CN102029922A - 基于双面铝基板的功率mosfet并联电路及结构设计 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电动汽车用功率驱动单元的结构设计，具体地说是一种基于双面铝基板的功率MOSFET并联电路的结构设计。本发明针对多个MOSFET并联使用的电路结构特点，设计出了一种新的工艺结构。这种结构是在传统铝基板上层压一双面环氧板，以较小的板面积提供较大的功率密度和良好的热传导性。本发明包括一种双面铝基板的三相并联电路的工艺结构设计，使各汇流区完成对应MOSFET的并联；一种MOSFET与铝基板的导热处理，采用阵列过孔焊盘，使每只功率MOSFET得到和铝基板之间更好的热传导；一种双面铝基板的5层结构；一种输入输出信号的结构设计，使各并联的MOSFET由同一个连接器输入控制信号；一种电源输入及驱动信号输出结构设计，设置了以压接方式连接的端口，采用圆形焊盘，同时采用螺钉紧固的连接方式；一种双面铝基板的电性能特点的结构设计，两块这样的结构并联使输出电流可达到600Arms@2min。

Description

基于双面铝基板的功率MOSFET并联电路及结构设计
技术领域
本发明涉及一种电动汽车用功率驱动单元的结构设计，具体地说是一种基于双面铝基板的功率MOSFET并联电路及其结构设计。
背景技术
随着石油能源的日益减少及人类对环境污染的日益关注，现在以永磁同步和交流异步电机构成的电动汽车及混合动力汽车动力***已引起各汽车厂商的高度关注。动力***目前主要有两个方向，一类是以铅酸蓄电池为动力电源的低压***，电压一般在100V以内，主要应用于电动轿车；另一类则是高压***，其电压在200V以上，主要应用于高速乘用电动汽车及混合动力大巴。在低压***中，铅酸蓄电池技术已非常成熟，产品性能稳定，因而目前低压电动***发展较快。在现有的功率器件中，MOSFET以其开关速度快，控制电路简单，易于并联等特点，非常适合该低压电动***。低压MOSFET的沟道电阻一般在几十毫欧，甚至更低(采用trench工艺的MOSFET，其沟道电阻可以做到几毫欧)，这样其导通损耗很低，另外其沟道电阻具有正温度系数，使得MOSFET适合于并联使用，理想情况下并联后的电流能力为各单个器件电流之和，因而可以根据***功率要求，决定并联MOSFET的个数。但使用多个并联MOSFET带来的缺点是，增加了器件连接及散热问题。
随着科技的进步，新的功率器件也不断被应用于各种场合，如IGBT。IGBT一般被做成模块，多个器件封装在一个封装内，将控制和输出端以引脚的方式引出，因而其电路连接非常简单，散热也容易处理。虽然IGBT有以上优点，但其价格却非常昂贵，在这种低压小功率***，使用IGBT，成本较MOSFET要高出很多，因此MOSFET还是低压***的首选元件。
目前针对多个MOSFET并联使用，其结构设计主要有两种：1)基于直流母排连接，这种结构的具体实施方法大致如下：先规划好元件的分布及直流母排的连接方式，然后将焊接在PCB板子上的MOSFET元件，通过设计好的直流母排连接在一起，这种方法的主要缺点有：安装工艺复杂，实际生产起来效率较低，而且维修及调试非常不方便；2)基于单面铝基板结构：这种方法使用的是贴片功率MOSFET，单面铝基板使用单层铜箔连接，其电流回路需要比较大的面积。单面铝基板结构与直流母排连接结构相比，其安装工艺已大大简化，已克服了直流母排结构的缺点，但这种结构也有其缺点，那就是其功率密度较低。当然除了以上两种方法以外还有其他一些方法，但都有一定的缺点。针对以上方法的缺点，这里设计出一种新的结构工艺：基于双面铝基板的结构。这种结构是在传统铝基板上层压一双面环氧板，这样可以以较小的板面积，提供较大的功率密度和良好的热传导性。
