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公開番号2020005500
公報種別公開特許公報(A)
公開日20200109
出願番号2019162989
出願日20190906
発明の名称高電圧電力モジュール
出願人クリー ファイエットヴィル インコーポレイテッド
代理人個人,個人,個人,個人,個人
主分類H02M 7/48 20070101AFI20191206BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】性能が改善された電力モジュールを提供する。
【解決手段】電力モジュール10は、取外し可能なジャンパ38を介して接続された、いくつかのサブモジュールを含む。取外し可能なジャンパ38により、サブモジュールにおける1つまたは複数の電力半導体ダイ34の間の接続部は再構成されることが可能になり、したがって、取外し可能なジャンパ38を設けたとき、電力モジュール10は第1の機能を有し、取外し可能なジャンパ38を取り外したとき、電力モジュール10は第2の機能を有する。取外し可能なジャンパ38により、サブモジュールの独立した試験も可能になる。電力モジュール10は、電力半導体ダイ34の1つまたは複数の接点を接続するのに使用される多層印刷回路板(PCB)36を含むこともできる。多層PCB36により、接点間の浮遊インダクタンスが低減され、電力モジュール10の性能が改善される。
【選択図】図3
特許請求の範囲【請求項1】
第1の電力半導体ダイを備える第1のサブモジュールと、
第2の電力半導体ダイを備える第2のサブモジュールと、
前記第1の電力半導体ダイの少なくとも1つの接点と前記第2の電力半導体ダイの少なくとも1つの接点との間に結合された取外し可能なジャンパとを備える、電力モジュール。
続きを表示(約 2,000 文字)【請求項2】
前記電力モジュールが、少なくとも3kVを遮断するように構成される、請求項1に記載の電力モジュール。
【請求項3】
前記第1のサブモジュールと前記第2のサブモジュールとが、電力モジュールから独立して取外し可能である、請求項1に記載の電力モジュール。
【請求項4】
前記第1の電力半導体ダイと前記第2の電力半導体ダイとが、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ(MOSFET)である、請求項1に記載の電力モジュール。
【請求項5】
前記第1の電力半導体ダイの前記少なくとも1つの接点と前記第2の電力半導体ダイの前記少なくとも1つの接点とが、ゲート接点である、請求項4に記載の電力モジュール。
【請求項6】
前記第1の電力半導体ダイと前記第2の電力半導体ダイとが、炭化ケイ素デバイスである、請求項4に記載の電力モジュール。
【請求項7】
第3の電力半導体ダイを備える第3のサブモジュールと、
前記第3の電力半導体ダイの少なくとも1つの接点と前記第2の電力半導体ダイの前記少なくとも1つの接点との間に結合された追加の取外し可能なジャンパとをさらに備える、請求項1に記載の電力モジュール。
【請求項8】
前記取外し可能なジャンパと前記追加の取外し可能なジャンパとを設けたとき、前記電力モジュールが、単相動作モードで動作するように構成され、
前記取外し可能なジャンパと前記追加の取外し可能なジャンパとを設けなかったとき、前記電力モジュールが、三相動作モードで動作するように構成される、請求項7に記載の電力モジュール。
【請求項9】
前記第1のサブモジュールと、前記第2のサブモジュールと、前記第3のサブモジュールとが、前記電力モジュールから独立して取外し可能である、請求項7に記載の電力モジュール。
【請求項10】
第1の接点と第2の接点とを備える第1の電力半導体ダイと、
第1の接点と第2の接点とを備える第2の電力半導体ダイと、
前記第1の電力半導体ダイと前記第2の電力半導体ダイとの間に結合された多層印刷回路板(PCB)とを備え、したがって、
前記多層PCBの第1の導電層が、前記第1の電力半導体ダイの前記第1の接点と前記第2の電力半導体ダイの前記第1の接点との間に結合され、
前記多層PCBの第2の導電層が、前記第1の電力半導体ダイの前記第2の接点と前記第2の電力半導体ダイの前記第2の接点との間に結合され、
前記第1の導電層と前記第2の導電層とが、絶縁層によって分離される、電力モジュール。
【請求項11】
前記電力モジュールが、少なくとも3kVを遮断するように構成される、請求項10に
記載の電力モジュール。
【請求項12】
前記第1の電力半導体ダイと前記第2の電力半導体ダイとが、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ(MOSFET)である、請求項10に記載の電力モジュール。
【請求項13】
前記第1の電力半導体ダイと前記第2の電力半導体ダイとが、炭化ケイ素デバイスである、請求項12に記載の電力モジュール。
【請求項14】
前記第1の電力半導体ダイの前記第1の接点と前記第2の電力半導体ダイの前記第1の接点が、ゲート接点であり、
前記第1の電力半導体ダイの前記第2の接点と前記第2の電力半導体ダイの前記第2の接点とが、ソース接点である、請求項12に記載の電力モジュール。
【請求項15】
