KR20220129076A

KR20220129076A - 알루미늄 스너버 커패시터가 통합된 전력 모듈

Info

Publication number: KR20220129076A
Application number: KR1020227029514A
Authority: KR
Inventors: 토마스 이벨; 안드레아스 슐레츠
Original assignee: 시드단스크 유니베르시테; 프라운호퍼 게젤샤프트 쭈르 푀르데룽 데어 안겐반텐 포르슝 에. 베.
Priority date: 2020-01-31
Filing date: 2021-01-27
Publication date: 2022-09-22
Also published as: CN115151987A; WO2021151952A1; EP4097748A1; US20230032223A1

Abstract

본 발명은 전력 소자, 베이스플레이트, 회로 캐리어, 및 음극층, 종이 및 전해질을 포함하는 분리측 및 알루미늄 소재와 알루미늄 산화물 유전체를 포함하는 양극층의 계층 구조를 포함하는 평판 적층 알루미늄 전해 스너버 커패시터를 포함하고, 회로 캐리어는 베이스플레이트에 장착되고, 전력 소자 및 스너버 커패시터는 전력 모듈 내의 회로 캐리어에 배치되고 회로 캐리어에 전기적으로 연결되고, 회로 캐리어는 전력 소자 및 스너버 커패시터 간의 전기 연결을 제공하도록 구성되는 것인 전력 모듈에 관한 것이다.

Description

알루미늄 스너버 커패시터가 통합된 전력 모듈

본 발명은 알루미늄 전해질 스너버 커패시터가 통합된 전력 모듈에 관한 것이다.

전력 모듈은 많은 다른 용도로 사용된다. 전력 모듈의 일반적인 용도는 전력의 제어 및 변환이다. 전력 모듈의 한 예는, 전력을 직류에서 교류로 변환할 수 있는 IGBT (절연 게이트 양극성 트랜지스터) 모듈이다. 전력 변환 중 전압 스파이크 또는 과전압이 생성된다. 이러한 스파이크는 전력 모델에 의해 구동되는 장비 및 어플리케이션을 손상시키거나 높은 견고성 마진 (robustness margin)을 필요로 하기 때문에, 이러한 스파이크는 출력 전압이 사용되기 위해 억제되어야 한다.

전압 스파이크를 감쇠하기 위해, 스너버 커패시터가 회로에서 흔히 사용된다. 스너버 커패시터의 선택은 전력 모듈의 구동 환경에 따라 선택된 것이지만, 일반적으로, 커패시터는 높은 피크 전류, 높은 전압 스트레스 및 높은 온도를 견딜 수 있을 것이 요구된다. 현재, 세라믹 및 필름 커패시터가 이러한 높은 온도 및 스트레스를 견딜 수 있기 때문에, 스너버 커패시터로 사용된다. 하지만, 이러한 커패시터의 히트싱크는 구동 중 충분히 냉각되기 어렵기 때문에, 열저항이 이상적이지 않고, 그러므로 전력 모듈 자체에 통합될 수 없다. 스너버 커패시터는 고전압 전원 모듈에서 높은 커패시턴스를 가져야 하며, 이는 다시 주로 세라믹 및 필름 커패시터를 가리킨다.

하지만, 세라믹 커패시터는 비싸다. 커패시터를 전력 모듈에 통합시키는 것은 열역학적 거동으로 인한 견고한 설계를 수행하기 위해 커패시터 자체에 대한 깊은 지식을 필요로 한다. 세라믹 커패시터는 나아가 자가 치유 능력을 보유하지 않는다. 단락 회로는 수명종료 고장 모드이며, 이는 대부분의 어플리케이션에서 허용되지 않는다. 견고성 요건을 충족하기 위해, 세라믹 커패시터는 단일 커패시터의 중복 가능성을 갖도록 종종 직렬로 연결된다. 나아가, 세라믹 커패시터는 때때로 낮은 기생 직렬 저항으로 인한 링잉 및 전압 피크를 일으키며, 이는 온도, 주파수 및 전압에 크게 의존할 수 있다. 이러한 특성들은 바람직하지 않다.

폴리머 필름 커패시터는 높은 에너지 밀도를 가지지 않으므로, 부피가 매우 크고 통합시키기 어렵다. 폴리머 소재는 열전도율이 매우 좋지 않다. 그러므로, 대량의 전력 손실을 생성하기 위해 기생 저항이 사용될 수 없다. 스너버 어플리케이션의 경우, 옴 저항기가 부가 장치가 되어야 한다. 필름 커패시터의 금속화는 매우 얇아야 하고 필름의 온도는 커패시터에 자체 청소 능력을 제공하기 위해 매우 낮아야 한다.

따라서, 더 개선되고 단순한 전력 모듈이 유리할 것이고, 특히, 전력 모듈에 통합될 수 있는 스너버 커패시터가 유리할 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 종래 기술에 대한 대안을 제공하는 것이다.

특히, 본 발명의 목적은 전력 모듈 스너버 커패시터로써 전술한 종래기술의 문제점을 해결할 수 있는 전력 모듈을 제공하는 것으로 보일 수 있다.

