具有用于大电流功率控制的功率半导体组件的装置及应用

摘要

用于大电流功率控制的功率半导体组件(1)的装置，其中，每一功率半导体组件电绝缘固定在一个公共的冷却载体(2)上，在该载体上在功率半导体组件旁边并与每一功率半导体组件电绝缘固定多个彼此叠置和彼此电绝缘的电流条(3)，它们每一个各有一个自由连接面(30)，以及每一功率半导体组件的一个电连接面(11)通过一个或者多个电导体桥(4)电连接在一个电流条上，该功率半导体组件的另一个电连接面(11)通过一个或者多个电导体桥电连接在另一个电流条上。

说明书

本发明涉及具有一个或者多个用于大电流功率控制的功率半导体组件的装置。

在汽车技术中，日益增加的功能通过电子控制设备控制。于是可以把起动器和照明发动机组合在一个机组中。这种系统的电源需要大功率供电单元，这种供电单元由于它的大的热损失功率需要有源冷却，例如它提供冷却水循环。

冷却水温在极端情况下可以达到125℃，这样对于所有电气组件还可能有一个很小的温升。由于车身网络电压很低只有14-42V，因此需要很大的电流，从而到用电器具的路径要短。因此控制单元应该靠近马达使用，它表示一个热的、强振动的环境。

具有一个或者多个用于大功率控制的功率半导体组件的装置通常以模块构造。功率半导体组件或者半导体开关在基板大多数在金属陶瓷板上电绝缘构造。这一组件固定在形式为可冷却底盘的一个载体上。电流引线通过焊接的金属片、弹簧触点或者绑扎(Bondung)从基板引向位于一个盒子里的且最后向该盒子的上侧伸出的连接端子。然后供电在盒子的上面通过布线或者薄板实现。由此在底盘上不需要为电流布线留任何空间，从而可以保持小的结构。

因为现在电连接部分有一部分远在底盘上面，因此在振动时会强烈振荡，使对底板的连接快速老化。

还公知这样的结构，其中，对于正电极“+”和负电极“-”的电流引线反并联上下绝缘引导(例如参见Mitsubishi的EP585578 A1)或者另外直接通过基板引导(参见ABB Management AG的美国专利Nr.5 574 312)，以便使该结构的电感最小。还有在无布线侧低电感安排分立电容器(参见KAMANELECTROMAGNETICS CORP.的WO 9 5504 448)或者使用冷却体作为导电部分(参见REHM SCHWEISSTECHNIK GmbH & Co.的EP 443378 A)。

本发明要解决的问题是，总的来说提供具有一个或者多个用于大电流功率控制的功率半导体组件的装置，它能够在强振动负载环境中持续应用。

该问题通过具有在权利要求1中给出的特征的、具有一个或者多个用于大电流功率控制的功率半导体组件的装置解决。

根据这一解决方案，在根据本发明的具有一个或者多个用于大电流功率控制的功率半导体组件的装置中：

-每一功率半导体组件电绝缘地固定在一个公共的载体的表面上，并且各具有至少两个彼此分开设置的电连接面，

-在该载体表面上在所述功率半导体组件的旁边与每一功率半导体组件电绝缘地固定两个或者多个彼此分开设置的电流条，和

-每一功率半导体组件的一个电连接面通过一个或者多个电导体桥电连接到一个电流条上，该功率半导体组件的另一个电连接面通过一个或者多个电导体桥电连接到另一个电流条上。

在根据本发明的装置中，有利的是电流条同样与功率半导体组件直接彼此密集地设置在载体表面上。由此有利地使得电流条和功率半导体组件的振荡彼此相对小到可以忽略。此外由于电流条和功率半导体组件彼此密集的设置可以有利地使用短的电导体桥，其具有这样的固有频率，即在强振动环境中通常操作本发明的装置时几乎不会引起共振。由于这一理由，本发明的装置特别适用于强振动环境，特别在驱动马达附近，例如在汽车的内燃机附近，它们另外表示一个热的环境。

