CN105374811A - 一种功率模块 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的一种功率模块，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，绝缘基板包括导热绝缘层以及形成于该导热绝缘层上的铜层，绝缘基板的铜层上设有多个相互独立的环形绝缘槽，每个绝缘槽所包围的铜层为下桥臂铜层，绝缘槽外侧的铜层为上桥臂铜层，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；上桥臂铜层在靠近正电极的一端设有接线区，接线区与下桥臂铜层之间设有下桥臂源极接线排，下桥臂源极接线排包括接线排导热绝缘层和形成于接线排导热绝缘层上的接线排铜层；本发明减小了续流回路面积，减小了杂散电感和开关损耗，提高了模块的可靠性。

Description

一种功率模块
技术领域
本发明涉及电力电子领域，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，导致模块的续流回路电感很大，使模块的开关损耗大，可靠性低。
发明内容
发明目的：针对上述问题，本发明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，所述绝缘基板包括导热绝缘层以及形成于该导热绝缘层上的铜层，绝缘基板的铜层上设有多个相互独立的环形绝缘槽，每个绝缘槽所包围的铜层为下桥臂铜层，绝缘槽外侧的铜层为上桥臂铜层，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；上桥臂铜层在靠近正电极的一端设有接线区，接线区与下桥臂铜层之间设有下桥臂源极接线排，下桥臂源极接线排包括接线排导热绝缘层和形成于接线排导热绝缘层上的接线排铜层；由正电极流出的工作电流通过上桥臂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接线排铜层流入下桥臂芯片单元，然后流至下桥臂铜层，最后流至输出电极。
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，正电极与上桥臂铜层接线区连接，所述负电极与接线排铜层连接。
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，然后经下桥臂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、然后经下桥臂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，然后经下桥臂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上桥臂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，由正电极流出的工作电流流经上桥臂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上桥臂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；由正电极流出的工作电流流经上桥臂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：本发明通过改变基板上表面铜层的分布，来改变电流路径，正电极流入的工作电流从下桥臂芯片单元的两侧流经上桥臂铜层进入上桥臂功率开关最终到达输出电极，采用多路分流形式，减小续流回路面积，减小杂散电感和开关损耗。同时以下桥臂源极接线排配合电流路径的改变，能够减小电路的复杂性，进一步减小杂散电感和开关损耗，提高了模块的可靠性。
附图说明
图1是本发明的电流示意图；
图2本发明的电路示意图；
图3是本发明的立体结构图。
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3中所示的绝缘外壳15，所述绝缘基板包括导热绝缘层以及形成于该导热绝缘层上的铜层，绝缘基板的铜层上设有多个相互独立的环形绝缘槽5，本发明实施例通过在绝缘基板的铜层上刻蚀出多个相互独立的环形绝缘槽5。每个绝缘槽内侧的铜层为下桥臂铜层6，绝缘槽外侧的铜层为上桥臂铜层7，上桥臂铜层7上设有上桥臂芯片单元，下桥臂铜层6上设有下桥臂芯片单元。
上桥臂铜层7在靠近正电极2的一端设有接线区8，接线区8与下桥臂铜层6之间设有下桥臂源极接线排，下桥臂源极接线排包括接线排导热绝缘层和形成于接线排导热绝缘层上的接线排铜层9。
上桥臂芯片单元包括多个并联的上桥臂芯片组，下桥臂芯片单元包括多个并联的下桥臂芯片组，上桥臂芯片组和下桥臂芯片组的总数量一致。本实施例中共有5个下桥臂芯片单元，为了更好的减小电流回路的面积从而降低杂散电感，每个下桥臂芯片单元包括2个并联的下桥臂芯片组。
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、然后经下桥臂铜层6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，然后经下桥臂铜层6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下桥臂外部二极管的负极，然后经下桥臂铜层6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管时，其电路示意图如图2(a)所示。由正电极2流出的工作电流21流经上桥臂铜层7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2(b)所示。正电极2流出的工作电流21流经上桥臂铜层7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流经上桥臂铜层7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流经上桥臂铜层7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，本发明实施例需对结构做出相应改进，如图3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3中所示的绝缘外壳15。
所述正电极2与接线区8连接，所述负电极3与接线排铜层9连接。
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，介绍本发明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上桥臂铜层7，由于上桥臂铜层7与下桥臂铜层之间是隔离的，且相邻两个下桥臂铜层之间均设有上桥臂铜层7，如图1所示，因此工作电流21分流成六路流经上桥臂铜层7后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，电流通过上桥臂邦定线12流至上桥臂源极铜层71，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流入接线排铜层9，接着分流成十路，经过下桥臂邦定线14分别流入十个下桥臂内部二极管的正极，接着分别从十个下桥臂内部二极管的负极流出至下桥臂铜层6，然后经上桥臂邦定线12流至上桥臂源极铜层71，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。
本发明通过改变基板上表面铜层的分布，来改变电流路径。相比现有模块电流走一侧的形式，本实施例采用六路分流形式，续流回路面积大大减小，因而具有更小的杂散电感和开关损耗，能够应用在高速功率模块领域。

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，所述绝缘基板包括导热绝缘层以及形成于该导热绝缘层上的铜层，其特征在于：绝缘基板的铜层上设有多个相互独立的环形绝缘槽(5)，每个绝缘槽(5)所包围的铜层为下桥臂铜层(6)，绝缘槽(5)外侧的铜层为上桥臂铜层(7)，上桥臂铜层(7)上设有上桥臂芯片单元，下桥臂铜层(6)上设有下桥臂芯片单元；上桥臂铜层(7)在靠近正电极(2)的一端设有接线区(8)，接线区(8)与下桥臂铜层(6)之间设有下桥臂源极接线排，下桥臂源极接线排包括接线排导热绝缘层和形成于接线排导热绝缘层上的接线排铜层(9)；由正电极(2)流出的工作电流(21)通过上桥臂铜层(7)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)通过接线排铜层(9)流入下桥臂芯片单元，然后流至下桥臂铜层(6)，最后流至输出电极(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)与接线区(8)连接，所述负电极(3)与接线排铜层(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，然后经下桥臂铜层(6)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、然后经下桥臂铜层(6)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，然后经下桥臂铜层(6)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)流经上桥臂铜层(7)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，由正电极(2)流出的工作电流(21)流经上桥臂铜层(7)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)流经上桥臂铜层(7)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；由正电极(2)流出的工作电流(21)流经上桥臂铜层(7)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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