專利名稱:功率轉(zhuǎn)換器中平面變壓器和/或平面電感器與功率開關(guān)的集成的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及電源系統(tǒng)，尤其涉及適合整流、反相和/或轉(zhuǎn)換電源和負載之間的電功率的功率模塊結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
功率模塊通常是變換和/或調(diào)節(jié)來自一個或多個電源的功率以便將功率供應(yīng)給一個或多個負載的獨立單元。通常被稱為“逆變器”的功率模塊將直流電(DC)變換成交流電(AC)，用在對AC負載的供電中。通常被稱為“整流器”的功率模塊將AC變換成DC。通常被稱為“DC/DC轉(zhuǎn)換器”的功率模塊升高或降低DC電壓。適當(dāng)配置和工作的功率模塊可以執(zhí)行這些功能的任何一個或幾個功能。術(shù)語“轉(zhuǎn)換器”通常一般性地應(yīng)用于所有功率模塊，不管是逆變器、整流器還是DC/DC轉(zhuǎn)換器，并通用地用在本文中。
許多應(yīng)用采用將高功率、高電流和/或高電壓從電源輸送到負載。例如，運輸應(yīng)用可能采用高功率來驅(qū)動諸如推動電動車或混合型電動車的牽引電機的負載。這樣的應(yīng)用可能采用各種各樣的電源中的一種或多種，例如，諸如燃料電源組或光電池組的產(chǎn)能電源，和/或諸如蓄電池組和/或超級電容器組的儲能電源。時常，這樣的應(yīng)用采用功率轉(zhuǎn)換器來變換和/或調(diào)節(jié)功率，例如，降低向負載供電的電壓。
功率轉(zhuǎn)換器通常采用功率半導(dǎo)體器件，譬如，絕緣柵雙極晶體管(IGBT)、金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)和/或半導(dǎo)體二極管。這些功率半導(dǎo)體器件在大功率工作期間散發(fā)出大量熱量，造成可能限制工作范圍、增加成本、增加尺寸和/或重量、負面影響效率和/或降低功率轉(zhuǎn)換器的可靠性的熱管理問題。
減輕熱管理問題的能夠大功率工作的功率轉(zhuǎn)換器的方法和/或結(jié)構(gòu)是人們迫切希望的。

發(fā)明內(nèi)容在一個方面中，一種功率轉(zhuǎn)換器包括散熱器；能夠產(chǎn)生磁場的磁芯；包括至少兩個導(dǎo)電和導(dǎo)熱層和至少一個電絕緣和導(dǎo)熱層的至少第一多層基底，第一多層基底的每個導(dǎo)電和導(dǎo)熱層通過各自一個電絕緣和導(dǎo)熱層與下一個相繼導(dǎo)電和導(dǎo)熱層電隔離，至少第一個導(dǎo)電和導(dǎo)熱層被圖案化以形成第一繞組，至少第二個導(dǎo)電和導(dǎo)熱層被圖案化以形成第二繞組，第一和第二繞組的每一個的至少一部分位于磁芯的磁場內(nèi)以形成平面變壓器，第一多層基底與散熱器熱耦合；以及與第一多層基底的導(dǎo)電和導(dǎo)熱層之一電耦合的至少第一功率半導(dǎo)體器件，第一功率半導(dǎo)體器件經(jīng)由第一多層基底與散熱器電隔離和熱耦合。
在另一方面中，一種功率轉(zhuǎn)換器包括散熱器；包括至少兩個導(dǎo)電和導(dǎo)熱層和至少一個電絕緣和導(dǎo)熱層的第一多層基底，第一多層基底的每個導(dǎo)電和導(dǎo)熱層通過各自一個電絕緣和導(dǎo)熱層與下一個相繼導(dǎo)電和導(dǎo)熱層電隔離；與第一多層基底的最外面一個導(dǎo)電和導(dǎo)熱層的一部分電耦合的至少第一功率半導(dǎo)體器件，第一功率半導(dǎo)體器件經(jīng)由第一多層基底與散熱器電隔離和熱耦合；能夠產(chǎn)生磁場的磁芯；以及包括至少兩個導(dǎo)電和導(dǎo)熱層和至少一個電絕緣和導(dǎo)熱層的至少第二多層基底，第二多層基底的每個導(dǎo)電和導(dǎo)熱層通過各自一個電絕緣和導(dǎo)熱層與下一個相繼導(dǎo)電和導(dǎo)熱層電隔離，至少第一個導(dǎo)電和導(dǎo)熱層被圖案化以形成第一繞組，至少第二個導(dǎo)電和導(dǎo)熱層被圖案化以形成第二繞組，第一和第二繞組的每一個的至少一部分位于磁芯的磁場內(nèi)以形成平面變壓器，第二多層基底與散熱器熱耦合。
在又一方面中，一種功率轉(zhuǎn)換器包括散熱器；至少包括第一層、第二層和第三層的第一多層基底，第一層包括被圖案化以形成第一電感器的導(dǎo)電和導(dǎo)熱材料，第二層包括電絕緣和導(dǎo)熱材料，以及第三層包括導(dǎo)電和導(dǎo)熱材料，第二層使第三層與第一層電隔離，第一多層基底的第三層與散熱器熱耦合；與第一層的第一部分熱耦合的至少第一功率半導(dǎo)體器件；帶有磁場的磁芯；和至少包括第一層、第二層和第三層的至少第二多層基底，第一層包括導(dǎo)電和導(dǎo)熱材料，第二層包括電絕緣和導(dǎo)熱材料，第三層包括導(dǎo)電和導(dǎo)熱材料，第二層使第三層與第一層電隔離，第三層被圖案化以形成第一繞組，第一層被圖案化以形成第二繞組，第一和第二導(dǎo)電層的至少一部分位于磁芯的磁場內(nèi)以形成平面變壓器，第二多層基底與散熱器熱耦合。
在再一個方面中，一種功率轉(zhuǎn)換器包括至少第一散熱器；能夠產(chǎn)生磁場的至少第一磁芯；包括至少兩個導(dǎo)電和導(dǎo)熱層和至少一個電絕緣和導(dǎo)熱層的至少第一多層基底，第一多層基底的每個導(dǎo)電和導(dǎo)熱層通過各自一個電絕緣和導(dǎo)熱層與下一個相繼導(dǎo)電和導(dǎo)熱層電隔離，至少第一個導(dǎo)電和導(dǎo)熱層被圖案化以形成至少第一平面變壓器的第一繞組和第一電感器的第一繞組，至少第二個導(dǎo)電和導(dǎo)熱層被圖案化以形成第一平面變壓器的第二繞組，平面變壓器的第一和第二繞組的每一個的至少一部分位于磁芯的磁場內(nèi)，第一多層基底與散熱器熱耦合；以及與第一多層基底的導(dǎo)電和導(dǎo)熱層之一電耦合的至少第一功率半導(dǎo)體器件，第一功率半導(dǎo)體器件經(jīng)由第一多層基底與散熱器電隔離和熱耦合。
在進一步的一個方面中，一種形成功率轉(zhuǎn)換器的方法包括提供散熱器；提供數(shù)個多層開關(guān)基底，每個多層開關(guān)基底包括至少兩個導(dǎo)電和導(dǎo)熱層和至少一個電絕緣和導(dǎo)熱層，多層開關(guān)基底的每個導(dǎo)電和導(dǎo)熱層通過各自一個電絕緣和導(dǎo)熱層與下一個相繼導(dǎo)電和導(dǎo)熱層隔離；對于每個多層開關(guān)基底，將至少一個各自的功率半導(dǎo)體器件焊接到多層開關(guān)基底的導(dǎo)電和導(dǎo)熱層之一上；對于每個多層開關(guān)基底，將多層開關(guān)基底的電絕緣和導(dǎo)熱層之一焊接到散熱器上；提供磁芯；提供多層變壓器基底，多層變壓器基底包括至少兩個導(dǎo)電和導(dǎo)熱層和至少一個電絕緣和導(dǎo)熱層，多層變壓器基底的每個導(dǎo)電和導(dǎo)熱層通過各自一個電絕緣和導(dǎo)熱層與下一個相繼導(dǎo)電和導(dǎo)熱層隔離；在多層變壓器基底的至少一個導(dǎo)電和導(dǎo)熱層被圖案化以形成第一繞組；在多層變壓器基底的至少一個導(dǎo)電和導(dǎo)熱層被圖案化以形成第二繞組的各個部分；使第一和第二繞組的每一個的至少一部分處于磁芯的磁場內(nèi)以形成平面變壓器；以及將多層變壓器基底的電絕緣和導(dǎo)熱層之一焊接到散熱器上。
在附圖中，相同的標(biāo)號表示相似的元件或動作。附圖中元件的尺寸和相對位置未必按比例畫出。例如，各種元件的形狀和角度未必按比例畫出，以及這些元件的一些被任意放大和定位以便提高圖形的可辨性。并且，如圖所示的元件的特定形狀無意傳達與特定元件的實際形狀有關(guān)的任何信息，以及只是為了易于從圖中識別出來而選的。