在根据本发明的装置中功率半导体优选不需要一定封装，而是最好裸露固定在载体上。只是整个装置应该在一个密封在外壳中。

根据本发明的装置的优选的和有利的改进结构见权利要求2到23。

根据权利要求4或者5具有上下叠置的电流条的改进结构对于本发明的建造特别是紧凑结构极具优点。

如上所述，本发明装置的一个优选的和有利的应用是在汽车马达室中—特别是但不限于—用于汽车电器的供电应用。

作为汽车电器除别的外例如可理解为：起动发电机，特别是理解为起动器和照明发动机、电动有源弹力、电气制动、电动水泵、电动油泵、汽车的空调机等。

在下面的说明书中根据附图举例详细说明本发明，附图中：

图1表示具有彼此相邻设置的电流条的根据本发明的装置的一个示范实施例的透视图，

图2表示具有彼此上下叠置的电流条的根据本发明的装置的另一示范实施例的透视图，

图3表示沿图2的切割线II-II穿过按照图2的实施例的一部分的竖直断面图。

在附图中表示的根据本发明的装置的示范实施例中，每一功率半导体组件1电绝缘固定在一个例如构成底板的公共载体2的表面20上。

在根据图1的实施例中，例如有六个彼此平行的序列10安排在表面20上，每一序列由四个功率半导体组件1构成。

在根据图2的另一个实施例中，表示出一半例如只有两个功率半导体组件1的更好的概观图。功率半导体组件1的数目在该另外的实施例中也可以大于2，例如和根据图1的实施例中的一样多，并例如具有和那里一样的布置。

一般，功率半导体组件1的数目可以是任意自然数，亦即可以是1，该数目的上限至多由技术原因限制。

每一功率半导体组件1各具有至少两个彼此分开设置的电连接面11、11，其中一个例如设置在各功率半导体组件1背离载体2的表面20的一侧，另一个设置在该功率半导体组件1朝向表面20的一侧并且在图1中不能直接看见。

在载体2的表面20上，在两个表示的实施例中的每一个中，在功率半导体组件1旁边固定与每一功率半导体组件1电绝缘的多个彼此分开设置的电流条3。

同样，在所示的每一实施例中，每一功率半导体组件1的一个电连接面11通过一个或者多个电导体桥4与一条电流条3电连接，该功率半导体组件1的另一个电连接面11通过一个或者多个电导体桥4与另一条电流条3电连接。

特别是在两个所示的实施例的每一个中，一个功率半导体组件1的一个电连接面11通过一个或者多个电导体桥4与一条对应于电极“-”的电流条3电连接，另一功率半导体组件1的一个电连接面11通过一个或者多个电导体桥4与和一条对应于相对电极“-”设置的另一电极“+”的另一电流条3电连接，而一个功率半导体组件1的另一个电连接面11和另一个功率半导体组件1的另一个电连接面11通过一个或者多个电导体桥4与另外一条电流条3电连接。

在根据图1和图2的实施例中例如优选如此安装，使得每一功率半导体组件1作为一个开关或者控制元件构建，其中，在其一个接触面11和其另一个接触面11之间流过或者不流过依赖于组件1的开关或者控制状态的电流，并使得以一个接触面11连接到对应于电极“-”的电流条3上的功率半导体组件1和以一个接触面11连接到对应于电极“+”的另一电流条3上的功率半导体组件1以推挽方式彼此被接通或控制，也就是说，一个组件被切断或者被控制，同时另一个组件被接通或者被解除控制，反过来也是一样。与这两个功率半导体组件1中每一个的另一接触面11连接的另一个电流条3在这一场合建立起一个特别的电流相位线，其在图1和图2中另外用“≈”表示。

