CN109860160B - 一种结构紧凑且寄生电感低的功率模块 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种结构紧凑且寄生电感低的功率模块，包括至少一个单元；单元包括正电极、负电极、输出电极、底板和设于底板上的一个或两个绝缘基板。本发明的输出电极连接下桥臂铜层，能够减小回路电阻和寄生电感，能够使得功率模块更加紧凑。本发明中，正、负电极离上桥臂铜层和下桥臂铜层都很近，不需要狭长的上桥臂铜层，并且上桥臂芯片单元不工作时电流也无需借助其表面的键合线流过，因此本发明能够缩短电流路径，从而减小回路电阻和寄生电感。

Description

一种结构紧凑且寄生电感低的功率模块
技术领域
本发明涉及电力电子功率模块，特别是涉及一种结构紧凑且寄生电感低的功率模块。
背景技术
功率模块是电力电子器件如金属氧化物半导体(功率MOS管)、绝缘栅型场效应晶体管(IGBT)、快恢复二极管(FRD)按一定的功能组合封装成的电力开关模块，其主要用于电动汽车、光伏发电、风力发电、工业变频等各种场合下的功率转换。
现有电力电子功率模块的寄生电感、回路电阻偏大，在开关工作时造成过冲电压较大、损耗增加，影响了转换效率的提升，限制了在高开关频率场合的应用。碳化硅(SiC)金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)与硅绝缘栅双极型晶体管(IGBT)相比，具有更低的开关损耗，更快的开关速度。此时高速开关过程对寄生参数非常敏感，容易激发高频振荡和过冲，给器件和电力电子装置的高效、安全运行带来不利影响。现有封装存在的寄生电感造成SiC器件无法高频工作，难以充分发挥SiC器件的优越性能。
图1为现有技术中申请号为201810077894.2的专利申请的技术方案。在该技术方案中，功率模块包括功率端子、信号端子、绝缘基板、芯片部分、塑料外壳、功率基板，省略了芯片部分表面的键合铝线。该功率模块有三个相同的功率单元组成三相桥功率模块，每个功率单元中的正电极在塑料外壳内部分为两路，分别与绝缘基板左右两侧的狭长的上桥臂铜层相连，上桥臂铜层上设置有上桥臂芯片单元；负电极与负电极铜层相连，绝缘基板上还设有下桥臂铜层，下桥臂铜层上设置有下桥臂芯片单元。上桥臂芯片单元表面键合有铝线，铝线一端与输出电极铜层相连，另一端与下桥臂铜层相连。但是这种方案存在以下缺点：(1)上桥臂铜层需要借助两侧狭长的铜层与正电极相连，因此电阻、寄生电感偏大；(2)下桥臂芯片单元工作需要借助上桥臂芯片单元表面键合的细长键合铝线，进一步增加了电阻。电阻和寄生电感的增大，造成了损耗的增加，影响了转换效率的提高。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种结构紧凑且寄生电感低的功率模块，能够解决现有技术中存在的“上桥臂铜层需要借助两侧狭长的铜层与正电极相连”以及“下桥臂芯片单元工作需要借助上桥臂芯片单元表面键合的细长键合铝线”这两个问题。
技术方案：本发明所述的结构紧凑且寄生电感低的功率模块，包括至少一个单元；单元包括正电极、负电极、输出电极、底板和设于底板上的一个或两个绝缘基板；绝缘基板只有一个时，绝缘基板顶部的铜层包括分离的上桥臂铜层和下桥臂铜层；绝缘基板有两个时，一个绝缘基板顶部的铜层作为上桥臂铜层，另一个绝缘基板顶部的铜层作为下桥臂铜层；上桥臂铜层上设有上桥臂芯片单元，下桥臂铜层上设有下桥臂芯片单元，正电极与上桥臂芯片单元电连接，负电极与下桥臂芯片单元电连接，正电极中用于连接外电源的部分和负电极中用于连接外电源的部分均位于功率模块