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JP7655891B2 - High power multi-layer module for paralleling power devices with low inductance and fast switching - Google Patents
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JP7655891B2 - High power multi-layer module for paralleling power devices with low inductance and fast switching - Google Patents

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Description

先行出願の相互参照
本出願は、2019年10月21日に出願された米国特許出願第16/658,630号の優先権を主張するものであり、この米国特許出願は、それがあたかも本明細書に完全に記載されているかのように、その全体が、あらゆる目的のために参照によって本明細書に組み込まれており、本出願はさらに、2019年2月4日に出願された米国特許出願第16/266,771号の優先権を主張するものであり、この米国特許出願は、それがあたかも本明細書に完全に記載されているかのように、その全体が、あらゆる目的のために参照によって本明細書に組み込まれており、本出願はさらに、2019年1月10日に出願された米国特許仮出願第62/790,965号の優先権を主張するものであり、この米国特許仮出願は、それがあたかも本明細書に完全に記載されているかのように、その全体が、あらゆる目的のために参照によって本明細書に組み込まれており、本出願はさらに、2019年10月14日に出願された米国特許仮出願第62/914,847号の優先権を主張するものであり、この米国特許仮出願は、それがあたかも本明細書に完全に記載されているかのように、その全体が、あらゆる目的のために参照によって本明細書に組み込まれている。
CROSS-REFERENCE TO PRIOR APPLICATIONS This application claims priority to U.S. patent application Ser. No. 16/658,630, filed Oct. 21, 2019, which is incorporated herein by reference in its entirety for all purposes as if fully set forth herein, and this application further claims priority to U.S. patent application Ser. No. 16/266,771, filed Feb. 4, 2019, which is incorporated herein by reference in its entirety for all purposes as if fully set forth herein, and this application This application further claims priority to U.S. Provisional Patent Application No. 62/790,965, filed January 10, 2019, which is incorporated by reference in its entirety for all purposes as if fully set forth herein, and this application further claims priority to U.S. Provisional Patent Application No. 62/914,847, filed October 14, 2019, which is incorporated by reference in its entirety for all purposes as if fully set forth herein.

1.開示の分野
本開示は、低インダクタンスおよび高速スイッチングを有する高電力多層モジュール(high power multilayer module)であって、パワーデバイスを並列化するための高電力多層モジュールを対象としている。さらに、本開示は、低インダクタンスおよび高速スイッチングを有する高電力多層モジュールであって、パワーデバイスを並列化するための高電力多層モジュールを構成する方法を対象としている。
1. FIELD OF THE DISCLOSURE The present disclosure is directed to a high power multilayer module having low inductance and fast switching for paralleling power devices. Additionally, the present disclosure is directed to a method of constructing a high power multilayer module having low inductance and fast switching for paralleling power devices.

2.関連技術
当業者には理解されることだが、パワーモジュールはさまざまな形態のものが知られている。パワーモジュールは、パワー構成要素、普通はパワー半導体デバイスの物理的な格納(physical containment)を提供する。これらのパワー半導体は通常、パワー電子基板上にはんだ付けまたは焼結されている。パワーモジュールは通常、パワー半導体を担持し、電気的および熱的接触を提供し、電気絶縁物を含む。
2. Related Art As will be appreciated by those skilled in the art, power modules are known in a variety of forms. A power module provides physical containment of power components, usually power semiconductor devices. These power semiconductors are usually soldered or sintered onto a power electronics substrate. A power module typically carries the power semiconductors, provides electrical and thermal contact, and includes electrical insulation.

電化(electrification)の現在の流行は、パワーモジュールに関連したパワー半導体デバイス、パワー電子部品および/または他の同種のものを含むパワーモジュールに対する増大する要求を提起している。例えば、改善された効率およびより高い電力密度。これらの要求は、システムレベルから構成要素レベルにまで及んでいる。しかしながら、これらの要求を満たすようにパワーモジュールを動作させると、パワーモジュール内での熱の発生が増大する。パワー半導体デバイス、パワー電子部品および/または他の同種のものの物理的限界のため、この熱の発生の増大は、パワーモジュールの動作能力を制限する。具体的には、パワー半導体デバイス、パワー電子部品および/または他の同種のものを含むパワーモジュールのさまざまな構成要素は通常、動作温度限界を有する。 The current trend of electrification is placing increasing demands on power modules, including power semiconductor devices, power electronic components, and/or the like, associated with the power module. For example, improved efficiency and higher power density. These demands extend from the system level to the component level. However, operating the power module to meet these demands increases heat generation within the power module. Due to physical limitations of the power semiconductor devices, power electronic components, and/or the like, this increased heat generation limits the operational capabilities of the power module. Specifically, the various components of the power module, including the power semiconductor devices, power electronic components, and/or the like, typically have operating temperature limitations.

さらに、パワーモジュールの寄生インピーダンスも、現行技術のこれらのデバイスの実用的な実施態様を限定する。具体的には、スイッチング事象中のループインダクタンスは、電圧オーバシュート(voltage overshoot)およびリンギング(ringing)に帰着しうる。このループインダクタンスは、安定性を低下させ、スイッチング損失を増大させ、電磁干渉(Electromagnetic Interference)(EMI)を生み出し、システム構成要素にストレスを与える。最終的に、これらの因子は、最大スイッチング周波数を制限することがあり、このことは、電力変換システム内の外部フィルタのサイズを低減させるのに望ましい。 Furthermore, the parasitic impedance of the power module also limits the practical implementation of these devices in the current technology. Specifically, the loop inductance during switching events can result in voltage overshoot and ringing. This loop inductance reduces stability, increases switching losses, creates Electromagnetic Interference (EMI), and stresses system components. Finally, these factors can limit the maximum switching frequency, which is desirable to reduce the size of external filters in the power conversion system.

以上のことから、熱の追加の発生に対処するように構成されたパワーモジュールが求められている。 For these reasons, there is a need for a power module that is configured to handle the additional generation of heat.

さらに、安定性を増大させ、スイッチング損失を減らし、EMIを低減させ、かつ/またはシステム構成要素に対するストレスを制限するために、ループインダクタンスなどの寄生インピーダンスに対処するように構成されたパワーモジュールも求められている。 Additionally, there is a need for power modules that are configured to address parasitic impedances, such as loop inductance, to increase stability, reduce switching losses, reduce EMI, and/or limit stress on system components.

1つの一般的な態様は、パワーモジュールを含み、このパワーモジュールは、少なくとも1つの導電性パワー基板と、この少なくとも1つの導電性パワー基板上に配置されたハウジングと、この少なくとも1つの導電性パワー基板に電気的に接続された第1の端子であり、ハウジング上に位置する接触面を含む第1の端子と、ハウジング上に位置する接触面を含む第2の端子と、この少なくとも1つの導電性パワー基板に電気的に接続された第3の端子と、この少なくとも1つの導電性パワー基板上に配置され、この少なくとも1つの導電性パワー基板に接続された複数のパワーデバイスであり、この複数のパワーデバイスのうちの少なくとも1つのパワーデバイスに第3の端子が電気的に接続されている、複数のパワーデバイスと、ベースプレートと、ベースプレート上に配置された複数のピンフィン(pin fin)とを備え、この複数のピンフィンは、パワーモジュールに直接冷却を提供するように構成されている。 One general aspect includes a power module including at least one conductive power board, a housing disposed on the at least one conductive power board, a first terminal electrically connected to the at least one conductive power board, the first terminal including a contact surface located on the housing, a second terminal including a contact surface located on the housing, a third terminal electrically connected to the at least one conductive power board, a plurality of power devices disposed on the at least one conductive power board and connected to the at least one conductive power board, the third terminal being electrically connected to at least one of the plurality of power devices, a base plate, and a plurality of pin fins disposed on the base plate, the plurality of pin fins configured to provide direct cooling to the power module.

1つの一般的な態様は、パワーモジュールを含み、このパワーモジュールは、ベースプレートと、少なくとも1つのパワー基板と、この少なくとも1つのパワー基板上に配置されたハウジングと、この少なくとも1つのパワー基板に電気的に接続された第1の端子と、第2の端子と、この少なくとも1つのパワー基板に電気的に接続された第3の端子と、この少なくとも1つのパワー基板に電気的に接続された複数のパワーデバイスと、この複数のパワーデバイスに電気的に接続されたゲート-ソースボードと、ベースプレート上に配置された複数のピンフィンとを備え、この複数のピンフィンは、パワーモジュールに直接冷却を提供するように構成されている。 One general aspect includes a power module including a base plate, at least one power board, a housing disposed on the at least one power board, a first terminal electrically connected to the at least one power board, a second terminal, a third terminal electrically connected to the at least one power board, a plurality of power devices electrically connected to the at least one power board, a gate-source board electrically connected to the plurality of power devices, and a plurality of pin fins disposed on the base plate, the plurality of pin fins configured to provide direct cooling to the power module.

1つの一般的な態様は、パワーモジュールを構成する方法を含み、この方法は、少なくとも1つのパワー基板を提供すること、この少なくとも1つのパワー基板上にハウジングを配置すること、この少なくとも1つのパワー基板に第1の端子を接続すること、第2の端子を提供すること、この少なくとも1つのパワー基板に第3の端子を電気的に接続すること、この少なくとも1つのパワー基板に複数のパワーデバイスを接続すること、およびこの複数のパワーデバイスに電気的に接続されたゲート-ソースボードを装着することを含み、ゲート-ソースボードは、少なくとも1つの電気信号を受け取るように構成されており、この方法はさらに、ベースプレート上に配置された複数のピンフィンを提供すること、およびこの複数のピンフィンを、パワーモジュールの少なくとも1つの構成要素を冷却するように構成することを含む。 One general aspect includes a method of constructing a power module, the method including providing at least one power board, disposing a housing on the at least one power board, connecting a first terminal to the at least one power board, providing a second terminal, electrically connecting a third terminal to the at least one power board, connecting a plurality of power devices to the at least one power board, and mounting a gate-source board electrically connected to the plurality of power devices, the gate-source board configured to receive at least one electrical signal, the method further including providing a plurality of pin fins disposed on a base plate, and configuring the plurality of pin fins to cool at least one component of the power module.

本開示の追加の特徴、利点および態様は、以下の詳細な説明、図面および特許請求項に記載されていることがあり、または以下の詳細な説明、図面および特許請求項の検討から明白であることがある。さらに、本開示の上記の概要および以下の詳細な説明はともに例示を目的としたものであり、特許請求項に記載された本開示の範囲を限定しないさらなる説明を提供することが意図されていることを理解すべきである。 Additional features, advantages, and aspects of the present disclosure may be described in or may be apparent from a review of the following detailed description, drawings, and claims. Moreover, it should be understood that both the above summary of the disclosure and the following detailed description are for illustrative purposes and are intended to provide further explanation without limiting the scope of the present disclosure as set forth in the claims.

本開示のさらなる理解を提供するために含まれている添付図面は、本明細書に組み込まれており、本明細書の部分を構成し、本開示の態様を例示し、以下の詳細な説明とともに本開示の原理を説明する役目を果たす。本開示の構造的詳細を、本開示および本開示を実施することができるさまざまな方式の基本的知識に必要である可能性がある程度よりも詳細に示すことはしない。 The accompanying drawings, which are included to provide a further understanding of the present disclosure, are incorporated in and constitute a part of the specification, illustrate aspects of the disclosure, and together with the following detailed description, serve to explain the principles of the disclosure. Structural details of the disclosure are not shown in more detail than may be necessary for a basic knowledge of the disclosure and the various ways in which it may be practiced.

本開示の態様によるパワーモジュールのハーフブリッジベースのトポロジを概略的に示す図である。FIG. 2 illustrates a schematic diagram of a half-bridge based topology of a power module according to an aspect of the present disclosure. DCリンクキャパシタと図1Aのパワーモジュールの内側のスイッチ位置との間の電流ループを示す図である。FIG. 1B illustrates a current loop between a DC link capacitor and the inner switch position of the power module of FIG. 1A. 本開示の態様によるさまざまな相互接続および関連インピーダンスを示す図である。FIG. 1 illustrates various interconnects and associated impedances according to aspects of the present disclosure. 本開示の態様によるスイッチ位置のさまざまな相互接続および関連インピーダンスを示す図である。FIG. 1 illustrates various interconnections and associated impedances of switch positions according to aspects of the present disclosure. 本開示の一態様によるパワーモジュールの概略透視図である。FIG. 1 is a schematic perspective view of a power module according to one aspect of the present disclosure. 本開示の一態様によるパワーモジュールの概略上面図である。FIG. 2 is a schematic top view of a power module according to one aspect of the present disclosure. 本開示の態様による並列構成の複数の単相モジュールを示す図である。FIG. 1 illustrates a plurality of single phase modules in a parallel configuration according to aspects of the present disclosure. 本開示の態様による第1のパワーモジュール構成を示す図である。FIG. 1 illustrates a first power module configuration according to an aspect of the present disclosure. 本開示の態様による第2のパワーモジュール構成を示す図である。FIG. 1 illustrates a second power module configuration according to an aspect of the present disclosure. 本開示の態様によるフルブリッジ構成の複数のパワーモジュールを示す図である。FIG. 1 illustrates multiple power modules in a full bridge configuration according to an aspect of the present disclosure. 本開示の態様による3相構成の複数のパワーモジュールを示す図である。FIG. 1 illustrates a plurality of power modules in a three-phase configuration according to an aspect of the present disclosure. 本開示の態様による、フルブリッジ構成を有する単一のパワーモジュールを示す図である。FIG. 1 illustrates a single power module having a full bridge configuration in accordance with aspects of the present disclosure. 本開示の態様によるパワーモジュールの分解図である。FIG. 2 is an exploded view of a power module according to an aspect of the present disclosure. 図10のパワーモジュールの部分図である。FIG. 11 is a partial view of the power module of FIG. 10 . それぞれのノードがハーフブリッジトポロジで識別された、本開示に従って構築されたパワーモジュールの相脚(phase leg)の上面図である。FIG. 2 is a top view of a phase leg of a power module constructed in accordance with the present disclosure with respective nodes identified in a half-bridge topology. それぞれのノードがハーフブリッジトポロジで識別された、本開示に従って構築された図12Aによるパワーモジュールの相脚の概略図である。FIG. 12B is a schematic diagram of a phase leg of a power module according to FIG. 12A constructed in accordance with the present disclosure, with respective nodes identified in a half-bridge topology. 図12Aおよび図12Bの相脚の断面図である。FIG. 12C is a cross-sectional view of the phase leg of FIGS. 12A and 12B. 電流経路を含む、図12Aおよび図12Bの相脚の断面図である。FIG. 12C is a cross-sectional view of the phase leg of FIGS. 12A and 12B, including the current path. 本開示の一態様による、パワーモジュールの接触面およびバッシング(bussing)を示す図である。FIG. 1 illustrates contact surfaces and bussing of a power module according to one aspect of the disclosure. 図16Aは、本開示の態様によるパワーモジュールの端子の態様を示す図である。FIG. 16A illustrates an embodiment of a terminal of a power module according to an embodiment of the present disclosure. 図16Bは、本開示の態様によるパワーモジュールの端子の態様を示す図である。FIG. 16B illustrates an embodiment of a terminal of a power module according to an embodiment of the present disclosure. 図16Cは、本開示の態様によるパワーモジュールの端子の態様を示す図である。FIG. 16C illustrates an embodiment of a terminal of a power module according to an embodiment of the present disclosure. 本開示の態様による並列の複数のデバイスを概略的に示す図である。FIG. 2 is a schematic diagram illustrating multiple devices in parallel according to an aspect of the present disclosure. 本開示の一態様による有効ゲートスイッチングループの透視図である。FIG. 2 is a perspective view of an effective gate switching loop according to one aspect of the present disclosure. 本開示の一態様による有効ゲートスイッチングループの上面図である。FIG. 13 is a top view of an effective gate switching loop according to an aspect of the present disclosure. 本開示の態様によるパワーモジュールを含む例示的な部分実施態様を示す図である。FIG. 2 illustrates an exemplary partial embodiment including a power module according to an aspect of the present disclosure. 本開示による例示的な積層バスバーを示す図である。FIG. 1 illustrates an exemplary laminated busbar according to the present disclosure. 図21による例示的な積層バスバーの1つの部分を示す図である。FIG. 22 illustrates a portion of an example laminated busbar according to FIG. 21. 図21による例示的な積層バスバーの別の部分を示す図である。FIG. 22 illustrates another portion of the example laminated busbar according to FIG. 本開示による相出力バスバーを示す図である。FIG. 1 illustrates a phase output busbar according to the present disclosure. 本開示の態様による、パワーモジュールおよび積層バスバーを含む例示的な実施態様の透視図である。FIG. 1 is a perspective view of an exemplary embodiment including a power module and a laminated bus bar, according to an aspect of the present disclosure. 図25による、パワーモジュールおよび積層バスバーを含む例示的な実施態様の第1の断面図である。FIG. 26 is a first cross-sectional view of an exemplary embodiment including a power module and a laminated bus bar according to FIG. 25. 図25による、パワーモジュールおよび積層バスバーを含む例示的な実施態様の第2の断面図である。FIG. 26 is a second cross-sectional view of an exemplary embodiment including a power module and a laminated bus bar according to FIG. 25. 本開示による例示的な単一モジュールゲートドライバを示す図である。FIG. 2 illustrates an exemplary single module gate driver according to the present disclosure. 本開示による例示的な単一モジュールゲートドライバを示す図である。FIG. 2 illustrates an exemplary single module gate driver according to the present disclosure. 本開示の態様による電流感知構成要素を示す図である。FIG. 1 illustrates a current sensing component according to an aspect of the present disclosure. 相出力バスバーとともに配置された、図30による電流感知構成要素を示す図である。FIG. 31 shows the current sensing components according to FIG. 30 positioned with the phase output busbars. 本開示の一態様による例示的な3相モータドライブパワーを示す図である。FIG. 1 illustrates an example three-phase motor drive power diagram according to one aspect of the present disclosure. 本開示の態様による並列の複数のパワーデバイスを概略的に示す図である。FIG. 1 illustrates a schematic diagram of multiple power devices in parallel according to an aspect of the present disclosure. 本開示の一態様による有効ゲートスイッチングループおよびパワーモジュールの上面図である。FIG. 1 illustrates a top view of an active gate switching loop and a power module according to an aspect of the present disclosure. 本開示の一態様による、パワーモジュールおよびハウジングを含む構成体の透視図である。FIG. 2 is a perspective view of an arrangement including a power module and a housing according to one embodiment of the present disclosure. 図35の構成体の側面図である。FIG. 36 is a side view of the configuration of FIG. 図35の構成体の部分透視図である。FIG. 36 is a partial perspective view of the configuration of FIG. 図35の構成体の別の部分透視図である。FIG. 36 is another partial perspective view of the configuration of FIG. 図35の構成体の別の部分透視図である。FIG. 36 is another partial perspective view of the configuration of FIG. 図35の構成体の別の部分透視図である。FIG. 36 is another partial perspective view of the configuration of FIG. 図35の構成体の別の部分透視図である。FIG. 36 is another partial perspective view of the configuration of FIG. パワーモジュールを含む構成体を実施し、動作させる方法を示す図である。FIG. 1 illustrates a method of implementing and operating an arrangement including a power module. 本開示の一態様によるパワーモジュールの透視下面図である。FIG. 2 is a perspective bottom view of a power module according to one aspect of the present disclosure. 図43によるパワーモジュールの側面図である。FIG. 44 is a side view of the power module according to FIG. 43. 図43によるパワーモジュールの下面図である。FIG. 44 is a bottom view of the power module according to FIG. 43 . 図43によるパワーモジュールの部分透視下面図である。FIG. 44 is a partial perspective bottom view of the power module according to FIG. 43. 本開示の一態様によるパワーモジュールの透視下面図である。FIG. 2 is a perspective bottom view of a power module according to one aspect of the present disclosure. 図47によるパワーモジュールの側面図である。FIG. 48 is a side view of the power module according to FIG. 47 . 図47によるパワーモジュールの下面図である。FIG. 48 is a bottom view of the power module according to FIG. 47 . 図47によるパワーモジュールの部分透視下面図である。FIG. 48 is a partial perspective bottom view of the power module according to FIG. 47. 本開示の一態様によるパワーモジュールの透視下面図である。FIG. 2 is a perspective bottom view of a power module according to one aspect of the present disclosure. 図51によるパワーモジュールの側面図である。FIG. 52 is a side view of the power module according to FIG. 51 . 図51によるパワーモジュールの下面図である。FIG. 52 is a bottom view of the power module according to FIG. 51 . 図51によるパワーモジュールの部分透視下面図である。FIG. 52 is a partial perspective bottom view of the power module according to FIG. 51 . 本開示の一態様によるパワーモジュールの透視下面図である。FIG. 2 is a perspective bottom view of a power module according to one aspect of the present disclosure. 図55によるパワーモジュールの側面図である。FIG. 56 is a side view of the power module according to FIG. 55. 図55によるパワーモジュールの下面図である。FIG. 56 is a bottom view of the power module according to FIG. 55. 本開示の一態様によるパワーモジュール実施態様の透視図である。FIG. 1 is a perspective view of a power module embodiment according to one aspect of the present disclosure. 本開示の一態様によるパワーモジュール実施態様の透視図である。FIG. 1 is a perspective view of a power module embodiment according to one aspect of the present disclosure. 図59によるパワーモジュール実施態様の透視図である。FIG. 60 is a perspective view of a power module embodiment according to FIG. 59. 2つの異なるパワーモジュールについて、接合部温度を出力電流に対してプロットしたグラフである。1 is a graph plotting junction temperature versus output current for two different power modules.

添付図面に記載および/または図示され、以下の説明で詳細に説明される非限定的な態様および例を参照して、本開示の態様、ならびにそれらのさまざまな特徴および有利な詳細がより詳細に説明される。たとえ本明細書に明示されていない場合であっても、図面に示された特徴は必ずしも一定の倍率では描かれていないこと、および1つの態様の特徴を、当業者なら認識するであろう他の態様とともに使用することができることに留意すべきである。本開示の態様を不必要に不明瞭することがないように、よく知られている構成要素および処理技法の説明が省かれていることがある。本明細書で使用される例の意図は、単に、本開示を実施する方式の理解を容易にすること、および本開示の態様を当業者が実施することをさらに可能にすることのみである。したがって、本明細書の例および態様が本開示の範囲を限定していると解釈すべきではない。本開示の範囲は、添付の特許請求項および適用法のみによって規定される。さらに、図面のいくつかある図の全体を通じて、同じ参照符号は類似の部分を表していることにも留意されたい。 Aspects of the present disclosure, as well as various features and advantageous details thereof, are described in more detail with reference to non-limiting aspects and examples described and/or illustrated in the accompanying drawings and detailed in the following description. It should be noted that features shown in the drawings are not necessarily drawn to scale, and features of one aspect may be used with other aspects as would be recognized by one of ordinary skill in the art, even if not explicitly stated herein. Descriptions of well-known components and processing techniques may be omitted so as not to unnecessarily obscure aspects of the present disclosure. The examples used herein are intended merely to facilitate an understanding of the manner in which the present disclosure may be practiced, and to further enable those skilled in the art to practice aspects of the present disclosure. Thus, the examples and aspects herein should not be construed as limiting the scope of the present disclosure. The scope of the present disclosure is defined solely by the appended claims and applicable law. It should also be noted that the same reference numerals represent similar parts throughout the several views of the drawings.

本開示は、パワーモジュールを説明しており、このパワーモジュールは、窒化ガリウム(GaN)、炭化シリコン(SiC)および他の同種のものなどの最新技術のワイドバンドギャップパワー半導体デバイス向けに最適化された構造であって、大量の電流および電圧を運ぶこと、および確立された技術に比べてますます速い速度でスイッチングすることができる構造を含むことができる。シリコン(Si)デバイス技術に対して使用されることが意図された内部レイアウトを有する従来のパワー電子パッケージは、これらの半導体に対する機能が限定されている。 This disclosure describes a power module that may include structures optimized for state-of-the-art wide bandgap power semiconductor devices such as Gallium Nitride (GaN), Silicon Carbide (SiC) and the like, capable of carrying large amounts of current and voltage and switching at increasingly faster speeds than established technologies. Conventional power electronic packages with internal layouts intended for use with Silicon (Si) device technologies have limited capabilities for these semiconductors.

開示されたパワーモジュールは、並列化されたデバイスの大きなアレイ間で電流を均一に分配し、標準パッケージング手法よりもかなり低いループインダクタンスを有するように構成することができる。テラス状のパワー端子を有する多レベル電流経路は、バッシングシステムとの外部接続を単純にし、パワーモジュールとフィルタリングキャパシタとの間のインダクタンスを低減させる。このパワーモジュールのレイアウトは構成可能性が高く、このレイアウトを、パワーエレクトロニクス産業において一般的な大部分のパワー回路トポロジを採用するように構成することができる。 The disclosed power module distributes current evenly among large arrays of paralleled devices and can be configured to have significantly lower loop inductance than standard packaging approaches. Multi-level current paths with terraced power terminals simplify external connections to bussing systems and reduce inductance between the power module and filtering capacitors. The layout of this power module is highly configurable and can be configured to adopt most power circuit topologies common in the power electronics industry.

開示されたパワーモジュールは、より密なパワーループの追加および論理的外部端子配置によって、内部モジュール性能、システムレベル実施態様、製造性および使いやすさをかなり向上させる。 The disclosed power module significantly improves internal module performance, system level implementation, manufacturability and ease of use through the addition of tighter power loops and logical external terminal placement.

この点に関して、開示されたパワーモジュールは、以下のうちの少なくとも1つまたは複数を提供するように構成することができる。
高度に最適化された低インダクタンスパワーモジュール構造
モジュール式で、スケーラブル(scalable)で、フレキシブルなレイアウトおよび電力フロー
高電流スイッチ位置を形成するための多数のパワー半導体の等化された並列化
多数のパワー半導体を並列化するための最適化されたゲートおよびセンス信号構造
温度感知および過電流保護のためのセンスコネクタ
約1700V(ボルト)までまたはそれ以上の電圧での高電圧動作に適したフォームファクタ(form factor)
1700V動作を超えるためのスケーラブルな高さ
最適化された外部システム相互接続のための多層内部導体レイアウト
さまざまな最新技術の材料、取付け、分離および相互接続技法に対応するように設計されたモジュール式内部構造
高性能システムレベル統合化に対して十分に最適化されていること
並列化しやすく、より高電流への直接スケーリングが容易であること
ハーフブリッジ、フルブリッジ、3相、ブースタ、チョッパおよび他の同種の配置を含む多種多様なパワートポロジにおいて構成可能であること
さまざまな電力処理ニーズを満たすためのスケーラブルなシステム実施態様
In this regard, the disclosed power modules can be configured to provide at least one or more of the following:
Highly optimized low inductance power module structure Modular, scalable, flexible layout and power flow Equalized paralleling of multiple power semiconductors to form high current switch positions Optimized gate and sense signal structure for paralleling multiple power semiconductors Sense connectors for temperature sensing and overcurrent protection Suitable form factor for high voltage operation up to approximately 1700V (Volts) or higher
Scalable height for over 1700V operation; Multi-layer internal conductor layout for optimized external system interconnect; Modular internal construction designed to accommodate a variety of state-of-the-art materials, mounting, isolation and interconnection techniques; Fully optimized for high performance system level integration; Easy to parallelize and directly scale to higher currents; Configurable in a wide variety of power topologies including half-bridge, full-bridge, 3-phase, booster, chopper and other similar configurations; Scalable system implementation to meet a variety of power processing needs

本質的に、開示されたパワーモジュール構成は、先進のパワー半導体の能力を完全に利用することを可能にし、電力密度、スイッチング、効率および他の同種のものをかなり向上させることができる。 In essence, the disclosed power module configuration allows the full capabilities of advanced power semiconductors to be utilized, resulting in significant improvements in power density, switching, efficiency and the like.

パワーモジュールのパワーデバイスの構造および目的は多岐にわたる。用語「パワーデバイス」は、高電圧および高電流用に設計されたさまざまな形態のトランジスタおよびダイオードを指す。それらのトランジスタは、(デバイスのタイプに応じて)一方向または双方向の電流フローを可能にする制御可能なスイッチであることがあり、一方、それらのダイオードは、一方向の電流フローを可能にするものであることがあり、制御可能でないことがある。トランジスタのタイプは、限定はされないが、金属酸化物電界効果トランジスタ(MOSFET)、接合電界効果トランジスタ(JFET)、バイポーラ接合トランジスタ(BJT)、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)、および他の同種のトランジスタを含むことができる。 The power devices in a power module vary in structure and purpose. The term "power device" refers to various forms of transistors and diodes designed for high voltage and high current. The transistors may be controllable switches that allow unidirectional or bidirectional current flow (depending on the type of device), while the diodes may allow unidirectional current flow and may not be controllable. Transistor types may include, but are not limited to, metal oxide field effect transistors (MOSFETs), junction field effect transistors (JFETs), bipolar junction transistors (BJTs), insulated gate bipolar transistors (IGBTs), and other similar transistor types.

パワーデバイスは、窒化ガリウム(GaN)、炭化シリコン(SiC)および他の同種の半導体を含むワイドバンドギャップ(WBG)半導体を含むことができ、パワーデバイスの材料としての従来のシリコン(Si)にはない数多くの利点を提供することができる。それにもかかわらず、本開示のさまざまな態様は、Si型のパワーデバイスを利用することができ、本明細書に記載されたいくつかの利点を達成することができる。WBG半導体の鍵となる指標(metric)は、以下の非限定的な態様のうちの1つまたは複数の態様を含むことができる。
より高い電圧遮断
より高い電流密度
より高温での動作
より高速なスイッチング
改良された熱的性能
より低いオン抵抗(低減された伝導損)
Power devices may include wide band gap (WBG) semiconductors, including gallium nitride (GaN), silicon carbide (SiC) and other similar semiconductors, which may offer numerous advantages over traditional silicon (Si) as a power device material. Nevertheless, various aspects of the present disclosure may utilize Si-based power devices and achieve some of the advantages described herein. Key metrics for WBG semiconductors may include one or more of the following non-limiting aspects:
Higher voltage blocking Higher current density Higher temperature operation Faster switching Improved thermal performance Lower on-resistance (reduced conduction losses)

より低いターンオンおよびターンオフエネルギー(低減されたスイッチング損失)。本開示のいくつかの態様では、WBG半導体の上記のこれらの鍵となる指標が必要ないこと、およびWBG半導体の上記のこれらの鍵となる指標が実施されないことがあることを理解すべきである。 Lower turn-on and turn-off energy (reduced switching losses). It should be understood that in some aspects of the present disclosure, these key indicators of WBG semiconductors described above are not required and may not be implemented.

WBG半導体デバイスを効果的に利用するために、パワーモジュール(パワーパッケージとも呼ばれる)が使用される。パワーモジュールは、以下の非限定的な態様のうちの1つまたは複数の態様を含む、いくつかの機能を果たすことができる。
有用なトポロジ内へのパワー半導体デバイスの電気相互接続を提供すること。
損傷しやすいデバイスを、水分、振動、汚染および他の同種のものから保護すること。
伝導損およびスイッチング損失の結果としてデバイスから発生した廃熱を除去する効果的で効率的な手段を生み出すこと。
内部レイアウトへのロバストな電力および信号電気接続を有するシステムレベル実施態様を容易にすること。この電力および信号電気接続は、ボルトオン、クリンプオン、はんだ、プラグおよびレセプタクル、ならびに他の同種の実施態様とすることができる。
業界で採用されている規格に基づく内部誘電体封止(internal dielectric encapsulation)ならびに外部電圧沿面距離(creepage distance)および空間距離(clearance distance)を含む、電圧安全性を提供すること。
To effectively utilize the WBG semiconductor devices, power modules (also called power packages) are used. Power modules can perform several functions, including one or more of the following non-limiting aspects:
To provide electrical interconnection of power semiconductor devices into useful topologies.
Protect sensitive devices from moisture, vibration, contamination, and the like.
To create an effective and efficient means of removing waste heat generated from the device as a result of conduction and switching losses.
Facilitating a system level implementation with robust power and signal electrical connections to the internal layout, which can be bolt-on, crimp-on, solder, plug and receptacle, and other similar implementations.
Providing voltage safety, including internal dielectric encapsulation and external voltage creepage and clearance distances based on industry adopted standards.

本開示のいくつかの態様では、上記のこれらの機能が必要ないこと、および上記のこれらの機能が実施されないことがあることを理解すべきである。 It should be understood that in some aspects of the present disclosure, these features described above are not required and may not be implemented.

図1Aは、本開示の態様によるパワーモジュールのハーフブリッジベースのトポロジを概略的に示している。ハーフブリッジベースのトポロジは、多くのスイッチングパワーコンバータの基本的構成単位である。モータドライブ、インバータおよびDC-DCコンバータに関して、これらのトポロジは通常、DC電源112に接続され、トポロジとDC電源112の間には中間接続としてDCリンクキャパシタ102のバンク(bank)がある。これが図1Aに概略的に示されている。DCリンクキャパシタ102は、ライン上のリップルをフィルタ除去し、電流経路のインダクタンスの影響を打ち消す働きをすることができる。並列の2つのハーフブリッジはフルブリッジを形成することがあり、並列の3つのハーフブリッジは3相トポロジを形成することがある。3相トポロジはしばしばシックスパック(six pack)とも呼ばれ、これは、3つの相脚の中の6つのスイッチ位置を意味する。さらに、共通ソース、共通ドレインおよび中性点クランプを含むパワーモジュールに関しては他のトポロジも企図される。 FIG. 1A illustrates a schematic of a half-bridge based topology of a power module according to an aspect of the present disclosure. Half-bridge based topologies are the basic building blocks of many switching power converters. For motor drives, inverters and DC-DC converters, these topologies are typically connected to a DC power source 112 with a bank of DC link capacitors 102 as an intermediate connection between the topology and the DC power source 112. This is illustrated diagrammatically in FIG. 1A. The DC link capacitors 102 can serve to filter out ripple on the line and counter the effects of current path inductance. Two half-bridges in parallel can form a full bridge, and three half-bridges in parallel can form a three-phase topology. Three-phase topologies are often also referred to as six packs, which means six switch positions in three phase legs. Additionally, other topologies are contemplated for the power module including common source, common drain and neutral clamping.

図1Aはさらに、1つまたは複数のスイッチ位置104を有するパワーモジュール100を示している。パワーモジュール100は、第1の端子106、第2の端子108および第3の端子110を含むことができる。 FIG. 1A further illustrates a power module 100 having one or more switch positions 104. The power module 100 can include a first terminal 106, a second terminal 108, and a third terminal 110.

図1Bは、DCリンクキャパシタと図1Aのパワーモジュールの内側のスイッチ位置との間の電流ループを示している。DCリンクキャパシタ102とパワーモジュール100の内側のスイッチ位置104との間の電流ループ114は、このシステムにおいて決定的に重要であり、半導体のスイッチング性能においてかなりの影響を有する。 Figure 1B shows the current loop between the DC link capacitor and the switch position inside the power module of Figure 1A. The current loop 114 between the DC link capacitor 102 and the switch position 104 inside the power module 100 is critical in this system and has a significant impact on the semiconductor switching performance.

完璧なシステムはない。例えば、どんな電気システムにも、望ましくない寄生抵抗、寄生容量および寄生インダクタンスが存在する。これらのインピーダンスは、それらが低減または軽減されない限り、性能および信頼性に対する有害な影響を導入する。それぞれの相互接続に抵抗および静電容量が関連づけられていることがあるが、スイッチングパワーデバイスに対する大部分の影響が寄生インダクタンスであることがある。インダクタンスが大きいほど、磁場に蓄えられるエネルギーも大きく、このエネルギーは、スイッチング遷移中の電圧オーバシュートおよびリンギングの原因となる。 No system is perfect. For example, in any electrical system, there is undesirable parasitic resistance, capacitance, and inductance. These impedances introduce detrimental effects on performance and reliability unless they are reduced or mitigated. While each interconnect may have resistance and capacitance associated with it, the parasitic inductance may be the dominant effect on switching power devices. The higher the inductance, the more energy is stored in the magnetic field, which causes voltage overshoot and ringing during switching transitions.

図2は、本開示の態様によるさまざまな相互接続および関連インピーダンスを示している。図1Aに提示されたパワーモジュール100のハーフブリッジ構成などの電力変換システムに関しては、DCリンクキャパシタ102、バッシングシステム202、パワーモジュール100および他の同種のものを含むそれぞれの構成要素内、ならびにそれらの間の物理的相互接続内に、インピーダンス204が存在する。これが、インダクタンスに関する図2に示されている。パワーコンバータ内にはしばしば、より多くの機能要素および関連インピーダンスが存在するが、スイッチング性能に関してはこのループが最も重要であることがある。 Figure 2 illustrates various interconnections and associated impedances according to aspects of the present disclosure. For a power conversion system such as the half-bridge configuration of the power module 100 presented in Figure 1A, impedances 204 exist within each component, including the DC link capacitor 102, the bussing system 202, the power module 100, and the like, as well as the physical interconnections between them. This is illustrated in Figure 2 with respect to inductance. While there are often many more functional elements and associated impedances within a power converter, this loop may be the most critical with respect to switching performance.

大部分のパワーコンバータでは、システム設計においてこれらのインダクタンスが慎重に考慮されなければならない。このことはしばしば、寄生影響を打ち消すために、より多くのDCリンクキャパシタ102を追加すること、またはスイッチング速度を遅くすることを要求する。これらは効果的ではあるが、これらは、(高電流と高電圧の両方が存在するより低速のスイッチング事象のために)より大きな損失を有するより嵩張るシステム(大きく重いより多くのキャパシタ)に帰着する。 In most power converters, these inductances must be carefully considered in the system design. This often requires adding more DC link capacitors 102 or slowing down the switching speed to counteract the parasitic effects. While these are effective, they result in bulkier systems (larger, heavier, more capacitors) with higher losses (due to the slower switching events where both high currents and voltages are present).

Siデバイス用として意図されたパワーパッケージにおいて、Si IGBTに特有のターンオンおよびターンオフ時間は、内部パワーループ内で遭遇するインダクタンスが十分に小さくなるのに十分な本来的にゆっくりとしたものである。しかしながら、SiC MOSFETなどのワイドバンドギャップデバイスの極めて高速なスイッチングに関しては、従来のパッケージのインダクタンスが数百ボルトの電圧オーバシュートに帰着しうる。 In power packages intended for Si devices, the turn-on and turn-off times characteristic of Si IGBTs are inherently slow enough that the inductances encountered in the internal power loops are small enough. However, for the extremely fast switching of wide bandgap devices such as SiC MOSFETs, the inductance of conventional packages can result in voltage overshoots of hundreds of volts.

パワーモジュール100内で高い電流レベルに到達するためには多くのSiCデバイスを一緒に並列化する必要があるため、これらの問題はさらに増幅される。さまざまな組合せのパワースイッチおよびダイオードの並列アレイ(全てのスイッチ、全てのダイオード、インタリーブされたダイオード、エッジダイオードなど)は、「位置」または「スイッチ位置」と呼ばれる。スイッチ位置104のそれぞれのスイッチは一緒に、有効な単一のスイッチの働きをし、この有効な単一のスイッチは、実効抵抗を低下させることによって、回路が処理することができる電流の量を増大させ、または全損失を低減させる。 These problems are further amplified because many SiC devices must be paralleled together to reach high current levels within the power module 100. The parallel arrays of power switches and diodes in various combinations (all switches, all diodes, interleaved diodes, edge diodes, etc.) are referred to as "positions" or "switch positions." Together, each switch in the switch positions 104 acts as an effective single switch that increases the amount of current the circuit can handle by lowering the effective resistance or reducing the total losses.

図3は、本開示の態様によるスイッチ位置のさまざまな相互接続および関連インピーダンスを示している。スイッチ位置104では、それぞれのスイッチまたはパワーデバイス302が、構造内に、それ自体の個々の電流経路を有する。図3に示されているように、それぞれの相互接続は関連インピーダンス204を有する。図3にさらに示されているとおり、スイッチ位置104は、矢印304のところに示された記号によって示されているように、任意の数のパワーデバイス302を含むことができる。パワーデバイス302間で有効電流経路が等化されることを保証するため、パワーデバイス302がそれぞれ整合したインダクタンスに遭遇するように、注意を払わなければならない。そうされない場合には、スイッチング遷移中に遭遇する電流および電圧が、スイッチ位置104を横切るパワーデバイス302間で等しく分配されず、そのことが構成要素に不均等にストレスを与え、スイッチング損失を増大させることがある。これらのことは、熱の影響によって激化する。不均等な電流ローディングおよびスイッチング事象は一様でない熱上昇を生み出し、その結果、並列化されたスイッチ位置104を横切って半導体特性がドリフトし、不安定性がより大きくなる。 3 illustrates various interconnections and associated impedances of switch positions according to aspects of the disclosure. In switch positions 104, each switch or power device 302 has its own individual current path in the structure. As shown in FIG. 3, each interconnection has an associated impedance 204. As further shown in FIG. 3, switch positions 104 can include any number of power devices 302, as indicated by the symbols shown at arrows 304. To ensure that the effective current paths are equalized between the power devices 302, care must be taken to ensure that the power devices 302 each encounter a matched inductance. If this is not done, the currents and voltages encountered during switching transitions will not be equally distributed between the power devices 302 across the switch positions 104, which can stress components unevenly and increase switching losses. These are exacerbated by thermal effects. Unequal current loading and switching events create uneven heat rise, which results in drift in semiconductor properties across the paralleled switch positions 104 and greater instability.

