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本发明涉及一种功率模块，该功率模块包括一对功率装置(12、14)以及N电极(16)和P电极(18)，所述一对功率装置以输出电极(10)设置在所述一对功率装置之间的状态相层叠，所述N电极和P电极以所述一对功率装置设置在所述N电极和P电极之间的状态相层叠。输出电极(10)是各向异性的，使得在与层叠方向正交的方向上的导热率大于在层叠方向上的导热率。另外，输出电极(10)从所述一对功率装置(12、14)相层叠的层叠区域沿正交方向延伸。N电极(16)和P电极(18)在保持对向位置关系的同时沿正交方向延伸。

1.  一种功率模块，包括：
板状的输出电极(10，110)；
一对功率装置(12，14，112，114)，所述一对功率装置以所述输出电极设置在所述一对功率装置之间的状态相层叠；以及
层压到所述功率装置之一上的N电极(16，116)，和层压到另一功率装置上的P电极(18，118)，
其中，所述输出电极是各向异性的，使得在与所述N电极和所述P电极相层叠的层叠方向正交的正交方向上的导热率大于在所述层叠方向上的导热率，并且所述输出电极从所述一对功率装置相层叠的层叠区域沿所述正交方向延伸，且所述N电极和所述P电极在维持对向的位置关系的同时沿所述正交方向延伸。

2.  根据权利要求1所述的功率模块，其中，所述输出电极(110)在所述功率装置的所述层叠区域的一部分中层压到所述一对功率装置(112，114)上，并且所述N电极(116)和所述P电极(118)在所述层叠区域的所述输出电极未层压到所述功率装置上的区域中层压到所述功率装置的彼此面对的表面上。

3.  根据权利要求2所述的功率模块，其中，所述N电极(116)和所述P电极(118)中的至少一者是各向异性的，使得在所述正交方向上的导热率大于在所述层叠方向上的导热率。

4.  根据权利要求1所述的功率模块，其中，所述N电极(16)和所述P电极(18)以所述一对功率装置设置在所述N电极和所述P电极之间的状态相层叠。

5.  根据权利要求1至4中任一项所述的功率模块，还包括冷却器(20，120)，所述冷却器在所述输出电极(10，110)从所述层叠区域沿所述正交方向延伸的区域中安装在所述输出电极上。

6.  根据权利要求1至4中任一项所述的功率模块，还包括电容器(34，134)，所述电容器连接在所述N电极(16，116)和所述P电极(18，118)的沿所述正交方向延伸的部分之间。

7.  根据权利要求1至4中任一项所述的功率模块，还包括热电变换器(22，122)，所述热电变换器结合到所述功率装置(12，14，112，114)之一的与所述输出电极(10，110)所层压到的表面一侧相反的一侧上。

功率模块
技术领域
本发明涉及一种功率模块(电力模块，power module)。
背景技术
日本专利申请特开No.2002-26251(JP-A-2002-26251)公开了相关功率模块的一个例子。在JP-A-2002-26251中公开的功率模块具有一对功率装置以及N电极和P电极，所述一对功率装置以板状的输出电极设置在所述一对功率装置之间的状态相层叠，所述N电极和P电极以所述一对功率装置设置在所述N电极和P电极之间的状态相层叠。在JP-A-2002-26251中公开的功率模块的有利之处在于，因为N电极、第一功率装置、输出电极、第二功率装置以及P电极垂直地层叠，所以整个功率模块能够被制造得小型化。
如果位于一对功率装置之间的输出电极具有从一对功率装置相层叠的区域(即层叠区域)沿正交方向(即与一对功率装置相层叠的方向正交的方向)延伸的部分，即，如果该输出电极具有未被一对功率装置覆盖的露出部分，则热会从该露出部分释放。关于该相关功率模块，位于一对功率装置之间的输出电极由诸如铜或铜合金等材料制成。这些材料的导热率是各向同性的。即在层叠方向上的导热率和在正交方向上的导热率相同。
用具有高导热率的材料制成输出电极对于增大从露出部分释放的热量(即对于增大由露出部分实现的冷却量)是有利的。然而，普通材料具有各向同性的导热率，因此，如果输出电极由具有高导热率的材料制成，则大量的热也会在一对功率装置之间传递。结果，在一对功率装置之间趋于产生热干涉，且功率装置趋于过热。
另一方面，用具有低导热率的材料制成输出电极对于防止在一对功率装置之间产生热干涉是有利的。然而，如上所述，输出电极具有各向同性的导热率，因此，从输出电极的露出部分释放的热量最终减少。
发明内容
本发明既增大在输出电极的露出部分释放的热量，又防止在一对功率装置之间产生热干涉，这是相关技术所不能的。即，本发明提供了能够在增大在输出电极的露出部分处释放的热量的同时防止在一对功率装置之间产生热干涉的技术。