根据图1的实施例例如这样构建，即所有电流条3彼此相邻和彼此平行在载体2的表面20上设置。

在该实施例中特别这样设置，

-在图1中在位于最右边对应于电极“+”的第一电流条3和在与其相邻的左边用“≈”表示的第一电流相位线3之间设置一个由四个功率半导体组件1组成的第一序列10，

-在第一电流相位线3和与其左邻的对应于电极“-”的第一电流条3之间设置一个由四个功率半导体组件1组成的第二序列10，

-在对应于电极“-”的第一电流条3和与其左邻的用“≈”表示的第二电流相位线3之间设置一个由四个功率半导体组件1组成的第三序列10，

-在第二电流相位线3和与其左邻的、重新对应于电极“+”的第二电流条3之间设置一个由四个功率半导体组件1组成的第四序列10，

-在对应于电极“+”的第二电流条3和与其左邻的用“≈”表示的第三电流相位线3之间设置一个由四个功率半导体组件1组成的第五序列10，

-在第三电流相位线3和与其左邻的、重新对应于电极“-”的第二电流条3之间设置一个由四个功率半导体组件1组成的第六序列10，

在其间设置用“≈”表示的电流相位线3的每两个相邻的序列10的两个彼此相对设置的功率半导体组件1彼此对应而构成一对在上述彼此推挽意义上开关的功率半导体组件1。

图1中彼此对应的功率半导体组件1的两个这样的对通过下述突显出来，即它们的功率半导体组件1当通过单个电导体桥4与相关的电流条3连接时而被表示。例如，一个导体桥4连接所涉及的一对的每一组件1的一个朝向载体2的表面20的电连接面11与一个电流条3，而另一个导体桥4连接背离表面20的电连接面11与另一个电流条3。在一个实际的实施例中，每一单个的导体桥4优选分别通过多个这样的桥4实现，就像在图2中所示。

每一电流条3优选通过一个由良导电材料例如铜形成的金属条实现，它具有足够大的截面，以保证没有问题地传导预先给定的大电流强度。

当用“≈”表示的电流相位线3通过单个金属条构建时，对应于电极“+”的电流条3通过一个公共的电流条33彼此连接是适宜的。优选公共电流条33是一个由良导电材料形成的、在载体2的表面20上设置的板，对应于电极“+”的电流条3从该板作为梳齿状金属条凸出，这里板和金属条优选作为一块整体构造。

对应于电极“-”的电流条3也优选通过一个公共的电流条彼此连接，对应于电极“-”的电流条3必须与对应于电极“+”的电流条3和公共电流条33电绝缘。

与按照图1的实施例相反，在按照图2的实施例中，电流条3彼此电绝缘地在载体2的表面20上上下设置，每一这样的电流条3具有一个自由的接触面30，它通过特别是多个电导体桥4与至少一个功率半导体组件1的一个电连接面11连接。这将有利地允许本发明的装置在构造上紧凑的结构。

在本实施例中特别可以使在上面彼此推挽开关或者被控制的意义上的每一对彼此对应的功率半导体组件1设置在所有电流条3的同一侧，这与按照图1的实施例相反，在按照图1的实施例中这样的一对的功率半导体组件1设置在一个电流相位线3的两侧，在其两侧还有对应于彼此不同电极的电流条3。

在按照图2和3的实施例中，功率半导体组件1的这样的对中的一个单个的对例如设置在成批的电流条3的右侧。但是(未在图中表示)优选在该右侧上沿成批的电流条3一个接一个地设置两个或者多个彼此对应的功率半导体组件1的这样的对，并且每个以和图2中表示的功率半导体组件1的对同样的方式连接在成批的电流条3上。

此外，彼此对应的功率半导体组件1的这样的对也可以前后相继设置在背离右侧的成批的电流条3的左侧，并且以和图2中表示的功率半导体组件1的对类似的方式连接在成批的电流条3上。

在图2中表示的对的功率半导体组件1例如这样连接在成批的电流条3上，

-该对的一个功率半导体组件1的背离载体2的表面20的一个电连接面11通过多个导体桥4与例如直接在载体2的表面20上设置的对应于电极“-”的电流条3电连接，

-该对的另一个功率半导体组件1的朝向载体2的表面20的一个电连接面11通过多个电导体桥4与例如在对应于电极“-”的电流条3上设置的、并且通过由电绝缘材料构成的层32与该电流条3分开的对应于电极“+”的电流条3电连接，

-该对的一个功率半导体组件1的朝向载体2的表面20的另一个电连接面11通过多个电导体桥4与例如在对应于电极“+”的电流条3上设置的、并且通过由电绝缘材料构成的层32与该电流条3分开的用“≈”表示的电流条3电连接，

-该对的另一个功率半导体组件1的背离载体2的表面20的另一个电连接面11通过多个电导体桥4与电流相位线3电连接。

一个成批的或者彼此上下叠置的电流条3中的一个电流条3的一个自由接触面30例如通过一个在该电流条3上设置的另一个电流条3构成这个电流条3的凸出的表面300，这里，该表面300具有一个侧棱31，通过该侧棱，电连接该一个电流条3的自由接触面30与一个功率半导体组件1的一个电连接面的每一个电导体桥4向外离开。