従来のパワーパッケージは通常、単一のSi IGBT向けまたはこれらのデバイス(普通は4個以下)の小さなアレイ向けに設計されている。したがって、従来のパワーパッケージは、多数のSiC MOSFETおよびダイオード(または同種のワイドバンドギャップデバイス)を、よく制御されたクリーン(clean)なスイッチングに帰着するように並列化するのに適していない。 Conventional power packages are typically designed for a single Si IGBT or small arrays of these devices (usually four or less). Therefore, conventional power packages are not suitable for paralleling large numbers of SiC MOSFETs and diodes (or similar wide bandgap devices) resulting in well-controlled, clean switching.

開示されたパワーモジュール100は、ワイドバンドギャップデバイスなどのパワーデバイス302に対する解決策を提供する。この解決策は、以下の非限定的な態様のうちの1つまたは複数の態様を含むことができる。
パワーモジュール100の内部インダクタンスを低減させる。
1つのスイッチ位置104の並列化されたパワーデバイス302間の等化された電流経路を容易にする。
1つのスイッチ位置104を横切るパワーデバイス302間で熱を等しく分配する。
DCリンクキャパシタ102との低インダクタンス相互接続を可能にする外部構造を有する。
(数百アンペアの)高電流を高電圧(≧1700V)で安全に運ぶことができる。
The disclosed power module 100 provides a solution for power devices 302, such as wide bandgap devices, that can include one or more of the following non-limiting aspects.
The internal inductance of the power module 100 is reduced.
Facilitates equalized current paths between the paralleled power devices 302 in one switch position 104 .
Heat is distributed equally among the power devices 302 across a switch position 104 .
It has an external structure that allows for a low inductance interconnection with the DC link capacitor 102 .
It can safely carry high currents (hundreds of amps) at high voltages (≧1700V).

本開示のいくつかの態様では、パワーモジュール100の上記のこれらの特性が必要ないこと、およびパワーモジュール100の上記のこれらの特性が実施されないことがあることを理解すべきである。 It should be understood that in some aspects of the present disclosure, these above-described characteristics of the power module 100 are not required, and these above-described characteristics of the power module 100 may not be implemented.

図4Aは、本開示の一態様によるパワーモジュールの概略透視図を示しており、図4Bは、本開示の一態様によるパワーモジュールの概略上面図を示している。具体的には、図4Aおよび図4Bには、パワーモジュール100のハーフブリッジ構成が示されている。開示されたパワーモジュール100は、それぞれのスイッチ位置104が等化された低インダクタンス電流経路を持つ一般的な大部分のブリッジトポロジを容易にする特に設計されたパワーレイアウトおよび関連構造によって、以前に列挙した懸念のそれぞれに対処する。屈曲部または特別な設計特微を必要としない後により詳細に説明する単純な積層バスバーによって、外部フィルタリングDCリンクキャパシタ102への電流経路も、対応して低いインダクタンスを有することができるように、端子106、108、110を配置することができる。 FIG. 4A shows a schematic perspective view of a power module according to one aspect of the present disclosure, and FIG. 4B shows a schematic top view of a power module according to one aspect of the present disclosure. Specifically, FIGS. 4A and 4B show a half-bridge configuration of the power module 100. The disclosed power module 100 addresses each of the previously listed concerns with a specifically designed power layout and associated structure that facilitates a common, mostly bridge topology with equalized, low-inductance current paths for each switch position 104. The terminals 106, 108, 110 can be positioned such that the current path to the external filtering DC link capacitor 102 can also have a correspondingly low inductance, with a simple laminated busbar, described in more detail below, that does not require bends or special design features.

図4Aには、パワーモジュール100の単一のハーフブリッジ構成のパワー端子ピン配列が示されている。DCリンクキャパシタ102への外部電流ループを物理的に最小化するために、V+端子106とV-端子108を(電圧空間距離のための十分な空間をあけて)互いの近くに意図的に置くことができる。 Figure 4A shows the power terminal pinout for a single half-bridge configuration of the power module 100. The V+ terminal 106 and the V- terminal 108 can be intentionally placed close to each other (with enough space for voltage clearance) to physically minimize the external current loop to the DC link capacitor 102.

パワーモジュール100は、信号端子502、504、506、508を含むことができる。信号端子502、504、506、508の特定のピン配列はモジュール式とすることができ、必要に応じて変更することができる。この構成が図4Aに示されている。示されているように、差動信号伝送のための信号端子502、504、506、508に対する4対の信号ピンが存在する。当然ながら、本開示に関連して説明した機能を提供するために、任意の数の信号ピンおよび任意の数の信号端子を実施することができる。それぞれのスイッチ位置104は一対のピンを利用することができ、ゲート信号およびソースケルビン(source kelvin)用の端子502、504は、最適制御のために利用することができる。残りの信号端子506、508の端子対は、内部温度センサ、過電流感知、または他の診断信号のために使用することができる。それらのピンおよび/または信号端子が電圧分離問題につながらない限り、必要に応じて、いずれかの列に、より多くのピンおよび/またはより多くの信号端子を追加することも企図される。いくつかの態様では、診断センサから、これらの他の診断信号を生成することができ、診断センサは、振動を感知するひずみゲージおよび他の同種のものを含むことができる。診断センサはさらに湿度を決定することができる。さらに、診断センサは、任意の環境またはデバイス特性を感知することができる。 The power module 100 may include signal terminals 502, 504, 506, 508. The specific pinout of the signal terminals 502, 504, 506, 508 may be modular and may be changed as needed. This configuration is shown in FIG. 4A. As shown, there are four pairs of signal pins for the signal terminals 502, 504, 506, 508 for differential signal transmission. Of course, any number of signal pins and any number of signal terminals may be implemented to provide the functionality described in connection with this disclosure. Each switch position 104 may utilize a pair of pins, and the terminals 502, 504 for gate signals and source kelvin may be utilized for optimal control. The remaining terminal pairs of the signal terminals 506, 508 may be used for internal temperature sensors, overcurrent sensing, or other diagnostic signals. It is contemplated that more pins and/or more signal terminals may be added to any row as needed, as long as those pins and/or signal terminals do not lead to voltage isolation issues. In some aspects, these other diagnostic signals can be generated from diagnostic sensors, which can include strain gauges that sense vibrations and the like. Diagnostic sensors can further determine humidity. Additionally, diagnostic sensors can sense any environmental or device characteristic.

図5は、本開示の態様による並列構成の複数の単相モジュールを示している。モジュール性は、開示されたパワーモジュール100の基礎をなす。より高い電流に到達するために、単相構成のパワーモジュール100を容易に並列化することができる。図5に示されているとおり、示された3つのパワーモジュール100が存在するが、このように構成することができるパワーモジュールの数に限度はない。この点に関して、矢印510は、追加のパワーモジュール100を並列に配置することができることを示している。並列化するときには、それぞれのパワーモジュール100間で、対応するそれぞれの端子106、108、110を電気的に接続することができる。 Figure 5 illustrates multiple single-phase modules in a parallel configuration according to aspects of the present disclosure. Modularity is fundamental to the disclosed power module 100. To reach higher currents, the power modules 100 in a single-phase configuration can be easily paralleled. As shown in Figure 5, there are three power modules 100 shown, but there is no limit to the number of power modules that can be configured in this manner. In this regard, arrow 510 indicates that additional power modules 100 can be placed in parallel. When paralleling, the corresponding respective terminals 106, 108, 110 can be electrically connected between each of the power modules 100.

図6Aは、本開示の態様による第1のパワーモジュール構成を示しており、図6Bは、本開示の態様による第2のパワーモジュール構成を示している。開示されたパワーモジュール100がスケーラブルであることが、別の明確な特徴であることがある。これが、図6Aおよび6Bに示されている。図6Bに示されているように、それぞれのスイッチ位置104に、図6Aに示されたパワーモジュール100に比べてより多くの並列化されたデバイスを収容するために、パワーモジュール100の幅を広げることができる。パワーモジュール100の電流が増大するため、端子106、108、110のパワーコンタクトに追加の締結具穴512を追加することができる。例えば低いインダクタンス、クリーンなスイッチング、高い電力密度および他の同種のことを含む本開示の利点を犠牲にすることなく大部分の電力レベルを整合させるために、図5に示されているようにパワーモジュール100を並列化することができること、または図6Bに示されているようにパワーモジュール100をスケーリングすることができることに留意することは重要である。 Figure 6A shows a first power module configuration according to an aspect of the present disclosure, and Figure 6B shows a second power module configuration according to an aspect of the present disclosure. Another distinct feature may be that the disclosed power module 100 is scalable. This is shown in Figures 6A and 6B. As shown in Figure 6B, the width of the power module 100 may be increased to accommodate more paralleled devices in each switch position 104 compared to the power module 100 shown in Figure 6A. Additional fastener holes 512 may be added to the power contacts of the terminals 106, 108, 110 as the current of the power module 100 increases. It is important to note that the power modules 100 may be paralleled as shown in Figure 5, or scaled as shown in Figure 6B, to match most power levels without sacrificing the advantages of the present disclosure, including low inductance, clean switching, high power density, and the like.

図7は、本開示の態様によるフルブリッジ構成のパワーモジュール、図8は、本開示の態様による3相構成のパワーモジュール、図9は、本開示の態様による、フルブリッジ構成を有する単一のパワーモジュールを示している。いくつかの態様では、2つのパワーモジュール100のフルブリッジ構成に関する図7および3つのパワーモジュール100の3相構成に関する図8などのさまざまな電気トポロジの形成において、モジュール性を見出すこともできる。これらのトポロジについては、V+端子106とV-端子108を相互接続することができ、一方で、相出力端子110は分離したままにしておくことができる。図7および図8の構成を単一のハウジングの中に置くこともでき、図7および図8の構成を、図9に示された共用ベースプレートを有するように構成することもできる。このようにすると、ユニットがより複雑になりコストが増大するのと引き換えに、電力密度を増大させることができる。 7 shows a power module in a full bridge configuration according to an embodiment of the present disclosure, FIG. 8 shows a power module in a three-phase configuration according to an embodiment of the present disclosure, and FIG. 9 shows a single power module with a full bridge configuration according to an embodiment of the present disclosure. In some embodiments, modularity can be found in the formation of various electrical topologies, such as FIG. 7 for a full bridge configuration of two power modules 100 and FIG. 8 for a three-phase configuration of three power modules 100. For these topologies, the V+ terminal 106 and the V- terminal 108 can be interconnected while the phase output terminals 110 can be left separate. The configurations of FIG. 7 and FIG. 8 can also be placed in a single housing, and the configurations of FIG. 7 and FIG. 8 can also be configured to have a shared base plate as shown in FIG. 9. In this way, power density can be increased at the expense of a more complex and costly unit.

パワーモジュール100のさまざまな配置、構成、およびパワーモジュール100の幅がスケーリングされたバージョンは、1つの範囲の用途および電力レベルをカバーするが、中核の内部構成要素およびレイアウトは全く同一のままとすることができる。このことは、開示されたパワーモジュール100のモジュール性を強化する。この構造は、高い性能レベルを示し、一方で使用および拡張が容易な、特定顧客向けシステムを射程に入れた一群のモジュールを包含する。 Various arrangements, configurations, and width-scaled versions of the power module 100 can cover a range of applications and power levels, but the core internal components and layout can remain exactly the same. This enhances the modularity of the disclosed power module 100. This structure encompasses a family of modules targeted at customer-specific systems that exhibit high performance levels while being easy to use and expand.

図10は、本開示の態様によるパワーモジュールの分解図を示しており、図11は、図10のパワーモジュールの部分図を示している。具体的には、図10は、パワーモジュール100内のいくつかの要素を示している。これらの要素は、ベースプレート602、ガスケット604、1つもしくは複数のパワー基板606、1つもしくは複数のエッジパワーコンタクト608、1つもしくは複数のスイッチ位置104、1つもしくは複数の温度センサ610、ハウジング側壁612、中央パワーコンタクト614、信号相互接続アセンブリ616、ハウジングリッド(housing lid)618、締結具620、キャプティブファスナ(captive fastener)622、および他の同種のもののうちの1つまたは複数を含む。一態様では、ベースプレート602が金属を含むことができる。一態様では、この金属が銅を含むことができる。さらに、パワーモジュール100が、本明細書に記載された要素よりも少数の要素または本明細書に記載された要素とは異なる要素を含むことも企図される。 FIG. 10 illustrates an exploded view of a power module according to aspects of the disclosure, and FIG. 11 illustrates a partial view of the power module of FIG. 10. Specifically, FIG. 10 illustrates several elements within the power module 100. These elements include one or more of a base plate 602, a gasket 604, one or more power boards 606, one or more edge power contacts 608, one or more switch positions 104, one or more temperature sensors 610, a housing sidewall 612, a center power contact 614, a signal interconnect assembly 616, a housing lid 618, fasteners 620, a captive fastener 622, and the like. In one aspect, the base plate 602 can include a metal. In one aspect, the metal can include copper. It is further contemplated that the power module 100 may include fewer or different elements than those described herein.

パワーモジュール100はベースプレート602を含むことができる。ベースプレート602は、パワーモジュール100に対する構造的支持を提供することができ、パワーモジュール100の熱管理のために熱拡散を容易にすることができる。ベースプレート602は、銅、アルミニウムもしくは他の同種のものなどの卑金属、または熱によって発生するストレスを低減させるような熱膨張率(coefficient of thermal expansion)(CTE)整合を提供することができる金属基複合材料(metal matrix composite)(MMC)を含むことができる。一態様では、MMC材料を、銅、アルミニウムおよび他の同種の金属などの高伝導率金属、モリブデン、ベリリウム、タングステンなどの低CTE金属、ならびに/またはダイヤモンド、炭化シリコン、酸化ベリリウム、黒鉛、埋込み熱分解黒鉛もしくは他の同種の材料などの非金属の複合材料とすることができる。材料に応じて、ベースプレート602は、機械加工、鋳造、スタンピングまたは他の同種のものによって形成することができる。ベースプレート602の表面を保護し、はんだ付け性を向上させるために、ベースプレート602は、ニッケル、銀、金および/または他の同種のものなどの金属めっきを有することができる。一態様では、ベースプレート602が平らな背面を有することができる。一態様では、リフロー後の平面性を向上させるため、ベースプレート602が凸形断面を有することができる。一態様では、ベースプレート602が、図43~59を参照して後にさらに論じる直接冷却用のピンフィン642を有することができる。 The power module 100 may include a base plate 602. The base plate 602 may provide structural support for the power module 100 and may facilitate heat spreading for thermal management of the power module 100. The base plate 602 may include a base metal such as copper, aluminum, or the like, or a metal matrix composite (MMC) material that may provide a coefficient of thermal expansion (CTE) match to reduce thermally generated stresses. In one aspect, the MMC material may be a high conductivity metal such as copper, aluminum, and the like, a low CTE metal such as molybdenum, beryllium, tungsten, and/or a non-metallic composite material such as diamond, silicon carbide, beryllium oxide, graphite, embedded pyrolytic graphite, or the like. Depending on the material, the base plate 602 may be formed by machining, casting, stamping, or the like. To protect the surface of the base plate 602 and improve solderability, the base plate 602 may have a metal plating, such as nickel, silver, gold, and/or the like. In one aspect, the base plate 602 may have a flat back surface. In one aspect, the base plate 602 may have a convex cross section to improve planarity after reflow. In one aspect, the base plate 602 may have pin fins 642 for direct cooling, which will be discussed further below with reference to FIGS. 43-59.

パワーモジュール100はガスケット604を含むことができる。ガスケット604は、液密シール(liquid tight seal)を提供することによって封止工程を改善することができる。この点に関して、パワーモジュール100は、内部に誘電体封止材を含むことができる。ガスケット604は、射出成形、ディスペンシングまたは他の同種のものによって形成することができ、ハウジング側壁612の溝に適用し、ハウジング側壁612とベースプレート602との間で圧縮することができる。 The power module 100 may include a gasket 604. The gasket 604 may improve the sealing process by providing a liquid tight seal. In this regard, the power module 100 may include a dielectric encapsulant therein. The gasket 604 may be formed by injection molding, dispensing, or the like, and may be applied to a groove in the housing sidewall 612 and compressed between the housing sidewall 612 and the base plate 602.

パワーモジュール100は、1つまたは複数のパワー基板606を含むことができる。この1つまたは複数のパワー基板606は、電気相互接続、電圧分離、熱伝達および他の同種のことをパワーデバイス302に提供することができる。この1つまたは複数のパワー基板606は、直接接合銅(direct bond copper)(DBC)、活性金属ろう付け(active metal braze)(AMB)、絶縁金属基板(insulated metal substrate)(IMS)または他の同種のものとして構築することができる。IMS構造の場合には、この1つまたは複数のパワー基板606とベースプレート602とを同じ要素として統合することができる。いくつかの態様では、はんだ、熱伝導性エポキシ樹脂、銀焼結または他の同種のものによって、この1つまたは複数のパワー基板606をベースプレート602に取り付けることができる。一態様では、スイッチ位置104ごとに1つ、合わせて2つのパワー基板606を使用することができる。 The power module 100 may include one or more power boards 606. The one or more power boards 606 may provide electrical interconnection, voltage isolation, heat transfer, and the like to the power devices 302. The one or more power boards 606 may be constructed as direct bond copper (DBC), active metal braze (AMB), insulated metal substrate (IMS), or the like. In the case of an IMS construction, the one or more power boards 606 and the base plate 602 may be integrated into the same element. In some aspects, the one or more power boards 606 may be attached to the base plate 602 by solder, thermally conductive epoxy, silver sintering, or the like. In one aspect, two power boards 606 may be used, one for each switch position 104.

パワーモジュール100は、1つまたは複数のエッジパワーコンタクト608を含むことができる。この1つまたは複数のエッジパワーコンタクト608のうちの1つのエッジパワーコンタクト608の表面は、V+端子または第1の端子106を形成することができる。この1つまたは複数のエッジパワーコンタクト608のうちの1つのエッジパワーコンタクト608の表面は、相端子または第3の端子110を形成することができる。この1つまたは複数のエッジパワーコンタクト608は、外部システムとこの1つまたは複数のパワー基板606との間の高電流経路を生成することができる。この1つまたは複数のエッジパワーコンタクト608は、金属薄板から、エッチング工程、スタンピング操作または他の同種のものによって製造することができる。この1つまたは複数のエッジパワーコンタクト608の曲げを容易にして最終組立ての助けとするために、この1つまたは複数のエッジパワーコンタクト608は、部分厚さ曲げ補助線(partial thickness bend assist lime)624を有することができる。一態様では、この1つまたは複数のエッジパワーコンタクト608をキャプティブファスナ622の上に折り曲げることができる。一態様では、この1つまたは複数のエッジパワーコンタクト608を、はんだ付け、超音波溶接または他の同種のものによってパワー基板606に直接に取り付けることができる。表面を保護し、はんだ付け性を向上させるために、この1つまたは複数のエッジパワーコンタクト608は、ニッケル、銀、金および/または他の同種のものなどの金属めっきを有することができる。 The power module 100 may include one or more edge power contacts 608. A surface of one of the edge power contacts 608 may form the V+ or first terminal 106. A surface of one of the edge power contacts 608 may form the phase or third terminal 110. The one or more edge power contacts 608 may generate a high current path between an external system and the one or more power substrates 606. The one or more edge power contacts 608 may be manufactured from sheet metal by an etching process, stamping operation, or the like. To facilitate bending of the one or more edge power contacts 608 to aid in final assembly, the one or more edge power contacts 608 may have a partial thickness bend assist limb 624. In one aspect, the edge power contact(s) 608 can be folded over a captive fastener 622. In one aspect, the edge power contact(s) 608 can be attached directly to the power board 606 by soldering, ultrasonic welding, or the like. To protect the surface and improve solderability, the edge power contact(s) 608 can have a metal plating, such as nickel, silver, gold, and/or the like.

取付け工程の助けとするために、一態様では、エッジパワーコンタクト608のベース636を分割して足(foot)を形成することができる。表面を保護し、はんだ付け性を向上させるために、ベース636は、ニッケル、銀および/または金などの金属めっきを有することができる。 To aid in the attachment process, in one aspect, the base 636 of the edge power contact 608 can be split to form a foot. To protect the surface and improve solderability, the base 636 can have a metal plating such as nickel, silver and/or gold.

パワーモジュール100はさらに、1つまたは複数のスイッチ位置104を含むことができる。この1つまたは複数のスイッチ位置104はパワーデバイス302を含むことができ、パワーデバイス302は、電流、電圧および効率に対する要件を満たすように並列に置かれた制御可能なスイッチとダイオードとの任意の組合せを含むことができる。パワーデバイス302は、はんだ、伝導性エポキシ樹脂、銀焼結材料または他の同種のものによって取り付けることができる。ゲートおよびソースを含むパワーデバイス302上の上パッドを、パワーワイヤボンド(power wire bond)628によって、それらの対応するそれぞれの位置にワイヤボンディングすることができる。パワーワイヤボンド628は、アルミニウム、アルミニウム合金、銅または他の同種の金属のワイヤを含むことができ、これらのワイヤは、超音波溶接または他の同種のものによって両方の足に取り付けることができ、2つの金属パッド間に伝導性アーチを形成する。同様のやり方で信号ボンド626を形成することができ、信号ボンド626は、アルミニウム、金、銅または他の同種のものとすることができる。いくつかの態様では、626のパワーワイヤボンドのワイヤの直径を、パワーワイヤボンド628のワイヤよりも小さくすることができる。 The power module 100 may further include one or more switch positions 104. The one or more switch positions 104 may include power devices 302, which may include any combination of controllable switches and diodes placed in parallel to meet current, voltage and efficiency requirements. The power devices 302 may be attached by solder, conductive epoxy, silver sintered material or the like. The top pads on the power devices 302, including the gate and source, may be wire bonded to their corresponding respective locations by power wire bonds 628. The power wire bonds 628 may include wires of aluminum, aluminum alloy, copper or the like, which may be attached to both legs by ultrasonic welding or the like, forming a conductive arch between the two metal pads. Signal bonds 626 may be formed in a similar manner, and may be aluminum, gold, copper or the like. In some embodiments, the wire diameter of the power wire bond 626 can be smaller than the wire of the power wire bond 628.

パワーモジュール100はさらに、1つまたは複数の温度センサ610を含むことができる。この1つまたは複数の温度センサ610は、パワー基板606に直接に取り付けられた抵抗温度センサ要素によって実施することができる。抵抗温度検出器(resistance temperature detectors)(RDTs)型センサ、負温度係数(Negative Temperature Coefficient)(NTC)型センサ、光学型センサ、サーミスタ、熱電対および他の同種のものを含む、他のタイプの温度センサも企図される。この1つまたは複数の温度センサ610は、はんだ、伝導性エポキシ樹脂、銀焼結材料または他の同種のものによって取り付けることができ、次いで、信号相互接続アセンブリ616にワイヤボンディングすることができる。パワーモジュール100はさらに、1つまたは複数の診断センサを含むことができ、この1つまたは複数の診断センサは、振動を感知するひずみゲージおよび他の同種のものを含むことができる。診断センサはさらに湿度を決定することができる。さらに、診断センサは、任意の環境またはデバイス特性を感知することができる。 The power module 100 may further include one or more temperature sensors 610. The one or more temperature sensors 610 may be implemented by resistive temperature sensor elements attached directly to the power board 606. Other types of temperature sensors are contemplated, including resistance temperature detectors (RDTs) type sensors, Negative Temperature Coefficient (NTC) type sensors, optical type sensors, thermistors, thermocouples, and the like. The one or more temperature sensors 610 may be attached by solder, conductive epoxy, silver sintered material, or the like, and then wire bonded to the signal interconnect assembly 616. The power module 100 may further include one or more diagnostic sensors, including strain gauges that sense vibrations, and the like. The diagnostic sensors may further determine humidity. Additionally, diagnostic sensors can sense any environmental or device characteristic.

パワーモジュール100はさらに、ハウジング側壁612を含むことができる。ハウジング側壁612は、合成材料で形成されたものとすることができる。一態様では、ハウジング側壁612を、射出成形されたプラスチック要素とすることができる。ハウジング側壁612は、電気絶縁、電圧沿面距離および空間距離、構造的支持、電圧を保持するための空洞、ならびに水分遮断封止を提供することができる。一態様では、ハウジング側壁612を、強化高温プラスチックを用いた射出成形工程で形成することができる。 The power module 100 may further include a housing sidewall 612. The housing sidewall 612 may be formed of a synthetic material. In one aspect, the housing sidewall 612 may be an injection molded plastic element. The housing sidewall 612 may provide electrical insulation, voltage creepage and clearance, structural support, a cavity to hold the voltage, and a moisture barrier seal. In one aspect, the housing sidewall 612 may be formed in an injection molding process using a reinforced high temperature plastic.

パワーモジュール100はさらに、中央パワーコンタクト614を含むことができる。中央コンタクト614の表面は、V-端子または第2の端子108を形成することができる。中央パワーコンタクト614は、外部システムとパワーデバイス302との間の高電流経路を生成することができる。中央パワーコンタクト614は、金属薄板から、エッチング工程、スタンピング操作または他の同種のものよって製造することができる。中央パワーコンタクト614は、(示されているように)ハウジング側壁612に埋め込むことによって、その下のパワー基板606から分離することができ、または、後述するように、2次パワー基板にはんだ付けもしくは溶接することもできる。図11に示されているように、中央パワーコンタクト614は、中央パワーコンタクト614をハウジング側壁612に締結する対応する締結具634を受け取るための1つまたは複数の開口部632を含むことができる。 The power module 100 may further include a central power contact 614. A surface of the central contact 614 may form the V- terminal or second terminal 108. The central power contact 614 may create a high current path between an external system and the power device 302. The central power contact 614 may be manufactured from sheet metal by an etching process, stamping operation, or the like. The central power contact 614 may be separated from the underlying power board 606 by being embedded in the housing sidewall 612 (as shown), or may be soldered or welded to a secondary power board, as described below. As shown in FIG. 11, the central power contact 614 may include one or more openings 632 for receiving corresponding fasteners 634 that fasten the central power contact 614 to the housing sidewall 612.

図11に示されているように、下側スイッチ位置パワーデバイス302を、それらの端子から中央パワーコンタクト614に直接にワイヤボンディング640することができる。最終組立て段階での折り曲げの助けとするために、中央パワーコンタクト614は、部分厚さ曲げ補助線624を有することができる。表面を保護し、ボンディング性を向上させるために、中央パワーコンタクト614は、ニッケル、銀、金および/または他の同種のものなどの金属めっきを有することができる。 As shown in FIG. 11, the lower switch position power devices 302 can be wire bonded 640 from their terminals directly to the central power contact 614. To aid in bending during final assembly, the central power contact 614 can have a partial thickness bend assist line 624. To protect the surface and improve bondability, the central power contact 614 can have a metal plating such as nickel, silver, gold and/or the like.

パワーモジュール100はさらに、信号相互接続アセンブリ616を含むことができる。この信号相互接続アセンブリは、ゲート-ソースボードとすることができる。信号相互接続アセンブリ616は、信号コンタクトからパワーデバイス302への電気接続を容易にする小さな信号回路ボードとすることができる。信号相互接続アセンブリ616は、ゲートおよびソースケルビン接続、ならびに追加のノードまたは内部感知要素への接続を可能にすることができる。信号相互接続アセンブリ616は、それぞれのパワーデバイス302に対する個々のゲート抵抗器を可能にすることができる。信号相互接続アセンブリ616は、ハウジング側壁612内に配置されたプリント回路ボード、セラミック回路ボード、フレキシブル回路ボード、埋込み金属ストリップまたは他の同種のものとすることができる。一態様では、信号相互接続アセンブリ616が複数のアセンブリを含むことができる。一態様では、信号相互接続アセンブリ616が、スイッチ位置104ごとに1つの複数のアセンブリを含むことができる。 The power module 100 may further include a signal interconnect assembly 616. The signal interconnect assembly may be a gate-source board. The signal interconnect assembly 616 may be a small signal circuit board that facilitates electrical connection from the signal contacts to the power devices 302. The signal interconnect assembly 616 may allow for gate and source Kelvin connections as well as connections to additional nodes or internal sensing elements. The signal interconnect assembly 616 may allow for individual gate resistors for each power device 302. The signal interconnect assembly 616 may be a printed circuit board, ceramic circuit board, flexible circuit board, embedded metal strips, or the like disposed within the housing sidewall 612. In one aspect, the signal interconnect assembly 616 may include multiple assemblies. In one aspect, the signal interconnect assembly 616 may include multiple assemblies, one for each switch position 104.

パワーモジュール100はさらに、ハウジングリッド618を含むことができる。ハウジングリッド618は合成要素とすることができる。一態様では、ハウジングリッド618を、射出成形プラスチック要素とすることができる。ハウジングリッド618は、電気絶縁、電圧沿面距離および空間距離、ならびに構造的支持体を提供することができる。この点に関して、ハウジングリッド618は、ハウジング側壁612とともに、閉じたアセンブリを形成することができる。この閉じたアセンブリは、パワーモジュール100の内部に異物が進入することを防ぐことができる。一態様では、ハウジングリッド618を、強化高温プラスチックを用いた射出成形工程で形成することができる。 The power module 100 may further include a housing lid 618. The housing lid 618 may be a composite element. In one aspect, the housing lid 618 may be an injection molded plastic element. The housing lid 618 may provide electrical insulation, voltage creepage and clearance, and structural support. In this regard, the housing lid 618 may form a closed assembly with the housing sidewall 612. The closed assembly may prevent foreign objects from entering the interior of the power module 100. In one aspect, the housing lid 618 may be formed in an injection molding process using reinforced high temperature plastic.

パワーモジュール100はさらに、締結具620を含むことができる。締結具620は、ねじ山を形成したねじとすることができる。他のタイプの締結具も企図される。パワーモジュール100内の多数の要素を締結にするために、締結具620を使用して、ハウジング側壁612に直接にねじ留めすることができる。締結具620は、ハウジングリッド618の取付け、信号相互接続アセンブリ616の取付け、中央パワーコンタクト614の埋込み(別の手段によって埋め込まれない場合)、ベースプレート602へのハウジング側壁612の締結、および他の同種のことに使用することができる。 The power module 100 may further include a fastener 620. The fastener 620 may be a threaded screw. Other types of fasteners are contemplated. The fastener 620 may be used to screw directly into the housing sidewall 612 to fasten multiple elements within the power module 100. The fastener 620 may be used to attach the housing lid 618, attach the signal interconnect assembly 616, embed the central power contact 614 (if not embedded by another means), fasten the housing sidewall 612 to the base plate 602, and the like.

パワーモジュール100はさらに、キャプティブファスナ622を含むことができる。キャプティブファスナ622は、ハウジング側壁612内およびハウジングリッド618内に置かれた六角ナットとすることができ、エッジパワーコンタクト608および中央パワーコンタクト614が折り曲げられたときに、それらのコンタクトの下に、脱落しないように保持することができる。他のタイプの締結具またはコネクタがキャプティブファスナ622を実施することも企図される。キャプティブファスナ622は、外部バスバーまたはケーブルへの電気接続を容易にすることができる。キャプティブファスナ622は、パワーモジュール100がバスバーにボルト留めされたときに、キャプティブファスナ622およびエッジパワーコンタクト608がバッシング内へ引き上げられて、より良質の電気接続を形成するように、配置することができる。キャプティブファスナ622がハウジングに固定されている場合には、バスバーの堅さのために、キャプティブファスナ622が、バッシングをパワーモジュール100内へ引き下げる働きをし、これによって不十分な接続が形成されることになる。 The power module 100 may further include a captive fastener 622. The captive fastener 622 may be a hex nut placed in the housing sidewall 612 and the housing lid 618 and may hold the edge power contacts 608 and the center power contacts 614 under the contacts when they are bent so that they do not fall out. It is contemplated that other types of fasteners or connectors may implement the captive fastener 622. The captive fastener 622 may facilitate an electrical connection to an external bus bar or cable. The captive fastener 622 may be positioned such that when the power module 100 is bolted to the bus bar, the captive fastener 622 and the edge power contacts 608 are pulled up into the bushing to form a better electrical connection. If the captive fastener 622 were secured to the housing, the stiffness of the busbar would cause the captive fastener 622 to pull the bussing down into the power module 100, resulting in an insufficient connection.

一態様では、キャプティブファスナ622が回転することを防ぐために、ハウジングリッド618が、キャプティブファスナ622の外部形状と整合した形状を有する開口部を含むことができる。キャプティブファスナ622は、(図26に示された)対応する締結具を受け取ることができる。外部バスバーまたはケーブルへの電気接続を容易にするため、この対応する締結具は、中央パワーコンタクト614の締結具穴512を通って延びる。 In one aspect, the housing lid 618 can include an opening having a shape that matches the exterior shape of the captive fastener 622 to prevent the captive fastener 622 from rotating. The captive fastener 622 can receive a corresponding fastener (shown in FIG. 26 ) that extends through the fastener hole 512 of the central power contact 614 to facilitate electrical connection to an external bus bar or cable.

一態様では、キャプティブファスナ622が回転することを防ぐために、ハウジング側壁612が、キャプティブファスナ622の外部形状と整合した形状を有する開口部を含むことができる。キャプティブファスナ622は、(図26に示された)対応する締結具を受け取ることができる。外部バスバーまたはケーブルへの電気接続を容易にするため、この対応する締結具は、この1つまたは複数のエッジパワーコンタクト608の締結具穴512を通って延びる。 In one aspect, the housing sidewall 612 can include an opening having a shape that matches the exterior shape of the captive fastener 622 to prevent the captive fastener 622 from rotating. The captive fastener 622 can receive a corresponding fastener (shown in FIG. 26 ) that extends through the fastener hole 512 of the one or more edge power contacts 608 to facilitate electrical connection to an external bus bar or cable.

低い内部インダクタンスを達成するため、パワーモジュール100の電流経路は、磁束相殺(flux cancellation)を達成するために、可能な場合は常に、幅が広く、長さが短く、重なり合うものとすることができる。磁束相殺は、ループ内を流れている電流が、すぐ近くで反対方向に移動しているときに起こり、電流の関連磁場を効果的に打ち消す。このモジュール手法の主な利点は、フットプリントの幅全体が伝導に利用されることである。構造内で電流が流れなければならない長さを短くするために、モジュールの高さを最小化することができる。 To achieve low internal inductance, the current paths in the power module 100 can be made wide, short, and overlapping whenever possible to achieve flux cancellation. Flux cancellation occurs when currents flowing in loops are moving in opposite directions in close proximity, effectively canceling the associated magnetic fields of the currents. The main advantage of this modular approach is that the entire width of the footprint is utilized for conduction. The height of the module can be minimized to reduce the length that currents must travel within the structure.

ハーフブリッジ相脚のパワーループが図11に示されている。詳細を示すために、エッジパワーコンタクト608および中央パワーコンタクト614は上に折り返されている。幅が広く低プロファイル(profile)のエッジパワーコンタクト608および中央パワーコンタクト614は、パワーデバイス302に電流を直接に流入させる。端子表面から個々のパワーデバイス302への有効電流経路を機能的に等価とすることができる。さらに、パワーデバイス302はすぐ近くに置くことができ、このことは、パワーデバイス302の相対的なループインダクタンスの不均衡を最小化し、優れた熱結合を保証する。 The power loop of a half-bridge phase leg is shown in FIG. 11. The edge power contacts 608 and center power contacts 614 are folded up to show detail. The wide, low profile edge power contacts 608 and center power contacts 614 direct current into the power devices 302. The effective current paths from the terminal surface to the individual power devices 302 can be functionally equivalent. Furthermore, the power devices 302 can be placed in close proximity, which minimizes imbalance in the relative loop inductance of the power devices 302 and ensures good thermal coupling.

図12Aは、それぞれのノードがハーフブリッジトポロジで識別された、本開示に従って構築されたパワーモジュールの相脚の上面図を示しており、図12Bは、それぞれのノードがハーフブリッジトポロジで識別された、本開示に従って構築された図12Aによるパワーモジュールの相脚の概略図を示している。パワーモジュール100は1つまたは複数のダイオードを含むことができる。一態様では、概略図のダイオードを、逆平行に置かれた個別ダイオード(図示せず)とすることができる。一態様では、概略図のダイオードを、MOSFETとして実施されたパワーデバイス302のボディダイオード(body diode)(図示せず)の表現とすることができる。 12A shows a top view of a phase leg of a power module constructed in accordance with the present disclosure with respective nodes identified in a half-bridge topology, and FIG. 12B shows a schematic diagram of a phase leg of a power module according to FIG. 12A constructed in accordance with the present disclosure with respective nodes identified in a half-bridge topology. The power module 100 may include one or more diodes. In one aspect, the diodes in the schematic diagram may be individual diodes (not shown) placed in anti-parallel. In one aspect, the diodes in the schematic diagram may be a representation of the body diode (not shown) of the power device 302 implemented as a MOSFET.

一態様では、電流経路がV+ノード端子608から始まることができ、V+ノード端子608を、パワーデバイス302のうちの上パワーデバイス302のパワー基板630およびドレインD1に取り付けることができる。次いで、パワーデバイス302のうちの上パワーデバイス302のソースS1を、下パワー基板パッド630にワイヤボンディング628することができ、下パワー基板パッド630は、下側パワーデバイス302のドレインD2および相パワー端子608に取り付けられている。最後に、下側パワーデバイス302のソースS2を、V-パワーコンタクト端子614にワイヤボンディング628することができ、V-パワーコンタクト端子614は、下パワー基板630よりも上方にあることができ、このことは、ある重なりを提供し、V-パワーコンタクト端子614を、その下のパワー基板630から十分に電圧分離することができる。 In one aspect, the current path can start from the V+ node terminal 608, which can be attached to the power substrate 630 and drain D1 of the upper one of the power devices 302. The source S1 of the upper one of the power devices 302 can then be wire bonded 628 to the lower power substrate pad 630, which is attached to the drain D2 and phase power terminal 608 of the lower power device 302. Finally, the source S2 of the lower power device 302 can be wire bonded 628 to the V- power contact terminal 614, which can be above the lower power substrate 630, which can provide some overlap and sufficient voltage isolation of the V- power contact terminal 614 from the power substrate 630 below it.

図13は、図12Aおよび図12Bの相脚の断面図を示しており、図14は、電流経路を含む、図12Aおよび図12Bの相脚の断面図を示している。図13に示されているとおり、パワーコンタクトまたは端子106、108、110のタブが、パワーモジュール100構造体の最終構成にあるとき、それらのタブは折り曲げられている。詳細を示すため、層の厚さは誇張されている。電流の流れを視覚化するとき、この図の要素は全て導体であると考えることができる。 Figure 13 shows a cross-sectional view of the phase legs of Figures 12A and 12B, and Figure 14 shows a cross-sectional view of the phase legs of Figures 12A and 12B, including the current paths. As shown in Figure 13, the tabs of the power contacts or terminals 106, 108, 110 are bent over when in their final configuration in the power module 100 structure. The thickness of the layers has been exaggerated to show detail. When visualizing current flow, all of the elements in this diagram can be considered conductors.

図13はさらに、多数の高さまたは高度を有するパワーモジュール100のテラス状構成を示している。この点に関して、端子614の垂直位置は、端子608の垂直位置よりも高く示されている。この高さの差が矢印702によって示されている。多数の高さを有するこの構成は、後により詳細に説明するクリティカルループ(critical loop)を提供することができる。さらに、多数の高さを有するこの構成は、バス接続を提供する際の助けとなることがあり、これについても後にさらに説明する。 13 further illustrates a terraced configuration of the power module 100 having multiple heights or elevations. In this regard, the vertical position of the terminal 614 is shown higher than the vertical position of the terminal 608. This elevation difference is indicated by arrow 702. This multiple height configuration can provide a critical loop, which will be described in more detail below. Additionally, this multiple height configuration can aid in providing bus connections, which will also be described in more detail below.