前記第1の導電層に結合された第1の電気コネクタと、
前記第2の導電層に結合された第2の電気コネクタとをさらに備える、請求項10に記載の電力モジュール。
【請求項16】
前記第1の電気コネクタと前記第2の電気コネクタとの間のインダクタンスが、約15nH未満である、請求項15に記載の電力モジュール。
【請求項17】
前記第1の電気コネクタと前記第2の電気コネクタとが、マイクロ同軸(MCX)コネクタに設けられる、請求項15に記載の電力モジュール。
【請求項18】
前記第1の電力半導体ダイと前記第2の電力半導体ダイとが、第3の電気コネクタと第4の電気コネクタとの間に直列に結合された複数の半導体ダイの一部である、請求項10に記載の電力モジュール。
【請求項19】
前記第3の電気コネクタと前記第4の電気コネクタとが、約30mmより大きい幅を有する、ボルト締めされたコネクタである、請求項18に記載の電力モジュール。
【請求項20】
前記第3の電気コネクタと前記第4の電気コネクタとの間のインダクタンスが、約20nH未満である、請求項19に記載の電力モジュール。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
政府支援
[0001]本発明は、海軍研究事務所によって授与された契約番号N00014−15−C−0051の下で政府資金を用いて行われた。米国政府は本発明に一定の権利を有する。
続きを表示(約 15,000 文字)【0002】
[0002]本開示は、電力モジュールに関し、詳しくは高電圧、高周波電力モジュールに関する。
【背景技術】
【0003】
[0003]電力モジュールは、電力変換システムにおいて様々な機能を果たすことができる独立型のデバイスである。例えば、電力モジュールは、昇圧変換器、降圧変換器、ハーフブリッジ変換器、フルブリッジ変換器、またはそれらの任意の部分を形成するのに必要な任意の数のスイッチング構成部品を含むことができる。従来の電力モジュールは、シリコン(Si)スイッチング構成部品を有する、一般に使用される電力変換回路を有する。多くの適用例において有効であるが、シリコンスイッチング構成部品を有する電力変換回路を使用することにより、一般に、電力変換回路が動作することができるスイッチング周波数が制限される。次いで、これにより、より大きな磁性構成部品の使用が必要となり、それにより、電力変換システムの費用が上昇することがある。さらに、シリコンスイッチング構成部品の効率が制限され、それにより、電力変換システムにおける不必要なエネルギー消費が生じることがある。
【0004】
[0004]従来の電力モジュールは、一般に、修理または再加工に適さない単一目的デバイスである。従来の電力モジュールは、電源基板に恒久的に取り付けられ、所望どおりに1つまたは複数の電気コネクタに接続された、いくつかの電力半導体ダイを含むことができる。電力半導体ダイへの接続部の恒久的性質により、従来の電力モジュールは、通常、それらが設計されている単一の特定の機能(例えば、昇圧変換器、降圧変換器、ハーフブリッジ変換器、またはフルブリッジ変換器における)だけに使用することができる。さらに、電力半導体ダイのうちの1つが故障した場合、従来の電力モジュール全体を通常交換しなければならない。
【0005】
[0005]電力モジュールのいくつかの重要な性能測定基準(例えば、ゲート制御ループインダクタンスおよび電源ループインダクタンス)は、電力半導体ダイのレイアウトおよびその接点と1つまたは複数の電気接点との間の経路設定によって決まる。電力モジュールのこれらの態様の改善は、絶えず進化しているが、改善には顕著な余地がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
[0006]上記の観点から、性能が改善された電力モジュールが必要とされる。具体的には、修理可能で再加工可能である電力モジュールが必要とされる。さらに、高いスイッチング速度で動作することができ、高い効率を提供することができる電力モジュールが必要とされる。最後に、レイアウトおよびその接続経路が改善された電力モジュールが必要とされる。
【課題を解決するための手段】
【0007】
[0007]一実施形態において、電力モジュールが、第1のサブモジュールと第2のサブモジュールとを含む。第1のサブモジュールは、少なくとも第1の電力半導体ダイを含む。第2のサブモジュールは、少なくとも第2の電力半導体ダイを含む。取外し可能なジャン
パが、第1の電力半導体ダイの少なくとも1つの接点と、第2の電力半導体ダイの少なくとも1つの接点との間に結合され、したがって、取外し可能なジャンパを設けたとき、電力モジュールは、第1の機能を提供するように構成され、取外し可能なジャンパを取り外したとき、電力モジュールは、第2の機能を提供するように構成される。取外し可能なジャンパを介して第1の電力半導体ダイと第2の電力半導体ダイとを接続することにより、電力モジュールを再構成することが可能になり、したがって、電力モジュールは、電力変換システムにおいて様々な機能を果たすことができる。さらに、取外し可能なジャンパを介して第1の電力半導体ダイと第2の電力半導体ダイとを接続することにより、第1のサブモジュールと第2のサブモジュールとを独立して試験することが可能になる。
