CN102800801B - 电冷却的功率模块 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电冷却的功率模块。在一种实施方式中，提供一种用于在交通工具中冷却电气部件的装置。该装置包括功率模块，功率模块包括用于转换能量的电气部件。功率模块包括第一印刷电路板（PCB），第一印刷电路板包括第一陶瓷衬底且用于接收电气部件。功率模块还包括结合到第一PCB的多个热电元件，用于将热量从电气部件中排出。功率模块还包括第二PCB，第二PCB包括第二陶瓷衬底且结合到多个热电元件，第一陶瓷衬底和第二陶瓷衬底用于将电气部件与第一PCB和第二PCB电隔离并用于实现从电气部件通过多个热电元件的热传导。

Description

电冷却的功率模块

相关申请的交叉引用

本申请要求2011年5月27日提交的美国临时申请第61/490,754号的权益，并要求2012年5月21日提交的美国申请第13/476,249号的优先权，其公开内容据此以引用的方式整体并入。

技术领域

本文提出的实施方式大体涉及一种交通工具中的电冷却功率模块。

背景

已知提供一种用于冷却产生各种数量热量的电子器件的机构。以下提出控制电子设备温度的一个示例。

授予Ramanathan等的美国专利公布第2005/0077619号提供具有形成在管芯(die)上的热电器件的微电子组件，以当电流流经热电器件时将热量从管芯泵离。在一种实施方式中，热电器件被包含在管芯有源侧上的传导互连元件之间。在另一种实施方式中，热电器件位于管芯的背侧上并电连接到管芯前侧上的载体衬底。在其他实施方式中，热电器件形成在辅助衬底上并转移到管芯。

概述

在一种实施方式中，提供了一种用于在交通工具中冷却电气部件的装置，所述装置包括：

功率模块，所述功率模块包括用于在交通工具中转换能量的所述电气部件，所述功率模块包括：

第一印刷电路板(PCB)，所述第一印刷电路板包括第一陶瓷衬底且用于接收所述电气部件；

多个热电元件，所述多个热电元件定位在所述第一PCB的下侧上，用于将热量从所述电气部件排出；以及

第二PCB，所述第二PCB包括第二陶瓷衬底且用于将所述多个热电元件接收在所述第二PCB的顶侧上，所述第一陶瓷衬底和所述第二陶瓷衬底用于将所述电气部件与所述第一PCB和所述第二PCB电隔离并用于提供从所述电气部件通过所述多个热电元件的热传导。

在一种实施方式中，提供一种用于在交通工具中冷却电气部件的装置。该装置包括功率模块，功率模块包括用于转换能量的电气部件。功率模块包括第一印刷电路板(PCB)，第一印刷电路板包括陶瓷衬底且用于接收电气部件。功率模块还包括结合到第一PCB的多个热电元件(thermoelectriccell)，用于将热量从电气部件中排出。功率模块还包括第二PCB，第二PCB包括第二陶瓷衬底且结合到多个热电元件，第一陶瓷衬底和第二陶瓷衬底用于将电气部件与第一PCB和第二PCB电隔离并用于增加从电气部件通过多个热电元件的热传导。