的靠近上桥臂芯片单元的一侧，输出电极中用于连接外电源的部分位于功率模块的靠近下桥臂芯片单元的一侧；正电极至少有部分位于上桥臂铜层与下桥臂铜层之间，或者正电极至少有部分位于上桥臂铜层与下桥臂铜层之间的上方，或者正电极中用于连接上桥臂芯片单元的部分与上桥臂铜层中最靠近下桥臂铜层的三分之一区域接触；负电极至少有部分位于上桥臂铜层与下桥臂铜层之间，或者负电极至少有部分位于上桥臂铜层与下桥臂铜层之间的上方，或者负电极中用于连接下桥臂芯片单元的部分位于上桥臂铜层中最靠近下桥臂铜层的三分之一区域内；输出电极连接下桥臂铜层。
进一步，正电极的一部分与负电极的一部分平行设置。这样能够进一步降低功率模块的寄生电感。
进一步，所述正电极连接上桥臂铜层，负电极通过键合线连接下桥臂芯片单元。这样负电极就能通过键合线直接连接下桥臂芯片单元，而不需要再通过一个铜层连接下桥臂芯片单元了，从而能够进一步减小功率模块的寄生电感。
进一步，所述正电极包括用于连接外电源的正电极引出部，正电极引出部连接正电极主体部，正电极主体部垂直连接正电极连接部，正电极连接部垂直连接正电极焊脚，正电极焊脚连接上桥臂铜层。
进一步，所述上桥臂芯片单元关于正电极主体部对称设置。这样能够保证并联电流支路在电阻和寄生电感方面的一致性，从而能够实现并联芯片之间的均流，能够提高功率模块的寿命。
进一步，所述负电极包括用于连接外电源的负电极引出部，负电极引出部连接负电极主体部，负电极主体部垂直连接负电极连接部，负电极连接部垂直连接负电极焊脚，负电极焊脚连接下桥臂芯片单元。这样负电极就能直接连接下桥臂芯片单元，而不需要再通过一个铜层连接下桥臂芯片单元了，从而能够进一步减小功率模块的寄生电感。
进一步，所述负电极焊脚通过绝缘材料与绝缘基板接触，或者负电极焊脚通过绝缘材料与底板接触。这样能够使得负电极焊脚更稳固，避免负电极焊脚键合时振动，影响键合点结合力，从而能够提高功率模块的使用寿命。
进一步，所述下桥臂芯片单元关于负电极主体部对称设置。这样能够保证并联电流支路在电阻和寄生电感方面的一致性，从而能够实现并联芯片之间的均流，能够提高功率模块的寿命。
进一步，所述上桥臂芯片单元包括上桥臂开关芯片和上桥臂二极管芯片，或者所述上桥臂芯片单元包括上桥臂开关芯片。
进一步，所述下桥臂芯片单元包括下桥臂开关芯片和下桥臂二极管芯片，或者所述下桥臂芯片单元包括下桥臂开关芯片。
有益效果：本发明公开了一种结构紧凑且寄生电感低的功率模块，与现有技术相比，具有如下的有益效果：
(1)本发明的输出电极连接下桥臂铜层，这样就省去了现有技术中很常用的输出电极铜层，能够减小回路电阻和寄生电感，能够使得功率模块更加紧凑；
(2)本发明中，正电极至少有部分位于上桥臂铜层与下桥臂铜层之间，或者正电极至少有部分位于上桥臂铜层与下桥臂铜层之间的上方，或者正电极中用于连接上桥臂芯片单元的部分与上桥臂铜层中最靠近下桥臂铜层的三分之一区域接触；负电极至少有部分位于上桥臂铜层与下桥臂铜层之间，或者负电极至少有部分位于上桥臂铜层与下桥臂铜层之间的上方，或者负电极中用于连接下桥臂芯片单元的部分位于上桥臂铜层中最靠近下桥臂铜层的三分之一区域内。这样正、负电极离上桥臂铜层和下桥臂铜层都很近，不需要狭长的上桥臂铜层，并且上桥臂芯片单元不工作时电流也无需借助其表面的键合线流过，因此本发明能够缩短电流路径，从而减小回路电阻和寄生电感。
附图说明
图1为现有技术的相关附图；
图1(a)为现有技术中功率模块的示意图；
图1(b)为现有技术中功率模块的仿真结构图；
图1(c)为现有技术中功率模块的换流回路图；
图2为本发明具体实施方式中功率模块的示意图；
