CN105745751A - 具有用于向家用器具的电负载供送供电电压的功率电子模块的装置、家用器具和用于制造这种装置的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于向家用器具的电负载供送供电电压的装置(1)，包括：功率电子模块(2)，所述功率电子模块(2)具有混合印刷电路板(3)，所述混合印刷电路板(3)具有第一电路承载件(4)和第二电路承载件(5)，其中，第一与第二电路承载件(4、5)之间的过渡区域(19)与第一和/或第二电路承载件(4、5)相比具有更低的热导率；且包括用于功率电子模块(2)的温度保护的温度保护装置。至少一个半导体开关(6)布置在混合印刷电路板(3)的第一电路承载件(4)上，所述至少一个半导体开关(6)被构造成用于产生用于电负载的供电电压。温度保护装置的用于检测温度的温度传感器(8)布置在混合印刷电路板(3)的第二电路承载件(5)上，所述至少一个半导体开关(6)在所述装置(1)的操作过程中经受该温度。导热箔(13)布置在功率电子模块(2)上，所述至少一个半导体开关(6)和温度传感器(8)通过所述导热箔(13)彼此热耦合。

Description

具有用于向家用器具的电负载供送供电电压的功率电子模块的装置、家用器具和用于制造这种装置的方法
技术领域
本发明涉及一种用于向家用器具的电负载供送供电电压、尤其是交流电压的装置，其包括：功率电子模块，所述功率电子模块具有混合集成电路板，所述混合集成电路板具有第一电路承载件和第二电路承载件，其中，第一与第二电路承载件之间的过渡区域与第一和/或第二电路承载件相比具有更低的热导率；且包括温度保护装置，其用于功率电子模块的温度保护。至少一个半导体开关布置在混合集成电路板的第一电路承载件上，所述至少一个半导体开关被构造成用于产生用于电负载的供电电压。温度保护装置的用于检测温度的温度传感器进而布置在第二电路承载件上，所述至少一个半导体开关在装置的操作过程中经受所述温度。此外，本发明还涉及一种家用器具，其具有电负载、尤其是电机，并具有根据本发明的装置。本发明还涉及一种用于制造这种装置的方法。
背景技术
功率电子模块(也被称为“功率模块”)在家用器具中用于向电机供送交流电压。这种功率模块通常包括多个半导体开关，例如所谓的IGBT，所述半导体开关是所谓的换流器的一部分，且从中间电路DC电压产生供电电压，向电机或驱动电机供送该供电电压。根据电机的实施方式，产生一个或多个相，例如在三相同步机中的三相。于是，所使用的半导体开关的数量也取决于所需的相数。晶体管在此连接在桥电路中。
功率模块例如从文件DE102007005233A1获知。功率半导体在此夹在电绝缘的且高度导热的层之间，所述层例如是DCB/DAB或AMB基底的陶瓷芯。该夹层式布置结构被金属材料的薄壁覆盖部围绕，其通过该薄壁覆盖部热耦合至散热器。例如由压制金属箔或类似物制成的各种模制部件可附接至该模块覆盖部，以用于表面扩大。
例如从公开物DE102011007171A1获知一种用于功率电子模块的冷却装置。该冷却装置包括基体，在该基体上至少部分地构造有散热石墨材料。
一种混合功率电子模块在文件US2011/0133320A1中公开，其中，半导体开关定位在裸片垫上，且温度传感器定位在第二裸片垫上。两个裸片垫都布置在共用的金属电路承载件上，且浇铸在一起以形成混合模块。通过在共用的电路承载件上的布置结构，保证了从半导体开关到温度传感器的良好的热传递。