在另一种实施方式中，提供了一种用于在交通工具中冷却电气部件的装置，所述装置包括：

功率模块，所述功率模块包括用于转换能量的所述电气部件，所述功率模块包括：

第一印刷电路板(PCB)，所述第一PCB包括用于接收所述电气部件的第一衬底；

多个热电元件，所述多个热电元件结合到所述第一陶瓷衬底，用于将热量从所述电气部件排出；

第二PCB，所述第二PCB包括第二衬底，所述第二衬底结合到所述多个热电元件，以及

冷却单元，所述冷却单元用于从所述第二PCB接收来自所述电气部件的热量。

附图简述

本公开的实施方式特别是在所附权利要求中指出。然而，通过参照以下详述并结合附图，不同实施方式的其他特征将变得更加明显并且将被最好地理解，附图中：

图1指示根据一种实施方式用于电冷却功率模块的装置；

图2指示根据一种实施方式的电冷却的功率模块的详细图示；

图3指示根据一种实施方式用于形成电冷却的功率模块至少一部分的方法，以及

图4指示根据一种实施方式的封装功率模块。

详细描述

根据需要，本文公开了本发明的详细实施方式；然而要理解，公开的实施方式仅仅是可以以各种且可选择的形式实施的本发明的示例。附图无需按照比例；一些特征可以被放大或减到最小以显示具体构件的细节。因此，本文公开的具体结构和功能的细节不应理解为限制，而仅仅是用于教导本领域技术人员以不同方式实施本发明的代表性基础。

本公开的实施方式大体提供用于多个电路和/或电气设备。所有对电路或电气设备的参照以及每一个提供的功能性不旨在限于仅仅在本文中阐示和描述的包含物。虽然具体的符号可指定公开的不同电路或其他电气设备，但是这些符号不旨在限制电路和/或其他电气设备的操作范围。这些电路和/或其他电气设备可以基于需要的电气器具的具体类型以任何方式相互组合和/或分离。意识到，本文公开的所有电路和/或其他电气设备可包括任何数量的微处理器、集成电路、记忆设备(例如FLASH、RAM、ROM、EPROM、EEPROM或其其他的适当变型)以及相互共同作用以执行本文公开的操作的软件。

电动交通工具(“EV”)和混合电动交通工具(HEV)使用功率切换设备或电子器件以引导电能流到达马达，或往来于一个或多个电池，或者甚至往来于家用电源。即使功率切换设备以高效的方式实施，在电能转移过程中也可能呈现能量损失。此能量损失可能是以热量损失的形式。所以，只要产生热量就消除来自功率切换设备的热量可能是有益的。另外，通过电能获取热量形式的浪费能量可能是有益的。

本文提出的各种实施方式大体提供用于包括至少一个电气部件的功率模块，其中的电气部件产生热量同时转换能量。热电单元结合到电气部件，用于在温度超过预定阈值的情形下从其中排出热量。热电单元从电源提供功率以将热量排出电气部件。在温度低于预定阈值的情形下，热电单元可以转换其顶部部分和底部部分之间的热差，以产生电能并向电源提供该电能。

热电单元包括第一印刷电路板(PCB)、第二PCB和多个热电元件。多个热电元件定位在第一PCB和第二PCB之间。第一PCB和第二PCB中的每一个由直接敷铜(directcopperbonding，DCB)形成并且每一个其中通常包括陶瓷衬底。DCB的使用与第一PCB和第二PCB内陶瓷衬底的使用一起，已经被发现用于提供足够的电隔离(即，从电气部件)并用于增加热传导(即，从电气部件通过热电元件)。

图1指示根据一种实施方式用于电冷却功率模块12的系统10。系统10还包括控制器14和电源16。通常，功率模块12可定位在交通工具中并可用于将高能量(hi-energy)从一种形式转换成另一种形式。例如，功率模块12可被实施为转换器、逆变器或其他合适的设备，其中的转换器为例如将高DC电压转换成低DC能量(或反之亦然)的DC/DC转换器，逆变器将高DC电压转换成AC电压。

功率模块12可包括有助于将高能量从一种形式转换成另一种形式的任何数量的电气部件18。电气部件18可以是功率切换设备，例如绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、金属氧化物半导体场效应晶体管、结栅型场效应晶体管(JFET)、双极结型晶体管、二极管、晶闸管等。通常，电气部件18可具有通常以散失热量形式的效率损失。此热量应该从功率模块12提取或从中消逝，以避免电气部件18温度上过度的增加。另外，可能存在电气部件18的劣化，这将导致性能减低的寿命减少。

