CN109921612A - 一种多层基板低电感功率模块 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种多层基板低电感功率模块，包括基板，所述基板包括第一基板层，与第一基板层电连接的第三基板层，用于基板散热的第五基板层，以及设置于第一基板层和第三基板层之间并配置为使第一基板层和第三基板层电气隔离的第二基板层，设置于第三基板层和第五基板层之间并配置为使第三基板层和第五基板层电气隔离的第四基板层，其中，所述第一基板层被配置为载送沿第一方向流动的开关电流，所述第三基板层被配置为载送沿第二方向流动的开关电流，且所述第一方向和第二方向相反。本公开通过多层基板设置，改变开关电流方向，减小其相互之间的影响，进而减小功率模块的寄生电感。

Description

一种多层基板低电感功率模块

技术领域

本公开涉及一种功率模块，具体涉及一种多层基板低电感功率模块。

背景技术

功率模块可用于各种功率变换领域。这些领域包括：譬如DC-DC变换、DC-AC变换以及AC-AC变换。随着功率模块集成度及功率额定值的增加，由电路配置所导致的寄生电感，可引起瞬态电压过冲，振荡，损耗增加，并导致电磁干扰问题，降低系统效率及可靠性。因此，使功率模块的寄生电感最小化非常重要。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本公开提供了一种多层基板低电感功率模块，本公开通过多层基板设置，改变开关电流方向，减小其相互之间的影响，进而减小功率模块的寄生电感。

为了实现上述目的，本公开的技术方案如下：

一种多层基板低电感功率模块，包括基板，所述基板包括第一基板层，与第一基板层电连接的第三基板层，用于基板散热的第五基板层，以及设置于第一基板层和第三基板层之间并配置为使第一基板层和第三基板层电气隔离的第二基板层，设置于第三基板层和第五基板层之间并配置为使第三基板层和第五基板层电气隔离的第四基板层，其中，所述第一基板层被配置为载送沿第一方向流动的开关电流，所述第三基板层被配置为载送沿第二方向流动的开关电流，且所述第一方向和第二方向相反。

进一步的，所述功率模块包括功率电路，所述功率电路包括第一电极与第一电源端子相连的各高侧功率半导体器件，以及第二电极与第二电源端子相连的各低侧功率半导体器件，其中所述各高侧功率半导体器件的第二电极分别与对应的各低侧功率半导体器件的第一电极连接，并在连接点处分别形成各自的输出端子。

进一步的，所述第一电源端子与第一基板层电连接，所述各高侧功率半导体器件以及各低侧功率半导体器件设置于第一基板层上，所述第二电源端子与第三基板层电连接。

进一步的，所述功率电路还包括高侧二极管和低侧二极管，所述高侧二极管与所述高侧功率半导体器件反向并联连接，所述低侧二极管与所述低侧功率半导体器件反向并联连接。

进一步的，所述高侧功率半导体器件和低侧功率半导体器件可以为IGBT或MOSFET。

进一步的，所述各高侧功率半导体器件的第三电极分别通过各高侧栅极驱动电路与相应的各高侧栅极驱动端子相连，所述各高侧栅极驱动电路被配置为载送沿第三方向的驱动电流。

进一步的，所述各低侧功率半导体器件的第三电极分别通过各低侧栅极驱动电路与相应的各低侧栅极驱动端子相连，所述各低侧栅极驱动电路被配置为载送沿第四方向的驱动电流。

进一步的，所述第三方向与第四方向相同，并与所述第一方向和第二方向相垂直。

进一步的，所述第一基板层上设有若干导电图案及引线，所述导电图案及引线被配置为使所述高侧功率半导体器件、低侧功率半导体器件、高侧二极管和低侧二极管连接成相应电路。

进一步的，所述第一基板层上还设有各栅极驱动电路的导电图案，所述栅极驱动电路的导电图案通过引线分别与各高侧功率半导体器件的第三电极以及各低侧功率半导体器件的第三电极相连。

与现有技术相比，本公开的有益效果是：

本公开通过多层基板设置，改变开关电流方向，利用电磁场相抵原理，导致有效地减小了功率模块的寄生电感，实现低电感换流路径，从而减小电路工作时产生的电压电流过冲，进而导致功率损耗及电磁干扰的降低。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为根据本公开优选实施例的一个三相全桥电路；

