KR20150140289A - 전력 반도체 모듈 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 제 1 주 전극 (12), 제 2 주 전극 (14), 및 제어 단자 (16) 를 구비하는 전력 반도체 모듈 (10) 에 관한 것이다. 전력 반도체 모듈 (10) 은 상기 제 1 주 전극 (12) 과 상기 제 2 주 전극 (14) 사이에 배치된 제어가능한 전력 반도체 부품들 (18) 을 더 구비한다. 본 발명에 따르면, 전력 반도체 모듈 (10) 은, 제어가능한 전력 반도체 부품들 (18) 중의 적어도 일 부분이 링 어셈블리 (28, 28', 28") 내에 배치되고, 링 어셈블리 (28, 28', 28") 의 제어가능한 전력 반도체 부품들 (18) 은 적어도 대략 링 어셈블리 (28, 28', 28") 의 제 1 둘레 (30) 를 따라 배치되고, 링 어셈블리 (28, 28', 28") 의 제어 전도성 경로 (32) 가 제 1 주 전극 (12) 상에 배치되고, 제어 전도성 경로 (32) 는 적어도 대략 링 어셈블리 (28, 28', 28") 의 제 2 둘레 (34) 를 따라 연장되고, 제 2 둘레 (34) 는 제 1 둘레 (30) 에 대해 동심으로 연장되는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 청구항 1의 전제부에 따른 전력 반도체 모듈에 관한 것이다.
이러한 유형의 전력 반도체 모듈은 DE 196 44 009 A1에 공지되어 있다.
마찬가지로, 다른 전력 반도체 모듈이 종래 기술로부터 공지되어 있고, 예컨대 EP 0 989 611 A2, US 6426561, EP 1 403 923 A1 또는 WO 2012/107482 A2 에 기재되어 있다. 이 모듈은 예컨대 고압 직류 전송을 위한 전력 변환기 설비를 위해 사용된다. 전력 반도체 모듈은 작동 중에 일반적으로 최소 500 V 이상 그리고 1 kA 이상으로 부하를 받는다. 전력 반도체 모듈들이 고압 직류 전송을 위한 전력 변환기 설비에 채용되는 때, 요구되는 차단 전압을 달성하기 위해 전력 반도체 모듈들은 직렬로 연결된다.
일반적으로 100 내지 1000 개의 전력 반도체 모듈들이 직렬로 연결된다.
더욱이, 이러한 유형의 전력 반도체 모듈들은 정지형 무효전력 보상기 (static VAR compensators) 를 위해서도 또한 사용된다.
공지의 전력 반도체 모듈의 경우, 전력 반도체 모듈을 통해 전류 흐름을 발생시키는 자기장으로 인해, 전력 반도체 모듈에 배치된 전력 반도체 부품이 불균일하게 부하를 받는다는 단점이 있는 것으로 판명되었다. 이는 특히 개별 전력 반도체 부품의 과부하를 초래할 수 있다. 전력 반도체 부품의 과부하는 과부하의 전력 반도체 부품이 배치된 모듈의 고장을 초래한다.
본 발명의 목적은 전력 반도체 부품이 가능한 한 균일하게 부하를 받는 전력 반도체 모듈을 명시하는 것이다.
이러한 목적은 청구항 1 에서 청구되는 바와 같은 전력 반도체 모듈에 의해 본 발명에 따라 달성된다. 본 발명의 유리한 국면은 종속 청구항들에 명시된다.
본 발명에 따른 전력 반도체 모듈은 제 1 주 전극, 제 2 주 전극, 및 제어 단자를 포함한다. 더욱이, 전력 반도체 모듈은 상기 제 1 주 전극과 상기 제 2 주 전극 사이에 배치된 제어가능한 전력 반도체 부품들을 포함하고, 각 제어가능한 전력 반도체 부품은 제 1 전극, 제 2 전극 및 제어 전극을 구비하고, 각 제어가능한 전력 반도체 부품의 제 1 전극은 상기 제 1 주 전극에 전기 접속되고, 각 제어가능한 전력 반도체 부품의 제 2 전극은 상기 제 2 주 전극에 전기 접속되고, 각 제어가능한 전력 반도체 부품의 제어 전극은 상기 제어 단자에 전기 접속된다. 본 발명에 따르면, 전력 반도체 모듈은, 상기 제어가능한 전력 반도체 부품들 중의 적어도 일부가 복수의 링 장치들 내에 배치되고, 개별 링 장치의 제어가능한 전력 반도체은 적어도 대략 개별 링 장치의 제 1 원형 라인을 따라 배치되고, 개별 링 장치의 제어 도전체 트랙이 상기 제 1 주 전극상에 배치되고, 개별 링 장치의 제어 도전체 트랙은 적어도 대략 개별 링 장치의 제 2 원형 라인을 따라 연장되고, 개별 링 장치의 제 2 원형 라인은 개별 링 장치의 제 1 원형 라인에 대해 외부에 그리고 동심으로 연장되고, 개별 링 장치의 각 제어가능한 전력 반도체 부품의 제어 전극은 전기 접속부를 통해 개별 링 장치의 제어 도전체 트랙에 접속되고, 개별 링 장치의 제어 도전체 트랙은 추가의 전기 접속부를 통해 제어 단자에 접속되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 전력 반도체 부품들은 복수의 링 장치들 내에 배치된다. 링 장치들의 결과로서 또는 적어도 대략 원형 라인을 따른 제어가능한 전력 반도체 부품들의 배치의 결과로서, 개별 링 장치의 전력 반도체 부품들은 작동 동안에 실질적으로 동일한 또는 적어도 유사한 자기장에 노출된다. 더욱이, 개별 링 장치의 제어 도전체 트랙이 적어도 대략 제 2 원형 라인을 따라 연장되고, 제 2 원형 라인은 제 1 원형 라인에 대해 외부에 그리고 동심으로 연장된다. 결과적으로, 제어 단자, 개별 전력 반도체 부품의 제어 전극, 개별 전력 반도체 부품의 제 2 전극, 및 제 2 주 전극을 갖는 각 도전체 루프에, 적어도 대략 유사한 자기장이 도전체 루프들의 각각에 커플링되어서, 개별 링 장치의 전력 반도체 부품들의 스위칭 거동이 자기장에 의해 적어도 대략 동등하게 영향을 받는다.
