(57)【要約】電力変換器は、多層変圧基板を備える少なくとも１つの平面状の変圧器（Ｔ１，Ｔ２）、および／または、多層インダクタ基板を備える少なくとも１つの平面状のインダクタを、１つ以上の多層スイッチ基板を介することにより、放熱板に物理的および熱的に接続された多数の電力半導体スイッチ（Ｓ７〜Ｓ１０）と一体化させる。本発明の電力変換器は、電源と負荷との間の電力を整流、インバーティング、および／または、変換するのに適しており、高電力の動作が可能であって、熱磁気的な問題を軽減することが可能な電力変換器である。
2008502293.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
放熱板と、
少なくとも２つの電気的伝導性および熱的伝導性の層と、少なくとも１つの電気的絶縁性および熱的伝導性の層とを備える第１の多層基板であって、該第１の多層基板の該電気的伝導性および熱的伝導性の層の各々は、該電気的絶縁性および熱的伝導性の層のそれぞれの層により、該電気的伝導性および熱的伝導性の層のうちの次に続く層から電気的に絶縁されている、第１の多層基板と、
該第１の多層基板の電気的伝導性および熱的伝導性の層のうちの最も外側の層の一部分に電気的に接続された少なくとも第１の電力半導体デバイスであって、該第１の電力半導体デバイスは、該第１の多層基板を介することにより、該放熱板から電気的に絶縁され、該放熱板に熱的に接続されている、少なくとも第１の電力半導体デバイスと、
磁場を生成することが可能な磁気コアと、
少なくとも２つの電気的伝導性および熱的伝導性の層と、少なくとも１つの電気的絶縁性および熱的伝導性の層とを備える少なくとも第２の多層基板であって、該第２の多層基板の該電気的伝導性および熱的伝導性の層の各々は、該電気的絶縁性および熱的伝導性の層のそれぞれの層により、該電気的伝導性および熱的伝導性の層のうちの次に続く層から電気的に絶縁されており、該電気的伝導性および熱的伝導性の層のうちの少なくとも第１の層は、第１の巻き線を形成するようにパターン化されており、該電気的伝導性および熱的伝導性の層のうちの少なくとも第２の層は、第２の巻き線を形成するようにパターン化されており、該第１および第２の巻き線の各々の少なくとも一部分は、該磁気コアの磁場の内部に配置され、平面状の変圧器を形成しており、該第２の多層基板は、該放熱板に熱的に接続されている、少なくとも第２の多層基板と
を備える、電力変換器。
【請求項２】
前記第１の多層基板における電気的伝導性および熱的伝導性の層の個数は、整数ｎであり、電気的絶縁性および熱的伝導性の層の個数は、ｎ−１に等しい整数である、請求項１に記載の電力変換器。
【請求項３】
前記第１の多層基板は、ハンダを介することにより、前記放熱板に熱的に直接的に接続されている、請求項１に記載の電力変換器。
【請求項４】
前記第１の電力半導体デバイスは、ハンダを介することにより、前記第１の多層基板の前記電気的伝導性および熱的伝導性の層のうちの最も外側の層に直接的に表面実装されている、請求項１に記載の電力変換器。
【請求項５】
前記第１の電力半導体デバイスは、ハンダを介することにより、前記第１の多層基板の前記電気的伝導性および熱的伝導性の層のうちの最も外側の層に直接的に表面実装された電力スイッチングトランジスタであり、
ダイオードの形態の第２の電力半導体デバイスであって、該ダイオードは、ハンダを介することにより、該第１の多層基板の該電気的伝導性および熱的伝導性の層のうちの最も外側の層に該電力スイッチングトランジスタとは逆並列に直接的に表面実装されている、第２の電力半導体デバイス
をさらに備える、請求項１に記載の電力変換器。
【請求項６】
前記第１の多層基板の前記電気的伝導性および熱的伝導性の層のうちの最も外側の層は、互いに電気的に絶縁された少なくとも２つの異なる領域を備えており、前記第１の電力半導体デバイスは、該領域のうちの第１の領域に熱的に接続されており、
前記電力変換器は、
該領域のうちの第２の領域に熱的に接続された少なくとも第２の電力半導体デバイス
をさらに備える、請求項１に記載の電力変換器。
【請求項７】
前記第１の多層基板から電気的に絶縁されている少なくとも第３の多層基板であって、該第３の多層基板は、少なくとも２つの電気的伝導性および熱的伝導性の層と、少なくとも１つの電気的絶縁性および熱的伝導性の層とを備えており、該第３の多層基板の該電気的伝導性および熱的伝導性の層の各々は、該電気的絶縁性および熱的伝導性の層のそれぞれの層により、該電気的伝導性および熱的伝導性の層のうちの次に続く層から絶縁されている、少なくとも第３の多層基板と、
該第３の多層基板の電気的伝導性および熱的伝導性の層のうちの最も外側の層の一部分に電気的に接続された少なくとも第２の電力半導体デバイスであって、該第２の電力半導体デバイスは、該第３の多層基板を介することにより、該放熱板から電気的に絶縁され、該放熱板に熱的に接続されている、少なくとも第２の電力半導体デバイスと
をさらに備える、請求項１に記載の電力変換器。
【請求項８】
前記第１および第２の電力半導体デバイスは、ブリッジのレッグとして電気的に接続されており、整流器またはインバータのうちの少なくとも１つとして動作可能である、請求項７に記載の電力変換器。
【請求項９】
第３の電力半導体デバイスであって、前記第１の電力半導体デバイスは、整流器のレッグとして該第３の電力半導体デバイスに電気的に接続されている、第３の電力半導体デバイスと、
第４の電力半導体デバイスであって、前記第２の電力半導体デバイスは、インバータのレッグとして該第４の電力半導体デバイスに接続されている、第４の電力半導体デバイスと
をさらに備える、請求項７に記載の電力変換器。
【請求項１０】
前記放熱板は、冷却流体を搬送するために、入口と、出口と、該入口および出口と流体通信する少なくとも１つの空洞とを備えている、請求項１に記載の電力変換器。
【請求項１１】
前記第１の多層基板の前記電気的伝導性および熱的伝導性の層のうちの１つの層に電気的に接続された少なくとも第１の平面状のインダクタをさらに備える、請求項１に記載の電力変換器。
【請求項１２】
少なくとも３つの電気的伝導性および熱的伝導性の層と、少なくとも２つの電気的絶縁性および熱的伝導性の層とを備える少なくとも第３の多層基板であって、前記第２の多層基板の電気的伝導性および熱的伝導性の層の各々は、該電気的絶縁性および熱的伝導性の層のそれぞれの層により、該電気的伝導性および熱的伝導性の層のうちの次に続く層から電気的に絶縁されており、該電気的伝導性および熱的伝導性の層のうちの少なくとも１つの層は、第１の巻き線を形成するようにパターン化されており、該電気的伝導性および熱的伝導性の層のうちの少なくとも２つの層は、平面状のインダクタを形成するようにパターン化され、互いに電気的に接続されており、該第３の多層基板は、該放熱板に熱的に接続されている、少なくとも第３の多層基板
をさらに備える、請求項１に記載の電力変換器。
【請求項１３】
前記第２の多層基板のうちの最も外側の層は、ハンダを介することにより、熱的伝導性となるように前記放熱板に接続されている、請求項１に記載の電力変換器。
【請求項１４】
前記第１の多層基板の前記電気的伝導性および熱的伝導性の層のうちの第１の層は、互いに電気的に絶縁された少なくとも４つの領域を備えており、前記第１の電力半導体デバイスは、該第１の多層基板の該第１の層の該領域のうちの第１の領域に熱的に接続されて  おり、
該第１の多層基板の該第１の層の該領域のうちの第２の領域に熱的に接続された少なくとも第２の電力半導体デバイスと、
該第１の多層基板の該第１の層の該領域のうちの第３の領域に熱的に接続された少なくとも第３の電力半導体デバイスと、
該第１の多層基板の該第１の層の該領域のうちの第４の領域に熱的に接続された少なくとも第４の電力半導体デバイスと
をさらに備える、請求項１に記載の電力変換器。
【請求項１５】
前記第１、第２、第３、および第４の電力半導体デバイスの各々を第１の平面状の変圧器の第２の巻き線に電気的に接続する多数のワイヤボンド
をさらに備える、請求項１４に記載の電力変換器。
【請求項１６】
前記第１、第２、第３、および第４の電力半導体デバイスは、２重電流整流器として電気的に接続されている、請求項１４に記載の電力変換器。
【請求項１７】
前記第１の多層基板から電気的に絶縁されている少なくとも第３の多層基板であって、該第３の多層基板は、少なくとも第１の層と、第２の層と、第３の層とを備えており、該第１の層は、第２のインダクタを形成するようにパターン化された電気的伝導性および熱的伝導性の材料を備えており、該第２の層は、電気的絶縁性および熱的伝導性の材料を備えており、該第３の層は、電気的伝導性および熱的伝導性の材料を備えており、該第２の層は、該第３の層を該第１の層から電気的に絶縁しており、該第３の多層基板の該第３の層は、前記放熱板に熱的に接続されている、少なくとも第３の多層基板と、
該第３の多層基板の該第１の層の第１の部分の熱的に接続された少なくとも第２の電力半導体デバイスと
をさらに備える、請求項１に記載の電力変換器。
【請求項１８】
前記第１および第２の電力半導体デバイスは、整流器の一部分を形成するように電気的に接続されている、請求項１７に記載の電力変換器。
【請求項１９】
前記第１および第２の電力半導体デバイスは、インバータの一部分を形成するように電気的に接続されている、請求項１７に記載の電力変換器。
【請求項２０】
前記第１および第２の電力半導体デバイスの各々を前記第１の平面状の変圧器の少なくとも１つの巻き線に電気的に接続する多数のワイヤボンド
をさらに備える、請求項１７に記載の電力変換器。
【請求項２１】
前記第１および第３の多層基板から電気的に絶縁された少なくとも第４の多層基板であって、該第４の多層基板は、少なくとも第１、第２、および第３の層を備えており、該第１の層は、第３のインダクタを形成するようにパターン化された電気的伝導性および熱的伝導性の材料を備えており、該第２の層は、電気的伝導性および熱的伝導性の材料を備えており、該第３の層は、電気的伝導性および熱的伝導性の材料を備えており、該第２の層は、該第３の層を該第１の層から電気的に絶縁しており、該第４の多層基板の該第３の層は、前記放熱板に熱的に接続されている、少なくとも第４の多層基板と、
該第４の多層基板の該第１の層の第１の部分に電気的および熱的に接続された少なくとも第３の電力半導体デバイスと、
