電容器系統和用於製造電容器系統的方法
2023-08-09 21:05:36 1
專利名稱：電容器系統和用於製造電容器系統的方法
技術領域：
本發明涉及一種電容器系統以及一種用於製造電容器系統的方法，尤其是功率半導體模塊的電容器系統及用於製造功率半導體模塊的電容器系統的方法。
背景技術：
此外，電容器在功率電子器件中首要地用在轉換器的電壓中間電路中，或者用作濾波電容器。對這類功率電子系統在製造成本、尺寸和系統可靠性上的要求越來越高。在上下文中，EP 0 994 494提出了一種低感應式構造的膜式電容器，該膜式電容器可被集成到轉換器的中間電路結構中，並且適用於實現緊湊而且可靠的構造。在此，為了精確配合地安置在冷卻面上，尤其是對電容器的單側接觸連接加以教導。
發明內容
本發明所基於的任務是，提出一種經改良的電容器系統和一種用於製造所述經改良的電容器系統的方法。此外，本發明提出藉助灌封材料將不具有殼體的電容器結構固定在適用於對功率半導體電路進行冷卻的金屬冷卻體的盆形凹陷部中，其中，該電容器結構布置在籃形的、 起間距保持件作用的合成材料框架中，並且灌封材料和另外僅還被稱為電容器的電容器結構相對於冷卻體電絕緣。由此，實現了一種緊湊的結構。此外，本發明還涉及一種電容器系統，尤其是功率半導體模塊的電容器系統。電容器系統具有具備凹陷部的金屬成型體、至少部分布置在該凹陷部中的電容器以及設置在該凹陷部中的電絕緣灌封材料，所述灌封材料將電容器以如下方式布置在凹陷部中，即使得電容器不碰觸金屬成型體，並且進而與該金屬成型體電絕緣。金屬成型體有利於帶走在電容器中產生的熱量。但作為備選，該金屬成型體也可以由一種較為結實而且導熱的非金屬材料製成。另外，灌封材料被理解為如下的材料，其可以從液態轉變到持久固態，通常也被稱為「硬化」狀態。這種轉變可以被動地進行，例如通過液態灌封材料與空氣的化學反應，或被主動地引發，例如通過將化學反應物添加至液態灌封材料或通過用紫外(UV)線來輻照液態灌封材料。這種轉變，通常也被稱為「硬化」 一般持續幾秒至幾小時。灌封材料可以是一種如下的材料，即儘管其是電絕緣特性的，但其導熱率仍比空氣佳10至100倍。由此，灌封材料既可以用於使電容器與金屬成型體電絕緣，又可以用於以簡單的方式在電容器與金屬成型體之間建立連貫的熱量傳遞。這種電絕緣既可以通過由灌封材料在硬化後長久確保地使電容器在與金屬成型體間隔一定距離的位置上的定位來實現，也可以通過灌封材料的電絕緣特性來實現。在此，需要注意的是灌封材料可以在液態時被引入電容器與金屬成型體之間，以便之後在硬化狀態下將電容器相對於金屬成型體固定。能夠以如下方式來將液態的灌封材料引入電容器與金屬成型體之間，S卩，將灌封材料先於電容器引入凹陷部。在此，在將電容器引入凹陷部時，灌封材料被電容器擠壓，從而使灌封材料部分地，但優選全部地，也就是與灌封材料的量對應地填充電容器與金屬成型體之間的空間。同樣能以如下方式將液態灌封材料引入電容器與金屬成型體之間，即，灌封材料在電容器被引入凹陷部之後，同樣被灌入凹陷部中在電容器與金屬成型體之間的空間內，在壓力下被注入或藉助真空被吸入。為了注入，可以在凹陷部的側壁中設置至少一個相應的注入孔。在注入時，當電容器與金屬成型體之間的間距很小時，或例如就對通過灌封材料在電容器與金屬成型體之間會達到的介電強度的測量而言為最小的時候，灌封材料基於所用的壓力也被推壓到電容器與金屬成型體之間。