圖1是根據(jù)一個例示性實施例的功率轉(zhuǎn)換器的電路圖；圖2A是圖1的功率轉(zhuǎn)換器的一部分的上前左等角圖，模塊外殼的蓋子被掀開，以示出逆變器、整流器、兩個平面變壓器、濾波電感器和集成底座散熱器；圖2B是根據(jù)一個例示性實施例的集成底座散熱器的一部分的上前左等角圖，示出了使整流器的各個開關(guān)與集成底座散熱器物理和熱耦合的數(shù)個多層開關(guān)基底；圖2C是根據(jù)另一個例示性實施例的集成底座散熱器的一部分的上前左等角圖，示出了每一個包括在電和熱耦合層中形成以便將整流器的各個開關(guān)與集成底座散熱器物理和熱耦合的兩個不同區(qū)域的兩個多層開關(guān)基底；圖2D是根據(jù)另一個例示性實施例的集成底座散熱器的一部分的上前左等角圖，示出了包括在電和熱耦合層中形成以便將整流器的各個開關(guān)與集成底座散熱器物理和熱耦合的四個不同區(qū)域的單個多層開關(guān)基底；圖3是根據(jù)一個例示性實施例的平面變壓器之一的上前左等角圖；圖4是圖3的平面變壓器的上前左等角分解 圖5是根據(jù)一個例示性實施例的平面電感器之一的上前左等角圖；圖6是圖5的平面電感器的上前左等角分解圖；圖7A是根據(jù)另一個例示性實施例的功率轉(zhuǎn)換器的上前左等角圖，其中，逆變器和濾波電感器處于模塊外殼中；圖7B是根據(jù)另一個例示性實施例的集成底座散熱器的一部分的上前左等角圖，示出了包括在電和熱耦合層中形成以便將整流器和逆變器的各個開關(guān)與集成底座散熱器物理和熱耦合的十個不同區(qū)域的單個多層開關(guān)基底；圖7C是根據(jù)另一個例示性實施例的集成底座散熱器的一部分的上前左等角圖，示出了包括在電和熱耦合層中形成以便將整流器和逆變器的各個開關(guān)與集成底座散熱器物理和熱耦合的十個不同區(qū)域，以及形成兩個變壓器的繞組的區(qū)域的單個多層開關(guān)基底；圖7D是與圖7C的那個類似的集成底座散熱器的一部分的上前左等角圖，示出了使用多層基底的導(dǎo)電和導(dǎo)熱層之一將變壓器的第二側(cè)與整流器的功率半導(dǎo)體開關(guān)的各端子電耦合；圖7E是與圖7D的那個類似的集成底座散熱器的一部分的上前左等角圖，示出了使用多層基底的導(dǎo)電和導(dǎo)熱層之一將變壓器的第二側(cè)與整流器的功率半導(dǎo)體開關(guān)的各端子以及平面電感器電耦合；圖8是根據(jù)一個例示性實施例的集成底座散熱器的上前左等角圖；以及圖9是例示根據(jù)一個例示性實施例，用于控制功率轉(zhuǎn)換器的操作的控制信號以及獲得的電壓和電流圖形。
具體實施方式在如下的描述中，為了使人們?nèi)媪私飧鞣N實施例，給出了某些具體細節(jié)。但是，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)該明白，沒有這些細節(jié)也可以實現(xiàn)本發(fā)明。在其它情況中，未詳細示出或描述與功率轉(zhuǎn)換器、控制器和/或門驅(qū)動器有關(guān)的公知的結(jié)構(gòu)，以避免不必要地使本發(fā)明的描述重點不突出。
除非上下文另有需要，在如下的說明書和所附的權(quán)利要求
書中，詞匯“包括”和它的各種變體，譬如，“含有”或“帶有”，應(yīng)該理解成開放式的，也就是說，應(yīng)該理解成“包括，但不局限于”。
在整個說明書中提到“一個實施例”或“實施例”意味著結(jié)合該實施例所述的特征、結(jié)構(gòu)或特性包括在至少一個實施例中。因此，出現(xiàn)在整個說明書中的各個地方的短語“在一個實施例中”未必都指同一實施例。此外，在一個或多個實施例中可以以任何適當(dāng)方式組合特征、結(jié)構(gòu)或特性。
本文提供的標(biāo)題只是為了方便說明，不能解釋為要求保護發(fā)明的范圍或含義。
圖1示出了根據(jù)一個例示性實施例的功率轉(zhuǎn)換器10，其中，功率轉(zhuǎn)換器10具有DC/DC功率轉(zhuǎn)換器的形式。功率轉(zhuǎn)換器10起變換和/或調(diào)節(jié)電源Vl供應(yīng)的功率，以便供應(yīng)給一個或多個負載R1、R2的作用。功率轉(zhuǎn)換器10可以包括逆變器12、整流器14和伽伐尼電耦合逆變器12與整流器14的一對變壓器T1、T2。功率轉(zhuǎn)換器10也可以包括成對端子16a、16b，成對端子16a、16b可以電耦合成接收來自電源Vl的功率。電源Vl可以例如具有諸如燃料電源組或光電池組的一個或多個產(chǎn)能電源的形式，和/或具有諸如蓄電池組和/或超級電容器組的一個或多個儲能電源的形式。功率轉(zhuǎn)換器10還包括一組端子18a、18b、18c，這組端子18a、18b、18c可以電耦合成將功率供應(yīng)給一個或多個負載R1、R2。
逆變器12包括由電壓干線20a、20b形成的逆變器側(cè)總線20(統(tǒng)稱)。逆變器12還包括由上功率半導(dǎo)體開關(guān)S1和下功率半導(dǎo)體開關(guān)S2形成的第一相支線12a、由上功率半導(dǎo)體開關(guān)S3和下功率半導(dǎo)體開關(guān)S4形成的第二相支線12b、和由上功率半導(dǎo)體開關(guān)S5和下功率半導(dǎo)體開關(guān)S6形成的第三相支線12c，相支線12a-12c的每一條電耦合在電壓干線20a、20b之間。功率半導(dǎo)體開關(guān)S1-S6可以例如具有金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)、絕緣柵雙極晶體管(IGBT)、和/或適用于大功率工作的其它開關(guān)的形式。
逆變器12進一步包括功率半導(dǎo)體二極管D1-D6，功率半導(dǎo)體二極管D1-D6反向并聯(lián)地電耦合在功率半導(dǎo)體開關(guān)S1-S6的每一個的兩端。正如在本文和權(quán)利要求
書中所使用的那樣，術(shù)語“功率半導(dǎo)體器件”包括設(shè)計成相對于標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體器件來說管理大電流、高電壓和/或大功率的半導(dǎo)體器件，包括功率半導(dǎo)體開關(guān)器件、功率半導(dǎo)體二極管、和用在配電，例如電網(wǎng)或運輸相關(guān)應(yīng)用中的其它這種器件。在一些實施例中，功率半導(dǎo)體二極管D1-D6可以作為功率半導(dǎo)體開關(guān)S1-S6的一部分例如作為體二極管形成，而在其它實施例中，功率半導(dǎo)體二極管D1-D6可以采取離散半導(dǎo)體器件的形式。
處在分別形成每條相支線12a、12b、12c的功率半導(dǎo)體開關(guān)S1、S2、S3、S4、S5、S6的每一對之間的是在工作期間呈現(xiàn)逆變器12的三相輸出的各個相的相節(jié)點A、B、C。雖然被例示成單個開關(guān)和二極管，但功率半導(dǎo)體開關(guān)S1-S6和/或二極管D1-D6的每一個可以具有并聯(lián)電耦合的一個或多個功率半導(dǎo)體開關(guān)和/或二極管的形式?？刂破?4通過控制信號26控制功率半導(dǎo)體開關(guān)S1-S6。
逆變器12可以進一步包括輸入電容器Cl，輸入電容器Cl電耦合在逆變器側(cè)總線20的電壓干線20a、20b的兩端。
整流器14可以具有諸如例示在圖1中的電流加倍整流器的有源整流器的形式。整流器14包括由上功率半導(dǎo)體開關(guān)S7和下功率半導(dǎo)體開關(guān)S9形成的第一支線14a、和由上功率半導(dǎo)體開關(guān)S8和下功率半導(dǎo)體開關(guān)S10形成的第二支線14b。整流器14還包括功率半導(dǎo)體二極管D7-D10，功率半導(dǎo)體二極管D7-D10分別反向并聯(lián)地電耦合在功率半導(dǎo)體開關(guān)S7-S10每一個的兩端。在一些實施例中，功率半導(dǎo)體二極管D7-D10可以作為功率半導(dǎo)體開關(guān)S7-S10的一部分，例如作為體二極管形成，而在其它實施例中，功率半導(dǎo)體二極管D7-D10可以具有離散半導(dǎo)體器件的形式。雖然被例示成單個開關(guān)和二極管，但功率半導(dǎo)體開關(guān)S7-S10和/或二極管D7-D10的每一個可以具有并聯(lián)地電耦合的一個或多個功率半導(dǎo)體開關(guān)和/或二極管的形式。
