电子功率模块和包括多个所述模块的电子功率系统技术方案

本发明专利技术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。根据本发明专利技术，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。（*该技术在2017年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
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。本专利技术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。本专利技术的另一个目的在于，提出了改进人机控制的用来制造多模块系统的模块。为此，本专利技术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。根据本专利技术，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。本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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专利技术的其他优点和特征，在附图中附图说明图1是构成本专利技术第一实施例的一种模块式电子系统的图。图2是本专利技术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是构成本专利技术第二实施例的一种模块式电子系统的图。图5是本专利技术一种“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电路的本专利技术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是构成本专利技术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专利技术的一种模块的图。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。本专利技术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。根据本专利技术，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)。在本专利技术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，本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：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(专利权)人：阿尔卡塔尔公司，
类型：发明
国别省市：FR[法国]