CN109768036A - 一种具有回流导电层的功率模块 - Google Patents
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Abstract
一种具有回流导电层的功率模块，包括第一功率电极、第二功率电极，第一绝缘基板、第二绝缘基板、第一桥臂、第二桥臂以及输出电极；第一桥臂包括：设置在第一绝缘基板上，并与输出电极连接的第一桥臂导电层、与第一桥臂导电层连接的第一桥臂功率芯片、设置在第二绝缘基板与第一绝缘基板相对的第一表面，并与第一桥臂功率芯片电连接的第一桥臂辅助导电层、设置在第二绝缘基板与第一表面相对的第二表面，并与第一桥臂辅助导电层层叠设置的第一桥臂回流导电层，第一桥臂回流导电层的与第二功率电极连接，第一桥臂回流导电层通过短接部与第一桥臂辅助导电层连接。与现有技术相比，可有效降低功率模块的寄生电感。与现有技术相比，具有较低的寄生电感。
Description
技术领域
本发明涉及电力电子领域，具体涉及一种具有回流导电层的功率模块。
背景技术
功率模块是功率电子电力器件如金属氧化物半导体（功率MOS管）、绝缘栅型场效应晶体管（IGBT），快恢复二极管（FRD）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，风力发电，工业变频等各种场合下的功率转换。
电动汽车的电机驱动电路通常包括三组分别具有上下桥臂的功率模块，图1为现有的一种功率模块的电路示意图，其示出的是一组具有上下桥臂的功率模块的电路示意图，其包括：作为上桥臂的绝缘栅型场效应晶体管Z1，以及与其反向并联的快恢复二极管D1，作为下桥臂的绝缘栅型场效应晶体管Z2，以及与其反向并联的快恢复二极管D2，其中绝缘栅型场效应晶体管Z1的集电极连接功率模块的正极p+，其发射极连接缘栅型场效应晶体管Z2的集电极，缘栅型场效应晶体管Z2的发射极连接功率模块的负极p-，绝缘栅型场效应晶体管Z1的发射极和Z2的集电极共同连接功率模块的输出端子。在实际应用中，通常使用三组该功率模块来为电机提供三相交流电；在此仅以一组功率模块的电路示意图来说明其工作原理：当绝缘栅型场效应晶体管Z1接通时，电流依次经功率模块的正极p+、绝缘栅型场效应晶体管Z1的集电极、发射极、功率模块输出端子OUTPUT输出至电机；当绝缘栅型场效应晶体管Z1关断时，由于电机为感性负载，为保证电流流向不变，续流电流需经其它组的功率模块经该功率模块的负极p-、二极管D2、功率模块输出端子OUTPUT输出至电机。
在某些较小功率的应用下，功率模块中的电子器件也可以采用功率MOS管，图2是另一种功率MOS管模块的电路示意图，其包括：作为上桥臂的功率MOS管M1、作为下桥臂的功率MOS管M2、其中功率MOS管M1的漏极连接功率模块的正极p+，功率MOS管M1的源极连接功率MOS管M2的漏极，功率MOS管M2的源极连接功率模块的负极p-，功率MOS管M1的源极和功率MOS管M2的漏极共同连接接功率模块的输出端子，其工作原理与采用绝缘栅型场效应晶体管的模块类似，其两者之间的区别主要在于功率MOS管内置反向二极管，因此不需要并联反向二极管。另外，逆导型IGBT与功率MOS有相同的结构和功能，由于内置二极管，不需反向并联二极管，模块设计及结构与功率MOS相似，在此不再赘述。
功率模块通常包含至少一个半桥结构，该功率半桥结构由两个桥臂组合而成，实际应用中寄生电感一直以来都是功率模块应用中需要克服的主要难题，尤其是在高频和大功率的应用场合。模块内部的寄生电感会造成关断过程中的过电压，寄生参数会造成功率模块开关过程中的波形震荡，从而增加了电磁干扰和开关损耗。
