【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
技术介绍
1、提高电动汽车(ev)功率电子器件的能量效率
2、绝大多数功率逆变器架构包括将来自电池的直流电压转换成与电力牵引电机兼容的三相交流形式。如今，功率转换的范围为50至250kw(峰值400kw)，具体取决于型号。未来几年，mw系统将会出现(卡车工业、海上运输，并且更重要的是空中电动交通)。每个相位都需要安装在所谓的“半桥”拓扑中的两个电源开关。在操作期间，由于三相被相移120度角度，因此始终有两个开关同时闭合(on)，另外四个开关打开(off)。
3、为了评估逆变器效率，传导损耗是通过开关闭合时的电压差乘以流入开关的电流来计算的，当然还要乘以6(3x 2＝6个开关)。产生的功率损耗水平非常大，并且设计人员总是试图降低功率损耗，以增加行驶里程或减小电池尺寸。在设计电力牵引逆变器时，诸如焊线键合应力和容量、闸级功率放大器性能以及整体系统尺寸和成本的一些其他考虑因素也是必须考虑的多种因素的一部分。最终，到目前为止，减少功率损耗的经验法则是“使用更多的硅表面积或使用更好的散热器”。这两条“建议”都有很大的缺点。使用更多硅开关的考虑确实减少了功率传导损耗，因为“导通”状态电流在更多数量的开关之间共享，因此减少了功耗，但开关损耗相应地增加，尤其是对于igbt如此。缺点是要使用指数表面附着、电力路径中薄弱环节(诸如焊线键合)的倍增、管芯与管芯之间的差异、导致有害寄生电感的物理距离扩展以及难以将每个管芯与它们的同伴管芯完美同步，从而最终导致不必要的复杂性和所部署工作的低效率。完成的成本考虑证明这一学说是错误的
4、另一方面，冷却策略多年来一直是实验和研发研究的兴趣所在。设计人员不仅仅关注硅的改进，还意识到降低管芯的操作温度可能是提高电源效率、降低成本和提高可靠性的途径。尽管这种直觉当然是正确的，但目前可用的材料来确保令人满意的结果还远远达不到。
5、由于用于功率硅的电路径和热路径是相同的并且都非常重要，因此从字面上断开它们以将热路径引导至出于安全原因需要电隔离的液体冷却剂以及需要尽可能短且有弹性的电路径是极具挑战性的。这种断开机制(“电介质”)是通过图1a至图1c中所示的技术和技术手段来实现的，这些技术和技术手段在过去四十年中并未真正显著发展，尽管被广泛采用，但效果不佳。
6、图2描述了功率器件的常见架构。通常，所述器件包括硅片1，所述硅片通过附接件2附接至铜布设(copper layout)3，所述铜布设经由基板4和介电材料5热耦合至冷却剂6。电流主要在铜布设3中横向流动，但主要从管芯1竖直流过附接件2、布设3、基板4和电介质5。这种架构的特征在于硅片1与冷却剂6之间的热路径中的二维矢量热传播相对较差。例如，如果冷却剂6处于约80℃的温度，则由于热路径中的热阻抗，管芯1通常处于175至200℃的温度。图2的常见架构可以通过图3a中所示的简化后的热阻抗rth模型进行分解，并在图3b所示的表中进行总结。
7、图3示出管芯1与冷却剂6之间的热阻抗(rth)被分为3个主要类别：
8、1)介电材料5(rth4)：通过多种性能和特性，介电材料必须确保最佳导热性，从而以1分钟4kv的量级来实现汽车隔离要求，这决定了材料厚度以及因此rth。
9、2)基板和机电一体化(rth2、rth6、rth8)：基板提供机械坚固性和管芯安装性以及暴露的表面，从而确保通过逆变器系统(机电一体化)与冷却剂的热连续性。
10、3)表面结合是安装在一起的不同元件的结合点，并且可以分为3个主要组：
11、a)焊接或烧结扩散(rth1)，根据所使用的材料、界面厚度和导热率来提供最佳导热率。
12、b)陶瓷到金属的沉积涂层(例如al2o3火焰喷涂)，根据孔隙率和渗透率，产生具有自己的rth(rth3、rth5)的材料间界面；
13、c)压力接触(rth7)，其中2个表面被压在一起以形成热路径(通常也是电路径)。这种类型的界面高度依赖于表面的施加压力、共面性、粗糙度和几何形状。它通常性能较差，并且会随着时间的推移而降低。
14、虽然不直观，但液体与固体表面接触(rth8)是此类别的一部分，但根据所采用的策略，它更稳定且具有更好的质量/性能。平坦表面上的层流表现出较低的效率，因为冷却剂表面只有少数与固体接触的分子会携带要提取的热量。其余液体不主动参与冷却。湍流产生更大的表面接触面积和更多的载体，但需要实施特殊的机制，从而导致更多的材料使用和系统体积增加(即薄翅片)。如上所示，冷却剂的总rth结合更多地是材料特性、技术和表面面积的凝聚，而不是单一维度的问题。还有很大的进步空间。
技术实现思路
0、概述
1、电动载具(ev)功率电子器件的散热日益受到限制，并且电子架构的潜在范围已受到可用材料的限制。诱导进入功率半导体开关的热应力一直困扰着半导体和逆变器公司直至绝望。整个行业的工程师一直在电子器件设计中使用不能真正满足先进ev功率电子器件所需特性的材料，尤其是包括结合了极端导热性与极端电压绝缘性的材料。
