TWI639247B - 具有多極電壓輸出之能量轉換裝置與使用該能量轉換裝置之功率電晶體模組 - Google Patents

Abstract

本發明揭示一種在電子通訊的能量轉換裝置，其至少一鰭片，用於輸出多極電壓。該至少一鰭片之起始端源自於該能量轉換裝置之內側，其生成自一金屬接點，且該金屬接點配置於該能量轉換裝置之間，且其隔開一第一末端接點與一第二末端接點。一功率電晶體模組包含至少一電晶體、一閘極驅動器與該能量轉換裝置。該閘極驅動器係配置為驅動該至少一電晶體。該能量轉換裝置係配置為提供隔離電壓至該閘極驅動器。

Description

具有多極電壓輸出之能量轉換裝置與使用該能量轉換裝置之功率電晶體模 組

本發明係有關於一種能量轉換裝置，特別係一種具有多極電壓輸出之能量轉換裝置與使用該能量轉換裝置之功率電晶體模組。

多極電壓源可應用於各種不同領域之中，包括充電裝置或者功率電晶體模組，而該功率電晶體模組可為絕緣閘雙極性電晶體(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)或一金屬氧化物半導體場效電晶體(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor，MOSFET)。傳統多極電壓源可單獨使用蓄電池或透過串聯蓄電池方式提供多極電壓。然而，該電池過於笨重且僅可儲存少量電力，導致無法使用於高壓充電裝置或功率電晶體模組。

高壓絕緣閘雙極性電晶體一般使用於電壓範圍15至3000V(或者更高)的模組，其針對逆變器、轉換器、電源供應器、馬達控制器以及牽引應用。而至少需要使用一閘極驅動器，用以驅動該絕緣閘雙極性電晶體。特別是，該閘極驅動器適用於需電性隔離之逆變器與轉換器。該電池無法提供該閘極驅動器所需之隔離電壓。因此，需將一隔離變壓器連接至該閘極驅動器， 用以隔離其輸出電壓。藉此該絕緣閘雙極性電晶體可因應該閘極驅動器之需求而快速切換開與關之狀態。

一般而言，該隔離變壓器具有磁芯，用以於各電路之間提供電流隔離。然而，由於高電壓隔離變壓器通常需客製化設計，因此經常導致製作成本過高。此外，為了獲得更高的隔離電壓，高壓隔離變壓器之設計往往過於笨重。例如，具有20kV隔離電壓之隔離變壓器之典型尺寸為200毫米x 200毫米x 200毫米，其重量約為5.5公斤。

該垂直多接面(Vertical Multi-junction，VMJ)電池為一高電壓能量轉換裝置，其具有小尺寸以及重量輕等特性，且該VMJ電池之輸出電壓高於單一接面電池。一般而言，10毫米x 10毫米之VMJ電池在一太陽照度條件下可產生高於25伏特，同樣條件下，傳統單一接面電池僅可產生少量伏特。此外，傳統VMJ電池僅可由兩末端接點輸出電壓。因此，產生多極電壓輸出對於現今之VMJ電池為一重大挑戰。

有鑑於此，有必要提出一種能量轉換裝置，能輸出多極電壓，並取代該功率電晶體模組的隔離變壓器。

本發明提出一種能量轉換裝置，其與至少一鰭片形成電性連接並輸出多極電壓，而各該至少一鰭片包括：[1]生成自該能量轉換裝置之內側，[2]生成自配置於該能量轉換裝置部件內之一金屬接點，以及[3]與第一末端接點及第二末端接點相互間隔。

本發明亦提出一功率電晶體模組，其包括至少一電晶體；一閘極驅動器，以及一該能量轉換裝置。該閘極驅動器係配置去驅動該至少一電晶體。該能量轉換裝置係配置為提供隔離電壓至該閘極驅動器。

該能量轉換裝置可接觸至少一鰭片及不同末端接點或者接觸其他鰭片，藉此輸出多極電壓。該能量轉換裝置可提供無雜訊之電壓源，且該能量轉換裝置所輸出之電壓可被視為無變壓器之隔離電壓。因此，該能量轉換裝置可用以取代功率電晶體模組內部之隔離變壓器。

