CN110506384A - 低电感半桥功率模块 - Google Patents

Abstract

一种用于电气量值的转换器的功率模块(1)，包括电子板(2)，其上形成有限定直流量值的正极的第一电路(3)，形成有限定直流量值的负极的第二电路(4)，并且形成有传导交流量值的第三电路(7)。在第一电路(3)和第二电路(4)与第三电路(7)之间布置有一个或多个第一(9)电子开关设备和第二电子开关设备(10)，以实现转换。其中，该第一和第二电路(4)至少对于相应的耦合部分(11)被布置在电子开关设备附近，靠近并叠加在板(2)的同一面处，以使得这两个电路之间的电容和/或电感耦合被实现。

Description

低电感半桥功率模块

描述

技术领域

本发明涉及一种用于电气量值的转换器(诸如举例而言，DC/DC或AC/DC或AC/AC逆变器或转换器(DC＝直流，AC＝交流))的功率模块。

具体而言，该功率模块被配置成从直流能量源开始生成交流电子量值的相位，或反之亦然。

优选地，根据本发明的一个或多个功率模块被应用于逆变器中。因此，下面将主要参考逆变器的情形，而并非将本发明限制于这种应用领域。

详细地，本发明旨在用于半桥配置中的功率模块，但是其也可被应用于其他电路配置。

换言之，这个想法主要适用于半桥配置中的功率模块，其中存在两个直流输入或极(正和负)、一个中间输入或极(交流相)和两个电子开关。

现有技术

根据现有技术中已经实现的，存在两个开关：高侧开关和低侧开关。

高侧开关将正输入与输出相连接，而低侧开关将负输入与输出相连接。

负载在高侧开关与低侧开关之间被连接到输出，即在分支的中间点。每个开关还包括控制部分，用于接收用来接通或断开开关本身的控制信号。

该开关可以由一个或多个并联的有源器件组成，诸如MOSFET、IGBT、BJT、GTO等。

开关、输入和输出电路在诸如举例而言“直接键合铜”(DBC)类型或“绝缘金属基板”(IMS)类型的“PCB”(印刷电路板)之类的板上间隔开(以下提到的这些电路板的示例仅出于纯粹示例性和非限制性目的来被考虑，因此该板可以是本文未明确指出的另一种类型)。有源器件可以被封包(在封装中)或裸封(裸管芯)。

由于采用越来越高的开关频率(尤其是为了满足多极电机的需求)的不断增长的需要以及在接通和断开期间将有源器件所耗散的功率保持得尽可能低的需要，目前正在做出尝试以降低开关栅极电阻值。

然而，切换速度限制值与功率模块本身的配置中隐含的物理量值紧密相关。

此类物理量值被称为“寄生物”，并且对切换期间的波长和损耗具有强烈影响。

通常，为了限制这些寄生现象，对功率模块的布局采取动作。然而，良好的电路设计仅允许已存在于有源器件内部的事物稍微地增加，以及由这些寄生量值引起的不合意的效应被略微地检查。

对模块性能具有最高影响的部件是(参见图1)“DC回路”中的残余电感和“AC回路”中的分散电感，它们是电压峰值的主要原因。当IGBT/Mosfet开关被接通时，这些电感被充电，这在断开期间导致“Lstray”型集电极上的过电压。这意味着由开关耗散的总功率中的总体增加，这可能使晶体管进入“击穿”区域并且在极端情形中破坏它。

为了解决与电压峰值相关的这些问题，目前采用两种类型的解决方案：

1-带有缓冲器(Snubbers)电路且在Mosfet/IGBT附近的直流部分上具有解耦能力的电路板布局。然而，这种解决方案是昂贵的且并不总是易于实现，因为它强烈地取决于模块的布局和设计约束。缓冲器还具有耗散电阻组件和寄生电感组件，这是不可忽视的并且使得缓冲器本身的电容元件的滤波作用不太有效。