図14は、V+端子からV-端子への電流経路のオーバレイを示しており、このオーバレイは、本開示の態様による、クリーンなスイッチングのためのクリティカルループを表している。インダクタンスは、経路長に比例し、導体の断面積の増大とともに小さくなり、磁場の磁束相殺によって低下する。識別された経路は、端子608から始まり、パワー基板630を通り、パワーデバイス302を横切り、第2の基板630に流れ、パワーデバイス302を通って端子614によって出力される。識別された経路は、以下の因子のために低インダクタンスとなっている。
モジュールの高さが低いこと。
パワーデバイス302が端子608、614のすぐ近くにあること。
全ての機能要素が密にパッキングされていること。
導体の断面積の幅が広いこと。
それぞれのパワーデバイス302の並列化されたワイヤボンド628が最適化されていること。
パワーデバイス302間の電流分配が均等であること。
下側スイッチ位置で電流方向が逆転したときに磁束相殺が起こること。
外部V+/V-バスバーにおいて磁束相殺が起こること。
14 shows an overlay of the current paths from the V+ terminal to the V− terminal, which represents the critical loops for clean switching according to aspects of the disclosure. Inductance is proportional to the path length, decreases with increasing cross-sectional area of the conductor, and is reduced by magnetic field flux cancellation. The identified path starts at terminal 608, passes through power board 630, crosses power device 302, flows to second board 630, passes through power device 302 and is output by terminal 614. The identified path has low inductance due to the following factors:
The module height is low.
The power device 302 is in close proximity to the terminals 608, 614.
All functional elements are tightly packed.
The cross-sectional area of the conductor is wide.
The paralleled wire bonds 628 of each power device 302 are optimized.
The current distribution among the power devices 302 is even.
Flux cancellation occurs when current direction is reversed in the lower switch position.
Flux cancellation occurs in the external V+/V- busbars.

図15は、本開示の一態様による、パワーモジュールの接触面およびバッシングを示している。V+端子608の接触面と相端子608の接触面は平面とすることができ、一方、V-端子614の頂面は残りの端子からオフセットされている。図15に示されているように、この特徴は、積層バッシング802、804の曲がりを必要とすることなく、外部V+/V-積層バッシング802、804が両方の端子608、614と接触することを可能にする。バスバー金属および関連誘電体分離膜の厚さと整合させるために、オフセット距離702(図13に示されている)を調整することができる。 Figure 15 shows the contact surfaces and bussings of a power module according to one aspect of the disclosure. The contact surface of the V+ terminal 608 and the contact surface of the phase terminal 608 can be planar, while the top surface of the V- terminal 614 is offset from the remaining terminals. As shown in Figure 15, this feature allows the outer V+/V- stacked bussing 802, 804 to contact both terminals 608, 614 without requiring bending of the stacked bussings 802, 804. The offset distance 702 (shown in Figure 13) can be adjusted to match the thickness of the busbar metal and associated dielectric isolation film.

低内部モジュールインダクタンスは、DCリンクキャパシタ102バンクに至るバッシング802、804、806の最小化された外部インダクタンスと相まって、低い電圧オーバシュートおよび安定した性能を有するクリーンで高速なスイッチング事象に関して、パワーモジュール100の構造を最適化する。より小さなループインダクタンスは、DCリンクキャパシタ102上で必要な全静電容量を低減させる。 The low internal module inductance, combined with the minimized external inductance of the bussings 802, 804, 806 leading to the DC link capacitor 102 bank, optimizes the power module 100 structure for clean, fast switching events with low voltage overshoot and stable performance. The smaller loop inductance reduces the total capacitance required on the DC link capacitor 102.

これらの利点は、全体として、より小さなスイッチング損失、より高いスイッチング周波数、可制御性の向上、および低減されたEMIを可能にする。最終的に、このことは、システム設計者が、電力密度がより高くロバストな電力変換システムを達成するのに役立つ。 Collectively, these advantages allow for smaller switching losses, higher switching frequencies, improved controllability, and reduced EMI. Ultimately, this helps system designers achieve higher power density and more robust power conversion systems.

図16A、16Bおよび16Cは、本開示の態様によるパワーモジュールの端子のさまざまな態様を示している。パワーモジュール100の中央にV-端子614がある多層レイアウトは、この設計にとって不可欠であることがある。パワー基板630上の出力トレースの上に直接に横たわるこの端子614の適当な電圧分離は、分離構造体を形成するさまざまな構造によって実現することができる。このパワーモジュール100設計は、以下のそれぞれの構造と両立できる。 Figures 16A, 16B and 16C show various aspects of terminals for a power module according to aspects of the present disclosure. A multi-layer layout with a V- terminal 614 in the center of the power module 100 may be essential to this design. Proper voltage isolation of this terminal 614, which overlies directly on the output trace on the power board 630, can be achieved by various structures forming an isolation structure. This power module 100 design is compatible with each of the following structures:

図16Aは、V-端子614の分離の一態様を示している。この態様では、パワーモジュール100が、V-端子614の埋込み分離体810を含むことができる。埋込み分離体810は、プラスチックまたは他の合成材料で形成されたものとすることができる。埋込み分離体810は、中心領域を橋絡するストリップ810としてハウジング側壁612内に位置することができる。一態様では、ストリップ810を、プラスチックで形成されたものとすることができる。パワーコンタクト614は、ねじ山を形成したねじを用いるなどの機械的締結、プラスチックオーバモールド工程によるなどの直接統合化、プラスチック熱かしめ操作を用いた所定の位置でのリベット留め、または他の同種の方法を含む、いくつかの方法によってストリップ810に埋め込むことができる。 16A illustrates one embodiment of the isolation of the V-terminal 614. In this embodiment, the power module 100 can include an embedded isolation 810 of the V-terminal 614. The embedded isolation 810 can be formed of plastic or other synthetic material. The embedded isolation 810 can be located within the housing sidewall 612 as a strip 810 bridging the central region. In one embodiment, the strip 810 can be formed of plastic. The power contacts 614 can be embedded in the strip 810 by a number of methods, including mechanical fastening, such as with a threaded screw, direct integration, such as with a plastic overmolding process, riveting in place using a plastic heat staking operation, or other similar methods.

図16Bは、V-端子614の分離の別の態様を示している。この態様では、パワーモジュール100が、パワー基板分離体によってV-端子614の分離を形成することができる。この点に関して、2次パワー基板812を利用して、セラミックまたは他の同種のものなどの2次パワー基板812の誘電体材料の層により分離を提供することができる。この2次パワー基板812は、パワー基板630にはんだ付け、焼結またはエポキシ樹脂付けすることができ、一方、パワーコンタクト614は、2次基板の上金属パッドにはんだ付けまたは溶接することができる。この手法の利点は、中央パワーコンタクト614の熱伝達が改善されることである。これは、2次パワー基板812の伝導性が高く、2次パワー基板812が、パワーコンタクト614からコールドプレートまたはヒートシンクへの除熱を促進すると思われるためである。 Figure 16B shows another embodiment of the isolation of the V- terminal 614. In this embodiment, the power module 100 can provide isolation of the V- terminal 614 by a power board isolation. In this regard, a secondary power board 812 can be utilized to provide isolation by a layer of dielectric material of the secondary power board 812, such as ceramic or the like. The secondary power board 812 can be soldered, sintered or epoxied to the power board 630, while the power contacts 614 can be soldered or welded to the top metal pads of the secondary board. The advantage of this approach is that the heat transfer of the center power contact 614 is improved. This is because the secondary power board 812 is highly conductive, which is believed to facilitate the removal of heat from the power contacts 614 to a cold plate or heat sink.

図16Cは、V-端子614の分離の別の態様を示している。この点に関して、厚膜分離体814を利用することができる。厚膜分離体814は、パワー基板630上に直接に印刷された厚膜誘電体を利用することができ、電圧遮断を提供することができる。中央コンタクト614は、エポキシ樹脂によって、誘電体膜の上に印刷された金属厚膜の薄い層に直接にはんだ付けすることによって、または他の同種の手法により、厚膜分離体814に取り付けることができる。 FIG. 16C illustrates another aspect of isolation of the V- terminal 614. In this regard, a thick film isolator 814 can be utilized. The thick film isolator 814 can utilize a thick film dielectric printed directly onto the power substrate 630 and can provide voltage blocking. The center contact 614 can be attached to the thick film isolator 814 by epoxy, by soldering directly to a thin layer of thick metal film printed on top of the dielectric film, or by other similar techniques.

他の態様では、V-端子614の分離が、懸垂分離(図示せず)を含むことができる。この態様では、十分な距離をあけてパワー基板630の上に中央パワーコンタクト614を懸架し、埋込み手法と同様の手法で、中央パワーコンタクト614をハウジング側壁612に取り付けることができる。この点に関して、パワーモジュール100を満たすゲル封止材が誘電体分離を提供することができる。中央コンタクト614は、高剛性材料を利用する必要があることがあるが、下側デバイスとコンタクトとの間のパワーワイヤボンド628の形成を妨げずにすむことがある。 In another embodiment, the isolation of the V- terminal 614 can include a suspension isolation (not shown). In this embodiment, the central power contact 614 can be suspended above the power substrate 630 at a sufficient distance and attached to the housing sidewall 612 in a manner similar to a recessed approach. In this regard, a gel encapsulant filling the power module 100 can provide dielectric isolation. The central contact 614 may need to utilize a high rigidity material, but may not interfere with the formation of the power wire bond 628 between the underlying device and the contact.

図17は、本開示の態様による並列の複数のデバイスを概略的に示している。具体的には、図17は、3つのパワーデバイス302を示している。これは単なる例であり、説明および理解を容易にするためのものである。本開示のパワーモジュール100は、任意の数のパワーデバイス302を含むことができる。 FIG. 17 is a schematic diagram of multiple devices in parallel according to aspects of the present disclosure. Specifically, FIG. 17 shows three power devices 302. This is merely by way of example and for ease of explanation and understanding. The power module 100 of the present disclosure may include any number of power devices 302.

ゲート制御信号およびセンス信号は、パワーモジュール100のスイッチング性能の顕著な要因であり、並列化されたスイッチ位置104において特に重要であることがある。高い性能、ロバストネスおよび均一な電流分配のために、パワーモジュール100内の信号ループを最適化することができる。パワーループと同様に、長さ、断面の幅が制限されるように経路を構成することができ、物理的に信号端子502、504のできるだけ近くに、関連外部構成要素を置くことができる。 The gate control and sense signals are significant contributors to the switching performance of the power module 100 and can be especially important in the paralleled switch positions 104. Signal loops within the power module 100 can be optimized for high performance, robustness and uniform current distribution. As with power loops, paths can be configured to be limited in length, cross-sectional width, and associated external components can be placed as physically close as possible to the signal terminals 502, 504.

トランジスタ、特にMOSFETなどのパワーデバイス302の並列化されたアレイに関して、ターンオン条件およびターンオフ条件を整合させるためには、ゲート電流のタイミングおよび大きさのバランスがとれていなければならない。パワーモジュール100は、個々のバラスティング抵抗器(ballasting resistor)RG1、RG2、RG3を利用することができ、それらの抵抗器は、パワーデバイス302のゲートのすぐ近くに置くことができ、ゲートワイヤボンドによって分離されているだけとすることができる。これらの構成要素は、低い抵抗を有し、それぞれの個々のパワーデバイス302に流れる電流を緩衝するのを助ける。これらの構成要素は、パワーデバイス302のゲートを減結合する働きをし、振動(oscillation)を防ぎ、並列化されたパワーデバイス302に対して等化されたターンオン信号を保証するのに役立つ。単一の外部抵抗器RDRIVERを利用し、これらの並列化された抵抗器RG1、RG2、RG3に接続して、有効スイッチ位置104のターンオン速度を制御することができる。 For a paralleled array of power devices 302, such as transistors, particularly MOSFETs, the timing and magnitude of the gate currents must be balanced to match the turn-on and turn-off conditions. The power module 100 may utilize individual ballasting resistors R G1 , R G2 , R G3 that may be placed in close proximity to the gates of the power devices 302 and only separated by gate wire bonds. These components have low resistance and help buffer the current flowing to each individual power device 302. These components serve to decouple the gates of the power devices 302, preventing oscillation and helping to ensure equalized turn-on signals for the paralleled power devices 302. A single external resistor R DRIVER may be utilized and connected to these paralleled resistors R G1 , R G2 , R G3 to control the turn-on speed of the effective switch positions 104.

ゲート抵抗器RG1、RG2、RG3は、用途に応じて、表面実装パッケージ、統合された厚膜層、印刷された厚膜、ワイヤボンディングが可能なチップ、または他の同種のものとすることができる。 The gate resistors R G1 , R G2 , R G3 can be surface mount packages, integrated thick film layers, printed thick film, wire bondable chips, or the like, depending on the application.

図18は、本開示の一態様による有効ゲートスイッチングループの透視図を示しており、図19は、本開示の一態様による有効ゲートスイッチングループの上面図を示している。信号基板または信号相互接続アセンブリ616は、信号相互接続アセンブリ616のボードの縁のゲートおよびソースケルビンコネクタ端子502、504に接続するレール816、818を有することができる。上レール818は、個々のゲート抵抗器820を通してゲートワイヤボンドパッドに接続することができ、下レール816は、パワーデバイス302のソースパッドに直接にワイヤボンディングすることができる。ソースケルビンボンドはパワーソースボンドの電流経路上にはないため、これを真のケルビン接続とみなすことができる。ケルビン接続は、クリーンで効率的な制御のために重要であることがあり、信号ループに対する高ドレイン-ソース電流の影響を低減させることができる。 18 shows a perspective view of an effective gate switching loop according to one aspect of the disclosure, and FIG. 19 shows a top view of an effective gate switching loop according to one aspect of the disclosure. The signal board or signal interconnect assembly 616 can have rails 816, 818 that connect to the gate and source Kelvin connector terminals 502, 504 at the edge of the board of the signal interconnect assembly 616. The top rail 818 can be connected to the gate wire bond pads through individual gate resistors 820, and the bottom rail 816 can be wire bonded directly to the source pads of the power devices 302. This can be considered a true Kelvin connection because the source Kelvin bond is not in the current path of the power source bond. The Kelvin connection can be important for clean and efficient control and can reduce the effect of high drain-source currents on the signal loop.

図18および図19はさらに、信号相互接続アセンブリ616の左側の任意選択の信号接続506、508を示している。これらの接続は、温度測定または他の形態の内部感知に使用することができる。いくつかの態様では、この内部感知が、診断信号を含む診断感知を含むことができ、この診断信号は、診断センサによって生成されたものとすることができ、診断センサは、振動を感知するひずみゲージ、湿度を感知するセンサおよび他の同種のセンサを含むことができる。さらに、診断センサは、任意の環境またはデバイス特性を感知することができる。一態様では、温度センサ610を下側位置に置くことができる。当然ながら、温度センサ610の他の位置および配置も企図される。一態様では、過電流測定(IGBTの場合には脱飽和保護(desaturation protection)とも呼ばれる)のために、ワイヤボンドを、ドレイントレースの隣の(例えばパワーデバイス302の隣の)上パッド上に置くことができる。当然ながら、過電流測定の他の位置および配置も企図される。いくつかの態様では、過電流センサまたは脱飽和センサが、パワーデバイス302のドレインへの接続によって決定される電圧降下を感知することができる。いくつかの態様では、パワーデバイス302を横切る電圧降下によって電流も感知することができる。 18 and 19 further show optional signal connections 506, 508 on the left side of the signal interconnect assembly 616. These connections can be used for temperature measurements or other forms of internal sensing. In some aspects, this internal sensing can include diagnostic sensing, including diagnostic signals, which can be generated by diagnostic sensors, which can include strain gauges to sense vibration, sensors to sense humidity, and the like. Additionally, the diagnostic sensors can sense any environmental or device characteristic. In one aspect, the temperature sensor 610 can be placed in a lower position. Of course, other positions and arrangements of the temperature sensor 610 are also contemplated. In one aspect, a wire bond can be placed on the top pad next to the drain trace (e.g., next to the power device 302) for overcurrent measurement (also called desaturation protection in the case of IGBTs). Of course, other positions and arrangements of overcurrent measurement are also contemplated. In some aspects, an overcurrent sensor or desaturation sensor can sense the voltage drop determined by the connection to the drain of the power device 302. In some aspects, the current can also be sensed by the voltage drop across the power device 302.

この信号ループまたは信号相互接続アセンブリ616のこの実施態様は、スイッチ位置104の並列化されたパワーデバイス302の任意の組合せを横切る品質管理および測定を保証することができる。標準PCBボードツーボードコネクタは、外部ゲートドライバおよび制御回路への簡単な接続を可能にする。 This implementation of the signal loop or signal interconnect assembly 616 can ensure quality control and measurements across any combination of paralleled power devices 302 in the switch positions 104. Standard PCB board-to-board connectors allow easy connection to external gate drivers and control circuitry.

このゲート分配ネットワークは、示されているとおり、PCBによって実施することができる。このゲート分配ネットワークは、厚膜回路として、1次パワー基板630上に直接に、ベースプレート602上に直接に、または他の同種のやり方で形成することもできる。これは、パワーモジュール100の部品数を減らす利点、およびゲート抵抗器820を印刷する選択肢を有する。はんだ端子が必要でないことがあるため、ゲート抵抗器820は、PCB上の表面実装部品のサイズよりもはるかに小さくすることができ、コールドプレートによってゲート抵抗器820を能動的に冷却することができ、このことは、この構成要素のサイジングの熱的制約を最小化する。 The gate distribution network can be implemented by a PCB as shown. It can also be formed as a thick film circuit, directly on the primary power substrate 630, directly on the base plate 602, or in other similar ways. This has the advantage of reducing the component count of the power module 100, and the option to print the gate resistors 820. Since solder terminals may not be required, the gate resistors 820 can be much smaller than the size of surface mount components on a PCB, and the gate resistors 820 can be actively cooled by a cold plate, which minimizes the thermal constraints of sizing this component.

図20は、本開示の態様によるパワーモジュールを含む例示的な部分実施態様を示している。この点に関して、図20は、高性能システム内において本開示のパワーモジュール100を実施する代表的で例示的な構造である。この一般的な手法は、他の多くの構成およびトポロジに適合し、コンバータ内でパワーモジュール100をどのように利用するのかに関する有用な例の役割を果たす。この特定の例は3相モータドライブに対するものである。この態様では、3つのパワーモジュール100が存在する。 Figure 20 illustrates an exemplary partial embodiment including a power module according to an aspect of the present disclosure. In this regard, Figure 20 is a representative exemplary structure for implementing the power module 100 of the present disclosure in a high performance system. This general approach is compatible with many other configurations and topologies and serves as a useful example of how to utilize the power module 100 in a converter. This particular example is for a three-phase motor drive. In this aspect, there are three power modules 100.

開示されたパワーモジュール100は、(示されているように3つの)ハーフブリッジ相脚のアレイとして構成することができる。用途の必要に応じて電流を増大させるために、追加のパワーモジュール100を並列に含めることができる。 The disclosed power modules 100 can be configured as an array of half-bridge phase legs (three as shown). Additional power modules 100 can be included in parallel to increase current as required by the application.

図20の実施態様はさらにコールドプレート902を含むことができる。コールドプレート902は、廃熱をパワーモジュール100から別の源(液体、空気など)に伝達する役目を果たす高性能液体コールドプレート、ヒートシンクまたは他の同種のものとすることができる。 20 may further include a cold plate 902. The cold plate 902 may be a high performance liquid cold plate, a heat sink, or the like that serves to transfer waste heat from the power module 100 to another source (liquid, air, etc.).

図20の実施態様はさらにDCリンクキャパシタ102を含むことができる。DCリンクキャパシタ102は、DC電力源とパワーモジュール100とをインタフェースするフィルタリングキャパシタとして実施することができる。一態様では、DCリンクキャパシタ102を単一のキャパシタとして実施することができる。別の態様では、負荷の電力要求および/または特定の用途に応じて、DCリンクキャパシタ102を、キャパシタの「バンク」を形成する多数の構成要素として実施することもできる。 20 may further include a DC link capacitor 102. The DC link capacitor 102 may be implemented as a filtering capacitor that interfaces with a DC power source and the power module 100. In one aspect, the DC link capacitor 102 may be implemented as a single capacitor. In another aspect, the DC link capacitor 102 may be implemented as multiple components forming a "bank" of capacitors, depending on the power requirements of the load and/or the particular application.

図20の実施態様はさらに、コールドプレート支持棒(standoff)904を含むことができる。コールドプレート支持棒904は、コールドプレート902に対する構造的支持を提供することができる。コールドプレート支持棒904は、示されているように、パワーモジュール100の端子106、108をキャパシタコンタクト906と同じ平面まで持ち上げ配置するように構成することができる。この態様では、曲がりのない平らなバスバーが構成要素を相互接続することができる。より高い電力密度に関して、または異なるタイプのキャパシタに関して、コンバータの要素に対して使用可能なフォームファクタ(form factor)を最もよく利用するように、コールドプレート支持棒904の高さを調整することができる。これは、遷移曲がりが必要でありうるときに電気ループ長を増大させる対応するトレードオフを有することがあり、システム固有の要件に依存するであろう。 20 embodiment may further include a cold plate standoff 904. The cold plate standoff 904 may provide structural support for the cold plate 902. The cold plate standoff 904 may be configured to elevate and position the terminals 106, 108 of the power module 100 to the same plane as the capacitor contacts 906 as shown. In this aspect, a flat busbar without bends may interconnect the components. The height of the cold plate standoff 904 may be adjusted to best utilize the available form factor for the converter elements for higher power density or for different types of capacitors. This may have a corresponding tradeoff of increasing the electrical loop length when transition bends may be required, and will depend on the system specific requirements.

図21は、本開示による例示的な積層バスバーを示しており、図22は、図21による例示的な積層バスバーの1つの部分、図23は、図21による例示的な積層バスバーの別の部分を示している。パワー端子レイアウトは、単純で効果的なバスバー相互接続を容易にするように設計することができる。パワーモジュール100のDCリンクキャパシタ102と端子106、108との間のインダクタンスを最小化するため、バスバー900は、厚い導体910、912を有することができ、バスバー900の厚い導体910、912は重なり合うことができる。薄い誘電体膜914によって厚い導体910、912を分離することができる。電流は、厚い導体910、912のそれぞれのシートを通って反対方向に流れ、このことは、パワーデバイス302とフィルタリングDCリンクキャパシタ102との間の実効インダクタンスを大幅に低減させるように作用する。厚い導体910の上位層をエンボス加工して、DCリンクキャパシタ102との合わせ面に共面コンタクト918を形成することができ、これは、電気性能を阻害しうる座金またはスペーサの必要性を排除する。 21 shows an exemplary laminated busbar according to the present disclosure, FIG. 22 shows one portion of the exemplary laminated busbar according to FIG. 21, and FIG. 23 shows another portion of the exemplary laminated busbar according to FIG. 21. The power terminal layout can be designed to facilitate simple and effective busbar interconnection. To minimize the inductance between the DC link capacitor 102 of the power module 100 and the terminals 106, 108, the busbar 900 can have thick conductors 910, 912, and the thick conductors 910, 912 of the busbar 900 can overlap. The thick conductors 910, 912 can be separated by a thin dielectric film 914. Current flows in opposite directions through each sheet of the thick conductors 910, 912, which acts to significantly reduce the effective inductance between the power device 302 and the filtering DC link capacitor 102. The top layer of the thick conductor 910 can be embossed to form a coplanar contact 918 on the mating surface with the DC link capacitor 102, eliminating the need for washers or spacers that can impede electrical performance.

上に示したシステムレベルレイアウトを整合させる例示的な積層バスバー900は、導体V+平面912、導体V-平面910および誘電体膜914のうちの1つまたは複数を含むことができる。 An exemplary laminated busbar 900 that aligns with the system level layout shown above can include one or more of a conductor V+ plane 912, a conductor V- plane 910, and a dielectric film 914.

導体V+平面912は、コンタクト926を通してパワーモジュール100のV+端子106を、コンタクト928を通してDCリンクキャパシタ102のV+端子に接続することができ、さらに、外部接続用の端子920を有することができる。 The conductor V+ plane 912 can connect the V+ terminal 106 of the power module 100 through contact 926 to the V+ terminal of the DC link capacitor 102 through contact 928, and can further have a terminal 920 for external connection.

導体V-平面910は、コンタクト924を通してパワーモジュール100のV-端子108を、コンタクト918を通してDCリンクキャパシタ102のV-端子に接続することができ、さらに、外部接続用の端子922を有することができる。コンタクト918、924、926、928および端子920、922はそれぞれ、電気接続を形成するために締結具を受け取るよう構成された締結具開口部を有するように実施することができる。他の電気接続実施態様も企図される。導体910、912は開口部940を含むことができる。導体910、912のうちの一方の導体の開口部940は、導体910、912のうちのもう一方の導体のコンタクトへのアクセスを可能にする。 The conductor V-plane 910 can connect the V- terminal 108 of the power module 100 through contact 924 to the V- terminal of the DC link capacitor 102 through contact 918, and can further have a terminal 922 for external connection. The contacts 918, 924, 926, 928 and the terminals 920, 922 can each be implemented with fastener openings configured to receive fasteners to form an electrical connection. Other electrical connection implementations are also contemplated. The conductors 910, 912 can include openings 940. The openings 940 in one of the conductors 910, 912 allow access to the contacts of the other of the conductors 910, 912.

誘電体膜914は、導体910、912の重なり合った金属層間に置かれた薄い電気絶縁体として実施することができる。誘電体膜914は、電気安全規格による誘電体絶縁を提供することができる。インダクタンスを最小化するため、誘電体膜914をできるだけ薄く保つことができる。積層バスバー900の頂面および底面の電気接続を必要としない全てのエリアを膜が覆ってもよい。形状寸法(geometry)および使用可能な空間に応じて、ピンチシールラミネーション(pinch seal lamination)、エポキシ樹脂シール、誘電体インサートまたは他の同種のものを含むさまざまな方法によって、積層バスバー900の縁916をシールすることができる。いくつかの態様では、アクリル接着剤によって誘電体膜914の材料を積層バスバー900に接着することができる。いくつかの態様では、積層バスバー900が、ポリマー材料によるピンチシールを含むことができる。いくつかの態様では、続いて積層バスバー900に圧力、熱および時間をかけて、積層品を形成することができる。 The dielectric film 914 may be implemented as a thin electrical insulator placed between the overlapping metal layers of the conductors 910, 912. The dielectric film 914 may provide dielectric insulation per electrical safety standards. The dielectric film 914 may be kept as thin as possible to minimize inductance. The film may cover all areas of the laminated busbar 900 that do not require electrical connection on the top and bottom surfaces. Depending on the geometry and available space, the edges 916 of the laminated busbar 900 may be sealed by a variety of methods including pinch seal lamination, epoxy seals, dielectric inserts, or the like. In some aspects, the material of the dielectric film 914 may be bonded to the laminated busbar 900 by an acrylic adhesive. In some aspects, the laminated busbar 900 may include a pinch seal with a polymeric material. In some aspects, the laminated busbar 900 may then be subjected to pressure, heat, and time to form a laminate.

いくつかの態様では、バスバー900および導体910、912が全体に平らな構造を有する。より詳細には、図15に示されているように、バスバー900が、全体に平らな上面および全体に平らな下面を有することができる。いくつかの態様では、導体910、912のうちの一方の導体の厚さが、誘電体膜914とともに、図13に示されたオフセット距離702を規定する。一態様では、導体910、912のうちの一方の導体と誘電体膜914とを合わせた厚さを0.5mm~10mmとすることができ、これがオフセット距離702に対応する。一態様では、導体910、912のうちの一方の導体と誘電体膜914とを合わせた厚さを1mm~2mmとすることができ、これがオフセット距離702に対応する。一態様では、導体910、912のうちの一方の導体と誘電体膜914とを合わせた厚さを0.5mm~1mmとすることができ、これがオフセット距離702に対応する。一態様では、導体910、912のうちの一方の導体と誘電体膜914とを合わせた厚さを2mm~3mmとすることができ、これがオフセット距離702に対応する。一態様では、導体910、912のうちの一方の導体と誘電体膜914とを合わせた厚さを3mm~4mmとすることができ、これがオフセット距離702に対応する。一態様では、導体910、912のうちの一方の導体と誘電体膜914とを合わせた厚さを4mm~5mmとすることができ、これがオフセット距離702に対応する。一態様では、導体910、912のうちの一方の導体と誘電体膜914とを合わせた厚さを5mm~6mmとすることができ、これがオフセット距離702に対応する。一態様では、導体910、912のうちの一方の導体と誘電体膜914とを合わせた厚さを6mm~7mmとすることができ、これがオフセット距離702に対応する。一態様では、導体910、912のうちの一方の導体と誘電体膜914とを合わせた厚さを7mm~8mmとすることができ、これがオフセット距離702に対応する。一態様では、導体910、912のうちの一方の導体と誘電体膜914とを合わせた厚さを8mm~9mmとすることができ、これがオフセット距離702に対応する。一態様では、導体910、912のうちの一方の導体と誘電体膜914とを合わせた厚さを9mm~10mmとすることができ、これがオフセット距離702に対応する。 In some aspects, the bus bar 900 and the conductors 910, 912 have a generally flat structure. More specifically, as shown in FIG. 15, the bus bar 900 can have a generally flat top surface and a generally flat bottom surface. In some aspects, the thickness of one of the conductors 910, 912, together with the dielectric film 914, defines the offset distance 702 shown in FIG. 13. In one aspect, the combined thickness of one of the conductors 910, 912 and the dielectric film 914 can be 0.5 mm to 10 mm, which corresponds to the offset distance 702. In one aspect, the combined thickness of one of the conductors 910, 912 and the dielectric film 914 can be 1 mm to 2 mm, which corresponds to the offset distance 702. In one aspect, the combined thickness of one of the conductors 910, 912 and the dielectric film 914 can be 0.5 mm to 1 mm, which corresponds to the offset distance 702. In one aspect, the combined thickness of one of the conductors 910, 912 and the dielectric film 914 can be 2 mm to 3 mm, which corresponds to the offset distance 702. In one aspect, the combined thickness of one of the conductors 910, 912 and the dielectric film 914 can be 3 mm to 4 mm, which corresponds to the offset distance 702. In one aspect, the combined thickness of one of the conductors 910, 912 and the dielectric film 914 can be 4 mm to 5 mm, which corresponds to the offset distance 702. In one aspect, the combined thickness of one of the conductors 910, 912 and the dielectric film 914 can be 5 mm to 6 mm, which corresponds to the offset distance 702. In one aspect, the combined thickness of one of the conductors 910, 912 and the dielectric film 914 can be 6 mm to 7 mm, which corresponds to the offset distance 702. In one aspect, the combined thickness of one of the conductors 910, 912 and the dielectric film 914 can be 7 mm to 8 mm, which corresponds to the offset distance 702. In one aspect, the combined thickness of one of the conductors 910, 912 and the dielectric film 914 can be 8 mm to 9 mm, which corresponds to the offset distance 702. In one aspect, the combined thickness of one of the conductors 910, 912 and the dielectric film 914 can be 9 mm to 10 mm, which corresponds to the offset distance 702.

図24は、本開示による相出力バスバーを示している。この例のような3相モータドライブに関して、相出力930は、インダクタンスを最小化するのに積層化または重なりを必要としないことがある。これは、相出力バスバー930が誘導負荷を駆動していることにより、このことは、出力経路上のインダクタンスを低減させる必要性を限定する。したがって、相出力バスバー930は、独立型の要素とすることができ、積層DCリンクの構造よりもずっと複雑でないものとすることができる。相出力バスバー930は、電気接続を形成するために締結具を受け取るための開口部934を含むことができる。 FIG. 24 illustrates a phase output busbar according to the present disclosure. For a three-phase motor drive such as this example, the phase output 930 may not require stacking or overlapping to minimize inductance. This is because the phase output busbar 930 is driving an inductive load, which limits the need to reduce inductance on the output path. Thus, the phase output busbar 930 may be a stand-alone element and much less complex than the structure of a laminated DC link. The phase output busbar 930 may include openings 934 for receiving fasteners to form an electrical connection.

それぞれの相からの出力電流を測定することは非常に望ましい。これは、(分流器と呼ばれる)低抵抗の直列抵抗器を追加し、それを横切る電圧降下を測定する方法、電流によって発生した磁場を測定するセンサを含め、比例信号をコントローラに提供する方法、または他の同種の方法など、いくつかの方法によって実行することができる。図24は、このシステムに対する1つの出力バスバー930と、第一鉄シールド(ferrous shield)932を追加して、センサが置かれている可能性がある領域に磁場を集中させることによって、測定の正確さを向上させるための構成とを示している。 It is highly desirable to measure the output current from each phase. This can be done in a number of ways, such as adding a low resistance series resistor (called a shunt) and measuring the voltage drop across it, including a sensor that measures the magnetic field generated by the current and provides a proportional signal to the controller, or other similar methods. Figure 24 shows one output busbar 930 for this system, and a configuration for adding a ferrous shield 932 to improve the accuracy of the measurement by concentrating the magnetic field in the area where the sensor may be located.

相出力バスバー930または導体は、それぞれのパワーモジュール100の相出力端子110から外部端子接続への遷移を提供するように構成されたものとすることができる。相出力バスバー930または導体の形態および配置は変更することができ、パワーモジュール100の特定のトポロジまたは配置に依存することがある。 The phase output busbars 930 or conductors may be configured to provide a transition from the phase output terminals 110 of the respective power modules 100 to external terminal connections. The form and arrangement of the phase output busbars 930 or conductors may vary and may depend on the particular topology or arrangement of the power modules 100.

第一鉄シールド932または磁場集中器は、センサが置かれている可能性があるターゲット領域に、電流の流れによって発生した磁場を集中させるように構成されたものとすることができる。動作にこれが必要ないこともあるが、大部分のコンバータシステム内で出力電流測定値を抽出するのに、これは非常に有利な配置である。 The ferrous shield 932 or magnetic field concentrator may be configured to concentrate the magnetic field generated by the current flow to a target area where the sensor may be located. While this may not be necessary for operation, it is a highly advantageous arrangement for extracting output current measurements in most converter systems.

図25は、本開示の態様による、パワーモジュールおよび積層バスバーを含む例示的な実施態様の透視図を示しており、図26は、図25による、パワーモジュールおよび積層バスバーを含む例示的な実施態様の第1の断面図、図27は、図25による、パワーモジュールおよび積層バスバーを含む例示的な実施態様の第2の断面図を示している。図25~27は、上述の積層バスバー900構造体を含むモータドライブシステムレイアウトを示している。図25~27に示されているとおり、このシステムは、パワーモジュール100アレイ、コールドプレート902アセンブリ、DCリンクキャパシタ102、DCリンク積層バスバー900アセンブリおよび出力コンタクトバスバー930を含むことができる。 25 shows a perspective view of an exemplary embodiment including a power module and a laminated busbar according to aspects of the present disclosure, FIG. 26 shows a first cross-sectional view of an exemplary embodiment including a power module and a laminated busbar according to FIG. 25, and FIG. 27 shows a second cross-sectional view of an exemplary embodiment including a power module and a laminated busbar according to FIG. 25. FIGS. 25-27 show a motor drive system layout including the laminated busbar 900 structure described above. As shown in FIGS. 25-27, the system can include a power module 100 array, a cold plate 902 assembly, a DC link capacitor 102, a DC link laminated busbar 900 assembly, and an output contact busbar 930.

図26には、DCリンクキャパシタの端子の断面図が示されている。図26は、バスバー900内に実施されたエンボス加工された共面接続918と、実行可能なあらゆる位置における高度の金属積層化とを示している。プレート910、912間の唯一の分離は、金属薄板製造工程(エンボス加工ツール、ワーク保持、公差など)および誘電体分離914(縁シール、沿面距離、空間距離)のために必要な最小の面積とすることができる。 A cross-sectional view of the DC link capacitor terminals is shown in FIG. 26. FIG. 26 shows the embossed coplanar connections 918 implemented in the busbar 900 and the high degree of metal lamination in all locations where feasible. The only separation between the plates 910, 912 may be the minimum area required for the sheet metal manufacturing process (embossing tooling, workholding, tolerances, etc.) and the dielectric isolation 914 (edge seal, creepage, clearance).

図27に示されたパワーモジュール100の断面は、DCリンクキャパシタ102のバンクからパワーモジュール100の端子106、108への重なり合った最適化されたクリティカルループを示している。これは、実際の代表的構成要素および物理的な設計上の制約によって、図15で論じた思想を強化する。 The cross section of the power module 100 shown in FIG. 27 shows overlapping optimized critical loops from the bank of DC link capacitors 102 to the terminals 106, 108 of the power module 100. This reinforces the ideas discussed in FIG. 15 with actual representative components and physical design constraints.

総体として、この低インダクタンス、高電流の相互接続構造は、開示されたパワーモジュール設計に対して必要であることがあり、開示されたパワーモジュール設計によって可能になることがある。全体として、それらは、DCリンクキャパシタ102のバンクとスイッチ位置104との間に効果的で高度に統合された低インダクタンス経路を形成する。この構造は、ワイドバンドギャップ半導体などのパワーデバイス302の効率的で、安定した、非常に高い周波数のスイッチングを可能にする。 Collectively, this low inductance, high current interconnect structure may be necessary for, and may be enabled by, the disclosed power module design. Collectively, they form an effective, highly integrated, low inductance path between the bank of DC link capacitors 102 and the switch locations 104. This structure enables efficient, stable, very high frequency switching of power devices 302, such as wide bandgap semiconductors.

図28は、本開示による例示的な単一モジュールゲートドライバを示している。このゲートドライバは、スイッチ位置104にドライブ電流を送達し、その一方でコントローラと高電圧パワー段との間の電圧分離を提供するパワー増幅器の働きをする。スイッチ位置104間のドライバブロック間の分離を維持することもできる。高周波数スイッチングに関して、ドライバの出力段を、物理的にスイッチ位置104の近くに配置することができる。 FIG. 28 illustrates an exemplary single module gate driver according to the present disclosure. The gate driver acts as a power amplifier delivering drive current to the switch positions 104 while providing voltage isolation between the controller and the high voltage power stage. Isolation between the driver blocks between the switch positions 104 can also be maintained. For high frequency switching, the output stage of the driver can be physically located close to the switch positions 104.

不足電圧、過電圧および過電流保護などの安全のために、追加の特徴を含めることができる。安全動作領域内でパワーモジュール100が常に機能していることを保証するように、ゲートドライバ回路を構成することができ、故障の場合、ゲートドライバ回路は、慎重にシャットダウンするであろう。 Additional features can be included for safety, such as under-voltage, over-voltage and over-current protection. The gate driver circuitry can be configured to ensure that the power module 100 is always functioning within its safe operating area, and in the event of a fault, the gate driver circuitry will carefully shut down.

このパワーモジュール設計によれば、積層パワーバッシング900の直上にゲートドライバを着座させることができる。ゲートドライバは、単一のPCBとして形成することができ、パワーモジュール100と同じモジュール方式でラックアップ(rack up)またはスケーリングすることができる。あるいは、パワーモジュール100のアレイを横切る単一のPCB上にドライバを統合することもできる。これによってサイズは節減されるが、ボード上の多数の高電圧ノードのため複雑さは増大する。ドライバの出力段を、ボードツーボードコネクタの隣に直接に配置し、モジュール信号ピンと接触させることができる。 This power module design allows the gate drivers to be seated directly on top of the stacked power bussing 900. The gate drivers can be formed as a single PCB and can be racked up or scaled in the same modular fashion as the power modules 100. Alternatively, the drivers can be integrated onto a single PCB across an array of power modules 100. This saves size but increases complexity due to the large number of high voltage nodes on the board. The driver output stage can be placed directly next to the board-to-board connector and in contact with the module signal pins.

図28には、例示的な単一モジュールゲートドライバ400が示されている。スイッチ位置104ごとに、単一モジュールゲートドライバ400の要素を2重にすることができる。それぞれのブロックの配置および特定のレイアウトはシステム依存であることがあり、この図では、それらが、一般化された例として構成されている。 An exemplary single module gate driver 400 is shown in FIG. 28. Elements of the single module gate driver 400 can be duplicated for each switch position 104. The placement and specific layout of each block can be system dependent, and they are shown in this figure as a generalized example.

単一モジュールゲートドライバ400の要素は、制御信号コネクタ410、分離電源(isolated power supply)420、信号分離および調整(conditioning)構成要素430、増幅器段440、バルクゲート抵抗器および局所電流フィルタ450、センサおよび保護構成要素460、パワーモジュール信号コネクタ470、ならびに沿面距離延長スロット480のうちの1つまたは複数を含むことができる。単一モジュールゲートドライバ400は、プリント回路ボード(PCB402)上に配置することができる。 The elements of the single module gate driver 400 may include one or more of a control signal connector 410, an isolated power supply 420, signal isolation and conditioning components 430, an amplifier stage 440, bulk gate resistors and local current filters 450, sensors and protection components 460, a power module signal connector 470, and a creepage extension slot 480. The single module gate driver 400 may be disposed on a printed circuit board (PCB 402).

