一种功率模块的制作方法

本发明涉及电力电子技术领域，具体涉及一种用于轨道交通的功率模块。

背景技术：

功率半导体器件广泛应用于轨道交通、工业变频等领域，但标准封装功率半导体器件仅具备开关管的功能，并且集成度不高。作为变流器核心部件之一的变流模块，则由标准封装功率半导体器件、散热器、低感母排，门极驱动器和结构件等构成，由于受到构造形式、器件布局和器件功能的限制，在功率密度、智能化和便捷应用等方面还存在诸多不完善的地方。

技术实现要素：

针对现有技术中所存在的上述技术问题的部分或者全部，本发明提出了一种功率模块。该功率模块集成度高，并且散热效果好。

根据本发明的一方面，提出了一种功率模块，包括：

散热器，

设置在散热器的至少两个侧面上的衬板单元，衬板单元具有衬板以及固定设置在衬板上的功率半导体芯片，

其中，衬板接触式设置在散热器的侧面上。

在一个实施例中，衬板单元设置在散热器的第一侧面和第二侧面上，并且第一侧面和第二侧面相对式分布。

在一个实施例中，在散热器的第一侧面和第二侧面中的一个的衬板单元上设置直流正铜排和交流铜排，在另一个的衬板单元上设置直流负铜排和交流铜排，并且直流正铜排和同一侧的交流铜排为部分叠式设置的板状，直流负铜排和同一侧的交流铜排为部分叠式设置的板状。

在一个实施例中，直流正铜排、直流负铜排和交流铜排均具有用于与衬板单元的导电层连接的引脚，并且，靠近衬板单元的直流正铜排或相同侧的交流铜排上设置有避让孔用于远离衬板单元的直流正铜排或相同侧的交流铜排上的引脚穿过，同时，靠近衬板单元的直流负铜排或相同侧的交流铜排上设置有避让孔用于远离衬板单元的直流负铜排或相同侧的交流铜排上的引脚穿过。

在一个实施例中，在散热器的第一端设置用于与直流正铜排连接的直流正电连接器、用于与直流负铜排连接的直流负电连接器和用于与交流铜排连接的交流电连接器，其中，直流正电连接器、直流负电连接器和交流电连接器构造为插拔式电接头。

在一个实施例中，在散热器的第一端设置冷却液入口和冷却液出口，并在冷却液入口和冷却液出口上设置插拔式管接头。

在一个实施例中，在散热器的第一端设置端壳，并且直流正电连接器、直流负电连接器、交流电连接器和插拔式管接头穿过端壳。

在一个实施例中，在散热器的第一侧面上设置第一壳体，并且第一壳体与端壳和散热器形成第一容纳腔，直流正铜排、位于散热器的第一侧面上的交流铜排和衬板单元位于第一容纳腔内，在散热器的第二侧面上设置第二壳体，并且第二壳体与端壳和散热器形成第二容纳腔，直流负铜排、位于散热器的第二侧面上的交流铜排和衬板单元位于第二容纳腔内。

在一个实施例中，在第一壳体和第二壳体的外侧均设置控制电路板，并且两侧的控制电路板电连接。

在一个实施例中，在第一壳体和第二壳体的外侧分别设置第三壳体和第四壳体，第三壳体与第一壳体形成用于容纳控制电路板的第三容纳腔，第四壳体与第二壳体形成用于容纳控制电路板的第四容纳腔。

在一个实施例中，在所述第一容纳腔和所述第二容纳腔中灌注有绝缘材料。

在一个实施例中，还包括与控制电路板信号连接的温度传感器，温度传感器能设置在衬板单元上。

在一个实施例中，还包括与控制电路板信号连接的电流传感器，电流传感器靠近交流电连接器。

在一个实施例中，还包括分别通过第三壳体和第四壳体并穿过端壳的螺杆，螺杆的一端延伸出端壳的第一端面。

根据本发明的另一方面，提出了一种功率模块，包括：

散热器，

衬板单元，所述衬板单元具有接触式设置在所述散热器的第一侧面上和第二侧面上的衬板以及固定设置在所述衬板上的功率半导体芯片，

设置在所述散热器的第一侧面和第二侧面中的一个的所述衬板单元上直流正铜排和交流铜排，设置在另一个的所述衬板单元上直流负铜排和交流铜排，所述直流正铜排、所述直流负铜排和所述交流铜排均与所述衬板单元的导电层电连接，