【0008】
[0008]一実施形態において、第1のサブモジュールと第2のサブモジュールとは、電力モジュールから独立して取外し可能である。したがって、第1のサブモジュールまたは第2のサブモジュールのいずれかにおける1つまたは複数の構成部品の故障の場合に、電力モジュール全体を交換するのではなく、特定のサブモジュールを交換することができる。
【0009】
[0009]一実施形態において、電力モジュールは、第3のサブモジュールを含み、次いで、第3のサブモジュールは、第3の電力半導体ダイを含む。追加の取外し可能なジャンパが、第3の電力半導体ダイの少なくとも1つの接点を第2の電力半導体ダイの少なくとも1つの接点に結合する。取外し可能なジャンパと追加の取外し可能なジャンパとを設けたとき、電力モジュールは、単相動作モードで動作するように構成される。取外し可能なジャンパと追加の取外し可能なジャンパとを取り外したとき、電力モジュールは、三相動作モードで動作するように構成される。取外し可能なジャンパと追加の取外し可能なジャンパとを使用して、第1の電力半導体ダイと、第2の電力半導体ダイと、第3の電力半導体ダイとを接続することにより、電力モジュールは、複数の動作モードで動作し、したがって、様々な機能を果たすことが可能になる。さらに、取外し可能なジャンパと追加の取外し可能なジャンパとを介して第1の電力半導体ダイと、第2の電力半導体ダイと、第3の電力半導体ダイとを接続することにより、第1のサブモジュールと、第2のサブモジュールと、第3のサブモジュールとを独立して試験することが可能になる。
【0010】
[0010]一実施形態において、電力モジュールが、第1の電力半導体ダイと、第2の電力半導体ダイと、第1の電力半導体ダイと第2の電力半導体ダイとの間に結合された多層印刷回路板(PCB:printed circuit board)とを含む。特に、第1の電力半導体ダイと第2の電力半導体ダイとは、それぞれ、第1の接点と第2の接点とを含む。第1の電力半導体ダイの第1の接点と第2の半導体ダイの第1の接点とは、多層PCBの第1の導電層を介して互いに結合される。第1の電力半導体ダイの第2の接点と第2の電力半導体ダイの第2の接点とは、多層PCBの第2の導電層を介して互いに結合され、多層PCBの第2の導電層は、絶縁層によって第1の導電層から分離される。第1の導電層は第1の電気コネクタに結合することができ、第2の導電層は第2の電気コネクタに結合することができる。多層PCBの互いに異なる層を使用して、第1の電力半導体ダイの接点と第2の電力半導体ダイの接点とを結合することにより、それぞれの導電層は、第1の導電層と第2の導電層とが単層PCB(同じ幅を有するPCBの場合)上で互いに隣接していた場合、普通なら可能となるはずよりも幅が広くなることが可能となる。したがって、第1の電気コネクタから第1の電力半導体ダイの第1の接点と第2の電力半導体ダイの第1の接点との、および第2の電気コネクタから第1の電力半導体ダイの第2の接点と第2の電力半導体ダイの第2の接点とのインダクタンスは低減され、それによって、電力モジュールの性能が改善される。
【0011】
[0011]一実施形態において、第1の電力半導体ダイと第2の電力半導体ダイとの第1の接点はゲート接点であり、第1の電力半導体ダイと第2の電力半導体ダイとの第2の接点はソース接点であり、したがって、第1の電気コネクタと第2の電気コネクタとの間の導
電経路は、ゲート制御ループを画定する。ゲート制御ループのインダクタンスは、いくつかの実施形態においては約15nH未満でよいが、わずか約1nHまででよい。次いで、ゲート制御ループのインダクタンスを低減することにより、電力モジュールにおける干渉および損失が低減し、それによって、その性能が改善される。
【0012】
[0012]一実施形態において、第1の電気コネクタと第2の電気コネクタとは、マイクロ同軸(MCX:micro coaxial)コネクタに一緒に設けられる。第1の電気コネクタと第2の電気コネクタとをMCXコネクタに設けることにより、外部コネクタとそれぞれの電気コネクタとの間のインダクタンスおよび干渉が低減し、それによって、電力モジュールの性能がさらに改善される。
【0013】
[0013]一実施形態において、複数の電力半導体ダイが、第3の電気コネクタと第4の電気コネクタとの間に直列に結合される。第3の電気コネクタと第4の電気コネクタは、ボルト締めされた幅広いコネクタであり、したがって、第3の電気コネクタと第4の電気コネクタとの間の電気経路は、約20nH未満およびわずか約1nHまでのインダクタンスを有する。他の実施形態においては、第3の電気コネクタと第4の電気コネクタとの間の電気経路は、約16.5nH未満でよい。
【0014】
[0014]一実施形態において、電力半導体ダイの各1つが、その内部ボディダイオードを逆並列ダイオードとして使用する。各電力半導体ダイの内部ボディダイオードを逆並列ダイオードに使用することにより、各デバイスのサイズが低減することができ、したがって、電力モジュールの設置面積の低減が可能になり、または追加の電力半導体ダイを電力半導体ダイに設けることが可能になる。
【0015】
