KR20230125332A - 전력 장치를 병렬화하기 위한 낮은 인덕턴스와 빠른스위칭을 갖는 고전력 다층 모듈 - Google Patents

전력 장치를 병렬화하기 위한 낮은 인덕턴스와 빠른스위칭을 갖는 고전력 다층 모듈 Download PDF

Info

Publication number
KR20230125332A
KR20230125332A KR1020237027356A KR20237027356A KR20230125332A KR 20230125332 A KR20230125332 A KR 20230125332A KR 1020237027356 A KR1020237027356 A KR 1020237027356A KR 20237027356 A KR20237027356 A KR 20237027356A KR 20230125332 A KR20230125332 A KR 20230125332A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
power
power module
board
terminal
aspects
Prior art date
Application number
KR1020237027356A
Other languages
English (en)
Inventor
매튜 푸르타도
브라이스 맥펄슨
다니엘 마틴
알렉산더 로스테터
Original Assignee
울프스피드 인코포레이티드
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from US16/266,771 external-priority patent/US10749443B2/en
Priority claimed from US16/658,630 external-priority patent/US10917992B2/en
Application filed by 울프스피드 인코포레이티드 filed Critical 울프스피드 인코포레이티드
Publication of KR20230125332A publication Critical patent/KR20230125332A/ko

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L25/00—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof
    • H01L25/03—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof all the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes
    • H01L25/04—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof all the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes the devices not having separate containers
    • H01L25/07—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof all the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes the devices not having separate containers the devices being of a type provided for in group H01L29/00
    • H01L25/072—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof all the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes the devices not having separate containers the devices being of a type provided for in group H01L29/00 the devices being arranged next to each other
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R22/00—Arrangements for measuring time integral of electric power or current, e.g. electricity meters
    • G01R22/06—Arrangements for measuring time integral of electric power or current, e.g. electricity meters by electronic methods
    • G01R22/061—Details of electronic electricity meters
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/58—Structural electrical arrangements for semiconductor devices not otherwise provided for, e.g. in combination with batteries
    • H01L23/585—Structural electrical arrangements for semiconductor devices not otherwise provided for, e.g. in combination with batteries comprising conductive layers or plates or strips or rods or rings
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L25/00—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof
    • H01L25/16—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof the devices being of types provided for in two or more different main groups of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. forming hybrid circuits
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L25/00—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof
    • H01L25/18—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof the devices being of types provided for in two or more different subgroups of the same main group of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0048—Circuits or arrangements for reducing losses
    • H02M1/0054—Transistor switching losses
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/32—Means for protecting converters other than automatic disconnection
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/32—Means for protecting converters other than automatic disconnection
    • H02M1/327—Means for protecting converters other than automatic disconnection against abnormal temperatures
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/44—Circuits or arrangements for compensating for electromagnetic interference in converters or inverters
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/003—Constructional details, e.g. physical layout, assembly, wiring or busbar connections
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K7/00—Constructional details common to different types of electric apparatus
    • H05K7/14—Mounting supporting structure in casing or on frame or rack
    • H05K7/1422—Printed circuit boards receptacles, e.g. stacked structures, electronic circuit modules or box like frames
    • H05K7/1427—Housings
    • H05K7/1432—Housings specially adapted for power drive units or power converters
    • H05K7/14329—Housings specially adapted for power drive units or power converters specially adapted for the configuration of power bus bars
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K7/00—Constructional details common to different types of electric apparatus
    • H05K7/20—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating
    • H05K7/2089—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating for power electronics, e.g. for inverters for controlling motor
    • H05K7/209—Heat transfer by conduction from internal heat source to heat radiating structure
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/02—Bonding areas; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/04—Structure, shape, material or disposition of the bonding areas prior to the connecting process
    • H01L2224/06—Structure, shape, material or disposition of the bonding areas prior to the connecting process of a plurality of bonding areas
    • H01L2224/0601—Structure
    • H01L2224/0603—Bonding areas having different sizes, e.g. different heights or widths
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/26—Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/28—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process
    • H01L2224/29—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process of an individual layer connector
    • H01L2224/29001—Core members of the layer connector
    • H01L2224/29099—Material
    • H01L2224/291—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
    • H01L2224/29101—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of less than 400°C
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/26—Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/28—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process
    • H01L2224/29—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process of an individual layer connector
    • H01L2224/29001—Core members of the layer connector
    • H01L2224/29099—Material
    • H01L2224/29198—Material with a principal constituent of the material being a combination of two or more materials in the form of a matrix with a filler, i.e. being a hybrid material, e.g. segmented structures, foams
    • H01L2224/29199—Material of the matrix
    • H01L2224/2929—Material of the matrix with a principal constituent of the material being a polymer, e.g. polyester, phenolic based polymer, epoxy
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/26—Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/28—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process
    • H01L2224/29—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process of an individual layer connector
    • H01L2224/29001—Core members of the layer connector
    • H01L2224/29099—Material
    • H01L2224/29198—Material with a principal constituent of the material being a combination of two or more materials in the form of a matrix with a filler, i.e. being a hybrid material, e.g. segmented structures, foams
    • H01L2224/29298—Fillers
    • H01L2224/29299—Base material
    • H01L2224/293—Base material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
    • H01L2224/29338—Base material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
    • H01L2224/29339—Silver [Ag] as principal constituent
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/42—Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/44—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors prior to the connecting process
    • H01L2224/45—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors prior to the connecting process of an individual wire connector
    • H01L2224/45001—Core members of the connector
    • H01L2224/45099—Material
    • H01L2224/451—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof
    • H01L2224/45117—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 400°C and less than 950°C
    • H01L2224/45124—Aluminium (Al) as principal constituent
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/42—Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/44—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors prior to the connecting process
    • H01L2224/45—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors prior to the connecting process of an individual wire connector
    • H01L2224/45001—Core members of the connector
    • H01L2224/45099—Material
    • H01L2224/451—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof
    • H01L2224/45138—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
    • H01L2224/45144—Gold (Au) as principal constituent
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/42—Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/44—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors prior to the connecting process
    • H01L2224/45—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors prior to the connecting process of an individual wire connector
    • H01L2224/45001—Core members of the connector
    • H01L2224/45099—Material
    • H01L2224/451—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof
    • H01L2224/45138—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
    • H01L2224/45147—Copper (Cu) as principal constituent
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/42—Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/47—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
    • H01L2224/48—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of an individual wire connector
    • H01L2224/4805—Shape
    • H01L2224/4809—Loop shape
    • H01L2224/48091—Arched
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/42—Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/47—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
    • H01L2224/48—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of an individual wire connector
    • H01L2224/481—Disposition
    • H01L2224/48151—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive
    • H01L2224/48221—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked
    • H01L2224/48245—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being metallic
    • H01L2224/48247—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being metallic connecting the wire to a bond pad of the item
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/42—Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/47—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
    • H01L2224/48—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of an individual wire connector
    • H01L2224/484—Connecting portions
    • H01L2224/4847—Connecting portions the connecting portion on the bonding area of the semiconductor or solid-state body being a wedge bond
    • H01L2224/48472—Connecting portions the connecting portion on the bonding area of the semiconductor or solid-state body being a wedge bond the other connecting portion not on the bonding area also being a wedge bond, i.e. wedge-to-wedge
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/42—Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/47—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
    • H01L2224/49—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of a plurality of wire connectors
    • H01L2224/491—Disposition
    • H01L2224/4911—Disposition the connectors being bonded to at least one common bonding area, e.g. daisy chain
    • H01L2224/49111—Disposition the connectors being bonded to at least one common bonding area, e.g. daisy chain the connectors connecting two common bonding areas, e.g. Litz or braid wires
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/73—Means for bonding being of different types provided for in two or more of groups H01L2224/10, H01L2224/18, H01L2224/26, H01L2224/34, H01L2224/42, H01L2224/50, H01L2224/63, H01L2224/71
    • H01L2224/732—Location after the connecting process
    • H01L2224/73251—Location after the connecting process on different surfaces
    • H01L2224/73265—Layer and wire connectors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/80—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected
    • H01L2224/83—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a layer connector
    • H01L2224/838—Bonding techniques
    • H01L2224/83801—Soldering or alloying
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/80—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected
    • H01L2224/83—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a layer connector
    • H01L2224/838—Bonding techniques
    • H01L2224/8384—Sintering
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/80—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected
    • H01L2224/83—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a layer connector
    • H01L2224/838—Bonding techniques
    • H01L2224/8385—Bonding techniques using a polymer adhesive, e.g. an adhesive based on silicone, epoxy, polyimide, polyester
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/80—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected
    • H01L2224/85—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a wire connector
    • H01L2224/852—Applying energy for connecting
    • H01L2224/85201—Compression bonding
    • H01L2224/85205—Ultrasonic bonding
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/80—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected
    • H01L2224/85—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a wire connector
    • H01L2224/8538—Bonding interfaces outside the semiconductor or solid-state body
    • H01L2224/85399—Material
    • H01L2224/854—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof
    • H01L2224/85438—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
    • H01L2224/85439—Silver (Ag) as principal constituent
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/80—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected
    • H01L2224/85—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a wire connector
    • H01L2224/8538—Bonding interfaces outside the semiconductor or solid-state body
    • H01L2224/85399—Material
    • H01L2224/854—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof
    • H01L2224/85438—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
    • H01L2224/85444—Gold (Au) as principal constituent
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/80—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected
    • H01L2224/85—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a wire connector
    • H01L2224/8538—Bonding interfaces outside the semiconductor or solid-state body
    • H01L2224/85399—Material
    • H01L2224/854—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof
    • H01L2224/85438—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
    • H01L2224/85455—Nickel (Ni) as principal constituent
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L24/00—Arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies; Methods or apparatus related thereto
    • H01L24/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/02—Bonding areas ; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/04—Structure, shape, material or disposition of the bonding areas prior to the connecting process
    • H01L24/06—Structure, shape, material or disposition of the bonding areas prior to the connecting process of a plurality of bonding areas
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L24/00—Arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies; Methods or apparatus related thereto
    • H01L24/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/26—Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/28—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process
    • H01L24/29—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process of an individual layer connector
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L24/00—Arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies; Methods or apparatus related thereto
    • H01L24/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/26—Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/31—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process
    • H01L24/32—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process of an individual layer connector
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L24/00—Arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies; Methods or apparatus related thereto
    • H01L24/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/42—Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/44—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors prior to the connecting process
    • H01L24/45—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors prior to the connecting process of an individual wire connector
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L24/00—Arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies; Methods or apparatus related thereto
    • H01L24/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/42—Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/47—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
    • H01L24/49—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of a plurality of wire connectors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L24/00—Arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies; Methods or apparatus related thereto
    • H01L24/73—Means for bonding being of different types provided for in two or more of groups H01L24/10, H01L24/18, H01L24/26, H01L24/34, H01L24/42, H01L24/50, H01L24/63, H01L24/71
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L24/00—Arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies; Methods or apparatus related thereto
    • H01L24/80—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected
    • H01L24/83—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a layer connector
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L24/00—Arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies; Methods or apparatus related thereto
    • H01L24/80—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected
    • H01L24/85—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a wire connector
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0048—Circuits or arrangements for reducing losses
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/08—Circuits specially adapted for the generation of control voltages for semiconductor devices incorporated in static converters
    • H02M1/088—Circuits specially adapted for the generation of control voltages for semiconductor devices incorporated in static converters for the simultaneous control of series or parallel connected semiconductor devices
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/14—Arrangements for reducing ripples from dc input or output
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/53—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M7/537—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters
    • H02M7/5387—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters in a bridge configuration
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B70/00—Technologies for an efficient end-user side electric power management and consumption
    • Y02B70/10—Technologies improving the efficiency by using switched-mode power supplies [SMPS], i.e. efficient power electronics conversion e.g. power factor correction or reduction of losses in power supplies or efficient standby modes

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Inverter Devices (AREA)
  • Power Conversion In General (AREA)

Abstract

적어도 하나의 기판, 적어도 하나의 전력 기판 상에 배열된 하우징, 적어도 하나의 전력 기판에 전기적으로 연결된 제1 단자, 컨택 표면을 포함하는 제2 단자, 적어도 하나의 전력 기판에 전기적으로 연결된 제3 단자, 적어도 하나의 전력 기판 상에 배열되고 연결된 복수의 전력 장치를 포함하고, 제3 단자는 복수의 전력 장치 중 적어도 하나에 전기적으로 연결된다. 전력 모듈은 베이스 플레이트 및 베이스 플레이트 상에 배열된 복수의 핀 핀을 더 포함하고, 복수의 핀 핀은 전력 모듈에 대한 직접 냉각을 제공하도록 구성된다.