制御信号コネクタ410は、ケーブル、ボードツーボードコネクタまたは同種の機構によってコントローラとゲートドライバとの間で差分制御およびセンサ信号を転送することができるような態様で、コントローラとゲートドライバとをインタフェースするように構成することができる。 The control signal connector 410 can be configured to interface with the controller and gate driver in a manner that allows differential control and sensor signals to be transferred between the controller and gate driver via a cable, board-to-board connector, or similar mechanism.

分離電源420は、パワーデバイス302のターンオンおよびターンオフに必要な正および負電圧を供給するDC-DCコンバータとして実施することができる。分離電源420は、パワーデバイス302が必要とする電流を供給するに足る十分に高い電力とすることができる。制御段とパワー段との間の分離は、このブロックの極めて重要な機能であることがある。 The separated power supply 420 can be implemented as a DC-DC converter that provides the positive and negative voltages required to turn on and off the power devices 302. The separated power supply 420 can be high enough power to provide the current required by the power devices 302. Isolation between the control stage and the power stage can be a critical function of this block.

信号分離および調整構成要素430は、低電圧制御と高電圧パワーとの間で制御信号の分離を提供するため、およびドライバの増幅器段440に対する制御信号を調整するための回路を含むことができる。 The signal isolation and conditioning components 430 may include circuitry for providing isolation of the control signals between the low voltage control and the high voltage power, and for conditioning the control signals to the driver amplifier stage 440.

増幅器段440は、個別構成要素または統合された構成要素で形成されたものとすることができる。増幅器段440は、分離された低電力制御信号を、スイッチ位置104が動作するのに必要な電流および電圧に変換することができる。クリーンなスイッチングのため、増幅器段440は、モジュール信号端子に物理的にできるだけ近いものであるべきである。 The amplifier stage 440 can be formed of discrete or integrated components. The amplifier stage 440 can convert the isolated low power control signal into the current and voltage required for the switch position 104 to operate. For clean switching, the amplifier stage 440 should be as physically close as possible to the module signal terminals.

バルクゲート抵抗器および局所電流フィルタ450は、出力ピン、バルクゲート抵抗器および局所電流フィルタ450への遷移の前の最終段とすることができ、バルクゲート抵抗器および局所電流フィルタ450を使用して、スイッチ位置104のターンオンおよびターンオフ時間を、特定のシステムのニーズに整合するように調整することができる。バルクゲート抵抗器および局所電流フィルタ450は、異なるスイッチング特性が望まれる場合にターンオンおよびターンオフに対する異なる抵抗値を有する、受動要素の単一のセットまたはネットワークの部分とすることができる。スイッチング事象中に電流源の品質が維持されることを保証するために、局所フィルタを使用することもできる。 The bulk gate resistor and local current filter 450 can be the final stage before the transition to the output pin, the bulk gate resistor and local current filter 450 can be used to adjust the turn-on and turn-off times of the switch position 104 to match the needs of a particular system. The bulk gate resistor and local current filter 450 can be part of a single set or network of passive elements with different resistance values for turn-on and turn-off if different switching characteristics are desired. A local filter can also be used to ensure that the quality of the current source is maintained during switching events.

センサおよび保護構成要素460は回路を含むことができ、この回路は、不足電圧および過電圧保護、過電流保護、温度感知、ならびに故障の場合に安全にシャットダウンするための機構を含むことができる。 The sensor and protection components 460 can include circuitry that can include under-voltage and over-voltage protection, over-current protection, temperature sensing, and mechanisms for safe shutdown in the event of a fault.

パワーモジュール信号コネクタ470は、PCB402の下面に位置することができる。パワーモジュール信号コネクタ470は、ゲートドライバとパワーモジュール100とをインタフェースすることができ、パワーモジュール100の内部のゲート分配ネットワークに対する直接接続を提供することができる。この接続は通常、ボードツーボードコネクタ、直接はんだ接続または他の同種のものによって容易にすることができる。ワイヤツーボード接続も可能だが、物理的にドライバがパワーモジュール100の近くにある必要があることがある。 The power module signal connector 470 may be located on the underside of the PCB 402. The power module signal connector 470 may interface the gate drivers with the power module 100 and may provide a direct connection to the gate distribution network internal to the power module 100. This connection may typically be facilitated by a board-to-board connector, a direct solder connection, or the like. A wire-to-board connection is also possible, but may require the drivers to be physically close to the power module 100.

沿面距離延長スロット480は、ドライバ段間の電圧分離を改善し、構成要素のよりコンパクトなパッキングを可能にするように構成することができる。高電圧パワーモジュールのサイズは縮小し続けているため、電圧分離は、ますます重要性が増している課題である。PCB402にスロットを切削することが、ボードサイズを追加することなく電圧沿面距離を増大させるための1つの選択肢であることがある。他の選択肢は、クリティカルノードの局所ポッティング(local potting)を実施すること、および共形誘電体コーティングでアセンブリ全体を完全に覆うことを含む。より詳細には、PCB402を含むパワーモジュール100のさまざまな構成要素は、1つまたは複数の構成要素の個別および/または局所ポッティングを含むことができ、PCB402を含むパワーモジュール100のさまざまな構成要素は、1つまたは複数の構成要素、PCB402全体、および/またはパワーモジュール100の他のアセンブリ上の共形誘電体コーティングを含むことができる。 The creepage extension slots 480 can be configured to improve voltage isolation between driver stages and allow for more compact packing of components. As high voltage power modules continue to shrink in size, voltage isolation is an issue of increasing importance. Cutting slots into the PCB 402 can be one option to increase voltage creepage without adding board size. Other options include performing local potting of critical nodes and completely covering the entire assembly with a conformal dielectric coating. More specifically, the various components of the power module 100, including the PCB 402, can include individual and/or local potting of one or more components, and the various components of the power module 100, including the PCB 402, can include a conformal dielectric coating on one or more components, the entire PCB 402, and/or other assemblies of the power module 100.

図29に示されているように互いに統合されたとき、ゲートドライバ400とパワーモジュール100は、制御源からの最適化された低インダクタンス信号フローが、分離を通過し、増幅され、次いで、ゲート抵抗器網を通して、並列化されたパワーデバイス302のゲートに直接に分配される、コンパクトな単一のユニットを形成する。 When integrated together as shown in FIG. 29, the gate driver 400 and power module 100 form a compact single unit in which an optimized low inductance signal flow from a controlled source passes through isolation, is amplified, and then distributed through a gate resistor network directly to the gates of the paralleled power devices 302.

図30は、本開示の態様による電流感知構成要素を示しており、図31は、相出力バスバーとともに配置された、図30による電流感知構成要素を示している。電流を感知する方法は多数ある。図30および31に示された本開示の一態様では、非接触磁気センサなどのセンサ980を利用することができる。センサ980を第一鉄シールド932とともに利用して、磁場を集中させることができる。センサ980は、出力電流に比例した信号を生成する、この領域に置かれた小さなセンサチップを利用することができる。図30には、3つの全ての相に対する単一のPCB936上のセンサの例が示されており、図31には、磁気シールドを有する完全な出力バスバー構造体が示されている。 30 shows current sensing components according to an aspect of the disclosure, and FIG. 31 shows current sensing components according to FIG. 30 arranged with a phase output busbar. There are many ways to sense current. In one aspect of the disclosure shown in FIGS. 30 and 31, a sensor 980 such as a non-contact magnetic sensor can be utilized. The sensor 980 can be utilized with a ferrous shield 932 to focus the magnetic field. The sensor 980 can utilize a small sensor chip placed in this area that generates a signal proportional to the output current. FIG. 30 shows an example of sensors on a single PCB 936 for all three phases, and FIG. 31 shows the complete output busbar structure with magnetic shielding.

図32は、本開示の一態様による例示的な3相モータドライブパワースタックアップ(stack-up)を示している。具体的には、図32は、以前に説明した全ての機能構成要素を含む、例示的な3相モータドライブパワースタックアップを示している。図32のシステムは、高度に統合されており、ピーク電気性能に対して十分に最適化されている。キャパシタバンクの電圧感知およびEMI遮蔽筺体(EMI shielding enclosure)などの追加の特徴が企図され、それらは、この高性能コア内でうまく統合されるであろう。 FIG. 32 illustrates an exemplary three-phase motor drive power stack-up according to one aspect of the present disclosure. Specifically, FIG. 32 illustrates an exemplary three-phase motor drive power stack-up including all the functional components previously described. The system of FIG. 32 is highly integrated and fully optimized for peak electrical performance. Additional features such as capacitor bank voltage sensing and EMI shielding enclosure are contemplated and would be well integrated within this high performance core.

図33は、本開示の態様による並列の複数のパワーデバイスを概略的に示している。具体的には、図33は、4つのパワーデバイス302を示している。このパワーデバイス302の数は単なる例であり、説明および理解を容易にするためのものある。本開示のパワーモジュール100は、任意の数のパワーデバイス302を含むことができる。 FIG. 33 is a schematic diagram of multiple power devices in parallel according to aspects of the present disclosure. Specifically, FIG. 33 shows four power devices 302. This number of power devices 302 is merely an example and is for ease of explanation and understanding. The power module 100 of the present disclosure may include any number of power devices 302.

ゲート制御信号およびセンス信号は、パワーモジュール100のスイッチング性能の顕著な要因であり、並列化されたスイッチ位置104において特に重要であることがある。高い性能、ロバストネスおよび均一な電流分配のために、パワーモジュール100内の信号ループを最適化することができる。いくつかの態様では、この信号ループに対して多層プリント回路ボード(PCB)を利用することができる。これらの態様では、磁束相殺およびインダクタンスのさらなる低減のために、平行平面を使用することができる。したがって、磁場を相殺するために、これらの幅の広い短い経路を折り返すことができる。これは、パワーモジュール100の形状寸法上の制約が与えられた場合に可能な最良の信号ループを提供するのに役立つ。パワーループと同様に、長さ、断面の幅が制限されるように経路を構成することができ、物理的に信号端子502、504のできるだけ近くに、関連外部構成要素を置くことができる。 The gate control and sense signals are significant contributors to the switching performance of the power module 100 and can be especially important in the paralleled switch positions 104. The signal loops in the power module 100 can be optimized for high performance, robustness and uniform current distribution. In some embodiments, multi-layer printed circuit boards (PCBs) can be utilized for this signal loop. In these embodiments, parallel planes can be used for flux cancellation and further reduction in inductance. Thus, these wide and short paths can be folded back to cancel the magnetic field. This helps provide the best signal loop possible given the geometry constraints of the power module 100. As with the power loops, the paths can be configured to be limited in length, cross-sectional width, and associated external components can be placed as physically close as possible to the signal terminals 502, 504.

トランジスタ、特にMOSFETなどのパワーデバイス302の並列化されたアレイに関して、ターンオン条件およびターンオフ条件を整合させるためには、ゲート電流のタイミングおよび大きさのバランスがとれていなければならない。パワーモジュール100は、個々のバラスティング抵抗器820(RG1、RG2、RG3、RG4)を利用することができ、それらの抵抗器は、パワーデバイス302のゲートのすぐ近くに置くことができ、ゲートワイヤボンドによって分離されているだけとすることができる。個々のバラスティング抵抗器820(RG1、RG2、RG3、RG4)は、低い抵抗を有することができ、それぞれの個々のパワーデバイス302に流れる電流を緩衝するのを助けることができる。個々のバラスティング抵抗器820(RG1、RG2、RG3、RG4)は、パワーデバイス302のゲートを減結合する働きをし、振動を防ぎ、並列化されたパワーデバイス302に対して等化されたターンオン信号を保証するのに役立つ。単一の外部抵抗器RDRIVERを利用し、これらの並列化された抵抗器820(RG1、RG2、RG3、RG4)に接続して、有効スイッチ位置104のターンオン速度を制御することができる。一態様では、バラスティング抵抗器820をそれぞれのパワーデバイス302に関連づけることができる。一態様では、個々のバラスティング抵抗器820をそれぞれの個々のパワーデバイス302に関連づけることができる。 For a paralleled array of power devices 302, such as transistors, particularly MOSFETs, the timing and magnitude of the gate currents must be balanced to match turn-on and turn-off conditions. The power module 100 can utilize individual ballasting resistors 820 (R G1 , R G2 , R G3 , R G4 ) that can be placed in close proximity to the gates of the power devices 302 and only separated by gate wire bonds. The individual ballasting resistors 820 (R G1 , R G2 , R G3 , R G4 ) can have low resistance and help buffer the current flowing to each individual power device 302. The individual ballasting resistors 820 (R G1 , R G2 , R G3 , R G4 ) serve to decouple the gates of the power devices 302, preventing oscillations and helping to ensure equalized turn-on signals for the paralleled power devices 302. A single external resistor R DRIVER may be utilized and connected to these paralleled resistors 820 (R G1 , R G2 , R G3 , R G4 ) to control the turn-on speed of the effective switch positions 104. In one aspect, a ballasting resistor 820 may be associated with each power device 302. In one aspect, an individual ballasting resistor 820 may be associated with each individual power device 302.

追加の態様では、パワーモジュール100が、個々のバラスティングソースケルビン抵抗器822(RS1、RS2、RS3、RS4)を利用することができ、それらの抵抗器は、パワーデバイス302のソースケルビン接続のすぐ近くに置くことができる。一態様では、ソースケルビン抵抗器822(RS1、RS2、RS3、RS4)を、ソースケルビンワイヤボンドによって分離されているだけとすることができる。一態様では、ソースケルビン抵抗器822をそれぞれのパワーデバイス302に関連づけることができる。一態様では、個々のソースケルビン抵抗器822をそれぞれの個々のパワーデバイス302に関連づけることができる。ソースケルビン抵抗器822(RS1、RS2、RS3、RS4)は、低い抵抗を有することができ、それぞれの個々のパワーデバイス302のソースケルビン接続に流れる電流を緩衝するのを助けることができる。ソースケルビン抵抗器822(RS1、RS2、RS3、RS4)は、パワーデバイス302のソースケルビン接続を減結合する働きをすることができ、振動を防ぎ、並列化されたパワーデバイス302に対して等化された信号を保証するのに役立つことができる。特定の態様では、個々のパワーデバイス302の不整合、個々のパワーデバイス302のレイアウト、および他の同種のことに対処するように、ソースケルビン抵抗器822(RS1、RS2、RS3、RS4)を構成および実施することができる。 In an additional aspect, the power module 100 can utilize individual ballasting source Kelvin resistors 822 (R S1 , R S2 , R S3 , R S4 ) that can be placed in close proximity to the source Kelvin connections of the power devices 302. In one aspect, the source Kelvin resistors 822 (R S1 , R S2 , R S3 , R S4 ) can only be separated by source Kelvin wire bonds. In one aspect, a source Kelvin resistor 822 can be associated with each power device 302. In one aspect, an individual source Kelvin resistor 822 can be associated with each individual power device 302. The source Kelvin resistors 822 (R S1 , R S2 , R S3 , R S4 ) can have low resistance and can help buffer the current flowing to the source Kelvin connection of each individual power device 302. The source Kelvin resistors 822 (R S1 , R S2 , R S3 , R S4 ) can serve to decouple the source Kelvin connections of the power devices 302 and can help prevent oscillations and ensure equalized signals to the paralleled power devices 302. In certain aspects, the source Kelvin resistors 822 (R S1 , R S2 , R S3 , R S4 ) can be configured and implemented to account for mismatch of the individual power devices 302, layout of the individual power devices 302, and the like.

特定の態様では、個々のパワーデバイス302間のフィードバック振動を防ぎまたは低減させるように、個々のパワーデバイス302間のフィードバック振動を弱めるように、個々のパワーデバイス302間のソースケルビン信号を減結合するように、個々のパワーデバイス302のソースケルビン信号間に流れる電流を阻止するように、個々のパワーデバイス302のソースケルビン信号間に流れる電流を等化するように、個々のパワーデバイス302を流れる電流が電流経路を通って流れるように強制するように、および他の同種のことを達成するように、ソースケルビン抵抗器822(RS1、RS2、RS3、RS4)を構成および実施することができる。さらに、ソースケルビン抵抗器822(RS1、RS2、RS3、RS4)は、シグナリングインダクタンス(signaling inductance)を低減させること、パワーデバイス302のゲート動作が減速されないことを保証すること、パワーデバイス302のゲート/ソース過電圧を最小化すること、および他の同種のことができる。 In certain aspects, the source Kelvin resistors 822 (R S1 , R S2 , R S3 , R S4 ) can be configured and implemented to prevent or reduce feedback oscillations between the individual power devices 302, to dampen feedback oscillations between the individual power devices 302, to decouple the source Kelvin signals between the individual power devices 302, to block current flowing between the source Kelvin signals of the individual power devices 302, to equalize current flowing between the source Kelvin signals of the individual power devices 302, to force current through the individual power devices 302 to flow through current paths, and the like. Additionally, the source Kelvin resistors 822 (R S1 , R S2 , R S3 , R S4 ) can reduce signaling inductance, ensure that gate operation of the power devices 302 is not slowed down, minimize gate/ source overvoltages of the power devices 302, and the like.

ソースケルビン抵抗器822(RS1、RS2、RS3、RS4)は、用途に応じて、表面実装パッケージ、統合された厚膜層、印刷された厚膜、ワイヤボンディングが可能なチップ、「自然」抵抗経路(抵抗を本来的に追加する材料/構造インタフェース)、または他の同種のものとすることができる。1つまたは複数の態様では、ソースケルビン抵抗器822(RS1、RS2、RS3、RS4)と抵抗器820(RG1、RG2、RG3、RG4)の抵抗値を等価とすることができる。1つまたは複数の態様では、ソースケルビン抵抗器822(RS1、RS2、RS3、RS4)と抵抗器820(RG1、RG2、RG3、RG4)の抵抗値を異なる値とすることができる。1つまたは複数の態様では、ソースケルビン抵抗器822(RS1、RS2、RS3、RS4)の抵抗値を0.5オーム~1.5オームの範囲とすることができる。1つまたは複数の態様では、ソースケルビン抵抗器822(RS1、RS2、RS3、RS4)の抵抗値を0.5オーム~2オームの範囲とすることができる。1つまたは複数の態様では、ソースケルビン抵抗器822(RS1、RS2、RS3、RS4)の抵抗値を0.5オーム~5オームの範囲とすることができる。1つまたは複数の態様では、ソースケルビン抵抗器822(RS1、RS2、RS3、RS4)の抵抗値を0.5オーム~20オームの範囲とすることができる。1つまたは複数の態様では、抵抗器820(RG1、RG2、RG3、RG4)の抵抗値を1オーム~20オームの範囲とすることができる。1つまたは複数の態様では、抵抗器820(RG1、RG2、RG3、RG4)の抵抗値を1オーム~5オームの範囲とすることができる。1つまたは複数の態様では、抵抗器820(RG1、RG2、RG3、RG4)の抵抗値を1オーム~10オームの範囲とすることができる。1つまたは複数の態様では、抵抗器820(RG1、RG2、RG3、RG4)の抵抗値を1.5オーム~6オームの範囲とすることができる。 Depending on the application, the source Kelvin resistor 822 (R S1 , R S2 , R S3 , R S4 ) may be a surface mount package, an integrated thick film layer, a printed thick film, a wire bondable chip, a "natural" resistance path (a material/structure interface that inherently adds resistance), or the like. In one or more aspects, the resistance values of the source Kelvin resistor 822 (R S1 , R S2 , R S3 , R S4 ) and resistor 820 (R G1 , R G2 , R G3 , R G4 ) may be equivalent. In one or more aspects, the resistance values of the source Kelvin resistor 822 (R S1 , R S2 , R S3 , R S4 ) and resistor 820 (R G1 , R G2 , R G3 , R G4 ) may be different. In one or more aspects, the resistance value of the source Kelvin resistor 822 (R S1 , R S2 , R S3 , R S4 ) may range from 0.5 ohms to 1.5 ohms. In one or more aspects, the resistance value of the source Kelvin resistor 822 (R S1 , R S2 , R S3 , R S4 ) may range from 0.5 ohms to 2 ohms. In one or more aspects, the resistance value of the source Kelvin resistor 822 (R S1 , R S2 , R S3 , R S4 ) may range from 0.5 ohms to 5 ohms. In one or more aspects, the resistance value of the source Kelvin resistor 822 (R S1 , R S2 , R S3 , R S4 ) may range from 0.5 ohms to 20 ohms. In one or more aspects, the resistance of resistor 820 (R G1 , R G2 , R G3 , R G4 ) can range from 1 ohm to 20 ohms. In one or more aspects, the resistance of resistor 820 (R G1 , R G2 , R G3 , R G4 ) can range from 1 ohm to 5 ohms. In one or more aspects, the resistance of resistor 820 (R G1 , R G2 , R G3 , R G4 ) can range from 1 ohm to 10 ohms. In one or more aspects, the resistance of resistor 820 (R G1 , R G2 , R G3 , R G4 ) can range from 1.5 ohms to 6 ohms.

図34は、本開示の一態様による有効ゲートスイッチングループおよびパワーモジュールの上面図を示している。具体的には、図34は、信号基板または信号相互接続アセンブリ616が、信号相互接続アセンブリ616のボードの縁のゲートおよびソースケルビンコネクタ端子502、504に接続するレール816、818を有することができることを示している。レール818は、個々のゲート抵抗器820(抵抗器RG1、RG2、...RGN)を通してゲートワイヤボンドパッドに接続することができ、レール816は、個々の抵抗器822(抵抗器RS1、RS2、RS3、...RSN)を通してパワーデバイス302のソースパッドに接続することができる。ソースケルビンボンドはパワーソースボンドの電流経路上にはないため、これを真のケルビン接続とみなすことができる。ケルビン接続は、クリーンで効率的な制御のために重要であることがあり、信号ループに対する高ドレイン-ソース電流の影響を低減させることができる。 FIG. 34 illustrates a top view of an effective gate switching loop and power module according to one aspect of the disclosure. Specifically, FIG. 34 illustrates that a signal board or signal interconnect assembly 616 can have rails 816, 818 that connect to gate and source Kelvin connector terminals 502, 504 at the board edge of the signal interconnect assembly 616. The rails 818 can connect to gate wire bond pads through individual gate resistors 820 (resistors R G1 , R G2 , . . . R GN ), and the rails 816 can connect to source pads of the power devices 302 through individual resistors 822 (resistors R S1 , R S2 , R S3 , . . . R SN ). This can be considered a true Kelvin connection since the source Kelvin bond is not in the current path of the power source bond. The Kelvin connection can be important for clean and efficient control and can reduce the effect of high drain-source currents on the signal loop.

図34はさらに、信号相互接続アセンブリ616上の任意選択の信号接続506、508を示している。接続506、508は、温度測定または他の形態の内部感知に使用することができる。いくつかの態様では、この内部感知が、診断信号を含む診断感知を含むことができ、この診断信号は、診断センサによって生成されたものとすることができ、診断センサは、振動を感知するひずみゲージ、湿度を感知するセンサおよび他の同種のセンサを含むことができる。さらに、診断センサは、任意の環境またはデバイス特性を感知することができる。 34 further illustrates optional signal connections 506, 508 on the signal interconnect assembly 616. The connections 506, 508 can be used for temperature measurements or other forms of internal sensing. In some aspects, this internal sensing can include diagnostic sensing, including diagnostic signals, which can be generated by diagnostic sensors, which can include strain gauges that sense vibrations, sensors that sense humidity, and the like. Additionally, the diagnostic sensors can sense any environmental or device characteristic.

一態様では、このセンサを、温度センサ610とすることができ、温度センサ610は、パワー基板606上またはベースプレート602上に置くことができる。一態様では、パワー基板606またはベースプレート602が、パワーデバイス302を支持する金属表面および/または伝導性表面を有することができる。一態様では、パワー基板606またはベースプレート602の表面の部分850を、パワーデバイス302を支持している表面とは異なる部分とすることができる。一態様では、部分850を、金属表面および/または伝導性表面が除去された部分、金属表面および/または伝導性表面がエッチングされた部分、金属表面および/または伝導性表面が存在しない部分、あるいは他の同種の部分とすることができる。一態様では、温度センサ610を、パワー基板606上またはベースプレート602上のエリアであって、パワー基板606もしくはベースプレート602の金属表面が除去されたエリア、またはパワー基板606もしくはベースプレート602の金属表面が存在しないエリアに置くことができる。これらの態様では、温度センサ610を分離することができ、温度センサ610が、より正確な温度読みを提供することができる。当然ながら、温度センサ610の他の位置および配置も企図される。 In one aspect, the sensor can be a temperature sensor 610, which can be placed on the power substrate 606 or on the base plate 602. In one aspect, the power substrate 606 or base plate 602 can have a metallic and/or conductive surface that supports the power device 302. In one aspect, the portion 850 of the surface of the power substrate 606 or base plate 602 can be a different portion from the surface that supports the power device 302. In one aspect, the portion 850 can be a portion where the metallic and/or conductive surface has been removed, where the metallic and/or conductive surface has been etched, where there is no metallic and/or conductive surface, or other similar portion. In one aspect, the temperature sensor 610 can be placed in an area on the power substrate 606 or base plate 602 where the metallic surface of the power substrate 606 or base plate 602 has been removed or where there is no metallic surface of the power substrate 606 or base plate 602. In these aspects, the temperature sensor 610 can be separated and can provide a more accurate temperature reading. Of course, other locations and arrangements of the temperature sensor 610 are also contemplated.

この信号ループまたは信号相互接続アセンブリ616のこの実施態様は、スイッチ位置104の並列化されたパワーデバイス302の任意の組合せを横切る品質管理および測定を保証することができる。標準PCBボードツーボードコネクタは、外部ゲートドライバおよび制御回路への簡単な接続を可能にする。 This implementation of the signal loop or signal interconnect assembly 616 can ensure quality control and measurements across any combination of paralleled power devices 302 in the switch positions 104. Standard PCB board-to-board connectors allow easy connection to external gate drivers and control circuitry.

このゲート分配ネットワークは、示されているとおり、PCBによって実施することができる。このゲート分配ネットワークは、厚膜回路として、1次パワー基板630上に直接に、ベースプレート602上に直接に、または他の同種のやり方で形成することもできる。これは、パワーモジュール100の部品数を減らす利点、および抵抗器820、822を印刷する選択肢を有する。諸態様において、ハウジング側壁612および/またはハウジングリッド618自体上で、厚膜金属実施態様または堆積させパターン形成した金属実施態様を利用することができる。はんだ端子が必要でないことがあるため、抵抗器820、822は、PCB上の表面実装部品のサイズよりもはるかに小さくすることができ、コールドプレートによって抵抗器820、822を能動的に冷却することができ、このことは、この構成要素のサイジングの熱的制約を最小化する。 The gate distribution network can be implemented by a PCB as shown. The gate distribution network can also be formed as a thick film circuit directly on the primary power substrate 630, directly on the base plate 602, or in other similar manners. This has the advantage of reducing the component count of the power module 100, and the option to print the resistors 820, 822. In aspects, thick film metal implementations or deposited and patterned metal implementations can be utilized on the housing sidewalls 612 and/or the housing lid 618 itself. Since solder terminals may not be required, the resistors 820, 822 can be much smaller than the size of surface mount components on a PCB, and the resistors 820, 822 can be actively cooled by a cold plate, which minimizes the thermal constraints of sizing this component.

図35は、本開示の一態様による、パワーモジュールおよびハウジングを含む構成体の透視図、図36は、図35の構成体の側面図、図37は、図35の構成体の部分透視図、図38は、図35の構成体の別の部分透視図、図39は、図35の構成体の別の部分透視図、図40は、図35の構成体の別の部分透視図、図41は、図35の構成体の別の部分透視図を示している。 35 is a perspective view of a configuration including a power module and a housing according to one embodiment of the present disclosure, FIG. 36 is a side view of the configuration of FIG. 35, FIG. 37 is a partial perspective view of the configuration of FIG. 35, FIG. 38 is another partial perspective view of the configuration of FIG. 35, FIG. 39 is another partial perspective view of the configuration of FIG. 35, FIG. 40 is another partial perspective view of the configuration of FIG. 35, and FIG. 41 is another partial perspective view of the configuration of FIG. 35.

具体的には、図35~40は、パワーモジュール100、バスバー900、ドライバ400、パワーモジュール100およびドライバ400のコントローラ、キャパシタ102、センサ980ならびに他の同種のもののうちの1つまたは複数を実施する目的に利用することができる構成体3500を示している。一態様では、構成体3500が、本明細書に記載されたパワーモジュール100、バスバー900、ドライバ400、パワーモジュール100およびドライバ400のコントローラ、キャパシタ102、センサ980ならびに他の同種のもののうちの1つまたは複数を利用することができる。一態様では、構成体3500が、1つまたは複数の他のタイプのパワーモジュール、バスバー、ドライバ、パワーモジュールおよびドライバのコントローラ、キャパシタ、センサならびに他の同種のものを利用することができる。 Specifically, Figures 35-40 show a configuration 3500 that can be utilized to implement one or more of the power modules 100, bus bars 900, drivers 400, controllers of the power modules 100 and drivers 400, capacitors 102, sensors 980, and the like. In one aspect, the configuration 3500 can utilize one or more of the power modules 100, bus bars 900, drivers 400, controllers of the power modules 100 and drivers 400, capacitors 102, sensors 980, and the like described herein. In one aspect, the configuration 3500 can utilize one or more other types of power modules, bus bars, drivers, controllers of the power modules and drivers, capacitors, sensors, and the like.

一態様では、ハーフブリッジ、フルブリッジ、3相、ブースタ、チョッパ、DC-DCコンバータ、ならびに同種の配置および/またはトポロジを含む多種多様なパワートポロジで、構成体3500を実施することができる。図35~40に示された態様では、構成体3500が、3相トポロジを実施するものとして示されている。 In one aspect, the arrangement 3500 can be implemented in a wide variety of power topologies, including half-bridge, full-bridge, three-phase, booster, chopper, DC-DC converter, and similar arrangements and/or topologies. In the aspect illustrated in Figures 35-40, the arrangement 3500 is shown as implementing a three-phase topology.

特に図35を参照すると、構成体3500はハウジング3502を含むことができる。ハウジング3502は、頂部3504、中央部3506および底部3508を含むことができる。しかしながら、これよりも少数のハウジング部分またはこれよりも多数のハウジング部分でハウジング3502を実施することもできる。一態様では、ハウジング3502を、合成材料、プラスチック材料、金属材料または他の同種のもので構築されたものとすることができる。一態様では、ハウジング3502を、プラスチック材料で構築されたものとすることができる。一態様では、ハウジング3502を、射出成形されたプラスチック材料で構築されたものとすることができる。 With particular reference to FIG. 35, the construct 3500 can include a housing 3502. The housing 3502 can include a top portion 3504, a middle portion 3506, and a bottom portion 3508. However, the housing 3502 can be implemented with fewer or more housing portions. In one aspect, the housing 3502 can be constructed of a synthetic material, a plastic material, a metallic material, or the like. In one aspect, the housing 3502 can be constructed of a plastic material. In one aspect, the housing 3502 can be constructed of an injection molded plastic material.

図35をさらに参照すると、一態様では、機械的締結具3512を用いて頂部3504を構成体3500に機械的に固定することができる。他の態様では、他の組立ておよび/または構成を利用して頂部3504を構成体3500に固定することができる。一態様では、頂部3504が、構成体3500内の空気が冷却目的で構成体3500内を通り抜けて流れることを可能にする冷却スロット3510を含むことができる。 35, in one aspect, the top 3504 can be mechanically secured to the construct 3500 using mechanical fasteners 3512. In other aspects, other assemblies and/or configurations can be utilized to secure the top 3504 to the construct 3500. In one aspect, the top 3504 can include cooling slots 3510 that allow air within the construct 3500 to flow through the construct 3500 for cooling purposes.

図35をさらに参照をすると、一態様では、頂部3504と底部3508の間に中央部3506を配置することができる。構成体3500のさまざまな構成要素の筺体を提供するため、頂部3504および中央部3506を受け取るように底部3508を構成することができる。一態様では、さらに、相出力930が中央部3506および/または底部3508を貫いて延出することを可能にするように、中央部3506および/または底部3508を構成することができる。他のトポロジを実施する他の態様では、さらに、他のタイプの出力が中央部3506および/または底部3508を貫いて延出することを可能にするように、中央部3506および/または底部3508を構成することができる。 35, in one aspect, a central portion 3506 can be disposed between the top portion 3504 and the bottom portion 3508. The bottom portion 3508 can be configured to receive the top portion 3504 and the central portion 3506 to provide housing for the various components of the configuration 3500. In one aspect, the central portion 3506 and/or the bottom portion 3508 can be further configured to allow the phase output 930 to extend through the central portion 3506 and/or the bottom portion 3508. In other aspects implementing other topologies, the central portion 3506 and/or the bottom portion 3508 can be further configured to allow other types of outputs to extend through the central portion 3506 and/or the bottom portion 3508.

図35をさらに参照すると、一態様では、底部3508が中央部3506を支持することができる。一態様では、底部3508が、相出力930を支持するための支持部3514を含むことができる。別の態様では、底部3508が、他のトポロジを実施するときに他のタイプの出力を支持するための支持部3514を含むことができる。 With further reference to FIG. 35, in one aspect, the bottom portion 3508 can support the center portion 3506. In one aspect, the bottom portion 3508 can include supports 3514 for supporting the phase outputs 930. In another aspect, the bottom portion 3508 can include supports 3514 for supporting other types of outputs when implementing other topologies.

1つまたは複数の態様では、底部3508がさらに、コールドプレート902への流体接続管3516がそこから延出することを可能にするように構成された開口部3528を含むことができる。一態様では、コールドプレート902に関連した冷却目的で、流体接続管3516が、流体源を受け取ることおよび/または流体を送達することができる。 In one or more aspects, the bottom 3508 can further include an opening 3528 configured to allow a fluid connection tube 3516 to the cold plate 902 to extend therethrough. In one aspect, the fluid connection tube 3516 can receive a fluid source and/or deliver fluid for cooling purposes associated with the cold plate 902.

図36を参照すると、一態様では、構成体3500が導体910、912を含むことができる。一態様では、構成体3500の、相出力930の側とは反対の側に、導体910、912を配置することができる。一態様では、構成体3500の、他のタイプのトポロジ用の他のタイプの出力の側とは反対の側に、導体910、912を配置することができる。 Referring to FIG. 36, in one aspect, the configuration 3500 can include conductors 910, 912. In one aspect, the conductors 910, 912 can be located on the opposite side of the configuration 3500 from the phase output 930. In one aspect, the conductors 910, 912 can be located on the opposite side of the configuration 3500 from other types of outputs for other types of topologies.

一態様では、構成体3500が冷却ファン3518を含むことができる。冷却ファン3518は、構成体3500のさまざまな構成要素を冷却するために、構成体3500のハウジング3502内を通り抜けるように空気を移動させるよう構成されたものとすることができる。一態様では、冷却ファン3518を、構成体3500の側面の開口に、冷却ファン3518が、その開口を通り抜けるように空気を移動させ、同様に図35に示された冷却スロット3510を通り抜けるように空気を移動させるような態様で、配置することができる。 In one aspect, the configuration 3500 can include a cooling fan 3518. The cooling fan 3518 can be configured to move air through the housing 3502 of the configuration 3500 to cool various components of the configuration 3500. In one aspect, the cooling fan 3518 can be positioned in an opening in a side of the configuration 3500 such that the cooling fan 3518 moves air through the opening, which in turn moves air through the cooling slots 3510 shown in FIG. 35.

一態様では、構成体3500が、電気インタフェース3520を含むことができる。一態様では、電気インタフェース3520が、パワーモジュール100、バスバー900、ドライバ400、パワーモジュール100およびドライバ400のコントローラ、キャパシタ102、センサ980ならびに他の同種のもののうちの1つまたは複数と接続することができ、パワーモジュール100、バスバー900、ドライバ400、パワーモジュール100およびドライバ400のコントローラ、キャパシタ102、センサ980ならびに他の同種のもののうちの1つまたは複数とデータを交換することができる。一態様では、このデータが、制御信号、センサ信号、ドライブ信号、ソフトウェアをロード、除去または変更するための信号、および他の同種の信号であってもよい。一態様では、その代わりにまたはそれに加えて、電気インタフェース3520(またはこの壁に沿った他のコネクタ)が、コントローラおよびドライバ400に低電圧(12~24V)電力を供給することができる。特定の態様では、導体910、912のところで電力源に接続され、電気インタフェース3520を通して完全に操作、制御および解析され、相出力930から出力を提供するように、構成体3500を構成することができる。 In one aspect, the configuration 3500 can include an electrical interface 3520. In one aspect, the electrical interface 3520 can connect to and exchange data with one or more of the power module 100, the bus bar 900, the driver 400, the controller of the power module 100 and the driver 400, the capacitor 102, the sensor 980, and the like. In one aspect, this data can be control signals, sensor signals, drive signals, signals for loading, removing or changing software, and the like. In one aspect, instead or in addition, the electrical interface 3520 (or other connectors along this wall) can provide low voltage (12-24V) power to the controller and driver 400. In certain aspects, the configuration 3500 can be configured to be connected to a power source at conductors 910, 912, operated, controlled and analyzed entirely through the electrical interface 3520, and provide an output at phase output 930.

図37を参照すると、説明および理解を容易にするために頂部3504が取り外された構成体3500が示されている。一態様では、図37によって示されているように、中央部3506が、機械的締結具3512を受け取るための部分3526を含むことができる。図37はさらに、コントローラ3522、ドライバ400、およびコントローラ3522とドライバ400の間の有線接続3524を示している。 Referring to FIG. 37, the construct 3500 is shown with the top portion 3504 removed for ease of illustration and understanding. In one aspect, as shown by FIG. 37, the center portion 3506 can include a portion 3526 for receiving a mechanical fastener 3512. FIG. 37 further shows a controller 3522, a driver 400, and a wired connection 3524 between the controller 3522 and the driver 400.

図38を参照すると、説明および理解を容易にするために中央部3506からコントローラ3522、ドライバ400および有線接続3524が取り外された構成体3500が示されている。具体的には、図38は、コントローラ3522、ドライバ400、有線接続3524および他の同種のものを支持するための表面を示している。 Referring to FIG. 38, the configuration 3500 is shown with the controller 3522, driver 400, and wired connections 3524 removed from the central portion 3506 for ease of illustration and understanding. Specifically, FIG. 38 shows the surfaces for supporting the controller 3522, driver 400, wired connections 3524, and the like.

図39は、説明および理解を容易にするために中央部3506が取り外された構成体3500を示している。具体的には、図39は、バスバー900、パワーモジュール100、コールドプレート902およびセンサ980の配置構成を示している。具体的には、図39は、底部3508によって支持されたバスバー900、パワーモジュール100、コールドプレート902およびセンサ980の配置および構成を示している。 FIG. 39 shows the structure 3500 with the center portion 3506 removed for ease of explanation and understanding. Specifically, FIG. 39 shows the arrangement and configuration of the bus bar 900, the power module 100, the cold plate 902, and the sensor 980. Specifically, FIG. 39 shows the arrangement and configuration of the bus bar 900, the power module 100, the cold plate 902, and the sensor 980 supported by the bottom portion 3508.

図40は、説明および理解を容易にするために中央部3506およびバスバー900が取り外された構成体3500を示している。図40に示されているように、構成体3500のパワーモジュール100、コールドプレート902およびセンサ980の配置が示されている。具体的には、図40は、相出力930および導体910に対する入力接続および出力接続の取付けを確実にするための構成要素3530を示している。一態様では、取付けを確実にするための構成要素3530を機械的締結具とすることができる。一態様では、この機械的締結具を、対応する雄ねじ構成要素を受け取るように構成された雌ねじ構成要素とすることができる。一態様では、この機械的締結具を六角ナットとすることができる。 Figure 40 shows the configuration 3500 with the center section 3506 and busbars 900 removed for ease of explanation and understanding. As shown in Figure 40, the arrangement of the power modules 100, cold plates 902 and sensors 980 of the configuration 3500 is shown. Specifically, Figure 40 shows components 3530 for ensuring attachment of the input and output connections to the phase outputs 930 and conductors 910. In one aspect, the components 3530 for ensuring attachment can be mechanical fasteners. In one aspect, the mechanical fasteners can be female threaded components configured to receive corresponding male threaded components. In one aspect, the mechanical fasteners can be hex nuts.

図41は、説明および理解を容易にするために中央部3506、バスバー900、パワーモジュール100、コールドプレート902およびセンサ980が取り外された構成体3500を示している。図41に示されているように、構成体3500の底部3508は、中央部3506に接続するための構造体3540を含むことができる。図41に示されているように、構成体3500の底部3508は、少なくともパワーモジュール100およびコールドプレート902を保持するための構造体3542を含むことができる。図41に示されているように、構成体3500の底部3508は、少なくともキャパシタ102を保持するための構造体3544を含むことができる。いくつかの態様では、この構造体を、リブ(rib)、補強部分、機械的締結具受取り部分および他の同種のものとすることができる。 41 shows the structure 3500 with the center portion 3506, busbars 900, power modules 100, cold plates 902 and sensors 980 removed for ease of explanation and understanding. As shown in FIG. 41, the bottom portion 3508 of the structure 3500 can include a structure 3540 for connecting to the center portion 3506. As shown in FIG. 41, the bottom portion 3508 of the structure 3500 can include a structure 3542 for holding at least the power modules 100 and the cold plates 902. As shown in FIG. 41, the bottom portion 3508 of the structure 3500 can include a structure 3544 for holding at least the capacitors 102. In some aspects, the structure can be a rib, a reinforcement portion, a mechanical fastener receiving portion, and the like.