设置在所述散热器的第一端用于与所述直流正铜排连接的直流正电连接器、用于与所述直流负铜排连接的直流负电连接器和用于与所述交流铜排连接的交流电连接器，所述直流正电连接器、所述直流负电连接器和所述交流电连接器构造为插拔式电接头，

设置在所述散热器的第一端端壳，

在所述散热器的第一侧面上设置第一壳体，并且所述第一壳体与所述端壳和所述散热器形成第一容纳腔，所述直流正铜排、位于所述散热器的第一侧面上的所述交流铜排和所述衬板单元位于所述第一容纳腔内，在所述散热器的第二侧面上设置第二壳体，并且所述第二壳体与所述端壳和所述散热器形成第二容纳腔，所述直流负铜排、位于所述散热器的第二侧面上的所述交流铜排和所述衬板单元位于所述第二容纳腔内，

设置在所述第一壳体和所述第二壳体的外侧的控制电路板，并且两侧的所述控制电路板电连接，

与所述控制电路板信号连接的电流传感器，所述电流传感器靠近所述交流电连接器，

与所述控制电路板信号连接的温度传感器，所述温度传感器能设置在所述衬板单元上。

与现有技术相比，本发明的优点在于，通过将衬板接触式设置在散热器的侧面上，降低了功率半导体芯片与散热器之间的热阻，提高了该功率模块的散热效率。同时，在散热器的至少两个侧面上均设置衬板单元，则有助于减少功率模块的体积和重量。

附图说明

下面将结合附图来对本发明的优选实施例进行详细地描述，在图中：

图1显示了根据本发明的功率模块的爆炸图；

图2显示了根据本发明的功率模块的立体图；

在附图中，相同的部件使用相同的附图标记，附图并未按照实际的比例绘制。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步说明。

图1显示了根据本发明的功率模块100的爆炸图。如图1所示，功率模块100包括散热器1和衬板单元2。其中，衬板单元2具有衬板21以及固定设置在衬板21上的功率半导体芯片22。在散热器1的至少两个侧面上均设置有衬板单元2。

该功率模块100的衬板21直接设置在散热器1上，而避免使用标准封装功率半导体器件的基板。通过这种设置有利于降低热阻。同时，这种布置方式使得功率模块100的结构更紧凑，有助于降低功率模块100的体积和重量。另外，在散热器1的至少两个侧面上设置有衬板单元2，可以增加散热器1的利用面积，进一步提高功率模块的功率密度。

在一个优选的实施例中，衬板单元2设置在散热器1的两个侧面上，并且此两个侧面相对式分布。需要说明的是，为了描述方便，此两个侧面定义为“第一侧面”和“第二侧面”。

为了提高散热器1的空间利用率，散热器1的主体为矩形盒状。在本申请中，以图1中的散热器1的上表面为第一侧面，而下表面为第二侧面为例进行阐述。需要再次说明的是，衬板单元2可设置在散热器1的多个表面上，而设置有衬板单元2的散热器1的表面也不限于相对式分布。

优选地，衬板21可以采用焊接的方式直接固定在散热器1的第一侧面和第二侧面上。而功率半导体芯片22也可以通过焊接的方式设置在衬板21上。这种连接结构简单，并更好地将功率半导体芯片22产生的热量传递到散热器1上。

优选地，衬板单元2在散热器1的第一侧面和第二侧面上均呈矩阵式分布。通过这种方式使得衬板单元2紧密排列，优化功率模块100的结构，有助于减小功率模块100的体积并提高其功率密度。

