专利名称：一种电力电子装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电力电子装置，其包括一个或多个半导体部件和用于冷却该半导 体部件的换热器。另外，本发明涉及一种用于对一个或多个半导体部件提供冷却布置的方 法。另外，本发明涉及电转换器装置。
背景技术：
在典型的电力电子系统中，诸如分离的或集成的半导体器件、电感、电阻、电容及 母线(bus-bar)等电力电子部件以较近距离组装。在工作期间，这些部件的散热量不同。此 外，这些部件能够容忍的温度不同。电力电子系统周围的环境条件根据空气的温度、湿度， 灰尘及化学物质的含量也在变化。电力电子系统的热管理和整合理念除了考虑电力电子系 统的电性能外，还需要考虑所有这些突出的因素。所公开的US2007/0133175披露了一种适合于散出来自电子器件的热量的散热装 置，该电子器件例如集成电路(IC)、半导体部件、或包括两个或多个半导体部件的模块。该 散热装置包括用于接触电子器件的基板以吸收来自电子器件的热。该散热装置还包括散热 组件，其提供了彼此相互交叉的两个散热片组，并限定了多个空气通道。该散热装置还包括 被布置用以连接散热组件和基板的热管，以把热量从基板传送到散热组件。该散热装置可 以还包括在散热组件的外表面上的一个或多个附加热沉元件。该散热装置的基板和要冷却 的电子器件的外壳相接触。因此，尤其是在强负载情况下，即使以上所述的散热装置能够将 基板保持在相对适中的温度，在电子器件内部仍呈现出相当大的温度梯度。因此，在一些情 况下，尽管基板处于相对适中的温度，但电子器件内的某些点(例如“热点”)会变得相对 热。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供新的电力电子装置。根据本发明的电力电子装置包 括一个或多个半导体部件，换热器，其包括用于工作流体的至少一个蒸发通道和用于该工作流体的至少一个 冷凝通道，和导电元件，其中导电元件包括提供到蒸发通道的壁的外表面的热接触的接触面，用以把热量 从导电元件传送到蒸发通道，并且该一个或多个半导体部件中每一个的主电流端接合于该 导电元件。当每一个半导体部件的主电流端直接接合于布置为用换热器冷却的导电元件时， 在半导体部件的作用部分和以上所提到的导电元件之间的热阻抗可以很小。所以，在半导 体部件内的温度梯度可以保持适中，从而能够限制半导体部件内的温度。主电流端例如可 以但不必需是绝缘栅双极晶体管的集电极、二极管的阴极、晶闸管的阴极、或栅极可关断晶闸管的阴极。可以通过任何适合的连接方法将主电流端接合于导电元件，例如通过钎焊或
烧结方法。根据本发明的第二方面，提供一种用于给一个或多个半导体部件提供冷却布置的 新方法。根据本发明的方法包括提供用于工作流体的至少一个蒸发通道和用于工作流体的至少一个冷凝通道，和提供从导电元件到蒸发通道的壁的外表面的热接触，用于将热从导电元件传送到 蒸发通道，以及将每一半导体部件的主电流端接合于导电元件。根据本发明的第三方面，提供一种新的电转换器装置。该电转换器装置包括根据 本发明的至少一个电力电子装置，并且电力电子装置的导电元件构成该电转换器装置的干 流电路的一部分。该电转换器装置例如可以但不必需是反相器、整流器和/或频率转换器。在所附从属权利要求中描述了本发明的多个示例实施例。结合附图阅读以下特定示例实施例的描述，可以最好地理解在结构、操作方法方 面的本发明的多个实施例以及其附加的目标和优点。术语“包括”用在此处是开放性限制，并不排除也不要求还未记载特征的存在。在 从属权利要求中引用的特征除非另外明确指示否则可以相互自由组合。
现在参考以下附图结合例子详细解释本发明的示例实施例及其益处，其中图Ia示出根据本发明的实施例的电力电子布置的侧视图；图Ib示出图Ia中所示的电力电子布置的另一侧视图，图Ib所示的侧视图为沿图 Ia中示出的方向B所看到的图；图Ic示出图Ia中所示电力电子布置的剖视图，该剖面沿着图Ia的线A-A获得；图2示出根据本发明的实施例的电力电子布置的侧视图；图3a示出根据本发明实施例的电转换器装置；图3b示出图3a中所示电转换器装置的细节的剖面图；图4a示出根据本发明实施例的电转换器装置；图4b示出图4a中所示电转换器装置的细节的剖面图；以及图5是根据本发明实施例的给一个或多个半导体部件提供冷却布置的方法的流 程图。
