专利名称：电子功率模块和包括多个所述模块的电子功率系统的制作方法
在电子功率模块中，必须冷却在高电位下的电子功率元件。
术语“电子功率元件”包括单独的元件，即半导体芯片，例如，硅芯片。
一种常规的冷却方法包括把元件焊接到一个铜条上，铜条本身安装在AlN型或等效的电气绝缘陶瓷上，以便将高电位的元件和铜条与地电位的底板和冷却装置绝缘。
该复杂的多层结构良好地适用于电气绝缘功率元件，然而，用来制造多层结构的多种焊料、粘合剂、和油脂界面组合起来构成相当大的总热阻，该总热阻减小了该结构适用于除去来自功率元件的热量损失的能力。此外，电位越高，需要的介电陶瓷层越厚，不幸的是，已知陶瓷介电质不是良好的热导体。
找到低成本介电的良好热导体也非常困难。例如，金刚石满足技术要求，但其过高的购买价格使它不适于用于需要大面积、长时间生产的用途。
先有技术电力电子模块的另一个缺点在于，在多模块构造中的其人机控制较差。就是说，现存的模块不具有用来容易地进行模块间连接以便建立多模块电子功率系统的简单装置。
本发明的一个目的在于提出一种电子功率模块，其中所用的介电材料在任何方面都不用作用来传送热量的介面，而热传导材料不完成任何电气绝缘功能。
本发明的另一个目的在于，提出了改进人机控制的用来制造多模块系统的模块。
为此，本发明提供了一种电子功率模块，该功率模块包括电子功率元件，每个带有至少一个接触表面；控制连接件，用来把元件连接到一个控制模块上；功率连接件，用来在元件和/或其他模块之间传送功率；及至少一个金属热交换器，用来除去消耗在电子功率元件中的热功率。根据本发明，所述电子功率元件的接触表面直接安装或接合到金属热交换器上，金属热交换器与电子功率元件的接触表面具有相同的电位。
根据一个相关特征，电子功率元件和金属热交换器嵌在一种介电材料中。
有利的是，金属热交换器包括经其流动一种介电热传送流体的通道，所述通道经介电管路连接到一个用于介电流体的地电位的冷却器/循环器上。
在一个实施例中，控制连接件是独立的，并且与金属热交换器电气绝缘。
或者把控制连接件连接到一个并联于金属热交换器布置的控制汇流条上，或者把控制连接件安装在热交换器上并且通过一块介电板与其电气绝缘。
功率连接件可以直接连接到金属热交换器上。
在另一个实施例中，电子功率模块即包括一条独立于金属热交换器并定位到金属热交换器一侧的纵向功率连接汇流条，又包括一个插入在所述功率连接汇流条与所述金属热交换器之间的电气绝缘元件。
有利的是，控制连接件集成在所述插入的电气绝缘元件上。
在一个第三实施例中，电子功率元件直接安装在一个金属热交换器的两块板之间，每块板具有接触表面的电位，每块板构成热交换器的一个壁。
本发明还提供了一种包括上述多个电子功率模块的模块式电子功率系统。
本发明的主要优点之一在于提供一种电子功率模块，其中电气绝缘材料和热传导材料尽可能地彼此无关，以便防止电气绝缘材料的较差热传导性能对热量除去的阻碍，并且防止热传导材料的较差电气绝缘性能对电气绝缘的损坏。
本发明的另一个优点在于提供能容易地彼此相联建立电子功率系统，如模块式转换器的诸模块。
参照附图由如下给出的描述将明白本发明的其他优点和特征，在附图中
图1是构成本发明第一实施例的一种模块式电子系统的图。
图2是本发明模块式电子系统的第一实施例的一个变例的图。
图3是图1或2中所示的一个模块的纵向剖面。
图4是构成本发明第二实施例的一种模块式电子系统的图。
图5是本发明一种“双向开关”模块的图。
图6和图7分别是用于软开关设备的电路图、和实现图6电路的本发明的模块式电子系统的示意图。
图8和9表示图6的辅助电路的变例。
图10是构成本发明第三实施例的一种模块式电子系统的图。
图11是装有一个空气热交换器的本发明的一种模块的图。
图12是图11的细节XII的图。
在如下描述中，必须把术语“电子功率元件”理解为半导体芯片，例如，硅类型的芯片，或等效的芯片。
本发明的一种电子功率模块以常规的方式包括电子功率元件1，每个带有至少一个接触表面2；控制连接件4，用来把元件1连接到一个控制模块上；功率连接件5，用来在元件1和/或其他模块之间传送功率；及至少一个金属热交换器6，用来除去在所述电子功率元件1中通过焦尔效应消耗的功率。
构成热交换器的材料是金属。不过，它可以不是金属的其他材料制成，只要材料具有等效的电和热传导特性。
根据本发明，电子功率元件的接触表面2直接接合到金属热交换器6上，使金属热交换器6与电子功率元件1的接触表面2具有相同的电位。
