技术领域
[0001] 本
发明属于电
力电子功率模块领域，特别涉及一种低电感
电路布局的功率模块。
背景技术
[0002] 电力电子技术在当今快速发展的工业领域占有非常重要的地位，电力电子功率模块作为电力电子技术的代表，已广泛应用于电动
汽车，
光伏发电，
风力发电，工业变频等行业。随着我国工业的崛起，电力电子功率模块有着更加广阔的市场前景。
[0003] 为了提升电力电子系统的工作效率，要求电力电子功率模块具有更高的
开关频率，但是传统封装结构的寄生电感较大，在电力电子功率器件开关时造成较大的
电压过冲，增加了功率器件过压击穿的风险，限制了电力电子功率模块开关频率的进一步提高。寄生电感一直都是电力电子器件应用中需要克服的主要难题，尤其是高频、大功率应用场合。随着第三代
半导体的快速发展，尤其是
碳化
硅(SiC)器件的不断成熟，对新型低寄生电感封装结构提出更加迫切的需求。
发明内容
[0004] 本发明的目：为解决
现有技术中存在的问题，本发明提出了一种低电感电路布局的功率模块。
[0005] 技术方案：一种低寄生电感布局的功率模块，包括正
电极、负电极、输出电极和绝缘
基板，绝缘基板设于
底板上，正电极、负电极、输出电极与底板之间均设有绝缘层，绝缘基板包括导热绝缘层以及形成于导热绝缘层上的
铜层，所述铜层包括与正电极电连接的正电极铜层、与负电极电连接的负电极铜层和与输出电极电连接的输出电极铜层；正电极和负电极分别与绝缘基板相连；还包括布局在所述绝缘基板上的上半桥开关单元和下半桥开关单元；
[0006] 所述上半桥开关单元布局在绝缘基板的中间
位置，该上半桥开关单元的集电极或漏极与绝缘基板上的正电极铜层电连接，其发射极或源极与输出电极铜层电连接；
[0007] 所述下半桥开关单元对称分布在上半桥开关单元的两侧，该下半桥开关单元的集电极或漏极与输出电极铜层电连接，其发射极或源极与负电极铜层电连接。
[0008] 进一步的，所述上半桥开关单元的发射极或漏极与输出电极铜层的电连接采用铜箔，铜箔随着与正电极在垂直方向上的距离的增加，相应的铜箔宽度随之增宽；所述下半桥开关单元的发射极或漏极与负电极铜层的电连接采用铜箔，铜箔随着与负电极在垂直方向上的距离的增加，相应的铜箔宽度随之增宽。
[0009] 进一步的，所述正电极铜层分布在绝缘基板的中间位置，且在正电极铜层中间设置有与上半桥开关单元的栅极电连接的上半桥开关单元的栅极控制铜层；
[0010] 所述输出电极铜层对称分布在正电极铜层的左右两侧，所述负电极铜层对称分布在所述输出电极铜层的外侧；
[0011] 在所述负电极铜层的两边设置有与下半桥开关单元的栅极电连接的下半桥开关单元的栅极控制铜层。
[0012] 进一步的，所述上半桥开关单元包括多个上半桥开关芯片，所述上半桥开关芯片成对设置并呈多列分布在绝缘基板的中间位置；所述下半桥开关单元包括多个下半桥开关芯片，所述下半桥开关芯片呈多列对称分布在上半桥开关单元的左右两侧。
[0013] 进一步的，所述正电极与负电极上下叠层设置，且在正电极与负电极之间也设有绝缘层。
[0014] 进一步的，所述上半桥开关单元的集电极或漏极通过
软钎焊或
银烧结形成的焊层与正电极铜层电连接，其发射极或源极通过键合线与输出电极铜层电连接；所述下半桥开关单元的集电极或漏极通过软钎焊或银烧结形成的焊层与输出电极铜层电连接，其发射极或源极通过键合线与负电极铜层电连接。
[0015] 进一步的，所述上半桥开关单元通过键合线电连接下半桥开关单元，所述下半桥开关单元通过键合线电连接负电极，所述键合线与正电极、负电极、输出电极呈“T”形分布。
[0016] 进一步的，所述上半桥开关芯片、下半桥开关芯片均为功率MOSFET芯片，或者上半桥开关芯片、下半桥开关芯片均为IGBT芯片。
[0017] 进一步的，在上半桥开关芯片和下半桥开关芯片还反向并联有
二极管芯片。
[0018] 进一步的，还包括用于热敏
电阻，所述
热敏电阻分布在上半桥开关单元或下半桥开关单元的一侧。
[0019] 有益效果：本发明的低寄生电感的功率模块，具有以下有益效果：
[0020] 1.本发明的绝缘基板上的电路呈左右对称结构，可以大大降低回路电感；
[0021] 2.采用本发明的布局方式可以容纳更多的开关芯片，有利于提升模块的功率等级；
[0022] 3.功率模块的母排叠层设计，可大大降低主回路电感；
[0023] 4.功率模块内部芯片采用铜箔电连接，可以增加过