图3为本发明具体实施方式中图2所示功率模块的内部示意图；
图4为本发明具体实施方式中图2所示功率模块去掉各个电极后的示意图；
图5为本发明具体实施方式中图2所示功率模块的截面图和局部放大图；
图5(a)为功率模块打了截面标记之后的示意图；
图5(b)为图5(a)中A-A截面的示意图；
图5(c)为图5(a)中B-B截面的示意图；
图5(d)为图5(c)中C区域的局部放大图；
图6为本发明具体实施方式中正电极的示意图；
图7为本发明具体实施方式中负电极的示意图；
图8为本发明具体实施方式中图2所示功率模块的仿真图；
图8(a)为仿真结构图；
图8(b)为换流回路图。
图9为本发明具体实施方式中正电极焊脚和负电极焊脚与上桥臂铜层三分之一区域的上边缘接触时的功率模块结构图；
图10为本发明具体实施方式中负电极焊脚与上桥臂铜层三分之一区域的下边缘接触时的功率模块结构图。
具体实施方式
申请号为201810077894.2的专利申请公开了一种车用级紧凑型水冷功率模块。如图1(a)所示，功率模块包括功率端子5、信号端子7、绝缘基板2、芯片部分3、塑料外壳8、功率基板1、铝线、硅凝胶和热敏电阻9，省略了芯片部分3表面的键合铝线。其中，功率端子5有三个，虽然文中没有详细介绍它们各自代表什么电极，但是结合本领域的公知常识可知，这三个功率端子5分别为正电极、负电极和输出电极，正电极和负电极位于功率模块的一侧，输出电极位于功率模块的另一侧。该功率模块有三个相同的功率单元组成三相桥功率模块，每个功率单元中的正电极在塑料外壳内部分为两路，分别与绝缘基板左右两侧的狭长的上桥臂铜层相连，上桥臂铜层上设置有上桥臂芯片单元；负电极与负电极铜层相连，绝缘基板上还设有下桥臂铜层，下桥臂铜层上设置有下桥臂芯片单元。上桥臂芯片单元表面键合有铝线，铝线一端与输出电极铜层相连，另一端与下桥臂铜层相连。但是这种方案存在以下缺点：(1)上桥臂铜层需要借助两侧狭长的铜层与正电极相连，因此电阻、寄生电感偏大；(2)下桥臂芯片单元工作需要借助上桥臂芯片单元表面键合的细长键合铝线，进一步增加了电阻。电阻和寄生电感的增大，造成了损耗的增加，影响了转换效率的提高。
为了克服现有技术中存在的上述两个缺陷，本具体实施方式公开了一种结构紧凑且寄生电感低的功率模块，如图2所示，包括三个结构相同的单元，每个单元均包括正电极11、负电极12、输出电极13、底板16和设于底板16上的一个或两个绝缘基板。单元的个数可以为一个或多个。当绝缘基板只有一个时，绝缘基板顶部的铜层包括分离的上桥臂铜层14和下桥臂铜层15，如图4所示；当绝缘基板有两个时，一个绝缘基板顶部的铜层作为上桥臂铜层14，另一个绝缘基板顶部的铜层作为下桥臂铜层15。上桥臂铜层14上设有两个上桥臂芯片单元，下桥臂铜层15上设有两个下桥臂芯片单元，上桥臂芯片单元的个数和下桥臂芯片单元的个数还可以是其他数量。上桥臂芯片单元包括上桥臂开关芯片141和上桥臂二极管芯片142，如图4所示。此外，上桥臂芯片单元还可以包括上桥臂开关芯片141，不包括上桥臂二极管芯片142，此时上桥臂开关芯片141为MOSFET芯片，当需要上桥臂芯片单元续流时，由上桥臂开关芯片141内部的体二极管进行续流。上桥臂芯片单元表面的键合线与下桥臂铜层15相连，具体如图4所示，上桥臂开关芯片表面键合线1411连接上桥臂二极管芯片表面键合线1421，上桥臂二极管芯片表面键合线1421连接下桥臂铜层15，也可以将上桥臂开关芯片141位置与上桥臂二极管芯片142位置对调。下桥臂芯片单元包括下桥臂开关芯片151和下桥臂二极管芯片152，如图4所示。