一種功率器件分立式的車用逆變器的制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型屬于車用電機(jī)控制器節(jié)能【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種功率器件分立式的車用逆變器。在車用逆變器的功率器件封裝成的分立器件與散熱器之間設(shè)置厚金屬層，厚金屬層與功率器件封裝成的分立器件之間通過導(dǎo)熱層連接，厚金屬層與散熱器之間設(shè)置絕緣導(dǎo)熱墊片。采用該方案后，功率器件的過流能力按照額定功率進(jìn)行計(jì)算；峰值功率作用在功率器件上所產(chǎn)生的熱量，則由增加的厚金屬層吸收并傳導(dǎo)給散熱器，從而將功率器件的溫升控制在安全范圍內(nèi)。由于采用額定功率進(jìn)行設(shè)計(jì)，功率器件的硅片面積會(huì)相對(duì)減小，從而降低成本。
【專利說明】一種功率器件分立式的車用逆變器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于車用電機(jī)控制器節(jié)能【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種功率器件分立式的車用逆變器。

【背景技術(shù)】
[0002]車用電機(jī)控制器主要由控制核心與逆變器構(gòu)成。逆變器是電力電子變換器的一種，功能是將直流電輸入轉(zhuǎn)化為交流電輸出。由于車輛行駛工況的特點(diǎn)，車用逆變器需要有大的峰值電流輸出能力，而其持續(xù)電流輸出能力要求則相對(duì)較小。峰值電流一般是持續(xù)電流的1.5?2倍。峰值電流持續(xù)時(shí)間通常不超過10s，對(duì)應(yīng)于車輛的加速、啟動(dòng)等工況。
[0003]車用逆變器的成本中，功率器件約占45%，功率器件中硅片成本占約70%，所以減小硅片的使用將大幅度降低逆變器的成本。設(shè)功率器件短時(shí)峰值損耗造成的器件結(jié)溫Tj的溫升為Λ T_ak，功率器件在持續(xù)運(yùn)行時(shí)的額定損耗造成的L的溫升為ΛΤ_η。功率器件的最高允許結(jié)溫溫升為Λ Tjmax (通常Λ Tjmax為一定值)。逆變器設(shè)計(jì)時(shí)，Λ Tjpeak和Λ Tjcon都不能超過
[0004]當(dāng)ΛTjpeak大于Λ Tjcon時(shí)，需要使用峰值電流進(jìn)行功率器件容量設(shè)計(jì)。當(dāng)Λ Tjpeak小于，則可以使用額定電流進(jìn)行功率器件容量設(shè)計(jì)。使用額定電流設(shè)計(jì)需要的硅片面積要小于使用峰值電流設(shè)計(jì)的硅片面積，進(jìn)而硅片成本更低。
[0005]根據(jù)傳熱學(xué)理論，功率器件的Tj溫升Λ Tj為功率器件的損耗功率Pdiss和散熱熱阻的乘積。減小功率器件的損耗和減小散熱熱阻，是提升逆變器容量的兩個(gè)重要方面。在相同硅片設(shè)計(jì)下，減小功率器件損耗需要更多的功率器件并聯(lián)使用，帶來成本大幅上升。因此改善散熱設(shè)計(jì)是提高逆變器容量的有效渠道。
[0006]目前通常用的功率器件有兩種，標(biāo)準(zhǔn)封裝的分立器件和特殊封裝的功率模塊。分立器件的常見結(jié)構(gòu)如圖1所示，本發(fā)明主要針對(duì)分立器件進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。
