(57)【要約】本発明は、最適化電気機械構造を用いてパワーエレクトロニクス素子を冷却するためのシステムおよび方法を提供する。パワーエレクトロニクス素子は、１つ以上の電力トランジスタ構成要素と、１つ以上のコンデンサ構成要素と、１つ以上の電力トランジスタ構成要素および１つ以上のコンデンサ構成要素と電気的に連通し得る、１つ以上の電力相互接続構成要素と、１つ以上のヒートシンク構成要素とを備えてもよい。１つ以上の電力トランジスタ構成要素および１つ以上のコンデンサ構成要素は、１つ以上のヒートシンク構成要素と熱的に連通してもよく、それぞれは、熱が、１つ以上の電力トランジスタ構成要素および１つ以上のコンデンサ構成要素から同一の１つ以上のヒートシンク構成要素へ伝達され得るように、１つ以上のヒートシンク構成要素の実質的に反対側に位置してもよい。
2014514775.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１つ以上の電力トランジスタ構成要素と、
１つ以上のコンデンサ構成要素と、
前記１つ以上の電力トランジスタ構成要素および前記１つ以上のコンデンサ構成要素と電気的に連通している、１つ以上の電力相互接続構成要素と、
１つ以上のヒートシンク構成要素であって、前記１つ以上の電力トランジスタ構成要素および前記１つ以上のコンデンサ構成要素は、前記１つ以上のヒートシンク構成要素と熱的に連通しており、前記１つ以上の電力トランジスタ構成要素および前記１つ以上のコンデンサ構成要素はそれぞれ、前記１つ以上のヒートシンク構成要素の実質的に反対側に位置する、１つ以上のヒートシンク構成要素と
を備える、パワーエレクトロニクス素子。
【請求項２】
前記１つ以上の電力トランジスタ構成要素は、前記１つ以上のヒートシンク構成要素の表面に接触する表面を有する、請求項１に記載のパワーエレクトロニクス素子。
【請求項３】
前記１つ以上のコンデンサ構成要素は、前記１つ以上のヒートシンク構成要素の表面に接触する表面を有する、請求項１に記載のパワーエレクトロニクス素子。
【請求項４】
前記１つ以上の電力トランジスタ構成要素は、１つ以上の中間構成要素の表面に接触する表面を有し、前記１つ以上の中間構成要素は、前記１つ以上のヒートシンク構成要素の表面に接触する表面を有する、請求項１に記載のパワーエレクトロニクス素子。
【請求項５】
前記１つ以上のコンデンサ構成要素は、１つ以上の中間構成要素の表面に接触する表面を有し、前記１つ以上の中間構成要素は、前記１つ以上のヒートシンク構成要素の表面に接触する表面を有する、請求項１に記載のパワーエレクトロニクス素子。
【請求項６】
前記１つ以上の電力相互接続構成要素は、前記１つ以上のヒートシンク構成要素と熱的に連通している前記１つ以上の電力トランジスタ構成要素の側面の実質的に反対側にある側面上で前記１つ以上の電力トランジスタ構成要素に接触する、請求項１に記載のパワーエレクトロニクス素子。
【請求項７】
前記１つ以上の電力相互接続構成要素は、前記１つ以上のヒートシンク構成要素と熱的に連通している前記１つ以上のコンデンサ構成要素の側面の実質的に反対側にある側面上で前記１つ以上のコンデンサ構成要素に接触する、請求項１に記載のパワーエレクトロニクス素子。
【請求項８】
実質的にいかなる間隙も、前記１つ以上の電力トランジスタ構成要素と前記１つ以上のヒートシンク構成要素との間に提供されない、請求項１に記載のパワーエレクトロニクス素子。
【請求項９】
実質的にいかなる間隙も、前記１つ以上のコンデンサ構成要素と前記１つ以上のヒートシンク構成要素との間に提供されない、請求項１に記載のパワーエレクトロニクス素子。
【請求項１０】
１つ以上の電力トランジスタ構成要素を提供するステップと、
１つ以上のコンデンサ構成要素を提供するステップと、
前記１つ以上の電力トランジスタ構成要素および前記１つ以上のコンデンサ構成要素と電気的に連通している、１つ以上の電力相互接続構成要素を提供するステップと、
１つ以上のヒートシンク構成要素を提供するステップであって、前記１つ以上の電力トランジスタ構成要素および前記１つ以上のコンデンサ構成要素は、前記１つ以上のヒートシンク構成要素と熱的に連通しており、熱が、前記１つ以上の電力トランジスタ構成要素および前記１つ以上のコンデンサ構成要素から同一の１つ以上のヒートシンク構成要素に伝達され、それにより、前記１つ以上の電力トランジスタ構成要素および前記１つ以上のコンデンサ構成要素を冷却するように、前記１つ以上の電力トランジスタ構成要素および前記１つ以上のコンデンサ構成要素はそれぞれ、前記１つ以上のヒートシンク構成要素の実質的に反対側に位置する、ステップと
を含む、パワーエレクトロニクス素子を冷却するための方法。
【請求項１１】
前記１つ以上の電力トランジスタ構成要素は、前記１つ以上のヒートシンク構成要素の表面に接触する表面を有する、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記１つ以上のコンデンサ構成要素は、前記１つ以上のヒートシンク構成要素の表面に接触する表面を有する、請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
前記１つ以上の電力トランジスタ構成要素は、１つ以上の中間構成要素の表面に接触する表面を有し、前記１つ以上の中間構成要素は、前記１つ以上のヒートシンク構成要素の表面に接触する表面を有する、請求項１０に記載の方法。
【請求項１４】
前記１つ以上のコンデンサ構成要素は、１つ以上の中間構成要素の表面に接触する表面を有し、前記１つ以上の中間構成要素は、前記１つ以上のヒートシンク構成要素の表面に接触する表面を有する、請求項１０に記載の方法。
【請求項１５】
前記１つ以上の電力相互接続構成要素は、前記１つ以上のヒートシンク構成要素と熱的に連通している前記１つ以上の電力トランジスタ構成要素の側面の実質的に反対側にある側面上で前記１つ以上の電力トランジスタ構成要素に接触する、請求項１０に記載の方法。