10‧‧‧能量轉換裝置

10B‧‧‧底層表面

10S‧‧‧末端表面

10T‧‧‧頂層表面

12‧‧‧能量轉換裝置部件

14‧‧‧第一末端接點

16‧‧‧第二末端接點

18‧‧‧金屬接點

20‧‧‧能量轉換裝置

20B‧‧‧底層表面

20S‧‧‧末端表面

20T‧‧‧頂層表面

22‧‧‧能量轉換裝置部件

24‧‧‧第一末端接點

26‧‧‧第二末端接點

28‧‧‧金屬接點

30‧‧‧功率電晶體模組

31‧‧‧電晶體

32‧‧‧閘極驅動器

33‧‧‧能量轉換裝置

332‧‧‧能量轉換裝置部件

334‧‧‧第一末端接點

336‧‧‧第二末端接點

338‧‧‧金屬接點

33S‧‧‧末端表面

34‧‧‧散熱器

35‧‧‧熱接面材料

36‧‧‧雷射源部件

362‧‧‧光纖鏈路

364‧‧‧雷射

37‧‧‧波導管

40‧‧‧能量轉換裝置

42‧‧‧垂直多接面電池

42S‧‧‧頂層表面

422‧‧‧末端接點

424‧‧‧電池接面

426‧‧‧金屬接點

44‧‧‧引線

46‧‧‧副支架

462‧‧‧導電接墊

D‧‧‧距離

F‧‧‧鰭片

F1‧‧‧第一鰭片

F2‧‧‧第二鰭片

V1‧‧‧第一電壓

V2‧‧‧第二電壓

V3‧‧‧第三電壓

V4‧‧‧第四電壓

W‧‧‧雷射光

第1圖所示為先前技術之一側面照光垂直多接面光伏接收器陣列之側面示意圖。

第2圖所示為先前技術之一垂直多接面光伏接收器陣列之一各別電池之側面示意圖。

第3圖所示為先前技術之一垂直多接面光伏接收器陣列之剖面圖。

第4圖所示為先前技術之一能量轉換裝置之剖面圖。

第5圖所示為先前技術之一能量轉換裝置之特寫剖面圖。

第6圖所示為本發明之散熱鰭片與能量轉換裝置之示意圖。

第7圖所示為先前技術之熱能轉換元件之熱能傳遞流程圖。

第8圖所示為本發明之冷卻式能量轉換裝置之熱能傳遞流程圖。

第9圖至第11圖所示為三種先前技術之三維能量轉換或光電元件晶錠 之斜面示意圖。

第12圖所示為本發明之一能量轉換裝置之斜面示意圖。

第13圖所示為本發明之一能量轉換裝置之特寫示意圖。

第14圖與第15圖所示為本發明之配置於一熱床上方之一能量轉換裝置之斜面示意圖。

第16圖所示為本發明之配置於一熱床上方之一能量轉換裝置之側面示意圖。

第17圖所示為本發明之元件底部具有一散熱器陣列之能量轉換裝置之斜面示意圖。

第18圖所示為本發明之熱傳遞之流程圖。

第19圖所示為本發明之能量轉換裝置與一散熱器陣列及散熱器支撐結構之斜面示意圖。

第20圖所示為本發明之三維光電元件晶錠之能量轉換裝置之局部剖面圖。

第21圖所示為比較先前技術與本發明所揭示之能量轉換裝置之操作溫度與入射太陽光強度之趨勢說明圖。

第22圖與第23圖所示為本發明之採用雙熱床之能量轉換裝置與散熱器之相異斜面示意圖。

第24圖所示為本發明之一實施例之一能量轉換裝置之透視圖。

第25圖所示為本發明之一實施例之一能量轉換裝置之透視圖。

第26圖所示為本發明之一實施例之一能量轉換裝置之示意圖。

第27圖所示為本發明之一實施例之一能量轉換裝置之示意圖。

第28圖所示為本發明之一實施例之一功率電晶體模組之透視圖。

第29圖所示為本發明之一實施例之一能量轉換裝置之俯視圖。

第30圖所示為本發明之一實施例之波導管對齊一能量轉換裝置之剖面圖。

雖然本發明可表現為不同形式之實施例，但附圖所示者及於下文中說明者係為本發明可之較佳實施例，並請瞭解本文所揭示者係考量為本發明之一範例，且並非意圖用以將本發明限制於圖示及/或所描述之特定實施例中。

