CN108598074B - 一种新型封装结构的功率模块 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型封装结构的功率模块。该功率模块包括：第一直流侧端子、第二直流侧端子、交流侧端子、第一驱动端子、第二驱动端子、第一碳化硅金属氧化物半导体场效应管、第二碳化硅金属氧化物半导体场效应管、二极管以及底座；第一直流侧端子、第二直流侧端子、交流侧端子、第一驱动端子以及第二驱动端子设置在底座的上表面；第一直流侧端子与第二直流侧端子位于同一轴线上。本发明所提供的同轴结构的直流侧端子能够有效地减小直流侧端子的距离并增大其耦合面积，增大直流侧端子的互感，减小功率模块的封装电感，进一步减小功率模块内部碳化硅MOSFET在开关瞬态和短路情况下所承受的电压过冲，减小功率模块的开关损耗。
Description
技术领域
本发明涉及功率半导体模块封装领域，特别是涉及一种新型封装结构的功率模块。
背景技术
目前，传统硅基器件的性能已经达到了其材料的极限，其应用范围也无法继续拓展，因此新一代的功率半导体器件被研发出来。在这些新型半导体器件当中，碳化硅功率器件由于具有宽禁带、高临界电场击穿强度、高热导率、高电子迁移率等优越的材料性能，使得其在高温、高压、高频等领域得到了广泛的应用。
碳化硅金属氧化物半导体场效晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET)器件的开关速度快，开关损耗低，导通电阻小，这些性能有助于提高逆变器的转换效率，降低冷凝系统的成本，减小电力电子装备的体积。随着电动汽车、光伏逆变器的快速发展，碳化硅MOSFET芯片被串并联模块化以满足高压大功率的要求。由于碳化硅MOSFET的开关速度快，因此在开关瞬态和短路情况下其两端会产生很大的电压过冲，对系统产生干扰，当这些尖峰超过碳化硅MOSFET的额定电压和额定电流值时就会使功率模块性能退化，严重时甚至烧毁模块。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种新型封装结构的功率模块，用以减小功率模块的开关损耗，提高稳定性。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种新型封装结构的功率模块，所述功率模块包括：第一直流侧端子、第二直流侧端子、交流侧端子、第一驱动端子、第二驱动端子、第一碳化硅金属氧化物半导体场效应管、第二碳化硅金属氧化物半导体场效应管、二极管以及底座；所述第一碳化硅金属氧化物半导体场效应管、所述第二碳化硅金属氧化物半导体场效应管和所述二极管封装在所述底座内部；所述第一直流侧端子、所述第二直流侧端子、所述交流侧端子、所述第一驱动端子以及所述第二驱动端子设置在所述底座的上表面；
所述第一直流侧端子与所述第二直流侧端子位于同一轴线上；所述第一直流侧端子与所述第一碳化硅金属氧化物半导体场效应管的漏极连接；所述第二直流侧端子与第二碳化硅金属氧化物半导体场效应管的源极连接；
所述交流侧端子与所述第一碳化硅金属氧化物半导体场效应管的源极以及第二碳化硅金属氧化物半导体场效应管的漏极连接；
所述第一驱动端子与所述第二驱动端子位于同一轴线上；所述第一驱动端子与所述第一碳化硅金属氧化物半导体场效应管的栅源极连接；所述第二驱动端子与所述第二碳化硅金属氧化物半导体场效应管的栅源极连接。
可选的，所述第一直流侧端子以及所述第二直流侧端子均外接直流电路。
可选的，所述第一直流侧端子与所述第二直流侧端子距离为0.5mm。
可选的，所述交流侧端子外接负载电路。
可选的，所述第一驱动端子以及所述第二驱动端子均包括两个插簧端子；所述第一驱动端子以及所述第二驱动端子外接驱动电路。
与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：现有功率模块中电压过冲产生的主要原因是回路中存在寄生电感，模块的寄生电感通常指两个直流端子之间的电感，包括直流侧端子的电感和模块内部键合线的电感。其中，直流侧端子的电感在整个模块寄生电感中占主要部分，而端子的寄生电感随着两个端子之间的距离变化而变化，端子之间的距离越小，其电感值也越小。本发明所提供的同轴结构的直流侧端子能够有效地减小直流侧端子的距离并增大其耦合面积，从而增大直流侧端子的互感，减小整个功率模块的封装电感，进一步减小功率模块内部碳化硅MOSFET芯片在开关瞬态和短路情况下所承受的电压过冲，减小功率模块的开关损耗并提高其短路能力。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例所提供的新型封装结构的功率模块的结构图；