【請求項１６】
前記１つ以上の電力相互接続構成要素は、前記１つ以上のヒートシンク構成要素と熱的に連通している前記１つ以上のコンデンサ構成要素の側面の実質的に反対側にある側面上で前記１つ以上のコンデンサ構成要素に接触する、請求項１０に記載の方法。
【請求項１７】
実質的にいかなる間隙も、前記１つ以上の電力トランジスタ構成要素と前記１つ以上のヒートシンク構成要素との間に提供されない、請求項１０に記載のパワーエレクトロニクス素子。
【請求項１８】
実質的にいかなる間隙も、前記１つ以上のコンデンサ構成要素と前記１つ以上のヒートシンク構成要素との間に提供されない、請求項１０に記載のパワーエレクトロニクス素子。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
本発明は、２０１１年５月５日に出願された米国仮出願第６１／４８２，８７８号の利益を主張するものであり、該米国仮出願は、その全体が参照により本明細書中に援用される。
【０００２】
パワーエレクトロニクス素子は、内部構成要素の過熱による制限を有する。パワーエレクトロニクス素子の内部構成要素の電気機械構造もまた、電気的および熱的性能に影響を及ぼし得る重要な要因である。特に、電気およびハイブリッド電気自動車等の移動用途において、パワーエレクトロニクス素子のサイズおよび重量を最小限化する所望が存在する。内部構成要素の向上した冷却を用いると、従来の設計と比較して、より小型かつ低重量のパッケージでより高い電力を産生するようにパワーエレクトロニクス素子を設計することが可能である。向上した冷却は、より高い電力、その結果として、パワーエレクトロニクス素子のより高い電力密度に直接変換し得る、内部構成要素の動作電流を増加させることを促進し得る。向上した冷却はまた、内部構成要素のより高い信頼性、したがって、全体的にパワーエレクトロニクス素子のより高い信頼性に変換し得る、内部構成要素のためのより優れた熱的動作ヘッドルームを提供し得る。パワーエレクトロニクス素子の内部構成要素の電気機械構造を同時に最適化することもまた、より小型かつ低重量のパッケージで向上した電気的および熱的性能を提供し、また、より高い電力密度に寄与し得る。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
したがって、パワーエレクトロニクス素子の重要な内部構成要素のための向上した冷却を提供し得る、同時に、内部構成要素のための最適化または改良型電気機械構造を提供し、高い信頼性および高い電力密度を可能にし得る、パワーエレクトロニクス素子のための改良型システムおよび方法の必要性が存在する。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明は、最適化電気機械構造を用いてパワーエレクトロニクス素子を冷却するためのシステムおよび方法を提供する。本明細書で説明される本発明の種々の側面は、以下に記載される特定の用途のうちのいずれかに、または任意の他の種類のパワーエレクトロニクス素子のために適用されてもよい。本発明は、独立型システムまたは方法として、あるいは自動車の中等の統合システムの一部として適用されてもよい。本発明の異なる側面は、個別に、集合的に、または相互と組み合わせて認識できることを理解されたい。
【０００５】
本発明の側面は、１つ以上の電力トランジスタ構成要素と、１つ以上のコンデンサ構成要素と、１つ以上の電力トランジスタ構成要素および１つ以上のコンデンサ構成要素と電気的に連通し得る１つ以上の電力相互接続構成要素と、１つ以上のヒートシンク構成要素とを備える、パワーエレクトロニクス素子を対象としてもよい。１つ以上の電力トランジスタ構成要素および１つ以上のコンデンサ構成要素は、１つ以上のヒートシンク構成要素と熱的に連通してもよく、それぞれは、熱が、１つ以上の電力トランジスタ構成要素および１つ以上のコンデンサ構成要素から同一の１つ以上のヒートシンク構成要素へ伝達され得るように、１つ以上のヒートシンク構成要素の実質的に反対側に位置してもよい。
【０００６】
本発明の別の側面によれば、パワーエレクトロニクス素子を冷却するための方法が提供されてもよい。本方法は、１つ以上の電力トランジスタ構成要素を提供するステップと、１つ以上のコンデンサ構成要素を提供するステップと、１つ以上の電力トランジスタ構成要素および１つ以上のコンデンサ構成要素と電気的に連通し得る、１つ以上の電力相互接続構成要素を提供するステップと、１つ以上のヒートシンク構成要素を提供するステップとを含んでもよく、１つ以上の電力トランジスタ構成要素および１つ以上のコンデンサ構成要素は、１つ以上のヒートシンク構成要素と熱的に連通し得る。本方法はまた、熱が、１つ以上の電力トランジスタ構成要素および１つ以上のコンデンサ構成要素から同一の１つ以上のヒートシンク構成要素に伝達され、それにより、１つ以上の電力トランジスタ構成要素および１つ以上のコンデンサ構成要素を冷却するように、１つ以上のヒートシンク構成要素の実質的に反対側に１つ以上の電力トランジスタ構成要素および１つ以上のコンデンサ構成要素を位置付けるステップを含んでもよい。
【０００７】
本発明の他の目的および利点は、以下の説明および添付図面と併せて考慮したときに、さらに認識および理解されるであろう。以下の説明は、本発明の特定の実施形態を説明する具体的詳細を含有し得るが、これは、本発明の範囲への制限としてではなく、むしろ好ましい実施形態の例示として解釈されるべきである。本発明の各側面について、当業者に公知である多くの変形例が、本明細書で提案されるように可能である。種々の変更および修正を、その精神から逸脱することなく、本発明の範囲内で行うことができる。
【０００８】
（参照による組み込み）
本明細書で記述される全ての出版物、特許、および特許出願は、各個別出版物、特許、または特許出願が、参照することにより組み込まれるように具体的かつ個別に示された場合と同一の程度に、参照することにより本明細書に組み込まれる。