本发明的第一方面涉及一种功率模块，该功率模块包括：板状的输出电极；一对功率装置，所述一对功率装置以所述输出电极设置在所述一对功率装置之间的状态相层叠；以及层压到所述功率装置之一上的N电极，和层压到另一功率装置上的P电极。在该功率模块中，所述输出电极是各向异性的，使得在与所述N电极和所述P电极相层叠的层叠方向正交的正交方向上的导热率大于在所述层叠方向上的导热率。另外，所述输出电极从所述一对功率装置相层叠的层叠区域沿所述正交方向延伸，且所述N电极和所述P电极在维持对向的位置关系的同时沿所述正交方向延伸。
关于该功率模块，设置在一对功率装置之间的输出电极在层叠方向上的导热率低，使得易于防止在一对功率装置之间产生热干涉。另一方面，设置在一对功率装置之间的输出电极在正交方向上的导热率高，使得能够增大在输出电极的露出部分处释放的热量。结合这两方面，能够得到其中功率装置不容易过热的功率模块。
在本发明的功率模块中，所述输出电极可以在所述功率装置的所述层叠区域的一部分中层压到所述一对功率装置上。在这种情况下，所述N电极和所述P电极可以在所述层叠区域的所述输出电极未层压到所述功率装置上的区域中层压到所述功率装置的彼此面对的表面上。
在该功率模块中，N电极和P电极层压到功率装置的彼此面对的表面上，即，N电极层压到功率模块之一的与另一功率模块面对的一侧的表面上，且P电极层压到另一功率模块的在面对N电极层压在上面的功率装置的一侧的表面上，使得N电极和P电极彼此面对。即，在该功率模块中，使用输出电极和N电极(或P电极)层压到功率装置的同一表面上的水平功率装置。由于在该功率模块中使用水平功率装置，所以层压到功率装置的对向表面上的N电极和P电极维持接近且对向的位置关系。通过使电流在相反方向上经过接近且对向的N电极和P电极，即沿一个方向经过N电极而沿相反方向经过P电极，以生成彼此抵消的逆向磁场，来产生减小寄生电感的最大互感。结果，能够减小寄生电感。此外，在该功率模块中，输出电极和N电极(或P电极)层压到功率装置的同一表面上，使得在功率装置的输出电极等未被层压的一侧的整个表面可以被用作散热面。结果，能够得到其中功率装置更不容易过热的功率模块。
此外，在本发明的功率模块中，所述N电极和所述P电极中的至少一者可以是各向异性的，使得在所述正交方向上的导热率大于在所述层叠方向上的导热率。
在该功率模块中，设置在一对功率装置之间的N电极和P电极中的至少一者在层叠方向上的导热率低，使得更易于防止在一对功率装置之间产生热干涉。另一方面，设置在一对功率装置之间的N电极和所述P电极中的至少一者在正交方向上的导热率高，使得能够增大在N电极或P电极中的至少一者的露出部分处释放的热量。因此，能够得到其中功率装置更不容易过热的功率模块。
在本发明的功率模块中，所述N电极和所述P电极可以以所述一对功率装置设置在所述N电极和所述P电极之间的状态相层叠。
在该功率模块中，N电极和P电极以一对功率装置设置在N电极和P电极之间的状态相层叠。即，在该功率模块中，使用输出电极和N电极(或P电极)层压到功率装置的不同表面上的垂直功率装置。与上述水平功率装置相比，这些垂直功率装置更易于处理高电压和大电流。因此，功率模块能够更好地处理高电压和大电流。
在本发明的功率模块中，冷却器可以在所述输出电极从所述层叠区域沿所述正交方向延伸的区域中安装在所述输出电极上。
在该功率模块中，冷却器在输出电极从一对功率装置的层叠区域沿正交方向延伸的区域中安装在输出电极上，因而能够使输出电极的露出部分被冷却。因此，在输出电极的露出部分处释放的热量能够被增加得更多。由于输出电极能够被冷却，所以即使功率模块被使用了较长时间，输出电极的除热性能也不会降低。因此，能够得到其中功率装置更不容易过热的功率模块。
在本发明的功率模块中，电容器可以连接在所述N电极和所述P电极的沿所述正交方向延伸的部分之间。
在该功率模块中，电容器连接在N电极和P电极的沿正交方向延伸的部分之间。因此，能够减小功率装置的开关操作期间产生的冲击电压。
特别地，关于如上所述的具有N电极和P电极以一对功率装置设置在N电极和P电极之间的状态相层叠的结构的功率模块，N电极和P电极两者均可以具有从N电极和P电极以一对功率装置设置在N电极和P电极之间状态的相层叠的部分沿层叠方向延伸且缩小N电极和P电极之间的间隙的部分，以及在维持狭窄间隙的同时沿正交方向延伸的部分。此外，电容器可以连接在N电极和P电极之间的在维持狭窄间隙的同时沿正交方向延伸的部分。
在这种情况下，N电极和P电极均具有在维持狭窄间隙的同时沿正交方向延伸的部分。因此，通过使电流沿相反方向经过N电极和P电极(即沿一个方向经过N电极而沿相反方向经过P电极)而产生上述互感。结果，能够减小寄生电感。
在本发明的功率模块中，热电变换器可以结合到所述功率装置之一的与所述输出电极所层压到的表面一侧相反的一侧上。
在该功率模块中，热电变换器被结合到功率装置之一的与输出电极所层压到的表面一侧相反的一侧上。关于该功率模块，电流经过热电变换器致使热电变换器从功率装置侧的表面吸收热，并从另一表面释放热。这被称为珀尔帖效应。功率装置可以通过该珀尔帖效应被冷却。功率装置还可以通过预先使电流经过该热电变换器而预先被冷却。如果功率装置预先被冷却，则即使它们瞬间产生大量的热，功率装置也不会过热。因此，能够提高功率装置的冷却性能，使得能够得到其中功率装置更不容易过热的功率模块。