一態様では、構成体3500を、評価システム、評価キット、試験システムまたは他の同種のものとして実施することができる。簡潔にするため、この実施態様を評価キットとして広く定義する。特定の態様では、導体910、912のところで電力源に接続され、電気インタフェース3520を通して完全に操作、制御および解析され、相出力930から出力を提供するように、構成体3500の評価キット実施態様を構成することができる。この点に関して、ユーザは、本開示のパワーモジュール100を実施するシステムを実施および製造する前に試験、モックアップ(mockup)および他の同種のものを実行するために、構成体3500の評価キット実施態様を実施することができる。一態様では、ユーザが、パワーモジュール100の特定の用途に関する試験、モックアップおよび他の同種のものを実行するために、構成体3500の評価キット実施態様を実施することができる。一態様では、この用途が、電力システム、モータシステム、自動車モータシステム、充電システム、自動車充電システム、車両システム、産業用モータドライブ、埋込みモータドライブ、無停電電源、AC-DC電源、溶接機電源、軍用システム、インバータ、風力タービン用、ソーラーパワーパネル用、潮力発電所用および電気自動車(EV)用のインバータ、コンバータ、ならびに他の同種のものであってもよい。 In one aspect, the configuration 3500 can be implemented as an evaluation system, evaluation kit, test system, or the like. For the sake of brevity, this embodiment is broadly defined as an evaluation kit. In a particular aspect, an evaluation kit embodiment of the configuration 3500 can be configured to be connected to a power source at the conductors 910, 912, fully operated, controlled and analyzed through the electrical interface 3520, and provide an output from the phase output 930. In this regard, a user can implement an evaluation kit embodiment of the configuration 3500 to perform testing, mockups, and the like before implementing and manufacturing a system that implements the power module 100 of the present disclosure. In one aspect, a user can implement an evaluation kit embodiment of the configuration 3500 to perform testing, mockups, and the like for a particular application of the power module 100. In one aspect, the application may be power systems, motor systems, automotive motor systems, charging systems, automotive charging systems, vehicle systems, industrial motor drives, embedded motor drives, uninterruptible power supplies, AC-DC power supplies, welding machine power supplies, military systems, inverters, inverters for wind turbines, for solar power panels, for tidal power plants, and for electric vehicles (EVs), converters, and the like.

図42は、パワーモジュールを含む構成体を実施し、動作させる方法を示している。具体的には、図42は、構成体を実施し、動作させる方法4200を示している。一態様では、本明細書に開示された構成体3500を利用して方法4200を実施することができる。 FIG. 42 illustrates a method of implementing and operating an arrangement including a power module. Specifically, FIG. 42 illustrates a method 4200 of implementing and operating the arrangement. In one aspect, the arrangement 3500 disclosed herein can be utilized to implement the method 4200.

枠4202に示されているとおり、方法4200はさらに、ハウジング3502内でパワーモジュール100および関連構成要素を組み立てて、構成体3500を形成することを含むことができる。一態様では、パワーモジュール100、バスバー900、ドライバ400、パワーモジュール100およびドライバ400のコントローラ、キャパシタ102、センサ980ならびに他の同種のもののうちの1つまたは複数を含むように、構成体3500を組み立てることができる。一態様では、本明細書に記載されたパワーモジュール100、バスバー900、ドライバ400、パワーモジュール100およびドライバ400のコントローラ、キャパシタ102、センサ980ならびに他の同種のもののうちの1つまたは複数を用いて、構成体3500を組み立てることができる。一態様では、1つまたは複数の他のタイプのパワーモジュール、バスバー、ドライバ、パワーモジュールおよびドライバのコントローラ、キャパシタ、センサならびに他の同種のものを含むように、構成体3500を組み立てることができる。 As shown in box 4202, the method 4200 may further include assembling the power module 100 and associated components in a housing 3502 to form a configuration 3500. In one aspect, the configuration 3500 may be assembled to include one or more of the power module 100, busbar 900, driver 400, controller of the power module 100 and driver 400, capacitor 102, sensor 980, and the like. In one aspect, the configuration 3500 may be assembled using one or more of the power module 100, busbar 900, driver 400, controller of the power module 100 and driver 400, capacitor 102, sensor 980, and the like described herein. In one aspect, the configuration 3500 may be assembled to include one or more other types of power modules, busbars, drivers, controller of the power module and driver, capacitors, sensors, and the like.

方法4200はさらに、この構成体を電力源に接続すること4204を含むことができる。一態様では、構成体3500の導体910、912を電力源に接続することができる。一態様では、構成体3500の導体910、912をDC電力源に接続することができる。 The method 4200 may further include connecting 4204 the configuration to a power source. In one aspect, the conductors 910, 912 of the configuration 3500 may be connected to a power source. In one aspect, the conductors 910, 912 of the configuration 3500 may be connected to a DC power source.

方法4200はさらに、構成体3500を動作させること4206を含むことができる。一態様では、パワーモジュール100、バスバー900、ドライバ400、パワーモジュール100およびドライバ400のコントローラ、キャパシタ102、センサ980ならびに他の同種のもののうちの1つまたは複数が出力を提供するように、構成体3500を動作させることができる。一態様では、構成体3500を動作させる4206の態様を実施するように、構成体3500をプログラムすることができる。一態様では、構成体3500を動作させる態様を実施するように、構成体3500のコントローラをプログラムすることができる。一態様では、構成体3500を動作させる態様を実施するように、構成体3500のドライバ400をプログラムすることができる。 The method 4200 may further include operating 4206 the component 3500. In one aspect, the component 3500 may be operated such that one or more of the power module 100, the bus bar 900, the driver 400, the controller of the power module 100 and the driver 400, the capacitor 102, the sensor 980, and the like provide an output. In one aspect, the component 3500 may be programmed to perform the aspects of operating 4206 the component 3500. In one aspect, the controller of the component 3500 may be programmed to perform the aspects of operating the component 3500. In one aspect, the driver 400 of the component 3500 may be programmed to perform the aspects of operating the component 3500.

方法4200はさらに、パワーモジュール100および関連構成要素を含む構成体3500のさまざまな動作パラメータを測定すること4208を含むことができる。一態様では、さまざまな内部センサがセンサデータを出力するように、構成体3500を動作させることができる。一態様では、構成体3500を動作させること、ならびにセンサデータを出力する、オシロスコープ、コンピュータシステムおよび他の同種のものなどの外部センサに構成体3500を接続することができる。一態様では、これらのさまざまなセンサデータをコンピュータシステムによって収集することができる。このコンピュータシステムは、プロセッサ、メモリ、オペレーティングシステムおよび他の同種のものを含むものとすることができる。1つまたは複数の態様では、この出力センサデータが、構成体3500によって実施されたパワーモジュール100または他の構成要素に関係したスイッチング損失、温度、インダクタンス、スイッチング速度、オーバシュート、波形解析および他の同種のものに基づくものであってもよく、かつ/または構成体3500によって実施されたパワーモジュール100または他の構成要素に関係したスイッチング損失、温度、インダクタンス、スイッチング速度、オーバシュート、波形解析および他の同種のものを含んでいてもよい。一態様では、構成体3500のさまざまな動作パラメータを測定すること4208が、パワーモジュール100の特定の用途に関するものであってもよい。一態様では、この用途が、電力システム、モータシステム、自動車モータシステム、充電システム、自動車充電システム、車両システム、産業用モータドライブ、埋込みモータドライブ、無停電電源、AC-DC電源、溶接機電源、軍用システム、風力タービン用、ソーラーパワーパネル用、潮力発電所用および電気自動車(EV)用のインバータ、コンバータ、ならびに他の同種のものであってもよい。 The method 4200 may further include measuring 4208 various operating parameters of the structure 3500, including the power module 100 and associated components. In one aspect, the structure 3500 may be operated such that various internal sensors output sensor data. In one aspect, the structure 3500 may be operated and connected to external sensors, such as an oscilloscope, a computer system, and the like, that output the sensor data. In one aspect, these various sensor data may be collected by a computer system. The computer system may include a processor, memory, an operating system, and the like. In one or more aspects, the output sensor data may be based on and/or may include switching losses, temperature, inductance, switching speed, overshoot, waveform analysis, and the like, associated with the power module 100 or other components implemented by the structure 3500. In one aspect, measuring 4208 various operating parameters of the arrangement 3500 may be related to a particular application of the power module 100. In one aspect, the application may be a power system, a motor system, an automotive motor system, a charging system, an automotive charging system, a vehicle system, an industrial motor drive, an embedded motor drive, an uninterruptible power supply, an AC-DC power supply, a welding machine power supply, a military system, an inverter, a converter for a wind turbine, for a solar power panel, for a tidal power plant, and for an electric vehicle (EV), and the like.

方法4200はさらに、これらの動作パラメータをマンマシンインタフェースに出力すること4210を含むことができる。一態様では、これらの動作パラメータをコンピュータシステムによって解析することができる。一態様では、コンピュータシステムが、センサデータを含む動作パラメータを解析して、出力を生成することができる。一態様では、この出力をマンマシンインタフェースに提供することができる。一態様では、このマンマシンインタフェースが、表示装置、印刷出力、解析ファイルおよび他の同種のもののうちの1つまたは複数を含むことができる。 The method 4200 may further include outputting 4210 these operating parameters to a human-machine interface. In one aspect, these operating parameters may be analyzed by a computer system. In one aspect, the computer system may analyze the operating parameters, including the sensor data, to generate an output. In one aspect, the output may be provided to a human-machine interface. In one aspect, the human-machine interface may include one or more of a display device, a printout, an analysis file, and the like.

方法4200はさらに、この構成体の態様を変更し、方法4200を繰り返すこと4212を含むことができる。一態様では、本開示と整合した追加の構成要素を含むように、構成体3500を変更することができる。一態様では、本開示と整合したより少数の構成要素を含むように、構成体3500を変更することができる。一態様では、構成体3500のコントローラプログラムを変更することができる。一態様では、構成体3500のドライバ400プログラムを変更することができる。一態様では、構成体3500の動作電圧または電流を変更することができる。 Method 4200 may further include modifying aspects of the configuration and repeating 4212 method 4200. In one aspect, configuration 3500 may be modified to include additional components consistent with the present disclosure. In one aspect, configuration 3500 may be modified to include fewer components consistent with the present disclosure. In one aspect, the controller program of configuration 3500 may be modified. In one aspect, the driver 400 program of configuration 3500 may be modified. In one aspect, the operating voltage or current of configuration 3500 may be modified.

1つまたは複数の態様では、さまざまな性能特性で動作するように本開示のパワーモジュール100を構成することができる。しかしながら、これらの性能特性が、本開示に記載された特定の実施態様および態様に限定されるとは限らない。以下では、これらのさまざまな性能特性を、これらの性能特性を部分的に提供することができる例示的な構造および実施態様の例示的な詳細とともに説明する。しかしながら、これらのさまざまな性能特性は、パワーモジュール100の開示された特定の態様に限定されるべきではない。ある種の態様では、これらのさまざまな性能特性および例示的な構造実施態様が、低電圧実施態様に関連することがある。一態様では、低電圧実施態様が、3.4Kvよりも低い電圧で動作する実施態様を含むと定義することができる。一態様では、低電圧実施態様が、3.3Kvよりも低い電圧で動作する実施態様を含むと定義することができる。一態様では、低電圧実施態様が、3.0Kvよりも低い電圧で動作する実施態様を含むと定義することができる。一態様では、低電圧実施態様が、100v~3400v、100v~3300v、100v~3000v、100v~2500v、100v~2000vおよび100v~1700vの範囲で動作する実施態様を含む。一態様では、高電圧実施態様が、3.4Kvよりも高い電圧で動作する実施態様を含むと定義することができる。一態様では、高電圧実施態様が、3.3Kvよりも高い電圧で動作する実施態様を含むと定義することができる。一態様では、高電圧実施態様が、3.0Kvよりも高い電圧で動作する実施態様を含むと定義することができる。一態様では、高電圧実施態様が、3400v~5000v、3300v~5000v、3000v~5000v、3400v~10000v、3300v~10000v、3000v~10000vの範囲で動作する実施態様を含む。この点に関して、本明細書に定義された低電圧実施態様を実施する本開示の態様を、本明細書に定義された高電圧実施態様から識別することができる。例えば、いくつかの態様では、以下のうちの1つまたは複数に基づいて、低電圧実施態様を高電圧実施態様から識別することができる:パワーモジュール100の導体間および/もしくは端子間の間隔、パワーモジュール100内のパワーループの構成、パワーモジュール100の基本レイアウト、パワーモジュール100の電流運搬容量および/もしくは電流運搬能力、パワーモジュール100の基板厚さ、パワーモジュール100の端子レイアウト、パワーモジュール100の熱的性能、パワーモジュール100の沿面距離問題に対処するための構成、パワーモジュール100の空間距離問題に対処するための構成、パワーモジュール100の絶縁構成、パワーモジュール100のバスバー(bus bar)構成、ならび/または他の同種のもの。この点に関して、上記の態様のうちの少なくとも1つの態様または複数の態様は、低圧実施態様を高圧実施態様から識別することができる。 In one or more aspects, the power module 100 of the present disclosure can be configured to operate with various performance characteristics. However, these performance characteristics are not necessarily limited to the specific embodiments and aspects described in this disclosure. Below, these various performance characteristics are described along with exemplary details of exemplary structures and embodiments that can provide, in part, these performance characteristics. However, these various performance characteristics should not be limited to the specific disclosed embodiments of the power module 100. In certain aspects, these various performance characteristics and exemplary structure embodiments may relate to low voltage embodiments. In one aspect, low voltage embodiments can be defined to include embodiments that operate at voltages lower than 3.4 Kv. In one aspect, low voltage embodiments can be defined to include embodiments that operate at voltages lower than 3.3 Kv. In one aspect, low voltage embodiments can be defined to include embodiments that operate at voltages lower than 3.0 Kv. In one aspect, low voltage implementations include implementations operating in the ranges of 100v to 3400v, 100v to 3300v, 100v to 3000v, 100v to 2500v, 100v to 2000v, and 100v to 1700v. In one aspect, high voltage implementations may be defined to include implementations operating at voltages greater than 3.4Kv. In one aspect, high voltage implementations may be defined to include implementations operating at voltages greater than 3.3Kv. In one aspect, high voltage implementations may be defined to include implementations operating at voltages greater than 3.0Kv. In one aspect, high voltage implementations include implementations operating in the ranges of 3400v to 5000v, 3300v to 5000v, 3000v to 5000v, 3400v to 10000v, 3300v to 10000v, 3000v to 10000v. In this regard, aspects of the present disclosure embodying low voltage implementations as defined herein can be distinguished from the high voltage implementations as defined herein. For example, in some aspects, low voltage implementations can be distinguished from high voltage implementations based on one or more of the following: spacing between conductors and/or terminals of the power module 100, the configuration of the power loops within the power module 100, the basic layout of the power module 100, the current carrying capacity and/or current carrying capability of the power module 100, the board thickness of the power module 100, the terminal layout of the power module 100, the thermal performance of the power module 100, the configuration of the power module 100 to address creepage issues, the configuration of the power module 100 to address clearance issues, the insulation configuration of the power module 100, the bus bar configuration of the power module 100, and/or the like. In this regard, at least one or more of the above aspects can distinguish low voltage implementations from high voltage implementations.

1つまたは複数の態様では、以下の寄生漂遊インダクタンスで動作するように、本開示のパワーモジュール100を構成することができる。一態様では、パワーモジュール100の図1Bに示されたループ114内のクリティカルパワースイッチの全漂遊インダクタンス値を、12(nH)よりも小さくすることができる。一態様では、パワーモジュール100の図1Bに示されたループ114内のクリティカルパワースイッチの全漂遊インダクタンス値を、11(nH)よりも小さくすることができる。一態様では、パワーモジュール100の図1Bに示されたループ114内のクリティカルパワースイッチの全漂遊インダクタンス値を、7(nH)よりも小さくすることができる。一態様では、パワーモジュール100の図1Bに示されたループ114内のクリティカルパワースイッチの全漂遊インダクタンス値を、4(nH)よりも小さくすることができる。一態様では、パワーモジュール100の図1Bに示されたループ114内のクリティカルパワースイッチの全漂遊インダクタンス値を、3(nH)よりも小さくすることができる。 In one or more aspects, the power module 100 of the present disclosure can be configured to operate with the following parasitic stray inductances: In one aspect, the total stray inductance value of the critical power switches in the loop 114 shown in FIG. 1B of the power module 100 can be less than 12 (nH). In one aspect, the total stray inductance value of the critical power switches in the loop 114 shown in FIG. 1B of the power module 100 can be less than 11 (nH). In one aspect, the total stray inductance value of the critical power switches in the loop 114 shown in FIG. 1B of the power module 100 can be less than 7 (nH). In one aspect, the total stray inductance value of the critical power switches in the loop 114 shown in FIG. 1B of the power module 100 can be less than 4 (nH). In one aspect, the total stray inductance value of the critical power switches in the loop 114 shown in FIG. 1B of the power module 100 can be less than 3 (nH).

一態様では、パワーモジュール100の図1Bに示されたループ114内のクリティカルパワースイッチの全漂遊インダクタンス値が、12(nH)~2(nH)、10(nH)~2(nH)および4(nH)~2(nH)の範囲を有することができる。 In one aspect, the total stray inductance value of the critical power switches in the loop 114 shown in FIG. 1B of the power module 100 can have a range of 12 (nH) to 2 (nH), 10 (nH) to 2 (nH), and 4 (nH) to 2 (nH).

一態様では、特定のループ長および/または断面積を有するパワーモジュール100について、パワーモジュール100の図1Bに示されたループ114内のクリティカルパワースイッチの全漂遊インダクタンス値を、4(nH)よりも小さくすることができる。一態様では、特定のループ長および/または断面積を有するパワーモジュール100について、パワーモジュール100の図1Bに示されたループ114内のクリティカルパワースイッチの全漂遊インダクタンス値を、8(nH)よりも小さくすることができる。一態様では、特定のループ長および/または断面積を有するパワーモジュール100について、パワーモジュール100の図1Bに示されたループ114内のクリティカルパワースイッチの全漂遊インダクタンス値を、12(nH)よりも小さくすることができる。一態様では、特定のループ長および/または断面積を有するパワーモジュール100について、パワーモジュール100の図1Bに示されたループ114内のクリティカルパワースイッチの全漂遊インダクタンス値が、4(nH)~2(nH)の範囲を有することができる。一態様では、特定のループ長および/または断面積を有するパワーモジュール100について、パワーモジュール100の図1Bに示されたループ114内のクリティカルパワースイッチの全漂遊インダクタンス値が、8(nH)~4(nH)の範囲を有することができる。一態様では、特定のループ長および/または断面積を有するパワーモジュール100について、パワーモジュール100の図1Bに示されたループ114内のクリティカルパワースイッチの全漂遊インダクタンス値が、12(nH)~8(nH)の範囲を有することができる。 In one aspect, for a power module 100 having a particular loop length and/or cross-sectional area, the total stray inductance value of the critical power switches in the loop 114 shown in FIG. 1B of the power module 100 can be less than 4 (nH). In one aspect, for a power module 100 having a particular loop length and/or cross-sectional area, the total stray inductance value of the critical power switches in the loop 114 shown in FIG. 1B of the power module 100 can be less than 8 (nH). In one aspect, for a power module 100 having a particular loop length and/or cross-sectional area, the total stray inductance value of the critical power switches in the loop 114 shown in FIG. 1B of the power module 100 can be less than 12 (nH). In one aspect, for a power module 100 having a particular loop length and/or cross-sectional area, the total stray inductance value of the critical power switches in the loop 114 shown in FIG. 1B of the power module 100 can have a range of 4 (nH) to 2 (nH). In one aspect, for a power module 100 having a particular loop length and/or cross-sectional area, the total stray inductance value of the critical power switches in the loop 114 shown in FIG. 1B of the power module 100 can range from 8 (nH) to 4 (nH). In one aspect, for a power module 100 having a particular loop length and/or cross-sectional area, the total stray inductance value of the critical power switches in the loop 114 shown in FIG. 1B of the power module 100 can range from 12 (nH) to 8 (nH).

1つまたは複数の態様では、以下のスイッチング速度で動作するように、本開示のパワーモジュール100を構成することができる。 In one or more aspects, the power module 100 of the present disclosure can be configured to operate at the following switching speeds:

一態様では、パワーモジュール100のスイッチング速度を100(A/ナノ秒)di/dtよりも小さくすることができる。一態様では、パワーモジュール100のスイッチング速度を90(A/ナノ秒)di/dtよりも小さくすることができる。一態様では、パワーモジュール100のスイッチング速度を80(A/ナノ秒)di/dtよりも小さくすることができる。一態様では、パワーモジュール100のスイッチング速度を50(A/ナノ秒)di/dtよりも小さくすることができる。一態様では、パワーモジュール100のスイッチング速度を35(A/ナノ秒)di/dtよりも小さくすることができる。 In one embodiment, the switching speed of the power module 100 can be less than 100 (A/ns) di/dt. In one embodiment, the switching speed of the power module 100 can be less than 90 (A/ns) di/dt. In one embodiment, the switching speed of the power module 100 can be less than 80 (A/ns) di/dt. In one embodiment, the switching speed of the power module 100 can be less than 50 (A/ns) di/dt. In one embodiment, the switching speed of the power module 100 can be less than 35 (A/ns) di/dt.

一態様では、パワーモジュール100のスイッチング速度が30~100(A/ナノ秒)di/dtの範囲を有することができる。一態様では、パワーモジュール100のスイッチング速度が30~70(A/ナノ秒)di/dtの範囲を有することができる。一態様では、パワーモジュール100のスイッチング速度が40~90(A/ナノ秒)di/dtの範囲を有することができる。一態様では、パワーモジュール100のスイッチング速度が30~40(A/ナノ秒)di/dtの範囲を有することができる。 In one aspect, the switching speed of the power module 100 can have a range of 30 to 100 (A/ns) di/dt. In one aspect, the switching speed of the power module 100 can have a range of 30 to 70 (A/ns) di/dt. In one aspect, the switching speed of the power module 100 can have a range of 40 to 90 (A/ns) di/dt. In one aspect, the switching speed of the power module 100 can have a range of 30 to 40 (A/ns) di/dt.

一態様では、パワーモジュール100のスイッチング速度を120(V/ナノ秒)dv/dtよりも小さくすることができる。一態様では、パワーモジュール100のスイッチング速度を100(V/ナノ秒)dv/dtよりも小さくすることができる。一態様では、パワーモジュール100のスイッチング速度が、20(V/ナノ秒)dv/dt~100(V/ナノ秒)dv/dtの範囲を有することができる。一態様では、パワーモジュール100のスイッチング速度が、40(V/ナノ秒)dv/dt~100(V/ナノ秒)dv/dtの範囲を有することができる。一態様では、パワーモジュール100のスイッチング速度が、60(V/ナノ秒)dv/dt~100(V/ナノ秒)dv/dtの範囲を有することができる。一態様では、パワーモジュール100のスイッチング速度が、80(V/ナノ秒)dv/dt~100(V/ナノ秒)dv/dtの範囲を有することができる。一態様では、パワーモジュール100のスイッチング速度が、60(V/ナノ秒)dv/dt~80(V/ナノ秒)dv/dtの範囲を有することができる。一態様では、パワーモジュール100のスイッチング速度が、40(V/ナノ秒)dv/dt~60(V/ナノ秒)dv/dtの範囲を有することができる。一態様では、パワーモジュール100のスイッチング速度が、20(V/ナノ秒)dv/dt~40(V/ナノ秒)dv/dtの範囲を有することができる。一態様では、パワーモジュール100のスイッチング速度が、60(V/ナノ秒)~80(V/ナノ秒)、40(V/ナノ秒)~60(V/ナノ秒)、20(V/ナノ秒)~40(V/ナノ秒)の範囲を有することができる。 In one aspect, the switching speed of the power module 100 can be less than 120 (V/ns) dv/dt. In one aspect, the switching speed of the power module 100 can be less than 100 (V/ns) dv/dt. In one aspect, the switching speed of the power module 100 can have a range of 20 (V/ns) dv/dt to 100 (V/ns) dv/dt. In one aspect, the switching speed of the power module 100 can have a range of 40 (V/ns) dv/dt to 100 (V/ns) dv/dt. In one aspect, the switching speed of the power module 100 can have a range of 60 (V/ns) dv/dt to 100 (V/ns) dv/dt. In one aspect, the switching speed of the power module 100 can have a range of 80 (V/ns) dv/dt to 100 (V/ns) dv/dt. In one aspect, the switching speed of the power module 100 can have a range of 60 (V/ns) dv/dt to 80 (V/ns) dv/dt. In one aspect, the switching speed of the power module 100 can have a range of 40 (V/ns) dv/dt to 60 (V/ns) dv/dt. In one aspect, the switching speed of the power module 100 can have a range of 20 (V/ns) dv/dt to 40 (V/ns) dv/dt. In one embodiment, the switching speed of the power module 100 can range from 60 (V/ns) to 80 (V/ns), 40 (V/ns) to 60 (V/ns), or 20 (V/ns) to 40 (V/ns).

1つまたは複数の態様では、以下のスイッチング損失で動作するように、本開示のパワーモジュール100を構成することができる。 In one or more aspects, the power module 100 of the present disclosure can be configured to operate with the following switching losses:

一態様では、パワーモジュール100のスイッチング損失を、0.5(mJ/A)ミリジュール毎アンペアよりも小さくすることができる。一態様では、パワーモジュール100のスイッチング損失を、0.4(mJ/A)ミリジュール毎アンペアよりも小さくすることができる。一態様では、パワーモジュール100のスイッチング損失を、0.25(mJ/A)ミリジュール毎アンペアよりも小さくすることができる。一態様では、パワーモジュール100のスイッチング損失が、0.5(mJ/A)ミリジュール毎アンペア~0.25(mJ/A)ミリジュール毎アンペアの範囲を有することができる。一態様では、パワーモジュール100のスイッチング損失が、0.25(mJ/A)ミリジュール毎アンペア~0.4(mJ/A)ミリジュール毎アンペアの範囲を有することができる。 In one aspect, the switching loss of the power module 100 can be less than 0.5 (mJ/A) millijoules per amp. In one aspect, the switching loss of the power module 100 can be less than 0.4 (mJ/A) millijoules per amp. In one aspect, the switching loss of the power module 100 can be less than 0.25 (mJ/A) millijoules per amp. In one aspect, the switching loss of the power module 100 can have a range of 0.5 (mJ/A) millijoules per amp to 0.25 (mJ/A). In one aspect, the switching loss of the power module 100 can have a range of 0.25 (mJ/A) millijoules per amp to 0.4 (mJ/A) millijoules per amp.

本開示の態様では、より大きな幅(より多くのパワーデバイス302、より小さなインダクタンス)を有するように、またはより小さな大きさ(より小さなサイズ、より低いコスト)を有するようパワーモジュール100を構成することができるように、パワーモジュール100の幅および長さがスケーラブルであることがある。以下の表は、実用的な最小幅および期待される最大サイズ(おおよそ正方形のフットプリント)を含む、さまざまな範囲実施態様を示している。パワーデバイス利用率(power device utilization)は、パワーデバイス面積と全パワーモジュール面積との比によって計算される百分率と定義することができる。一態様では、本開示で利用される面積が、幅に長さを乗じることによって計算される。この点に関して、幅は、図11に示されているように、パワーモジュール100を横切って延びる軸に沿って定義することができ、長さは、図11に示されているように、幅に対して垂直な軸に沿って定義することができる。下の表は、特定の一組の非限定的な仕様を示している。 In aspects of the present disclosure, the width and length of the power module 100 may be scalable such that the power module 100 may be configured to have a larger width (more power devices 302, smaller inductance) or a smaller size (smaller size, lower cost). The table below shows various range embodiments, including a practical minimum width and an expected maximum size (approximately a square footprint). Power device utilization may be defined as a percentage calculated by the ratio of the power device area to the total power module area. In one aspect, the area utilized in the present disclosure is calculated by multiplying the width by the length. In this regard, the width may be defined along an axis extending across the power module 100 as shown in FIG. 11, and the length may be defined along an axis perpendicular to the width as shown in FIG. The table below shows a specific set of non-limiting specifications.

Figure 0007655891000001
Figure 0007655891000001

本開示の一態様では、パワーモジュール100が、7~10%の範囲のパワーデバイス利用面積を有することができる。本開示の一態様では、パワーモジュール100が、6~8%の範囲のパワーデバイス利用面積を有することができる。本開示の一態様では、パワーモジュール100が、5~7%の範囲のパワーデバイス利用面積を有することができる。 In one aspect of the present disclosure, the power module 100 can have a power device utilization area in the range of 7-10%. In one aspect of the present disclosure, the power module 100 can have a power device utilization area in the range of 6-8%. In one aspect of the present disclosure, the power module 100 can have a power device utilization area in the range of 5-7%.

さまざまな態様において、パワーモジュール100の高さもスケーラブルであることがある。この場合には、インダクタンスを最小化するためにできるだけ薄くなるように、パワーモジュール100を構成することができる。この高さは、(A)1700V動作に必要な沿面距離および空間距離仕様、(B)ワイヤボンドの高さ、ならびに(C)使用される封止材料のタイプに基づいて設定することができる。低範囲電圧モジュール(650V)については、ある設計変更を実施して、高さを低減させることができる。反対に、高範囲電圧デバイスについては、パワーモジュール100をより高くすることもできる。さまざまな態様において、本開示で利用される高さは、幅および長さに対して垂直であると定義される。図4Aを参照すると、パワーモジュール100の例示的な高さが示されている。パワーモジュールの高さは、7mm~30mm、9mm~11mm、11mm~13mm、13mm~15mm、15mm~17mm、17mm~19mm、19mm~21mm、21mm~23mmおよび23mm~27mmの範囲とすることができる。下の表は、特定の一組の非限定的な仕様を示している。 In various aspects, the height of the power module 100 may also be scalable. In this case, the power module 100 may be constructed to be as thin as possible to minimize inductance. This height may be set based on (A) the creepage and clearance specifications required for 1700V operation, (B) the height of the wire bonds, and (C) the type of encapsulation material used. For low range voltage modules (650V), certain design changes may be implemented to reduce the height. Conversely, for high range voltage devices, the power module 100 may be made taller. In various aspects, height as utilized in this disclosure is defined as perpendicular to the width and length. With reference to FIG. 4A, exemplary heights of the power module 100 are shown. The height of the power module may range from 7mm to 30mm, 9mm to 11mm, 11mm to 13mm, 13mm to 15mm, 15mm to 17mm, 17mm to 19mm, 19mm to 21mm, 21mm to 23mm, and 23mm to 27mm. The table below shows a specific set of non-limiting specifications:

Figure 0007655891000002
Figure 0007655891000002

パワーコンタクトパラメータ
パワーコンタクトまたは端子106、108、110を、幅が広くなるように、および所与の実用的な電圧沿面距離/空間距離限界でできるだけパワーモジュール100の最大百分率を占めるように、構成および構築することができる。幅比は、パワーモジュール100の幅に対してコンタクトまたは端子106、108、110の幅を比較したものである。一態様では、パワーモジュール100の幅をベースプレート602の幅とすることができる。一態様では、パワーモジュール100の幅を1つまたは複数のパワー基板606の幅とすることができる。一態様では、パワーモジュール100の幅をハウジング側壁612間の幅とすることができる。一態様では、パワーモジュール100の幅をハウジングリッド618の幅とすることができる。長さ比は、3つの全てのコンタクトまたは端子106、108、110のコンタクト長をとり、それをパワーモジュール100の全長と比較したものである。一態様では、パワーモジュール100の長さをベースプレート602の長さとすることができる。一態様では、パワーモジュール100の長さを1つまたは複数のパワー基板606の長さとすることができる。一態様では、パワーモジュール100の長さをハウジング側壁612間の長さとすることができる。一態様では、パワーモジュール100の長さをハウジングリッド618の長さとすることができる。面積比は、全コンタクト面積をパワーモジュール100の全面積と比較したものである。一態様では、パワーモジュール100の面積をベースプレート602の面積とすることができる。一態様では、パワーモジュール100の面積を1つまたは複数のパワー基板606の面積とすることができる。一態様では、パワーモジュール100の面積をハウジング側壁612間の面積とすることができる。一態様では、パワーモジュール100の面積をハウジングリッド618の面積とすることができる。ベース比(base ratio)は、全コンタクトベース幅をパワーモジュール100の幅と比較したものである。ベース比は、ベースの周縁にはんだフィレット(solder fillet)があることを仮定している。一態様では、パワーモジュール100の幅をベースプレート602の幅とすることができる。一態様では、パワーモジュール100の幅を1つまたは複数のパワー基板606の幅とすることができる。一態様では、パワーモジュール100の幅をハウジング側壁612間の幅とすることができる。一態様では、パワーモジュール100の幅をハウジングリッド618の幅とすることができる。下の表は、特定の一組の非限定的な仕様を示している。
Power Contact Parameters The power contacts or terminals 106, 108, 110 can be configured and constructed to be wide and to occupy the largest percentage of the power module 100 possible given practical voltage creepage/clearance limits. The width ratio compares the width of the contacts or terminals 106, 108, 110 to the width of the power module 100. In one aspect, the width of the power module 100 can be the width of the base plate 602. In one aspect, the width of the power module 100 can be the width of one or more power boards 606. In one aspect, the width of the power module 100 can be the width between the housing side walls 612. In one aspect, the width of the power module 100 can be the width of the housing lid 618. The length ratio takes the contact length of all three contacts or terminals 106, 108, 110 and compares it to the overall length of the power module 100. In one aspect, the length of the power module 100 can be the length of the base plate 602. In one aspect, the length of the power module 100 can be the length of the power board(s) 606. In one aspect, the length of the power module 100 can be the length between the housing sidewalls 612. In one aspect, the length of the power module 100 can be the length of the housing lid 618. The area ratio compares the total contact area to the total area of the power module 100. In one aspect, the area of the power module 100 can be the area of the base plate 602. In one aspect, the area of the power module 100 can be the area of the power board(s) 606. In one aspect, the area of the power module 100 can be the area between the housing sidewalls 612. In one aspect, the area of the power module 100 can be the area of the housing lid 618. The base ratio compares the total contact base width to the width of the power module 100. The base ratio assumes that there is a solder fillet around the periphery of the base. In one aspect, the width of the power module 100 can be the width of the base plate 602. In one aspect, the width of the power module 100 can be the width of one or more power boards 606. In one aspect, the width of the power module 100 can be the width between the housing side walls 612. In one aspect, the width of the power module 100 can be the width of the housing lid 618. The table below shows one particular set of non-limiting specifications.

Figure 0007655891000003
Figure 0007655891000003

一態様では、パワーモジュール100が、20%よりも大きい端子面積比を有することができる。一態様では、パワーモジュール100が、25%よりも大きい端子面積比を有することができる。一態様では、パワーモジュール100が、30%よりも大きい端子面積比を有することができる。一態様では、パワーモジュール100が、20%~25%の範囲の端子面積比を有することができる。一態様では、パワーモジュール100が、25%~30%の範囲の端子面積比を有することができる。一態様では、パワーモジュール100が、30%~35%の範囲の端子面積比を有することができる。 In one aspect, the power module 100 can have a terminal area ratio greater than 20%. In one aspect, the power module 100 can have a terminal area ratio greater than 25%. In one aspect, the power module 100 can have a terminal area ratio greater than 30%. In one aspect, the power module 100 can have a terminal area ratio in the range of 20% to 25%. In one aspect, the power module 100 can have a terminal area ratio in the range of 25% to 30%. In one aspect, the power module 100 can have a terminal area ratio in the range of 30% to 35%.

一態様では、パワーモジュール100が、70%~80%の範囲のベース比を有することができる。一態様では、パワーモジュール100が、80%~90%の範囲のベース比を有することができる。一態様では、パワーモジュール100が、90%~95%の範囲のベース比を有することができる。 In one aspect, the power module 100 can have a base ratio in the range of 70% to 80%. In one aspect, the power module 100 can have a base ratio in the range of 80% to 90%. In one aspect, the power module 100 can have a base ratio in the range of 90% to 95%.

さまざまな態様において、コンタクトの足が「羽状」または「指状」となるように、ベース636を構成することができる。いくつかの態様では、ベース636の分割された足が、はんだがコネクタの側面の周囲にフィレットを作るためのより多くの空間を提供することができ、これによって、多数の方向および軸における強度が追加される。分割されたベース636は、ストレスを分散させることができ、信頼性を向上させることができる。 In various aspects, the base 636 can be configured so that the legs of the contacts are "winged" or "fingered". In some aspects, the split legs of the base 636 can provide more space for the solder to create a fillet around the sides of the connector, which adds strength in multiple directions and axes. The split base 636 can distribute stress and improve reliability.

V+およびV-パワーコンタクトの垂直オフセット702を使用して、外部バスバー900の屈曲部またはオフセットの必要性を低減させることにより、システムの全ループインダクタンスを最小化することができる。いくつかの態様では、このようなバスバー900の複雑さの低減によって、コストも低減させることができる。一態様では、垂直オフセット702を、3.25mm(金属厚さ3mm、積層分離0.25mm)とすることができる。他の態様では、垂直オフセット702が、2mm~3mm、3mm~4mm、4mm~5mmおよび5mm~6mmの実用的範囲を有することができる。下の表は、特定の一組の非限定的な仕様を示している。 Vertical offsets 702 of the V+ and V- power contacts can be used to minimize the total loop inductance of the system by reducing the need for bends or offsets in the external busbar 900. In some aspects, such reduction in the complexity of the busbar 900 can also reduce costs. In one aspect, the vertical offset 702 can be 3.25 mm (metal thickness 3 mm, lamination separation 0.25 mm). In other aspects, the vertical offset 702 can have practical ranges of 2 mm to 3 mm, 3 mm to 4 mm, 4 mm to 5 mm, and 5 mm to 6 mm. The table below shows a specific set of non-limiting specifications.

Figure 0007655891000004
Figure 0007655891000004

基板パラメータ
幅が広くなるように、およびパワーデバイス302によってできるだけ占有されるように、パワー基板606を構成することもできる。本開示の態様は、高いデバイス面積/基板面積利用率を含む。パワーデバイス302の間隔は、熱拡散、熱的性能、および製造性を最適にするための加工設計ルール、ならびに他の同種のものによって決定されることがある。パワーデバイス比は、有効デバイス面積(active device area)を、パワー基板606の全幅との比較において比較したものである。この点に関して、この幅は、図11に示されているように、複数のパワーデバイス302を貫いて延びる軸に沿って定義することができる。パワー基板606の幅の一部分が、過電流および温度センサ610のために使用されることがある。いくつかの態様では、それらの特徴を含めずに、パワーデバイス比の百分率数値を増大させることができる。一態様では、パワーモジュール100が、60%よりも大きい有効デバイス面積を有することができる。一態様では、パワーモジュール100が、65%よりも大きい有効デバイス面積を有することができる。一態様では、パワーモジュール100が、70%よりも大きい有効デバイス面積を有することができる。一態様では、パワーモジュール100が、60%~65%の有効デバイス面積を有することができる。一態様では、パワーモジュール100が、65%~70%の有効デバイス面積を有することができる。一態様では、パワーモジュール100が、70%~75%の有効デバイス面積を有することができる。下の表は、特定の一組の非限定的な仕様を示している。
Substrate Parameters The power substrate 606 may also be configured to be wide and occupied as much as possible by the power devices 302. Aspects of the present disclosure include high device area/substrate area utilization. The spacing of the power devices 302 may be determined by process design rules to optimize heat spreading, thermal performance, and manufacturability, and the like. The power device ratio compares the active device area in comparison to the overall width of the power substrate 606. In this regard, the width may be defined along an axis that runs through the power devices 302, as shown in FIG. 11. A portion of the width of the power substrate 606 may be used for the eddy current and temperature sensors 610. In some aspects, the percentage value of the power device ratio may be increased without including those features. In one aspect, the power module 100 may have an active device area greater than 60%. In one aspect, the power module 100 may have an active device area greater than 65%. In one aspect, the power module 100 can have an effective device area greater than 70%. In one aspect, the power module 100 can have an effective device area between 60% and 65%. In one aspect, the power module 100 can have an effective device area between 65% and 70%. In one aspect, the power module 100 can have an effective device area between 70% and 75%. The table below shows a specific set of non-limiting specifications.