【０００９】
本発明の新規の特徴は、特に添付の請求項に記載される。本発明の特徴および利点のさらなる理解は、本発明の原理が利用される、例示的実施形態を記載する以下の発明を実施するための形態、および以下の添付図面を参照することによって得られるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１Ａ】図１Ａは、本発明の実施形態による、パワーエレクトロニクス素子の内部構成要素を示す。
【図１Ｂ】図１Ｂは、本発明の実施形態による、パワーエレクトロニクス素子の内部構成要素の代替的な図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の好ましい実施形態が、本明細書で示され、説明されているが、そのような実施形態は一例のみとして提供されることが、当業者に明白となるであろう。多数の変形例、変更、および置換が、本発明から逸脱することなく、当業者に想起されるであろう。本明細書で説明される本発明の実施形態に対する種々の代替案が、本発明を実践する際に採用されてもよいことを理解されたい。
【００１２】
図１Ａは、本発明の実施形態による、パワーエレクトロニクス素子の内部構成要素を示す。本発明のいくつかの実施形態では、パワーエレクトロニクス素子は、本素子が、例えば、ＤＣ電力をＡＣ電力に、ＡＣ電力をＤＣ電力に、ＤＣ電力を異なる電圧または様々な電圧でのＤＣ電力に、または、ＡＣ電力を異なる電圧および／または周波数あるいは様々な電圧および／または周波数あるいはそれらの組み合わせでのＡＣ電力に変換するよう機能し得るような電力変換器であってもよい。例えば、いくつかの実施形態では、パワーエレクトロニクス素子は、ＡＣ電気機械を駆動するために使用され得る、３相可変周波数ＡＣインバータであってもよい。ＡＣ電気機械の実施例は、動作のために何らかの形態のＡＣ電力を必要とし得る、モータ、発電機、または任意の種類の機械を含んでもよい。代替として、パワーエレクトロニクス素子は、何らかの形態の電力トランジスタ構成要素および何らかの形態のコンデンサ構成要素を含み得る、任意の種類の電力変換器、インバータ、整流器、または任意の種類の素子であってもよく、これらの構成要素のための何らかの形態の冷却および／または電気的および機械的相互接続を必要としてもよい。
【００１３】
パワーエレクトロニクス素子は、あるシステムにおいて利用されてもよい。例えば、本素子は、自動車、オートバイ、トラック、バン、バス、あるいは他の種類の乗用車、商用車、または産業車、電車または他の種類のレール式車両、船舶、航空機、または他の種類の車両等の車両、あるいは他の種類の商用または工業用機械または機器で使用されてもよい。
【００１４】
パワーエレクトロニクス素子は、高い電流レベルで動作してもよく、同一のサイズおよび重量の従来の素子よりも高い電力を産生してもよい。例えば、パワーエレクトロニクス素子は、約５０Ａ、１００Ａ、２００Ａ、５００Ａ、または１，０００Ａ以上の電流で動作してもよく、約２０ｋＷ、５０ｋＷ、１００ｋＷ、２００ｋＷ、または５００ｋＷ以上の電力を産生してもよい。統合冷却および電気機械構造は、重要な内部構成要素の冷却を提供すること、ならびに電気的および機械的相互接続の性能および実装密度を増加または最適化することによって、パワーエレクトロニクス素子のより高い電力密度を可能にしてもよい。
【００１５】
図１Ｂは、本発明の実施形態による、電気機械構造および冷却方法を伴うパワーエレクトロニクス素子の内部構成要素の代替的な図を示す。パワーエレクトロニクス素子の内部構成要素は、１つ以上の電力トランジスタ構成要素１と、１つ以上のコンデンサ構成要素２と、１つ以上の電力トランジスタ構成要素１および１つ以上のコンデンサ構成要素２と電気的に連通し得る１つ以上の電力相互接続構成要素３と、１つ以上のヒートシンク構成要素４とを備えてもよい。１つ以上の電力トランジスタ構成要素１および１つ以上のコンデンサ構成要素２は、１つ以上のヒートシンク構成要素４と熱的に連通してもよい。１つ以上の電力トランジスタ構成要素および１つ以上のコンデンサ構成要素は、１つ以上のヒートシンク構成要素に直接接触してもよく、または接触しなくてもよい。
【００１６】
一実施例では、１つ以上の電力トランジスタ構成要素は、１つ以上のヒートシンク構成要素の表面に接触する表面を有してもよい。電力トランジスタ構成要素の表面およびヒートシンク構成要素の表面は、形状が相補的であり得る。例えば、電力トランジスタ構成要素の表面およびヒートシンク構成要素の表面の両方は、実質的に平坦であり得、頑強な熱的接続を提供してもよい。同様に、１つ以上のコンデンサ構成要素は、１つ以上のヒートシンク構成要素の表面に接触する表面を有してもよい。コンデンサ構成要素の表面およびヒートシンク構成要素の表面は、形状が相補的であり得る。例えば、コンデンサ構成要素の表面およびヒートシンク構成要素の表面は、実質的に平坦であり得、頑強な熱的接続を提供してもよい。
【００１７】
別の実施例では、１つ以上の電力トランジスタ構成要素は、１つ以上の中間構成要素の表面に接触し得る表面を有してもよく、１つ以上の中間構成要素は、１つ以上のヒートシンク構成要素の表面に接触し得る表面を有してもよい。１つ以上の中間構成要素は、高い熱伝導度の材料から構築されてもよく、または構築されなくてもよい。さらに、１つ以上の中間構成要素は、高い電気伝導度の材料から構築されてもよく、または構築されなくてもよい。場合によっては、材料は、電気絶縁材料であってもよい。１つ以上の中間構成要素は、１つ以上の電力トランジスタ構成要素と１つ以上のヒートシンク構成要素との間に高いまたは最大化熱伝導度を提供するように構成されてもよい。同様に、１つ以上のコンデンサ構成要素は、１つ以上の中間構成要素の表面に接触し得る表面を有してもよく、１つ以上の中間構成要素は、１つ以上のヒートシンク構成要素の表面に接触し得る表面を有してもよい。１つ以上の中間構成要素は、高い熱伝導度の材料から構築されてもよく、または構築されなくてもよい。さらに、１つ以上の中間構成要素は、高い電気伝導度の材料から構築されてもよく、または構築されなくてもよい。場合によっては、材料は、電気絶縁材料であってもよい。１つ以上の中間構成要素は、１つ以上のコンデンサ構成要素と１つ以上のヒートシンク構成要素との間に高いまたは最大化熱伝導度を提供するように構成されてもよい。