前記第１、第３、および第４の多層基板から電気的に絶縁された少なくとも第５の多層基板であって、該第５の多層基板は、少なくとも第１の層、第２の層、および第３の層を備えており、該第１の層は、第４のインダクタを形成するようにパターン化された電気的伝導性および熱的伝導性の材料を備えており、該第２の層は、電気的絶縁性および熱的伝導性の材料を備えており、該第３の層は、電気的伝導性および熱的伝導性の材料を備えており、該第２の層は、該第３の層を該第１の層から電気的に絶縁しており、該第５の多層基板の該第３の層は、前記放熱板に熱的に接続されている、少なくとも第５の多層基板と、
該第５の多層基板の該第１の層の第１の部分に電気的および熱的に接続された少なくとも第４の電力半導体デバイスであって、前記第１、第２、第３、および該第４の電力半導体デバイスは、整流ブリッジとして電気的に接続されている、少なくとも第４の電力半導体デバイスと
をさらに備える、請求項１７に記載の電力変換器。
【請求項２２】
前記整流ブリッジは、２重電流整流器である、請求項２１に記載の電力変換器。
【請求項２３】
少なくとも第６、第７、第８、第９、第１０、および第１１の多層基板であって、該第６、第７、第８、第９、第１０、第１１の多層基板の各々は、その他の多層基板から電気的に絶縁されており、該第６、第７、第８、第９、第１０、および第１１の多層基板の各々は、少なくとも第１の層、第２の層、および第３の層を備えており、該第１の層は、それぞれのインダクタを形成するようにパターン化された電気的伝導性および熱的伝導性の材料を備えており、該第２の層は、電気的絶縁性および熱的伝導性の材料を備えており、該第３の層は、電気的伝導性および熱的伝導性の材料を備えており、該第２の層は、該第３の層を該第１の層から電気的に絶縁しており、該第６、第７、第８、第９、第１０、および第１１の多層基板の各々の第３の層は、前記放熱板に電気的に接続されている、少なくとも第６、第７、第８、第９、第１０、および第１１の多層基板と、
該第６、第７、第８、第９、第１０、および第１１の多層基板の該第１の層の第１の部分にそれぞれ電気的および熱的に接続された少なくとも第５、第６、第７、第８、第９、および第１０の電力半導体デバイスであって、該第５、第６、第７、第８、第９、および第１０の電力半導体デバイスは、インバータとして互いに電気的に接続されている、第５、第６、第７、第８、第９、および第１０の電力半導体デバイスと
をさらに備える、請求項２１に記載の電力変換器。
【請求項２４】
前記第１の多層基板は、直接ボンディングの銅基板を備えている、請求項１９に記載の電力変換器。
【請求項２５】
前記第１の多層基板は、絶縁された金属基板を備えている、請求項１９に記載の電力変換器。
【請求項２６】
前記放熱板は、冷却流体を搬送するために、入口と、出口と、該入口および出口と流体通信する少なくとも１つの空洞とを備えている、請求項１９に記載の電力変換器。
【請求項２７】
前記放熱板は、前記磁気コアの一部分を受信し、前記第１および第２の巻き線が前記放熱板の表面に隣接するように、凹面を形成し、寸法が規定されている、請求項１９に記載の電力変換器。
【請求項２８】
一対のＤＣ入力端子と、
一対のＤＣ出力端子と
をさらに備える、請求項１９に記載の電力変換器。
【請求項２９】
前記第１の巻き線は、一次巻き線として電源に電気的に接続されている、請求項１９に記載の電力変換器。
【請求項３０】
前記第１の巻き線は、二次巻き線として負荷に電気的に接続されている、請求項１９に記載の電力変換器。
【請求項３１】
前記第１の多層基板の前記電気的伝導性および熱的伝導性の層のうちの１つの層に電気的に接続された少なくとも第１の平面状のインダクタ
をさらに備える、請求項１に記載の電力変換器。
【請求項３２】
少なくとも第１の層、第２の層、および第３の層を備える少なくとも第３の多層基板であって、該第１の層は、電気的伝導性および熱的伝導性の材料を備えており、該第２の層は、電気的絶縁性および熱的伝導性の材料を備えており、該第３の層は、電気的伝導性および熱的伝導性の材料を備えており、該第１の層は、第２のインダクタを形成するようにパターン化されており、該電気的伝導性および熱的伝導性の層のうちの最も外側の層は、前記放熱板に熱的に接続されている、少なくとも第３の多層基板
をさらに備える、請求項１に記載の電力変換器。
【請求項３３】
前記第２の多層基板は、
第４および第５の層であって、該第４の層は、電気的絶縁性および熱的伝導性の材料を備えており、該第５の層は、電気的伝導性および熱的伝導性の材料を備えており、該第４の層は、該第３の層を該第５の層から電気的に絶縁しており、該第５の層は、前記第２の巻き線を形成するように、パターン化され、前記パターン化された第１の層に直列に電気的に接続されている、第４および第５の層
をさらに備える、請求項１に記載の電力変換器。
【請求項３４】
電力変換器を形成する方法であって、
放熱板を提供することと、
多数の多層スイッチ基板を提供することであって、該多層スイッチ基板の各々は、少なくとも２つの電気的伝導性および熱的伝導性の層と、少なくとも１つの電気的絶縁性および熱的伝導性の層とを備えており、該多層スイッチ基板の該電気的伝導性および熱的伝導性の層の各々は、該電気的絶縁性および熱的伝導性の層のそれぞれの層により、該電気的伝導性および熱的伝導性の層のうちの次に続く層から電気的に絶縁されている、ことと、
該多層スイッチ基板の各々に対し、それぞれの電力半導体デバイスのうちの少なくとも１つの電力半導体デバイスを該多層スイッチ基板の該電気的伝導性および熱的伝導性の層のうちの１つの層にハンダ付けすることと、
該多層スイッチ基板の各々に対し、該多層スイッチ基板の該電気的絶縁性および熱的伝導性の層のうちの１つの層を該放熱板にハンダ付けすることと、
磁気コアを提供することと、
少なくとも２つの電気的伝導性および熱的伝導性の層と、少なくとも１つの電気的絶縁性および熱的伝導性の層とを備える多層変圧器基板を提供することであって、該多層変圧器基板の該電気的伝導性および熱的伝導性の層の各々は、該電気的絶縁性および熱的伝導性の層のそれぞれの層により、該電気的伝導性および熱的伝導性の層のうちの次に続く層から絶縁されている、ことと
該多層変圧器基板の該電気的伝導性および熱的伝導性の層のうちの少なくとも１つの層をパターン化することにより、第１の巻き線を形成することと、
該多層変圧器基板の該電気的伝導性および熱的伝導性の層のうちの少なくとも１つの層をパターン化することにより、第２の巻き線のそれぞれの部分を形成することと、
該第１および第２の巻き線の各々の少なくとも一部分を該磁気コアの磁場の内部に配置することにより、平面状の変圧器を形成することと、
該多層変圧器基板の該電気的絶縁性および熱的伝導性の層のうちの少なくとも１つの層を該放熱板にハンダ付けすることと
を包含する、方法。
【請求項３５】
前記多層スイッチ基板の前記電気的絶縁性および熱的伝導性の層のうちの少なくとも１つの層を前記放熱板にハンダ付けすること、および、前記多層変圧器基板の前記電気的絶縁性および熱的伝導性の層のうちの１つの層を該放熱板にハンダ付けすることは、同時に実行される、請求項３４に記載の方法。
【請求項３６】
前記多層スイッチ基板の前記電気的絶縁性および熱的伝導性の層のうちの少なくとも１つの層を前記放熱板にハンダ付けすること、および、前記多層変圧器基板の前記電気的絶縁性および熱的伝導性の層のうちの１つの層を該放熱板にハンダ付けすることは、単一のリフロー処理で実行される、請求項３４に記載の方法。
【請求項３７】
それぞれの電力半導体デバイスのうちの少なくとも１つの電力半導体デバイスを前記多層スイッチ基板の前記電気的伝導性および熱的伝導性の層のうちの１つの層にハンダ付けすることは、該多層スイッチ基板の前記電気的絶縁性および熱的伝導性の層のうちの少なくとも１つを前記放熱板にハンダ付けする前に実行される、請求項３４に記載の方法。
【請求項３８】
前記電力半導体デバイスのうちの少なくともいくつかの電力半導体デバイスを前記第１または第２の巻き線のうちの少なくとも１つの巻き線にワイヤボンディングすること
をさらに包含する、請求項３４に記載の方法。
【請求項３９】
前記電力半導体デバイスのうちのすべての電力半導体デバイスを前記第１または第２の巻き線のうちの少なくとも１つの巻き線にワイヤボンディングすること
をさらに包含する、請求項３４に記載の方法。
【請求項４０】
前記電力半導体デバイスのうちの４つの電力半導体デバイスを整流器として互いにワイヤボンディングすること
をさらに包含する、請求項３４に記載の方法。
【請求項４１】
前記電力半導体デバイスのうちの６つの電力半導体デバイスを３相インバータとして互いにワイヤボンディングすること
をさらに包含する、請求項３４に記載の方法。
【請求項４２】
放熱板と、
磁場を生成することが可能な磁気コアと、
少なくとも２つの電気的伝導性および熱的伝導性の層と、少なくとも１つの電気的絶縁性および熱的伝導性の層とを備える少なくとも第１の多層基板であって、該第１の多層基板の該電気的伝導性および熱的伝導性の層の各々は、該電気的絶縁性および熱的伝導性の層のそれぞれの層により、該電気的伝導性および熱的伝導性の層のうちの次に続く層から電気的に絶縁されており、該電気的伝導性および熱的伝導性の層のうちの少なくとも第１の層は、第１の巻き線を形成するようにパターン化されており、該電気的伝導性および熱的伝導性の層のうちの少なくとも第２の層は、第２の巻き線を形成するようにパターン化されており、該第１および第２の巻き線の各々の少なくとも一部分は、該磁気コアの磁場の内部に配置され、平面状の変圧器を形成しており、該第１の多層基板は、該放熱板に熱的に接続されている、少なくとも第１の多層基板と、
該第１の多層基板の該電気的伝導性および熱的伝導性の層のうちの１つの層に電気的に接続された少なくとも第１の電力半導体デバイスであって、該第１の電力半導体デバイスは、該第１の多層基板を介することにより、該放熱板から電気的に絶縁され、該放熱板に熱的に接続されている、少なくとも第１の電力半導体デバイスと
を備える、電力変換器。
【請求項４３】
前記第１の電力半導体デバイスは、前記第１の多層基板の前記電気的伝導性および熱的伝導性の層のうちの最も外側の層に表面実装されている、請求項４２に記載の電力変換器。
【請求項４４】
前記第１の電力半導体デバイスは、前記第１の多層基板の前記電気的伝導性および熱的伝導性の層のうち内側の層に表面実装されている、請求項４２に記載の電力変換器。
【請求項４５】
前記第１の多層基板の前記電気的伝導性および熱的伝導性の層のうちの１つの層に電気的に接続された少なくとも第１の平面状のインダクタ
をさらに備える、請求項４２に記載の電力変換器。
【請求項４６】
前記第１の平面状のインダクタは、前記第１の多層基板の前記電気的伝導性および熱的伝導性の層のうちの１つの層に表面実装されている、請求項４５に記載の電力変換器。
【請求項４７】