제 1 원형 라인 내에 놓이는 제 2 원형 라인에 비해, 본 발명에 따른 실시형태는 위에서 규정된 도전체 루프들에 커플링되는 자기장으로 인해 각 전력 반도체 부품의 지연된 스위칭 거동을 초래한다. 이는 특히 전력 반도체 모듈의 단락 거동 (short-circuit behavior) 에 적절한 영향을 미친다.
복수의 링 장치들의 결과로서, 고출력밀도가 달성되므로, 공간의 최적 활용이 가능해진다.
전력 반도체 모듈의 일 바람직한 실시형태에 따르면, 제 1 원형 라인은 제 1 다각형에 의해 근사되고 (approximated), 관련 제 2 원형 라인은 상기 제 1 다각형과 동일한 개수의 꼭지점들을 갖는 제 2 다각형에 의해 근사되고, 상기 제 1 다각형의 꼭지점들은 상기 제 2 다각형의 꼭지점들과 정렬된다.
이 실시형태는 특히 전력 반도체 모듈의 경제적 생산을 가능하게 하고, 원형 대칭으로부터의 편차가 스위칭 거동에 작은 영향을 미치는 것으로 밝혀졌다.
전력 반도체 모듈의 일 바람직한 실시형태에 따르면, 전력 반도체 모듈은 능동 어셈블리들 (active assemblies) 을 구비하고, 각 능동 어셈블리는 전기 전도성 캐리어 플레이트를 구비하고, 능동 어셈블리들의 캐리어 플레이트들은 제 1 주 전극을 함께 형성한다. 더욱이, 각 링 장치는 상기 능동 어셈블리들 의해 링 세그먼트들로 분할되고, 링 세그먼트의 능동 전력 반도체 부품들은 캐리어 플레이트 상에 배치되고, 개별 링 장치의 제어 도전체 트랙은 링 장치의 제어 도전체 트랙 세그먼트들로 세분화되고, 개별 링 세그먼트의 각 전력 반도체 부품의 제어 전극은 개별 링 세그먼트의 제어 도전체 트랙 세그먼트에 접속된다.
전력 반도체 모듈의 이 실시형태는, 어셈블리들이 생산 및 테스트될 수 있으므로, 경제적 생산을 가능하게 한다. 기능적 어셈블리들이 전력 반도체 모듈을 형성하도록 조합될 수 있다.
전력 반도체 모듈의 일 바람직한 실시형태에 따르면, 링 장치들은 중첩 (overlap) 되지 않는다. 환언하면, 링 장치들은 중첩을 갖지 않는다.
이 실시형태는 비용-효과적인 생산을 가능하게 한다.
전력 반도체 모듈의 일 바람직한 실시형태에 따르면, 모든 능동 전력 반도체 부품들이 링 장치 또는 링 장치들 내에 배치된다.
전력 반도체 모듈의 이 실시형태는 모든 전력 반도체 부품들의 스위칭 거동을 최적화시킬 수 있다.
전력 반도체 모듈의 일 바람직한 실시형태에 따르면, 전력 반도체 모듈의 능동 어셈블리들은 모두 동등하게 구현된다.
이 실시형태는 경제적 생산을 가능하게 한다.
전력 반도체 모듈의 일 바람직한 실시형태에 따르면, 전력 반도체 모듈의 제 2 주 전극과 각 제어가능한 전력 반도체 부품 사이에 전기 전도성 접촉 엘리먼트가 배치되고, 상기 접촉 엘리먼트는 제 2 주 전극을 전력 반도체 부품의 제 2 전극에 접속시키고, 접촉 엘리먼트 및 전력 반도체 부품은 제 1 주 전극에 대해 적어도 대략 직각인 통전 (current carrying) 방향을 규정한다.