如美國公告專利US 14/530619所揭示一種透過至少一鰭片形成散熱器之能量轉換裝置。然而，該能量轉換裝置係與至少一鰭片形成電性連接，用以輸出多極電壓。

該美國公告專利US 14/530619所揭示之第1圖至第23圖之發明內容與實施方式將以引用合併方式參照。

現請參考第24圖，一能量轉換裝置之透視圖。其中，一能量轉換裝置10可輸出多極電壓。該能量轉換裝置與至少一鰭片F形成電性連接。在本發明所揭示之一實施例中，該能量轉換裝置10與該至少一鰭片F形成熱傳導連接。

該能量轉換裝置10包含：一複數能量轉換裝置部件12；一第一末端接點14；一第二末端接點16；一金屬接點18。在該實施例中，該能量轉換裝置10係一垂直多接面(Vertical Multi-junction，VMJ)電池，且該 能量轉換裝置部件12係該垂直多接面(VMJ)電池之電池接面。該能量轉換裝置部件12係多組堆疊，且所有該能量轉換裝置部件12具有面向相同方向之正極充電端，或所有該能量轉換裝置部件12具有背向該金屬接點18之其他側面之正極充電端。在本發明之另一實施例中，該能量轉換裝置部件12背向該金屬接點18之其他側面，其中該末端接點14,16與該金屬接點18彼此之接面數相等時，可允許各電池組並聯。此外，一高功率雷射可作為該垂直多接面電池之光源。

該能量轉換裝置部件12係位於該第一末端接點14與該第二末端接點16之間。該金屬接點18係設置於該能量轉換裝置部件12之間。在本發明所揭示之另一實施例中，該金屬接點18係選自鋁、鐵鎳鈷合金、銅或其他導電性金屬。

該至少一鰭片F係生成自該能量轉換裝置10之內側。在本發明所揭示之另一實施例中，該至少一鰭片F係生成自配置於該能量轉換裝置部件12內之一金屬接點18，且與該第一末端接點14及該第二末端接點16相互間隔。此外，該能量轉換裝置10具有一末端表面10S；一頂層表面10T；一底層表面10B。其中，該至少一鰭片F係突出於該末端表面10S。在本發明所揭示之另一實施例中，該至少一鰭片F突出於該頂層表面10T或該底層表面10B。在本發明所揭示之另一實施例中，該至少一鰭片F並未超出該能量轉換裝置10(VMJ電池)之另外一端，並且與該能量轉換裝置部件12齊平。

在本發明所揭示之另一實施例中，該至少一鰭片F係一共用接地鰭片，其透過背向該能量轉換裝置部件12之其他側面之該鰭片F執行運作。因此，該第一末端接點14與該共用接地鰭片F輸出一第一電壓V1，且該第二末端接點16與該共用接地鰭片F輸出一第二電壓V2。為了使該能量轉換裝置10具有一共用接地，該鰭片F(共用接地)之一末端接點需背向該鰭片F(共用接地)之另一末端接點並具有複數接面。且該第一末端接點14與該共用接地鰭片F之間具有一距離D。該距離D係該能量轉換裝置10全長之部分。該第一電壓V1與該距離D具有一正比關係，且該第二電壓V2與該距離D具有一反比關係。

透過利用一鰭片F，該能量轉換裝置10可產生兩極電壓輸出，即第一電壓V1與第二電壓V2。此外，透過增加鰭片F之數量，藉此可產生更多輸出電壓。

現請參考第25圖，一能量轉換裝置之透視圖。其中，一能量轉換裝置20用以輸出多極電壓。該能量轉換裝置20與一第一鰭片F1及一第二鰭片F2形成電性連接。在本發明所揭示之另一實施例中，該能量轉換裝置20亦與該第一鰭片F1及該第二鰭片F2形成熱傳導連接。