前記電気的伝導性および熱的伝導性の層のうちの少なくとも第３の層は、前記第２の巻き線を形成するように、パターン化され、前記電気的伝導性および熱的伝導性の層のうちの第２の層に電気的に接続されている、請求項４２に記載の電力変換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（技術分野）
本開示は、概して電力システムに関し、特に、電源と負荷との間の電力を整流、インバーティング、および／または、変換するのに適した電力モジュールのアーキテクチャに関する。
【背景技術】
【０００２】
（関連技術の記述）
典型的に、電力モジュールは、１つ以上の負荷に電力を供給するために、１つ以上の電源からの電力を変換および／または調整する自立型（ｓｅｌｆ−ｃｏｎｔａｉｎｅｄ）のユニットである。一般に、「インバータ」と呼称される電力モジュールは、ＡＣ負荷に電力を供給するために、直流電流（ＤＣ）を交流電流（ＡＣ）に変換する。一般に、「整流器」と呼称される電力モジュールは、ＡＣをＤＣに変換する。一般に、「ＤＣ／ＤＣ変換器」と呼称される電力モジュールは、ＤＣ電圧をステップアップまたはステップダウンさせる。適切に構成され動作させられる電力モジュールは、これら機能のうちの任意の１つ以上の機能を実行し得る。一般に、「変換器」という用語は、インバータ、整流器および／またはＤＣ／ＤＣ変換器のいずれであるかに関わらず、すべての電力モジュールに適用され、本明細書では、その一般的な意味で用いられる。
【０００３】
多くのアプリケーションは、電源から負荷への高電力、高電流、および／または、高電圧の搬送を用い得る。例えば、輸送アプリケーションは、トラクションモータのような負荷を駆動して電気車両またはハイブリッド式電気車両を推進するために、高電力を用い得る。そのようなアプリケーションは、様々な電源のうちの１つ以上の電源、例えば、燃料電池または光電池の配列のようなエネルギー生成型の電源、および／または、バッテリー電池またはスーパーキャパシタのようなエネルギー格納型の電源を用い得る。しばしばそのようなアプリケーションは、電力を変換および／または調整するため、例えば、負荷に供給される電圧まで電力をステップダウンするために、電力変換器を用い得る。
【０００４】
典型的に、電力変換器は、電力半導体デバイス、例えば、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ；ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  ｇａｔｅ  ｂｉｐｏｌａｒ  ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、酸化金属半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ；ｍｅｔａｌ  ｏｘｉｄｅ  ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  ｆｉｅｌｄ  ｅｆｆｅｃｔ  ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、および／または、半導体ダイオードを用いる。これら電力半導体デバイスは、高電力の動作中に大量の熱を浪費し、動作範囲を制限し得る熱磁気的な問題を生成し、コストを増大させ、サイズおよび／または重量を増大させ、効率性に悪影響を与え、電力変換器の信頼性を低下させる。
【０００５】
高電力の動作が可能であって熱磁気的な問題を軽減する電力変換器に関する方法および／またはアーキテクチャが、大変所望される。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
（発明の要約）
一局面において、電力変換器は、放熱板と；磁場を形成することが可能な磁気コアと；少なくとも２つの電気的伝導性および熱的伝導性の層と、少なくとも１つの電気的絶縁性および熱的伝導性の層とを備える少なくとも第１の多層基板であって、上記第１の多層基板の電気的伝導性および磁気的伝導性の層の各々は、電気的絶縁性および熱的伝導性の層のそれぞれの層により、電気的伝導性および熱的伝導性の層のうちの次に続く層から電気的に絶縁されており、電気的伝導性および熱的伝導性の層のうちの少なくとも第１の層は、第１の巻き線を形成するようにパターン化されており、電気的伝導性および磁気的伝導性の層のうちの少なくとも第２の層は、第２の巻き線を形成するようにパターン化されており、第１および第２の巻き線の各々の少なくとも一部分は、磁気コアの磁場の内部に配置され、平面状の変圧器を形成しており、第１の多層基板は、放熱板に熱的に接続されている、少なくとも第１の多層基板と；第１の多層基板の電気的伝導性および熱的伝導性の層のうちの１つの層に電気的に接続された少なくとも第１の電力半導体デバイスであって、上記第１の電力半導体デバイスは、第１の多層基板を介することにより、放熱板から電気的に絶縁され、放熱板に熱的に接続されている、少なくとも第１の電力半導体デバイスとを備えている。
【０００７】
別の局面において、電力変換器は、放熱板と；少なくとも２つの電気的伝導性および熱的伝導性の層と、少なくとも１つの電気的絶縁性および熱的伝導性の層とを備える第１の多層基板であって、上記第１の多層基板の電気的伝導性および熱的伝導性の層の各々は、電気的絶縁性および熱的伝導性の層のそれぞれの層により、電気的伝導性および熱的伝導性の層のうちの次に続く層から電気的に絶縁されている、第１の多層基板と；第１の多層基板の電気的伝導性および熱的伝導性の層のうちの最も外側の層の一部分に電気的に接続された少なくとも第１の電力半導体デバイスであって、上記第１の電力半導体デバイスは、第１の多層基板を介することにより、放熱板から電気的に絶縁され、放熱板に熱的に接続されている、少なくとも第１の電力半導体デバイスと；少なくとも２つの電気的伝導性および熱的伝導性の層と、少なくとも１つの電気的絶縁性および熱的伝導性の層とを備える少なくとも第２の多層基板であって、上記第２の多層基板の電気的伝導性および熱的伝導性の層の各々は、電気的伝導性および熱的伝導性の層のそれぞれの層により、電気的伝導性および熱的伝導性の層のうちの次に続く層から電気的に絶縁されており、電気的伝導性および熱的伝導性の層のうちの少なくとも第１の層は、第１の巻き線を形成するようにパターン化されており、電気的伝導性および熱的伝導性の層のうちの少なくとも第２の層は、第２の巻き線を形成するようにパターン化されており、第１および第２の巻き線の各々の少なくとも一部分は、磁気コアの磁場の内部に配置され、平面状の変圧器を形成しており、第２の多層基板は、放熱板に熱的に接続されている、少なくとも第２の多層基板とを備えている。
【０００８】
さらに別の局面において、電力変換器は、放熱板と；少なくとも第１の層と、第２の層と、第３の層とを備える第１の多層基板であって、上記第１の層は、第１のインダクタを形成するようにパターン化された電気的伝導性および熱的伝導性の材料を備えており、上記第２の層は、電気的絶縁性および熱的伝導性の材料を備えており、上記第３の層は、電気的伝導性および熱的伝導性の材料を備えており、上記第２の層は、第３の層を第１の層から電気的に絶縁しており、上記第１の多層基板の第３の層は、放熱板に熱的に接続されている、第１の多層基板と；第１の層の第１の部分に熱的に接続された少なくとも第１の電力半導体デバイスと；磁場を用いる磁気コアと；少なくとも第１の層と、第２の層と、第３の層とを備える少なくとも第２の多層基板であって、上記第１の層は、電気的伝導性および熱的伝導性の材料を備えており、上記第２の層は、電気的絶縁性および熱的伝導性の材料を備えており、上記第３の層は、電気的伝導性および熱的伝導性の材料を備えており、上記第２の層は、第３の層を第１の層から電気的に絶縁しており、上記第３の層は、第１の巻き線を形成するようにパターン化されており、上記第１の層は、第２の巻き線を形成するようにパターン化されており、第１および第２の伝導性の層の少なくとも一部分は、磁気コアの磁場の内部に配置され、平面状の変圧器を形成しており、上記第２の多層基板は、熱的伝導性となるように放熱板に接続されている、少なくとも第２の多層基板とを備えている。
【０００９】
さらにまた別の局面において、電力変換器は、少なくとも第１の放熱板と；磁場を生成することが可能な少なくとも第１の磁気コアと；少なくとも２つの電気的伝導性および熱的伝導性の層と、少なくとも１つの電気的絶縁性および熱的伝導性の層とを備える少なくとも第１の多層基板であって、上記第１の多層基板の電気的伝導性および熱的伝導性の層の各々は、電気的絶縁性および熱的伝導性の層のうちのそれぞれの層により、電気的伝導性および熱的伝導性の層のうちの次に続く層から電気的に絶縁されており、電気的伝導性および熱的伝導性の層のうちの少なくとも第１の層は、少なくとも第１の変圧器の第１の巻き線と、第１のインダクタの第１の巻き線とを形成するように、パターン化されており、電気的伝導性および熱的伝導性の層のうちの少なくとも第２の層は、第１の平面状の変圧器の第２の巻き線を形成するようにパターン化されており、平面状の変圧器の第１および第２の巻き線の各々の少なくとも一部分は、磁気コアの磁場の内部に配置されており、上記第１の多層基板は、放熱板に熱的に接続されている、少なくとも第１の多層基板と；第１の多層基板の電気的伝導性および熱的伝導性の層のうちの１つの層に電気的に接続された少なくとも第１の電力半導体デバイスであって、上記第１の電力半導体デバイスは、第１の多層基板を介することにより、放熱板から電気的に絶縁され、放熱板に熱的に接続されている、少なくとも第１の電力半導体デバイスとを備えている。
【００１０】
なおも別の局面において、電力変換器を形成する方法は、放熱板を提供することと；多数の多層スイッチ基板を提供することであって、多層スイッチ基板の各々は、少なくとも２つの電気的伝導性および熱的伝導性の層と、少なくとも１つの電気的絶縁性および熱的伝導性の層とを備えており、多層スイッチ基板の電気的伝導性および熱的伝導性の層の各々は、電気的絶縁性および熱的伝導性の層のそれぞれの層により、電気的伝導性および熱的伝導性の層のうちの次に続く層から絶縁されている、ことと；多層スイッチ基板の各々に対し、それぞれの電力半導体デバイスのうちの少なくとも１つの電力半導体デバイスを多層スイッチ基板の電気的伝導性および熱的伝導性の層のうちの１つの層にハンダ付けすることと；多層スイッチ基板の各々に対し、多層スイッチ基板の電気的絶縁性および熱的伝導性の層のうちの１つの層を放熱板にハンダ付けすることと；磁気コアを提供することと；少なくとも２つの電気的伝導性および磁気的伝導性の層と、少なくとも１つの電気的絶縁性および熱的伝導性の層とを備える多層変圧器基板を提供することであって、多層変圧器基板の電気的伝導性および熱的伝導性の層の各々は、電気的絶縁性および熱的伝導性のそれぞれの層により、電気的伝導性および熱的伝導性の層のうちの次に続く層から絶縁されている、ことと；多層変圧器基板の電気的伝導性および熱的伝導性の層のうちの少なくとも１つの層をパターン化することにより、第１の巻き線を形成することと；多層変圧器基板の電気的伝導性および熱的伝導性の層のうちの少なくとも１つの層をパターン化することにより、第２の巻き線のそれぞれの部分を形成することと；第１および第２の巻き線の各々の少なくとも一部分を磁気コアの磁場の内部に配置することにより、平面状の変圧器を形成することと；多層変圧器基板の電気的絶縁性および熱的伝導性の層のうちの少なくとも１つの層を放熱板にハンダ付けすることとを包含する。