전력 반도체 모듈의 이 실시형태는 비교적 간단한 구성으로 적층가능한 모듈을 실현할 수 있게 한다.
모든 다른 실시형태와 조합될 수 있는 전력 반도체 모듈의 추가의 실시형태에 따르면, 제 1 주 전극은 제 2 주 전극에 평행하다.
전력 반도체 모듈의 일 바람직한 실시형태에 따르면, 각 접촉 엘리먼트는 프레스 콘택트 (press contact) 로서 구현된다.
이 실시형태는, 매우 간단한 방식으로, 압력에 의한 전기 접촉을 실현할 수 있게 하고, 전기 접촉을 형성하기 위해 땜납 또는 다른 전기 접속 층이 없을 수 있다. 더욱이, 이 실시형태는 전력 반도체 부품들 및 접촉 엘리먼트들의 상이한 구조적 높이를 보상할 수 있게 한다. 상이한 구조적 높이는 생산에 의해 지배된다. 더욱이, 이 실시형태는, 프레스 콘택트의 스프링 이동 덕분에, 제 2 주 전극에 대한 제 1 주 전극의 적응성 (adaptive) 정렬을 가능하게 한다.
전력 반도체 모듈의 일 바람직한 실시형태에 따르면, 추가의 전기 접속부는 통전 방향에 적어도 실질적으로 평행하게 연장된다.
전력 반도체 모듈의 일 바람직한 실시형태에 따르면, 전력 반도체 모듈은 절연재로 이루어진 프레임을 구비하고, 능동 어셈블리들은 상기 프레임에 삽입된다.
이 실시형태 덕분에, 전력 반도체 모듈은 능동 어셈블리들로부터 경제적으로 구성될 수 있다.
전력 반도체 모듈의 일 바람직한 실시형태에 따르면, 전력 반도체 모듈은 중앙의 관통 구멍을 구비한다.
이 실시형태 덕분에, 적층되는 전력 반도체 모듈들은 관통 구멍들을 통해 안내되는 로드 (rod) 에 의해 서로에 대해 받혀질 (braced) 수 있고, 그 결과, 인접한 제 1 주 전극들과 제 2 주 전극들 사이에 최적의 접촉 압력이 형성된다. 선택적으로, 2 개의 전력 반도체 모듈들의 인접하는 제 1 주 전극과 제 2 주 전극 사이에 히트 싱크가 배치될 수 있다.
전력 반도체 모듈의 다른 바람직한 실시형태에 따르면, 스위칭가능한 전력 반도체 부품들이 RC-IGBTs 로도 표기되는 역도통 (reverse conducting) IGBTs 로서 구현된다. 또한, 대안적으로, 종래의 IGBTs 가 사용될 수 있고, 이 경우, 역평형 전력 반도체 다이오드들이 IGBTs 에 관하여 부가적으로 배치되어야 한다. 다이오드들은 예컨대 스위칭가능한 전력 반도체 부품 대신에 배치될 수 있다. 능동 어셈블리들을 포함하는 실시형태에서, 어셈들리들 중의 하나의 어셈블리의 스위칭가능한 전력 반도체 부품들이 전력 반도체 다이오드들에 의해 형성될 수 있고, 이 경우, 전력 반도체 다이오드들이 제어 전극을 갖지 않으므로 어셈블리의 구성이 단순화될 수 있다. 일례로서, 프레임 내에서, 2 개의 능동 어셈블리들이 전력 반도체 다이오드들을 구비할 수 있고, 4 개이 능동 어셈블리들이 IGBTs 를 구비할 수 있다. 다른 장치들이 또한 상정가능하고 본 기술분야의 통상의 기술자에게 자명하다.
본 발명의 상기한 그리고 다른 목적들, 이점들 그리고 특징들이 첨부 도면과 함께 본 발명의 바람직한 실시형태들에 대한 이하의 상세한 설명으로부터 분명해질 것이다.
도 1 은 제 1 실시형태에 따른 개방 전력 반도체 모듈의 평면도로서, 제 2 주 전극 및 제어 단자가 제거되어 있다.
도 2 는 도 1 에 나타낸 선 A-B 을 따라 자른 단면도로서, 제 2 주 전극 및 제어 단자가 도시되어 있다.
도 3 은 제 2 실시형태에 따른 개방 전력 반도체 모듈의 평면도로서, 제 2 주 전극 및 제어 단자가 제거되어 있다.
도 4 는 다른 실시형태에 따른 개방 전력 반도체 모듈의 사시도로서, 제 2 주 전극이 제거되어 있다.
도 5 는 도 4 에 따른 전력 반도체 모듈의 사시도로서, 제 2 주 전극이 도시되어 있다.
도 6 은 도 4 및 도 5 에 나타낸 전력 반도체 모듈에 사용된 능동 어셈블리의 평면도이다.
도 7 은 도 6 에 나타낸 능동 어셈블리의 사시도로서, 능동 어셈블리의 개별 소자들을 더 잘 보여주기 위해 어셈블리 프레임이 도시되어 있지 않다.