图2是根据本公开优选实施例的一个功率模块的示意俯视图；

图3是图2所示功率模块沿着线A-A的示意剖面图。

图中，10、三相全桥电路；20、基板；21、第一基板层；22、第二基板层；23、第三基板层；24、第四基板层；25、第五基板层；27、第二连接孔；29、第四连接孔；100、功率模块；111、第一导电图案；112、第二导电图案；113、第三导电图案；114、第四导电图案；115、第五导电图案；116、第六导电图案；117、第七导电图案；118、第八导电图案；121A、第一高侧IGBT；122A、第二高侧IGBT；123A、第三高侧IGBT；121B、第一高侧二极管；122B、第二高侧二极管；123B、第三高侧二极管；124A、第一低侧IGBT；125A、第二低侧IGBT；126A、第三低侧IGBT；124B、第一低侧二极管；125B、第二低侧二极管；126B、第三低侧二极管；131、第一电源端子P；132、第二电源端子N；133、第一输出端子；134、第二输出端子；135、第三输出端子；141、第一栅极引线；142、第二栅极引线；143、第三栅极引线；144、第四栅极引线；145、第五栅极引线；146、第六栅极引线；151、第一引线；152、第二引线；153、第三引线；154、第四引线；155、第五引线；156、第六引线；161、第一栅极驱动电路导电图案；162、第二栅极驱动电路导电图案；163、第三栅极驱动电路导电图案；164、第四栅极驱动电路导电图案；165、第五栅极驱动电路导电图案；166、第六栅极驱动电路导电图案；171、第一栅极驱动端子；172、第二栅极驱动端子；173、第三栅极驱动端子；174、第四栅极驱动端子；175、第五栅极驱动端子；176、第六栅极驱动端子。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施例对本公开做进一步的说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在本公开中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本公开各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本公开中任一部件或元件，不能理解为对本公开的限制。

本公开中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本公开中的具体含义，不能理解为对本公开的限制。

作为本公开优选实施例的一个功率模块100，如图1和2所示：包括三相全桥电路10。该三相全桥电路10包括：三个高侧IGBT T1、T2和T3；三个低侧IGBT T4、T5和T6；三个高侧二极管D1、D2和D3；三个低侧二极管D4、D5和D6。且D1、D2、D3、D4、D5及D6分别与T1、T2、T3、T4、T5及T6反向并联。高侧IGBT的集电极分别连接到第一电源端子P，低侧IGBT的发射极分别连接到第二电源端子N。高侧IGBT的发射极分别与对应的低侧IGBT的集电极电连接，并在连接点处形成对应的输出端U、V及W。

然而，应理解的是，虽然优选IGBT，但是，其它功率半导体器件，譬如金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)等也能用于形成三相全桥电路10，而不偏离本公开。

作为本公开优选实施例的一个功率模块100，如图2和3所示：包括高侧IGBT 121A、122A和123A；高侧二极管121B、122B和123B；低侧IGBT 124A、125A和126A；低侧二极管124B、125B和126B。这些器件构成所述三相全桥电路10。注意，附图2和3并未按照比例绘制。

作为本公开优选实施例的一个功率模块100，如图2和3所示：包括第一电源端子131、第二电源端子132、第一输出端子133、第二输出端子134、第三输出端子135、第一栅极驱动端子171、第二栅极驱动端子172、第三栅极驱动端子173、第四栅极驱动端子174、第五栅极驱动端子175以及第六栅极驱动端子176。

参见图2和图3，作为本公开优选实施例的一个功率模块100还包括基板20。该基板20包括第一基板层21、第二基板层22、第三基板层23、第四基板层24以及第五基板层25。其中第一基板层21和第三基板层23为导电层；第二基板层22和第四基板层24为绝缘层；第五基板层25为导热层。进一步的，第一基板层21可包括相应图案化的铜层，譬如第一导电图案111、第二导电图案112、第三导电图案113、第四导电图案114、第五导电图案115、第六导电图案116、第七导电图案117和第八导电图案118，各导电图案用于使各电路器件导通连接。

如图2和3所示，作为本公开优选实施例的一个功率模块100还包括第一连接孔(未示出)、第二连接孔27、第三连接孔(未示出)和第四连接孔29，各连接孔用于连通第三基板层和第一基板层。