따라서, 전술한 목적 및 다른 여러 목적은 본 발명의 일 양태에서 전력 모듈 전력 모듈을 제공함으로써 달성되도록 의도되며, 전력 모듈은 전력 소자, 베이스플레이트, 회로 캐리어, 및 평판 적층 알루미늄 전해질 스너버 커패시터를 포함할 수 있고, 적층 알루미늄 전해 스너버 커패시터는 하기의 구성을 포함할 수 있는 계층 구조를 포함할 수 있고:

음극층;

종이 및 전해질을 포함하는, 분리층; 및

알루미늄 소재와 알루미늄 산화물 유전체를 포함하는, 양극층,

회로 캐리어는 베이스플레이트에 장착될 수 있고, 전력 소자 및 스너버 커패시터는 전력 모듈 내의 회로 캐리어 또는 베이스플레이트에 배치될 수 있고 바람직하게는 하나 이상의 전기 전도성 라인(들) 및 패드(들)를 통해 회로 캐리어에 전기적으로 연결될 수 있어, 회로 캐리어는 전력 소자 및 스너버 커패시터 사이의 전기 연결을 제공하도록 구성될 수 있다.

본 발명의 일 구현예에서, 적층 알루미늄 전해 스너버 커패시터는 회로 캐리어에 배치된 양극층 또는 음극층 및 커넥터를 통해 회로 캐리어에 전기적으로 연결된 상응하는 음극층 또는 양극층을 통해 회로 캐리어에 연결되는 것일 수 있다.

본 발명의 일 구현예에서, 접합층이 적층 알루미늄 전해 스너버 커패시터와 베이스플레이트 또는 회로 캐리어 사이에 배치될 수 있다.

일 구현예에서, 적층 알루미늄 전해 스너버 커패시터는 양극층 또는 음극층인 상부층, 분리층일 수 있는 중간층, 및 상응하는 나머지 음극층 또는 양극층일 수 있는 하부층을 가지고, 상부층은 계층에 의해 정의되는 평면 방향으로 연장되어, 중간층 및 하부층 너머로 연장됨으로써, 회로 캐리어에 전기적으로 연결되는 것일 수 있다.

본 발명의 다른 구현예에서, 양극층 또는 음극층은 적층 알루미늄 전해 스너버 커패시터의 다른 계층을 캔-유사 모양으로 캡슐화하여, 와이어 없는 접합을 위해 양극층 및 음극층을 모두 회로 캐리어와 전기적으로 연결할 수 있다.

일 구현예에서, 하부층은 계층의 평면에 의해 정의되는 방향으로 연장되고, 방향은 상부층과 다르게 되어 접합층 너머로 연장될 수 있고, 따라서 이는 회로 캐리어에 전기적으로 연결될 수 있다.

본 발명의 다른 구현예에서, 베이스플레이트는 히트싱크를 더 포함하거나 외부 히트싱크와 연결될 수 있다.

일 구현예에서, 전해질은 PEDOT:PSS 폴리머 혼합물과 같은 폴리머 용액인 것일 수 있다.

일 구현예에서, 커패시터가 베이스플레이트에 직접 배치되는 경우 양극, 음극 호일 또는 접합층은 베이스플레이트에 대해 전기적으로 절연될 수 있다.

일 구현예에서, 커패시터는 모든 비절연 표면이 전기적으로 절연될 수 있고, 바람직하게 표면이 비전도성 소재로 피복될 수 있다.

일 구현예에서, 터널은 전해질이 터널을 함침하도록 알루미늄 소재 내로 식각될 수 있다.

일 구현예에서, 둘 이상의 커패시터는 커패시터를 적층함으로써 및/또는 회로 캐리어에 커패시터를 배열함으로써 직렬 또는 병렬로 배치될 수 있다.

일 구현예에서, 커패시터가 적층된 경우, 열전도성이고, 직렬로 배치된 경우 전기절연성인 층이 적층된 커패시터 사이에 배치될 수 있다.

본 발명의 일 구현예에서, 커패시터는 리벳, 클램프, 또는 스프링과 같은, 파스너의 사용을 통해 베이스플레이트 또는 회로 캐리어에 기계적으로 압착될 수 있다.

일 구현예에서, 커패시터는 상기 회로 캐리어에 납땜되거나, 접착제로 연결되거나, 또는 소결되도록 구성될 수 있다.

본 발명은 본 발명은 특히 단순하고 비용 효율적인 설계, 충분한 높은 신뢰성, 작고 우수한 냉각 가능한 스너버 커패시터를 얻는 데 유리하지만 이에 국한되지 않는다.

전력 모듈은 바람직하게는 전력 변환 기능을 수행하기 위해 상호 연결된 여러 전력 구성요소 및 커패시터를 포함하는 어셈블리를 의미한다.

전력 소자는 바람직하게는 전력 전자장치에서 스위칭 또는 정류기를 의미한다.

회로 캐리어는 바람직하게는 전력 모듈의 구성요소가 배치되고 회로 설계를 구현하기 위한 올바른 회로 시스템을 제공할 수 있는 표면을 의미한다.