【００１８】
いくつかの実施形態では、実質的にいかなる間隙または空間も、ヒートシンク構成要素と、中間構成要素、電力トランジスタ構成要素、および／またはコンデンサ構成要素との間に提供されなくてもよい。例えば、場合によっては、実質的にいかなる間隙または空間も、電力トランジスタ構成要素とヒートシンク構成要素との間に、および／またはコンデンサ構成要素とヒートシンク構成要素との間に提供されない。場合によっては、いかなる中間構成要素も、電力トランジスタ構成要素とヒートシンク構成要素との間に、および／またはコンデンサ構成要素とヒートシンク構成要素との間に提供されない。他の場合においては、１つ以上の中間構成要素が、電力トランジスタ構成要素とヒートシンク構成要素との間に、および／またはコンデンサ構成要素とヒートシンク構成要素との間に提供されてもよい。１つ以上の中間構成要素は、電力トランジスタ構成要素とヒートシンク構成要素との間、および／またはコンデンサ構成要素とヒートシンク構成要素との間の熱伝達を支援してもよい。例えば、１つ以上の中間構成要素は、熱ペーストまたは熱パッド等の何らかの種類の熱界面材料を含んでもよい。１つ以上の中間構成要素は、低い電気伝導度を有してもよい。例えば、１つ以上の中間構成要素の電気伝導度は、電力相互接続構成要素を形成する材料の電気伝導度より低くてもよい。場合によっては、１つ以上の中間構成要素は、１つ以上の電力相互接続構成要素を備えてもよい。代替として、１つ以上の中間構成要素は、１つ以上の電力相互接続構成要素を備えなくてもよい。
【００１９】
電力トランジスタ構成要素の表面は、ヒートシンク構成要素に対面している電力トランジスタ構成要素の表面積の大部分がヒートシンク表面に接触するように、ヒートシンク構成要素の表面に直接接触してもよい。例えば、ヒートシンク構成要素に対面している電力トランジスタ構成要素の表面の５０％、６０％、７０％、８０％、９０％、９５％、９９％、９９．５％、または９９．９％以上が、ヒートシンク表面に接触し、またはヒートシンク表面に接触するように構成されてもよい。電力トランジスタ構成要素とヒートシンク構成要素との間の熱伝達を支援し得る、電力トランジスタ構成要素の表面とヒートシンク構成要素の表面との間に位置する１つ以上の中間構成要素は、電力トランジスタ構成要素がヒートシンクに直接接触すると見なされ得るように、電力トランジスタ構成要素および／またはヒートシンク構成要素に不可欠と見なされてもよい。同様に、コンデンサ構成要素の表面は、ヒートシンク構成要素に対面しているコンデンサ構成要素の表面積の大部分がヒートシンク表面に接触するように、ヒートシンク構成要素の表面に直接接触してもよい。例えば、ヒートシンク構成要素に対面しているコンデンサ構成要素の表面の５０％、６０％、７０％、８０％、９０％、９５％、９９％、９９．５％、または９９．９％以上が、ヒートシンク表面に接触し、またはヒートシンク表面に接触するように構成されてもよい。コンデンサ構成要素とヒートシンク構成要素との間の熱伝達を支援し得る、コンデンサ構成要素の表面とヒートシンク構成要素の表面との間に位置する１つ以上の中間構成要素は、コンデンサ構成要素がヒートシンクに直接接触すると見なされ得るように、コンデンサ構成要素および／またはヒートシンク構成要素に不可欠と見なされてもよい。いくつかの実施形態では、ヒートシンク構成要素に対面している電力トランジスタ構成要素の表面の実質的に全体が、ヒートシンクに直接接触してもよく、および／またはヒートシンク構成要素に対面しているコンデンサ構成要素の表面の実質的に全体が、ヒートシンクに直接接触してもよい。
【００２０】
１つ以上の電力トランジスタ構成要素１および１つ以上のコンデンサ構成要素２は、熱が、１つ以上の電力トランジスタ構成要素１および１つ以上のコンデンサ構成要素２から同一の１つ以上のヒートシンク構成要素４に伝達され、それにより、１つ以上の電力トランジスタ構成要素および１つ以上のコンデンサ構成要素を冷却し得るように、１つ以上のヒートシンク構成要素４の実質的に反対側に位置してもよい。いくつかの実装では、１つ以上の電力トランジスタ構成要素および１つ以上のコンデンサ構成要素は、相互に直接接触しないが、それぞれ同時に１つ以上のヒートシンク構成要素と熱的に連通している。さらに、１つ以上の電力トランジスタ構成要素および１つ以上のコンデンサ構成要素は、それぞれ同時に同一の１つ以上のヒートシンク構成要素と熱的に連通してもよい。加えて、１つ以上の電力トランジスタ構成要素および１つ以上のコンデンサ構成要素は、それぞれ同時に同一の１つ以上のヒートシンク構成要素と直接物理的に接触してもよい。
【００２１】
ヒートシンク構成要素は、第１の側面と、反対側または実質的に反対側の第２の側面とを有してもよい。場合によっては、第１および第２の側面は、実質的に平行であり得る。他の場合においては、第１および第２の側面は、１度の角度、５度の角度、１０度の角度、１５度の角度、３０度の角度、４５度の角度、６０度の角度、７５度の角度、８０度の角度、８５度の角度、または８９度の角度を含み得るが、それらに限定されない角度で、配向されてもよい。１つ以上の電力トランジスタ構成要素は、第１の側面を通してヒートシンクと熱的に連通してもよい。１つ以上のコンデンサ構成要素は、第２の側面を通してヒートシンクと熱的に連通してもよい。ヒートシンクは、第１および第２の側面を接続する、第３の側面、第４の側面、または任意の数の付加的な側面を有してもよい。いくつかの実装では、第３の側面、第４の側面、または任意の数の付加的な側面は、その上に電力トランジスタ構成要素またはコンデンサ構成要素を持たない。代替として、第３の側面、第４の側面、または任意の数の付加的な側面は、第１の側面と熱的に連通し得る１つ以上の電力トランジスタ構成要素、または第２の側面と熱的に連通し得る１つ以上のコンデンサ構成要素に加えて、またはそれらの代わりに、その上に１つ以上の電力トランジスタ構成要素および／または１つ以上のコンデンサ構成要素を有してもよい。