发明的内容
本发明为了克服现有技术中的不足，提供一种新的结构工艺：基于双面铝基板的结构，这种结构是在传统铝基板上层压一双面环氧板，这样可以以较小的板面积，提供较大的功率密度和良好的热传导性。
本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：基于双面铝基板的结构，这种结构是在传统铝基板上层压一双面环氧板，这样可以以较小的板面积，提供较大的功率密度和良好的热传导性。
本发明包括一种双面铝基板的三相并联电路的工艺结构设计，使各汇流区完成对应MOSFET的并联；一种MOSFET与铝基板的导热处理，MOSFET的焊盘采用阵列过孔焊盘，这样可使每只功率MOSFET得到和铝基板之间更好的热传导；包括一种双面铝基板的5层结构；一种输入输出信号结构设计，使各并联的MOSFET由同一个连接器输入控制信号；一种电源输入及驱动信号输出结构设计，输入输出端设置了以压接方式连接的端口，采用圆形焊盘，用螺钉紧固的连接方式使生产操作简单，效率高并易于模块化，使各模块连接简单；一种双面铝基板的电性能特点的结构设计，两块这样的结构并联使输出电流可达到600Arms@2min。
所述双面铝基板的三相并联电路的工艺结构设计，三相低压电动***中MOSFET并联如图1，Q1至Q16为W相的MOSFET，Q13至Q32为V相的MOSFET，Q33至Q48为U相的MOSFET。其中Q1至Q4和Q13至Q16，这8个MOSFET并联；Q5至Q12这8个MOSFET并联；Q17至Q20和Q29至Q32，这8个MOSFET并联；Q21至Q28，这8个MOSFET并联；Q33至Q37和Q46至Q48，这8个MOSFET并联；Q38至Q45这8个MOSFET并联。Q1至Q48在双面铝基板上的分布如图2所示，按U、V、W相的分布将整个铝基板可以分成3个区域，这48个MOSFET对称分布在这3个区域中。Q1至Q8分布在左上角W相的区域，Q9至Q16分布在左下角W相的区域；Q17至Q24分布在中上部V相的区域，Q25至Q32分布在中下部V相的区域；Q34至Q41分布在右上角U相的区域，Q33和Q42至Q48分布在右下脚U相的区域。在图2中，同时给出了MOSFET的电流分布，由于各相电流走向是一致的，这里具体分析W相的电流走向。W相的电流走向如图2中左半部分所示，“B+”为顶层PCB铜箔，其对外连接电源正端，对MOSFET连接关系为，W相的Q5至Q12的漏极连接“B+”PCB铜箔，这样电流有电源正端流入Q5至Q12的漏极，从Q5至Q12的源极流出，Q5至Q8的源极与Q1至Q4的漏极相连，Q9至Q12的源极与Q13至Q16的漏极相连接，在Q1至Q4的漏极与Q13至Q16的漏极，各有一个对外连接焊盘，通过外部铜排将Q1至Q4和Q13至Q16的漏极连接，这样Q1至Q4与Q13至Q16的漏极实现并联，Q1至Q4与Q13至Q16的源极通过底层PCB铜箔与电源负端“B-”连接，完成电流由“B+”输入至“B-”输出的电流回路。图2中各汇流区即完成对应MOSFET的并联。图4为PCB顶层布线图，即对应图2的连接关系。
所述MOSFET与铝基板的导热处理：图3为MOSFET与铝基板焊接的示意图，MOSFET选用贴片封装，在PCB上，MOSFET的焊盘，采用阵列过孔焊盘，这种的焊盘导热效果较好。
所述双面铝基板有5层，如图6所示。第一层为顶层铜箔，这一层为顶层导电层，其铜箔厚度一般在35um～140um；第二层为FR-4环氧板，其厚度一般在0.2mm～0.4mm；第三层为底层铜箔，这一层为底层导电层；第四层为高导热率的绝缘层，一般为陶瓷填充的特殊聚合物，其厚度一般在70um～150um；第五层为铝基板，这一层也有用铜为基层的，铝层的厚度一般在0.6mm～2mm，铜层的厚度一般在1.0mm～2.0mm。
