本公开涉及功率设备及用于组装功率设备的方法。
背景技术：
1、诸如逆变器的功率设备是众所周知的。它们通常包括安装在载体的一侧上的多个功率半导体模块，例如，用于流体或空气冷却。功率半导体模块可以在载体的顶侧上被布置成一行，从而可以提供串行冷却。
2、需要一种改进的功率设备，例如，具有良好热性能和紧凑设计并且具有减小的面积和/或空间消耗的功率设备。此外，需要一种组装这种功率设备的方法。
技术实现思路
1、本公开的实施例涉及一种改进的功率设备。本公开的其他实施例涉及一种用于组装功率设备的方法。
2、首先，对功率设备进行详细说明。
3、根据一个实施例，功率设备包括至少两个功率半导体模块和具有顶侧和相对的底侧的载体。功率半导体模块被安装在载体上并与载体热连接。至少两个功率半导体模块被以重叠配置布置，使得在顶侧的平面图中看的情况下，安装在顶侧上的至少一个功率半导体模块和安装在底侧上的至少一个功率半导体模块至少部分地彼此重叠。
4、本发明尤其基于这样的认识，即将半导体功率模块在载体的一侧上布置为一行使得功率半导体模块的安装和电连接相对容易。另一方面，由于该行是由功率模块和相应的夹持机构创建的，整个设置变得相当长。例如，载体的长度可能会超过期望应用(例如，在可用空间有限的汽车行业中的应用)的尺寸限制。
5、本发明的发明人尤其想到以重叠配置将功率半导体模块布置在载体的顶侧和底侧上，以节省空间。例如，载体的长度可以减少高达50％。
6、功率设备的所有功率半导体模块可以是相同类型的，或者可以被类似地构造。因此，本文针对一个功率半导体模块公开的所有特征也针对功率设备的其他或所有其他功率半导体模块公开。
7、功率半导体模块可以各自包括一个或多个功率半导体芯片。功率半导体芯片(例如)在模块内以电、热、和/或机械方式互连。功率半导体模块可以各自包括基板，该基板可以具有顶部金属化层和底部金属化层以及其间的绝缘层。一个或多个功率半导体芯片可以被电、机械、和/或热连接到顶部金属化层。例如，基板可以是dbc(直接键合铜)基板或dba(直接键合铝)基板或具有绝缘陶瓷层的amb(有源金属支撑)基板或具有绝缘树脂层的ims(绝缘金属基板)。此外，功率半导体模块可以各自包括端子，这些端子可以被结合到顶部金属化层。
8、功率半导体模块可以各自适于处理大于10a的电流。功率半导体模块可以是适于处理1kv以下电压的低压模块，也可以是适于处理1kv至30kv之间电压的中压模块。
9、功率半导体芯片和/或功率半导体模块的基板和/或端子可以被布置在相应功率半导体模块的外壳中。外壳可以被填充以封装也可以是封装，其中，功率半导体芯片和/或基板和/或端子被嵌入在所述封装中。封装可以是树脂或介电凝胶。例如，封装是通过浇铸或模塑(例如，传递模塑)形成的。
10、功率半导体模块还可以包括底板，功率半导体芯片和/或基板被安装在底板上。例如，基板带有面向底板的底部金属化层地安装在底板上。底板(例如)被配置用于从功率半导体芯片散热。例如，底板由金属(如cu或al)或复合材料(如铝碳化硅或镁碳化硅)形成。
11、载体可以是冷却载体。例如，载体包括金属或由金属组成，如cu或al。载体可以一体成形或者由多个零件(例如，两个半壳)形成。
12、在顶侧的平面图中看的情况下，以重叠配置布置的功率半导体模块可以彼此部分或完全重叠。换句话说，当重叠配置中的半导体芯片被突出到载体的顶侧时，突出的功率半导体模块部分或完全地彼此重叠。例如，顶侧上的半导体模块的至少25％或至少30％的面积与底侧上的功率半导体模块重叠，和/或反之亦然。附加地或替代地，顶侧上的功率半导体模块的最多70％或最多75％的面积可以与底侧上的功率半导体模块重叠，和/或反之亦然。例如，安装在载体的一侧上的功率设备的多个或每个功率半导体模块被与载体的另一侧上的至少一个其他功率半导体模块以重叠配置布置。
13、功率设备的功率半导体模块(例如)被彼此电连接。
