CN107731771A - 具有低杂散电感的功率半导体模块端子 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有低杂散电感的功率半导体模块端子。包含并排设置的两个功率端子，功率端子中包括接触部分、叠层部分、折弯结构和引脚；每个功率端子的引脚及其折弯结构均分为两部分，两部分分别布置连接到叠层部分的两端或两处，其中一个引脚的两部分均位于另一引脚的两部分之间，每个引脚的两部分以所述功率半导体模块端子整体的中线对称布置，所有引脚布置于沿与第一方向平行的同一直线上。本发明能够在不增加DCB基板设计复杂程度和模块体积的情况下，帮助减小换流回路面积，从而减小模块换流回路的杂散电感。
Description
技术领域
本发明涉及了一种半导体端子，具体是涉及了一种具有低杂散电感的功率半导体模块端子。
背景技术
对于工作在开关状态的功率半导体模块，关断时的电压尖峰(ΔV＝L×di/dt)取决于功率半导体元件关断时的电流变化率di/dt和换流回路的杂散电感L。在功率半导体模块关断时，半导体元件上的电压等于直流母线电压Vdc与电压尖峰ΔV之和，若该电压超过半导体元件的额定值，则会导致元件击穿和失效。而提高半导体元件的开关速度di/dt有利于减小模块的开关损耗。另一方面，在半导体元件最大电压一定的情况下，减小电压尖峰ΔV可帮助提高模块可允许的最大母线电压，从而提高功率模块的输出功率。因此，减小功率半导体模块的杂散电感对于提高模块的开关频率、减小开关损耗和提高模块的功率密度十分重要，需要在设计功率半导体模块时着重考虑。
功率半导体模块的杂散电感一般包括正负功率端子的杂散电感、模块DCB衬底的杂散电感，以及它们之间的互感。对于功率端子，目前公开的设计为减小杂散电感采用的是引脚交错布置的方式，需要与之配合的模块DCB衬底结构复杂，通常需要增加DCB衬底和模块体积，并且可能会相应地增加DCB衬底的杂散电感，不利于整个换流回路整体杂散电感的减小和功率半导体模块功率密度的提高。
发明内容
为克服以上技术的不足，本发明提供了一种具有低杂散电感的功率半导体模块端子，能够减小模块端子的杂散电感，提高功率半导体模块的开关频率，减小开关损耗和提高模块的功率密度。
本发明采用的技术方案是包含并排设置的第一功率端子和第二功率端子，第一功率端子和第二功率端子其中之一为正极端子，另一个为负极端子，其特征在于在第一功率端子和第二功率端子中，具体结构是：
包括第一接触部分和第二接触部分，分别属于第一功率端子和第二功率端子，是第一功率端子和第二功率端子的主体部分，且第一接触部分和第二接触部分的上表面位于同一平面；
包括第一叠层部分，与第一功率端子的第一接触部分连接；
包括第二叠层部分，与第二功率端子的第二接触部分连接；
其中，两个叠层部分相互平行布置且不接触，被塑封外壳包裹；
包括多个第一折弯结构，连接在第一功率端子的第一叠层部分和属于第一功率端子的第一引脚之间；
包括多个第二折弯结构，连接在第二功率端子的第二叠层部分和属于第二功率端子的第二引脚之间。
每个第一引脚经各自的一个第一折弯结构连接到第一叠层部分，同样每个第二引脚经各自的一个第二折弯结构连接到第二叠层部分。
所述的叠层部分均垂直于接触部分，或者均平行于接触部分。
在本发明的模块端子结构中还要设置：属于第一功率端子的第一引脚及其第一折弯结构分为两部分，两部分分别布置连接到第一叠层部分沿第一方向的两端，并且两部分的第一引脚及其第一折弯结构的数量相同并且以所述功率半导体模块端子整体的中线对称布置，所有第一引脚布置于沿与第一方向平行的同一直线上；属于第二功率端子的第二引脚及其第二折弯结构分为两部分，两部分分别布置连接到第二叠层部分沿第一方向的两处，两部分的第二引脚及其第二折弯结构均位于两部分的第一引脚及其第一折弯结构之间，并且两部分的第二引脚及其第二折弯结构的数量相同并且以所述功率半导体模块端子整体的中线对称布置，所有第二引脚布置于沿与第一方向平行的同一直线上。
每一部分的第一引脚及其第一折弯结构均由两个引脚端及其各自的折弯结构并排组成。
每一部分的第二引脚及其第二折弯结构均由两个引脚端及其各自的折弯结构并排组成。
