JP2019140418A - 薄型で高度に構成可能な電流共有並列化広バンドギャップ電力デバイス電力モジュール - Google Patents
薄型で高度に構成可能な電流共有並列化広バンドギャップ電力デバイス電力モジュール Download PDFInfo
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Abstract
Description
1.高温作動を可能にする真性キャリアの低減
2.キャリア移動度の増大
3.より高い絶縁破壊強度
4.オン抵抗の低減
5.より速いスイッチング速度
6.熱伝導性の増加。
工業規格62mm底板との整合フットプリント
裸ダイ電力デバイスの有効な並列化のための等化電力路
スイッチ位置あたり7.5mm×71mmのデバイスに利用可能な大きいアクティブ面積
10mmの低モジュール高さ
広い薄型電力接点で達成される低インダクタンス
500Aよりも大量の通電のための短い電流路及び大きい導体断面積
個々の安定抵抗器を有する内部ゲート及びソースケルビン相互接続基板
内部ゲート及びソースケルビン相互接続基板の高信頼性ボルト式接続
標準及び構成可能な1mm、2mm、0.1インチ、及び0.05インチピッチのゲート駆動コネクタ
モジュールの左又は右側のいずれかのゲート駆動コネクタ
内部温度感知RTD及び関連の入力/出力コネクタのためのオプション
システム費用を低減するための固有部品点数の低減
モジュール性を増加するための固有部品点数の低減
ハーフブリッジ、フルブリッジ、共通ソース、及び共通ドレイントポロジーとして構成可能
プラスチックハウジングの中に組み込まれた電圧沿面拡張器
低密度材料の使用による全体で140g以下の軽量
250℃まで作動させることができる材料、アタッチ、及び電圧遮断被膜
図4によって示すように、電力モジュール100の電力ループ110の駆動フォーカスは、多数のデバイス500と実質的に並列化されている。示されているのは、第1の電力デバイス501、第2の電力デバイス502、第3の電力デバイス503、第4の電力デバイス504、第5の電力デバイス505、第6の電力デバイス506、第7の電力デバイス507、第8の電力デバイス508、第9の電力デバイス509、第10の電力デバイス510、及び第11の電力デバイス511である。モジュール100は、後で詳述する構成に応じて2つ又は4つのいずれかのスイッチ位置を有することができる。図4は、上側位置480及び下側位置490を示している。各スイッチ位置の形成において、それらが高価なモジュール100修正なしに特定の用途に対して調節されるように、多くの柔軟性がある。例えば、位置は、ソーススイッチ500に対して同数のダイオードか、僅かに少しのダイオードを有するか、又は全くダイオードがない場合がある。図4は、「V+」端子410から「中間」端子420に移動する電流のために均等な共有電流路120を示す電力ループ110の表現であり、V−端子430はまた、下側位置490においてデバイス500のために使用するように示されている。このレイアウトの追加の利益は、各デバイス500の等間隔が、数か所にそれらを集中させる代わりに、モジュール100にわたって熱源の広がりに役に立つことである。
各スイッチ位置に対する独立した電気路は、ソーススイッチを制御するのに必要なゲート及びソースケルビン接続部を形成するのに必要である。これは、理想的には、ゲート及びソースケルビン経路指定が、広い等化電力路に干渉しないので、並列状態のデバイス500の数によって困難になる。図8は、電力モジュール100及びその変形が、電力基板300の上に置かれ、次に、底板200に至るまでボルトで締められた一体成形の2次基板600を含む方法を示している。