베이스플레이트는 바람직하게는 회로 캐리어가 위치하는 표면을 의미한다. 베이스플레이트는 히트싱크 또는 히트싱크와 연결된 요소일 수 있다.

스너버 커패시터는 바람직하게는 전력 모듈로부터 과전압 또는 유사한 효과를 흡수하는 데 사용되는 폴리머 알루미늄 전해 커패시터를 의미한다.

본 발명의 개별 양태는 다른 양태 중 어느 것과도 결합될 수 있다. 본 발명의 이러한 양태 및 다른 양태는 설명된 실시예를 참조하여 다음의 설명으로부터 명백할 것이다.

본 발명은 알루미늄 전해질 스너버 커패시터가 통합된 전력 모듈에 관한 것으로, 종래 세라믹 커패시터 및 필름 커패시터에 비해 더 개선되고 단순한 전력 모듈로서 전력 모듈에 통합될 수 있고, 또한 종래 세라믹 커패시터 및 필름 커패시터가 가진 단점을 해결할 수 있다.

도 1은 전력 모듈의 일 실시예를 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 회로 캐리어의 레이아웃의 일 실시예를 도시한 것이다.
도 3은 접합층이 포함된 전력 모듈의 일 실시예를 도시한 것이다.
도 4는 회로 캐리어에 대한 커패시터의 연결의 일 실시예를 도시한 것이다.
도 5는 전력 모듈의 일 실시예를 도시한 것이다.
도 6은 커패시터를 위한 접합층을 포함하는 도 4의 회로 캐리어에 대한 커패시터의 연결의 일 실시예를 도시한 것이다.
도 7은 커패시터의 다른 실시예를 도시한 것이다.
도 8은 파스너를 포함하는 일 실시예를 도시한 것이다.
도 9는 히트싱크에 연결된 적층 커패시터를 도시한 것이다.
도 10은 양극 호일에서 고도로 식각된 터널을 예시한 것이다.
도 11은 커패시터가 절연되고 회로 캐리어에 연결된 본 발명의 일 실시예를 도시한 것이다.
도 12는 직렬 연결되어 배치되고 회로 캐리어에 연결된 적층 커패시터를 도시한 것이다.

본 발명에 따른 전력 모듈은 이제 첨부된 도면과 관련하여 더욱 상세하게 설명될 것이다. 도면은 본 발명을 구현하기 위한 한 방법을 나타내는 것이고 첨부된 청구범위의 범위 내에 포함되는 다른 가능한 실시예로 제한되는 것으로 해석되어서는 안 된다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 예시적인 실시예가 도시된다. 그러한 실시예에서 전력 모듈 (1)은 전류 및 전압 스위칭을 위한 전력 소자 (1a), 베이스플레이트 (3), 전력 모듈의 구성요소 간 전기적 연결을 용이하게 하기 위한 회로 캐리어 (2), 및 적층 알루미늄 전해 스너버 커패시터 (5)가 도시된다. 베이스플레이트 (3)는, 일 실시예에서, 열전도성 및 기계적 특성만을 가질 것이다. 회로 캐리어는 이러한 실시예에서, 베이스플레이트에 대해 전기적으로 절연되도록 선택될 것이다. 다른 실시예에서, 베이스플레이트는 고유한 성질을 통하거나 베이스플레이트 및 회로 캐리어 간의 추가적인 계층을 통해, 전기적으로 절연된다.

도시된 실시예에서, 평판 적층 알루미늄 전해 스너버 커패시터 (5)는 전력 모듈 (1)에서 전력 소자 (1a)로부터 유발되는, 과전압과 같은 전압 스파이크를 흡수하도록 사용된다. 적층 알루미늄 전해 스너버 커패시터 (5)는 하기를 포함하는 계층 구조를 포함한다:

음극 호일 (18)을 포함하는 음극층;

종이 (11) 및 전해질 (12)을 포함하는 분리층; 및

알루미늄 소재 (9) 및 알루미늄 산화물 유전체 (10)를 포함하는 양극층 (8).

커패시터의 표면적을 스케일링함으로써, 커패시턴스/저항 비율은 어플리케이션에 따라 변경될 수 있으며, 더 넓은 면적은 더 높은 커패시턴스를 제공하는 반면 저항은 감소한다. 전해질 타입 및 분리층의 두께 역시 이상적으로 가능한 한 낮아야 하는, 예를 들어, 커패시터의 등가 직렬 저항 (ESR)과 같은 커패시터의 특성을 변경시키는 수정 파라미터로 사용될 수 있다. 유전체의 두께 및 타입은 단위면적당 커패시턴스 값을 결정할 것이다. 따라서, 커패시터 계층의 치수 및 구성을 변경함으로써, 커패시터가 일반적으로 100도가 넘는 고온 범위, 및 일반적으로 200 V가 넘는 고압 범위에서 작동할 수 있도록 하는 것과 같이 커패시터는 전력 소자의 특정 요구사항에 맞게 조정될 수 있다.

일 실시예에서, 전해질은 PEDOT:PSS 폴리머 혼합물과 같은 폴리머 용액이다.