Description

전력 장치를 병렬화하기 위한 낮은 인덕턴스와 빠른 스위칭을 갖는 고전력 다층 모듈{HIGH POWER MULTILAYER MODULE HAVING LOW INDUCTANCE AND FAST SWITCHING FOR PARALLELING POWER DEVICES}
본 출원은 2019년 10월 21일에 출원된 미국 특허 출원 제16/658,630호의 우선권을 주장하며, 이는 여기에서 완전히 설명된 것처럼 모든 목적을 위해 그 전체가 참조로서 통합되고, 본 출원은 2019년 2월 4일에 출원된 미국 특허 출원 제16/266,771호에 대한 우선권을 추가로 주장하며, 이는 여기에서 완전히 설명된 것처럼 모든 목적을 위해 그 전체가 참조로서 통합되며, 본 출원은 2019년 1월 10일에 출원된 미국 특허 가출원 제62/790,965호에 대한 우선권을 추가로 주장하며, 이는 여기에서 완전히 설명된 것처럼 모든 목적을 위해 그 전체가 참조로서 통합되고, 본 출원은 2019년 10월 14일에 출원된 미국 특허 가출원 제62/914,847호에 대한 우선권을 추가로 주장하며, 이는 여기에서 완전히 설명된 것처럼 모든 목적을 위해 그 전체가 참조로서 통합된다.
본 개시는 전력 장치를 병렬화하기 위한 낮은 인덕턴스와 빠른 스위칭을 갖는 고전력 다층 모듈에 관한 것이다. 또한, 본 개시는 전력 장치를 병렬화하기 위한 낮은 인덕턴스 및 빠른 스위칭을 갖는 고전력 다층 모듈을 구성하는 프로세스에 관한 것이다.
당업자에 의해 이해되는 바와 같이, 전력 모듈은 다양한 형태로 알려져 있다. 전력 모듈은 일반적으로 전력 반도체 장치와 같은 전력 컴포넌트에 대한 물리적 컨테인먼트(containment)를 제공한다. 이러한 전력 반도체는 일반적으로 전력 전자 기판 상에 납땜되거나 소결된다. 전력 모듈은 일반적으로 전력 반도체를 운반하고, 전기 및 열 컨택을 제공하며, 전기 절연을 포함한다.
전기화의 현재 경향은 전력 모듈과 연관된 전력 반도체 장치, 전력 전자 및/또는 유사한 것을 포함하는 전력 모듈에 대한 요구를 증가시키고 있다. 예를 들어, 향상된 효율성 및 고전력 밀도. 이러한 요구는 시스템 수준에서 컴포넌트 수준까지 확장된다. 그러나, 이러한 요구를 충족하기 위한 전력 모듈의 작동은 전력 모듈 내부의 열 발생을 증가시킨다. 증가된 열 발생은 전력 반도체 장치, 전력 전자 장치 등의 물리적 제한으로 인해 전력 모듈이 작동하는 능력을 제한한다. 특히, 전력 반도체 장치, 전력 전자 장치 등을 포함하는 전력 모듈의 다양한 컴포넌트는 일반적으로 작동 온도 제한을 갖는다.
또한, 전력 모듈의 기생 임피던스는 현재 기술에서 이러한 장치의 실제 구현을 제한한다. 구체적으로, 스위칭 이벤트 중 루프 인덕턴스는 전압 오버슈트 및 링잉(ringing)을 유발할 수 있다. 이는 안정성을 감소시키고, 스위칭 손실을 증가시키며, 전자기 간섭(Electromagnetic Interference, EMI)을 생성하고, 시스템 컴포넌트에 스트레스를 준다. 궁극적으로, 이러한 인자는 최대 스위칭 주파수를 제한할 수 있으며, 이는 전력 변환 시스템에서 외부 필터의 크기를 줄이는 데 바람직하다.
따라서, 추가 열 발생을 처리하도록 구성된 전력 모듈이 필요하다.
또한, 안정성을 증가시키고, 스위칭 손실을 감소시키며, EMI를 감소시키고, 그리고/또는 시스템 컴포넌트에 대한 스트레스를 제한하기 위해 루프 인덕턴스와 같은 기생 임피던스를 처리하도록 구성된 전력 모듈이 필요하다.
하나의 일반적인 측면은 적어도 하나의 전기 전도성 전력 기판, 상기 적어도 하나의 전기 전도성 전력 기판 상에 배열된 하우징, 상기 적어도 하나의 전기 전도성 전력 기판에 전기적으로 연결된 제1 단자 ― 상기 제1 단자는 상기 하우징 상에 위치된 컨택 표면을 포함함 ―, 상기 하우징 상에 위치된 컨택 표면을 포함하는 제2 단자, 상기 적어도 하나의 전기 전도성 전력 기판에 전기적으로 연결된 제3 단자, 상기 적어도 하나의 전기 전도성 전력 기판 상에 배열되고 연결된 복수의 전력 장치 ― 상기 제3 단자는 상기 복수의 전력 장치 중 적어도 하나에 전기절으로 연결됨 ―, 베이스 플레이트; 및 상기 베이스 플레이트 상에 배열된 복수의 핀 핀(pin fin)을 포함하는 전력 모듈을 포함하며, 상기 복수의 핀 핀은 상기 전력 모듈에 대한 직접 냉각을 제공하도록 구성된다.
하나의 일반적인 측면은 베이스 플레이트, 적어도 하나의 전력 기판, 상기 적어도 하나의 전력 기판 상에 배열된 하우징, 상기 적어도 하나의 전력 기판에 전기적으로 연결된 제1 단자, 제2 단자, 상기 적어도 하나의 전력 기판에 전기적으로 연결된 제3 단자, 상기 적어도 하나의 전력 기판에 전기적으로 연결된 복수의 전력 장치, 상기 복수의 전력 장치에 전기적으로 연결된 게이트-소스 보드, 상기 베이스 플레이트 상에 배열된 복수의 핀 핀을 포함하는 전력 모듈을 포함하고, 상기 복수의 핀 핀은 상기 전력 모듈에 대한 직접 냉각을 제공하도록 구성된다.
하나의 일반적인 측면은 적어도 하나의 전력 기판을 제공하는 단계, 상기 적어도 하나의 전력 기판 상에 하우징을 배열하는 단계, 상기 적어도 하나의 전력 기판에 제1 단자를 연결하는 단계, 제2 단자를 제공하는 단계, 상기 적어도 하나의 전력 기판에 제3 단자를 전기적으로 연결하는 단계, 상기 적어도 하나의 전력 기판에 복수의 전력 장치를 연결하는 단계, 상기 복수의 전력 장치에 전기적으로 연결된 게이트-소스 보드를 장착하는 단계 ― 상기 게이트-소스 보드는 적어도 하나의 전기 신호를 수신하도록 구성됨 ―, 상기 베이스 플레이트 상에 배열된 복수의 핀 핀을 제공하는 단계, 및 상기 전력 모듈의 적어도 하나의 컴포넌트를 냉각하도록 상기 복수의 핀 핀을 구성하는 단계를 포함하는 전력 모듈을 구성하는 방법을 포함한다.
본 개시의 추가 특징, 이점 및 측면은 다음의 상세한 설명, 도면 및 청구범위를 고려하여 기재되거나 명백해질 수 있다. 또한, 본 개시의 전술한 요약 및 하기 상세한 설명 모두는 예시적이며 청구된 바와 같은 본 개시의 범위를 제한하지 않고 추가 설명을 제공하도록 의도된 것으로 이해되어야 한다.
본 개시의 추가 이해를 제공하기 위해 포함된 첨부 도면은 본 명세서에 통합되고 본 명세서의 일부를 구성하며, 본 개시의 측면을 예시하고, 상세한 설명과 함께 본 개시의 원리를 설명하는 역할을 한다. 본 개시의 기본적인 이해 및 실행될 수 있는 다양한 방식에 필요한 것보다 더 상세하게 본 개시의 구조적 세부사항을 보여주려는 시도가 이루어지지 않았다. 도면에서:
도 1a는 본 개시의 측면에 따른 전력 모듈의 하프 브리지 기반 토폴로지를 개략적으로 도시한다.
도 1b는 DC 링크 커패시터와 도 1a의 전력 모듈 내부의 스위치 위치 사이의 전류 루프를 도시한다.
도 2는 본 개시의 측면에 따른 다양한 상호접속 및 연관된 임피던스를 도시한다.
도 3은 본 개시의 측면에 따른 스위치 위치의 다양한 상호접속 및 관련 임피던스를 도시한다.
도 4a는 본 개시의 측면에 따른 전력 모듈의 개략적인 사시도를 도시한다.
도 4b는 본 개시의 측면에 따른 전력 모듈의 평면 개략도를 도시한다.
도 5는 본 개시의 측면에 따른 병렬 구성의 복수의 단상 모듈을 도시한다.
도 6a는 본 개시의 측면에 따른 제1 전력 모듈 구성을 도시한다.
도 6b는 본 개시의 측면에 따른 제2 전력 모듈 구성을 도시한다.
도 7은 본 개시의 측면에 따른 풀 브리지 구성의 복수의 전력 모듈을 도시한다.
도 8은 본 개시의 측면에 따른 3상 구성의 복수의 전력 모듈을 도시한다.
도 9는 본 개시의 측면에 따른 풀 브리지 구성을 갖는 단일 전력 모듈을 도시한다.
도 10은 본 개시의 측면에 따른 전력 모듈의 분해도를 도시한다.
도 11은 도 10의 전력 모듈의 부분도를 도시한다.
도 12a는 각각의 노드가 하프 브리지 토폴로지에서 식별된, 본 개시에 따라 구성된 전력 모듈의 위상 레그의 평면도를 도시한다.
도 12b는 각각의 노드가 도 12a에 따른 하프 브리지 토폴로지에서 식별된, 본 개시에 따라 구성된 전력 모듈의 위상 레그의 개략도를 도시한다.
도 13은 도 12a 및 도 12b의 위상 레그의 단면도를 도시한다.
도 14는 전류 경로를 포함하는 도 12a 및 도 12b의 위상 레그의 단면도를 도시한다.
도 15는 본 개시의 측면에 따른 버싱과 함께 전력 모듈의 컨택 표면을 도시한다.
도 16a, 16b 및 16c는 본 개시의 측면에 따른 전력 모듈의 단자의 다양한 측면을 도시한다.
도 17은 본 개시의 측면에 따라 병렬로 연결된 복수의 장치를 개략적으로 도시한다.
도 18은 본 개시의 측면에 따른 유효 게이트 스위칭 루프의 사시도를 도시한다.
도 19는 본 개시의 측면에 따른 유효 게이트 스위칭 루프의 평면도를 도시한다.
도 20은 본 개시의 측면에 따른 전력 모듈을 포함하는 부분적인 예시 구현을 도시한다.
도 21은 본 개시에 따른 예시적인 적층된 버스 바를 도시한다.
도 22는 도 21에 따른 예시적인 적층된 버스 바의 일부를 도시한다.
도 23은 도 21에 따른 예시적인 적층된 버스 바의 다른 부분을 도시한다.
도 24는 본 개시에 따른 위상 출력 버스 바를 도시한다.
도 25는 본 개시의 측면에 따른 전력 모듈 및 적층된 버스 바를 포함하는 예시적인 구현의 사시도를 도시한다.
도 26은 도 25에 따른 전력 모듈 및 적층된 버스 바를 포함하는 예시적인 구현의 제1 단면도를 도시한다.
도 27은 도 25에 따른 전력 모듈 및 적층된 버스 바를 포함하는 예시적인 구현의 제2 단면도를 도시한다.
도 28 및 도 29는 본 개시에 따른 예시적인 단일 모듈 게이트 드라이버를 도시한다.
도 30은 본 개시의 측면에 따른 전류 감지 컴포넌트를 도시한다.
도 31은 도 30에 따른 위상 출력 버스 바와 함께 배열된 전류 감지 컴포넌트를 도시한다.
도 32는 본 개시의 측면에 따른 예시적인 3상 모터 구동 전력을 도시한다.
도 33은 본 개시의 측면에 따른 병렬로 복수의 전력 장치를 개략적으로 도시한다.
도 34는 본 개시의 측면에 따른 유효 게이트 스위칭 루프 및 전력 모듈의 평면도를 도시한다.
도 35는 본 개시의 측면에 따른 전력 모듈 및 하우징을 포함하는 구성의 사시도를 도시한다.
도 36은 도 35의 구성의 측면도를 도시한다.
도 37은 도 35의 구성의 부분 사시도를 도시한다.
도 38은 도 35의 구성의 다른 부분 사시도를 도시한다.
도 39는 도 35의 구성의 또 다른 부분 사시도를 도시한다.
도 40은 도 35의 구성의 또 다른 부분 사시도를 도시한다.
도 41은 도 35의 구성의 또 다른 부분 사시도를 도시한다.
도 42는 전력 모듈을 포함하는 구성을 구현하고 작동하는 프로세스를 도시한다.
도 43은 본 개시의 측면에 따른 전력 모듈의 사시 저면 측면도를 도시한다.
도 44는 도 43에 따른 전력 모듈의 측면도를 도시한다.
도 45는 도 43에 따른 전력 모듈의 저면 측면도를 도시한다.
도 46은 도 43에 따른 전력 모듈의 부분 사시 저면 측면도를 도시한다.
도 47은 본 개시의 측면에 따른 전력 모듈의 사시 저면 측면도를 도시한다.
도 48은 도 47에 따른 전력 모듈의 측면도를 도시한다.
도 49는 도 47에 따른 전력 모듈의 저면 측면도를 도시한다.
도 50은 도 47에 따른 전력 모듈의 부분 사시 저면 측면도를 도시한다.
도 51은 본 개시의 측면에 따른 전력 모듈의 사시 저면 측면도를 도시한다.
도 52는 도 51에 따른 전력 모듈의 측면도를 도시한다.
도 53은 도 51에 따른 전력 모듈의 저면 측면도를 도시한다.
도 54는 도 51에 따른 전력 모듈의 부분 사시 저면 측면도를 도시한다.
도 55는 본 개시의 측면에 따른 전력 모듈의 사시 저면 측면도를 도시한다.
도 56은 도 55에 따른 전력 모듈의 측면도를 도시한다.
도 57은 도 55에 따른 전력 모듈의 저면 측면도를 도시한다.
도 58은 본 개시의 측면에 따른 전력 모듈 구현의 사시도를 도시한다.
도 59는 본 개시의 측면에 따른 전력 모듈 구현의 사시도를 도시한다.
도 60은 도 59에 따른 전력 모듈 구현의 사시도를 도시한다.
도 61은 2개의 상이한 전력 모듈에 대한 접합 온도 대 출력 전류를 플로팅한 그래프를 도시한다.
본 개시의 측면 및 그의 다양한 특징 및 유리한 세부사항은 첨부 도면에 기재되고 그리고/또는 예시되며 하기 설명에서 상세히 설명되는 비제한적인 측면 및 예시를 참조하여 보다 완전하게 설명된다. 도면에 예시된 특징은 반드시 축척에 맞춰 도시된 것은 아니며, 여기에서 명시적으로 언급되지 않더라도, 당업자가 인식할 수 있는 바와 같이 일 측면의 특징이 다른 측면과 함께 사용될 수 있다는 점에 유의해야 한다. 공지된 컴포넌트 및 처리 기술에 대한 설명은 본 개시의 측면을 불필요하게 모호하게 하지 않도록 생략될 수 있다. 여기에서 사용된 예는 단지 본 개시가 실시될 수 있는 방식의 이해를 용이하게 하고 당업자가 본 개시의 측면을 실시할 수 있도록 하기 위한 것이다. 따라서, 여기에서의 예시 및 측면은 첨부된 청구범위 및 적용 가능한 법률에 의해서만 정의되는 본 개시의 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 더욱이, 유사한 참조 번호는 도면 전체에 걸쳐 유사한 부분을 나타낸다는 점에 유의한다.
본 개시는 질화갈륨(GaN), 탄화규소(SiC) 등과 같은 첨단 광대역 갭 전력 반도체 장치에 최적화된 구조를 포함할 수 있는 전력 모듈을 설명하며, 이는 많은 양의 전류와 전압을 운반하고 기존 기술과 비교하여 점점 더 빠른 속도로 스위칭할 수 있다. 기존의 전력 전자 장치 패키지는 실리콘(Si) 장치 기술을 위한 내부 레이아웃을 갖는 이러한 반도체에 대한 기능면에서 제한된다.
개시된 전력 모듈은 표준 패키징 접근방식보다 상당히 더 낮은 루프 인덕턴스를 갖는 병렬 장치의 큰 어레이 사이에 전류를 고르게 분배하도록 구성될 수 있다. 계단식 전력 단자가 있는 다중 레벨 전류 경로는 버싱(bussing) 시스템과의 외부 연결을 단순화하여 전력 모듈과 필터링 커패시터 사이의 인덕턴스를 감소시킨다. 전력 모듈의 레이아웃은 고도로 구성 가능하며 전력 전자 장치 산업에서 일반적인 대부분의 전력 회로 토폴로지를 채택하도록 구성될 수 있다.
개시된 전력 모듈은 더 타이트한 전력 루프 및 논리적 외부 단자 배치의 추가를 통해 내부 모듈 성능, 시스템 레벨 구현, 제조 가능성 및 사용 용이성을 상당히 개선한다.
이와 관련하여, 개시된 전력 모듈은 다음 중 적어도 하나 이상을 제공하도록 구성될 수 있다:
고도로 최적화된 낮은 인덕턴스 전력 모듈 구조.
모듈식의, 확장 가능하고, 유연한 레이아웃 및 전력 흐름.
고전류 스위치 위치를 형성하기 위한 많은 전력 반도체를 균등한 병렬화.
많은 전력 반도체의 병렬화를 위해 최적화된 게이트 및 감지 신호 구조.
온도 감지 및 과전류 보호용 감지 커넥터.
최대 약 1700V(볼트) 이상의 고전압 작동에 적합한 폼 팩터(form factor).
1700V 작동을 초과하도록 확장 가능한 높이.
최적화된 외부 시스템 상호 연결을 위한 다층 내부 도체 레이아웃.
다양한 첨단 재료, 부착, 절연 및 상호 연결 기술을 수용하도록 설계된 모듈식 내부 구조.
고성능 시스템 수준 통합을 위해 크게 최적화됨.
병렬이 용이하여 더 높은 전류까지 직접 확장할 수 있음.
하프 브리지(half-bridge), 풀 브리지(full-bridge), 3상(three phase), 부스터, 초퍼(chopper) 등 배열을 포함하는 다양한 전력 토폴로지로 구성할 수 있음.
다양한 전력 처리 요구를 충족하는 확장 가능한 시스템 구현.
본질적으로, 개시된 전력 모듈 구성은 진보된 전력 반도체의 능력의 완전한 활용을 허용하여 전력 밀도, 스위칭, 효율 등에 상당한 개선을 제공할 수 있다.
전력 모듈의 전력 장치는 구조와 목적이 다양하다. '전력 장치'라는 용어는 고전압 및 전류용으로 설계된 다양한 형태의 트랜지스터 및 다이오드를 지칭한다. 트랜지스터는 단방향 또는 양방향 전류 흐름(장치 유형에 따라 다름)을 허용하는 제어 가능한 스위치일 수 있는 반면, 다이오드는 한 방향으로의 전류 흐름을 허용할 수 있고 제어할 수 없을 수 있다. 트랜지스터 유형은 금속 산화물 전계 효과 트랜지스터(Metal Oxide Field Effect Transistor, MOSFET), 접합 전계 효과 트랜지스터(Junction Field Effect Transistor, JFET), 바이폴라 접합 트랜지스터(Bipolar Junction Transistor, BJT), 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT) 등을 포함할 수 있지만 이에 제한되지 않는다.
전력 장치는 질화 갈륨(GaN), 탄화 규소(SiC) 등을 포함하는 광대역 갭(Wide Band Gap, WBG) 반도체를 포함할 수 있으며, 전력 장치에 대한 재료로서 기존의 실리콘(Si)에 비해 많은 이점을 제공한다. 그럼에도 불구하고, 본 개시의 다양한 측면은 Si 유형 전력 장치를 이용하고 여기에서 설명된 다수의 이점을 달성할 수 있다. WBG 반도체의 주요 메트릭은 다음과 같은 비제한적인 측면 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
더 높은 전압 차단.
더 높은 전류 밀도.
더 높은 온도 작동.
더 빠른 스위칭.
향상된 열 성능.
낮은 온 저항(감소된 전도 손실).
더 낮은 턴온 및 턴오프 에너지(감소된 스위칭 손실). WBG 반도체의 이러한 전술한 주요 메트릭은 요구되지 않으며 본 개시의 일부 측면에서 구현되지 않을 수 있음이 이해되어야 한다.
WBG 반도체 소자를 효과적으로 활용하기 위해, 전력 모듈(전력 패키지로도 지칭된)이 사용된다. 전력 모듈은 다음과 같은 비제한적 측면 중 하나 이상을 포함하는 여러 기능을 제공할 수 있다.
유용한 토폴로지로 전력 반도체 장치의 전기적 상호 연결의 제공.
습기, 진동, 오염 등으로부터 민감한 장치의 보호.
전도 및 스위칭 손실의 결과로서 장치에서 발생하는 폐열의 제거를 위한 유효하고 효율적인 수단의 생성.
내부 레이아웃에 대한 강력한 전력 및 신호 전기 연결을 통한 시스템 수준 구현의 용이. 전력 및 신호 전기 연결은 볼트 온, 크림프 온(crimp-on), 납땜, 플러그 및 리셉터클(receptacle) 등의 구현일 수 있다.
업계에서 채택된 표준에 따라 내부 유전체 캡슐화 및 외부 전압 연면 거리(creepage) 및 클리어런스(clearance) 거리로 전압 안전의 제공.
이러한 전술한 기능은 요구되지 않으며 본 개시의 일부 측면에서 구현되지 않을 수 있음이 이해되어야 한다.
도 1a는 본 개시의 측면에 따른 전력 모듈의 하프 브리지 기반 토폴로지를 개략적으로 도시한다. 하프 브리지 기반 토폴로지는 많은 스위칭 전력 변환기의 기본 빌딩 블록이다. 모터 구동, 인버터 및 DC-DC 변환기의 경우, 이러한 토폴로지는 일반적으로 DC 전원(112)에 연결되며, DC 링크 커패시터(102)의 뱅크는 이들 사이의 중간 연결이다. 이것은 도 1a에 개략적으로 나와 있다. DC 링크 커패시터(102)는 라인 상의 리플을 필터링하고 전류 경로에서 인덕턴스의 영향에 대응하도록 작용할 수 있다. 병렬의 2개의 하프 브리지는 전체 브리지를 형성할 수 있는 반면, 병렬의 3개는 3상 토폴로지를 형성할 수 있다. 3상 토폴로지는 종종 3상 레그 중 6개의 스위치 위치를 나타내는 6팩으로도 지칭된다. 게다가, 다른 토폴로지는 공통 소스, 공통 드레인 및 중성점 클램프(neutral point clamp)를 포함하는 전력 모듈에 대해 고려된다.
도 1a는 하나 이상의 스위치 위치(104)를 갖는 전력 모듈(100)을 더 도시한다. 전력 모듈(100)은 제1 단자(106), 제2 단자(108), 및 제3 단자(110)를 포함할 수 있다.
도 1b는 도 1a의 전력 모듈 내부의 스위치 위치와 DC 링크 커패시터 사이의 전류 루프를 도시한다. 전력 모듈(100) 내부의 DC 링크 커패시터(102)와 스위치 위치(104) 사이의 전류 루프(114)는 반도체의 스위칭 성능에 상당한 영향을 미치는 시스템에서 결정적으로 중요하다.
어떤 시스템도 완벽하지 않다. 예를 들어, 바람직하지 않은 기생 저항, 커패시턴스 및 인덕턴스가 모든 전기 시스템에 존재한다. 이러한 임피던스는 그들이 감소되거나 완화되지 않는 한 성능과 신뢰성에 해로운 영향을 미친다. 저항과 커패시턴스가 각각의 상호 연결과 연관될 수 있지만, 스위칭 전력 장치에 가장 큰 영향을 미치는 것은 기생 인덕턴스일 수 있다. 인덕턴스가 높으면 자기장에서 저장된 에너지가 높아져 스위칭 전환 중에 전압 오버슈트 및 링잉이 발생한다.
도 2는 본 개시의 측면에 따른 다양한 상호 연결 및 연관된 임피던스를 도시한다. 도 1a에 표시된 전력 모듈(100)의 하프 브리지 구성과 같은 전력 변환 시스템의 경우, DC 링크 커패시터(102), 버싱(bussing) 시스템(202) 및 전력 모듈(100) 등을 포함하는 각각의 컴포넌트 내에 그리고 그들 사이의 물리적 상호 연결에 임피던스(204)가 있다. 이것은 인덕턴스에 대해 도 2에 도시되어 있다. 더 많은 기능 요소와 연관된 임피던스는 종종 전력 변환기에 존재하지만, 그러나 스위칭 성능의 경우 이러한 루프가 가장 중요할 수 있다.
대부분의 전력 변환기에서, 이러한 인덕턴스는 시스템 설계에서 신중하게 고려되어야 한다. 종종, 이것은 기생 효과에 대응하기 위해 더 많은 DC 링크 커패시터(102)를 추가하거나 스위칭 속도를 낮추는 것을 필요로 한다. 효과적이기는 하지만, 더 큰 손실(높은 전류와 전압이 모두 존재하는 더 느린 스위칭 이벤트로 인해)을 갖는 대형 시스템(더 크고 무거운 커패시터)을 초래한다.
Si 장치용으로 의도된 전력 패키지에서, Si IGBT의 전형적인 턴온 및 턴오프 시간은 본질적으로 내부 전력 루프에서 직면하는 인덕턴스가 충분히 낮을 정도로 충분히 느리다. 그러나, SiC MOSFET과 같은 광대역 갭 장치의 매우 빠른 스위칭의 경우, 기존 패키지의 인덕턴스로 인해 수백 볼트의 전압 오버슈트가 발생할 수 있다.
이러한 문제는 전력 모듈(100)에서 고전류 수준에 도달하기 위해 많은 SiC 장치를 함께 병렬화할 필요성으로 인해 더욱 증폭된다. 다양한 조합(모든 스위치, 모든 다이오드, 인터리빙된 다이오드, 에지 다이오드 등)의 전력 스위치 및 다이오드의 병렬화된 어레이는 '위치' 또는 '스위치 위치'로서 지칭된다. 스위치 위치(104)의 각각의 스위치는 단일 유효 스위치로 함께 작용하여 회로가 처리할 수 있는 전류의 양을 증가시키거나 또는 유효 저항을 낮추어 전체 손실을 줄인다.
도 3은 본 개시의 측면에 따른 스위치 위치의 다양한 상호 연결 및 연관된 임피던스를 도시한다. 스위치 위치(104)에서, 각각의 스위치 또는 전력 장치(302)는 구조에서 그 자신의 개별 전류 경로를 갖는다. 각각의 상호 연결은 도 3에 도시된 바와 같이 연관된 임피던스(204)를 갖는다. 도 3에 추가로 도시된 바와 같이, 스위치 위치(104)는 화살표(304)에 도시된 기호에 의해 지시된 바와 같이 임의 개수의 전력 장치(302)를 포함할 수 있다. 유효 전류 경로는 전력 장치(302) 사이에서 균등화되어 그들 각각이 정합된 인덕턴스를 보게 된다. 그렇지 않으면, 스위칭 천이 동안 직면하는 전류 및 전압은 스위치 위치(104)를 가로지르는 전력 장치(302) 사이에서 균등하게 공유되지 않을 수 있고, 컴포넌트에 불균일하게 스트레스를 가하고 스위칭 손실을 증가시킨다. 이는 열 효과에 의해 악화된다. 고르지 않은 전류 부하 및 스위칭 이벤트는 고르지 않은 열 상승을 생성하여 반도체 특성의 드리프트를 초래하고 병렬화된 스위치 위치(104)에서 더 많은 불안정성을 초래한다.
기존의 전력 패키지는 일반적으로 단일 Si IGBT 또는 이러한 장치의 작은 어레이(보통 4개 이하)용으로 설계된다. 결과적으로, 그들은 깨끗하고 잘 제어된 스위칭을 제공하는 방식으로 많은 수의 SiC MOSFET 및 다이오드(또는 유사한 광대역 갭 장치)를 병렬 연결하는 데 적합하지 않다.
개시된 전력 모듈(100)은 다음의 비제한적인 측면 중 하나 이상을 포함할 수 있는 광대역 갭 장치와 같은 전력 장치(302)에 대한 솔루션을 제공한다:
전력 모듈(100)의 내부 인덕턴스의 감소.
스위치 위치(104)에서 병렬화된 전력 장치(302) 사이의 균등화된 전류 경로의 용이.
스위치 위치(104)를 가로 지르는 전력 장치(302) 사이의 균등한 열 공유.
DC 링크 커패시터(102)와의 낮은 인덕턴스 상호 연결을 허용하는 외부 구조의 보유.
고전압(≥1700V)에서 고전류(수백 암페어)의 안전한 운반 가능성.
전력 모듈(100)의 이러한 전술한 특성은 요구되지 않고 본 개시의 일부 측면에서 구현되지 않을 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
도 4a는 본 개시의 측면에 따른 전력 모듈의 개략적인 사시도를 도시하고, 도 4b는 본 개시의 측면에 따른 전력 모듈의 개략적인 평면도를 도시한다. 특히, 전력 모듈(100)의 하프 브리지 구성이 도 4a 및 도 4b에 도시되어 있다. 개시된 전력 모듈(100)은 각각의 스위치 위치(104)가 균등화되고 낮은 인덕턴스 전류 경로를 갖는 가장 일반적인 브리지 토폴로지를 용이하게 하기 위해 맞춤 설계된 전력 레이아웃 및 연관된 구조와 관련하여 이전에 열거된 각각의 문제를 다룬다. 단자(106, 108, 110)는 외부 필터링 DC 링크 커패시터(102)에 대한 경로가 상응하는 낮은 인덕턴스를 가질 수 있도록 배열될 수 있으며, 아래에서 더 자세히 설명되는 바와 같이 굽힘 또는 특별한 설계 특징을 필요로 하지 않는 복잡하지 않은 적층된 버스 바(laminated buss bar)를 갖는다.
전력 모듈(100)의 단일 하프 브리지 구성의 전력 단자 핀아웃이 도 4a에 도시되어 있다. V+ 단자(106) 및 V- 단자(108)는 DC 링크 커패시터(102)에 대한 외부 전류 루프를 물리적으로 최소화하기 위해(전압 클리어런스(clearance)을 위한 충분한 공간과 함께) 의도적으로 서로 가깝게 배치될 수 있다.
전력 모듈(100)은 신호 단자(502, 504, 506, 508)를 포함할 수 있다. 신호 단자(502, 504, 506, 508)의 특정 핀아웃은 모듈식일 수 있고 필요에 따라 수정될 수 있다. 구성은 도 4a에 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 차동 신호 전송을 위한 신호 단자(502, 504, 506, 508)를 위한 4쌍의 신호 핀이 있다. 물론, 임의 개수의 신호 핀 및 임의 개수의 신호 단자가 본 개시와 관련하여 설명된 바와 같은 기능을 제공하도록 구현될 수 있다. 각각의 스위치 위치(104)는 게이트 신호를 위한 단자(502, 504)와 최적의 제어를 위한 소스 켈빈(source kelvin)을 갖는 한 쌍의 핀을 이용할 수 있다. 신호 단자(506, 508)의 다른 핀 쌍은 내부 온도 센서, 과전류 감지 또는 기타 진단 신호를 위해 사용될 수 있다. 전압 절연 문제를 일으키지 않는 한 더 많은 핀 및/또는 더 많은 신호 단자가 필요하다면 임의의 행에 추가될 수도 있다는 것이 고려된다. 일부 측면에서, 다른 진단 신호는 진동 등을 감지하는 스트레인 게이지를 포함할 수 있는 진단 센서로부터 생성될 수 있다. 진단 센서는 또한 습도를 결정할 수 있다. 또한, 진단 센서는 모든 환경 또는 장치 특성을 감지할 수 있다.
도 5는 본 개시의 측면에 따른 병렬화된 구성의 복수의 단상 모듈을 도시한다. 모듈성은 개시된 전력 모듈(100)의 기본이다. 전력 모듈(100)의 단상 구성은 더 높은 전류에 도달하도록 쉽게 병렬화될 수 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 3개의 전력 모듈(100)이 도시되어 있지만, 이러한 방식으로 구성될 수 있는 수에는 제한이 없다. 이와 관련하여, 화살표(510)는 추가 전력 모듈(100)이 병렬로 배열될 수 있음을 나타낸다. 병렬화되는 경우, 대응하는 단자(106, 108, 110) 각각은 각각의 전력 모듈(100) 사이에 전기적으로 연결될 수 있다.
도 6a는 본 개시의 측면에 따른 제1 전력 모듈 구성을 도시하고, 도 6b는 본 개시의 측면에 따른 제2 전력 모듈 구성을 도시한다. 개시된 전력 모듈(100)의 확장성은 또 다른 정의 특징일 수 있다. 이것은 도 6a 및 6a에 도시되어 있다. 도 6b에 도시된 바와 같이, 전력 모듈(100) 폭은 도 6a에 도시된 전력 모듈(100)과 비교하여 각각의 스위치 위치(104)에 대해 더 많은 병렬화된 장치를 수용하도록 확장될 수 있다. 전력 모듈(100)의 증가된 전류로 인해 추가 패스너(fastener) 구멍(512)이 단자(106, 108, 110)의 전력 컨택에 추가될 수 있다. 전력 모듈(100)은 도 5에 도시된 바와 같이 병렬화될 수 있거나 또는 예를 들어, 낮은 인덕턴스, 정확한 스위칭, 고전력 밀도 등을 포함하는 본 개시의 이점을 희생하지 않으면서 대부분의 전력 레벨과 매칭하도록 도 6b에 도시된 바와 같이 확장될 수 있음에 유의하는 것이 중요하다.
도 7은 본 개시의 측면에 따른 풀 브리지 구성의 전력 모듈을 도시하고, 도 8은 본 개시의 측면에 따른 3상 구성의 전력 모듈을 도시하며, 도 9는 본 개시의 측면에 따른 풀 브리지 구성을 갖는 단일 전력 모듈을 도시한다. 일부 측면에서, 모듈성은 또한 2개의 전력 모듈(100)의 풀 브리지 구성에 대한 도 7 및 3개의 전력 모듈(100)의 3상 구성에 대한 도 8과 같은 다양한 전기 토폴로지의 형성에서 발견될 수 있다. 이러한 토폴로지의 경우, V+ 단자(106) 및 V- 단자(108)는 상호 연결될 수 있는 반면 위상 출력 단자(110)는 분리된 채로 유지될 수 있다. 도 7 및 도 8의 구성은 단일 하우징에 배치될 수도 있고 도 9에 설명된 바와 같이 공유베이스 플레이트로 구성될 수 있으며, 이는 더 높은 유닛 복잡성과 비용의 절충과 함께 전력 밀도를 증가시킬 수 있다.
전력 모듈(100)의 다양한 배열, 구성 및 확장된 폭 버전이 애플리케이션 및 전력 레벨의 범위를 커버하지만, 핵심 내부 컴포넌트 및 레이아웃은 동일하게 유지될 수 있다. 이는 개시된 전력 모듈(100)의 모듈식 특성을 강화한다. 이러한 구조는 사용하기 쉽고 다양한 고객 특정 시스템과 함께 성장하면서 높은 수준의 성능을 보여주는 모듈 제품군을 포함한다.
도 10은 본 개시의 측면에 따른 전력 모듈의 분해도를 도시하고, 도 11은 도 10의 전력 모듈의 부분도를 도시한다. 특히, 도 10은 전력 모듈(100)의 다수의 요소를 도시한다. 이러한 요소는 베이스 플레이트(602), 개스킷(604), 하나 이상의 전력 기판(606), 하나 이상의 에지 전력 컨택(608), 하나 이상의 스위치 위치(104), 하나 이상의 온도 센서(610), 하우징 측벽(612), 중앙 전력 컨택(614), 신호 상호 연결 어셈블리(616), 하우징 덮개(618), 패스너(620), 캡티브 패스너(captive fastener)(622) 등을 포함한다. 일 측면에서, 베이스 플레이트(602)는 금속을 포함할 수 있다. 일 측면에서, 금속은 구리를 포함할 수 있다. 더욱이, 전력 모듈(100)은 여기에서 설명된 것보다 더 적거나 상이한 요소를 포함할 수 있다는 것이 고려된다.
전력 모듈(100)은 베이스 플레이트(602)를 포함할 수 있다. 베이스 플레이트(602)는 전력 모듈(100)에 대한 구조적 지지를 제공할 뿐만 아니라 전력 모듈(100)의 열 관리를 위한 열 확산을 촉진할 수 있다. 베이스 플레이트(602)는 구리, 알루미늄 등과 같은 베이스 금속, 또는 열적으로 생성된 응력을 감소시키기 위해 열팽창 계수(coefficient of thermal expansion, CTE) 매칭을 제공할 수 있는 금속 매트릭스 복합재(metal matrix composite, MMC)를 포함할 수 있다. 일 측면에서, MMC 재료는 구리, 알루미늄 등과 같은 높은 전도성 금속과 몰리브덴, 베릴륨, 텅스텐과 같은 낮은 CTE 금속 및/또는 다이아몬드, 탄화 규소, 베릴륨 산화물, 흑연, 매립된 열분해 흑연 등과 같은 비금속의 복합재일 수 있다. 재료에 따라 베이스 플레이트(602)는 기계가공, 주조, 스탬핑 등에 의해 형성될 수 있다. 베이스 플레이트(602)는 베이스 플레이트(602)의 표면을 보호하고 납땜 능력을 향상시키기 위해 니켈, 은, 금 등과 같은 금속 도금을 가질 수 있다. 일 측면에서, 베이스 플레이트(602)는 평평한 후면을 가질 수 있다. 일 측면에서, 베이스 플레이트(602)는 리플로우(reflow) 후 평면성을 개선하기 위해 볼록한 프로파일을 가질 수 있다. 일 측면에서, 베이스 플레이트(602)는 도 43 내지 59를 참조하여 아래에서 더 논의되는 바와 같이 직접 냉각을 위한 핀 핀(pin fin)(642)을 가질 수 있다.
전력 모듈(100)은 개스킷(604)을 포함할 수 있다. 개스킷(604)은 액체 차단 밀봉을 제공함으로써 캡슐화 프로세스를 개선할 수 있다. 이와 관련하여, 전력 모듈(100)은 내부에 유전체 캡슐화를 포함할 수 있다. 개스킷(604)은 사출 성형, 분배 등일 수 있고, 하우징 측벽(612)의 홈에 적용되고 하우징 측벽(612)과 베이스 플레이트(602) 사이에서 압축될 수 있다.