【００２２】
いくつかの実施形態では、１つ以上の電力トランジスタ構成要素１および１つ以上のコンデンサ構成要素２と電気的に連通し得る、１つ以上の電力相互接続構成要素３は、低い抵抗損失を伴って高い電流の伝送を可能にし得る、銅等の高い電気伝導度を伴う材料から構築されてもよい。そのような材料の付加的な実施例は、アルミニウム、真鍮、銀、金、鉄、鋼鉄、スズ、または鉛等の他の金属、あるいは任意の他の導電性材料、あるいはそれらの任意の合金、混合物、または組み合わせを含んでもよい。１つ以上の電力相互接続構成要素３はまた、１つ以上のコンデンサ構成要素２と１つ以上の電力トランジスタ構成要素１との間の送電回路におけるインダクタンスが低い、または最小限化されるように構成されてもよい。
【００２３】
１つ以上の電力相互接続構成要素は、１つ以上の電力トランジスタ構成要素または１つ以上のコンデンサ構成要素に直接接触してもよく、または接触しなくてもよい。場合によっては、１つ以上の電力相互接続構成要素は、１つ以上の導電性中間構成要素または材料を通して、１つ以上の電力トランジスタ構成要素に接触してもよい。同様に、場合によっては、１つ以上の電力相互接続構成要素は、１つ以上の導電性中間構成要素または材料を通して、１つ以上のコンデンサ構成要素と接触してもよい。
【００２４】
１つ以上の電力相互接続構成要素は、１つ以上のヒートシンク構成要素に接触してもよく、または接触しなくてもよい。一実施例では、１つ以上の電力相互接続構成要素は、１つ以上の電力トランジスタ構成要素に接触してもよく、そして１つ以上のヒートシンク構成要素に接触することなく１つ以上のコンデンサ構成要素に接触してもよい。さらに、１つ以上の電力相互接続構成要素は、１つ以上のヒートシンク構成要素と熱的に連通し得る１つ以上の電力トランジスタ構成要素の側面と実質的に反対側にある側面上で１つ以上の電力トランジスタ構成要素に接触してもよい。同様に、１つ以上の電力相互接続構成要素は、１つ以上のヒートシンク構成要素と熱的に連通し得る１つ以上のコンデンサ構成要素の側面と実質的に反対側にある側面上で１つ以上のコンデンサ構成要素に接触してもよい。１つ以上の電力相互接続構成要素が、同時に、１つ以上のヒートシンク構成要素と熱的に連通し得る側面の実質的に反対側にある側面上で１つ以上の電力トランジスタ構成要素に接触し得、また、１つ以上のヒートシンク構成要素と熱的に連通し得る側面の実質的に反対側にある側面上で１つ以上のコンデンサ構成要素に接触し得るように、１つ以上の電力相互接続構成要素は、１つ以上の電力トランジスタ構成要素および１つ以上のコンデンサ構成要素に巻き付く構成を有してもよい。代替として、または加えて、１つ以上の電力相互接続構成要素は、１つ以上の電力トランジスタ構成要素のいずれか１つ以上の側面に接触してもよく、および／または１つ以上のコンデンサ構成要素のいずれか１つ以上の側面に接触してもよい。
【００２５】
場合によっては、１つ以上の電力相互接続構成要素は、１つ以上のヒートシンク構成要素に接触しなくてもよい。１つ以上の電力相互接続構成要素は、ヒートシンク構成要素に接触することなく、ヒートシンク構成要素の１つ以上の側面の外側で、および／またはそれに沿って通過してもよい。１つ以上の電力相互接続構成要素は、ヒートシンク構成要素に接触することなく、ヒートシンク構成要素の中の穴または開口部を通過してもよく、または通過しなくてもよい。いくつかの実装では、１つ以上の電力相互接続構成要素は、１つ以上のヒートシンク構成要素の任意の部分を通過しなくてもよい。１つ以上の電力相互接続構成要素は、１つ以上のヒートシンク構成要素の外部の周囲で、および／またはそれに沿って通過してもよい。
【００２６】
別の実施例では、１つ以上の電力相互接続構成要素は、１つ以上の電力トランジスタ構成要素に接触してもよく、１つ以上のコンデンサ構成要素に接触してもよく、また、１つ以上のヒートシンク構成要素に接触し、および／または熱的に連通してもよい。１つ以上の電力相互接続構成要素は、１つ以上のヒートシンク構成要素と熱的に連通し得る１つ以上の電力トランジスタ構成要素の実質的に同一の側面上で１つ以上の電力トランジスタ構成要素に接触してもよく、１つ以上の電力相互接続構成要素はまた、１つ以上のヒートシンク構成要素に接触し、および／または熱的に連通してもよい。同様に、１つ以上の電力相互接続構成要素は、１つ以上のヒートシンク構成要素と熱的に連通し得る１つ以上のコンデンサ構成要素の実質的に同一の側面上で１つ以上のコンデンサ構成要素に接触してもよく、１つ以上の電力相互接続構成要素はまた、１つ以上のヒートシンク構成要素に接触し、および／または熱的に連通してもよい。
【００２７】
１つ以上の電力相互接続構成要素は、１つ以上のヒートシンク構成要素に直接接触してもよく、または接触しなくてもよい。場合によっては、１つ以上の電力相互接続構成要素は、１つ以上のヒートシンク構成要素の表面に接触する表面を有してもよい。電力相互接続構成要素の表面およびヒートシンク構成要素の表面は、形状が相補的であり得る。例えば、電力相互接続構成要素の表面およびヒートシンク構成要素表面の両方は、実質的に平坦であり得、頑強な熱的接続を提供してもよい。電力相互接続構成要素の表面は、ヒートシンク構成要素に対面している電力相互接続構成要素の表面積の大部分がヒートシンク表面に接触するように、ヒートシンク構成要素の表面に直接接触してもよい。例えば、ヒートシンク構成要素の表面に対面している電力相互接続構成要素の表面の５０％、６０％、７０％、８０％、９０％、９５％、９９％、９９．５％、または９９．９％以上が、ヒートシンク表面に接触し、またはヒートシンク表面に接触するように構成されてもよい。