2-将直流部分的滤波器电容器(condenser)移动得更靠近功率模块并尽可能多地耦合直流部分的正和负平面，以便最小化与DC回路相关的电感。

然而，这些解决方案不会对功率模块内部的残余电感(残余DC回路、AC回路电感)起作用。

发明目的

在这种情况下，本发明的目的是实现一种用于逆变器的功率模块，其消除了上述缺点。

特别地，本发明的目的是实现一种功率模块，其允许由于并联连接的开关组件的寄生电感而引起的损耗被降低。

本发明的又一个目的是实现一种功率模块，该功率模块具有并联连接的有源开关组件的更对称的电气特性。

上述目的基本上通过根据所附权利要求中所描述的功率模块来达成。

附图简述

本发明的其他特性和优点将从以下对附图中所解说的功率模块的一些优选但非排他的实施例的详细描述中得到更大的体现，其中：

-图1示出了在功率模块中实现的已知半桥类型的电路图；

-图2示出了从根据本发明的功率模块的上方看到的轴测视图。

-图3示出了从图2的功率模块的上方看到的轴测视图，其中一些部分被移除以更好地突出其他部分；

-图4示出了从图3的功率模块的上方看到的视图；

-图5示出了从图3的功率模块的上方看到的侧视图；以及

-图6示出了根据本发明的功率模块的示意表示。

本发明的一个或多个优选实施例的详细描述

参考所提到的附图，数字1通常表示根据本发明的用于电气量值的转换器的功率模块。

特别地，如上面已阐述的，功率模块1被优选地用在电子逆变器中以从直流能量源(例如蓄电池或电池)开始生成交流电子量值(交流电流/电压)的相位。

然而，功率模块可被用于任何其他类型的转换器(DC/DC或AC/DC或AC/AC)。此外，这样的功率模块既可以在一个转换方向也可以在另一转换方向上操作，即从直流量值到交流或者从交流到直流。

在下面提供的本发明的描述中，将主要参考其中模块1生成从直流量值开始产生的交流电流的相位之一的情形，但是并不由此限于这种转换方向。

功率模块1包括扁平电子板2，优选地是PCB(印刷电路板)，在其上印刷了下面描述的电路。这种板2优选地由电绝缘和散热材料制成，以便耗散由电子组件产生的热。优选地，板2包括氧化铝。

具体而言，模块1包括第一电路3(优选地输入电路)，其形成在板2上并且在使用中连接到直流能量源的正极。这种第一电路3优选地是扁平类型并且被直接连接到板2(第一电路3也被定义为“电池基板”)。

此外，模块1包括第二电路4(优选为输入电路)，该第二电路4被安装在板2上且与第一电路分开(这两个电路是电绝缘的)并且在使用中被连接到直流能量源的负极。这种第二电路4具有优选地平坦的延伸部，并且优选地由一种或多种导电材料制成，以便保证低电阻(第二电路4也被定义为“母线(bus bar)”)。

优选地，第一电路3或第二电路4以及第三电路7被安装在被包括在板2自身中的相同且单个绝缘层(优选为平面的)上。

此外，所述一个或多个电子开关设备9和所述一个或多个第二电子开关设备10被安装在被包括在板2本身中的相同且单个绝缘层(优选为平面的)上。

有利地，板2的各种叠加的绝缘层不是必需的。

从附图中可以看出，每个第一和第二电路从板2的第一侧5延伸到沿着板2自身的表面延伸部的大约一半。

详细来说，每个第一和第二电路具有一个或多个连接部分6，用于与承载直流电流/电压信号的电缆连接。此类连接部分6被布置在板2的第一侧5处。

每个连接部分6包括相关电缆所连接到的端子，或者它被直接连接到直流量值传导总线(DC-BUS)。

此外，功率模块1包括安装在板2上且与第一和第二电路4分开(电绝缘)的第三电路7。优选地，第三电路7具有平面延伸部并且被连接到板2。

从附图中可以看出，第三电路7从沿着板2的表面延伸部的大约一半延伸到板2的与第一侧相对的第二侧8。

从第一侧5行进到第二侧8的方向被定义为转换器的(以及优选地，逆变器的)电气量值的变换方向。

此外，功率模块1包括被布置在第一电路3与第三电路7之间的一个或多个第一电子开关设备9，以便实现对源自第一电路3的电信号的切换。优选地，每个电子开关设备是有源器件，诸如举例而言，Mosfet、IGBT、BJT、GTO……。