14、功率设备可以包括安装在顶侧上的多个功率半导体模块和/或安装在底侧上的多个功率半导体模块。针对顶侧上的一个功率半导体模块公开的所有特征也针对顶侧上的所有其他功率半导体模块公开，针对底侧上的一个功率半导体模块公开的所有特征也针对底侧上的所有其他功率半导体模块公开。
15、在此，“顶”和“底”或类似的表达绝不应被理解为仅限于与重力方向反平行和平行的方向。它们通常被用来(例如)指示彼此相反的区域或方向。
16、根据另一实施例，功率设备包括以重叠配置布置的至少三个功率半导体模块，使得在顶侧的平面图中看的情况下，安装在顶侧上的至少两个功率半导体模块与安装在底侧上的至少一个相同的功率半导体模块重叠，或者在顶侧的平面图中看的情况下，安装在底侧上的两个至少功率半导体模块和安装在顶侧上的至少一个相同的功率半导体模块重叠。在顶侧的平面图中看的情况下，每个功率半导体模块可以与最多两个功率半导体模块重叠。
17、例如，在顶侧的平面图中，一侧上的一个功率半导体模块(其与另一侧的两个功率半导体模块重叠)在横向方向被布置在另一侧的两个功率半导体模块之间，例如，被对称地布置在这两个功率半导体模块之间。横向方向在本文中是平行于载体的顶侧和/或平行于载体的主延伸平面的方向。
18、关于重叠程度，关于以重叠配置布置的至少两个功率半导体模块公开的相同内容也针对以重叠配置布置的至少三个功率半导体模块公开。
19、这里和下文中，针对以重叠配置布置的至少两个功率半导体模块公开的所有特征也针对以重叠配置布置的所有功率半导体模块公开。
20、在顶侧的平面图中看的情况下，功率设备的功率半导体模块可以被布置成一行或多行。一行的功率半导体模块可以各自被与同一行的至少一个其他功率半导体模块以重叠配置布置。例如，至少一行在纵向方向上延伸，所述纵向方向是横向方向。在顶侧的平面图中看的情况下，一行的至少一个半导体模块也可以与另一侧的半导体模块和不同行的半导体模块重叠。
21、根据另一实施例，以重叠配置布置的功率半导体模块各自包括位于其各自背侧的多个冷却元件。背侧是功率半导体模块面向载体的一侧。冷却元件可以从背侧朝向载体突出。背侧可以由底板或基板和/或外壳形成。冷却元件可以由底板或基板形成。
22、根据另一实施例，载体在顶侧包括至少一个顶部开口。顶部开口可以是通向载体中的腔体的开口。此外，载体在底侧包括至少一个底部开口。底部开口可以是通向载体中的腔体的开口。每个顶部开口和底部开口可以被分配给单独的腔体。各个腔体可以被彼此流体耦合，例如，经由通道部分彼此流体耦合。替代地，顶部和底部开口可以是通向同一腔体的开口。例如，载体是内部有一个或多个腔体的空心体。例如，一个或多个腔体各自具有长方体形状、立方体形状、或圆柱形形状中的一种。例如，一个或多个腔体不完全延伸穿过载体。
23、根据另一实施例，在载体的顶侧的平面图中看的情况下，至少一个顶部开口和至少一个底部开口最多部分地彼此重叠。例如，在顶侧的平面图中看的情况下，顶部开口被与至少一个底部开口不重叠地布置。换句话说，在顶侧的平面图中，顶部开口不与底部开口重叠。替代地，顶部开口和底部开口可能有小重叠，例如，顶部开口或底部开口的最多25％、或最多20％、或最多10％的面积重叠。
24、载体可以包括多个顶部开口和/或多个底部开口。与一个顶部开口或一个底部开口相关地公开的所有特征也分别针对所有其他顶部开口和底部开口公开。例如，在载体的平面图中看的情况下，所有开口被布置为彼此不重叠或最多彼此部分重叠。
25、根据另一实施例，以重叠配置布置的功率半导体模块的冷却元件通过顶部开口和底部开口突出到载体中，即进入载体的内部，例如进入载体中的腔体。这意味着，顶侧上的功率半导体模块的冷却元件通过顶部开口突出，而底侧的功率半导模件的冷却元件通过底部开口突出。每个半导体模块可以被一对一地分配以顶部开口或底部开口，并且冷却元件可以突出通过分配的开口。
26、由于一个或多个顶部开口和一个或多个底部开口的非重叠或仅小重叠布置，载体可以被设计得相对较薄。
27、根据另一实施例，冷却元件是冷却肋或冷却翅片，例如，销翅片。例如，冷却翅片呈圆柱形、圆锥形、或菱形形状。冷却元件可以从背侧柱状突出，即冷却元件的主延伸方向可以垂直于功率半导体模块的主延伸平面延伸。