整流器14的第一和第二支線14a、14b的每一個之間的節(jié)點相互電耦合，以便為整流器14提供中性節(jié)點O?？刂破?4通過控制信號28來控制功率半導(dǎo)體開關(guān)S7-S10。
變壓器T1、T2可以是高頻變壓器，它提供伽伐尼電隔離以及功率轉(zhuǎn)換器10的逆變器側(cè)和整流器側(cè)之間的電壓升高/降低。每個變壓器T1、T2分享功率轉(zhuǎn)換器10的一半功率。
第一變壓器T1包括第一側(cè)T1a和第二側(cè)T1b。在將功率從電源Vl傳送到負載R1、R2的情況下，第一側(cè)T1a通常被稱為初級繞組，以及第二側(cè)T1b通常被稱為次級繞組。在一些實施例中，功率可以沿著相反方向傳送，例如，在再生制動期間，功率可以從“負載”R1、R2(例如，電機)傳送到“電源”Vl(例如，蓄電池和/或超級電容器)。因此，術(shù)語第一側(cè)和第二側(cè)在整個說明書和權(quán)利要求
書中一般用于指變壓器T1、T2的繞組，而與功率傳送的方向無關(guān)。同樣，正如在整個說明書和權(quán)利要求
書中所使用的那樣，負載R1、R2可能在第一模式(例如，驅(qū)動)下消耗功率，而在第二模式(例如，再生制動)下產(chǎn)生功率，以及電源Vl可能在第一模式下提供功率，而在第二模式下消耗或存儲功率。其它模式和操作也是可以的。
第一變壓器T1的第一側(cè)T1a包括一對電極T1c、T1d，以及第二側(cè)T1b也包括一對電極T1e、T1f。同樣，第二變壓器T2包括第一側(cè)T2a和第二側(cè)T2b。第二變壓器T2的第一側(cè)T2a包括一對電極T2c、T2d，以及第二側(cè)T2b也包括一對電極T2e、T2f。第二變壓器T2的第二側(cè)T2b與形成整流器側(cè)總線的各條電流路徑K、L、M、N電耦合，整流器側(cè)總線也包括整流器14的中性節(jié)點O。
逆變器12的第一相支線12a的相節(jié)點A與第一變壓器T1的第一側(cè)T1a的第一電極T1c電耦合。逆變器12的第二相支線12b的相節(jié)點B與第一變壓器T1的第一側(cè)T1a的第二電極T1d電耦合，并與第二變壓器T2的第一側(cè)T2a的第一電極T2c電耦合。逆變器12的第三相支線12c的相節(jié)點C與第二變壓器T2的第一側(cè)T2a的第二電極T2d電耦合。
整流器14的第一支線14a電耦合在通過電流路徑K的第一變壓器T1的第二側(cè)T1b的第一電極T1e和通過電流路徑N的第二變壓器T2的第二側(cè)T2b的第二電極T2f之間。整流器1 4的第二支線14b電耦合在通過電流路徑L的第一變壓器T1的第二側(cè)T1b的第二電極T1f和通過電流路徑M的第二變壓器T2的第二側(cè)T2b的第一電極T2e之間。濾波電感器L1、L2、L3、L4電耦合在通過電流路徑K、L、M、N的變壓器T1、T2的次級側(cè)T1c、T2c的每個電極T1e、T1f、T2e、T2f和端子18a-18c之間。濾波電感器L1-L4分享負載電流。輸出電容器CO1、CO2電耦合在每對端子18a-18b、18b-18c的兩端。
控制器24提供控制信號26、28，以便分別控制逆變器12的功率半導(dǎo)體開關(guān)S1-S6和/或整流器14的功率半導(dǎo)體開關(guān)S7-S10?？刂破?4可以具有諸如微處理器、數(shù)字信號處理器(DSP)和/或?qū)Ｓ眉呻娐?ASIC)的微控制器的形式。控制器24可以從感測與來自電源Vl的輸入有關(guān)的電壓或電流的電壓傳感器40a和/或電流傳感器40b接收諸如電壓和電流測量結(jié)果的輸入信號。控制器24可以另外或可替代地從測量輸出電壓/電流的電壓傳感器42a和/或電流傳感器42b接收電壓和/或電流信號。
圖2A示出了根據(jù)一個例示性實施例的功率模塊50，功率模塊50容納了如圖1的虛線方框52所例示的功率轉(zhuǎn)換器10的一部分。具體地說，功率模塊50包括一起形成外殼的電絕緣引線框54、集成底座散熱器56和電絕緣蓋58。該圖未畫出在這個例示性實施例中作為功率半導(dǎo)體開關(guān)S6-S10的一部分的功率半導(dǎo)體二極管D6-D10。如圖2A所示，例示在圖1中的功率半導(dǎo)體開關(guān)S6-S10的每一個實際上可以具有相互并聯(lián)地電耦合的一個或多個(例示了四個)功率半導(dǎo)體開關(guān)S6-S10的形式。
引線框54支承著與由引線框54、散熱片56和蓋子58形成的外殼的外部形成電耦合的數(shù)個外部端子或連接器。例如，功率模塊50可以包括在逆變器12的相節(jié)點A、B、C和變壓器T1、T2的第一側(cè)T1a、T2a的電極之間進行電耦合的數(shù)個端子60a-60d。具體地說，第一端子60a通過線接合61將逆變器12的相節(jié)點A與第一變壓器T1的第一電極T1c電耦合。第二端子60b和第三端子60c通過線接合61分別將逆變器12的相節(jié)點B與第一變壓器T1的第二電極T1d和第二變壓器T2的第一電極T2c電耦合。第四端子60d通過線接合61將逆變器12的相節(jié)點C與第二變壓器T2的第二電極T2d電耦合。雖然圖2A只例示了每個電耦合一個線接合61，但大多數(shù)實際應(yīng)用對于每個電耦合包括多個線接合61。
此外，例如，數(shù)個端子或連接器也通過線接合(未示出)將整流器14與濾波電感器L1-L4電耦合并與端子18a-18c電耦合。例如，一對端子62a、62b將整流器12的中性節(jié)點O與端子18b電耦合。其它端子64a-64d通過電流路徑K-N將整流器14和/或變壓器T1、T2的第二側(cè)T1b、T2b與濾波電感器L1-L4耦合。
諸如引腳66a、66b、66c、66d的端子或連接器通過線接合(未示出)將控制信號28從控制器24耦合到整流器14的功率半導(dǎo)體開關(guān)S7-S10。引腳66a-66d位于與中性節(jié)點O連接的端子18b附近。
功率模塊50內(nèi)的許多電耦合通過線接合來有利地進行。例如，端子60a-60d與變壓器T1、T2的第一側(cè)T1a、T2a之間的電耦合通過線接合61來形成。此外，例如變壓器T1、T2的第二側(cè)T1b、T2b與功率半導(dǎo)體開關(guān)S7-S10和功率半導(dǎo)體二極管D7-D10之間的電耦合也通過線接合(未示出)來形成。并且，端子62a、62b、64a-64b與功率半導(dǎo)體開關(guān)S7-S10和功率半導(dǎo)體二極管D7-D10之間的電耦合也通過線接合(未示出)來形成。
圖2B-2D示出了根據(jù)數(shù)個例示性實施例，如何通過一個或多個多層開關(guān)基底44將整流器14的功率半導(dǎo)體開關(guān)S7-S10和功率半導(dǎo)體二極管D7-D10物理安裝在集成底座散熱器56上并與集成底座散熱器56熱耦合。多層開關(guān)基底44包括導(dǎo)電和導(dǎo)熱的第一層44a、電絕緣和導(dǎo)熱的第二層44b以及導(dǎo)電和導(dǎo)熱的第三層44c。在一些實施例中，多層開關(guān)基底44可以包括更多的層。
具體地說，圖2B示出了配有數(shù)個多層開關(guān)基底44的一個實施例，每個多層開關(guān)基底44用于形成整流器14的每個功率半導(dǎo)體器件S7-S10和相關(guān)的功率半導(dǎo)體二極管D7-D10。因此，對于整流器14，圖2B的這個實施例總共可以包括四個分立的多層開關(guān)基底44。
圖2C示出了配有數(shù)個多層開關(guān)基底44的另一個實施例，每個多層開關(guān)基底44用于整流器14的每條支線14a、14b。在這樣的實施例中，每個多層開關(guān)基底44的導(dǎo)電和導(dǎo)熱層44a形成不同的區(qū)域，以便安裝形成整流器14的各條支線14a、14b的每個功率半導(dǎo)體器件S7-S10和相關(guān)的功率半導(dǎo)體二極管D7-D10。
