[发明专利]直接冷却功率半导体的用于运行电动车辆驱动器的功率模块

说明书

本发明涉及一种直接冷却功率半导体的用于运行电动车辆驱动器的功率模块及其制造方法，其中，功率模块包括半导体开关元件(114、214)、衬底(112、212)以及驱动电子设备，其中，衬底包括在第一金属板和第二金属板之间的绝缘板(115、215)，其中，半导体开关元件可以通过驱动电子设备切换，使得半导体开关元件允许通过或中断漏源电流，以便将在输入侧上馈送到功率模块的直流电转换为输出侧上的交流电，其中，功率模块进一步包括冷却结构(120、220)，冷却结构具有冷却流体流过的多个冷却通道(122、222)，该方法包括：将半导体开关元件附接至第一金属板；用封装化合物(116、216)封装半导体开关元件；以及通过增材制造将冷却结构形成在封装化合物上。

技术领域

本发明涉及电动领域，特别是用于运行车辆的电驱动器的功率模块。

背景技术

功率模块，特别是集成功率模块，越来越多地应用于机动车辆中。例如，这种功率模块用于DC/AC逆变器中，其目的是为诸如电动马达的电机提供多相交流电。通过DC能量源(诸如，电池)产生的直流电在这里被转换为多相交流电。功率模块基于功率半导体，特别是晶体管，诸如IGBT、MOSFET以及HEMT。进一步的应用领域包括DC/DC转换器和AC/DC整流器以及变压器。

用于桥接电路的功率开关通常由功率半导体构成。常见示例是所谓的半桥，半桥包括高侧组件和低侧组件。高侧和低侧组件均包括一个或多个功率开关，即高侧功率开关和低侧功率开关。通过高侧和低侧功率开关的受控切换，在功率模块的输出端产生的电流的(输出电流)的方向可以在非常短的周期时间内在正电流方向和负电流方向之间改变。这实现了所谓的脉宽调制，以便在DC/AC逆变器的情况下，基于在功率模块的输入侧处馈入的直流电产生交流电。

针对所有这些应用，使用的功率开关的切换时间足够短是有利的。得益于功率半导体领域的进步，使用诸如SiC和GaN的所谓的宽带隙半导体可以实现短的切换时间。

功率开关的受控切换由驱动电子设备执行和实现。驱动电子设备通常包括：控制器组件，该控制器组件基于电动车辆驱动器和/或功率模块的运行状态产生控制信号；和驱动器组件，该驱动器组件与控制器组件通信，以基于控制信号驱动功率开关。

在功率模块运行时，半导体开关元件经受高电流。由此在半导体开关元件中产生大量的热，并且必须将热消散，以避免半导体开关元件过热和功率模块的相关损害。

现有技术中目前已知的功率模块设有散热器以冷却半导体开关元件；散热器与半导体开关元件所附接到的衬底接触。散热器通常包括与衬底直接接触的冷却板。散热器还包括具有多个翅片的冷却结构，例如，针翅结构，在这些翅片之间形成冷却流体(例如，水)流过的冷却通道。冷却板经由衬底从半导体开关元件吸热。这种吸回的热分布在冷却结构上，并且在冷却结构中的冷却流体之间发生热交换，由此也在半导体开关元件之间发生热交换。

然而，已知的功率模块受到与制造和组装相关的若干限制。传统上需要压制方法将衬底与半导体开关元件一起结合到冷却板。然而，冷却板必须保持最小厚度，以便在压制到位时不会变形甚至破坏冷却结构，同时确保衬底和冷却板之间的牢固结合。这导致安装空间大且制造费力。

发明内容

因此，本发明的目的在于简化功率模块的制造，同时降低功率模块的安装空间。

该目的通过根据独立权利要求的一种功率模块和一种方法实现。

在本发明的背景下，功率模块用于车辆，特别是电动车辆和/或混合动力车辆的电驱动器的运行。功率模块优选地安装在DC/AC逆变器中。功率模块尤其用于向电机，例如电动马达和/或发电机供电。DC/AC逆变器用于从通过诸如电池的能量源的DC电压产生的直流电产生多相交流电。