本发明基于一种功率电子模块，在该功率电子模块中使用具有两个或更多个不同的电路承载件的混合印刷电路板，即：第一电路承载件，其具有高导热性材料的至少一个层，例如具有至少一个陶瓷层且可选地还具有至少一个金属层；和第二电路承载件，其具有明显更低的热导率，尤其由有机塑料制成，例如由玻璃纤维增强环氧树脂(FR4)制成。总之，这种混合印刷电路板可更成本有效地制造，因为它们不需要完全由陶瓷制造。功率半导体通常布置在陶瓷电路承载件上，同时其他构件、尤其是用于控制半导体开关的构件布置在传统的FR4电路承载件上。这些构件例如是用于控制半导体开关的所谓的驱动器。一般而言，温度传感器也布置在传统的FR4电路承载件上，且用于检测半导体开关的温度。该温度传感器是温度保护装置的一部分，所述温度保护装置在操作过程中监测半导体开关的温度，且在必要的情况下中断负载电路。
为了实现半导体开关与温度传感器之间的好的热传递，以及操作过程中的温度的可靠检测，功率电子模块通常以相对较大的接触压力热耦合至散热器。由于混合印刷电路板的热导率不足，因此，热量在此经由散热器来传递。然而，如果散热器被不正确地安装或功率模块与散热器之间的接触压力减小，半导体开关的温度就不被温度传感器正确地检测，且不再能够保证过温度保护。在最坏的情况下，整个电子模块可能因此而损坏。
发明内容
本发明的目的是说明一种解决方案，其关于如何能够在上述类型的装置的情况下特别可靠地保护功率电子模块以免于温度过高。
该目的根据本发明通过具有如相应的独立权利要求所述的特征的一种装置、一种家用器具和一种方法来实现。本发明的有益实施方式形成了从属权利要求、说明书和附图的主题。
根据本发明的装置被构造成用于向家用器具的电负载、尤其是电机供送供电电压，尤其是交流电压。该装置包括功率电子模块和温度保护装置。功率电子模块具有混合印刷电路板，所述混合印刷电路板具有第一电路承载件和第二电路承载件。第一与第二电路承载件之间的过渡区域与第一和/或第二电路承载件相比具有更低的热导率。第二电路承载件与第一电路承载件相比优选具有更低的热导率。温度保护装置被构造成用于保护功率电子模块的温度。至少一个半导体开关布置在混合印刷电路板的第一电路承载件上，且被构造成用于产生用于电负载的供电电压。所述至少一个半导体开关例如可以是IGBT。温度传感器进而布置在第二电路承载件上，所述温度传感器被构造成用于检测所述至少一个半导体开关在装置的操作过程中所经受的温度。因此，温度传感器检测所述至少一个半导体开关的温度。根据本发明，导热箔布置在功率电子模块上，尤其布置在模块壳体上，所述至少一个半导体开关和温度传感器通过所述导热箔彼此热耦合。
因此，为了在装置的操作过程中保证所述至少一个半导体开关和温度传感器之间的热传导，导热箔附接至功率电子模块。试验已经表明，这种导热箔保证了半导体开关与温度传感器之间的充分的热传导或热传递。这也尤其适用于如下情况：该箔布置在散热器与功率电子模块之间，且散热器被不正确地安装或在装置的操作过程中由于螺纹连接或夹箍连接的材料疲劳而掉落。因此，通过箔的热传递即使在没有散热器的情况下也一直被保证。借助于该热传递，半导体开关的温度在装置的操作过程中可被正确地检测且相应地被控制单元评价处理。例如，如果确定出温度超过了预定阈值，负载电路可被中断，且因此整个功率电子模块被可靠地保护。
优选地，导热箔在功率电子模块的至少一侧上至少基本上完全地延伸，且因此与温度传感器和所述至少一个半导体开关都重叠。尤其地，该箔可附接至功率电子模块的模块壳体。该箔优选位于模块壳体的与第一电路承载件接触的金属部分上，且位于该壳体的由塑料制成的且与第二电路承载件接触的另一部分上。
如果没有闭合的模块壳体可用，就替代性地可使箔位于温度传感器上，并从温度传感器至少延伸至半导体开关，且也位于半导体开关上。热传递优选地通过导热箔直接进行。