[0015]一実施形態において、電力モジュールは、6.5kVから16kVの間を遮断し、オン状態抵抗が250mΩから450mΩの間あたりの最大240Aまで伝導する定格にすることができる。
【0016】
[0016]一実施形態において、電力モジュールの蓋が、電気コネクタが貫通して延びるいくつかの開口部を含む。開口部のうちの少なくとも1つは、クリーページエクステンダ(creepage extender)によって囲まれ、クリーページエクステンダは、いくつかの同心凹部および/または隆起部を含む。クリーページエクステンダは、コネクタの各1つの間の沿面距離を効果的に延ばし、したがって、電力モジュールは、UL840およびIEC60664−1 creepage/clearance for a 15kV module with a footprint of 195mmx125mmx23.5mm(195mmx125mmx23.5mmの設置面積を有する15kVモジュールのクリーページ/クリアランス)を満足させる。
【0017】
[0017]当業者は、添付の図面の図に関連して以下の好ましい実施形態の詳細な説明を読んだ後、本開示の範囲を認識し、その追加の態様を理解するであろう。
[0018]本明細書に組み込まれており、本明細書の一部を形成する添付の図面の図は、本開示のいくつかの態様を示し、説明とともに、本開示の原理を明らかにする働きをする。
【図面の簡単な説明】
【0018】
[0019]本開示の一実施形態による電力モジュールの等角図である。
[0020]本開示の一実施形態による電力モジュールの上面図である。
[0021]本開示の一実施形態による電力モジュール内の電力変換回路の上面図である。
[0022]本開示の一実施形態による電力モジュール内の電力変換回路の回路図である。
[0023]本開示の一実施形態による電力モジュールの分解図である。
[0024]本開示の一実施形態によるクリーページエクステンダを示す図である。
[0024]本開示の一実施形態によるクリーページエクステンダを示す図である。
[0024]本開示の一実施形態によるクリーページエクステンダを示す図である。
[0025]本開示の一実施形態による多層印刷回路板(PCB)を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0019】
[0026]以下に記載する実施形態は、当業者が実施形態を実施し、実施形態を実施する最良の態様を示すことが可能になるように必要な情報を表す。添付の図面の図に照らして以下の説明を読むと、当業者は、本開示の概念を理解し、本明細書で特に対処されないこれらの概念の適用例を認識するであろう。これらの概念および適用例は、本開示の範囲および添付の特許請求の範囲内に含まれることを理解されたい。
【0020】
[0027]第1の、第2のなどの用語は、様々な要素を説明するために本明細書で使用することができるが、これらの要素は、これらの用語によって限定されないものとすることを理解されよう。これらの用語は、1つの要素を別の要素と区別するためだけに使用される。例えば、本開示の範囲から逸脱することなく、第1の要素は、第2の要素と呼ぶことができ、同様に、第2の要素は、第1の要素と呼ぶことができる。本明細書では、「および/または(and/or)」という用語は、関連した列挙品目のうちの1つまたは複数の任意のおよびすべての組合せを含む。
【0021】
[0028]層、領域、または基板などの要素は、別の要素「上(on)」にある、または別の要素「の上(onto)」に延びると称されるとき、それは他の要素の直接上にあり、または他の要素の直接上に延びることができ、または介在要素が存在してもよいことを理解されよう。対照的に、要素が別の要素「の直接上(directly on)」にあり、または別の要素「の直接上(directly onto)」に延びると称されるとき、介在要素は何も存在しない。同様に、層、領域、または基板などの要素が別の要素「の上(over)」にあり、または別の要素「の上(over)」に延びると称されるとき、それは他の要素の直接上にあり、または他の要素の直接上を延びることができ、または介在要素が存在してもよいことが理解されよう。対照的に、要素が別の要素「の直接上(directly over)」にあり、または別の要素「の直接上(directly over)」に延びると称されるとき、介在要素は何も存在しない。要素が別の要素に「接続される(connected)」、または別の要素に「結合される(coupled)」と称されるとき、それは他の要素に直接接続し、または結合することができ、または介在要素が存在してよいことも理解されよう。対照的に、要素が別の要素に「直接接続される(directly connected)」、または「直接結合される(directly coupled)」と称されるとき、介在要素は何も存在しない。
【0022】
[0029]「より下(below)」または「より上(above)」または「上の(upper)」または「下の(lower)」または「水平の(horizontal)または「垂直の(vertical)」などの相対語は、図に示すように、1つの要素、層、または領域の別の要素、層、または領域に対する関係を説明するために本明細書で使用することができる。これらの用語および上記に説明した用語は、図に示す向きに加えて、デバイスの種々の向きを包含することが意図されていることを理解されよう。