전력 모듈(100)은 하나 이상의 전력 기판(606)을 포함할 수 있다. 하나 이상의 전력 기판(606)은 전력 장치(302)에 대한 전기적 상호 연결, 전압 절연, 열 전달 등을 제공할 수 있다. 하나 이상의 전력 기판(606)은 직접 결합 구리(direct bond copper, DBC), 활성 금속 브레이즈(active metal braze, AMB), 절연 금속 기판(insulated metal substrate, IMS) 등으로 구성될 수 있다. IMS 구조의 경우, 하나 이상의 전력 기판(606)과 베이스 플레이트(602)는 동일한 요소로 통합될 수 있다. 일부 측면에서, 하나 이상의 전력 기판(606)은 땜납, 열 전도성 에폭시, 은 소결 등으로 베이스 플레이트(602)에 부착될 수 있다. 일 측면에서, 각각의 스위치 위치(104)에 대해 하나씩, 2개의 전력 기판(606)이 있을 수 있다.
전력 모듈(100)은 하나 이상의 에지 전력 컨택(608)을 포함할 수 있다. 하나 이상의 에지 전력 컨택(608) 중 하나의 표면은 V+ 단자 또는 제1 단자(106)를 형성할 수 있다. 하나 이상의 에지 전력 컨택(608) 중 하나의 표면은 위상 단자 또는 제3 단자(110)를 형성할 수 있다. 하나 이상의 에지 전력 컨택(608)은 외부 시스템과 하나 이상의 전력 기판(606) 사이에 고전류 경로를 생성할 수 있다. 하나 이상의 에지 전력 컨택(608)은 에칭 공정, 스탬핑 작업 등을 통해 판금으로 제조될 수 있다. 하나 이상의 에지 전력 컨택(608)은 최종 조립을 돕기 위해 하나 이상의 에지 전력 컨택(608)의 굽힘을 용이하게 하기 위해 부분 두께 굽힘 보조 라인(624)을 가질 수 있다. 일 측면에서, 하나 이상의 에지 전력 컨택(608)은 캡티브 패스너(622) 위로 접힐 수 있다. 일 측면에서, 하나 이상의 에지 전력 컨택(608)은 전력 기판(606)에 직접 납땜되거나, 초음파 용접되는 등일 수 있다. 하나 이상의 에지 전력 컨택(608)은 표면을 보호하고 납땜 능력을 향상시키기 위해 니켈, 은, 금 등과 같은 금속 도금을 가질 수 있다.
일 측면에서, 에지 전력 컨택(608)의 베이스(636)는 부착 프로세스를 돕기 위해 피트(feet)로 분할될 수 있다. 베이스(636)는 표면을 보호하고 납땜 능력을 향상시키기 위해 니켈, 은, 및/또는 금과 같은 금속 도금을 가질 수 있다.
전력 모듈(100)은 하나 이상의 스위치 위치(104)를 더 포함할 수 있다. 하나 이상의 스위치 위치(104)는 전류, 전압 및 효율성에 대한 요구사항을 충족하기 위해 병렬로 배치된 제어 가능한 스위치 및 다이오드의 임의의 조합을 포함할 수 있는 전력 장치(302)를 포함할 수 있다. 전력 장치(302)는 땜납, 전도성 에폭시, 은 소결 재료 등으로 부착될 수 있다. 게이트 및 소스를 포함하는 전력 장치(302) 상의 상부 패드는 전력 와이어 본드(628)로 각각의 위치에 와이어 본딩될 수 있다. 전력 와이어 본드(628)는 초음파 용접될 수 있는 알루미늄, 알루미늄 합금, 구리 등의 와이어, 또는 두 개의 금속 패드 사이에 전도성 아치를 형성하는 양쪽 피트에서의 유사한 것을 포함할 수 있다. 신호 본드(bond)(626)는 유사한 방식으로 형성될 수 있고 알루미늄, 금, 구리 등일 수 있다. 일부 측면에서, 626에서 전력 와이어 본드의 와이어의 직경은 전력 와이어 본드(628)의 와이어보다 작을 수 있다.
전력 모듈(100)은 하나 이상의 온도 센서(610)를 더 포함할 수 있다. 하나 이상의 온도 센서(610)는 전력 기판(606)에 직접 부착된 저항성 온도 센서 요소로 구현될 수 있다.
저항 온도 검출기(resistance temperature detector, RDT) 유형 센서, 부 온도 계수(Negative Temperature Coefficient, NTC) 유형 센서, 광학 유형 센서, 서미스터, 열전대 등을 포함하는 다른 유형의 온도 센서도 고려된다. 하나 이상의 온도 센서(610)는 땜납, 전도성 에폭시, 은 소결 재료 등으로 부착될 수 있고, 그 다음 신호 상호 연결 어셈블리(616)에 와이어 본딩될 수 있다. 전력 모듈(100)은 진동을 감지하는 스트레인 게이지 등을 포함할 수 있는 하나 이상의 진단 센서를 더 포함할 수 있다. 진단 센서는 또한 습도를 결정할 수 있다. 게다가, 진단 센서는 모든 환경 또는 장치 특성을 감지할 수 있다.
전력 모듈(100)은 하우징 측벽(612)을 더 포함할 수 있다. 하우징 측벽(612)은 합성 재료로 형성될 수 있다. 일 측면에서, 하우징 측벽(612)은 사출 성형된 플라스틱 요소일 수 있다. 하우징 측벽(612)은 전기 절연, 전압 연면 거리 및 클리어런스, 구조적 지지, 전압 및 습기 차단 캡슐화를 유지하기 위한 공동을 제공할 수 있다. 일 측면에서, 하우징 측벽(612)은 강화된 고온 플라스틱으로 사출 성형 공정으로 형성될 수 있다.
전력 모듈(100)은 중앙 전력 컨택(614)을 더 포함할 수 있다. 중앙 컨택(614)의 표면은 V- 단자 또는 제2 단자(108)를 형성할 수 있다. 중앙 전력 컨택(614)은 외부 시스템과 전력 장치(302) 사이에 고전류 경로를 생성할 수 있다. 중앙 전력 컨택(614)은 에칭 프로세스, 스탬핑 작업 등을 통해 판금으로 제조될 수 있다. 중앙 전력 컨택(614)은 하우징 측벽(612)(도시된 바와 같음)에 내장됨으로써 하부 전력 기판(606)으로부터 절연될 수 있거나, 또는 아래에서 설명되는 바와 같이 2차 전력 기판에 납땜되거나 또는 용접될 수 있다. 중앙 전력 컨택(614)은 중앙 전력 컨택(614)을 하우징 측벽(612)에 고정하는 대응하는 패스너(634)를 수용하기 위해 도 11에 도시된 바와 같이 하나 이상의 구멍(632)을 포함할 수 있다.
낮은 측면 스위치 위치 전력 장치(302)는 도 11에 도시된 바와 같이 단자에서 중앙 전력 컨택(614)으로 직접 와이어 본딩(640)될 수 있다. 중앙 전력 컨택(614)은 최종 조립 단계에서 접힘을 보조하기 위해 부분 두께 굽힘 보조 라인(624)을 가질 수 있다. 중앙 전력 컨택(614)은 표면을 보호하고 본딩 능력을 향상시키기 위해 니켈, 은, 금 등과 같은 금속 도금을 가질 수 있다.
전력 모듈(100)은 신호 상호 연결 어셈블리(616)를 더 포함할 수 있다. 신호 상호 연결 어셈블리는 게이트-소스 보드일 수 있다. 신호 상호 연결 어셈블리(616)는 신호 컨택으로부터 전력 장치(302)로의 전기적 연결을 용이하게 하는 소신호 회로 기판일 수 있다. 신호 상호 연결 어셈블리(616)는 게이트 및 소스 켈빈 연결 뿐만 아니라 추가 노드 또는 내부 감지 요소에 대한 연결을 허용할 수 있다. 신호 상호 연결 어셈블리(616)는 전력 장치(302) 각각에 대한 개별 게이트 저항을 허용할 수 있다. 신호 상호 연결 어셈블리(616)는 하우징 측벽(612)에 배열된 인쇄 회로 기판, 세라믹 회로 기판, 플렉스 회로 기판, 내장 금속 스트립 등일 수 있다. 일 측면에서, 신호 상호 연결 어셈블리(616)는 복수의 어셈블리를 포함할 수 있다. 일 측면에서, 신호 상호 연결 어셈블리(616)는 각각의 스위치 위치(104)에 대해 하나씩, 복수의 어셈블리를 포함할 수 있다.
전력 모듈(100)은 하우징 덮개(618)를 더 포함할 수 있다. 하우징 덮개(618)는 합성 요소일 수 있다. 일 측면에서, 하우징 덮개(618)는 사출 성형된 플라스틱 요소일 수 있다. 하우징 덮개(618)는 전기 절연, 전압 연면 거리 및 클리어런스, 구조적 지지를 제공할 수 있다. 이와 관련하여, 하우징 덮개(618)는 하우징 측벽(612)과 함께 폐쇄 어셈블리를 형성할 수 있다. 폐쇄 어셈블리는 이물질의 인입이 전력 모듈(100)의 내부로 들어가는 것을 방지할 수 있다. 일 측면에서, 하우징 덮개(618)는 강화된 고온 플라스틱으로 사출 성형 프로세스로 형성될 수 있다.
전력 모듈(100)은 패스너(620)를 더 포함할 수 있다. 패스너(620)는 나사산 형성 나사일 수 있다. 다른 유형의 패스너도 고려된다. 패스너(620)는 하우징 측벽(612)에 직접 나사를 조여 전력 모듈(100)의 다수의 요소를 고정하는 데 사용될 수 있다. 패스너(620)는 (다른 수단을 통해 내장되지 않은 경우) 하우징 측벽(612)을 베이스 플레이트(602)에 고정하는 등을 위해 하우징 덮개(618) 부착, 신호 상호 연결 어셈블리(616) 부착, 중앙 전력 컨택(614) 내장에 사용될 수 있다.
전력 모듈(100)은 캡티브 패스너(622)를 더 포함할 수 있다. 캡티브 패스너(622)는 하우징 측벽(612) 및 하우징 덮개(618)에 배치된 육각 너트일 수 있고 그들이 접힌 후에 에지 전력 컨택(608) 및 중앙 전력 컨택(614) 아래에 캡티브로 유지될 수 있다. 캡티브 패스너(622)를 구현하기 위해 다른 유형의 패스너 또는 커넥터가 고려된다. 캡티브 패스너(622)는 외부 버스 바 또는 케이블에 대한 전기적 연결을 용이하게 할 수 있다. 캡티브 패스너(622)는 전력 모듈(100)이 버스 바에 볼트로 고정될 때 캡티브 패스너(622) 및 에지 전력 컨택(608)이 버싱 내로 위쪽으로 당겨져 더 나은 품질의 전기 연결을 형성하도록 배열될 수 있다. 캡티브 패스너(622)가 하우징에 부착된 경우, 버스 바의 강성으로 인해 불량한 연결을 형성할 수 있는 전력 모듈(100) 내로 버싱을 아래로 당기는 작용을 할 수 있다.
일 측면에서, 하우징 덮개(618)는 캡티브 패스너(622)가 회전하는 것을 방지하기 위해 캡티브 패스너(622)의 외부 형상과 일치하는 형상을 갖는 구멍을 포함할 수 있다. 대응하는 패스너(도 26에 도시됨)는 캡티브 패스너(622)에 의해 수용될 수 있다. 대응하는 패스너는 외부 버스 바 또는 케이블에 대한 전기적 연결을 용이하게 하기 위해 중앙 전력 컨택(614)의 패스너 구멍(512)을 통해 연장된다.
일 측면에서, 하우징 측벽(612)은 캡티브 패스너(622)가 회전하는 것을 방지하기 위해 캡티브 패스너(622)의 외부 형상과 일치하는 형상을 갖는 구멍을 포함할 수 있다. 대응하는 패스너(도 26에 도시됨)는 캡티브 패스너(622)에 의해 수용될 수 있다. 대응하는 패스너는 외부 버스 바 또는 케이블에 대한 전기적 연결을 용이하게 하기 위해 하나 이상의 에지 전력 컨택(608)의 패스너 구멍(512)을 통해 연장된다.
낮은 내부 인덕턴스를 달성하기 위해, 전력 모듈(100)의 전류 경로는 넓고, 길이가 짧으며, 자속 제거를 달성하기 위해 가능할 때마다 중첩될 수 있다. 자속 제거는 루프를 통해 이동하는 전류가 매우 근접하여 반대 방향으로 이동하여 연관된 자기장에 효과적으로 대응할 때 발생한다. 이러한 모듈 접근 방식의 주요 이점은 풋프린트의 전체 폭이 전도에 활용된다는 것이다. 전류가 구조를 통해 이동해야 하는 길이를 줄이기 위해 모듈 높이가 최소화될 수 있다.
하프 브리지 위상 레그에 대한 전력 루프가 도 11에 도시되어 있으며, 에지 전력 컨택(608) 및 중앙 전력 컨택(614)이 세부사항을 나타내기 위해 접혀 있다. 넓고 낮은 프로파일 에지 전력 컨택(608) 및 중앙 전력 컨택(614)은 전류를 전력 장치(302)로 직접 가져온다. 단자 표면에서 개별 전력 장치(302)로의 유효 전류 경로는 기능적으로 동일할 수 있다. 또한, 전력 장치(302)는 근접하여 배치될 수 있어 상대적 루프 인덕턴스의 불균형을 최소화하고 우수한 열 결합을 보장한다.
도 12a는 각각의 노드가 하프 브리지 토폴로지에서 식별된, 본 개시에 따라 구성된 전력 모듈의 위상 레그의 평면도를 도시하고, 도 12b는 각각의 노드가 도 12a에 따른 하프 브리지 토폴로지에서 식별된, 본 개시에 따라 구성된 전력 모듈의 위상 레그의 개략도를 도시한다. 전력 모듈(100)은 하나 이상의 다이오드를 포함할 수 있다. 일 측면에서, 개략도의 다이오드는 역병렬(도시되지 않음)로 배치된 이산 다이오드일 수 있다. 일 측면에서, 개략도의 다이오드는 (도시된 바와 같이) MOSFET으로서 구현된 전력 장치(302)의 바디 다이오드의 표현일 수 있다.
일 측면에서, 전류 경로는 V+ 노드 단자(608)에서 시작될 수 있으며, 이는 전력 기판(630) 및 전력 장치(302) 중 상위 장치의 드레인(D1)에 부착될 수 있다. 그 다음, 전력 장치(302)의 상위 장치의 소스(S1)는 저전력 기판 패드(630)에 와이어 본딩(628)될 수 있으며, 이는 낮은 측면 전력 장치(302)의 드레인(D2)은 물론 위상 전력 단자(608)에 부착된다. 마지막으로, 낮은 측면 전력 장치(302)의 소스(S2) V- 전력 컨택 단자(614)에 와이어 본딩(628)될 수 있으며, 이는 일부 중첩을 제공하는 하부 전력 기판(630) 위에 있을 수 있고 하부 전력 기판(630)으로부터 충분히 전압 절연될 수 있다.
도 13은 도 12a 및 도 12b의 위상 레그의 단면도를 도시하고, 도 14는 전류 경로를 포함하는 도 12a 및 도 12b의 위상 레그의 단면도를 도시한다. 도 13에 도시된 바와 같이, 전력 컨택 또는 단자(106, 108, 110)의 탭은 전력 모듈(100) 구조의 최종 구성에서 그대로 접혀 있다. 세부 사항을 나타내기 위해 층 두께가 과장되었다. 이러한 도면의 모든 요소는 전류 흐름을 시각화할 때 도체로 간주될 수 있다.
도 13은 전력 모듈(100)의 계단식, 다중 높이 또는 다중 입면 구성을 추가로 도시한다. 이와 관련하여, 단자(614)의 수직 위치는 단자(608)의 수직 위치보다 높게 도시되어 있다. 높이 차이는 화살표(702)에 의해 지시된다. 이러한 다중 높이 구성은 아래에서 더 자세히 설명되는 임계 루프를 제공할 수 있다. 더욱이, 다중 높이 구성은 버스 연결을 제공하는 데 도움이 될 수 있으며, 이는 또한 아래에 추가로 설명된다.
도 14는 본 개시의 측면에 따른 정확한 스위칭을 위한 임계 루프를 나타내는, V+ 단자로부터 V- 단자까지의 전류 경로의 오버레이를 나타낸다. 인덕턴스는 경로 길이에 비례하고, 도체의 단면적이 증가할수록 감소하며, 자기장의 플럭스(flux) 제거에 따라 감소된다. 식별된 경로는 단자(608)에서 시작하여 전력 기판(630)을 통해 전력 장치(302)를 가로질러 전력 장치(302)를 통해 제2 기판(630)으로 흐르고 단자(614)에 의해 출력된다. 식별된 경로는 다음의 인자로 인해 낮은 인덕턴스이다.
모듈의 낮은 높이.
단자(608, 614)에 대한 전력 장치(302)의 근접성.
모든 기능적 요소의 단단한 패킹.
도체의 넓은 단면적.
각각의 전력 장치(302)에 최적화된 병렬화된 와이어 본드(628).
심지어 전력 장치(302) 사이의 전류 공유.
전류 방향이 낮은 측면 스위치 위치에서 역전될 때 플럭스 제거.
외부 V+/V- 버스 바의 플럭스 제거.
도 15는 본 개시의 측면에 따른 버싱과 함께 전력 모듈의 컨택 표면을 도시한다. V+ 단자(608)와 위상 단자(608)의 컨택 표면은 평면일 수 있는 반면, V- 단자(614)의 상단은 다른 것들로부터 오프셋된다. 이러한 특징은 도 15에 도시된 바와 같이 외부 V+/V- 적층된 버싱(802, 804)이 적층된 버싱(802, 804)의 굴곡을 요구하지 않고 두 단자(608, 614)에 컨택하도록 한다. 오프셋 거리(702)(도 13에 도시됨)는 버스 바 금속의 두께와 연관된 유전체 절연막을 매칭시키도록 조정될 수 있다.
DC 링크 커패시터(102) 뱅크에 대한 버싱(802, 804, 806)의 최소화된 외부 인덕턴스와 결합된 낮은 내부 모듈 인덕턴스는 저전압 오버슈트 및 안정적인 성능을 갖는 정확하고 빠른 스위칭 이벤트에 대한 전력 모듈(100)의 최적화된 구조를 초래한다.
이들 이점은 모두 더 낮은 스위칭 손실, 더 높은 스위칭 주파수, 개선된 제어 가능성 및 감소된 EMI를 허용한다. 궁극적으로, 이는 시스템 설계자가 보다 전력 밀도가 높고 강력한 전력 변환 시스템을 달성하는 데 도움이 된다.
도 16a, 16b 및 16c는 본 개시의 측면에 따른 전력 모듈의 단자의 다양한 측면을 도시한다. V- 단자(614)가 전력 모듈(100)의 중간에 있는 다층 레이아웃은 이러한 설계에 필수적일 수 있다. 전력 기판(630) 상의 출력 트레이스 바로 위에 놓이는 이러한 단자(614)의 적절한 전압 절연은 절연 구조를 형성하는 다양한 구성을 통해 실현될 수 있다. 이러한 전력 모듈(100) 설계는 다음의 각각과 호환된다.
도 16a는 V- 단자(614)의 절연의 일 측면를 도시한다. 이러한 측면에서, 전력 모듈(100)은 V- 단자(614)의 내장된 절연체(810)를 포함할 수 있다. 내장된 절연체(810)는 플라스틱 또는 다른 합성 재료로 형성될 수 있다. 내장된 절연체(810)는 중심 영역을 연결하는 스트립(810)으로서 하우징 측벽(612)에 위치될 수 있다. 일 측면에서, 스트립(810)은 플라스틱으로 형성될 수 있다. 전력 컨택(614)은 나사산 형성 나사와 같은 기계적 고정, 플라스틱 오버 몰딩 프로세스와 같은 직접 통합, 플라스틱 열 적층 작업으로 제자리에 리벳 고정 등을 포함하는 다수의 방법을 통해 스트립(810)에 내장될 수 있다.
도 16b는 V- 단자(614)의 절연의 다른 측면을 도시한다. 이러한 측면에서, 전력 모듈(100)은 전력 기판 절연에 의해 V- 단자(614)의 절연을 형성할 수 있다. 이와 관련하여, 2차 전력 기판(812)은 세라믹 등과 같은 유전체 재료의 층을 통해 절연을 제공하기 위해 이용될 수 있다. 이러한 2차 전력 기판(812)은 전력 기판(630)에 납땜, 소결 또는 에폭시화되는 반면, 전력 컨택(614)은 2차 기판 상의 상부 금속 패드에 납땜 또는 용접될 수 있다. 이러한 접근 방식의 이점은 2차 전력 기판(812)이 높은 전도성을 갖고 전력 컨택(614)으로부터 냉각판 또는 히트 싱크로의 열 제거를 용이하게 할 것이기 때문에 중앙 전력 컨택(614)의 개선된 열 전달이다.
도 16c는 V- 단자(614)의 절연의 다른 측면를 도시한다. 이와 관련하여, 후막 절연체(814)가 이용될 수 있다. 후막 절연(814)은 전력 기판(630) 상에 직접 인쇄된 후막 유전체를 이용할 수 있고 전압 차단을 제공할 수 있다. 중앙 컨택(614)은 에폭시를 통해 후막 절연체(814)에 부착될 수 있고, 유전체 필름 등의 상단에 인쇄된 금속 후막의 얇은 층에 직접 납땜될 수 있다.
다른 측면에서, V- 단자(614)의 절연은 서스펜션 절연(도시되지 않음)을 포함할 수 있다. 이러한 측면에서, 중앙 전력 컨택(614)은 전력 기판(630) 위로 충분한 거리에 매달려 있을 수 있고 내장형 접근 방식과 유사한 방식으로 하우징 측벽(612)에 부착될 수 있다. 이와 관련하여, 전력 모듈(100)을 채우는 겔 캡슐화는 유전체 절연을 제공할 수 있다. 그러나, 중앙 컨택(614)은 낮은 측면 장치와 컨택 사이의 전력 와이어 본드(628)의 형성을 방해하지 않기 위해 고강성 재료를 사용할 필요가 있을 수 있다.
도 17은 본 개시의 측면에 따른 병렬로 복수의 장치를 개략적으로 도시한다. 특히, 도 17은 3개의 전력 장치(302)를 도시한다. 이것은 단지 예시적인 것이며 예시 및 이해의 용이함을 위한 것이다. 본 개시의 전력 모듈(100)은 임의 개수의 전력 장치(302)를 포함할 수 있다.
게이트 제어 및 감지 신호는 전력 모듈(100)의 스위칭 성능에 현저하게 영향을 미치며 병렬화된 스위치 위치(104)에서 특히 중요할 수 있다. 신호 루프는 고성능, 견고성 및 균일한 전류 공유를 위해 전력 모듈(100)에서 최적화될 수 있다. 전력 루프와 유사하게, 경로는 길이가 제한되고 단면적이 넓도록 구성될 수 있으며, 연관된 외부 컴포넌트는 신호 단자(502, 504)에 가능한 한 물리적으로 가깝게 배치될 수 있다.
트랜지스터, 특히 MOSFET와 같은 전력 장치(302)의 병렬화된 어레이의 경우, 게이트 전류의 타이밍 및 크기는 일관된 턴온 및 턴오프 조건을 초래하도록 균형을 이루어야 한다. 전력 모듈(100)은 게이트 와이어 본드에 의해서만 분리된 전력 장치(302)의 게이트에 매우 근접하게 배치될 수 있는 개별 밸러스팅(ballasting) 저항(RG1, RG2, RG3)을 이용할 수 있다. 이러한 컴포넌트는 저항이 낮고, 각 개별 전력 장치(302)에 흐르는 전류를 버퍼링하는 데 도움이 된다. 이러한 컴포넌트는 전력 장치(302)의 게이트를 분리하는 역할을 하여 발진을 방지하고 병렬화된 전력 장치(302)에 대한 균등화된 턴온 신호를 보장하는 데 도움을 준다. 단일 외부 저항(RDRIVER)이 사용되어 유효 스위치 위치(104)의 턴온 속도를 제어하기 위해 이러한 병렬화된 저항(RG1, RG2, RG3)에 연결될 수 있다.
게이트 저항(RG1, RG2, RG3)은 애플리케이션에 따라 표면 실장 패키지, 통합된 후막층, 인쇄된 후막, 와이어 본딩 가능 칩 등일 수 있다.
도 18은 본 개시의 측면에 따른 유효 게이트 스위칭 루프의 사시도를 도시하고, 도 19는 본 개시의 측면에 따른 유효 게이트 스위칭 루프의 평면도를 도시한다. 신호 기판 또는 신호 상호 연결 어셈블리(616)는 신호 상호 연결 어셈블리(616)의 보드 에지 상의 게이트 및 소스 켈빈 커넥터 단자(502, 504)에 연결되는 레일(816, 818)을 가질 수 있다. 상부 레일(818)은 개별 게이트 저항(820)을 통해 게이트 와이어 본드 패드에 연결될 수 있는 반면, 하부 레일(816)은 전력 장치(302)의 소스 패드에 직접 와이어 본딩될 수 있다. 이것은 소스 켈빈 본드가 전력 소스 본드의 전류 경로에 없기 때문에 진정한 켈빈 연결로 간주될 수 있다. 켈빈 연결은 정확하고 효율적인 제어를 위해 중요할 수 있으며, 높은 드레인 대 소스 전류가 신호 루프에 미치는 영향을 줄일 수 있다.
도 18 및 도 19는 신호 상호 연결 어셈블리(616)의 좌측 측면에 대한 선택적 신호 연결(506, 508)을 추가로 도시한다. 이러한 연결은 온도 측정 또는 다른 형태의 내부 감지에 사용될 수 있다. 일부 측면에서, 내부 감지는 진동을 감지하는 스트레인 게이지, 습도를 감지하는 센서 등을 포함할 수 있는 진단 센서로부터 생성될 수 있는 진단 신호를 포함하는 진단 감지를 포함할 수 있다. 또한, 진단 센서는 모든 환경 또는 장치 특성을 감지할 수 있다. 일 측면에서, 온도 센서(610)는 낮은 측면 위치에 배치될 수 있다. 물론, 온도 센서(610)를 위한 다른 위치 및 배열도 고려된다. 일 측면에서, 와이어 본드는 과전류 측정(IGBT의 경우 불포화 보호로도 지칭됨)을 위해 드레인 트레이스 옆(예를 들어, 전력 장치(302) 옆)의 상부 패드 상에 배치될 수 있다. 물론, 과전류 측정을 위한 다른 위치 및 배열도 고려된다. 일부 측면에서, 과전류 센서 또는 불포화 센서는 전력 장치(302)의 드레인에 대한 연결에 의해 결정된 바와 같이 전압 강하를 감지할 수 있다. 일부 측면에서, 전류는 또한 전력 장치(302)에 걸친 전압 강하에 의해 감지될 수 있다.
신호 루프 또는 신호 상호 연결 어셈블리(616)의 이러한 구현은 스위치 위치(104)에서 병렬화된 전력 장치(302)의 임의의 조합에 걸쳐 품질 제어 및 측정을 보장할 수 있다. 표준 PCB 기판 간 커넥터는 외부 게이트 드라이버 및 제어 회로에 대한 직접 연결을 허용할 수 있다.
도시된 바와 같이, 이러한 게이트 분배 네트워크는 PCB로 구현될 수 있다. 그것은 또한 1차 전력 기판(630) 상에 직접, 베이스 플레이트(602) 상에 직접 후막 회로로서 형성될 수 있다. 이것은 전력 모듈(100)의 부품 수를 줄이는 이점과 게이트 저항(820)을 인쇄하는 옵션을 갖는다. 땜납 단자에 대한 필요가 없고 게이트 저항(820)이 냉각판으로부터 능동적으로 냉각될 수 있어 컴포넌트의 열적 크기 제약을 최소화하므로, 게이트 저항(820)은 PCB 상의 표면 실장 부품의 크기보다 훨씬 작을 수 있다.
도 20은 본 개시의 측면에 따른 전력 모듈을 포함하는 부분적인 예시 구현을 도시한다. 이와 관련하여, 도 20은 본 개시의 전력 모듈(100)을 고성능 시스템으로 구현한 대표적인 예시 구조이다. 이러한 일반적인 접근 방식은 컨버터에서 전력 모듈(100)을 활용하는 방법의 유용한 예로서 역할을 하는 많은 다른 구성 및 토폴로지에 적용된다. 이러한 특정 예시는 3상 모터 드라이브에 대한 것이다. 이러한 측면에서, 3개의 전력 모듈(100)이 있다.
개시된 전력 모듈(100)은 하프 브리지 위상 레그의 어레이(도시된 바와 같이 3개)로 구성될 수 있다. 애플리케이션에 필요한 만큼 전류를 증가시키기 위해 추가 전력 모듈(100)이 병렬로 포함될 수 있다.
도 20의 구현은 냉각판(902)을 더 포함할 수 있다. 냉각판(902)은 전력 모듈(100)에서 다른 소스(액체, 기체 등)로 폐열을 전달하는 역할을 하는 고성능 액체 냉각판, 히트 싱크 등일 수 있다.
도 20의 구현은 DC 링크 커패시터(102)를 더 포함할 수 있다. DC 링크 커패시터(102)는 DC 전력의 소스와 전력 모듈(100)을 인터페이싱하는 필터링 커패시터로서 구현될 수 있다. 일 측면에서, DC 링크 커패시터(102)는 단일 커패시터로 구현될 수 있다. 다른 측면에서, DC 링크 커패시터(102)는 부하 및/또는 특정 애플리케이션의 전력 수요에 따라 커패시터의 '뱅크'를 형성하는 다수의 컴포넌트로서 구현될 수 있다.
도 20의 구현은 냉각판 스탠드오프(standoff)(904)를 더 포함할 수 있다. 냉각판 스탠드오프(904)는 냉각판(902)에 구조적 지지를 제공할 수 있다. 냉각판 스탠드오프(904)는 도시된 바와 같이 구성될 수 있고, 전력 모듈(100) 단자(106, 108)를 커패시터 컨택(906)과 수평으로 상승시키고 배치할 수 있다. 이러한 측면에서, 굽힘 없는 평평한 버스 바는 컴포넌트를 상호 연결할 수 있다. 더 높은 전력 밀도를 위해 또는 다른 유형의 커패시터에 대해, 냉각판 스탠드오프(904)의 높이는 변환기의 요소에 대해 이용 가능한 폼 팩터(form factor)를 가장 잘 활용하도록 조정될 수 있다. 이것은 전환 굴곡이 필요할 수 있음에 따라 전기 루프 길이를 증가시키는 대응하는 트레이드오프를 가질 수 있으며, 시스템 특정 요구사항에 따라 달라질 것이다.
도 21은 본 개시에 따른 예시적인 적층된 버스 바를 도시하고, 도 22는 도 21에 따른 예시적인 적층된 버스 바의 일부분을 도시하며, 도 23은 도 21에 따른 예시적인 적층된 버스 바의 다른 부분을 도시한다. 전력 단자 레이아웃은 간단하고 효과적인 버스 바 상호 연결을 용이하게 하도록 설계될 수 있다. DC 링크 커패시터(102)와 전력 모듈(100)의 단자(106, 108) 사이의 인덕턴스를 최소화하기 위해, 버스 바(900)는 두꺼운 도체(910, 912)를 가질 수 있고 버스 바(900)의 두꺼운 도체(910, 912)는 겹칠 수 있다. 두꺼운 전도체(910, 912)는 얇은 유전체 필름(914)에 의해 분리될 수 있다. 전류는 두꺼운 도체(910, 912)의 각각의 시트를 통해 반대 방향으로 이동하여 전력 장치(302)와 필터링 DC 링크 커패시터(102) 사이의 유효 인덕턴스를 크게 감소시키는 작용을 한다. 두꺼운 도체(910)의 상부층은 전기 성능을 방해할 수 있는 와셔 또는 스페이서의 필요성을 제거하는 DC 링크 커패시터(102)에 대한 정합 표면에서 동일 평면 컨택(918)을 형성하도록 엠보싱될 수 있다.
위에 제시된 시스템 레벨 레이아웃과 매칭되는 예시적인 적층된 버스 바(900)는 도체 V+ 평면(912), 도체 V- 평면(910), 및 유전체 필름(914) 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
도체 V+ 평면(912)은 컨택(926)을 통해 전력 모듈(100)의 V+ 단자(106)를 컨택(928)을 통해 DC 링크 커패시터(들)(102)의 V+ 단자에 연결할 수 있을 뿐만 아니라 외부 연결을 위한 단자(920)를 가질 수 있다.
도체 V- 평면(910)은 컨택(924)을 통해 전력 모듈(100)의 V- 단자(108)를 컨택(918)을 통해 DC 링크 커패시터(들)(102)의 V- 단자에 연결할 수 있을 뿐만 아니라 외부 연결(922)을 위한 단자를 가질 수 있다. 컨택(918, 924, 926, 928) 및 단자(920, 922)는 각각 전기적 연결을 형성하기 위해 패스너를 수용하도록 구성된 패스너 구멍으로 구현될 수 있다. 다른 전기적 연결 구현도 고려된다. 도체(910, 912)는 구멍(940)을 포함할 수 있다. 도체(910, 912) 중 하나의 구멍(940)은 도체(910, 912) 중 다른 하나의 컨택에 대한 액세스를 허용한다.
유전체 필름(914)은 도체(910, 912)의 중첩 금속층 사이에 배치된 얇은 전기 절연체로서 구현될 수 있다. 유전체 필름(914)은 전기 안전 표준에 따라 유전체 절연을 제공할 수 있다. 유전체 필름(914)은 인덕턴스를 최소화하기 위해 가능한 한 얇게 유지될 수 있다. 필름은 또한 전기적 연결을 필요로 하지 않는 모든 영역에서 적층된 버스 바(900)의 상단 및 하단을 덮을 수 있다. 적층된 버스 바(900)의 에지(916)는 기하학적 구조 및 이용 가능한 공간에 따라 핀치 밀봉 적층, 에폭시 밀봉, 유전체 인서트 등을 포함하는 다양한 방법을 통해 밀봉될 수 있다. 일부 측면에서, 유전체 필름(914) 재료는 아크릴 접착제로 적층된 버스 바(900)에 접착될 수 있다. 일부 측면에서, 적층된 버스 바(900)는 폴리머 재료를 갖는 핀치 밀봉을 포함할 수 있다. 일부 측면에서, 적층된 버스 바(900)는 적층을 형성하기 위해 후속적으로 압력, 열 및 시간을 적용받을 수 있다.
일부 측면에서, 버스 바(900) 및 도체(910, 912)는 일반적으로 평면 구성을 갖는다. 보다 구체적으로, 버스 바(900)는 도 15에 도시된 바와 같이 일반적으로 평평한 상부 표면 및 일반적으로 평평한 하부 표면을 가질 수 있다. 일부 측면에서, 유전체 필름(914)과 함께 도체(910, 912) 중 하나의 두께는 도 13에 도시된 오프셋 거리(702)를 정의한다. 일 측면에서, 유전체 필름(914)과 함께 도체(910, 912) 중 하나의 두께는 오프셋 거리(702)에 대응하는 0.5 mm 내지 10 mm일 수 있다. 일 측면에서, 유전체 필름(914)과 함께 도체(910, 912) 중 하나의 두께는 오프셋 거리(702)에 대응하는 1 mm 내지 2 mm일 수 있다. 일 측면에서, 유전체 필름(914)과 함께 도체(910, 912) 중 하나의 두께는 오프셋 거리(702)에 대응하는 0.5 mm 내지 1 mm일 수 있다. 일 측면에서, 유전체 필름(914)과 함께 도체(910, 912) 중 하나의 두께는 오프셋 거리(702)에 대응하는 2 mm 내지 3 mm일 수 있다. 일 측면에서, 유전체 필름(914)과 함께 도체(910, 912) 중 하나의 두께는 오프셋 거리(702)에 대응하는 3 mm 내지 4 mm일 수 있다. 일 측면에서, 유전체 필름(914)과 함께 도체(910, 912) 중 하나의 두께는 오프셋 거리(702)에 대응하는 4 mm 내지 5 mm일 수 있다. 일 측면에서, 유전체 필름(914)과 함께 도체(910, 912) 중 하나의 두께는 오프셋 거리(702)에 대응하는 5 mm 내지 6 mm일 수 있다. 일 측면에서, 유전체 필름(914)과 함께 도체(910, 912) 중 하나의 두께는 오프셋 거리(702)에 대응하는 6 mm 내지 7 mm일 수 있다. 일 측면에서, 유전체 필름(914)과 함께 도체(910, 912) 중 하나의 두께는 오프셋 거리(702)에 대응하는 7 mm 내지 8 mm일 수 있다. 일 측면에서, 유전체 필름(914)과 함께 도체(910, 912) 중 하나의 두께는 오프셋 거리(702)에 대응하는 8 mm 내지 9 mm일 수 있다. 일 측면에서, 유전체 필름(914)과 함께 도체(910, 912) 중 하나의 두께는 오프셋 거리(702)에 대응하는 9 mm 내지 10 mm일 수 있다.
도 24는 본 개시에 따른 위상 출력 버스 바를 도시한다. 3상 모터 드라이브의 경우, 본 예에서와 같이, 위상 출력(930)은 인덕턴스를 최소화하기 위해 적층 또는 중첩을 필요로 하지 않을 수 있다. 이는 위상 출력 버스 바(930)가 유도성 부하를 구동하기 때문으로, 이는 출력 경로 상의 인덕턴스를 감소시킬 필요성을 제한한다. 따라서, 위상 출력 버스 바(930)는 독립형 요소일 수 있고 적층된 DC 링크 구조보다 훨씬 덜 복잡할 수 있다. 위상 출력 버스 바(930)는 전기적 연결을 형성하기 위해 패스너를 수용하기 위한 구멍(934)을 포함할 수 있다.
각각의 위상에서 출력 전류를 측정하는 것이 매우 바람직한다. 이것은 낮은 저항 직렬 저항(션트(shunt)라고 함)을 추가하여 저항에 걸친 전압 강하를 측정하고, 전류에 의해 생성된 자기장을 측정하는 센서를 포함하여 그에 비례하는 신호를 제어기에게 제공하는 등과 같은 여러 방법을 통해 수행될 수 있다. 도 24는 이러한 시스템에 대한 출력 버스 바(930) 중 하나는 물론 센서가 위치할 수 있는 영역에 자기장을 집중시키기 위해 철 차폐(ferrous shield)(932)를 추가함으로써 측정 정확도를 개선하기 위한 구성을 도시한다.
위상 출력 버스 바(930) 또는 도체는 각각의 전력 모듈(100)의 위상 출력 단자(110)에서 외부 단자 연결로의 전환을 제공하도록 구성될 수 있다. 위상 출력 버스 바(930) 또는 도체의 형태 및 배열은 변할 수 있고 전력 모듈(100)의 특정 토폴로지 또는 배열에 의존할 수 있다.
철 차폐(932) 또는 자기장 집중기는 센서가 배치될 수 있는 타깃 영역에서 전류 흐름에 의해 생성된 자기장의 집중시키도록 구성될 수 있다. 이것은 작동에 필요하지 않을 수 있지만 대부분의 변환기 시스템에서 출력 전류 측정을 추출하는 데 매우 유리한 배열이다.
