CN205140973U - 一种功率模块 - Google Patents

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Abstract

本实用新型公开了一种功率模块，包括底板、正电极、负电极、输出电极和设置在底板上的绝缘基板，正电极、负电极和输出电极与底板之间均设有绝缘层，绝缘基板包括第一导热绝缘层以及形成于第一导热绝缘层两侧的第一铜层和底铜层，第一铜层上设有上桥臂芯片单元，所述第一铜层在靠近正电极的一端设有正接线区，第一铜层在正接线区与上桥臂芯片单元之间设有第二导热绝缘层，第二导热绝缘层上设有第二铜层，第二铜层上设有下桥臂芯片单元，第二导热绝缘层靠近负电极的一端设有负接线区。本实用新型通过增加铜层和绝缘层来改变电流路径，采用电流分层形式，减小了续流回路面积和杂散电感。

Description

一种功率模块
技术领域
本实用新型涉及电力电子领域，具体涉及一种功率模块。
背景技术
功率模块是功率电子电力器件如MOS管(金属氧化物半导体)、IGBT(绝缘栅型场效应晶体管)，FRD(快恢复二极管)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。
然而随着模块中的功率开关被重复地切换，由其结构配置所产生的电感会降低功率模块的可靠性。传统的功率模块由于续流回路面积较大，导致大电流情况下，模块的续流回路电感很大，使模块的开关损耗大，可靠性低。
实用新型内容
实用新型目的：针对上述问题，本实用新型旨在提供一种杂散电感低、开关损耗小、可靠性高的功率模块。
技术方案：一种功率模块，包括底板、正电极、负电极、输出电极和设置在底板上的绝缘基板，正电极、负电极和输出电极与底板之间均设有绝缘层，绝缘基板包括第一导热绝缘层以及形成于第一导热绝缘层两侧的第一铜层和底铜层，第一铜层上设有上桥臂芯片单元，所述第一铜层在靠近正电极的一端设有正接线区，第一铜层在正接线区与上桥臂芯片单元之间设有第二导热绝缘层，第二导热绝缘层上设有第二铜层，第二铜层上设有下桥臂芯片单元，第二导热绝缘层靠近负电极的一端设有负接线区；由正电极流出的工作电流通过第一铜层流入上桥臂芯片单元，最后流至输出电极；由负电极流出的续流电流通过负接线区流入下桥臂芯片单元，然后通过第二铜层流至输出电极。
进一步的，所述正电极与负电极在平行于底板的方向上叠层设置，且正电极与负电极之间也设有绝缘层。
进一步的，所述正电极与正接线区连接，所述负电极与负接线区连接。
进一步的，所述上桥臂芯片单元包括多个并联的上桥臂芯片组，所述上桥臂芯片组包括集成于一体的上桥臂功率开关和上桥臂内部二极管，且上桥臂功率开关和上桥臂内部二极管并联；下桥臂芯片单元包括多个并联的下桥臂芯片组，下桥臂芯片组包括集成于一体的下桥臂功率开关和下桥臂内部二极管，且下桥臂功率开关和下桥臂内部二极管并联；由负电极流出的续流电流流经下桥臂内部二极管的正极、下桥臂内部二极管的负极，然后经第二铜层传输至输出电极。
进一步的，所述上桥臂芯片单元包括多个并联的上桥臂芯片组，所述上桥臂芯片组包括上桥臂功率开关和与之并联的上桥臂外部二极管，下桥臂芯片单元包括多个并联的下桥臂芯片组，下桥臂芯片组包括下桥臂功率开关和与之并联的下桥臂外部二极管；由负电极流出的续流电流流经下桥臂外部二极管的正极、下桥臂外部二极管的负极、然后经第二铜层传输至输出电极。
进一步的，所述上桥臂芯片单元包括多个并联的上桥臂芯片组，所述上桥臂芯片组包括并联的上桥臂功率开关、上桥臂内部二极管和上桥臂外部二极管，且上桥臂功率开关和上桥臂内部二极管集成于一体；下桥臂芯片单元包括多个并联的下桥臂芯片组，下桥臂芯片组包括并联的下桥臂功率开关、下桥臂内部二极管和下桥臂外部二极管，且下桥臂功率开关和下桥臂内部二极管集成于一体；由负电极流出的续流电流流经下桥臂内部二极管的正极和下桥臂外部二极管的正极、下桥臂内部二极管的负极和下桥臂外部二极管的负极、然后经第二铜层传输至输出电极。