凹陷部表現為至少部分包圍電容器的殼體，並且可以同時用作容納液態灌封材料的容器，這可以簡化電容器系統的製造。凹陷部可以相應為呈盆形的。凹陷部可以如此大， 即能將電容器，必要時連同如下所述的間距保持件一起完全容納於其中，或者可以僅為如此大，即僅能容納電容器的一部分。凹陷部的規格應這樣設定尺寸，即能將電容器容納在凹陷部內，又不與金屬成型體相碰觸。凹陷部可以這樣設定尺寸，即在該凹陷部內，能夠以灌封材料能夠將電容器除電容器連接部例外完全包圍起來。凹陷部的規格進而還有電容器與金屬成型體之間的間距可以這樣設定尺寸，即既達到了通過電容器與金屬成型體之間的灌封材料要實現的介電強度，又實現了通過電容器與金屬成型體之間的灌封材料要達到的熱量傳遞。
電容器系統可以具有至少部分布置在電容器與金屬成型體之間的由電絕緣材料製成的間距保持件。間距保持件可以在凹陷部中至少部分布置在電容器與金屬成型體之間。由此，間距保持件可以用來修正電容器相對於金屬成型體的定位，尤其是在灌封材料硬化期間進行修正。因此，簡化了電容器系統的製造。因為間距保持件由電絕緣材料製成，所以獲得了電容器與金屬成型體之間的電絕緣。
電容器可以具有至少兩個接觸電極以及至少兩個電極和電介質的疊層。對於專業人士而言充分公知的是構造具有多個緊密相鄰布置的電容器層的電容器，其中，每個電容器層具有布置在兩個平面式電極之間的電介質。電介質尤其可以通過合成材料膜或類似的膜狀介電材料(例如絕緣紙)來實現，因此這種電容器通常也被稱為膜式電容器。相關的電極可以通過以金屬層對合成材料膜的氣相蒸鍍來實現。膜式電容器通常具有特別緊湊的構造方式，並且具有適用於功率電子應用的高介電強度。接觸電極可以直接布置在疊層的各個外部面上。由此，能夠以專業人士公知的方式來實現一些或所有單個電容器層的並聯。 接觸電極可以作為電容器連接部，用以將電容器與外部電路接觸連接。但與接觸電極通常也低阻地電連接的電容器連接部也可以獨立於接觸電極地構造。接觸電極可以構成電容器的外部面的至少一部分。
間距保持件可以與疊層和/或電極中的至少一個和/或金屬成型體直接相鄰。間距保持件可以具有至少一個開口，並且電容器系統能夠以如下方式構造，即使灌封材料穿過該開口在電容器與金屬成型體之間形成連貫的連接進而還有熱量傳遞。間距保持件可以是為精確配合地容納電容器而成型的空心體。該空心體可以具有小於1或2mm的壁厚。間距保持件可以至少基本上具有方形籃的形狀。間距保持件可以具有外壁，在外壁中，開口佔了各外壁面積的一半還多，甚至多於80%或90%。凹陷部可以被構造成用於精確配合地容納間距保持件。
在前一段中說明的特徵要麼單獨地，要麼綜合地有助於使電容器以商業製造中必需的而且能重現的可靠性十分接近金屬成型體地布置在凹陷部的區域中，而不會使電容器的導電的元件與金屬成型體發生碰觸，並且能夠以同樣可靠的方式在凹陷部的區域中建立起在電容器與金屬成型體之間極為良好的熱量傳遞。凹陷部和間距保持件可以這樣構造，即當間距保持件的一部分基本上精確配合而且儘量遠地布置在凹陷部中時，間距保持件的另一部分就會從凹陷部中伸出。按照此方式，可以特別是在金屬成型體與電容器的那些從凹陷部或灌封材料伸出的部分之間實現電絕緣。間距保持件可以具有在間距保持件的從凹陷部伸出的上邊沿上的突起，這些突起基本上垂直於間距保持件的側壁地立置。這類突起可以形成如下的電絕緣的結構，該電絕緣的結構防止了金屬成型體的上部面與電容器連接部，或者說功率半導體電路的與該電容器連接部相連接的連接部或其它導電線路之間的電接觸。金屬成型體可以構造為冷卻體，例如構造為設有肋片的和/或利用液體冷卻的冷卻體，例如構造為水冷的冷卻體。所述電容器系統可以是帶功率半導體電路的功率半導體模塊的一部分。電容器系統可以是功率半導體電路的一部分。功率半導體電路能以如下方式布置在金屬成型體上，即使功率半導體電路的金屬成型體用作冷卻體。金屬成型體以及在金屬成型體與功率半導體電路之間的熱量傳遞可以這樣構造，即，在將金屬成型體至低於40°C時，可以將在標稱運行時由功率半導體電路產生的廢熱的70%、80%或甚至90%通過金屬成型體導走。