도 25는 본 개시의 측면에 따른 전력 모듈 및 적층된 버스 바를 포함하는 예시적인 구현의 사시도를 도시하고, 도 26은 도 25에 따른 전력 모듈 및 적층된 버스 바를 포함하는 예시적인 구현의 제1 단면도를 도시하며, 도 27은 도 25에 따른 전력 모듈 및 적층된 버스 바를 포함하는 예시적인 구현의 제2 단면도를 도시한다. 도 25 내지 27은 전술한 적층된 버스 바(900) 구조를 갖는 모터 구동 시스템 레이아웃을 도시한다. 도 25 내지 27에 도시된 바와 같이, 시스템은 전력 모듈(100) 어레이, 냉각판(902) 어셈블리, DC 링크 커패시터(102), DC 링크 적층된 버스 바(900) 어셈블리 및 출력 컨택 버스 바(930)를 포함할 수 있다.
DC 링크 커패시터의 단자의 단면은 도 26에 도시되어 있다. 도 26은 버스 바(900)에 특징을 이루는 엠보싱된 동일 평면 연결부(918)는 물론 모든 실현 가능한 위치의 높은 정도의 금속 적층을 도시한다. 플레이트(910, 912) 사이의 유일한 분리는 판금 제조 프로세스(엠보싱 도구, 작업 고정, 공차 등)와 유전체 절연체(914)(에지 밀봉, 연면 거리, 클리어런스)에 필요한 최소 영역일 수 있다.
도 27에 도시된 전력 모듈(100)의 횡단면은 DC 링크 커패시터(102)의 뱅크로부터 전력 모듈(100)의 단자(106, 108)까지의 최적화된 중첩 임계 루프를 도시한다. 이는 실제 대표 컴포넌트 및 물리적 설계 제한과 함께 도 15에서 논의된 개념을 강화한다.
전체적으로, 이러한 낮은 인덕턴스, 높은 전류 상호 연결 구조는 개시된 전력 모듈 설계에 필요하고 이에 의해 가능해질 수 있다. 동시에, 그들은 DC 링크 커패시터(102)의 뱅크와 스위치 위치(104) 사이에 효과적이고 고도로 통합된 낮은 인덕턴스 경로를 형성한다. 이러한 구조는 광대역 갭 반도체와 같은 전력 장치(302)의 효율적이고, 안정적이며 매우 높은 주파수 스위칭을 허용한다.
도 28은 본 개시에 따른 예시적인 단일 모듈 게이트 드라이버를 도시한다. 게이트 드라이버는 제어기와 고전압 전력단 사이에 전압 절연을 제공하면서 스위치 위치(104)에 구동 전류를 전달하는 전력 증폭기의 역할을 한다. 스위치 위치(104) 사이의 드라이버 블록 사이에서도 절연이 유지될 수 있다. 고주파수 스위칭의 경우, 드라이버의 출력단은 스위치 위치(104)에 물리적으로 가깝게 위치할 수 있다.
저전압, 과전압 및 과전류 보호와 같은 안전을 위해 추가 특징이 포함될 수 있다. 게이트 드라이버 회로는 전력 모듈(100)이 항상 안전한 작동 영역에서 기능하고 장애가 발생한 경우 조심스럽게 종료되는 것을 보장하도록 구성될 수 있다.
이러한 전력 모듈 설계로, 게이트 드라이버는 적층된 전력 버싱(900) 바로 위에 안착될 수 있다. 이들은 단일 PCB로 형성될 수 있고 전력 모듈(100)과 동일한 모듈 방식으로 랙업(rack up)되거나 확장될 수 있다. 다르게는, 드라이버는 또한 전력 모듈(100)의 어레이에 걸쳐 단일 PCB에 통합되어 크기를 줄일 수 있지만 보드 상의 다중 고전압 노드로 인해 복잡성을 증가시킨다. 드라이버의 출력단은 모듈 신호 핀과 접촉하는 보드 대 보드 커넥터 바로 옆에 위치할 수 있다.
단일 모듈 게이트 드라이버(400)의 예가 도 28에 제시된다. 단일 모듈 게이트 드라이버(400) 요소는 각각의 스위치 위치(104)에 대해 복제될 수 있다. 각각의 블록의 배열 및 특정 레이아웃은 시스템 의존적일 수 있고 일반화된 예로서 이러한 도면에서 구성될 수 있다.
단일 모듈 게이트 드라이버(400) 요소는 제어 신호 커넥터(410), 절연된 전원 공급 장치(420), 신호 절연 및 컨디셔닝 컴포넌트(430), 증폭기 스테이지(440), 벌크 게이트 저항 및 로컬 전류 필터(450), 센서 및 보호 컴포넌트(460), 전력 모듈 신호 커넥터(470), 및 연면 거리 확장 슬롯(480) 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 단일 모듈 게이트 드라이버(400)는 인쇄 회로 기판(PCB 402) 상에 배열될 수 있다.
제어 신호 커넥터(410)는 차동 제어 및 센서 신호가 케이블, 보드 대 보드 커넥터 또는 유사한 메커니즘을 통해 둘 사이에서 전송될 수 있도록 제어기와 게이트 드라이버를 인터페이스하도록 구성될 수 있다.
절연된 전원 공급 장치(420)는 전력 장치(302)의 턴온 및 턴오프에 필요한 양 및 음 전압을 제공하는 DC-DC 변환기로 구현될 수 있다. 절연된 전원 공급 장치(420)는 전력 장치(302)에 의해 필요한 전류를 전원을 공급하기에 충분히 높은 전력일 수 있다. 제어단과 전력단 사이의 절연은 이러한 블록의 중요한 기능일 수 있다.
신호 절연 및 조절 컴포넌트(430)는 저전압 제어와 고전압 전력 사이의 제어 신호의 절연을 제공할 뿐만 아니라 드라이버의 증폭기 스테이지(440)에 대한 제어 신호를 조절하는 회로를 포함할 수 있다.
증폭기 스테이지(440)는 개별 또는 통합 컴포넌트로 형성될 수 있다. 증폭기 스테이지(440)는 절연된 저전력 제어 신호를 스위치 위치(104)가 작동하기 위해 요구하는 전류 및 전압으로 변환할 수 있다. 이것은 정확한 스위칭을 위해 가능한 한 모듈 신호 단자에 물리적으로 가까워야 한다.
벌크 게이트 저항 및 로컬 전류 필터(450)는 출력 핀, 벌크 게이트 저항 및 로컬 전류 필터(450)로 전환되기 전의 최종 단계일 수 있으며, 특정 시스템의 필요에 맞게 스위치 위치(104)의 턴온 및 턴오프 횟수를 조정하는 데 사용될 수 있다. 이들은 단일 세트의 수동 요소이거나, 또는 상이한 스위칭 특성이 필요한 경우 턴온 및 턴오프에 대해 상이한 저항 값을 갖는 네트워크의 일부일 수 있다. 로컬 필터는 또한 스위칭 이벤트 동안 전류의 품질 소스가 유지되는 것을 보장하는 데 사용될 수 있다.
센서 및 보호 컴포넌트(460)는 저전압 및 과전압 보호, 과전류 보호, 온도 감지 및 고장 발생 시 안전한 셧다운을 위한 메커니즘을 포함할 수 있는 회로를 포함할 수 있다.
전력 모듈 신호 커넥터(470)는 PCB(402)의 하부면에 위치할 수 있다. 전력 모듈 신호 커넥터(470)는 게이트 드라이버 및 전력 모듈(100)을 인터페이스하여 전력 모듈(100) 내부의 게이트 분배 네트워크에 대한 직접 연결을 제공할 수 있다. 이것은 일반적으로 보드 대 보드 커넥터, 직접 땜납 연결 등에 의해 촉진될 수 있다. 와이어 대 보드 연결도 가능하지만, 드라이버가 물리적으로 전력 모듈(100)에 가까워야 할 필요가 있다.
연면거리 확장 슬롯(480)은 드라이버 스테이지 사이의 전압 절연을 개선하도록 구성될 수 있으며, 컴포넌트의 보다 컴팩트한 패킹을 허용한다. 고전압 전력 모듈의 크기가 계속 줄어들면서 전압 절연이 점점 더 어려워지고 있다. PCB(402)의 슬롯을 절단하는 것은 보드 크기를 추가하지 않고 전압 연면 거리를 증가시키기 위한 한 가지 옵션일 수 있다. 다른 옵션은 중요한 노드의 로컬 포팅(potting) 및 등각의 유전체 코팅으로 전체 어셈블리를 완전히 덮는 것을 포함한다. 보다 구체적으로, PCB(402)를 포함하는 전력 모듈(100)의 다양한 컴포넌트는 하나 이상의 컴포넌트의 이산적이고 그리고/또는 로컬의 포팅을 포함할 수 있고, PCB(402)를 포함하는 전력 모듈(100)의 다양한 컴포넌트는 하나 이상의 컴포넌트, 전체 PCB(402), 및/또는 전력 모듈(100)의 다른 어셈블리에 대한 등각의 유전체 코팅을 포함한다.
도 29에 도시된 바와 같이 함께 통합되는 경우, 게이트 드라이버(400) 및 전력 모듈(100)은 절연을 통해, 증폭되고 그 후 병렬화된 전력 장치(302)의 게이트에 직접 게이트 저항 네트워크를 통해 분배된, 제어 소스로부터의 최적화된 낮은 인덕턴스 신호 흐름을 갖는 컴팩트한 단일 유닛을 형성한다.
도 30은 본 개시의 측면에 따른 전류 감지 컴포넌트를 도시하고, 도 31은 도 30에 따른 위상 출력 버스 바와 함께 배열된 전류 감지 컴포넌트를 도시한다. 전류를 감지하는 방법에는 여러 가지가 있다. 도 30 및 도 31에 도시된 본 개시의 일 측면에서, 비 접촉 자기 센서와 같은 센서(980)가 이용될 수 있다. 센서(980)는 자기장을 집중시키기 위해 철 차폐(932)와 함께 사용될 수 있다. 센서(980)는 출력 전류에 비례하는 신호를 생성하는 이러한 영역에 배치된 작은 센서 칩을 사용할 수 있다. 3상 모두에 대한 단일 PCB(936) 상의 센서의 예는 도 30에 도시되어 있고, 자기 차폐가 있는 전체 출력 버스 바 구조는 도 31에 도시되어 있다.
도 32는 본 개시의 측면에 따른 예시적인 3상 모터 구동 전력 스택업(stack-up)을 도시한다. 특히, 도 32는 이전에 설명된 모든 기능적 컴포넌트를 갖는 예시적인 3상 모터 구동 전력 스택업을 도시한다. 도 32 시스템은 고도로 통합되어 있으며 최대 전기 성능에 고도로 최적화되어 있다. 커패시터 뱅크의 전압 감지 및 EMI 차폐 인클로저와 같은 추가 특징이 고려되며 이러한 고성능 코어에 잘 통합된다.
도 33은 본 개시의 측면에 따른 병렬로 복수의 전력 장치를 개략적으로 도시한다. 특히, 도 33은 4개의 전력 장치(302)를 도시한다. 이러한 개수의 전력 장치(302)는 단지 예시적이며 예시 및 이해의 편의를 위한 것이다. 본 개시의 전력 모듈(100)은 임의 개수의 전력 장치(302)를 포함할 수 있다.
게이트 제어 및 감지 신호는 전력 모듈(100)의 스위칭 성능에 현저하게 영향을 미치며 병렬화된 스위치 위치(104)에서 특히 중요할 수 있다. 신호 루프는 고성능, 견고성 및 균일한 전류 공유를 위해 전력 모듈(100)에서 최적화될 수 있다. 일부 측면에서, 신호 루프를 위한 다층 인쇄 회로 기판(PCB)이 이용될 수 있다. 이러한 측면에서, 플럭스 제거 및 추가 인덕턴스 감소를 위해 평행 평면이 사용될 수 있다. 따라서, 넓고 짧은 경로는 자기장을 상쇄하기 위해 자체적으로 이중화될 수 있다. 이것은 전력 모듈(100)의 기하학적 제약이 주어지면 가능한 최상의 신호 루프를 제공하는 데 도움이 된다. 전력 루프와 유사하게, 경로는 길이가 제한되고 단면이 넓도록 구성될 수 있으며, 연관된 외부 컴포넌트는 신호 단자(502, 504)에 가능한 한 물리적으로 가깝게 배치될 수 있다.
트랜지스터, 특히 MOSFET과 같은 전력 장치(302)의 병렬화된 어레이의 경우, 게이트 전류의 타이밍 및 크기는 일관된 턴온 및 턴오프 조건을 초래하도록 균형을 이루어야 한다. 전력 모듈(100)은 게이트 와이어 본드에 의해서만 분리된, 전력 장치(302)의 게이트에 매우 근접하게 배치될 수 있는 개별 밸러스팅 저항(820)(RG1, RG2, RG3, RG4)를 이용할 수 있다. 개별 밸러스팅 저항(820)(RG1, RG2, RG3, RG4)은 저항이 낮고 각각의 개별 전력 장치(302)에 흐르는 전류를 버퍼링하는 데 도움이 될 수 있다. 개별 밸러스팅 저항(820)(RG1, RG2, RG3, RG4)은 전력 장치(302)의 게이트를 분리하는 역할을 하여 발진을 방지하고 병렬화된 전력 장치(302)에 대한 균등화된 턴온 신호를 보장하는 데 도움을 준다. 단일 외부 저항(RDRIVER)이 이용될 수 있고 유효 스위치 위치(104)의 턴온 속도를 제어하기 위해 이러한 병렬화된 저항(820)(RG1, RG2, RG3, RG4)에 연결될 수 있다. 일 측면에서, 밸러스팅 저항(820)은 각각의 전력 장치(302)와 연관될 수 있다. 일 측면에서, 개별 밸러스팅 저항(820)은 각각의 개별 전력 장치(302)와 연관될 수 있다.
추가적인 측면에서, 전력 모듈(100)은 전력 장치(302)의 소스 켈빈 연결에 매우 근접하게 배치될 수 있는 개별 밸러스팅 소스 켈빈 저항(822)(RS1, RS2, RS3, RS4)을 이용할 수 있다. 일 측면에서, 소스 켈빈 저항(822)(RS1, RS2, RS3, RS4)은 소스 켈빈 와이어 본드에 의해서만 분리될 수 있다. 일 측면에서, 소스 켈빈 저항(822)은 각각의 전력 장치(302)와 연관될 수 있다. 일 측면에서, 개별 소스 켈빈 저항(822)은 각각의 개별 전력 장치(302)와 연관될 수 있다. 소스 켈빈 저항(822)(RS1, RS2, RS3, RS4)은 저항이 낮을 수 있고 개별 전력 장치(302) 각각의 소스 켈빈 연결로 흐르는 전류를 버퍼링하는 데 도움이 될 수 있다. 소스 켈빈 저항 822(RS1, RS2, RS3, RS4)은 전력 장치(302)의 소스 켈빈 연결을 분리하는 역할을 하여 진동을 방지하고 병렬화된 전력 장치(302)에 대한 등화된 신호를 보장하는 것을 돕는다. 특정 측면에서, 소스 켈빈 저항(822)(RS1, RS2, RS3, RS4)은 개별 전력 장치(302), 개별 전력 장치(302)의 레이아웃 등의 임의의 불일치를 해결하도록 구성되고 구현될 수 있다.
특정 측면에서, 소스 켈빈 저항(822)(RS1, RS2, RS3, RS4)은 개별 전력 장치(302) 사이의 피드백 발진을 방지하거나 감소시키고, 개별 전력 장치(302) 사이의 피드백 발진을 감쇠하며, 개별 전력 장치(302) 사이의 소스 켈빈 신호를 분리시키고, 개별 전력 장치(302)의 소스 켈빈 신호 사이의 전류 흐름을 억제시키며, 개별 전력 장치(302)의 소스 켈빈 신호 사이의 전류 흐름을 균등화하고, 전류 경로를 통해 흐르도록 개별 전력 장치(302)를 통해 흐르는 전류를 강제하도록 구성되고 구현될 수 있다. 더욱이, 소스 켈빈 저항(822)(RS1, RS2, RS3, RS4)은 시그널링 인덕턴스를 감소시키고, 전력 장치(302)의 게이트 작동이 느려지지 않도록 보장하며, 전력 장치(302)의 게이트/소스 과전압을 최소화할 수 있다.
소스 켈빈 저항(822)(RS1, RS2, RS3, RS4)은 애플리케이션에 따라 표면 실장 패키지, 통합된 후막층, 인쇄된 후막, 와이어 본딩 가능 칩, "자연적인" 저항 경로(본질적으로 저항을 추가하는 재료/구조 인터페이스) 등일 수 있다. 하나 이상의 측면에서, 소스 켈빈 저항(822)(RS1, RS2, RS3, RS4) 및 저항(820)(RG1, RG2, RG3, RG4)의 저항값은 등가일 수 있다. 하나 이상의 측면에서, 소스 켈빈 저항(822)(RS1, RS2, RS3, RS4) 및 저항(820)(RG1, RG2, RG3, RG4)의 저항값은 상이할 수 있다. 하나 이상의 측면에서, 소스 켈빈 저항(822)(RS1, RS2, RS3, RS4)의 저항값은 0.5 옴 내지 1.5 옴일 수 있다. 하나 이상의 측면에서, 소스 켈빈 저항(822)(RS1, RS2, RS3, RS4)의 저항값은 0.5 옴 내지 2 옴일 수 있다. 하나 이상의 측면에서, 소스 켈빈 저항(822)(RS1, RS2, RS3, RS4)의 저항값은 0.5 옴 내지 5옴일 수 있다. 하나 이상의 측면에서, 소스 켈빈 저항(822)(RS1, RS2, RS3, RS4)의 저항값은 0.5 옴 내지 20 옴일 수 있다. 하나 이상의 측면에서, 저항(820)(RG1, RG2, RG3, RG4)의 저항값은 1 옴 내지 20 옴일 수 있다. 하나 이상의 측면에서, 저항(820)(RG1, RG2, RG3, RG4)의 저항값은 1 옴 내지 5 옴일 수 있다. 하나 이상의 측면에서, 저항(820)(RG1, RG2, RG3, RG4)의 저항값은 1 옴 내지 10 옴일 수 있다. 하나 이상의 측면에서, 저항(820)(RG1, RG2, RG3, RG4)의 저항값은 1.5 옴 내지 6 옴일 수 있다.
도 34는 본 개시의 측면에 따른 유효 게이트 스위칭 루프 및 전력 모듈의 평면도를 도시한다. 특히, 도 34는 신호 기판 또는 신호 상호 연결 어셈블리(616)가 신호 상호 연결 어셈블리(616)의 보드의 에지 상의 게이트 및 소스 켈빈 커넥터 단자(502, 504)에 연결하는 레일(816, 818)을 가질 수 있음을 도시한다. 레일(818)은 개별 게이트 저항(820)(저항 RG1, RG2, ... RGN)을 통해 게이트 와이어 본드 패드에 연결할 수 있는 반면, 레일(816)은 개별 저항(822)(저항 RS1, RS13, RS3, ... RSN)을 통해 전력 장치(302)의 소스 패드에 연결할 수 있다. 이것은 소스 켈빈 본드가 전력 소스 본드의 현재 경로에 없기 때문에 진정한 켈빈 연결로 간주될 수 있다. 켈빈 연결은 정확하고 효율적인 제어를 위해 중요할 수 있으며 높은 드레인 대 소스 전류가 신호 루프에 미치는 영향을 줄일 수 있다.
도 34는 신호 상호 연결 어셈블리(616) 상의 선택적 신호 연결(506, 508)을 추가로 도시한다. 연결(506, 508)은 온도 측정 또는 다른 형태의 내부 감지에 사용될 수 있다. 일부 측면에서, 내부 감지는 진동을 감지하는 스트레인 게이지, 습도를 감지하는 센서 등을 포함할 수 있는 진단 센서로부터 생성될 수 있는 진단 신호를 포함하는 진단 감지를 포함할 수 있다. 게다가, 진단 센서는 모든 환경 또는 장치 특성을 감지할 수 있다.
일 측면에서, 센서는 전력 기판(606) 또는 베이스 플레이트(602) 상에 배치될 수 있는 온도 센서(610)일 수 있다. 일 측면에서, 전력 기판(606) 또는 베이스 플레이트(602)는 금속 표면 및/또는 또는 전력 장치(302)를 지지하는 전도성 표면을 가질 수 있다. 일 측면에서, 전력 기판(606) 또는 베이스 플레이트(602)의 표면의 일부(850)는 전력 장치(302)를 지지하는 표면과 상이할 수 있다. 일 측면에서, 부분(850)은 금속 표면 및/또는 전도성 표면이 제거되거나, 에칭되거나, 존재하지 않는 부분일 수 있다. 일 측면에서, 온도 센서(610)는 전력 기판(606) 또는 베이스 플레이트(602)의 금속 표면이 제거되었거나 존재하지 않는 영역에서 전력 기판(606) 또는 베이스 플레이트(602) 상에 배치될 수 있다. 이러한 측면에서, 온도 센서(610)는 절연될 수 있고 더 정확한 온도 판독을 제공할 수 있다. 물론, 온도 센서(610)를 위한 다른 위치 및 배열도 고려된다.
이러한 신호 루프 또는 신호 상호 연결 어셈블리(616)의 구현은 스위치 위치(104)에서 병렬화된 전력 장치(302)의 임의의 조합에 걸쳐 품질 제어 및 측정을 보장할 수 있다. 표준 PCB 보드 대 보드 커넥터는 외부 게이트 드라이버 및 제어 회로에 대한 직접 연결을 허용할 수 있다.
도시된 바와 같이, 이러한 게이트 분배 네트워크는 PCB로 구현될 수 있다. 그것은 또한 1차 전력 기판(630) 상에 직접, 베이스 플레이트(602) 상에 직접 후막 회로로서 형성될 수 있다. 이것은 저항(820, 822)을 인쇄하기 위한 옵션뿐만 아니라 전력 모듈(100)의 부품 수를 줄이는 이점을 갖는다. 측면에서, 후막 또는 증착되고 패턴화된 금속 구현이 하우징 측벽(612) 및/또는 하우징 덮개(618) 자체에 이용될 수 있다. 저항(820, 822)은 땜납 단자가 필요하지 않을 수 있고 저항(820, 822)이 냉각판으로부터 능동적으로 냉각될 수 있어서 컴포넌트의 열적 크기 제약을 최소화할 수 있기 때문에 PCB 상의 표면 실장 부품의 크기보다 훨씬 작을 수 있다.
도 35는 본 개시의 측면에 따른 전력 모듈 및 하우징을 포함하는 구성의 사시도를 도시하고, 도 36은 도 35의 구성의 측면도를 도시하며, 도 37은 도 35의 구성의 부분 사시도를 도시하고, 도 38은 도 35의 구성의 다른 부분 사시도를 도시하며, 도 39는 도 35의 구성의 또 다른 부분 사시도를 도시하고, 도 40은 도 35의 구성의 또 다른 부분 사시도를 도시하며, 도 41은 도 35의 구성의 또 다른 부분 사시도를 도시한다.
특히, 도 35 내지 도 40은 전력 모듈(100), 버스 바(900), 드라이버(400), 전력 모듈(100) 및 드라이버(400)를 위한 제어기, 커패시터(102), 센서(980) 등 중 하나 이상을 구현하는 데 사용될 수 있는 구성체(3500)를 도시한다. 일 측면에서, 구성체(3500)는 여기에서 설명된 바와 같이 전력 모듈(100), 버스 바(900), 드라이버(400), 전력 모듈(100) 및 드라이버(400)를 위한 제어기, 커패시터(102), 센서(980) 등 중 하나 이상을 이용할 수 있다. 일 측면에서, 구성체(3500)는 하나 이상의 다른 유형의 전력 모듈, 버스 바, 드라이버, 전력 모듈 및 드라이버를 위한 제어기, 커패시터, 센서 등을 활용할 수 있다.
일 측면에서, 구성체(3500)는 하프 브리지, 풀 브리지, 3상, 부스터, 초퍼, DC-DC 변환기, 및 유사한 배열 및/또는 토폴로지를 포함하는 매우 다양한 전력 토폴로지로 구현될 수 있다. 도 35 내지 40에 도시된 측면에서, 구성체(3500)는 3상 토폴로지를 구현하는 것으로 도시된다.
특히 도 35를 참조하면, 구성체(3500)는 하우징(3502)을 포함할 수 있다. 하우징(3502)은 상단 부분(3504), 중간 부분(3506) 및 하단 부분(3508)을 포함할 수 있다. 그러나, 하우징(3502)은 더 적은 수 또는 더 많은 수의 하우징 부분으로 구현될 수 있다. 일 측면에서, 하우징(3502)은 합성 재료, 플라스틱 재료, 금속 재료 등으로 구성될 수 있다. 일 측면에서, 하우징(3502)은 플라스틱 재료로 구성될 수 있다. 일 측면에서, 하우징(3502)은 사출 성형될 수 있는 플라스틱 재료로 구성될 수 있다.
도 35를 더 참조하면, 일 측면에서 상단 부분(3504)은 기계적 패스너(3512)로 구성체(3500)에 기계적으로 고정될 수 있다. 다른 측면에서, 상단 부분(3504)은 다른 어셈블리 및/또는 또는 구성을 사용하여 구성체(3500)에 고정될 수 있다. 일 측면에서, 상단 부분(3504)은 구성체(3500) 내의 공기가 냉각 목적을 위해 그를 통해 흐를 수 있도록 하는 냉각 슬롯(3510)을 포함할 수 있다.
도 35를 더 참조하면, 일 측면에서, 중간 부분(3506)은 상단 부분(3504)과 하단 부분(3508) 사이에 배열될 수 있다. 하단 부분(3508)은 구성체(3500)의 다양한 컴포넌트의 인클로저를 제공하기 위해 상단 부분(3504)과 중간 부분(3506)을 수용하도록 구성될 수 있다. 일 측면에서, 중간 부분(3506) 및/또는 하단 부분(3508)은 위상 출력(930)이 그를 통해 연장되도록 허용하도록 추가로 구성될 수 있다. 다른 토폴로지를 구현하는 다른 측면에서, 중간 부분(3506) 및/또는 하단 부분(3508)은 다른 유형의 출력이 이를 통해 연장되도록 추가로 구성될 수 있다.
도 35를 더 참조하면, 일 측면에서 하단 부분(3508)은 중간 부분(3506)을 지지할 수 있다. 일 측면에서, 하단 부분(3508)은 위상 출력(930)을 지지하는 지지체(3514)를 포함할 수 있다. 다른 측면에서, 하단 부분(3508)은 다른 토폴로지를 구현할 때 다른 유형의 출력을 지원하기 위해 지지체(3514)를 포함할 수 있다.
하나 이상의 측면에서, 하단 부분(3508)은 냉각판(902)에 대한 유체 연결부(3516)가 그로부터 연장되도록 구성된 구멍(3528)을 더 포함할 수 있다. 일 측면에서, 유체 연결부(3516)는 유체 소스를 수용하고 그리고/또는 냉각판(902)과 관련하여 냉각 목적을 위해 유체를 전달할 수 있다.
도 36을 참조하면, 일 측면에서 구성체(3500)는 도체(910, 912)를 포함할 수 있다. 일 측면에서, 도체(910, 912)는 위상 출력(930)에 대해 구성체(3500)의 반대쪽에 배열될 수 있다. 일 측면에서, 도체(910, 912)는 다른 유형의 토폴로지에 대한 다른 유형의 출력에 대해 구성체(3500)의 반대쪽에 배열될 수 있다.
일 측면에서, 구성체(3500)는 냉각팬(3518)을 포함할 수 있다. 냉각팬(3518)은 구성체(3500)의 다양한 컴포넌트를 냉각하기 위해 구성체(3500)의 하우징(3502)을 통해 공기를 이동시키도록 구성될 수 있다. 일 측면에서, 냉각팬(3518)은 냉각팬(3518)이 개구를 통해 공기를 이동시키고 마찬가지로 도 35에 도시된 냉각 슬롯(3510)을 통해 공기를 이동시키도록 구성체(3500)의 측면 상의 개구에 위치될 수 있다.
일 측면에서, 구성체(3500)는 전기 인터페이스(3520)를 포함할 수 있다. 일 측면에서, 전기 인터페이스(3520)는 하나 이상의 전력 모듈(100), 버스 바(900), 드라이버(400), 전력 모듈(100) 및 드라이버(400)에 대한 제어기, 커패시터(102), 센서(980) 등과 데이터를 연결하고 교환할 수 있다. 일 측면에서, 데이터는 제어 신호, 센서 신호, 구동 신호, 소프트웨어를 로딩하고, 제거하거나 또는 수정하기 위한 신호 등일 수 있다. 일 측면에서, 전기 인터페이스(3520)(또는 이러한 벽을 따른 다른 커넥터)는 다르게는 또는 추가적으로 제어기 및 드라이버(400)를 위한 저전압(12-24 V) 전력을 제공할 수 있다. 특정 측면에서, 구성체(3500)는 도체(910, 912)에서 전원에 연결되고 전기 인터페이스(3520)를 통해 완전히 작동되고, 제어되며 그리고 분석되도록 구성될 수 있고 위상 출력(930)으로부터의 출력을 제공한다.
도 37을 참조하면, 예시 및 이해의 용이성을 위해 상단 부분(3504)이 제거된 구성체(3500)이 도시된다. 일 측면에서, 도 37에 도시된 바와 같이, 중간 부분(3506)은 기계적 패스너(3512)를 수용하기 위한 부분(3526)을 포함할 수 있다. 도 37은 제어기(3522), 드라이버(400), 및 제어기(3522)와 드라이버(400) 사이의 유선 연결(3524)을 추가로 도시한다.
도 38을 참조하면, 구성체(3500)는 예시 및 이해의 용이함을 위해 중간 부분(3506)에서 제어기(3522), 드라이버(400) 및 유선 연결(3524)이 제거되도록 도시된다. 특히, 도 38은 제어기(3522), 드라이버(400), 유선 연결(3524) 등을 지지하기 위한 표면을 도시한다.
도 39는 예시 및 이해의 용이함을 위해 중간 부분(3506)이 제거된 구성체(3500)을 도시한다. 특히, 도 39는 버스 바(900), 전력 모듈(100), 냉각판(902) 및 센서(980)의 배열 구성을 도시하고 있다. 특히, 도 39는 하단 부분(3508)에 의해 지지되는 버스 바(900), 전력 모듈(100), 냉각판(902), 및 센서(980)의 배열 및 구성을 도시한.
도 40은 예시 및 이해의 용이함을 위해 중간 부분(3506) 및 버스 바(900)가 제거된 구성체(3500)을 도시한다. 도 40에 도시된 바와 같이, 전력 모듈(100), 냉각판(902), 및 센서(980)의 배열은 구성체(3500)에 대해 도시되어 있다. 특히, 도 40은 위상 출력(930) 및 도체(910)에 대한 입력 및 출력 연결의 부착을 고정하기 위한 컴포넌트(3530)를 도시한다. 일 측면에서, 부착을 고정하기 위한 컴포넌트(3530)는 기계적 패스너일 수 있다. 일 측면에서, 기계식 패스너는 대응하는 나사형 수(male) 컴포넌트를 수용하도록 구성된 암(female) 나사형 컴포넌트일 수 있다. 일 측면에서, 기계적 패스너는 육각 너트일 수 있다.
도 41은 예시 및 이해의 용이함을 위해 중간 부분(3506), 버스 바(900), 전력 모듈(100), 냉각판(902), 및 센서(980)가 제거된 구성체(3500)을 도시한다. 도 41에 도시된 바와 같이, 구성체(3500)의 하단 부분(3508)은 중간 부분(3506)에 연결하기 위한 구조체(3540)를 포함할 수 있다. 도 41에 도시된 바와 같이, 구성체(3500)의 하단 부분(3508)은 적어도 전력 모듈(100) 및 냉각판(902)을 유지하기 위한 구조체(3542)를 포함할 수 있다. 도 41에 도시된 바와 같이, 구성체(3500)의 하단 부분(3508)은 적어도 커패시터(102)를 유지하기 위한 구조체(3544)를 포함할 수 있다. 일부 측면에서, 구조체는 리브(rib), 보강 부분, 기계적 패스너 수용 부분 등일 수 있다.
일 측면에서, 구성체(3500)는 평가 시스템, 평가 키트, 테스트 시스템 등으로 구현될 수 있다. 이러한 구현은 간결함을 위한 평가 키트로 광범위하게 정의된다. 특정 측면에서, 구성체(3500)의 평가 키트 구현은 도체(910, 912)에서 전원에 연결되고, 전기 인터페이스(3520)를 통해 완전히 작동되고, 제어되며 그리고 분석되도록 구성될 수 있고, 위상 출력(930)으로부터의 출력을 제공할 수 있다. 이와 관련하여, 사용자는 본 개시의 전력 모듈(100)을 구현하는 시스템을 구현하고 제조하기 전에 테스트, 목업(mockup) 등을 수행하기 위해 구성체(3500)의 평가 키트 구현을 구현할 수 있다. 일 측면에서, 사용자는 전력 모듈(100)의 특정 애플리케이션과 관련하여 테스트, 목업 등을 수행하기 위해 구성체(3500)의 평가 키트 구현을 구현할 수 있다. 일 측면에서, 애플리케이션은 전력 시스템, 모터 시스템, 자동차 모터 시스템, 충전 시스템, 자동차 충전 시스템, 차량 시스템, 산업용 모터 구동, 임베디드 모터 구동, 무정전 전원 공급 장치, AC-DC 전원 공급 장치, 용접기 전원 공급 장치, 군용 시스템, 인버터, 풍력 터빈용 인버터, 태양 전력 패널, 조력 발전소, 전기 차량(electric vehicle, EV), 변환기 등일 수 있다.
도 42는 전력 모듈을 포함하는 구성을 구현하고 작동하는 프로세스를 도시한다. 특히, 도 42는 구성을 구현하고 작동하는 프로세스(4200)를 도시한다. 일 측면에서, 프로세스(4200)는 여기에서 개시된 구성체(3500)을 이용하여 구현될 수 있다.
프로세스(4200)는 박스(4202)에 도시된 바와 같이 구성체(3500)을 형성하기 위해 하우징(3502)에 전력 모듈(100) 및 연관된 컴포넌트를 조립하는 단계를 더 포함할 수 있다. 일 측면에서, 구성체(3500)는 전력 모듈(100), 버스 바(900), 드라이버(400), 전력 모듈(100) 및 드라이버(400)용 제어기, 커패시터(102), 센서(980) 등 중 하나 이상을 포함하도록 조립될 수 있다. 일 측면에서, 구성체(3500)는 여기에서 설명된 바와 같이 전력 모듈(100), 버스 바(900), 드라이버(400), 전력 모듈(100) 및 드라이버(400)용 제어기, 커패시터(102), 센서(980) 등 중 하나 이상으로 조립될 수 있다. 일 측면에서, 구성체(3500)는 하나 이상의 다른 유형의 전력 모듈, 버스 바, 드라이버, 전력 모듈 및 드라이버용 제어기, 커패시터, 센서 등을 포함하도록 조립될 수 있다.
프로세스(4200)는 구성을 전원(4204)에 연결하는 단계를 더 포함할 수 있다. 일 측면에서, 구성체(3500)의 도체(910, 912)는 전원에 연결될 수 있다. 일 측면에서, 구성체(3500)의 전도체(910, 912)는 DC 전원에 연결될 수 있다.
프로세스(4200)는 구성체(3500)을 작동시키는 단계(4206)를 더 포함할 수 있다. 일 측면에서, 구성체(3500)는 전력 모듈(100), 버스 바(900), 드라이버(400), 전력 모듈(100) 및 드라이버(400)용 제어기, 커패시터(102), 센서(980) 등 중 하나 이상이 출력을 제공하도록 작동될 수 있다. 일 측면에서, 구성체(3500)는 구성체(3500)을 작동시키는(4206) 측면을 구현하도록 프로그램될 수 있다. 일 측면에서, 구성체(3500)의 제어기는 구성체(3500)을 작동시키는 측면을 구현하도록 프로그램될 수 있다. 일 측면에서, 구성체(3500)의 드라이버(400)는 구성을 작동시키는 측면를 구현하도록 프로그램될 수 있다.
프로세스(4200)는 전력 모듈(100) 및 연관된 컴포넌트를 포함하는 구성체(3500)의 다양한 작동 파라미터(4208)를 측정하는 단계를 더 포함할 수 있다. 일 측면에서, 구성체(3500)는 다양한 내부 센서가 센서 데이터를 출력하도록 작동될 수 있다. 일 측면에서, 구성체(3500)는 작동되고 오실로스코프, 컴퓨터 시스템 등과 같은 센서 데이터를 출력하는 외부 센서에 연결될 수 있다. 일 측면에서, 다양한 센서 데이터는 컴퓨터 시스템에 의해 수집될 수 있다. 컴퓨터 시스템은 프로세서, 메모리, 운영 체제 등을 포함할 수 있다. 하나 이상의 측면에서, 출력 센서 데이터는 전력 모듈(100) 또는 구성체(3500)에 의해 구현되는 다른 컴포넌트와 관련된 스위칭 손실, 온도, 인덕턴스, 스위칭 속도, 오버슈트, 파형 분석 등에 기초하고 그리고/또는 이들을 포함할 수 있다. 일 측면에서, 구성체(3500)의 다양한 작동 파라미터(4208)를 측정하는 것은 전력 모듈(100)의 특정 애플리케이션에 관한 것일 수 있다. 일 측면에서, 애플리케이션은 전력 시스템, 모터 시스템, 자동차 모터 시스템, 충전 시스템, 자동차 충전 시스템, 차량 시스템, 산업용 모터 구동, 임베디드 모터 구동, 무정전 전원 공급 장치, AC-DC 전원 공급 장치, 용접기 전원 공급 장치, 군용 시스템, 풍력 터빈용 인버터, 태양 전력 패널, 조력 발전소, 전기 차량차(EV), 변환기 등일 수 있다.
프로세스(4200)는 작동 파라미터를 맨 머신 인터페이스(man machine interface)에 출력하는 단계(4210)를 더 포함할 수 있다. 일 측면에서, 작동 파라미터는 컴퓨터 시스템에 의해 분석될 수 있다. 일 측면에서, 컴퓨터 시스템은 출력을 생성하기 위해 센서 데이터를 포함하는 작동 파라미터를 분석할 수 있다. 일 측면에서, 출력은 맨 머신 인터페이스에게 제공될 수 있다. 일 측면에서, 맨 머신 인터페이스는 디스플레이, 인쇄물, 분석 파일 등 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
프로세스(4200)는 구성체(4212)의 측면을 수정하고 프로세스(4200)를 반복하는 단계를 더 포함할 수 있다. 일 측면에서, 구성체(3500)는 본 개시와 일치하는 추가 컴포넌트를 포함하도록 수정될 수 있다. 일 측면에서, 구성체(3500)는 본 개시와 일치하는 더 적은 컴포넌트를 포함하도록 수정될 수 있다. 일 측면에서, 구성체(3500)의 제어기 프로그램은 수정될 수 있다. 일 측면에서, 구성체(3500)의 드라이버(400) 프로그램은 수정될 수 있다. 일 측면에서, 구성체(3500)에 대한 작동 전압 또는 전류가 수정될 수 있다.