此外，下桥臂芯片单元还可以包括下桥臂开关芯片151，不包括下桥臂二极管芯片152，此时下桥臂开关芯片151为MOSFET芯片，当需要下桥臂芯片单元续流时，由下桥臂开关芯片151内部体二极管进行续流。下桥臂芯片单元表面的键合线与负电极焊脚124相连，具体如图3所示，下桥臂开关芯片表面键合线1511连接下桥臂二极管芯片表面键合线1521，下桥臂二极管芯片表面键合线1521连接负电极焊脚124，也可以将下桥臂开关芯片151位置与下桥臂二极管芯片152位置对调。上桥臂开关芯片141和下桥臂开关芯片151可以是绝缘栅双极型晶体管IGBT芯片，也可以是金属氧化物场效应晶体管MOSFET芯片。上桥臂二极管芯片142和下桥臂二极管芯片152可以是Si基快恢复二极管芯片，也可以是SiC基肖特基二极管。上桥臂开关芯片141、下桥臂开关芯片151、上桥臂二极管芯片142和下桥臂二极管芯片152可以是硅基芯片，也可以是碳化硅基芯片。本具体实施方式中由于只有两个下桥臂芯片单元，且图3只给出了这两个下桥臂芯片单元的一种结构，因此两个下桥臂芯片单元间隔比较大。其实可以将两个下桥臂芯片单元靠近，也可以将两个上桥臂芯片单元间隔大一些，这些情形都不影响本具体实施方式的表达。
正电极11与上桥臂芯片单元电连接，所有符合“正电极11与上桥臂芯片单元电连接”的连接方式都可以，具体到本具体实施方式中，如图3和图6所示，正电极11包括用于连接外电源的正电极引出部111，正电极引出部111连接正电极主体部112，正电极主体部112垂直连接正电极连接部113，正电极连接部113垂直连接正电极焊脚114，正电极焊脚114连接上桥臂铜层14。正电极焊脚114就是“正电极11中用于连接上桥臂芯片单元的部分”的一种实施例，其还可以是其他结构，叫其他名称，只要是符合“正电极11中用于连接上桥臂芯片单元的部分”的都可以。负电极12与下桥臂芯片单元电连接，所有符合“负电极12与下桥臂芯片单元电连接”的连接方式都可以，具体到本具体实施方式中，如图3和图7所示，负电极12包括用于连接外电源的负电极引出部121，负电极引出部121连接负电极主体部122，负电极主体部122垂直连接负电极连接部123，负电极连接部123垂直连接负电极焊脚124，负电极焊脚124通过下桥臂二极管芯片表面键合线1521连接下桥臂二极管芯片152。负电极焊脚124就是“负电极12中用于连接下桥臂芯片单元的部分”的一种实施例，其还可以是其他结构，叫其他名称，只要是符合“负电极12中用于连接下桥臂芯片单元的部分”的都可以。负电极焊脚124可以悬空，也可以通过绝缘材料与绝缘基板接触，还可以通过绝缘材料与底板16接触。绝缘材料可以采用塑胶，或者其他能够绝缘的材料。如图5(a)-图5(d)所示，负电极焊脚124通过塑胶125这种绝缘材料与绝缘基板接触，具体的是与绝缘基板顶部的下桥臂铜层15接触。正电极主体部112与负电极主体部122平行设置，正电极连接部113与负电极连接部123也平行设置。输出电极13包括用于连接外电源的输出电极引出部131，如图3所示，输出电极引出部131连接输出电极主体部132，输出电极主体部132垂直连接输出电极连接部(图未示)，输出电极连接部垂直连接输出电极焊脚134，输出电极焊脚134连接下桥臂铜层15。如图3所示，正电极11中用于连接外电源的正电极引出部111和负电极12中用于连接外电源的负电极引出部121均位于功率模块的靠近上桥臂芯片单元的一侧，输出电极13中用于连接外电源的输出电极引出部131位于功率模块的靠近下桥臂芯片单元的一侧。两个上桥臂芯片单元关于正电极主体部112对称设置，两个下桥臂芯片单元关于负电极主体部122对称设置，如图3所示。