2、单晶金刚石(scd)是最极端的材料–在多个维度上，并且每个维度都有决定性因素–特别是通过其极端导热性和极端电绝缘性的结合。scd表现出卓越的介电性能，包括5.7的低介电常数、在35ghz下低于0.0001的损耗正切以及10mv/cm的高介电强度。这意味着20um的scd可以隔离20kv，同时递送高达3,000w/mk的导热率。
3、位于加利福尼亚州南旧金山的diamond foundry有限公司已实现了单晶金刚石的生产，其晶圆尺寸涵盖了所有商业相关计算机和功率电子芯片所需的管芯尺寸。
4、电力牵引逆变器的困境
5、ev的电力牵引逆变器(pti)是电动出行的关键要素。由于其复杂程度、电应力和热应力以及最终的成本，pti一直是电动出行实施方式中最薄弱的环节之一，这个新兴市场的早期发展的失败率很高，当然也存在原始设备制造商(oem)采用准入的技术障碍。驾驶条件和方式通常会对逆变器的有源部件及其周围元件产生巨大的电应力和热应力，并且如果处理不当，会导致寿命急剧缩短并最终导致系统故障。
6、由于定制子系统要求、高功率电子器件的复杂集成、材料科学、机电一体化和热管理加剧了复杂的设计和制造，功率逆变器的进步一直缓慢而渐进。功率密度无疑是现代电源逆变器强调技术和效率的关键性能指标。作为参考，最先进的设计表现为33kw/l(特斯拉model 3为12l、4.8kg、400kw)和36kw/l(奥迪e-tron为5.5l、8kg、200kw)。
7、功率半导体主要由两个因素驱动：导热性–冷却它们的路径–和导电性–承载高电流的路径。尽管电路径已经研究了很多年并取得了或多或少的成功，但热路径始终是主要挑战。
8、除了需要高导热性和导电性之外，功率半导体还需要与环境的其他部分进行电气隔离，因为它们携带高电压；这是安全要求。不幸的是，电压本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种功率器件，包括：
2.如权利要求1所述的器件，还包括一个或多个压力射流，每个压力射流被配置为将加压冷却剂朝向所述第一金刚石基板的与所述第一金刚石基板的所述第一侧相对的第二侧引导。
3.如权利要求2所述的器件，其中所述一个或多个压力射流包括被配置为将冷却剂的竖直冲击流递送到所述第一金刚石基底的所述第二侧的一个或多个压力射流。
4.如权利要求1所述的器件，其中所述第一金刚石基板是单晶金刚石(SCD)基板。
5.如权利要求1所述的器件，其中所述第一功率电子芯片为氮化镓芯片、碳化硅芯片或绝缘栅双极晶体管硅芯片。
6.如权利要求1所述的器件，其中所述第一功率电子芯片包括一个或多个金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)器件。
7.如权利要求6所述的器件，其中所述一个或多个金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)器件包括一个或多个碳化硅(SiC)MOSFET器件。
8.如权利要求7所述的器件，其中所述一个或多个SiC MOSFET器件包括三个SiCMOSFET器件。
9.如权利要求
10.如权利要求9所述的器件，还包括耦合到所述第一铜基板并且导电地耦合到所述第一功率电子芯片的所述漏极的一个或多个导电柱结构。
11.如权利要求1所述的器件，其中所述第一功率电子芯片包括位于所述第一功率电子芯片的与所述第一功率电子芯片附接至所述第一铜基板的一侧相对的一侧上的导电源极焊盘，所述导电源极焊盘导电地耦合到所述第一功率电子芯片的源极连接。
12.如权利要求11所述的器件，还包括耦合到所述功率电子器件的所述导电源极焊盘的导电夹，其中所述导电夹被导电地耦合到所述第一功率电子芯片的所述源极连接。
13.如权利要求12所述的器件，其中所述导电夹被导电地耦合且物理附接到所述导电源极焊盘。
14.如权利要求1所述的器件，其中所述第一功率电子芯片包括位于所述第一功率电子芯片的与所述第一功率电子芯片附接到所述第一铜基板的一侧相对的一侧上的导电闸级焊盘，所述导电闸级焊盘导电地耦合到所述第一功率电子芯片的闸级输入。
15.如权利要求14所述的器件，还包括导电地耦合到所述第一功率电子芯片的所述闸级焊盘的闸级路由器电路。
16.如权利要求15所述的器件，其中所述闸级路由器电路包括闸级功率放大器和电流感测电路。
17.如权利要求15所述的器件，其中所述闸级路由器电路包括薄柔性印刷电路板。
18.如权利要求1所述的器件，还包括附接到第二铜基板的第二功率电子芯片和附接到所述第二铜基板的第二金刚石基板，其中所述第二铜基板被夹在所述第二金刚石基板的第一侧与所述功率电子芯片之间，其中所述第二功率电子芯片、所述第二铜基板和所述第二金刚石基板被布置为使得所述第一金刚石基板的第一侧和所述第二金刚石基板的第一侧彼此面对。