进一步的，所述上桥臂功率开关和下桥臂功率开关均为MOS管，由正电极流出的工作电流流经第一铜层和上桥臂功率开关的漏极，然后经上桥臂功率开关的源极传输至输出电极。
进一步的，所述上桥臂功率开关和下桥臂功率开关均为IGBT，正电极流出的工作电流流经第一铜层和上桥臂功率开关的集电极，然后经上桥臂功率开关的发射极传输至输出电极。
进一步的，所述上桥臂功率开关为MOS管，下桥臂功率开关为IGBT，由正电极流出的工作电流流经第一铜层和上桥臂功率开关的漏极，然后经上桥臂功率开关的源极传输至输出电极。
进一步的，所述上桥臂功率开关为IGBT，下桥臂功率开关为MOS管，正电极流出的工作电流流经第一铜层和上桥臂功率开关的集电极，然后经上桥臂功率开关的发射极传输至输出电极。
有益效果：本实用新型通过增加铜层和绝缘层的方式来改变电流路径。相比现有模块正电极流出的工作电流的单一路径形式，采用了电流分层形式，正电极流出的工作电流流经第一铜层，负电极流出的续流电流流经第二铜层，两者路径仅间隔了一个第二导热绝缘层的厚度，减小了续流回路面积，增大了功率模块的过流能力，具有更小的杂散电感和开关损耗。
附图说明
图1是本实用新型的结构示意图；
图2是本实用新型的电流示意图；
图3(a)、3(b)本实用新型的电路示意图；
图4是本实用新型的立体结构图。
具体实施方式
如图1所示，一种功率模块，包括底板1、正电极2、负电极3、输出电极4和设置在底板1上的绝缘基板，正电极2、负电极3和输出电极4与底板1之间均设有绝缘层，本实施例中该绝缘层即图4中所示的绝缘外壳15，绝缘基板包括第一导热绝缘层以及形成于第一导热绝缘层两侧的第一铜层5和底铜层，第一铜层5上设有上桥臂芯片单元，第一铜层5在靠近正电极2的一端设有正接线区6，第一铜层5在正接线区6与上桥臂芯片单元之间设有第二导热绝缘层7，第二导热绝缘层7上设有第二铜层8，第二铜层8上设有下桥臂芯片单元，第二铜层8靠近负电极3的一端设有负接线区9。
如图2所示，本实施例中上桥臂芯片单元包括5个并联的上桥臂芯片组，下桥臂芯片单元包括5个并联的下桥臂芯片组。
上桥臂芯片组包括上桥臂功率开关10和与之并联的上桥臂外部二极管，下桥臂芯片组包括下桥臂功率开关11和与之并联的下桥臂外部二极管；由负电极3流出的续流电流31流经下桥臂外部二极管的正极、下桥臂外部二极管的负极、然后经第二铜层8传输至输出电极4。
上桥臂芯片组与下桥臂芯片组的结构还可以为：所述上桥臂芯片组包括集成于一体的上桥臂功率开关10和上桥臂内部二极管，且上桥臂功率开关10和上桥臂内部二极管并联；下桥臂芯片单元包括多个并联的下桥臂芯片组，下桥臂芯片组包括集成于一体的下桥臂功率开关11和下桥臂内部二极管，且下桥臂功率开关11和下桥臂内部二极管并联；由负电极3流出的续流电流31流经下桥臂内部二极管的正极、下桥臂内部二极管的负极，然后经第二铜层8传输至输出电极4。
上桥臂芯片组与下桥臂芯片组的结构还可以为：所述上桥臂芯片组包括并联的上桥臂功率开关10、上桥臂内部二极管和上桥臂外部二极管，且上桥臂功率开关10和上桥臂内部二极管集成于一体；下桥臂芯片单元包括多个并联的下桥臂芯片组，下桥臂芯片组包括并联的下桥臂功率开关11、下桥臂内部二极管和下桥臂外部二极管，且下桥臂功率开关11和下桥臂内部二极管集成于一体；由负电极3流出的续流电流31流经下桥臂内部二极管的正极和下桥臂外部二极管的正极、下桥臂内部二极管的负极和桥臂外部二极管的负极，然后经第二铜层8传输至输出电极4。