结果，省去了在电子功率元件与热交换器之间的任何中间层(特别是陶瓷电介质)，由此减小了元件与热交换器之间的热阻。元件与热交换器之间的接合可以是任何已知类型的，或者可以把元件热压在金属热交换器6上。
金属热交换器6可以有利地包括经其流动一种介电热传送流体的通道8。这些通道8可以构成一个密闭回路，在该密闭回路中还提供了一个用于介电流体的冷却器/再循环器。
作为是电介质的一种可能热传送流体，必须包括水。在这种条件下，应该提供监视水的导电性的、并把导电性保持在希望值的设备。
至今由于冷却/再循环部分最好处于地电位，所以可以提供介电管路把高压通道8连接到接地的冷却器/和再循环器。
电子功率元件1和金属热交换器6嵌在一种介电材料7中，介电材料7用来将高压模块与其中设置电气机械的接地外壳电气绝缘。
在图1至3所示的实施例中，热交换器6包括由两个用来传送介电流体的纵向孔8贯通的一根金属汇流条。电子功率元件1直接安装在钻孔的金属汇流条上。
在图1所示的第一实施例中，模块也带有一根用于独立于热交换器6的控制目的的纵向金属汇流条9，在纵向金属汇流条9上连接有模块的电子功率元件1的控制连接件4。
该模块可以与一个或多个相同类型的模块相联，彼此并联地放置，每个带有它自己的独立控制汇流条9，使模块之间的功率连接件5直接连接到热交换器6上。
一旦零件已经装配和连接在一起，就把整个模块组件嵌在一种介电材料7中。
介电材料7可以是填充包含模块的一个介电壳体的一种介电凝胶。
如图3中所示，控制汇流条9和热交换器6带有贯通的电气连接件10，从而能供电和控制封装的模块。
图2表示第一实施例的一个变例，其中控制连接件4安装在热交换器6上，并且通过各自的介电板11与其绝缘。这种方案是可能的，因为来自控制连接件的热量损失实际上不存在(低电压)。
在本发明模块的另一个实施例中，如图4中所示，该模块包括一根独立于金属热交换器6的的纵向功率连接汇流条12，纵向功率连接汇流条12定位到金属热交换器6的一侧，并且电气连接到至少一个电子功率元件1的自由表面3上，该模块还带有插入在所述功率连接汇流条12与金属热交换器6之间的电气绝缘元件13。
在多模块布置中(图4)，纵向功率连接汇流条12的自由侧表面12a与前面模块的金属热交换器6的侧壁6a机械和电气地接触，由此在模块之间传递功率。多模块系统经两根彼此靠近且由一个介电垫片16隔开的平行供电线14和15供电，供电线14的一根放置得与两个端部模块之一的热交换器6的自由侧表面6a相接触，而另一根供电线15带有U形延伸部分17，并布置得与另一端部模块的纵向功率连接汇流条12的自由侧表面12a相接触。有利的是，可以提供中间供电线位于多模块系统的连续模块对之间。使平行供电线14和15相当地靠近在一起，来减小寄生电感和供电线中的焦尔效应损失。
有利的是，控制连接件4集成在插入的电气绝缘元件13上。如以前那样，多模块能嵌入在一种电介质中，该电介质用来将模块同处于地电位的机器零件绝缘。
本发明还提供了一种“双向开关”模块，如图5中所示。该模块带有两根独立于金属热交换器6、且布置在金属热交换器6的相对侧上的纵向功率连接汇流条12，一个电气绝缘元件13插入在每个功率连接汇流条12与金属热交换器6之间。
模块的电子功率元件1的自由表面3交替地连接到两个纵向功率连接汇流条12的一个和另一个上。
模块概念同样适用于一个或多个“双向开关”模块。
图6和图7分别是用于“软”类型开关的电路图、和其根据使用本发明模块的模块电路的具体实施图。
一种软开关设备首先包括一种其连接以实线表示的主开关电路，其次包括一种其连接在图6中以虚线表示的辅助电路。
辅助电路带有电感器30和开关31。辅助电路并联与在一个中点32与一个带电点33之间的主开关电路相连，该带电点位于一对主电路开关34、35之间。
除了上述模块外，图7的电路带有电感器模块41。这些电感器模块41的每一个包括一个在铁芯37上的电感器线圈36。
图7的电路带有一个用于本发明的简单开关模块42制成的主开关34、35的下一级38、和一个用于包括“双向开关”模块40与电感器模块41一起的辅助电路的上一级39。每个主开关34、35由两个简单开关模块42制成。
如图8和9中所示，辅助级能以各种方式实现。
图8表示一个带有“双向开关”模块40的实施例。
图9表示一个带有简单模块42的实施例。
在本发明多模块系统的另一个实施例中，如图10中所示，模块组织是基于一种板式热交换器的原理。
