KR20070050907A - 전력 변환기에서 전력 스위치들과 평면 트랜스포머 및/또는평면 인덕터의 통합 - Google Patents

전력 변환기에서 전력 스위치들과 평면 트랜스포머 및/또는평면 인덕터의 통합 Download PDF

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캉후아 첸
세이드 아메드
리찌 주
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Abstract

전력 변환기는 다층 트랜스포머 기판 및/또는 다수의 전력 반도체 스위치들(S7-S10)을 지닌 다층 인덕터 기판을 포함하는 적어도 하나의 평면 인덕터를 포함하는 적어도 하나의 평면 트랜스포머(T1, T2)를 통합한 것인데, 상기 다수의 전력 반도체 스위치들은 하나 이상의 다층 스위치 기판들을 통해서 히트 싱크(heat sink)에 물리적으로 그리고 열적으로 결합된다.
전력 변환기, 다층 트랜스포머 기판, 다수의 전력 반도체 스위치, 다층 인덕터 기판, 히트 싱크

Description

전력 변환기에서 전력 스위치들과 평면 트랜스포머 및/또는 평면 인덕터의 통합{Integration of planar transformer and/or planar inductor with power switches in power converter}
본 발명은 일반적으로 전력 시스템들에 관한 것이며, 특히 전원들 및 부하들 간의 전력을 정류(rectifying), 인버팅(inverting), 및/또는 변환(converting)시키는데 적합한 전력 모듈 구조(power module architecture)에 관한 것이다.
전력 모듈들은 전형적으로 전력을 하나 이상의 부하들로 공급하기 위한 하나 이상의 전원들로부터 전력을 변환 및/또는 조절하는 자체 내장된 유닛들이다. 전력 모듈들을 통상 "인버터(inverter)"라 칭하는데, 이는 전력을 AC 부하에 공급하는데 사용하기 위하여 직류(DC)를 교류(AC)로 변환시킨다. 전력 모듈들은 통상 AC를 DC로 변환시키는 "정류기(rectifier)"라 칭한다. 전력 모듈들은 통상 DC 전압을 스텝 업 또는 다운시키는 "DC/DC 변환기(DC/DC converter)"라 칭한다. 적절하게 구성되고 동작되는 전력 모듈은 이들 기능들 중 어떤 한 가지 이상의 기능을 수행할 수 있다. 용어 "변환기"는 통상 인버터, 정류기 및/또는 DC/DC 변환기들에 관계없이 모든 전력 모듈에 적용되고 포괄적인 의미로서 본원에 사용된다.
많은 애플리케이션들이 고전력, 고전류 및/또는 고전압을 전원으로부터 부하 로 전달하는데 사용된다. 예를 들어, 운반 애플리케이션들은 전기 또는 하이브리드 전기 차량을 추진하기 위한 트랙션 모터와 같은 부하를 구동시키기 위하여 고전력을 사용할 수 있다. 이와 같은 애플리케이션들은 다양한 전원들, 예를 들어, 연료 전지들(fuel cells) 또는 광 전지들(photovoltaic cells)과 같은 에너지 발생 전원들, 및/또는 배터리 전지들 및/또는 슈퍼 커패시터(super capacitor)들의 어레이들과 같은 에너지 저장 전원들 중 하나 이상을 사용할 수 있다. 종종, 이와 같은 애플리케이션들은 전력을 변환 및/또는 조절하기 위하여 전력 변환기를 사용하여, 전력이 부하에 공급되는 전압을 스텝 다운시킨다.
전력 변환기들은 전형적으로, 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터들(IGBTs), 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터들(MOSFETs), 및/또는 반도체 다이오들과 같은 전력 반도체 디바이스들을 채용한다. 이들 전력 반도체 디바이스들은 고전력 동작 동안 많은 량의 열을 분산시켜, 동작 범위 제한, 비용 증가, 크기/또는 중량 증가, 나쁜 효율, 및/또는 전력 변환기의 신뢰성 감소시킬 수 있는 열 관리 문제들을 초래한다.
열 관리 문제들을 경감시키는 고전력 동작시킬 수 있는 전력 변환기들을 위한 방법들 및/또는 구조가 매우 바람직하다.
한 양상에서, 전력 변환기는 히트 싱크(heat sink); 자기장을 발생시킬 수 있는 자기 코어; 적어도 2개의 전기적 및 열적 전도 층들, 및 적어도 하나의 전기적 절연 및 열적 전도 층을 포함하는 적어도 제1 다층 기판으로서, 상기 제1 다층 기판의 전기적 및 열적 전도 층들 각각은 전기적 절연 및 열적 전도 층들 중 각각의 층에 의해 전기적 및 열적 전도 층들 중 다음 연속적인 층으로부터 전기적으로 분리되며, 상기 전기적 및 열적 전도 층들 중 적어도 제1 층은 제1 권선을 형성하도록 패터닝되며, 상기 전기적 및 열적 전도 층들 중 적어도 제2 층은 제2 권선을 형성하도록 패터닝되며, 상기 제1 및 제2 권선들 각각의 적어도 일부는 평면 트랜스포머를 형성하기 위하여 자기 코어의 자기장 내에서 배치되며, 상기 제1 다층 기판은 상기 히트 싱크에 열적으로 결합되는, 제1 다층 기판; 및 상기 제1 다층 기판의 상기 전기적 및 열적 전도 층들 중 하나에 전기적으로 결합되는 적어도 제1 전력 반도체 디바이스로서, 상기 제1 전력 반도체 디바이스는 상기 제1 다층 기판을 통해서 상기 히트 싱크로부터 전기적으로 분리되고 상기 히트 싱크에 열적으로 결합되는, 적어도 제1 전력 반도체 디바이스를 포함한다.
또 다른 양상에서, 전력 변환기는 히트 싱크; 적어도 2개의 전기적 및 열적 전도 층들 및 적어도 하나의 전기적 절연 및 열적 전도 층을 포함하는 제1 다층 기판으로서, 상기 제1 다층 기판의 전기적 및 열적 전도 층들 각각은 상기 전기적 절연 및 열적 전도 층들 각각의 한 층에 의해 상기 전기적 및 열적 전도 층들 중 다음 연속적인 층으로부터 전기적으로 분리되는 제1 다층 기판; 상기 제1 다층 기판의 상기 전기적 및 열적 전도 층들 중 최외곽 층의 일부에 전기적으로 결합되는 적어도 제1 전력 반도체 디바이스로서, 상기 제1 전력 반도체 디바이스는 상기 제1 다층 기판을 통해서 히트 싱크로부터 전기적으로 분리되고 이에 열적으로 결합되는, 적어도 제1 전력 반도체 디바이스; 자기장을 발생시킬 수 있는 자기 코어; 및 적어도 2개의 전기적 및 열적 전도 층들과 적어도 하나의 전기적 절연 및 열적 전도 층을 포함하는 적어도 제2 다층 기판으로서, 상기 제2 다층 기판의 상기 전기적 및 열적 전도 층들 각각은 상기 전기적 절연 및 열적 전도 층들 중 각각의 층에 의해 상기 전기적 및 열적 전도 층들 중 다음 연속적인 층으로부터 전기적으로 분리되며, 상기 전기적 및 열적 전도 층들 중 적어도 제1 층은 제1 권선을 형성하도록 패터닝되며, 상기 전기적 및 열적 전도 층들 중 적어도 제2 층은 제2 권선을 형성하기 위하여 패터닝되며, 상기 제1 및 제2 권선들 각각의 적어도 일부는 평면 트랜스포머를 형성하기 위하여 자기 코어의 자기장 내에 배치되며, 상기 제2 다층 기판은 상기 히트 싱크에 열적으로 결합되는, 적어도 제2 다층 기판을 포함한다.
또 다른 양상에서, 전력 변환기는 히트 싱크; 적어도 제1 층, 제2 층, 및 제3 층을 포함하는 제1 다층 기판으로서, 상기 제1 층은 제1 인덕터를 형성하도록 패터닝되는 전기적 및 열적 전도 재료를 포함하며, 상기 제2 층은 전기적 절연 및 열적 전도 재료를 포함하고, 상기 제3 층은 전기적 및 열적 전도 재료를 포함하며, 상기 제2 층은 상기 제1 층으로부터 상기 제3 층을 전기적으로 분리시키며, 상기 제1 다층 기판의 상기 제3 층은 상기 히트 싱크에 열적으로 도전적으로 결합되는, 제1 다층 기판; 상기 제1 층의 제1 부분에 열적으로 결합되는 적어도 제1 전력 반도체 디바이스; 자기장을 갖는 자기 코어; 및 적어도 제1 층, 제2 층, 및 제3 층을 포함하는 적어도 제2 다층 기판으로서, 상기 제1 층은 전기적 및 열적 전도성 재료를 포함하며, 상기 제2 층은 전기적으로 절연성이고 열적으로 전도성 재료를 포함하며, 상기 제3 층은 전기적 및 열적 전도 재료를 포함하며, 상기 제2 층은 상기 제1층으로부터 상기 제3 층을 전기적으로 분리시키며, 상기 제3 층은 제1 권선을 형성하도록 패터닝되며, 상기 제1 층은 제2 권선을 형성하도록 패터닝되며, 상기 제1 및 제2 전도 층들의 적어도 일부는 평면 트랜스포머를 형성하기 위하여 자기 코어의 자기장 내에 배치되며, 상기 제2 다층 기판은 상기 히트 싱크에 열적으로 도전적으로 결합되는, 적어도 제2 다층 기판을 포함한다.
또 다른 양상에서, 전력 변환기는: 적어도 제1 히트 싱크; 자기장을 발생시킬 수 있는 적어도 제1 자기 코어; 적어도 2개의 전기적 및 열적 전도 층들 및 적어도 하나의 전기적 절연 및 열적 전도 층을 포함하는 적어도 제1 다층 기판으로서, 상기 제1 다층 기판의 상기 전기적 및 열적 전도 층들 각각은 상기 전기적 절연 및 열적 전도 층들 중 각각 하나에 의해 상기 전기적 및 열적 전도 층들 중 다음 연속적인 층으로부터 전기적으로 분리되며, 상기 전기적 및 열적 전도 층들 중 적어도 제1 층은 적어도 제1 평면 트랜스포머의 제1 권선 및 제1 인덕터의 제1 권선을 형성하도록 패터닝되며, 상기 전기적 및 열적 전도 층들 중 적어도 제2 층은 상기 제1 평면 트랜스포머의 제2 권선을 형성하도록 패터닝되며, 상기 평면 트랜스포머의 제1 및 제2 권선 각각의 적어도 일부는 상기 자기 코어의 자기장 내에 배치되며, 상기 제1 다층 기판은 상기 히트 싱크에 열적으로 결합되는, 적어도 제1 다층 기판; 및 상기 제1 다층 기판의 상기 전기적 및 열적 전도 층들 중 한 층에 전기적으로 결합되는 적어도 제1 전력 반도체 디바이스로서, 상기 제1 전력 반도체 디바이스는 상기 제1 다층 기판을 통해서 상기 히트 싱크로부터 전기적으로 분리되고 상기 히트 싱크에 열적으로 결합되는, 적어도 제1 전력 반도체 디바이스를 포함한다.