电流能力；铜箔随着与正电极或负电极距离的增加，相应的铜箔宽度随之增宽，有利实现并联芯片的均流；
[0024] 5.功率模块的开关芯片均匀且高对称排布，可以降低模块内部
结温分布；
[0025] 6.功率模块的主电极采用
超声波金属
焊接，充分提高了过流能力，提高了模块的可靠性；
[0026] 7.功率模块的主电极通过电源连接，外部电路仍然保持叠层连接，降低电感。
附图说明
[0027] 图1是
实施例的功率模块整体外观结构图；
[0028] 图2是实施例的功率模块主视图；
[0029] 图3是实施例的功率模块内部示意图；
[0030] 图4是实施例的功率模块爆炸示意图；
[0031] 图5是实施例的MOSFET功率模块拓扑结构图；
[0032] 图6是实施例的IGBT功率模块拓扑结构图；
[0033] 图7是现有技术的功率模块内部主视图；
[0034] 图8是实施例的功率模块电流回路和现有技术的功率模块电流回路的对比图；
[0035] 图9是实施例的功率模块安装示意图；
[0036] 图10是实施例的半桥功率模块整体结构示意图；
[0037] 图11是实施例的半桥MOSFET功率模块拓扑结构示意图；
[0038] 图12是实施例的半桥IGBT功率模块拓扑结构图；
[0039] 图13是实施例采用铜箔实现电连接的结构示意图；
[0040] 图14是实施例采用铜箔实现电连接的爆炸结构示意图。
具体实施方式
[0041] 现结合附图和实施例进一步阐述本发明的技术方案。
[0042] 本实施例提出了一种新型低寄生电感、高可靠性的功率模块，通过将母排叠层设置，结合模块内部电路的合理布局，达到了降低封装结构寄生电感的目的；同时功率
端子采用
超声波焊接方式，提高了电力电子功率模块的工作寿命。
[0043] 如图1至图5所示，本实施例以三相桥结构为例，包括正电极1、负电极2、输出电极 3、外框、盖板、
散热底板A、上半桥驱动端子、下半桥驱动端子和
采样端子，露出塑封外框的正电极1、负电极2、输出电极3与系统的母排相连，上半桥驱动端子、下半桥驱动端子、采样端子均与驱动PCB板相连，散热底板直接或通过导热硅脂固定在散热装置表面。为降低主回路电感，本实施例的正电极1和负电极2采用如图2所示的上下叠层结构设置，且在正电极1和负电极2之间设有绝缘层。
[0044] 图3为本实施例的功率模块的内部结构，还包括绝缘基板4、键合线5、热敏电阻9；该绝缘基板4包括导热绝缘层以及形成于导热绝缘层上的铜层，铜层包括与正电极1电连接的正电极铜层6、与负电极2电连接的负电极铜层7和与输出电极3电连接的输出电极铜层8；
正电极1和负电极2分别通过超声波金属与绝缘基板4相连；在绝缘基板4上布局有上半桥开关单元10和下半桥开关单元11；上半桥开关单元10、下半桥开关单元11、热敏电阻、上半桥驱动端子、下半桥驱动端子、采样端子通过采用软钎焊或者银烧结形成的焊层与相应铜层电连接；上半桥开关单元10和下半桥开关单元11的表面通过键合线5与绝缘基板4上表面的相应铜层实现互连。热敏电阻9布局在开关芯片的旁边，用于实时监测开关芯片的结温。
[0045] 本实施例的上半桥驱动端子、下半桥驱动端子和采样端子直接焊接在绝缘基板4上，其中上半桥驱动端子、下半桥驱动端子分别用于控制上半桥开关单元、下半桥开关单元的开通和关断；采样端子包括电流采样端子和
温度采样端子，电流采用端子与开关芯片的漏极或集电极电连接，温度采样端子与热敏电阻9相连。
[0046] 本实施例的上半桥开关单元10包括多个上半桥开关芯片，上半桥开关芯片成对设置并呈多列分布在绝缘基板4的中间位置；下半桥开关单元11包括多个下半桥开关芯片，下半桥开关芯片呈多列对称分布在上半桥开关单元10的左右两侧，上半桥开关芯片和下半桥开关芯片均反向并联有二极管芯片。上半桥开关芯片、下半桥开关芯片均可采用功率MOSFET芯片，或者上半桥开关芯片、下半桥开关芯片均采用IGBT芯片。