所述输入输出端子：如图5所示，MOSFET控制信号通过输入端子16将三相六路MOSFET的栅极控制信号输入该控制板，以控制各MOSFET的导通-截止时间，各并联的MOSFET由同一个控制信号控制；
所述电源输入及驱动信号输出：该功率模块有两个电源输入端(如图中的13和15)和三个驱动信号输出端(如图中的W相，U相，V相)，在铝基板上，已经为这些输入输出端设置了以压接方式连接的端口(如图中的1，2，3，4，5)。电源输入端，采用圆形焊盘，如图3中所示的“B+铜柱安装位”和“B-铜柱安装位”。输出端以U相为例，连接时，通过铜排4将两边的输出连接在一起，输出是通过铜套5和组合螺钉2相连接的，U相输出由铜柱1输出，铜排4和铜柱1由紧定螺钉3固定连接。这种采用螺钉紧固连接方式相对于焊接方式有很多优点，例如铝基板散热面积大，焊接较困难；生产操作简单，效率高；易于模块化，各模块连接简单。
所述双面铝基板的结构如图中的7，8，9，10，11，双面铝基板通过导热界面材料6与散热器12固定连接。
所述双面铝基板的电性能特点：由Q1至Q48并联构成的三相电机驱动板，其最大输出电流可达到300Arms(@2min)。通过以上方式设计的铝基板还可以当做一个标准功率模块，当需要更大的功率输出时，可以将以上结构的铝基板并联，并联时只需通过将相应输入输出端子链接在一起即可。例如将两块这样的模块并联，其输出电流可达到600Arms(@2min)。
本发明与现有技术相比，其有益效果表现如下：
本发明使用基于双面铝基板的小容量器件并联电路的结构设计。MOSFET以其开关速度快，控制电路简单，易于并联等特点，非常适合低压电动***，使产品性能稳定。摒弃了IGBT价格昂贵的缺点，减少了生产商的成本25％以上。本发明基于双面铝基板的结构，这种结构在单面铝基板的基础上，在PCB上再增加一层铜箔，这样可以以较小的板面积，提供较大的功率密度。同时采用螺钉紧固的连接方式，相对于焊接方式有很多优点。例如铝基板散热面积大，焊接较困难等。采用这种方式使生产操作简单，效率高；易于模块化，各模块连接简单。本发明配合MOSFET并联结构，工艺易于实现，配套控制***的使用也具有较大灵活性，对低压电动***的推广使用起了积极作用。
附图说明
图1是本发明的MOSFET并联原理图；
图2是本发明的PCB上MOSFET分布及电流关系；
图3是本发明的MOSFET焊接特点图；
图4是本发明的PCB顶层示意图；
图5是本发明的整体结构示意图；
图6是本发明的双面铝基板结构图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明做进一步描述：
如图1，规划原理图，分析MOSFET在PCB上的分布。三相低压电动***中MOSFET并联如图1，Q1至Q16为W相的MOSFET，Q13至Q32为V相的MOSFET，Q33至Q48为U相的MOSFET。其中Q1至Q4和Q13至Q16，这8个MOSFET并联；Q5至Q12这8个MOSFET并联；Q17至Q20和Q29至Q32，这8个MOSFET并联；Q21至Q28，这8个MOSFET并联；Q33至Q37和Q46至Q48，这8个MOSFET并联；Q38至Q45这8个MOSFET并联。Q1至Q48在双面铝基板上的分布如图2所示，按U、V、W相的分布将整个铝基板可以分成3个区域，这48个MOSFET对称分布在这3个区域中。