在附图中表示的优选情况中，存在多个并联布置的第一电子开关设备9。

此外，功率模块1包括被布置在第二电路4与第三电路7之间的一个或多个第二电子开关设备10，以便实现对源自第二电路4的电信号的切换。

同样，在该情形中，每个电子开关设备是有源器件，诸如举例而言，Mosfet、IGBT、BJT、GTO……。

在附图中表示的优选情况中，存在多个并联布置的第二电子开关设备10，优选地与第一电子开关设备9的数目相同。

此外，功率模块1包括被连接到第一和第二电子开关设备10并且被配置成向后者发送一个或多个控制信号的控制单元(驱动器)，以便根据已知技术在相位实现的操作期间管控开关的打开和关闭时间。

还应注意，第一电路3(优选地为输入电路)和第二电路4(优选地为输入电路)具有被布置在第一或第二电子开关设备10附近的相应的耦合部分11(后者术语的含义将在下面解释)。换言之，第一和第二电路的耦合部分11是电路的被布置在连接部分6的下游且靠近电子开关设备的部分。

根据本发明，第一和第二电路4至少在相应的耦合部分11处根据与板2本身的垂直方向接近和叠加，使得这两个电路之间的电容和电感耦合被实现(从电路外部的观点来看，直流量值的两个电流总是沿同一方向行进)。

换言之，两个电路(优选地输入电路)的耦合部分11彼此面对并且稍微间隔开。以这种方式，“DC回路”和“AC回路”的残余电感的有害影响被最小化。此外，从电学观点来看，所实现的结构是对称的。应注意，两个部分越接近(但彼此不接触)，耦合就越有效。

具体而言，根据逆变器的电气量值的变换方向，第一和第二电路4都被布置在板2的第一半处，而第三电路7被布置在板2的与第一半相对的第二半处。

优选地，电路(优选地输入电路)的耦合部分11相对于板2垂直地间隔，并且另一电路(优选地输入电路)的耦合部分11被布置成与板2本身接触。

换言之，这两个电路的耦合部分11彼此垂直地间隔开并且优选地仅通过空气绝缘。

具体而言，当第一电路6的平面与输出电路7的平面共面时，第一开关设备9基本上被布置为平面的。第二开关设备10具有倾斜和垂直延伸部，因为其被连接在相对于板升高的耦合部分与被布置在与板相同水平处的输出电路之间。换言之，第二开关设备10像顶部处的耦合部分与底部处的输出电路7之间的桥一样。

应注意，第三电路7根据转换器的电气量值的直线变换方向被布置在第一电路3和第二电路4的下游。此外，所述一个或多个第二电子开关设备10根据转换器的电气量值的直线变换方向被布置在所述一个或多个第一电子开关设备9的下游，使得相应的电流沿相同的变换方向流动。

换言之，第一电路3、第二电路4和第三电路7被布置成使得从输入朝向输出流动的电流是并联且单向的。具体而言，来自第二电子设备10的输出处的电流与去往第一电子设备9和第二电子设备10的输入电流并联。

有利地，从第一电路3和/或第二电路4朝向第三电路7行进的电流遵循电气量值的直线变换方向。

详细来说，相对于板2垂直地间隔开的耦合部分11被叠加在连接到另一电路(优选输入电路)的耦合部分11的电子开关设备上，以便覆盖这些电子开关设备(图5)。

换言之，这两个电路(优选输入电路)被布置在板2的同一侧上，以便实现耦合。

具体而言，相对于板2垂直地间隔开的耦合部分11在被布置在其下方的电子开关设备的垂直投影处具有孔12(或窗口)，以便增加这两个部分之间的耦合(图4)。

参考板2的第一侧5，第一和第二电路4具有沿板2的宽度方向以交替方式布置的相应连接部分6。附图示出了五个连接部分6，其中的两个属于第一电路3(优选为输入电路)，且两个属于第二电路4(优选为输入电路)。

此外，第一和第二电路4的相应连接部分6相对于板2具有不同的高度，使得相应耦合部分11被布置在相对于板2的不同高度处。具体而言，第一电路3的连接部分6具有不同的高度，并且被升高到第二电路4的连接部分6的上方，使得两个电路处于不同的高度。