적층 알루미늄 전해 스너버 커패시터는 도 1에 도시된 바와 같이, 권선이 없는 적층 시퀀스를 이용하여, 편평한 스택으로 구성된다. 적층 알루미늄 전해 스너버 커패시터를 사용하는 것의 이점은 낮은 기생 인덕턴스 및 높은 단위면적당 커패시턴스이며, 이는 전력 모듈의 낮은 스위칭 손실로 이어진다. 또한, 이를 편평한 스택으로 구성하는 것은 전력 모듈 내에 이를 직접 장착할 수 있도록 하여, 전원 모듈의 베이스로 더 나은 열 전달이 가능하다. 커패시터는 또한 강한 알루미늄 베이스를 가질 것으로, 세라믹 및 필름 커패시터에 비해 전체적인 구조가 더 견고하고 유연하다.

일 실시예에서, 유전체 (10)는 Al₂O₃ 타입이다. 또한, 구조의 측면도인 도 10을 참조하면, 일 실시예에서 터널 21은 가능한 한 높은 단위면적당 커패시턴스를 얻고자 표면을 증대하기 위해 알루미늄 소재 (9) 내로 식각되고, 터널은 전해질이 터널을 함침하도록 유전체 (10)로 덮인다. 이는 커패시터 계층에 더 큰 접촉 표면적을 제공하며, 이는 단위 풋프린트 면적당 커패시턴스를 증가시킨다.

다시 도 1을 참조하면, 전원 모듈 (1)에서, 회로 캐리어 (2)는 베이스플레이트에 장착되어, 전원 모듈의 구성요소가 회로 캐리어 (2)에 배치될 수 있고 나아가 회로 캐리어에 전기적으로 연결될 수 있으며, 이는 회로 캐리어 (2)를 통해 전원 모듈 (1)의 회로 시스템 구현을 제공한다.

도 2에 도시된 바와 같이, 회로 캐리어 (2)는 하나 이상의 전기적으로 전도성인 라인(들) 및 패드(들)로 구성되어, 구성요소들이 전기전도성 소재의 사용을 통해 원하는 구성으로 서로 연결될 수 있다. 스너버 커패시터의 병렬 연결의 경우, 음의 라인 및 양의 라인의 두 개의 전기전도성 라인이 필수적이다.

대부분의 실시예에서, 회로 캐리어는 전류 및 전압을 운반하는 금속 스트립으로 구성되며, 이는 베이스플레이트에 배치된 전기 절연 기판에 배치되어, 베이스플레이트로 전하가 전달되지 않는다. 회로 캐리어의 구성은 원하는 회로 설계에 의존하고 모든 전도성 라인이 도 2에 표시되지는 않는다.

본 실시예에서, 전력 모듈의 구성요소는 전력 소자 (1a) 및 스너버 커패시터 (5)이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 회로 캐리어는 이러한 구성요소가 전기적으로 연결되도록 하는 회로 디자인을 제공할 것이므로, 스너버 커패시터 (5)는 전력 소자의 전압 스파이크를 흡수할 수 있다. 이는 IGBT 모듈을 위한 평행 연결이거나 다른 타입의 회로 토폴로지를 위한 직렬 연결일 수 있다. 복수의 커패시터가 직렬로 배치되는 경우, 회로 캐리어가 커패시터 간에 이러한 전기 연결을 제공한다. 전기 연결은 전력 모듈 회로 설계 및 어플리케이션에 의존할 것이다.

커패시터가 편평한 스택으로 구성되기 때문에, 커패시터의 하부층의 전체 길이는 회로 캐리어 또는 베이스플레이트에 직접 접촉한다. 따라서 스택의 적어도 한 측면이 회로 캐리어 또는 베이스플레이트와의 우수한 접촉을 용이하게 하기 위해 평평해지는 것이 바람직하다. 이는 스너버 커패시터에 의해 생성되는 열이 베이스플레이트 또는 회로 캐리어로 효과적으로 분산되도록 한다.

본 발명의 일부 실시예에서, 적층 알루미늄 전해 스너버 커패시터 (5)는 회로 캐리어에 배치되어, 물리적 접촉을 통해 연결을 제공하는 평판 양극층 또는 음극층, 및 커넥터 (24)를 통해 회로 캐리어에 전기적으로 연결되는 상응하는 음극층 또는 양극층을 통해 회로 캐리어에 연결된다.

도 1에서, 음극층 (6)은 상부층으로 표시되며, 이는 커넥터 (24)를 통해 상응하는 회로 캐리어에 연결된다. 이러한 커넥터 (24)는 와이어일 수 있으며, 이는 초음파 용접에 의한 와이어 접합을 사용하여 회로 캐리어 (2)에 접합될 수 있으나 (반도체 구성요소의 접합 와이어와 비교 가능), 상단 터미널 연결 (top terminal connection), 압착-핀 연결 (press-pin connection) 등과 같은 다른 연결 타입 또한 구상된다. 양극층은 회로 캐리어의 양의 부분에 연결될 것이고 음극층은 회로 캐리어의 음의 부분에 연결될 것이다. 낮은 층 역시 전기 연결을 용이하게 하기 위해 상부층과 유사하게 회로 캐리어에 연결되거나, 회로 캐리어에 배치될 수 있다.