Q1至Q8分布在左上角W相的区域，Q9至Q16分布在左下角W相的区域；Q17至Q24分布在中上部V相的区域，Q25至Q32分布在中下部V相的区域；Q34至Q41分布在右上角U相的区域，Q33和Q42至Q48分布在右下脚U相的区域。在图2中，同时给出了MOSFET的电流分布，由于各相电流走向是一致的，这里具体分析W相的电流走向。W相的电流走向如图2中左半部分所示，“B+”为顶层PCB铜箔，其对外连接电源正端，对MOSFET连接关系为，W相的Q5至Q12的漏极连接“B+”PCB铜箔，这样电流有电源正端流入Q5至Q12的漏极，从Q5至Q12的源极流出，Q5至Q8的源极与Q1至Q4的漏极相连，Q9至Q12的源极与Q13至Q16的漏极相连接，在Q1至Q4的漏极与Q13至Q16的漏极，各有一个对外连接焊盘，通过外部铜排将Q1至Q4和Q13至Q16的漏极连接，这样Q1至Q4与Q13至Q16的漏极实现并联，Q1至Q4与Q13至Q16的源极通过底层PCB铜箔与电源负端“B-”连接，完成电流由“B+”输入至“B-”输出的电流回路。图2中各汇流区即完成对应MOSFET的并联。图4为PCB顶层布线图，即对应图2的连接关系。
如图5所示，1)：MOSFET控制信号通过输入端子16将三相六路MOSFET的栅极控制信号输入该控制板，以控制各MOSFET的导通-截止时间，各并联的MOSFET由同一个控制信号控制；
2)电源输入及驱动信号输出：该功率模块有两个电源输入端(如图中的13和15)和三个驱动信号输出端(如图中的W相，U相，V相)，在铝基板上，已经为这些输入输出端设置了以压接方式连接的端口(如图中的1，2，3，4，5)。电源输入端，采用圆形焊盘，如图3中所示的“B+铜柱安装位”和“B-铜柱安装位”。输出端以U相为例，连接时，通过铜排4将两边的输出连接在一起，输出是通过铜套5和组合螺钉2相连接的，U相输出由铜柱1输出，铜排4和铜柱1由紧定螺钉3固定连接。
3)双面铝基板的结构如图中的7，8，9，10，11，双面铝基板通过导热界面材料6与散热器12固定连接。
利用本发明所述的技术方案，或本领域的技术人员在本发明技术方案的启发下，设计出类似的技术方案，而达到上述的技术效果的，均是落入本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种MOSFET并联电路，其特征在于：所用的铝基板为双面铝基板。
2.根据权利要求1所述的一种MOSFET并联电路，其特征在于：双面铝基板的一面为环氧板。
3.一种MOSFET并联电路的结构设计，其特征在于：双面铝基板采用5层结构：第一层为顶层铜箔，这一层为顶层导电层；第二层为FR-4环氧板；第三层为底层铜箔，这一层为底层导电层；第四层为高导热率的绝缘层；第五层为铝基板。
4.根据权利要求3所述的MOSFET并联电路的结构设计，其特征在于：MOSFET的焊盘采用阵列过孔焊盘。
5.根据权利要求3所述的MOSFET并联电路的结构设计，其特征在于：MOSFET控制信号通过输入端子16将三相六路MOSFET的栅极控制信号输入该控制板，以控制各MOSFET的导通-截止时间，使各并联的MOSFET由同一个控制信号控制。
6.根据权利要求3所述的MOSFET并联电路的结构设计，其特征在于：输入输出端设置了以压接方式连接的端口，采用圆形焊盘，用螺钉紧固的连接方式。
7.根据权利要求3所述的MOSFET并联电路的结构设计，其特征在于：由Q1至Q48并联构成的三相电机驱动板，其最大输出电流可达到300Arms(@2min)；当需要更大的功率输出时，可以将以上结构的铝基板并联。
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