또한 다른 양상에서, 전력 변환기를 형성하는 방법은: 히트 싱크를 제공하는 단계; 다수의 다층 스위치 기판들을 제공하는 단계로서, 상기 다층 스위치 기판들 각각은 적어도 2개의 전기적 및 열적 전도 층들 및 적어도 하나의 전기적 절연 및 열적 전도 층을 포함하며, 상기 다층 스위치 기판의 상기 전기적 및 열적 전도 층들 각각은 상기 전기적 절연 및 열적 전도 층들 중 각각의 층에 의해 상기 전기적 및 열적 전도 층들 중 다음 연속적인 층으로부터 분리되는, 다수의 다층 스위치 기판 제공 단계; 상기 다층 스위치 기판들 각각에 대해서, 상기 다층 스위치 기판의 상기 전기적으로 및 열적으로 전도 층들 중 한 층에 적어도 한 각 전력 반도체 디바이스를 땜납하는 단계; 상기 다층 스위치 기판들 각각에 대해서, 상기 다층 스위치 기판의 상기 전기적 절연 및 열적 전도 층들 중 하나를 상기 히트 싱크들에 땜납하는 단계; 자기 코어를 제공하는 단계; 적어도 2개의 전기적 및 열적 전도 층들 및 적어도 하나의 전기적 절연 및 열적 전도 층들을 포함하는 다층 트랜스포머 기판을 제공하는 단계로서, 상기 다층 트랜스포머 기판의 상기 전기적 및 열적 전도 층들 각각은 상기 전기적 절연 및 열적 전도 층들 각각의 층에 의해 상기 전기적 및 열적 전도 층들 중 다음 연속적인 층으로부터 분리되는, 다층 트랜스포머 기판 제공 단계; 제1 권선을 형성하기 위하여 상기 다층 트랜스포머 기판의 상기 전기적 및 열적 전도 층들 중 적어도 한 층을 패터닝하는 단계; 제2 권선의 각 부분들을 형성하기 위하여 상기 다층 트랜스포머 기판의 상기 전기적 및 열적 전도 층들 중 적어도 하나를 패터닝 하는 단계; 평면 트랜스포머를 형성하기 위하여 상기 자기 코어의 자기장 내에서 상기 제1 및 제2 권선들 각각의 적어도 일부를 배치하는 단계; 및 상기 다층 트랜스포머 기판의 상기 전기적 절연 및 열적 전도 층들을 상기 히트 싱크에 땜납하는 단계를 포함한다.
도1은 일 실시예에 따른 전력 변환기의 전기적 개요도.
도2a는 인버터, 정류기, 2개의 평면 트랜스포머들, 필터 인덕터들, 및 통합된 베이스 플레이트 히트 싱크를 도시하기 위하여 모듈 하우징으로부터 제거되는 커버를 갖는 도1의 전력 변환기의 일부의 상부 정면 좌측 등각도.
도2b는 도시된 일 실시예를 따른 통합된 베이스 플레이트 히트 싱크에 정류기의 각 스위치들을 물리적으로 그리고 열적으로 결합시키는 다수의 다층 스위치 기판들을 도시한 통합된 베이스 플레이트 히트 싱크의 일부를 상부 정면 좌측 등각도.
도2c는 도시된 또 다른 실시예를 따라서 통합된 베이스 플레이트 히트 싱크에 정류기의 각 스위치들을 물리적으로 그리고 열적으로 결합시키도록 전기적 및 열적 결합된 층에 형성된 2개의 개별적인 영역들을 각각 포함하는 2개의 다층 스위치 기판들을 도시한 통합된 베이스 플레이트 히트 싱크의 일부를 도시한 상부 정면 좌측 등각도.
도2d는 도시된 또 다른 실시예를 따라서 통합된 베이스 플레이트 히트 싱크에 정류기의 각 스위치들을 물리적으로 그리고 열적으로 결합시키기 위하여 전기적 및 열적 결합된 층에 형성된 4개의 개별적인 영역들을 포함하는 단일의 다층 스위 치 기판을 도시한 통합된 베이스 플레이트 히트 싱크의 일부의 상부 정면 좌측 등각도.
도3은 도시된 일 실시예를 따른 평면 트랜스포머들 중 한 트랜스포머의 상부 정면 좌측 등각도.
도4는 도3의 평면 트랜스포머의 분해된 상부 좌측 정면 등각도.
도5는 도시된 일 실시예를 따른 평면 인덕터의 하나의 상부 정면 좌측 등각도.
도6은 도5의 평면 인덕터의 분해된 상부 정면 좌측 정면 등각도.
도7a는 인버터 및 필터 인턱터들이 모듈 하우징에 있는 도시된 또 다른 실시예를 따른 전력 변환기의 상부 좌측 정면 등각도.
도7b는 도시된 또 다른 실시예를 따라서 통합된 베이스 플레이트 히트 싱크에 정류기 및 인버터의 각 스위치들을 물리적으로 그리고 열적으로 결합시키기 위하여 전기적 및 열적 결합된 층에 형성된 10개의 개별적인 영역들을 포함하는 단일의 다층 스위치 기판을 도시한 통합된 베이스 플레이트 히트 싱크의 일부의 상부 정면 좌측 등각도.
도7c는 도시된 또 다른 실시예를 따라서 2개의 트랜스포머들의 권선을 형성하기 위한 영역 뿐만 아니라 통합된 베이스 플레이트 히트 싱크에 정류기 및 인버터의 각 스위치들을 물리적으로 그리고 열적으로 결합시키기 위하여 전기적 및 열적 결합된 층에 형성된 10개의 개별적인 영역들을 포함하는 단일의 다층 스위치 기판을 도시한 통합된 베이스 플레이트 히트 싱크의 일부의 상부 정면 좌측 등각도.
도7d는 정류기의 전력 반도체 스위치들의 각 단자들에 트랜스포머들의 제2 측을 전기적으로 결합시키는 다층 기판의 전기적으로 그리고 열적으도 전도성 층들 중 하나의 사용을 도시한 도7c와 유사한 통합된 베이스 플레이트 히트 싱크의 일부를 도시한 상부 정면 좌측 등각도.
도7e는 정류기의 전력 반도체 스위치들의 각 단자 및 평면 인덕터들에 트랜스포머들의 제2 측을 전기적으로 결합시키는 다층 기판의 전기적 및 열적 전도 층들 중 하나의 이용을 도시한 도7d와 유사한 통합된 베이스 플레이트 싱크의 일부를 도시한 상부 정면 좌측 등각도.
도8은 도시된 실시예를 따른 통합된 베이스 플레이트 히트 싱크의 상부 정면 좌측 등각도.
도9는 도시된 실시예를 따른 결과적인 전압 및 전류 플롯들 뿐만 아니라 전력 변환기의 동작을 제어하기 위한 제어 신호들을 도시한 그래프.
도면에서, 유사한 소자들 및 단계들에 동일한 참조 번호들이 병기된다. 도면에서 소자들의 크기 및 상대 위치들은 반드시 원래 크기로 도시될 필요는 없다. 예를 들어, 각종 소자들의 형상들 및 각도들은 원래 크기 대로 도시되지 않고 이들 소자들 중 일부는 임의로 확대되고 도면의 판독성(legibility)을 개선시키기 위하여 위치된다. 게다가, 도시된 바와 같은 소자들의 특정 형상들은 특정 소자들의 실제 형상에 관한 임의의 정보를 커버하지 않도록 하고 도면에서 인식 용이성을 위하여서만 선택된다.
이하의 설명에서, 각종 실시예들의 철저한 이해를 위하여 특정 상세사항들이 설명된다. 그러나, 당업자는 본 발명이 이들 상세사항들 없이 실시될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 다른 예들에서, 전력 변환기들, 제어기들 및/또는 게이트 드라이브들과 관련된 널리 공지된 구조들은 실시예들의 설명을 불필요하게 모호하게 하는 것을 피하기 위하여 상세히 도시되지 않고 설명되지 않는다.
달리 필요로 되지 않는한, 이하의 명세서 및 청구범위에 걸쳐서, 단어 "포함하다" 및 "포함하는"과 같은 이의 파생어들은 개방된 의미면에서, 즉 "포함하는"것으로 제한되지 않는다.
"일 실시예" 또는 "실시예"에 대한 명세서에 걸쳐서, 이 실시예와 관련하여 설명된 특정 특징, 구조 또는 특성이 적어도 한 실시예에 포함된다는 것을 의미한다. 따라서, 이 명세서 전반에서 어구 "일 실시예에서" 또는 "실시예에서"의 형태는 동일한 실시예에 대해서 반드시 모두 참고하지는 않는다. 게다가, 특정 특징들, 구조들 또는 특성들은 하나 이상의 실시예들에서 임의의 적절한 방식으로 결합될 수 있다.
본원에 제공된 표제들은 간편성을 위한 것이지 청구된 발명의 범위 및 의미를 나타내는 것은 아니다.
도1은 전력 변환기(power converter; 10)가 DC/DC 전력 변환기의 형태를 취하는 도시된 일 실시예에 따른 전력 변환기(10)를 도시한 것이다. 전력 변환기(10)는 하나 이상의 부하들(R1, R2)에 공급하기 위한 전원(VI)에 의해 공급되는 전력을 변환 및/또는 조절하도록 동작될 수 있다. 전력 변환기(10)는 인버터(12), 정류 기(14), 및 인버터(12)와 정류기(14)를 갈바니적으로(galvanically) 결합시키는 한쌍의 트랜스포머들(T1, T2)을 포함할 수 있다. 전력 변환기(10)는 또한 전원(VI)으로부터 전력을 수신하기 위하여 전기적으로 결합될 수 있는 한쌍의 단자들(16a, 16b)을 포함할 수 있다. 전원(VI)은 예를 들어 연료 전지들 또는 광 전지들의 어레이들과 같은 에너지를 발생시키는 전원들 중 한 가지 이상의 형태를 취할 수 있으며, 및/또는 배터리 전지들 및/또는 슈퍼 커패시터들의 어레이들과 같은 하나 이상의 에너지 저장 전원들의 형태를 취할 수 있다. 전력 변환기(10)는 또한 하나 이상의 부하들(R1, R2)에 전력을 공급하기 위하여 전기적으로 결합될 수 있는 단자들(18a, 18b, 18c)의 세트를 포함한다.
인버터(12)는 전압 레일들(20a, 20b)에 의해 (집합적으로) 형성되는 인버터 측 버스(20)를 포함한다. 인버터(12)는 또한 상부 전력 반도체 스위치(S1) 및 하부 전력 반도체 스위치(S2)에 의해 형성되는 제1 위상 다리(phase leg; 12a), 상부 전력 반도체 스위치(S3) 및 하부 전력 반도체 스위치(S4)에 의해 형성되는 제2 위상 다리(12b), 및 상부 전력 반도체 스위치(S5) 및 하부 전력 반도체 스위치(S6)에 의해 형성되는 제3 위상 다리(12c)를 포함하는데, 이 위상 다리들(12a-12c) 각각은 전압 레일들(20a, 20b) 간에 전기적으로 결합된다. 전력 반도체 스위치들(S1-S6)은 예를 들어 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터들(MOSFETs), 절연된 게이트 바이폴라 트랜지스터들(IGBTs), 및/또는 고전력 동작에 적합한 다른 스위치들의 형태를 취할 수 있다.
인버터(12)는 전력 반도체 스위치들(S1-S6) 중 각각의 스위치들 역병 렬(anti-parallel)로 가로지르는 전기적으로 결합되는 전력 반도체 다이오드(D1-D6)들을 더 포함한다. 본원 및 청구항에 사용된 바와 같이, 용어 "전력 반도체 디바이스"는 전력 반도체 스위치 장치들, 전력 반도체 다이오드들, 및 전력 분배에 사용되는 다른 이와 같은 장치들, 예를 들어, 그리드(grid) 또는 운반 관련된 애플리케이션들을 포함한 표준 반도체 디바이스들에 대한 대전류들(large currents), 대전압들(large voltages) 및/또는 대량의 전력을 취급하도록 설계된 반도체 디바이스들을 포함한다. 일부 실시예들에서, 전력 반도체 다이오드들(D1-D6)은 예를 들어 바디 다이오드들로서 전력 반도체 스위치들(S1-S6)의 부분으로서 형성될 수 있는 반면에, 다른 실시예들에서 전력 반도체 다이오드들(D1-D6)은 이산 반도체 디바이스들(discrete semiconductor devices)의 형태를 취할 수 있다.