如图2和3所示，第一电源端子131和第二电源端子132通过烧结层(图中未示出)分别连接至基板20的第一基板层21的第二导电图案112和第一导电图案111，并且配置在功率模块100的一端。第一输出端子133、第二输出端子134和第三输出端子135通过烧结层(图中未示出)分别连接至基板20的第一基板层21的第三导电图案113、第四导电图案114和第五导电图案115，并且配置在功率模块100的中间。基板20的第一基板层21的第二导电图案112，用于与高侧IGBT 121A、122A和123A的集电极以及高侧二极管121B、122B和123B的负极电连接；基板20的第一基板层21的第三导电图案113、第四导电图案114和第五导电图案115，分别用于与低侧IGBT 124A、125A和126A的集电极以及低侧二极管124B、125B和126B的负极电连接。进一步的，基板20的第一基板层21还包括高侧IGBT 121A、122A及123A的栅极驱动电路导电图案161、162和163以及低侧IGBT124A、125A和126A的栅极驱动电路导电图案164、165和166。

如图2和3所示，高侧IGBT 121A、122A和123A，高侧二极管121B、122B和123B，低侧IGBT 124A、125A和126A，低侧二极管124B、125B和126B配置在示出的基板20上，并且通过引线键合而互连，以形成三相全桥电路10。在此，高侧IGBT 121A、122A和123A的集电极以及高侧二极管121B、122B和123B的负极通过烧结层(图中未示出)连接至基板20的第一基板层21的第二导电图案112，并且第二导电图案112通过烧结层(图中未示出)连接至第一电源端子131。低侧IGBT 124A、124A和124A的集电极以及低侧二极管124B、125B和126B的负极通过烧结层(图中未示出)分别连接至基板20的第一基板层21的第三导电图案113、第四导电图案114和第五导电图案115，并且第三导电图案113、第四导电图案114和第五导电图案115分别通过烧结层(图中未示出)连接至第一输出端子133、第二输出端子134和第三输出端子135。

高侧IGBT 121A、122A和123A的发射极和高侧二极管121B、122B和123B的正极分别被引线151、152和153键合到第三导电图案113、第四导电图案114和第五导电图案115；低侧IGBT 124A、125A和126A的发射极和低侧二极管124B、125B和126B的正极分别被引线154、155和156键合到第六导电图案116、第七导电图案117和第八导电图案118，并且第六导电图案116、第七导电图案117和第八导电图案118分别通过第一连接孔、第二连接孔27和第三连接孔电连接至基板20的第三基板层23。而每个IGBT的栅极分别被引线141、142、143、144、145和146键合到各自的栅极驱动电路导电图案161、162、163、164、165和166。注意，每个IGBT的发射极、栅极以及二极管的正极是利用至少一条引线键合的。

优选地，所述基板20的第一基板层21和第三基板层23可由适合的导电材料制成。适合的导电材料可以是铜等。

优选地，所述基板20的第二基板层22和第四基板层24可由适合的绝缘材料制成。取决于功率模块100的绝缘额定值及功率额定值，适合的绝缘材料可以是Al₂O₃等。所述第二基板层22和第四基板层24分别用于使第一基板层21和第三基板层23以及第三基板层23和第五基板层25电气隔离。

优选地，所述基板20的第五基板层25可由适合的导热材料制成。取决于功率模块100的功率额定值，适合的导热材料可以是铝、铜或合金等。所述第五基板层25用于基板散热。

根据优选实施例的一个功率模块100，所述的第一电源端子131、第二电源端子132、第一输出端子133、第二输出端子134和第三输出端子135可由适合的导电材料制成，适合的导电材料可以是铝、铜或合金等。

优选地，所述功率模块100可经由适合的封装材料，譬如环氧树脂进行封装。

本公开的功率模块100可以有效降低电感，如图3所示，在功率模块100的工作状态，开关电流经由第一电源端子131，到第二导电图案112，然后到高侧二极管122B和IGBT122A，然后到第二输出端子134，再经由负载返回第二输出端子134，然后到第四导电图案114，然后到低侧二极管125B和IGBT 125A，然后到第七导电图案117，且经由第二连接孔27、第三导电层23、第四连接孔29和第一导电图案111，返回第二电源端子132。因此，基板20的第一基板层21构成的三相全桥电路的主电路配置为载送沿第一方向(由箭头B、D示出)流动的开关电流；并且第三基板层23配置为载送沿第二方向(由箭头F示出)流动的开关电流；第二方向与第一方向相反。由此导致电感减小。