圖2D示出了為形成整個整流器14配備了單個多層開關(guān)基底44的又一個實施例。在第一導(dǎo)電和導(dǎo)熱層44a中形成數(shù)個不同的區(qū)域，這些區(qū)域相互電隔離。在這個實施例中，形成整流器14的每個功率半導(dǎo)體器件S7-S10和相關(guān)的功率半導(dǎo)體二極管D7-D10使用一個區(qū)域，因此總共有四個不同區(qū)域。
一般說來，盡管在制造過程中形成不同區(qū)域會抵消一些節(jié)約，但包括較少單獨多層基底44、70會使零件數(shù)減少，并可能使制造操作的次數(shù)減少。但是，這種數(shù)量減少通常伴隨著其余多層基底44、70的尺寸增大。這種尺寸增大使多層基底44、70受到的壓力增大，因此增大了出現(xiàn)諸如例如從焊料回流發(fā)展的裂縫的缺陷的可能性。
圖3和4更詳細地示出了變壓器之一T1。第二變壓器T2可以具有與第一變壓器T1相似的結(jié)構(gòu)。
變壓器T1包括多層變壓器基底70和磁芯72。多層變壓器基底70包括導(dǎo)電和導(dǎo)熱的第一層70a、電絕緣和導(dǎo)熱的第二層70b、導(dǎo)電和導(dǎo)熱的第三層70c、電絕緣和導(dǎo)熱的第四層70d以及導(dǎo)電和導(dǎo)熱的第五層70e。多層變壓器基底70可以包括更多的層，例如，通過改變層數(shù)并因此改變變壓器的初級和次級繞組之間的“匝數(shù)”比和/或通過減小渦流，來改變變壓器T1的性能。
第一層70a和第五層70e被圖案化以形成第一繞組的一些部分，并通過通道74a、74b和連接墊片74c、74d、74e電耦合以形成第一繞組。第三層70c也被圖案化以形成第二繞組。雖然這些圖例示了第一繞組包括比第二繞組更多的層，但在一些實施例中，第二繞組也可以包括比第一繞組更多的層，或第一和第二繞組可以包括一樣多的層。
第五層70e可以被進一步圖案化以形成例如通過焊接將多層變壓器基底70附在散熱器56上的安裝區(qū)域70f。這縮小了多層基底70和集成底座散熱器56之間的耦合區(qū)，從而降低了相關(guān)壓力和例如在焊料回流期間發(fā)展諸如裂縫的瑕疵的可能性。
磁芯72可以包括環(huán)繞多層變壓器基底70的第一和第二繞組的兩個或多個部分72a、72b。磁芯72的一部分72c可以容納穿過在多層變壓器基底70的每個層70a-70e中形成的開口70g。
多層變壓器基底70可以利用各種技術(shù)和材料來形成，例如，多層變壓器基底70可以采取例如可從美國德州Curamik Electronics ofAddison公司獲得的直接粘合銅(DBC，direct bonded copper)基底的形式。另外，或可替代地，多層變壓器基底70可以采取例如可從美國明尼蘇達州Bergquist Company of Chanhassen公司獲得的絕緣金屬基底(IMS，insulated metal substrates)的形式。
導(dǎo)電和導(dǎo)熱層可以具有諸如銅、鋁和/或其它良導(dǎo)電和導(dǎo)熱體的各種各樣的形式。雖然通常以薄膜的形式來提供，但導(dǎo)電和導(dǎo)熱層也可以具有其它形式，例如，沖壓片狀金屬。電絕緣和導(dǎo)熱層可以例如具有可從美國俄亥俄州Du Pont de Nemours，High PerformanceMaterials of Circleville公司獲得的諸如Kapton_薄膜的熱增強型聚酰亞胺薄膜的形式。另外，或可替代地，電絕緣和導(dǎo)熱層可以例如具有諸如氧化鋁、氮化鋁和/或氮化硅陶瓷的適用陶瓷的形式。在一個實施例中，多層變壓器基底70具有利用諸如環(huán)氧基粘合劑的粘合劑將沖壓片狀金屬層與可從美國俄亥俄州Du Pont de Nemours，HighPerformance Materials of Circleville公司獲得的諸如Mylar_薄膜的絕緣層層疊在一起的形式。
可以通過焊料回流技術(shù)將多層開關(guān)和變壓器基底44、70附在集成底座散熱器56上。例如可以將功率半導(dǎo)體開關(guān)S1-S10和功率半導(dǎo)體二極管D1-D10焊接在各個多層基底44、70上，然后，將多層基底44、70放置在集成底座散熱器56上。然后，利用焊料回流技術(shù)同時和/或單個動作地，例如通過在烤箱中加熱而將多層基底44、70焊接在集成底座散熱器56上。
可替代地，可以將多層基底44、70放置在集成底座散熱器56上，將功率半導(dǎo)體開關(guān)S1-S10和功率半導(dǎo)體二極管D1-D10放置在多層基底44、70上。功率半導(dǎo)體開關(guān)S1-S10和功率半導(dǎo)體二極管D1-D10與多層基底44、70之間以及多層基底44、70與集成底座散熱器56之間的連接可以利用焊料回流技術(shù)同時和/或單個動作地，例如通過在烤箱中加熱而形成。
圖5和6示出了根據(jù)一個例示性實施例的形成為平面電感器的電感器之一L1。其它電感器L2-L4可以具有與第一平面電感器L1相似的結(jié)構(gòu)?？商娲兀β兽D(zhuǎn)換器10也可以應(yīng)用傳統(tǒng)電感器。
電感器L1包括多層電感器基底80和磁芯82。多層電感器基底80包括導(dǎo)電和導(dǎo)熱的第一層80a、電絕緣和導(dǎo)熱的第二層80b、導(dǎo)電和導(dǎo)熱的第三層80c、電絕緣和導(dǎo)熱的第四層80d以及導(dǎo)電和導(dǎo)熱的第五層80e。多層電感器基底80可以包括更多的層，以便例如通過改變層數(shù)并因此改變電感器的繞組的“匝數(shù)”比，和/或通過減小渦流來改變平面電感器L1的性能。
第一層80a和第三層80c被圖案化以形成第一繞組的一些部分，并通過通道84a、84b和連接墊片84c、84d電耦合以形成第一繞組。
磁芯82可以包括環(huán)繞多層電感器基底80的第一繞組的兩個或多個部分82a、82b。磁芯82的一部分82c可以容納穿過在多層電感器基底80的每個層80a-80e中形成的開口80g。
多層變壓器基底80可以利用各種技術(shù)和材料來形成，例如，多層變壓器基底80可以采取例如可從美國德州Curamik Electronics ofAddison公司獲得的直接粘合銅(DBC，direct bonded copper)基底的形式。另外，或可替代地，多層變壓器基底70可以采取例如可從美國明尼蘇達州Bergquist Company of Chanhassen公司獲得的絕緣金屬基底(IMS，insulated metal substrates)的形式。
導(dǎo)電和導(dǎo)熱層可以具有諸如銅、鋁和/或其它良導(dǎo)電和導(dǎo)熱體的各種各樣的形式。雖然通常以薄膜的形式來提供，但導(dǎo)電和導(dǎo)熱層也可以具有其它形式，例如，沖壓片狀金屬。電絕緣和導(dǎo)熱層可以例如具有可從美國俄亥俄州Du Pont de Nemours，High PerformanceMaterials of Circleville公司獲得的諸如Kapton_薄膜的熱增強型聚酰亞胺薄膜的形式。另外，或可替代地，電絕緣和導(dǎo)熱層可以例如具有諸如氧化鋁、氮化鋁和/或氮化硅陶瓷的適用陶瓷的形式。在一個實施例中，多層變壓器基底80具有利用諸如環(huán)氧基粘合劑的粘合劑將沖壓片狀金屬層與可從美國俄亥俄州Du Pont de Nemours，HighPerformance Materials of Circleville公司獲得的諸如Mylar_薄膜的絕緣層層疊在一起的形式。
可以通過焊料回流技術(shù)將多層開關(guān)和變壓器基底44、70附在集成底座散熱器56上。例如可以將功率半導(dǎo)體開關(guān)S1-S10和功率半導(dǎo)體二極管D1-D10焊接在各個多層基底44、70上，然后，將多層基底44、70放置在集成底座散熱器56上。然后，利用焊料回流技術(shù)同時和/或單個動作地，例如通過在烤箱中加熱而將多層基底44、70焊接在集成底座散熱器56上。