在散热器1的第一侧面上设置直流正铜排37和交流铜排39，并且直流正铜排37和交流铜排39设置于衬板单元2的外侧，并与衬板单元2之间电能传输。直流正铜排37和交流铜排39为均构造为板状，两者在如图1所示的上下方向上部分重叠。在两者之间以及最外侧设置绝缘层(图中未示出)。同理地，在散热器1的第二侧面上设置直流负铜排38和交流铜排39，并且直流负铜排38和交流铜排39设置于衬板单元2的外侧，并与衬板单元2之间电能传输。直流负铜排38和同一侧的交流铜排39为均构造为板状，两者在如图1所示的上下方向上部分重叠，在两者之间以及最外侧设置绝缘层(图中未示出)。并且直流负铜排38相对于交流铜排39远离衬板单元2。需要说明的是，直流正铜排37和交流铜排39，直流负铜排38和交流铜排39之间的结构关系可以根据实际情况而选择。也就是，本申请并不限定直流正铜排37和交流铜排39，直流负铜排38和交流铜排39的相对上下位置关系。

在一个实施例中，直流正铜排37、直流负铜排38和交流铜排39均具有引脚41，用于与衬板单元2的导电层连接以实现电传输。例如，直流正铜排37远离衬板单元2，而同一侧的交流铜排39靠近衬板单元2，也就是，直流正铜排37在交流铜排39之上。为了实现直流正铜排37的引脚41能与衬板单元2的导电层接触，在交流铜排39上设置有避让孔36，以用于直流正铜排的引脚41穿过。在散热器1的第二侧面方向上，直流负铜排38和交流铜排39的位置和连接关系与直流正铜排37和交流铜排39的位置和连接关系相同或近似，在此不再赘述。

在散热器1的第一端设置直流正电连接器32，以与直流正铜排37连接。同时，在散热器1的第一端设置直流负电连接器33，以与直流负铜排38连接。并且，在交流铜排39的第一端设置用于与交流铜排39连接的交流电连接器35。直流正电连接器32、直流负电连接器33和交流电连接器35均构造为插拔式电接头，以用于快速连接。优选地，如图1所示，直流正电连接器32包括至少两个相对式间隔设置的弹片30。另外，直流负电连接器33和交流电连接器35也同样可以设置为包括至少两个相对式间隔设置的弹片30。通过将直流正电连接器32、直流负电连接器33和交流电连接器35构造为这种插拔式接头可以将功率模块100顺利并简单地与系统快速插拔连接。

直流正电连接器32与直流正铜排37可为一体化制造，也可以为分体式结构。在分体式制造过程中，可以通过焊接、铆接或者螺栓等连接方式固定。同理地，直流负电连接器33与直流负铜排38可为一体化制造，也可以为分体式结构，并通过焊接、铆接或者螺栓等连接方式固定。交流电连接器35与交流铜排39可为一体化制造，也可以为分体式结构，并通过焊接、铆接或者螺栓等连接方式固定。

在散热器1的第一端设置冷却液入口13和冷却液出口(图中未示出)，以用于与外部冷却液系统连接，对功率模块100的衬板单元2等发热部件散热。并且，在冷却液入口13和冷却液出口上均设置插拔式管接头15。通过这种设置可以很容易地将此功率模块100与外部冷却液系统连接。另外，此插拔式管接头15与直流正电连接器32、直流负电连接器33和交流电连接器35均设置在散热器1的同一端，可通过盲插形式实现电气与冷却液连接，极大提高了安装便捷性。

在散热器1的第一端设置端壳70，以用于限定直流正电连接器32、直流负电连接器33、交流电连接器35和插拔式管接头15的位置。具体地，直流正电连接器32、直流负电连接器33、交流电连接器35和插拔式管接头15均穿过端壳70，以与外界电气与冷却液连接。优选地，端壳70由塑料等绝缘材料制成，起到了绝缘作用。

在散热器1的第一侧面上设置第一壳体73，并且第一壳体73与端壳70和散热器1形成第一容纳腔。直流正铜排37，以及位于散热器1的第一侧面上的交流铜排39和衬板单元2位于第一容纳腔内。同理地，在散热器1的第二侧面上设置第二壳体71，并且第二壳体71与端壳70和散热器1形成第二容纳腔。直流负铜排38，以及位于散热器1的第二侧面上的交流铜排39和衬板单元2位于第二容纳腔内。在第一容纳腔和第二容纳腔中灌注有绝缘材料，以实现可靠绝缘。例如，绝缘材料可以为硅胶、硅橡胶或环氧材料等。通过这种设置能保证功率模块100的稳定正常工作，延长使用寿命。

