專利名稱：低電感電容器模塊和帶有低電感電容器模塊的電力系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請涉及低電感電容器，特別地用于電力系統(tǒng)的低電感電容器模塊。
背景技術(shù)：
典型的功率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)使用電解或者箔片電容器來實現(xiàn)DC鏈和/或緩沖(snubber)電路。例如，在AC-DC-AC轉(zhuǎn)換器中的DC鏈通常配備有在整流器和逆變器之間提供解耦的電解電容器。緩沖電路(snubber)是越過功率半導(dǎo)體器件放置以進行保護并且改進性能的電路。在IGBT (絕緣柵雙極)開關(guān)的情形下使用的緩沖電路通常沒有電阻器或二極管。替代地，緩沖電路通過取得存儲在DC鏈電容器組和它自身之間的雜散電感器中的能量數(shù)量而僅僅用于降低系統(tǒng)的有效電感。結(jié)果，緩沖電路和模塊之間的電感應(yīng)當(dāng)盡可能低，這意味著緩沖電路應(yīng)當(dāng)以盡可能靠近半導(dǎo)體模塊的低電感方式進行連接。在每一種情形中，均常規(guī)地在筒形鋁管(電解電容器)中或者在立方形塑料或者金屬盒中包裝在功率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)中使用的電容器。螺釘或者焊接端子通常用于將電解和箔片電容器連接到電力模塊的金屬薄板或者母線。在某些情形中，緩沖電容器被直接地安裝到電力模塊的電力端子。然而常規(guī)的電容器類型和連接技術(shù)具有幾個缺點。例如，形成基于螺釘?shù)倪B接是相對耗時的，因為每一個電容器均被各自地擰緊到在金屬薄板或者母線上的端子?；诤附拥倪B接具有眾所周知的可靠性問題。除了與常規(guī)電容器聯(lián)結(jié)技術(shù)關(guān)聯(lián)的缺點之外，通常在電力模塊中使用的端子構(gòu)造將電流流動集中于相對窄的路徑并且因此增加了電感。對于很多類型的電力系統(tǒng)應(yīng)用而言，高電感是不理想的。而且，由于缺乏熱高效的電容器冷卻器接口，因此利用常規(guī)的電容器類型和連接技術(shù)，熱傳遞不是最佳的
發(fā)明內(nèi)容
一種電容器模塊包括被安裝在熱傳遞載體諸如DBC (直接敷銅)基板、DAB (直接敷鋁)基板、AMB (活性金屬釬焊)基板、IMS (絕緣金屬基板)或者類似的基板上的電容器。該基板能夠被熱連接到冷卻器。通過并聯(lián)地使用幾個單一端子以實現(xiàn)線形(line-wise)連接器，到在電容器模塊內(nèi)的母線的電連接能夠被布置成提供低電感。電容器模塊的高度能夠是與和電容器模塊相結(jié)合例如作為DC鏈或者緩沖電路的部分使用的電力模塊相同的高度。兩種模塊類型均能夠被安裝在相同的冷卻器和PCB (印刷電路板)上或者不同的冷卻器和/或PCB上。到電容器模塊的連接插腳使得能夠?qū)崿F(xiàn)從PCB向外到冷卻器的熱傳遞，這意味著能夠使得PCB金屬化層更薄。電容器模塊端子能夠靠近模塊邊界置放，從而縮短PCB的長度。能夠在除了電力系統(tǒng)之外的應(yīng)用中使用該電容器模塊。根據(jù)電容器模塊的一個實施例，該電容器模塊包括在基板的第一側(cè)上具有金屬化層的基板、被電耦合到金屬化層的多個連接器和被置放在金屬化層上的多個電容器。該多個電容器包括在第一組連接器和第二組連接器之間并聯(lián)電連接的第一組電容器。該電容器模塊進一步包括在電容器模塊內(nèi)封裝該多個電容器的外罩。
根據(jù)電力系統(tǒng)的一個實施例，該電力系統(tǒng)包括冷卻器、在冷卻器上的電容器模塊、在冷卻器上的功率半導(dǎo)體模塊和被電連接到電容器模塊和功率半導(dǎo)體模塊的電連接介質(zhì)。該電容器模塊包括在基板的第一側(cè)上具有金屬化層的基板、被電耦合到金屬化層的多個連接器、被置放在金屬化層上并且包括在第一組連接器和第二組連接器之間并聯(lián)電連接的至少第一組電容器的多個電容器、和在電容器模塊內(nèi)封裝該多個電容器的外罩。在閱讀以下詳細(xì)說明時并且在觀察附圖時，本領(lǐng)域技術(shù)人員將會認(rèn)識到另外的特征和優(yōu)點。