각 위상 다리(12a, 12b, 12c)를 형성하는 전력 반도체 스위치들(S1, S2, S3, S4, S5, S6)의 쌍 사이에 위상 노드(A, B, C)인데, 이 노드상에서 인버터(12)의 3개의 위상 출력의 각 위상이 동작동안 나타난다. 단일 스위치 및 다이오드와 같이 도시되었지만, 각 전력 반도체 스위치들(S1-S6) 및/또는 다이오드들(D1-D6)은 병렬로 전기적으로 결합되는 하나 이상의 전력 반도체 스위치들 및/또는 다이오드들의 형태를 취할 수 있다. 제어기(24)는 제어 신호들(26)을 통해서 전력 반도체 스위치들(S1-S6)을 제어한다.
인버터(12)는 인버터 측 버스(20)의 전압 레일들(20a, 20b)을 가로질러 전기저으로 결합되는 입력 커패시터(CI)를 더 포함할 수 있다.
정류기(14)는 도1에 도시된 전류 더블러 정류기(current doubler rectifier) 와 같은 능동 정류기의 형태를 취할 수 있다. 정류기(14)는 상부 전력 반도체 스위치(S7) 및 하부 전력 반도체 스위치(S9)에 의해 형성되는 제1 다리(14a) 및 상부 전력 반도체 디바이스 스위치(S8) 및 하부 전력 반도체 디바이스 스위치(S10)에 의해 형성되는 제2 다리(14b)를 포함한다. 정류기(14)는 또한 전력 반도체 스위치들(S7-S10) 중 각각에 가로지르는 역병렬로 전기적으로 결합되는 전력 반도체 다이오드들(D7-D10)을 포함한다. 일부 실시예들에서, 전력 반도체 다이오드들(D7-D10)은 예를 들어 바디 다이오드들(body diodes)로서 전력 반도체 스위치들(S7-S10)의 부분으로서 형성될 수 있는 반면에, 다른 실시예들에서, 전력 반도체 다이오드들(D7-D10)은 이산 반도체 디바이스들의 형태를 취할 수 있다. 단일 스위치 및 다이오드로서 도시되었지만, 전력 반도체 스위치들(S7-S10) 및/또는 다이오드들(D7-D10) 각각은 병렬로 전기적으로 결합되는 하나 이상의 전력 반도체 스위치들 및/또는 다이오드들의 형태를 취할 수 있다.
정류기(14)의 제1 및 제2 다리들(14a, 14b) 각각 간의 노드는 서로에 전기적으로 결합되어 정류기(14)를 위한 중립 노드(O)를 제공한다. 제어기(24)는 제어 신호들(28)을 통해서 전력 반도체 스위치들(S7-S10)을 제어한다.
트랜스포머들(T1, T2)은 갈바니 분리(galvanic isolation)를 제공하는 고주파수 트랜스포머들일 수 있고 전력 변환기(10)의 인버터 측 및 정류기 측 간에서 전압 스텝 업/다운시킬 수 있다. 각 트랜스포머(T1, T2)는 전력 변환기(10)의 전력을 절반씩 공유한다.
제1 트랜스포머(T1)는 제1 측(T1a) 및 제2 측(T1b)을 포함한다. 전력이 전 원(VI)으로부터 부하들(R1, R2)에 전달되는 경우, 제1 측(T1a)을 전형적으로 1차 권선이라 칭하고 제2 측(T1b)을 2차 권선이라 칭한다. 일부 실시예들에서, 전력은 예를 들어 재생 브레이킹 전력(regeneration braking power)이 "부하(들)"(R1, R2)(예를 들어, 전기 기계)로부터 "전원"(VI)(예를 들어, 배터리 및/또는 슈퍼 커패시터)로 전달될 수 있는 동안 대향 방향으로 전달될 수 있다. 결국, 용어들 제1 및 제2 측은 이 설명 전반에 걸쳐서 사용되고 청구항들에서 일반적으로 전력 전달의 방향과 관계없이 트랜스포머들(T1, T2)의 권선들이라 칭한다. 마찬가지로, 이 설명 및 청구항들 전반에 사용되는 바와 같이, 부하(들)(R1, R2)은 제2 모드(예를 들어, 재생 브레이킹)에서 전력을 발생시키는 동안 제1 모드(예를 들어, 구동)에서 전력을 소비할 수 있고, 전원(VI)은 제2 모드에서 전력을 소비 또는 저장하는 동안 제1 모드에서 전력을 제공할 수 있다. 다른 모드들 및 동작들이 가능하다.
제1 트랜스포머(T1)의 제1 측(T1a)은 한 쌍의 극들(T1c, T1d)를 포함하고 제2 측(T1b)은 또한 한쌍의 극들(T1e, T1f)을 포함한다. 마찬가지로, 제2 트랜스포머(T2)는 제1 측(T2a) 및 제2 측(T2b)을 포함한다. 제2 트랜스포머(T2)의 제1 측(T2a)은 한 쌍의 극들(T1c, T1d)를 포함하고, 제2 측(T2b)은 한 쌍의 극들(T2e, T2f)를 포함한다. 제2 트랜스포머(T2)의 제2 측(T2b)은 정류기(14)의 중립 노드(O)를 또한 포함하는 정류기 측 버스를 형성하는 각 전류 경로들(K, L, M, N)에 전기적으로 결합된다.
인버터(12)의 제1 위상 다리(12a)의 이 위상 노드(A)는 제1 트랜스포머(T1)의 제1 측(T1a)의 제1 극(T1c)에 전기적으로 결합된다. 인버터(12)의 제2 위상 다 리(12b)의 위상 노드(B)는 제1 트랜스포머(T1)의 제1 측(T1a)의 제2 극(T1b)에 그리고 제2 트랜스포머(T2)의 제1 측(T2a)의 제1 극(T2c)에 전기적으로 결합된다. 인버터(12)의 제3 위상 다리(12c)의 위상 노드(C)는 제2 트랜스포머(T2)의 제1 측(T2a)의 제2 극(T2d)에 전기적으로 결합된다.
정류기(14)의 제1 다리(14a)는 전류 경로(K)를 통해서 제1 트랜스포머(T1)의 제2 측(T1b)의 제1 극(T1e) 및 전류 경로(N)을 통해서 제2 트랜스포머(T2)의 제2 측(T2b)의 제2 극(T2f) 사이에 전기적으로 결합된다. 정류기(14)의 제2 다리(14b)는 전류 경로(L)를 통해서 이 제1 트랜스포머(T1)의 제2 측(T1b)의 제2 극(T1f) 및 전류 경로(M)을 통해서 제2 트랜스포머(T2)의 제2 측(T2b)의 제1 극(T2e) 사이에 전기적으로 결합된다. 필터 인덕터(L1, L2, L3, L4)는 전류 경로들(K, L, M, N) 및 단자들(18a-18c)를 통해서 트랜스포머들(T1, T2)의 2차 측들(T1c, T2c)의 각 극(T1e, T1f, T2e, T2f) 사이에 전기적으로 결합된다. 필터 인덕터들(L1-L4)은 부하 전류를 공유한다. 출력 커패시터들(CO1, CO2)은 단자들(18a-18b, 18b-18c)의 각 쌍에 가로질러 전기적으로 결합된다.
제어기(24)는 인버터(12)의 전력 반도체 스위치들(S1-6) 및/또는 정류기(14)의 전력 반도체 스위치들(S7-S10) 각각을 제어하도록 제어 신호들(26, 28)을 제공한다. 제어기(24)는 마이크로프로세서, 디지털 신호 처리기(DSP) 및/또는 주문형 반도체(ASIC)와 같은 마이크로컨트롤러의 형태를 취할 수 있다. 제어기(24)는 전원(VI)으로부터의 입력에 대해서 전압 또는 전류를 감지하는 전압 센서(40a) 및/또는 전류 센서(40b)로부터 전압 및 전류 측정들과 같은 입력 신호들을 수신할 수 있 다. 제어기(24)는 출력 전압 및/또는 전류를 측정하는 전압 센서(42a) 및/또는 전류 센서(42b)로부터 전압 및/또는 전류 신호들을 부가적으로 또는 교호적으로(alternatively) 수신할 수 있다.
도 2a는 도시된 일 실시예를 따른 전력 모듈(50)을 도시하는데, 이 전력 모듈(50)은 도1의 파선 박스(52)로 도시된 전력 변환기(10)의 일부를 하우징한다. 특히, 전력 모듈(50)은 집합적으로 하우징을 형성하는, 전기적으로 절연성의 리드 프레임(54), 통합된 베이스 플레이트 히트 싱크(integrated base plate heat sink; 56) 및 전기적으로 절연성의 커버(58)을 포함한다. 이 도면은 도시된 실시예에서 전력 반도체 스위치들(S6-S10)의 일부로서 형성되는 전력 반도체 다이오드들(D6-D10)을 개별적으로 콜아웃(call out)하지 않는다. 도 2a에 도시된 바와 같이, 도1에 도시된 전력 반도체 스위치들(S6-S10) 각각은 실제로, 서로에 병렬로 전기적으로 결합되는 하나 이상의 (4개 도시됨) 전력 반도체 스위치들(S6-S10)의 형태를 취할 수 있다.
리드 프레임(54)은 다수의 외부 단자들 또는 커넥터들을 지지하여, 리드 프레임(54), 히트 싱크(56) 및 커버(58)에 의해 형성되는 하우징으로부터 외부에서 전기 결합을 시킨다. 예를 들어, 전력 모듈(50)은 다수의 단자들(60a-60d)을 포함하여, 인버터(12)의 위상 노드들(A, B, C) 및 트랜스포머들(T1, T2)의 제1 측들(T1a, T2a)의 극들 간을 전기적 결합시킨다. 특히, 제1 단자(60a)는 와이어 본드들(61)을 통해서 인버터(12)의 위상 노드(A)를 트랜스포머(T1)의 제1 극(T1c)에 전기적으로 결합시킨다. 제2 단자(60b) 및 제3 단자(60c)는 인버터(12)의 위상 노 드(B)를 와이어 본드들(61)을 통해서 제1 트랜스포머(T1)의 제2 극(T1d) 및 제2 트랜스포머(T2)의 제1 극(T2c) 각각에 전기적으로 결합시킨다. 제4 단자(60d)는 인버터(12)의 위상 노드(C)를 와이어 본드들(61)을 통해서 제2 트랜스포머(T2)의 제2 극(T2d)에 전기적으로 결합시킨다. 도 2a는 단지 전기 결합당 하나의 와이어 본드(61)를 도시하지만, 가장 실용적인 애플리케이션들은 각 전기적 결합을 위한 다수의 와이어 본드들을 포함한다.
또한 예를 들어, 다수의 단자들 또는 커넥터들은 정류기(14)를 필터 인덕터들(L1-L4) 및 단자들(18a-18c)로 와이어 본드들(도시되지 않음)을 통해서 전기적으로 결합시킨다. 예를 들어, 한 쌍의 단자들(62a, 62b)은 정류기(12)의 중립 노드(O)를 단자(18b)에 전기적으로 결합시킨다. 다른 단자들(64a-64d)은 정류기(14) 및/또는 트랜스포머들(T1, T2)의 제2 측들(T1b, T2b)을 전류 경로들(K-N)을 통해서 필터 인덕터들(L1-L2)에 전기적으로 결합시킨다.
단자들 또는 핀들(66a, 66b, 66c, 66d)과 같은 커넥터들은 제어기(24)로부터의 제어 신호들(28)을 와이어 본드들(도시되지 않음)을 통해서 정류기(14)의 전력 반도체 스위치들(S7-S10)에 전기적으로 결합시킨다. 이 핀들(66a-66d)은 중립 노드(O)에 접속되는 단자(18b)에 근접하여 위치된다.