上桥臂功率开关10和下桥臂功率开关11可以为MOS管，也可以为IGBT(绝缘栅型场效应晶体管)：当上桥臂功率开关10和下桥臂功率开关11均为MOS管，其电路示意图如图3(a)所示。由正电极2流出的工作电流21流经第一铜层5和上桥臂功率开关10的漏极，然后经上桥臂功率开关10的源极传输至输出电极4。
当上桥臂功率开关10和下桥臂功率开关11均为IGBT，其电路示意图如图3(b)所示。正电极2流出的工作电流21流经第一铜层5和上桥臂功率开关10的集电极，然后经上桥臂功率开关10的发射极传输至输出电极4。当上桥臂功率开关10为MOS管，下桥臂功率开关11为IGBT时，由正电极2流出的工作电流21流经第一铜层5和上桥臂功率开关10的漏极，然后经上桥臂功率开关10的源极传输至输出电极4。
当上桥臂功率开关10为IGBT，下桥臂功率开关11为MOS管时，由正电极2流出的工作电流21流经第一铜层5和上桥臂功率开关10的集电极，然后经上桥臂功率开关10的发射极传输至输出电极4。
为了配合绝缘基板上的铜层结构，在减小续流回路面积的同时简化电路接线方式，本实用新型实施例需对结构做出相应改进，如图4所示：
所述正电极2与负电极3在平行于底板1的方向上叠层设置，且正电极2与负电极3之间也设有绝缘层。本实施例中该绝缘层即图4中所示的绝缘外壳15。
所述正电极2与正接线区6连接，所述负电极3与负接线区9连接。
如图2所示，由正电极2流出的工作电流通过第一铜层5流入上桥臂芯片单元，最后流至输出电极；由负电极3流出的续流电流31通过负接线区9流入下桥臂芯片单元，然后通过第二铜层8流至输出电极4。
下面以上桥臂功率开关10和下桥臂功率开关11均为MOS管且上桥臂功率开关10中集成有上桥臂内部二极管、下桥臂功率开关11中集成有下桥臂内部二极管的情况为例，介绍本实用新型的功率模块工作和续流的过程，以下所称邦定线均是英文bonding的译文：
工作时，上桥臂功率开关的栅极接受控制信号接通，工作电流21从正电极2流出，经过正极邦定线流入正接线区6，通过第一铜层5流入上桥臂芯片单元中上桥臂功率开关的漏极，然后通过上桥臂功率芯片组中上桥臂功率开关的源极流出，通过上桥臂邦定线12流至上桥臂源极铜层51，最后流出至输出电极4。
续流时，续流电流31从负电极3流出，经过负极邦定线13流入负接线区9，接着分流成五路，经过下桥臂邦定线14分别流入五个下桥臂内部二极管的正极，接着分别从五个下桥臂内部二极管的负极流出至第二铜层8，然后经上桥臂邦定线12流至上桥臂源极铜层51，最后流出至输出电极4。
以上采用邦定线将各电极、各铜层以及各功率芯片单元直接连通，有效简化了电路结构，降低了成本。此外，还可采用超声波焊接的方式将各电极、各铜层以及各功率芯片单元直接连通。
本实用新型通过增加铜层和绝缘层的方式来改变电流路径，功率模块自上而下依次设有第二铜层8、第二导热绝缘层7、第一铜层5、第一导热绝缘层、和底铜层。本实用新型采用电流分层形式，正电极2流出的工作电流流经第一铜层5，负电极3流出的续流电流流经第二铜层8，两者路径仅间隔了一个第二导热绝缘层7的厚度，减小了续流回路面积，增大了功率模块的过流能力，具有更小的杂散电感和开关损耗。

Claims (10)

1.一种功率模块，包括底板(1)、正电极(2)、负电极(3)、输出电极(4)和设置在底板(1)上的绝缘基板，正电极(2)、负电极(3)和输出电极(4)与底板(1)之间均设有绝缘层，绝缘基板包括第一导热绝缘层以及形成于第一导热绝缘层两侧的第一铜层(5)和底铜层，第一铜层(5)上设有上桥臂芯片单元，其特征在于：所述第一铜层(5)在靠近正电极(2)的一端设有正接线区(6)，第一铜层(5)在正接线区(6)与上桥臂芯片单元之间设有第二导热绝缘层(7)，第二导热绝缘层(7)上设有第二铜层(8)，第二铜层(8)上设有下桥臂芯片单元，第二导热绝缘层(7)靠近负电极的一端设有负接线区(9)；由正电极(2)流出的工作电流(21)通过第一铜层(5)流入上桥臂芯片单元，最后流至输出电极(4)；由负电极(3)流出的续流电流(31)通过负接线区(9)流入下桥臂芯片单元，然后通过第二铜层(8)流至输出电极(4)。
