CN108649772A - 一种Si IGBT和SiC MOSFET的混合电力电子模块 - Google Patents

一种Si IGBT和SiC MOSFET的混合电力电子模块 Download PDF

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Abstract

一种Si IGBT和SiC MOSFET的混合电力电子模块，由上、下两个桥臂组成，每个桥臂由2个型号相同的Si IGBT芯片、1个SiC MOSFET芯片和1个Si二极管芯片并联组成。所述混合电力电子模块中的上桥臂IGBT的集电极、MOSFET的漏极和二极管的阴极连接在一起，并与所述混合电力电子模块的阳极功率端子相连；IGBT的发射极、MOSFET的源极和二极管的阳极连接在一起，并与所述混合电力电子模块的中性点端子相连；下桥臂结构与上桥臂对称，下桥臂的IGBT集电极、MOSFET漏极与二极管阴极连接在一起，并与所述混合电力电子模块的中性点相连，IGBT的发射极、MOSFET的源极和二极管的阳极连接在一起，并与所述混合电力电子模块的阴极功率端子相连。

Description

一种Si IGBT和SiC MOSFET的混合电力电子模块
技术领域
本发明涉及一种Si IGBT和SiC MOSFET的混合电力电子模块。
背景技术
随着电力电子技术的迅猛发展，传统半导体材料(如Si、GaAs等)制成的功率器件特性受到自身材料的限制，已经无法适应高功率电力电子器件在高温、高频、大功率等极端环境下的工作。因此，人们慢慢将目光转向SiC、GaN等第三代高温半导体材料的研究。
目前市面上使用的SiC模块主要包括：采用SiC肖特基二极管和Si IGBT组成的SiC混合电力电子模块和采用SiC肖特基二极管和SiC MOSFET组成的纯SiC模块。SiC模块与传统的Si模块相比虽然具有更低的导通电阻、更高的击穿场强、更高的导热率和更快的电子漂移速率，但是其价格却十分昂贵，其价格往往比一般Si模块高出3～5倍。并且，目前的SiC模块发展受制于其封装形式，采用传统Si模块的封装形式会产生15～70nH的寄生电感，其工作温度也将低于150℃，这些都将大大限制SiC模块发挥其最佳性能。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提出一种Si IGBT和SiC MOSFET的混合电力电子模块，在降低模块成本的同时提升模块性能。
由于IGBT在关断时有电流拖尾现象，所以其工作频率一般不会超过20kHz，而MOSFET在关断时不存在电流拖尾现象，但是其额定电流太低。本发明采用混合电力电子模块的形式将IGBT和MOSFET并联，不仅能够使其拥有更高的开关频率也可以使其拥有更大的额定电流。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种Si IGBT和SiC MOSFET的混合电力电子模块，其特征在于：采用Si IGBT与SiCMOSFET并联构成一个桥臂。
所述的混合电力电子模块是一种单相桥式模块，由上、下两个桥臂组成。每一个桥臂又由2个型号相同的Si IGBT芯片、1个SiC MOSFET芯片和1个Si二极管芯片并联组成。
所述的混合电力电子模块中有6个信号端子和3个功率端子，3个功率端子分别位于模块的两侧，其中阳极功率端子和阴极功率端子位于模块的右侧，中性点端子位于模块的左侧。所述的6个信号端子分别为IGBT门极信号端子、MOSFET门极信号端子、上桥臂驱动信号公共端子、IGBT门极信号端子、MOSFET门极信号端子和下桥臂驱动信号公共端子。其中上桥臂的3个信号端子位于中性点功率端子的后侧，下桥臂的3个信号端子位于中性点功率端子的前侧。
所述的混合电力电子模块底层由SiC铝底板组成，SiC铝底板的上表面与DBC基板通过焊料连接。DBC基板上表面布置有8个芯片：上桥臂的2个IGBT、上桥臂MOSFET、上桥臂二极管、下桥臂的2个IGBT、下桥臂MOSFET和下桥臂二极管。其中上桥臂2个IGBT的集电极、上桥臂MOSFET的漏极和上桥臂二极管的阴极通过敷铜相连，并与DBC基板相连；上桥臂2个IGBT的集电极、上桥臂MOSFET的源极和二极管的阳极通过键合线连接在一起，并与下桥臂2个IGBT的集电极、下桥臂的MOSFET和下桥臂二极管的阴极连接在一起，同时与DBC基板相连；下桥臂2个IGBT的发射极、下桥臂MOSFET的源极和下桥臂二极管的阳极通过键合线连接在一起。由于DBC基板采用敷铜刻蚀技术，所以上桥臂芯片和DBC基板相连的部分与下桥臂芯片和DBC基板相连的部分实际上是分离的。阳极功率端子作为模块的母线电压正输入端，与上桥臂IGBT的集电极、MOSFET的漏极和二极管的阴极通过敷铜连接；阴极功率端子作为模块的母线电压负输入端，与下桥臂IGBT的发射极、MOSFET的源极和二极管的阳极通过敷铜连接；中性点功率端子通过敷铜与上桥臂二极管的阳极与下桥臂二极管的阴极相连。上桥臂2个IGBT的门极与上桥臂IGBT门极信号端子通过键合线相连，上桥臂的MOSFET的门极与上桥臂MOSFET门极信号端子通过键合线相连，下桥臂2个IGBT的门极与下桥臂IGBT门极信号端子通过键合线相连，下桥臂MOSFET的门极与下桥臂MOSFET门极信号端子通过键合线相连。
附图说明
图1是本发明的电路原理图；
图2是本发明的三维结构原理图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例进一步说明本发明。
所述的混合电力电子模块为单相桥式模块由上、下两个桥臂组成。每一个桥臂又由2个型号相同的Si IGBT芯片、1个SiC MOSFET芯片和1个Si二极管芯片并联组成。
所述的混合电力电子模块中有6个信号端子和3个功率端子。3个功率端子分别位于模块的两侧，其中阳极功率端子和阴极功率端子位于模块的右侧，中性点端子位于模块的左侧。6个信号端子分别为上桥臂IGBT门极驱动信号端子1、上桥臂MOSFET门极驱动信号端子2、上桥臂驱动信号公共端、下桥臂IGBT门极驱动信号端子1’、下桥臂MOSFET门极驱动信号端子2’、下桥臂驱动信号公共端。其中上桥臂的3个信号端子位于中性点功率端子的后侧，下桥臂的3个信号端子位于中性点功率端子的前侧。
实施例一：如图1所示，本发明是一种单相桥式模块，由上、下两个桥臂组成。上桥臂包括两块型号相同的IGBT芯片、一块MOSFET芯片和一块二极管芯片。IGBT的集电极、MOSFET的漏极和二极管的阴极连接在一起，并与本发明模块的阳极功率端子相连；IGBT的发射极、MOSFET的源极和二极管的阳极连接在一起，并与本发明模块的中性点功率端子相连。下桥臂的结构与上桥臂的结构对称，下桥臂的IGBT集电极、MOSFET漏极与二极管阴极连接在一起，并与本发明模块的中性点功率端子相连。IGBT的发射极、MOSFET的源极和二极管的阳极连接在一起，并与本发明模块的阴极功率端子相连。除此之外，本发明模块的6个信号端子：IGBT门极信号端子用来传输IGBT的门极驱动信号，上桥臂驱动信号公共端子作为上桥臂信号传输的公共端，MOSFET门极信号端子用来传输MOSFET的门极驱动信号，下桥臂驱动信号公共端子作为下桥臂信号传输的公共端。上桥臂驱动信号公共端子、上桥臂MOSFET门极信号端子2和上桥臂IGBT门极信号端子1按顺序布置在本发明模块的左前端，下桥臂IGBT门极信号端子1’、下桥臂驱动信号公共端子和下桥臂MOSFET门极信号端子2’位于本发明模块的左后端。
实施例二：本发明混合电力电子模块包括若干IGBT芯片、MOSFET芯片和二极管芯片。如图2所示，本实施例包含有6个信号端子和3个功率端子，其中阳极功率端子和阴极功率端子分布在模块的一侧，中性点功率端子和6个信号端子分布在模块的另一侧。信号端子由上到下分别为下桥臂IGBT门极信号端子1’、下桥臂驱动信号公共端子、下桥臂MOSFET门极信号端子2’、上桥臂驱动信号公共端子、上桥臂MOSFET门极信号端子2和上桥臂IGBT门极信号端子1。使用时，将混合电力电子模块的阴极功率端子和阳极功率端子分别与直流母线相连，阳极功率端子和上桥臂IGBT芯片、上桥臂MOSFET芯片和上桥臂二极管芯片的下表面通过敷铜直接连接，上桥臂各个芯片的上表面通过键合线和敷铜与下桥臂各个芯片的下表面相连，并与中性点功率端子相连，下桥臂IGBT芯片、下桥臂MOSFET和下桥臂二极管芯片的上表面通过键合线与阴极功率端子相连，再将IGBT门极信号端子1、IGBT门极信号端子1’、MOSFET门极信号端子2和MOSFET门极信号端子2’加入驱动信号，便可使其在不同的开关状态下工作。
由于IGBT在关断时有电流拖尾现象，所以其工作频率一般不会超过20kHz，而MOSFET在关断时不存在电流拖尾现象，但是其额定电流太低。所以，本发明采用混合电力电子模块的形式将IGBT和MOSFET并联后，不仅能够使其拥有更高的开关频率也可以使其拥有更大的额定电流，并且结合了Si IGBT的低传导损耗和SiC MOSFET的低开关损耗的优势，在尽可能提高模块性能的同时又大大降低了模块的成本。