在彼此上下叠置的电流条3的旁边侧面设置中间电连接面5，它在载体2的表面20上绝缘并与每一电流条3分开，其每一个与一个或者多个功率半导体组件1的接触面11电连接并通过多个电导体桥4与电流条3电连接。

在按照图2和3的实施例中例如对于每一个功率半导体组件1各提供一个中间接触面5，它与这些功率半导体组件1的朝向载体2的表面20的接触面11直接接触并固定在其上。

在按照图2和3的实施例中例如还存在一个中间接触面5，它与功率半导体组件1的该接触面11电绝缘，但是它通过多个电导体桥40与一个功率半导体组件1的背离载体2的表面20的接触面11电连接。

特殊的是在按照图2和3的实施例中这样构造，

-两个彼此对应的功率半导体组件1中的每一个都设置在对应于该一个功率半导体组件1的电中间接触面5上，使得该功率半导体组件1的朝向载体2的表面20的接触面11与该对应的中间接触面5彼此直接电气接触，

-对应于一个功率半导体组件1的中间接触面5通过优选多个电导体桥4与对应于一个电极例如电极“+”的电流条3电连接，

-这一个功率半导体组件1的背离载体2的表面20的接触面11通过优选多个电导体桥40与对应于另一个功率半导体组件1的中间接触面5电连接，后者再次通过优选多个电导体桥4与用“≈”表示的电流条3电连接，

-另一个功率半导体组件1的背离载体2的表面20的电连接面11通过优选多个电中间导体桥40和一个与该功率半导体组件1的接触面11电绝缘的中间接触面5电连接，后者通过优选多个电导体桥4与对应于另一个电极在该例中是电极“-”的电流条3电连接。

每一中间接触面5优选具有一个侧棱51，越过该侧棱在该中间接触面5连接的每一电导体桥4或者40向外离开。

虽然没有示出，但是这样的电中间接触面5同样可以良好地在按照图1的实施例中设置。例如可以在那里把一个或者每一个序列10的功率半导体组件1这样设置在一个公共的中间接触面5上，使得每一功率半导体组件1的一个朝向载体2的表面20的接触面11与该公共中间接触面5直接电气接触，并且该中间接触面5可以通过一个或者多个电导体桥4与在该序列10所在其间设置的两个电流条3之一连接。

在一个电流条3和一个相邻的功率半导体组件1的序列10之间例如还可以设置一个与该功率半导体组件1的电连接面11电绝缘的电中间接触面5，它一方面通过一个或者多个电导体桥4与该电流条3电连接，另一方面各通过一个或者多个电中间导体桥4与每一个功率半导体组件1的背离载体2的表面20的电连接面11电连接。

载体2的表面20优选导电，并且如图2所示，每一功率半导体组件1和每一电中间接触面5通过在载体2的表面20上由电绝缘材料形成的层6与该表面20电绝缘。层6例如可以是陶瓷-DCB-基片。

在按照图2和3的实施例中，所有功率半导体组件1和所有中间接触面5例如固定在一个由电绝缘材料形成的公共层6上。在按照图1的实施例中，也没有另外表示，每一序列10的功率半导体组件1和在该序列10中或许有的中间接触面5也固定在一个由电绝缘材料形成的公共层6上。

载体2的导电表面20优选对应于一个电极，和对应于该电极的一个电流条3优选直接与该表面20连接，这里，与表面20直接连接的电流条可通过该表面20本身限定。

在按照图2和3的实施例中，载体2的导电表面20例如对应于电极“-”，对应于该电极“-”的最下面的电流条3直接固定在载体2的导电表面20上。它也可以通过载体2的导电表面20自身构建。

在按照图1的实施例中例如同样采用，载体2的导电表面20例如对应于电极“-”，每一对应于该电极“-”的电流条3直接固定在载体2的导电表面20上或者通过载体2的该导电表面20自身构建。与对应于电极“-”的电流条3电分开和彼此之间电分开的另外的电流条3，亦即对应于电极“+”的电流条3和用“≈”表示的电流条3，必须与载体2的导电表面20电绝缘，例如各通过一个由电绝缘材料形成的层，就像在按照图2和3的实施例中它通过一个这样的层32给出。