【００１１】
複数の図面において、識別参照番号は、類似した要素または作用を識別する。図面において、要素のサイズおよび相対的な位置は、一定の比率で拡大縮小するようには描かれてはいない。例えば、様々な要素の形状および角度は、一定の比率で拡大縮小するようには描かれてはおらず、これら要素のうちのいくつかの要素は、図面の読みやすさを向上させるために、任意の比率で拡大され、位置付けられている。さらに、描かれている要素の特定の形状は、特定の要素の実際の形状に関する情報を伝えることを意図してはおらず、もっぱら図面の理解を容易にするために選択されている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
（本発明の詳細な記述）
以下に続く記述において、様々な実施形態の完全な理解を提供するために、特定の具体的な詳細が述べられる。しかしながら、当業者は、本発明は、これらの詳細から離れて実施され得ることを理解し得る。その他の例において、電力変換器、コントローラ、および／または、ゲートドライバーに関連する周知の構造は、実施形態の記述を不必要に不明瞭にすることを避けるために、詳細に示されたり、記述されてはいない。
【００１３】
文脈上特に断りがない限り、明細書および以下に続く請求項を通し、「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」という言葉およびそのバリエーション、例えば、「（３人称の）備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」および「備えている（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」は、開いた意味で、すなわち、「含んでいるが、限定されない（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ，ｂｕｔ  ｎｏｔ  ｌｉｍｉｔｅｄ  ｔｏ）」として、解釈される。
【００１４】
本明細書を通し、「ある実施形態（ｏｎｅ  ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）」または「実施形態（ａｎ  ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）」に対する言及は、少なくとも１つの実施形態に含まれる実施形態に関連して記述される特定の特徴、構造または特性を意味している。したがって、本明細書を通して様々な場所で「ある実施形態において（ｉｎ  ｏｎｅ  ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）」または「実施形態において（ｉｎ  ａｎ  ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）」という言い回しで登場する言葉は、必ずしもすべてが同じ実施形態を参照しているわけではない。さらに、１つ以上の実施形態において、特定の特徴、構造、または特性は、任意の適切な方法で組み合わされ得る。
【００１５】
本明細書における表題は、単に便宜のために提供されており、クレームされている本発明の範囲または意味を解釈するものではない。
【００１６】
図１は、例示的な実施形態の１つにしたがう電力変換器１０を示しており、上記実施形態において、電力変換器１０は、ＤＣ／ＤＣ電力変換器の形態を取る。電力変換器１０は、１つ以上の負荷Ｒ１，Ｒ２に電力を供給するために、電源ＶＩによって供給された電力を変換および／または調整するように動作することが可能である。電力変換器１０は、インバータ１２、整流器１４、および、インバータ１２を整流器１４にガルバニック接続する一対の変圧器Ｔ１，Ｔ２を備え得る。電力変換器１０はまた、一対の端子１６ａ，１６ｂをも備えており、上記端子は、電源ＶＩからの電力を受信するように電気的に接続され得る。例えば、電源ＶＩは、燃料電池または光電池の配列のような１つ以上のエネルギー生成型の電源の形態を取り得、および／または、バッテリー電池および／またはスーパーキャパシタの配列のような１つ以上のエネルギー格納型の電源の形態を取り得る。電力変換器１０はまた、一組の端子１８ａ，１８ｂ，１８ｃを備えており、上記端子は、１つ以上の負荷Ｒ１，Ｒ２に電力を供給するように電気的に接続され得る。
【００１７】
インバータ１２は、電圧レール２０ａ，２０ｂによって（共同で）形成されたインバータのサイドバス２０を備える。インバータ１２はまた、上部の電力半導体スイッチＳ１および下部の電力半導体スイッチＳ２によって形成された、第１の相のレッグ１２ａと、上部の電力半導体スイッチＳ３および下部の電力半導体スイッチＳ４によって形成された、第２の相のレッグ１２ｂと、上部の電力半導体スイッチＳ５および下部の電力半導体スイッチＳ６によって形成された、第３の相のレッグ１２ｃとを備えており、各相のレッグ１２ａ〜１２ｃは、電圧レール２０ａ，２０ｂの間に電気的に接続されている。例えば、電力半導体スイッチＳ１〜Ｓ６は、酸化金属半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、および／または、高電力の動作に適切なその他のスイッチの形態を取る。
【００１８】
インバータ１２は、電力半導体ダイオードＤ１〜Ｄ６をさらに備えており、上記電力半導体ダイオードは、電力半導体スイッチＳ１〜Ｓ６のそれぞれの電力半導体スイッチにわたり、逆並列に電気的に接続されている。本明細書および請求項において用いられているように、「電力半導体デバイス（ｐｏｗｅｒ  ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  ｄｅｖｉｃｅ）」という用語は、標準的な半導体デバイスに比べて大電流、大電圧、および／または、大量の電力を取り扱うように設計された半導体デバイスを含んでおり、電力半導体スイッチデバイス、電力半導体ダイオード、および、例えばグリッド（ｇｒｉｄ）または輸送に関係するアプリケーションのような電力配給に用いられるその他のデバイスを含んでいる。いくつかの実施形態において、電力半導体ダイオードＤ１〜Ｄ６は、例えばボディダイオード（ｂｏｄｙ  ｄｉｏｄｅ）のように、電力半導体スイッチＳ１〜Ｓ６の一部分として形成され得るが、その他の実施形態において、電力半導体ダイオードＤ１〜Ｄ６は、個別の半導体デバイスの形態を取り得る。
【００１９】
各相のレッグ１２ａ，１２ｂ，１２ｃをそれぞれ形成する一対の電力半導体スイッチＳ１、Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４，Ｓ５，Ｓ６の間において、相のノードＡ，Ｂ，Ｃが存在しており、上記ノードにおいて、インバータ１２の３相の出力のそれぞれの相が、動作中に現れる。単一のスイッチおよびダイオードとして示されているが、電力半導体スイッチＳ１〜Ｓ６および／またはダイオードＤ１〜Ｄ６の各々は、並列に電気的に接続された１つ以上の電力半導体スイッチ、および／または、ダイオードの形態を取り得る。コントローラ２４は、制御信号２６を介することにより、電力半導体スイッチＳ１〜Ｓ６を制御する。
【００２０】
インバータ１２は、インバータのサイドバス２０の電圧レール２０ａ，２０ｂにわたって電気的に接続された、入力キャパシタＣＩをさらに備える。
【００２１】
整流器１４は、例えば図１に示されている２重電流整流器のような、動的な整流器の形態を取り得る。整流器１４は、上部の電力半導体スイッチＳ７および下部の電力半導体スイッチＳ９によって形成された第１のレッグ１４ａと、上部の電力半導体デバイスのスイッチＳ８および下部の電力半導体デバイスのスイッチＳ１０によって形成された第２のレッグ１４ｂとを備えている。整流器１４はまた、電力半導体ダイオードＤ７〜Ｄ１０をも備えており、上記電力半導体ダイオードは、電力半導体スイッチＳ７〜Ｓ１０のそれぞれの電力半導体スイッチにわたってそれぞれ逆並列に電気的に接続されている。いくつかの実施形態において、電力半導体ダイオードＤ７〜Ｄ１０は、例えばボディダイオードのように、電力半導体スイッチＳ７〜Ｓ１０の一部分として形成され得るが、その他の実施形態において、電力半導体ダイオードＤ７〜Ｄ１０は、個別の半導体デバイスの形態を取り得る。単一のスイッチおよびダイオードとして示されているが、電力半導体スイッチＳ７〜Ｓ１０および／またはダイオードＤ７〜Ｄ１０の各々は、並列に電気的に接続された１つ以上の電力半導体スイッチ、および／または、ダイオードの形態を取り得る。
【００２２】
整流器１４の第１および第２のレッグ１４ａおよび１４ｂの各々の間のノードは、中間的なノードＯを整流器１４に提供するように、互いに電気的に接続されている。コントローラ２４は、制御信号２８を介することにより、電力半導体スイッチＳ７〜Ｓ１０を制御する。
【００２３】
変圧器Ｔ１，Ｔ２は、高周波数の変圧器であり得、上記変圧器は、ガルバニック絶縁と、電力変換器１０のインバータ側および整流器側の間における、電圧のステップアップ／ステップダウンとを提供し得る。各変圧器Ｔ１，Ｔ２は、電力変換器１０の電力を半分ずつ共有している。
【００２４】
第１の変圧器Ｔ１は、第１の側Ｔ１ａと第２の側Ｔ１ｂとを備えている。電力は、電源ＶＩから負荷Ｒ１，Ｒ２に転送され、典型的に、第１の側Ｔ１ａは、一次巻き線として呼称され、第２の側Ｔ１ｂは、二次巻き線として呼称される。いくつかの実施形態において、電力は、反対方向に転送され得る。例えば、回生制動の間、電力は、「負荷」Ｒ１，Ｒ２（例えば、電気機械）から「電源」ＶＩ（例えば、バッテリーおよび／またはスーパーキャパシタ）へと転送され得る。したがって、第１および第２の側という用語は、この記述および請求項を通して、電力変換器の方向に関わらず、変圧器Ｔ１，Ｔ２の巻き線を参照するように用いられる。同様に、この記述および請求項を通して用いられているように、負荷Ｒ１，Ｒ２は、第２のモード（例えば、回生制動）において電力を生成している間に、第１のモード（例えば、駆動）において電力を消費し得、電源ＶＩは、第２のモードにおいて電力を消費し格納している間に、第１のモードにおいて電力を提供し得る。その他のモードおよび動作もまた、可能である。