具体实施例方式图Ia示出根据本发明实施例的电力电子布置的侧视图并且图Ib示出图Ia中所 示电力电子布置的另一侧视图。从图Ia所示的方向B看到的是图Ib所示的侧视图。图 Ic示出图Ia中所示电力电子布置的剖视图，其中该剖面沿着图Ia的线A-A获得。电力电 子布置包括半导体器件101、102、103、104、105、106、107和108，导电元件109和113，以及 换热器110。导电元件109和113例如可以但不必需是铜或铝。换热器包括用于工作流体 的蒸发通道111和用于该工作流体的冷凝通道112，参见图lc。导电元件109包括被布置 为提供与蒸发通道111的壁的外表面热接触的接触面，以把热量从导电元件109传送到蒸发通道。换热器采用回路型热虹吸原理工作。因此不需要泵吸单元。图Ia中闭合的虚线 120示意了该工作流体的循环过程。该工作流体可以是任意合适的制冷液，例如但不必须 为R134a、R245fa、R365mfc、R600a、二氧化碳、甲醇或氨水。在图Ia至图Ic所示的本发明 实施例中，蒸发通道和冷凝通道采用管道114形成，其中每一管道为平面管，该管具有平面 侧壁以及在该侧壁之间的内壁。在该管道末端的管116构成分配总管。然而，应当注意，蒸 发和冷凝通道可形成很多不同的机械结构。例如，每一蒸发通道可以是分离的管，该分离的 管被连接到分配总管或连接到将蒸发和冷凝通道的末端互连的其他末端结构。相应地，每 一冷凝通道可以是分离的管，该分离的管被连接到分配总管或连接到将蒸发和冷凝通道的 末端互连的其他末端结构。换热器110还可以包括冷凝通道的壁的一部分外表面上的冷却 片115和/或蒸发通道的壁的一部分外表面上的加热片(未示出)。将每一个半导体部件101-108的第一主电流端接合到导电元件109，且将每一个 半导体部件的第二主电流端接合到另一导电元件113，以使半导体部件夹在导电元件109 和113之间，如图Ia和Ic所示意。因此，每一半导体部件的作用部分直接接合于被布置为 用换热器110冷却的导电元件109。所以，在半导体部件101-108内的温度梯度可以保持适 中，从而限制了半导体部件内的温度。可以通过任何适合的连接方法将半导体部件的主电流端接合于导电元件109和 113，例如通过钎焊或烧结方法。主电流端是在相关半导体部件的表面上的一块区域，而接 合可以是在主电流端和导电元件109或113之间的一层导电的粘附材料，如焊料或烧结材 料。如果导电元件由铝制成，可以使用诸如Sn-Zn(熔点199°C)或Zn-Al (熔点382°C )的 焊料借助活性焊剂将主电流端焊接到铝上，其中活性焊剂去除掉氧化物并促进浸润。如果 使用标准软焊料(Pb-Sn)，则需要Cu金属化、Ni/Cu金属化或Ni/Cu/Au金属化。对于Ag烧 结需要Ni/Ag或Ni/Cu/Au镀，其可以用例如包括IOOnm Cr、200nm Ni和3 μ m Ag的烧结材 料制作。铝和硅的CTE(温度膨胀系数)差异很大，因此优选地将诸如钼的导电且导热的材 料放在主电流端和导电元件之间以增强可靠性。钼具有适中的在硅和铝之间的CTE。然而 钼必须在高温下钎焊到铝上用以具有良好的机械性能，否则在Mo/Al界面处会有可靠性问 题。充当CTE匹配过渡材料的其他材料例如可以是Al基MMC (金属基复合材料，例如Al石 墨，甚至AlSiC)。以上所描述的这种接合技术在主电流端和导电元件之间提供了良好热接 触。在导电元件109和113之间且围绕半导体部件的空隙可以用诸如塑料或树脂的电绝缘 封装材料填充。每一个半导体部件101-108例如可以但不必需是以下中的一种绝缘栅双极晶体 管(IGBT)、场效应晶体管(FET)、栅极可关断晶闸管(GTO)、晶闸管或二极管。接合于元件 109的第一主电流端例如可以但不必需是绝缘栅双极晶体管(IGBT)的集电极、二极管的阴 极、晶闸管的阴极、栅极可关断晶闸管(GTO)的阴极或场效应晶体管(FET)的漏极。接合于 元件113的第二主电流端例如可以但不必需是绝缘栅双极晶体管(IGBT)的发射极、二极管 的阳极、晶闸管的阳极、栅极可关断晶闸管(GTO)的阳极或场效应晶体管(FET)的源极。