일 실시예에서, 도 3에 도시된 바와 같이, 접합층 (23)은 적층 알루미늄 전해 스너버 커패시터 (5) 및 회로 캐리어 사이에 배치된다. 접합층 (23)은 회로 캐리어에 연결된 계층이 회로 캐리어와 우수한 열 및 전기전도성 접촉을 갖도록 한다. 접합층은 따라서 바람직하게는 Al, Ag, Cu, Sn, Pt, Pd, Ni, Au 등에서 선택된다. 접합은 바람직하게는 물질-물질 접합을 통해 이루어진다. 이는 커패시터의 적어도 한 면이 회로 캐리어에 대한 커패시터의 접합을 위한 적절한 도금을 가져야 함을 의미한다. 이러한 접합층이 없다면, 커패시터는 회로 캐리어와 직접 접촉하지 않는 영역을 가질 수 있다. 양극 및 음극 호일은 유전체와 마찬가지로 불순물을 포함할 수 있으며, 이는 회로 캐리어와 이상적인 전기 접촉이 이루어지지 않도록 하기 때문에, 그러한 실시예에서 접합은 따라서 유리할 것이다.

접합층 (23)은 또한 전기 절연되지만 열전도성인 접착제일 수 있다. 이는 커패시터가 베이스플레이트에 배치되거나 커패시터가 베이스플레이트 또는 회로 캐리어에 배치되는 금속 하우징 내에 배치되거나, 전기 연결이 스너버 커패시터의 풋프린트 외부에서 이루어질 때 유리할 수 있다.

일 실시예에서, 와이어 접합을 피하는 방법은 도 4에 도시된 연결 개념을 사용하는 것이다. 이러한 실시예에서, 적층 알루미늄 전해 스너버 커패시터 (5)는 양극층 또는 음극층인 상부층, 전해질 및 종이층을 포함하는 중간층, 및 상응하는 나머지 음극층 또는 양극층을 포함하는 하부층을 가진다. 계층에 의해 정의된 평면의 방향으로 상부층을 연장시킴으로써, 상부층은 중간층 및 하부층 너머로 연장되고, 상응하는 회로 캐리어 패드에 대한 상부층의 전기 결합을 위한 접촉점 (도 5, 25)을, 커패시터 적층에 너무 높은 파괴력 및/또는 온도를 유발하는 용접과 같은 기술로는 보통 커패시터의 상부에서 수행될 수 없는 접합 기술을 통해 형성한다. 이 실시예의 일반적인 아이디어는 접합 영역이 층 (7)의 돌출부 외부에 있어야 한다는 것이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 이는 또한 낮은 층에도 수행될 수 있다.

도 4의 실시예의 개념 및 고려사항을 활용하는 연결 방식이 도 5에 표현되며, 여기서 음극 면이 상부층이다. 음극층과 양극층은 모두 알루미늄 호일을 포함하기 때문에 어느 정도 유연하므로, 이들을 수평하게 연장시킴으로써 수직 연장이 가능하여, 이들은 회로 캐리어에 연결될 수 있다. 도 5에 접합층은 표현되지 않았으나, 양극 연장 및 음극 연장은 납땜, 소결 또는 기타 종래의 전기 연결 타입을 사용하여 유리하게 연결되며, 이는 접합층을 통해 이루어질 수 있다. 연결은 또한 압착 타입 연결을 통해 이루어질 수 있으므로, 전기 접촉은 음극 호일 또는 양극 호일을 회로 캐리어에 기계적으로 압착하거나 이의 조합으로써 달성된다.

도 4 및 도 5의 연결은 커패시터의 바닥을 회로 캐리어에 납땜 및 연결하는 것이 어렵기 때문에 선호된다. 양극층 (8) 및 음극층 (9)을 연장함으로써 전기 접합은 커패시터의 초기 풋프린트의 “외부”에서 이루어지며, 이는 연결을 개선하고, 이러한 구현에 대해 양극층 및 음극층이 모두 연장되고 회로 캐리어에 이러한 방법으로 연결된 도 6을 참조할 수 있다. 분리층 (7)은 양극층 또는 음극층인 하부층의 말단부를 덮도록 동등하게 연장될 것이다. 분리층은 또한 통상적으로 양 층을 완전히 분리하기 위해 양극층 및 음극층보다 약간 더 크도록 연장된다.

도 6에 도시된 바와 같이, 이러한 일 실시예에서, 접합층 (23)은 바람직하게는 접착제일 수 있으며, 이는 알루미늄 스너버 커패시터의 열 전달 특성을 활용하도록 열전도성이고, 회로 캐리어에 대한 양극층 및 음극층의 단 하나의 접촉점 (25)이 있도록 전기 절연된다.