하나 이상의 측면에서, 본 개시의 전력 모듈(100)은 다양한 성능 특성으로 작동하도록 구성될 수 있다. 그러나, 성능 특성은 본 개시에서 설명된 특정 구현 및 측면으로 반드시 제한되지 않을 수 있다. 다양한 성능 특성뿐만 아니라 부분적으로 성능 특성을 제공할 수 있는 예시적인 구성 및 구현의 예시적인 세부사항이 아래에 설명된다. 그러나, 다양한 성능 특성은 전력 모듈(100)의 특정한 개시된 측면으로 제한되어서는 안 된다. 특정 측면에서, 다양한 성능 특성 및 예시적인 구성 구현은 더 낮은 전압 구현과 연관될 수 있다. 일 측면에서, 저전압 구현은 3.4 Kv 미만에서 작동하는 구현을 포함하도록 정의될 수 있다. 일 측면에서, 저전압 구현은 3.3 Kv 미만에서 작동하는 구현을 포함하도록 정의될 수 있다. 일 측면에서, 저전압 구현은 3.0 Kv 미만에서 작동하는 구현을 포함하도록 정의될 수 있다. 일 측면에서, 저전압 구현은 100 v - 3400 v, 100 v - 3300 v, 100 v - 3000 v, 100 v - 2500 v, 100 v - 2000 v 및 100 v - 1700 V 범위에서 작동하는 구현을 포함한다. 일 측면에서, 더 높은 전압 구현은 3.4 Kv보다 더 크게 작동하는 구현을 포함하도록 정의될 수 있다. 일 측면에서, 더 높은 전압 구현은 3.3 Kv보다 더 크게 작동하는 구현을 포함하도록 정의될 수 있다. 일 측면에서, 더 높은 전압 구현은 3.0 Kv보다 더 크게 작동하는 구현을 포함하도록 정의될 수 있다. 일 측면에서, 더 높은 전압 구현은 3400 v - 5000 v, 3300 v - 5000 v, 3000 v - 5000 v, 3400 v - 10000 v, 3300 v - 10000 v, 3000 v - 3000 v의 범위에서 작동하는 구현을 포함한다. 이와 관련하여, 여기에서 정의된 바와 같이 더 낮은 전압 구현을 구현하는 본 개시의 측면은 여기에서 정의된 더 높은 전압 구현과 구별될 수 있다. 예를 들어, 일부 측면에서 저전압 구현은 전력 모듈(100)의 도체 및/또는 단자 사이의 간격, 전력 모듈(100) 내의 전력 루프의 구성, 전력 모듈(100)의 기본 레이아웃, 전력 모듈(100)의 전류 운반 능력 및/또는 전류 운반 능력, 전력 모듈(100)의 기판 두께, 전력 모듈(100)의 단자 레이아웃, 전력 모듈(100)의 열 성능, 전력 모듈(100)의 연면 거리 문제를 해결하기 위한 구성, 전력 모듈(100)의 클리어런스 문제를 해결하기 위한 구성, 전력 모듈(100)의 절연 구성, 전력 모듈(100)의 버스 바 구성 중 하나 이상에 기초하여 더 높은 전압 구현과 구별될 수 있다. 이와 관련하여, 위에서 언급된 측면 중 적어도 하나 이상은 저전압 구현을 고전압 구현과 구별할 수 있다.
하나 이상의 측면에서, 본 개시의 전력 모듈(100)은 다음의 기생 스트레이(stray) 인덕턴스와 함께 동작하도록 구성될 수 있다. 일 측면에서, 전력 모듈(100)의 도 1b에 도시된 루프(114)의 임계 전력 스위치의 총 스트레이 인덕턴스 값은 12 (nH) 미만일 수 있다. 일 측면에서, 전력 모듈(100)의 도 1b에 도시된 루프(114)의 임계 전력 스위치의 총 스트레이 인덕턴스 값은 11 (nH) 미만일 수 있다. 일 측면에서, 전력 모듈(100)의 도 1b에 도시된 루프(114)의 임계 전력 스위치의 총 스트레이 인덕턴스 값은 7 (nH) 미만일 수 있다. 일 측면에서, 전력 모듈(100)의 도 1b에 도시된 루프(114)의 임계 전력 스위치의 총 스트레이 인덕턴스 값은 4 (nH) 미만일 수 있다. 일 측면에서, 전력 모듈(100)의 도 1b에 도시된 루프(114)의 임계 전력 스위치의 총 스트레이 인덕턴스 값은 3 (nH) 미만일 수 있다.
일 측면에서, 전력 모듈(100)의 도 1b에 도시된 루프(114)의 임계 전력 스위치의 총 스트레이 인덕턴스 값은 12 (nH) 내지 2 (nH), 10 (nH) 내지 2 (nH) 및 4 (nH) 내지 2 (nH)의 범위를 가질 수 있다.
일 측면에서, 전력 모듈(100)의 도 1b에 도시된 루프(114)의 임계 전력 스위치의 총 스트레이 인덕턴스 값은 특정 루프 길이 및/또는 단면적을 갖는 전력 모듈(100)에 대해 4 (nH) 미만일 수 있다. 일 측면에서, 전력 모듈(100)의 도 1b에 도시된 루프(114)의 임계 전력 스위치의 총 스트레이 인덕턴스 값은 특정 루프 길이 및/또는 단면적을 갖는 전력 모듈(100)에 대해 8 (nH) 미만일 수 있다. 일 측면에서, 전력 모듈(100)의 도 1b에 도시된 루프(114)의 임계 전력 스위치의 총 스트레이 인덕턴스 값은 특정 루프 길이 및/또는 단면적을 갖는 전력 모듈(100)에 대해 12 (nH) 미만일 수 있다. 일 측면에서, 전력 모듈(100)의 도 1b에 도시된 루프(114)의 임계 전력 스위치의 전체 스트레이 인덕턴스 값은 특정 루프 길이 및/또는 단면적을 갖는 전력 모듈(100)에 대해 4 (nH) 내지 2 (nH) 범위를 가질 수 있다. 일 측면에서, 전력 모듈(100)의 도 1b에 도시된 루프(114)의 임계 전력 스위치의 총 스트레이 인덕턴스 값은 특정 루프 길이 및/또는 단면적을 갖는 전력 모듈(100)에 대해 8 (nH) 내지 4 (nH) 범위를 가질 수 있다. 일 측면에서, 전력 모듈(100)의 도 1b에 도시된 루프(114)의 임계 전력 스위치의 총 스트레이 인덕턴스 값은 특정 루프 길이 및/또는 단면적을 갖는 전력 모듈(100)에 대해 12 (nH) 내지 8 (nH) 범위를 가질 수 있다.
하나 이상의 측면에서, 본 개시의 전력 모듈(100)은 다음의 스위칭 속도로 작동하도록 구성될 수 있다.
일 측면에서, 전력 모듈(100)의 스위칭 속도는 100 (A/ns) di/dt 미만일 수 있다. 일 측면에서, 전력 모듈(100)의 스위칭 속도는 90 (A/ns) di/dt 미만일 수 있다. 일 측면에서, 전력 모듈(100)의 스위칭 속도는 80 (A/ns) di/dt 미만일 수 있다. 일 측면에서, 전력 모듈(100)의 스위칭 속도는 50 (A/ns) di/dt 미만일 수 있다. 일 측면에서, 전력 모듈(100)의 스위칭 속도는 35 (A/ns) di/dt 미만일 수 있다.
일 측면에서, 전력 모듈(100)의 스위칭 속도는 30 내지 100 (A/ns) di/dt의 범위를 가질 수 있다. 일 측면에서, 전력 모듈(100)의 스위칭 속도는 30 내지 70 (A/ns) di/dt의 범위를 가질 수 있다. 일 측면에서, 전력 모듈(100)의 스위칭 속도는 40 내지 90 (A/ns) di/dt의 범위를 가질 수 있다. 일 측면에서, 전력 모듈(100)의 스위칭 속도는 30 내지 40 (A/ns) di/dt의 범위를 가질 수 있다.
일 측면에서, 전력 모듈(100)의 스위칭 속도는 120 (V/ns) dv/dt 미만일 수 있다. 일 측면에서, 전력 모듈(100)의 스위칭 속도는 100 (V/ns) dv/dt 미만일 수 있다. 일 측면에서, 전력 모듈(100)의 스위칭 속도는 20 (V/ns) dv/dt 내지 100 (V/ns) dv/dt 범위를 가질 수 있다. 일 측면에서, 전력 모듈(100)의 스위칭 속도는 40 (V/ns) dv/dt 내지 100 (V/ns) dv/dt 범위를 가질 수 있다. 일 측면에서, 전력 모듈(100)의 스위칭 속도는 60 (V/ns) dv/dt 내지 100 (V/ns) dv/dt 범위를 가질 수 있다. 일 측면에서, 전력 모듈(100)의 스위칭 속도는 80 (V/ns) dv/dt 내지 100 (V/ns) dv/dt 범위를 가질 수 있다. 일 측면에서, 전력 모듈(100)의 스위칭 속도는 60 (V/ns) dv/dt 내지 80 (V/ns) dv/dt의 범위를 가질 수 있다. 일 측면에서, 전력 모듈(100)의 스위칭 속도는 40 (V/ns) dv/dt 내지 60 (V/ns) dv/dt 범위를 가질 수 있다. 일 측면에서, 전력 모듈(100)의 스위칭 속도는 20 (V/ns) dv/dt 내지 40 (V/ns) dv/dt의 범위를 가질 수 있다. 일 측면에서, 전력 모듈(100)의 스위칭 속도는 60 (V/ns) 내지 80 (V/ns), 40 (V/ns) 내지 60 (V/ns), 20 (V/ns) 내지 40 (V/ns)일 수 있다.
하나 이상의 측면에서, 본 개시의 전력 모듈(100)은 다음의 스위칭 손실을 갖도록 작동하도록 구성될 수 있다.
일 측면에서, 전력 모듈(100)의 스위칭 손실은 0.5 (mJ/A) 밀리줄/암페어 미만일 수 있다. 일 측면에서, 전력 모듈(100)의 스위칭 손실은 0.4 (mJ/A) 밀리줄/암페어 미만일 수 있다. 일 측면에서, 전력 모듈(100)의 스위칭 손실은 0.25 (mJ/A) 밀리줄/암페어 미만일 수 있다. 일 측면에서, 전력 모듈(100)의 스위칭 손실은 0.5 (mJ/A) 밀리줄/암페어 내지 0.25 (mJ/A) 밀리줄/암페어의 범위를 가질 수 있다. 일 측면에서, 전력 모듈(100)의 스위칭 손실은 0.25 (mJ/A) 밀리줄/암페어 내지 0.4 (mJ/A) 밀리줄/암페어의 범위를 가질 수 있다.
본 개시의 측면에서, 전력 모듈(100) 폭 및 길이는 전력 모듈(100)이 더 넓게(더 많은 전력 장치(302), 더 적은 인덕턴스) 또는 더 작게(더 작은 크기, 더 낮은 비용으로) 구성될 수 있도록 확장 가능할 수 있다. 다음의 [표 1]은 최소 실제 폭과 최대 예상 크기(대략 1 제곱미터)를 포함한 다양한 범위 구현을 나타낸다. 전력 장치 활용도는 전체 전력 모듈 면적에 대한 전력 장치 면적의 비율로 계산된 백분율로 정의될 수 있다. 일 측면에서, 본 개시에서 이용되는 면적은 폭 곱하기 길이에 의해 계산된다. 이와 관련하여, 폭은 도 11에 도시된 바와 같이 전력 모듈(100)을 가로질러 연장하는 축을 따라 정의될 수 있고, 길이는 도 11에 도시된 바와 같이 폭에 수직인 축을 따라 정의될 수 있다. 아래 [표 1]은 특정 비 제한의 규격 세트를 제공한다.
본 개시의 일 측면에서, 전력 모듈(100)은 7 - 10% 범위의 전력 장치 활용 영역을 가질 수 있다. 본 개시의 일 측면에서, 전력 모듈(100)은 6 - 8% 범위의 전력 장치 활용 영역을 가질 수 있다. 본 개시의 일 측면에서, 전력 모듈(100)은 5 - 7% 범위의 전력 장치 활용 영역을 가질 수 있다.
다양한 측면에서, 전력 모듈(100) 높이는 또한 확장 가능할 수 있다. 이 경우, 전력 모듈(100)은 인덕턴스를 최소화하기 위해 가능한 한 얇게 구성될 수 있다. 높이는 (A) 1700 V 작동에 필요한 연면 거리 및 클리어런스 규격, (B) 와이어 본드의 높이, (C) 사용된 캡슐화 재료의 유형에 기초하여 설정될 수 있다. 낮은 범위의 전압 모듈(650V)의 경우, 높이를 줄이기 위해 일부 설계 변경이 있을 수 있다. 반대로, 전력 모듈(100)은 더 높은 범위의 전압 장치에 대해 더 높게 만들어질 수 있다. 다양한 측면에서, 본 개시에서 이용되는 높이는 폭 및 길이에 수직인 것으로 정의된다. 도 4a를 참조하면, 전력 모듈(100)의 예시적인 높이가 도시되어 있다. 전력 모듈의 높이는 7 mm 내지 30 mm, 9 mm 내지 11 mm, 11 mm 내지 13 mm, 13 mm 내지 15 mm, 15 mm 내지 17 mm, 17 mm 내지 19 mm, 19 mm 내지 21 mm, 21 mm 내지 23 mm, 23 mm 내지 27 mm의 범위일 수 있다. 아래 [표 2]는 특정 세트의 비 제한적인 규격을 제공한다.
전력 컨택 파라미터
전력 컨택 또는 단자(106, 108, 110)는 폭이 넓고 주어진 실제 전압 연면 거리/클리어런스 제한으로 가능한 한 전력 모듈(100)의 최대 백분율을 채우도록 구성되고 구축될 수 있다. 폭 비율은 전력 모듈(100) 폭에 대한 컨택 또는 단자(106, 108, 110)의 폭을 비교한다. 일 측면에서, 전력 모듈(100) 폭은 베이스 플레이트(602)의 폭일 수 있다. 일 측면에서, 전력 모듈(100) 폭은 하나 이상의 전력 기판(606)의 폭일 수 있다. 일 측면에서, 전력 모듈(100) 폭은 하우징 측벽(612) 사이의 폭일 수 있다. 일 측면에서, 전력 모듈(100) 폭은 하우징 덮개(618)의 폭일 수 있다. 길이 비율은 3개의 모든 컨택 또는 단자(106, 108, 110)의 컨택 길이를 취하고 이를 전체 전력 모듈(100) 길이와 비교한다. 일 측면에서, 전력 모듈(100) 길이는 베이스 플레이트(602)의 길이일 수 있다. 일 측면에서, 전력 모듈(100) 길이는 하나 이상의 전력 기판(606)의 길이일 수 있다. 일 측면에서, 전력 모듈(100) 길이는 하우징 측벽(612) 사이의 길이일 수 있다. 일 측면에서, 전력 모듈(100) 길이는 하우징 덮개(618)의 길이일 수 있다. 면적 비율은 총 컨택 면적을 전체 전력 모듈(100) 면적과 비교한다. 일 측면에서, 전력 모듈(100) 면적은 베이스 플레이트(602)의 면적일 수 있다. 일 측면에서, 전력 모듈(100) 면적은 하나 이상의 전력 기판(606)의 면적일 수 있다. 일 측면에서, 전력 모듈(100) 면적은 하우징 측벽(612) 사이의 면적일 수 있다. 일 측면에서, 전력 모듈(100) 면적은 하우징 덮개(618)의 면적일 수 있다. 베이스 비율은 전체 컨택 베이스 폭을 전력 모듈(100) 폭과 비교한다. 이것은 베이스 둘레 주변의 땜납 필릿(fillet)을 가정한다. 일 측면에서, 전력 모듈(100) 폭은 베이스 플레이트(602)의 폭일 수 있다. 일 측면에서, 전력 모듈(100) 폭은 하나 이상의 전력 기판(606)의 폭일 수 있다. 일 측면에서, 전력 모듈(100) 폭은 하우징 측벽(612) 사이의 폭일 수 있다. 일 측면에서, 전력 모듈(100) 폭은 하우징 덮개(618)의 폭일 수 있다. 아래의 [표 3]은 특정 세트의 비 제한적인 규격을 제공한다.
일 측면에서, 전력 모듈(100)은 20%보다 큰 단자 면적 비율을 가질 수 있다. 일 측면에서, 전력 모듈(100)은 25%보다 큰 단자 면적 비율을 가질 수 있다. 일 측면에서, 전력 모듈(100)은 30%보다 큰 단자 면적 비율을 가질 수 있다. 일 측면에서, 전력 모듈(100)은 20% 내지 25% 범위의 단자 면적 비율을 가질 수 있다. 일 측면에서, 전력 모듈(100)은 25% 내지 30% 범위의 단자 면적 비율을 가질 수 있다. 일 측면에서, 전력 모듈(100)은 30% 내지 35% 범위의 단자 면적 비율을 가질 수 있다.
일 측면에서, 전력 모듈(100)은 70% 내지 80% 범위의 베이스 비율을 가질 수 있다. 일 측면에서, 전력 모듈(100)은 80% 내지 90% 범위의 베이스 비율을 가질 수 있다. 일 측면에서, 전력 모듈(100)은 90% 내지 95% 범위의 베이스 비율을 가질 수 있다.
다양한 측면에서, 베이스(636)는 컨택의 피트(feet)를 '피더링(feather)'하거나 '디지테이팅(digitate)'하도록 구성될 수 있다. 일부 측면에서, 베이스(636)의 분할 피트는 커넥터의 측면 주위를 필렛(fillet)하기 위해 땜납을 위한 더 많은 공간을 제공하여 여러 방향 및 축에서 강도를 추가할 수 있다. 분할 베이스(636)는 스트레스를 해소하고 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
V+ 및 V- 전력 컨택의 수직 오프셋(702)은 외부 버스 바(900)의 굽힘 또는 오프셋에 대한 필요성을 줄임으로써 시스템의 전체 루프 인덕턴스를 최소화하는 데 사용될 수 있다. 일부 측면에서, 감소된 버스 바(900) 복잡도는 또한 비용을 줄일 수 있다. 일 측면에서, 수직 오프셋(702)은 3.25 mm(금속 두께에 대해 3 mm 및 적층된 절연에 대해 0.25 mm)일 수 있다. 다른 측면에서, 수직 오프셋(702)은 2 mm - 3 mm, 3 mm - 4 mm, 4 mm - 5 mm, 및 5 mm - 6 mm와 같은 실제 범위를 가질 수 있다. 아래 [표 4]는 특정 세트의 비 제한적인 규격을 제공한다.
기판 파라미터
전력 기판(606)은 또한 넓고 가능한 한 전력 장치(302)로 가득 차도록 구성될 수 있다. 본 개시의 측면은 높은 장치 면적/기판 면적 활용도를 포함한다. 전력 장치(302) 간격은 열 확산, 열 성능, 최적의 제조 가능성을 위한 처리 설계 규칙 등에 의해 결정될 수 있다. 전력 장치 비율은 전체 전력 기판(606) 폭과 비교하여 활성 장치 면적을 비교한다. 이와 관련하여, 폭은 도 11에 도시된 바와 같이 복수의 전력 장치(302)를 통해 연장되는 축을 따라 정의될 수 있다. 전력 기판(606) 폭의 일부는 과전류 및 온도 센서(610)를 위해 사용될 수 있다. 일부 측면에서, 이러한 특징이 없으면 전력 장치 비율 백분율이 증가될 수 있다. 일 측면에서, 전력 모듈(100)은 60%보다 큰 활성 장치 면적을 가질 수 있다. 일 측면에서, 전력 모듈(100)은 65%보다 큰 활성 장치 면적을 가질 수 있다. 일 측면에서, 전력 모듈(100)은 70%보다 큰 활성 장치 면적을 가질 수 있다. 일 측면에서, 전력 모듈(100)은 60% 내지 65%의 활성 장치 면적을 가질 수 있다. 일 측면에서, 전력 모듈(100)은 65% 내지 70%의 활성 장치 면적을 가질 수 있다. 일 측면에서, 전력 모듈(100)은 70% 내지 75%의 활성 장치 면적을 가질 수 있다. 아래 [표 5]는 특정 세트의 비제한적인 규격을 제공한다.
일부 측면에서, 전력 기판(606) 금속 두께는 다음과 같이 구성될 수 있다. 다양한 측면에서, 금속의 두께는 열 성능, 패키지 저항, 비용 등과 절충될 수 있다. 일 측면에서, 전력 기판(606) 금속 두께는 0.5 mm 미만일 수 있다. 일 측면에서, 전력 기판(606) 금속 두께는 0.3 mm 미만일 수 있다. 일 측면에서, 전력 기판(606) 금속 두께는 0.2 mm일 수 있다. 일 측면에서, 전력 기판(606) 금속 두께는 0.1 mm 내지 0.6 mm, 0.2 mm 내지 0.3 mm, 0.3 mm 내지 0.4 mm, 0.4 mm 내지 0.5 mm, 및 0.5 mm 내지 0.6 mm의 범위에 있을 수 있다.
와이어 본드 파라미터
전력 와이어 본드(628)는 아래 [표 6]에 나열된 직경 중 하나일 수 있다. 일 측면에서, 12 mil(0.30 mm) 직경의 알루미늄 본드가 이용될 수 있다. 일 측면에서, 본드의 직경은 0.15 mm 내지 0.25 mm, 0.2 mm 내지 0.3 mm, 0.25 mm 내지 0.35 mm, 0.35 mm 내지 0.45 mm, 및 0.45 mm 내지 0.55 mm일 수 있다. 다른 측면에서, 더 큰 직경의 알루미늄 본드뿐만 아니라 더 큰 직경의 구리 본드가 이용될 수 있다. 다른 측면에서, 납땜된 구리 탭은 최대 전류 용량을 위해 이용될 수 있다. 일 측면에서, 전력 와이어 본드(628)의 직경은 0.15 mm 내지 0.6 mm의 범위에 있을 수 있다. 일 측면에서, 전력 와이어 본드(628)의 직경은 0.19 mm 내지 0.52 mm의 범위에 있을 수 있다. 일 측면에서, 전력 와이어 본드(628)의 직경은 0.2 mm 내지 0.51 mm의 범위에 있을 수 있다. 아래 [표 6]은 특정 세트의 비 제한적인 규격을 제공한다.
일 측면에서, 전력 와이어 본드(628)는 아래 [표 7]에 도시된 바와 같이 알루미늄 와이어 본드, 알루미늄 리본 본드, 구리 와이어 본드, 구리 리본 본드, 납땜된 구리, 구리 소결 탭 등을 포함할 수 있다.
특정 측면에서, 와이어 본드(628)는 아래 [표 8]에 나열된 바와 같은 루프 기하학적 구조를 갖도록 구성될 수 있다. 다양한 측면에서, 루프 기하학적 구조는 저항을 최소화하기 위해 가능한 한 낮은 프로파일 및 짧도록 구성될 수 있다. 본드 길이는 전력 장치(302)의 다이의 배치 및 전력 모듈(100) 구성에 의해 결정된다. 일 측면에서, 와이어 본드 길이는 4 mm 내지 12 mm의 범위를 가질 수 있다. 일 측면에서, 와이어 본드 길이는 5 mm 내지 11 mm 범위를 가질 수 있다. 일 측면에서, 와이어 본드 루프 높이는 0.5 mm 내지 3 mm의 범위를 가질 수 있다. 일 측면에서, 와이어 본드 루프 높이는 1 mm 내지 2.5 mm의 범위를 가질 수 있다. 아래 [표 8]은 특정 세트의 비 제한적인 규격을 제공한다.
일 측면에서, 구성은 전력 장치(302) 당 본드(628)의 증가된 또는 최대 개수를 활용할 수 있다. 본드(628)의 개수는 다이의 크기, 패드 면적 및 본드 직경에 따라 달라질 수 있다. 아래 [표 9]는 특정 세트의 비 제한적인 규격을 제공한다. 특히, 아래 나열된 값은 다양한 크기의 MOSFET 구현에 대한 것이다.
일 측면에서, 각각의 전력 장치(302)는 3 내지 12개의 본드(628)를 갖도록 구현될 수 있다. 일 측면에서, 각각의 전력 장치(302)는 4 내지 10개의 본드(628)를 갖도록 구현될 수 있다. 일 측면에서, 각각의 전력 장치(302)는 4개보다 많은 본드(628)를 갖도록 구현될 수 있다. 일 측면에서, 각각의 전력 장치(302)는 6개보다 많은 본드(628)를 갖도록 구현될 수 있다. 일 측면에서, 각각의 전력 장치(302)는 8개보다 많은 본드(628)를 갖도록 구현될 수 있다. 일 측면에서, 각각의 전력 장치(302)는 10개보다 많은 본드(628)를 갖도록 구현될 수 있다.
인덕턴스 및 스위칭 파라미터
전력 모듈(100)의 인덕턴스는 전체 루프 길이, 단면적, 플럭스 제거 등에 의해 결정될 수 있다. 다양한 측면에서, 전력 모듈(100)은 전력 모듈(100)이 로우 프로파일을 갖도록 구성하고, 넓은 전력 컨택을 사용하며, 루프가 자체적으로 접힐 때 전력 모듈(100)에서 일부 플럭스 제거를 달성함으로써 인덕턴스를 최소화하도록 구성될 수 있다. 전력 모듈(100)의 폭도 인덕턴스에 큰 영향을 미칠 수 있다.
아래 [표 10]은 전력 모듈(100)의 특정 구현에 기초하며 다른 구성의 인덕턴스를 결정하기 위한 인덕턴스 및 기타 시뮬레이션 결과를 제공한다. 가장 낮은 인덕턴스 구성은 전력 모듈(100)도 더 얇게 구성될 수 있다고 가정한다(즉, 이전에 나열된 650 V 두께). dV/dt 최대값은 전력 모듈(100)에 대한 제한이 아니다.
di/dt 값은 1200 V 장치 및 800 V 버스를 가정하여 이론적인 최대값으로 계산되었다. 이로 인해 최대 400 V의 오버슈트가 발생할 수 있다. 이와 관련하여, 계산은 전력 모듈(100)과 직렬로 추가되는 2 nH 버스 루프 인덕턴스를 가정하였다. 이를 가정하면, 일 측면에서 전력 모듈(100)이 스위칭할 수 있는 가장 빠른 것은 아래 [표 10]에서 나열된다.
하나 이상의 측면에서, 매우 적극적인 스위칭을 사용하여 특정 구현을 테스트함으로써 손실이 결정되었다. 일 측면에서, 손실은 0.25 내지 0.050 mJ/A, 0.25 내지 0.040 mJ/A, 및 0.25 내지 0.035 mJ/A의 범위를 가질 수 있다. 아래 [표 10]은 특정 세트의 비 제한적인 규격을 제공한다.
측면 1에서, 전력 모듈(100)의 총 스트레이 인덕턴스 값은 9 (nH) 내지 11 (nH)의 범위를 가질 수 있다. 측면 2에서, 전력 모듈(100)의 총 스트레이 인덕턴스 값은 6 (nH) 내지 7 (nH)의 범위를 가질 수 있다. 측면 3에서, 전력 모듈(100)의 총 스트레이 인덕턴스 값은 3 (nH) 내지 4 (nH)의 범위를 가질 수 있다. 측면 4에서, 전력 모듈(100)의 총 스트레이 인덕턴스 값은 2 (nH) 내지 3 (nH)의 범위를 가질 수 있다.
도 43 내지 58은 본 개시의 측면에 따른 전력 모듈을 도시한다.
이와 관련하여, 전력 장치(302) 및 기타 컴포넌트의 높은 전류 밀도로 인해, 도 43 내지 58의 전력 모듈(100)의 열 성능은 열 플럭스를 최대화하고, 시스템 크기를 감소시키며, 비용을 감소시키는 등을 위해 구성될 수 있다. 특히, 도 43 내지 58에 도시된 전력 모듈(100)은 여기에서 개시된 바와 같은 측면 중 임의의 하나 이상을 포함할 수 있다. 더욱이, 도 43 내지 58의 전력 모듈(100)은 열 플럭스를 최대화하고, 시스템 크기를 감소시키며, 비용을 감소시키는 등을 위해 직접 냉각을 위해 추가로 구성될 수 있다. 또한, 전력 모듈(100)로 직접 냉각을 구현하는 것은 전력 모듈(100)과 냉각판 또는 히트 싱크 사이의 열 인터페이스는 물론 냉각판 상단 표면과 냉각 유체 사이에 배열된 임의의 재료 또는 구조를 없애거나 제거할 수 있다. 이와 관련하여,종래 기술 구현은 전력 모듈과 냉각판 사이의 인터페이스에 배열된 열 인터페이스 재료(thermal interface material, TIM)를 포함하였으며, TIM의 활용은 표면에 적용, 노화, 펌프 아웃 등의 문제를 가질 수 있었다. 전력 모듈(100)의 베이스 플레이트(602) 표면을 직접 냉각함으로써, 전력 모듈(100) 및 연관된 구조에서 더 많은 양의 열 플럭스가 처리될 수 있다.
일 측면에서, 전력 모듈(100)은 복수의 핀 핀(pin fin)(642)을 포함할 수 있다. 일 측면에서, 복수의 핀 핀(642)은 전력 모듈(100)의 하나 이상의 컴포넌트로부터 열을 전달하도록 구성될 수 있다. 일 측면에서, 복수의 핀 핀(642)은 전력 모듈(100)의 하나 이상의 컴포넌트의 냉각을 위해 구성될 수 있다. 일 측면에서, 복수의 핀 핀(642)은 전력 모듈(100)의 하나 이상의 컴포넌트의 직접 냉각을 위해 구성될 수 있다. 일 측면에서, 복수의 핀 핀(642)은 냉각판(902)과 함께 전력 모듈(100)의 하나 이상의 컴포넌트를 직접 냉각하도록 구성될 수 있다. 일 측면에서, 복수의 핀 핀(642)은 냉각수가 핀 핀(642)을 통과하도록 허용하기 위해 구성될 수 있다.
일 측면에서, 베이스 플레이트(602)는 복수의 핀 핀(642)을 포함할 수 있다. 일 측면에서, 복수의 핀 핀(642)은 베이스 플레이트(602)의 표면 상에 배열될 수 있다. 일 측면에서, 복수의 핀 핀(642)은 베이스 플레이트(602)의 하단 표면에 배열될 수 있다. 일 측면에서, 복수의 핀 핀(642)은 하우징 측벽(612)에 대향하는 베이스 플레이트(602)의 측면 상의 베이스 플레이트(602)의 하단 표면에 배열될 수 있다.
일 측면에서, 복수의 핀 핀(642)은 축(654)에 평행한 채널을 형성할 수 있다. 일 측면에서, 복수의 핀 핀(642)은 축(656)에 평행한 채널을 형성할 수 있다. 일 측면에서, 복수의 핀 핀(642)은 축(654)에 대해 엇갈리거나 기울어진 채널을 형성할 수 있다. 일 측면에서, 복수의 핀 핀(642)은 축(656)에 대해 엇갈리거나 기울어진 채널을 형성할 수 있다.
복수의 핀 핀(642)의 배열과 복수의 핀 핀(642) 사이에 배열된 채널은 복수의 핀 핀(642) 주위의 냉각수의 이동, 복수의 핀 핀(642)으로부터 냉각수로의 열 전달, 열 전달을 증가시키기 위한 복수의 핀 핀(642)에 인접한 표면층 및/또는 장벽층의 감소를 증가시키거나 촉진하도록 구성될 수 있다.
도 46, 도 50 및 도 54를 참조하면, 핀 핀(642) 각각은 베이스 플레이트(602)와 일체로 형성될 수 있다. 다른 측면에서, 핀 핀(642) 각각은 용접, 접착제, 납땜, 브레이징(brazing) 등에 의해 베이스 플레이트(602)에 부착될 수 있다. 일 측면에서, 핀 핀(642) 각각은 베이스 플레이트(602)에 연결된 베이스 부분(644)을 포함할 수 있다.
일 측면에서, 핀 핀(642)은 베이스 플레이트(602)와 동일한 재료로 형성될 수 있다. 일 측면에서, 핀 핀(642)은 무게를 줄이기 위해 베이스 플레이트(602)와 동일한 재료로 형성될 수 있다. 일 측면에서, 핀 핀(642)은 베이스 플레이트(602)의 재료와 상이한 재료로 형성될 수 있다. 일 측면에서, 핀 핀(642)은 금속 재료로 형성될 수 있다. 일 측면에서, 핀 핀(642)은 구리를 포함할 수 있다. 일 측면에서, 핀 핀(642)은 구리로 형성될 수 있다.
일 측면에서, 핀 핀(642) 각각은 베이스 부분(644)으로부터 연장되는 하나 이상의 표면(646)을 포함할 수 있다. 일 측면에서, 핀 핀(642) 각각은 종단 표면(648)을 가질 수 있다. 일 측면에서, 종단 표면은 평평하거나, 윤곽이 있거나, 평평하지 않거나, 뾰족하거나, 굽어 있을 수 있다. 일 측면에서, 하나 이상의 표면(646)은 종단 표면(648)으로 연장될 때 테이퍼(taper) 처리될 수 있다. 일 측면에서, 하나 이상의 표면(646)은 종단 표면(648)으로 연장될 때 베이스 플레이트(602)의 표면에 수직일 수 있다.
일 측면에서, 핀 핀(642) 각각은 베이스 플레이트(602)의 표면에 평행한 평면에 대한 단면 형상을 가질 수 있다. 이와 관련하여, 핀 핀(642)은 정사각형 단면 형상, 직사각형 단면 형상, 원형 단면 형상, 윤곽이 있는 단면 형상, 타원형 단면 형상, 대칭 단면 형상(하나 이상의 축을 따라), 비대칭 단면 형상(하나 이상의 축을 따라), 에어포일(airfoil) 형상의 단면 형상, 날개 형상의 단면 형상 등을 가질 수 있다. 게다가, 핀 핀(642)은 전술한 형상 중 제1 형상, 복수의 전술한 형상 등을 가질 수 있다. 그러나, 핀 핀(642)은 전력 모듈(100)의 베이스 플레이트(602) 상의 임의 형상의 구조로 구현될 수 있다.
일 측면에서, 종단 표면(648)은 베이스 플레이트(602)의 표면에 평행한 평면에 대한 단면 형상을 가질 수 있다. 이와 관련하여, 종단 표면(648)은 정사각형 단면 형상, 직사각형 단면 형상, 원형 단면 형상, 윤곽이 있는 단면 형상, 타원형 단면 형상, 대칭 단면 형상(하나 이상의 축을 따라), 비대칭 단면 형상(하나 이상의 축을 따라), 에어포일 형상의 단면 형상, 날개 형상의 단면 형상 등을 가질 수 있다.
일 측면에서, 베이스 부분(644)은 베이스 플레이트(602)의 표면에 평행한 평면에 대한 단면 형상을 가질 수 있다. 이와 관련하여, 베이스 부분(644)은 정사각형 단면 형상, 직사각형 단면 형상, 원형 단면 형상, 윤곽이 있는 단면 형상, 타원형 단면 형상, 대칭 단면 형상(하나 이상의 축을 따라), 비대칭 단면 형상(하나 이상의 축을 따라), 에어포일 형상의 단면 형상, 날개 형상의 단면 형상 등을 가질 수 있다.
일 측면에서, 베이스 부분(644)은 종단 표면(648)의 단면 형상과 동일한 단면 형상을 가질 수 있다. 일 측면에서, 베이스 부분(644)은 종단 표면(648)과 동일한 단면 형상 및 크기를 가질 수 있다. 일 측면에서, 베이스 부분(644)은 종단 표면(648)과 동일한 단면 형상과 상이한 크기를 가질 수 있다. 일 측면에서, 베이스 부분(644)은 종단 표면(648)의 단면 형상과 상이한 단면 형상을 가질 수 있다.
일 측면에서, 핀 핀(642)은 도면에 도시된 바와 같이 핀 핀(642)의 핀 패턴을 형성하기 위한 기계 가공, 단조, 몰딩, 스탬핑, 변형 등의 작동을 포함하는 하나 이상의 작동을 이용하여 형성될 수 있고, 핀 핀(642)은 용접, 접착제, 납땜, 브레이징 등을 사용하여 부착될 수 있다. 그러나, 핀 핀(642)은 베이스 플레이트(602) 상에 핀(fin) 및 핀(pin) 표면을 생성하기 위해 당업자에게 공지된 임의의 제조 방법 및/또는 기술을 이용하여 형성될 수 있다.
일 측면에서, 도 46을 참조하면, 베이스 부분(644)을 따라 베이스 플레이트(602)의 표면에 평행하게 정의된 핀 핀(642)의 직경 또는 길이(L)는 1 mm - 8 mm, 1 mm - 2 mm, 2 mm - 3 mm, 3 mm - 4 mm, 4 mm - 5 mm, 5 mm - 6 mm, 6 mm - 7 mm 또는 7 mm - 8 mm일 수 있다. 이들 치수는 여기에서 개시된 핀 핀(642)의 모든 구성에 동일하게 적용될 수 있다.
일 측면에서, 도 46을 참조하면, 베이스 부분(644)에서 종단 표면(648)까지 베이스 플레이트(602)의 표면에 수직으로 정의된 핀 핀(642)의 높이(H)는 1 mm - 12 mm, 2 mm - 10 mm, 4 mm - 8 mm, 1 mm - 2 mm, 2 mm - 3 mm, 3 mm - 4 mm, 4 mm - 5 mm, 5 mm - 6 mm, 6 mm - 7 mm, 7 mm - 8 mm, 8 mm - 9 mm, 9 mm - 10 mm, 10 mm - 11 mm 또는 11 mm - 12 mm일 수 있다. 이들 치수는 여기에서 개시된 핀 핀(642)의 모든 구성에 동일하게 적용될 수 있다.
일 측면에서, 도 46을 참조하면, 핀 핀(642)의 핀 대 핀 간격(S)은 베이스 플레이트(602)에 수직인 핀 핀(642)의 인접한 것들의 중심 축에 의해 정의될 수 있고 간격(S)은 2 mm - 12 mm, 4 mm - 10 mm, 2 mm - 3 mm, 3 mm - 4 mm, 4 mm - 5 mm, 5 mm - 6 mm, 6 mm - 7 mm, 7 mm - 8 mm, 8 mm - 9 mm, 9 mm - 10 mm, 10 mm - 11 mm 또는 11 mm - 12 mm일 수 있다. 이들 치수는 여기에서 개시된 핀 핀(642)의 모든 구성에 동일하게 적용될 수 있다.
도 43은 본 개시의 측면에 따른 전력 모듈의 사시 저면 측면도를 도시하고, 도 44는 도 43에 따른 전력 모듈의 측면도를 도시하며, 도 45는 도 43에 따른 전력 모듈의 저면 측면도를 도시하고, 도 46은 도 43에 따른 전력 모듈의 부분 사시 저면 측면도를 도시한다.