図13は、この場合も、基板600と一致するようにゲート方向を示す矢印で非常に高い電流及び電圧を処理するように設計された金属−セラミック−金属層状構造である電力基板300を示している。金属は、様々な厚みの銅又はアルミニウムとすることができるが、セラミック材料は、典型的には、アルミナAl2013、アルミナ窒化物AlN、又はシリコン窒化物Si3N4である。ハーフブリッジ基板330に対して図13、共通ソース基板340に対して図14、及び各構成に対して上側及び下側ダイ500の位置を示す共通ドレイン基板350に対して図15に示すように、金属層302をエッチングしてトポロジー特定のパターン330、340、350にする。これらのレイアウトの各々は、基板300の中心の下のラインをエッチングすることによって二重チャネル配置に分けることができる点にも注意しなければならない。それらはまた、必要に応じてチャネルあたり個々の基板に分けることができる。これは、より小さい基板があまり応力を受けないので、より厳しい環境に対して有用である場合がある。
ハウジング800は、強化高温プラスチックによって射出成形工程で形成される。ハウジング800は、敏感な半導体500に対する防護壁であるのに加えて、多くの機能を果たす。これは、電圧遮断、キャプティブファスナ900のための機械的支持体、電力接点曲げ工程のためのガイド、ゲル被膜のためのエントリゾーン、ゲル被膜工程のためのベント、及び自己強化内部リブ812を含む。これらの特徴の多くは、図16及び図17に示されている。高アスペクト比のトレンチは、電力接点400の周囲に置かれ、電圧遮断機能を増大させる露出金属接点の間の表面距離を増大させる。
本文献で前に考察したように、電力モジュール100は、様々な有用な電力電子トポロジーに構成可能である。それらは、ハーフブリッジ、共通ソース、及び共通ドレインを含む。電力基板300及びゲート及びソースケルビン基板600、並びに電力接点400及びハウジング800の変更によるチャネルの分割は、フルブリッジ、共通ソース二重チャネル、及び共通ドレイン二重チャネルを含む3つ以上の構成を可能にする。
電力モジュール100
電力ループ110
共有電流路120
第1の外部構成150
二重チャネル配置152
底板200
装着孔203
スタンドオフ210
ネジ付き孔212
ネジ付き孔290
電力基板300
金属層302
第1のトポロジーパターンのハーフブリッジ基板(half bridge substrate)330
第2のトポロジーパターンの共通ソース基板(common source substrate)340
第3のトポロジーパターンの共通ドレイン基板(common drain substrate)350
電力接点400
第1の電力接点410
第2の電力接点420
第3の電力接点430
基部450
接着面452
半田キャッチ454
垂直体460
第1の曲げ462
前縁464
反対面466
接点上部470
第2の曲げ472
上側位置480
下側位置490
電力デバイス500
第1の並列電力デバイス501
第2の並列電力デバイス502
第3の並列電力デバイス503
第4の並列電力デバイス504
第5の並列電力デバイス505
第6の並列電力デバイス506
第7の並列電力デバイス507
第8の並列電力デバイス508
第9の並列電力デバイス509
第10の並列電力デバイス510
第11の並列電力デバイス511
ゲート及びソースケルビン相互接続基板600
第1の相互接続チャネル602
外側ダイ開口603
第2の相互接続チャネル604
内側ダイ開口605
第1の相互接続位置611
第2の相互接続位置612
第3の相互接続位置613
第4の相互接続位置614
個々の安定抵抗器(individual ballast resistors)640
接着位置642
ゲートトラック650
ゲートパッド651
ソーストラック652
相互接続チャネル654
ゲート駆動接続700
第1のゲート駆動接続位置701
第2のゲート駆動接続位置702
第3のゲート駆動接続位置703
第4のゲート駆動接続位置704
ハウジング800
沿面拡張器802
被膜エントリ及びベント804
キャプティブファスナ開口(captive fasteners apertures)806
ラベル区域808
電力接点ピンチ及び半径810
強化リブ812
ボルト孔コア部分814
ボルトヘッド逃し凹部816
ファスナインサート818
電力接点通路スライス820
ワイヤ結合クリアランス開口822
ボルト830
ファスナ900
Claims (18)