도 2 는 도 1 에 나타낸 선 A-B 을 따라 자른 단면도로서, 제 2 주 전극 및 제어 단자가 도시되어 있다.
도 3 은 제 2 실시형태에 따른 개방 전력 반도체 모듈의 평면도로서, 제 2 주 전극 및 제어 단자가 제거되어 있다.
도 4 는 다른 실시형태에 따른 개방 전력 반도체 모듈의 사시도로서, 제 2 주 전극이 제거되어 있다.
도 5 는 도 4 에 따른 전력 반도체 모듈의 사시도로서, 제 2 주 전극이 도시되어 있다.
도 6 은 도 4 및 도 5 에 나타낸 전력 반도체 모듈에 사용된 능동 어셈블리의 평면도이다.
도 7 은 도 6 에 나타낸 능동 어셈블리의 사시도로서, 능동 어셈블리의 개별 소자들을 더 잘 보여주기 위해 어셈블리 프레임이 도시되어 있지 않다.
도면에 사용된 도면부호 및 그 의미는 부호의 설명에 요약 열거된다. 원칙적으로, 동일한 부분은 도면에서 동일한 도면 부호를 가지며 따라서 단 한 번만 기술될 것이다.
후술하는 실시형태는 예로써 본 발명의 주제를 나타내며 제한적인 영향을 미치지 않는다.
도 1 및 도 2 는, 제 1 주 전극 (12) 및 제 2 주 전극 (14) (도 2 에만 도시되어 있음) 을 포함하는 전력 반도체 모듈 (10) 의 제 1 실시형태를 보여준다. 전력 반도체 모듈 (10) 은 공지의 방식으로 제 2 주 전극 (14) 으로부터 절연되도록 제 2 주 전극 (14) 상에 배치된 제어 단자 (16) (도 2 에 도시되어 있음) 를 더 포함한다. 도 2 에 도시된 바와 같이, 특히, 제어가능한 전력 반도체 부품들 (18) 이 제 1 주 전극 (12) 과 제 2 주 전극 (14) 사이에 배치된다. 각 제어가능한 전력 반도체 부품 (18) 은 제 1 전극 (20), 제 2 전극 (22) 및 제어 전극 (24) 을 갖는다. 각 제어가능한 전력 반도체 부품 (18) 의 제 1 전극 (20) 은 접속층에 의해 제 1 주 전극 (12) 에 전기 접속된다. 접속층은 예컨대 땜납층에 의해 또는 소결법에 의해 생성되는 접속층에 의해 형성될 수 있다. 제 2 전극 (22) 은 접촉 엘리먼트 (26) 를 통해 제 2 주 전극 (14) 에 전기 접속된다.
도 1 에 도시된 바와 같이, 특히, 제어가능한 전력 반도체 부품들 (18) 은 서로 동심을 이루는 내부 링 장치 (28') 와 외부 링 장치 (28") 에 배치된다. 또한, 이러한 2 개의 링 장치 (28', 28") 대신에, 전력 반도체 부품들 (18) 은 복수의 상호 동심의 링 장치들에 배치될 수 있다. 링 장치들은 일반적으로 도면부호 28 이 지정된다. 더욱이, 서로에 대해 동심으로 배치된 개별 링 장치들은 중첩되지 않는다. 따라서, 이들은 중첩을 갖지 않는다.
각 링 장치 (28) 에서, 특히 도 1 에 도시된 내부 및 외부 링 장치 (28', 28") 에서, 제어가능한 전력 반도체 부품들 (18) 은 개별 링 장치 (28) 의 제 1 원형 라인 (30) 을 따라 배치된다. 더욱이, 각 링 장치 (28) 는 제어 도전체 트랙 (32) 을 갖고, 이 제어 도전체 트랙은 제 1 주 전극 (12) 에 그로부터 절연되도록 배치된다. 개별 링 장치 (28) 의 제어 도전체 트랙 (32) 은 제 2 원형 라인 (34) 을 따라 연장되고, 제 2 원형 라인 (34) 은 제 1 원형 라인 (30) 에 대해 동심으로 위치된다. 도 1 에 도시된 바와 같이, 개별 링 장치 (28) 의 제어 도전체 트랙 (32) 은 복수의 제어 도전체 트랙 세그먼트들 (33, 33', 33") 에 의해 형성된다. 링 장치 (28) 의 제어가능한 전력 반도체 부품들 (18) 의 각 제어 전극 (24) 은 전기 접속부 (36), 예컨대 와이어를 통해 제어 도전체 트랙 (32) 에 접속되고, 접속부 (36) 는 바람직하게는, 제 1 원형 라인 (30) 또는 제 2 원형 라인 (34) 에 대해 실질적으로 반경 방향으로 연장된다.