接觸電極和電容器的電容器層按照現有技術大多封裝在殼體內，首要地以便保護電容器層免受機械損傷，並且保護接觸電極以免發生不期望的電接觸。這樣封裝好的電容器然後被作為單個元件售賣和裝配。按照本發明的教導，取消了電容器的這樣的由製造商所作的封裝。取而代之的是，將未裝設殼體的電容器布置在金屬成型體中，金屬成型體不僅在機械上保護電容器，還實現了用戶對電容器的應用方面重要相關的功能。例如，金屬成型體可以用作電容器本身和/或與電容器連接的功率半導體電路的冷卻體。以此方式可以將需要較大電容器的功率半導體電路的結構尺寸明顯減小。這類具有大電容器的功率半導體的冷卻和裝配也可以得到簡化。如上所述，電容器系統可以是帶功率半導體電路的功率半導體模塊的一部分。在此，功率半導體電路可以具有直接與電容器的接觸電極導電連接，優選以焊接的方式來連接。以此方式可以簡化這類帶大電容器的功率半導體電路的裝配。此外，基於功率半導體電路與電容器之間由這樣的焊接必然要求的接近性，則有利於對功率半導體電路和電容器進行共同冷卻，而不必超比例地加大功率半導體模塊的結構尺寸。按照本發明，功率半導體電路可以是一種帶有至少一個功率半導體構件的電路， 額定電壓為高於100V或甚至高於600V。按照本發明的功率半導體電路可以是如下的電路， 利用所述電路使在第一電勢與第二電勢之間的電流通路可以依賴於至少一個控制信號選擇性地在基本上關斷(低阻)的狀態與基本上打開(高阻)的狀態之間進行切換，其中，在第一電勢與第二電勢之間的差大於100V，或甚至大於600V，或其中，在關斷狀態下規律地經由電流通路流動的電流大於100A或甚至大於1000A。即便在本公開文件中所介紹的特徵被結合電容器系統加以闡釋，所有公開的特徵仍不言而喻地被視作同樣對於製造電容器系統的方法而言是已公開的。
接下來，結合實施例來介紹本發明，所述實施例結合插圖得到詳細闡釋。在此情況下
圖1示出按第一實施方式的電容器模塊所用的金屬成型體的底側的透視視圖2示出按圖1的實施方式的電容器模塊所用的金屬成型體的上側的第一透視視圖3示出按圖1的實施方式的電容器模塊的上側的第二透視視圖4示出按圖1的實施方式的電容器模塊所用的金屬成型體的示意性橫截面；以及
圖5示出依照按圖1的實施方式的電容器模塊的示意性分解圖示。
具體實施方式
在下列說明中，相同的或其相同作用的部件被以同樣的附圖標記來標示。
圖1是按第一實施方式的電容器模塊100所用的金屬成型體10的底側的透視視圖，第一實施方式的與附圖不一致的各個元件也採取如上所述的構造方案。所示的金屬成型體10具有構造用於容納圖1未示出的電容器20的凹陷部11。金屬成型體10構造成以液體冷卻的空心體，並且為了引導冷卻液體而具有液體入口 12和液體出口 13。
圖2示出了按圖1的實施方式的電容器模塊100所用的金屬成型體10的上側的第一透視視圖，其中，電容器模塊100構成功率半導體模塊200的一部分。按照這種方式， 功率半導體電路210以如下方式布置在金屬成型體10上，即使金屬成型體10能用作功率半導體電路210的冷卻體。功率半導體電路210具有第一連接部211，通過第一連接部211 可以建立與在圖2中未示出的電容器20的各個在圖2中同樣未示出的觸頭23、24的直接電接觸。功率半導體電路210也具有在此構造成交流電壓連接部的第二連接部212。
在圖2的圖示中，電容器模塊100尚未裝備有電容器20。和圖1 一樣，圖2示出了構造用於容納圖2未示出的電容器20的凹陷部11，以及用於使冷卻金屬成型體10的冷卻液體導送通過的液體入口 12和液體出口 13。