전력 모듈(50) 내에 많은 전기적인 결합들은 와이어 본드들을 통해서 유용하게 이루어진다. 예를 들어, 단자들(60a-60d) 및 트랜스포머들(T1, T2)의 제1 측(T1a, T2a) 간의 전기적인 결합들은 와이어 본드들(61)을 통해서 이루어진다. 또한 예를 들어, 트랜스포머들(T1, T2)의 제2 측(T1b, T2b) 및 전력 반도체 스위치 들(S7-S10) 및 전력 반도체 다이오드들(D7-D10) 간의 전기적인 결합들은 와이어 본드들(도시되지 않음)을 통해서 이루어진다. 게다가, 단자들(62a, 62b, 64a-64b) 및 전력 반도체 스위치들(S7-S10) 및 전력 반도체 다이오드들(D7-D10) 간의 전기 결합들은 또한 와이어 본드(도시되지 않음)를 통해서 이루어진다.
도 2b 내지 도 2d는 다수의 도시된 실시예들에 따라서 정류기(14)의 전력 반도체 스위치들(S7-S10) 및 전력 반도체 다이오드들(D7-D10)이 물리적으로 설치되고(physically mounted) 하나 이상의 다층 스위치 기판들(44)에 의해 통합된 베이스 플레이트 히트 싱크(56)에 열적으로 결합되는 방법을 도시한 것이다. 다층 스위치 기판들(44)은 전기적 및 열적 전도성인 제1 층(44a), 전기적으로 절연성이고 열적으로 전도성인 제2 층(44b), 및 전기적 및 열적 전도성인 제3 층(44c)을 포함한다. 일부 실시예들에서, 다층 스위치 기판(44)은 더 많은 수의 층들을 포함할 수 있다.
특히, 도2b는 다수의 다층 스위치 기판들(44)이 제공되는 일 실시예를 도시한 것인데, 상기 한 기판은 정류기(14)를 형성하는 전력 반도체 디바이스들(S7-S10) 및 관련된 전력 반도체 다이오드들(D7-D10) 각각을 위한 것이다. 따라서, 도 2b의 이 실시예는 정류기(14)를 위한 총 4개의 개별적인 다층 스위치 기판들(44)을 포함할 수 있다.
도 2c는 다수의 다층 스위치 기판들(44)이 제공되는 또 다른 실시예를 도시한 것인데, 상기 한 기판은 정류기(14)의 각 다리(14a, 14b)를 위한 것이다. 이와 같은 실시예에서, 다층 기판들(44) 각각의 전기적 및 열적 전도 층(44a)은 정류 기(14)의 각 다리(14a, 14b)를 형성하는 전력 반도체 디바이스들(S7-S10) 및 관련된 전력 반도체 다이오드들(D7-D10) 각각을 설치하기 위한 개별적인 영역을 형성한다.
도 2d는 전체 정류기(14)를 형성하기 위한 단일의 다층 스위치 기판(44)이 제공되는 부가적인 실시예를 도시한 것이다. 다수의 개별적인 영역들은 제1의 전기적 및 열적 전도 층(44a)에 형성되는데, 이 영역들은 전기적으로 서로로부터 분리된다. 이 실시예에서, 정류기(14)를 형성하는 전력 반도체 디바이스들(S7-S10) 및 관련된 전력 반도체 다이오드들(D7-D10) 각각을 위한 하나의 영역이 존재함으로, 총 4개의 개별적인 영역들이 존재하게 된다.
일반적으로, 더 적은 개별적인 다층 기판들(44, 70)을 포함하면 부품 수를 감소시키고 제조 동작들의 수를 감소시킬 수 있지만, 개별적인 영역들을 형성하는 것이 제조 동작들을 절감하는 것을 일부 상쇄시킬 수 있다. 그러나, 이와 같은 수의 감소는 전형적으로 남아있는 다층 기판(들)(44, 70)의 크기의 증가를 수반한다. 이 크기 증가는 다층 기판들(44, 70)이 겪는 응력들(stresses)을 증가시킴으로, 예를 들어, 땜납 리플로우(solder reflow)로 인한 균열 발생과 같은, 결함 발생 확률을 증가시킨다.
도3 및 도4는 트랜스포머들(T1) 중 하나를 더욱 상세하게 도시한 것이다. 제2 트랜스포머(T2)는 제1 트랜스포머(T1)의 구성과 유사한 구성을 가질 수 있다.
트랜스포머(T1)는 다층 트랜스포머 기판(70) 및 자기 코어(72)를 포함한다. 다층 트랜스포머 기판(70)은 전기적 및 열적 전도성인 제1 층(70a), 전기적으로 절 연성이고 열적으로 전도성인 제2 층(70b), 전기적 및 열적 전도성인 제3 층(70c), 전기적으로 절연성이고 열적으로 전도성인 제4 층(70d), 및 전기적 및 열적 전도성인 제5 층(70f)을 포함한다. 다층 트랜스포머 기판(70)은 예를 들어 층수 및 트랜스포머의 1차 및 2차 권선들 간의 "회전수(turns)" 비를 가변시키며 및/또는 와전류들(eddy currents)을 감소시킴으로써 트랜스포머(T1)의 성능을 가변시키기 위하여 더 많은 수의 층들을 포함할 수 있다
제1 층(70a) 및 제5층(70e)은 제1 권선의 부분들을 형성하기 위하여 패터닝되고 제1 권선을 형성하기 위하여 비아들(vias; 74a, 74b) 및 접속 패드들(74c, 74d, 74e)를 통해서 전기적으로 결합된다. 제3 층(70c)은 또한 제2 권선을 형성하기 위하여 패터닝된다. 이 도면들은 제2 권선보다 더 많은 층들을 포함하는 제1 권선을 도시하지만, 일부 실시예들에서 제2 권선은 제1 권선보다 더 많은 층들을 포함할 수 있거나 제1 및 제2 권선들은 동일한 수의 층들을 포함할 수 있다.
제5 층(70e)은 예를 들어 땜납에 의해 히트 싱크(56)에 다층 트랜스포머 기판(70)을 부착시키기 위하여 설치 영역들(mounting area; 70f)을 형성하도록 또한 패터닝될 수 있다. 이는 다층 기판(70) 및 통합된 베이스 플레이트 히트 싱크(56) 간의 결합 면적을 감소시켜 예를 들어 땜납 리플로우 동안 균열과 같은 불완전성 확률 및 관련된 응력들을 감소시킨다.
자기 코어(72)는 다층 트랜스포머 기판(70)의 제1 및 제2 권선들 주위를 감싸는 2개 이상의 부분들(72a, 72b)을 포함할 수 있다. 자기 코어(72)의 일부(72c)는 다층 트랜스포머 기판(70)의 층들(70a-70e) 각각에 형성되는 개구(70g)를 통해 서 수용될 수 있다.
다층 트랜스포머 기판(70)은 각종 기술들 및 재료들을 이용하여 형성될 수 있는데, 예를 들어, 다층 기판들(70)은 예를 들어 텍사스에 소재하는 Curamik Electronics of Addison으로부터 입수할 수 있는 직접 본딩된 구리(DBC; direct bonded copper) 기판들의 형태를 취할 수 있다. 게다가 또는 대안적으로, 다층 기판들(70)은 예를 들어, 미네소타에 소재하는 Bergquist Company of Chanhassen으로부터 입수할 수 있는 절연된 금속 기판들(IMS;insulated metal substrates)의 형태를 취할 수 있다.
전기적 및 열적 전도 층들은 구리, 알루미늄 및/또는 다른 양호한 전기적이고 열적인 컨덕터들과 같은 다양한 형태들을 취할 수 있다. 전형적으로 막 형태로 제공되지만, 전기적 및 열적 전도 층들은 다른 형태들, 예를 들어, 스탬프된 시트 금속(stamped sheet metal)을 취할 수 있다. 전기적으로 절연성이고 열적으로 전도 층들은 예를 들어, 오하이오에 소재하는 Du Pont de Nemours, High Performance Materials of Circleville로부터 입수할 수 있는 Kapton®막과 같은 열적으로 향상된 폴리이미드 막의 형태를 취할 수 있다. 게다가 또는 대안적으로, 전기적 절연 및 열적 전도 층들은 예를 들어 알루미나, 질화 알루미늄 및/또는 질화 실리콘 세라믹과 같은 적절한 세라믹의 형태를 취할 수 있다. 일 실시예에서, 다층 트랜스포머 기판(70)은 에폭시 계 접착제(epoxy based adhesive)와 같은 접착제를 이용하여 오하이오에 소재하는 Du Pont de Nemours, High Performance Materials of Circleville로부터 입수할 수 있는 Mylar®막과 같은 절연 층들과 함께 적층되는 스탬프된 시트 금속의 층들의 형태를 취한다.
다층 스위치 및 트랜스포머 기판들(44, 70)은 땜납 리플로우 기술들을 통해서 통합된 베이스 플레이트 히트 싱크(56)에 부착될 수 있다. 예를 들어, 전력 반도체 스위치들(S1-S10) 및 전력 반도체 다이오드들(D1-D10)은 각 다층 기판들(44, 70)상에 땜납될 수 있으며, 그 후, 이 기판들은 통합된 베이스 플레이트 히트 싱크(56)상에 위치된다. 그 후, 다층 기판들(44, 70)은 동시에 및/또는 단일 단계(single act)에서 예를 들어 땜납 리플로우 기술들을 이용하여 오븐에서 가열을 통해서 통합된 베이스 플레이트 히트 싱크(56)에 땜납된다.
대안적으로, 다층 기판들(44, 70)은 통합된 베이스 플레이트 히트 싱크(56) 상에 위치될 수 있는데, 이 전력 반도체 스위치들(S1-S10) 및 전력 반도체 다이오드들(D1-D10)은 다층 기판들(44, 70) 상에 위치될 수 있다. 전력 반도체 스위치들(S1-S10) 및 전력 반도체 다이오드들(D1-D10) 간의 접속들 및 다층 기판들(44, 70) 및 통합된 베이스 플레이트 히트 싱크(56) 간의 접속들은 동시에 및/또는 단일 단계에서 예를 들어 땜납 리플로우 기술들을 이용하여 오븐에서 가열을 통해서 이루어질 수 있다.
도5 및 도6은 도시된 일 실시예를 따른 평면 인덕터로서 형성되는 인덕터들(L1) 중 하나를 도시한다. 다른 인덕터들(L2-L4)은 제1 평면 인덕터(L1)의 구성과 유사한 구성을 가질 수 있다. 대안적으로, 전력 변환기(10)는 종래의 인덕터들을 채용할 수 있다.
인덕터(L1)는 다층 인덕터 기판(80) 및 자기 코어(82)를 포함한다. 다층 인 덕터 기판(80)은 전기적 및 열적 전도성인 제1 층(80a), 전기적으로 절연성이고 열적으로 전도성인 제2 층(80b), 전기적 및 열적 전도성인 제3 층(80c), 전기적으로 절연성이고 열적으로 전도성인 제4 층(80d) 및 전기적 및 열적 전도성인 제5 층(80f)를 포함한다. 다층 인덕터 기판(80)은 예를 들어 층들의 수 및 인덕터의 권선들의 "회전" 비를 가변시키며 및/또는 와전류를 감소시킴으로써 평면 인덕터(L1)의 성능을 가변시키기 위하여 더 많은 수의 층들을 포함할 수 있다.
제1 층(80a) 및 제3 층(80c)은 제1 권선의 부분들을 형성하기 위하여 패터닝되고 제1 권선을 형성하기 위하여 비아들(84a, 84b) 및 접속 패드들(84c, 84d)을 통해서 전기적으로 결합된다.
자기 코어(82)는 다층 인덕터 기판(80)의 제1 권선 주위를 감싸는 2개 이상의 부분들(82a, 82b)를 포함할 수 있다. 자기 코어(82)의 일부분(82c)은 다층 인덕터 기판(80)의 층들(80a-80e)의 각각에 형성되는 개구(80g)를 통해서 수용될 수 있다.