所有第二引脚与所有第一引脚均布置于沿与第一方向平行的同一直线上。
相邻的第一引脚与第二引脚之间的最小间距范围为1至4mm，属于同一功率端子的引脚之间的间距范围为0.5至3mm，且第一引脚与第二引脚之间的最小间距大于属于同一功率端子的引脚之间的间距。
为配合功率端子的引脚布置，在安装所述功率半导体模块端子的DCB衬底上与功率端子的相邻边处设置有第一金属敷层和第二金属敷层：第一金属敷层对称布置于DCB衬底两侧，第一金属敷层与第一引脚通过焊接方式连接；第二金属敷层布置于两侧的第一金属敷层中间，第二金属敷层与第二引脚通过焊接方式连接。
所述的第一叠层部分在第一方向上的长度由属于第一功率端子的第一引脚定义，长度为属于第一功率端子两侧边沿处的第一折弯结构外边缘之间的距离；所述的第二叠层部分在第一方向上的长度由第二引脚的第二折弯结构和第二接触部分定义，长度至少为属于第二功率端子且较远离第二接触部分一侧边沿处的第二折弯结构外边缘到第二接触部分外边缘之间的距离。
属于第一功率端子的第一引脚和属于第二功率端子的第二引脚的数量大于或等于2，且属于第一功率端子的第一引脚数量为偶数。
所述的功率端子的引脚、折弯结构、叠层部分和接触部分的厚度范围为0.8至1.2mm，第一叠层部分和第一叠层部分之间的间距范围为0.8至2mm。
所述第一功率端子和第二功率端子构成了直流端子，与之配合的交流端子配置有第三接触部分和第四接触部分，且第三接触部分和第四接触部分的上表面位于同一平面。
本发明的有益效果是：
本发明通过优化布置与DCB衬底接触的引脚的位置和设置叠层部分在不增加DCB衬底和模块体积的情况下减小端子的杂散电感，从而帮助提高功率半导体模块的开关频率、减小开关损耗和提高模块的功率密度。
与现有技术相比，本发明给定的引脚71,72的布置和导流叠层部分51,52的设置可在不增加DCB基板设计复杂程度和模块体积的情况下，帮助减小换流回路面积，从而减小模块换流回路的杂散电感。
附图说明
图1为所述功率半导体模块端子的结构示意图。
图2为所述功率半导体模块端子的上视图。
图3为所述功率半导体模块端子的尺寸示意图。
图4为与所述功率端子配合的DCB衬底示意图。
图5为与所述功率端子相似方案的结构示意图。
图6为与所述功率端子配合的交流端子结构示意图。
图中，功率端子1、2；接触部分41、42；叠层部分51、52；连续折弯结构61、62；引脚71、72；第一方向81、82、83。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
本发明的实施例如下：
实施例1
图1显示出了根据本发明的功率半导体模块端子的结构，图2显示了所述功率端子的引脚71,72的布置方式，图3显示了所述功率端子叠层部分的布置方式，图4显示了与所述功率端子配合的DCB衬底的布置方式。
由图1所示，本发明功率端子用于连接功率模块外部的正负直流母线和功率模块内部的DCB衬底10，分为第一功率端子1和第二功率端子2，两个功率端子间互不接触，相互绝缘。图1中建立三个坐标系方向，第一方向81、第二方向82和第三方向83是三个相互两两垂直的方向，第一方向81、第二方向82组成的平面为衬底平面。
为保证与外部直流母线的有效接触，两个功率端子中分别设置有向第二方向82延伸的接触部分41和42，接触部分上表面位于同一平面上且其上设置有螺孔31,32，以方便与直流母线紧密固定。
由图2所示，两个功率端子的两种引脚71,72均沿第一方向81布置，其中，属于第一功率端子1的两部分第一引脚71平均地分布在两端，属于功率端子2的两部分第二引脚72布置在两部分第一引脚71之间的中间位置。
两部分的第一引脚71经各自的第一折弯结构61分别布置连接到第一叠层部分51沿第一方向81的两端，并且两部分的第一引脚71的数量相同并且以所述功率半导体模块端子整体的中线对称布置；两部分第二引脚72经各自的第二折弯结构62分别布置连接到第一叠层部分51沿第一方向81两端之间的第二叠层部分52上，并且两部分的第二引脚72的数量相同并且以所述功率半导体模块端子整体的中线对称布置。另外将两部分的第二引脚72与两部分的第一引脚71均布置于沿与第一方向81平行的同一直线上，第一、第二引脚均由两个引脚端并排组成。