在根据本发明实施例的电力电子布置中，半导体部件101-104为绝缘栅双极晶体 管(IGBT)，其集电极接合于导电元件109且其发射极接合于导电元件113，而半导体部件 105-106为与IGBT反平行的二极管。在根据本发明实施例的电力电子布置中，导电元件109还可以用作用于布置导线的机械支撑元件，该导线用于半导体部件的控制信号。在图Ib中，用虚线描绘的长方形181 和182表示导线结构，该导线结构用于布置在电力电子布置的控制端180和半导体部件 101、102、103和104的控制端之间的导线。该导线结构可以由诸如直接敷铜(DCB)基板材 料制成，如氧化铝基板材料。例如，在根据本发明实施例的布置中，控制端180的中间引脚 连接于IGBT的栅极，在侧边的另外两个引脚连接到IGBT的发射极和集电极，用于栅驱动型 电路使用。图2示出根据本发明的实施例的电力电子布置的剖面图。此剖面以与图Ic所示的 剖面相似方式获得。该电力电子布置包括半导体部件202、203和207，导电元件209和换热 器210。换热器包括用于工作流体的蒸发通道211和用于该工作流体的冷凝通道212。导 电元件209包括布置为提供与蒸发通道的壁的外表面热接触的接触面，以把热量从导电元 件209传送到蒸发通道211。每一个半导体部件的第一主电流端接合于导电元件209。每 一个半导体部件的第二主电流端经接合线217接合于连接端219。区域218由诸如塑料或 树脂的电绝缘封装材料填充。根据本发明的实施例的电转换器装置包括至少一个根据本发明实施例的电力电 子布置。该电转换器装置例如可以但不必需是反相器、整流器和/或频率转换器。图3a示 出根据本发明实施例的电转换器装置。电转换器装置包括电端子351和电端子352，电端子 351用于将电转换器装置连接到交变电压网络(未示)，电端子352用于将电转换器装置连 接到负载(未示)，例如可以为感应电动机。电转换器装置包括例如可以是整流器的转换器 单元353，其布置为将能量从交变电压网络传送到电转换器装置的中间电路376。转换器单 元353也可以是这样的装置该装置不仅能够从交变电压网络传送能量到中间电路376，还 可以从中间电路传送能量返回到交变电压网络。电转换器装置包括反相桥接器354，其可以从中间电路376传送能量到负载，并且 还可以从负载传送能量到中间电路。反相桥接器的干路包括连接到中间电路的母线355和 356和连接到电端子352的不同的相的母线357、358和359。反相桥接器的干路包括压在 图3a中所示母线355-359之间的电力电子布置360、361、362、363、364和365。每一个电力 电子布置360-365包括一个或多个半导体部件，第一导电元件，第二导电元件，以及换热器，其包括用于工作流体的至少一个蒸发通道和用于该工作流体的至少一个 冷凝通道，其中第一导电元件包括提供与蒸发通道的壁的外表面的热接触的接触面，以把热 量从第一导电元件传送到蒸发通道，该一个或多个半导体部件中每一个的第一主电流端接 合于第一导电元件，且该一个或多个半导体部件中每一个的第二主电流端接合于第二导电 元件，使得该一个或多个半导体部件夹在该第一和第二导电元件之间。因为电力电子布置360-365的换热器采用回路型热虹吸原理工作，因此不需要泵 吸单元，从而换热器处于相对地的电势上使得即使有也基本不会使电转换器装置的电机械 设计复杂化。电力电子布置360-365可以是例如按照在图la、图Ib和Ic中和涉及图la、图Ib和Ic的文本段落中所描述的情况。电力电子布置360-365的第一和第二导电元件的外表 面压靠于母线355-359。这在针对电力电子布置360和363的图3b中示意出。图3b中以 剖面图描述电力电子布置360和363，与图Ic中示出的剖面图类似。附图标记311表示电 力电子布置360的其中一个蒸发通道。每一个电力电子布置360-365的半导体部件可以包 括例如一个或者多个绝缘栅双极晶体管(IGBT)和与IGBT反平行的一个或者多个二极管。当电转换器装置在其正常工作位置时，水平面与电力电子布置360-365的蒸发和 冷凝通道间的角度优选至少为45度。该角度例如可以是大约90度，即蒸发和冷凝通道处 于基本上垂直的位置。图3b中，坐标系统399的xy平面表示水平面。