在这个实施例中，每个模块的电子功率元件1布置在金属热交换器的两块板6、6’之间并与其接触。模块彼此叠置并且彼此由介电垫片18绝缘，模块的每块金属板6、6’与下一个或前一个模块的面对金属板6、6’共同合作，留下一个用于介电热传送流体的流动的通道8。介电垫片18密封通道8。
用于热传送流体的流动的通道8由介电歧管19互连。
有利的是，热传送流体可以置于压力之下，以便对金属板6、6’施加接触压力，从而他们压紧电子功率元件1的接触表面2。
每块板6、6’超出介电垫片18伸出，以便构成功率连接件5。把控制连接件经模块的板间隙20供给到模块的电子功率元件1。
本发明的主要优点之一在于提供一种电子功率模块，其中提供电气绝缘的材料和提供热传导的材料尽可能地彼此无关，以便避免电气绝缘材料的较差热传导性能对热量除去的影响，并且避免热传导材料的较差电气绝缘性能对电气绝缘的影响。
本发明的另一个优点在于提供能容易地彼此相联形成电子功率系统，例如，模块式转换器的诸模块。
这些多模块系统的一个优点在于，能够既相对于作为每个单元模块安装的电子功率元件的数量的函数的电流、又相对于作为电子功率系统中有关单元模块的数量的函数的电压校准系统。
自然，本发明不限于描述和表示的实施或实施例，并且对于熟悉本专业的技术人员各种变更是可能的和可得到的，而不超越本发明。例如，能使用其他类型的热交换器。
金属热交换器可以是空气冷却式热交换器(见图11和12)。在这种情况下，热交换器在其背对着其上直接接合电子功率设备1的表面的表面上带有散热片50。气流在散热片50之间通过。从电子功率元件1到气流的热量传递首先包括通过直接传导从与电子功率元件1接触的表面到等电位热交换器的传递，然后包括通过对流从限定较大热交换面积的散热片50到气流的传递。
为了改进电气绝缘，散热片50可以通过布置在其上的一个介电涂层51电气绝缘。电气绝缘部分设置在较大的热交换面积上，结果不会恶化通过电子功率元件1与等电位金属热交换器之间的传导的热交换。
为了避免任何电荷累积在散热片50的涂层热交换面积上，一个导电层52可以有利地布置在介电涂层51上，所述导电层52连接到一个给定电位上。这个导电层52不受任何机械应力，并且由于它基本上不传送电流，所以能非常薄。
在另一个实施例(未表示)中，热交换器可以由一根热管构成。热管带有空心金属汽化室，电子功率元件1直接安装在其外表面上。该室具有与电子功率元件1的接触表面相同的电位。热管还带有一个冷凝室。
热管的工作本身是已知的，这里不再描述。
在一个实施例中，介电材料的一个空心绝缘中间部分插入在汽化室与冷凝室之间。
权利要求
1.一种电子功率模块，包括电子功率元件(1)，每个带有至少一个接触表面(2)；控制连接件(4)，用来把元件连接到一个控制模块上；功率连接件(5)，用来在元件和/或其他模块之间传送功率；及至少一个金属热交换器(6)，用来除去在所述电子功率元件(1)中通过焦尔效应消耗的功率，其特征在于所述电子功率元件(1)的接触表面(2)直接安装到金属热交换器(6)上，金属热交换器(6)与电子功率元件(1)的接触表面(2)具有相同的电位。
2.根据权利要求1所述的电子功率模块，其特征在于电子功率元件(1)和金属热交换器(6)嵌在一种介电材料(7)中。
3.根据权利要求1或2所述的电子功率模块，其特征在于金属热交换器(6)包括经其流动一种介电热传送流体的通道(8)，所述通道(8)经介电管路连接到一个用于介电流体的地电位的冷却器/再循环器上。
4.根据权利要求1或2所述的电子功率模块，其特征在于金属热交换器(6)是空气冷却式热交换器，该热交换器在其背对着其上直接接合电子功率元件(1)的表面的表面上带有散热片(50)，空气在散热片(50)之间流动。
5.根据权利要求4所述的电子功率模块，其特征在于散热片(50)通过布置在其上的一个介电涂层(51)电气绝缘。
6.根据权利要求5所述的电子功率模块，其特征在于涂层的散热片(50)还带有一个布置在介电涂层(51)上的导电层(52)，所述导电层(52)置于一个给定电位上。
7.根据权利要求1或2所述的电子功率模块，其特征在于金属热交换器(6)是一根热管，该热管包括一个电子功率元件(1)直接安装在其外表面上的空心金属汽化室、和介电材料的一个绝缘空心中间部分，所述汽化室具有与电子功率元件(1)的接触表面相同的电位，该绝缘空心中间部分把空心金属汽化室连接到一个冷凝室上。