【００２５】
第１の変圧器Ｔ１の第１の側Ｔ１ａは、一対の極Ｔ１ｃ，Ｔ１ｄを含んでおり、第２の側Ｔ１ｂはまた、一対の極Ｔ１ｅ，Ｔ１ｆを含んでいる。同様に、第２の変圧器Ｔ２は、第１の側Ｔ２ａと、第２の側Ｔ２ｂとを備えている。第２の変圧器Ｔ２の第１の側Ｔ２ａは、一対の極Ｔ１ｃ，Ｔ１ｄを含んでおり、第２の側Ｔ２ｂは、一対の極Ｔ２ｅ，Ｔ２ｆを含んでいる。第２の変圧器Ｔ２の第２の側Ｔ２ｂは、整流器１４の中間的なノードＯをも含む整流器サイドバスを形成するそれぞれの電流経路Ｋ，Ｌ，Ｍ，Ｎに電気的に接続されている。
【００２６】
インバータ１２の第１の相のレッグ１２ａの相のノードＡは、第１の変圧器Ｔ１の第１の側Ｔ１ａの第１の極Ｔ１ｃに電気的に接続されている。インバータ１２の第２の相のレッグ１２ｂの相のノードＢは、第１の変圧器Ｔ１の第１の側Ｔ１ａの第２の極Ｔ１ｄに電気的に接続されており、第２の変圧器Ｔ２の第１の側Ｔ２ａの第１の極Ｔ２ｃに接続されている。インバータ１２の第３の相のレッグ１２ｃの相のノードＣは、第２の変圧器Ｔ２の第１の側Ｔ２ａの第２の極Ｔ２ｄに電気的に接続されている。
【００２７】
整流器１４の第１のレッグ１４ａは、電流経路Ｋを介する第１の変圧器Ｔ１の第２の側Ｔ１ｂの第１の極Ｔ１ｅと、電流経路Ｎを介する第２の変圧器Ｔ２の第２の側Ｔ２ｂの第２の極Ｔ２ｆとの間に電気的に接続されている。整流器１４の第２のレッグ１４ｂは、電流経路Ｌを介する上記第１の変圧器Ｔ１の第２の側Ｔ１ｂの第２の極Ｔ１ｆと、電流経路Ｍを介する第２の変圧器Ｔ２の第２の側Ｔ２ｂの第１の極Ｔ２ｅとの間に電気的に接続されている。フィルタインダクタＬ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４は、電流経路Ｋ，Ｌ，Ｍ，Ｎを介する変圧器Ｔ１，Ｔ２の第２の側Ｔ１ｃ，Ｔ２ｃの各極Ｔ１ｅ，Ｔ１ｆ，Ｔ２ｅ，Ｔ２ｆと、端子１８ａ〜１８ｃとの間に電気的に接続されている。フィルタインダクタＬ１〜Ｌ４は、負荷電流を共有している。出力キャパシタＣＯ１，ＣＯ２は、端子１８ａ〜１８ｂ，１８ｂ〜１８ｃの各対にわたって、電気的に接続されている。
【００２８】
コントローラ２４は、インバータ１２の電力半導体スイッチＳ１〜６、および／または、整流器１４の電力半導体スイッチＳ７〜Ｓ１０を制御するために、制御信号２６，２８をそれぞれ提供する。コントローラ２４は、例えばマイクロプロセッサ、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、および／または、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）のようなマイクロコントローラの形態を取り得る。コントローラ２４は、電源ＶＩからの入力に関する電圧または電流を感知する電圧センサ４０ａ、および／または、電流センサ４０ｂから、例えば電圧および電流の測定のような入力信号を受信し得る。コントローラ２４は、追加的または代替的に、出力電圧および／または電流を測定する電圧センサ４２ａおよび／または電流センサ４２ｂから、電圧信号および／または電流信号を受信し得る。
【００２９】
図２Ａは、例示的な実施形態の１つにしたがう電力モジュール５０を示しており、電力モジュール５０は、図１の破線の箱５２によって示されているように、電力変換器１０の一部分を囲っている。特に、電力モジュール５０は、電気的に絶縁なリードフレーム５４と、一体型のベースプレート放熱板５６と、電気的絶縁性のカバー５８とを備えており、共同で筐体を形成している。図は、この例示的な実施形態においては電力半導体スイッチＳ６〜Ｓ１０の一部分として形成される、電力半導体ダイオードＤ６〜Ｄ１０を個別的に示してはいない。図２Ａに示されているように、図１に示されている電力半導体スイッチＳ６〜Ｓ１０の各々は、実際には、互いに並列に電気的に接続された、１つ以上の（図では４つ）電力半導体スイッチＳ６〜Ｓ１０の形態を取り得る。
【００３０】
リードフレーム５４は、リードフレーム５４、放熱板５６およびカバー５８によって形成された筐体の外部にある電気的な接続を形成する多数の外部の端子またはコネクタをサポートする。例えば、電力モジュール５０は、インバータ１２の相のノードＡ，Ｂ，Ｃと変圧器Ｔ１，Ｔ２の第１の側Ｔ１ａ，Ｔ２の極との間に電気的な接続を形成する多数の端子６０ａ〜６０ｄを含み得る。特に、第１の端子６０ａは、ワイヤボンド６１を介することにより、インバータ１２の相のノードＡを、変圧器Ｔ１の第１の極Ｔ１ｃに電気的に接続する。第２の端子６０ｂおよび第３の端子６０ｃは、ワイヤボンド６１を介することにより、インバータ１２の相のノードＢを、第１の変圧器Ｔ１の第２の極Ｔ１ｄと、第２の変圧器Ｔ２の第１の極Ｔ２ｃとに、それぞれ電気的に接続する。第４の端子６０ｄは、ワイヤボンド６１を介することにより、インバータ１２の相のノードＣを、第２の変圧器Ｔ２の第２の極Ｔ２ｄに電気的に接続する。図２Ａは、電気的接続ごとに１つのワイヤボンド６１のみを示しているが、実際のアプリケーションのほとんどは、各電気的接続に対し、複数のワイヤボンドを備えている。
【００３１】
また、例として、多数の端子またはコネクタは、ワイヤボンド（図示されず）を介することにより、整流器１４を、フィルタインダクタＬ１〜Ｌ４に、さらには端子１８ａ〜１８ｃに電気的に接続する。例えば、一対の端子６２ａ，６２ｂは、整流器１２の中間的なノードＯを端子１８ｂに電気的に接続する。その他の端子６４ａ〜６４ｄは、電流経路Ｋ〜Ｎを介することにより、整流器１４および／または変圧器Ｔ１，Ｔ２の第２の側Ｔ１ｂ，Ｔ２ｂを、フィルタインダクタＬ１〜Ｌ２に電気的に接続する。
【００３２】
例えばピン６６ａ，６６ｂ，６６ｃ，６６ｄのような端子またはコネクタは、ワイヤボンド（図示されず）を介することにより、コントローラ２４からの制御信号２８を整流器１４の電力半導体スイッチＳ７〜Ｓ１０に電気的に接続する。ピン６６ａ〜６６ｄは、中間的なノードＯに接続された端子１８ｂの近位に配置される。
【００３３】
電力モジュール５０内の電気的な接続の多くは、有利にもワイヤボンドを介することにより形成される。例えば、端子６０ａ〜６０ｄと変圧器Ｔ１，Ｔ２の第１の側Ｔ１ａ，Ｔ２ａとの電気的な接続は、ワイヤボンド６１を介することにより、形成される。さらに、例として、変圧器Ｔ１，Ｔ２の第２の側Ｔ１ｂ，Ｔ２ｂと電力半導体スイッチＳ７〜Ｓ１０および電力半導体ダイオードＤ７〜Ｄ１０との間の電気的な接続もまた、ワイヤボンド（図示されず）を介することにより、形成される。さらに、端子６２ａ，６２ｂ，６４ａ〜６４ｂと電力半導体スイッチＳ７〜Ｓ１０および電力半導体ダイオードＤ７〜Ｄ１０との間の電気的な接続もまた、ワイヤボンド（図示されず）を介することにより、形成される。
【００３４】
図２Ｂ〜２Ｄは、いくつかの例示的な実施形態にしたがって、整流器１４の電力半導体スイッチＳ７〜Ｓ１０および電力半導体ダイオオードＤ７〜Ｄ１０が、１つ以上の多層スイッチ基板４４により、一体化されたベースプレート放熱板５６にどのように物理的に搭載され、どのように熱的に接続されるのかを示している。多層スイッチ基板４４は、電気的伝導性および熱的伝導性の第１の層４４ａと、電気的絶縁性および熱的伝導性の第２の層４４ｂと、電気的伝導性および熱的伝導性の第３の層４４ｃとを備えている。いくつかの実施形態において、多層スイッチ基板４４は、さらに多くの層を備え得る。
【００３５】
特に、図２Ｂは、ある実施形態を示しており、上記実施形態では、多数の多層スイッチ基板４４が提供され、１つの多層スイッチ基板は、整流器１４を形成する電力半導体デバイスＳ７〜Ｓ１０と、関連する電力半導体ダイオードＤ７〜Ｄ１０との各々に対して提供される。したがって、この図２Ｂの実施形態は、整流器１４に対して、全部で４つの個別の多層スイッチ基板４４を含み得る。
【００３６】
図２Ｃは、別の実施形態を示しており、上記実施形態では、多数の多層スイッチ基板４４が提供され、１つの多層スイッチ基板は、整流器１４の各レッグ１４ａ，１４ｂに対して提供される。そのような実施形態において、多層基板４４の各々の電気的伝導性および熱的伝導性の層４４ａは、整流器１４のそれぞれのレッグ１４ａ，１４ｂを形成する電力半導体デバイスＳ７〜Ｓ１０および関連する電力半導体ダイオードＤ７〜Ｄ１０の各々を搭載するために、異なる領域を形成する。
【００３７】
図２Ｄは、さらなる実施形態を示しており、上記実施形態では、整流器１４の全体を形成するために、単一の多層スイッチ基板４４が提供される。多数の異なる領域が、第１の電気的伝導性および熱的伝導性の層４４ａに形成され、上記領域は、互いに電気的に絶縁されている。この実施形態において、整流器１４を形成する電力半導体デバイスＳ７〜Ｓ１０と、関連する電力半導体ダイオードＤ７〜Ｄ１０との各々に対し、１つの領域が存在するため、結果として、全部で４つの異なる領域が存在する。
【００３８】
一般に、個別の多層基板４４，７０をより少なく含むことにより、パーツ数が低減され、製造工程数を低減し得るが、異なる領域を形成することは、製造工程におけるいくつかの節約を相殺し得る。しかしながら、そのような工程数の低減は、典型的には、残存する多層基板４４、７０のサイズを増大させることによって達成される。サイズの増大は、多層基板４４，７０が対象となるストレスを増大させ、これにより、例えば、ハンダのリフロー（ｒｅｆｌｏｗ）から発生する亀裂のような欠陥が生じる可能性を増大させる。
【００３９】
図３および４は、複数の変圧器のうちの１つの変圧器Ｔ１をより詳細に示している。第２の変圧器Ｔ２は、第１の変圧器Ｔ１と同様な構成を有し得る。
【００４０】
変圧器Ｔ１は、多層変圧器基板７０と磁気コア７２とを備える。多層変圧器基板７０は、電気的伝導性および熱的伝導性の第１の層７０ａと、電気的絶縁性および熱的伝導性の第２の層７０ｂと、電気的伝導性および熱的伝導性の第３の層７０ｃと、電気的絶縁性および熱的伝導性の第４の層７０ｄと、電気的伝導性および熱的伝導性の第５の層７０ｆとを含んでいる。多層変圧器基板７０は、より多くの層を含み得、例えば層の個数を変動させることにより変圧器の一次巻き線と二次巻き線との間の「巻き」の比を変動させることによって、および／または、渦電流を低減することによって、変圧器Ｔ１の性能を変動させ得る。
【００４１】