いくつかの実施形態では、実質的にいかなる間隙または空間も、電力相互接続構成要素の表面と、電力トランジスタ構成要素に対面しているヒートシンク構成要素の側面上のヒートシンク構成要素の表面との間に提供されなくてもよい。他の実施形態では、実質的にいかなる間隙または空間も、電力相互接続構成要素表面と、コンデンサ構成要素に対面しているヒートシンク構成要素の側面上のヒートシンク構成要素の表面との間に提供されなくてもよい。他の場合においては、１つ以上の電力相互接続構成要素は、１つ以上の中間構成要素の表面に接触し得る表面を有してもよく、１つ以上の中間構成要素は、１つ以上のヒートシンク構成要素の表面に接触し得る表面を有してもよい。１つ以上の中間構成要素は、高い熱伝導度の材料から構築されてもよく、または構築されなくてもよい。さらに、１つ以上の中間構成要素は、高い電気伝導度の材料から構築されてもよく、または構築されなくてもよい。場合によっては、材料は、電気絶縁材料であってもよい。１つ以上の中間構成要素は、１つ以上の電力相互接続構成要素と１つ以上のヒートシンク構成要素との間に高いまたは最大化熱伝導度を提供するように構成されてもよい。電力相互接続構成要素とヒートシンク構成要素との間の熱伝達を支援し得る、電力相互接続構成要素の表面とヒートシンク構成要素の表面との間に位置する１つ以上の中間構成要素は、電力相互接続構成要素がヒートシンクに直接接触すると見なされ得るように、電力相互接続構成要素および／またはヒートシンク構成要素に不可欠と見なされてもよい。
【００２８】
いくつかの実施形態では、電力相互接続構成要素は、１つ以上の屈曲、湾曲、または襞を有してもよい。屈曲の任意の説明はまた、湾曲または襞、あるいは他の表面特徴または形状に適用されてもよく、逆も同様である。例えば、電力相互接続構成要素は、角度のあるＣ字形を形成するように、２つ以上の実質的に垂直な屈曲を伴う巻き付き構成を有してもよい。電力相互接続構成要素は、ヒートシンクの１つの側面に沿った第１の屈曲、およびヒートシンクの別の側面に沿った第２の屈曲を有してもよい。電力相互接続構成要素は、ヒートシンク構成要素に実質的に対向している電力トランジスタ構成要素に、またはその付近に第１の屈曲を、および／またはヒートシンク構成要素に実質的に対向しているコンデンサ構成要素に、またはその付近に第２の屈曲を有してもよい。第１および第２の屈曲は、電力相互接続構成要素が少なくとも部分的に電力トランジスタ構成要素およびコンデンサ構成要素に巻き付くことを可能にしてもよい。いくつかの実施形態では、電力トランジスタ構成要素、ヒートシンク構成要素、および／またはコンデンサ構成要素の少なくとも一部分は、電力相互接続構成要素の部分の間に位置してもよい。
【００２９】
いくつかの実施形態では、１つ以上の電力トランジスタ構成要素１は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＢＧＴ）モジュール等の電力半導体モジュールであってもよい。代替として、他の実施形態では、１つ以上の電力トランジスタ構成要素は、当技術分野で公知である、または後に開発される、任意の種類の電力トランジスタ構成要素、素子、または装置、あるいはそれらの任意の構成、変形例、または組み合わせであってもよい。さらに、１つ以上の電力トランジスタ構成要素は、任意の物理的形態、構造、または構成を有してもよく、任意の種類の包装、エンクロージャ、取付、または接続を備えてもよい。
【００３０】
いくつかの実施例では、１つ以上の電力トランジスタ構成要素１は、１つ以上の電力トランジスタモジュールを備えてもよく、複数の個々の電力トランジスタ素子は、単一のエンクロージャの中でともに包装されてもよい。他の実施例では、１つ以上の電力トランジスタ構成要素は、１つ以上の離散電力トランジスタ素子を備えてもよく、単一の電力トランジスタ素子は、個々のエンクロージャの中で別々に包装されてもよい。さらに、場合によっては、１つ以上の電力トランジスタ構成要素は、加えて、電力トランジスタ素子とともに、ダイオード素子、感知素子、または任意の他の種類の素子、あるいはそれらの組み合わせ等の任意の数の他の種類の素子を備えてもよく、または備えなくてもよい。
【００３１】
電力トランジスタ素子は、任意の種類の半導体素子であってもよく、シリコン、ゲルマニウム、炭化ケイ素、ヒ化ガリウム、窒化ガリウム、あるいは当技術分野で公知である、または後に開発される任意の他の種類の半導体材料、またはそれらの任意の組み合わせ等の半導体材料を含んでもよい。電力トランジスタ素子は、バイポーラ接合トランジスタ（ＢＪＴ）、接合ゲート電界効果ランジスタ（ＪＦＥＴ）、金属酸化膜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）、あるいは当技術分野で公知である、または後に開発される任意の他の種類のトランジスタ構造、またはそれらの組み合わせ等の任意の種類のトランジスタ構造を有してもよい。
【００３２】
いくつかの実施形態では、１つ以上のコンデンサ構成要素２は、ポリプロピレンフィルムコンデンサ等のフィルム型コンデンサであってもよい。代替として、他の実施形態では、１つ以上のコンデンサ構成要素は、ポリアミドフィルム、ポリカーボネートフィルム、ポリエステルフィルム、ポリイミドフィルム、ポリスチレンフィルム、ポリスルホンフィルム、またはポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）フィルムコンデンサ等の任意の他の種類のフィルムコンデンサ、あるいは紙、ガラス、雲母、セラミック、酸化アルミニウム電解、酸化タンタル電解、油入、真空、電気二重層コンデンサ（ＥＤＬＣ）等の任意の他の種類のコンデンサ、あるいは当技術分野で公知である、または後に開発される任意の他の種類の容量または電気エネルギー貯蔵構成要素、素子、または装置、あるいはそれらの任意の構成、変形例、または組み合わせであってもよい。さらに、１つ以上のコンデンサ構成要素は、任意の物理的形態、構造、または構成を有してもよく、任意の種類の包装、エンクロージャ、取付、または接続を備えてもよい。