Figure 0007655891000005
Figure 0007655891000005

いくつかの態様では、パワー基板606の金属厚さを以下のように構成することができる。さまざまな態様において、金属の厚さは、熱的性能、パッケージ抵抗、コスト、および他の同種のものとトレードオフの関係にあることがある。一態様では、パワー基板606の金属厚さを0.5mmよりも薄くすることができる。一態様では、パワー基板606の金属厚さを0.3mmよりも薄くすることができる。一態様では、パワー基板606の金属厚さを0.2mmとすることができる。一態様では、パワー基板606の金属厚さを、0.1mm~0.6mm、0.2mm~0.3mm、0.3mm~0.4mm、0.4mm~0.5mmおよび0.5mm~0.6mmの範囲とすることができる。 In some aspects, the metal thickness of the power board 606 can be configured as follows: In various aspects, the metal thickness can be a trade-off between thermal performance, package resistance, cost, and the like. In one aspect, the metal thickness of the power board 606 can be less than 0.5 mm. In one aspect, the metal thickness of the power board 606 can be less than 0.3 mm. In one aspect, the metal thickness of the power board 606 can be 0.2 mm. In one aspect, the metal thickness of the power board 606 can be in the range of 0.1 mm to 0.6 mm, 0.2 mm to 0.3 mm, 0.3 mm to 0.4 mm, 0.4 mm to 0.5 mm, and 0.5 mm to 0.6 mm.

ワイヤボンドパラメータ
パワーワイヤボンド628は、下の表に挙げられた直径のうちのいずれかの直径のものとすることができる。一態様では、直径12ミル(0.30mm)のアルミニウムボンドを利用することができる。一態様では、ボンドボンドの直径を、0.15mm~0.25mm、0.2mm~0.3mm、0.25mm~0.35mm、0.35mm~0.45mmおよび0.45mm~0.55mmとすることができる。他の態様では、より大径のアルミニウムボンドおよび大径の銅ボンドを利用することができる。さらなる態様では、電流能力を最大にするために、はんだ銅(soldered copper)タブを利用することができる。一態様では、パワーワイヤボンド628の直径を0.15mm~0.6mmの範囲とすることができる。一態様では、パワーワイヤボンド628の直径を0.19mm~0.52mmの範囲とすることができる。一態様では、パワーワイヤボンド628の直径を0.2mm~0.51mmの範囲とすることができる。下の表は、特定の一組の非限定的な仕様を示している。
Wire Bond Parameters The power wire bonds 628 may be of any of the diameters listed in the table below. In one aspect, 12 mil (0.30 mm) diameter aluminum bonds may be utilized. In one aspect, the bond diameters may be 0.15 mm to 0.25 mm, 0.2 mm to 0.3 mm, 0.25 mm to 0.35 mm, 0.35 mm to 0.45 mm, and 0.45 mm to 0.55 mm. In other aspects, larger diameter aluminum bonds and larger diameter copper bonds may be utilized. In further aspects, soldered copper tabs may be utilized to maximize current capability. In one aspect, the diameter of the power wire bonds 628 may range from 0.15 mm to 0.6 mm. In one aspect, the diameter of the power wire bonds 628 may range from 0.19 mm to 0.52 mm. In one embodiment, the diameter of the power wire bonds 628 may range from 0.2 mm to 0.51 mm. The table below shows one particular set of non-limiting specifications:

Figure 0007655891000006
Figure 0007655891000006

一態様では、パワーワイヤボンド628が、下の表に示されているように、アルミニウムワイヤボンド、アルミニウムリボンボンド、銅ワイヤボンド、銅リボンボンド、銅はんだタブ、銅焼結タブ、および他の同種のものを含むことができる。 In one aspect, the power wire bonds 628 can include aluminum wire bonds, aluminum ribbon bonds, copper wire bonds, copper ribbon bonds, copper solder tabs, copper sintered tabs, and the like, as shown in the table below.

Figure 0007655891000007
Figure 0007655891000007

特定の態様では、下の表に挙げられているようなループ形状寸法を有するように、ワイヤボンド628を構成することができる。抵抗を最小化するために、さまざまな態様において、できるだけ低プロファイルになるように、およびできるだけ短くなるように、ループ形状寸法を構成することができる。ボンドの長さは、パワーデバイス302のダイの配置およびパワーモジュール100の構成によって決定される。一態様では、ワイヤボンド長が、4mm~12mmの範囲を有することができる。一態様では、ワイヤボンド長が、5mm~11mmの範囲を有することができる。一態様では、ワイヤボンドのループ高さが、0.5mm~3mmの範囲を有することができる。一態様では、ワイヤボンドのループ高さが、1mm~2.5mmの範囲を有することができる。下の表は、特定の一組の非限定的な仕様を示している。 In certain aspects, the wire bonds 628 can be configured to have loop geometry dimensions as listed in the table below. To minimize resistance, in various aspects, the loop geometry can be configured to be as low profile and short as possible. The bond length is determined by the die placement of the power device 302 and the configuration of the power module 100. In one aspect, the wire bond length can have a range of 4 mm to 12 mm. In one aspect, the wire bond length can have a range of 5 mm to 11 mm. In one aspect, the wire bond loop height can have a range of 0.5 mm to 3 mm. In one aspect, the wire bond loop height can have a range of 1 mm to 2.5 mm. The table below shows a specific set of non-limiting specifications.

Figure 0007655891000008
Figure 0007655891000008

一態様では、この構成が、1パワーデバイス302ごとに、より多くのボンド628または最大数のボンド628を利用することができる。ボンド628の数は、ダイのサイズ、パッド面積およびボンド直径によって決まることがある。下の表は、特定の一組の非限定的な仕様を示している。具体的には、下に挙げた値は、MOSFETの異なるサイズ実施態様に対する値である。 In one aspect, this configuration can utilize more or a maximum number of bonds 628 per power device 302. The number of bonds 628 may depend on the die size, pad area, and bond diameter. The table below shows a specific set of non-limiting specifications. Specifically, the values listed below are for different size implementations of the MOSFET.

Figure 0007655891000009
Figure 0007655891000009

一態様では、3~12個のボンド628を有するように、それぞれのパワーデバイス302を実施することができる。一態様では、4~10個のボンド628を有するように、それぞれのパワーデバイス302を実施することができる。一態様では、5つ以上のボンド628を有するように、それぞれのパワーデバイス302を実施することができる。一態様では、7つ以上のボンド628を有するように、それぞれのパワーデバイス302を実施することができる。一態様では、9つ以上のボンド628を有するように、それぞれのパワーデバイス302を実施することができる。一態様では、11個以上のボンド628を有するように、それぞれのパワーデバイス302を実施することができる。 In one aspect, each power device 302 can be implemented to have between 3 and 12 bonds 628. In one aspect, each power device 302 can be implemented to have between 4 and 10 bonds 628. In one aspect, each power device 302 can be implemented to have 5 or more bonds 628. In one aspect, each power device 302 can be implemented to have 7 or more bonds 628. In one aspect, each power device 302 can be implemented to have 9 or more bonds 628. In one aspect, each power device 302 can be implemented to have 11 or more bonds 628.

インダクタンスおよびスイッチングパラメータ
パワーモジュール100のインダクタンスは、全ループ長、断面積、磁束相殺、および他の同種のものによって決定されることがある。さまざまな態様において、幅の広いパワーコンタクトを使用して、低プロファイルを有するようにパワーモジュール100を構成すること、およびループが折り重なるときにパワーモジュール100内である磁束相殺を達成することによって、インダクタンスを最小化するように、パワーモジュール100を構成することができる。パワーモジュール100の幅も、インダクタンスに対して大きな影響を有することがある。
Inductance and Switching Parameters The inductance of the power module 100 may be determined by the total loop length, cross-sectional area, magnetic flux cancellation, and the like. In various aspects, the power module 100 may be configured to minimize inductance by using wide power contacts, configuring the power module 100 to have a low profile, and achieving some magnetic flux cancellation within the power module 100 when the loops fold over. The width of the power module 100 may also have a large effect on inductance.

下の表は、パワーモジュール100の特定の実施態様に基づいており、インダクタンス、および他の構成のインダクタンスを決定するための他のシミュレーション結果を示している。インダクタンスが最も小さい構成では、パワーモジュール100をより薄く構成することもできると仮定する(すなわち以前に挙げた650V厚さ)。dV/dt最大値は、パワーモジュール100に対する限界ではない。 The table below is based on a specific embodiment of the power module 100 and shows other simulation results for determining the inductance, as well as the inductance for other configurations. The configuration with the lowest inductance assumes that the power module 100 can also be configured thinner (i.e., the 650V thickness listed previously). The dV/dt maximum is not a limit for the power module 100.

di/dt値は、1200Vデバイスおよび800Vバスを仮定して理論的最大値になるように計算した。これは、最大400Vの可能なオーバシュートに帰着する可能性がある。この点に関して、この計算では、パワーモジュール100と直列に追加される2nHのバスループインダクタンスを仮定した。これを仮定して、下表の一態様には、パワーモジュール100がスイッチングすることができる最速のものが挙げられている。 The di/dt values were calculated to be the theoretical maximum assuming 1200V devices and an 800V bus. This could result in a maximum possible overshoot of 400V. In this regard, the calculations assumed a bus loop inductance of 2nH added in series with the power module 100. With this assumption, one embodiment of the table below lists the fastest the power module 100 can switch.

1つまたは複数の態様では、非常に攻撃的なスイッチングを使用して特定の実施態様を試験することによって損失を決定した。一態様では、この損失が、0.25~0.050mJ/A、0.25~0.040mJ/Aおよび0.25~0.035 mJ/Aの範囲を有することがある。下の表は、特定の一組の非限定的な仕様を示している。 In one or more aspects, losses were determined by testing certain embodiments using very aggressive switching. In one aspect, the losses may range from 0.25 to 0.050 mJ/A, 0.25 to 0.040 mJ/A, and 0.25 to 0.035 mJ/A. The table below shows a particular set of non-limiting specifications.

Figure 0007655891000010
Figure 0007655891000010

態様1では、パワーモジュール100の全漂遊インダクタンス値が、9(nH)~11(nH)の範囲を有することができる。態様2では、パワーモジュール100の全漂遊インダクタンス値が、6(nH)~7(nH)の範囲を有することができる。態様3では、パワーモジュール100の全漂遊インダクタンス値が、3(nH)~4(nH)の範囲を有することができる。態様4では、パワーモジュール100の全漂遊インダクタンス値が、2(nH)~3(nH)の範囲を有することができる。 In aspect 1, the total stray inductance value of the power module 100 can have a range of 9 (nH) to 11 (nH). In aspect 2, the total stray inductance value of the power module 100 can have a range of 6 (nH) to 7 (nH). In aspect 3, the total stray inductance value of the power module 100 can have a range of 3 (nH) to 4 (nH). In aspect 4, the total stray inductance value of the power module 100 can have a range of 2 (nH) to 3 (nH).

図43~58は、本開示の一態様によるパワーモジュールを示している。 Figures 43-58 show a power module according to one aspect of the present disclosure.

この点に関して、パワーデバイス302および他の構成要素の電流密度は高いため、図43~58のパワーモジュール100の熱的性能を、熱流束を最大化するように、システムサイズを低減させるように、コストを低減させるように、および他の同種のことを達成するように構成することができる。具体的には、図43~58に示されたパワーモジュール100は、本明細書に開示された態様のうちの任意の1つまたは複数の態様を含むことができる。その上、熱流束を最大化し、システムサイズを低減させ、コストを低減させ、他の同種のことを達成するために、図43~58のパワーモジュール100を、直接冷却向けにさらに構成することができる。さらに、パワーモジュール100を用いた直接冷却を実施すると、パワーモジュール100とコールドプレートまたはヒートシンクとの間の熱界面、およびコールドプレートの頂面と冷却流体との間に配置された任意の材料または構造体を除去または排除することができる。この点に関して、先行技術の実施態様は、パワーモジュールとコールドプレートとの間の界面に配置された熱界面材料(thermal interface material)(TIM)を含み、TIMの利用は、表面への付着、老化、ポンプアウト(pump-out)および他の同種のものに関する問題を引き起こすことがあった。パワーモジュール100のベースプレート602の表面を直接に冷却することにより、パワーモジュール100および関連構造体内でより大量の熱流束を処理することができる。 In this regard, because the current density of the power devices 302 and other components is high, the thermal performance of the power module 100 of FIGS. 43-58 can be configured to maximize heat flux, reduce system size, reduce cost, and the like. Specifically, the power module 100 shown in FIGS. 43-58 can include any one or more of the aspects disclosed herein. Moreover, the power module 100 of FIGS. 43-58 can be further configured for direct cooling to maximize heat flux, reduce system size, reduce cost, and the like. Furthermore, implementing direct cooling with the power module 100 can remove or eliminate the thermal interface between the power module 100 and the cold plate or heat sink, and any material or structure disposed between the top surface of the cold plate and the cooling fluid. In this regard, prior art implementations include a thermal interface material (TIM) disposed at the interface between the power module and the cold plate, and the use of TIMs can cause problems with surface adhesion, aging, pump-out, and the like. By directly cooling the surface of the base plate 602 of the power module 100, a greater amount of heat flux can be handled within the power module 100 and associated structures.

一態様では、パワーモジュール100が複数のピンフィン642を含むことができる。一態様では、パワーモジュール100の1つまたは複数の構成要素からの熱を伝達するように、複数のピンフィン642を構成することができる。一態様では、パワーモジュール100の1つまたは複数の構成要素を冷却するように、複数のピンフィン642を構成することができる。一態様では、パワーモジュール100の1つまたは複数の構成要素を直接冷却するように、複数のピンフィン642を構成することができる。一態様では、コールドプレート902と協力して、パワーモジュール100の1つまたは複数の構成要素を直接冷却するように、複数のピンフィン642を構成することができる。一態様では、冷却材がピンフィン642の間を通過することを可能にするように、複数のピンフィン642を構成することができる。 In one aspect, the power module 100 can include a plurality of pin fins 642. In one aspect, the plurality of pin fins 642 can be configured to transfer heat from one or more components of the power module 100. In one aspect, the plurality of pin fins 642 can be configured to cool one or more components of the power module 100. In one aspect, the plurality of pin fins 642 can be configured to directly cool one or more components of the power module 100. In one aspect, the plurality of pin fins 642 can be configured to cooperate with the cold plate 902 to directly cool one or more components of the power module 100. In one aspect, the plurality of pin fins 642 can be configured to allow coolant to pass between the pin fins 642.

一態様では、ベースプレート602が複数のピンフィン642を含むことができる。一態様では、ベースプレート602の表面に複数のピンフィン642を配置することができる。一態様では、ベースプレート602の底面に複数のピンフィン642を配置することができる。一態様では、ベースプレート602のハウジング側壁612とは反対の側のベースプレート602の底面に、複数のピンフィン642を配置することができる。 In one aspect, the base plate 602 can include a plurality of pin fins 642. In one aspect, the plurality of pin fins 642 can be disposed on a surface of the base plate 602. In one aspect, the plurality of pin fins 642 can be disposed on a bottom surface of the base plate 602. In one aspect, the plurality of pin fins 642 can be disposed on a bottom surface of the base plate 602 opposite the housing side wall 612 of the base plate 602.

一態様では、複数のピンフィン642が、軸654に対して平行な流路(channel)を形成していてもよい。一態様では、複数のピンフィン642が、軸656に対して平行な流路を形成していてもよい。一態様では、複数のピンフィン642が、軸654に対してジグザグの流路または軸654に対して斜めの流路を形成していてもよい。一態様では、複数のピンフィン642が、軸656に対してジグザグの流路または軸656に対して斜めの流路を形成していてもよい。 In one embodiment, the pin fins 642 may form a channel parallel to the axis 654. In one embodiment, the pin fins 642 may form a channel parallel to the axis 656. In one embodiment, the pin fins 642 may form a channel that is zigzag with respect to the axis 654 or a channel that is oblique with respect to the axis 654. In one embodiment, the pin fins 642 may form a channel that is zigzag with respect to the axis 656 or a channel that is oblique with respect to the axis 656.

複数のピンフィン642の周囲の冷却材の移動、複数のピンフィン642から冷却材への熱伝達、熱伝達を増大させるための複数のピンフィン642に隣接する表面層および/またはバリア層の低減、ならびに他の同種のことを増大させまたは促進するように、複数のピンフィン642の配置および複数のピンフィン642間に配置された流路の配置を構成することができる。 The arrangement of the pin fins 642 and the arrangement of the flow passages disposed between the pin fins 642 can be configured to enhance or promote movement of the coolant around the pin fins 642, heat transfer from the pin fins 642 to the coolant, reduction of surface and/or barrier layers adjacent the pin fins 642 to enhance heat transfer, and the like.

図46、図50および図54を参照すると、ピンフィン642はそれぞれ、ベースプレート602と一体に形成することができる。他の態様では、溶接、接着剤、はんだ付け、ろう付けまたは他の同種のものによって、それぞれのピンフィン642をベースプレート602に取り付けることができる。一態様では、ピンフィン642がそれぞれ、ベースプレート602に接続された基部644を含むことができる。 46, 50 and 54, each of the pin fins 642 can be integrally formed with the base plate 602. In other aspects, each of the pin fins 642 can be attached to the base plate 602 by welding, adhesive, soldering, brazing or the like. In one aspect, each of the pin fins 642 can include a base 644 connected to the base plate 602.

一態様では、ベースプレート602と同じ材料からピンフィン642を形成することができる。一態様では、重量を節減するために、ベースプレート602と同じ材料からピンフィン642を形成することができる。一態様では、ベースプレート602の材料とは異なる材料からピンフィン642を形成することができる。一態様では、金属材料からピンフィン642を形成することができる。一態様では、ピンフィン642が銅を含むことができる。一態様では、ピンフィン642を、銅で形成されたものとすることができる。 In one aspect, the pin fins 642 can be formed from the same material as the base plate 602. In one aspect, the pin fins 642 can be formed from the same material as the base plate 602 to save weight. In one aspect, the pin fins 642 can be formed from a material different than the material of the base plate 602. In one aspect, the pin fins 642 can be formed from a metallic material. In one aspect, the pin fins 642 can include copper. In one aspect, the pin fins 642 can be formed of copper.

一態様では、ピンフィン642がそれぞれ、基部644から延びる1つまたは複数の表面646を含むことができる。一態様では、ピンフィン642がそれぞれ、終端面(terminating surface)648を有することができる。一態様では、終端面を、平面、輪郭(contoured)面、非平面、尖った表面、湾曲した表面、または他の同種の表面とすることができる。一態様では、1つまたは複数の表面646が終端面648まで延びるにつれて、1つまたは複数の表面646が次第に狭くなってもよい。一態様では、1つまたは複数の表面646が終端面648まで延びるときに、1つまたは複数の表面646が、ベースプレート602の表面に対して垂直であってもよい。 In one aspect, each of the pin fins 642 can include one or more surfaces 646 extending from the base 644. In one aspect, each of the pin fins 642 can have a terminating surface 648. In one aspect, the terminating surface can be flat, contoured, non-flat, pointed, curved, or other similar surfaces. In one aspect, the one or more surfaces 646 can narrow as they extend to the terminating surface 648. In one aspect, the one or more surfaces 646 can be perpendicular to the surface of the base plate 602 as they extend to the terminating surface 648.

一態様では、ピンフィン642がそれぞれ、ベースプレート602の表面に対して平行な平面に関する断面形状を有することができる。この点に関して、ピンフィン642は、正方形断面形状、長方形断面形状、円形断面形状、輪郭断面形状、楕円形断面形状、(1つもしくは複数の軸に沿って)対称の断面形状、(1つもしくは複数の軸に沿って)非対称の断面形状、エーロフォイル(airfoil)形断面形状、翼(wing)形断面形状、または他の同種の断面形状を有することができる。さらに、ピンフィン642は、上記の形状のうちの第1の形状、上記の複数の形状、または他の同種の形状を有することができる。しかしながら、ピンフィン642は、パワーモジュール100のベースプレート602上の任意の形状の構造体によって実施することができる。 In one aspect, the pin fins 642 may each have a cross-sectional shape with respect to a plane parallel to the surface of the base plate 602. In this regard, the pin fins 642 may have a square cross-sectional shape, a rectangular cross-sectional shape, a circular cross-sectional shape, a contoured cross-sectional shape, an elliptical cross-sectional shape, a symmetrical cross-sectional shape (along one or more axes), an asymmetrical cross-sectional shape (along one or more axes), an airfoil-shaped cross-sectional shape, a wing-shaped cross-sectional shape, or other similar cross-sectional shapes. Furthermore, the pin fins 642 may have a first of the above shapes, a plurality of the above shapes, or other similar shapes. However, the pin fins 642 may be implemented by any shaped structure on the base plate 602 of the power module 100.

一態様では、終端面648が、ベースプレート602の表面に対して平行な平面に関する断面形状を有することができる。この点に関して、終端面648は、正方形断面形状、長方形断面形状、円形断面形状、輪郭断面形状、楕円形断面形状、(1つもしくは複数の軸に沿って)対称の断面形状、(1つもしくは複数の軸に沿って)非対称の断面形状、エーロフォイル形断面形状、翼形断面形状、または他の同種の断面形状を有することができる。 In one aspect, the termination surface 648 can have a cross-sectional shape relative to a plane parallel to the surface of the base plate 602. In this regard, the termination surface 648 can have a square cross-sectional shape, a rectangular cross-sectional shape, a circular cross-sectional shape, a contoured cross-sectional shape, an elliptical cross-sectional shape, a symmetrical cross-sectional shape (along one or more axes), an asymmetrical cross-sectional shape (along one or more axes), an airfoil-shaped cross-sectional shape, an airfoil-shaped cross-sectional shape, or other similar cross-sectional shape.

一態様では、基部644が、ベースプレート602の表面に対して平行な平面に関する断面形状を有することができる。この点に関して、基部644は、正方形断面形状、長方形断面形状、円形断面形状、輪郭断面形状、楕円形断面形状、(1つもしくは複数の軸に沿って)対称の断面形状、(1つもしくは複数の軸に沿って)非対称の断面形状、エーロフォイル形断面形状、翼形断面形状、または他の同種の断面形状を有することができる。 In one aspect, the base 644 can have a cross-sectional shape relative to a plane parallel to a surface of the base plate 602. In this regard, the base 644 can have a square cross-sectional shape, a rectangular cross-sectional shape, a circular cross-sectional shape, a contoured cross-sectional shape, an elliptical cross-sectional shape, a symmetrical cross-sectional shape (along one or more axes), an asymmetrical cross-sectional shape (along one or more axes), an airfoil-shaped cross-sectional shape, an airfoil-shaped cross-sectional shape, or other similar cross-sectional shape.

一態様では、基部644が、終端面648の断面形状と同じ断面形状を有することができる。一態様では、基部644が、終端面648と同じ断面形状およびサイズを有することができる。一態様では、基部644が、終端面648と同じ断面形状、および異なるサイズを有することができる。一態様では、基部644が、終端面648の断面形状とは異なる断面形状を有することができる。 In one aspect, the base 644 can have the same cross-sectional shape as the cross-sectional shape of the end surface 648. In one aspect, the base 644 can have the same cross-sectional shape and size as the end surface 648. In one aspect, the base 644 can have the same cross-sectional shape as the end surface 648, but a different size. In one aspect, the base 644 can have a cross-sectional shape that is different from the cross-sectional shape of the end surface 648.

一態様では、ピンフィン642を、機械加工、鍛造、成形、スタンピング、変形および他の同種の操作を含む、図面に示されたピンフィン642のフィンパターンを形成するための1つまたは複数の操作を利用して形成されたものとすることができ、また、ピンフィン642を、溶接、接着剤、はんだ付け、ろう付けまたは他の同種のものを使用して取り付けられたものとすることもできる。しかしながら、ピンフィン642は、ベースプレート602上にフィン表面およびピン表面を生成するための当業者に知られている任意の製造方法および/または製造技術を利用して形成されたものとすることができる。 In one aspect, the pin fins 642 may be formed using one or more operations to form the fin pattern of the pin fins 642 shown in the drawings, including machining, forging, forming, stamping, deformation, and other like operations, and the pin fins 642 may also be attached using welding, adhesives, soldering, brazing, or the like. However, the pin fins 642 may be formed using any manufacturing method and/or technique known to one of ordinary skill in the art for producing fin and pin surfaces on the base plate 602.

図46を参照すると、一態様では、ベースプレート602の表面に対して平行に規定された、基部644に沿ったピンフィン642の直径または長さLを、1mm~8mm、1mm~2mm、2mm~3mm、3mm~4mm、4mm~5mm、5mm~6mm、6mm~7mmまたは7mm~8mmとすることができる。これらの寸法は、本明細書に開示されたピンフィン642の全ての構成に対して等しく適用可能であることがある。 Referring to FIG. 46, in one aspect, the diameter or length L of the pin fin 642 along the base 644, defined parallel to the surface of the base plate 602, can be 1 mm to 8 mm, 1 mm to 2 mm, 2 mm to 3 mm, 3 mm to 4 mm, 4 mm to 5 mm, 5 mm to 6 mm, 6 mm to 7 mm, or 7 mm to 8 mm. These dimensions may be equally applicable to all configurations of the pin fin 642 disclosed herein.

図46を参照すると、一態様では、ベースプレート602の表面に対して垂直に規定された、基部644から終端面648までのピンフィン642の高さHを、1mm~12mm、2mm~10mm、4mm~8mm、1mm~2mm、2mm~3mm、3mm~4mm、4mm~5mm、5mm~6mm、6mm~7mm、7mm~8mm、8mm~9mm、9mm~10mm、10mm~11mmまたは11mm~12mmとすることができる。これらの寸法は、本明細書に開示されたピンフィン642の全ての構成に対して等しく適用可能であることがある。 46, in one aspect, the height H of the pin fin 642 from the base 644 to the end surface 648, defined perpendicular to the surface of the base plate 602, can be 1 mm to 12 mm, 2 mm to 10 mm, 4 mm to 8 mm, 1 mm to 2 mm, 2 mm to 3 mm, 3 mm to 4 mm, 4 mm to 5 mm, 5 mm to 6 mm, 6 mm to 7 mm, 7 mm to 8 mm, 8 mm to 9 mm, 9 mm to 10 mm, 10 mm to 11 mm, or 11 mm to 12 mm. These dimensions may be equally applicable to all configurations of the pin fin 642 disclosed herein.

図46を参照すると、一態様では、ピンフィン642のピン間間隔Sを、隣り合うピンフィン642の、ベースプレート602に対して垂直な中心軸によって規定することができ、間隔Sを、2mm~12mm、4mm~10mm、2mm~3mm、3mm~4mm、4mm~5mm、5mm~6mm、6mm~7mm、7mm~8mm、8mm~9mm、9mm~10mm、10mm~11mmまたは11mm~12mmとすることができる。これらの寸法は、本明細書に開示されたピンフィン642の全ての構成に対して等しく適用可能であることがある。 Referring to FIG. 46, in one aspect, the inter-pin spacing S of the pin fins 642 can be defined by the central axis of adjacent pin fins 642 perpendicular to the base plate 602, and the spacing S can be 2 mm to 12 mm, 4 mm to 10 mm, 2 mm to 3 mm, 3 mm to 4 mm, 4 mm to 5 mm, 5 mm to 6 mm, 6 mm to 7 mm, 7 mm to 8 mm, 8 mm to 9 mm, 9 mm to 10 mm, 10 mm to 11 mm, or 11 mm to 12 mm. These dimensions may be equally applicable to all configurations of pin fins 642 disclosed herein.

図43は、本開示の一態様によるパワーモジュールの透視下面図、図44は、図43によるパワーモジュールの側面図、図45は、図43によるパワーモジュールの下面図、図46は、図43によるパワーモジュールの部分透視下面図を示している。 Figure 43 shows a perspective bottom view of a power module according to one embodiment of the present disclosure, Figure 44 shows a side view of the power module according to Figure 43, Figure 45 shows a bottom view of the power module according to Figure 43, and Figure 46 shows a partial perspective bottom view of the power module according to Figure 43.

図43~46を参照すると、ピンフィン642はそれぞれ、基部644から延びる1つまたは複数の表面646を含むことができる。一態様では、ピンフィン642が終端面648を有することができる。一態様では、終端面を、輪郭面、非平面、または他の同種の表面とすることができる。一態様では、1つまたは複数の表面646が終端面648まで延びるにつれて、1つまたは複数の表面646が次第に狭くなってもよい。 With reference to FIGS. 43-46, each pin fin 642 can include one or more surfaces 646 extending from a base 644. In one aspect, the pin fin 642 can have a termination surface 648. In one aspect, the termination surface can be a contoured surface, a non-planar surface, or other similar surface. In one aspect, the one or more surfaces 646 can taper off as they extend to the termination surface 648.

一態様では、終端面648が、ベースプレート602の表面に対して平行な平面に関する断面形状を有することができる。この点に関して、終端面648は、非対称断面形状、エーロフォイル形断面形状、翼形断面形状、または他の同種の断面形状を有することができる。 In one aspect, the termination surface 648 may have a cross-sectional shape relative to a plane parallel to a surface of the base plate 602. In this regard, the termination surface 648 may have an asymmetric cross-sectional shape, an airfoil cross-sectional shape, an airfoil cross-sectional shape, or other similar cross-sectional shape.

一態様では、基部644が、ベースプレート602の表面に対して平行な平面に関する断面形状を有することができる。この点に関して、基部644は、正方形断面形状、長方形断面形状、または他の同種の断面形状を有することができる。 In one aspect, the base 644 can have a cross-sectional shape relative to a plane parallel to a surface of the base plate 602. In this regard, the base 644 can have a square cross-sectional shape, a rectangular cross-sectional shape, or other similar cross-sectional shape.

一態様では、複数のピンフィン642が、軸654に対して平行な流路を形成していてもよい。一態様では、複数のピンフィン642が、軸656に対して平行な流路を形成していてもよい。 In one embodiment, the pin fins 642 may form a flow path parallel to the axis 654. In one embodiment, the pin fins 642 may form a flow path parallel to the axis 656.

図47は、本開示の一態様によるパワーモジュールの透視下面図、図48は、図47によるパワーモジュールの側面図、図49は、図47によるパワーモジュールの下面図、図50は、図47によるパワーモジュールの部分透視下面図を示している。 Figure 47 shows a perspective bottom view of a power module according to one embodiment of the present disclosure, Figure 48 shows a side view of the power module according to Figure 47, Figure 49 shows a bottom view of the power module according to Figure 47, and Figure 50 shows a partial perspective bottom view of the power module according to Figure 47.

図47~50を参照すると、ピンフィン642はそれぞれ、基部644から延びる1つまたは複数の表面646を含むことができる。一態様では、ピンフィン642がそれぞれ終端面648を有することができる。一態様では、終端面を、平面または他の同種の表面とすることができる。一態様では、1つまたは複数の表面646が終端面648まで延びるにつれて、1つまたは複数の表面646が次第に狭くなってもよい。 With reference to FIGS. 47-50, each pin fin 642 can include one or more surfaces 646 extending from a base 644. In one aspect, each pin fin 642 can have a terminal surface 648. In one aspect, the terminal surface can be a flat surface or other similar surface. In one aspect, the one or more surfaces 646 can taper as they extend to the terminal surface 648.

一態様では、終端面648が、ベースプレート602の表面に対して平行な平面に関する断面形状を有することができる。この点に関して、終端面648は、円形断面形状、輪郭断面形状、楕円形断面形状、対称断面形状、または他の同種の断面形状を有することができる。 In one aspect, the termination surface 648 can have a cross-sectional shape relative to a plane parallel to the surface of the base plate 602. In this regard, the termination surface 648 can have a circular cross-sectional shape, a contoured cross-sectional shape, an elliptical cross-sectional shape, a symmetrical cross-sectional shape, or other similar cross-sectional shape.

一態様では、基部644が、ベースプレート602の表面に対して平行な平面に関する断面形状を有することができる。この点に関して、基部644は、円形断面形状、輪郭断面形状、楕円形断面形状、対称断面形状、または他の同種の断面形状を有することができる。 In one aspect, the base 644 can have a cross-sectional shape relative to a plane parallel to a surface of the base plate 602. In this regard, the base 644 can have a circular cross-sectional shape, a contoured cross-sectional shape, an elliptical cross-sectional shape, a symmetrical cross-sectional shape, or other similar cross-sectional shape.

一態様では、基部644が、終端面648の断面形状と同じ断面形状を有することができる。一態様では、基部644が、終端面648と同じ断面形状、および異なるサイズを有することができる。 In one aspect, the base 644 can have the same cross-sectional shape as the end face 648. In one aspect, the base 644 can have the same cross-sectional shape as the end face 648, but a different size.

一態様では、複数のピンフィン642が、軸654に対して平行な流路を形成していてもよい。一態様では、複数のピンフィン642が、軸656に対して平行な流路を形成していてもよい。一態様では、隣り合うピンフィン642の基部644が、一点に集まっていてもよく、接合していてもよく、接続していてもよく、接していてもよく、または他の同種の位置にあってよい。 In one aspect, multiple pin fins 642 may form flow paths parallel to axis 654. In one aspect, multiple pin fins 642 may form flow paths parallel to axis 656. In one aspect, bases 644 of adjacent pin fins 642 may be confluent, joined, connected, abutting, or in other similar locations.

図51は、本開示の一態様によるパワーモジュールの透視下面図、図52は、図51によるパワーモジュールの側面図、図53は、図51によるパワーモジュールの下面図、図54は、図51によるパワーモジュールの部分透視下面図を示している。 Figure 51 shows a perspective bottom view of a power module according to one embodiment of the present disclosure, Figure 52 shows a side view of the power module according to Figure 51, Figure 53 shows a bottom view of the power module according to Figure 51, and Figure 54 shows a partial perspective bottom view of the power module according to Figure 51.

図51~54を参照すると、ピンフィン642はそれぞれ、基部644から延びる1つまたは複数の表面646を含むことができる。一態様では、ピンフィン642がそれぞれ終端面648を有することができる。一態様では、終端面を、平面または他の同種の表面とすることができる。一態様では、1つまたは複数の表面646が終端面648まで延びるにつれて、1つまたは複数の表面646が次第に狭くなってもよい。 With reference to FIGS. 51-54, each pin fin 642 can include one or more surfaces 646 extending from a base 644. In one aspect, each pin fin 642 can have a terminal surface 648. In one aspect, the terminal surface can be a flat surface or other similar surface. In one aspect, the one or more surfaces 646 can taper as they extend to the terminal surface 648.

一態様では、終端面648が、ベースプレート602の表面に対して平行な平面に関する断面形状を有することができる。この点に関して、終端面648は、正方形断面形状、長方形断面形状、対称断面形状、または他の同種の断面形状を有することができる。 In one aspect, the termination surface 648 can have a cross-sectional shape relative to a plane parallel to a surface of the base plate 602. In this regard, the termination surface 648 can have a square cross-sectional shape, a rectangular cross-sectional shape, a symmetrical cross-sectional shape, or other similar cross-sectional shape.

一態様では、基部644が、ベースプレート602の表面に対して平行な平面に関する断面形状を有することができる。この点に関して、基部644は、正方形断面形状、長方形断面形状、対称断面形状、または他の同種の断面形状を有することができる。 In one aspect, the base 644 can have a cross-sectional shape relative to a plane parallel to a surface of the base plate 602. In this regard, the base 644 can have a square cross-sectional shape, a rectangular cross-sectional shape, a symmetrical cross-sectional shape, or other similar cross-sectional shape.

一態様では、基部644が、終端面648の断面形状と同じ断面形状を有することができる。一態様では、基部644が、終端面648と同じ断面形状、および異なるサイズを有することができる。 In one aspect, the base 644 can have the same cross-sectional shape as the end face 648. In one aspect, the base 644 can have the same cross-sectional shape as the end face 648, but a different size.

一態様では、複数のピンフィン642が、軸654に対して平行な流路を形成していてもよい。一態様では、複数のピンフィン642が、軸656に対して平行な流路を形成していてもよい。 In one embodiment, the pin fins 642 may form a flow path parallel to the axis 654. In one embodiment, the pin fins 642 may form a flow path parallel to the axis 656.

図55は、本開示の一態様によるパワーモジュールの透視下面図、図56は、図55によるパワーモジュールの側面図、図57は、図55によるパワーモジュールの下面図を示している。 Figure 55 shows a perspective bottom view of a power module according to one embodiment of the present disclosure, Figure 56 shows a side view of the power module according to Figure 55, and Figure 57 shows a bottom view of the power module according to Figure 55.

図55~57を参照すると、ピンフィン642はそれぞれ、基部644から延びる1つまたは複数の表面646を含むことができる。一態様では、ピンフィン642がそれぞれ終端面648を有することができる。一態様では、終端面を、平面または他の同種の表面とすることができる。一態様では、1つまたは複数の表面646が終端面648まで延びるにつれて、1つまたは複数の表面646が次第に狭くなってもよい。 With reference to FIGS. 55-57, each pin fin 642 can include one or more surfaces 646 extending from a base 644. In one aspect, each pin fin 642 can have a terminal surface 648. In one aspect, the terminal surface can be a flat surface or other similar surface. In one aspect, the one or more surfaces 646 can taper as they extend to the terminal surface 648.

一態様では、終端面648が、ベースプレート602の表面に対して平行な平面に関する断面形状を有することができる。この点に関して、終端面648は、正方形断面形状、長方形断面形状、対称断面形状、または他の同種の断面形状を有することができる。 In one aspect, the termination surface 648 can have a cross-sectional shape relative to a plane parallel to a surface of the base plate 602. In this regard, the termination surface 648 can have a square cross-sectional shape, a rectangular cross-sectional shape, a symmetrical cross-sectional shape, or other similar cross-sectional shape.

一態様では、基部644が、ベースプレート602の表面に対して平行な平面に関する断面形状を有することができる。この点に関して、基部644は、正方形断面形状、長方形断面形状、対称断面形状、または他の同種の断面形状を有することができる。 In one aspect, the base 644 can have a cross-sectional shape relative to a plane parallel to a surface of the base plate 602. In this regard, the base 644 can have a square cross-sectional shape, a rectangular cross-sectional shape, a symmetrical cross-sectional shape, or other similar cross-sectional shape.

一態様では、基部644が、終端面648の断面形状と同じ断面形状を有することができる。一態様では、基部644が、終端面648と同じ断面形状およびサイズを有することができる。 In one aspect, the base 644 can have the same cross-sectional shape as the cross-sectional shape of the end surface 648. In one aspect, the base 644 can have the same cross-sectional shape and size as the end surface 648.

一態様では、複数のピンフィン642が、軸654に対してジグザグの流路または軸654に対して斜めの流路を形成していてもよい。一態様では、複数のピンフィン642が、軸656に対してジグザグの流路または軸656に対して斜めの流路を形成していてもよい。 In one embodiment, the pin fins 642 may form a zigzag flow path with respect to the axis 654 or a flow path oblique to the axis 654. In one embodiment, the pin fins 642 may form a zigzag flow path with respect to the axis 656 or a flow path oblique to the axis 656.

図58は、本開示の一態様によるパワーモジュール実施態様の透視図を示している。 Figure 58 shows a perspective view of a power module embodiment according to one aspect of the present disclosure.

図58を参照すると、ピンフィン642を用いた直接冷却を実施するパワーモジュール100は、コールドプレート902上および/またはコールドプレート902内に置くことができる。具体的には、図58は、開示されているピンフィン642を用いた直接冷却を実施するパワーモジュール100のうちの1つのパワーモジュール100を示している。この点に関して、図58の実施態様は、開示されているピンフィン642を用いた直接冷却を実施するパワーモジュール100のうちの1つのパワーモジュール100、複数のパワーモジュール100、または全てのパワーモジュール100を含むことができる。一態様では、コールドプレート902の両面にパワーモジュール100を置くことができる。この点に関して、コールドプレート902の両面に配置されたパワーモジュール100は、電力密度を最大化すること、複雑さを低減させること、および/または他の同種のことを達成することができる。一態様では、コールドプレート902の片面にパワーモジュール100を置くことができる。これにより、ピンフィン642、コールドプレート902および他の同種のものを利用して、パワーモジュール100を直接に冷却することができる。本明細書にさらに記載されているとおり、直接冷却されたパワーモジュール100は、かなり高い熱的性能を示すことができる。 With reference to FIG. 58, the power module 100 implementing direct cooling using pin fins 642 can be placed on and/or within the cold plate 902. Specifically, FIG. 58 illustrates one of the power modules 100 implementing direct cooling using pin fins 642 as disclosed. In this regard, the embodiment of FIG. 58 can include one, multiple, or all of the power modules 100 implementing direct cooling using pin fins 642 as disclosed. In one aspect, the power modules 100 can be placed on both sides of the cold plate 902. In this regard, the power modules 100 placed on both sides of the cold plate 902 can maximize power density, reduce complexity, and/or the like. In one aspect, the power modules 100 can be placed on one side of the cold plate 902. This allows the power modules 100 to be directly cooled using the pin fins 642, the cold plate 902, and the like. As described further herein, the directly cooled power module 100 can exhibit significantly higher thermal performance.