【0023】
[0030]本明細書で使用する術語は、特定の実施形態だけを説明するためであり、本開示
を限定することが意図されていない。本明細書では、「1つの(a)」、「1つの(an)」、および「その(the)」という単数形は、文脈が明確に他を指示していない限り、複数形も含むことが意図されている。「備える(comprises)」、「備える(comprising)」、「含む(includes)」、および/または「含む(including)」という用語は、本明細書に使用されたとき、記載された特徴、整数、ステップ、動作、要素、および/または構成部品の存在を明記するが、1つまたは複数の他の特徴、整数、ステップ、動作、要素、構成部品、および/またはそれらの群の存在または追加を除外しないことがさらに理解されよう。
【0024】
[0031]特に他の定義がない限り、本明細書に使用するすべての用語(技術的および科学的用語を含む)は、本開示が属する技術分野の当業者によって一般に理解されるのと同じ意味を有する。本明細書に使用する用語は、本明細書および関連技術の文脈におけるそれらの意味に合致した意味を有すると解釈すべきであり、本明細書に明示的にそのように定義していない限り、理想的なまたは過度に形式ばった意味で解釈されないことがさらに理解されよう。
【0025】
[0032]図1および2は、本開示の一実施形態による電力モジュール10を示す。具体的には、図1は電力モジュール10の等角図を示すが、図2は電力モジュール10の上面図を示す。以下に説明する電力モジュール10の部分は、1つまたは複数の回、重複することがあるが、同一の部分は、図面を取り乱し、したがって、混乱させることを避けるために、1回または2回だけラベル付けすることができる。電力モジュール10は、筐体12と蓋14とを含む。筐体12は、電力モジュール10を電力変換システム(図示せず)に取り付けるために、貫通して取付け締結具18を設けることができる、いくつかの取付け開口部16を含む。さらに、筐体12は、それぞれ蓋14を筐体12に固定するために蓋取付け締結具22を受けるように構成された、いくつかのねじ切りされた開口部20を含む。蓋14は、筐体12におけるねじ切りされた開口部20に対応するいくつかの蓋取付け開口部24を含み、したがって、蓋取付け締結具22は、蓋14を筐体12に固定するために、蓋取付け開口部24を通り抜け、ねじ切りされた開口部20内に固定される。
【0026】
[0033]蓋14は、貫通して筐体12内の電力変換回路(図示せず)からの1つまたは複数の電気コネクタ28(28Aと28Bとして別々に示す)を設けるいくつかのコネクタ開口部26をさらに含む。とりわけ、コネクタ開口部26の各1つが、クリーページエクステンダ30によって囲まれ、クリーページエクステンダ30は、蓋14にいくつかの高くなったおよび/またはくぼんだ同心リングを含む。クリーページは、以下に詳細に説明するように、蓋14の表面に沿って測定される。各コネクタ開口部26を囲むクリーページエクステンダ30は、電気コネクタ28をさらに離れて移動させることなく、この距離を効果的に増加させる。したがって、電力モジュール10の全設置面積は、所望の沿面距離を維持しながら低減することができる。図示しないが、いくつかの実施形態において、クリーページエクステンダは、蓋14の外縁の周りに設けてもよい。クリーページエクステンダは、相対的に小さな設置面積を維持しながら、電力モジュール10にUL840およびIEC60664−1 creepage/clearance requirements(クリーページ/クリアランス要求事項)による15kVの定格をもたらすことができる。
【0027】
[0034]筐体12は、筐体長L

、筐体幅W

、および筐体高さH

によって画定される。いくつかの実施形態において、筐体長L

は約195mmでよく、筐体幅W

は約125mmでよく、筐体高さH

は約23.5mmでよい。したがって、筐体12は、3x EconoDUAL footprint coldplateに取り付けるように構成することができる。筐体12および蓋14は、いくつかの実施形態においてはプラスチックでよいが、しかし、筐体12および蓋14は、本開示の原理から逸脱することなく任意の適切な材料でよい。
【0028】
[0035]電気コネクタ28は、いくつかのボルト締めされたコネクタ28Aと、いくつかの低雑音コネクタ28Bとを含むことができる。ボルト締めされたコネクタ28Aは、筐体12内の電力変換回路(図示せず)との高電圧および/または高電流接続に使用することができる。低雑音コネクタ28Bは、マイクロ同軸(MCX)コネクタでよく、筐体12内の電力変換回路(図示せず)におけるノードを制御するために低電圧および/または低電流接続部に使用することができる。
【0029】