【００３３】
いくつかの実施形態では、１つ以上の電力相互接続構成要素３は、電力相互接続バスを備えてもよい。電力相互接続バスは、１つ以上の電力トランジスタ構成要素１および１つ以上のコンデンサ構成要素２と電気的に連通してもよい。場合によっては、電力相互接続バスは、２つ以上の導電性構成要素を備えてもよい。２つ以上の導電性構成要素は、１つ以上の電気絶縁構成要素または材料によって分離されてもよく、または分離されなくてもよい。さらに、２つ以上の導電性構成要素は、１つ以上のコンデンサ構成要素２と１つ以上の電力トランジスタ構成要素１との間の送電回路の静電容量が、所望の範囲内であるように構成されてもよく、または構成されなくてもよい。
【００３４】
代替として、他の実施形態では、１つ以上の電力相互接続構成要素３は、１つ以上の電力トランジスタ構成要素１と１つ以上のコンデンサ構成要素２との間で電力を伝達することが可能であり得る、任意の種類の構成要素、材料、または装置を備えてもよい。さらに、１つ以上の電力相互接続構成要素は、任意の物理的形態、構造、または構成を有してもよく、任意の種類の包装、エンクロージャ、取付、または接続を備えてもよい。例えば、１つ以上の電力相互接続構成要素は、１つ以上のワイヤ、ストリップ、バー、プレート、メッシュ、ネット、ブロック、あるいはそれらの任意の構成、変形例、または組み合わせを含み、または利用してもよい。
【００３５】
加えて、１つ以上の電力相互接続構成要素３は、１つ以上の電力相互接続構成要素の温度を周囲条件以上の所望の上昇に限定しながら、１つ以上の電力相互接続構成要素が、１つ以上の電力トランジスタ構成要素１と１つ以上のコンデンサ構成要素２との間で特定量の電力を伝達することが可能であるように、構成されてもよく、または構成されなくてもよい。
【００３６】
いくつかの実施形態では、１つ以上のヒートシンク構成要素４は、熱がヒートシンクから流体へ伝達され、それにより、ヒートシンクを冷却し得るように、ヒートシンクを通って流れるように流体を方向付けることによって冷却され得る、冷却板型ヒートシンクであってもよい。代替として、他の実施形態では、１つ以上のヒートシンク構成要素４は、１つ以上のヒートシンク構成要素が、１つ以上の電力トランジスタ構成要素１、１つ以上のコンデンサ構成要素２、および／または１つ以上の電力相互接続構成要素３から、１つ以上のヒートシンク構成要素へ熱を伝達し得るように、当技術分野で公知である、または後に開発される任意の種類のヒートシンク構成要素、素子、または装置であってもよい。さらに、１つ以上のヒートシンク構成要素は、任意の物理的形態、構造、または構成を有してもよく、任意の種類の包装、エンクロージャ、取付、または接続を備えてもよい。場合によっては、１つ以上のヒートシンク構成要素は、１つ以上の電力トランジスタ構成要素、１つ以上のコンデンサ構成要素、および／または１つ以上の電力相互接続構成要素から、周囲空気または条件へ熱を伝達してもよい。周囲空気または条件は、活発に流れる流体を有してもよく、または持たなくてもよい。受動または能動熱伝達が起こってもよい。
【００３７】
１つ以上のヒートシンク構成要素を通って流れるように方向付けられ得る冷却流体は、当技術分野で公知である任意の流体であってもよい。流体は、液体またはガス状流体を含んでもよい。いくつかの実施形態では、冷却流体は、空気等のガス、あるいは水、油、または任意の種類の液体誘電性流体等の液体、あるいは任意のそのような流体の蒸気または霧、または任意の他の種類の流体であってもよい。当技術分野で公知である、または後に開発される、任意の種類の冷却剤が利用されてもよい。いくつかの実施形態では、流体の組み合わせが提供されてもよい。例えば、約半分の水および半分のエチレングリコールまたはプロピレングリコールから成る溶液が、使用されてもよい。流体は、所望の熱的、電気的、化学的、または流動性質に従って選択されてもよい。例えば、流体は、所望の範囲内の比熱を有してもよく、または所望の値以上の抵抗率を伴って非導電性である流体であってもよく、あるいはパワーエレクトロニクス素子を備える構成要素に対して化学的に不活性である、または反応する流体であってもよく、または所望の範囲内の粘度を伴う流体であってもよい。
【００３８】
パワーエレクトロニクス素子に供給される流体は、加圧されてもよく、または加圧されなくてもよい。場合によっては、流体は、ポンプまたは圧縮機等の陽圧源によって加圧されてもよい。陽圧源は、素子の外部に（例えば、素子の入口側に）あってもよく、または素子の一部であってもよい。他の実施形態では、流体は、真空等の陰圧源によって加圧されてもよい。陰圧源は、素子の外部に（例えば、素子の出口側に）あってもよく、または素子の一部であってもよい。場合によっては、圧力源は、パワーエレクトロニクス素子に不可欠であり得、素子内の流体の流動を支援してもよい。流体流動を支援し得る、任意の圧力差が作成されてもよい。加えて、流体流動は、重力によって支援されてもよい。場合によっては、流体流動は、対流効果または他の温度差によって支援されてもよい。
【００３９】
いくつかの実施例では、流体は、ヒートシンク構成要素内に含有されてもよく、ヒートシンク構成要素内で流れてもよい。代替として、流体は、外部源からヒートシンクに提供されてもよい。流体は、ヒートシンクから退出してもよい。ヒートシンクに進入し、そこから退出する流体は、閉ループ流体取扱システムの一部であってもよく、または開ループシステムの一部であってもよい。ヒートシンク構成要素は、流体がその中で流れることを可能にし得る、１本以上の内部導管を有してもよい。ヒートシンク構成要素は、その中に１つ以上のチャネルまたはフィンを有してもよく、１つ以上のプレートで形成されてもよく、シェルおよび管構成を有してもよく、あるいは任意の構成または特徴を有してもよく、またはそれらの任意の組み合わせを備えてもよい。