附圖的元件并不是必要地相對于彼此成比例。類似的附圖標(biāo)記標(biāo)注相應(yīng)的類似部分。能夠組合各種示意的實施例的特征，除非它們彼此排斥。在圖中描繪了并且在隨后的說明中詳述了實施例。
I示意電容器模塊的截面視圖。
2示意不帶外罩的、圖1的電容器模塊的平面視圖。
3示意電容器模塊的截面視圖。
4示意電容器模塊的截面視圖。
5示意電容器模塊的截面視圖。
6示意電容器模塊的截面視圖。
7示意電容器模塊的截面視圖。
8示意電容器模塊的截面視圖。
9示意在冷卻器上包括電容器模塊和功率半導(dǎo)體模塊的電力系統(tǒng)的透視圖。圖
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具體實施方式
圖1示意沿著在圖2中被標(biāo)為A-A’的線的、電容器模塊100的實施例的截面視圖，并且圖2示意不帶外罩102的電容器模塊100的頂平面視圖。電容器模塊100包括如在圖1中所示被外罩102封裝的多個電容器104。在電容器模塊100中不包括電容器104最終被耦合到的電子電路，因此使用術(shù)語‘電容器模塊’而非只是模塊。電容器模塊外罩102可以由塑料或者任何其它適當(dāng)類型的材料制成。電容器模塊100還包括基板106，該基板106在基板106的頂側(cè)110上具有金屬化層108。多個連接器112直接地或者通過電容器104而被電耦合到金屬化層108。在電容器模塊100內(nèi)容納的電容器104能夠是陶瓷電容器或者任何其它適當(dāng)類型的電容器。例如，電容器104能夠是表面安裝器件(SMD)。在圖1和2所示實施例中，基板106包括陶瓷載體114并且被置放在陶瓷載體的頂側(cè)110上的金屬化層被圖案化。第二金屬化層116被置放在陶瓷載體114的底側(cè)118上。圖1所示基板106可以是直接敷銅(DCB)基板、直接敷鋁(DAB)基板或者活性金屬釬焊(AMB)基板。能夠通過在外罩102中的開口暴露在陶瓷載體114的底側(cè)118上的金屬化層116的至少一個部分以促進與冷卻器諸如電容器模塊100被安裝到的熱沉(例如，如在圖9中所示)的良好熱連接。這種連接確保了電容器模塊100具有良好的熱耗散特性。可替代地，基板106可以是絕緣金屬基板(MS)或者類似的基板，其包括被介電層諸如環(huán)氧樹脂覆蓋的金屬底板(例如由鋁或者銅制成)和在介電層上的金屬層諸如銅或者鋁?？梢允褂昧硗馄渌愋偷幕?06來安裝電容器104。再次根據(jù)圖1和2所示實施例，在基板106的頂側(cè)110上的金屬化層108被圖案化并且包括相互分離的多個細(xì)長區(qū)域120 (在這里還被稱作母線)。第一組電容器104在第一對122母線120之間并聯(lián)連接，第二組電容器104在第二對124母線120之間并聯(lián)連接，等。例如在圖1和2中，上行105的電容器104是并聯(lián)的并且每一個具有被直接地連接到第一對122中的上母線120的第一端126 (端子)和被直接地連接到第一對122中的另一條母線120的第二端128，從而這兩條母線120被電容性地耦合到一起。其它行105的電容器104類似地在兩條不同的母線120之間并聯(lián)連接。通常，每一組電容器104被布置在行105中并且以并聯(lián)方式連接相鄰母線120?？梢栽陔娙萜髂K100中包括任何數(shù)目的電容器行105。在于圖1和2中示意的實施例中，相鄰對122、124的母線120共享公共母線從而在第一組電容器104中包括的電容器104的一端128和在相鄰的第二組電容器104中包括的電容器104的一端126被連接到相同的母線120。每一條母線120被電連接到在相對端處延伸到模塊外罩102外側(cè)以提供外部電連接點的一行113連接器112。在一個實施例中，連接器112是導(dǎo)電插腳。