因此，本发明能够提供一种其中一对功率装置不容易过热的非常耐热的功率模块。
附图说明
由参照附图对示例性实施例的以下说明，本发明的前述和其他目的、特征和优点将显而易见，其中，相同的标号用于表示相同的元件，附图中：
图1是示出根据本发明第一实施例的功率模块的主要部分的框架形式的剖视图；
图2是示出根据本发明第二实施例的功率模块的主要部分的框架形式的剖视图；
图3是示出根据第二实施例的变型例的功率模块的主要部分的框架形式的平面图；
图4是示出根据第二实施例的另一变型例的功率模块的主要部分的框架形式的剖视图。
具体实施方式
下文描述的示例性实施例的技术特征概述如下。
(1)对于功率装置使用垂直IGBT或FET。
(2)对于输出电极使用板状的自热管或石墨材料。
(3)输出电极冷却器由硅制成。
(4)N电极和P电极优选地彼此平行且对向地配置，以有效地产生减小寄生电感的互感。
(5)使得N电极和P电极的对向部分尽可能地长则会增大能够获得减小寄生电感的互感的部分，从而两个电极优选地彼此对向配置成从功率装置的附近尽可能地彼此接近。
(6)使用以SrTiO₃作为主要成分的薄板式电容器作为设置在彼此接近且对向配置的N电极和P电极之间的电容器。
(7)热电变换器被热质量部件包围，并且对于该热质量部件提供有冷却器。
(8)对于功率装置也可以使用水平IGBT或FET。
(9)对于N电极和P电极也可以使用板状的自热管或石墨材料。
(10)N电极和P电极也可以以绝缘层设置在两者之间的状态相层叠。此外，在该绝缘层内可嵌入电容器。
(第一实施例)现在将参照图1来说明本发明的功率模块的第一实施例，其中图1是示出根据该第一实施例的功率模块的主要部分的框架形式的剖视图。本实施例中的功率模块是构成由三相(即U、W和V)组成的三相逆变器的一部分的功率模块。
如图1所示，在本实施例中的功率模块1具有一对功率装置12和14以及N电极16和P电极18，所述一对功率装置12和14以板状的输出电极10设置在一对功率装置12和14之间的状态相层叠，所述N电极16和P电极18以一对功率装置12和14设置在N电极16和P电极18之间的状态相层叠。输出电极10从功率装置12和14相层叠的区域(下文简称为层叠区域)沿与该层叠方向正交的(即与图1中的垂直方向正交的)方向延伸。即，输出电极10沿图1中的水平方向延伸，该方向在下文中被称为正交方向。输出电极冷却器20安装在输出电极10的从层叠区域沿正交方向延伸的露出部分10a上。
此外，在N电极16的层压到功率装置12上的部分16a上方设有热电变换器22，在P电极18的层压到功率装置14上的部分18a下方设有热电变换器24。而且，热电变换器22被热质量部件26包围，热电变换器24被热质量部件28包围。在热质量部件26的上方安装有冷却器30，在热质量部件28的下方设置有冷却器32。
如图1所示，N电极16和P电极18分别具有从以一对功率装置12和14设置在两者之间的状态相层叠的部分16a和18a(以下称为“层叠部分”)沿层叠方向延伸并缩小电极之间的间隙的部分16b和18b(以下称为“间隙改变部分”)、以及维持狭窄间隙并沿正交方向延伸的部分(以下称为“接近对向部分”)16c和18c。在N电极16和P电极18各自的接近对向部分16c和18c之间连接有电容器34。
附带说明，本实施例中的功率模块1的整体厚度为大约20毫米。
在本实施例中，对于功率装置12和14使用IGBT。对于功率装置12和14还可以使用诸如功率MOSFET等半导体装置来代替IGBT。这些功率装置12和14的厚度约为十分之几毫米到1毫米。
输出电极10由板状的自热管构成。该自热管是填充有用于传递热的流体11的管状部件。该自热管是各向异性的，使得在正交方向(即水平方向)上的导热率大于在层叠方向(即垂直方向)上的导热率。更具体地，例如，该自热管被构成为使得在正交方向上的导热率为在层叠方向上的导热率的五倍以上。在本实施例中，对于输出电极10使用具有这种导热性能的自热管。
在本实施例中，如图1所示，功率装置12和14经由焊料等的接合层40和42层叠设置在输出电极10的长度方向上的一端的上下表面上。因此，当由上下方的功率装置12和14产生的热被传递到输出电极10时，热在正交方向上快速移动，而在层叠方向上移动不多。本实施例中的输出电极10在层叠方向上具有低导热率，因此在一对功率装置12和14之间不容易发生热干涉。而且，在正交方向上的导热率高，因此在输出电极10的露出部分10a处释放大量的热。同时，这些因素使得功率装置12和14不容易过热。以这种方式工作的输出电极10还起到上下方的功率装置12和14之间的绝缘部件的作用。对于输出电极10使用的热管的厚度约为2毫米，接合层40和42的厚度约为十分之几毫米到1毫米。
用于冷却输出电极10的输出电极冷却器20经由电绝缘的绝缘层44安装在输出电极10的另一端侧的露出部分10a上。