도 2 에 도시된 바와 같이, 제어 도전체 트랙 (32) 또는 각 제어 도전체 트랙 세그먼트 (33, 33', 33") 는 추가의 전기 접속부 (38) 를 통해 제어 단자 (16) 에 접속된다. 대안적으로, 제 2 원형 라인 (34) 을 따라 개별 제어 도전체 트랙 세그먼트들 (33, 33', 33") 을 상호 접속시키고, 추가의 전기 접속부 (38) 를 통해 제어 도전체 트랙 세그먼트들 (33, 33', 33") 중의 적어도 하나를 제어 단자 (16) 에 접속시키는 것도 또한 가능하다.
더욱이, 추가의 전기 접속부 (38) 가 이하에서 규정하는 통전 방향 (S) 에 평행하게 연장되는 것이 바람직하다. 또한, 대안적으로, 추가의 전기 접속부 (38) 는 제 1 원형 라인 (30) 또는 제 2 원형 라인 (34) 에 대해 동심으로 위치되는 원형 실린더의 측방향 표면에 실질적으로 연장될 수 있다. 다른 대안예로서, 추가의 전기 접속부가 각 경우에 능동 어셈블리 (42) 에 대해 동등하게 정렬되는 것을 또한 생각할 수 있다.
도 1 에 도시된 바와 같이, 개별 링 장치 (28) 의 제 2 원형 라인 (34) 은 동일한 링 장치 (28) 의 제 1 원형 라인 (30) 의 외부에 놓인다. 환언하면, 제 2 원형 라인 (34) 의 반경이 제 1 원형 라인 (30) 의 반경보다 더 크다.
도 1 에 더 도시된 바와 같이, 제 1 주 전극 (12) 은 3 개의 부분으로 구현된다. 일반적으로, 제 1 주 전극 (12) 은 제 1 주 전극 (12) 을 함께 형성하는 임의의 개수의 캐리어 플레이트들에 의해 형성될 수 있다. 본 모범적인 실시형태에서, 제 1 주 전극 (12) 은 3 개의 캐리어 플레이트들 (40, 40', 40") 에 의해 형성된다. 능동 어셈블리 (42) 는 전력 반도체 모듈 (10) 에서 캐리어 플레이트들 (40, 40', 40") 에 의해 형성된다. 더욱이, 각 링 장치 (28, 28', 28") 는 능동 어셈블리들 (42) 에 의해 링 세그먼트들로 세분화된다. 도 1 에 도시된 바와 같이, 내부 링 장치 (28') 및 또한 외부 링 장치 (28") 는 각각 능동 어셈블리들에 의해 3 개의 링 세그먼트들로 분할된다.
그러므로, 각 캐리어 플레이트 (40, 40', 40") 의 제 1 측에는, 능동 전력 반도체 부품들 (18) 이 배치되고 그에 전기 전도적으로 접속된다. 주 전극 (12) 은 특히 제 1 측에 반대되는 캐리어 플레이트의 그 측에 의해 형성된다.
도 1 및 도 2 에 도시된 바와 같이, 능동 어셈블리들 (42) 은 프레임 (44) 에 의해 유지되거나 프레임 (44) 에 삽입된다. 프레임 (44) 은 절연재로부터 형성된다. 도 1 은 전력 반도체 모듈 (10) 이 중앙에 선택적인 관통 구멍 (46) 을 구비하는 것을 또한 보여준다. 상기 관통 구멍을 통해 로드가 안내될 수 있고, 이 로드에 의해, 층층이 적층된 복수의 전력 반도체 모듈들 (10) 이 서로에 대해 받혀질 수 있다.
도 1 에 더 도시된 바와 같이, 모든 제어가능한 전력 반도체 부품들 (18) 은 링 장치들 (28, 28', 28") 내에 배치된다. 그렇지만, 제어가능한 전력 반도체 부품들 (18) 은 링 장치들의 외부에 또한 배치될 수 있다. 전력 반도체 모듈의 성능을 증가시키기 위해, 관통 구멍 대신에, 전력 반도체 모듈의 중심에 단일 전력 반도체 부품이 배치될 수도 있다.
도 2 에 도시된 바와 같이, 특히, 각 전력 반도체 부품 (18) 의 제 2 전극 (22) 은 접촉 엘리먼트 (26) 에 의해 접촉-접속된다. 접촉 엘리먼트 (26) 는 전력 반도체 부품 (18) 의 제 2 전극 (22) 과 전력 반도체 모듈 (10) 의 제 2 주 전극 (14) 사이에 전기 접속을 형성한다. 더욱이, 접촉 엘리먼트 (26) 는, 고장의 경우에 전력 반도체 모듈 (10) 이 도전성 상태로의 천이 (이는 단락 고장 모드 (short circuit failure mode; SCFM) 로 알려져 있음) 를 겪도록 하기 위해 중요한 엘리먼트이다. 이는 종래 기술로부터 알려져 있고 예컨대 EP 0 989 611 A2, US 6426561, EP 1 403 923 A1 또는 WO 2012/107482 A2 에 기재되어 있다.
개별 접촉 엘리먼트 (26) 에 의해 접촉-접속된 접촉 엘리먼트 (26) 와 전력 반도체 부품 (18) 은 통전 방향 (S) 을 규정한다. 후자는 제 1 주 전극 (12) 에 대해 적어도 대략 직각이다.