도 43 내지 46을 참조하면, 각각의 핀 핀(642)은 베이스 부분(644)으로부터 연장되는 하나 이상의 표면(646)을 포함할 수 있다. 일 측면에서, 핀 핀(642)은 종단 표면(648)을 가질 수 있다. 일 측면에서, 종단 표면은 윤곽이 있거나, 평평하지 않을 수 있다. 일 측면에서, 하나 이상의 표면(646)은 종단 표면(648)으로 연장됨에 따라 테이퍼 처리될 수 있다.
일 측면에서, 종단 표면(648)은 베이스 플레이트(602)의 표면에 평행한 평면에 대한 단면 형상을 가질 수 있다. 이와 관련하여, 종단 표면(648)은 비대칭 단면 형상, 에어포일 형상의 단면 형상, 날개 형상의 단면 형상 등을 가질 수 있다.
일 측면에서, 베이스 부분(644)은 베이스 플레이트(602)의 표면에 평행한 평면에 대한 단면 형상을 가질 수 있다. 이와 관련하여, 베이스 부분(644)은 정사각형 단면 형상, 직사각형 단면 형상 등을 가질 수 있다.
일 측면에서, 복수의 핀 핀(642)은 축(654)에 평행한 채널을 형성할 수 있다. 일 측면에서, 복수의 핀 핀(642)은 축(656)에 평행한 채널을 형성할 수 있다.
도 47은 본 개시의 측면에 따른 전력 모듈의 사시 저면 측면도를 도시하고, 도 48은 도 47에 따른 전력 모듈의 측면도를 도시하며, 도 49는 도 47에 따른 전력 모듈의 저면 측면도를 도시하고, 도 50은 도 47에 따른 전력 모듈의 부분 사시 저면 측면도를 도시한다.
도 47 내지 50을 참조하면, 각각의 핀 핀(642)은 베이스 부분(644)으로부터 연장되는 하나 이상의 표면(646)을 포함할 수 있다. 일 측면에서, 각각의 핀 핀(642)은 종단 표면(648)을 가질 수 있다. 일 측면에서, 종단 표면은 평평할 수 있다. 일 측면에서, 하나 이상의 표면(646)은 종단 표면(648)으로 연장됨에 따라 테이퍼될 수 있다.
일 측면에서, 종단 표면(648)은 베이스 플레이트(602)의 표면에 평행한 평면에 대한 단면 형상을 가질 수 있다. 이와 관련하여, 종단 표면(648)은 원형 단면 형상, 윤곽이 있는 단면 형상, 타원형 단면 형상, 대칭 단면 형상 등을 가질 수 있다.
일 측면에서, 베이스 부분(644)은 베이스 플레이트(602)의 표면에 평행한 평면에 대한 단면 형상을 가질 수 있다. 이와 관련하여, 베이스 부분(644)은 원형 단면 형상, 윤곽이 있는 단면 형상, 타원형 단면 형상, 대칭 단면 형상 등을 가질 수 있다.
일 측면에서, 베이스 부분(644)은 종단 표면(648)의 단면 형상과 동일한 단면 형상을 가질 수 있다. 일 측면에서, 베이스 부분(644)은 종단 표면(648)과 동일한 단면 형상 및 상이한 크기를 가질 수 있다.
일 측면에서, 복수의 핀 핀(642)은 축(654)에 평행한 채널을 형성할 수 있다. 일 측면에서, 복수의 핀 핀(642)은 축(656)에 평행한 채널을 형성할 수 있다. 일 측면에서, 핀 핀(642) 중 인접한 것의 베이스 부분(644)은 수렴하고, 결합하며, 연결하고, 만날 수 있다.
도 51은 본 개시의 측면에 따른 전력 모듈의 사시 저면 측면도를 도시하고, 도 52는 도 51에 따른 전력 모듈의 측면도를 도시하며, 도 53은 도 51에 따른 전력 모듈의 저면 측면도를 도시하고, 도 54는 도 51에 따른 전력 모듈의 부분 사시 저면 측면도를 도시한다.
도 51 내지 54를 참조하면, 각각의 핀 핀(642)은 베이스 부분(644)으로부터 연장되는 하나 이상의 표면(646)을 포함할 수 있다. 일 측면에서, 각각의 핀 핀(642)은 종단 표면(648)을 가질 수 있다. 일 측면에서, 종단 표면은 평평하거나 이와 유사한 것일 수 있다. 일 측면에서, 하나 이상의 표면(646)은 종단 표면(648)으로 연장됨에 따라 테이퍼 처리될 수 있다.
일 측면에서, 종단 표면(648)은 베이스 플레이트(602)의 표면에 평행한 평면에 대한 단면 형상을 가질 수 있다. 이와 관련하여, 종단 표면(648)은 정사각형 단면 형상, 직사각형 단면 형상, 대칭 단면 형상 등을 가질 수 있다.
일 측면에서, 베이스 부분(644)은 베이스 플레이트(602)의 표면에 평행한 평면에 대한 단면 형상을 가질 수 있다. 이와 관련하여, 베이스 부분(644)은 정사각형 단면 형상, 직사각형 단면 형상, 대칭 단면 형상 등을 가질 수 있다.
일 측면에서, 베이스 부분(644)은 종단 표면(648)의 단면 형상과 동일한 단면 형상을 가질 수 있다. 일 측면에서, 베이스 부분(644)은 종단 표면(648)과 동일한 단면 형상 및 상이한 크기를 가질 수 있다.
일 측면에서, 복수의 핀 핀(642)은 축(654)에 평행한 채널을 형성할 수 있다. 일 측면에서, 복수의 핀 핀(642)은 축(656)에 평행한 채널을 형성할 수 있다.
도 55는 본 개시의 측면에 따른 전력 모듈의 사시 저면 측면도를 도시하고, 도 56은 도 55에 따른 전력 모듈의 측면도를 도시하며, 도 57은 도 55에 따른 전력 모듈의 저면 측면도를 도시한다.
도 55 내지 57을 참조하면, 각각의 핀 핀(642)은 베이스 부분(644)으로부터 연장되는 하나 이상의 표면(646)을 포함할 수 있다. 일 측면에서, 각각의 핀 핀(642)은 종단 표면(648)을 가질 수 있다. 일 측면에서, 종단 표면은 평평하거나 이와 유사한 것일 수 있다. 일 측면에서, 하나 이상의 표면(646)은 종단 표면(648)으로 연장됨에 따라 테이퍼될 수 있다.
일 측면에서, 종단 표면(648)은 베이스 플레이트(602)의 표면에 평행한 평면에 대한 단면 형상을 가질 수 있다. 이와 관련하여, 종단 표면(648)은 정사각형 단면 형상, 직사각형 단면 형상, 대칭 단면 형상 등을 가질 수 있다.
일 측면에서, 베이스 부분(644)은 베이스 플레이트(602)의 표면에 평행한 평면에 대한 단면 형상을 가질 수 있다. 이와 관련하여, 베이스 부분(644)은 정사각형 단면 형상, 직사각형 단면 형상, 대칭 단면 형상 등을 가질 수 있다.
일 측면에서, 베이스 부분(644)은 종단 표면(648)의 단면 형상과 동일한 단면 형상을 가질 수 있다. 일 측면에서, 베이스 부분(644)은 종단 표면(648)과 동일한 단면 형상 및 크기를 가질 수 있다.
일 측면에서, 복수의 핀 핀(642)은 축(654)에 대해 엇갈리거나 기울어진 채널을 형성할 수 있다. 일 측면에서, 복수의 핀 핀(642)은 축(654)에 대해 엇갈리거나 기울어진 채널을 형성할 수 있다.
도 58은 본 개시의 측면에 따른 전력 모듈 구현의 사시도를 도시한다.
도 58을 참조하면, 핀 핀(642)으로 직접 냉각을 구현하는 전력 모듈(100)은 냉각판(902) 상에 그리고/또는 그 안에 배치될 수 있다. 특히, 도 58은 개시된 바와 같이 핀 핀(642)으로 직접 냉각을 구현하는 전력 모듈(100)의 하나를 도시한다. 이와 관련하여, 도 58 구현은 개시된 바와 같이 핀 핀(642)으로 직접 냉각을 구현하는 전력 모듈(100) 중 하나, 복수 또는 모두를 포함할 수 있다. 일 측면에서, 전력 모듈(100)은 냉각판(902)의 양측에 배치될 수 있다. 이와 관련하여, 냉각판(902)의 양측에 배열된 전력 모듈(100)은 전력 밀도를 최대화하고, 복잡도를 감소시키며, 그리고/또는 이와 유사한 작업을 수행할 수 있다. 일 측면에서, 전력 모듈(100)은 냉각판(902)의 일측에 배치될 수 있다. 따라서, 전력 모듈(100)은 핀 핀(642), 냉각판(902) 등을 이용하여 직접 냉각될 수 있다. 여기에서 추가로 설명되는 바와 같이, 직접 냉각식 전력 모듈(100)은 상당히 더 높은 열 성능을 나타낼 수 있다.
일 측면에서, 냉각판(902)은 원하는 토폴로지에 따라 냉각판(902)의 상단과 냉각판(902)의 하단 상의 라인에 임의 개수의 전력 모듈(100)을 포함할 수 있다. 일 측면에서, 냉각판(902)은 원하는 토폴로지에 따라 냉각판(902)의 일측면 상의 라인에 임의 개수의 전력 모듈(100)을 포함할 수 있다. 이와 관련하여, 냉각판(902)은 전력 모듈(100)의 개수와 매칭되도록 연장되거나 단축될 수 있다.
도 58에 추가로 도시된 바와 같이, 밀봉부(seal)(908)는 전력 모듈(100)과 냉각판(902) 사이에 배열될 수 있다. 밀봉부(908)는 O-링, 개스킷 등일 수 있다. 일부 측면에서, 밀봉부(908)는 에폭시, RTV 실리콘(실온 가황 실리콘), 유사한 밀봉 재료 등일 수 있다. 다른 측면에서, 밀봉부(908)는 베이스 플레이트(602)를 냉각판(902)에 직접 용접하거나, 브레이징하는 등으로 형성될 수 있다.
일 측면에서, 냉각판(902)은 냉각 유체 소스를 수용하고 그리고/또는 냉각판(902)과 관련하여 냉각 목적을 위해 냉각 유체를 전달하도록 구성될 수 있는 유체 연결부(3516)를 가질 수 있다. 일 측면에서, 유체 연결부(3516)는 나사산 피팅, 플랜지 피팅, 빠른 연결 피팅, 호스 바브 피팅(hose barb fitting), 납땜 튜브, 용접 튜브 등을 포함할 수 있다. 일 측면에서, 냉각판(902)은 전력 모듈(100)에 유체 흐름을 고르게 분배하도록 구성될 수 있는 입구 포트, 출구 포트, 유체 채널 등을 가질 수 있다. 냉각판(902)은 전력 모듈(100)을 장착하고 밀봉하는 것은 물론 어셈블리 자체를 인버터, 변환기 등과 같은 애플리케이션의 다른 구조에 장착하기 위해 다른 고려를 추가로 포함할 수 있다.
일 측면에서, 도 43 내지 58의 전력 모듈(100)은 애플리케이션에 삽입되거나, 애플리케이션으로 구현되거나, 애플리케이션으로 구성될 수 있다. 애플리케이션은 도 43 내지 58의 전력 모듈(100)을 구현하는 시스템일 수 있다. 애플리케이션은 전력 시스템, 모터 시스템, 자동차 모터 시스템, 충전 시스템, 자동차 충전 시스템, 차량 시스템, 산업용 모터, 임베디드 모터 구동, 무정전 전원 공급 장치, AC-DC 전원 공급 장치, 용접기 전원 공급 장치, 군용 시스템, 인버터, 풍력 터빈용 인버터, 태양 전력 패널, 조력 발전소 및 전기 차량(EV), 변환기 등일 수 있다.
도 59는 본 개시의 측면에 따른 전력 모듈 구현의 사시도를 도시한다.
특히, 도 59는 3상 인버터로서 구현될 수 있는 인버터(990)를 도시한다. 측면에서, 인버터(990)는 2개의 개별 3상 인버터, 1개의 3상 인버터, 1개의 풀 브리지, 1개의 하프 브리지 등으로 구성될 수 있다. 일 측면에서, 인버터(990)는 6개의 전용 하프 브리지로 구성될 수 있다. 일 측면에서, 위에 언급된 구성은 인버터(990) 외부의 연결로 구성되고 배열될 수 있다. 일 측면에서, 위에 언급된 구성은 전력 모듈(100) 및/또는 다른 어셈블리 컴포넌트의 상이한 버전을 포함할 수 있다. 그러나, 도 59와 관련하여 여기에서 설명된 다양한 특징은 여기에 설명된 애플리케이션 중 임의의 것으로 구현될 수 있다. 도 59를 추가로 참조하면, 인버터(990)는 여기에서 상세히 설명되는 바와 같이 위상 출력(930), 센서(980), 커패시터(102), 냉각판(902), 유체 연결부(3516), PCB(936), 버스 바(900) 등을 포함할 수 있다.
일 측면에서, 위상 출력(930)은 스탬핑되고, 레이저 절단되는 등 이와 유사한 것일 수 있다. 일 측면에서, 위상 출력(930)은 구리를 포함할 수 있고, 구리 일 수 있으며, 그리고/또는 다른 금속을 포함할 수 있는 금속으로 형성될 수 있다. 일 측면에서, 위상 출력(930)은 크기 최적화를 위한 벤드(bend)를 포함할 수 있다. 일 측면에서, 위상 출력(930)은 크기 최적화를 위한 L 형상의 벤드를 포함할 수 있다. 일 측면에서, 위상 출력(930)은 크기 최적화를 위해 90°벤드를 포함할 수 있다. 일 측면에서, 위상 출력(930)은 인클로저 장착, 스트레인 릴리프 등을 위한 나사산 구멍을 포함할 수 있다.
일 측면에서, 센서(980)는 위상 출력(930)의 각각의 출력 단자에 대한 전류 감지를 포함할 수 있다. 일 측면에서, 센서(980)는 신호 품질 등을 처리하기 위한 폐루프 시스템과 함께 작동하도록 구성될 수 있다. 다른 측면에서, 인버터(990)는 감소된 비용 및 크기를 위해 개방 루프를 작동시킬 수 있다.
일 측면에서, PCB(936)는 신호 조절을 위해 구현될 수 있다. 일 측면에서, PCB(936)는 상호 연결을 위해 구현될 수 있다. 일 측면에서, PCB(936)는 신호 조절 및 상호 연결을 위해 구현될 수 있다.
일 측면에서, 커패시터(102)는 공간의 더 나은 사용을 허용하기 위해 직사각형 블록으로 구성될 수 있다. 일 측면에서, 커패시터(102)는 여기에 설명된 바와 같이 전력 모듈(100)을 커패시터(102)에 연결하기 위해 통합된 버스 바(900)로 구성될 수 있다. 일 측면에서, 커패시터(102)는 폴리프로필렌 필름 커패시터일 수 있다.
도 60은 도 59에 따른 전력 모듈 구현의 사시도를 도시한다.
도 60은 다중 하우징 컴포넌트(992)와 함께 인버터(990)를 추가로 도시한다. 일 측면에서, 다중 하우징 컴포넌트(992)는 판금 부분, 통풍구(984), 분말 코팅, EMI를 위한 견고한 전면 및 용접된 에지, 스냅 인 커버(snap in cover)(988), 합성 재료 부분, 플라스틱 재료 부분, 핸들(986), 접지 부분, 스탠드오프, 냉각 포트 개구부, 엠보싱된 단자 표시, 제어기와 같은 컴포넌트를 디스플레이하기 위한 윈도우 등을 포함할 수 있다.
일 측면에서, 스냅 인 커버(988)는 플라스틱과 같은 합성 재료를 포함할 수 있다. 일 측면에서, 스냅 인 커버(988)는 성형될 수 있다. 일 측면에서, 스냅 인 커버(988)는 용이한 연결을 위해 캡티브 패스너 부분을 포함할 수 있다. 예를 들어, 스냅 인 커버(988)는 용이한 연결을 위해 캡티브 육각 너트를 포함할 수 있다. 일 측면에서, 인버터(990)는 위상 출력(930) 및 스냅 인 커버(988)의 다양한 순열(permutation) 및/또는 구성을 포함할 수 있고, 이러한 구성은 인버터(990)에 내장될 수 있다.
도 61은 2개의 상이한 전력 모듈에 대한 접합 온도 대 출력 전류를 플롯팅하는 그래프를 도시한다.
도 61을 참조하면, 두 가지 버전의 전력 모듈이 테스트되었다. 전력 모듈의 제1 버전은 최대 케이스 온도 정격이 125℃(섭씨 온도)인 1200 V 하프 브리지 전력 모듈로 구현되었다. 전력 모듈은 175℃의 최대 접합 온도에서 4.6 mΩ(밀리 옴)의 드레인-소스 온 상태 저항을 가졌다. 전력 모듈은 평평한 구리 베이스 플레이트 장착 표면으로 구현되었다.
전력 모듈의 제2 버전은 동일 한 전력 장치(302)를 사용하고 도 43 내지 58 및 연관된 설명을 참조하여 여기에서 개시된 바와 같이 베이스 플레이트(602) 상에 배열된 핀 핀(642)을 갖는 직접 냉각된 구리 핀 핀 베이스 플레이트를 구현하였다.
전력 모듈의 평평한 베이스 플레이트 버전은 열 경로의 모든 공극을 채우기 위해 전력 모듈과 히트 싱크 또는 냉각판 사이에 열 인터페이스 재료(TIM)를 적용해야 했다. 이러한 TIM의 효과는 전력 모듈 케이스와 냉각판 사이에 추가적인 열 임피던스를 제공하였다. 직접 냉각식 전력 모듈은 도 43 내지 58 및 연관된 설명을 참조하여 여기에서 개시된 바와 같이 핀 핀(642)을 포함하고 TIM의 필요성을 무효화하는 냉각수와 직접 접촉하도록 설계되었다.
결과는 평평한 베이스 플레이트 전력 모듈과 비교하여 도 43 내지 58 및 연관된 설명을 참조하여 여기에서 개시된 바와 같이 직접 냉각식 전력 모듈을 사용할 때 열 임피던스의 감소를 입증하였다. 전력 모듈의 평평한 베이스 플레이트 버전의 경우, 25℃의 냉각수 온도와 고성능 TIM을 갖춘 맞춤형 미세 변형 액체 냉각된 냉각판을 사용하여 테스트가 수행되었다. 최대 전력 손실은 스위치 위치당 750 W에서 측정되었다.
도 43 내지 58 및 연관된 설명을 참조하여 여기에서 개시된 바와 같은 전력 모듈의 직접 냉각식 버전의 경우, 내부 냉각수 채널이 있는 냉각판(902) 및 베이스 플레이트(602)가 내부에 안착된 기계 공동을 사용하여 테스트가 수행되었으며, 냉각수가 핀 핀(642)과 개스킷 밀봉부를 통과하여 누출을 방지하도록 한다. 최대 전력 손실은 스위치 위치당 1000 W에서 측정되었다. 두 테스트 모두, 열 카메라와 가상 접합 기술을 사용하여 접합 온도가 모니터링되었다.
도 43 내지 58 및 연관된 설명을 참조하여 여기에서 개시된 바와 같은 시스템 수준에서 직접 냉각식 전력 모듈(100)의 성능 이점을 입증하기 위해, 전력 모듈은 3상 인버터에 설치하고 애플리케이션 조건 하에서 테스트되었. 800 V DC 버스, 20 kHz의 스위칭 주파수, 3상 부하 및 25℃의 일정한 냉각수 온도가 사용되었다.
인버터에 DC 버스 전압을 인가한 후, 전력 모듈에 내장된 온도 센서를 모니터링하면서 인버터의 출력 전류가 서서히 증가되었다. 온도 센서 측정은 전력 장치의 열화상을 허용하기 위해 덮개가 없는 특별히 구성된 전력 모듈을 테스트함으로써 접합 온도와 상관 관계가 있었다.
도 61에 도시된 바와 같이, 인버터에 구현된 전력 모듈의 평평한 베이스 플레이트 버전은 최대 410 ARMS(암페어 - 평균 제곱근)를 처리하는 것으로 밝혀진 반면, 본 개시의 전력 모듈(100)의 직접 냉각식 버전은 490 ARMS를 처리하는 것으로 나타났다. 따라서, 도 43 내지 58 및 연관된 설명에 따른 핀 핀(642)을 구현하는 전력 모듈(100)은 출력 전류 용량의 20% 증가에 대응하였다.
도 43 내지 58과 연관된 전력 모듈(100)은 상이한 전압, 온도 등급, 온 상태 저항, 상이한 최대 접합 온도, 상이한 냉각수 온도, 상이한 스위칭 주파수 등으로 구현될 수 있고 마찬가지로 비 직접 냉각식(non-direct cooled) 전력 모듈에 비해 출력 전류 용량을 증가시킨다는 점에 유의해야 한다. 이와 관련하여, 출력 전류 능력은 비 직접 냉각식 전력 모듈과 비교하여 5% - 40%, 5% - 10%, 10% - 15%, 15% - 20%, 20% - 25%, 25% - 30%, 30% - 35%, 35% - 40%, 10% - 30%, 20% - 40%, 15% - 35% 또는 15% - 40% 증가될 수 있다. 이와 관련하여, 출력 전류 능력은 비 직접 냉각식 전력 모듈과 비교하여 적어도 5%, 10%, 15%, 20%, 25%, 30%, 35% 또는 40% 증가될 수 있다. 더욱이, 여기에서 설명된 바와 같이 구현되는 도 43 내지 58과 연관된 전력 모듈(100)에 의해 성능의 수많은 다른 개선이 고려된다.
본 개시의 하나 이상의 측면에서, 전력 모듈(100)은 실리콘 카바이드(SiC) MOSFET을 완전히 활용하도록 특별히 최적화된, 개시된 전력 모듈(100)에 기초하여 고성능, 소형의, 모듈식 3상 인버터로 구현될 수 있다. 일부 측면에서, 모듈식 AC 출력은 인버터가 이중 인버터 또는 단일 인버터로 구성되도록 할 수 있다. 일부 측면에서, 양면 냉각판, 맞춤형 커패시터 및 직접 냉각식 SiC 모듈은 인버터를 위한 초 고전력 밀도를 가능하게 할 수 있다. 전력 모듈(100) 및 커패시터를 포함한 모든 중요 컴포넌트의 기생 요소는 가장 낮은 전체 스트레이 인덕턴스를 보장하도록 검증되었다. 일부 측면에서, 유닛은 800 V DC 버스 및 480 V/830 A 위상 전류를 사용하는 애플리케이션 조건에서 작동할 수 있다.
이와 관련하여, 종래의 전력 패키지는 최신 기술의 실리콘(Si) IGBT에 대해 효과적이고 널리 수용되는 산업 해결수단이다. 그러나, 종래의 전력 패키지는 SiC 기반 기술이 제공하는 것을 최대한 활용하는 데 어려움을 겪고 있다. 종래의 전력 패키지 풋프린트 및 내부 레이아웃은 원래 일반적으로 긴 경로를 따르는 신호 네트워크가 있는 단일 또는 소수의 병렬화된 대형 장치를 갖는 Si 장치용으로 설계되었다. IGBT의 양극성 특성은 언급된 설계 절충안이 허용되도록 스위칭 속도를 제한한다.
SiC 장치의 고성능 속성을 완전히 활용하기 위해, 기술 중심 설계가 개시된 전력 모듈(100)과 함께 적용되었다. 본 개시의 전력 모듈(100)은 기존 모듈 설계의 단점을 극복한다. 이와 관련하여, 본 개시의 SiC 중심 설계는 동적 전류를 균등하게 공유하고 SiC 다이가 고속에서도 균일하게 스위칭하도록 짧은 경로 병렬 평면으로 신호 네트워크를 최적화하도록 여러 개의 더 작은 다이를 병렬로 배열하는 것을 가능하게 한다.
이러한 요구를 충족시키기 위해, 개시된 전력 모듈(100)은 상업적으로 이용 가능한 650-1700 V SiC MOSFET의 모든 크기 중에서 최대 성능을 달성하도록 고도로 최적화되었다. 개시된 전력 모듈(100)의 일부 측면은 직선형 버싱 및 상호 연결을 허용하는 단자 배열로 작은 풋프린트(53 mm x 80 mm)에서 고전류(300 내지 > 600 A)를 운반할 수 있는 능력을 제공한다. 개시된 전력 모듈(100)의 낮은 인덕턴스, 균일하게 매칭된 레이아웃은 고품질 스위칭 이벤트를 초래하여 전력 모듈(100) 내부 및 외부의 진동을 최소화한다. 일부 구현에서, 개시된 전력 모듈(100)은 ~6.7 nH의 스트레이 인덕턴스를 가질 수 있고 62 mm 모듈 면적의 ~60%에 불과한다. 전력 모듈(100)의 개시된 전류 루프는 그것들이 스위치 위치에 걸쳐 등가 임피던스를 가질 수 있도록 그들이 장치 사이에서 넓고, 낮은 프로파일이며, 고르게 분포되도록 설계되었다. 전력 단자는 DC 링크 커패시터와 전력 모듈(100) 사이의 버스 바가 굽힘, 코이닝(coining), 스탠드오프 또는 복잡한 절연을 필요로 하지 않고 전력 모듈(100)까지 적층될 수 있도록 수직으로 오프셋될 수 있다. 궁극적으로, 이는 DC 링크 커패시터 및 SiC 장치로부터의 전체 전력 루프에 걸쳐 낮은 인덕턴스를 달성한다.
SiC 전력 장치의 고전류 밀도로 인해, 전력 모듈(100) 및 냉각판의 열 성능은 열 플럭스을 최대화하고 시스템 크기 및 비용을 줄이는 것을 허용할 수 있다. 개시된 직접 냉각식 전력 모듈은 기존의 평평한 베이스 플레이트 전력 모듈의 열 성능을 향상시키는 구리 핀 핀 베이스 플레이트를 구현할 수 있다. 평평한 베이스 플레이트 전력 모듈은 열 경로의 공극을 채우기 위해 모듈과 히트 싱크 또는 냉각판 사이에 저거용될 열 인터페이스 재료(TIM)를 필요로 한다. 이러한 TIM의 효과는 모듈 케이스와 냉각판 사이의 추가적인 열 임피던스이다. 직접 냉각식 전력 모듈(100)은 TIM의 필요성을 무효화하는 냉각수와 직접 접촉하도록 설계된 핀(pin)을 갖는다. 도 61에 도시된 바와 같이, 전력 모듈의 평평한 베이스 플레이트 버전은 최대 410 ARMS를 처리할 수 있는 반면, 전력 모듈(100)의 직접 냉각 버전은 490 ARMS를 처리할 수 있다. 이는 출력 전류 능력의 20% 증가에 대응한다.
일부 측면에서, 개시된 전력 모듈(100)은 고유한 양면 냉각 및 동일한 낮은 기생의, 고성능 설계를 사용하여 다수의 전력 모듈(100)을 추가하는 인버터 설계로 구현될 수 있다. 일 측면에서, 동일한 풋프린트 영역에서 2배 많은 전력 모듈(100)을 허용하는 상단 및 하단 표면 상의 냉각 표면을 특징으로 하는 양면 냉각판이 활용될 수 있으며, 이는 본 개시의 직접 냉각식 전력 모듈(100)과 함께 사용될 때 종래 기술 구현과 비교하여 전력 밀도가 2배 이상이 된다. 일부 측면에서, 맞춤형 DC-링크 커패시터는 전력 모듈의 상단 및 하단 뱅크 모두에 직접 장착되는 여기에서 개시된 바와 같은 집적된 적층 단자로 구현될 수 있다. 이러한 설계는 전력 모듈(100)과 커패시터 사이의 낮은 스트레이 인덕턴스를 가지며 별도의 버스 바가 필요하지 않다. 본 개시의 비 평면형 전력 모듈(100)은 커패시터 단자 어셈블리가 구부러지지 않도록 하여 비용을 줄이고 중첩을 최대화할 수 있다. DC 입력 단자는 커패시터에 내장되어 6개의 하프 브리지 모듈을 상호 연결하기 위한 긴밀하게 통합된 해결수단을 생성할 수 있다.
일부 측면에서, 개시된 전력 모듈(100)은 장치를 효과적으로 스위칭하고 결함 조건에서 최대 생존성을 제공하기 위해 높은 잡음 내성 및 고속 보호 기능을 갖춘 게이트 드라이버에 의해 지원될 수 있다.
일부 측면에서, AC 출력 단자는 모듈식 서브 어셈블리로서 설계되고 구현될 수 있다. 이를 통해 인버터가 430 ARMS 이상의 출력과 6개 이상의 전류 센서가 있는 이중 3상 인버터로서 구성되거나 860 ARMS 이상의 출력 전류와 3개 이상의 전류 센서가 있는 단일 3상 인버터로서 구성될 수 있다.
개시된 양면 냉각판 어셈블리는 개스킷 밀봉부를 사용하여 상단 및 하단 측면에 장착된 여기에서 설명된 바와 같은 직접 냉각식 전력 모듈(100) 및 센서, 모듈, 냉각판 및 커패시터가 있는 인버터로 구현될 수 있다.
시스템의 고성능 특성을 검증하기 위해, 컴포넌트는 주파수 및 시간 도메인 모두에서 평가되었다. 일부 측면에서, 소신호 기생 추출은 스트레이 인덕턴스를 최소화하기 위해 반복 설계 프로세스에서 이용될 수 있는 기생 요소의 정확한 측정을 가능하게 한다. 오버슈트 전압 및 링잉 모두에 대한 스위칭 파형의 품질은 전력 모듈당 800 V 및 600 A에서 모듈 및 DC 링크 커패시터의 이중 펄스 테스트를 통해 검증되었다. 일부 측면에서, DC-링크 커패시터 설계는 전류 밀도의 균형을 맞추고 스트레이 인덕턴스를 최소화하기 위해 최적의 단자 간격 및 배열로 구현될 수 있다.
따라서, 본 개시는 비 직접 냉각식 전력 모듈과 비교하여 열을 처리하고 출력 전류 능력을 증가시키도록 구성된 개선된 전력 모듈(100) 및 관련 시스템을 개시하였다. 또한, 개시된 전력 모듈(100)은 하프 브리지 구성, 풀 브리지 구성, 공통 소스 구성, 공통 드레인 구성, 중성점 클램프 구성, 3상 구성 등을 포함하는 다양한 토폴로지로 구현될 수 있다. 전력 모듈(100)의 응용은 전력 시스템, 모터 시스템, 자동차 모터 시스템, 충전 시스템, 자동차 충전 시스템, 차량 시스템, 산업용 모터 구동, 임베디드 모터 구동, 무정전 전원 공급 장치, AC-DC 전원 공급 장치, 용접기 전원 공급 장치, 군용 시스템, 인버터, 풍력 터빈용 인버터, 태양 전력 패널, 조력 발전소 및 전기 차량(EV), 변환기 등을 포함할 수 있다.
따라서, 본 개시는 또한 안정성을 증가시키고, 스위칭 손실을 감소시키며, EMI를 감소시키고, 시스템 컴포넌트에 대한 스트레스를 제한하기 위해 루프 인덕턴스와 같은 기생 임피던스를 처리하도록 구성된 개선된 전력 모듈(100) 및 관련 시스템을 개시하였다. 특히, 개시된 전력 모듈은 몇몇 측면에서 인덕턴스를 10%만큼 감소시키는 개시된 배열을 갖는 능력을 갖는다. 또한, 개시된 전력 모듈(100)은 하프 브리지 구성, 풀 브리지 구성, 공통 소스 구성, 공통 드레인 구성, 중성점 클램프 구성 및 3상 구성을 포함하는 다양한 토폴로지로 구현될 수 있다. 전력 모듈(100)의 응용은 모터 구동, 태양광 인버터, 회로 차단기, 보호 회로, DC-DC 변환기 등을 포함한다.
본 개시의 전력 모듈(100)은 주어진 애플리케이션에 특유한 전력 처리 요구 및 크기 및 중량 제한 내에서 대부분의 시스템에 대해 적응 가능하다. 본 개시에서 설명된 전력 모듈 설계 및 시스템 레벨 구조는 높은 레벨의 전력 밀도 및 체적 활용이 달성되도록 한다.
본 개시의 측면은 본 개시의 측면이 도시된 첨부 도면을 참조하여 위에서 설명되었다. 그러나, 본 개시는 많은 상이한 형태로 구현될 수 있고 위에서 설명된 측면에 제한되는 것으로 해석되어서는 안 된다는 것이 이해될 것이다. 오히려, 이러한 측면은 본 개시가 철저하고 완전할 수 있으며, 본 개시의 범위가 당업자에게 충분히 전달될 수 있도록 제공된다. 또한, 설명된 다양한 측면은 개별적으로 구현될 수 있다. 더욱이, 설명된 하나 이상의 다양한 측면이 결합될 수 있다. 같은 숫자는 전체에 걸쳐 같은 요소를 나타낸다.
비록 제1, 제2 등의 용어가 본 명세서 전반에 걸쳐 다양한 요소를 설명하기 위해 사용되지만, 이러한 요소는 이러한 용어에 의해 제한되어서는 안 된다는 것이 이해될 것이다. 이러한 용어는 한 요소를 다른 요소와 구별하는 데만 사용된다. 예를 들어, 본 개시의 범위를 벗어나지 않으면서, 제1 요소는 제2 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 요소는 제1 요소로 명명될 수 있다. 용어 "및/또는"은 하나 이상의 연관된 나열된 항목의 임의의 그리고 모든 조합을 포함한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 단지 특정한 측면을 설명하기 위한 것이며 본 개시를 제한하려는 의도가 아니다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, 단수 형태 "하나(a)", "하나(an)" 및 "그(the)"는 문맥이 명확하게 달리 나타내지 않는 한 복수 형태도 포함하도록 의도된다. "포함하다(comprise)" "포함하는(comprising)", "포함하다(include)" 및/또는 "포함하는(including)"이라는 용어는 여기에서 사용될 때 명시된 특징, 정수, 단계, 작동, 요소 및/또는 컴포넌트의 존재를 지정하지만, 하나 이상의 다른 특징, 정수, 단계, 작동, 요소, 컴포넌트 및/또는 이들의 그룹의 존재 또는 추가를 배제하지 않음이 추가로 이해될 것이다.
층, 영역 또는 기판과 같은 요소가 다른 요소 "위에(on)" 있거나 다른 요소 "위로(onto)" 확장되는 것으로 언급되는 경우, 다른 요소 위에 직접 또는 그 위로 직접 확장될 수 있거나 또는 개재 요소가 또한 존재할 수 있음이 이해될 것이다. 대조적으로, 요소가 다른 요소 "위에 직접적으로(directly on)" 있거나 다른 요소 "위로 직접적으로(directly onto)" 확장되는 것으로 언급되는 경우, 개재 요소가 존재하지 않는다. 요소가 다른 요소에 "연결되거나" 또는 "결합되는" 것으로 언급 될 때, 다른 요소에 직접 연결되거나 결합될 수 있거나 또는 개재 요소가 존재할 수 있음이 또한 이해될 것이다. 대조적으로, 요소가 다른 요소에 "직접 연결되거나" 또는 "직접 결합되는" 것으로 언급되는 경우에는 개재 요소가 존재하지 않는다.
"아래" 또는 "위" 또는 "상부" 또는 "하부" 또는 "상단" 또는 "하단"과 같은 상대적인 용어는 도면에 도시된 바와 같이 하나의 요소, 층 또는 영역과 다른 요소, 층 또는 영역의 관계를 설명하기 위해 여기에서 사용될 수 있다. 이들 용어는 도면에 도시된 방향에 더하여 장치의 다른 방향을 포함하도록 의도된 것으로 이해될 것이다.
본 개시의 측면은 본 개시의 이상화된 실시예(및 중간 구조)의 개략도인 단면도를 참조하여 여기에서 설명된다. 도면에서 층 및 영역의 두께는 명확성을 위해 과장될 수 있다. 또한, 예를 들어 제조 기술 및/또는 허용 오차의 결과로 도시된 형상이 달라질 수 있다.
도면 및 명세서에서, 본 개시의 전형적인 측면이 개시되어 있고, 특정 용어가 사용되지만, 그것들은 단지 일반적이고 설명적인 의미로 사용되며 제한의 목적이 아니며, 개시의 범위는 다음의 청구에서 개시된다.
본 개시의 측면은, 예를 들어, 통신 채널을 통한 유무선 통신 기능이 있는 데스크탑 컴퓨터, 개인용 컴퓨터, 랩탑/모바일 컴퓨터, PDA(personal data assistant), 이동 전화, 태블릿 컴퓨터, 클라우드 컴퓨팅 장치 등과 같은 임의의 유형의 컴퓨팅 장치에서 구현될 수 있다.
또한, 본 개시의 다양한 측면에 따르면, 본 명세서에 설명된 방법은 PC, PDA, 반도체, 주문형 집적 회로(application specific integrated circuit, ASIC), 프로그램 가능 로직 어레이, 클라우드 컴퓨팅 장치, 및 여기에 설명된 방법을 구현하도록 구성된 기타 하드웨어 장치를 포함하지만 이에 제한되지 않는 전용 하드웨어 구현으로 작동하도록 의도된다.
또한, 여기에서 설명된 바와 같은 본 개시의 소프트웨어 구현은 디스크 또는 테이프와 같은 자기 매체, 디스크와 같은 광자기 또는 광학 매체, 또는 하나 이상의 읽기 전용(비휘발성) 메모리, 랜덤 액세스 메모리, 또는 다른 재기록 가능(휘발성) 메모리를 수용하는 기타 패키지 또는 메모리 카드와 같은 솔리드 스테이트 매체와 같은 유형의 저장 매체에 선택적으로 저장된다는 점에 유의해야 한다. 이메일 또는 기타 독립된 정보 아카이브 또는 아카이브 세트에 대한 디지털 파일 첨부는 유형의 저장 매체와 동등한 배포 매체로 간주된다. 따라서, 본 개시는 본 명세서에 열거되고 본 명세서의 소프트웨어 구현이 저장되는 기술적으로 인정된 등가물 및 후속 매체를 포함하는 유형의 저장 매체 또는 배포 매체를 포함하는 것으로 간주된다.
또한, 본 개시의 다양한 측면은 비 일반 컴퓨터 구현으로 구현될 수 있다. 더욱이, 본 명세서에 기재된 개시물의 다양한 측면은 본 개시의 개시로부터 명백한 바와 같이 시스템의 기능을 개선한다. 또한, 본 개시의 다양한 측면은 본 개시에 의해 다루어지는 복잡한 문제를 해결하도록 특별히 프로그램된 컴퓨터 하드웨어를 포함한다. 따라서, 본 개시의 다양한 측면은 본 개시에 의해 제시되고 청구범위에 의해 정의된 바와 같은 프로세스를 수행하기 위해 특정 구현에서 전체 시스템의 기능을 개선한다.
본 개시가 예시적인 측면과 관련하여 설명되었지만, 당업자는 본 개시가 첨부된 청구항의 사상 및 범위의 수정으로 실시될 수 있음을 인식할 것이다. 위에 주어진 이들 예시는 단지 예시적인 것이며 본 개시의 모든 가능한 설계, 측면, 적용 또는 수정의 완전한 목록을 의미하지는 않는다. 이와 관련하여, 다양한 측면, 특징, 컴포넌트, 요소, 모듈, 배열, 회로 등은 상호 교환 가능하고, 혼합되며, 매칭되고, 결합되는 것으로 고려된다. 이와 관련하여, 본 개시의 상이한 특징은 모듈식이며 서로 혼합되고 매칭될 수 있다.