該能量轉換裝置20包含：一複數能量轉換裝置部件22；一第一末端接點24；一第二末端接點26；一金屬接點28。在該實施例中，該能量轉換裝置20係一垂直多接面(Vertical Multi-junction，VMJ)電池，且該能量轉換裝置部件22係該垂直多接面(VMJ)電池之電池接面。

該能量轉換裝置部件22係位於該第一末端接點24與該第二末端接點26之間。該金屬接點28係設置於該能量轉換裝置部件22之間。在本發明所揭示之另一實施例中，該金屬接點28係選自鋁、鐵鎳鈷合金、銅或其他導電性金屬。

該第一鰭片F1與該第二鰭片F2彼此相互間隔，且係生成自該能量轉換裝置20之內側。在該實施例中，該第一鰭片F1與該第二鰭片F2係生成自不同的金屬接點28，且與該第一末端接點24及該第二末端接點26相互間隔。此外，該能量轉換裝置20具有一末端表面20S；一頂層表面20T；一底層表面20B。其中，該第一鰭片F1與該第二鰭片F2係突出於該末端表面20S。在本發明所揭示之另一實施例中，該第一鰭片F1與該第二鰭片F2可超出該頂層表面20T或該底層表面20B。此外，該第一末端接點24與該第一鰭片F1具有一距離D。

根據該能量轉換裝置20之配置，透過選擇不同位置之接點以輸出不同電壓。在該實施例中，該第一末端接點24與該第一鰭片F1可輸出一第一電壓V1。該第二末端接點26與該第二鰭片F2可輸出一第二電壓V2。該第一鰭片F1與該第二鰭片F2可輸出一第三電壓V3。

該第一電壓V1與該距離D具有一正比關係，該第二電壓V2與該第三電壓V3之總和係與該距離D具有一反比關係。

透過利用該第一鰭片F1與該第二鰭片F2，該能量轉換裝置20可產生三極電壓輸出，即第一電壓V1、第二電壓V2與第三電壓V3。然而，若所有接面皆朝向相同方向，則各電壓將具有一不同之初始電壓。 因應上述之配置，該電壓將可應用於不同電路，或透過彼此相互隔絕而應用於相同電路。第25圖所揭示之能量轉換裝置20使用兩組鰭片，並非意圖用以限制本發明於所描述之特定實施例中。

該能量轉換裝置20可提供無雜訊之電壓源，且該能量轉換裝置20所輸出之電壓可被視為無變壓器之隔離電壓。因此，該能量轉換裝置20可用以取代功率電晶體模組內部之隔離變壓器。

現請參考第26圖，一能量轉換裝置之示意圖。該能量轉換裝置40包含：一VMJ電池42；一複數引線44。

該VMJ電池42包含：一頂層表面42S；兩末端接點422；一複數電池接面424。其中，該複數電池接面位於該兩末端接點422之間。該引線44分別連接至該末端接點422。此外，該引線44連接至該頂層表面42S。

在該實施例中，該VMJ電池42以TO-CAN封裝設置於一副支架46之上。該副支架46具有一複數導電接墊462，且該引線44分別連接至該導電接電462並輸出至少一電壓。

現請參考第27圖，一能量轉換裝置之示意圖。為了輸出多極電壓，該VMJ電池42包含至少一金屬接點426，且其配至於該電池接面424之間，且其中之一引線44係連接於該金屬接點426之上。當該金屬接點426定義為共用接地時，電壓V1與電壓V2可透過該引線44輸出。

現請參考第28圖，一功率電晶體模組之透視圖。其中，一功率電晶體模組30包含：至少一電晶體31；一閘極驅動器32；一能量轉 換裝置33。

在本發明所揭示之另一實施例中，該至少一電晶體31係一絕緣閘雙極性電晶體(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)或一金屬氧化物半導體場效電晶體(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor，MOSFET)。該閘極驅動器32係配置為驅動該至少一電晶體31。為了確保該電晶體切換之穩定性，該閘極驅動器32需要一穩定且強大的隔離電壓。

現請參考第28圖以及第29圖，該能量轉換裝置33係配置為提供隔離電壓至該閘極驅動器32。在本發明所揭示之另一實施例中，該至少一電晶體31及該能量轉換裝置33可設置於一散熱器34之上，如冷卻板。為了改善散熱效率，一熱接面材料35可配置於該能量轉換裝置33與該散熱亦34之間。