本具体实施方式中，正电极11的正电极连接部113位于上桥臂铜层14与下桥臂铜层15之间，负电极12的负电极连接部123位于上桥臂铜层14与下桥臂铜层15之间。此外，正电极11还可以其他部分位于上桥臂铜层14与下桥臂铜层15之间，或者正电极11至少有部分位于上桥臂铜层14与下桥臂铜层15上方，或者正电极焊脚114与上桥臂铜层14中最靠近下桥臂铜层15的三分之一区域145接触，如图2和图9所示；负电极12还可以其他部分位于上桥臂铜层14与下桥臂铜层15之间，或者负电极12至少有部分位于上桥臂铜层14与下桥臂铜层15上方，或者负电极焊脚124位于上桥臂铜层14中最靠近下桥臂铜层15的三分之一区域145内，如图10所示。
下面对“上桥臂铜层14最靠近下桥臂铜层15的三分之一区域145”做进一步的说明。上桥臂铜层14中可以划分出无数个面积占上桥臂铜层14面积三分之一的区域，但是所有这些三分之一区域中，最靠近下桥臂铜层15的三分之一区域145就如图9和图10所示。该三分之一区域145包括封闭的四条边，也即顶边、底边和两侧边。其中，底边与上桥臂铜层14的底边重合。上桥臂铜层14的底边为上桥臂铜层14最靠近下桥臂铜层15的那条边。本具体实施方式中，正电极焊脚114的位置可以在“正电极焊脚114与三分之一区域145接触”的范围内变动：该范围内有两个极限位置，第一个极限位置是正电极焊脚114与三分之一区域145的顶边接触，如图9所示；第二个极限位置是正电极焊脚114与三分之一区域145的底边接触，如图3所示。负电极焊脚124的位置可以在“三分之一区域145内”的范围内变动：该范围内有两个极限位置，第一个极限位置是负电极焊脚124的顶边与三分之一区域145的顶边接触，如图9所示；第二个极限位置是负电极焊脚124的底边与三分之一区域145的底边接触，如图10所示。
为了进一步说明本具体实施方式相对于现有技术的有益效果，申请人采用ANSYS.Q3D软件对现有技术中的功率模块、本具体实施方式中图2、图9和图10的功率模块都进行了仿真。本具体实施方式对正电极焊脚114和负电极焊脚124的取值范围的端点进行了仿真，进一步说明了本发明的有益效果。现有技术中功率模块的仿真模型如图1(b)所示，换流回路如图1(c)所示。图2中功率模块的仿真模型如图8(a)所示，换流回路如图8(b)所示。仿真过程中，对本具体实施方式的结构进行简化，省略掉了外壳。由于本具体实施方式的功率模块和现有技术的功率模块均由三组相同的功率单元组成，三组仿真结果会完全一致，因此选择本具体实施方式与现有技术相同的一组功率单元进行分析。对本具体实施方式和现有技术同样选取上桥臂开关芯片工作、上桥臂开关芯片关闭后下桥臂二极管芯片续流的换流回路作为仿真对象。通过仿真，提取到本具体实施方式中图2的功率模块的寄生电感为12.74nH左右，回路电阻为33.77mΩ左右；本具体实施方式中图9的功率模块的寄生电感为13.32nH左右，回路电阻为34.77mΩ左右；本具体实施方式中图10的功率模块的寄生电感为12.65nH左右，回路电阻为33.29mΩ左右。而现有技术功率模块的寄生电感则为16.32nH左右，回路电阻则为57.07mΩ左右。可见，与现有技术相比，本具体实施方式中图2的功率模块的寄生电感降低了21.94％，回路电阻减小了40.83％；本具体实施方式中图9的功率模块的寄生电感降低了18.38％，回路电阻减小了39.07％；本具体实施方式中图10的功率模块的寄生电感降低了22.49％，回路电阻减小了41.67％。因此，本具体实施方式功率模块相对于现有技术大大降低了寄生电感和回路电阻。

Claims (7)

1.一种结构紧凑且寄生电感低的功率模块，包括至少一个单元；单元包括正电极(11)、负电极(12)、输出电极(13)、底板(16)和设于底板(16)上的一个或两个绝缘基板；绝缘基板只有一个时，绝缘基板顶部的铜层包括分离的上桥臂铜层(14)和下桥臂铜层(15)；绝缘基板有两个时，一个绝缘基板顶部的铜层作为上桥臂铜层(14)，另一个绝缘基板顶部的铜层作为下桥臂铜层(15)；上桥臂铜层(14)上设有上桥臂芯片单元，下桥臂铜层(15)上设有下桥臂芯片单元，正电极(11)与上桥臂芯片单元电连接，负电极(12)与下桥臂芯片单元电连接，其特征在于：正电极(11)中用于连接外电源的部分和负电极(12)中用于连接外电源的部分均位于功率模块的靠近上桥臂芯片单元的一侧，输出电极(13)中用于连接外电源的部分位于功率模块的靠近下桥臂芯片单元的一侧；正电极(11)至少有部分位于上桥臂铜层(14)与下桥臂铜层(15)之间，或者正电极(11)至少有部分位于上桥臂铜层(14)与下桥臂铜层(15)之间的上方，或者正电极(11)中用于连接上桥臂芯片单元的部分与上桥臂铜层(14)中最靠近下桥臂铜层(15)的三分之一区域(145)接触；负电极(12)至少有部分位于上桥臂铜层(14)与下桥臂铜层(15)之间，或者负电极(12)至少有部分位于上桥臂铜层(14)与下桥臂铜层(15)之间的上方，或者负电极(12)中用于连接下桥臂芯片单元的部分位于上桥臂铜层(14)中最靠近下桥臂铜层(15)的三分之一区域(145)内；输出电极(13)连接下桥臂铜层(15)；正电极(11)的一部分与负电极(12)的一部分平行且叠层设置；正电极(11)设有正电极主体部(112)，上下桥臂芯片单元均关于正电极主体部(112)对称设置；负电极(12)设有负电极主体部(122)，上下桥臂芯片单元均关于负电极主体部(122)对称设置；上下桥臂芯片单元均关于输出电极(13)对称设置。
2.根据权利要求1所述的结构紧凑且寄生电感低的功率模块，其特征在于：所述正电极(11)连接上桥臂铜层(14)，负电极(12)通过键合线连接下桥臂芯片单元。
3.根据权利要求1所述的结构紧凑且寄生电感低的功率模块，其特征在于：所述正电极(11)包括用于连接外电源的正电极引出部(111)，正电极引出部(111)连接正电极主体部(112)，正电极主体部(112)垂直连接正电极连接部(113)，正电极连接部(113)垂直连接正电极焊脚(114)，正电极焊脚(114)连接上桥臂铜层(14)。
4.根据权利要求1所述的结构紧凑且寄生电感低的功率模块，其特征在于：所述负电极(12)包括用于连接外电源的负电极引出部(121)，负电极引出部(121)连接负电极主体部(122)，负电极主体部(122)垂直连接负电极连接部(123)，负电极连接部(123)垂直连接负电极焊脚(124)，负电极焊脚(124)连接下桥臂芯片单元。
5.根据权利要求4所述的结构紧凑且寄生电感低的功率模块，其特征在于：所述负电极焊脚(124)通过绝缘材料与绝缘基板接触，或者负电极焊脚(124)通过绝缘材料与底板(16)接触。
6.根据权利要求1所述的结构紧凑且寄生电感低的功率模块，其特征在于：所述上桥臂芯片单元包括上桥臂开关芯片(141)和上桥臂二极管芯片(142)，或者所述上桥臂芯片单元包括上桥臂开关芯片(141)。
7.根据权利要求1所述的结构紧凑且寄生电感低的功率模块，其特征在于：所述下桥臂芯片单元包括下桥臂开关芯片(151)和下桥臂二极管芯片(152)，或者所述下桥臂芯片单元包括下桥臂开关芯片(151)。
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