접촉 엘리먼트 (26) 는 예컨대 EP 0 989 611 A2, US 6426561 또는 EP 1 403 923 A1 에 기재된 바와 같이 프레스 콘택트를 포함할 수 있다. 후자는 종래 기술에서 공지된 바와 같이 스프링에 의해 실현될 수 있다. 더욱이, 접촉 엘리먼트 (26) 는 알루미늄, 은, 금, 구리 또는 마그네슘을 포함할 수 있고, 고장의 경우에 제 1 주 전극 (12) 과 제 2 주 전극 (14) 사이의 전기 전도성 접속의 형성을 가능하게 하거나 지지하는 일부 다른 적절한 재료로 이루어진 금속 층을 또한 포함할 수 있다. 금속 층의 금속은 전력 반도체 부품 (18) 의 재료와 공융물 (eutectic) 을 형성할 수 있도록 하려는 것이다. 더욱이, 금속 층의 두께는, 고장의 경우에 금속 층의 재료가 언급된 종래 기술에 기재된 바와 같이 전력 반도체 부품의 재료와 전기 전도성 채널을 형성할 수 있도록 치수결정되어야 한다. 더욱이, 접촉 엘리먼트 (26) 에, 온도 변동으로 인한 열 응력을 보상하는 층이 제공될 수 있고, 따라서 반도체 부품 (18) 은 열적 변동 때문에 가능한 한 많이 기계적으로 부하를 받지 않는다. 이는 전력 반도체 부품 (18) 자체의 열팽창 계수와 유사한 열팽창 계수를 갖는 층에 의해 달성될 수 있다.
또한, 대안적으로, 접촉 엘리먼트 (26) 는 프레스 콘택트 없이 또는 스프링 없이 구현될 수 있다. 그러한 접촉 엘리먼트는 WO 2012/107482 A2 로부터 알려져 있다.
열적 변동으로 인한 기계적 부하에 대해 전력 반도체 부품 (18) 을 더 보호하기 위해, 전력 반도체 부품 (18) 의 열팽창 계수와 유사한 열팽창 계수를 갖는 재료로 이루어진 추가의 층이 예컨대 전력 반도체 부품 (18) 과 제 1 주 전극 (12) 사이에 제공될 수 있다. 또한, 대안적으로, 제 1 주 전극 (12) 자체가 그러한 재료로부터 형성되거나 또는 그러한 재료로 이루어진 층을 포함할 수 있다.
도 3 은 본 발명의 다른 실시형태를 보여준다. 이 실시형태는 전술한 실시형태와 대체로 동일하게 설계되어 있다. 단지 차이점만을 이하에서 논의한다. 도 3 에 나타낸 실시형태는, 각 링 장치 (28) 의 제 1 원형 라인 (30) 이 제 1 육각형 (31) 에 의해 근사되고, 관련 제 2 원형 라인 (34) 이 제 2 육각형 (35) 에 의해 근사되며, 제 1 육각형의 꼭지점이 제 2 육각형의 꼭지점과 정렬된다는 점에서, 도 1 및 도 2 에 나타낸 제 1 실시형태와 상이하다. 더욱이, 이 실시형태는 프레임 (44) 또는 전력 반도체 모듈 (10) 의 하우징이 육각형 형상을 가질 수 있다는 것을 또한 보여준다. 마찬가지로, 관통 구멍 (46) 은 육각형 형상을 가질 수 있다.
도 3 에 나타낸 실시형태에서, 3 개의 능동 어셈블리들 (42) 이 육각형 전력 반도체 모듈 (10) 에 삽입된다. 또한, 3 개의 능동 어셈블리들 (42) 대신에, 도 4 에 도시된 것처럼, 6 개의 능동 어셈블리들이 프레임 (44) 에 삽입될 수 있다.
도 4 는 본 발명에 따른 전력 반도체 모듈 (10) 의 다른 실시형태를 보여주는데, 그의 능동 어셈블리들 (42) 이 도 6 및 도 7 에 도시되어 있다. 다시 한번, 이 실시형태는 전술한 실시형태들과 대체로 동일하게 설계되어 있고, 단지 차이점만을 이하에서 논의한다. 이 실시형태는, 서로 전기적으로 병렬로 배치된 전력 반도체 부품들 (18) 의 개수에 있어서 이미 논의한 다른 실시형태들과 상이하다. 더욱이, 이 실시형태는, 캐리어 플레이트 (40) 와 함께 일종의 트로프 (trough) 를 형성하는 어셈블리 프레임 (48) 을 보여준다. 이 트로프는 예컨대 실리콘 겔과 같은 절연성 겔 또는 몇몇의 다른 절연성 재료로 충전되는 것이 바람직하다.
더욱이, 도 4 는 접촉 단자 (16) 의 일 실시형태를 보여준다.
도 5 는 도 4 에 나타낸 전력 반도체 모듈 (10) 을 보여주는데, 제 2 주 전극이 프레임 (44) 상에 그리고 또한 접촉 단자 (16) 상에 놓여 있다. 그렇게 놓여진 결과로서, 접촉 엘리먼트들 (26) 은 제 2 주 전극 (14) 과 전기 접촉하게 된다.