圖3示出了按圖1的實施方式的電容器模塊100的上側的第二透視視圖，其中，電容器模塊100構成功率半導體模塊200的一部分。如已在圖2中公開的那樣，功率半導體電路210在圖3中以如下方式布置在金屬成型體10上，即使金屬成型體10用作功率半導體電路210的冷卻體。功率半導體電路210具有第一連接部211，通過該第一連接部211可以建立與電容器20的各觸頭23、24的直接的電接觸，例如通過焊接來建立直接的電接觸。
與圖1和2 —樣，圖3示出了用於對冷卻金屬成型體10的冷卻液體加以引導的液體入口 12和液體出口 13。
在圖3的圖示中，電容器模塊100裝備有電容器20，電容器20被布置在金屬成型體10的在圖3中未示出的凹陷部11中。
電容器20布置在一圖3中幾乎看不到的由電絕緣材料製成的籃形間距保持件30 中。此外，電容器20被這樣壓入設在凹陷部11中的、在圖3中看不到的電絕緣的灌封材料 40中，使得灌封材料40連同間距保持件30將電容器20除在電容器連接部23、M處例外地完全包圍起來，並且使其電絕緣。間距保持件30的一些部段33從灌封材料40的上部面伸出，並且進而對電容器20的一些上部區域提供機械保護以及提供進一步的電絕緣。圖4示出了按圖1的實施方式的電容器模塊100所用的金屬成型體10的示意性橫截面。金屬成型體10配設有用於引導冷卻金屬成型體10的冷卻液體的液體入口 12和液體出口 13。在此，冷卻液體可以從液體入口 12通過開口 14流入金屬成型體10內的空腔 15中，並且從空腔15通過開口 16流到液體出口 13中。金屬成型體10具有凹陷部11，該凹陷部11構造用於容納布置在由電絕緣材料製成的籃形間距保持件30內的電容器20。凹陷部11部分地以電絕緣的、尚為液態的灌封材料40來填充，電容器20可以連同間距保持件30 —起被壓入灌封材料中。在此，灌封材料 40被以如下方式擠壓，使得灌封材料40和間距保持件30 —起填充電容器20與金屬成型體 10之間的空間的一個連續的區域中。這個區域有多大，當然依賴於灌封材料40的量。若凹陷部11內有足夠的灌封材料40，那麼除電容器連接部23J4外，電容器20被完全包圍並且電絕緣。間距保持件30具有突起32，該突起32使電容器連接部23與金屬成型體10電絕緣。間距保持件30的一些部段33從灌封材料40的上部面伸出，並且因此對電容器20的上部區域提供機械保護以及提供進一步的電絕緣。電容器20以如上所述的類型具有至少兩個金屬的接觸電極21、22以及至少兩個電極和電介質的疊層25。接觸電極21、22構成電容器20的外部面的一部分。各接觸電極 2U22的舌形部段用作電容器連接部23、24。間距保持件30被構造成用於精確配合地容納電容器20的空心體。間距保持件30 的外壁的大部分通過開口 31被敞開。間距保持件30因而具有相應呈籃形的構型。在間距保持件30的上邊沿上設置有選擇性的突起32。突起32可以用於使引導電流的線路相對於金屬成型體10電絕緣，所述引導電流的線路分布於各電容器連接部23、對與功率半導體電路210的在圖4中未示出的各連接部211之間。如果突起32設置在間距保持件30上並且因而不必作為單獨的元件裝配在金屬成型體上，則簡化了功率半導體模塊200的裝配。圖5示出了按圖1的實施方式的電容器模塊100的示意性分解圖示，其中，電容器模塊100構成功率半導體模塊200的一部分。電容器模塊100具有金屬成型體10、電容器 20和由電絕緣材料製成的間距保持件30。金屬成型體10具有用於容納電容器20連同間距保持件30的凹陷部11。如圖5所示，功率半導體模塊200的功率半導體電路210能以如下方式布置在金屬成型體10上，即使金屬成型體10用作功率半導體線路210的冷卻體。