[0007]分立器件內(nèi)部將硅片2通過內(nèi)導(dǎo)熱層3焊接在散熱層4上，并通過注模將其分裝成一個(gè)分立器件，應(yīng)用時(shí)將分立器件通過絕緣導(dǎo)熱墊片7與散熱器8連接。由于散熱層4具有電氣屬性，所以絕緣導(dǎo)熱墊片7除了具有導(dǎo)熱功能外，還需要將散熱層4和散熱器8進(jìn)行絕緣隔離。在這一設(shè)計(jì)中，硅片的主要散熱路徑是向下的，如圖1中的黑色虛線所示，在散熱器8上能夠進(jìn)行有效散熱的面積有限，散熱器8與冷卻媒介的熱阻較高。由此可見，傳統(tǒng)的分立器件結(jié)構(gòu)在應(yīng)用過程中，散熱器8的有效散熱面積利用率較低，熱阻R2較大。當(dāng)處于熱平衡狀態(tài)時(shí)，有L = Tc^lanJPdiss(RJR2)，ATj較高。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本實(shí)用新型針對(duì)上述缺陷，提供了一種功率器件分立式的車用逆變器。
[0009]本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案為:
[0010]功率器件封裝成的分立器件與散熱器之間設(shè)置厚金屬層，厚金屬層與功率器件封裝成的分立器件之間通過外導(dǎo)熱層連接，厚金屬層與散熱器之間設(shè)置絕緣導(dǎo)熱墊片。[0011 ] 所述厚金屬層采用的材料為銅。
[0012]所述厚金屬層的平面尺寸大于所述功率器件封裝成的分立器件的平面尺寸；厚金屬層的厚度為5mm?1mm ；
[0013]所述厚金屬層的最小長(zhǎng)度為外導(dǎo)熱層的長(zhǎng)度與厚金屬層的厚度之和，厚金屬層的最小寬度為外導(dǎo)熱層的寬度與厚金屬層的厚度之和。
[0014]本實(shí)用新型的有益效果為:
[0015]傳統(tǒng)的電力電子器件散熱設(shè)計(jì)中，因?yàn)槌掷m(xù)電流下的損耗會(huì)遠(yuǎn)小于峰值電流下的損耗，在相同的溫升情況下，若使用峰值電流進(jìn)行功率器件的容量設(shè)計(jì)，需要增加更多的硅片面積減小熱阻R2，這大大增加了逆變器的成本。
[0016]本實(shí)用新型中，厚金屬層的增加，在散熱路徑上添加了 R3, C3，其中，R3非常小而C3非常大。厚金屬層具有一定的厚度，除了在垂直方向提供主要散熱路徑外，在橫向方面也可以傳導(dǎo)走部份熱量，拓寬了熱路。從而使第二散熱器上的有效散熱面積增加，可以有效降低
R1 ο
[0017]增加的(:3對(duì)Λ Tjpeak有限值作用，而對(duì)八!^_無(wú)影響。當(dāng)C3足夠大到使ATjpeal^于ΛΤ_η時(shí)，功率器件的設(shè)計(jì)即可以使用額定電流進(jìn)行設(shè)計(jì)，減小成本。
[0018]厚金屬層具有導(dǎo)電特性，厚金屬層與功率器件進(jìn)行可靠電連接，可以降低功率器件周圍的電流密度，減小發(fā)熱。
[0019]本實(shí)用新型在不改變分立器件結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了更大的器件峰值電流承載能力，有效地增加了散熱器的有效散熱面積，減小散熱器熱阻，降低結(jié)溫溫升，可以在相同規(guī)格的功率器件條件下，實(shí)現(xiàn)大的短時(shí)峰值功率。利用額定電流能力選擇功率模塊，獲得相對(duì)低的成本。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1 (a)和圖1 (b)分別為傳統(tǒng)的功率器件分立式的車用逆變器的結(jié)構(gòu)示意圖及等效電路不意圖；
[0021]圖2(a)和圖2(b)分別為本實(shí)用新型提出的改進(jìn)后的車用逆變器的結(jié)構(gòu)示意圖及等效電路不意圖。