[0036]図3は、本開示の一実施形態による筐体12内の電力変換回路32の詳細を示す。電力変換回路32は、いくつかの電力半導体ダイ34と、いくつかの相互接続印刷回路板(PCB)36と、相互接続PCB36の間に結合された、いくつかの取外し可能なジャンパ38とを含む。電力半導体ダイ34の各1つは、電源基板40に取り付けられ、その上面上に電力半導体ダイ34に電気的に接続するためのいくつかの接点パッド42を含む。ワイヤボンド44が、各電力半導体ダイ34の様々な接点パッド42を所望の接続点に接続する。一実施形態において、電力半導体ダイ34の各1つは、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ(MOSFET:metal−oxide−semiconductor field−effect transistor)であり、したがって、接点パッド42は、ゲート接点と、ドレイン接点と、ソース接点(図示せず)とを含む。他の実施形態においては、電力半導体ダイ34の各1つは、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)でよい。電力半導体ダイ34の各1つのドレイン接点とソース接点とは、ボルト締めされたコネクタ28Aのうちの1つに結合され、ボルト締めされたコネクタ28Aは、上記に説明したように、蓋を貫通して延び、電力半導体ダイ34によって設けられた高電圧および/または高電流スイッチング経路の接続点を提供する。電力半導体ダイ34の各1つのゲート接点とソース接点とは、相互接続PCB36のうちの1つを介して低雑音コネクタ28Bのうちの1つに結合される。具体的には、電力半導体ダイ34の各1つのゲート接点は、低雑音コネクタ28Bのうちの1つにおける第1の接続点に結合されるが、電力半導体ダイ34の各1つのソース接点は、低雑音コネクタ28Bのうちの同じ1つの第2の接続点に結合され、第2の接続点は、第1の接続点から絶縁される。低雑音コネクタ28Bは、電力半導体ダイ34に提供すべき低電圧および/または低電流制御信号の接続点を提供する。
【0030】
[0037]電力半導体ダイ34は、図4にさらに示すように、群46で配列することができる。各群46は、群46にわたって提供された電圧を分配するために、したがって、その電圧処理能力を高めるために、直列に結合された6つの電力半導体ダイ34を含むことができる。各群46は、サブモジュール48を形成するために別の群と対にすることができる。各対を成す群46は、同様に直列に接続することができ、したがって、各サブモジュール48は、直列に結合された12の電力半導体ダイ34を含む。したがって、ボルト締めされたコネクタ28Aの第1の行が、それぞれのサブモジュール48における電力半導体ダイ34のうちの第1の1つのドレインとの接続部を設けることができ、ボルト締めされたコネクタ28Aの第2の行が、それぞれのサブモジュール48における第1の群46と第2の群46との間のドレイン・ソース接続部との接続部を設けることができ、ボルト締めされたコネクタ28Aの第3の行が、それぞれのサブモジュール48における電力半導体ダイ34のうちの最後の1つのソース接続部との接続部を設けることができる。それぞれの群46における各電力半導体ダイ34のゲート・ソース制御接続部は、それぞれの相互接続PCB36を介して互いに結合することができる。群46の様々な1つの間のゲート・ソース接続部は、取外し可能なジャンパ38によって互いに結合することができる。図示しないが、ゲートリターンまたはソースセンス接続部(gate return or source sense connection)が、一般に、電力半導体ダイ34のソース接続部の各1つに対して設けられ、不飽和化接続部が、一般に、厄介な低インピーダンス短絡から保護するために設けられる。
【0031】
[0038]各群46のゲート接続部およびソース接続部のための取外し可能なジャンパ38を図4に別々に示すが、それらは、図3に示すように、一般に、単一の取外し可能なジャンパ38にまとめて設けられる。しかし、取外し可能なジャンパ38は、本開示の原理から逸脱することなく任意の所望の構成で設けることができる。さらに、低雑音コネクタ28Bを電力半導体ダイ34のゲートおよびソース接続部に対して別々に示すが、低雑音コネクタ28Bは、上記に説明したように、MCXコネクタとしてまとめて設けることができる。
【0032】
[0039]取外し可能なジャンパ38を使用することにより、電力モジュール10を柔軟に再構成し、試験することが可能となる。取外し可能なジャンパ38を設けたとき、電力半導体ダイ34のサブセットのゲート接点とソース接点は、互いに結合される。具体的には、電力モジュール10の上部に配置された18の電力半導体ダイ34は、スイッチングレグの第1の部分を形成するためにそれらのゲート接点とソース接点とを介して互いに結合されるが、電力モジュール10の底部に配置された18の電力半導体ダイ34は、スイッチングレグの第2の部分を形成するためにそれらのゲート接点とソース接点とを介して互いに結合される。取外し可能なジャンパ38を設けたとき、ボルト締めされたコネクタ28Aの各行は、一般に、互いに結合され、したがって、各サブモジュール48は、並列に結合される。これにより、高性能電力変換システムに使用することができる、直列の2つの非常に大きなスイッチングデバイスを含む高電圧および高電流スイッチングレグが効果的に作り出される。そのような構成は、例えば、単相の電力変換システムに使用することができる。具体的には、電力モジュール10は、取外し可能なジャンパ38を設けたとき、ハーフブリッジ電力モジュールとして使用することができる。そのような構成において、電力モジュール10は、10kVの遮断能力と、240Aの順方向導通とを提供することができる。電力半導体ダイ34は、参照によりそのデータシートの全体が本明細書に組み込まれている、Durham,North CarolinaのCree,Inc.製のモデル番号CPM3−10000−0350−ESなどの350mΩのオン状態抵抗を有する10kVのMOSFETでよい。追加の実施形態においては、電力半導体ダイ34は、Durham,North CarolinaのCree,Inc.製のものなどの10kVのIGBTでよい。