Claims (3)

1.一种Si IGBT和SiC MOSFET的混合电力电子模块，其特征在于：所述的混合电力电子模块是一种单相桥式模块，由上、下两个桥臂组成，每个桥臂由2个型号相同的Si IGBT芯片、1个SiC MOSFET芯片和1个Si二极管芯片并联组成。
2.根据权利要求1所述的Si IGBT和SiC MOSFET的混合电力电子模块，其特征在于：所述混合电力电子模块中的上桥臂IGBT的集电极、MOSFET的漏极和二极管的阴极连接在一起，并与所述混合电力电子模块的阳极功率端子相连；IGBT的发射极、MOSFET的源极和二极管的阳极连接在一起，并与所述混合电力电子模块的中性点端子相连；下桥臂结构与上桥臂对称，下桥臂的IGBT集电极、MOSFET漏极与二极管阴极连接在一起，并与所述混合电力电子模块的中性点相连，IGBT的发射极、MOSFET的源极和二极管的阳极连接在一起，并与所述混合电力电子模块的阴极功率端子相连。
3.根据权利要求1所述的Si IGBT和SiC MOSFET的混合电力电子模块，其特征在于：所述的混合电力电子模块包含6个信号端子和3个功率端子；所述的3个功率端子分别位于模块的两侧，其中阳极功率端子和阴极功率端子位于模块的右侧，中性点端子位于模块的左侧；所述的6个信号端子分别为上桥臂IGBT门极信号端子(1)、上桥臂MOSFET门极信号端子(2)、上桥臂驱动信号公共端子、下桥臂IGBT门极信号端子(1’)、MOSFET门极信号端子(2’)和下桥臂驱动信号公共端子；其中上桥臂的3个信号端子位于中性点功率端子的后侧，下桥臂的3个信号端子位于中性点功率端子的前侧。
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