在該實施例中，該能量轉換裝置33係電性連接至一第一鰭片F1與一第二鰭片F2。在本發明所揭示之另一實施例中，該能量轉換裝置33可電性連接至一鰭片，如第24圖所示。

該能量轉換裝置33包含：一複數能量轉換裝置部件332；一第一末端接點334；一第二末端接點336；兩金屬接點338。在該實施例中，該能量轉換裝置33係一VMJ電池，且該能量轉換裝置部件332係該VMJ電池之電池接面。

該能量轉換裝置部件332係位於該第一末端接點334與該第二末端接點336之間。該金屬接點338係設置於該能量轉換裝置部件332之間。在本發明所揭示之另一實施例中，該金屬接點338係選自鋁、鐵 鎳鈷合金、銅或其他導電性金屬。

現請參考第28圖以及第30圖，一功率電晶體模組之透視圖以及波導管對齊一能量轉換裝置之剖面圖。在本發明所揭示之另一實施例中，一波導管37對齊於該能量轉換裝置33，藉此確保光能可均勻傳輸至該該能量轉換裝置33。一雷射源部件36用以提供充足光能至該能量轉換裝置33。該雷射源部件36係連接於該波導管37。該雷射源部件36包含：一光纖鏈路362；一雷射364。該光纖鏈路362係連接至該波導管37。該雷射364係耦合至該光纖鏈路362。因此，該雷射光W可透過該光纖鏈路362與該波導管37傳遞至該能量轉換裝置33。在本發明所揭示之另一實施例中，該波導管37可用以封裝該能量轉換裝置33。

現請參考第28圖以及第29圖，一功率電晶體模組之透視圖以及一能量轉換裝置之俯視圖。該第一鰭片F1與該第二鰭片F2係生成自該能量轉換裝置33之內側，且彼此相互間隔。在該實施例中，該第一鰭片F1與該第二鰭片F2係生成自不同金屬接點338，且與該第一末端接點334及該第二末端接點336相互間隔。此外，該能量轉換裝置33具有兩末端表面33S，而該第一鰭片F1與該第二鰭片F2分別突出於不同末端表面33S。

在該實施例中，該第一鰭片F1與該第二鰭片F2可視為共用接地鰭片，且該第一末端接點334與該第二末端接點336可視為一陽極。因此，該第一末端接點334與該第一鰭片F1可輸出一第一電壓V1。該第一末端接點334與該第二鰭片F2可 輸出一第二電壓V2。此外，該第二末端接點336與該第一鰭片F1可輸出一第三電壓V3。該第二末端接點336與該第二鰭片F2可輸出一第四電壓V4。以一10毫米x 5毫米面積之VMJ電池為例，該第一電壓V1、第二電壓V2、第三電壓V3以及第四電壓V4可分別為9.9V、6.6V、3.3V以及6.6V，其符合該閘極驅動器32所需之隔離電壓之要求。

在該功率電晶體模組30中，由於該能量轉換裝置33並未使用磁芯部件，故使用該能量轉換裝置33可達成低成本與輕量化等功效。

雖然本發明已以前述較佳實施例揭示，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與修改。如上述的解釋，都可以作各型式的修正與變化，而不會破壞此發明的精神。因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

Claims (24)

