（図示せず）が、第１の導電層６４と第２の導電層６８とに接続して、例えば、低雑音コネクタ２８Ｂ、取外し可能なジャンパ３８、または任意の他の所望の構成部品のうちの１つとの接点を設ける。特定の数および構成の層を相互接続ＰＣＢ３６に示すが、本開示の原理から逸脱することなく、任意の数の層を相互接続ＰＣＢ３６に含め、任意の構成で配列することができる。一実施形態において、相互接続ＰＣＢ３６の幅ＷＰＣＢは、第１の導電層６４と第２の導電層６８との抵抗および寄生インダクタンスを低減するために約１５ｍｍから８０ｍｍの間である。
[0050]当業者は、本開示の好ましい実施形態の改善および変更を認識するであろう。すべてのそのような改善および変更は、本明細書に開示した概念の範囲および後に続く特許
請求の範囲内で検討される。

Claims (12)

  1. 電源基板と、
    前記電源基板上にあり、ゲート接点とソース接点とを備える第１の電力半導体ダイと、
    前記電源基板上にあり、ゲート接点とソース接点とを備える第２の電力半導体ダイと、
    前記電源基板、前記第１の電力半導体ダイ、前記第２の電力半導体ダイ上にあり、かつ前記第１の電力半導体ダイと前記第２の電力半導体ダイとの間に結合された多層印刷回路板（ＰＣＢ）とを備え、したがって、
    前記多層ＰＣＢの第１の導電層が、前記第１の電力半導体ダイの前記ゲート接点と前記第２の電力半導体ダイの前記ゲート接点との間に結合され、
    前記多層ＰＣＢの第２の導電層が、前記第１の電力半導体ダイの前記ソース接点と前記第２の電力半導体ダイの前記ソース接点との間に結合され、
    前記第１の導電層と前記第２の導電層とが、絶縁層によって分離される、電力モジュール。
  2. 前記電力モジュールが、少なくとも３ｋＶを遮断するように構成される、請求項１に記載の電力モジュール。
  3. 前記第１の電力半導体ダイと前記第２の電力半導体ダイとが、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）である、請求項１に記載の電力モジュール。
  4. 前記第１の電力半導体ダイと前記第２の電力半導体ダイとが、炭化ケイ素デバイスである、請求項３に記載の電力モジュール。
  5. 前記第１の導電層に結合された第１の電気コネクタと、
    前記第２の導電層に結合された第２の電気コネクタとをさらに備える、請求項１に記載の電力モジュール。
  6. 前記第１の電気コネクタと前記第２の電気コネクタとの間のインダクタンスが、約１５ｎＨ未満である、請求項５に記載の電力モジュール。
  7. 前記第１の電気コネクタと前記第２の電気コネクタとが、マイクロ同軸（ＭＣＸ）コネクタに設けられる、請求項５に記載の電力モジュール。
  8. 前記第１の電力半導体ダイと前記第２の電力半導体ダイとが、第３の電気コネクタと第４の電気コネクタとの間に直列に結合された複数の半導体ダイの一部であり、前記第３の電気コネクタは、前記第１の電力半導体ダイの前記ソース接点に結合され、前記第４の電気コネクタは、前記第２の電力半導体ダイのドレイン接点に結合される、請求項５に記載の電力モジュール。
  9. 前記第３の電気コネクタと前記第４の電気コネクタとが、約３０ｍｍより大きい幅を有する、ボルト締めされたコネクタである、請求項８に記載の電力モジュール。
  10. 前記第３の電気コネクタと前記第４の電気コネクタとの間のインダクタンスが、約２０ｎＨ未満である、請求項８又は９に記載の電力モジュール。
  11. 前記第１の電力半導体ダイの前記ゲート接点および前記ソース接点は電気的に接続されて、約１５ｎＨ未満のインダクタンスを有するゲート制御ループを形成する、請求項１に記載の電力モジュール。
  12. 前記第１の電力半導体ダイおよび前記第２の電力半導体ダイは、直列に結合された複数の半導体ダイの一部であり、前記複数の半導体ダイのうち、前記第１の電力半導体ダイのドレイン接点と、最後の電力半導体ダイのソース接点との間の電気経路は、約２０ｎＨ未満の電力ループインダクタンスを有する、請求項１に記載の電力モジュール。
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