一態様では、コールドプレート902が、所望のトポロジに応じてコールドプレート902の頂面およびコールドプレート902の底面に一列に配置された任意の数のパワーモジュール100を収容することができる。一態様では、コールドプレート902が、所望のトポロジに応じてコールドプレート902の片面に一列に配置された任意の数のパワーモジュール100を収容することができる。この点に関して、パワーモジュール100の数に合わせるために、コールドプレート902を長くまたは短くすることができる。 In one aspect, the cold plate 902 can accommodate any number of power modules 100 arranged in a row on the top side of the cold plate 902 and on the bottom side of the cold plate 902 depending on the desired topology. In one aspect, the cold plate 902 can accommodate any number of power modules 100 arranged in a row on one side of the cold plate 902 depending on the desired topology. In this regard, the cold plate 902 can be made longer or shorter to accommodate the number of power modules 100.

図58にさらに示されているように、パワーモジュール100とコールドプレート902の間にシール908を配置することができる。シール908は、Oリング、ガスケットおよび/または他の同種のものとすることができる。いくつかの態様では、シール908を、エポキシ樹脂、RTVシリコーン(室温加硫シリコーン)、同種のシーリング材料、および/または他の同種のものとすることができる。他の態様では、シール908を、ベースプレート602をコールドプレート902に直接に溶接し、ろう付けし、または他の同種の手法で直接に付着させることによって形成されたものとすることができる。 As further shown in FIG. 58, a seal 908 can be disposed between the power module 100 and the cold plate 902. The seal 908 can be an O-ring, a gasket, and/or the like. In some aspects, the seal 908 can be an epoxy, RTV silicone, a sealing material of the like, and/or the like. In other aspects, the seal 908 can be formed by directly welding, brazing, or attaching the base plate 602 directly to the cold plate 902.

一態様では、コールドプレート902が流体接続管3516を有することができ、流体接続管3516は、コールドプレート902に関連した冷却目的で冷却流体源を受け取るように構成され、かつ/またはコールドプレート902に関連した冷却目的で冷却流体を送達するように構成されたものとすることができる。一態様では、流体接続管3516が、ねじ付きフィッティング(threaded fitting)、フランジ付き(flanged)フィッティング、クイックコネクト(quick connect)フィッティング、ホースバーブ(hose barb)フィッティング、はんだ管(soldered tube)、溶接(welded)管、および他の同種のものを含むことができる。一態様では、コールドプレート902が、入口ポート、出口ポート、流体流路および/または他の同種のものを有することができ、これらは、パワーモジュール100に流体流れを均一に分配するように構成されたものとすることができる。インバータ、コンバータまたは他の同種のものなどの用途においてコールドプレート902アセンブリ自体を別の構造体に装着するために、コールドプレート902はさらに、パワーモジュール100を装着し、シールするための他の考慮も含むことができる。 In one aspect, the cold plate 902 can have a fluid connection 3516 configured to receive a cooling fluid source for cooling purposes associated with the cold plate 902 and/or configured to deliver a cooling fluid for cooling purposes associated with the cold plate 902. In one aspect, the fluid connection 3516 can include threaded fittings, flanged fittings, quick connect fittings, hose barb fittings, soldered tubes, welded tubes, and the like. In one aspect, the cold plate 902 can have inlet ports, outlet ports, fluid flow paths, and/or the like configured to distribute fluid flow evenly to the power modules 100. The cold plate 902 may further include other considerations for mounting and sealing the power module 100, such as for mounting the cold plate 902 assembly itself to another structure in applications such as inverters, converters, or the like.

一態様では、図43~58のパワーモジュール100を、用途に挿入すること、用途とともに実施すること、用途とともに構成すること、または他の同種のことを実施することができる。この用途は、図43~58のパワーモジュール100を実施するシステムであってもよい。この用途は、電力システム、モータシステム、自動車モータシステム、充電システム、自動車充電システム、車両システム、産業用モータドライブ、埋込みモータドライブ、無停電電源、AC-DC電源、溶接機電源、軍用システム、インバータ、風力タービン用、ソーラーパワーパネル用、潮力発電所用および電気自動車(EV)用のインバータ、コンバータ、ならびに他の同種のものであってもよい。 In one aspect, the power module 100 of FIGS. 43-58 can be inserted into, implemented with, configured with, or the like. The application can be a system implementing the power module 100 of FIGS. 43-58. The application can be a power system, a motor system, an automotive motor system, a charging system, an automotive charging system, a vehicle system, an industrial motor drive, an embedded motor drive, an uninterruptible power supply, an AC-DC power supply, a welding machine power supply, a military system, an inverter, an inverter for a wind turbine, for a solar power panel, for a tidal power plant, and for an electric vehicle (EV), a converter, and the like.

図59は、本開示の一態様によるパワーモジュール実施態様の透視図を示している。 Figure 59 shows a perspective view of a power module embodiment according to one aspect of the present disclosure.

具体的には、図59は、3相インバータとして実施することができるインバータ990を示している。諸態様において、インバータ990を、2つの別個の3相インバータとして、1つの3相インバータとして、1つのフルブリッジとして、1つのハーフブリッジとして、および/または他の同種のものとして構成することができる。一態様では、インバータ990を、6つの専用ハーフブリッジを含むように構成することができる。一態様では、上記の構成を、インバータ990の外側の接続を含むように構築および配置することができる。一態様では、上記の構成が、パワーモジュール100の異なるバージョンおよび/または他のアセンブリ構成要素を含むことができる。しかしながら、図59に関して本明細書に記載されたさまざまな特徴は、本明細書に記載された用途のうちの任意の用途で実施することができる。図59をさらに参照すると、インバータ990は、本明細書に詳細に説明された相出力930、センサ980、キャパシタ102、コールドプレート902、流体接続管3516、PCB936、バスバー900および他の同種のものを含むことができる。 59 illustrates an inverter 990 that may be implemented as a three-phase inverter. In aspects, the inverter 990 may be configured as two separate three-phase inverters, as one three-phase inverter, as one full bridge, as one half bridge, and/or the like. In one aspect, the inverter 990 may be configured to include six dedicated half bridges. In one aspect, the above configurations may be constructed and arranged to include connections outside the inverter 990. In one aspect, the above configurations may include different versions of the power module 100 and/or other assembly components. However, the various features described herein with respect to FIG. 59 may be implemented in any of the applications described herein. With further reference to FIG. 59, the inverter 990 may include the phase outputs 930, sensors 980, capacitors 102, cold plates 902, fluid connection tubes 3516, PCBs 936, bus bars 900, and the like, as described in detail herein.

一態様では、相出力930を、スタンピング、レーザカットまたは他の同種の技法によって形成されたものとすることができる。一態様では、相出力930を、金属で形成されたものとすることができ、この金属は、銅を含んでいてもよく、銅であってもよく、かつ/または他の金属を含んでいてもよい。一態様では、相出力930が、サイズを最適化するために、屈曲部を含むことができる。一態様では、相出力930が、サイズを最適化するために、L字形の屈曲部を含むことができる。一態様では、相出力930が、サイズを最適化するために、90°の屈曲部を含むことができる。一態様では、相出力930が、筺体装着、ひずみ逃がしおよび他の同種のことのために、ねじ穴を含むことができる。 In one aspect, the phase output 930 can be formed by stamping, laser cutting, or the like. In one aspect, the phase output 930 can be formed of a metal, which may include copper, may be copper, and/or may include other metals. In one aspect, the phase output 930 can include bends to optimize size. In one aspect, the phase output 930 can include L-shaped bends to optimize size. In one aspect, the phase output 930 can include 90 degree bends to optimize size. In one aspect, the phase output 930 can include threaded holes for housing mounting, strain relief, and the like.

一態様では、センサ980が、相出力930のそれぞれの出力端子に対して電流感知を含むことができる。一態様では、信号品質および他の同種のものに対処するために、センサ980を、閉ループシステムとともに動作するように構成することができる。他の態様では、コストおよびサイズを低減させるために、インバータ990が開ループで動作することができる。 In one aspect, the sensor 980 can include current sensing for each output terminal of the phase output 930. In one aspect, the sensor 980 can be configured to operate with a closed loop system to address signal quality and the like. In another aspect, the inverter 990 can operate in an open loop to reduce cost and size.

一態様では、信号調整用のPCB936を実施することができる。一態様では、相互接続用のPCB936を実施することができる。一態様では、信号調整および相互接続用のPCB936を実施することができる。 In one aspect, a PCB 936 for signal conditioning can be implemented. In one aspect, a PCB 936 for interconnection can be implemented. In one aspect, a PCB 936 for signal conditioning and interconnection can be implemented.

一態様では、より良好な空間使用を可能にするために、キャパシタ102を、長方形ブロックとして構成することができる。一態様では、統合されたバスバー900とともに、パワーモジュール100を本明細書に記載されているようにキャパシタ102に接続するよう、キャパシタ102を構成することができる。一態様では、キャパシタ102をポリプロピレン膜キャパシタとすることができる。 In one aspect, the capacitor 102 can be configured as a rectangular block to allow for better space utilization. In one aspect, the capacitor 102 can be configured with an integrated bus bar 900 to connect the power module 100 to the capacitor 102 as described herein. In one aspect, the capacitor 102 can be a polypropylene film capacitor.

図60は、図59によるパワーモジュール実施態様の透視図を示している。 Figure 60 shows a perspective view of a power module embodiment according to Figure 59.

図60はさらに、インバータ990を、多数のハウジング構成要素992とともに示している。一態様では、多数のハウジング構成要素992が、金属薄板部分、通気口984、粉末塗装、EMI対策の中実の前面および溶接された縁、スナップインカバー988、合成材料部分、プラスチック材料部分、ハンドル986、接地部分、スタンドオフ、冷却ポート開口、エンボス加工された端子マーキング、コントローラなどの構成要素を表示するための窓、ならびに他の同種のものを含むことができる。 60 further illustrates the inverter 990 with a number of housing components 992. In one aspect, the number of housing components 992 can include sheet metal sections, vents 984, powder coating, a solid front and welded edges for EMI, snap-in covers 988, synthetic material sections, plastic material sections, handles 986, grounding sections, standoffs, cooling port openings, embossed terminal markings, windows for viewing components such as the controller, and the like.

一態様では、スナップインカバー988が、プラスチックなどの合成材料を含むことができる。一態様では、スナップインカバー988を成形品とすることができる。一態様では、接続を容易にするために、スナップインカバー988がキャプティブファスナ部分を含むことができる。例えば、スナップインカバー988は、接続を容易にするためにキャプティブ六角のナットを含むことができる。一態様では、インバータ990が、相出力930およびスナップインカバー988のさまざまな置換物および/または構成を含むことができ、これらの構成を、インバータ990に組み込むことができる。 In one aspect, the snap-in cover 988 can include a synthetic material, such as plastic. In one aspect, the snap-in cover 988 can be a molded part. In one aspect, the snap-in cover 988 can include a captive fastener portion to facilitate connection. For example, the snap-in cover 988 can include a captive hex nut to facilitate connection. In one aspect, the inverter 990 can include various permutations and/or configurations of the phase outputs 930 and the snap-in cover 988, which can be incorporated into the inverter 990.

図61は、2つの異なるパワーモジュールについて、接合部温度を出力電流に対してプロットしたグラフを示している。 Figure 61 shows a graph plotting junction temperature against output current for two different power modules.

図61を参照する。パワーモジュールの2つのバージョンを試験した。パワーモジュールの第1のバージョンは、最大ケース温度定格125℃(摂氏)の1200Vハーフブリッジパワーモジュールとして実施した。このパワーモジュールのドレイン-ソースオン状態抵抗は、最大接合部温度175℃において4.6mΩ(ミリオーム)であった。このパワーモジュールは、平面銅ベースプレート装着面を有するように実施された。 See Figure 61. Two versions of the power module were tested. The first version of the power module was implemented as a 1200V half-bridge power module with a maximum case temperature rating of 125°C (Celsius). The drain-source on-state resistance of this power module was 4.6mΩ (milliohms) at a maximum junction temperature of 175°C. This power module was implemented with a planar copper baseplate mounting surface.

パワーモジュールの第2のバージョンは、同じパワーデバイス302を利用し、図43~58および関連説明を参照して本明細書に開示されているようにベースプレート602上にピンフィン642が配置された直接冷却式の銅ピンフィンベースプレートを実施した。 A second version of the power module utilized the same power devices 302 and implemented a direct-cooled copper pin fin base plate with pin fins 642 disposed on the base plate 602 as disclosed herein with reference to Figures 43-58 and associated description.

パワーモジュールの平面ベースプレートバージョンでは、熱経路の空隙を埋めるために、パワーモジュールとヒートシンクまたはコールドプレートとの間に熱界面材料(TIM)を適用する必要があった。このTIMの効果は、パワーモジュールケースとコールドプレートとの間に追加の熱インピーダンスを提供した。直接冷却式のパワーモジュールは、図43~58および関連説明を参照して本明細書に開示されたピンフィン642を含み、冷却材と直接に接触するように設計されており、このことはTIMの必要性を否定した。 Planar baseplate versions of power modules required the application of a thermal interface material (TIM) between the power module and the heat sink or cold plate to fill the thermal path voids. The effect of this TIM was to provide additional thermal impedance between the power module case and the cold plate. Directly cooled power modules include pin fins 642 as disclosed herein with reference to Figures 43-58 and related description, and are designed to be in direct contact with the coolant, which negates the need for a TIM.

その結果、図43~58および関連説明を参照して本明細書に開示された直接冷却式のパワーモジュールを使用したときには、平面ベースプレートパワーモジュールに比べて、熱インピーダンスが低減した。パワーモジュールの平面ベースプレートバージョンについては、この試験を、冷却材温度25℃の特注の微小変形(micro deformation)液体冷却式コールドプレートおよび高性能TIMを使用して実行した。最大電力散逸は、1スイッチ位置当たり750Wと測定された。 As a result, the thermal impedance was reduced when using the direct-cooled power module disclosed herein with reference to Figures 43-58 and related description, as compared to the planar baseplate power module. For the planar baseplate version of the power module, the testing was performed using a custom micro deformation liquid-cooled cold plate with a coolant temperature of 25°C and high performance TIMs. Maximum power dissipation was measured at 750W per switch position.

図43~58および関連説明を参照して本明細書に開示されたパワーモジュールの直接冷却バージョンについては、この試験を、内部冷却材チャネルおよび機械加工された空洞を有するコールドプレート902と、漏れを防ぐためのガスケットシールとを使用して実行した。 機械加工された空洞は、内側に着座したベースプレート602を含み、冷却材がピンフィン642の間を通り抜けることを可能にする。最大電力散逸は、1スイッチ位置当たり1000Wと測定された。両方の試験に関して、接合部温度を、サーマルカメラおよびバーチャルジャンクション技法(virtual junction technique)を用いてモニタリングした。 For the direct-cooled version of the power module disclosed herein with reference to Figures 43-58 and related description, this test was performed using a cold plate 902 with internal coolant channels and machined cavities, with gasket seals to prevent leakage. The machined cavities include the base plate 602 seated inside, allowing the coolant to pass between the pin fins 642. Maximum power dissipation was measured at 1000W per switch position. For both tests, junction temperatures were monitored using a thermal camera and virtual junction techniques.

図43~58および関連説明を参照して本明細書に開示されたシステムレベルにおける直接冷却式パワーモジュール100の性能上の利点を示すため、3相インバータ内にこれらのパワーモジュールを取り付け、用途条件下で試験した。800VのDCバス、20kHzのスイッチング周波数、3相負荷、および25℃の一定の冷却材温度を使用して。 To demonstrate the performance advantages of the direct-cooled power modules 100 at a system level as disclosed herein with reference to Figures 43-58 and related description, these power modules were installed in a three-phase inverter and tested under application conditions, using an 800V DC bus, a 20kHz switching frequency, a three-phase load, and a constant coolant temperature of 25°C.

このDCバス電圧をインバータに印加した後、インバータの出力電流をゆっくりと増大させ、その間に、パワーモジュールに組み込まれた温度センサをモニタリングした。パワーデバイスの熱画像化を可能にするためにリッドを省いた特別に構築されたパワーモジュールを試験することによって、温度センサ測定値を接合部温度と相関させた。 After applying this DC bus voltage to the inverter, the inverter's output current was slowly increased while monitoring a temperature sensor integrated into the power module. The temperature sensor measurements were correlated with junction temperature by testing a specially constructed power module that omitted the lid to enable thermal imaging of the power device.

図61に示されているように、インバータ内に実施されたパワーモジュールの平面ベースプレートバージョンは、最大410ARMS(アンペア-自乗平均)を処理することが分かり、一方、本開示のパワーモジュール100の直接冷却バージョンは、490ARMSを処理することが分かった。したがって、図43~58および関連説明によるピンフィン642を実施するパワーモジュール100は、出力電流能力の20%の増大に対応した。 As shown in Figure 61, the planar baseplate version of the power module implemented in an inverter was found to handle up to 410A RMS (Ampere-mean-square), while the direct-cooled version of the power module 100 of the present disclosure was found to handle 490A RMS . Thus, the power module 100 implementing the pin fins 642 in accordance with Figures 43-58 and the associated description supported a 20% increase in output current capability.

図43~58に関連したパワーモジュール100は、異なる電圧、温度定格、オン状態抵抗、異なる最大接合部温度、異なる冷却材温度、異なるスイッチング周波数および他の同種のものを有するように実施することができ、同様に、直接冷却式でないパワーモジュールに比べて出力電流能力を増大させることに留意すべきである。この点に関して、出力電流能力を、直接冷却式でないパワーモジュールに比べて5%~40%、5%~10%、10%~15%、15%~20%、20%~25%、25%~30%、30%~35%、35%~40%、10%~30%、20%~40%、15%~35%または15%~40%増大させることができる。この点に関して、出力電流能力を、直接冷却式でないパワーモジュールに比べて少なくとも5%、10%、15%、20%、25%、30%、35%または40%増大させることができる。さらに、本明細書に記載されているとおりに実施された図43~58に関連したパワーモジュール100によって、他の数多くの性能向上が企図される。 It should be noted that the power modules 100 associated with FIGS. 43-58 may be implemented to have different voltages, temperature ratings, on-state resistances, different maximum junction temperatures, different coolant temperatures, different switching frequencies, and the like, as well as to increase the output current capability over non-directly cooled power modules. In this regard, the output current capability may be increased by 5% to 40%, 5% to 10%, 10% to 15%, 15% to 20%, 20% to 25%, 25% to 30%, 30% to 35%, 35% to 40%, 10% to 30%, 20% to 40%, 15% to 35%, or 15% to 40% over non-directly cooled power modules. In this regard, the output current capability may be increased by at least 5%, 10%, 15%, 20%, 25%, 30%, 35%, or 40% over non-directly cooled power modules. Additionally, numerous other performance improvements are contemplated by the power module 100 associated with Figures 43-58 implemented as described herein.

本開示の1つまたは複数の態様では、炭化シリコン(SiC)MOSFETを十分に利用するように特に最適化された開示されたパワーモジュール100に基づく高性能でコンパクトなモジュール式の3相インバータ内で、パワーモジュール100を実施することができる。いくつかの態様では、2重インバータまたは単一インバータとしてインバータが構成されることを、モジュール式のAC出力が可能にする。いくつかの態様では、両面コールドプレート、特注のキャパシタおよび直接冷却式のSiCモジュールが、このインバータに対する極めて高い電力密度を可能にすることができる。パワーモジュール100およびキャパシタを含む全てのクリティカル構成要素の寄生要素が、最も低い全漂遊インダクタンスを保証することが確認された。いくつかの態様では、このユニットが、800VのDCバスおよび480V/830Aの相電流を使用して、用途条件下で動作することができる。 In one or more aspects of the present disclosure, the power module 100 can be implemented in a high performance, compact, modular three-phase inverter based on the disclosed power module 100 specifically optimized to fully utilize silicon carbide (SiC) MOSFETs. In some aspects, the modular AC output allows the inverter to be configured as a dual inverter or a single inverter. In some aspects, the double-sided cold plate, custom capacitors, and directly cooled SiC modules can enable extremely high power density for the inverter. Parasitics of all critical components, including the power module 100 and capacitors, were verified to ensure the lowest total stray inductance. In some aspects, the unit can operate under application conditions using an 800V DC bus and 480V/830A phase current.

この点に関して、従来のパワーパッケージは、現状技術のシリコン(Si)IGBTに対する効果的で十分に受け入れられた産業解決策である。しかしながら、従来のパワーパッケージは、SiCベースの技術が提供するものの利点を十分に利用することができないでいる。従来のパワーパッケージのフットプリントおよび内部レイアウトは本来、Siデバイスに対して設計されたものである。Siデバイスは通常、単一のまたは少数の並列化された大きなデバイスを有し、このようなデバイスでは信号ネットワークが長い経路をたどる。IGBTのバイポーラ性は、上述の設計トレードオフが許容されるような態様でスイッチング速度を制限する。 In this regard, conventional power packages are an effective and well-accepted industry solution for state-of-the-art silicon (Si) IGBTs. However, conventional power packages fail to fully take advantage of what SiC-based technology has to offer. The footprint and internal layout of conventional power packages were originally designed for Si devices, which typically have a single or a small number of large paralleled devices where the signal network follows long paths. The bipolar nature of IGBTs limits the switching speed in such a way that the design tradeoffs mentioned above are acceptable.

SiCデバイスの高性能属性を十分に利用するため、開示されたパワーモジュール100に関連して技術中心の設計が適用された。本開示のパワーモジュール100は、既存のモジュール設計の短所を解決する。この点に関して、本開示のSiC中心設計は、より小さな多数のダイを、それらのダイが動的電流を均一に共有するように並列に配置することを可能にし、高速度下であってもSiCダイが均一にスイッチングするような短経路平行平面によって信号ネットワークを最適化する。 To fully utilize the high performance attributes of SiC devices, a technology-centric design has been applied in connection with the disclosed power module 100. The disclosed power module 100 solves the shortcomings of existing module designs. In this regard, the disclosed SiC-centric design allows multiple smaller dies to be placed in parallel such that they share dynamic currents evenly, and optimizes the signal network with short-path parallel planes such that the SiC dies switch uniformly even under high speeds.

これらのニーズを満たすため、開示されたパワーモジュール100は、市販の650~1700VのSiC MOSFETの全てのサイズから最大性能を達成するように高度に最適化されている。開示されたパワーモジュール100のいくつかの態様は、小さなフットプリント(53mm×80mm)で高電流(300~>600A)を運ぶ能力を提供し、まっすぐなバッシングおよび相互接続を可能にする端子配置を有する。開示されたパワーモジュール100の均等に整合した低インダクタンスレイアウトは、その結果として高品質のスイッチング事象をもたらし、パワーモジュール100の内部および外部の振動を最小化する。いくつかの実施態様では、開示されたパワーモジュール100が、約6.7nHの漂遊インダクタンス、および62mmモジュールの約60%でしかない面積を有することができる。パワーモジュール100の開示された電流ループは、それらの電流ループがそれぞれ、スイッチ位置を横切って同等のインピーダンスを有するように、幅が広く、低プロファイルで、デバイス間で均一に分配されるよう設計されている。DCリンクキャパシタとパワーモジュール100の間のバスバーを、屈曲部、コイニング、スタンドオフまたは複雑な分離を必要とすることなしに、パワーモジュール100までずっと積層化することができるように、パワー端子を垂直にオフセットさせることができる。最終的に、これが、DCリンクキャパシタおよびSiCデバイスからのパワーループの全体を通じて低インダクタンスを達成する。 To meet these needs, the disclosed power module 100 is highly optimized to achieve maximum performance from all sizes of commercially available 650-1700V SiC MOSFETs. Some aspects of the disclosed power module 100 provide the ability to carry high currents (300->600A) in a small footprint (53mm x 80mm) and have a terminal arrangement that allows for straight bussing and interconnection. The evenly matched low inductance layout of the disclosed power module 100 results in high quality switching events and minimizes vibrations internal and external to the power module 100. In some implementations, the disclosed power module 100 can have a stray inductance of about 6.7nH and an area that is only about 60% of that of a 62mm module. The disclosed current loops of the power module 100 are designed to be wide, low profile, and evenly distributed between devices so that each of those current loops has equivalent impedance across the switch positions. The power terminals can be vertically offset so that the busbars between the DC link capacitors and the power module 100 can be stacked all the way to the power module 100 without the need for bends, coining, standoffs or complex isolation. Ultimately, this achieves low inductance throughout the power loop from the DC link capacitors and the SiC devices.

SiCパワーデバイスの高い電流密度により、パワーモジュール100およびコールドプレートの熱的性能は、熱流束を最大化すること、ならびにシステムサイズおよびコストを低減させることを可能にする。開示された直接冷却式のパワーモジュールは、既存の平面ベースプレートパワーモジュールの熱的性能をしのぐ熱的性能を有する銅ピンフィンベースプレートを実施することができる。平面ベースプレートパワーモジュールでは、熱経路の空隙を埋めるために、パワーモジュールとヒートシンクまたはコールドプレートとの間に熱界面材料(TIM)を適用する必要がある。このTIMの効果は、モジュールケースとコールドプレートとの間の追加の熱インピーダンスである。直接冷却式のパワーモジュール100は、冷却材と直接に接触するように設計されたピンを有し、このことはTIMの必要性を否定する。図61に示されているように、パワーモジュールの平面ベースプレートバージョンは、最大410ARMSを処理することができ、一方、パワーモジュール100の直接冷却バージョンは、490ARMSを処理することができる。これは、出力電流能力の20%の増大に対応する。 Due to the high current density of the SiC power devices, the thermal performance of the power module 100 and cold plate allows for maximizing heat flux and reducing system size and cost. The disclosed direct-cooled power module can implement a copper pin-fin baseplate with thermal performance that exceeds that of existing planar baseplate power modules. Planar baseplate power modules require a thermal interface material (TIM) to be applied between the power module and the heat sink or cold plate to fill the thermal path void. The effect of this TIM is an additional thermal impedance between the module case and the cold plate. The direct-cooled power module 100 has pins designed to directly contact the coolant, negating the need for a TIM. As shown in FIG. 61, the planar baseplate version of the power module can handle up to 410A RMS , while the direct-cooled version of the power module 100 can handle 490A RMS . This corresponds to a 20% increase in output current capability.

いくつかの態様では、独特の両面コールドおよび低寄生、高性能の同じ設計によってパワーモジュール100の数を追加するインバータ設計で、開示されたパワーモジュール100を実施することができる。一態様では、同じフットプリント面積でパワーモジュール100の数を2倍にすることを可能にする頂面および底面の冷却面を特徴とする両面コールドプレートを利用することができ、この特徴は、本開示の直接冷却式のパワーモジュール100とともに使用されたときに、先行技術の実施態様に比べて2倍を超える電力密度を与える。いくつかの態様では、パワーモジュールの頂部バンクと底部バンクの両方に直接に取り付けられる、本明細書に開示された統合された積層端子を有するように、特注のDCリンクキャパシタを実施することができる。この設計は、パワーモジュール100とキャパシタの間の低い漂遊インダクタンスを有し、別個のバスバーの必要性を排除する。本開示の非平面パワーモジュール100は、キャパシタ端子アセンブリが屈曲部を持たないことを可能にし、このことはコストを低減させ、重なりを最大化する。これらのDC入力端子をキャパシタに組み込むことができ、これによって、6つのハーフブリッジモジュールを相互接続する密に統合された解決策を生み出される。 In some aspects, the disclosed power module 100 can be implemented in inverter designs that add more power modules 100 with the same unique double-sided cold and low parasitic, high performance design. In one aspect, a double-sided cold plate can be utilized that features top and bottom cooling surfaces that allow for double the number of power modules 100 in the same footprint area, which when used with the directly cooled power module 100 of the present disclosure, provides more than double the power density compared to prior art implementations. In some aspects, custom DC link capacitors can be implemented with the integrated stacked terminals disclosed herein that are attached directly to both the top and bottom banks of the power module. This design has low stray inductance between the power module 100 and the capacitor, eliminating the need for separate bus bars. The non-planar power module 100 of the present disclosure allows the capacitor terminal assembly to have no bends, which reduces cost and maximizes overlap. These DC input terminals can be integrated into the capacitor, creating a tightly integrated solution for interconnecting six half-bridge modules.

いくつかの態様では、デバイスを効果的にスイッチングし、故障条件下で最大のサバイバビリティ(survivability)を提供するために、高ノイズ余裕度および高速保護を有するゲートドライバによって、開示されたパワーモジュール100をサポートすることができる。 In some aspects, the disclosed power module 100 can be supported by gate drivers with high noise immunity and fast protection to effectively switch the device and provide maximum survivability under fault conditions.

いくつかの態様では、AC出力端子を、モジュール式のサブアセンブリとして設計および実施することができる。これは、インバータが、430ARMS以上の出力および6つ以上の電流センサを有する2重3相インバータとして、または860ARMS以上の出力電流および3つ以上の電流センサを有する単一の3相インバータとして構成されることを可能にする。 In some aspects, the AC output terminals can be designed and implemented as modular subassemblies, allowing the inverter to be configured as a dual three-phase inverter with 430A RMS or greater output and six or more current sensors, or as a single three-phase inverter with 860A RMS or greater output current and three or more current sensors.

開示された両面コールドプレートアセンブリは、ガスケットシールを用いて頂面および底面に装着された本明細書に記載された直接冷却式のパワーモジュール100、ならびにセンサ、モジュール、コールドプレートおよびキャパシタを含むインバータとともに実施することができる。 The disclosed double-sided cold plate assembly can be implemented with the directly cooled power module 100 described herein mounted on the top and bottom sides with gasket seals, as well as an inverter including sensors, modules, cold plates and capacitors.

システムの高性能性を確認するため、周波数領域と時間領域の両方で構成要素を評価した。いくつかの態様では、小信号寄生抽出(small-signal parasitic extraction)が、漂遊インダクタンスを最小化するための反復設計過程で利用することができる寄生要素の正確な測定を可能にする。オーバシュート電圧とリンギングの両方に対するスイッチング波形の品質を、パワーモジュールごとに、モジュールおよびDCリンクキャパシタの800Vと600Aでのダブルパルス試験によって確認した。いくつかの態様では、電流密度のバランスをとり、漂遊インダクタンスを最小化するような最適な端子間隔および配置を有するDCリンクキャパシタ設計を実施することができる。 To ensure the high performance of the system, components were evaluated in both frequency and time domains. In some aspects, small-signal parasitic extraction allows accurate measurement of parasitic elements that can be utilized in an iterative design process to minimize stray inductance. For each power module, the quality of the switching waveforms for both overshoot voltage and ringing was confirmed by double pulse testing at 800V and 600A of the module and DC link capacitor. In some aspects, a DC link capacitor design can be implemented with optimal terminal spacing and placement to balance current density and minimize stray inductance.

これに応じて、本開示は、熱に対処し、出力電流能力を増大させるように構成されたパワーモジュール100および関連システムであって、直接冷却式でないパワーモジュールに比べて改良されたパワーモジュール100および関連システムを説明した。さらに、開示されたパワーモジュール100は、ハーフブリッジ構成、フルブリッジ構成、共通ソース構成、共通ドレイン構成、中性点クランプ構成、3相構成および他の同種の構成を含む数多くのトポロジで実施することができる。パワーモジュール100の用途は、電力システム、モータシステム、自動車モータシステム、充電システム、自動車充電システム、車両システム、産業用モータドライブ、埋込みモータドライブ、無停電電源、AC-DC電源、溶接機電源、軍用システム、インバータ、風力タービン用、ソーラーパワーパネル用、潮力発電所用および電気自動車(EV)用のインバータ、コンバータ、ならびに他の同種のものを含むことができる。 Accordingly, the present disclosure has described a power module 100 and associated systems configured to handle heat and increase output current capability, which provides improvements over non-directly cooled power modules. Additionally, the disclosed power module 100 can be implemented in numerous topologies, including half-bridge, full-bridge, common source, common drain, neutral point clamped, three-phase, and other similar configurations. Applications of the power module 100 can include power systems, motor systems, automotive motor systems, charging systems, automotive charging systems, vehicle systems, industrial motor drives, embedded motor drives, uninterruptible power supplies, AC-DC power supplies, welding machine power supplies, military systems, inverters, inverters for wind turbines, solar power panels, tidal power plants, and electric vehicles (EVs), converters, and the like.

これに応じて、本開示はさらに、安定性を増大させ、スイッチング損失を減らし、EMIを低減させ、システム構成要素に対するストレスを制限するために、ループインダクタンスなどの寄生インピーダンスに対処するように構成された、改良されたパワーモジュール100および関連システムを説明した。具体的には、開示されたパワーモジュールは、開示された配置とともに、インダクタンスを低減させる能力、いくつかの態様ではインダクタンスを10%も低減させる能力を有する。さらに、開示されたパワーモジュール100は、ハーフブリッジ構成、フルブリッジ構成、共通ソース構成、共通ドレイン構成、中性点クランプ構成および3相構成を含む数多くのトポロジで実施することができる。パワーモジュール100の用途は、モータドライブ、ソーラーインバータ、回路遮断器、保護回路、DC-DCコンバータおよび他の同種の用途を含む。 In response, the present disclosure further describes an improved power module 100 and associated systems configured to address parasitic impedances such as loop inductance to increase stability, reduce switching losses, reduce EMI, and limit stress on system components. Specifically, the disclosed power module, along with the disclosed arrangement, has the ability to reduce inductance, in some aspects by as much as 10%. Furthermore, the disclosed power module 100 can be implemented in numerous topologies, including half-bridge configurations, full-bridge configurations, common source configurations, common drain configurations, neutral clamped configurations, and three-phase configurations. Applications for the power module 100 include motor drives, solar inverters, circuit breakers, protection circuits, DC-DC converters, and other similar applications.

本開示のパワーモジュール100は、所与の用途に対して固有の電力処理ニーズならびにサイズおよび重量制限の範囲内にある大部分のシステムに対して適合可能である。本開示に記載されたパワーモジュール設計およびシステムレベル構造は、高いレベルの電力密度および体積利用率が達成されることを可能にする。 The power module 100 of the present disclosure is adaptable to most systems within the specific power handling needs and size and weight limitations for a given application. The power module design and system level construction described in this disclosure allows high levels of power density and volumetric utilization to be achieved.

以上に、本開示の態様を、本開示の態様が示された添付図面を参照して説明した。しかしながら、多くの異なる形態で本開示を実施することができること、および本開示が上で説明した態様に限定されると解釈すべきでないことが理解される。これらの態様はむしろ、本開示が徹底的かつ完全なものとなり、本開示が、本開示の範囲を当業者に十分に伝えるものになるように提供される。さらに、記載されたさまざまな態様は別々に実施することができる。さらに、記載されたさまざまな態様のうちの1つまたは複数の態様を組み合わせることができる。全体を通じて、同じ符号は同じ要素を指す。 Aspects of the present disclosure have been described above with reference to the accompanying drawings in which aspects of the disclosure are shown. However, it is understood that the present disclosure can be embodied in many different forms and should not be construed as being limited to the aspects described above. Rather, these aspects are provided so that this disclosure will be thorough and complete, and will fully convey the scope of the disclosure to those skilled in the art. In addition, the various aspects described can be implemented separately. In addition, one or more of the various aspects described can be combined. Like numbers refer to like elements throughout.

本明細書の全体を通じて、さまざまな要素を記述するために第1、第2などの用語が使用されているが、それらの要素はこれらの用語によって限定されないことが理解される。これらの用語は、1つの要素を別の要素から識別するために使用されているだけである。例えば、本開示の範囲から逸脱することなく、第1の要素が第2の要素と呼ばれることがあり、同様に第2の要素が第1の要素と呼ばれることもある。用語「および/または」は、列挙された関連項目のうちの1つまたは複数の項目のあらゆる組合せを含む。 Throughout this specification, terms such as first, second, etc. are used to describe various elements, but it is understood that the elements are not limited by these terms. These terms are only used to distinguish one element from another. For example, a first element may be referred to as a second element, and similarly, a second element may be referred to as a first element, without departing from the scope of this disclosure. The term "and/or" includes any and all combinations of one or more of the associated listed items.

本明細書で使用されている用語は、特定の態様を記述することだけを目的としており、それらの用語が本開示を限定することは意図されていない。文脈からそうでないことが明らかである場合を除き、本明細書で使用されているとき、単数形の「a」、「an」および「the」は複数形も含むことが意図されている。本明細書で使用されるとき、用語「備える(comprises)」、「備える(comprising)」、「含む(includes)」および/または「含む(including)」は、明示された特徴、完全体(integer)、ステップ、動作、要素および/または構成要素の存在を指定するが、他の1つまたは複数の特徴、完全体、ステップ、動作、要素、構成要素および/またはこれらのグループの存在または追加を排除しないことも理解される。 The terms used herein are for the purpose of describing particular aspects only and are not intended to limit the disclosure. Unless otherwise clear from the context, when used herein, the singular forms "a", "an" and "the" are intended to include the plural forms as well. As used herein, the terms "comprises", "comprising", "includes" and/or "including" specify the presence of stated features, integers, steps, operations, elements and/or components, but are understood not to preclude the presence or addition of one or more other features, integers, steps, operations, elements, components and/or groups thereof.

層、領域または基板などの要素が別の要素「上に」ある、または別の要素「上に」延びていると書かれているとき、その要素は、この別の要素上に直接にあること、またはこの別の要素上に直接に延びていることがあり、あるいは介在要素が存在することもあることが理解される。反対に、1つの要素が別の要素「上に直接に」ある、または別の要素「上に直接に」延びていると書かれているとき、介在要素は存在しない。また、1つの要素が別の要素に「接続されている」または「結合されている」と書かれているとき、その要素は、この別の要素に直接に接続されていること、またはこの別の要素に直接に結合されていることがあり、あるいは介在要素が存在することもあることも理解される。反対に、1つの要素が別の要素に「直接に接続されている」または「直接に結合されている」と書かれているとき、介在要素は存在しない。 When an element, such as a layer, region, or substrate, is described as being "on" or extending "on" another element, it is understood that the element may be directly on or extending directly onto the other element, or there may be intervening elements. Conversely, when an element is described as being "directly on" or extending "directly onto" another element, there are no intervening elements. Also, when an element is described as being "connected" or "coupled" to another element, it is understood that the element may be directly connected to or directly coupled to the other element, or there may be intervening elements. Conversely, when an element is described as being "directly connected" or "directly coupled" to another element, there are no intervening elements.

本明細書では、図に示されている1つの要素、層または領域と別の要素、層または領域との関係を記述するために、「下方(below)」もしくは「上方(above)」または「上側(upper)」もしくは「下側(lower)」または「頂(top)」もしくは「底(bottom)」などの相対語が使用されていることがある。これらの用語は、図に示された向きに加えて、デバイスの異なる向きを包含することが意図されていることが理解される。 Relative terms such as "below" or "above" or "upper" or "lower" or "top" or "bottom" may be used herein to describe the relationship of one element, layer or region to another element, layer or region shown in the figures. It is understood that these terms are intended to encompass different orientations of the device in addition to the orientation shown in the figures.

本明細書では、本開示の態様が、本開示の理想化された実施形態(および中間構造体)の概略図である断面図を参照して説明されている。分かりやすくするため、図面中の層および領域の厚さが誇張されていることがある。さらに、例えば製造技法および/または製作公差の結果として、図示の形状からの変動が予想される。 Aspects of the present disclosure are described herein with reference to cross-sectional illustrations that are schematic illustrations of idealized embodiments (and intermediate structures) of the present disclosure. The thicknesses of layers and regions in the drawings may be exaggerated for clarity. Additionally, variations from the shapes of the illustrations are expected as a result, for example, of manufacturing techniques and/or tolerances.

図面および明細書には本開示の典型的な態様が開示されている。特定の用語が使用されているが、それらの用語は、一般的な説明的意味でのみ使用されており、限定のために使用されているわけではない。本開示の範囲は、以下の特許請求項に記載されている。 The drawings and specification disclose exemplary embodiments of the present disclosure. Although specific terms have been employed, they are used in a generic and descriptive sense only and not for purposes of limitation. The scope of the present disclosure is set forth in the following claims.

本開示の態様は、通信チャネルによる有線/無線通信機能を有する、例えばデスクトップコンピュータ、パーソナルコンピュータ、ラップトップ/モバイルコンピュータ、パーソナルデータアシスタント(PDA)、移動電話、タブレットコンピュータ、クラウドコンピューティングデバイスおよび他の同種のものなどの、任意のタイプのコンピューティングデバイス内で実施することができる。 Aspects of the present disclosure may be implemented within any type of computing device having wired/wireless communication capabilities over a communication channel, such as desktop computers, personal computers, laptop/mobile computers, personal data assistants (PDAs), mobile phones, tablet computers, cloud computing devices, and the like.