此外，模块1包括电绝缘材料层13，其被布置在相应电路(优选输入电路)的耦合部分11之间。优选地，这种绝缘材料层13是盒形的，并且将相对于板2垂直地间隔开的耦合部分11包围。换言之，与板2间隔开的电路的耦合部分11被包含在绝缘材料盒中。这种绝缘材料优选为塑料。

最后，要注意的是，电路(优选地是输入电路)和输出电路7以及电子开关设备被布置在板2的同一面之上。

此外，第一电子开关设备9相对于连接到所述第一和所述第二电路3、4的电连接部分6的电气总线被等距离地布置，以便保证电流的相等路径。

优选地，第二电子开关设备10相对于板2的第二侧被等距离地布置，其中第三电路7的电连接被布置成保证电流的相等路径。

最后，要注意的是，所述第二电子开关设备10的每一者根据直线变换方向与相应的第一电子开关设备9基本对齐，以便限定平行于和垂直于变换方向的各种直线。

本发明的主题还是一种电子逆变器，用于从直流电信号(例如源自电池或蓄电池)开始生成交流电流信号(带各种相位)。逆变器包括多个上面描述的功率模块，其中所述功率模块在数量上与逆变器的相数相同。此外，模块的输入电路被并联连接，以便定义逆变器的输入。

逆变器和功率模块直接从以上描述中导出，其整体结合于下文。

本发明达成了设定的目的。

具体而言，本发明允许由于并联连接的开关组件的寄生电感而引起的损耗降低。实际上，得益于根据本发明的配置，电流流过(根据其被观察的时间而具有不同的方向和强度)第一或第二输入电路4(根据电流是向上还是向下流过Mosfet/IGBT)，并且输入电路的这两个路径被耦合(图6)。

以这种方式，与电池的正极和负极相关的平面被直接耦合在功率模块1内部，靠近有源开关器件(Mosfet/IGBT)。以这种方式，DC回路的残余电感和AC回路的电感的有害影响被有利地最小化。以这种方式，可以降低驱动器的栅极电阻，从而显著地降低开关损耗，同时将Lstray di/dt集电极上的过电压保持在限制值内。

换句话说，由于输入和输出电路以及开关设备被布置在电路板的同一面处，并且第二输入电路与第一输入电路叠加，因此将仅存在一个绝缘屏障而不是两个(如在现有技术中发生的，其中第二输入电路被布置在板下方并且必须添加另一个绝缘层)，这降低了开关设备所见的热阻。

还值得注意的是，本发明相对容易实现，并且与本发明的致动相关的成本也不是很高。

Claims (16)

1.一种用于电气量值的转换器的功率模块(1)，包括：

电路板(2)；

第一电路(3)，其被安装在所述板上并且被配置成用于限定直流电气量值的正极；

第二电路(4)，其被安装在所述板(2)上且与所述第一电路分开并且被配置成用于限定所述直流电气量值的负极；

第三电路(7)，其被安装在所述板(2)上且与所述第一和第二电路(4)分开并且被配置成用于传导交流电气量值；

一个或多个第一电子开关设备(9)，其被布置在所述第一电路(3)与所述第三电路(7)之间，以便实现源自所述第一电路(3)的电信号的切换；

一个或多个第二电子开关设备(10)，其被布置在所述第二电路(4)和所述第三电路(7)之间，以便实现源自所述第二电路(4)的电信号的切换，使得所述第一电子开关设备(9)和所述第二电子开关设备(10)实现所述直流量值到交流量值的转换，或反之亦然；

所述第一电路(3)和所述第二电路(4)至少对于相应的耦合部分(11)被布置在所述第一与第二电子开关设备(10)附近，根据与所述板(2)本身的垂直方向接近和叠加，并且被布置在所述板(2)的同一面处，使得所述两个电路之间的电容和/或电感耦合被实现；所述第一电路(3)或第二电路(4)的所述耦合部分(11)相对于所述板(2)垂直地间隔开，并且所述第二电路(4)或第一电路(3)的所述耦合部分(11)被布置成与所述板(2)本身接触；