【0033】
[0040]本明細書における実施形態は、10kV部分に関連するものとして主に説明するが、本開示の原理から逸脱することなく任意の適切な部分を使用することができる。例えば、5kV部分、15kV部分などを同様に使用することができる。
【0034】
[0041]取外し可能なジャンパ38を設けなかったとき、各サブモジュール48は、他方と独立して動作することが可能になる。すなわち、電力半導体ダイ34の特定の群46に関連付けられた低雑音コネクタ28Bに提供される制御信号は、他の群46における電力半導体ダイ34に提供されない可能性がある。そのような構成は、別々のサブモジュール48を個々に試験するのに、またはサブモジュール48の各1つが別々に制御される三相電力変換システムで電力モジュール10を動作させるのに有用であり得る。一実施形態において、サブモジュール48の各1つは、電力モジュール10から別々に取外し可能である。したがって、単一のサブモジュール48を独立して試験し、交換することが可能であり、それによって、電力モジュール10を修理することが可能になる。
【0035】
[0042]特定の数の電力半導体ダイ34および特定の電力処理能力に関して電力モジュール10を示し、上記に説明したが、本開示はそのように限定されない。すなわち、本開示の概念は、任意の数の電力半導体ダイを有し、互いに異なる電力処理能力を提供する電力モジュールに適用することができる。例えば、電力モジュール10の上部および底部の1
8の電力半導体ダイ34の代わりに、本開示の原理から逸脱することなく、32、24、9つ、6つ、または3つの電力半導体ダイ34など、任意の数の電力半導体ダイ34を使用することができる。
【0036】
[0043]とりわけ、相互接続PCB36は、電力半導体ダイ34のゲート接点間の接続部が第1の導電層上に設けられ、電力半導体ダイ34のソース接点間の接続部が第2の導電層上に設けられる多層PCBでよい。これにより、相互接続PCB36の幅を増加させずに接続経路の横幅を従来の方式に比較して増加させることが可能になる。すなわち、電力半導体ダイ34のゲート接点間の接続部および電力半導体ダイ34のソース接点間の接続部を従来の方式と同様に同じ導電層上に(すなわち、同じ平面に)設けた場合、それらはこの層の表面積を共有しなければならず、それによって、導電経路の全幅が低減され、結果として抵抗および寄生インダクタンスの増加となる。多層PCBの使用により、ゲート接点と、ソース接点と、低雑音コネクタ28Bとの間の寄生インダクタンスが大幅に低減され、次いで、それによって、電力モジュール10の性能が高まる。一実施形態において、ゲート制御ループは、低雑音コネクタ28Bのうちの1つの第1の接続点と第2の接続点との間の電気経路として画定される。多層相互接続PCB36の使用および相互接続PCB36上の接続部の電力半導体ダイ34への近接により、ゲート制御ループのインダクタンスは、従来の電力モジュールと比較したとき低減することができ、一般に15nH未満でよく、具体的には、おおよそ10nHでよい。一実施形態において、ゲート制御ループのインダクタンスは、約1nHよりも大きくてよい。様々な実施形態において、ゲート制御ループのインダクタンスは、約10nHから15nHの間、約5nHから10nHの間、および約1nHから5nHの間でよい。
【0037】
[0044]ボルト締めされたコネクタ28Aの相対的に大きな幅およびそれらの電力半導体ダイ34への近接により、電力モジュール10の高電圧/高電流経路のインダクタンスの同様の低減が可能となり得る。具体的には、電力半導体ダイ34のうちの第1の1つのドレイン接点と電力半導体ダイ34のうちの最後の1つのソース接点との間の(またはボルト締めされたコネクタ28Aの第1の行とボルト締めされたコネクタ28Aの最後の行との間の)電気経路は、20nH未満の、具体的にはおおよそ16nHのインダクタンスを有することができる。一実施形態において、電力半導体ダイ34のうちの第1の1つのドレイン接点と電力半導体ダイ34のうちの最後の1つのソース接点との間の電気経路のインダクタンスは、約1nHよりも大きい。様々な実施形態において、電力半導体ダイ34のうちの第1の1つのドレイン接点と電力半導体ダイ34のうちの最後の1つのソース接点との間の電気経路のインダクタンスは、約10nHから16nHの間、約8nHから12nHの間、および約6nHから10nHの間である。一実施形態において、ボルト締めされたコネクタ28Aの幅は、約15mmから80mmの間であり、それにより、上記に説明したように、電源ループのインダクタンスが低減される。他の実施形態において、ボルト締めされたコネクタ28Aの幅は、約30mmから50mmの間および40mmから60mmの間でよい。