2.根据权利要求1所述的一种功率模块，其特征在于：所述正电极(2)与负电极(3)在平行于底板(1)的方向上叠层设置，且正电极(2)与负电极(3)之间也设有绝缘层。
3.根据权利要求2所述的一种功率模块，其特征在于：所述正电极(2)与正接线区(6)连接，所述负电极(3)与负接线区(9)连接。
4.根据权利要求1所述的一种功率模块，其特征在于：所述上桥臂芯片单元包括多个并联的上桥臂芯片组，所述上桥臂芯片组包括集成于一体的上桥臂功率开关(10)和上桥臂内部二极管，且上桥臂功率开关(10)和上桥臂内部二极管并联；下桥臂芯片单元包括多个并联的下桥臂芯片组，下桥臂芯片组包括集成于一体的下桥臂功率开关(11)和下桥臂内部二极管，且下桥臂功率开关(11)和下桥臂内部二极管并联；由负电极(3)流出的续流电流(31)流经下桥臂内部二极管的正极、下桥臂内部二极管的负极，然后经第二铜层(8)传输至输出电极(4)。
5.根据权利要求1所述的一种功率模块，其特征在于：所述上桥臂芯片单元包括多个并联的上桥臂芯片组，所述上桥臂芯片组包括上桥臂功率开关(10)和与之并联的上桥臂外部二极管，下桥臂芯片单元包括多个并联的下桥臂芯片组，下桥臂芯片组包括下桥臂功率开关(11)和与之并联的下桥臂外部二极管；由负电极(3)流出的续流电流(31)流经下桥臂外部二极管的正极、下桥臂外部二极管的负极、然后经第二铜层(8)传输至输出电极(4)。
6.根据权利要求1所述的一种功率模块，其特征在于：所述上桥臂芯片单元包括多个并联的上桥臂芯片组，所述上桥臂芯片组包括并联的上桥臂功率开关(10)、上桥臂内部二极管和上桥臂外部二极管，且上桥臂功率开关(10)和上桥臂内部二极管集成于一体；下桥臂芯片单元包括多个并联的下桥臂芯片组，下桥臂芯片组包括并联的下桥臂功率开关(11)、下桥臂内部二极管和下桥臂外部二极管，且下桥臂功率开关(11)和下桥臂内部二极管集成于一体；由负电极(3)流出的续流电流(31)流经下桥臂内部二极管的正极和下桥臂外部二极管的正极、下桥臂内部二极管的负极和下桥臂外部二极管的负极、然后经第二铜层(8)传输至输出电极(4)。
7.根据权利要求4至6中任意一项所述的一种功率模块，其特征在于：所述上桥臂功率开关(10)和下桥臂功率开关(11)均为MOS管，由正电极(2)流出的工作电流(21)流经第一铜层(5)和上桥臂功率开关(10)的漏极，然后经上桥臂功率开关(10)的源极传输至输出电极(4)。
8.根据权利要求4至6中任意一项所述的一种功率模块，其特征在于：所述上桥臂功率开关(10)和下桥臂功率开关(11)均为IGBT，正电极(2)流出的工作电流(21)流经第一铜层(5)和上桥臂功率开关(10)的集电极，然后经上桥臂功率开关(10)的发射极传输至输出电极(4)。
9.根据权利要求4至6中任意一项所述的一种功率模块，其特征在于：所述上桥臂功率开关(10)为MOS管，下桥臂功率开关(11)为IGBT，由正电极(2)流出的工作电流(21)流经第一铜层(5)和上桥臂功率开关(10)的漏极，然后经上桥臂功率开关(10)的源极传输至输出电极(4)。
10.根据权利要求4至6中任意一项所述的一种功率模块，其特征在于：所述上桥臂功率开关(10)为IGBT，下桥臂功率开关(11)为MOS管，正电极(2)流出的工作电流(21)流经第一铜层(5)和上桥臂功率开关(10)的集电极，然后经上桥臂功率开关(10)的发射极传输至输出电极(4)。
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