图2为本发明实施例所提供的新型封装结构的功率模块的原理图；
图3为常规商业功率模块的直流侧端子的封装结构图；
图4为两个直流侧端子的寄生电感等效电路图；
图5为直流侧端子在两种不同放置距离下的结构图及其耦合程度图；图5(a)表示直流侧端子在放置距离较近情况下的结构图及其耦合程度图，图5(b)表示直流侧端子在放置距离较远情况下的结构图及其耦合程度图；
图6为本发明实施例所提供的同轴直流侧端子结构图；
图7为常规商业功率模块结构基础上两种不同距离的直流侧端子封装结构；图7(a)表示距离为0.5mm的常规结构直流侧端子的Q3D仿真图，图7(b)表示距离为3mm的常规结构直流侧端子的Q3D仿真图；
图8为两种不同距离的本发明实施例所提供的同轴直流侧端子结构；图8(a)表示距离为0.5mm的同轴直流侧端子的Q3D仿真图，图8(b)表示距离为3mm的同轴直流侧端子的Q3D仿真图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明实施例所提供的新型封装结构的功率模块的结构图。如图1所示，一种新型封装结构的功率模块，包括：第一直流侧端子101、第二直流侧端子102、交流侧端子103、第一驱动端子104、第二驱动端子105、第一碳化硅金属氧化物半导体场效应管(碳化硅MOSFET)、第二碳化硅金属氧化物半导体场效应管(碳化硅MOSFET)、二极管以及底座106。
所述第一碳化硅金属氧化物半导体场效应管、所述第二碳化硅金属氧化物半导体场效应管和所述二极管封装在所述底座106内部；所述第一直流侧端子101、所述第二直流侧端子102、所述交流侧端子103、所述第一驱动端子104以及所述第二驱动端子105设置在所述底座106的上表面。
所述第一直流侧端子101和所述第二直流侧端子102呈同轴结构封装，距离为0.5mm，增大两个端子之间的耦合程度，减小功率模块的总封装电感，两个直流侧端子外接直流电路，所述交流侧端子103外接负载电路，两个所述驱动端子104、105外接驱动信号。所述第一驱动端子104以及所述第二驱动端子105均包括两个插簧端子。
所述第一、第二直流侧端子将功率模块与直流电源电路连接起来，所述交流侧端子将功率模块与负载电路连接起来，两个所述驱动端子通过驱动信号控制所述两个碳化硅金属氧化物半导体场效应管的开断，两个碳化硅金属氧化物半导体场效应管充当这个直流电路的开关，所述二极管在碳化硅金属氧化物半导体场效应管关断时，给负载电感提供通路，防止电流突变产生的反向电压损坏碳化硅金属氧化物半导体场效应管。
图2为本发明实施例所提供的新型封装结构的功率模块的原理图。如图2所示，C1、S1，C2、S2为前面所述的插簧端子，DC1、DC2为前面所述的两个直流端子、AC为前面所述的交流端子。Q1、Q2为前面所述的碳化硅金属氧化物半导体场效应管，D1、D2为与碳化硅金属氧化物半导体场效应管反向并联的肖特基二极管。所述第一直流侧端子DC1与所述第一碳化硅金属氧化物半导体场效应管D1的漏极连接；所述第二直流侧端子DC2与第二碳化硅金属氧化物半导体场效应管D2的源极连接。所述交流侧端子AC与所述第一碳化硅金属氧化物半导体场效应管Q1的源极以及第二碳化硅金属氧化物半导体场效应管Q2的漏极连接。碳化硅MOSFET以串联的方式构成半桥结构，此外碳化硅MOSFET分别与碳化硅肖特基二极管以反并联的方式连接。上桥臂的碳化硅MOSFET(第一碳化硅金属氧化物半导体场效应管)和下桥臂的肖特基二极管构成换流回路，下桥臂的碳化硅MOSFET(第二碳化硅金属氧化物半导体场效应管)和上桥臂的肖特基二极管构成另一个换流回路，两个直流侧端子分别连接模块内部上桥臂碳化硅MOSFET的漏极和下桥臂碳化硅MOSFET的源极，两对驱动端子分别连接上、下桥臂碳化硅MOSFET的栅源极。
图3为常规商业功率模块的直流侧端子的封装结构图，如图3所示，常规商业功率模块的直流侧端子，包括：两个直流侧端子。两个直流侧端子平行排列，只有一个面存在重叠，且两个端子之间的距离较大，导致其耦合程度低，端子之间的互感小，使得直流侧端子之间的总寄生电感较大。
图4为两个直流侧端子的寄生电感等效电路图，如图4所示，两个直流侧端子可以被简化等效为两个电感支路，两条支路上通有大小相等、方向相反的电流，两个直流侧端子之间的寄生电感等于两个直流侧端子的自感减去其互感的两倍，而功率模块的封装电感主要为直流端子之间的寄生电感，所以只要增大端子之间的耦合，增大其互感，就可以减小功率模块的封装电感。