第１の層７０ａおよび第５の層７０ｅは、第１の巻き線の一部分を形成するようにパターン化されており、ビア７４ａ，７４ｂおよび接続パッド７４ｃ，７４ｄ，７４ｅを介して電気的に接続され、第１の巻き線を形成している。第３の層７０ｃもまた、第２の巻き線を形成するようにパターン化されている。図では、第１の巻き線が第２の巻き線よりも多くの層を備えるように示されているが、いくつかの実施形態において、第２の巻き線は、第１の巻き線よりも多くの層を備え得るか、あるいは、第１の巻き線および第２の巻き線は、同じ個数の層を備え得る。
【００４２】
第５の層７０ｅは、例えば、ハンダ付けによって多層変圧器基板７０を放熱板５６に取り付けるために、搭載領域７０ｆを形成するようにさらにパターン化され得る。このことは、多層基板７０と一体型のベースプレート放熱板５６との間の接続領域を縮小し、関連するストレスと、例えばハンダがリフローする間に発生する亀裂のような不完全部分が生じる可能性とを低減させる。
【００４３】
磁気コア７２は、多層変圧器基板７０の第１および第２の巻き線を包み込む２つ以上の部分７２ａ，７２ｂを含み得る。磁気コア７２の一部分７２ｃは、多層変圧器基板７０の層７０ａ〜７２ｅの各々に形成された開口部７０ｇを介することにより、受容され得る。
【００４４】
多層変圧器基板７０は、様々な技術および材料を用いることにより、形成され得る。例えば、多層基板７０は、例えばテキサス州所在のＣｕｒａｍｉｋ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ  ｏｆ  Ａｄｄｉｓｏｎ社から入手可能な、直接ボンディングの銅（ＤＢＣ；ｄｉｒｅｃｔ  ｂｏｎｄｅｄ  ｃｏｐｐｅｒ）基板の形態を取り得る。追加的または代替的に、多層基板７０は、例えばミネソタ州所在のＢｅｒｇｑｕｉｓｔ  Ｃｏｍｐａｎｙ  ｏｆ  Ｃｈａｎｈａｓｓｅｎ社から入手可能な、絶縁金属基板（ＩＭＳ；ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  ｍｅｔａｌ  ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）の形態を取り得る。
【００４５】
電気的伝導性および熱的伝導性の層は、例えば銅、アルミニウム、および／または、その他の好適な電気的および熱的な伝導体の様々な形態を取り得る。典型的にはフィルムの形態で提供されるが、電気的伝導性および熱的伝導性の層は、例えば、型打ちされたシート状の金属のような、その他の形態を取り得る。例えば、電気的絶縁性および熱的伝導性の層は、オハイオ州所在のＤｕ  Ｐｏｎｔ  ｄｅ  Ｎｅｍｏｕｒｓ，Ｈｉｇｈ  Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  ｏｆ  Ｃｉｒｃｌｅｖｉｌｌｅから入手可能なＫａｐｔｏｎ（登録商標）フィルムのような、熱的に強化されたポリアミドのフィルムの形態を取り得る。追加的または代替的に、電気的絶縁性および熱的伝導性の層は、例えば、アルミナ、窒化アルミニウム、および／または、窒化シリコンのセラミックのような、適切なセラミックの形態を取り得る。ある実施形態において、多層変圧器基板７０は、オハイオ州所在のＤｕ  Ｐｏｎｔ  ｄｅ  Ｎｅｍｏｕｒｓ，Ｈｉｇｈ  Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  ｏｆ  Ｃｉｒｃｌｅｖｉｌｌｅから入手可能なＭｙｌａｒ（登録商標）フィルムのような絶縁層と共にエポキシベースの接着材のような接着材を用いてラミネートされた、型打ちされたシート状の金属の層の形態を取り得る。
【００４６】
多層スイッチ基板４４および多層変圧器基板７０は、ハンダのリフロー技術を介することにより、一体型のベースプレート放熱板５６に取り付けられ得る。例えば、電力半導体スイッチＳ１〜Ｓ１０および電力半導体ダイオードＤ１〜Ｄ１０は、多層基板４４，７０のそれぞれにハンダ付けされ得、その後、それらは一体型のベースプレート放熱板５６に配置され得る。その後、多層基板４４，７０は、例えばハンダのリフロー技術を用いることにより、オーブン内での加熱を介して、同時および／または単一の動作中に、一体型のベースプレート放熱板５６にハンダ付けされる。
【００４７】
代替的に、多層基板４４，７０は、一体型のベースプレート放熱板５６に配置され得、電力半導体スイッチＳ１〜Ｓ１０および電力半導体ダイオードＤ１〜Ｄ１０は、多層基板４４，７０に配置され得る。電力半導体スイッチＳ１〜Ｓ１０と電力半導体ダイオードＤ１〜Ｄ１０との間の接続、ならびに、多層基板４４，７０と一体型のベースプレート放熱板５６との間の接続は、例えばハンダのリフロー技術を用いることにより、オーブン内での加熱を介して、同時および／または単一の動作中に、形成され得る。
【００４８】
図５および６は、例示的な実施形態の１つにしたがう、平面状のインダクタとして形成された複数のインダクタのうちの１つのインダクタＬ１を示している。その他のインダクタＬ２〜Ｌ４は、第１の平面状のインダクタＬ１と同様な構成を有し得る。代替的に、電力変換器１０は、従来型のインダクタを用い得る。
【００４９】
インダクタＬ１は、多層インダクタ基板８０と磁気コア８２とを備える。多層インダクタ基板８０は、電気的伝導性および熱的伝導性の第１の層８０ａと、電気的絶縁性および熱的伝導性の第２の層８０ｂと、電気的伝導性および熱的伝導性の第３の層８０ｃと、電気的絶縁性および熱的伝導性の第４の層８０ｄと、電気的伝導性および熱的伝導性の第５の層８０ｆとを含んでいる。多層インダクタ基板８０は、より多くの層を含み得、例えば層の個数を変動させることによりインダクタの巻き線の「巻き」の比を変動させることによって、および／または、渦電流を低減することによって、平面状のインダクタＬ１の性能を変動させ得る。
【００５０】
第１の層８０ａおよび第３の層８０ｃは、第１の巻き線の一部分を形成するようにパターン化されており、ビア８４ａ，８４ｂおよび接続パッド８４ｃ，８４ｄを介して電気的に接続され、第１の巻き線を形成している。
【００５１】
磁気コア８２は、多層インダクタ基板８０の第１の巻き線を包み込む２つ以上の部分８２ａ，８２ｂを含み得る。磁気コア８２の一部分８２ｃは、多層インダクタ基板８０の層８０ａ〜８０ｅの各々に形成された開口部８０ｇを介することにより、受容され得る。
【００５２】
多層インダクタ基板８０は、様々な技術および材料を用いることにより、形成され得る。例えば、多層基板８０は、例えばテキサス州所在のＣｕｒａｍｉｋ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ  ｏｆ  Ａｄｄｉｓｏｎ社から入手可能な、直接ボンディングの銅基板の形態を取り得る。追加的または代替的に、多層基板７０は、例えばミネソタ州所在のＢｅｒｇｑｕｉｓｔ  Ｃｏｍｐａｎｙ  ｏｆ  Ｃｈａｎｈａｓｓｅｎ社から入手可能な、絶縁金属基板（ＩＭＳ）の形態を取り得る。
【００５３】
電気的伝導性および熱的伝導性の層は、例えば銅、アルミニウム、および／または、その他の好適な電気的および熱的な伝導体の様々な形態を取り得る。典型的にはフィルムの形態で提供されるが、電気的伝導性および熱的伝導性の層は、例えば、型打ちされたシート状の金属のような、その他の形態を取り得る。例えば、電気的絶縁性および熱的伝導性の層は、オハイオ州所在のＤｕ  Ｐｏｎｔ  ｄｅ  Ｎｅｍｏｕｒｓ，Ｈｉｇｈ  Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  ｏｆ  Ｃｉｒｃｌｅｖｉｌｌｅから入手可能なＫａｐｔｏｎ（登録商標）フィルムのような、熱的に強化されたポリアミドのフィルムの形態を取り得る。追加的または代替的に、電気的絶縁性および熱的伝導性の層は、例えば、アルミナ、窒化アルミニウム、および／または、窒化シリコンのセラミックのような、適切なセラミックの形態を取り得る。ある実施形態において、多層インダクタ基板８０は、オハイオ州所在のＤｕ  Ｐｏｎｔ  ｄｅ  Ｎｅｍｏｕｒｓ，Ｈｉｇｈ  Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  ｏｆ  Ｃｉｒｃｌｅｖｉｌｌｅから入手可能なＭｙｌａｒ（登録商標）フィルムのような絶縁層と共にエポキシベースの接着材のような接着材を用いてラミネートされた、型打ちされたシート状の金属の層の形態を取り得る。
【００５４】
多層スイッチ基板４４および多層変圧器基板７０は、ハンダのリフロー技術を介することにより、一体型のベースプレート放熱板５６に取り付けられ得る。例えば、電力半導体スイッチＳ１〜Ｓ１０および電力半導体ダイオードＤ１〜Ｄ１０は、多層基板４４，８０のそれぞれにハンダ付けされ得、その後、それらは一体型のベースプレート放熱板５６に配置され得る。その後、多層基板４４，８０は、例えばハンダのリフロー技術を用いることにより、オーブン内での加熱を介して、同時および／または単一の動作中に、一体型のベースプレート放熱板５６にハンダ付けされる。
【００５５】
代替的に、多層基板４４，８０は、一体型のベースプレート放熱板５６に配置され得、電力半導体スイッチＳ１〜Ｓ１０および電力半導体ダイオードＤ１〜Ｄ１０は、多層基板４４，７０に配置され得る。電力半導体スイッチＳ１〜Ｓ１０と電力半導体ダイオードＤ１〜Ｄ１０との間の接続、ならびに、多層基板４４，８０と一体型のベースプレート放熱板５６との間の接続は、例えばハンダのリフロー技術を用いることにより、オーブン内での加熱を介して、同時および／または単一の動作中に、形成され得る。
【００５６】
記述された技術は、電力モジュールの製造中に含まれる動作の回数を低減し得、これにより、製造コストを低減し、さらには様々な要素の熱サイクルをも低減し、有利にも、信頼性と処理能力とを増大させ得る。
【００５７】
図７Ａは、別の例示的な実施形態にしたがう電力モジュール５０を示しており、コントローラ２４を除く図１の電力変換器１０の全体を囲んでいる。特に、図７Ａの電力変換器５０は、インバータ１２、整流器１４、および変圧器Ｔ１，Ｔ２を含んでいる。一対の端子２０ａ，２０ｂは、電源ＶＩとの電気的な接続の形成を可能にする。３つの端子１８ａ，１８ｂ，１８ｃは、電気的な接続が負荷Ｒ１，Ｒ２へと形成されることを可能にする。端子１８ａ，１８ｃは、バスバー９０ａ，９０ｂとして形成され得る。例えばピン９５ａ〜９５ｆのような端子またはコネクタは、インバータの電力半導体スイッチＳ１〜Ｓ６を動作するために、コントローラ２４からの制御信号２６を受信する。インバータ１２の電力半導体スイッチＳ１〜Ｓ６および関連する電力ダイオードＤ１〜Ｄ６は、有利にも、ワイヤボンド９１を介することにより、変圧器Ｔ１，Ｔ２の第１の側Ｔ１ａ，Ｔ２ａに電気的に接続され得るが、それらのうちのほんの少しのみが示されている。変圧器Ｔ１，Ｔ２の第１の側Ｔ１ａ，Ｔ２ａは、有利にも、ワイヤボンド９３を介することにより、整流器１４の電力半導体スイッチＳ７〜Ｓ１０および関連する電力半導体ダイオードＤ７〜Ｄ１０に電気的に接続され得るが、そららのうちのほんの少しのみが示されている。