在一个实施例中，在第一壳体73的外侧设置第三壳体75，第三壳体75与第一壳体73形成第三容纳腔。在第二壳体71的外侧设置第四壳体77，第四壳体77与第二壳体71形成第四容纳腔。同时，在第三容纳腔和第四容纳腔内均设置有控制电路板6。控制电路板6与衬板单元2信号连接，以实现控制电路板6的驱动、监测、保护和诊断等智能化控制功能。通过第一壳体73、第二壳体71、第三壳体75和第四壳体77之间的连接限定了功率模块100的其它部件的位置，并起到了支撑和绝缘隔离的作用，同时，保证功率模块100的正常工作，避免不同的部件之间的干扰。另外，上述设置优化了功率模块100的整体结构，使其具有集成度高、体积小、重量轻等优点。

优选地，如图2所示，两侧的控制电路板6电连接，并且在一个控制电路板6的第二端设置电源接口61，用于为控制电路板6供给低电压。在控制电路板6的第二端设置有光纤接口62，以实现控制电路板6与上层控制单元的通信。在控制电路板6的内部还设置有电流传感器接口(图中未示出)。通过上述设置能保证控制电路板6的正常工作，并且有利于信号传输，降低干扰。另外，上述设置方式有助于功率模块100优化布局，通用化程度高。

需要说明的是，在衬板21的导电层上设置插针23。位于第一侧面和第二侧面处的插针23分别向上、向下穿过第一壳体73和第二壳体71而与控制电路板6连接，以实现控制电路板6与衬板单元2的信号传输。而为了优化功率模块100的结构，方便插针23等部件的设置，还可以设置辅助衬板21’。该辅助衬板21’与衬板21电连接。例如，在图1中，为了优化插针23的布设位置，在散热器1的第一侧面和第二侧面上设置有辅助衬板21’。

在一个实施例中，螺杆11穿过第三壳体75和端壳70并延伸到端壳70的第一端面之外。由于螺杆11延伸到端壳70的第一端面外，在功率模块100安装到位后，该螺杆11起到了固定功率模块100的作用。同理地，在端壳70上还有穿过第四壳体77的另一个的螺杆11，并且两个螺杆11设置在端壳70的同一端面的对角线上。

在端壳70的第一端面上设置有导向孔12。优选地，在端壳70的第一端面上设置两个导向孔12，并位于对角线上。具体的，两个导向孔12与两个螺杆11分布在端壳70的四个角上。在功率模块100安装过程中，先由导向孔12与外界的系统的导销配合，进行精确导向及定位，紧接着由于设置有插拔式电接头和插拔式管接头顺利实现电气与冷却液管路的快速插拔式连接。另外，在功率模块100安装到位后，该导向孔12也起到了固定功率模块100的作用。

为了进行温度信号的采集，衬板单元2上还可以设置有温度传感器，其具体安装位置根据功率半导体芯片22的实际发热情况而设定，控制电路板6通过插针23对上述的温度信号进行采集，以用于驱动、监测、保护及诊断等智能化控制。

根据实际需要，还可以在交流电连接器35附近处设置电流传感器5，此电流传感器5可以与控制电路板6信号连接的。当然，电流传感器5的设置位置不限于此，也可以设置在其它位置。例如，也可以在控制电路板6上设置电流传感器，控制电路板6可以通过上述的电流传感器进行电流信号采集，以用于驱动、监测、保护以及诊断等智能化控制。

此外，还可选用内部带有电流测量及温度测量的功率半导体芯片22，以实现芯片级的快速、准确的监测，控制电路板6通过插针对上述信号进行采集，用于驱动、监测、保护及诊断等智能化控制。

以上仅为本发明的优选实施方式，但本发明保护范围并不局限于此，任何本领域的技术人员在本发明公开的技术范围内，可容易地进行改变或变化，而这种改变或变化都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求书的保护范围为准。