다층 인덕터 기판(80)은 각종 기술들 및 재료들을 이용하여 형성될 수 있는데, 예를 들어, 다층 기판들(80)은 예를 들어 텍사스에 소재하는 Curamik Electronics of Addison로부터 입수할 수 있는 직접 본딩된 구리(DBC) 기판들의 형태를 취할 수 있다. 게다가 또는 대안적으로, 다층 기판들(70)은 예를 들어, 미네소타에 소재하는 Bergquist Company of Chanhassen으로부터 입수할 수 있는 절연된 금속 기판들(IMS)의 형태를 취할 수 있다.
전기적 및 열적 전도 층들은 구리, 알루미늄 및/또는 다른 양호한 전기적이 고 열적인 컨덕터들과 같은 다양한 형태들을 취할 수 있다. 전형적으로 막 형태로 제공되지만, 전기적 및 열적 전도 층들은 다른 형태들, 예를 들어 스탬프된 시트 금속을 취할 수 있다. 전기적으로 절연성이고 열적으로 전도 층들은 예를 들어 오하이오에 소재하는 Du Pont de Nemours, High Performance Materials of Circleville로부터 입수할 수 있는 Kapton®막과 같은 열적으로 향상된 폴리이미드 막의 형태를 취할 수 있다. 게다가 또는 대안적으로, 전기적 절연 및 열적 전도 층들은 예를 들어 알루미나, 질화 알루미늄 및/또는 질화 실리콘 세라믹과 같은 적절한 세라믹의 형태를 취할 수 있다. 일 실시예에서, 다층 인덕터 기판(80)은 에폭시 계 접착제와 같은 접착제를 이용하여 오하이오에 소재하는 Du Pont de Nemours, High Performance Materials of Circleville로부터 입수할 수 있는 Mylar®막과 같은 절연 층들과 함께 적층되는 스탬프된 시트 금속의 층들의 형태를 취한다.
다층 스위치 및 인덕터 기판들(44, 70)은 땜납 리플로우 기술들을 통해서 통합된 베이스 플레이트 히트 싱크(56)에 부착될 수 있다. 예를 들어, 전력 반도체 스위치들(S1-S10) 및 전력 반도체 다이오드들(D1-D10)은 각 다층 기판들(44, 70)상에 땜납될 수 있으며, 그 후, 이 기판들은 통합된 베이스 플레이트 히트 싱크(56)상에 위치된다. 그 후, 다층 기판들(44, 80)은 동시에 및/또는 단일 단계에서 예를 들어 땜납 리플로우 기술들을 이용하여 오븐에서 가열을 통해서 통합된 베이스 플레이트 히트 싱크(56)에 땜납된다.
대안적으로, 다층 기판들(44, 80)은 통합된 베이스 플레이트 히트 싱크(56) 상에 위치될 수 있는데, 이 전력 반도체 스위치들(S1-S10) 및 전력 반도체 다이오 드들(D1-D10)은 다층 기판들(44, 70) 상에 위치될 수 있다. 전력 반도체 스위치들(S1-S10) 및 전력 반도체 다이오드들(D1-D10) 간의 접속들 및 다층 기판들(44, 80) 및 통합된 베이스 플레이트 히트 싱크(56) 간의 접속들은 동시에 및/또는 단일 단계에서 예를 들어 땜납 리플로우 기술들을 이용하여 오븐에서 가열을 통해서 이루어질 수 있다.
서술된 기술들은 전력 모듈을 제조시에 수반되는 단계들의 수를 감소시킴으로써 제조 비용을 감소시키고 또한 각종 소자들이 열 사이클들을 덜 겪음으로 신뢰성 및 처리량을 증가시키는데 유용하다.
도 7a는 제어기(24) 이외의 도1의 전체 전력 변환기(10)을 하우징하는 또 다른 도시된 실시예를 따른 전력 모듈(50)을 도시한다. 특히, 도 7a의 전력 모듈(50)은 인버터(12), 정류기(14) 및 트랜스포머들(T1, T2)를 포함한다. 한쌍의 단자들(20a, 20b)은 전원(VI)에 전기 접속을 이루도록 한다. 3개의 단자들(18a, 18b, 18c)은 부하(들)(R1, R2)에 전기 접속들을 이루도록 한다. 단자들(18a, 18c)은 버스 바들(bus bars; 90a, 90b)로서 형성될 수 있다. 단자들 또는 핀들(95a-95f)과 같은 커넥터들은 인버터의 전력 반도체 스위치들(S1-S6)을 동작시키기 위한 제어기(24)로부터 제어 신호들(26)을 수신한다. 인버터(12)의 전력 반도체 스위치들(S1-S6) 및 관련된 전력 반도체 다이오드들(D1-D6)은 단지 몇개만이 도시된 와이어 본드들(91)을 통해서 트랜스포머들(T1, T2)의 제1 측들(T1a, T2a)에 유리하게 전기적으로 결합될 수 있다. 트랜스포머들(T1, T2)의 제1 측들(T1a, T2a)은 단지 몇개만이 도시된 와이어 본드들(93)을 통해서 정류기(14)의 전력 반도체 스위치 들(S7-S10) 및 관련된 전력 반도체 다이오드들(D7-D10)에 전기적으로 결합될 수 있다.
도7a의 실시예에서, 전력 모듈(50)은 인버터(12)를 형성하는 전력 반도체 스위치들(S1-S10) 및 관련된 전력 반도체 다이오드들(D1-D10)을 통합된 베이스 플레이트 히트 싱크(56)에 설치하기 위한 하나 이상의 부가적인 다층 스위치 기판들(44)을 포함한다.
예를 들어, 전력 모듈(50)은 정류기(14)를 위한 도 2b에 도시된 방식과 유사한 방식으로 인버터(12)의 전력 반도체 스위치들(S1-S6) 및 관련된 전력 반도체 다이오드들(D1-D6) 쌍 각각을 위한 분리된 다층 스위치 기판(44)을 포함할 수 있다. 따라서, 전력 모듈(50)은 인버터(12)를 위한 6개의 분리된 다층 스위치 기판들(44)을 포함할 수 있다.
또한, 예를 들어, 전력 모듈(50)은 인버터(12)의 각 위상 다리(12a-12c)를 위한 분리된 다층 스위치 기판(44)을 포함할 수 있다. 각 다층 스위치 기판(44)의 전기적으로 전도 층(44a)은 2개의 개별적인 영역들로 형성되는데, 상기 한 영역은 정류기(14)를 위한 도2d와 유사한 방식으로 각 위상 다리(12a-12c)의 전력 반도체 스위치들(S1 내지 S6) 및 관련된 전력 반도체 다이오드들(D1-D6) 각각을 위한 것이다. 따라서, 전력 모듈(50)은 인버터(12)용 3개의 부가적인 다층 스위치 기판들(44)을 포함할 수 있다.
부가적인 예에서, 전력 모듈(50)은 정류기(14)에 대한 도 2d와 유사한 방식으로 인버터(12)의 모든 전력 반도체 스위치들(S1-S6) 및 관련된 전력 반도체 다이 오드들(D1-D6)을 설치하기 위한 단일의 부가적인 다층 스위치 기판(44)을 포함할 수 있다. 따라서, 다층 스위치 기판(44)은 전기적 및 열적 전도 층(44a)에 형성되는 6개의 개별적인 영역들을 포함할 수 있는데, 상기 한 영역은 각 전력 반도체(S1-S6) 및 관련된 다이오드(D1-D6) 쌍을 위한 것이다.
상술된 실시예들 이외에도, 도 7b에 도시된 부가적인 실시예는 정류기(14)를 형성하는 전력 반도체 디바이스들(S7-S10) 및 관련된 전력 반도체 다이오드들(D7-D10)과 함께 인버터(12)를 형성하는 전력 반도체 스위치들(S1-S6) 및 관련된 전력 반도체 다이오드들(D1-D6)를 설치하기 위한 단일 다층 스위치 기판(44)을 도시한다. 따라서, 이와 같은 실시예는 제1 전기적 및 열적 전도 층(44a)에 형성되는 10개의 개별적인 영역들을 포함하는데, 이 영역들은 서로로부터 전기적으로 분리된다.
도 7c는 적어도 3개의 전기적 및 열적 전도 층들(70a, 70c, 70e) 및 전기적 및 열적 전도 층들(70a-70c, 70c-70e)의 각 쌍들을 분리하는 적어도 2개의 전기적 절연 및 열적 전도 층들(70b, 70d)을 포함하는 단일의 다층 스위치 기판(70)을 도시한다. 다층 스위치 기판(70)의 제2 전기적 및 열적 전도 층(70c)은 10개의 개별적인 영역들을 형성한다. 이 영역들은 도 7b에 도시된 방식과 유사하게, 인버터(12)를 형성하는 전력 반도체 스위치들(S1-S6) 및 관련된 전력 반도체 다이오드들(D1-D6)(도 7c에 도시되지 않음)을 설치하기 위하여 그리고 정류기(14)를 형성하는 전력 반도체 디바이스들(S7-S10) 및 관련된 전력 반도체 다이오드들(D7-D10)(도 7c에 도시되지 않음)을 설치하기 위하여 서로로부터 전기적으로 분리된다. 적어도 제1 및 제3 전기적 및 열적 전도 층들(70a, 70e)은 패터닝되고 서로에 전기적으로 결합되어 트랜스포머(T1, T2)의 제1 권선을 형성한다. 적어도 제2의 전기적 및 열적 전도 층(70c)은 트랜스포머(T1, T2)의 제2 권선을 형성하도록 패터닝된다.
도 7c는 3개의 전기적 및 열적 전도 층들(70a, 70c, 70e) 및
2개의 전기적 절연 및 열적 전도 층들(70b, 70d)을 도시하지만, 다층 기판(70)은 더 많은 수의 층들을 포함할 수 있다. 게다가, 전력 반도체 디바이스들(S1-S10, D1-D10)이 제2의 전기적 및 열적 전도 층에 설치된 것으로 도시되지만, 이들 전력 반도체 디바이스들의 일부 또는 전부는 전기적 및 열적 전도 층들 중 다른 한 층들 상에 설치될 수 있다.
도 7d는, 다수의 와이어 본드들을 유용하게 제거하도록, 트랜스포머들(T1, T2)의 제2 측들(T1b, T2b)을 정류기(14)의 전력 반도체 다이오드들(D7-D10) 및/또는 전력 반도체 스위치들(S7-S10)의 각 단자들(예를 들어, 드레인/콜렉터)에 전기적으로 결합시키기 위하여 다층 기판(70)의 제2 전기적 및 열적 전도 층(70c) 중 하나를 사용하는 것을 도시한 도 7c와 유사한 통합된 베이스 플레이트 히트 싱크의 일부를 도시한다. 다른 실시예들은 예를 들어 와이어 본드들을 제거하기 위하여, 유사한 방식으로 동일하거나 다른 전기적 및 열적 전도 층들(70a, 70c, 70e)를 채용한다.
도 7e는, 다수의 와이어 본드들을 유용하게 제거하도록, 트랜스포머들(T1, T2)의 제2 측들(T1b, T2b)을 정류기(14)의 전력 반도체 다이오드들(D7-D10) 및/또는 전력 반도체 스위치들(S7-S10)의 각 단자들(예를 들어, 드레인/콜렉터) 및 평 면 인덕터들(L1-L4)에 전기적으로 결합시키기 위하여 다층 기판(70)의 제2 전기적 및 열적 전도 층(70c) 중 하나를 사용하는 것을 도시한 도 7d와 유사한 통합된 베이스 플레이트 히트 싱크의 일부를 도시한다. 다른 실시예들은 예를 들어 와이어 본드들을 제거하기 위하여, 유사한 방식으로 동일하거나 다른 전기적 및 열적 전도 층들(70a, 70c, 70e)를 채용한다.