이러한 방식은 커패시터의 낮은 층을 기판에 연결하는 것에 유리하다. 이것은 커패시터가 베이스플레이트와 같은 전기적으로 전도성이 없는 층에 배치되는 경우 유용하다. 도 4에 도시된 바와 같이, 연장되고 회로 캐리어에 연결되는 것은 일반적으로 층의 음극 호일 및 양극 호일일 것이다. 회로 캐리어에 대한 최하부 층의 완벽한 연결을 보장하는 것은, 전기 전도성인 접합층을 추가하더라도 어려우며 경우에 따라 불가능하므로, 도 6의 연결 타입이 선호된다. 접합층은 그러므로 바람직하게는 커패시터와 회로 캐리어 간의 우수한 열 접촉을 형성하기 위해서만 사용되고 전기 연결은 커패시터의 풋프린트 외부에서 수행된다.

커패시터를 베이스플레이트 및 회로 캐리어에 접합하는 세 번째 방법은 양극층 또는 음극층이 적층 알루미늄 전해 스너버 커패시터 (5)의 다른 층을 캔-유사 형태로 캡슐화하여, 와이어 없는 접합을 위해 양극층 및 음극층을 회로 캐리어에 전기적으로 연결하는, 도 7에 도시되어 있다. 도 7에 도시된 바와 같이, 접합층은 이러한 일 실시예에서 우수한 열 및 전기 특성을 달성하기 위해 유리하게 사용될 수 있다.

도 7의 구성을 구성할 때, 전해질 용액은 바람직하게는 고체이므로, 전해질층은 내부 하우징으로 제한되지 않는다는 점을 기억할 필요가 있다. 접합층 (23)은 바람직하게는 우수한 열 및 전기 특성을 달성하기 위해 사용된다. 이러한 구성에서 베이스플레이트 상의 계층은 회로 캐리어 또는 베이스플레이트와 큰 접촉 면적을 가지도록 평평하다. 환경으로부터 커패시터의 두 극을 보호하고 전기장을 제어하기 위해 전류 모듈에 적절한 포팅이 사용된다.

도 8에 도시된 바와 같이, 일 실시예에서, 베이스플레이트는 히트싱크 (4)와 연결된다. 다른 실시예에서, 베이스플레이트는 히트싱크이다. 이는 커패시터가 베이스플레이트 및 회로 캐리어를 통해 냉각될 수 있도록 하고 알루미늄 스너버 커패시터에서 접합면까지의 모든 구성요소가 우수한 열 특성을 가지므로 넓은 표면적으로 인해 커패시터의 최적 냉각이 달성됨을 의미한다. 높은 전압 스파이크와 전류 흐름이 열을 생성하기 때문에, 스너버 커패시터는 냉각 요구사항이 높다. 커패시터의 평평한 설계는 커패시터가 히트싱크를 통해 열을 분산시킬 수 있는 회로 캐리어와 넓은 접촉 표면적을 가지므로 유리하다.

일부 실시예에서 회로 캐리어는 커패시터 및 전력 소자 간의 와이어 접합으로서 통합될 수 있으므로,

이러한 구성은 알루미늄 커패시터의 열 특성이 전력 모듈에서 최적으로 활용되도록 한다. 특정 전원 모듈에 커패시터를 맞추기 위해 둘 이상의 커패시터를 직렬 연결할 수 있다. 도 9에 도시된 바와 같이, 일 실시예에서, 이는 커패시터를 적층함으로써 달성될 수 있다. 이러한 일 실시예에서, 열전도성이고 전기적으로 절연된 층 (15)을 포함하는 것이 바람직하다. 대안적으로, 한 커패시터의 양극층이 다른 커패시터의 양극층에 앞서도록 스택이 배열될 수 있으므로, 병렬 연결은 본질적으로 형성된다.

이는 극성이 동일하도록 하기 위해 수행되어야 한다. 접합면은 또한 커패시터 아래에 배치될 수 있고 이전 실시예에 도시된 바와 같이 회로 캐리어에 연결될 수 있다. 스택의 개별 커패시터는 이후 도 4의 개념을 사용하여 연결될 수 있으므로, 도 12에 나타난 바와 같이 계층은 합류될 수 있다. 합류점 (26)은 납땜, 소결, 클램프, 용접, 리벳, 초음파 용접 또는 기타 적합한 방법으로 형성될 수 있다. 최상부 층 및 최하부 층은 베이트플레이트 또는 회로 캐리어에 용접, 리벳, 초음파 용접 또는 기타 적합한 방법으로 동등하게 연결될 수 있다. 최하부 층은 회로 캐리어에 연장부를 통해 연결되고 최상부 층은 회로 캐리어에 커넥터를 통해 연결될 수 있다.

전기 절연체 (22)는 최하부 층 아래에 배치되므로, 전극은 전기적으로 절연된다. 도 11에 도시된 바와 같이, 일 실시예에서, 이는 또한 최상부 층에도 수행되어, 전체 커패시터가 전기적으로 절연된다. 다른 모든 비절연 부분은 바람직하게는 회로 캐리어 상의 활성 소자와 같은 방법으로 절연된다. 일 실시예에서, 층 (22)은 접합층과 같을 수 있으나, 접합층은 일부 실시예에 존재하고 도 12의 실시예에서는 특히 전기적으로 전도성, 즉 비절연이기 때문에, 접합층과 상이할 수도 있다.