[0022]圖中標(biāo)號(hào):
[0023]1-注模；2_硅片層；3_內(nèi)導(dǎo)熱層；4_散熱層；5_外導(dǎo)熱層；6_厚金屬層；7_絕緣導(dǎo)熱墊片；8_散熱器。

【具體實(shí)施方式】
[0024]本實(shí)用新型提供了一種功率器件分立式的車用逆變器，下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步說明。
[0025]如圖2 (a)和圖2 (b)所示，注模1、硅片層2、內(nèi)導(dǎo)熱層3和散熱層4組成功率器件，并封裝成分立器件。在功率器件封裝成的分立器件與散熱器8之間設(shè)置厚金屬層6，厚金屬層6與功率器件封裝成的分立器件之間通過外導(dǎo)熱層5連接，厚金屬層6與散熱器8之間設(shè)置絕緣導(dǎo)熱墊片7。
[0026]本實(shí)施例中，厚金屬層6采用的材料為銅，其平面尺寸比所述功率器件封裝成的分立器件散熱平面尺寸大8_ ;厚金屬層6的厚度為8mm.。
[0027]外導(dǎo)熱層5要求較高的導(dǎo)熱系數(shù)，同時(shí)考慮如下情況:
[0028](I)若外導(dǎo)熱層5能夠與厚金屬層6帶來可靠的電連接(如焊接、導(dǎo)電銀膠等方式)，該連接需要大面積接觸，不可出現(xiàn)點(diǎn)接觸。大電流通過厚金屬層6，實(shí)現(xiàn)小的電流密度；
[0029](2)若外導(dǎo)熱層5不能夠與厚金屬層6帶來可靠的電連接，導(dǎo)熱層只需要使用膠狀導(dǎo)熱脂填充間隙即可。所有的電流路徑設(shè)計(jì)不通過厚金屬層6 ；
[0030]該方案與傳統(tǒng)的方案對(duì)比，主要有如下優(yōu)勢(shì):
[0031](I)散熱器的傳熱面積增大，降低散熱器熱阻札。
[0032](2)提高峰值負(fù)載能力。厚金屬層具有較小的熱阻R3和非常大的熱容C3。從熱路圖中可以看出，由于C3非常大，可以長(zhǎng)時(shí)間吸收熱量而不達(dá)到熱平衡。因此即使在短時(shí)間的峰值損耗下也不會(huì)造成娃片的節(jié)溫升高。
[0033](3)降低電流密度。通過功率器件的電流通過厚金屬層與其他零件相連，厚金屬層降低了流過的電流密度，減小熱量的堆積，便于減小硅片的溫度應(yīng)力。
【權(quán)利要求】
1.一種功率器件分立式的車用逆變器，其特征在于，功率器件封裝成的分立器件與散熱器(8)之間設(shè)置厚金屬層(6)，厚金屬層(6)與功率器件封裝成的分立器件之間通過外導(dǎo)熱層(5)連接，厚金屬層(6)與散熱器(8)之間設(shè)置絕緣導(dǎo)熱墊片(7)。
2.根據(jù)要求I所述的功率器件分立式的車用逆變器，其特征在于，所述厚金屬層(6)采用的材料為銅。
3.根據(jù)要求I所述的功率器件分立式的車用逆變器，其特征在于，所述厚金屬層(6)的平面尺寸大于所述功率器件封裝成的分立器件的平面尺寸；厚金屬層(6)的厚度為5_?1mm0
4.根據(jù)要求3所述的功率器件分立式的車用逆變器，其特征在于，所述厚金屬層(6)的最小長(zhǎng)度為外導(dǎo)熱層(5)的長(zhǎng)度與厚金屬層(6)的厚度之和，厚金屬層(6)的最小寬度為外導(dǎo)熱層(5)的寬度與厚金屬層(6)的厚度之和。
【文檔編號(hào)】H01L23/367GK204045568SQ201420074497
【公開日】2014年12月24日 申請(qǐng)日期:2014年2月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月20日
【發(fā)明者】田光宇, 任晨佳, 陳紅旭, 程瀟驍 申請(qǐng)人:清華大學(xué)