一个单个的电流条3优选由一个薄的片组成，在考虑冷却的情况下，它例如能在数百安培的大电流和高达165℃的温度以及强振动环境下工作。

在载体2的表面20上固定一个由电绝缘材料形成的薄板7，其上至少固定一个驱动电路8和一个或者多个电连接面71，其中，薄板7的每个接触面71通过至少一个电导体桥41与一个功率半导体组件1的一个接触面12电连接，接触面12优选是该组件1的控制接触面。

在图1中有三个薄板7例如彼此相邻设置在公共电流条33上，它们中的每一个各对应于一个用“≈”表示的电流相位线3。只在中间的薄板7上以示意方式表示出该薄板7的驱动电路8。虽然没有示出，显然在另外两个薄板7上也各有这样的驱动电路。在图1中在每一薄板7上也存在相应于图2中的薄板7上的接触面和在每一功率半导体组件1上存在相应于图2中的接触面12的接触面，但为简单起见未表示。

图1中的每一薄板7的一个这样的接触面通过一个电导体桥41与位于属于该薄板的电流相位线3一侧的序列10的第一功率半导体组件1的相应于该接触面的接触面电连接，该薄板7的另一个接触面通过一个电导体桥41与位于该电流相位线3的另一侧的序列10的第一功率半导体组件1的相应于该接触面的接触面电连接。在每一对这样的序列10中，相邻的功率半导体组件1的彼此相应的接触面通过各个导体桥41电连接，所述导体桥41在图1只表示出一个。在每一对这样的序列10中，一个序列10的所有功率半导体组件1例如与另一序列10的所有功率半导体组件1推挽开关或者控制，反之亦然。

电导体桥4、40和/或41可以由一个特别是焊接的带组成或者由一个焊接跨接线组成的搭接线构成。在使用搭接线或者带用作导体桥4、40时，由于用于电功率连接功率半导体组件1的一个单个的接触面11与一个中间接触面5或者一个电流条3同样如用于电功率连接一个单个的中间接触面5到一个电流条3的小的横截面，因此推荐使用两个或者多个这样的搭接线或者带，如在图2中所示。与此相反，焊接跨接线可以用非常大的截面实现，所以可以用单个这样的焊接跨接线建立这样的电功率连接。

为冷却该装置，载体2连接到一个散热器9，其优选具有冷却体90，其在载体2的表面20下面与载体2热连接。冷却体90优选和载体2成为一体。

在一个在强振动高热内燃机附近设置的示例性本发明装置中，一个电流条3和载体2的背离载体2的表面20的一个表面20’通过一个由导电材料形成的夹持载体2的夹持设备100一起夹持，通过该夹持设备100引导通往或者离开电流条3的电流。

此外，例如在载体2的背离载体2的表面20的表面20’上设置一个具有由一个绝缘物113彼此绝缘的两个电极111和112的电容器110，其中一个电极111对应于两个彼此相对设置的电极之一，在图示例子中例如电极“-”，并且与载体2的背离载体2的表面20的表面20’平面接触，另一个电极112对应于电极“+”。

电容器110的与载体2的背离载体2的表面20的一个表面20’平面接触并且例如对应于电极“-”的电极111与对应于电极“-”的一个电流条3电气连通，同时电容器110的另一个电极112与对应于另一个电极“+”的一个电流条3电气连通。

本发明装置的一个优选的和有利的应用是在汽车的马达室中，特别是在那里对汽车用电器的供电的应用，这里，所述的用电器指上面已经提过的汽车电器。

在本发明为这样的应用的一个优选的改进结构中，一个或者多个电绝缘层6与在其上固定的功率半导体组件1在以底盘形式构造的载体2的表面20上构建。例如使用由电绝缘材料形成的层6，其彼此背离的扁侧面镀一层金属，其中，该层6以一个镀金属的扁侧平面置于载体2的导电表面20上，并与该表面20焊接，而在该层6在表面20上背离的另一个镀金属的扁侧面上平放一个或者多个各具有一个接触面11的功率半导体组件1并与其固定焊接，并在该镀金属的另一扁侧面上构造用于建立中间接触面5的隔离槽。