冷却单元20可操作地结合到电气部件18以从中排出热量。冷却单元20大体像散热装置一样作用并且包括内部回路(或冷却环路)(未示出)，内部回路用于在功率模块12的一个或多个部分中循环空气或液体(例如水、乙二醇等)，用于将热量从电气部件18中排出。泵(未示出)可围绕功率模块12推动液体，其中热量被转移到循环液体从而降低电气部件18的温度。虽然冷却单元20在热交换方面可能是有效的，但是其对电气部件18中温度变化的反应可能很慢，这不仅由于冷却单元20的整体惯性而且还由于热路径的整体长度。另外，功率被需要用于操作冷却单元20。冷却单元20可以通过控制器14提供功率(其从电池16接收其功率)或者可以从电池16直接提供功率。

热电单元22定位在电气部件18和冷却单元20之间。热电单元22被定位以物理地接触电气部件18。通过定位热电单元22使其物理地接触电气部件18，电气部件18产生的热量的全部热路径可被缩短，这将允许电气部件18以更快的速度冷却。将此布局与不包括热电单元22的实现相比，能够看到电气部件18和冷却单元20之间的热路径更大，这表示其冷却电气部件的时间可能更长。热电单元22大体包括用于从电气部件18向冷却单元20排放热量的多个珀耳帖单体(Peltiercell)。热电单元22被构造以在单元22的顶侧和单元22的底侧之间出现温差时产生电压。另外，热电单元22被构造以在向电气部件18提供功率时产生温差并冷却电气部件18。

温度传感器24邻近电气部件18定位，用于提供电气部件18的温度。温度传感器24向控制器14传送信号TEMP(温度)，该信号为电气部件18温度的指示。控制器14确定电气部件18的温度是否大于温度阈值。如果电气部件18的温度大于温度阈值，则控制器14确定其可能需要激发热电单元22内不同珀耳帖单体的阵列，以从电气部件18排出热量并到达冷却单元20。例如，控制器14借助于信号POWER_1(功率_1)激发热电单元22，使得热电单元22冷却其与电气部件18接触的上部部分，从而将上部部分迅速地冷却。在此情形下，控制器14可以将接收自电池16的至少部分功率通过信号POWER_1传递到热电单元22。

控制器22还可以借助于信号POWER_2(功率_2)向冷却单元20提供功率，以使冷却单元能够关于功率模块12循环液体。控制器14可以将接收自电池16的至少部分功率通过信号POWER_2传递到冷却单元20。

在控制器14借助于信号TEMP确定电气部件18的温度小于温度阈值时，则控制器14停止向热电单元22提供功率，并且不需要在电气部件18处提供迅速的冷却操作。在此情形下，在热电单元22处可能呈现热差。例如，热电单元22的顶部可能热而热电单元22的底部可能冷，从而将此温差转换成电能。功率模块12然后可以借助于信号ENERGY(能量)将产生的电能转移回到控制器14，用于输送回电池16。例如，控制器14可以在将回收的能量输送回电池16之前调整回收的能量。可选择地，如果不需要调整产生的功率，则功率模块12可以简单地向电池16直接提供产生的功率。另外，功率模块12可以向控制器14转移产生的电能，以支持交通工具电气网络19内的各种负载所需的能量需求。

通常，设置在功率模块12内的热电单元22不仅可以允许额外的热提取机构，而且还可以在热电单元22内提供对电气部件18的操作温度的精确调节。另外，热电单元22接近电气部件18的定位这一做法可以通过提供更恒定的操作温度(即，更短的热循环)来减小产生的热应力。另外，当以更低且更柔和的温度变化工作时，电气部件18的特征和性能可能更加稳定且可预测。

将热电单元22整合在功率模块12内可减小功率模块12的整体尺寸并增加整体的功率密度。另外，控制器14控制热电单元22以迅速的方式进入冷却模式的实现，可能增加电气部件18的切换频率。由于更高的频率，限定的磁性无源部件的整体尺寸还可以被减小，这将还导致功率密度上的提高。功率密度通常定义为用于管理给定数值的功率需要的电子系统容积之间的比率(例如，瓦特/公升)。通常，更高的比率被认为是对于汽车市场来说更理想的。