在一个实施例中限定了第一电路承载件具有至少一个陶瓷层。可选地，第一电路承载件还可具有至少一个金属层。尤其地，由陶瓷制成的电路承载件被证明特别有益于连接至功率半导体，因为陶瓷具有相当好的热导率，且因此保证了在第一电路承载件上的好的热分布和到箔的好的热耦合。
另一方面，如果第二电路承载件具有有机塑料，优选由有机塑料制成，尤其地由包括环氧树脂、例如玻璃纤维增强环氧树脂或FR4的材料制成，使用导热箔就被证明是特别有益的。尤其地，有机塑料具有相对较低的热导率，该箔保证了温度保护装置在该情况下的可靠操作。
在一个实施例中，还可使装置具有散热器，以用于从功率电子模块的热耗散。通过该实施例，功率电子模块通过箔热耦合至散热器。这意味着，箔以夹层式结构布置在功率电子模块与散热器之间。这具有的优点是，箔在此承担附加的功能，即，从功率电子模块到散热器的热传导。因此，也可靠地保证了功率电子模块与散热器之间的热传递。
对于热传递而言，已经被证明有益的是，箔由包括石墨和/或铜的材料制成。例如，可使用石墨箔或铜箔。已经表明，厚度为0.25mm的石墨箔足以保证半导体开关与温度传感器之间的好的热传导。试验已经表明，即使在散热器被不正确地安装且因此未提供必需的接触压力的情况下也保证了好的热传导。即使散热器在操作过程中掉落、例如由于影响螺纹连接或夹箍连接的疲劳而掉落，热传递也是充分的。
优选地，箔粘附至功率电子模块。例如，可使用一侧或双侧自粘式导热箔，且可在功率电子模块的制造过程中无需大量工作地粘附至功率电子模块，且无需附加的粘合剂。粘合结合也保证了防滑，且因此保证了操作上更牢固的附接以及箔在功率电子模块上的精确定位。
此外，本发明涉及一种家用器具，其具有电负载、尤其是电机，并具有根据本发明的装置，所述装置向电负载供送供电电压。
根据本发明的方法用于制造用于向家用器具的电负载供送供电电压的装置。提供了功率电子模块，其具有混合印刷电路板，所述混合印刷电路板具有第一电路承载件和第二电路承载件，所述第二电路承载件尤其地与第一电路承载件相比具有更低的热导率。第一与第二电路承载件之间的热传递较差。还设置了用于功率电子模块的温度保护的温度保护装置，其中，至少一个半导体开关布置在第一电路承载件上，所述至少一个半导体开关被构造成用于产生供电电压，且温度保护装置的用于检测半导体开关的温度的温度传感器布置在混合印刷电路板的第二电路承载件上。导热箔布置在功率电子模块上，所述至少一个半导体开关和温度传感器通过所述导热箔彼此热耦合。
关于根据本发明的装置所阐述的优选实施例及其优点相应地适用于根据本发明的家用器具和根据本发明的方法。
本发明的其他特征将从权利要求、附图和附图说明中体现。说明书中的所有前述特征和特征组合以及下文的附图说明提及的和/或仅在附图中示出的特征和特征组合不仅可用于所表述的相应组合中，而且也可用于其他组合或单独地使用。
附图说明
现在将在下文中参照优选的示例性实施例并参照附图来更详细地阐述本发明。
附图示出了：
图1是通过根据本发明的装置的一个实施例的示意性剖视图；
图2是装置的功率电子模块的示意性透视图；
图3是功率电子模块的示意性顶视图；
图4是具有箔的功率电子模块的示意性顶视图；以及
图5是装置的示意性侧视图，其中，功率电子模块和散热器布置在板上。
具体实施方式
在图1中以摘要视图示出的且总体以附图标记1表示的装置被设计成用于家用器具中，且用于向电负载、尤其是电机供送供电电压。装置1包括功率电子模块2，所述功率电子模块2包括混合印刷电路板3，所述混合印刷电路板3包括第一电路承载件4和第二电路承载件5。第一电路承载件4与第二电路承载件5相比具有更大的热导率。在该示例性实施例中，第一电路承载件4由陶瓷制成，且可选地还可具有多个陶瓷层。可选地，第一电路承载件4也可具有至少一个金属层。第二电路承载件5在该示例性实施例中是传统的FR4板。电路承载件4、5在过渡区域19中连接至彼此。在两个单独的电路承载件4、5的混合印刷电路板3的实施例的情况下，过渡区域19中的热传递是不充分的。此外，第二电路承载件5的材料也具有不充分的传热。