대안적으로, 커패시터는 베이스플레이트에 직렬로 배치되고 회로 캐리어에 개별적으로 연결되므로, 회로 캐리어는 커패시터 간의 직렬 또는 병렬 연결을 용이하게 할 수 있다. 두 접근법은 또한 결합될 수 있으므로, 커패시터는 다른 사양으로 제공될 수 있다.

도 8에 도시된 바와 같이, 일 실시예에서, 커패시터 및 회로 캐리어 간의 우수한 접촉을 달성하기 위해 커패시터는 리벳, 클램프 또는 스프링과 같은 파스너 (16)의 사용을 통해 베이스플레이트에 기계적으로 압착될 수 있다. 이는 커패시터가 구동 중 충분히 냉각되고 그 방식으로 전기적으로 연결될 수 있도록 한다. 일 실시예에서, 이는 또한 커패시터를 회로 캐리어에 납땜하거나 소결함으로써 달성될 수 있다. 접합층 (23)은 바람직하게는 회로 캐리어에 대한 접합을 용이하게 하기 위해, 최하부 층 아래에 배치될 수 있다.

단일 적층 커패시터의 유리한 일 실시예가 도 11에 표현된다. 이 실시예에서 전기 절연체 층의 형태인 전기 절연체 (22)는 전극, 즉 양극 호일 및 음극 호일을 전기적으로 절연시키기 위해 최하부 층 및 최상부 층 아래에 배치된다. 이는 항복전압이 발생할 수 없는 방법으로 반드시 수행되어야 한다. 절연체 층은 커패시터를 회로 캐리어에 전기 연결시키기 위해 사용되는 영역을 제외한 커패시터의 모든 비절연 부분 주위로 연장된다.

대부분의 실시예에서, 회로 캐리어의 커패시터를 전기 절연하는 것이 요구된다. 일부 실시예에서 이는 도시되지 않은 커패시터 하우징을 통해 달성될 수 있다.

이는 전극이 회로 캐리어 또는 베이스플레이트에 압착되도록 한다. 양극 호일 및 음극 호일은 도 4의 원리에 따라 연장되고, 호일의 이 부분은 회로 캐리어에 연결을 제공하기 위해 전기적으로 및 열적으로 전도성인 접합층을 사용하는 연결이다. 이 연결이 유일한 전기 연결일 것이고 커패시터의 모든 다른 부분은 전력 모듈의 활성 소자를 절연시키기 위해 사용한 종래의 원리를 사용하여 절연된다.

커패시터는 베이스플레이트 또는 회로 캐리어에 압착되므로, 열은 계층에서 베이스플레이트로 분산될 수 있고 나아가 외부 히트싱크를 통해 방출될 수 있다. 일부 실시예에서, 베이스플레이트는 히트싱크이고 다른 실시예에서, 분리된 히트싱크가 베이스플레이트 아래에 배치된다. 도 11의 설계는 커패시터가 접촉점(들) (25)로 회로 캐리어에 대한 우수한 전기 접촉 및 회로 캐리어에 대한 최하부층의 우수한 열 접촉을 갖도록 한다. 전기 절연체 층 또한 커패시터 주위의 분리된 하우징으로서 제공될 수 있다. 주요 아이디어는 하우징 또는 전기 절연체 층이 알루미늄 스너버 소자의 열 특성을 활용하기 위해 열전도성이어야 하므로, 효과적인 냉각이 회로 캐리어 및 베이스플레이트를 통해 달성된다는 것이다.

절연체 층은 양극 호일 또는 음극 호일의 일부일 수 있다. 도 11에 도시된 바와 같이, 일부 실시예에서, 절연체 층은 전기적으로 절연되지 않은 커패시터의 모든 표면 영역을 절연시킨다. 하지만, 이는 또한 커패시터 하우징을 통해 수행될 수 있다. 일부 실시예에서, 스너버 커패시터는 전기 절연 (실리콘 젤, PU, 기타 등과 같은), 부식 방지 및 먼지 오염 등을 위한 최첨단 포팅과 호환된다.

비록 본 발명은 특정한 실시예와 관련되어 설명되었으나, 이러한 예시에 국한되는 것으로서 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구범위에 비추어 해석되어야 한다. 청구범위의 맥락에서, “포함하는” 또는 “포함한다”의 용어는 다른 가능한 요소 또는 단계를 배제하지 않는다. 또한, “일” 또는 “하나” 등과 같은 참조의 언급은 복수를 배제하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 도면에 표시된 요소에 대한 청구범위의 참조 기호의 사용 역시 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 나아가, 상이한 청구항에서 언급된 개별 특징은, 유리하게 결합될 수 있고, 상이한 청구항에서 이러한 특징을 언급하는 것은 특징의 결합이 가능하지 않고 유리하다는 것을 배제하지 않는다.