发明内容
本发明为解决现有技术中存在的问题，提供一种具有回流导电层的功率模块，包括第一功率电极、第二功率电极，第一绝缘基板、与第一绝缘基板层叠隔开设置的第二绝缘基板、与第二功率电极连接的第一桥臂、与第一功率电极连接的第二桥臂以及输出电极；其中，第一桥臂包括：设置在第一绝缘基板上，并与输出电极连接的第一桥臂导电层、一面与第一桥臂导电层连接的第一桥臂功率芯片、设置在第二绝缘基板与第一绝缘基板相对的第一表面，并与第一桥臂功率芯片的另一面电连接的第一桥臂辅助导电层、设置在第二绝缘基板与第一表面相对的第二表面，并与第一桥臂辅助导电层层叠设置的第一桥臂回流导电层，第一桥臂回流导电层的一侧与第二功率电极连接，第一桥臂回流导电层的另一侧通过短接部与第一桥臂辅助导电层连接。
进一步地，所述第二桥臂包括：设置在第一绝缘基板上的多个第二桥臂导电层、分成多组的多个第二桥臂功率芯片、设置在第一表面上的第二桥臂辅助导电层，每组第二桥臂功率芯片设置在与其相对应的一个第二桥臂导电层上，每个第二桥臂功率芯片的一面与其所在的第二桥臂导电层连接、每个第二桥臂功率芯片的另一面与第二桥臂辅助导电层电连接，每个第二桥臂导电层与第一功率电极电连接，第二桥臂辅助导电层与输出电极电连接。
进一步地，所述第二桥臂还包括第二电极导电层、多个熔断保护装置，所述的每个第二桥臂导电层分别通过与其相应的一个熔断保护装置与第二电极导电层的一侧连接，第二电极导电层的另一侧与第一功率电极连接。
进一步地，所述熔断保护装置为绑定线。
进一步地，所述熔断保护装置为设置于第一绝缘基板上的线状导电层。
进一步地，所述功率模块还包括：连接于第二桥臂功率芯片和第二桥臂辅助导电层之间的多个第二桥臂导电柱、以及连接于第二桥臂辅助导电层和第一桥臂导电层之间的多个跨接导电柱。
进一步地，所述功率模块还包括第一桥臂导电柱，第一桥臂辅助导电层通过第一桥臂导电柱与第一桥臂功率芯片的另一面连接。
进一步地，所述第一桥臂功率芯片和第二桥臂功率芯片包括功率MOS管以及反向并联二极管。
进一步地，所述第一桥臂功率芯片和第二桥臂功率芯片包括IGBT以及反向并联二极管。
进一步地，所述功率模块还包括设置于第一绝缘基板上与各第一桥臂功率芯片控制端电连接的第一桥臂控制导电层，以及设置于第一绝缘基板上与各第二桥臂功率芯片控制端电连接的第二桥臂控制导电层。
进一步地，第一功率电极包括第一功率电极主体和第一功率电极第一连接部，第二功率电极包括第二功率电极主体和第二功率电极第一连接部，第一功率电极主体通过第一功率电极第一连接部与功率模块相应的导电层连接，第二功率电极主体通过第二功率电极第一连接部与第一桥臂回流导电层连接，第一功率电极主体和第二功率电极主体均为片状且层叠隔开设置，第一功率电极主体设有沿第一方向向功率模块外延伸，且超出第二功率电极主体边缘的第一功率电极第二连接部；第二功率电极主体设有自其侧面向外延伸，且超出第一功率电极主体边缘的第二功率电极第二连接部。
进一步地，所述第一功率电极第二连接部和第二功率电极第二连接部均设有用以与螺栓配合固定的连接孔。
进一步地，所述第一功率电极第二连接部包括第二连接部主体，以及自第二连接部主体侧面向外延伸的第二辅助连接部，所述连接孔设置在第二辅助连接部上。
进一步地，第一功率电极第二连接部为金属片，该金属片与第一功率电极主体一体成型，金属片上设置有第一功率电极第一连接孔和第一功率电极第二连接孔；第二功率电极第二连接部为自第二功率电极主体相对的两个侧边延伸出的两片金属片，该两片金属片各设置有第二功率电极第一连接孔和第二功率电极第二连接孔。