功率半导体、即多个半导体开关6和二极管(未示出)(可选地以多层技术)布置在第一电路承载件4上。半导体开关6可以是IGBT。半导体开关6是换流器的一部分，所述换流器用于从中间电路DC电压产生交流电压作为供电电压。如有必要，在电机是多相电机的情况下也可产生多个交流电压。
布置在第二电路承载件5上的驱动器电路7用于控制半导体开关6。此外，未详细描述的温度保护装置的温度传感器8、例如NTC传感器(负温度系数)布置在第二电路承载件5上。可选地，附加的电子构件9也可布置在第二电路承载件5上。
温度传感器8用于检测半导体开关6在装置的操作过程中的温度。温度的测量值被传送至控制单元，所述控制单元将该测量值与存储的阈值进行比较。如果超过了阈值，控制单元就可中断半导体开关6的负载电路，并保护装置1或功率电子模块2免于温度过高。
功率电子模块2具有模块壳体14，混合印刷电路板3容纳在所述模块壳体14中。因此，模块壳体14包绕或覆盖具有电子构件6、7、8、9的混合印刷电路板3。模块壳体14主要地由塑料制成。仅矩形的壳体区15由金属制成，尤其由铜制成。该金属的壳体区15直接相邻于第一电路承载件4，且布置成与半导体开关6互相重叠。
这种功率电子模块2(如图1示意性地示出)安装在单独的板10上(如图5所示)。板10是传统的FR4印刷电路板。功率电子模块2通过电接触元件11电联接至板10。该技术在此以THT技术(通孔安装技术)实现。上述控制单元和具有中间电路电容器(未示出)的电中间电路同样地与板10上的功率电子模块2分离。如图5所示，另外，用于从功率电子模块2的热耗散的散热器12也安装在板10上。由于电路承载件4、5之间的过渡区域19的不充分的热传递，在现有技术中从半导体开关6到温度传感器8的热传递通过散热器12来进行。为此，功率电子模块2以相对较大的接触压力连接至散热器12。必需的接触压力通常借助于螺纹连接或夹箍连接来实现。然而，如果散热器12被不正确地安装或在装置1的操作过程中由于螺纹连接或夹箍连接中的材料疲劳而掉落，半导体开关6与温度传感器8之间的可靠的热传递就不再被保证。为了独立于散热器12而仍保证该热传递，将导热箔13、例如自粘式箔结合至功率电子模块2。该箔可以是一侧或双侧粘合箔。
再次参照图1，箔13粘附至功率电子模块2的整个第一侧16，金属壳体区15也定位于该第一侧16上。因此，箔13将壳体区15热连接至模块壳体14的另外的壳体区17，所述另外的壳体区17由塑料制成且抵靠第二电路承载件5平置。因此形成了半导体开关6避开过渡区域19、通过高度导热的第一电路承载件4和金属壳体区15、以及还通过箔13、所述另外的壳体区17和第二电路承载件5直至温度传感器8的热耦合。箔13在功率电子模块2的第一侧16的整个表面上延伸，从而箔13与半导体开关6和温度传感器8都至少互相重叠或至少覆盖半导体开关6和温度传感器8。
功率电子模块2在图2中以透视图示出。在此示出了功率电子模块2的或模块壳体14的相反于第一侧16的第二侧18。在图2中显然可知，电接触元件11(功率电子模块2借助于该电接触元件11连接至板10)从模块壳体14伸出。
图3示出了功率电子模块2的第一侧16的在没有箔13的情况下的顶视图。在此，尤其地，与第一电路承载件重叠的金属壳体区15(见图1)清楚可见。另一方面，图4示出了功率电子模块2的第一侧16的包括箔13的顶视图。如图4所示，箔13遮蔽了金属壳体区15和所述另外的壳体区17以及功率电子模块2的基本上整个表面或整个侧16。