可替代地，可以將多層基底44、80放置在集成底座散熱器56上，將功率半導(dǎo)體開關(guān)S1-S10和功率半導(dǎo)體二極管D1-D10放置在多層基底44、70上。功率半導(dǎo)體開關(guān)S1-S10和功率半導(dǎo)體二極管D1-D10與多層基底44、70之間以及多層基底44、80與集成底座散熱器56之間的連接可以利用焊料回流技術(shù)同時和/或單個動作地，例如通過在烤箱中加熱而形成。
所述的技術(shù)可以減少制造功率模塊所涉及的動作次數(shù)，從而降低了制造成本，此外，讓各種元件受到較少熱循環(huán)有利地提高了可靠性和生產(chǎn)量。
圖7A示出了根據(jù)另一個例示性實施例的功率轉(zhuǎn)換器50，其中容納了圖1中除了控制器24之外的整個功率轉(zhuǎn)換器10。圖7A的功率模塊50包括逆變器12、整流器14和變壓器T1、T2。一對端子20a、20b允許與電源Vl形成電連接。三個端子18a、18b、18c允許與負載R1、R2形成電連接。端子18a、18c可以形成為總線條90a、90b。諸如引腳95a-95f的端子或連接器接收來自控制器24的控制信號26，以便操作逆變器的功率半導(dǎo)體開關(guān)S1-S6。逆變器12的功率半導(dǎo)體開關(guān)S1-S6和相關(guān)的功率半導(dǎo)體二極管D1-D6可以有利地通過只例示了少數(shù)幾條的線接合91與變壓器T1、T2的第一側(cè)T1a、T2a電耦合。變壓器T1、T2的第一側(cè)T1a、T2a可以有利地通過只例示了少數(shù)幾條的線接合93與整流器14的功率半導(dǎo)體開關(guān)S7-S10和相關(guān)的功率半導(dǎo)體二極管D7-D10電耦合。
在圖7A的實施例中，功率模塊50可以包括一個或多個附加多層開關(guān)基底44，以便將形成逆變器12的功率半導(dǎo)體開關(guān)S1-S6和相關(guān)的功率半導(dǎo)體二極管D1-D6安裝在集成底座散熱器56上。
例如，功率模塊50可以以與針對整流器14如圖2B所示的方式相似的方式，包括用于逆變器12的每個功率半導(dǎo)體開關(guān)S1-S6和相關(guān)功率半導(dǎo)體二極管D1-D6對的分立多層開關(guān)基底44。因此，針對逆變器12，功率模塊50可以包括六個分立多層開關(guān)基底44。
此外，例如，功率模塊50可以包括用于逆變器12的每條相支線12a-12c的分立多層開關(guān)基底44。在每個多層開關(guān)基底44的導(dǎo)電層44a上，以與針對整流器14如圖2C所示的方式相似的方式來形成兩個不同區(qū)域，每個區(qū)域用于各條相支線12a-12c的每個功率半導(dǎo)體開關(guān)S1-S6和相關(guān)的功率半導(dǎo)體二極管D1-D6。因此，對于逆變器12，功率模塊50可以包括三個附加多層開關(guān)基底44。
在進一步的例子中，功率模塊50可以以與針對整流器14如圖2D所示的方式相似的方式，包括安裝逆變器12的所有功率半導(dǎo)體開關(guān)S1-S6和相關(guān)功率半導(dǎo)體二極管D1-D6的單個附加多層開關(guān)基底44。因此，多層開關(guān)基底44可以包括在導(dǎo)電和導(dǎo)熱層44a上形成的六個不同區(qū)域，每個區(qū)域用于每個功率半導(dǎo)體開關(guān)S1-S6和相關(guān)的功率半導(dǎo)體二極管D1-D6對。
除了上面討論的實施例之外，例示在圖7B中的進一步實施例示出了與形成整流器14的功率半導(dǎo)體器件S7-S10和相關(guān)功率半導(dǎo)體二極管D7-D10一起，安裝形成逆變器12的功率半導(dǎo)體開關(guān)S1-S6和相關(guān)功率半導(dǎo)體二極管D1-D6的單個多層開關(guān)基底44。因此，這樣的實施例可以包括在第一導(dǎo)電和導(dǎo)熱層44a上形成的十個不同區(qū)域，這些區(qū)域相互電隔離。
圖7C示出了包括至少三個導(dǎo)電和導(dǎo)熱層70a、70c、70e和至少兩個電絕緣和導(dǎo)熱層70b、70d的單個多層開關(guān)基底70，電絕緣和導(dǎo)熱層70b、70d將各個導(dǎo)電和導(dǎo)熱層對70a-70c、70c-70e隔開。多層開關(guān)基底70的第二導(dǎo)電和導(dǎo)熱層70c形成十個不同區(qū)域。這些區(qū)域相互電隔離，用于以與如圖7B所示的方式相似的方式來安裝形成逆變器12的功率半導(dǎo)體開關(guān)S1-S6和相關(guān)功率半導(dǎo)體二極管D1-D6(在圖7C中未示出)、和形成整流器14的功率半導(dǎo)體器件S7-S10和相關(guān)功率半導(dǎo)體二極管D7-D10(在圖7C中未示出)。至少第一和第三導(dǎo)電和導(dǎo)熱層70a、70e被圖案化并相互電耦合以形成變壓器T1、T2的第一繞組。至少第二導(dǎo)電和導(dǎo)熱層70c被圖案化以形成變壓器T1、T2的第二繞組。
雖然圖7C示出了三個導(dǎo)電和導(dǎo)熱層70a、70c、70e和兩個電絕緣和導(dǎo)熱層70b、70d，但多層基底70可以包括更多的層。并且，雖然功率半導(dǎo)體器件S1-S10、D1-D10被例示成安裝在第二導(dǎo)電和電熱層上，但也可以將那些功率半導(dǎo)體器件的一些或所有安裝在其它一些導(dǎo)電和電熱層上。
圖7D示出了與圖7C類似的集成底座散熱器的一部分，其中例示了使用多層基底70的第二導(dǎo)電和導(dǎo)熱層70c之一來電耦合變壓器T1、T2的第二側(cè)T1b、T2b與整流器14的功率半導(dǎo)體開關(guān)S7-S10和/或功率半導(dǎo)體二極管D7-D10的各自端子(例如，漏極/集電極)，有利地消除了數(shù)條線接合。其它實施例可以以例如消除線接合的相似方式來應(yīng)用相同或其它的導(dǎo)電和導(dǎo)熱層70a、70c、70e。
圖7E示出了與圖7D類似的集成底座散熱器的一部分，其中例示了使用多層基底70的第二導(dǎo)電和導(dǎo)熱層70c之一將變壓器T1、T2的第二側(cè)T1b、T2b電耦合到整流器14的功率半導(dǎo)體開關(guān)S7-S10和/或功率半導(dǎo)體二極管D7-D10的各自端子(例如，漏極/集電極)，并電耦合到平面電感器L1-L4，有利地消除了數(shù)條線接合。其它實施例可以以例如消除線接合的相似方式來應(yīng)用相同或其它的導(dǎo)電和導(dǎo)熱層70a、70c、70e。
圖8示出了根據(jù)一個例示性實施例的集成底座散熱器56。集成底座散熱器56可以包括板部分56a和管道部分56b。板部分56a可以包括含有一對凹口92a、92b的上表面92，一對凹口92a、92b的大小和尺度被調(diào)整成適合容納諸如部分72b的磁芯72的一部分，使得多層變壓器基底70與表面92齊平。管道部分56b包括入口94a、出口94b和由第一通道部分96a和第二通道部分96b形成的通道，第一通道部分96a和第二通道部分96b可傳送流體地與入口94a和出口94b耦合。板92可以在與上表面92相反的表面上包括諸如鰭狀物或引腳97的熱輻射結(jié)構(gòu)，這些熱輻射結(jié)構(gòu)被放入通道部分96a、96b中，將來自板56a的熱量傳送給流過通道部分96a、96b的流體。功率轉(zhuǎn)換器10可以包括循環(huán)系統(tǒng)(未示出)，該循環(huán)系統(tǒng)包括，例如泵、壓縮器和/或風(fēng)扇，使流體沿著通道部分96a、96b循環(huán)，幫助傳送來自集成底座散熱器56的熱量。雖然被顯示成集成底座散熱器56，但其它實施例可以應(yīng)用其它形式的散熱器。
圖9示出了例示在周期Ts上的各種時間間隔t0-t12上施加到逆變器12的半導(dǎo)體開關(guān)S1-S6的開關(guān)信號、施加到變壓器T1的第一側(cè)T1a的電壓UAB、和施加到變壓器T2的第一側(cè)T2a的電壓UBC的時序圖。圖7還分別示出了濾波電感器L1-L4的電流輸出IL1-IL4。