[0047] 在功率模块内部，绝缘基板4的电路布局为左右对称回路，功率模块内部芯片的布局如图3所示；从图3可以看出，芯片的布置为对称结构：上半桥开关单元布局在绝缘基板的中间位置，下半桥开关单元对称分布在上半桥开关单元的两侧；正电极铜层分布在绝缘基板的中间位置，输出电极铜层对称分布在正电极铜层的左右两侧，负电极铜层对称分布在输出电极铜层的外侧；具体的；中间位置为正电极铜层6，设置有上半桥开关芯片，上半桥开关芯片的底面通过钎焊或银烧结的方式与正电极铜层6电连接，上半桥开关芯片的表面通过键合线5与两侧的输出电极铜层8相连，正电极铜层6中间设置有上半桥开关芯片栅极控制铜层61，正电极1直接与正电极铜层6相连；正电极铜层6的左右两侧分布有输出电极铜层8，输出电极铜层8上设置有下半桥开关芯片，下半桥开关芯片的底面通过钎焊或银烧结与输出电极铜层8电连接，下半桥开关芯片的上面通过键合线5 与两侧的负电极铜层7电连接，输出电极铜层8与输出电极3相连；输出电极3的两侧分布有负电极铜层7，负电极铜层7与负电极2相连。
[0048] 本实施例的上半桥开关芯片和下半桥开关芯片均采用MOSFET芯片时，该上半桥开关单元的漏极通过软钎焊或银烧结形成的焊层与绝缘基板上的正电极铜层电连接，其源极通过键合线与输出电极铜层电连接；下半桥开关单元的漏极通过软钎焊或银烧结形成的焊层与输出电极铜层电连接，其源极通过键合线与负电极铜层电连接；在正电极铜层中间设置有与上半桥开关单元的栅极电连接的上半桥开关单元的栅极控制铜层；该上半桥开关单元的栅极与上半桥开关单元的栅极控制铜层电连接；在负电极铜层的两边设置有与下半桥开关单元的栅极电连接的下半桥开关单元的栅极控制铜层，该下半桥开关单元的栅极与下半桥开关单元的栅极控制铜层电连接。在本实施例中，开关芯片的漏极位于其底面，源极位于其表面。
[0049] 本实施例的上半桥开关芯片和下半桥开关芯片均采用IGBT芯片时，上半桥开关单元的集电极通过软钎焊或银烧结形成的焊层与正电极铜层电连接，其发射极通过键合线与输出电极铜层电连接；下半桥开关单元的集电极通过软钎焊或银烧结形成的焊层与输出电极铜层电连接，其发射极通过键合线与负电极铜层电连接。在正电极铜层中间设置有与上半桥开关单元的栅极电连接的上半桥开关单元的栅极控制铜层；该上半桥开关单元的栅极与上半桥开关单元的栅极控制铜层电连接；在负电极铜层的两边设置有与下半桥开关单元的栅极电连接的下半桥开关单元的栅极控制铜层，该下半桥开关单元的栅极与下半桥开关单元的栅极控制铜层电连接。在本实施例中，开关芯片的集电极位于其底面，发射极位于其表面。
[0050] 在本实施例中，将部分键合线采用铜箔12进行替换，即上半桥开关单元的发射极或漏极与输出电极铜层的电连接采用铜箔12，铜箔随着与正电极在垂直方向上的距离的增加，相应的铜箔宽度随之增宽；下半桥开关单元的发射极或漏极与负电极铜层的电连接采用铜箔，铜箔随着与负电极在垂直方向上的距离的增加，相应的铜箔宽度随之增宽，参见图13和图14。由此可减小长距离电流回路的电阻，实现了电路的有效均流，在使用过程中，离正、负电极较近的芯片通过的电流较大，此芯片往往较早失效，为了提升模块的可靠性，将铜箔的宽度设置不一致，离正、负电极较近的芯片采用较窄的铜箔，这样使得此芯片通路的电阻较大，相应地通过的电流也会减少，从而实现了并联芯片的均流效果。
[0051] 本实施例中的上半桥开关芯片、下半桥开关芯片成对设置，上半桥开关芯片采用键合线电连接下半桥开关芯片，下半桥开关芯片采用键合线连接负电极，并且此处使用的键合线与正电极、负电极、输出电极呈“T”形分布。
[0052] 图4给出了功率模块内部各层的关系，其中焊层可以是钎
焊料通过焊接形成的焊层，也可以是银浆通过烧结形成的焊层。
[0053] 参见图5，图5为MOSFET功率模块的拓扑结构，本实施例的上半桥开关芯片和下上半桥开关芯片均可采用功率MOSFET管。
[0054] 参见图6，图6为IGBT功率模块的拓扑结构，本实施例的半桥开关芯片和下上半桥开关芯片也均可采用IGBT芯片。
[0055] 图7为传统的功率模块内部，上半桥开关芯片和下半桥的开关芯片上下布置，通过键合线互连；而本实施例将上桥开关芯片与下桥开关芯片设置为左右布置，而且呈多列分布，上半桥开关单元居中，下半桥开关单元分为两侧，与传统功率模块相比，其换流回路更短，叠层路径更长，从而大幅度降低了寄生电感，参见图8。
[0056] 图9为本实施例的功率模块与散热装置的连接示意图，从图9可以看出：功率模块的散热底板A与散热装置B通过导热硅脂或其它导热材料
接触，母排与功率模块的主电极分两侧直接螺丝叠层连接固定。
[0057] 本实施例的布局方式也同样适合于半桥的模块，其外观结构如图10所示，拓扑结构如图11和图12所示，图11中开关芯片采用MOSFET芯片，图12中开关芯片采用 IGBT芯片。