与之对应的DCB衬底10的配置由图4所示，用于与第一功率端子1连接的第一金属敷层101布置在DCB衬底沿第一方向81的两侧处，与第一引脚71的接触部分111设置在第一金属敷层101上，且关于衬底10沿第二方向82的中线对称。用于与第二功率端子2连接的第二金属敷层102布置在DCB衬底沿第一方向81的中间位置处，与第二引脚72的接触部分112设置在第二金属敷层102上。
据此配置，若通过功率半导体模块的功率电流从第一功率端子1流入，流经第一金属敷层101后最后回到第二金属敷层102，并从第二功率端子2流出，可看出流经第一引脚71与第二引脚72的电流方向相反，流经第一金属敷层101和第二金属敷层102的电流方向相反。因引脚71和引脚72、第一金属敷层101和第二金属敷层102为包裹结构，在第一方向81上有两个位置彼此相邻，因此通过的电流所产生的磁场可在这两个位置上相互抵消，从而可帮助减小换流回路的杂散电感。
由图1所示，功率端子在接触部分41,42和引脚71,72间配置有导流的叠层部分51和52，其与引脚71,72间通过连续的第一、第二折弯结构61,62连接。叠层部分51,52的尺寸设置由图3所示：第一叠层部分51在第一方向81上的长度91由属于第一功率端子1的第一引脚71定义，长度91为属于第一功率端子1两侧边沿处的第一折弯结构61外边缘之间的距离；第二叠层部分52在第一方向81上的长度92由第二引脚72的第二折弯结构62和第二接触部分42定义，长度92至少为属于第二功率端子2且较远离第二接触部分42一侧边沿处的第二折弯结构62外边缘到第二接触部分42外边缘之间的距离。据此配置，由于51和52的叠层布置，可使通过第一功率端子1和第二功率端子2的电流所产生的电磁场部分抵消，从而可进一步减小功率端子的杂散电感。
通过Ansys Q3D软件可仿真得到的本实施例所提出的功率端子和与之配套的DCB衬底的杂散电感(即寄生电感)为7.82nH。
实施例2
如图5所示，实施例2和实施例1不同的是在于叠层部分51,52并非是和接触部分相垂直，而是和接触部分41,42在同一水平面上，叠层部分51,52沿着第二方向82布置。此种端子结构仍然具有与实施例1相同的低杂散配置。
通过Ansys Q3D软件仿真得到实施例2与DCB衬底的杂散电感为8nH。但由于其叠层部分的布置方向会增加功率模块在第二方向82上的长度，不利于模块功率密度的提高，因此相比实施例1略高。
具体实施中，再设置与第一功率端子1和第二功率端子2配合的交流端子3，如图6所示，交流端子3配置有第三接触部分43和第四接触部分44，第三接触部分43和第四接触部分44上设有各自的螺孔33,34，且第三接触部分43和第四接触部分44的上表面位于同一平面。第三接触部分43和第四接触部分44与同一叠层部分53连接，同一叠层部分53下连接有六个三相引脚73，每个引脚73经各自的折弯结构62连接到叠层部分53。
传统两个引脚均独立分离的功率端子结构设计经Ansys Q3D软件仿真获得杂散电感为24.2nH，现有其他的以引脚相交错布置的功率端子结构经Ansys Q3D软件仿真获得杂散电感为11.9nH，而本发明经上述两个实施例实验验证杂散电感低于8nH，由此可见本发明相比现有技术大大减小了杂散电感，具有其显著突出的技术效果。
Claims (10)
1.一种具有低杂散电感的功率半导体模块端子，包含并排设置的第一功率端子(1)和第二功率端子(2)，其特征在于在第一功率端子(1)和第二功率端子(2)中，具体结构是：
包括第一接触部分(41)和第二接触部分(42)，分别属于第一功率端子(1)和第二功率端子(2)，且第一接触部分(41)和第二接触部分(42)的上表面位于同一平面；
包括第一叠层部分(51)，与第一功率端子(1)的第一接触部分(41)连接；
包括第二叠层部分(52)，与第二功率端子(2)的第二接触部分(42)连接；
其中，两个叠层部分(51,52)相互平行布置且不接触；
包括多个第一折弯结构(61)，连接在第一功率端子(1)的第一叠层部分(51)和属于第一功率端子(1)的第一引脚(71)之间；