然而，能夠使用任何其它類型的并聯(lián)連接器布置，諸如成行的焊接端子、成行的擠壓配合端子、成行的彈簧觸點、成行的螺釘端子、帶有被絕緣材料分離的平行導(dǎo)線的柔性電纜，等。每一行113連接器112能夠被耦合到在模塊外罩102外側(cè)的供應(yīng)電壓或者信號線。例如，在圖1中，第一行113連接器112在一端處被安裝到第一母線120并且在另一端處被耦合到正DC供應(yīng)電壓(DC+)，第二行113連接器112在一端處被安裝到第二母線120并且在另一端處被耦合到負(fù)DC供應(yīng)電壓(DC-)，等。這樣，在成對122、124母線之間并聯(lián)連接的每一組105電容器104在DC+和DC-之間并聯(lián)電連接。每一行113連接器112能夠在被連接到相應(yīng)的母線120的電容器104的總體寬度(Wcaps)上隔開。提供連接器112到分別的母線120的、這種隔開的連接在電容器模塊100內(nèi)側(cè)的、相應(yīng)的成組104電容器104的寬度上分布電流，從而降低電容器模塊100的電感。對于很多類型的應(yīng)用，特別地對 于電力系統(tǒng)而言，這種減小的電感是有利的，在所述電力系統(tǒng)中更低的門電感給出更快的響應(yīng)時間(例如從接通狀態(tài)切換到切斷狀態(tài)并且反之亦然)，這改進了性能并且給出更快的故障檢測。圖3示意類似于圖1所示電容器模塊的電容器模塊100的實施例的截面視圖，然而在電容器模塊100內(nèi)2級(DC+、DC_)電力連接是串聯(lián)的。照此，在被耦合到DC+和DC-電源的連接器112之間，一行105并聯(lián)電容器104被與第二行105并聯(lián)電容器104串聯(lián)連接。圖4示意類似于圖1所示電容器模塊的電容器模塊100的實施例的截面視圖，然而替代2級(DC+、DC-)，圖4所示模塊具有3級(M、DC+、DC-)。類似于圖3所示電容器模塊100，圖4的電容器模塊100在被耦合到DC+和DC-電源的連接器112之間具有被與第二行105并聯(lián)電容器104串聯(lián)連接的一行105并聯(lián)電容器104。另外，第三級(M)經(jīng)由被連接到母線120的第三行113連接器112而被提供到電容器模塊100，該母線120在串聯(lián)連接的兩組105電容器104之間提供串聯(lián)連接。圖5示意類似于圖1所示電容器模塊的電容器模塊100的實施例的截面視圖。然而在圖5中，電容器104未被各自地連接到在基板106上的圖案化金屬化層108。替代地，成組的兩個或者更多電容器104作為各個單元140而被一起包裝。每一個個體單元140具有被連接到在基板106上的相應(yīng)的母線120的端子142、144。照此，每一行105電容器104包括在兩條母線120之間并聯(lián)耦合的幾個多電容器單元140。圖6示意類似于圖1所示電容器模塊的電容器模塊100的實施例的截面視圖。然而在圖6中，單行150連接器112延伸到電容器模塊外罩102外側(cè)以耦合到DC+電源。第二單行152連接器112延伸到外罩102外側(cè)以耦合到DC-電源。使用被連接到單行150 DC+行連接器112的第一金屬薄板160和被連接到單行162 DC-連接器112的第二金屬薄板162，在外罩102內(nèi)制成所有的其它內(nèi)部供應(yīng)連接。在電容器104和基板金屬化層108之間的電連接與在圖1中相同。僅僅外部連接不同在于替代幾行DC+電源連接和幾行DC-電源連接(圖1)，提供了單行150 DC+電源連接和單行152 DC-電源連接(圖6)。圖7不意電容器模塊100的另一實施例的截面視圖。根據(jù)這個實施例,每一個電容器104的第一端126被直接地連接到圖案化金屬化層108的一條母線120并且電容器104的相對端128被電連接到圖案化金屬化層108的另一條相應(yīng)的母線120。照此，在每一組并聯(lián)連接電容器中包括的電容器104的第二 (相對)端128被電容器104的本體129和直接地連接到母線120的另一端126從圖案化金屬化層108隔開。