根据图5，箔13以夹层式结构布置在功率电子模块2与散热器12之间。在此，箔13具有两种不同的功能：一方面是半导体开关6与温度传感器8之间的热传递的功能；另一方面是从功率电子模块2到散热器12的热传导的功能。
附图标记列表
1.装置
2.功率电子模块
3.混合印刷电路板
4.电路承载件
5.电路承载件
6.半导体开关
7.驱动器电路
8.温度传感器
9.构件
10.板
11.接触元件
12.散热器
13.箔
14.模块壳体
15.壳体区
16.第一侧
17.壳体区
18.第二侧
19.过渡区域

Claims (8)

1.一种用于向家用器具的电负载供送供电电压的装置(1)，包括：功率电子模块(2)，所述功率电子模块(2)具有混合印刷电路板(3)，所述混合印刷电路板(3)具有第一电路承载件(4)和第二电路承载件(5)，其中，第一与第二电路承载件(4、5)之间的过渡区域(19)与第一和/或第二电路承载件(4、5)相比具有更低的热导率；且包括用于功率电子模块(2)的温度保护的温度保护装置，其中，至少一个半导体开关(6)布置在混合印刷电路板(3)的第一电路承载件(4)上，所述至少一个半导体开关(6)被构造成用于产生用于电负载的供电电压，且温度保护装置的用于检测温度的温度传感器(8)布置在混合印刷电路板(3)的第二电路承载件(5)上，所述至少一个半导体开关(6)在所述装置(1)的操作过程中经受该温度，其特征在于，导热箔(13)布置在功率电子模块(2)上，所述至少一个半导体开关(6)和温度传感器(8)通过所述导热箔(13)彼此热耦合。
2.根据权利要求1所述的装置(1)，其特征在于，第一电路承载件(4)具有至少一个陶瓷层。
3.根据权利要求1或2所述的装置(1)，其特征在于，第二电路承载件(5)包括有机塑料。
4.根据前述权利要求中任一项所述的装置(1)，其特征在于，所述装置(1)具有散热器(12)，所述散热器(12)用于从功率电子模块(2)的热耗散，其中，功率电子模块(2)通过所述箔(13)热耦合至所述散热器(12)。
5.根据前述权利要求中任一项所述的装置(1)，其特征在于，所述箔(13)由包括石墨和/或铜的材料制成。
6.根据前述权利要求中任一项所述的装置(1)，其特征在于，所述箔(13)粘附至功率电子模块(2)，尤其粘附至功率电子模块(2)的模块壳体(14)。
7.一种家用器具，其具有电负载、尤其是电机，并具有用于向电负载供电的、根据前述权利要求中任一项所述的装置(1)。
8.一种用于制造用于向家用器具的电负载供送供电电压的装置(1)的方法，该方法通过提供功率电子模块(2)并通过提供温度保护装置来实现，所述功率电子模块(2)具有混合印刷电路板(3)，所述混合印刷电路板(3)具有第一电路承载件(4)和第二电路承载件(5)，其中，第一与第二电路承载件(4、5)之间的过渡区域(19)与第一和/或第二电路承载件(4、5)相比具有更低的热导率，所述温度保护装置用于功率电子模块(2)的温度保护，其中，至少一个半导体开关(6)布置在混合印刷电路板(3)的第一电路承载件(4)上，所述至少一个半导体开关(6)被构造成用于产生用于电负载的供电电压，且温度保护装置的用于检测温度的温度传感器(8)布置在混合印刷电路板(3)的第二电路承载件(5)上，所述至少一个半导体开关(6)在所述装置(1)的操作过程中经受该温度，其特征在于，导热箔(13)布置在功率电子模块(2)上，所述至少一个半导体开关(6)和温度传感器(8)通过所述导热箔(13)彼此热耦合。
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