包括多个第二折弯结构(62)，连接在第二功率端子(2)的第二叠层部分(52)和属于第二功率端子(2)的第二引脚(72)之间。
2.根据权利要求1所述的一种具有低杂散电感的功率半导体模块端子，其特征在于：所述的叠层部分(51,52)均垂直于接触部分(41,42)，或者均平行于接触部分(41,42)。
3.根据权利要求1所述的一种具有低杂散电感的功率半导体模块端子，其特征在于：属于第一功率端子(1)的第一引脚(71)及其第一折弯结构(61)分为两部分，两部分分别布置连接到第一叠层部分(51)沿第一方向(81)的两端，并且两部分的第一引脚(71)及其第一折弯结构(61)的数量相同并且以所述功率半导体模块端子整体的中线对称布置，所有第一引脚(71)布置于沿与第一方向(81)平行的同一直线上；
属于第二功率端子(2)的第二引脚(72)及其第二折弯结构(62)分为两部分，两部分分别布置连接到第二叠层部分(52)沿第一方向(81)的两处，两部分的第二引脚(72)及其第二折弯结构(62)均位于第一引脚(71)及其第一折弯结构(61)两部分之间，并且两部分的第二引脚(72)及其第二折弯结构(62)的数量相同并且以所述功率半导体模块端子整体的中线对称布置，所有第二引脚(72)布置于沿与第一方向(81)平行的同一直线上。
4.根据权利要求3所述的一种具有低杂散电感的功率半导体模块端子，其特征在于：所有第二引脚(72)与所有第一引脚(71)均布置于沿与第一方向(81)平行的同一直线上。
5.根据权利要求1所述的一种具有低杂散电感的功率半导体模块端子，其特征在于：相邻的第一引脚(71)与第二引脚(72)之间的最小间距(93)范围为1至4mm，属于同一功率端子(1,2)的引脚(71,72)之间的间距(94)范围为0.5至3mm，且第一引脚(71)与第二引脚(72)之间的最小间距(93)大于属于同一功率端子(1,2)的引脚(71,72)之间的间距(94)。
6.根据权利要求1所述的一种具有低杂散电感的功率半导体模块端子，其特征在于：在安装所述功率半导体模块端子的DCB衬底(10)上设置有第一金属敷层(101)和第二金属敷层(102)：第一金属敷层(101)对称布置于DCB衬底(10)两侧，第一金属敷层(101)与第一引脚(71)通过焊接方式连接；第二金属敷层(102)布置于两侧的第一金属敷层(101)中间，第二金属敷层(102)与第二引脚(72)通过焊接方式连接。
7.根据权利要求1所述的一种具有低杂散电感的功率半导体模块端子，其特征在于：所述的第一叠层部分(51)在第一方向(81)上的长度(91)由属于第一功率端子(1)的第一引脚(71)定义，长度(91)为属于第一功率端子(1)两侧边沿处的第一折弯结构(61)外边缘之间的距离；所述的第二叠层部分(52)在第一方向(81)上的长度(92)由第二引脚(72)的第二折弯结构(62)和第二接触部分(42)定义，长度(92)至少为属于第二功率端子(2)且较远离第二接触部分(42)一侧边沿处的第二折弯结构(62)外边缘到第二接触部分(42)外边缘之间的距离。
8.根据权利要求1所述的一种具有低杂散电感的功率半导体模块端子，其特征在于：属于第一功率端子(1)的第一引脚(71)和属于第二功率端子(2)的第二引脚(72)的数量大于或等于2，且属于第一功率端子(1)的第一引脚(71)数量为偶数。
9.根据权利要求1所述的一种具有低杂散电感的功率半导体模块端子，其特征在于：所述的功率端子(1,2)的引脚(71,72)、折弯结构(61,62)、叠层部分(51,52)和接触部分(41,42)的厚度范围为0.8至1.2mm，第一叠层部分(51)和第一叠层部分(52)之间的间距范围为0.8至2mm。
10.根据权利要求1所述的一种具有低杂散电感的功率半导体模块端子，其特征在于：所述第一功率端子(1)和第二功率端子(2)构成了直流端子，与之配合的交流端子(3)配置有第三接触部分(43)和第四接触部分(44)，且第三接触部分(43)和第四接触部分(44)的上表面位于同一平面。
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