图2指示根据一种实施方式的电冷却的功率模块12的详细示图。功率模块12还包括多个连接引脚26a-26n(“26”)和第一多个引线键合物(wirebond)28a-28n(“28”)。每个引脚26可以结合到控制器14和/或用于转换能量目的的其他设备。每个连接引脚28借助于相应的引线键合物28结合到控制器14和/或其他设备。

热电单元22包括第一印刷电路板(PCB)30、第二PCB32和定位在其之间的多个热电元件34a-34n(“34”)。连接引脚26a借助于引线键合物28a结合到第一PCB30。连接引脚26n借助于引线键合物28n结合到第二PCB32。引脚26用于偏置热电元件34。例如，控制器14可以借助于引脚26a和26n在一个极性中提供功率，用于控制热电元件34以冷却电气部件18。认识到虽然图2阐示了位于功率模块12的第一侧上的单个连接引脚26a和位于功率模块12的第二侧上的单个连接引脚26n，但是可能以排状方式在功率模块12的第一侧上与连接引脚26a一起定位任意数量的连接引脚，并且可能以排状方式在功率模块12的第二侧上与连接引脚26n一起定位任意数量的连接引脚。控制器14可接收由热电元件34产生的能量并能够使接收自热电单元22的能量提供到电池16或提供到交通工具电气网络19。

热电元件34可以是由碲化铋(BiTe)形成的珀耳帖单体。第一和第二PCB30和32中的每一个由直接敷铜(DCB)类型形成。这通常意味着陶瓷衬底被提供用于第一PCB30和第二PCB32中的每一个。另外，铜层被附接或结合在陶瓷衬底的每一侧。DCB板可提供最佳的性能(例如，热传导、力学支撑和电隔离)。第一管芯连接件36定位在电气部件18和热电单元22之间。第一管芯连接件36通常定义为将电气部件18附接到第一PCB30的元件。例如，管芯连接件36可以是传导性的合金并包括粘结性能。管芯连接件36通常能够提供足够的热转移用于迅速的热流动。

基板38定位在冷却单元20上。固定设备40定位在第二PCB32和冷却单元20之间。框架(或外壳)42可包围连接引脚26、电气部件18、热电单元22和基板38的至少一部分并用于形成这些部件上的封装。通常，电气部件18、第一PCB30、热电元件34、第二PCB32、第一管芯连接件36、基板38(即，功率模块12)和冷却单元20形成用于将热量从电气部件18中排至环境中的热路径。

功率模块12通常借助于基板38固定到冷却单元20。基板38在热电单元22和冷却单元20之间提供接触界面以最小化热阻。以此方式，由硅(例如，电气部件18)产生的热量通过热路径消散。

图3指示根据一种实施方式用于形成电冷却的功率模块12的至少一部分的方法50。

在操作52中，提供第一PCB30和第二PCB32。第一PCB30和第二PCB32中的每一个由DCB形成。第一PCB30包括第一铜(Cu)层和第二铜层70以及陶瓷衬底72。第二PCB32也包括第一Cu层和第二Cu层70以及陶瓷衬底72。陶瓷衬底72可以电隔离第一PCB30和第二PCB32，并且当与FR4或CEM3PCB(或者甚至衬垫或油脂)相比时，还提供从电气部件18通过热电元件34a-34b增加水平的热量的热传导。

虽然与FR4和CEM3基的PCB相比，陶瓷衬底72提供了改进的热传导，但是由金属提供的热传导可能更好。然而，电隔离可能因为金属的使用而降低。陶瓷衬底72的使用提供了可接受水平的热传导，同时将第一PCB30和第二PCB32与电气部件18电隔离。

在操作54中，各Cu层70被蚀刻，用于在第一PCB30和第二PCB32中的每一个上提供多个铜部分74。在第一PCB30上，单个的铜区域76被提供用于接收电气部件18。铜区域76的总尺寸可大于每个铜部分74的尺寸。