其特征在于，相对于所述板(2)垂直地间隔开的所述耦合部分(11)被垂直地叠加到连接至被布置成与所述板(2)本身接触的另一电路的所述耦合部分(11)的电子开关设备上，以便增加这两个部分(11)之间的耦合效应；所述第三电路(7)根据所述转换器的电气量值的直线变换方向被布置在所述第一电路(3)和所述第二电路(4)的下游，并且所述一个或多个第二电子开关设备(10)根据所述转换器的电气量值的直线变换方向被布置在所述一个或多个第一电子开关设备(9)的下游，使得相应的电流沿着相同的变换方向流动。

2.根据权利要求1所述的功率模块(1)，其特征在于，所述第一和第二电路(4)均被布置在所述板(2)的第一侧(5)，所述第三电路(7)被布置在所述板(2)的与所述第一侧(5)相对的第二侧(8)处，其中所述第一侧(5)和第二侧(8)沿着所述板(2)自身的延伸表面相对于所述转换器的电气量值的变换方向来被限定。

3.根据权利要求2所述的功率模块(1)，其特征在于，所述第一和第二电路(4)具有按沿着所述板(2)的第一侧(5)的交替形式布置的相应连接部分(6)。

4.根据权利要求3所述的功率模块(1)，其特征在于，所述第一和第二电路(4)的相应连接部分(6)具有相对于所述板(2)的不同高度，使得所述相应耦合部分(11)相对于所述板(2)被布置在不同的高度处。

5.根据前述权利要求中任一项所述的功率模块(1)，其特征在于，相对于所述板(2)垂直地间隔开的所述耦合部分(11)在布置在其下方的所述电子开关设备的垂直投影处具有孔(12)。

6.根据前述权利要求中任一项所述的功率模块(1)，其特征在于，所述功率模块(1)包括被布置在所述第一电路(3)与第二电路(4)的所述耦合部分(11)之间的绝缘材料层。

7.根据权利要求8所述的功率模块(1)，其特征在于，所述绝缘材料层(13)是盒形的，并且包围相对于所述板(2)垂直地间隔开的所述耦合部分(11)。

8.根据前述权利要求中任一项所述的功率模块(1)，其特征在于，所述电路(3)、(4)、(7)和所述电子开关设备被布置在所述板(2)的同一面处。

9.根据前述权利要求中任一项所述的功率模块(1)，其特征在于，所述第一电路和所述第二电路(3、4)和所述第三电路(7)被安装在被包括在所述板(2)自身中的相同绝缘层上。

10.根据前述权利要求中任一项所述的功率模块(1)，其特征在于，所述一个或多个第一电子开关设备(9)和所述一个或多个第二电子开关设备(10)被安装在被包括在所述板(2)自身中的同一绝缘层上。

11.根据前述权利要求中任一项所述的功率模块(1)，其特征在于，所述第一电路(3)和所述第二电路(4)限定用于所述直流电气量值的输入，并且能够被连接到直流电流源的相应极；所述第三电路(7)限定所述转换之后的交流电气量值的输出。

12.根据前述权利要求中任一项所述的功率模块(1)，其特征在于，所述板(2)包括单个绝缘层，所述第一电路或第二电路(3、4)和所述第三电路(7)被安装在所述单个绝缘层上。

13.根据前述权利要求中任一项所述的功率模块(1)，其特征在于，所述第一电子开关设备(9)相对于所述板(2)的其中布置有所述第一电路和所述第二电路(3、4)的电连接部分(6)的第一侧(5)被等距离地布置。

14.根据前述权利要求中任一项所述的功率模块(1)，其特征在于，所述第二电子开关设备(10)相对于所述板(2)的其中布置有所述第三电路(7)的电连接部分的第二侧(8)被等距离地布置。

15.根据前述权利要求中任一项所述的功率模块(1)，其特征在于，所述第二电子开关设备(10)的每一者根据直线变换方向与相应的第一电子开关设备(9)基本对准。

16.一种用于从直流电流信号开始生成交流电流信号的电子逆变器，包括多个根据权利要求11所述的功率模块，其中所述功率模块在数量上与所述逆变器的相数相同；所述模块的电路(优选是输入电路)彼此并联连接。