【００５８】
図７Ａの実施形態において、電力モジュール５０は、インバータ１２を形成する電力半導体スイッチＳ１〜Ｓ１０および電力半導体ダイオードＤ１〜Ｄ１０を、一体型のベースプレート放熱板５６に搭載するために、１つ以上の追加的な多層スイッチ基板４４を含み得る。
【００５９】
例えば、電力モジュール５０は、整流器１４に対して図２Ｂで示されたのと同じ方法により、電力半導体スイッチＳ１〜Ｓ６および関連する電力半導体ダイオードＤ１〜Ｄ６の各々を、インバータ１２と対にするために、個別の多層スイッチ基板４４を備え得る。したがって、電力モジュール５０は、インバータ１２に対して、６個の多層スイッチ基板４４を含み得る。
【００６０】
また、例として、電力モジュール５０は、インバータ１２の相のレッグ１２ａ〜１２ｃの各々に対し、別個の多層スイッチ基板４４を備え得る。各多層スイッチ基板４４の電気的伝導性の層４４ａは、２つの異なる領域に形成され、１つの層は、それぞれの相のレッグ１２ａ〜１２ｃの電力半導体スイッチＳ１〜Ｓ６および関連する電力半導体ダイオードＤ１〜Ｄ６の各々に対し、整流器１４に対する図２Ｄの方法と同様な方法により、形成され得る。したがって、電力モジュール５０は、インバータ１２に対し、３つの追加的な多層スイッチ基板４４を含み得る。
【００６１】
さらなる例において、電力モジュール５０は、整流器１４に対する図２Ｄの方法と同様な方法により、インバータ１２の電力半導体スイッチＳ１〜Ｓ６および関連する電力半導体ダイオードＤ１〜Ｄ６のすべてを搭載するために、単一の追加的な多層スイッチ基板４４を備え得る。したがって、多層スイッチ基板４４は、電気的伝導性および熱的伝導性の層４４ａに形成された６個の異なる領域を含み得、１つの領域は、電力半導体スイッチＳ１〜Ｓ６および関連する電力半導体ダイオードＤ１〜Ｄ６の対の各々に対して形成され得る。
【００６２】
上記で議論された追加的な実施形態に加え、図７Ｂに示されているさらなる実施形態は、整流器１４を形成する電力半導体デバイスＳ７〜Ｓ１０および関連する電力半導体ダイオードＤ７〜Ｄ１０と同様に、インバータ１２を形成する電力半導体スイッチＳ１〜Ｓ６および関連する電力半導体ダイオードＤ１〜Ｄ６を搭載するために、単一の多層スイッチ基板４４を示している。したがって、そのような実施形態は、第１の電気的伝導性および熱的伝導性の層４４ａに形成された１０個の異なる領域を含み得、上記領域は、互いに電気的に絶縁され得る。
【００６３】
図７Ｃは、単一の多層スイッチ基板７０を示しており、上記多層スイッチ基板は、少なくとも３つの電気的伝導性および熱的伝導性の層７０ａ，７０ｃ，７０ｅと、少なくとも２つの電気的絶縁性および熱的伝導性の層７０ｂ，７０ｄとを備えており、上記電気的絶縁性および熱的伝導性の層は、電気的伝導性および熱的伝導性の層の７０ａ〜７０ｃ，７０ｃ〜７０ｅのそれぞれの対を分離する。多層スイッチ基板７０の第２の電気的伝導性および熱的伝導性の層７０ｃは、１０個の異なる領域を形成する。上記領域は、図７Ｂに示されているのと同様な方法により、インバータ１２を形成する電力半導体スイッチＳ１〜Ｓ６および関連する電力半導体ダイオードＤ１〜Ｄ６（図７Ｃには示されていない）と、整流器１４を形成する電力半導体デバイスＳ７〜Ｓ１０および関連する電力半導体ダイオードＤ７〜Ｄ１０（図７Ｃには図示されていない）とを搭載するために、互いに電気的に絶縁されている。少なくとも第１および第３の電気的伝導性および熱的伝導性の層７０ａ，７０ｅは、変圧器Ｔ１，Ｔ２の第１の巻き線を形成するように、パターン化され、互いに電気的に接続されている。少なくとも第２の電気的伝導性および熱的伝導性の層７０ｃは、変圧器Ｔ１，Ｔ２の第２の巻き線を形成するように、パターン化されている。
【００６４】
図７Ｃは、３つの電気的伝導性および熱的伝導性の層７０ａ，７０ｃ，７０ｅと、２つの電気的絶縁性および熱的伝導性の層７０ｂ，７０ｄとを示しているが、多層基板７０は、より多くの層を含み得る。さらに、電力半導体デバイスＳ１〜Ｓ１０，Ｄ１〜Ｄ１０は、第２の電気的伝導性および熱的伝導性の層に搭載されるように示されているが、それら電気的伝導性および熱的伝導性の層のうちのいくつかまたはすべての層は、電気的伝導性および熱的伝導性の層のうちの他の層に搭載され得る。
【００６５】
図７Ｄは、図７Ｃのものに類似した一体型のベースプレート放熱板の一部分を示しており、多層基板７０の第２の電気的伝導性および熱的伝導性の層７０ｃのうちの１つを用いることにより、変圧器Ｔ１，Ｔ２の第２の側Ｔ１ｂ，Ｔ２ｂを、整流器１４の電力半導体スイッチＳ７〜Ｓ１０および／または電力半導体ダイオードＤ７〜Ｄ１０のそれぞれの端子（例えば、ドレイン／コレクタ）に電気的に接続することを示しており、有利にも、多数のワイヤボンドを排除している。その他の実施形態は、同様な方法で、同じまたはその他の電気的伝導性および熱的伝導性の層７０ａ，７０ｃ，７０ｅを用いることにより、ワイヤボンドを排除し得る。
【００６６】
図７Ｅは、図７Ｄと同様に、一体型のベースプレート放熱板の一部分を示しており、多層基板７０の第２の電気的伝導性および熱的伝導性の層７０ｃのうちの１つを用いることにより、変圧器Ｔ１，Ｔ２の第２の側Ｔ１ｂ，Ｔ２ｂを、整流器１４の電力半導体スイッチＳ７〜Ｓ１０および／または電力半導体ダイオードＤ７〜Ｄ１０のそれぞれの端子（例えば、ドレイン／コレクタ）と、平面状のインダクタＬ１〜Ｌ４とに電気的に接続することを示しており、有利にも、多数のワイヤボンドを排除している。その他の実施形態は、同様な方法で、同じまたはその他の電気的伝導性および熱的伝導性の層７０ａ，７０ｃ，７０ｅを用いることにより、例えば、ワイヤボンドを排除し得る。
【００６７】
図８は、本発明にしたがう一体型のベースプレート放熱板５６を示している。一体型のベースプレート放熱板５６は、プレート部分５６ａと、溝部分５６ｂとを備え得る。プレート部分５６ａは、例えば、多層変圧器基板７０が表面９２と同一平面上になるように部分７２ｂのような磁気コア７２の一部分を受容するように、サイズが規定され、寸法が規定された、一対の凹部９２ａ，９２ｂを有する上面９２を含んでいる。溝部分５６ｂは、入口９４ａと、出口９４ｂと、第１の通路部分９６ａおよび第２の通路部分９６ｂによって形成された通路とを備えており、それらは、取り入れ口９４ａおよび取り出し口９４ｂと流体的に通信するように接続されている。プレート９２は、上面９２の反対側の表面に、例えばフィン（ｆｉｎ）またはピン９７のような、熱放射構造を含み得る。上記熱放熱構造は、プレート５６ａからの熱を溝部分を通過する流体に転送するために、部分９６ａ，９６ｂに受容される。電力変換器１０は、溝部分９６ａ，９６ｂを介して流体を循環させることによって一体型のベースプレート放熱板５６からの熱を転送することを助けるために、例えば、ポンプ、圧縮機、および／または、羽根（ｆａｎ）を含む、循環システム（図示されず）を含み得る。一体型のベースプレート放熱板５６として示されているが、その他の実施形態は、その他の形態の放熱板を用い得る。
【００６８】
図９は、インバータ１２の半導体スイッチＳ１〜Ｓ６に印加されるスイッチ信号を示すタイミング図を示している。周期ＴＳにわたる様々な時間間隔ｔ０〜ｔ１２において、電圧ＵＡＢは、変圧器Ｔ１の第１の側Ｔ１ａに印加され、電圧ＵＢＣは、第２の変圧器Ｔ２の第１の側Ｔ２ａに印加される。図９はまた、フィルタインダクタＬ１〜Ｌ４の電流出力ＩＬ１〜ＩＬ４をもそれぞれ示している。
【００６９】
インバータ１２の相のレッグ１２ａ〜１２ｃの各々の電力半導体スイッチＳ１〜Ｓ６（図１）は、各々が約５０％の負荷サイクルの方形波を生成する。インバータ１２の第１および第２の相のレッグ１２ａおよび１２ｂは、第１の変圧器Ｔ１の第１の側または巻き線Ｔ１ａに印加される３つのレベルの方形波形ＵＡＢを生成するように、位相シフト制御される。インバータ１２の第２のレッグ１２ｂおよび第３のレッグ１２ｃは、第２の変圧器Ｔ２の第１の側または巻き線Ｔ２ａに印加される３つのレベルの方形波形ＵＢＣを生成するように、位相シフト制御される。したがって、相Ｂは、変圧器Ｔ１，Ｔ２によって共有され、２つの従来型のフルブリッジＤＣ／ＤＣ変換器の等価物を形成するが、有利にも、１つの高電圧のレッグ（すなわち、少なくとも２つの電力半導体スイッチおよび関連する電力半導体ダイオード）とゲートドライバ回路とをセーブする。
【００７０】
２つの出力ＵＡＢおよびＵＢＣは、第２の相のレッグ１２ｂ（相Ｂ）が、変圧器Ｔ１における負荷電流を用いることにより、広いソフトスイッチング範囲を達成することができるように、互いに位相ロックされている。ソフトスイッチングは、変圧器Ｔ１の漏れインダクタンスに格納されたエネルギーに依存することなしに、フィルタインダクタＬ１〜Ｌ４に格納されたエネルギーによって達成される。出力電圧Ｖｏｕｔ１は、位相シフト角φＡＢによって調整され、出力電圧Ｖｏｕｔ２は、位相シフト角φＢＣによって調整される。
【００７１】
電力変換器１０は、単一出力または双出力として構成され得る。単一出力の構成において、出力Ｖｏｕｔ１およびＶｏｕｔ２は、出力電流／電力を２重にするように、互いに並列にされている。単一出力電力の構成において、Ｖｏｕｔ１およびＶｏｕｔ２が互いに並列にされている場合、位相シフト角φＡＢ、φＢＣは等しくなる。双出力の構成において、Ｖｏｕｔ１およびＶｏｕｔ２は、独立的に制御され得る。
【００７２】
インターリーブされた上述のフルブリッジＤＣ／ＤＣ電力変換器１０は、高い冷却液温度（例えば、１０５℃）で動作している間に、出力電力の能力を２重にし、電流と熱的なストレスとを許容レベルに維持することにより、高い信頼性を提供する。ソフトスイッチングは、広い範囲の負荷にわたって達成され、変圧器Ｔ１，Ｔ２およびフィルタインダクタＬ１〜Ｌ４における負荷電流を用いることにより、スイッチ損失を低減し、効率の高い動作を提供する。したがって、記述された電力変換器は、高出力密度および高い冷却液温度の状態で、高電力の変換を効率的に提供し得る。インターリーブすることもまた、入力および出力キャパシタＣＩ，ＣＯ１，ＣＯ１へのリップル電流を、有利にも低減する。インバータ１２の相のレッグ１２ａ〜１２ｃを共有することは、典型的に要求され得るよりも低いインバータ相のレッグ（すなわち、少なくとも２つの電力半導体スイッチおよび関連するダイオード）のうちの１つのレッグを用いることを可能にし、パーツ数、複雑性、およびコストを低減するが、信頼性を増大させる。電力変換器１０は、単一出力のユニットまたは双出力のユニットとして、さらに容易に構成することが可能である。