- 電力モジュール装置であって、
トポロジーパターンを定める底板と、
前記底板の上方に位置決めされた電力基板と、
各々が前記電力基板に電気的に接続された少なくとも2つの電力接点と、
前記電力接点に電気的に接続された少なくとも2つの並列共有電流路電力デバイスと、 前記電力基板の上方に装着されたゲート及びソース基板であって、該ゲート及びソース基板が、第1の相互接続チャネル及び第2の相互接続チャネルを含み、各相互接続チャネルが、位置群から選択された相互接続位置に装着され、該位置群が、第1の相互接続位置、第2の相互接続位置、第3の相互接続位置、及び第4の相互接続位置から構成される、前記ゲート及びソース基板と、
前記ゲート及びソース基板に電気的に接続されたゲート駆動コネクタと、
前記電力基板に固定されたハウジングであって、前記ゲート駆動コネクタ及び前記電力接点が該ハウジングを通って延び、該ハウジングがファスナ開口を定める、前記ハウジングと、
前記ファスナ開口に位置決めされたファスナと、
を含み、
前記電力接点は、前記ファスナを前記ファスナ開口に保持するために該ファスナ開口上で曲げられる、
ことを特徴とする装置。 - 前記トポロジーパターンは、ハーフブリッジ基板を形成する、
ことを特徴とする請求項1に記載の装置。 - 前記第1の相互接続チャネルは、前記第1の相互接続位置に装着され、
前記第2の相互接続チャネルは、前記第3の相互接続位置に装着される、
ことを特徴とする請求項2に記載の装置。 - 前記トポロジーパターンは、共通ソース基板を形成する、
ことを特徴とする請求項1に記載の装置。 - 前記第1の相互接続チャネルは、前記第1の相互接続位置に装着され、
前記第2の相互接続チャネルは、前記第4の相互接続位置に装着される、
ことを特徴とする請求項4に記載の装置。 - 前記トポロジーパターンは、共通ドレイン基板を形成する、
ことを特徴とする請求項1に記載の装置。 - 前記第1の相互接続チャネルは、前記第2の相互接続位置に装着され、
前記第2の相互接続チャネルは、前記第3の相互接続位置に装着される、
ことを特徴とする請求項2に記載の装置。 - 前記少なくとも2つの並列共有電流路電力デバイスは、第1の並列電力デバイス、第2の並列電力デバイス、及び第3の並列電力デバイスを含む、
ことを特徴とする請求項1に記載の装置。 - 前記少なくとも2つの並列共有電流路電力デバイスは、第4の並列電力デバイスを含む、
ことを特徴とする請求項8に記載の装置。 - 前記少なくとも2つの並列共有電流路電力デバイスは、第5の並列電力デバイス及び第6の並列電力デバイスを含む、
ことを特徴とする請求項9に記載の装置。 - 前記少なくとも2つの並列共有電流路電力デバイスは、第7の並列電力デバイス及び第8の並列電力デバイスを含む、
ことを特徴とする請求項10に記載の装置。 - 前記少なくとも2つの並列共有電流路電力デバイスは、第9の並列電力デバイス及び第10の並列電力デバイスを含む、
ことを特徴とする請求項11に記載の装置。 - 前記少なくとも2つの並列共有電流路電力デバイスは、第11の並列電力デバイスを含む、
ことを特徴とする請求項12に記載の装置。 - 前記ハウジングは、被膜エントリ及びベントを定める、
ことを特徴とする請求項1に記載の装置。 - 前記ハウジングは、前記少なくとも2つの電力接点のうちの1つを受け入れて曲げるための電力接点ピンチ及び半径を定める、
ことを特徴とする請求項1に記載の装置。 - 並列に位置決めされた多重電力ダイと共に使用するためのゲート及びソース基板装置であって、
前記多重電力ダイを並列化するトラックと、
前記トラックと並列に位置決めされた少なくとも2つのゲート結合パッドと、
前記少なくとも2つのゲート結合パッドの各々を前記トラックに選択的に接続する個々の安定抵抗器と、
を含むことを特徴とする装置。 - 前記トラックは、ゲートトラックである、
ことを特徴とする請求項16に記載の装置。 - 前記トラックは、ソーストラックである、
ことを特徴とする請求項17に記載の装置。
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