이상의 실시형태들에서 육각형 전력 반도체 모듈들을 설명하였다. 전력 반도체 모듈이 임의의 개수의 꼭지점을 가질 수 있으며, 꼭지점의 개수는 전형적으로 3 이상 10 미만이지만, 더 클 수도 있다는 것은 말할 필요도 없다. 꼭지점의 개수가 커질수록, 더 큰 n각형 실시형태는 제 1 실시형태에 가까워진다.
또한, n-각형 실시형태의 경우, 대응 링 장치의 전력 반도체 부품들은 적어도 대략적으로 제 1 원형 라인을 따라 놓인다. 그렇지만, 제 1 원형 라인 (30) 은 동일한 개수의 꼭지점을 갖는 제 1 다각형 (31) 에 의해 근사될 수 있다. 마찬가지로, 링 장치의 제 2 원형 라인 (34) 은 동일한 개수의 꼭지점을 갖는 제 2 다각형 (35) 에 의해 근사될 수 있다.
도면에 도시되지 않은 다른 실시형태에서, 제어 단자 (16) 와 각 제어 전극 (24) 사이의 전기 접속부는 저항을 갖는다.
전력 반도체 모듈 (10) 의 능동 어셈블리들 (42) 은 각 경우에, 전술하고 도면들에 도시된 실시형태들과 동등하게 구현된다. 설명한 링 구조를 가능한 한 환형에 근사시키기 위해, 상이하게 기하학적으로 구성된 2 개 이상의 유형의 어셈블리들 (42) 을 사용하는 것이 편리할 수 있다. 일례로, 캐리어 플레이트의 형태가 달라질 수 있고, 그 위에 배치되는 전력 반도체 부품들의 개수가 그에 따라 조정될 수 있다.
10 전력 반도체 모듈
12 제 1 주 전극
14 제 2 주 전극
16 제어 단자
18 전력 반도체 부품
20 제 1 전극
22 제 2 전극
24 제어 전극
26 접촉 엘리먼트
28 링 장치
28' 내부 링 장치
28" 외부 링 장치
30 제 1 원형 라인
31 제 1 육각형, 제 1 다각형
32 제어 도전체 트랙
33, 33', 33" 제어 도전체 트랙 세그먼트
34 제 2 원형 라인
35 제 2 육각형, 제 2 다각형
36 전기 접속부
38 추가의 전기 접속부
40, 40', 40" 캐리어 플레이트
42 능동 어셈블리들
44 프레임
46 관통 구멍
48 어셈블리 프레임
S 통전 방향
12 제 1 주 전극
14 제 2 주 전극
16 제어 단자
18 전력 반도체 부품
20 제 1 전극
22 제 2 전극
24 제어 전극
26 접촉 엘리먼트
28 링 장치
28' 내부 링 장치
28" 외부 링 장치
30 제 1 원형 라인
31 제 1 육각형, 제 1 다각형
32 제어 도전체 트랙
33, 33', 33" 제어 도전체 트랙 세그먼트
34 제 2 원형 라인
35 제 2 육각형, 제 2 다각형
36 전기 접속부
38 추가의 전기 접속부
40, 40', 40" 캐리어 플레이트
42 능동 어셈블리들
44 프레임
46 관통 구멍
48 어셈블리 프레임
S 통전 방향
Claims (11)
- 제 1 주 전극 (12), 제 2 주 전극 (14), 및 제어 단자 (16) 를 포함하고, 또한 상기 제 1 주 전극 (12) 과 상기 제 2 주 전극 (14) 사이에 배치된 제어가능한 전력 반도체 부품들 (18) 을 포함하는, 전력 반도체 모듈 (10) 로서,
각 제어가능한 전력 반도체 부품 (18) 은 제 1 전극 (20), 제 2 전극 (22) 및 제어 전극 (24) 을 구비하고, 각 제어가능한 전력 반도체 부품 (18) 의 상기 제 1 전극 (20) 은 상기 제 1 주 전극 (12) 에 전기 접속되고, 각 제어가능한 전력 반도체 부품 (18) 의 상기 제 2 전극 (22) 은 상기 제 2 주 전극 (14) 에 전기 접속되고, 각 제어가능한 전력 반도체 부품 (18) 의 상기 제어 전극 (24) 은 상기 제어 단자 (16) 에 전기 접속되고,
상기 제어가능한 전력 반도체 부품들 (18) 중의 적어도 일부는 복수의 링 장치들 (28, 28', 28") 내에 배치되고,
상기 복수의 링 장치들 (28, 28', 28") 중의 각 링 장치 (28, 28', 28") 의 상기 제어가능한 전력 반도체 부품들 (18) 은 적어도 대략 개별 링 장치 (28, 28', 28") 의 제 1 원형 라인 (30) 을 따라 배치되고, 상기 개별 링 장치 (28, 28', 28") 의 제어 도전체 트랙 (32) 이 상기 제 1 주 전극 (12) 상에 배치되고,
상기 개별 링 장치 (28, 28', 28") 의 상기 제어 도전체 트랙 (32) 은 적어도 대략 상기 개별 링 장치 (28, 28', 28") 의 제 2 원형 라인 (34) 을 따라 연장되고, 상기 개별 링 장치 (28, 28', 28") 의 상기 제 2 원형 라인 (34) 은 상기 개별 링 장치 (28, 28', 28") 의 상기 제 1 원형 라인 (30) 에 대해 외부에 그리고 동심으로 연장되고,