箭头370表示冷却 空气或其他合适的冷却流体可能的流动方向。蒸发和冷凝通道在坐标系统399中ζ方向 上的长度优选大于第一和第二导电元件，其中半导体部件被夹在这第一和第二导电元件之 间。因此可以将冷却空气导向冷凝通道的壁。图4a示出根据本发明另一个实施例的电转换器装置。电转换器装置包括电端子 451和电端子452，电端子451用于将电转换器装置连接到交变电压网络(未示)，电端子 452用于将电转换器装置连接到例如可以是感应电动机的负载(未示)。电转换器装置包 括例如可以是整流器的转换器单元453，其布置为将能量从交变电压网络传送到电转换器 装置的中间电路476。转换器单元453也可以是这样的装置该装置不仅能够从交变电压 网络传送能量到中间电路476，还可以从中间电路传送能量返回到交变电压网络。电转换器装置包括反相桥接器454，其可以从中间电路476传送能量到负载，并且 还可以从负载传送能量到中间电路。反相桥接器的干路包括连接到中间电路的母线455、 456、466、467、468和469和连接到电端子452的不同的相的母线457,458和459。反相桥 接器的干路包括压在图4a中所示母线之间的电力电子布置460、461、462、463、464和465。 每一个电力电子布置可以是例如按照在图la、图Ib和Ic中和涉及图la、图Ib和Ic的文 本段落中所描述的情况。电力电子布置460-465的第一和第二导电元件的外表面压靠于母 线。这在针对电力电子布置460和463的图4b中示意出。图4b中以剖面图描述电力电子 布置460和463，与图Ic中示出的剖面图类似。参考数字411表示电力电子布置460的其 中一个蒸发通道。每一个电力电子布置460-465的半导体部件可以包括例如一个或者多个 绝缘栅双极晶体管(IGBT)和与IGBT反平行的一个或者多个二极管。当电转换器装置在其正常工作位置时，水平面与电力电子布置460-465的蒸发和 冷凝通道间的角度优选至少为45度。该角度例如可以是大约90度，即蒸发和冷凝通道处 于基本上垂直的位置。图4b中，坐标系统499的xy平面表示水平面。箭头470表示冷却 空气或其他合适的冷却流体可能的流动方向。图3a、3b、4a和4b描述了电转换器装置，其中每一电力电子布置被压在直流电压 中间电路的母线和交流电压端的母线之间。然而，在根据本发明不同实施例的电转换器装 置中，可以具有不同的机械构造。例如，采用根据在图2中所描述的电力电子布置将得到不 同机械构造。图5是根据本发明实施例的给一个或多个半导体部件提供冷却布置的方法的流 程图。该方法包括在方法步骤501，提供用于工作流体的至少一个蒸发通道和用于该工作流体的至 少一个冷凝通道，
在方法步骤502，提供从导电元件到蒸发通道的壁的外表面的热接触，用于将热从 导电元件传送到蒸发通道，以及在方法步骤503，将每一半导体部件的主电流端接合于导电元件。根据本发明实施例的方法还包括将每一半导体部件的另一主电流端接合于另一 导电元件，使得该一个或多个半导体部件夹在导电元件和另一导电元件之间。根据本发明另一实施例的方法还包括将接合线连接到每一半导体部件的另一主 电流端。根据本发明实施例的方法包括放置至少一个蒸发通道，使得水平面和该至少一个 蒸发通道之间的角度至少为45度。根据本发明实施例的方法包括放置至少一个蒸发通道，使得水平面和该至少一个 蒸发通道之间的角度基本上为90度。在根据本发明实施例的方法中，每一个半导体部件是以下中的一种绝缘栅极双 极型晶体管(IGBT)、场效应晶体管(FET)、栅极可关断晶闸管(GTO)、晶闸管、二极管。在根据本发明实施例的方法中，一个或者多个半导体部件包括一个或者多个绝缘 栅双极晶体管(IGBT)。每一绝缘栅双极晶体管的集电极表示该绝缘栅双极晶体管的主电流 端，且每一绝缘栅双极晶体管的发射极表示该绝缘栅双极晶体管的另一主电流端。一个或 者多个半导体部件还可以包括和一个或者多个IGBT反平行的一个或者多个二极管。上述给定描述中提供的特定例子不应该被解释为是限制。从而，本发明不仅仅限 于上述实施例，还可以有多种变型。
权利要求