逆變器12的每條相支線12a-12c的功率半導(dǎo)體開關(guān)S1-S6(圖1)的每一個都生成大約50％占空度的方波形。逆變器12的第一和第二相支線12a、12b受到相移控制，以便生成施加到第一變壓器T1的第一側(cè)或繞組T1a的三電平方波形UAB。逆變器12的第二支線12b和第三相支線12c受到相移控制，以便生成施加到第二變壓器T2的第一側(cè)或繞組T2a的三電平方波形UBC。因此，變壓器T1、T2共享相位B，以形成兩個傳統(tǒng)全橋DC/DC轉(zhuǎn)換器的等效物，同時，有利地節(jié)省了一條高壓支線(即，至少兩個功率半導(dǎo)體開關(guān)和相關(guān)的功率半導(dǎo)體二極管)和門驅(qū)動電路。
兩個輸出UAB和UBC相互鎖相，以便第二相支線12b(相位B)可以通過變壓器T1中的負載電流來實現(xiàn)寬的軟開關(guān)范圍。軟開關(guān)是通過存儲在濾波電感器L1-L4中的能量來實現(xiàn)的，不依賴于存儲在變壓器T1的漏電感中的能量。輸出電壓Vout1通過相移角φAB來調(diào)整，以及輸出電壓Vout2通過相移角φBC來調(diào)整。
可以將功率轉(zhuǎn)換器10配置成單輸出或雙輸出。在單輸出配置中，輸出Vout1和Vout2并聯(lián)在一起，使輸出電流/功率加倍。如果在單輸出電壓配置中使Vout1和Vout2并聯(lián)在一起，則相移角φAB和φBC相等。在雙輸出配置中，可以獨立地控制Vout1和Vout2。
如上所述的交織全橋DC/DC功率轉(zhuǎn)換器10使輸出功率能力加倍，同時在高散熱溫度(例如，105℃)下工作，并將電流和熱壓力保持在可接受水平上，從而提供了高可靠性。通過變壓器T1、T2和濾波電感器L1-L4中的負載電流，在寬的負載范圍上實現(xiàn)了軟開關(guān)，降低了開關(guān)損耗并提供了高效操作。因此，所述的功率轉(zhuǎn)換器可以有效地提供大功率轉(zhuǎn)換，以及大功率密度和高散熱溫度。所述交織還有利地減小了到輸入和輸出電容器C1、CO1、CO2的高頻脈動電流。共享逆變器12的相支線12a-12c允許使用比通常所需少一條的逆變器相支線(即，至少兩個功率半導(dǎo)體開關(guān)和相關(guān)二極管)，從而在提高可靠性的同時，減少了零件數(shù)，降低了復(fù)雜性和成本。功率轉(zhuǎn)換器10可容易地進一步配置成單輸出單元或雙輸出單元。
如上所述在功率轉(zhuǎn)換器10中集成平面變壓器和/或平面電感器避免或減少了傳統(tǒng)氣冷笨重銅印刷線路板繞組和傳統(tǒng)繞線電感器的使用。平面變壓器和/或平面電感器的集成通過如上所述應(yīng)用直接線接合連接，允許降低在高頻下尤其成問題的與接觸有關(guān)的歐姆損耗和電感。通過應(yīng)用平面變壓器T1、T2和/或平面電感器L1、L2、L3和L4的扁平繞組結(jié)構(gòu)，可以降漏電感和AC損耗。在所述功率轉(zhuǎn)換器10中使用平面變壓器和/或平面電感器可以有利地提高磁芯窗利用率，降低磁芯值，和提高功率密度。如上所述的功率轉(zhuǎn)換器10還可以提供改善的EMI性能。
盡管本文為了例示的目的描述了功率轉(zhuǎn)換器及其方法的特定實施例和例子，但本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)該認識到，可以在不偏離本發(fā)明精神和范圍的情況下作出各種各樣的等效修改。本文提供的教導(dǎo)可以應(yīng)用于任何功率轉(zhuǎn)換器，未必是上面概述的帶有平面變壓器的DC/DC交織功率轉(zhuǎn)換器。
例如，功率轉(zhuǎn)換器10可以共享第一或第三相支線12a、12c，而不是第二相支線12b。此外，例如，這些教導(dǎo)不局限于三相逆變器12，也可以應(yīng)用于相支線數(shù)還要多的逆變器，例如，以便提供還要大的功率。例如，功率轉(zhuǎn)換器10可以包括加入逆變器12中的第四相支線和電耦合在第三相支線12c和附加相支線之間的第三變壓器。功率轉(zhuǎn)換器還可以包括兩個濾波電感器，以及將從第三變壓器的第二側(cè)供電的功率半導(dǎo)體開關(guān)和相關(guān)二極管加入整流器中，以便提供50％的功率提高。此外，例如，同步整流是可選的，以及在一些實施例中可以省略，例如，用二極管整流器來取代。作為一個進一步的例子，集成平面變壓器或平面電感器可以有利地應(yīng)用在諸如逆變器和/或整流器的其它功率轉(zhuǎn)換器中。作為一個更進一步的例子，所述交織可以有利地不與集成平面變壓器或平面電感器一起應(yīng)用。
如上所述的各種實施例可以組合在一起，以提供進一步的實施例。本說明書提及和/或列在申請數(shù)據(jù)表中的所有美國專利、美國專利申請公布、美國專利申請、外國專利、外國專利申請和非專利出版物，包括，但不局限于，2003年12月16日提出和發(fā)明名稱為“PowerModule With Heat Exchange”的普通轉(zhuǎn)讓美國專利申請第10/738,926號、2003年10月16日提出和發(fā)明名稱為“Power Converter EmployingA Planar Transformer)”的美國專利申請第10/688,834號、2004年6月4日提出和發(fā)明名稱為“Integration of Planar Transformer andPower Switches in Power Converter”、轉(zhuǎn)變成臨時專利申請第60/560,755號的美國專利申請第10/861,241號、以及2004年6月4日提出和發(fā)明名稱為“Interleaved Power Converter”的美國專利申請第10/861,319號在這里通過引用而并入。如有必要，本發(fā)明的這些方面可以修改成應(yīng)用各種專利、申請和公布的系統(tǒng)、電路和概念，以便提供本發(fā)明更進一步的實施例。
可以根據(jù)上面的詳細描述對本發(fā)明作出這些和其它改變。一般說來，在所附的權(quán)利要求
書中，所用的術(shù)語不應(yīng)該解釋為本發(fā)明局限于公開在說明書和權(quán)利要求
書中的特定實施例，而是應(yīng)該解釋為包括所有的功率轉(zhuǎn)換器。于是，本發(fā)明不受本公開限制，取而代之，它的范圍完全由所附權(quán)利要求
書限定。
權(quán)利要求
1.一種功率轉(zhuǎn)換器，包括散熱器；包括至少兩個導(dǎo)電和導(dǎo)熱層以及至少一個電絕緣和導(dǎo)熱層的第一多層基底，所述第一多層基底的每個導(dǎo)電和導(dǎo)熱層通過各自一個電絕緣和導(dǎo)熱層與下一個相繼導(dǎo)電和導(dǎo)熱層電隔離；與第一多層基底的最外面一個導(dǎo)電和導(dǎo)熱層的一部分電耦合的至少一個第一功率半導(dǎo)體器件，所述第一功率半導(dǎo)體器件經(jīng)由所述第一多層基底與所述散熱器電隔離和熱耦合；能夠產(chǎn)生磁場的磁芯；以及包括至少兩個導(dǎo)電和導(dǎo)熱層以及至少一個電絕緣和導(dǎo)熱層的至少第二多層基底，所述第二多層基底的每個導(dǎo)電和導(dǎo)熱層通過各自一個電絕緣和導(dǎo)熱層與下一個相繼導(dǎo)電和導(dǎo)熱層電隔離，至少第一個導(dǎo)電和導(dǎo)熱層被圖案化以形成第一繞組，至少第二個導(dǎo)電和導(dǎo)熱層被圖案化以形成第二繞組，所述第一和第二繞組的每一個的至少一部分位于所述磁芯的磁場內(nèi)以形成平面變壓器，所述第二多層基底與散熱器熱耦合。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的功率轉(zhuǎn)換器，其中，第一多層基底中的導(dǎo)電和導(dǎo)熱層的數(shù)量是整數(shù)n，以及電絕緣和導(dǎo)熱層的數(shù)量是等于n-1的整數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的功率轉(zhuǎn)換器，其中，所述第一多層基底經(jīng)由焊料直接與所述散熱器熱耦合。