상기 개별 링 장치 (28, 28', 28") 의 각 제어가능한 전력 반도체 부품 (18) 의 상기 제어 전극 (24) 은 전기 접속부 (36) 를 통해 상기 개별 링 장치 (28, 28', 28") 의 상기 제어 도전체 트랙 (32) 에 접속되고, 상기 개별 링 장치 (28, 28', 28") 의 상기 제어 도전체 트랙 (32) 은 추가의 전기 접속부 (38) 를 통해 상기 제어 단자 (16) 에 접속되는, 전력 반도체 모듈. - 제 1 항에 있어서,
각 링 장치 (28, 28', 28") 의 상기 제 1 원형 라인 (30) 은 제 1 다각형 (31) 에 의해 근사되고 (approximated), 각 링 장치 (28, 28', 28") 의 관련 제 2 원형 라인 (34) 은 상기 제 1 다각형 (31) 과 동일한 개수의 꼭지점들을 갖는 제 2 다각형 (35) 에 의해 근사되고,
상기 제 1 다각형 (31) 의 꼭지점들은 상기 제 2 다각형 (35) 의 꼭지점들과 정렬되는 것을 특징으로 하는 전력 반도체 모듈. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 전력 반도체 모듈 (10) 은 능동 어셈블리들 (active assemblies; 42) 을 구비하고, 각 능동 어셈블리 (42) 는 캐리어 플레이트 (40, 40', 40") 를 구비하고, 상기 능동 어셈블리들 (42, 42', 42") 의 캐리어 플레이트들 (40, 40', 40") 은 상기 제 1 주 전극 (12) 을 함께 형성하고,
각 링 장치 (28, 28', 28") 는 상기 능동 어셈블리들 (42) 에 의해 링 세그먼트들로 분할되고,
상기 링 세그먼트의 능동 전력 반도체 부품들 (18) 은 상기 캐리어 플레이트 (40) 상에 배치되고,
상기 개별 링 장치 (28, 28', 28") 의 상기 제어 도전체 트랙 (32) 은 상기 링 장치 (28, 28', 28") 의 제어 도전체 트랙 세그먼트들 (33, 33', 33") 로 세분화되고,
개별 링 세그먼트의 각 전력 반도체 부품 (18) 의 상기 제어 전극 (24) 은 상기 개별 링 세그먼트의 제어 도전체 트랙 세그먼트 (33, 33', 33") 에 접속되는 것을 특징으로 하는 전력 반도체 모듈. - 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 링 장치들은 중첩 (overlap) 되지 않거나 또는 중첩을 갖지 않는 것을 특징으로 하는 전력 반도체 모듈. - 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
모든 능동 전력 반도체 부품들 (18) 이 상기 링 장치들 (28, 28', 28") 내에 배치되는 것을 특징으로 하는 전력 반도체 모듈. - 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전력 반도체 모듈 (10) 의 능동 어셈블리들 (42) 은 모두 동등하게 구현되는 것을 특징으로 하는 전력 반도체 모듈. - 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전력 반도체 모듈 (10) 의 상기 제 2 주 전극 (14) 과 각 제어가능한 전력 반도체 부품 (18) 사이에 전기 전도성 접촉 엘리먼트 (26) 가 배치되고, 상기 접촉 엘리먼트는 상기 제 2 주 전극 (14) 을 상기 전력 반도체 부품 (18) 의 제 2 전극에 접속시키고,
상기 접촉 엘리먼트 (26) 및 상기 전력 반도체 부품 (18) 은 상기 제 1 주 전극 (12) 에 대해 적어도 대략 직각인 통전 (current carrying) 방향 (S) 을 규정하는 것을 특징으로 하는 전력 반도체 모듈. - 제 7 항에 있어서,
각 접촉 엘리먼트 (26) 는 프레스 콘택트 (press contact) 로서 구현되는 것을 특징으로 하는 전력 반도체 모듈. - 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
상기 추가의 전기 접속부 (38) 는 상기 통전 방향 (S) 에 적어도 실질적으로 평행하게 연장되는 것을 특징으로 하는 전력 반도체 모듈. - 제 3 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전력 반도체 모듈 (10) 은 절연재로 이루어진 프레임 (40) 을 구비하고, 상기 능동 어셈블리들 (42) 은 상기 프레임에 삽입되는 것을 특징으로 하는 전력 반도체 모듈. - 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전력 반도체 모듈은 중앙의 관통 구멍을 구비하는 것을 특징으로 하는 전력 반도체 모듈.
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