在本实施例中，输出电极冷却器20由硅制成。使用硅作为冷却器20的材料的原因在于，硅具有与半导体材料几乎相同的热膨胀系数，并且易于用各向异性湿式蚀刻在其内形成深槽，从而易于形成具有多翅片的冷却器。如图1所示，用于供给诸如水之类的冷却介质的供给通路20a和用于排出已回收热的冷却介质的排出通路20b被连接至输出电极冷却器20。输出电极冷却器20的厚度约为3毫米。附带说明，对于输出电极冷却器20使用的冷却器不限于上述的水冷式冷却器。即，它也可以是空冷式冷却器。
用输出电极冷却器20冷却输出电极10的露出部分10a增大了在输出电极的露出部分10a处释放的热量，并促进了从被发热功率装置12和14夹持的另一端侧的热传递。需要时，从功率装置12和14向输出电极10传递的热被输出电极冷却器20消除，从而输出电极10的除热性能能够保持在高水平，这使得能够持续地吸收由功率装置12和14产生的热。结果，能够得到其中功率装置12和14不容易过热的功率模块1。
对于输出电极冷却器20也可以使用公知的铝冷却器。此外，绝缘层44由不导电的绝缘材料构成。所使用的绝缘材料的例子包括诸如AlN或Si₃N₄之类的陶瓷材料，以及诸如环氧树脂之类的树脂材料。
如图1所示，N电极16经由接合层50设置在功率装置12的上表面上。同样地，P电极18经由接合层52设置在功率装置14的下表面上。N电极16和P电极18均起到功率端子的作用。N电极16和P电极18均由诸如铜之类的具有低膨胀系数的导电部件制成且形成为板状。N电极16和P电极18的厚度约为十分之几毫米到1毫米。
如上所述，N电极16和P电极18均具有层叠部分16a和18a、间隙改变部分16b和18b、以及接近对向部分16c和18c。如图1所示，N电极16和P电极18在所有这些部分处维持对向的位置关系。在接近对向部分16c和18c处，电流沿相反方向流过电极16和18，即，在一个电极16中沿一个方向而在另一电极18中沿相反方向，使得产生逆向磁场。这些逆向磁场相互抵消，使得产生减小寄生电感的互感。结果，能够减小寄生电感。
N电极16和P电极18之间的互感随着接近对向部分16c和18c之间的间隙变小而增大，且随着接近对向部分16c和18c的距离变长而增大。因此，接近对向部分16c和18c优选地在尽可能彼此接近的位置彼此面对，接近对向部分16c和18c的长度优选地尽可能长，且电极16和18之间的间隙扩宽处的间隙改变部分16b和18b以及层叠部分16a和18a的长度优选地尽可能短。
另外，如图1所示，在N电极16和P电极18上，层叠部分16a和18a的长度相同，且电极16和18之间的间隙扩宽的间隙改变部分16b和18b的长度相同。此外，尽管未图示，但在N电极16和P电极18的另一端侧，即在与电动机等相连接的一侧，从接近对向部分16c和18c分离后间隙扩宽的部分的长度也相同。通过以这种方式使N电极16和P电极18的长度相同，改善了N电极16和P电极18之间的平衡，使得能够有效地产生互感。
如图1所示，薄板状的电容器34经由接合层46和48连接在位于接近对向部分16c和18c之间且功率装置12和14附近的位置处。在本实施例中，对于电容器34使用以SrTiO₃为主要成分的薄板状的电容器。电容器34的厚度约为十分之几毫米到1毫米。通过将电容器34连接在接近对向部分16c和18c之间，使得能够减小功率装置12和14的开关操作期间产生的冲击电压。另外，如上所述，为了使电容器的作用最大化，电容器34的连接位置优选地为位于接近对向部分16c和18c之间且尽可能地接近功率装置12和14的位置。
热电变换器22安装在N电极16的层叠部分16a上方并被热质量部件26包围，热电变换器24安装在P电极18的层叠部分18a下方并被热质量部件28包围。如图1所示，在N电极16与热电变换器22和热质量部件26之间形成有电绝缘的绝缘层54。同样地，在P电极18与热电变换器24和热质量部件28之间形成有电绝缘的绝缘层56。在本实施例中的热电变换器22和24均由BiTe的薄膜构成，其厚度不大于2毫米。在这些热电变换器22和24中设有未图示的配线路径，使得电流能够经过热电变换器22和24。通过使电流经过热电变换器22和24，使得热电变换器22和24能够吸收N电极16和P电极18侧的热，并将该热释放到热质量部件26和28侧。绝缘层54和56由不导电的绝缘材料构成。所使用的绝缘材料的例子包括诸如AlN或Si₃N₄之类的陶瓷材料，以及诸如环氧树脂之类的树脂材料。
热电变换器22安装在功率装置12的大致中央部正上方的位置。同样地，热电变换器24安装在功率装置14的大致中央部正下方的位置。当功率装置12和14产生热时，功率装置12和14的中央部的周围区域最热，因此，以这种方式设置热电变换器22和24使得该部分的热能够被有效地吸收。
在本实施例中，通过预先使电流经过热电变换器22和24，并从N电极16和P电极18吸收热量，能够在功率装置12和14产生热之前降低功率装置12和14的温度。以这种方式冷却功率装置12和14，即使它们在短时间内产生大量的热也能够防止它们过热。因此，进一步提高了功率装置12和14的耐热性，使得功率模块1更不容易损坏。