28、根据另一实施例，以重叠配置布置的功率半导体模块可以各自包括功能区和辅助区。功能区可以是中心区，而辅助区可以是横向围绕中心区的外围区，例如，横向完全围绕中心区的外围区。功能区和辅助区可以分别是没有中断的连续区。在顶侧的平面图中，辅助区的面积可以是功能区的面积的至少10％或至少50％和/或最多100％或最多70％。
29、根据另一实施例，一个或多个功率半导体芯片被布置在功率半导体模块的功能区中。附加或替代地，一个或多个冷却元件可以被布置在功能区中。
30、根据另一实施例，半导体模块的辅助区没有半导体芯片和/或没有冷却元件。
31、每个功率半导体模块可以包括多个功能区，这些功能区在横向方向上由一个或多个辅助区隔开。与一个功能区相关地公开的所有特征也针对功率半导体模块的所有其他功能区公开。与一个辅助区相关地公开的所有特征也针对所有其他辅助区公开。
32、根据另一实施例，重叠配置中的功率半导体模块的辅助区在顶侧的平面图中至少部分地彼此重叠。重叠配置中的功率半导体模块的功能区在该平面图中(例如)彼此不重叠，即它们在该平面图中彼此不重叠。
33、具有分配的功率半导体芯片的功能区是(例如)在操作过程中产生大部分热量的区域。有利的是，将功能区彼此不重叠地布置，以便将热量均匀地分布在载体上，从而改善冷却性能。例如，通过这种方式改进了串行冷却。
34、根据另一实施例，功率半导体模块的冷却元件在每种情况下都被布置在功能区内和辅助区的外部。也就是说，在载体的顶侧的平面图中，功率半导体模块的冷却元件仅与功能区重叠，而不与辅助区重叠。例如，在顶侧的平面图中，辅助区横向完全围绕冷却元件和/或分配给半导体模块的开口。由冷却元件占据的面积(例如)至少具有功率半导体模块的功率半导体芯片的布置的周界的尺寸。
35、根据另一实施例，辅助区被配置用于将功率半导体模块连接到载体。在辅助区中，功率半导体模块的背侧可以是平坦的，以便允许将功率半导体模块安装在载体上。至少在辅助区中，背侧可以由基板或底板和/或外壳形成。在辅助区上，背侧可以至少部分地与密封件接触。
36、例如，在辅助区中，半导体模块通过固定装置被固定到载体。在顶侧的平面图中，固定装置可以仅与辅助区重叠。固定装置可以是一个或多个夹具和/或一个或多个螺钉，功率半导体模块通过该一个或多个夹具被夹持到载体上，功率半导体模块通过该一个或多个螺钉拧到载体上。例如，在辅助区中，穿过功率半导体模块(例如，穿过封装和/或底板和/或基板)形成一个或多个螺孔。
37、在顶侧的平面图中看的情况下，分配给功率半导体模块的固定装置(该功率半导体模块与另一个功率半导体模块处于重叠配置)可以与该另一个功率半导体模块重叠(例如，与其功能区重叠)。固定装置也可以专用于顶侧或底侧之一上的两个相邻的功率半导体模块。
38、根据另一实施例，载体被配置为引导冷却流体用于冷却功率半导体模块。冷却流体可以被引导通过载体的内部，例如在顶侧和底侧之间。例如，载体被配置为在功率半导体模块布置在其中的一行或多行的主延伸方向上，即在纵向方向上在载体内引导冷却流体。
39、载体可以包括用于将冷却流体引导到载体中的入口和用于将冷却液体引导出载体的出口。冷却流体可以是气态或液态。例如，冷却流体是水基冷却剂或油。载体长度的减小允许冷却流体流动路径的长度减小。这可以提高冷却效率。
40、根据另一实施例，载体被配置为引导冷却流体通过突出穿过开口的冷却元件。因此，冷却流体然后可以沿着冷却元件流动并通过冷却元件，从而可以从冷却元件吸收来自功率半导体芯片的热量。因此，冷却元件也可以在冷却流体中产生湍流，这在冷却效率方面是有利的。
41、根据另一实施例，至少一个通道被形成在载体中，用于引导冷却流体。通道可以从载体的一端延伸到载体的另一端。通道可以被连接到入口和出口。例如，通道从布置功率半导体模块的行的一端延伸到该行的另一端。顶侧和底侧部的开口都可以是通道的开口或进口。
42、载体中的一个或多个腔体可以是通道的一部分，或者可以形成通道。例如，通道包括一个或多个绕组。通道可以是曲折形状。在垂直于通道的延伸方向的方向上，通道可以完全被载体的材料包围。