1: 전력 모듈
1a: 전력 소자
2: 회로 캐리어
3: 베이스플레이트
4: 히트싱크
5: 적층 알루미늄 전해 스너버 커패시터
6. 음극층
7: 분리층
8: 양극층
9: 알루미늄 소재
10: 유전체
11: 종이
12: 전해질
13: 전력 모듈
15: 절연체 층
16: 파스터
17: 전도성 트랙
18: 음극 호일
19: 종이층
20: 양극호일
21: 양극 호일 구조 (터널 식각)
22: 전기 절연체
23: 접합층
24: 커넥터
25: 접촉점
26: 합류점

Claims

전력 소자 (1a), 베이스플레이트 (3), 회로 캐리어 (2), 및 평판 적층 알루미늄 전해 스너버 커패시터 (5)를 포함하고,
적층 알루미늄 전해 스너버 커패시터 (5)는 하기의 구성을 포함하는 계층 구조를 포함하는 것이고:
음극층 (6);
종이 (11) 및 전해질 (12)을 포함하는, 분리층 (7); 및
알루미늄 소재 (9)와 알루미늄 산화물 유전체 (10)를 포함하는, 양극층 (8),
상기 회로 캐리어 (2)는 베이스플레이트 (3)에 장착되고, 전력 소자 (1a) 및 스너버 커패시터 (5)는 전력 모듈 내의 회로 캐리어 (2)에 배치되고 하나 이상의 전기 전도성 라인(들) 및 패드(들)를 통해 회로 캐리어에 전기적으로 연결되어, 회로 캐리어는 전력 소자 (1a) 및 스너버 커패시터 (5) 사이의 전기 연결을 제공하도록 구성되는 것인, 전력 모듈 (1).
제1항에 있어서, 상기 적층 알루미늄 전해 스너버 커패시터 (5)는 회로 캐리어에 배치된 양극층 또는 음극층 및 커넥터 (24)를 통해 회로 캐리어에 전기적으로 연결된 상응하는 음극층 또는 양극층을 통해 회로 캐리어에 연결되는 것인, 전력 모듈 (1).
제1항 또는 제2항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 접합층 (23)은 적층 알루미늄 전해 스너버 커패시터 (5)와 베이스플레이트 (3) 또는 회로 캐리어 (2) 사이에 배치되는 것인, 전력 모듈.
제1항 또는 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적층 알루미늄 전해 스너버 커패시터 (5)는 양극층 또는 음극층인 상부층, 분리층 (7)인 중간층, 및 상응하는 나머지 음극층 또는 양극층인 하부층을 가지고, 상기 상부층은 상기 계층에 의해 정의되는 평면 방향으로 연장되어, 상기 중간층 및 하부층 너머로 연장됨으로써, 상기 회로 캐리어에 전기적으로 연결되는 것인, 전력 모듈 (1).
제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 양극층 또는 음극층은 적층 알루미늄 전해 스너버 커패시터 (5)의 다른 계층을 캔-유사 모양으로 캡슐화하여, 와이어 없는 접합을 위해 양극층 및 음극층을 모두 회로 캐리어와 전기적으로 연결하는 것인, 전력 모듈 (1).
제4항 또는 제5항에 있어서, 상기 하부층은 계층의 평면에 의해 정의되는 방향으로 연장되고, 방향은 상부층과 다르게 되어 접합층 너머로 연장됨으로써, 회로 캐리어 (2)에 전기적으로 연결되는 것인, 전력 모듈.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 베이스플레이트 (4)는 히트싱크 (4)를 더 포함하거나 외부 히트싱크 (4)와 연결되는 것인, 전력 모듈 (1).
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전해질은 PEDOT:PSS 폴리머 혼합물과 같은 폴리머 용액인 것인, 전력 모듈.
제3항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 커패시터가 상기 베이스플레이트에 직접 배치되는 경우, 양극, 음극 호일 또는 상기 접합층은 상기 베이스플레이트에 대해 전기적으로 절연되는 것인, 전력 모듈 (1).
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 커패시터는 전기 절연체 (22)와 같은 비전도성 소재로 표면을 피복함으로써 모든 비절연 표면이 전기적으로 절연된 것인, 전력 모듈 (1).
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 터널 (21)은 알루미늄 소재 (9) 내로 식각되어 전해질 (12)이 터널을 함침하는 것인, 전력 모듈 (1).
제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 둘 이상의 커패시터 (5)는 커패시터 (5)를 적층함으로써 및/또는 회로 캐리어에 커패시터를 배열함으로써 직렬 또는 병렬로 배치되는 것인, 전력 모듈 (1).
제12항에 있어서, 상기 커패시터 (5)가 적층된 경우, 열전도성이고, 직렬로 배치된 경우 전기절연성인 층 (15)이 적층된 커패시터 사이에 배치되는 것인, 전력 모듈 (1).
제1항 내지 제13항에 있어서, 상기 커패시터는 리벳, 클램프, 또는 스프링과 같은, 파스너 (16)의 사용을 통해 상기 베이스플레이트 또는 상기 회로 캐리어에 기계적으로 압착되는 것인, 파워 모듈 (1).
제1항 내지 제14항에 있어서, 상기 커패시터는 상기 회로 캐리어에 납땜되거나, 접착제로 연결되거나, 또는 소결되도록 구성되는 것인, 파워 모듈 (1).