热质量部件26和28由Si-SiC等的薄板构成，且起到接受从热电变换器22和24释放的热的热受容体的作用。热电变换器22和24及周围热质量部件26和28的复合厚度约为3毫米。
如图1所示，冷却器30设置在热质量部件26的上方，冷却器32设置在热质量部件28的下方。对于这些冷却器30和32，可以使用与上述输出电极冷却器20具有相同结构的冷却器。用于供给诸如水之类的冷却介质的供给通路30a和32a以及用于排出已回收热的冷却介质的排出通路30b和32b被连接到各冷却器30和32。各冷却器30和32的厚度约为3毫米。附带说明，对于冷却器30和32使用的冷却器不限于上述的水冷式冷却器。即，它们还可以是空冷式冷却器。
如上所述构造的本实施例的功率模块1具有优异的耐热性，这是因为，不会在以输出电极10设置在两者之间的状态相层叠的一对功率装置12和14之间产生热干涉，从而功率装置12和14不容易过热。
(试验)对于三相中的各相准备如上所述构造的本实施例的功率模块1。配线和配管对于所有三相均相同地构成。使各功率模块1作为逆变器工作，测定功率装置的最高温度、损失以及冲击电压。
在改变载波频率的同时测定损失。结果如下。在5kHz时的定常损失与开关损失之比为1∶0.2。另外，关闭时的冲击电压相对于电源电压为30V。此外，当热电变换器22和24被操作时，例如当电动机例如通过功率装置12和14而被起动时迅速达到的最高温度被测定为120℃。
作为该实施例的比较例，准备在过去已被广泛制造的由设置在单个冷却器上的平面上的两个功率装置构成的相关功率模块，并采用相同的测定方法。结果如下。定常损失与开关损失之比为1∶1，冲击电压为100V，在与上述条件相同的条件下的装置温度为140℃。
从这些结果很明显，关于本实施例的功率模块，与典型的相关功率模块相比，开关损失减小，冲击电压降低，并且功率装置的温度也显著低于通常情况。
(第二实施例)以下将参照图2说明本发明的功率模块的第二实施例，其中图2是示出根据第二实施例的功率模块的主要部分的框架形式的剖视图。与第一实施例相同，本实施例的功率模块也是构成由三相(U、W和V)组成的三相逆变器的一部分的功率模块。
如图2所示，本实施例的功率模块100具有板状的输出电极110、电极单元190、以及一对功率装置112和114，所述一对功率装置112和114以板状的输出电极110和电极单元190设置在一对功率装置112和114之间的状态相层叠。输出电极110在功率装置112和114相层叠的区域(以下简称为层叠区域)的一部分中层压到功率装置112和114上。输出电极110从功率装置112和114的层叠区域沿与层叠方向正交的(即与图2中的垂直方向正交的)方向延伸。因此，下文中，输出电极110延伸的方向称为正交方向。输出电极冷却器120安装在输出电极110的从层叠区域沿正交方向延伸的露出部分110a上。
电极单元190具有板状的绝缘层160以及N电极116和P电极118，所述N电极116和P电极118以绝缘层160设置在N电极116和P电极118之间的状态相层叠。电极单元190在层叠区域中的输出电极110未层压到功率装置112和114上的区域中层压到功率装置112和114上。电极单元190从层叠区域沿正交方向延伸。电极单元190延伸的方向与输出电极110延伸的方向相反。N电极116层压到功率装置112上，P电极118层压到功率装置114上。N电极116在输出电极110未层压到功率装置112上的区域中层压到功率装置112的面对功率装置114的一侧的表面上。同样地，P电极118在输出电极110未层压到功率装置114上的区域中层压到功率装置114的面对功率装置112的一侧的表面上。在沿正交方向延伸的N电极116的露出部分116a上设置有N电极冷却器170。同样地，在沿正交方向延伸的P电极118的露出部分118a上设置有P电极冷却器180。另外，电容器134嵌入绝缘层160的沿正交方向延伸且在层叠区域附近的一部分中。该电容器134连接到上方的N电极116及下方的P电极118。
在功率装置112的上方安装有热电变换器122，在功率装置114的下方安装有热电变换器124。而且，热电变换器122被热质量部件126包围，热电变换器124被热质量部件128包围。在热质量部件126的上方安装有冷却器130，在热质量部件128的下方安装有冷却器132。
附带说明，本实施例中的功率模块100的整体厚度大约为20毫米。
在本实施例中，水平功率MOSFET被用作功率装置112和114。即，各功率装置112和114使所有的电极都在基板的一个表面上。在图2中，功率装置112的三个电极，即漏极电极112d、源电极112s和栅电极112g，均形成在功率装置112的基板的一个表面(即图2中的下表面)上。同样地，功率装置114的三个电极，即漏极电极114d、源电极114s和栅电极114g，均形成在功率装置114的基板的一个表面(即图2中的上表面)上。以下在本实施例中，功率装置112和114的形成有电极的一侧的表面称为电极形成面，未形成电极的一侧称为背面。在本实施例中，一对功率装置112和114以电极形成面相互对向的状态设置。在图1中，漏极电极112d与源电极114s对向，源电极112s与漏极电极114d对向，栅电极112g与栅电极114g对向。除了上述的水平功率MOSFET外，对于本实施例中的功率装置112和114还可以使用诸如水平IGBT之类的其他水平半导体装置。各功率装置112和114的厚度约为十分之几毫米到1毫米。