被從圖案化金屬化層108隔開的電容器104的端128能夠例如被接合線170電連接到適當(dāng)?shù)哪妇€120。圖8示意電容器模塊100的又一個實施例的截面視圖。根據(jù)這個實施例，電容器104的第一端126被直接地連接到基板金屬化層108并且電容器104的第二相對端128被從金屬化層108隔開并且被連接到在電容器104上方置放的導(dǎo)電層180。電容器104被置入導(dǎo)電層180和基板106之間。根據(jù)一個實施例，彈簧元件182被置入導(dǎo)電層180的底側(cè)184和電容器104之間。彈簧兀件182在導(dǎo)電層180和被從基板金屬化層108隔開的電容器104的第二端128之間提供電連接。根據(jù)另一個實施例，材料190被置入導(dǎo)電層180的頂側(cè)186和電容器模塊外罩102之間。材料190朝著電容器104的第二(隔開)端128擠壓導(dǎo)電層180的底側(cè)184。材料190能夠是柔性泡沫或者其它類型的彈性材料。

圖9示意電力系統(tǒng)200的實施例，該電力系統(tǒng)200包括冷卻器202、如在這里先前描述的電容器模塊100、功率半導(dǎo)體模塊204和電連接介質(zhì)206諸如PCB等。冷卻器202可以是無源冷卻器諸如熱沉(空氣冷卻、液體冷卻或者這兩者的某種組合)或者有源冷卻器諸如熱電冷卻器或者其它類型的電力冷卻器。電容器模塊100和功率半導(dǎo)體模塊204被置放在冷卻器202上并且在系統(tǒng)200中是分離的構(gòu)件。電連接介質(zhì)206被電連接到延伸到模塊外罩102外側(cè)的電容器模塊100的連接器112并且被電連接到功率半導(dǎo)體模塊204的連接器208。電容器模塊100的外罩102可以具有開口從而在模塊基板106的底側(cè)118上的金屬化層116的至少一個部分能夠接觸如在這里先前解釋的冷卻器202 (見圖1)，從而提供與冷卻器202的良好熱連接。 在一個實施例中，從電容器模塊外罩102延伸的第一組連接器112經(jīng)由電連接介質(zhì)206而被稱合到功率半導(dǎo)體模塊204的第一供應(yīng)電壓(DC+)并且從電容器模塊外罩102延伸的第二組連接器112也經(jīng)由電連接介質(zhì)206而被耦合到功率半導(dǎo)體模塊204的第二供應(yīng)電壓(DC-)。根據(jù)這個實施例，電容器模塊100被配置為作為用于功率半導(dǎo)體模塊204的DC-鏈操作。根據(jù)另一個實施例，提供了與電容器模塊100分離的一個或者多個另外的電容器210。例如，這些另外的電容器210可以具有電解類型。該一個或者多個另外的電容器210存儲能量并且被電連接到電連接介質(zhì)206。根據(jù)這個實施例，電容器模塊100被配置為作為緩沖電路操作。為了易于說明，使用了空間相對術(shù)語諸如“下面”、“之下”、“下”、“之上”、“上”等以解釋一個元件相對于第二元件的定位。除了不同于在圖中描繪的那些定向的定向，這些術(shù)語旨在涵蓋裝置的不同定向。此外，術(shù)語諸如“第一”、“第二”等還被用于描述各種元件、區(qū)域、部分等，并且也并非旨在是限制性的。貫穿說明書，類似的術(shù)語提及類似的元件。如在這里所使用地，術(shù)語“具有”、“含有”、“包含”、“包括”等是指示所陳述的元件或者特征的存在但是并不排除另外的元件或者特征的開放式術(shù)語。冠詞“一”、“一個”和“該”旨在包括復(fù)數(shù)以及單數(shù)，除非上下文清楚地另有指示。要理解在這里描述的各種實施例的特征可以被彼此組合，除非具體地另有指出。

雖然已經(jīng)在這里示意并且描述了具體實施例，但是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將會理解，在不偏離本發(fā)明的范圍的情況下，各種可替代的和/或等價的實現(xiàn)可以替代所示出和描述的具體實施例。該申請旨在覆蓋在這里討論的具體實施例的任何調(diào)整或者變化。因此，本發(fā)明旨在僅由權(quán)利要求及其等價形式限制。