【００７３】
上記で記述された電力変換器１０における平面状の変圧器および／または平面状のインダクタの一体化は、従来型の、空冷式の、重い銅のプリント回路基板の巻き線と、伝統的な曲がりくねったワイヤインダクタとを用いることを、回避または低減する。上記で記述されたように直接的なワイヤボンディング接続を用いることにより、平面状の変圧器および／または平面状のインダクタを一体化することは、オーム損失（Ｏｈｍｉｃ  ｌｏｓｓ）の低減と、接触点に関連するインダクタンスの低減とを可能にし得る。それらは、高周波数においては、特に問題となる。漏れインダクタンスおよびＡＣ損失は、平面状の変圧器Ｔ１，Ｔ２、および／または、平面状のインダクタＬ１，Ｌ２，Ｌ３およびＬ４の平坦な巻き線構造を用いることにより、低減され得る。記述されている電力変換器１０において、平面状の変圧器および／または平面状のインダクタを用いることは、有利にも、磁気コアのウィンドウ利用率を増大させ、磁気コアの値を低減させ、出力密度を増大させることを可能にする。上記で記述されている電力変換器１０はまた、強化されたＥＭＩ性能をも提供し得る。
【００７４】
電力変換器の例の特定の実施形態および方法が例示を目的として本明細書に記述されてきたが、様々な等価な改変は、本発明の精神および範囲から逸れずに、関連技術の当業者に理解され得るようなものとして、実施され得る。本明細書において提供された教示は、電力変換器に適用され得るが、必ずしも、上記で一般的に記述されているような、平面状の変圧器または平面状のインダクタを有するＤＣ／ＤＣインターリーブされた電力変換器である必要はない。
【００７５】
例えば、電力変換器１０は、第２の相のレッグ１２ｂよりもむしろ、第１または第３の相のレッグ１２ａ，１２ｃを共有し得る。さらに、例として、本教示は、３相インバータ１２には制限されないが、幾分多くの相のレッグを有するインバータに適用され、例えば、幾分高い電力を提供し得る。例えば、電力変換器１０は、インバータ１２に追加された第４の相のレッグと、第３の相のレッグ１２ｃおよび追加された相のレッグの間に電気的に接続された第３の変圧器とを備え得る。電力変換器はまた、電力半導体スイッチおよび関連するダイオードを整流器に追加するのと同様に、２つのフィルタインダクタを備え得、それらは、５０％の電力の増加を提供するように、第３の変圧器の第２の側から供給され得る。さらに、例として、同調した整流は随意のものであり、いくつかの実施形態においては省略され得、例えば、ダイオード整流器によって置換され得る。さらなる例として、例えばインバータおよび／または整流器のようなその他の電力変換器において、一体型の平面状の変圧器または平面状のインダクタは、有利にも用いられ得る。なおもさらなる例として、有利にも、インターリービングは、一体型の平面状の変圧器または平面状のインダクタを用いずに、用いられ得る。
【００７６】
上述で記述された様々な実施形態は、さらなる実施形態を提供するために組み合わされ得る。本明細書において引用され、および／または、出願データシートに列挙された米国特許、米国特許出願公報、米国特許出願、外国の特許、外国の特許出願、および非特許文献は、同一出願人による、２００３年１２月１６日に出願され、「Ｐｏｗｅｒ  Ｍｏｄｕｌｅ  Ｗｉｔｈ  Ｈｅａｔ  Ｅｘｃｈａｎｇｅ」と題された、米国特許出願シリアル番号第１０／７３８，９２６号；２００３年１０月１６日に出願され、「Ｐｏｗｅｒ  Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ  Ｅｍｐｌｏｙｉｎｇ  Ａ  Ｐｌａｎａｒ  Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ」と題された、米国特許出願シリアル番号１０／６８８，８３４号；２００４年６月４日に出願され、「Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｐｌａｎａｒ  Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ  ａｎｄ  Ｐｏｗｅｒ  Ｓｗｉｔｃｈｅｓ  ｉｎ  Ｐｏｗｅｒ  Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ」と題され、仮特許出願シリアル番号第６０／５６０，７５５号に変更された、米国特許出願シリアル番号第１０／８６１，２４１号；および、２００４年６月４日に出願され、「Ｉｎｔｅｒｌｅａｖｅｄ  Ｐｏｗｅｒ  Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ」と題された、米国特許出願シリアル番号第１０／８６１，３１９号とを含むが、それらには限定されず、上記出願は、参照のため、本明細書にその全体が援用される。本発明の局面は、様々な特許、出願および文献のシステム、回路、および概念を用いることにより、本発明のなおもさらなる実施形態を提供するように、必要に応じて改変され得る。
【００７７】
これらの変更およびその他の変更は、上述の詳細な記述に鑑みてなされ得る。一般に、以下に続く請求項において用いられている用語は、本発明を、本明細書および請求項に開示されている特定の実施形態に制限するようには解釈されるべきではないが、すべての電力変換器を含むように解釈されるべきである。したがって、本発明は、開示によっては制限されないが、その代わりに、本発明の範囲は、以下に続く請求項によって、完全に決定される。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】図１は、例示的な実施形態の１つにしたがう電力変換器の接続図である。
【図２Ａ】図２Ａは、図１の電力変換器の一部分を上方から見たときの正面左方向の等角図であり、変換器は、インバータ、整流器、２つの平面状の変圧器、フィルタインダクタ、および一体型のベースプレート放熱板を示すために、モジュールの筺体から取り外されている。
【図２Ｂ】図２Ｂは、例示的な実施形態の１つにしたがう、一体型のベースプレート放熱板の一部分を上方から見たときの正面左方向の等角図であり、整流器のそれぞれのスイッチを一体型のベースプレート放熱板に物理的および熱的に接続する多数の多層スイッチ基板を示している。
【図２Ｃ】図２Ｃは、別の例示的な実施形態にしたがう、一体型のベースプレート放熱板の一部分を上方から見たときの正面左方向の等角図であり、２つの多層スイッチ基板を示している。各多層スイッチ基板は、２つの異なる領域を含んでおり、上記領域は、電気的および熱的に接続された層に形成され、整流器のそれぞれのスイッチを一体型のベースプレート放熱板に物理的および熱的に接続している。
【図２Ｄ】図２Ｄは、別の例示的な実施形態にしたがう、一体型のベースプレート放熱板の一部分を上方から見たときの正面左方向の等角図であり、単一の多層スイッチ基板を示している。単一の多層スイッチ基板は、４つの異なる領域を含んでおり、上記領域は、電気的および熱的に接続された層に形成され、整流器のそれぞれのスイッチを一体型のベースプレート放熱板に物理的および熱的に接続している。
【図３】図３は、例示的な実施形態の１つにしたがう、平面状の変圧器のうちの１つを上方から見たときの正面左方向の等角図である。
【図４】図４は、図３の平面状の変圧器を上方から見たときの正面左方向の分解等角図である。
【図５】図５は、例示的な実施形態の１つにしたがう、平面状のインダクタのうちの１つを上方から見たときの正面左方向の等角図である。
【図６】図６は、図５の平面状のインダクタを上方からみたときの左正面方向の分解等角図である。
【図７Ａ】図７Ａは、別の例示的な実施形態にしたがう、電力変換器を上方から見たときの左正面方向の等角図であり、インバータおよびフィルタインダクタは、モジュール筺体内に存在している。
【図７Ｂ】図７Ｂは、別の例示的な実施形態にしたがう、一体型のベースプレート放熱板の一部分を上方から見たときの正面左方向の等角図であり、単一の多層スイッチ基板を示している。単一の多層スイッチ基板は、１０個の異なる領域を含んでおり、上記領域は、電気的および熱的に接続された層に形成され、整流器のそれぞれのスイッチとインバータとを一体型のベースプレート放熱板に物理的および熱的に接続している。
【図７Ｃ】図７Ｃは、別の例示的な実施形態にしたがう、一体型のベースプレート放熱板の一部分を上方から見たときの正面左方向の等角図であり、単一の多層基板を示している。単一の多層基板は、１０個の異なる領域を含んでおり、上記領域は、電気的および熱的に接続された層に形成され、整流器のそれぞれのスイッチとインバータとを一体型のベースプレート放熱板に物理的および熱的に接続している。同時に、単一の多層基板は、２つの変圧器の巻き線を形成するための領域をも含んでいる。
【図７Ｄ】図７Ｄは、一体型のベースプレート放熱板の一部分を上方から見たときの図７Ｃと同様な正面左方向の等角図であり、多層基板の電気的伝導性および熱的伝導性の層のうちの１つの層の使用を示している。電気的伝導性および熱的伝導性の層は、変圧器の第２の側を整流器の電力半導体のスイッチのそれぞれの端子に電気的に接続している。
【図７Ｅ】図７Ｅは、一体型のベースプレート放熱板の一部分を上方から見たときの図７Ｄと同様な正面左方向の等角図であり、多層基板の電気的伝導性および熱的伝導性の層のうちの１つの層の使用を示している。電気的伝導性および熱的伝導性の層は、変圧器の第２の側を整流器の電力半導体のスイッチのそれぞれの端子と平面状のインダクタとに電気的に接続している。
【図８】図８は、例示的な実施形態の１つにしたがう、一体型のベースプレート放熱板を上方から見たときの正面左方向の等角図である。
【図９】図９は、例示的な実施形態の１つにしたがう、電力変換器の動作を制御するための制御信号を、結果として得られた電圧および電流のプロットと共に図示したグラフである。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図７Ｄ】
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【図７Ｅ】
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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
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