도8은 일 실시예를 따른 통합된 베이스 플레이트 히트 싱크(56)를 도시한다. 통합된 베이스 플레이트 히트 싱크(56)는 플레이트 부(plate section; 56a) 및 도관부(conduit section; 56b)를 포함할 수 있다. 플레이트부(56a)는 다층 트랜스포머 기판(70)이 표면(92)과 동일한 평면이 되도록 하는 부분(72b)와 같은 자기 코어(72)의 일부를 수용하도록 크기 및 치수가 정해진 한 쌍의 리세스들(92a, 92b)를 갖는 상부 표면(92)을 포함한다. 도관부(56b)는 입구(94a), 출구(94b) 및 제1 경로부(96a) 및 제2 경로부(96b)로 형성된 경로를 포함하는데, 이들은 흡입부(inlet; 94a) 및 배출부(outlet; 94b)와 유체 흐르도록 결합된다(fluidly commnicatingly coupled). 플레이트(92)는 플레이트(56a)로부터 도관부들(96a, 96b)을 통과하는 유체에 열을 전달하기 위한 부분들(96a, 96b)에 수용되는 상부 표면(92)에 대향되는 표면상에 핀들(fins) 또는 핀들(pins)(97)과 같은 열 방사 구조체들을 포함할 수 있다. 전력 변환기(10)는 통합된 베이스 플레이트 히트 싱크(56)로부터 열을 전달하는 것을 돕도록 도관부들(96a, 96b)을 통해서 유체를 순환시키기 위하여 예를 들어, 펌프, 컴프레셔(compressor) 및/또는 팬을 포함한 순환 시스템(도시되지 않음)을 포함할 수 있다. 통합된 베이스 플레이트 히트 싱크(56)로서 도시되지만, 다른 실시예는 히트 싱크들의 다른 형태들을 채용할 수 있다.
도9는 기간(Ts)에 걸쳐서 각종 시간 간격들(t0-t12)에서 인버터(12)의 반도체 스위치들(S1-S6)에 인가되는 스위칭 신호들, 트랜스포머(T1)의 제1 측(T1a)에 인가되는 전압(UAB) 및 제2 트랜스포머(T2)의 제1 측(T2a)에 인가되는 전압(UBC)을 도시한 타이밍 도를 도시한 것이다. 도9는 또한 필터 인덕터들(L1-L4)의 전류 출력(IL1-IL4)을 각각 도시한 것이다.
인버터(12)의 각 위상 다리(12a-12c)의 전력 반도체 스위치들(S1-S6)(도1) 각각은 거의 50% 듀티 사이클 구형 파형을 발생시킨다. 인버터(12)의 제1 및 제2 위상 다리들(12a, 12b)은 제1 트랜스포머(T1)의 제1 측 또는 권선(T1a)에 인가되는 3개의 레벨 구형 파형(UAB)을 발생시키도록 제어되는 위상 시프트이다. 인버터(12)의 제2 다리(12b) 및 제3 다리(12c)는 위상 시프트되어 제2 트랜스포머(T2)의 제1 측 또는 권선(T2a)에 3가지 레벨 구형파형(UBC)을 발생시키도록 제어된다. 따라서, 위상(B)는 하나의 고전압 다리(즉, 적어도 전력 반도체 스위치들 및 관련된 전력 반도체 다이오드들) 및 게이트 드라이버 회로를 유용하게 절약시키면서 트랜스포머들(T1, T2)에 의해 공유되어 2개의 종래 풀 브리지 DC/DC 변환기(full bridge DC/DC converter)들과 등가를 형성한다.
2개의 출력들(UAB 및 UBC)은 서로에 위상 고정됨(phase locked)으로, 제2 위상 다리(12b)(위상 B)는 트랜스포머들(T1)에서 부하 전류에 의해 넓은 소프트-스위 칭 범위(soft-switching range)를 성취할 수 있다. 소프트 스위칭은 트랜스포머들(T1)의 누설 인덕턴스(leakage inductance)에 저장되는 에너지에 좌우됨이 없이 필터 인덕터들(L1-L4)에 저장되는 에너지에 의해 성취된다. 출력 전압(Vout1)은 위상 시프트 각(φAB)에 의해 조절되고 출력 전압(Vout2)은 위상 시프트 각(φBC)에 의해 조절된다.
전력 변환기(10)는 단일 출력 또는 이중 출력 중 어느 하나로서 구성될 수 있다. 단일 출력 구성에서, 출력들(Vout1 및 Vout2)은 출력 전류/전력을 2배로 하기 위하여 모두 병렬로 된다. Vout1 및 Vout2가 단일 출력 전압 구성에서 모두 병렬로 되면, 위상 시프트 각들(φAB, φBC)은 동일하게 된다. 이중 출력 구성에서, Vout1 및 Vout2은 독립적으로 제어될 수 있다.
상술된 인터리빙된 풀 브리지 DC/DC 전력 변환기(10)는 높은 냉각제 온도(예를 들어, 105℃)에서 동작하고 고 신뢰성을 제공하기 위하여 수용가능한 레벨들에서 전류 및 열 응력을 유지하면서 출력 전력 용량을 2배로 한다. 소프트 스위칭은 광범위의 부하들에 걸쳐서 성취되어 트랜스포머들(T1, T2) 및 필터 인덕터들(L1-L4)에서 부하 전류에 의해 고 효율 동작을 제공하고 스위칭 손실들을 감소시킨다. 따라서, 서술된 전력 변환기는 고 전력 밀도 및 높은 냉각제 온도로 높은 전력 변환을 효율적으로 제공할 수 있다. 인터리빙은 또한 입력 및 출력 커패시터들(CI, CO1, CO1)로의 고주파수 리플 전류(high frequency ripple current)를 유용하게 감소시킨다. 인버터(12)의 위상 다리(12a-12c)의 공유는 통상적으로 요구되는 것보다 하나 적은 인버터 위상 다리(즉, 적어도 2개의 전력 반도체 스위치들 및 관련된 다이오드들)를 사용하도록 하여, 신뢰성을 증가시키면서 부품 수, 복잡도 및 비용을 감소시킨다. 전력 변환기(10)는 단일 또는 이중 출력 유닛 중 어느 하나로서 부가적으로 손쉽게 구성될 수 있다.
상술된 전력 변환기(10)에서 평면 트랜스포머들 및/또는 평면 인덕터들의 통합은 종래의 공냉식 헤비 쿠퍼(air-cooled heavy copper) 인쇄 회로 기판 권선들 및 전통적인 감겨진 와이어 인덕터들의 사용을 피하게 하거나 감소시킨다. 평면 트랜스포머들 및/또는 평면 인덕터들의 통합은 상술된 바와 같은 직접 와이어 본딩 접속들을 채용함으로써 고 주파수들에서 특히 문제가 되는 접촉들에 관련된 옴 손실들 및 인덕턴스를 감소시킨다. 누설 인덕턴스 및 AC 손실은 평면 트랜스포머들(T1, T2) 및 평면 인덕터들(L1, L2, L3 및 L4)의 납작한 권선 구조를 채용함으로써 감소될 수 있다. 서술된 전력 변환기(10)에서 평면 트랜스포머들 및/또는 평면 인덕터들을 사용하는 것은 유용하게, 자기 코어 윈도우 이용율을 증가시키며, 자기 코어 값을 감소시키고, 전력 밀도를 증가시킬 수 있다. 상술된 전력 변환기(10)는 또한 향상된 EMI 성능을 제공할 수 있다.
전력 변환기에 대한 예들의 특정 실시예들 및 방법이 예시를 위하여 본원에 설명되었지만, 각종 등가의 수정들이 본 발명의 원리 및 범위를 벗어남이 없이 이루어질 수 있다는 것을 당업자는 인지할 것이다. 본원에 제공된 개시내용은 반드시 일반적으로 상술된 평면 트랜스포머 또는 평면 인덕터들을 갖는 DC/DC 인터리빙된 전력 변환기가 아니라 전력 변환기들에 적용될 수 있다.
예를 들어, 전력 변환기(10)는 제2 위상 다리(12b)가 아니라 제1 또는 제3 위상 다리들(12a, 12c)를 공유할 수 있다. 또한 예를 들면, 이 개시내용은 3개의 위상 인버터(12)로 제한되는 것이 아니라 예를 들어 훨씬 더 많은 수의 위상 다리들을 갖는 인버터들에도 적용되어 훨씬 더 높은 전력을 제공한다. 예를 들어, 전력 변환기(10)는 인버터(12)에 부가되는 제4 위상 다리 및 제3 위상 다리(12c) 및 상기 부가된 위상 다리 간에 전기적으로 결합되는 제3 트랜스포머를 포함할 수 있다. 전력 변환기는 50%의 전력 증가를 제공하기 위하여 제3 트랜스포머의 제2 측으로부터 공급되는 정류기에 전력 반도체 스위치들 및 이와 관련된 다이오드들을 부가함과 함께 2개의 필터 인덕터들을 또한 포함할 수 있다. 또한 예를 들어, 동기화된 정류는 선택적이고 일부 실시예들에서 생략될 수 있는데, 예를 들어 다이오드 정류기로 대체된다. 부가적인 예로서, 통합된 평면 트랜스포머들 또는 평면 인덕터들은 인버터들 및/또는 정류기들과 같은 다른 전력 변환기들에 유용하게 채용될 수 있다. 또 다른 예로서, 인터리빙은 통합된 평면 트랜스포머들 또는 평면 인덕터들 없이 유용하게 채용될 수 있다.
상술된 각종 실시예들은 부가적인 실시예들을 제공하기 위하여 결합될 수 있다. 2003년 12월 16일에 출원된 발명의 명칭이 "Power Module With Heat Exchange"인 미국 특허 출원 일련 번호 10/738,926; 2003년 10월 16일에 출원된 발명의 명칭이 "Power Converter Employing A Planar Transformer"인 미국 특허 출원 일련 번호 10/688,834; 가출원 일련 번호 60/560,755호로 변환된 2004년 6월 4일에 출원된 발명의 명칭이 "Integration of Planar Transformer and Power Switches in Power Converter"인 미국 특허 출원 10/861,241; 2004년 6월 4일에 출원된 발명의 명칭이 "Interleaved Power Converter"인 미국 특허 출원 일련 번호 10/861,319을 포함하지만 이에 제한되지 않는 본 명세서에 언급되며 및/또는 출원 데이터 시트에 리스트되는 모든 미국 특허들, 미국 특허 출원 공개들, 미국 특허 출원들, 외국 특허들, 외국 특허 출원들 및 비특허 공개들이 본원에 전반적으로 참조되어 있다. 본 발명의 양상들은 본 발명의 부가적인 실시예를 제공하기 위하여 각종 특허들, 출원들 및 공개들의 시스템들, 회로들 및 개념들을 채용하기 위하여 필요한 경우 수정될 수 있다.
상술된 설명과 관련하여 이들 및 다른 변화들이 본 발명에 대해서 행해질 수 있다. 일반적으로, 이하의 청구항들에서, 사용된 용어들은 본 명세서 및 청구항들에 서술된 특정 실시예들로 본 발명을 제한하는 것으로 해석되는 것이 아니라 모든 전력 변환기들을 포함하는 것으로 해석되어야 한다. 따라서, 본 발명은 이 설명에 의해 제한되는 것이 아니라 대신 본 발명의 범위는 이하의 청구항들에 의해 전체적으로 결정되어야 한다.