载体2也可以包括已经集成的冷却体90，它包含用于流过冷却介质的通道91。载体例如由金属构成，并且导电。它另外可以作为电极“-”使用。以薄条形式的电流条3紧邻衬底6绝缘粘接在载体2的表面20上，或者与用于电极“-”的电流条3在最下面焊接。与形式为电绝缘层6的衬底的接触通过多个搭接线、焊接带或者焊接搭接片形式的短导体桥4实现。用于功率半导体的驱动电路优选是MOSFETs，它同样在电绝缘层6旁边集成在载体2上。

构成支座电容器的电容器110由于大的波动电流产生不可忽略的损耗，其由于本来已经很高的环境温度必须被导出。为此有利的是把电容器110与冷却体90的背面热接触，例如通过与用作+电极的电极112粘接或者压接，在电极112上在按照图2和3的实施例中完全平面紧贴一个由导电材料形成的外壳60，它以边缘61与由电绝缘材料形成的层34紧贴，该层在载体2的背离表面20并且朝向电容器110的表面20’上叠置在电容器110对应于电极“-”的电极111的旁边。

电容器110的用于电极“-”的电极111与载体2朝向电容器110的表面20’直接平面接触。与一个对应于电极“+”的电流条3的导电连接以及对一个连接电缆的一个电缆接头103的导电连接通过夹持设备100实现，它例如具有为连接电极“+”的一个导电的、与载体2和电容器110对应于电极“-”的电极111电绝缘的螺丝接线夹101，其带有一个由电绝缘材料形成的用于用手操作的手动操作件102，螺丝接线夹101用于夹持载体2与冷却体90，并通过外壳60把电容器110压在载体2上。

夹持设备100在按照图2和3的实施例中也可以如按照图1的实施例中那样构造。在该实施例中，夹持设备100具有多个夹子101，它们每一个从载体2的一个表面20到电容器110对应于电极“+”的电极112夹持载体2和电容器110。一个对应于电极“+”的夹子101是导电的，与电容器110对应于电极“+”的电极112和与对应于电极“+”的电流条3或者公共电流条33接触，并且与载体2和电容器110对应于电极“-”的电极111电绝缘。例如提供两个这样的导电夹子101。

所有其它的夹子101基本上仅用于彼此机械夹持载体2和电容器110，并且每个都从载体2的一个表面20到电容器110对应于电极“+”的电极112夹持载体2和电容器110。如果这样的一个机械夹子导电的话，则它必须与电容器对应于电极“+”的电极112电绝缘。

在图1中另外存在一些板条形式的电流条3，它们中的每一个另外彼此电连接电容器110对应于电极“+”的电极112和对应于电极“-”的电流条3，特别通过公共电流条33，以便进一步改善在电容器110的电极112和对应于电极“+”的电流条3之间的导电性能。

电容器110例如优选这样构造，每一电极111和112由一个金属板或者金属薄膜111’或者112’组成，从它们竖直放置梳齿状薄平面形状的、彼此平行的金属薄片114，其中的一些在图3中在电容器110的一个外壁115的一个实际上不存在的开孔116中在截面中可见，其在图3中竖直排列。两个板111’、112’这样组装，直到在每一板端部的一个薄片一个板的每一薄片设置在另一板的两个薄片之间，并且通过电介质113与这两个薄片分开。

在图示实施例中电流的采样从用“≈”表示的电流相位线3实现。电极“-”优选接地，电极“+”例如取6V、12V或者24V。

应该想到，所有离开载体2的具有水的部分在振动时容易振荡。这特别在预期的高温下导致迅速老化连接部分。由于需要数百安培的电流，电流引线必须要用很大的横截面实现，以便它在高热环境中不会过热。通过在冷却的载体2上粘接，可以引开功率损失，使得用薄片作电流条3就已够用。因为电流条3和绝缘材料层6同样直接在载体2上彼此密集设置，使得彼此相对的振荡可以忽略。短的导体桥4、40、41具有这样的固有频率，即它几乎不会产生共振。通过夹持设备100以导电夹子101的形式和具有冷却体90的载体接触，另外保证了粗的连接电缆不会扯掉粘接的电流条3。