在操作56中，电气部件18通过高温合金(例如PbSnAg)(或第一管芯连接件36)在300℃的熔化温度附接到铜区域76。高温合金可以具有300℃的熔化温度。

在操作58中，热电元件34附接到定位在第一PCB30下侧上和定位在第二PCB32顶侧上的相应铜部分74。热电元件34a可以是p型热电元件且热电元件34b可以是n型热电元件。热电元件34借助于第二管芯连接件37(例如焊接剂或合金例如SnAg)在221℃等的中间温度附接。设想在操作58中使用的合金(例如第二管芯连接件37)的熔化温度小于在操作56中使用的PbSnAg基的合金(例如第一管芯连接件36)的熔化温度，以确保在电气部件18上不会实现第一管芯连接件36额外的可能导致缺陷的熔化。

为了在热电元件34上避免过度的热力学应力，在焊接操作期间呈现的回流温度梯度应该是平缓的并且铜部分34的布局应该最小化以避免膨胀差别。例如，通过使用多个铜部分74从而在各个铜部分74之间形成间隙，此状态可以使第一PCB30的底侧上的铜部分74和第二PCB32的顶侧上的多个铜部分74之间的膨胀力相等。为此，焊接多个热电元件34期间(和冷却之后)提供的扭力被最小化，并且破坏一个或多个热电元件74的风险被最小化。

在操作60中，引线键合物28a和28n附接在功率模块12内。

在操作62中，定位在第二PCB32下侧上的铜部分74借助于第三管芯连接件39(例如焊接剂或合金)附接到基板38。在此操作中，第三管芯连接件39的焊接温度小于第二管芯连接件37的焊接温度以确保操作58中使用的第二管芯连接件37不受此操作的影响(即，不熔化)。在一种示例中，第三管芯连接件39可以是SnPb并可具有180℃的熔化温度。基板38可包括在功率模块12附接到基板38时附接到基板38的框架42。另外，连接引脚26可以固定到相应的铜部分74。

认识到可以执行可选择的焊接步骤。例如，热电元件34可以首先焊接，假如热电元件74的材料能够经受高温，在此之后，电气部件18可以随后以小于需要用于焊接热电元件34的温度的温度被焊接。

在操作64中，在电气部件18的顶部上和引线键合物28a-28n上施加球顶封装体80。

图4指示根据另一实施方式的封装的功率模块12。例如，与如结合图3提到的操作62和64中所示的焊接在各个铜部分74上的这样的引脚26不同，所示功率模块12可包括过模制到框架42中的连接引脚26。提供额外的引线键合物28以将引脚26电连接到第一PCB30的相应铜部分74并连接到第二PCB32的相应铜部分74。功率模块12的内部空间可包括密封剂，例如柔软的硅酮。一旦填充，功率模块12的盖被封闭从而封装功率模块12。

虽然以上描述了示例性实施方式，但是并不意指这些实施方式描述了本发明的所有可能形式。更确切地，说明书中使用的文字是描述性的而不是限制性的文字，并且应理解，可以做出多种改变而不偏离本发明的精神和范围。另外，各种可执行的实施方式的特征可以组合以形成本发明的其他实施方式。

Claims (15)

1.一种用于在交通工具中冷却电气部件的装置，所述装置包括：

功率模块，所述功率模块包括用于在交通工具中转换能量的所述电气部件，所述功率模块包括：

第一印刷电路板，所述第一印刷电路板包括第一陶瓷衬底且用于接收所述电气部件；

多个热电元件，所述多个热电元件定位在所述第一印刷电路板的下侧上，用于将热量从所述电气部件排出；以及

第二印刷电路板，所述第二印刷电路板包括第二陶瓷衬底且用于将所述多个热电元件接收在所述第二印刷电路板的顶侧上，所述第一陶瓷衬底和所述第二陶瓷衬底用于将所述电气部件与所述第一印刷电路板和所述第二印刷电路板电隔离并用于提供从所述电气部件通过所述多个热电元件的热传导，