如图2和3所示，为了导致高侧IGBT 121A、122A、123A和低侧IGBT 124A、125A、126A的高速切换，基板20的第一基板层21还包括栅极驱动电路导电图案161、162、163、164、165和166。其中，高侧IGBT 121A、122A和123A的栅极驱动电路配置为使得栅极驱动电流沿第三方向(由箭头I示出)流动；并且低侧IGBT 124A、125A和126A的栅极驱动电路配置为使得栅极驱动电流沿第四方向(由箭头J示出)流动；第四方向与第三方向相同，并且第四方向和第三方向与第一方向和第二方向垂直。由此导致干扰减小。

注意，虽然根据本公开的优选实施例包括三相全桥电路，但是在此所实施的概念可以用于构造半桥电路、H桥电路以及两相、三相和多相功率模块。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种多层基板低电感功率模块，其特征在于：包括基板，所述基板包括第一基板层，与第一基板层电连接的第三基板层，用于基板散热的第五基板层，以及设置于第一基板层和第三基板层之间并配置为使第一基板层和第三基板层电气隔离的第二基板层，设置于第三基板层和第五基板层之间并配置为使第三基板层和第五基板层电气隔离的第四基板层，其中，所述第一基板层被配置为载送沿第一方向流动的开关电流，所述第三基板层被配置为载送沿第二方向流动的开关电流，且所述第一方向和第二方向相反。

2.如权利要求1所述的一种多层基板低电感功率模块，其特征在于，所述功率模块包括功率电路，所述功率电路包括第一电极与第一电源端子相连的各高侧功率半导体器件，以及第二电极与第二电源端子相连的各低侧功率半导体器件，其中所述各高侧功率半导体器件的第二电极分别与对应的各低侧功率半导体器件的第一电极连接，并在连接点处分别形成各自的输出端子。

3.如权利要求2所述的一种多层基板低电感功率模块，其特征在于，所述第一电源端子与第一基板层电连接，所述各高侧功率半导体器件以及各低侧功率半导体器件设置于第一基板层上，所述第二电源端子与第三基板层电连接。

4.如权利要求2所述的一种多层基板低电感功率模块，其特征在于，所述功率电路还包括高侧二极管和低侧二极管，所述高侧二极管与所述高侧功率半导体器件反向并联连接，所述低侧二极管与所述低侧功率半导体器件反向并联连接。

5.如权利要求2-4任一所述的一种多层基板低电感功率模块，其特征在于，所述高侧功率半导体器件和低侧功率半导体器件可以为IGBT或MOSFET。

6.如权利要求2所述的一种多层基板低电感功率模块，其特征在于，所述各高侧功率半导体器件的第三电极分别通过各高侧栅极驱动电路与相应的各高侧栅极驱动端子相连，所述各高侧栅极驱动电路被配置为载送沿第三方向的驱动电流。

7.如权利要求6所述的一种多层基板低电感功率模块，其特征在于，所述各低侧功率半导体器件的第三电极分别通过各低侧栅极驱动电路与相应的各低侧栅极驱动端子相连，所述各低侧栅极驱动电路被配置为载送沿第四方向的驱动电流。

8.如权利要求7所述的一种多层基板低电感功率模块，其特征在于，所述第三方向与第四方向相同，并与所述第一方向和第二方向相垂直。

9.如权利要求4所述的一种多层基板低电感功率模块，其特征在于，所述第一基板层上设有若干导电图案及引线，所述导电图案及引线被配置为使所述高侧功率半导体器件、低侧功率半导体器件、高侧二极管和低侧二极管连接成相应电路。

10.如权利要求6所述的一种多层基板低电感功率模块，其特征在于，所述第一基板层上还设有各栅极驱动电路的导电图案，所述各栅极驱动电路的导电图案通过引线分别与各高侧功率半导体器件的第三电极以及各低侧功率半导体器件的第三电极相连。