进一步地，第一功率电极主体设有与第二功率电极第一连接孔位置相对应，以供螺栓的螺柱穿过的第一缺口，该螺柱与第一缺口侧壁相隔开，第一功率电极主体设有与第二功率电极第二连接孔位置相对应，以供螺栓的螺柱绝缘穿过的第二缺口，该螺柱与第二缺口侧壁相隔开。
进一步地，所述第二功率电极主体上还设有加强连接孔，所述第一功率电极主体上设有与加强连接孔位置相对应，以供螺栓的螺柱穿过的通孔，螺柱与通孔的孔壁相隔开。
本发明公开的一种具有回流导电层的功率模块，包括第一功率电极、第二功率电极，第一绝缘基板、与第一绝缘基板层叠隔开设置的第二绝缘基板、与第二功率电极连接的第一桥臂、与第一功率电极连接的第二桥臂以及输出电极；其中，第一桥臂包括：设置在第一绝缘基板上，并与输出电极连接的第一桥臂导电层、一面与第一桥臂导电层连接的第一桥臂功率芯片、设置在第二绝缘基板与第一绝缘基板相对的第一表面，并与第一桥臂功率芯片的另一面电连接的第一桥臂辅助导电层、设置在第二绝缘基板与第一表面相对的第二表面，并与第一桥臂辅助导电层层叠设置的第一桥臂回流导电层，第一桥臂回流导电层的一侧与第二功率电极连接，第一桥臂回流导电层的另一侧通过短接部与第一桥臂辅助导电层连接。与现有技术相比，可有效降低功率模块的寄生电感。
附图说明
图1是现有的一种功率模块的电路示意图；
图2是现有的另一种功率模块的电路示意图；
图3是本发明提供的一种具有回流导电层的功率模块实施例一的立体结构图；
图4是本发明提供的一种具有回流导电层的功率模块实施例一的侧剖结构图；
图5是本发明提供的一种具有回流导电层的功率模块实施例一的平面展开结构图；
图6是本发明提供的一种具有回流导电层的功率模块实施例二的结构图；
图7是本发明提供的一种具有回流导电层的功率模块实施例三的结构图；
图8是本发明提供的一种具有回流导电层的功率模块实施例四的结构图；
图9是本发明提供的一种具有回流导电层的功率模块实施例五的结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施例进行详细说明，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图3至图9所示的一种具有回流导电层的功率模块10，包括第一功率电极100、第二功率电极200，第一绝缘基板12、与第一绝缘基板层叠隔开设置的第二绝缘基板21、与第二功率电极连接的第一桥臂、与第一功率电极连接的第二桥臂以及输出电极11；其中，第一桥臂包括：设置在第一绝缘基板12上，并与输出电极11连接的第一桥臂导电层18、一面与第一桥臂导电层18连接的第一桥臂功率芯片19、设置在第二绝缘基板21与第一绝缘基板12相对的第一表面，并与第一桥臂功率芯片19的另一面电连接的第一桥臂辅助导电层23、设置在第二绝缘基板21与第一表面相对的第二表面，并与第一桥臂辅助导电层23层叠设置的第一桥臂回流导电层24，第一桥臂回流导电层的一侧与第二功率电极200连接，第一桥臂回流导电层24的另一侧通过短接部25与第一桥臂辅助导电层23连接。
具体地，在某些实施例中，所述第二桥臂包括：设置在第一绝缘基板上的多个第二桥臂导电层14、分成多组的多个第二桥臂功率芯片15、设置在第一表面上的第二桥臂辅助导电层22，每组第二桥臂功率芯片设置在与其相对应的一个第二桥臂导电层上，每个第二桥臂功率芯片的一面与其所在的第二桥臂导电层连接、每个第二桥臂功率芯片的另一面与第二桥臂辅助导电层电连接，每个第二桥臂导电层与第一功率电极电连接，第二桥臂辅助导电层与输出电极电连接。