權(quán)利要求
1.一種電容器模塊,包括 基板，所述基板在所述基板的第一側(cè)上具有金屬化層； 被電耦合到所述金屬化層的多個連接器； 多個電容器，所述多個電容器被置放在所述金屬化層上并且包括在第一組連接器和第二組連接器之間并聯(lián)電連接的第一組電容器；和 外罩，在所述電容器模塊內(nèi)封裝所述多個電容器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電容器模塊，其中所述多個電容器是陶瓷電容器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電容器模塊，其中所述基板包括印刷電路板，所述印刷電路板帶有被置放在所述印刷電路板的第一側(cè)上的金屬化層。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電容器模塊，其中所述基板包括陶瓷基板，所述陶瓷基板帶有被置放在所述陶瓷基板的第一側(cè)上的金屬化層和被置放在所述陶瓷基板的第二相對側(cè)上的另外的金屬化層，并且其中所述另外的金屬化層的至少一個部分通過在所述外罩中的開口而被暴露。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電容器模塊，其中所述第一組連接器在所述第一組電容器的總體寬度上隔開，并且其中所述第二組連接器在所述第一組電容器的總體寬度上隔開。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電容器模塊，其中所述金屬化層被圖案化并且包括相互分離的多個細(xì)長區(qū)域，并且其中第一組電容器在第一對所述細(xì)長區(qū)域之間并聯(lián)連接并且第二組所述多個電容器在第二對所述細(xì)長區(qū)域之間并聯(lián)連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的電容器模塊，其中第一和第二對細(xì)長區(qū)域共享公共細(xì)長區(qū)域，并且其中在所述第一組中包括的所述電容器的一端和在所述第二組中包括的所述電容器的一端被連接到相同的細(xì)長區(qū)域。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電容器模塊，其中在所述第一組電容器中包括的至少兩個電容器在所述基板上彼此堆疊并且在第一和第二組連接器之間并聯(lián)電連接。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電容器模塊，其中在所述第一組電容器中包括的所述電容器的第一端被直接地連接到所述金屬化層的第一細(xì)長區(qū)域并且在所述第一組電容器中包括的所述電容器的第二相對端被電連接到所述金屬化層的第二細(xì)長區(qū)域，第一和第二細(xì)長區(qū)域被相互隔開。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的電容器模塊，其中在所述第一組電容器中包括的所述電容器的第二端被直接地連接到所述金屬化層的所述第二細(xì)長區(qū)域。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電容器模塊，其中所述多個電容器的第一端被直接地連接到所述金屬化層并且所述多個電容器的第二相對端被從所述金屬化層隔開并且被連接到在所述多個電容器上方置放的導(dǎo)電層，其中所述多個電容器被置入所述導(dǎo)電層和所述基板之間。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的電容器模塊，進一步包括被置入所述導(dǎo)電層的第一側(cè)和所述多個電容器之間的彈簧元件，所述彈簧元件在所述導(dǎo)電層和所述多個電容器的第二端之間提供電連接。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的電容器模塊，進一步包括被置入所述導(dǎo)電層的第二相對側(cè)和所述外罩之間的材料，所述材料朝著所述多個電容器的所述第二端擠壓所述導(dǎo)電層的所述第一側(cè)。