输出电极110由板状的自热管构成。该自热管与在上述第一实施例中对于输出电极10使用的自热管类似。该输出电极110也填充有用于传递热的流体111。该自热管也是各向异性的，使得在正交方向(即水平方向)上的导热率大于在层叠方向(即垂直方向)上的导热率。对于输出电极110使用的热管的厚度约为2到5毫米。
在本实施例中，功率装置112设置成经由焊料等的接合层140层压到在输出电极110的长度方向上的一端侧的上表面上。因此，在输出电极110的长度方向上的一端侧的上表面连接到功率装置112的漏极电极112d。另外，功率装置114设置成经由焊料等的接合层142层压到在输出电极110的长度方向上的一端侧的下表面上。因此，在输出电极110的长度方向上的一端侧的下表面连接到功率装置114的源电极114s。在本实施例中，输出电极110的长度方向上的一端侧在功率装置112和114的层叠区域的漏极电极112d和源电极114s彼此对向的一部分处层压到功率装置112和114上。各接合层140和142的厚度约为十分之几毫米到1毫米。
电极单元190具有板状的绝缘层160以及N电极和P电极，所述N电极和P电极以绝缘层160设置在N电极和P电极之间的状态相层叠。在本实施例中，与上述的输出电极110一样，N电极16和P电极均由板状的自热管构成。因此，N电极116和P电极118也填充有用于传递热的流体117和119。附带说明，N电极116和P电极118还可以由具有诸如铜等低膨胀系数的导电部件制成且形成为板状。
绝缘层160由不导电的绝缘材料制成。对于该绝缘层160使用的材料例如可以是诸如AlN或Si₃N₄之类的陶瓷材料，或诸如环氧树脂之类的树脂材料。N电极116和P电极118的厚度均约为十分之几毫米到1毫米。电极单元190的整体厚度约为2到5毫米。在本实施例中，电极单元190的整体厚度与上述的输出电极110的厚度大致相同。
在本实施例中，功率装置112设置成经由接合层146层压到在N电极116的长度方向上的一端侧的上表面上。因此，在N电极116的长度方向上的一端侧的上表面连接到功率装置112的源电极112s。同样地，功率装置114设置成经由接合层152层压到在P电极118的长度方向上的一端侧的下表面上。因此，在P电极118的长度方向上的一端侧的下表面连接到功率装置114的漏极电极114d。在本实施例中，N电极116和P电极118的长度方向上的一端侧在功率装置112和114的层叠区域的源电极112s和漏极电极114d彼此对向的一部分中分别层压到功率装置112和114。各接合层146和152的厚度约为十分之几毫米到1毫米。
附带说明，未图示的栅极配线连接到功率装置112和114的各栅电极112g和114g。
在本实施例的功率模块100中，一对功率装置112和114、输出电极110、以及N电极116和P电极118以上述方式层叠配置。因此，当由上下方的功率装置112和114产生的热被传递到输出电极110、N电极116和P电极118时，热在正交方向上快速移动，而在层叠方向上移动不多。在本实施例中的输出电极110、N电极116和P电极118在层叠方向上具有低导热率，因此在一对功率装置112和114之间不容易产生热干涉。另外，在正交方向上的导热率高，因此在输出电极110的露出部分110a、N电极116的露出部分116a、以及P电极118的露出部分118a处释放大量的热。这些因素共同使得功率装置112和114更不容易过热。以这种方式工作的输出电极110、N电极116以及P电极118还起到上下方的功率装置112和114之间的绝缘部件的作用。
在输出电极110的另一端侧的露出部分110a上，经由电绝缘的绝缘层144设置有用于冷却输出电极110的输出电极冷却器120。同样地，在N电极116的露出部分116a上，经由电绝缘的绝缘层172设置有N电极冷却器170，且在P电极118的露出部分118a上，经由电绝缘的绝缘层182设置有P电极冷却器180。与第一实施例中的冷却器20一样，在本实施例中，这些冷却器120、170和180同样由硅制成。这些冷却器120、170和180均设有用于供给诸如水之类的冷却介质的供给通路120a、170a和180a，以及用于排出已回收热的冷却介质的排出通路120b、170b和180b。各冷却器120、170和180的厚度约为3毫米。绝缘层144、172和182均由与上述绝缘层160相同的绝缘材料制成。