1.一种电力电子装置，包括一个或多个半导体部件(101-108、202、203、207)，换热器(110、210)，其包括用于工作流体的至少一个蒸发通道(111、211)和用于工作 流体的至少一个冷凝通道(112、212)，和导电元件(109、209)，包括提供到蒸发通道的壁的外表面的热接触的接触面，用于将热 量从导电元件传送到蒸发通道，其特征在于，该一个或多个半导体部件中每一个的主电流端被接合到该导电元件。
2.根据权利要求1的电力电子装置，其中电力电子装置还包括另一导电元件(113)，并 且其中一个或多个该半导体部件中每一个的另一主电流端被接合于另一导电元件，使得一 个或多个该半导体部件中的每一个夹在该导电元件和另一导电元件之间。
3.根据权利要求1的电力电子装置，其中电力电子装置还包括一条或多条接合线 017)，其中每一条被连接到一个或多个半导体部件中的一个半导体部件的另一个主电流 端。
4.根据权利要求1至3中任一项的电力电子装置，其中用至少一个管道(114、214)形 成至少一个蒸发通道(111，211)和至少一个冷凝通道(112，212)，每一个管道包括外壁和 至少一个内壁。
5.根据权利要求1至4中任一项的电力电子装置，其中每一个半导体部件是以下中的 一种绝缘栅极双极型晶体管(IGBT)、场效应晶体管(FET)、栅极可关断晶闸管(GTO)、晶闸管、二极管。
6.根据权利要求2至4中任一项的电力电子装置，其中一个或多个半导体部件包括一 个或多个绝缘栅双极晶体管(IGBT)，每一绝缘栅双极晶体管的集电极表示该绝缘栅双极晶 体管的主电流端，且每一绝缘栅双极晶体管的发射极表示该绝缘栅双极晶体管的另一主电 流端。
7.根据权利要求6的电力电子装置，其中一个或者多个半导体部件还包括和一个或多 个绝缘栅双极晶体管反平行的一个或者多个二极管。
8.一种电转换器装置，其特征在于，该电转换器装置包括至少一个根据权利要求1的 电力电子装置(360-365，460-465)，并且该电力电子装置的导电元件构成该电转换器装置 的干流电路的一部分。
9.根据权利要求8的电转换器装置，其中当电转换器装置在其工作位置时，水平面与 电力电子装置的至少一个蒸发通道(311，411)之间的角度至少为45度。
10.根据权利要求9的电转换器装置，其中该角度基本上为90度。
11.根据权利要求8的电转换器装置，其中电转换器装置包括直流电压中间电路(376， 476)和交流电压端(352，452)，每一电力电子装置被压在该直流电压中间电路的母线 (355，356，455，456，466-469)和该交流电压端的母线(357-359，457-459)之间。
12.一种用于给一个或多个半导体部件提供冷却布置的方法，该方法包括步骤(501)提供用于工作流体的至少一个蒸发通道和用于工作流体的至少一个冷凝 通道，禾口步骤(502)提供从导电元件到蒸发通道的壁的外表面的热接触，用于将热从导电元 件传送到蒸发通道，其特征在于，该方法还包括步骤(50 ，将每一半导体部件的主电流端接合于导电元件。
13.根据权利要求12的方法，其中该方法还包括将每一半导体部件的另一主电流端接 合于另一导电元件，使得该一个或多个半导体部件夹在导电元件和另一导电元件之间。
14.根据权利要求12的方法，其中该方法还包括将接合线连接到每一半导体部件的另一主电流端.
15.根据权利要求12至14中任一项的方法，其中该方法包括放置至少一个蒸发通道， 使得水平面和该至少一个蒸发通道之间的角度至少为45度。
全文摘要
提供一种电力电子布置，包括半导体部件(102，103，107)、换热器(110)和导电元件(109)。换热器包括用于工作流体的蒸发通道(111)和冷凝通道(112)。导电元件包括提供与蒸发通道的壁的外表面的热接触的接触面，以把热量从导电元件传送到蒸发通道。每一半导体部件的主电流端被接合到导电元件，从而导电元件形成电力系统的干流电路的一部分。因为主电流端直接接合到利用换热器冷却的导电元件，半导体部件内部的温度梯度可以保持适中，从而能够限制了半导体部件内的温度。
文档编号H01L21/50GK102034774SQ20101050174
公开日2011年4月27日 申请日期2010年9月29日 优先权日2009年10月2日
发明者B·耶森, B·阿格斯提尼, C·哈德利, F·阿格斯提尼, H·杜翰, S·科森, 柳春雷 申请人:Abb研究公司