4.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的功率轉(zhuǎn)換器，其中，所述第一功率半導(dǎo)體器件經(jīng)由焊料直接表面安裝到所述第一多層基底的最外面一個導(dǎo)電和導(dǎo)熱層上。
5.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的功率轉(zhuǎn)換器，其中，所述第一功率半導(dǎo)體器件是經(jīng)由焊料直接表面安裝到所述第一多層基底的最外面一個導(dǎo)電和導(dǎo)熱層上的功率開關(guān)晶體管；以及所述功率轉(zhuǎn)換器進一步包括二極管形式的第二功率半導(dǎo)體器件，所述二極管經(jīng)由焊料直接表面安裝到所述第一多層基底的最外面一個導(dǎo)電和導(dǎo)熱層上，與所述功率開關(guān)晶體管反向并聯(lián)。
6.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的功率轉(zhuǎn)換器，其中，所述第一多層基底的最外面一個導(dǎo)電和導(dǎo)熱層包括相互電隔離的至少兩個不同區(qū)域，所述第一功率半導(dǎo)體器件與第一個區(qū)域熱耦合，以及所述功率轉(zhuǎn)換器進一步包括與第二個區(qū)域熱耦合的至少第二功率半導(dǎo)體器件。
7.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的功率轉(zhuǎn)換器，進一步包括與所述第一多層基底電隔離的至少第三多層基底，所述第三多層基底包括至少兩個導(dǎo)電和導(dǎo)熱層以及至少一個電絕緣和導(dǎo)熱層，所述第三多層基底的每個導(dǎo)電和導(dǎo)熱層通過各自一個電絕緣和導(dǎo)熱層與下一個相繼導(dǎo)電和導(dǎo)熱層隔離；和與所述第三多層基底的最外面一個導(dǎo)電和導(dǎo)熱層的一部分電耦合的至少第二功率半導(dǎo)體器件，所述第二功率半導(dǎo)體器件經(jīng)由所述第三多層基底與所述散熱器電隔離和熱耦合。
8.根據(jù)權(quán)利要求
7所述的功率轉(zhuǎn)換器，其中，所述第一和第二功率半導(dǎo)體器件電耦合成電橋的支線，并可操作為整流器或逆變器的至少一個。
9.根據(jù)權(quán)利要求
7所述的功率轉(zhuǎn)換器，進一步包括第三功率半導(dǎo)體器件，其中，所述第一功率半導(dǎo)體器件與第三功率半導(dǎo)體器件電耦合，作為整流器的支線；和第四功率半導(dǎo)體器件，其中，所述第二功率半導(dǎo)體器件與第四功率半導(dǎo)體器件電耦合，作為逆變器的支線。
10.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的功率轉(zhuǎn)換器，其中，所述散熱器包括入口、出口和與入口和出口流體交換以便傳送冷卻流體的至少一個空腔。
11.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的功率轉(zhuǎn)換器，進一步包括與所述第一多層基底的導(dǎo)電和導(dǎo)熱層之一電耦合的至少第一平面電感器。
12.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的功率轉(zhuǎn)換器，進一步包括包括至少三個導(dǎo)電和導(dǎo)熱層以及至少兩個電絕緣和導(dǎo)熱層的至少第三多層基底，所述第二多層基底的每個導(dǎo)電和導(dǎo)熱層通過各自一個電絕緣和導(dǎo)熱層與下一個相繼導(dǎo)電和導(dǎo)熱層電隔離，至少一個導(dǎo)電和導(dǎo)熱層被圖案化以形成第一繞組，至少兩個導(dǎo)電和導(dǎo)熱層被圖案化并相互電耦合以形成平面電感器，所述第三多層基底與所述散熱器熱耦合。
13.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的功率轉(zhuǎn)換器，其中，所述第二多層基底的最外面一層經(jīng)由焊料與所述散熱器熱耦合。
14.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的功率轉(zhuǎn)換器，其中，所述第一多層基底的第一個導(dǎo)電和導(dǎo)熱層包括至少四個相互電隔離的區(qū)域，第一功率半導(dǎo)體器件與第一多層基底的第一層的第一個區(qū)域熱耦合，以及所述功率轉(zhuǎn)換器進一步包括與第一多層基底的第一層的第二個區(qū)域熱耦合的至少第二功率半導(dǎo)體器件；與第一多層基底的第一層的第三個區(qū)域熱耦合的至少第三功率半導(dǎo)體器件；和與第一多層基底的第一層的第四個區(qū)域熱耦合的至少第四功率半導(dǎo)體器件。
15.根據(jù)權(quán)利要求
141所述的功率轉(zhuǎn)換器，進一步包括將所述第一、第二、第三和第四功率半導(dǎo)體器件的每一個與第一平面變壓器的第二繞組電耦合的數(shù)條線接合。
16.根據(jù)權(quán)利要求
14所述的功率轉(zhuǎn)換器，其中，所述第一、第二、第三和第四功率半導(dǎo)體器件電耦合成電流加倍整流器。
17.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的功率轉(zhuǎn)換器，進一步包括與第一多層基底電隔離的至少第三多層基底，所述第三多層基底至少包括第一層、第二層和第三層，第一層包括被圖案化以形成第二電感器的導(dǎo)電和導(dǎo)熱材料，第二層包括電絕緣和導(dǎo)熱材料，以及第三層包括導(dǎo)電和導(dǎo)熱材料，所述第二層使第三層與第一層電隔離，所述第三多層基底的第三層與所述散熱器熱耦合；和與所述第三多層基底的第一層的第一部分熱耦合的至少第二功率半導(dǎo)體器件。
18.根據(jù)權(quán)利要求
17所述的功率轉(zhuǎn)換器，其中，所述第一和第二功率半導(dǎo)體器件電耦合以形成整流器的一部分。
19.根據(jù)權(quán)利要求
17所述的功率轉(zhuǎn)換器，其中，所述第一和第二功率半導(dǎo)體器件電耦合以形成逆變器的一部分。
20.根據(jù)權(quán)利要求
17所述的功率轉(zhuǎn)換器，進一步包括將第一和第二功率半導(dǎo)體器件的每一個與所述第一平面變壓器的至少一個繞組電耦合的數(shù)條線接合。
21.根據(jù)權(quán)利要求
17所述的功率轉(zhuǎn)換器，進一步包括與所述第一和第三多層基底電隔離的至少第四多層基底，所述第四多層基底至少包括第一層、第二層和第三層，第一層包括被圖案化以形成第三電感器的導(dǎo)電和導(dǎo)熱材料，第二層包括電絕緣和導(dǎo)熱材料，以及第三層包括導(dǎo)電和導(dǎo)熱材料，第二層使第三層與第一層電隔離，所述第四多層基底的第三層與散熱器熱耦合；與第四多層基底的第一層的第一部分電熱耦合的至少第三功率半導(dǎo)體器件；與第一、第三和第四多層基底電隔離的至少第五多層基底，所述第五多層基底至少包括第一層、第二層和第三層，第一層包括被圖案化以形成第四電感器的導(dǎo)電和導(dǎo)熱材料，第二層包括電絕緣和導(dǎo)熱材料，以及第三層包括導(dǎo)電和導(dǎo)熱材料，第二層使第三層與第一層電隔離，所述第五多層基底的第三層與散熱器熱耦合；和與所述第五多層基底的第一層的第一部分電熱耦合的至少第四功率半導(dǎo)體器件，第一、第二、第三和第四功率半導(dǎo)體器件電耦合作為整流器電橋。
22.根據(jù)權(quán)利要求
21所述的功率轉(zhuǎn)換器，其中，所述整流器電橋是電流加倍整流器。
23.根據(jù)權(quán)利要求