Claims (47)

  1. 전력 변환기(power converter)에 있어서:
    히트 싱크(heat sink);
    적어도 2개의 전기적 및 열적 전도성인 층들(eletrically and thermally conductive layers), 및 적어도 하나의 전기적 절연 및 열적 전도 층(electically insulative and thermally conductive layer)을 포함하는 제1 다층 기판으로서, 상기 제1 다층 기판의 전기적 및 열적 전도 층들 각각은 전기적 절연이며 열적 전도 층들 중 각각의 층에 의해 전기적 및 열적 전도 층들 중 다음 연속적인 층으로부터 전기적으로 분리되는, 제1 다층 기판;
    상기 제1 다층 기판의 상기 전기적 및 열적 전도 층들 중 최외곽의 한 층의 일부에 전기적으로 결합되는 적어도 제1 전력 반도체 디바이스로서, 상기 제1 전력 반도체 디바이스는 상기 제1 다층 기판을 통해서 상기 히트 싱크로부터 전기적으로 분리되고 상기 히트 싱크에 열적으로 결합되는, 적어도 제1 전력 반도체 디바이스;
    자기장(magnetic field)을 발생시킬 수 있는 자기 코어(magnetic core); 및
    적어도 2개의 전기적 및 열적 전도 층들 및 적어도 하나의 전기적 절연 및 열적 전도 층을 포함하는 적어도 제2 다층 기판으로서, 상기 제2 다층 기판의 상기 전기적 및 열적 전도 층들 각각은 상기 전기적 절연 및 열적 전도 층들 중 각각의 층에 의해 상기 전기적 및 열적 전도 층들 중 다음 연속적인 층으로부터 전기적으로 분리되며, 상기 전기적 및 열적 전도 층들 중 적어도 제1 층은 제1 권선을 형성 하도록 패터닝되며, 상기 전기적 및 열적 전도 층들 중 적어도 제2 층은 제2 권선을 형성하도록 패터닝되며, 상기 제1 및 제2 권선들 각각의 적어도 일부는 평면 트랜스포머(planar transformer)를 형성하기 위하여 자기 코어의 자기장 내에서 배치되며, 상기 제2 다층 기판은 상기 히트 싱크에 열적으로 결합되는, 적어도 제2 다층 기판을 포함하는, 전력 변환기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 다층 기판 내의 상기 전기적 및 열적 전도 층들의 수는 정수 n이고 상기 전기적 절연 및 열적 전도 층들의 수는 정수 n-1인, 전력 변환기.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1 다층 기판은 땜납을 통해서 히트 싱크에 직접 열적으로 결합되는, 전력 변환기.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제1 전력 반도체 디바이스(power semiconductor device)는 땜납을 통해서 상기 제1 다층 기판의 상기 전기적 및 열적 전도 층들 중 최외곽 층에 직접 표면 설치되는, 전력 변환기.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제1 전력 반도체 디바이스는 땜납을 통해서 상기 제1 다층 기판의 상기 전기적 및 열적 전도 층들 중 최외곽 층에 직접 표면 설치되는 전력 스위칭 트랜지스터이며,
    상기 전력 변환기는, 다이오드 형태의 제2 전력 반도체 디바이스로서, 상기 다이오드는 상기 전력 스위칭 트랜지스터와 역병렬로 땜납을 통해서 상기 제1 다층 기판의 상기 전기적 및 열적 전도 층들 중 최외곽 한 층에 직접 표면 설치되는, 제2 전력 반도체 디바이스를 더 포함하는, 전력 변환기.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제1 다층 기판의 전기적 및 열적 전도 층들 중 최외곽 한 층은 서로에 대해서 전기적으로 분리되는 적어도 2개의 개별적인 영역들을 포함하며, 상기 제1 전력 반도체 디바이스는 상기 영역들의 제1 영역에 열적으로 결합되며,
    상기 전력 변환기는, 상기 영역들 중 제2 영역에 열적으로 결합되는 적어도 제2 전력 반도체 디바이스를 더 포함하는, 전력 변환기.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 다층 기판에 대해서 전기적으로 분리되는 적어도 제3 다층 기판으로서, 상기 제3 다층 기판은 적어도 2개의 전기적 및 열적 전도 층들 및 적어도 하나의 전기적 절연 및 열적 전도 층을 포함하고, 상기 제3 다층 기판의 상기 전기적 및 열적 전도 층들의 각각은 상기 전기적 절연 및 열적 전도 층들 중 각각의 층에 의해 상기 전기적 및 열적 전도 층들 중 다음 연속적인 층으로부터 분리되는, 적어도 제3 다층 기판; 및
    상기 제3 다층 기판의 상기 전기적 및 열적 전도 층들 중 최외곽 층의 일부 에 전기적으로 결합되는 적어도 제2 전력 반도체 디바이스로서, 상기 제2 전력 반도체 디바이스는 상기 제3 다층 기판을 통해서 상기 히트 싱크로부터 전기적으로 분리되고 상기 히트 싱크에 열적으로 결합되는, 적어도 제2 전력 반도체 디바이스를 더 포함하는, 전력 변환기.
  8. 제7항에 있어서, 상기 제1 및 제2 전력 반도체 디바이스들은 브리지의 다리로서 전기적으로 결합되고 정류기(rectifier) 또는 인버터 중 적어도 하나로서 동작될 수 있는, 전력 변환기.
  9. 제7항에 있어서,
    제3 전력 반도체 디바이스로서, 상기 제1 전력 반도체 디바이스는 정류기의 다리로서 상기 제3 전력 반도체 디바이스에 전기적으로 결합되는, 제3 전력 반도체 디바이스; 및
    제4 전력 반도체 디바이스로서, 상기 제2 전력 반도체 디바이스는 인버터의 다리로서 상기 제4 전력 반도체 디바이스에 전기적으로 결합되는, 제4 전력 반도체 디바이스를 더 포함하는, 전력 변환기.
  10. 제1항에 있어서, 상기 히트 싱크는 입구(inlet), 출구(outlet) 및 냉각제 유체를 운반하기 위한 입구 및 출구와 유체 연결되는 적어도 하나의 캐비티(cavity)를 포함하는, 전력 변환기.
  11. 제1항에 있어서, 상기 제1 다층 기판의 상기 전기적 및 열적 전도 층들 중 한 층에 전기적으로 결합되는 적어도 제1 평면 인덕터(planar inductor)를 더 포함하는, 전력 변환기.
  12. 제1항에 있어서,
    적어도 3개의 전기적 및 열적 전도 층들 및 적어도 2개의 전기적 절연 및 열적 전도 층들을 포함하는 적어도 제3 다층 기판으로서, 상기 제2 다층 기판의 상기 전기적 및 열적 전도 층들 각각은 상기 전기적 절연 및 열적 전도 층들 중 각각의 층에 의해 상기 전기적 및 열적 전도 층들 중 다음 연속적인 층으로부터 전기적으로 분리되며, 상기 전기적 및 열적 전도 층들 중 적어도 한 층은 제1 권선을 형성하기 위하여 패터닝되며, 상기 전기적 및 열적 전도 층들 중 적어도 2개는 평면 인덕터를 형성하도록 패터닝되고 서로 전기적으로 결합되며, 상기 제3 다층 기판은 상기 히트 싱크에 열적으로 결합되는, 전력 변환기.
  13. 제1항에 있어서, 상기 제2 다층 기판의 층들 중 최외곽의 한 층은 땜납을 통해서 상기 히트 싱크에 열적 전도적으로 결합되는, 전력 변환기.
  14. 제1항에 있어서, 상기 제1 다층 기판의 전기적 및 열적 전도 층들 중 제1 층은 서로에 대해서 전기적으로 분리되는 적어도 4개의 영역들을 포함하며, 상기 제1 전력 반도체 디바이스는 상기 제1 다층 기판의 상기 제1 층의 상기 영역들 중 제1 영역에 열적으로 결합되며;
    상기 제1 다층 기판의 상기 제1 층의 영역들 중 제2 영역에 열적으로 결합되는 적어도 제2 전력 반도체 디바이스;
    상기 제1 다층 기판의 제1 층의 영역들 중 제3 영역에 열적으로 결합되는 적어도 제3 전력 반도체 디바이스; 및
    상기 제1 다층 기판의 상기 제1 층의 영역들 중 제4 영역에 열적으로 결합되는 적어도 제4 전력 반도체 디바이스를 더 포함하는, 전력 변환기.
  15. 제14항에 있어서, 상기 제1 평면 트랜스포머의 제2 권선에 상기 제1, 제2, 제3 및 제4 전력 반도체 디바이스들 각각을 전기적으로 결합시키는 다수의 와이어 본드들을 더 포함하는, 전력 변환기.
  16. 제14항에 있어서, 상기 제1, 제2, 제3 및 제4 전력 반도체 디바이스들은 전류 더블러 정류기(current doubler rectifier)로서 전기적으로 결합되는, 전력 변환기.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 제1 다층 기판에 대해서 전기적으로 분리되는 적어도 제3 다층 기판으로서, 상기 제3 다층 기판은 적어도 제1 층, 제2 층 및 제3 층을 포함하며, 상기 제1 층은 제2 인덕터를 형성하기 위하여 패터닝되는 전기적 및 열적 전도 재료를 포함하며, 상기 제2 층은 전기적 절연 및 열적 전도 재료를 포함하며, 상기 제3 층은 전기적 및 열적 전도 재료를 포함하며, 상기 제2 층은 상기 제1 층으로부터 상기 제3 층을 전기적으로 분리하며, 상기 제3 다층 기판의 제3 층은 상기 히트 싱크에 열적으로 결합되는, 적어도 제3 다층 기판; 및,
    상기 제3 다층 기판의 상기 제1 층의 제1 부분에 열적으로 결합되는 적어도 제2 전력 반도체 디바이스를 더 포함하는, 전력 변환기.
  18. 제17항에 있어서, 상기 제1 및 제2 전력 반도체 디바이스들은 정류기의 일부를 형성하도록 전기적으로 결합되는, 전력 변환기.
  19. 제17항에 있어서, 상기 제1 및 제2 전력 반도체 디바이스들은 인버터의 일부를 형성하도록 전기적으로 결합되는, 전력 변환기.
  20. 제17항에 있어서, 상기 제1 및 제2 전력 반도체 디바이스들 각각을 상기 제1 평면 트랜스포머의 권선들 중 적어도 한 권선에 전기적으로 결합시키는 다수의 와이어 본드들을 더 포함하는, 전력 변환기.
  21. 제17항에 있어서,
    상기 제1 및 제3 다층 기판들에 대해서 전기적으로 분리되는 적어도 제4 다 층 기판으로서, 상기 제4 다층 기판은 적어도 제1 층, 제2 층 및 제3 층을 포함하며, 상기 제1 층은 제3 인덕터를 형성하도록 패터닝되는 전기적 및 열적 전도 재료를 포함하며, 상기 제2 층은 전기적 절연 및 열적 전도 재료를 포함하며, 상기 제3 층은 전기적 및 열적 전도 재료를 포함하며, 상기 제2 층은 상기 제1 층으로부터 상기 제3 층을 전기적으로 분리하며, 상기 제4 다층 기판의 제3 층은 상기 히트 싱크에 열적으로 결합되는, 적어도 제4 다층 기판;
    상기 제4 다층 기판의 상기 제1 층의 제1 부분에 전기적 및 열적으로 결합되는 적어도 제3 전력 반도체 디바이스;
    상기 제1, 제3 및 제4 다층 기판들에 대해서 전기적으로 분리되는 적어도 제5 다층 기판으로서, 상기 제5 다층 기판은 적어도 제1 층, 제2 층 및 제3 층을 포함하며, 상기 제1 층은 제4 인덕터를 형성하도록 패터닝되는 전기적 및 열적 전도 재료를 포함하며, 상기 제2 층은 전기적 절연 및 열적 전도 재료를 포함하며, 상기 제3 층은 전기적 및 열적 전도 재료를 포함하며, 상기 제2 층은 상기 제1 층으로부터 상기 제3 층을 전기적으로 분리하며, 상기 제5 다층 기판의 제3 층은 상기 히트 싱크에 열적으로 결합되는, 적어도 제5 다층 기판; 및
    상기 제5 다층 기판의 상기 제1 층의 제1 부분에 전기적 및 열적으로 결합되는 적어도 제4 전력 반도체 디바이스로서, 상기 제1, 제2, 제3 및 제4 전력 반도체 디바이스들은 정류기 브리지(rectifier bridge)로서 전기적으로 결합되는, 적어도 제4 전력 반도체 디바이스를 더 포함하는, 전력 변환기.
  22. 제21항에 있어서, 상기 정류기 브리지는 전류 더블러 정류기인, 전력 변환기.