Claims (28)

  1. 전력 모듈로서,
    적어도 하나의 전력 기판;
    상기 적어도 하나의 전력 기판 상에 배열된 하우징;
    상기 적어도 하나의 전력 기판에 전기적으로 연결된 제1 단자;
    제2 단자;
    상기 적어도 하나의 전력 기판에 전기적으로 연결된 제3 단자; 및
    상기 적어도 하나의 전력 기판에 전기적으로 연결된 복수의 전력 장치
    를 포함하며,
    상기 전력 모듈은 인덕턴스를 감소시키도록 구조화되고, 배열되며, 구성되고,
    상기 인덕턴스는 12 (nH) 내지 2 (nH)의 범위를 포함하는 전력 모듈의 임계 전력 스위칭 루프의 총 스트레이 인덕턴스 값을 포함하는, 전력 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 전력 장치에 전기적으로 연결된 게이트-소스 보드; 및
    상기 하우징 내에 배열되고 상기 게이트-소스 보드에 전기적으로 연결된 온도 센서
    를 더 포함하고,
    상기 온도 센서를 적어도 하나의 전력 기판 상에 배열하여 온도 센서를 절연시키도록 구성되는, 전력 모듈.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 전력 기판은 금속 표면 및/또는 복수의 전력 장치를 지지하는 전도성 표면을 포함하고,
    상기 적어도 하나의 전력 기판은 금속 표면 및/또는 전도성 표면을 포함하지 않는 부분을 포함하고,
    상기 온도 센서는 금속 표면 및/또는 전도성 표면을 포함하지 않는 적어도 하나의 전력 기판의 부분 상에 있는, 전력 모듈.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 게이트-소스 보드는 복수의 저항을 더 포함하며, 상기 복수의 저항의 각각은 복수의 전력 장치 중 하나에 전기적으로 연결되고, 상기 게이트-소스 보드는 적어도 하나의 전기 신호를 수신하도록 구성되는, 전력 모듈.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 복수의 저항의 각각은 복수의 전력 장치 중 하나의 게이트에 전기적으로 연결되는, 전력 모듈.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 복수의 저항의 각각은 복수의 전력 장치 중 하나의 소스에 전기적으로 연결되는, 전력 모듈.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 전기 신호는 게이트 드라이버 신호를 포함하는, 전력 모듈.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 전기 신호는 소스 켈빈 신호를 포함하는, 전력 모듈.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 단자는 제1 높이에서 하우징 위에 위치된 컨택 표면을 포함하고,
    상기 제2 단자는 상기 제1 높이와 다른 제2 높이에서 하우징 위에 위치된 컨택 표면을 포함하는, 전력 모듈.
  10. 구성체로서,
    제1항의 전력 모듈을 포함하고,
    상기 구성체는,
    적어도 하나의 버스 바(buss bar), 드라이버, 제어기, 적어도 하나의 커패시터, 냉각판 및 적어도 하나의 센서 중 적어도 하나를 포함하는 적어도 하나의 컴포넌트; 및
    상기 전력 모듈 및 상기 적어도 하나의 컴포넌트를 수용하고 둘러싸도록 구성된 구성 하우징
    을 더 포함하는, 구성체.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 버스 바, 상기 드라이버, 상기 제어기, 상기 적어도 하나의 커패시터, 상기 냉각판 및 상기 적어도 하나의 센서 중 적어도 하나에 연결되고 데이터를 교환하도록 구성된 전기 인터페이스를 더 포함하는, 구성체.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 구성체는 특정 애플리케이션에 대한 전력 모듈의 구현을 테스트하도록 구성되는, 구성체.
  13. 제1항에 따른 전력 모듈을 테스트하도록 구성된 테스트 구성체로서,
    상기 전력 모듈을 포함하는 전력 모듈 구성체 - 상기 전력 모듈 구성체는 적어도 하나의 버스 바, 드라이버, 제어기, 적어도 하나의 커패시터, 냉각판 및 적어도 하나의 센서 중 적어도 하나를 포함하는 적어도 하나의 컴포넌트를 더 포함함 -;
    상기 전력 모듈 및 상기 적어도 하나의 컴포넌트를 수용하고 둘러싸도록 구성된 구성 하우징
    을 포함하고,
    상기 전력 모듈 구성체는
    상기 전력 모듈과 적어도 하나의 컴포넌트를 작동하도록 구성되고,
    상기 전력 모듈 구성체의 적어도 하나의 작동 파라미터를 측정하도록 구성되고,
    상기 전력 모듈 구성체로부터 적어도 하나의 작동 파라미터를 출력하도록 구성된, 테스트 구성체.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 전력 모듈은
    적어도 하나의 전력 기판;
    상기 적어도 하나의 전력 기판 상에 배열된 하우징;
    상기 적어도 하나의 전력 기판에 전기적으로 연결된 제1 단자;
    제2 단자;
    상기 적어도 하나의 전력 기판에 전기적으로 연결된 제3 단자; 및
    상기 적어도 하나의 전력 기판에 전기적으로 연결된 복수의 전력 장치
    중 적어도 하나를 포함하고,
    상기 전력 모듈은 전력 모듈의 스위칭 속도를 증가시키도록 구조화되고, 배열되며, 구성되고,
    상기 전력 모듈의 스위칭 속도는 100 (A/ns) 미만인, 테스트 구성체.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 전력 모듈의 스위칭 속도는 80 (V/ns) 미만인, 테스트 구성체.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 드라이버, 상기 제어기, 상기 적어도 하나의 센서 중 적어도 하나에 연결되고 데이터를 교환하도록 구성된 전기 인터페이스를 더 포함하는, 테스트 구성체.
  17. 제13항에 있어서,
    상기 전력 모듈 구성체는 특정 애플리케이션에 대한 전력 모듈의 구현을 테스트하도록 구성되고,
    상기 특정 애플리케이션은 인버터, 전력 시스템, 모터 시스템 및 충전 시스템 중 적어도 하나를 포함하는, 테스트 구성체.
  18. 제13항에 있어서,
    상기 드라이버, 상기 제어기, 상기 적어도 하나의 센서 중 적어도 하나와 전기 인터페이스를 통해 연결하고,
    상기 구성체로 특정 애플리케이션에 대한 전력 모듈의 구현을 테스트하는, 테스트 구성체.
  19. 제13항에 있어서,
    상기 구성 하우징을 통해 공기를 이동시키도록 구성된 냉각 팬을 더 포함하는, 테스트 구성체.
  20. 인버터로서,
    제1항에 따른 전력 모듈을 포함하고, 상기 인버터는
    적어도 하나의 버스 바, 드라이버, 제어기, 적어도 하나의 커패시터, 냉각판 및 적어도 하나의 센서 중 적어도 하나를 더 포함하고,
    상기 전력 모듈은
    적어도 하나의 전력 기판;
    상기 적어도 하나의 전력 기판 상에 배열된 하우징;
    상기 적어도 하나의 전력 기판에 전기적으로 연결된 제1 단자;
    제2 단자; 및
    상기 적어도 하나의 전력 기판에 전기적으로 연결된 복수의 전력 장치
    중 적어도 하나를 포함하고,
    상기 전력 모듈은 상기 전력 모듈의 스위칭 속도를 증가시키도록 구조화되고, 배열되며, 구성되고,
    상기 전력 모듈의 스위칭 속도는 100 (A/ns) 미만인, 인버터.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 전력 모듈은 상기 적어도 하나의 전력 기판에 전기적으로 연결된 제3 단자를 더 포함하는, 인버터.
  22. 제20항에 있어서,
    적어도 하나의 버스 바, 드라이버 및 제어기를 더 포함하는, 인버터.
  23. 제22항에 있어서,
    적어도 하나의 커패시터, 냉각판 및 적어도 하나의 센서를 더 포함하는, 인버터.
  24. 제20항에 있어서,
    상기 전력 모듈의 스위칭 속도는 80 (A/ns) 미만인, 인버터.
  25. 제20항에 있어서,
    상기 제1 단자의 적어도 하나의 부분이 상기 제2 단자의 적어도 하나의 부분과 다른 높이에 배열되는, 인버터.
  26. 제20항에 있어서,
    인덕턴스를 감소시키기 위해 전류가 상기 제1 단자, 상기 적어도 하나의 전력 기판 및 상기 제2 단자를 통해 전력 모듈을 통한 루프에 흐르는, 인버터.
  27. 전력 시스템으로서,
    제1항의 전력 모듈; 및
    적어도 하나의 버스 바, 드라이버, 제어기, 적어도 하나의 커패시터, 냉각판 및 적어도 하나의 센서 중 적어도 하나를 포함하는 적어도 하나의 컴포넌트
    를 포함하고,
    상기 전력 시스템은 인버터, 모터 시스템 및 충전 시스템 중 적어도 하나를 포함하는, 전력 시스템.
  28. 제27항에 있어서,
    상기 전력 시스템은 인버터, 모터 시스템 및 충전 시스템 중 적어도 하나를 포함하는, 전력 시스템.
KR1020237027356A 2019-01-10 2020-01-03 전력 장치를 병렬화하기 위한 낮은 인덕턴스와 빠른스위칭을 갖는 고전력 다층 모듈 KR20230125332A (ko)