在此，通過液體入口 12輸送給金屬成型體10的冷卻液體可以通過藉助未示出的第一液體管路與液體入口 12連接的進入開口 14流入金屬成型體10的空腔15中，並且通過藉助未示出的第二液體管路與液體出口 13連接的流出開口 16從金屬成型體10的空腔15再次流出。功率半導體電路210的與功率半導體電路210的引導電流的元件電絕緣的底側能以如下方式遮蓋空腔 15，即使冷卻液體沿著功率半導體電路210的底側流動，並且使冷卻液體不會從空腔15流出。以此方式能將在功率半導體電路210中產生的廢熱的非常好地輸出。電容器20以如上所述的方式具有至少兩個金屬的接觸電極21、22和至少兩個電極和電介質的疊層25。接觸電極21、22構成電容器20的外部面的一部分。各接觸電極21、 22的舌形部段用作電容器連接部23、24。
間距保持件30被構造成用於精確配合地容納電容器20的空心體。間距保持件30 的外壁的大部分通過開口 31被敞開。間距保持件30因此具有相應呈籃形的構型。在間距保持件30的上邊沿上，設有選擇性的突起32。突起32可以用於使引導電流的線路相對於金屬成型體10電絕緣，所述引導電流的線路分布於各電容器連接部23、對與功率半導體電路210的各連接部211之間。如果突起32設置在間距保持件30上並且因而不必作為單獨的元件裝配在金屬成型體上，則簡化了功率半導體模塊200的裝配。
圖5中示出的功率半導體模塊200的長處在於十分簡單的裝配。在圖5中未示出的灌封材料40被以圖4示例性示出的方式裝入凹陷部11中。接下來，將間距保持件30連同電容器20 —起壓入凹陷部11。間距保持件30防止電容器20 (電容器20的外部面至少部分地(如果還不是全平面的話)引導電流)與凹陷部11的側壁，也就是說與金屬成型體 10發生碰觸時，灌封材料基於由間距保持件30和電容器20造成的擠壓而填充電容器20與金屬成型體10之間的空間。電容器20通過灌封材料40而連同間距保持件30 —起與金屬成型體10電絕緣。在灌封材料40硬化後，電容器20和間距保持件30被持久地固定在凹陷部中。在圖5示出的實施方式中，電容器連接部23、24以如下方式構造，S卩使電容器連接部在電容器20裝配到凹陷部11中後，以如下方式靠近裝配在金屬成型體10上的功率半導體電路210的連接部211，即使電容器連接部23J4可以直接與功率半導體電路210的連接部211焊接，以便建立電容器20與功率半導體電路210之間的電接觸。
在此要明確指出，在附圖中示出的實施方式，可以改換為任何一種在本發明中所述的類型。在此還要指出，所有上述的特徵，被視為獨立地以及以任意組合，尤其是在附圖中示出的細節可以作為本發明至關重要內容被加以保護。對其的修改方案對於專業人士而言是熟知的。
權利要求
1.電容器系統(100)，具有具備凹陷部(11)的金屬成型體(10)；至少部分布置在所述凹陷部(11)中的未裝設殼體的電容器00)； 至少部分在所述電容器00)與所述金屬成型體(10)之間布置在所述凹陷部(11)中的由電絕緣材料製成的間距保持件(30)；以及設置在所述凹陷部(11)中的電絕緣的灌封材料00)，其中，所述間距保持件(30)和所述灌封材料GO)將所述電容器OO)以如下方式布置在所述凹陷部(11)中，即使所述電容器OO)不碰觸所述金屬成型體(10)並且相對於所述金屬成型體(10)電絕緣。
2.按權利要求1所述的電容器系統(100)，其中，所述電容器OO)具有至少兩個金屬的接觸電極01、22)以及至少兩個電極和電介質的疊層(25)，所述接觸電極(21、2幻直接布置在所述疊層0 的各個外部面上，並且所述接觸電極(21、2幻形成所述電容器OO)的外部面的至少一部分。