  23. 제21항에 있어서,
    적어도 제6, 제7, 제8, 제9, 제10 및 제11 다층 기판으로서, 상기 제6, 제7, 제8, 제9, 제10, 및 제11 다층 기판들 각각은 상기 다른 다층 기판들에 대해서 전기적으로 분리되며, 상기 제6, 제7, 제8, 제9, 제10, 및 제11 다층 기판들 각각은 적어도 제1 층, 제2 층 및 제3 층을 포함하며, 상기 제1 층은 각 인덕터를 형성하기 위하여 패터닝되는 전기적 및 열적 전도 재료를 포함하며, 상기 제2 층은 전기적 절연 및 열적 전도 재료를 포함하며, 상기 제3 층은 전기적 및 열적 전도 재료를 포함하며, 상기 제2 층은 상기 제1 층으로부터 상기 제3 층을 전기적으로 분리하며, 상기 제6, 제7, 제8, 제9, 제10, 및 제11 다층 기판들 각각의 제3 층은 상기 히트 싱크에 열적으로 결합되는, 적어도 제6, 제7, 제8, 제9, 제10 및 제11 다층 기판; 및
    상기 제6, 제7, 제8, 제9, 제10 및 제11 다층 기판들 각각의 제1 층의 제1 부분에 전기적 및 열적으로 결합되는 적어도 제5, 제6, 제7, 제8, 제9, 및 제10 전력 반도체 디바이스로서, 상기 제5, 제6, 제7, 제8, 제9, 및 제10 전력 반도체 디바이스들은 인버터로서 서로 전기적으로 결합되는, 적어도 제5, 제6, 제7, 제8, 제9, 및 제10 전력 반도체 디바이스를 더 포함하는, 전력 변환기.
  24. 제19항에 있어서, 상기 제1 다층 기판은 직접 본딩 구리 기판(direct bonding copper substrate)을 포함하는, 전력 변환기.
  25. 제19항에 있어서, 상기 제1 다층 기판은 절연된 금속 기판을 포함하는, 전력 변환기.
  26. 제19항에 있어서, 상기 히트 싱크는 입구, 출구, 및 액체 냉각제를 운반하기 위해 상기 입구 및 상기 출구와 유체 연결되는 적어도 하나의 캐비티를 포함하는, 전력 변환기.
  27. 제19항에 있어서, 상기 히트 싱크는 상기 제1 및 제2 권선들이 상기 히트 싱크의 표면에 인접하도록 자기 코어의 일부를 수용하도록 하는 크기 및 치수가 되는 리세스(recess)를 형성하는, 전력 변환기.
  28. 제19항에 있어서,
    한 쌍의 DC 입력 단자들; 및
    한 쌍의 DC 출력 단자들을 더 포함하는, 전력 변환기.
  29. 제19항에 있어서, 상기 제1 권선은 1차 권선(primary winding)으로서 전원에 전기적으로 결합되는, 전력 변환기.
  30. 제19항에 있어서, 상기 제1 권선은 2차 권선(secondary winding)으로서 부하(load)에 전기적으로 결합되는, 전력 변환기.
  31. 제1항에 있어서, 상기 제1 다층 기판의 상기 전기적 및 열적 전도 층들 중 하나에 전기적으로 결합되는 적어도 제1 평면 인덕터를 더 포함하는, 전력 변환기.
  32. 제1항에 있어서,
    적어도 제1 층, 제2 층, 및 제3 층을 포함하는 적어도 제3 다층 기판을 더 포함하며, 상기 제1 층은 전기적 및 열적 전도 재료를 포함하며, 상기 제2 층은 전기적으로 절연 및 열적 전도 재료를 포함하며, 상기 제3 층은 전기적 및 열적 전도 재료를 포함하며, 상기 제1 층은 제2 인덕터를 형성하기 위하여 패터닝되며, 상기 전기적 및 열적 전도 층들 중 최외곽 층은 상기 히트 싱크에 열적으로 결합되는, 전력 변환기.
  33. 제1항에 있어서, 상기 제2 다층 기판은:
    제4층 및 제5층을 더 포함하고, 상기 제4층은 전기적 절연 및 열적 전도 재료를 포함하며, 상기 제5 층은 전기적 및 열적 전도 재료를 포함하며, 상기 제4 층은 상기 제5층으로부터 상기 제3 층을 전기적으로 분리하며, 상기 제5 층은 상기 제2 권선을 형성하기 위하여 패터닝되고 상기 패터닝된 제1 층에 직렬로 전기적으 로 결합되는, 전력 변환기.
  34. 전력 변환기를 형성하는 방법에 있어서:
    히트 싱크를 제공하는 단계;
    다수의 다층 스위치 기판들을 제공하는 단계로서, 상기 다층 스위치 기판들 각각은 적어도 2개의 전기적 및 열적 전도 층들 및 적어도 하나의 전기적 절연 및 열적 전도 층을 포함하고, 상기 다층 스위치 기판의 상기 전기적 및 열적 전도 층들 각각은 상기 전기적 절연 및 열적 전도 층들 중 각각의 층에 의해 상기 전기적 및 열적 전도 층들 중 다음 연속적인 층으로부터 분리되는, 다수의 다층 스위치 기판들 제공 단계;
    상기 다층 스위치 기판들 각각에 대해서, 상기 다층 스위치 기판의 상기 전기적 및 열적 전도 층들 중 한 층에 적어도 하나의 각각의 전력 반도체 디바이스를 땜납하는 단계;
    상기 다층 스위치 기판들 각각에 대해서, 상기 다층 스위치 기판의 상기 전기적 절연 및 열적 전도 층들 중 하나를 상기 히트 싱크에 땜납하는 단계;
    자기 코어를 제공하는 단계;
    적어도 2개의 전기적 및 열적 전도 층들 및 적어도 하나의 전기적 절연 및 열적 전도 층들을 포함하는 다층 트랜스포머 기판을 제공하는 단계로서, 상기 다층 트랜스포머 기판의 상기 전기적 및 열적 전도 층들 각각은 상기 전기적 절연 및 열적 전도 층들 각각의 층에 의해 상기 전기적 및 열적 전도 층들 중 다음 연속적인 층으로부터 분리되는, 다층 트랜스포머 기판 제공 단계;
    제1 권선을 형성하기 위하여 상기 다층 트랜스포머 기판의 상기 전기적 및 열적 전도 층들 중 적어도 한 층을 패터닝하는 단계;
    제2 권선의 각 부분들을 형성하기 위하여 상기 다층 트랜스포머 기판의 상기 전기적 및 열적 전도 층들 중 적어도 하나를 패터닝 하는 단계;
    평면 트랜스포머를 형성하기 위하여 상기 자기 코어의 자기장 내에 상기 제1 및 제2 권선들 각각의 적어도 일부를 배치하는 단계; 및
    상기 다층 트랜스포머 기판의 상기 전기적 절연 및 열적 전도 층들 중 적어도 하나를 상기 히트 싱크에 땜납하는 단계를 포함하는, 전력 변환기를 형성하는 방법.
  35. 제34항에 있어서, 상기 다층 스위치 기판의 상기 전기적 절연 및 열적 전도 층들 중 적어도 하나를 상기 히트 싱크에 땜납하는 단계 및 상기 다층 트랜스포머 기판의 상기 전기적 절연 및 열적 전도 층들 중 하나를 상기 히트 싱크에 땜납하는 단계는 동시에 수행되는, 전력 변환기를 형성하는 방법.
  36. 제34항에 있어서, 상기 다층 스위치 기판의 상기 전기적 절연 및 열적 전도 층들 중 적어도 하나를 상기 히트 싱크에 땜납하는 단계 및 상기 다층 트랜스포머 기판의 상기 전기적 절연 및 열적 전도 층들 중 하나를 상기 히트 싱크에 땜납하는 단계는 단일 리플로우 프로세스(single reflow process)에서 수행되는, 전력 변환 기를 형성하는 방법.
  37. 제34항에 있어서, 적어도 하나의 각각의 전력 반도체 디바이스를 상기 다층 스위치 기판의 상기 전기적 및 열적 전도 층들 중 하나에 땜납하는 단계는 상기 다층 스위치 기판의 상기 전기적 절연 및 열적 전도 층들 중 적어도 하나를 상기 히트 싱크에 땜납하기 전에 발생되는, 전력 변환기를 형성하는 방법.
  38. 제34항에 있어서, 상기 전력 반도체 디바이스의 적어도 일부를 상기 제1 또는 제2 권선들 중 적어도 하나에 와이어 본딩하는 단계를 더 포함하는, 전력 변환기를 형성하는 방법.
  39. 제34항에 있어서, 상기 전력 반도체 디바이스들 모두를 상기 제1 또는 제2 권선들 중 적어도 하나에 와이어 본딩하는 단계를 더 포함하는, 전력 변환기를 형성하는 방법.
  40. 제34항에 있어서, 상기 전력 반도체 디바이스들 중 4개를 정류기로서 서로에 와이어 본딩하는 단계를 더 포함하는, 전력 변환기를 형성하는 방법.
  41. 제34항에 있어서, 상기 전력 반도체 디바이스들 중 6개를 3개의 위상 인버터(three phase inverter)로서 서로 와이어 본딩하는 단계를 더 포함하는, 전력 변 환기를 형성하는 방법.
  42. 전력 변환기에 있어서:
    히트 싱크;
    자기장을 발생시킬 수 있는 자기 코어;
    적어도 2개의 전기적 및 열적 전도 층들, 및 적어도 하나의 전기적 절연 및 열적 전도 층을 포함하는 적어도 제1 다층 기판으로서, 상기 제1 다층 기판의 상기 전기적 및 열적 전도 층들 각각은 상기 전기적 절연 및 열적 전도 층들 중 각각의 층에 의해 상기 전기적 및 열적 전도 층들 중 다음 연속적인 층으로부터 전기적으로 분리되며, 상기 전기적 및 열적 전도 층들 중 적어도 제1 층은 제1 권선을 형성하도록 패터닝되며, 상기 전기적 및 열적 전도 층들 중 적어도 제2 층은 제2 권선을 형성하도록 패터닝되며, 상기 제1 및 제2 권선들 각각의 적어도 일부는 평면 트랜스포머를 형성하기 위하여 상기 자기 코어의 자기장 내에 배치되며, 상기 제1 다층 기판은 상기 히트 싱크에 열적으로 결합되는, 상기 적어도 제1 다층 기판; 및
    상기 제1 다층 기판의 상기 전기적 및 열적 전도 층들 중 하나에 전기적으로 결합되는 적어도 제1 전력 반도체 디바이스로서, 상기 제1 전력 반도체 디바이스는 상기 제1 다층 기판을 통해서 상기 히트 싱크로부터 전기적으로 분리되고 상기 히트 싱크에 열적으로 결합되는, 상기 적어도 제1 전력 반도체 디바이스를 포함하는, 전력 변환기.
  43. 제42항에 있어서, 상기 제1 전력 반도체 디바이스는 상기 제1 다층 기판의 상기 전기적 및 열적 전도 층들 중 최외곽 층에 표면 설치되는, 전력 변환기.
  44. 제42항에 있어서, 상기 제1 전력 반도체 디바이스는 상기 제1 다층 기판의 상기 전기적 및 열적 전도 층들 중 내부 층에 표면 설치되는, 전력 변환기.
  45. 제42항에 있어서, 상기 제1 다층 기판의 상기 전기적 및 열적 전도 층들 중 한 층에 전기적으로 결합되는 적어도 제1 평면 인덕터를 더 포함하는, 전력 변환기.
  46. 제45항에 있어서, 상기 제1 평면 인덕터는 상기 제1 다층 기판의 상기 전기적 및 열적 전도 층들 중 한 층에 표면 설치되는, 전력 변환기.
  47. 제42항에 있어서, 상기 전기적 및 열적 전도 층들 중 적어도 제3 층은 상기 제2 권선을 형성하기 위하여 패터닝되고 상기 전기적 및 열적 전도 층들 중 상기 제2 층에 전기적으로 결합되는, 전력 변환기.
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