图5为直流侧端子在两种不同放置距离下的结构图及其耦合程度图；图5(a)表示直流侧端子在较近放置距离下的结构图及其耦合程度图，图5(b)表示直流侧端子在较远放置距离下的结构图及其耦合程度图；如图5(a)所示，当两个直流侧端子距离较近时，其磁感线耦合程度大，互感较大；如图5(b)所示，当两个直流侧端子距离较远时，其磁感线耦合程度小，互感也较小。
图6为本发明实施例所提供的同轴直流侧端子结构图，如图6所示，两个直流侧端子呈同轴结构，连接上桥臂MOSFET芯片漏极的直流侧端子被连接下桥臂MOSFET芯片漏极的直流侧端子重叠包围，两个端子距离近且四周均重叠，磁感线耦合程度非常大，因为互感跟磁感线耦合程度成正比，因此采用同轴直流侧端子结构能够有效地增大直流侧端子的互感，从而减小直流侧端子的寄生电感。
图7为常规商业功率模块结构中两种不同距离的直流侧端子封装结构；图7(a)表示距离为0.5mm的常规结构直流侧端子仿真图，图7(b)表示距离为3mm的常规结构直流侧端子仿真图；如图所示，在满足绝缘强度的要求时，适当减小常规商业功率模块直流侧端子之间的距离，可以使电流分布更为均匀，进一步使得模块内部温度分布更均匀，从而降低由于局部温度过高导致模块内部损坏或失效的风险。
图8为两种不同距离的本发明实施例所提供的同轴直流侧端子结构；图8(a)表示距离为0.5mm的同轴直流侧端子仿真图，图8(b)表示距离为3mm的同轴直流侧端子仿真图；如图所示，在满足绝缘强度的要求时，适当减小同轴直流侧端子之间的距离，可以使电流分布更为均匀，进一步使得模块内部温度分布更均匀，从而降低由于局部温度过高导致模块内部损坏或失效的风险。此外，可以看出，在相同的距离下，本发明实施例所提供的同轴直流侧端子比常规商业功率模块直流侧端子的电流分布更均匀。
表1为图7、图8所述的四种端子类型对应的仿真寄生电感值。
表1
如表1所示，普通端子在端子之间距离为3mm时，其寄生电感为4.63nH，普通端子在端子之间距离为0.5mm时，其寄生电感为2.79nH，同轴端子在端子之间距离为3mm时，其寄生电感为1.41nH，同轴端子在端子之间距离为0.5mm时，其寄生电感为0.32nH，由此可以看出，减小端子之间的距离可以减小端子之间的寄生电感，相同的端子距离下，同轴端子比普通端子的寄生电感更小。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明所提供的同轴结构的直流侧端子能够有效地减小直流侧端子的距离并增大其耦合面积，从而增大直流侧端子的互感，减小整个功率模块的封装电感，进一步减小功率模块内部碳化硅MOSFET芯片在开关瞬态和短路情况下所承受的电压过冲，减小功率模块的开关损耗并提高其短路能力。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (3)
1.一种新型封装结构的功率模块，其特征在于，所述功率模块包括：第一直流侧端子、第二直流侧端子、交流侧端子、第一驱动端子、第二驱动端子、第一碳化硅金属氧化物半导体场效应管、第二碳化硅金属氧化物半导体场效应管、二极管以及底座；所述第一碳化硅金属氧化物半导体场效应管、所述第二碳化硅金属氧化物半导体场效应管以及所述二极管封装在所述底座内部；所述第一直流侧端子、所述第二直流侧端子、所述交流侧端子、所述第一驱动端子以及所述第二驱动端子设置在所述底座的上表面；
所述第一直流侧端子与所述第二直流侧端子位于同一轴线上；所述第一直流侧端子与所述第一碳化硅金属氧化物半导体场效应管的漏极连接；所述第二直流侧端子与第二碳化硅金属氧化物半导体场效应管的源极连接；
所述交流侧端子与所述第一碳化硅金属氧化物半导体场效应管的源极以及第二碳化硅金属氧化物半导体场效应管的漏极连接；
所述第一驱动端子与所述第二驱动端子位于同一轴线上；所述第一驱动端子与所述第一碳化硅金属氧化物半导体场效应管的栅源极连接；所述第二驱动端子与所述第二碳化硅金属氧化物半导体场效应管的栅源极连接；
所述第一直流侧端子与所述第二直流侧端子距离为0.5mm；
所述第一驱动端子以及所述第二驱动端子均包括两个插簧端子；所述第一驱动端子以及所述第二驱动端子外接驱动电路。
2.根据权利要求1所述的功率模块，其特征在于，所述第一直流侧端子以及所述第二直流侧端子均外接直流电路。
3.根据权利要求1所述的功率模块，其特征在于，所述交流侧端子外接负载电路。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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