输出电极110的露出部分110a被冷却器120冷却，N电极116的露出部分116a被冷却器170冷却，且P电极的露出部分118a被冷却器180冷却。结果，在这些露出部分110a、116a和118a处释放的热量增大，由此使得在必要时，能够消除从发热功率装置112和114传递到输出电极110、N电极116以及P电极118的热。因此，输出电极110、N电极116以及P电极118的除热性能能够保持在高水平，从而能够持续地吸收由功率装置112和114产生的热。结果，能够得到其中功率装置112和114不容易过热的功率模块100。
附带说明，对于冷却器120、170和180使用的冷却器不限于水冷式冷却器。即，它们还可以是空冷式冷却器。而且，对于输出电极冷却器120、170和180也可以使用公知的铝冷却器。此外，在本实施例中，取代这些冷却器120、170和180，输出电极110、N电极116以及P电极118还可以通过其他冷却方式来冷却。例如，输出电极110、N电极116以及P电极118可以替代地通过设置成与未图示的箱体接触并将传递到输出电极110、N电极116以及P电极118的热释放到该箱体而被冷却，所述箱体用于经由电绝缘的绝缘部件安装功率模块100。
在本实施例中，N电极116和P电极118维持它们的以绝缘层160设置在N电极116和P电极118之间的状态彼此对向的位置关系。通过使电流沿相反方向经过电极116和118，即，沿一个方向经过N电极116而沿相反方向经过P电极118，以生成彼此抵消的逆向磁场，来产生减小寄生电感的互感。结果，寄生电感能够减小。N电极116和P电极118之间的互感随着对向电极116和118之间的间隙变小而增大，且随着接近的对向部分116和118的距离变长而增大。在本实施例中，绝缘层160的厚度约为十分之几毫米到1毫米，使得彼此对向的N电极116和P电极118之间的距离沿电极116和118的大致整个长度保持在约为十分之几毫米到1毫米的小距离。因此，在本实施例中的功率模块100能够在N电极116和P电极118之间产生最大量的互感。
在本实施例中，N电极116和P电极118被构造成使得经由绝缘层160彼此对向的长度相同。此外，尽管未图示，在N电极116和P电极118的另一端侧，即在与电动机等相连接的一侧，在电极116和118分离后间隙扩宽的部分的长度也相同。通过使N电极116和P电极118的长度相同，改善了N电极116和P电极118之间的平衡，使得能够有效地产生互感。
如图2所示，薄电容器134在功率装置112和114的层叠区域附近的位置嵌入绝缘层160内。该电容器134经由接合层148与N电极116的露出部分116a连接，并经由接合层150与P电极118的露出部分118a连接。与第一实施例中的电容器134一样，对于本实施例的电容器134也使用以SrTiO₃为主要成分的薄板状电容器。电容器134的厚度约为十分之几毫米到1毫米。通过将电容器134连接在N电极116和P电极118之间，使得能够减小功率装置112和114的开关操作期间产生的冲击电压。另外，为了使电容器的作用最大化，电容器134的连接位置优选地为并尽可能地接近功率装置112和114的位置。附带说明，电容器134还可以在绝缘层160与功率装置112和114均层叠在一起的区域中嵌入绝缘层160内。
热电变换器122设置在功率装置112的背面上方并被热质量部件126包围，热电变换器124设置在功率装置114的背面下方并被热质量部件128包围。如图2所示，电绝缘的绝缘层154形成在功率装置112的背面与热电变换器122和热质量部件126之间。同样地，电绝缘的绝缘层156形成在功率装置114的背面与热电变换器124和热质量部件128之间。
与上述第一实施例中一样，本实施例中的热电变换器122和124均由BiTe的薄膜构成，其厚度不大于2毫米。在这些热电变换器122和124中形成有未图示的配线路径，使得电流能够经过热电变换器122和124。通过使电流经过热电变换器122和124，使得热电变换器122和124能够吸收N电极116和P电极118侧的热，并将该热释放到热质量部件126和128侧。热电变换器122安装在功率装置112的大致中央部正上方的位置。同样地，热电变换器124安装在功率装置114的大致中央部正下方的位置。当功率装置112和114产生热时，这些功率装置112和114的中央部的周围区域最热，因此，以这种方式设置热电变换器122和124使得该部分的热能够被有效地吸收。附带说明，绝缘层154和156由不导电的绝缘材料构成。所使用的绝缘材料的例子包括诸如AlN或Si₃N₄之类的陶瓷材料，以及诸如环氧树脂之类的树脂材料。
在本实施例中，通过预先使电流经过热电变换器122和124，并从N电极116和P电极118吸收热，能够在功率装置112和114产生热之前降低功率装置112和114的温度。通过以这种方式冷却功率装置112和114，即使它们在短时间内产生大量的热也能够防止它们过热。因此，进一步提高了功率装置112和114的耐热性，使得功率模块100更不容易损坏。