具体地，在某些实施例中，所述第二桥臂还包括第二电极导电层13、多个熔断保护装置，所述的每个第二桥臂导电层分别通过与其相应的一个熔断保护装置与第二电极导电层的一侧连接，第二电极导电层的另一侧与第一功率电极连接。在功率模块发生芯片短路时，熔断保护装置发生熔断，可对整个模块起到保护作用。
具体地，在某些实施例中，所述熔断保护装置为绑定线。
具体地，在某些实施例中，所述熔断保护装置为设置于第一绝缘基板上的线状导电层。
具体地，在某些实施例中，所述功率模块还包括：连接于第二桥臂功率芯片和第二桥臂辅助导电层之间的多个第二桥臂导电柱16、以及连接于第二桥臂辅助导电层和第一桥臂导电层之间的多个跨接导电柱17。
具体地，在某些实施例中，还包括第一桥臂导电柱20，第一桥臂辅助导电层23通过第一桥臂导电柱与第一桥臂功率芯片19的另一面连接。
具体地，在某些实施例中，所述第一桥臂功率芯片和第二桥臂功率芯片包括功率MOS管以及反向并联二极管。
具体地，在某些实施例中，所述第一桥臂功率芯片和第二桥臂功率芯片包括IGBT以及反向并联二极管。
具体地，在某些实施例中，所述功率模块还包括设置于第一绝缘基板上与各第一桥臂功率芯片控制端电连接的第一桥臂控制导电层，以及设置于第一绝缘基板上与各第二桥臂功率芯片控制端电连接的第二桥臂控制导电层。用以传导控制第一桥臂功率芯片以及第二桥臂功率芯片导通和关断的控制信号。
具体地，在某些实施例中，如图6至图9所示，第一功率电极包括第一功率电极主体101和第一功率电极第一连接部102，第二功率电极包括第二功率电极主体和201第二功率电极第一连接部202，第一功率电极主体通过第一功率电极第一连接部102与功率模块相应的导电层连接，第二功率电极主体通过第二功率电极第一连接部202与第一桥臂回流导电层24连接，第一功率电极主体和第二功率电极主体均为片状且层叠隔开设置，第一功率电极主体设有沿第一方向向功率模块外延伸，且超出第二功率电极主体边缘的第一功率电极第二连接部103；第二功率电极主体设有自其侧面向外延伸，且超出第一功率电极主体边缘的第二功率电极第二连接部203。在具体应用中，第一功率电极主体、第一功率电极第一连接部、第一功率电极第二连接部，通常采用一片金属片经过机械加工一体制成，还可以根据实际的需要采用多片结构连接制成；第二功率电极主体、第二功率电极第一连接部、第二功率电极第二连接部，通常采用一片金属片经过机械加工一体制成，还可以根据实际的需要采用多片结构连接制成；其中，第二功率电极主体的侧面，以第一方向为参照定义，即第二功率电极主体在第一方向两侧的部分，均可称之为第二功率电极主体的侧面。
具体地，在某些实施例中，所述第一功率电极第二连接部103和第二功率电极第二连接部203均设有用以与螺栓配合固定的连接孔。
具体地，在某些实施例中，如图7所示，所述第一功率模块第二电极连接部103包括第二连接部主体，以及自第二连接部主体侧面向外延伸的第二辅助连接部，第二辅助连接部为沿第一功率模块第二连接部主体侧方向外延伸的两个金属片1033a、1034b，所述连接孔设置在第二辅助连接部上。
具体地，在某些实施例中，如图6所示，第一功率电极第二连接部103为金属片，该金属片与第一功率电极主体一体成型，金属片上设置有第一功率电极第一连接孔1031和第一功率电极第二连接孔1032；第二功率电极第二连接部为自第二功率电极主体相对的两个侧边延伸出的两片金属片，该两片金属片各设置有第二功率电极第一连接孔2031和第二功率电极第二连接孔2032。在具体应用中，也可根据实际的需要，设置数量更多的连接孔。