8.根据权利要求1至7的任一项所述的电子功率模块，其特征在于控制连接件(4)是独立的，并且与金属热交换器(6)电气绝缘。
9.根据权利要求8所述的电子功率模块，其特征在于控制连接件(4)连接到一个并联于金属热交换器(6)布置的控制汇流条(9)上。
10.根据权利要求1至7的任一项所述的电子功率模块，其特征在于每个控制连接件(4)安装在热交换器(6)上，并且通过一块介电板(11)与热交换器(6)电气绝缘。
11.根据权利要求1至10的任一项所述的电子功率模块，其特征在于功率连接件(5)直接连接到金属热交换器(6)上。
12.根据权利要求1至10的任一项所述的电子功率模块，其特征在于它既包括一条独立于金属热交换器(6)并定位到金属热交换器(6)的一侧的纵向功率连接汇流条(12)，又包括一个插入在所述功率连接汇流条(12)与所述金属热交换器(6)之间的电气绝缘元件(13)。
13.根据权利要求1至10的任一项所述的电子功率模块，其特征在于它包括两条独立于金属热交换器(6)并定位到金属热交换器(6)任一侧的纵向功率连接汇流条(12)，一个电气绝缘元件(13)插入在每个功率连接汇流条(12)与金属热交换器(6)之间，该模块的电子功率元件(1)的自由表面(3)交替地连接到两个纵向功率连接汇流条(12)的一个和另一个上。
14.根据权利要求12或13所述的电子功率模块，其特征在于控制连接件(14)集成在所述插入的电气绝缘元件(13)上。
15.根据权利要求1或2所述的电子功率模块，其特征在于电子功率元件直接安装在一个金属热交换器的两块板(6、6’)之间，每块板(6、6’)具有接触表面(3)的电位，每块板(6、6’)构成一个热交换器的一个壁。
16.一种多模块电子功率系统，其特征在于它包括根据权利要求1至15的任一项的多个互连电子功率模块。
17.一种多模块电子功率系统，其特征在于它包括根据权利要求12至14的任一项的多个互连电子功率模块，一个模块的纵向功率连接汇流条(12)的自由侧表面(12a)机械和电气地与金属热交换器(6)的侧壁(6a)、或与前一模块的纵向功率连接汇流条(12)的自由侧表面(12a)相接触，由此保证在模块之间传送功率。
18.根据权利要求17所述的模块式电子功率系统，其特征在于它由两根彼此靠近且由一个介电垫片(16)隔开的平行供电线(14、15)供电，供电线(14)的一根布置得与两个端部模块之一的热交换器(6)的自由侧表面(6a)相接触，而另一根供电线(15)带有U形延伸部分(17)，并布置得与另一端部模块的纵向功率连接汇流条(12)的自由侧表面(12a)相接触。
19.根据权利要求17所述的模块式电子功率系统，其特征在于它还包括电感器模块(41)，每个电感器模块(41)包括一个绕一个铁芯(37)的电感器线圈(36)。
20.一种多模块电子功率系统，其特征在于它包括根据权利要求15的多个电子功率模块，诸模块彼此叠置，并且彼此由介电垫片(18)绝缘，一个模块的每块金属板(6、6’)与下一个或前一个模块的面对金属板(6、6’)共同合作，形成一个用于介电热传送流体的流动的通道(8)，用于热传送流体的流动的通道(8)经介电歧管(19)互连。
21.根据权利要求20所述的多模块电子功率系统，其特征在于每块板(6、6’)超出介电垫片(18)伸出，以便构成功率连接件(5)。
22.根据权利要求20或21所述的多模块电子功率系统，其特征在于控制连接件(4)经模块之间的板间隙(20)借助于电气绝缘的电线连接到一个模块的电子功率元件处。
全文摘要
本发明涉及一种电子功率模块,该电子功率模块包括:电子功率元件(1),每个带有至少一个接触表面(2);控制连接件(4),用来把元件连接到一个控制模块上;功率连接件(5),用来在元件和/或其他模块之间传送功率;及至少一个金属热交换器(6),用来除去在所述电子功率元件(1)中通过焦尔效应消耗的功率。根据本发明,所述电子功率元件(1)的接触表面(2)直接安装到金属热交换器(6)上,金属热交换器(6)与电子功率元件(1)的接触表面(2)具有相同的电位。
文档编号H01L23/473GK1208501SQ97191739
公开日1999年2月17日 申请日期1997年10月16日 优先权日1996年10月16日
发明者艾里克·兰奇, 阿兰·皮迪伯恩, 纳狄·布朗奎, 斯迪范·卡扎巴特, 帕思卡尔·埃斯特普, 索斐·克劳兹 申请人:阿尔卡塔尔-阿尔斯托姆通用电气公司