【００４０】
ヒートシンク構成要素の露出面は、所望の材料性質を有してもよい。いくつかの実施形態では、ヒートシンク構成要素の露出面は、その中に流体流動特徴を含有し得る、筐体またはエンクロージャであってもよい。別の実施例では、ヒートシンク構成要素の露出面は、中実であり得る、またはそうではない場合がある、熱ブロックの外面であってもよい。ヒートシンク構成要素の露出面は、熱伝導性であり得る。好ましくは、ヒートシンク構成要素の露出面は、高い熱伝導度を有してもよい。ヒートシンク構成要素の露出面は、高い電気伝導度を有してもよく、または有さなくてもよい。場合によっては、ヒートシンク構成要素の露出面は、低い電気伝導度を有してもよく、または電気絶縁であり得る。
【００４１】
いくつかの実施形態では、電力トランジスタ構成要素およびコンデンサ構成要素を同一のヒートシンク構成要素に接触させることにより、ヒートシンク構成要素が、電力トランジスタ構成要素およびコンデンサ構成要素の両方を同時に冷却することを可能にしてもよい。この構成は、電力トランジスタ構成要素およびコンデンサ構成要素専用の個々のヒートシンク構成要素を通して別個の冷却を提供するために、付加的なヒートシンク構成要素が利用された場合よりも少ない構成要素を必要としてもよい。電力トランジスタ構成要素および／またはコンデンサ構成要素をヒートシンク構成要素に直接接触させることにより、電力トランジスタ構成要素および／またはコンデンサ構成要素からヒートシンク構成要素への効果的および／または効率的な熱の伝導を可能にしてもよい。同様に、１つ以上の熱伝導性中間構成要素を通して、電力トランジスタ構成要素および／またはコンデンサ構成要素をヒートシンク構成要素に接触させることにより、電力トランジスタ構成要素および／またはコンデンサ構成要素からヒートシンク構成要素への効果的および／または効率的な熱の伝導を可能にしてもよい。熱は、伝導を介して、電力トランジスタ構成要素および／またはコンデンサ構成要素からヒートシンク構成要素へ伝達されてもよい。電力トランジスタ構成要素および／またはコンデンサ構成要素とヒートシンク構成要素との間に比較的広い表面積接触を有することにより、高いまたは最大化伝導性熱伝達率を可能にしてもよい。
【００４２】
本発明の実施形態によるパワーエレクトロニクス素子構成は、パワーエレクトロニクス素子が、比較的小型の設置面積および／または包装体積を有することを可能にしてもよい。例えば、パワーエレクトロニクス素子は、約１００ｃｍ２、２００ｃｍ２、または４００ｃｍ２より大きい、それ未満、および／またはそれに等しい設置面積を有してもよい。さらに、例えば、パワーエレクトロニクス素子は、約１０ｃｍ、１５ｃｍ、または２０ｃｍより大きい、それ未満、および／またはそれに等しい包装高さを有してもよい。
【００４３】
パワーエレクトロニクス素子の全体または一部は、筐体によって包囲されてもよい。素子筐体は、格納、支持、および／または保護、あるいは任意の他の類似機能の目的で、素子の全体または一部を包囲する任意の構造または構成要素を含んでもよい。構造または構成要素は、素子筐体として機能してもよく、または素子筐体の一部を備えてもよく、加えて、他の非関連機能を果たしてもよい。筐体は、素子アセンブリの全体または一部を包囲してもよく、あるいは素子の個々の構成要素の全体または一部を包囲してもよい。パワーエレクトロニクス素子の１つ以上の個々の構成要素の全体または一部を包囲する、１つ以上の個々の構造または構成要素は、別々に素子筐体として機能してもよく、また、集合的に素子筐体を備えてもよい。本明細書で言及される素子筐体はまた、本明細書で提供される説明から逸脱することなく、ケース、フレーム、エンクロージャ、または他の類似用語を含む、他の用語によって言及されてもよいことが、当業者に明白となるであろう。本明細書で言及されるような素子筐体は、集合的に、パワーエレクトロニクス素子またはパワーエレクトロニクス素子の個々の構成要素のうちのいずれかのために、格納、支持、および／または保護の機能、あるいは任意の他の類似機能を果たし得る、ありとあらゆる個々の構造および／または構成要素（例えば、ヒートシンク）を含んでもよい。いくつかの実施形態では、素子筐体の全体または一部は、流体密閉型であり得る。
【００４４】
パワーエレクトロニクス素子は、高電力接続を利用してもよい。信頼できる高電力接続は、容認可能な電流密度を伴う低抵抗電気接触を必要としてもよい。銅ＤＣ電力接続における典型的な最大電流密度は、約２．２×１０６Ａ／ｍ２であってもよい。これは、典型的には、接続の温度上昇を、４０℃以上の周囲温度において３０℃未満に限定してもよい。例えば、ＡＮＳＩ  Ｃ３７．２０Ｃ−１９７４、ＩＥＥＥ規格２７−１９７４を参照されたい。銅３相ＡＣ電力接続では、７×１０６Ａ／ｍ２の最大ピーク電流密度が、従来、パワーエレクトロニクス素子で信頼できるものとして使用されていた。
【００４５】
特定の実装が図示および説明されているが、種々の修正をそれに行うことができ、本明細書で考慮されることを理解されたい。また、本発明が、本明細書内で提供される具体的実施例によって限定されることは意図されない。本発明は、前述の本明細書を参照して説明されているが、本明細書の好ましい実施形態の説明および例証は、限定的な意味で解釈されるように意図されていない。さらに、本発明の全ての側面は、種々の条件および変数に依存する、本明細書に記載される特定の描写、構成、または相対的割合に限定されないことを理解されたい。本発明の実施形態の形態および詳細における種々の修正が、当業者に明白となるであろう。したがって、本発明はまた、任意のそのような修正、変形例、および同等物も対象とするものであると考慮される。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【国際調査報告】
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