具体地，在某些实施例中，如图8所示，第一功率电极主体101设有与第二功率电极第一连接孔2031位置相对应，以供螺栓的螺柱穿过的第一缺口1011，该螺柱与第一缺口侧壁相隔开，第一功率电极主体设有与第二功率电极第二连接孔2032位置相对应，以供螺栓的螺柱绝缘穿过的第二缺口1012，该螺柱与第二缺口侧壁相隔开；本实施例可以使得模块结构上更加紧凑。
具体地，在某些实施例中，如图9所示，所述第二功率电极主体上还设有加强连接孔2011，所述第一功率电极主体上设有与加强连接孔位置相对应，以供螺栓的螺柱穿过的通孔1013，螺柱与通孔的孔壁相隔开。本实施例可以在电极比较宽大的应用场合，增强电极与外部设备的连接。
当功率模块工作在驱动电流状态时，驱动电流从第一功率电极流入，依次流经第一电极导电层13、第二桥臂导电层14、第二桥臂功率芯片15、第二桥臂导电柱16、第二桥臂辅助导电层22、跨接导电柱17、第一桥臂导电层18流出至输出电极；当功率模块工作在续流状态时，续流电流从第二功率电极流入，依次流经第一桥臂回流导电层24、短接部25、第一桥臂辅助导电层23、第一桥臂导电柱20、第一桥臂功率芯片19、第一桥臂导电层18流出至输出电极。
本发明提供的一种具有回流导电层的功率模块，包括第一功率电极、第二功率电极，第一绝缘基板、与第一绝缘基板层叠隔开设置的第二绝缘基板、与第二功率电极连接的第一桥臂、与第一功率电极连接的第二桥臂以及输出电极；其中，第一桥臂包括：设置在第一绝缘基板上，并与输出电极连接的第一桥臂导电层、一面与第一桥臂导电层连接的第一桥臂功率芯片、设置在第二绝缘基板与第一绝缘基板相对的第一表面，并与第一桥臂功率芯片的另一面电连接的第一桥臂辅助导电层、设置在第二绝缘基板与第一表面相对的第二表面，并与第一桥臂辅助导电层层叠设置的第一桥臂回流导电层，第一桥臂回流导电层的一侧与第二功率电极连接，第一桥臂回流导电层的另一侧通过短接部与第一桥臂辅助导电层连接。与现有技术相比，可有效降低功率模块的寄生电感。与现有技术相比，具有较低的寄生电感。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (16)
1.一种具有回流导电层的功率模块，其特征在于：包括第一功率电极、第二功率电极，第一绝缘基板、与第一绝缘基板层叠隔开设置的第二绝缘基板、与第二功率电极连接的第一桥臂、与第一功率电极连接的第二桥臂以及输出电极；其中，第一桥臂包括：设置在第一绝缘基板上，并与输出电极连接的第一桥臂导电层、一面与第一桥臂导电层连接的第一桥臂功率芯片、设置在第二绝缘基板与第一绝缘基板相对的第一表面，并与第一桥臂功率芯片的另一面电连接的第一桥臂辅助导电层、设置在第二绝缘基板与第一表面相对的第二表面，并与第一桥臂辅助导电层层叠设置的第一桥臂回流导电层，第一桥臂回流导电层的一侧与第二功率电极连接，第一桥臂回流导电层的另一侧通过短接部与第一桥臂辅助导电层连接。
2.根据权利要求1所述的功率模块，其特征在于：所述第二桥臂包括：设置在第一绝缘基板上的多个第二桥臂导电层、分成多组的多个第二桥臂功率芯片、设置在第一表面上的第二桥臂辅助导电层，每组第二桥臂功率芯片设置在与其相对应的一个第二桥臂导电层上，每个第二桥臂功率芯片的一面与其所在的第二桥臂导电层连接、每个第二桥臂功率芯片的另一面与第二桥臂辅助导电层电连接，每个第二桥臂导电层与第一功率电极电连接，第二桥臂辅助导电层与输出电极电连接。