さらに、本開示のさまざまな態様によれば、本明細書に記載された方法は、限定はされないが、PC、PDA、半導体、特定用途向け集積回路(ASIC)、プログラマブル論理アレイ、クラウドコンピューティングデバイスおよび他のハードウェアデバイスを含む、本明細書に記載された方法を実施するように構築された専用ハードウェア実施態様によって機能することが意図されている。 Furthermore, in accordance with various aspects of the present disclosure, the methods described herein are intended to function via dedicated hardware implementations constructed to perform the methods described herein, including, but not limited to, PCs, PDAs, semiconductors, application specific integrated circuits (ASICs), programmable logic arrays, cloud computing devices, and other hardware devices.

本明細書に記載された本開示のソフトウェア実施態様は、有形のストレージ媒体、例えば、1つもしくは複数のリードオンリー(不揮発性)メモリ、ランダムアクセスメモリもしくは他の再書込み可能(揮発性)メモリを収容した、ディスクもしくはテープなどの磁気媒体、ディスクなどの光磁気もしくは光学媒体、またはメモリカードもしくは他のパッケージなどの固体状態媒体に記憶されていてもよいことにも留意すべきである。電子メールのディジタル添付ファイル、または他の独立情報アーカイブもしくはアーカイブのセットは、有形のストレージ媒体と等価の配布媒体とみなされる。したがって、本開示は、本明細書のソフトウェア実施態様が記憶された、本明細書に挙げられた有形のストレージ媒体または配布媒体、ならびに当技術分野で認められている等価物および後継媒体を含むとみなされる。 It should also be noted that the software implementations of the present disclosure described herein may be stored on tangible storage media, e.g., magnetic media such as disks or tapes, magneto-optical or optical media such as disks, or solid-state media such as memory cards or other packages, containing one or more read-only (non-volatile) memories, random access memories, or other re-writable (volatile) memories. A digital attachment to an email, or other independent information archive or set of archives, is considered a distribution medium equivalent to a tangible storage medium. Thus, the present disclosure is considered to include the tangible storage or distribution media listed herein on which the software implementations of the present disclosure are stored, as well as equivalents and successor media recognized in the art.

さらに、本開示のさまざまな態様を、一般的でないコンピュータ実施態様で実施することもできる。さらに、本明細書の開示から明らかなとおり、本明細書に記載された本開示のさまざまな態様は、システムの機能を向上させる。さらに、本開示のさまざまな態様は、本開示が対処する複雑な問題を解決するように特にプログラムされたコンピュータハードウェアを含む。したがって、本開示のさまざまな態様は、本開示によって記載された方法を実行する、特許請求項によって定義されたその特定の実施態様において、システムの機能を全体的に向上させる。 Furthermore, various aspects of the present disclosure may be implemented in non-standard computer implementations. Moreover, as will be apparent from the disclosure herein, various aspects of the present disclosure described herein enhance the functionality of a system. Moreover, various aspects of the present disclosure include computer hardware specifically programmed to solve the complex problems addressed by the present disclosure. Thus, various aspects of the present disclosure generally enhance the functionality of a system, in its particular implementation as defined by the claims, performing the methods described by the present disclosure.

例示的な態様に関して本発明を説明してきたが、添付の特許請求項の趣旨および範囲に含まれる変更を加えて、本開示を実施することができることを当業者は理解するであろう。上に示されたこれらの例は例示だけを目的としており、それらの例が、本開示の可能な全ての設計、態様、用途または変更の網羅的なリストであることは意図されていない。この点に関して、さまざまな態様、特徴、構成要素、要素、モジュール、配置、回路および他の同種のものが、相互に交換可能であること、混合されること、整合されること、組み合わされること、および他の同種のことが企図とされる。この点に関して、本開示のさまざまな特徴はモジュールであり、それらの特徴を互いに混合すること、および互いに整合させることができる。 While the present invention has been described with respect to exemplary embodiments, those skilled in the art will recognize that the disclosure can be practiced with modifications within the spirit and scope of the appended claims. The examples provided above are for illustrative purposes only, and are not intended to be an exhaustive list of all possible designs, embodiments, applications, or modifications of the present disclosure. In this regard, it is contemplated that the various embodiments, features, components, elements, modules, arrangements, circuits, and the like can be interchanged, mixed, matched, combined, and the like. In this regard, the various features of the present disclosure are modular, and the features can be mixed and matched with one another.

Claims (67)

パワーモジュールであって、
少なくとも1つの導電性パワー基板と、
前記少なくとも1つの導電性パワー基板上に配置されたハウジングと、
前記少なくとも1つの導電性パワー基板に電気的に接続された第1の端子と、
第2の端子と、
前記少なくとも1つの導電性パワー基板に電気的に接続された第3の端子と、
前記少なくとも1つの導電性パワー基板上に配置され、かつ前記少なくとも1つの導電性パワー基板に接続された複数のパワーデバイスと、
ベースプレートおよび前記ベースプレート上に配置された前記少なくとも1つの導電性パワー基板と、
前記ベースプレートの底面に配置された複数のピンフィンであって、前記パワーモジュールに直接冷却を提供するように構成され、エーロフォイル形断面形状および/または翼形断面形状を備える、複数のピンフィンと、
を備え
前記複数のピンフィンが、基部、終端面、および1つまたは複数の表面を含み、前記1つまたは複数の表面が、前記基部から前記終端面まで延び、次第に狭くなる、
パワーモジュール。
A power module,
at least one conductive power substrate;
a housing disposed on the at least one conductive power substrate;
a first terminal electrically connected to the at least one conductive power substrate;
A second terminal;
a third terminal electrically connected to the at least one conductive power substrate;
a plurality of power devices disposed on and connected to the at least one conductive power substrate;
a base plate and the at least one conductive power substrate disposed on the base plate;
a plurality of pin fins disposed on a bottom surface of the base plate, the pin fins configured to provide direct cooling to the power module, the pin fins having an airfoil-shaped cross-sectional shape and/or an airfoil-shaped cross-sectional shape;
Equipped with
the plurality of pin fins include a base, a terminal surface, and one or more surfaces, the one or more surfaces extending from the base to the terminal surface and tapering;
Power module.
前記複数のピンフィンが、前記ベースプレートの底面に配置されており、
前記複数のピンフィンが、前記複数のピンフィン間に流路を形成するように構築および配置されており、
前記流路が、前記パワーモジュールの第1の軸および第2の軸に対して平行であり、
前記第1の端子が、前記ハウジング上に位置する接触面を備え、
前記第2の端子が、前記ハウジング上に位置する接触面を備え、
前記第3の端子が、前記複数のパワーデバイスのうちの少なくとも1つのパワーデバイスに電気的に接続されている、
請求項1に記載のパワーモジュール。
the plurality of pin fins are disposed on a bottom surface of the base plate;
the plurality of pin fins are constructed and arranged to form flow channels between the plurality of pin fins;
the flow path is parallel to a first axis and a second axis of the power module;
the first terminal having a contact surface located on the housing;
the second terminal having a contact surface located on the housing;
the third terminal is electrically connected to at least one power device of the plurality of power devices;
The power module according to claim 1 .
前記複数のピンフィンのうちのそれぞれのピンフィンが前記ベースプレートと一体に形成されており、前記ベースプレートと同じ材料を含前記複数のピンフィンの隣り合う実装が、前記パワーモジュールの第1の軸または第2の軸に対して平行に配置されている、請求項1に記載のパワーモジュール。 2. The power module of claim 1, wherein each pin fin of the plurality of pin fins is integrally formed with the base plate and comprises the same material as the base plate, and adjacent mountings of the plurality of pin fins are oriented parallel to a first axis or a second axis of the power module. 前記基部が、前記終端面の断面形状とは異なる断面形状を有する、請求項1に記載のパワーモジュール。 The power module of claim 1 , wherein the base has a cross-sectional shape that is different from a cross-sectional shape of the end faces . 前記終端面が、前記ベースプレートの表面に対して平行な平面に関する断面形状を含み、
前記断面形状が、非対称断面形状、エーロフォイル形断面形状および翼形断面形状のうちの少なくとも1つの断面形状を含む、
請求項4に記載のパワーモジュール。
the termination surface includes a cross-sectional shape relative to a plane parallel to a surface of the base plate;
the cross-sectional shape comprises at least one of an asymmetric cross-sectional shape, an airfoil cross-sectional shape, and an airfoil cross-sectional shape;
The power module according to claim 4.
前記基部が、前記ベースプレートの表面に対して平行な平面に関する断面形状を含み、
前記断面形状が、正方形断面形状、長方形断面形状、円形断面形状、楕円断面形状および対称断面形状のうちの少なくとも1つの断面形状を含む、
請求項4に記載のパワーモジュール。
the base includes a cross-sectional shape relative to a plane parallel to a surface of the base plate;
The cross-sectional shape comprises at least one of a square cross-sectional shape, a rectangular cross-sectional shape, a circular cross-sectional shape, an elliptical cross-sectional shape, and a symmetrical cross-sectional shape;
The power module according to claim 4.
前記複数のピンフィンが、前記ベースプレートに取り付けられた前記基部と、前記ベースプレートおよび前記基部から遠ざかるように延びる少なくとも1つの表面と、前記少なくとも1つの表面に接続された前記終端面とを含み、
前記少なくとも1つの表面が前記ベースプレートから遠ざかるように延びており、前記少なくとも1つの表面が前記終端面まで延びるにつれて、前記少なくとも1つの表面が次第に狭くなっている、
請求項1に記載のパワーモジュール。
the plurality of pin fins including a base attached to the base plate, at least one surface extending away from the base plate and the base, and a termination surface connected to the at least one surface;
the at least one surface extends away from the base plate, the at least one surface narrowing as the at least one surface extends to the termination surface;
The power module according to claim 1 .
前記複数のピンフィンが、直接冷却式でないパワーモジュールに比べて出力電流能力を5%~40%増加させるように構成されており前記複数のピンフィンの隣り合う実装が、前記パワーモジュールの第1の軸または第2の軸に対して平行に配置されている、請求項1に記載のパワーモジュール。 10. The power module of claim 1, wherein the plurality of pin fins are configured to increase output current capability by 5% to 40% compared to a non-directly cooled power module , and adjacent mountings of the plurality of pin fins are arranged parallel to a first axis or a second axis of the power module . 前記複数のピンフィンが、直接冷却式でないパワーモジュールに比べて出力電流能力を15%増加させるように構成されており前記複数のピンフィンの隣り合う実装が、前記パワーモジュールの第1の軸または第2の軸に対して平行に配置されている、請求項1に記載のパワーモジュール。 10. The power module of claim 1, wherein the plurality of pin fins are configured to provide a 15% increase in output current capability compared to a non-directly cooled power module , and adjacent mountings of the plurality of pin fins are oriented parallel to a first axis or a second axis of the power module. 請求項1に記載のパワーモジュールを備えるシステムであって、コールドプレートをさらに備えるシステム。 A system comprising the power module of claim 1, further comprising a cold plate. 請求項1に記載のパワーモジュールを備えるシステムであって、コールドプレート、ならびにインバータ、電力システム、モータシステム、コンバータおよびAC-DC電源のうちの少なくとも1つをさらに備えるシステム。 A system comprising the power module of claim 1, further comprising a cold plate and at least one of an inverter, a power system, a motor system, a converter, and an AC-DC power supply. パワーモジュールであって、
ベースプレートと、
前記ベースプレート上に配置された少なくとも1つのパワー基板と、
前記少なくとも1つのパワー基板上に配置されたハウジングと、
前記少なくとも1つのパワー基板に電気的に接続された第1の端子と、
第2の端子と、
前記少なくとも1つのパワー基板に電気的に接続された第3の端子と、
前記少なくとも1つのパワー基板に電気的に接続された複数のパワーデバイスと、
前記複数のパワーデバイスに電気的に接続されたゲート-ソースボードと、
前記ベースプレートの底面に配置された複数のピンフィンであって、前記パワーモジュールに直接冷却を提供するように構成され、エーロフォイル形断面形状および/または翼形断面形状を備える、複数のピンフィンと、
を備え
前記複数のピンフィンが、基部および終端面を含み、前記基部が、前記終端面の断面形状とは異なる断面形状を有する、
パワーモジュール。
A power module,
A base plate;
At least one power board disposed on the base plate;
a housing disposed on the at least one power board;
a first terminal electrically connected to the at least one power board;
A second terminal;
a third terminal electrically connected to the at least one power board;
a plurality of power devices electrically connected to the at least one power substrate;
a gate-source board electrically connected to the plurality of power devices;
a plurality of pin fins disposed on a bottom surface of the base plate, the pin fins configured to provide direct cooling to the power module, the pin fins having an airfoil-shaped cross-sectional shape and/or an airfoil-shaped cross-sectional shape;
Equipped with
the plurality of pin fins include a base and a terminal surface, the base having a cross-sectional shape different from a cross-sectional shape of the terminal surface;
Power module.
前記複数のピンフィンが、前記ベースプレートの底面に配置されており、
前記複数のピンフィンが、前記複数のピンフィン間に流路を形成するように構築および配置されており
前記流路が、前記パワーモジュールの第1の軸および第2の軸に対して平行である、
請求項12に記載のパワーモジュール。
the plurality of pin fins are disposed on a bottom surface of the base plate;
the plurality of pin fins are constructed and arranged to form flow channels between the plurality of pin fins;
the flow path is parallel to a first axis and a second axis of the power module;
13. The power module according to claim 12.
前記複数のピンフィンのうちのそれぞれのピンフィンが前記ベースプレートと一体に形成されており、前記ベースプレートと同じ材料を含前記複数のピンフィンの隣り合う実装が、前記パワーモジュールの第1の軸または第2の軸に対して平行に配置されている、請求項12に記載のパワーモジュール。 13. The power module of claim 12, wherein each pin fin of the plurality of pin fins is integrally formed with the base plate and comprises the same material as the base plate , and adjacent mountings of the plurality of pin fins are oriented parallel to a first axis or a second axis of the power module . 前記複数のピンフィンが、前記基部、前記終端面および1つまたは複数の表面を含み、前記1つまたは複数の表面が、前記基部から前記終端面まで延びている、請求項12に記載のパワーモジュール。 13. The power module of claim 12, wherein the plurality of pin fins include the base , the end face , and one or more surfaces, the one or more surfaces extending from the base to the end face. 前記終端面が、前記ベースプレートの表面に対して平行な平面に関する断面形状を含み、
前記断面形状が、非対称断面形状、エーロフォイル形断面形状および翼形断面形状のうちの少なくとも1つの断面形状を含む、
請求項15に記載のパワーモジュール。
the termination surface includes a cross-sectional shape relative to a plane parallel to a surface of the base plate;
the cross-sectional shape comprises at least one of an asymmetric cross-sectional shape, an airfoil cross-sectional shape, and an airfoil cross-sectional shape;
16. The power module according to claim 15.
前記基部が、前記ベースプレートの表面に対して平行な平面に関する断面形状を含み、
前記断面形状が、正方形断面形状、長方形断面形状、円形断面形状、楕円形断面形状および対称断面形状のうちの少なくとも1つの断面形状を含む、
請求項15に記載のパワーモジュール。
the base includes a cross-sectional shape relative to a plane parallel to a surface of the base plate;
The cross-sectional shape comprises at least one of a square cross-sectional shape, a rectangular cross-sectional shape, a circular cross-sectional shape, an elliptical cross-sectional shape, and a symmetrical cross-sectional shape;
16. The power module according to claim 15.
前記複数のピンフィンが、前記ベースプレートの表面に対して平行な平面に関する断面形状を含み、
前記断面形状が、輪郭断面形状、円形断面形状、正方形断面形状および長方形断面形状のうちの少なくとも1つの断面形状を含む、
請求項12に記載のパワーモジュール。
the plurality of pin fins include a cross-sectional shape with respect to a plane parallel to a surface of the base plate;
the cross-sectional shape comprises at least one of a contoured cross-sectional shape, a circular cross-sectional shape, a square cross-sectional shape, and a rectangular cross-sectional shape;
13. The power module according to claim 12.
前記複数のピンフィンが、前記ベースプレートに取り付けられた前記基部と、前記ベースプレートおよび前記基部から遠ざかるように延びる少なくとも1つの表面と、前記少なくとも1つの表面に接続された前記終端面とを含み、
前記少なくとも1つの表面が前記ベースプレートから遠ざかるように延びており、前記少なくとも1つの表面が前記終端面まで延びるにつれて、前記少なくとも1つの表面が次第に狭くなっている、
請求項12に記載のパワーモジュール。
the plurality of pin fins including a base attached to the base plate, at least one surface extending away from the base plate and the base, and a termination surface connected to the at least one surface;
the at least one surface extends away from the base plate, the at least one surface narrowing as it extends to the termination surface;
13. The power module according to claim 12.
前記複数のピンフィンが、直接冷却式でないパワーモジュールに比べて出力電流能力を5%~40%増加させるように構成されており前記複数のピンフィンの隣り合う実装が、前記パワーモジュールの第1の軸または第2の軸に対して平行に配置されている、請求項12に記載のパワーモジュール。 13. The power module of claim 12, wherein the plurality of pin fins are configured to increase output current capability by 5% to 40% compared to a non-directly cooled power module , and adjacent mountings of the plurality of pin fins are arranged parallel to a first axis or a second axis of the power module . 前記複数のピンフィンが、直接冷却式でないパワーモジュールに比べて出力電流能力を15%増加させるように構成されており前記複数のピンフィンの隣り合う実装が、前記パワーモジュールの第1の軸または第2の軸に対して平行に配置されている、請求項12に記載のパワーモジュール。 13. The power module of claim 12, wherein the plurality of pin fins are configured to provide a 15% increase in output current capability compared to a non-directly cooled power module , and adjacent mountings of the plurality of pin fins are oriented parallel to a first axis or a second axis of the power module. 請求項12に記載のパワーモジュールを備えるシステムであって、コールドプレートをさらに備えるシステム。 A system comprising the power module of claim 12, further comprising a cold plate. 請求項12に記載のパワーモジュールを備えるシステムであって、コールドプレート、ならびにインバータ、電力システム、モータシステム、コンバータおよびAC-DC電源のうちの少なくとも1つをさらに備えるシステム。 A system comprising the power module of claim 12, further comprising a cold plate and at least one of an inverter, a power system, a motor system, a converter, and an AC-DC power supply. パワーモジュールを構成する方法であって、
少なくとも1つのパワー基板を提供すること、
前記少なくとも1つのパワー基板上にハウジングを配置すること、
前記少なくとも1つのパワー基板に第1の端子を電気的に接続すること、
第2の端子を提供すること、
前記少なくとも1つのパワー基板に第3の端子を電気的に接続すること、
前記少なくとも1つのパワー基板に複数のパワーデバイスを電気的に接続すること、
前記複数のパワーデバイスに電気的に接続されたゲート-ソースボードを装着すること、
を含み、
前記ゲート-ソースボードが、少なくとも1つの電気信号を受け取るように構成されており、前記方法がさらに、
ベースプレートを提供すること、
前記ベースプレート上に前記少なくとも1つのパワー基板を配置すること、
前記ベースプレートの底面に配置され、エーロフォイル形断面形状および/または翼形断面形状を備える、複数のピンフィンを提供すること、および
前記複数のピンフィンを、前記パワーモジュールの少なくとも1つの構成要素を冷却するように構成すること、
を含
前記複数のピンフィンが、基部および終端面を含み、前記基部が、前記終端面の断面形状とは異なる断面形状を有する、
パワーモジュールを構成する方法。
1. A method of configuring a power module, comprising:
providing at least one power substrate;
disposing a housing on the at least one power board;
electrically connecting a first terminal to the at least one power board;
providing a second terminal;
electrically connecting a third terminal to the at least one power board;
electrically connecting a plurality of power devices to the at least one power substrate;
providing a gate-source board electrically connected to the plurality of power devices;
Including,
the gate-source board is configured to receive at least one electrical signal, the method further comprising:
Providing a base plate;
disposing the at least one power board on the base plate;
providing a plurality of pin fins disposed on a bottom surface of the base plate, the pin fins having an airfoil-shaped cross-sectional shape and/or an airfoil-shaped cross-sectional shape; and configuring the plurality of pin fins to cool at least one component of the power module.
Including ,
the plurality of pin fins include a base and a terminal surface, the base having a cross-sectional shape different from a cross-sectional shape of the terminal surface;
How to configure a power module.
前記複数のピンフィンを、前記パワーモジュールに直接冷却を提供するように構成すること、
前記複数のピンフィンを、前記ベースプレートの底面に配置すること、
前記複数のピンフィンを、前記複数のピンフィン間に流路を形成するように配置すること、
をさらに含
前記流路が、前記パワーモジュールの第1の軸および第2の軸に対して平行である、
請求項24に記載のパワーモジュールを構成する方法。
configuring the plurality of pin fins to provide direct cooling to the power module;
disposing the plurality of pin fins on a bottom surface of the base plate;
Arranging the pin fins to form flow paths between the pin fins;
Further comprising :
the flow path is parallel to a first axis and a second axis of the power module;
25. A method of constructing a power module according to claim 24.
前記複数のピンフィンを、前記基部、前記終端面および1つまたは複数の表面を含むように構成することをさらに含み、前記1つまたは複数の表面が、前記基部から前記終端面まで延びている、請求項24に記載のパワーモジュールを構成する方法。 25. The method of constructing a power module of claim 24, further comprising: configuring the plurality of pin fins to include the base, the termination face , and one or more surfaces, the one or more surfaces extending from the base to the termination face. 前記終端面が、前記ベースプレートの表面に対して平行な平面に関する断面形状を含み、
前記断面形状が、非対称断面形状、エーロフォイル形断面形状および翼形断面形状のうちの少なくとも1つの断面形状を含む、
請求項26に記載のパワーモジュールを構成する方法。
the termination surface includes a cross-sectional shape relative to a plane parallel to a surface of the base plate;
the cross-sectional shape comprises at least one of an asymmetric cross-sectional shape, an airfoil cross-sectional shape, and an airfoil cross-sectional shape;
27. A method of constructing the power module of claim 26.
前記基部が、前記ベースプレートの表面に対して平行な平面に関する断面形状を含み、
前記断面形状が、正方形断面形状、長方形断面形状、円形断面形状、楕円形断面形状および対称断面形状のうちの少なくとも1つの断面形状を含む、
請求項26に記載のパワーモジュールを構成する方法。
the base includes a cross-sectional shape relative to a plane parallel to a surface of the base plate;
The cross-sectional shape comprises at least one of a square cross-sectional shape, a rectangular cross-sectional shape, a circular cross-sectional shape, an elliptical cross-sectional shape, and a symmetrical cross-sectional shape;
27. A method of constructing the power module of claim 26.
前記複数のピンフィンが、直接冷却式でないパワーモジュールに比べて出力電流能力を5%~40%増加させるように構成されており前記複数のピンフィンの隣り合う実装が、前記パワーモジュールの第1の軸または第2の軸に対して平行に配置されている、請求項26に記載のパワーモジュールを構成する方法。 27. The method of claim 26, wherein the plurality of pin fins are configured to increase output current capability by 5% to 40% compared to a non-directly cooled power module , and adjacent mountings of the plurality of pin fins are oriented parallel to a first axis or a second axis of the power module . 前記複数のピンフィンが、直接冷却式でないパワーモジュールに比べて出力電流能力を15%増加させるように構成されており前記複数のピンフィンの隣り合う実装が、前記パワーモジュールの第1の軸または第2の軸に対して平行に配置されている、請求項26に記載のパワーモジュールを構成する方法。 27. The method of configuring a power module of claim 26, wherein the plurality of pin fins are configured to provide a 15% increase in output current capability compared to a non-directly cooled power module , and adjacent mountings of the plurality of pin fins are oriented parallel to a first axis or a second axis of the power module. 請求項24に記載のパワーモジュールを構成する方法を含む、パワーモジュールを構成および試験する方法であって、
パワーモジュール構成体を提供することおよび前記パワーモジュール構成体を備える前記パワーモジュールを配置すること、
少なくとも1つのバスバー、ドライバ、コントローラ、少なくとも1つのキャパシタ、コールドプレートおよび少なくとも1つのセンサのうちの少なくとも1つを含む少なくとも1つの構成要素を備える前記パワーモジュール構成体を提供すること、
前記パワーモジュールおよび前記少なくとも1つの構成要素を収容し、囲うように構成体ハウジングを配置すること、
前記パワーモジュール構成体を用いて前記パワーモジュールおよび前記少なくとも1つの構成要素を動作すること、
前記パワーモジュール構成体の少なくとも1つの動作パラメータを測定すること、
前記パワーモジュール構成体から前記少なくとも1つの動作パラメータを出力すること、
をさらに含む、パワーモジュールを構成および試験する方法。
25. A method of configuring and testing a power module, comprising the method of configuring a power module of claim 24, comprising the steps of :
Providing a power module arrangement and disposing the power module comprising the power module arrangement;
providing the power module configuration comprising at least one component including at least one of at least one bus bar, a driver, a controller, at least one capacitor, a cold plate, and at least one sensor;
disposing a component housing to receive and enclose said power module and said at least one component;
operating the power module and the at least one component using the power module configuration;
Measuring at least one operating parameter of the power module assembly;
outputting the at least one operating parameter from the power module assembly;
The method of configuring and testing a power module further comprises:
前記パワーモジュール構成体が、インバータ、電力システム、モータシステムおよび充電システムのうちの少なくとも1つを備える、請求項31に記載のパワーモジュールを構成および試験する方法。 The method of configuring and testing a power module according to claim 31, wherein the power module configuration comprises at least one of an inverter, a power system, a motor system, and a charging system. 前記パワーモジュールを提供することが、
少なくとも1つのパワー基板と、
前記少なくとも1つのパワー基板上に配置されたハウジングと、
前記少なくとも1つのパワー基板に電気的に接続された第1の端子と、
第2の端子と、
前記少なくとも1つのパワー基板に電気的に接続された複数のパワーデバイスと、
を提供することを含み、
前記パワーモジュールが、前記パワーモジュールのスイッチング速度を増大させるように構築、配置および構成されており、
前記パワーモジュールの前記スイッチング速度が、100(A/ナノ秒)よりも小さい、
請求項31に記載のパワーモジュールを構成および試験する方法。
Providing the power module comprises:
at least one power board;
a housing disposed on the at least one power board;
a first terminal electrically connected to the at least one power board;
A second terminal;
a plurality of power devices electrically connected to the at least one power substrate;
providing
the power module being constructed, arranged and configured to increase the switching speed of the power module;
The switching speed of the power module is less than 100 (A/ns);
32. A method of constructing and testing a power module according to claim 31.
前記パワーモジュールを提供することが、
少なくとも1つのパワー基板と、
前記少なくとも1つのパワー基板上に配置されたハウジングと、
前記少なくとも1つのパワー基板に電気的に接続された第1の端子と、
第2の端子と、
前記少なくとも1つのパワー基板に電気的に接続された複数のパワーデバイスと、
を提供することを含み、
前記パワーモジュールが、前記パワーモジュールのスイッチング速度を増大させるように構築、配置および構成されており、
前記パワーモジュールの前記スイッチング速度が、80(V/ナノ秒)よりも小さい、
請求項31に記載のパワーモジュールを構成および試験する方法。
Providing the power module comprises:
at least one power board;
a housing disposed on the at least one power board;
a first terminal electrically connected to the at least one power board;
A second terminal;
a plurality of power devices electrically connected to the at least one power substrate;
providing
the power module being constructed, arranged and configured to increase the switching speed of the power module;
The switching speed of the power module is less than 80 (V/ns);
32. A method of constructing and testing a power module according to claim 31.
電気インタフェースを通して、前記ドライバ、前記コントローラおよび前記少なくとも1つのセンサのうちの少なくとも1つとデータを交換することをさらに含み、
前記少なくとも1つの構成要素が、前記少なくとも1つのバスバー、前記ドライバ、前記コントローラ、前記少なくとも1つのキャパシタ、前記コールドプレートおよび前記少なくとも1つのセンサを備える、
請求項31に記載のパワーモジュールを構成および試験する方法。
and exchanging data with at least one of the driver, the controller, and the at least one sensor through an electrical interface;
the at least one component comprises the at least one bus bar, the driver, the controller, the at least one capacitor, the cold plate, and the at least one sensor;
32. A method of constructing and testing a power module according to claim 31.
前記パワーモジュール構成体を用いる特定の用途向けの前記パワーモジュールの実施態様を試験することをさらに含み、
前記特定の用途が、インバータ、電力システム、モータシステムおよび充電システムのうちの少なくとも1つを備える、
請求項31に記載のパワーモジュールを構成および試験する方法。
testing an embodiment of the power module for a particular application using the power module configuration;
the particular application comprises at least one of an inverter, a power system, a motor system, and a charging system;
32. A method of constructing and testing a power module according to claim 31.
電気インタフェースを通して、前記ドライバ、前記コントローラおよび前記少なくとも1つのセンサのうちの少なくとも1つに接続すること、
前記パワーモジュール構成体を用いる特定の用途向けの前記パワーモジュールの実施態様を試験すること、
をさらに含み、
前記特定の用途が、インバータ、電力システム、モータシステムおよび充電システムのうちの少なくとも1つを備える、
請求項31に記載のパワーモジュールを構成および試験する方法。
connecting to at least one of the driver, the controller and the at least one sensor through an electrical interface;
Testing an embodiment of the power module for a particular application using the power module configuration;
Further comprising:
the particular application comprises at least one of an inverter, a power system, a motor system, and a charging system;
32. A method of constructing and testing a power module according to claim 31.
冷却ファンを用いて、前記構成体ハウジング内を通り抜けるように空気を移動させることをさらに含む、請求項31に記載の方法。 32. The method of claim 31, further comprising moving air through the component housing with a cooling fan. 請求項1に記載のパワーモジュールを備えるパワーモジュール構成体を試験するように構成された試験構成体であって、
前記パワーモジュールを含むパワーモジュール構成体と、
少なくとも1つのバスバー、ドライバ、コントローラ、少なくとも1つのキャパシタ、コールドプレートおよび少なくとも1つのセンサのうちの少なくとも1つを備える少なくとも1つの構成要素をさらに備える前記パワーモジュール構成体と、
前記パワーモジュールおよび前記少なくとも1つの構成要素を収容し、囲うための構成体ハウジングと、
前記パワーモジュールおよび前記少なくとも1つの構成要素を動作するように構成された前記パワーモジュール構成体と、
前記パワーモジュール構成体の少なくとも1つの動作パラメータを測定するように構成された前記パワーモジュール構成体と、
前記パワーモジュール構成体から前記少なくとも1つの動作パラメータを出力するように構成された前記パワーモジュール構成体と、
を備える、試験構成体。
A test structure configured to test a power module structure comprising the power module of claim 1, comprising:
a power module assembly including the power module;
the power module configuration further comprising at least one component comprising at least one of at least one bus bar, a driver, a controller, at least one capacitor, a cold plate, and at least one sensor;
an assembly housing for containing and enclosing the power module and the at least one component;
a power module assembly configured to operate the power module and the at least one component;
a power module component configured to measure at least one operating parameter of the power module component;
a power module component configured to output the at least one operating parameter from the power module component;
A test configuration comprising:
前記パワーモジュールが、
少なくとも1つのパワー基板と、
前記少なくとも1つのパワー基板上に配置されたハウジングと、
前記少なくとも1つのパワー基板に電気的に接続された第1の端子と、
第2の端子と、
前記少なくとも1つのパワー基板に電気的に接続された第3の端子と、
前記少なくとも1つのパワー基板に電気的に接続された複数のパワーデバイスと、
のうちの少なくとも1つを備え、
前記パワーモジュールが、前記パワーモジュールのスイッチング速度を増大するように構築、配置および構成されており、
前記パワーモジュールの前記スイッチング速度が、100(A/ナノ秒)よりも小さい、
請求項39に記載の試験構成体。
The power module comprises:
at least one power board;
a housing disposed on the at least one power board;
a first terminal electrically connected to the at least one power board;
A second terminal;
a third terminal electrically connected to the at least one power board;
a plurality of power devices electrically connected to the at least one power substrate;
At least one of the following:
the power module being constructed, arranged and configured to increase the switching speed of the power module;
The switching speed of the power module is less than 100 (A/ns);
40. The test construct of claim 39.
前記パワーモジュールの前記スイッチング速度が、80(V/ナノ秒)よりも小さい、請求項40に記載の試験構成体。 The test structure of claim 40, wherein the switching speed of the power module is less than 80 (V/ns). 前記パワーモジュールが、
少なくとも1つのパワー基板と、
前記少なくとも1つのパワー基板上に配置されたハウジングと、
前記少なくとも1つのパワー基板に電気的に接続された第1の端子と、
第2の端子と、
前記少なくとも1つのパワー基板に電気的に接続された複数のパワーデバイスと、
を備え、
前記パワーモジュールが、前記パワーモジュールのスイッチング速度を増大するように構築、配置および構成されており、
前記パワーモジュールの前記スイッチング速度が、100(A/ナノ秒)よりも小さい、
請求項39に記載の試験構成体。
The power module comprises:
at least one power board;
a housing disposed on the at least one power board;
a first terminal electrically connected to the at least one power board;
A second terminal;
a plurality of power devices electrically connected to the at least one power substrate;
Equipped with
the power module being constructed, arranged and configured to increase the switching speed of the power module;
The switching speed of the power module is less than 100 (A/ns);
40. The test construct of claim 39.
前記ドライバ、前記コントローラおよび前記少なくとも1つのセンサのうちの少なくとも1つに接続され、前記ドライバ、前記コントローラおよび前記少なくとも1つのセンサのうちの少なくとも1つとデータを交換するように構成された電気インタフェースをさらに備える、請求項39に記載の試験構成体。 The test arrangement of claim 39, further comprising an electrical interface connected to at least one of the driver, the controller, and the at least one sensor and configured to exchange data with at least one of the driver, the controller, and the at least one sensor. 前記パワーモジュール構成体が、特定の用途向けの前記パワーモジュールの実施態様を試験するように構成され、
前記特定の用途が、インバータ、電力システム、モータシステムおよび充電システム
のうちの少なくとも1つを備える、
請求項39に記載の試験構成体。
the power module assembly is configured to test an embodiment of the power module for a particular application;
the particular application comprises at least one of an inverter, a power system, a motor system, and a charging system;
40. The test construct of claim 39.
電気インタフェースを通して、前記ドライバ、前記コントローラおよび前記少なくとも1つのセンサのうちの少なくとも1つに接続すること、
前記構成体を用いる特定の用途のための前記パワーモジュールの実施態様を試験すること、
をさらに含む、請求項39に記載の試験構成体。
connecting to at least one of the driver, the controller and the at least one sensor through an electrical interface;
Testing an embodiment of the power module for a particular application using the configuration;
40. The test construct of claim 39, further comprising:
前記構成体ハウジング内を通り抜けるように空気を移動させるよう構成された冷却ファンをさらに備える、請求項39に記載の試験構成体。 The test arrangement of claim 39, further comprising a cooling fan configured to move air through the arrangement housing. 前記パワーモジュールが、前記パワーモジュールの高さを低減するように構築、配置および構成されており、
前記パワーモジュールの前記高さが、7mm~30mmの範囲を含む、
請求項1に記載のパワーモジュール。
the power module is constructed, arranged and configured to reduce a height of the power module;
The height of the power module is in the range of 7 mm to 30 mm.
The power module according to claim 1 .
前記パワーモジュールの前記高さが、9mm~11mmの範囲を含む、請求項47に記載のパワーモジュール。 The power module of claim 47, wherein the height of the power module is in the range of 9 mm to 11 mm. 前記パワーモジュールの前記高さが、15mm~17mmの範囲を含む、請求項47に記載のパワーモジュール。 The power module of claim 47, wherein the height of the power module is in the range of 15 mm to 17 mm. 前記パワーモジュールの前記高さが、23mm~27mmの範囲を含む、請求項47に記載のパワーモジュール。 The power module of claim 47, wherein the height of the power module is in the range of 23 mm to 27 mm. 前記第1の端子が、前記ハウジングよりも高い、第1の高さのところに位置する接触面を備え、
前記第2の端子が、前記ハウジングよりも高い、前記第1の高さとは異なる第2の高さのところに位置する接触面を備える、
請求項47に記載のパワーモジュール。
the first terminal includes a contact surface located at a first height above the housing;
the second terminal includes a contact surface located at a second height above the housing, the second height being different from the first height;
48. A power module according to claim 47.
前記パワーモジュールのクリティカルパワースイッチングループの全漂遊インダクタンス値が12(nH)~2(nH)の範囲を含む、請求項47に記載のパワーモジュール。 The power module of claim 47, wherein the total stray inductance value of the critical power switching loop of the power module is in the range of 12 (nH) to 2 (nH). 前記パワーモジュールが、前記パワーモジュールの端子利用率を増大させるように構築、配置および構成されており、
前記端子利用率が、パワーモジュールベースの幅に対する前記端子の全接触幅を含むベース比を含み、
前記ベース比が、70%~95%の範囲にある、
請求項1に記載のパワーモジュール。
the power module is constructed, arranged and configured to increase terminal utilization of the power module;
the terminal utilization ratio includes a base ratio including a total contact width of the terminal to a width of a power module base;
The base ratio is in the range of 70% to 95%.
The power module according to claim 1 .
前記ベース比が70%~80%の範囲にある、請求項53に記載のパワーモジュール。 The power module of claim 53, wherein the base ratio is in the range of 70% to 80%. 前記ベース比が80%~90%の範囲にある、請求項53に記載のパワーモジュール。 The power module of claim 53, wherein the base ratio is in the range of 80% to 90%. 前記ベース比が90%~95%の範囲にある、請求項53に記載のパワーモジュール。 The power module of claim 53, wherein the base ratio is in the range of 90% to 95%. パワーモジュールベースの前記幅が前記少なくとも1つの導電性パワー基板の幅を含む、請求項53に記載のパワーモジュール。 The power module of claim 53, wherein the width of the power module base includes the width of the at least one conductive power substrate. 前記第1の端子が、前記ハウジグよりも高い、第1の高さのところに位置する接触面を備え、
前記第2の端子が、前記ハウジングよりも高い、前記第1の高さとは異なる第2の高さのところに位置する接触面を備える、
請求項53に記載のパワーモジュール。
the first terminal includes a contact surface located at a first height above the housing ;
the second terminal includes a contact surface located at a second height above the housing, the second height being different from the first height;
54. A power module according to claim 53.
前記パワーモジュールのクリティカルパワースイッチングループの全漂遊インダクタンス値が12(nH)~2(nH)の範囲を含む、請求項53に記載のパワーモジュール。 The power module of claim 53, wherein the total stray inductance value of the critical power switching loop of the power module is in the range of 12 (nH) to 2 (nH). 前記パワーモジュールが、前記パワーモジュールの端子面積を増大させるように構築、配置および構成されており、
前記端子面積が、パワーモジュール面積に対する全接触面積を含む端子面積比を含み、前記端子面積比が15%~50%の範囲を有する、
請求項1に記載のパワーモジュール。
the power module is constructed, arranged and configured to increase a terminal area of the power module;
The terminal area includes a terminal area ratio including a total contact area to a total power module area, the terminal area ratio having a range of 15% to 50%.
The power module according to claim 1 .
前記端子面積比が、20%~40%の範囲を有する、請求項60に記載のパワーモジュール。 The power module of claim 60, wherein the terminal area ratio is in the range of 20% to 40%. 前記端子面積比が20%~25%の範囲を有する、請求項61に記載のパワーモジュール。 The power module of claim 61, wherein the terminal area ratio is in the range of 20% to 25%. 前記端子面積比が25%~30%の範囲を有する、請求項61に記載のパワーモジュール。 The power module of claim 61, wherein the terminal area ratio is in the range of 25% to 30%. 前記端子面積比が30%~35%の範囲を有する、請求項61に記載のパワーモジュール。 The power module of claim 61, wherein the terminal area ratio is in the range of 30% to 35%. 前記第1の端子が、前記ハウジングよりも高い、第1の高さのところに位置する接触面を備え、
前記第2の端子が、前記ハウジングよりも高い、前記第1の高さとは異なる第2の高さのところに位置する接触面を備える、
請求60に記載のパワーモジュール。
the first terminal includes a contact surface located at a first height above the housing;
the second terminal includes a contact surface located at a second height above the housing, the second height being different from the first height;
61. The power module of claim 60.
前記パワーモジュールのクリティカルパワースイッチングループの全漂遊インダクタンス値が12(nH)~2(nH)の範囲を含む、請求項60に記載のパワーモジュール。 The power module of claim 60, wherein the total stray inductance value of the critical power switching loop of the power module is in the range of 12 (nH) to 2 (nH). 前記パワーモジュールが、0.5(mJ/A)から0.25(mJ/A)の範囲のスイッチング損失を有するように構築、配置および構成されている、請求項1に記載のパワーモジュール。 The power module of claim 1, wherein the power module is constructed, arranged and configured to have switching losses in the range of 0.5 (mJ/A) to 0.25 (mJ/A).
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