【0038】
[0045]図4に示すように、電力半導体ダイ34は、多くの従来の電力モジュールと同様、逆並列ショットキーダイオードを含まない。これは電力半導体ダイ34の内部ボディダイオードが使用されるためである。電力半導体ダイ34の内部ボディダイオードを逆並列ダイオードとして使用することにより、電力半導体ダイ34のサイズ、したがって、電力モジュール10の全設置面積が大幅に低減される。これにより、追加の電力半導体ダイ34を電力モジュール内に収めることが可能になり得、それによって、その電力処理能力が高まる。
【0039】
[0046]図5は、本開示の一実施形態による電力モジュール10の分解図を示す。電力モジュール10の詳細は上記に説明したものと同じままであるが、図5は電力モジュール1
0から取り外された特定のサブモジュール48を示す。図示するように、ボルト締めされたコネクタ28Aは、電源基板40に結合され、筐体12に設けたいくつかの開口部を貫通して延びる。次いで、電源基板40は、基板50の上に配置される。ガスケット52が、サブモジュール48を囲み、それを筐体12に対して密封し、したがって、シリコンなどの絶縁ポッティング材、または誘電性流体が筐体12の内側に密封される。これにより、ポッティングの前に硬化を必要とする従来のエポキシ工程と比較したとき、サブモジュール48を密封する際の時間が節約され得る。いくつかの相互接続PCBコネクタ54は、図示するように、相互接続PCB36を所定位置に保持する。電源基板40と、基板50と、各サブモジュール48の特定のレイアウトにより、モジュールをハーフブリッジ構成で使用したとき、スイッチ位置ごとに約0.026°C/W未満の熱抵抗(R
jC
)が可能になる。
【0040】
[0047]とりわけ、電力モジュール10にサブモジュール48を使用することにより、各サブモジュール48を独立して交換することが可能になる。したがって、単一のサブモジュール48における単一の電力半導体ダイ34の故障により、または複数の電力半導体ダイ34の故障でも、従来のモジュール同様に電力モジュール10全体を交換することは容易ではない。電力半導体ダイ34は高価である可能性があるので、これは、結果として、従来の方式に比較したとき、大幅な費用節減になる可能性がある。
【0041】
[0048]図6Aから6Cは、本開示の様々な実施形態によるコネクタ開口部26の詳細を示す。具体的には、図6Aから6Cは、コネクタ開口部26の断面図を示す。図6Aに示すように、従来のコネクタ開口部26は、クリーページエクステンダを何も含まない。図6Bは、コネクタ開口部26のうちの1つを囲むいくつかの同心凹部56を含むクリーページエクステンダ30を示す。図6Cに示すように、同じ結果をいくつかの高くなった同心隆起部により達成することができる。図6Aの第1の破線58ならびに図6Bおよび6Cの第2の破線60で示すように、従来の蓋14の平らな表面に沿った沿面測定は、クリーページエクステンダ30に沿った沿面測定よりも大幅に短い。したがって、クリーページエクステンダ30により、コネクタを移動させずに、または他の方法で電力モジュール10の設置面積を改変せずに、沿面距離の増加が可能となる。
【0042】
[0049]図7は、本開示の一実施形態による相互接続PCB36のうちの1つの詳細を示す。具体的には、図7は、相互接続PCB36のうちの1つの分解図を示す。図示するように、相互接続PCB36は、第1の絶縁層62と、第1の絶縁層62の上の第1の導電層64と、第1の導電層64の上の第2の絶縁層66と、第2の絶縁層66の上の第2の導電層68と、第2の導電層68の上の第3の絶縁層70とを含む。とりわけ、図示するように、多層構造を使用することにより、第1の導電層64と第2の導電層68とは相互接続PCB36の幅W
PCB
にわたることが可能になる。これは、導電層を同じ平面上に設けた場合、それらがその平面の表面積を共有しなければならないので、可能ではない。したがって、相互接続PCB36の幅は、妥当な値で維持することができ、その一方で、相互接続PCB36内の接続には低インダクタンス経路を設けることができる。いくつかのビア(図示せず)が、第1の導電層64と第2の導電層68とに接続して、例えば、低雑音コネクタ28B、取外し可能なジャンパ38、または任意の他の所望の構成部品のうちの1つとの接点を設ける。特定の数および構成の層を相互接続PCB36に示すが、本開示の原理から逸脱することなく、任意の数の層を相互接続PCB36に含め、任意の構成で配列することができる。一実施形態において、相互接続PCB36の幅W
PCB
は、第1の導電層64と第2の導電層68との抵抗および寄生インダクタンスを低減するために約15mmから80mmの間である。
【0043】
[0050]当業者は、本開示の好ましい実施形態の改善および変更を認識するであろう。すべてのそのような改善および変更は、本明細書に開示した概念の範囲および後に続く特許
請求の範囲内で検討される。

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