其中所述多个热电元件被构造以在其顶部部分和其底部部分之间呈现温差的情形下产生电能，以及

其中所述功率模块包括输出端，用于将所述电能的至少一部分提供到以下中的一个：

电池，以存储所述电能的至少一部分，以及

交通工具电气网络，以支持在所述交通工具电气网络内的各种负载的能量需求。

2.根据权利要求1所述的装置，其中所述功率模块包括在所述电气部件附近定位的温度传感器，用于传送指示所述电气部件的温度的温度信号。

3.根据权利要求2所述的装置，还包括控制器，所述控制器被构造以接收所述温度信号，并且在所述温度信号指示出所述电气部件的温度处于温度阈值以上的情形下，向所述多个热电元件提供功率。

4.根据权利要求1所述的装置，还包括冷却单元，所述冷却单元包括冷却环路，所述冷却环路用于与所述电气部件和所述多个热电元件热连通，以用于提供热路径从而将热量从所述电气部件消散到环境中。

5.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一印刷电路板和所述第二印刷电路板由直接敷铜的类型形成。

6.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一印刷电路板和所述第二印刷电路板中的每一个包括多个铜部分，用于接收相应的热电元件。

7.一种用于在交通工具中冷却电气部件的装置，所述装置包括：

功率模块，所述功率模块包括用于转换能量的所述电气部件，所述功率模块包括：

第一印刷电路板，所述第一印刷电路板包括第一陶瓷衬底且用于接收所述电气部件；

多个热电元件，所述多个热电元件结合到所述第一印刷电路板，用于将热量从所述电气部件排出；以及

第二印刷电路板，所述第二印刷电路板包括第二陶瓷衬底，且结合到所述多个热电元件，所述第一陶瓷衬底和所述第二陶瓷衬底用于将所述电气部件与所述第一印刷电路板和所述第二印刷电路板电隔离并用于提供从所述电气部件通过所述多个热电元件的热传导，

其中所述多个热电元件被构造以在其顶部部分和其底部部分之间呈现温差的情形下产生电能，以及

其中所述功率模块包括输出端，用于将所述电能的至少一部分提供到以下中的一个：

电池，以存储所述电能的至少一部分，以及

交通工具电气网络，以支持在所述交通工具电气网络内的各种负载的能量需求。

8.根据权利要求7所述的装置，还包括冷却单元，所述冷却单元包括冷却环路，所述冷却环路用于与所述电气部件和所述多个热电元件热连通，以用于提供热路径从而将热量从所述电气部件消散到环境中。

9.根据权利要求8所述的装置，其中所述冷却单元定位在所述电气部件和所述多个热电元件下方。

10.根据权利要求7所述的装置，其中所述第一印刷电路板和所述第二印刷电路板由直接敷铜的类型形成。

11.根据权利要求7所述的装置，其中所述第一印刷电路板和所述第二印刷电路板中的每一个包括多个铜部分，用于接收相应的热电元件。

12.一种用于在交通工具中冷却电气部件的装置，所述装置包括：

功率模块，所述功率模块包括用于转换能量的所述电气部件，所述功率模块包括：

第一印刷电路板，所述第一印刷电路板包括第一陶瓷衬底，用于接收所述电气部件；

多个热电元件，所述多个热电元件结合到所述第一陶瓷衬底，用于将热量从所述电气部件排出；

第二印刷电路板，所述第二印刷电路板包括第二陶瓷衬底，结合到所述多个热电元件，以及

冷却单元，所述冷却单元用于从所述第二印刷电路板接收来自所述电气部件的热量，

其中所述多个热电元件被构造以在其顶部部分和其底部部分之间呈现温差的情形下产生电能，以及

其中所述功率模块包括输出端，用于将所述电能的至少一部分提供到以下中的一个：

电池，以存储所述电能的至少一部分，以及

交通工具电气网络，以支持在所述交通工具电气网络内的各种负载的能量需求。

13.根据权利要求12所述的装置，其中所述冷却单元包括冷却环路，所述冷却环路用于排出来自所述电气部件的电热量。

14.根据权利要求12所述的装置，其中所述第一陶瓷衬底将所述第一印刷电路板与所述电气部件电隔离。

15.根据权利要求14所述的装置，其中所述第二陶瓷衬底将所述第二印刷电路板与所述电气部件电隔离以提供通过所述多个热电元件的热传导。