43、载体可以是没有电气功能的纯冷却载体。例如，在功率设备的正常操作期间，没有电流流过载体。
44、根据另一实施例，至少一个功率半导体模块，例如，多个或所有功率半导体模块被结合到载体上。例如，功率半导体模块被焊接或烧结或熔焊或胶合到载体上。在这种情况下，功率半导体模块的背侧可以是平坦的。
45、根据另一实施例，至少一个功率半导体模块，例如，多个或所有功率半导体模块包括至少一个功率半导体芯片，该功率半导体芯片是igbt、二极管、mosfet、晶闸管、jfet、hemt之一。功率半导体模块可以包括多个这样的功率半导体芯片。
46、例如，至少一个功率半导体模块包括以半桥或全桥配置连接的多个功率半导体芯片。
47、半桥是一种电路，包括两个开关元件或两对开关元件，每对开关元件由串联连接在两个dc连接点之间并在其间提供ac连接点或输出点的一个开关元件和一个二极管构成。dc连接点和ac连接点/输出点可以被电连接到功率模块的功率端子。每个开关元件可以由并联电连接的一个或多个半导体开关构成。开关元件(例如)由上述功率半导体芯片实现。
48、功率模块可用在电转换器或逆变器中，例如，该电转换器或逆变器可以对要提供给dc链路或电池的ac电压进行整流。逆变器也可以从要提供给电动机(诸如，电动汽车的电动机)的dc电压生成ac电压。电转换器也可以是dc-dc转换器。功率模块可用在汽车应用(诸如，电动汽车、摩托车、公共汽车、和越野车)中。
49、功率设备可以是逆变器或转换器，例如，用于可再生能源，例如，风力涡轮机、太阳能面板、潮汐发电厂、和电动汽车(ev)、或牵引应用。功率模块可以以所谓的六包配置实现，其中三个半桥功率半导体模块代表三相。
50、接下来，详细说明用于组装功率设备的方法。该方法可用于组装根据本文所述的任何实施例的功率设备。因此，与功率设备相关地公开的所有特征也针对该方法公开，反之亦然。
51、根据一个实施例，用于组装功率设备的方法包括在载体的顶侧上安装至少一个功率半导体模块并在载体的与顶侧相对的底侧上安装至少一个功率半导体模块，使得至少两个功率半导体模块被以重叠配置布置，其中，在顶侧的平面图中看的情况下，顶侧上的至少一个功率半导体模块和底侧上的至少一个功率导体模块至少部分地彼此重叠。
52、可以将功率半导体模块安装在载体上，使得功率半导体模块被固定连接到载体。例如，功率半导体模块被拧入、夹持、焊接、胶合、熔焊、或烧结到载体上。也可以使用这些连接方法的任何组合。
53、根据另一实施例，在将功率半导体模块安装在载体上之后，功率半导体模块被彼此电连接和/或与功率设备的其他部分电连接，如电容器或控制电子设备。
54、在下文中，将基于示例性实施例参考附图更详细地解释功率设备和用于组装功率设备的方法。附图被包括以提供进一步的理解。在附图中，相同结构和/或功能的元件可以用相同的附图标记表示。应当理解，图中所示的实施例是说明性表示，不一定按比例绘制。只要不同附图中的元件或部件在功能上彼此对应，就不对以下每个附图重复其描述。为了清楚起见，元件可能不会在所有图中以相应的附图标记出现。
1.一种功率设备(100)，包括：
2.根据权利要求1所述的功率设备(100)，其中，
3.根据权利要求1或2所述的功率设备(100)，其中，
4.根据权利要求3所述的功率设备(100)，其中，
5.根据权利要求3或4所述的功率设备(100)，其中，
6.根据权利要求3或4结合权利要求5所述的功率设备(100)，其中，
7.根据权利要求5或6所述的功率设备(100)，其中，
8.根据前述权利要求中任一项所述的功率设备(100)，其中，
9.根据权利要求8在其从属于权利要求3时所述的功率设备(100)，其中，
10.根据权利要求8或9所述的功率设备(100)，其中，
11.根据前述权利要求中任一项所述的功率设备(100)，其中，
12.根据前述权利要求中任一项所述的功率设备(100)，其中，
13.一种用于组装功率设备(100)的方法，包括：