Applications Claiming Priority (10)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201962790965P 2019-01-10 2019-01-10
US62/790,965 2019-01-10
US16/266,771 US10749443B2 (en) 2017-01-13 2019-02-04 High power multilayer module having low inductance and fast switching for paralleling power devices
US16/266,771 2019-02-04
US201962914847P 2019-10-14 2019-10-14
US62/914,847 2019-10-14
US16/658,630 2019-10-21
US16/658,630 US10917992B2 (en) 2017-01-13 2019-10-21 High power multilayer module having low inductance and fast switching for paralleling power devices
KR1020217025359A KR102580635B1 (ko) 2019-01-10 2020-01-03 전력 장치를 병렬화하기 위한 낮은 인덕턴스와 빠른 스위칭을 갖는 고전력 다층 모듈
PCT/US2020/012167 WO2020146204A1 (en) 2019-01-10 2020-01-03 High power multilayer module having low inductance and fast switching for paralleling power devices

Related Parent Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020217025359A Division KR102580635B1 (ko) 2019-01-10 2020-01-03 전력 장치를 병렬화하기 위한 낮은 인덕턴스와 빠른 스위칭을 갖는 고전력 다층 모듈

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20230125332A true KR20230125332A (ko) 2023-08-29

Family

ID=71521405

Family Applications (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020237027356A KR20230125332A (ko) 2019-01-10 2020-01-03 전력 장치를 병렬화하기 위한 낮은 인덕턴스와 빠른스위칭을 갖는 고전력 다층 모듈
KR1020217025359A KR102580635B1 (ko) 2019-01-10 2020-01-03 전력 장치를 병렬화하기 위한 낮은 인덕턴스와 빠른 스위칭을 갖는 고전력 다층 모듈

Family Applications After (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020217025359A KR102580635B1 (ko) 2019-01-10 2020-01-03 전력 장치를 병렬화하기 위한 낮은 인덕턴스와 빠른 스위칭을 갖는 고전력 다층 모듈

Country Status (6)

Country Link
EP (1) EP3909124A4 (ko)
JP (2) JP2022508473A (ko)
KR (2) KR20230125332A (ko)
CN (1) CN113767563A (ko)
BR (1) BR112021013650A8 (ko)
WO (1) WO2020146204A1 (ko)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11582866B1 (en) 2021-07-22 2023-02-14 Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc. Systems including a power device-embedded PCB directly joined with a cooling assembly and method of forming the same
DE102022200892A1 (de) 2022-01-27 2023-07-27 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Spannungswandler und Spannungswandlermodul
US20230411359A1 (en) * 2022-06-20 2023-12-21 Wolfspeed, Inc. Power module
DE102022124175B3 (de) * 2022-09-21 2023-08-03 Schaeffler Technologies AG & Co. KG Inverter, Verfahren zur Herstellung eines Inverters und elektrische Maschine

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7965522B1 (en) * 2008-09-26 2011-06-21 Arkansas Power Electronics International, Inc. Low-loss noise-resistant high-temperature gate driver circuits
DE102010050315C5 (de) * 2010-11-05 2014-12-04 Danfoss Silicon Power Gmbh Verfahren zur Herstellung von gesinterten, elektrischen Baugruppen und damit hergestellte Leistungshalbleitermodule
CN104145333B (zh) * 2012-04-16 2018-02-02 富士电机株式会社 半导体装置以及半导体装置用冷却器
JP5967495B2 (ja) * 2012-07-04 2016-08-10 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 半導体装置
JP6085968B2 (ja) * 2012-12-27 2017-03-01 三菱マテリアル株式会社 金属部材付パワーモジュール用基板、金属部材付パワーモジュール、及び金属部材付パワーモジュール用基板の製造方法
WO2015175820A1 (en) * 2014-05-15 2015-11-19 Cree, Inc. HIGH CURRENT, LOW SWITCHING LOSS SiC POWER MODULE
US9839146B2 (en) * 2015-10-20 2017-12-05 Cree, Inc. High voltage power module
CN106374809A (zh) * 2016-11-04 2017-02-01 南京怡咖电气科技有限公司 一种开关磁阻电动机功率变换器功率器件并联均流装置
US10212838B2 (en) * 2017-01-13 2019-02-19 Cree Fayetteville, Inc. High power multilayer module having low inductance and fast switching for paralleling power devices
CN207165544U (zh) * 2017-06-14 2018-03-30 扬州国扬电子有限公司 一种设有双面散热装置的功率模块

Also Published As

Publication number Publication date
EP3909124A4 (en) 2022-10-26
JP2023029342A (ja) 2023-03-03
CN113767563A (zh) 2021-12-07
EP3909124A1 (en) 2021-11-17
KR20210136987A (ko) 2021-11-17
BR112021013650A8 (pt) 2021-09-28
JP2022508473A (ja) 2022-01-19
KR102580635B1 (ko) 2023-09-19
WO2020146204A1 (en) 2020-07-16
BR112021013650A2 (pt) 2021-09-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10917992B2 (en) High power multilayer module having low inductance and fast switching for paralleling power devices
JP7297815B2 (ja) パワーデバイスを並列接続するための低インダクタンスおよび高速スイッチングを有するハイパワー多層モジュール
US10749443B2 (en) High power multilayer module having low inductance and fast switching for paralleling power devices
KR102580635B1 (ko) 전력 장치를 병렬화하기 위한 낮은 인덕턴스와 빠른 스위칭을 갖는 고전력 다층 모듈
US11696417B2 (en) High power multilayer module having low inductance and fast switching for paralleling power devices
EP1818983A2 (en) Three phase inverter power stage and assembly
US20230163062A1 (en) Power Module Having an Elevated Power Plane with an Integrated Signal Board and Process of Implementing the Same
She et al. High performance silicon carbide power block for industry applications
Dutta et al. A 3-D stacked wire bondless silicon carbide power module
Lee et al. IMS-based integrated SiC-MOSFET bidirectional switches for advanced CSI implementation
US20240008182A1 (en) Modular power electronics converters with enhanced connectivity reliabilty and simplified method of fabrication
Mehrotra et al. Design and Characterization of 3.3 kV-15 kV rated DBC Power Modules for Developmental Testing of WBG devices
US12010823B2 (en) High power multilayer module having low inductance and fast switching for paralleling power devices
Rajagopal Design of 1.7 kV SiC MOSFET Switching-Cells for Integrated Power Electronics Building Block (iPEBB)

Legal Events

Date Code Title Description
A107 Divisional application of patent
E902 Notification of reason for refusal