1. 一種能量轉換裝置，其係一垂直多接面電池，包含複數個能量轉換裝置部件，該些能量轉換裝置部件係該垂直多接面電池之電池接面，該能量轉換裝置與至少一鰭片形成電性連接，用於輸出多極電壓，而各該至少一鰭片係：[1]生成自該能量轉換裝置之內側；[2]生成自配置於該能量轉換裝置部件內之一金屬接點；以及[3]與該能量轉換裝置之一第一末端接點及一第二末端接點相互間隔。
2. 如申請專利範圍第1項所述之能量轉換裝置，其中該能量轉換裝置部件係多組堆疊，且所有該能量轉換裝置部件具有面向相同方向之正極充電端，或所有該能量轉換裝置部件具有背向該金屬接點之其他側面之正極充電端。
3. 如申請專利範圍第1項所述之能量轉換裝置，其中該能量轉換裝置部件背向該金屬接點之其他側面，其中該第一末端接點與該金屬接點間之接面數和該第二末端接點與該金屬接點間之接面數相等。
4. 如申請專利範圍第1項所述之能量轉換裝置，其中該能量轉換裝置透過該至少一鰭片執行熱傳遞。
5. 如申請專利範圍第1項所述之能量轉換裝置，其中該至少一鰭片係一共用接地鰭片，其透過背向該能量轉換裝置部件之其他側面之該至少一鰭片執行運作。
6. 如申請專利範圍第5項所述之能量轉換裝置，其中該第一 末端接點與該共用接地鰭片輸出一第一電壓，且該第二末端接點與該共用接地鰭片輸出一第二電壓。
7. 如申請專利範圍第6項所述之能量轉換裝置，其中該第一末端接點與該共用接地鰭片之間具有一距離，且該第一電壓與該距離具有一正比關係。
8. 如申請專利範圍第6項所述之能量轉換裝置，其中該第一末端接點與該共用接地鰭片之間具有一距離，且該第二電壓與該距離具有一反比關係。
9. 如申請專利範圍第1項所述之能量轉換裝置，其中該能量轉換裝置與一第一鰭片及一第二鰭片形成電性連接。
10. 如申請專利範圍第9項所述之能量轉換裝置，其中該第一末端接點與該第一鰭片輸出一第一電壓，該第二末端與該第二鰭片輸出一第二電壓，且該第一鰭片與該第二鰭片輸出一第三電壓。
11. 如申請專利範圍第10項所述之能量轉換裝置，其中該第一末端接點與該第一鰭片之間具有一距離，且該第一電壓與該距離具有一正比關係。
12. 如申請專利範圍第10項所述之能量轉換裝置，其中該第一末端接點與該第一鰭片之間具有一距離，且該第二電壓與該第三電壓之總和與該距離具有一反比關係。
13. 如申請專利範圍第1項所述之能量轉換裝置，其中一高功率雷射作為該垂直多接面(Vertical Multijunction，VMJ)電池之光源。
14. 如申請專利範圍第1項所述之能量轉換裝置，其中該金屬 接點係選自鋁、鐵鎳鈷合金、銅或其他導電性金屬。
15. 如申請專利範圍第1項所述之能量轉換裝置，其中該能量轉換裝置具有一末端表面，且該至少一鰭片突出於該末端表面。
16. 如申請專利範圍第1項所述之能量轉換裝置，其中該能量轉換裝置具有一頂層表面，且該至少一鰭片突出於該頂層表面。
17. 如申請專利範圍第1項所述之能量轉換裝置，其中該能量轉換裝置具有一底層表面，且該至少一鰭片突出於該底層表面。
18. 一功率電晶體模組，其包括：至少一電晶體；一閘極驅動器，配置為驅動該至少一電晶體；以及該能量轉換裝置係根據申請專利範圍第1項所述，配置為提供隔離電壓至該閘極驅動器。
19. 如申請專利範圍第18項所述之功率電晶體模組，其中該至少一電晶體係一絕緣閘雙極性電晶體(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)或一金屬氧化物半導體場效電晶體(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor，MOSFET)。
20. 如申請專利範圍第18項所述之功率電晶體模組，其亦包括一散熱器，其中該至少一電晶體與該能量轉換裝置係設置於該散熱器之上。
21. 如申請專利範圍第20項所述之功率電晶體模組，其亦包括 一熱接面材料，且該熱接面材料設置於該能量轉換裝置與該散熱器之間。
22. 如申請專利範圍第18項所述之功率電晶體模組，其亦包括一波導管，且該波導管對齊於該能量轉換裝置。
23. 如申請專利範圍第22項所述之功率電晶體模組，其亦包括一雷射源部件，且該雷射源部件係連接於該波導管。
24. 如申請專利範圍第23項所述之功率電晶體模組，其中該雷射源部件包含一光纖鏈路與一雷射，且該光纖鏈路係連接至該波導管，而該雷射係耦合至該光纖鏈路。