3.按權利要求2所述的電容器系統(100)，其中，所述間距保持件(30)與所述疊層 (25)和/或至少與所述接觸電極01、22)中的一個和/或與所述金屬成型體(10)直接相鄰。
4.按前述權利要求之一所述的電容器系統(100)，其中，所述間距保持件(30)具有至少一個開口(31)，所述灌封材料00)穿過所述開口(31)在所述電容器O0)與所述金屬成型體(10)之間形成連貫的連接進而還有熱量傳遞。
5.按前述權利要求之一所述的電容器系統(100)，其中，所述間距保持件(30)是為精確配合地容納所述電容器O0)而成型的空心體。
6.按前述權利要求之一所述的電容器系統(100)，其中，所述金屬成型體(10)是水冷的冷卻體。
7.功率半導體模塊000)，具有 功率半導體電路O10)；以及按前述權利要求之一所述的電容器系統(100)， 其中，所述金屬成型體(10)構造為冷卻體，並且所述功率半導體電路(210)相對於所述金屬成型體(10)布置。
8.按從屬於權利要求2的權利要求7所述的功率半導體模塊000)，其中，所述功率半導體電路(210)具有直接與所述電容器O0)的所述接觸電極(21、2幻導電連接的接觸連接部011)。
9.用於製造電容器系統(100)的方法，所述方法具有如下步驟 將電容器O0)布置在由電絕緣材料製成的間距保持件(30)中； 將所述電容器O0)連同所述間距保持件(30) —起至少部分布置在金屬成型體(10) 的凹陷部(11)中；以及 將電絕緣的灌封材料GO)引入通過所述間距保持件(30)在所述電容器O0)與所述凹陷部(11)之間形成的空腔中。
10.用於製造電容器系統(100)的方法，所述方法具有如下步驟CN 102543423 A 將電容器00)布置在由電絕緣材料製成的間距保持件(30)中； 將電絕緣的灌封材料^))引入金屬成型體(10)的凹陷部(11)中；以及 將所述電容器00)連同所述間距保持件(30) —起至少部分布置在所述金屬成型體 (10)的所述凹陷部(11)中，其中，所述灌封材料GO)在此流入通過所述間距保持件(30) 在所述電容器OO)與所述凹陷部(11)之間形成的空腔中。
11.按權利要求9或10所述的方法，其中，所述間距保持件(30)確保在將所述電容器OO)布置在所述金屬成型體(10)的所述凹陷部(11)中時，所述電容器OO)不碰觸所述金屬成型體(10)。
12.按權利要求9-11之一所述的方法，其中，所述間距保持件(30)具有至少一個開口 (31)，所述灌封材料00)穿過所述開口(31)在所述電容器O0)與所述金屬成型體(10) 之間形成連貫的熱量傳遞。
13.按權利要求9-12之一所述的方法，其中，所述間距保持件(30)是為精確配合地容納所述電容器O0)而成型的空心體。
14.按權利要求9-13之一所述的方法，其中，所述金屬成型體(10)是水冷的冷卻體。
全文摘要
本申請涉及一種電容器系統和用於製造電容器系統的方法，尤其是功率半導體模塊的電容器系統及用於製造功率半導體模塊的電容器系統的方法。在一種實施方式中，本申請涉及如下的電容器系統，所述電容器系統具有具備凹陷部的金屬成型體；至少部分布置在該凹陷部中的電容器；至少部分在電容器與金屬成型體之間布置在該凹陷部中的由電絕緣材料製成的間距保持件(30)；以及設置在凹陷部中的電絕緣的灌封材料，其中，所述灌封材料將所述電容器以如下方式固定在凹陷部中，即使電容器不碰觸金屬成型體。
文檔編號H01G2/10GK102543423SQ20111034484
公開日2012年7月4日 申請日期2011年11月4日 優先權日2010年11月5日
發明者哈特姆特·庫拉斯, 弗蘭克·埃伯斯貝格爾, 彼得·肖特, 彼得·貝克達爾 申請人:賽米控電子股份有限公司