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電容器模塊，其中所述多個連接器是導(dǎo)電插腳。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電容器模塊，其中僅僅第一和第二行的所述多個連接器延伸到所述外罩外側(cè)，并且其中在所述第一行連接器和所述金屬化層之間在所述外罩內(nèi)的連接由第一金屬薄板提供而在所述第二行連接器和所述金屬化層之間在所述外罩內(nèi)的連接由第二金屬薄板提供。
16.一種電力系統(tǒng),包括 冷卻器； 在所述冷卻器上的電容器模塊，所述電容器模塊包括 基板，所述基板在所述基板的第一側(cè)上具有金屬化層； 被電耦合到所述金屬化層的多個連接器； 多個電容器，所述多個電容器被置放在所述金屬化層上并且包括在第一組連接器和第二組連接器之間并聯(lián)電連接的至少第一組電容器；和 外罩，在所述電容器模塊內(nèi)封裝所述多個電容器； 在所述冷卻器上的功率半導(dǎo)體模塊；和 被電連接到所述電容器模塊和所述功率半導(dǎo)體模塊的電連接介質(zhì)。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的電力系統(tǒng)，其中所述第一組連接器經(jīng)由所述電連接介質(zhì)而被耦合到所述功率半導(dǎo)體模塊的第一供應(yīng)電壓，并且所述第二組連接器經(jīng)由所述電連接介質(zhì)而被耦合到所述功率半導(dǎo)體模塊的第二供應(yīng)電壓，并且其中所述電容器模塊被配置為作為用于所述功率半導(dǎo)體模塊的DC鏈操作。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的電力系統(tǒng)，進一步包括與所述電容器模塊分離并且能夠操作用于存儲能量的一個或者多個另外的電容器，并且其中所述一個或者多個另外的電容器被電連接到所述電連接介質(zhì)并且所述電容器模塊被配置為作為緩沖電路操作。
19.根據(jù)權(quán)利要求16所述的電力系統(tǒng)，其中所述電連接介質(zhì)是印刷電路板。
20.根據(jù)權(quán)利要求16所述的電力系統(tǒng)，其中所述第一組連接器在所述第一組電容器的總體寬度上隔開，并且其中所述第二組連接器在所述第一組電容器的總體寬度上隔開。
21.根據(jù)權(quán)利要求16所述的電力系統(tǒng)，其中所述金屬化層被圖案化并且包括相互分離的多個細(xì)長區(qū)域，并且其中第一組電容器在第一對所述細(xì)長區(qū)域之間并聯(lián)連接并且第二組所述多個電容器在第二對所述細(xì)長區(qū)域之間并聯(lián)連接。
22.根據(jù)權(quán)利要求16所述的電力系統(tǒng)，其中所述多個電容器的第一端被直接地連接到所述金屬化層并且所述多個電容器的第二相對端被從所述金屬化層隔開并且被連接到在所述多個電容器上方置放的導(dǎo)電層，其中所述多個電容器被置入所述導(dǎo)電層和所述基板之間。
全文摘要
本發(fā)明涉及低電感電容器模塊和帶有低電感電容器模塊的電力系統(tǒng)。根據(jù)電容器模塊的一個實施例，該電容器模塊包括在基板的第一側(cè)上具有金屬化層的基板、被電耦合到金屬化層的多個連接器和在金屬化層上置放的多個電容器。該多個電容器包括在第一組連接器和第二組連接器之間并聯(lián)電連接的第一組電容器。該電容器模塊進一步包括在電容器模塊內(nèi)封裝該多個電容器的外罩。
文檔編號H01G4/38GK103050283SQ20121038571
公開日2013年4月17日 申請日期2012年10月12日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月12日
發(fā)明者R.巴耶雷爾, D.多梅斯 申請人:英飛凌科技股份有限公司