19.如权利要求18所述的器件，其中所述第二功率电子芯片被配置为与所述第一功率电子芯片反并联操作，并且所述第一功率电子芯片和所述第二功率电子芯片形成第一半桥逆变器。
20.如权利要求19所述的器件，还包括第二半桥逆变器装置，其导电地耦合到所述第一半桥逆变器从而形成全H桥逆变器，其中所述第二半桥器件如权利要求19所述地配置。
21.如权利要求19所述的器件，还包括两个附加的半桥逆变器装置，其导电地耦合到所述第一半桥逆变器从而形成三相功率逆变器，其中所述两个附加的半桥器件如权利要求19所述地配置。
22.如权利要求21所述的器件，还包括连接所述两个附加的半桥逆变器装置和所述第一半桥逆变器的至少一个刚性导电母线。
23.一种动力载具系统，包括：
24.如权利要求23所述的动力载具系统，还包括耦合到所述电机的输出轴的车轮，其中电机的所述输出轴使所述车轮旋转。
25.如权利要求23所述的动力载具系统，还包括耦合到所述电机的输出轴的推进器，其中所述电机的所述输出轴使所述推进器旋转，并且所述推进器被配置为在介质中产生推力。
26.如权利要求23所述的动力载具系统，还包括耦合到所述电机的输出轴的差速器，其中所述差速器被配置为将旋转从所述电机的所述输出轴递送至差速器输出轴。
27.如权利要求25所述的动力载具系统，还包括附接到所述差速器输出轴的至少一个车轮，其中所述差速器输出轴将旋转递送至所述车轮。
28.如权利要求23所述的动力载具系统，还包括耦合到所述电机的所述输出轴的齿轮箱，其...
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】
1.一种功率器件，包括：
2.如权利要求1所述的器件，还包括一个或多个压力射流，每个压力射流被配置为将加压冷却剂朝向所述第一金刚石基板的与所述第一金刚石基板的所述第一侧相对的第二侧引导。
3.如权利要求2所述的器件，其中所述一个或多个压力射流包括被配置为将冷却剂的竖直冲击流递送到所述第一金刚石基底的所述第二侧的一个或多个压力射流。
4.如权利要求1所述的器件，其中所述第一金刚石基板是单晶金刚石(scd)基板。
5.如权利要求1所述的器件，其中所述第一功率电子芯片为氮化镓芯片、碳化硅芯片或绝缘栅双极晶体管硅芯片。
6.如权利要求1所述的器件，其中所述第一功率电子芯片包括一个或多个金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)器件。
7.如权利要求6所述的器件，其中所述一个或多个金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)器件包括一个或多个碳化硅(sic)mosfet器件。
8.如权利要求7所述的器件，其中所述一个或多个sic mosfet器件包括三个sicmosfet器件。
9.如权利要求1所述的器件，其中所述第一功率电子芯片的漏极被导电地耦合到所述第一铜基板。
10.如权利要求9所述的器件，还包括耦合到所述第一铜基板并且导电地耦合到所述第一功率电子芯片的所述漏极的一个或多个导电柱结构。
11.如权利要求1所述的器件，其中所述第一功率电子芯片包括位于所述第一功率电子芯片的与所述第一功率电子芯片附接至所述第一铜基板的一侧相对的一侧上的导电源极焊盘，所述导电源极焊盘导电地耦合到所述第一功率电子芯片的源极连接。
12.如权利要求11所述的器件，还包括耦合到所述功率电子器件的所述导电源极焊盘的导电夹，其中所述导电夹被导电地耦合到所述第一功率电子芯片的所述源极连接。
13.如权利要求12所述的器件，其中所述导电夹被导电地耦合且物理附接到所述导电源极焊盘。
14.如权利要求1所述的器件，其中所述第一功率电子芯片包括位于所述第一功率电子芯片的与所述第一功率电子芯片附接到所述第一铜基板的一侧相对的一侧上的导电闸级焊盘，所述导电闸级焊盘导电地耦合到所述第一功率电子芯片的闸级输入。
15.如权利要求14所述的器件，还包括导电地耦合到所述第一功率电子芯片的所述闸级焊盘的闸级路由器电路。
16.如权利要求15所述的器件，其中所述闸级路由器电路包括闸级功率放大器和电流感测电路。
17.如权利要求15所述的器件，其中所述闸级路由器电路包括薄柔性印刷电路板。
18.如权利要求1所述的器件，还包括附接到第二铜基板的第二功率电子芯片和附接到所述第二铜基板的第二金刚石基板，其中所述第二铜基板被夹在所述第二金刚石基板的第一侧与所述功率电子芯片之间，其中所...
【专利技术属性】
技术研发人员：JC·哈雷尔，
申请(专利权)人：玳萌珠宝商贸有限公司，
类型：发明
国别省市：
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