3.根据权利要求2所述的功率模块，其特征在于：所述第二桥臂还包括第二电极导电层、多个熔断保护装置，所述的每个第二桥臂导电层分别通过与其相应的一个熔断保护装置与第二电极导电层的一侧连接，第二电极导电层的另一侧与第一功率电极连接。
4.根据权利要求3所述的功率模块，其特征在于：所述熔断保护装置为绑定线。
5.根据权利要求3所述的功率模块，其特征在于：所述熔断保护装置为设置于第一绝缘基板上的线状导电层。
6.根据权利要求2所述的功率模块，其特征在于：还包括连接于第二桥臂功率芯片和第二桥臂辅助导电层之间的多个第二桥臂导电柱、以及连接于第二桥臂辅助导电层和第一桥臂导电层之间的多个跨接导电柱。
7.根据权利要求1所述的功率模块，其特征在于：还包括第一桥臂导电柱，第一桥臂辅助导电层通过第一桥臂导电柱与第一桥臂功率芯片的另一面连接。
8.根据权利要求1或2所述的功率模块，其特征在于：所述第一桥臂功率芯片和第二桥臂功率芯片包括功率MOS管以及反向并联二极管。
9.根据权利要求1或2所述的功率模块，其特征在于：所述第一桥臂功率芯片和第二桥臂功率芯片包括IGBT以及反向并联二极管。
10.根据权利要求1或2所述的功率模块，其特征在于：还包括设置于第一绝缘基板上与各第一桥臂功率芯片控制端电连接的第一桥臂控制导电层，以及设置于第一绝缘基板上与各第二桥臂功率芯片控制端电连接的第二桥臂控制导电层。
11.根据权利要求1所述的功率模块，其特征在于：第一功率电极包括第一功率电极主体和第一功率电极第一连接部，第二功率电极包括第二功率电极主体和第二功率电极第一连接部，第一功率电极主体通过第一功率电极第一连接部与功率模块相应的导电层连接，第二功率电极主体通过第二功率电极第一连接部与第一桥臂回流导电层连接，第一功率电极主体和第二功率电极主体均为片状且层叠隔开设置，第一功率电极主体设有沿第一方向向功率模块外延伸，且超出第二功率电极主体边缘的第一功率电极第二连接部；第二功率电极主体设有自其侧面向外延伸，且超出第一功率电极主体边缘的第二功率电极第二连接部。
12.根据权利要求11所述的功率模块，其特征在于：所述第一功率电极第二连接部和第二功率电极第二连接部均设有用以与螺栓配合固定的连接孔。
13.根据权利要求12所述的功率模块，其特征在于：所述第一功率电极第二连接部包括第二连接部主体，以及自第二连接部主体侧面向外延伸的第二辅助连接部，所述连接孔设置在第二辅助连接部上。
14.根据权利要求11所述的功率模块，其特征在于：第一功率电极第二连接部为金属片，该金属片与第一功率电极主体一体成型，金属片上设置有第一功率电极第一连接孔和第一功率电极第二连接孔；第二功率电极第二连接部为自第二功率电极主体相对的两个侧边延伸出的两片金属片，该两片金属片各设置有第二功率电极第一连接孔和第二功率电极第二连接孔。
15.根据权利要求14所述的功率模块，其特征在于：第一功率电极主体设有与第二功率电极第一连接孔位置相对应，以供螺栓的螺柱穿过的第一缺口，该螺柱与第一缺口侧壁相隔开，第一功率电极主体设有与第二功率电极第二连接孔位置相对应，以供螺栓的螺柱绝缘穿过的第二缺口，该螺柱与第二缺口侧壁相隔开。
16.根据权利要求12至15任一权利要求所述的功率模块，其特征在于：所述第二功率电极主体上还设有加强连接孔，所述第一功率电极主体上设有与加强连接孔位置相对应，以供螺栓的螺柱穿过的通孔，螺柱与通孔的孔壁相隔开。
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