21所述的功率轉(zhuǎn)換器，進一步包括至少第六、第七、第八、第九、第十和第十一多層基底，所述第六、第七、第八、第九、第十和第十一多層基底的每一個與其它多層基底電隔離，以及第六、第七、第八、第九、第十和第十一多層基底的每一個至少包括第一層、第二層和第三層，第一層包括被圖案化以形成各自電感器的導(dǎo)電和導(dǎo)熱材料，第二層包括電絕緣和導(dǎo)熱材料，以及第三層包括導(dǎo)電和導(dǎo)熱材料，第二層使第三層與第一層電隔離，所述第六、第七、第八、第九、第十和第十一多層基底每一個的第三層與散熱器熱耦合；和分別與第六、第七、第八、第九、第十和第十一多層基底的第一層的第一部分電熱耦合的至少第五、第六、第七、第八、第九和第十功率半導(dǎo)體器件，所述第五、第六、第七、第八、第九和第十功率半導(dǎo)體器件相互電耦合作為逆變器。
24.根據(jù)權(quán)利要求
19所述的功率轉(zhuǎn)換器，其中，所述第一多層基底包括直接接合銅基底。
25.根據(jù)權(quán)利要求
19所述的功率轉(zhuǎn)換器，其中，所述第一多層基底包括絕緣金屬基底。
26.根據(jù)權(quán)利要求
19所述的功率轉(zhuǎn)換器，其中，所述散熱器包括入口、出口、和與入口和出口進行流體交換以便傳送流體冷卻劑的至少一個空腔。
27.根據(jù)權(quán)利要求
19所述的功率轉(zhuǎn)換器，其中，所述散熱器形成大小和尺度適合容納磁芯的一部分的凹口，使得所述第一和第二繞組與散熱器的表面相鄰。
28.根據(jù)權(quán)利要求
19所述的功率轉(zhuǎn)換器，進一步包括一對DC輸入端；和一對DC輸出端。
29.根據(jù)權(quán)利要求
19所述的功率轉(zhuǎn)換器，其中，所述第一繞組與電源電耦合作為初級繞組。
30.根據(jù)權(quán)利要求
19所述的功率轉(zhuǎn)換器，其中，所述第一繞組與負載電耦合作為次級繞組。
31.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的功率轉(zhuǎn)換器，進一步包括與第一多層基底的一個導(dǎo)電和導(dǎo)熱層電耦合的至少第一平面電感器。
32.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的功率轉(zhuǎn)換器，進一步包括至少包括第一層、第二層和第三層的至少第三多層基底，第一層包括導(dǎo)電和導(dǎo)熱材料，第二層包括電絕緣和導(dǎo)熱材料，第三層包括導(dǎo)電和導(dǎo)熱材料，第一層被圖案化以形成第二電感器，最外面一個導(dǎo)電和導(dǎo)熱層與散熱器熱耦合。
33.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的功率轉(zhuǎn)換器，其中，所述第二多層基底進一步包括第四層和第五層，第四層包括電絕緣和導(dǎo)熱材料，第五層包括導(dǎo)電和導(dǎo)熱材料，第四層使第三層與第五層電隔離，第五層被圖案化并與圖案化的第一層串聯(lián)電耦合以形成第二繞組。
34.一種形成功率轉(zhuǎn)換器的方法，包括提供散熱器；提供數(shù)個多層開關(guān)基底，每個多層開關(guān)基底包括至少兩個導(dǎo)電和導(dǎo)熱層和至少一個電絕緣和導(dǎo)熱層，多層開關(guān)基底的每個導(dǎo)電和導(dǎo)熱層通過各自一個電絕緣和導(dǎo)熱層與下一個相繼導(dǎo)電和導(dǎo)熱層隔離；對于每個多層開關(guān)基底，將至少一個各自的功率半導(dǎo)體器件焊接到多層開關(guān)基底的導(dǎo)電和導(dǎo)熱層之一上；對于每個多層開關(guān)基底，將多層開關(guān)基底的電絕緣和導(dǎo)熱層之一焊接到散熱器上；提供磁芯；提供多層變壓器基底，所述多層變壓器基底包括至少兩個導(dǎo)電和導(dǎo)熱層和至少一個電絕緣和導(dǎo)熱層，所述多層變壓器基底的每個導(dǎo)電和導(dǎo)熱層通過各自一個電絕緣和導(dǎo)熱層與下一個相繼導(dǎo)電和導(dǎo)熱層隔離；圖案化多層變壓器基底的至少一個導(dǎo)電和導(dǎo)熱層以形成第一繞組；圖案化多層變壓器基底的至少一個導(dǎo)電和導(dǎo)熱層以形成第二繞組的各個部分；至少使第一和第二繞組的每一個的一部分處于磁芯的磁場內(nèi)以形成平面變壓器；和將多層變壓器基底的至少一個電絕緣和導(dǎo)熱層焊接到散熱器上。
35.根據(jù)權(quán)利要求
34所述的方法，其中，同時進行將多層開關(guān)基底的至少一個電絕緣和導(dǎo)熱層焊接到散熱器上和將多層變壓器基底的至少一個電絕緣和導(dǎo)熱層焊接到散熱器上。
36.根據(jù)權(quán)利要求
34所述的方法，其中，在單個回流過程中進行將多層開關(guān)基底的至少一個電絕緣和導(dǎo)熱層焊接到散熱器上和將多層變壓器基底的一個電絕緣和導(dǎo)熱層焊接到散熱器上。
37.根據(jù)權(quán)利要求
34所述的方法，其中，在將多層開關(guān)基底的至少一個電絕緣和導(dǎo)熱層焊接到散熱器上之前，將至少一個各自的功率半導(dǎo)體器件焊接到多層開關(guān)基底的導(dǎo)電和導(dǎo)熱層之一上。
38.根據(jù)權(quán)利要求
34所述的方法，進一步包括將至少一些功率半導(dǎo)體器件與第一或第二繞組的至少一個線接合。
39.根據(jù)權(quán)利要求
34所述的方法，進一步包括將所有功率半導(dǎo)體器件與第一或第二繞組的至少一個線接合。
40.根據(jù)權(quán)利要求
34所述的方法，進一步包括將四個功率半導(dǎo)體器件相互線接合作為整流器。
41.根據(jù)權(quán)利要求
34所述的方法，進一步包括將六個功率半導(dǎo)體器件相互線接合作為三相逆變器。
42.一種功率轉(zhuǎn)換器，包括散熱器；能夠產(chǎn)生磁場的磁芯；包括至少兩個導(dǎo)電和導(dǎo)熱層和至少一個電絕緣和導(dǎo)熱層的至少第一多層基底，所述第一多層基底的每個導(dǎo)電和導(dǎo)熱層通過各自一個電絕緣和導(dǎo)熱層與下一個相繼導(dǎo)電和導(dǎo)熱層電隔離，至少第一個導(dǎo)電和導(dǎo)熱層被圖案化以形成第一繞組，至少第二個導(dǎo)電和導(dǎo)熱層被圖案化以形成第二繞組，第一和第二繞組的每一個的至少一部分位于磁芯的磁場內(nèi)以形成平面變壓器，第一多層基底與散熱器熱耦合；和與第一多層基底的導(dǎo)電和導(dǎo)熱層之一電耦合的至少第一功率半導(dǎo)體器件，所述第一功率半導(dǎo)體器件經(jīng)由第一多層基底與散熱器電隔離和熱耦合。
43.根據(jù)權(quán)利要求
42所述的功率轉(zhuǎn)換器，其中，所述第一功率半導(dǎo)體器件表面安裝到所述第一多層基底的最外面一個導(dǎo)電和導(dǎo)熱層上。
44.根據(jù)權(quán)利要求
42所述的功率轉(zhuǎn)換器，其中，所述第一功率半導(dǎo)體器件表面安裝到第一多層基底的里面一個導(dǎo)電和導(dǎo)熱層上。
45.根據(jù)權(quán)利要求
42所述的功率轉(zhuǎn)換器，進一步包括與所述第一多層基底的導(dǎo)電和導(dǎo)熱層之一電耦合的至少第一平面電感器。
46.根據(jù)權(quán)利要求
45所述的功率轉(zhuǎn)換器，其中，所述第一平面電感器表面安裝到所述第一多層基底的導(dǎo)電和導(dǎo)熱層之一上。
47.根據(jù)權(quán)利要求
42所述的功率轉(zhuǎn)換器，其中，至少第三個導(dǎo)電和導(dǎo)熱層被圖案化并與第二個導(dǎo)電和導(dǎo)熱層電耦合以形成第二繞組。
專利摘要
一種功率轉(zhuǎn)換器，集成了包括多層變壓器基底的至少一個平面變壓器(T1，T2)和/或包括多層電感器基底的至少一個平面電感器，與通過一個或多個多層開關(guān)基底與散熱器物理和熱耦合的數(shù)個功率半導(dǎo)體開關(guān)(S7－S10)。
文檔編號H01F27/22GK1998128SQ20058002408
公開日2007年7月11日 申請日期2005年5月27日
發(fā)明者陳康華, 塞義德·艾哈邁德, 朱立志 申請人:百拉得動力系統(tǒng)公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan