CN110349943A - 一种高压igbt半桥模块 - Google Patents

一种高压igbt半桥模块 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高压IGBT半桥模块，包括铜基板、上桥臂单元、下桥臂单元，所述上桥臂单元和所述下桥臂单元均包括DBC、IGBT单元、二极管单元，用于在实现电力电子开关的同时，采用双绞线驱动结构以避免在高压大功率环境下驱动IGBT芯片时产生振荡现象将驱动极击穿。本发明通过采用双绞线连接IGBT芯片的栅极与发射极形成环路面积较小的驱动回路，大大减小了驱动回路与外界干扰的耦合，避免在高压大功率环境下驱动IGBT芯片时产生振荡现象将驱动极击穿，增强了模块的抗干扰能力。另外，本发明对DBC结构进行了优化，底部铜层呈现蜂窝状，并且增加了DBC顶部铜层中铜片之间的距离以及铜片边缘倒角，从而解决了现有的IGBT半桥模块无法适用于高压大功率环境的问题。

Description

一种高压IGBT半桥模块
技术领域
本发明属于封装技术领域，更具体地，涉及一种高压IGBT半桥模块。
背景技术
随着数十兆瓦功率变换器实现兆伏电机调速，固态变压器实现配电网及输电线路潮流控制等现代电力电子技术的兴起，高压全控器件开始进入人们的视野，绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)综合了电力晶体管和电力场效应晶体管的优点，具有良好的开关特性，而高压IGBT模块作为一种高压全控器件作为具有重要的研究价值。
在高压领域，较高的电场强度若超过绝缘介质击穿场强，介质就会发生击穿，产生局部放电的现象甚至损坏整个器件；其次，若各接触面的热匹配系数相差较大，在较大的热应力下产生变形就会形成空洞，空洞里的空气击穿场强仅有3kV/mm，很容易发生局部放电。
目前，市面上的IGBT半桥模块的标准为34mm，适用于1.2kv的电压等级，IGBT芯片的栅极与发射极距离较远导致驱动回路面积较大，当在高压大功率环境下，驱动回路面积大容易耦合功率环路产生的电磁干扰从而产生栅极振荡，导致芯片误触发甚至栅极击穿。另外，现有的IGBT半桥模块采用普通的双面覆铜陶瓷板(Direct Bonding Copper，DBC)，其顶部铜层铜片之间的距离及铜层边缘倒角较小，当电压较大时，电场的集中效应较大，容易产生尖端放电，造成击穿，不适用于高压场景中。
综上所述，提供一种适用于高压大功率环境下的IGBT半桥模块是亟待解决的问题。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种高压IGBT半桥模块，旨在解决现有技术在高压大功率环境下由于IGBT芯片的栅极与发射极距离较远带来面积较大的驱动回路，耦合功率环路产生的电磁干扰引起栅极振荡使其被击穿而导致的IGBT半桥模块无法适用于高压大功率环境的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种高压IGBT半桥模块，包括铜基板、上桥臂单元、下桥臂单元；
其中，上桥臂单元和下桥臂单元呈中心对称，并通过互连桥连接并焊接在铜基板上；
铜基板用于作为IGBT半桥模块的基底，提供机械支撑，并为IGBT半桥模块提供导热路径；
上桥臂单元和下桥臂单元用于在实现电力电子开关的同时，采用双绞线驱动结构以避免在高压大功率环境下驱动IGBT芯片时产生振荡现象将驱动极击穿。
优选的，上桥臂单元和下桥臂单元均包括DBC、IGBT单元、二极管单元；
其中，DBC分别置于上下桥臂单元的底层，并焊接在铜基板上，IGBT单元及其反并联的二极管单元焊接在DBC上；
DBC用于放置芯片以提供所需的电气连接，并采用分块的铜层设计为IGBT半桥模块缓冲散热；
IGBT单元用于将双绞线作为驱动回路来控制IGBT芯片的开通和关断；
二极管单元用于在IGBT芯片开关状态时为反向电流提供续流通路。优选地，二极管单元可以采用快速恢复二极管(Fast Recovery Diode，FRD)芯片。
优选地，IGBT单元包括IGBT芯片、双绞线；
其中，IGBT芯片的栅极与发射极分别通过键合引线与双绞线的两端连接；
IGBT芯片为非通即断的电力电子开关，其导通时视为短路，断开时视为开路，用于控制高压IGBT半桥模块的开通和关断；
双绞线用于连接IGBT芯片的栅极与发射极形成小面积驱动回路，减小与高频环路之间的耦合。
优选地，本发明主要针对硅基高压IGBT模块设计，但是对碳化硅基高压IGBT模块也有很高的参考价值，由于碳化硅基的器件工作频率和功率密度更高，产生的高频环流更容易耦合到驱动部分，更加有必要采用双绞线设计。
优选地，DBC包括从上至下依次连接的顶部铜层、陶瓷层和底部铜层；
其中，顶部铜层用于采用尖端平滑的铜层设计为上层芯片提供流通路径；
陶瓷层用于承担主要的绝缘耐压以及散热作用；优选地，陶瓷层的材料为氮化铝，厚度为1mm；
底部铜层用于采用分块化的铜层设计将DBC固定在铜基板上，为IGBT半桥模块自上而下的热扩散提供路径。
优选地，DBC的面积为49mm×39mm。
优选地，顶部铜层由相互独立的铜片组成，不同的铜片承受的电位不同，铜片边缘倒角半径大于等于1mm小于等于5mm，各个铜片之间的间距以及铜层到陶瓷层边缘的留边距离大于等于2mm小于等于5mm，优选地，铜片边缘倒角半径可以为1mm，优选地，各个铜片之间的间距以及铜层到陶瓷层边缘的留边距离可以为2mm。
优选地，底部铜层由等边六边形均分，构成蜂窝状铜层，用于减小由于热应力或热失配产生的形变；
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1、本发明提供了一种高压IGBT半桥模块，采用双绞线驱动结构，通过采用双绞线连接IGBT芯片的栅极与发射极形成环路面积较小的驱动回路，减小了大功率高频环路与驱动回路之间的耦合，避免在高压大功率环境下驱动IGBT芯片时产生振荡现象将驱动极击穿，解决了现有的IGBT半桥模块无法适用于高压大功率环境的问题。
2、本发明所提供的高压IGBT半桥模块在保证热阻不变的情况下，将DBC的表面积增大，并且增加了DBC顶部铜层中铜片之间的距离以及铜片边缘倒角，使得电场集中效应减小，避免高压大功率环境下尖端放电，造成芯片被击穿。
3、本发明所提供的高压IGBT半桥模块中DBC的底部铜层采用蜂窝状铜层，减小热应力或热失配产生的形变，避免高压大功率环境下IGBT半桥模块温度升高导致DBC底部铜层形变弯曲与DBC陶瓷层之间发生分离产生空隙从而引发局部放电现象。
4、本发明主要针对硅基高压IGBT模块设计，但是对碳化硅基高压IGBT模块也有很高的参考价值，由于碳化硅基的器件工作频率和功率密度更高，产生的高频环流更容易耦合到驱动部分，更加有必要采用双绞线设计。
5、本发明所提供的高压IGBT半桥模块采用双DBC设计，每块DBC的生产流程都是一致的，在生产时只需要定制一块DBC，避免两块DBC的分别加工，提高了IGBT模块的生产效率，降低了生产成本。
附图说明
图1是本发明所提供的高压IGBT半桥模块的结构整体示意图；
图2是本发明所提供的高压IGBT半桥模块中DBC顶层结构示意图；
图3是本发明所提供的高压IGBT半桥模块中DBC底层结构示意图；
图4是本发明所提供的高压IGBT半桥模块的等效电路拓扑。
图中：1、铜基板；2、上桥臂单元；3、下桥臂单元；4、互连桥；21、上桥臂DBC；22、上桥臂IGBT单元；23、上桥臂FRD芯片；24、上桥臂输出端子；221、上桥臂IGBT芯片；222、上桥臂双绞线；31、下桥臂DBC；32、下桥臂IGBT单元；33、下桥臂FRD芯片；34、下桥臂输出端子；35、功率端子；321、下桥臂IGBT芯片；322、下桥臂双绞线；211、DBC顶部铜层；212、焊料层；213、DBC底部铜层。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
为了实现上述目的，本发明提供了一种高压IGBT半桥模块，包括铜基板、上桥臂单元、下桥臂单元；其中，上桥臂单元和下桥臂单元呈中心对称，并通过互连桥连接并焊接在所述铜基板上；铜基板用于作为IGBT半桥模块的基底，提供机械支撑，并为IGBT半桥模块提供导热路径；上桥臂单元和下桥臂单元用于在实现电力电子开关的同时，采用双绞线驱动结构以避免在高压大功率环境下驱动IGBT芯片时产生振荡现象将驱动极击穿。
具体的，上桥臂单元和下桥臂单元均包括DBC、IGBT单元、二极管单元；其中，DBC分别置于上下桥臂单元的底层，并焊接在铜基板上，IGBT单元及其反并联的二极管单元焊接在DBC上；DBC用于放置芯片以提供所需的电气连接，并采用分块的铜层设计为IGBT半桥模块缓冲散热；IGBT单元用于将双绞线作为驱动回路来控制IGBT芯片的开通和关断；二极管单元用于在IGBT芯片开关状态时为反向电流提供续流通路。具体的，二极管单元可以采用FRD芯片。
具体的，IGBT单元包括IGBT芯片、双绞线；其中，IGBT芯片的栅极与发射极分别通过键合引线与双绞线的两端连接；IGBT芯片用于控制高压IGBT半桥模块的开通和关断；具体的，IGBT芯片为非通即断的电力电子开关，其导通时视为短路，断开时视为开路；双绞线用于连接IGBT芯片的栅极与发射极形成小面积驱动回路，减小与高频环路之间的耦合。
具体的，本发明主要针对硅基高压IGBT模块设计，但是对碳化硅基高压IGBT模块也有很高的参考价值，由于碳化硅基的器件工作频率和功率密度更高，产生的高频环流更容易耦合到驱动部分，更加有必要采用双绞线设计。
具体的，DBC包括从上至下依次连接的顶部铜层、陶瓷层和底部铜层；
其中，顶部铜层用于采用尖端平滑的铜层设计为上层芯片提供流通路径；具体的，顶部铜层由相互独立的铜片组成，不同的铜片承受的电位不同，铜片边缘倒角半径大于等于1mm小于等于5mm，具体的，铜片边缘倒角半径可以为1mm，各个铜层之间的间距以及铜层到陶瓷层边缘的留边距离大于等于2mm小于等于5mm，具体的，各个铜层之间的间距以及铜层到陶瓷层边缘的留边距离可以为2mm。陶瓷层用于承担主要的绝缘耐压以及散热作用；具体的，陶瓷层的材料为氮化铝，厚度为1mm；底部铜层用于采用分块化的铜层设计将DBC固定在铜基板上，为IGBT半桥模块自上而下的热扩散提供路径；具体的，底部铜层被切割为若干等分的等边六边形，构成蜂窝状铜层，用于减小由于热应力或热失配产生的形变。具体的，DBC的面积可以为49mm×39mm。
为了更进一步的说明本发明提供的高压IGBT半桥模块，以硅基高压IGBT模块为例结合附图以及具体实例进行详述：
如图1所示为本发明所提供的高压IGBT半桥模块的结构整体示意图，以二极管单元采用FRD芯片为例，具体的，包括铜基板1、上桥臂单元2、下桥臂单元3；其中，上桥臂单元2和下桥臂单元3呈中心对称，并通过互连桥连接并焊接在所述铜基板上；铜基板1用于作为IGBT半桥模块的基底，提供机械支撑，构成IGBT半桥模块的导热路径；上桥臂单元2和下桥臂单元3用于在实现电力电子开关的同时，采用双绞线驱动结构以避免在高压大功率环境下驱动IGBT芯片时产生振荡现象将驱动极击穿；其中，上桥臂单元2和下桥臂单元3均包括DBC、IGBT单元、二极管单元。
具体的，上桥臂单元2包括上桥臂DBC21、上桥臂IGBT单元22、上桥臂FRD芯片23、上桥臂输出端子24；其中，上桥臂DBC21置于上桥臂单元2的底层，并焊接在铜基板1上，上桥臂IGBT单元22及其反并联的上桥臂FRD芯片23焊接在上桥臂DBC21上；具体的，上桥臂DBC21用于放置芯片以提供所需的电气连接，并基于分块的铜层设计为IGBT半桥模块缓冲散热；上桥臂IGBT单元22用于将双绞线作为驱动回路来控制IGBT芯片的开通和关断；上桥臂FRD芯片23用于在上桥臂IGBT芯片开关状态时为反向电流提供续流通路。具体的，上桥臂IGBT单元22包括上桥臂IGBT芯片221、上桥臂双绞线222；其中，上桥臂IGBT芯片221的栅极G1与发射极E1分别通过键合引线与上桥臂双绞线222的两端连接；上桥臂IGBT芯片221用于控制高压IGBT半桥模块的开通和关断；具体的，IGBT芯片为非通即断的电力电子开关，其导通时视为短路，断开时视为开路；上桥臂双绞线222用于连接上桥臂IGBT芯片221的栅极与发射极形成小面积驱动回路，减小与高频环路之间的耦合。
下桥臂单元3包括下桥臂DBC31、下桥臂IGBT单元32、下桥臂FRD芯片33、下桥臂输出端子34、功率端子35；其中，下桥臂DBC31置于下桥臂单元3的底层，并焊接在铜基板1上，下桥臂IGBT单元32及其反并联的下桥臂FRD芯片33焊接在下桥臂DBC31上；具体的，下桥臂DBC31用于放置芯片以提供所需的电气连接，并基于分块的铜层设计为IGBT半桥模块缓冲散热；下桥臂IGBT单元32用于将双绞线作为驱动回路来控制IGBT芯片的开通和关断；下桥臂FRD芯片33用于在下桥臂IGBT芯片开关状态时为反向电流提供续流通路。下桥臂IGBT单元32包括下桥臂IGBT芯片321、下桥臂双绞线322；其中，下桥臂IGBT芯片321的栅极G2与发射极E2分别通过键合引线与下桥臂双绞线322的两端连接；下桥臂IGBT芯片321用于控制高压IGBT半桥模块的开通和关断；具体的，IGBT芯片为非通即断的电力电子开关，其导通时视为短路，断开时视为开路；下桥臂双绞线322用于连接下桥臂IGBT芯片321的栅极与发射极形成小面积驱动回路，减小与高频环路之间的耦合。
具体的，上桥臂IGBT芯片221的驱动回路通过超声波键合铝线引出，再通过人工缠绕的上桥臂双绞线222连接至模块外部，上桥臂IGBT芯片集电极通过上桥臂DBC21顶层铜片与上桥臂输出端子24相连接，上桥臂IGBT芯片221的发射极与上桥臂FRD芯片23的阳极通过多根超声波键合铝线跨接至过渡铜层，再由互连桥4跨接至下桥臂IGBT芯片321的集电极铜层形成功率电流的通路。同样的，下桥臂IGBT芯片321的驱动回路通过超声波键合铝线引出，再通过人工缠绕的下桥臂双绞线322连接至模块外部，下桥臂IGBT芯片集电极通过下桥臂DBC31顶层铜片与下桥臂输出端子34相连接，下桥臂IGBT芯片321的发射极与下桥臂FRD芯片33的阳极通过多根超声波键合铝线跨接至过渡铜层，再通过超声键合的功率端子35引出到模块外部。在芯片模块焊接完成后加装外壳之前要先用密封材料将模块覆盖，以防止芯片受潮辐射老化等现象出现。
具体的，DBC包括从上至下依次连接的顶部铜层、陶瓷层和底部铜层，具体的，DBC的面积为49mm×39mm，上桥臂DBC21与下桥臂DBC31的结构相同，以上桥臂DBC21为例，如图2所示为本发明所提供的高压IGBT半桥模块中DBC顶层结构示意图，其中211为DBC顶部铜层，212为焊料层，其中，顶部铜层211用于采用尖端平滑的铜层设计为上层芯片提供流通路径；具体的，顶部铜层211由相互独立的铜片组成，不同的铜片承受的电位不同，铜片边缘倒角半径大于等于1mm小于等于5mm，具体的，铜片边缘倒角半径可以为1mm，各个铜片之间的间距以及铜层到陶瓷层边缘的留边距离大于等于2mm小于等于5mm，具体的，各个铜片之间的间距以及铜层到陶瓷层边缘的留边距离可以为2mm。将DBC的表面积增大，并且增加了DBC顶部铜层中铜片之间的距离以及铜片边缘倒角，使得电场集中效应减小，避免高压大功率环境下尖端放电，造成芯片被击穿。陶瓷层用于承担主要的绝缘耐压以及散热作用；具体的，陶瓷层的材料为氮化铝，厚度为1mm；如图3所示为本发明所提供的高压IGBT半桥模块中DBC底层结构示意图，其中，底部铜层213用于采用分块化的铜层设计将DBC固定在铜基板上，为IGBT半桥模块自上而下的热扩散提供路径；具体的，底部铜层213被切割为若干等分的等边六边形，构成蜂窝状铜层，用于减小由于热应力或热失配产生的形变。
具体的，如图4所示为本发明所提供的高压IGBT半桥模块的等效电路拓扑，高压IGBT半桥模块在使用过程中有三种工作状态：
1、上桥臂单元1开通，下桥臂单元2关断，工作电流从上桥臂输出端子24流入经过上桥臂IGBT芯片221然后从下桥臂输出端子34流出；具体的，在等效电路拓扑中，如图4所示，工作电流从DC+流入经过Q1从AC流出；
2、上桥臂单元1关断，下桥臂单元2开通，工作电流从下桥臂输出端子34流入经过下桥臂IGBT芯片321然后从功率端子35流出；具体的，在等效电路拓扑中，如图4所示，工作电流从AC流入经过Q2从DC-流出；
3、上桥臂单元1与下桥臂单元2均关断，会产生反向电流，反向电流从下桥臂输出端子34经过上桥臂FRD芯片23然后从上桥臂输出端子24流出或者反向电流从功率端子35经过下桥臂FRD芯片33然后从下桥臂输出端子34流出；具体的，在等效电路拓扑中，如图4所示，反向电流从AC经过D1然后从DC+流出或者反向电流从DC-经过D2然后从AC流出。
具体的，在驱动IGBT模块时，需要向IGBT芯片的栅极(G1、G2)输入脉冲，脉冲流经IGBT芯片后由辅助发射极(E1、E2)流回驱动电路由此构成驱动回路。当栅极的输入脉冲为高电平时IGBT芯片开通，大功率电流可以从集电极(C1、C2)流向发射极(E1、E2)，当栅极的输入脉冲为低电平时，芯片关断；在功率模块开关瞬态的换流过程中产生的剧烈的电流变化，二极管的反向恢复或者由寄生参数引起的高频振荡，都将以高频环流的形式出现在功率回路。这个高频环路将通过互感耦合到IGBT的驱动回路，并造成电磁干扰在栅极上形成振荡，导致IGBT芯片误触发甚至栅极击穿。本发明采用双绞线作为驱动回路来控制IGBT芯片的开通和关断，大大减小了驱动回路的面积，减小了大功率高频环路与驱动回路之间的耦合，避免在高压大功率环境下驱动IGBT芯片时产生振荡现象将驱动极击穿，解决了现有的IGBT半桥模块无法适用于高压大功率环境的问题。
本发明主要针对硅基高压IGBT模块设计，但是对碳化硅基高压IGBT模块也有很高的参考价值，由于碳化硅基的器件工作频率和功率密度更高，产生的高频环流更容易耦合到驱动部分，更加有必要采用双绞线设计。
IGBT模块作为当代电力电子大功率能源变换与传输的核心器件，在轨道交通、智能电网、电动汽车、航空航天等领域都有极广泛的应用。本发明的功率模块可适用于较高电压等级的工作环境，且驱动部分不需要额外增加驱动保护，简化了驱动部分的电路。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包括在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种高压IGBT半桥模块，其特征在于，包括铜基板、上桥臂单元、下桥臂单元；
所述上桥臂单元和所述下桥臂单元呈中心对称，并通过互连桥连接并焊接在所述铜基板上；
所述铜基板用于作为IGBT半桥模块的基底，提供机械支撑，并为所述IGBT半桥模块提供导热路径；
所述上桥臂单元和所述下桥臂单元用于在实现电力电子开关的同时，采用双绞线驱动结构以避免在高压大功率环境下驱动IGBT芯片时产生振荡现象将驱动极击穿。
2.根据权利要求1所述的IGBT半桥模块，其特征在于，所述上桥臂单元和所述下桥臂单元均包括DBC、IGBT单元、二极管单元；
所述DBC分别置于所述上桥臂单元和所述下桥臂单元的底层，并焊接在铜基板上，所述IGBT单元及其反并联的所述二极管单元焊接在所述DBC上；
所述DBC用于放置芯片以提供所需的电气连接，并采用分块的铜层设计为所述IGBT半桥模块缓冲散热；
所述IGBT单元用于将双绞线作为驱动回路来控制IGBT芯片的开通和关断；
二极管单元用于在IGBT芯片开关状态时为反向电流提供续流通路。
3.根据权利要求2所述的IGBT半桥模块，其特征在于，所述IGBT单元包括IGBT芯片、双绞线；
所述双绞线的两端分别通过键合引线与所述IGBT芯片的栅极与发射极相连形成小面积驱动回路，减小与高频环路之间的耦合。
4.根据权利要求2所述的IGBT半桥模块，其特征在于，所述DBC包括从上至下依次连接的顶部铜层、陶瓷层和底部铜层；
顶部铜层用于采用尖端平滑的铜层设计为上层芯片提供流通路径；
陶瓷层用于承担主要的绝缘耐压以及散热作用；
底部铜层用于采用分块化的铜层设计将所述DBC固定在铜基板上，为所述IGBT半桥模块自上而下的热扩散提供路径。
5.根据权利要求4所述的IGBT半桥模块，其特征在于，所述顶部铜层由相互独立的铜片组成，不同的铜片承受的电位不同，铜片边缘倒角半径大于等于1mm小于等于5mm，各个铜片之间的间距以及铜层到陶瓷层边缘的留边距离大于等于2mm小于等于5mm。
6.根据权利要求4所述的IGBT半桥模块，其特征在于，所述底部铜层由等边六边形均分，构成蜂窝状铜层，用于减小由于热应力或热失配产生的形变。
7.根据权利要求2所述的IGBT半桥模块，其特征在于，所述二极管单元采用FRD芯片。
8.根据权利要求1所述的IGBT半桥模块，其特征在于，所述IGBT半桥模块应用于封装技术领域。
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