热质量部件126和128由Si-SiC等的薄板构成，且起到接受从热电变换器122和124释放的热的热受容体的作用。热电变换器122和124及周围的热质量部件126和128的复合厚度约为3毫米。
如图2所示，冷却器130设置在热质量部件126的上方，冷却器132设置在热质量部件128的下方。对于这些冷却器130和132可以使用与上述输出电极冷却器120具有相同结构的冷却器。用于供给诸如水之类的冷却介质的供给通路130a和132a以及用于排出已回收热的冷却介质的排出通路130b和132b被连接到各冷却器130和132。各冷却器130和132的厚度约为3毫米。附带说明，对于冷却器30和32使用的冷却器不限于上述的水冷式冷却器。即，它们还可以是空冷式冷却器。
在本实施例中，电极未形成在功率装置112和114的背面上，从而各功率装置112和114的整个背面能够用作散热面。在本实施例中，功率装置112的整个背面与绝缘层154相接触，功率装置114的整个背面与绝缘层156相接触。因此，热能够从各功率装置112和114的整个背面被吸收到相应的热质量部件126和128上，从而功率装置112和114能够被有效地冷却。结果，能够得到其中功率装置112和114不容易过热的功率模块100。
如上所述构造的本实施例的功率模块100具有优异的耐热性，这是因为，不会在以输出电极110设置在两者之间的状态相层叠的一对功率装置112和114之间产生热干涉，从而功率装置112和114不容易过热。
(试验)对于三相中的各相准备如上所述构造的本实施例的功率模块100。配线和配管对于所有三相均相同地构成。各功率模块100作为逆变器工作，测定功率装置的最高温度、损失、以及冲击电压。
在改变载波频率的同时测定损失。结果如下。在5kHz时的定常损失与开关损失之比为1∶0.1。另外，关闭时的冲击电压相对于电源电压为15V。此外，当热电变换器122和124被操作时，例如当电动机例如通过功率装置112和114而被起动时迅速达到的最高温度被测定为115℃。然后，功率装置112和114被试验金属芯片代替，且N电极116和P电极118之间的寄生电感被测定为5nH。
作为该实施例的比较例，准备在过去已被广泛制造的由设置在单个冷却器上的平面上的两个功率装置构成的相关功率模块，并采用相同的测定方法。结果如下。定常损失与开关损失之比为1∶1，冲击电压为100V，在与上述条件相同的条件下的装置温度为140℃。另外，寄生电感如上所述被测定为50nH。
从这些结果很明显，关于本实施例的功率模块，与典型的相关功率模块相比，开关损失减小，冲击电压降低，并且功率装置的温度也显著低于通常情况。而且，很显然，寄生电感也显著低于通常情况。
下面将描述本实施例的一些变型例。
(1)图3是示出根据第二实施例的变型例的功率装置的框架形式的平面图。附带说明，在图3中未示出冷却器120、130、132、170和180。在上述第二实施例中，输出电极110和电极单元190配置成从功率装置112和114的层叠区域沿功率装置112的长度方向延伸，如图3中的双点划线所示。然而，输出电极110和电极单元190的配置不限于此。例如，输出电极110和电极单元190还可以配置成从功率装置112和114的层叠区域沿功率装置112的宽度方向延伸，如图3中的实线部分所示。
(2)在上述第二实施例中，如图2所示，输出电极110和电极单元190单独设置。电极单元190由以板状的绝缘层160设置在两者之间的状态相层叠的N电极116和P电极118构成。然而，输出电极110、N电极116以及P电极118的构造不限于此。图4是示出根据第二实施例的第二变型例的功率模块的主要部分的框架形式的剖视图。如图4所示，也可以使板状的绝缘层160延伸到输出电极110侧，并使输出电极110嵌入绝缘层160内。在这种情况下，也可以形成单个电极单元200，其中，输出电极110、N电极116以及P电极118全部组装到沿正交方向形成的单个板状的绝缘层160上。如果使用这种电极单元200，则可以按照图4中所示的结构，简单地通过将功率装置112粘附到电极单元200的一个表面上并将功率装置114粘附到电极单元200的另一表面上，来层叠功率装置112和114、输出电极110、N电极116以及P电极118。即，在本变型例中，能够减少为了层叠功率装置112和114、输出电极110、N电极116以及P电极118而执行的处理的数目，其有利之处在于能够使功率模块100更易于制造。
(3)与上述的第二变型例(2)相反，板状的绝缘层160也可以省去。在这种情况下，N电极116和P电极118同样配置成在维持彼此互不接触的对向位置关系的同时沿正交方向延伸。
已经详细说明了本发明的具体实施例及其变型例，这些仅仅是示例性的而非意在限定专利权利要求的范围。在权利要求中描述的技术包括上述具体实施例及其变型例的各种变型和等同设置。
另外，在本说明书中描述的和在附图中示出的技术要素无论是单独地还是以各种组合均具有技术上的有益性。而且，在本说明书和附图中示出的技术同时达到了多个目的，尽管事实上达到这些目的中一个便足以使其具有技术上的有益性。