CN110739294B - 功率模块结构 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种功率模块结构，该功率模块结构包括第一金属层、第二金属层、第三金属层、第四金属层、第一开关和第二开关；第一金属层和第三金属层分别设置于第一参考平面和第二参考平面，其中，所述第一金属层和所述第三金属层在所述第一参考平面或所述第二参考平面上的投影有第一重叠区域，且流经所述第一金属层的电流与流经所述第三金属层的电流方向相反。通过采用本发明的功率模块结构，很好地实现了电感的抵消，降低了模组的寄生电感。

Description

功率模块结构
技术领域
本发明涉及电力电子设备技术领域，特别涉及一种功率模块结构。
背景技术
现代电力电子装置作为电力转换的重要组成部分,广泛应用于电力、电子、电机和能源行业。确保电力电子装置的长期稳定运行和提高电力电子装置的电能转换效率，一直是本领域技术人员的重要追求目标。
功率半导体器件作为现代电力电子设备的核心部件,其性能直接决定了电力电子装置的可靠性和电能转换效率。为了设计更加可靠、安全、高性能的电力电子设备，希望功率半导体器件具备电压应力低，功率损耗低的特性。电力电子设备所使用的功率半导体器件工作于开关状态，而高频率的开关动作会在线路中造成较高的电流变化率di/dt。根据电路原理，变化的电流作用在寄生电感Lstray上会产生电压Vs，计算公式如下：
Vs＝Lstray di/dt
由此可知，在电流变化率不变的情况下,较大的寄生电感会产生的较高电压尖峰，而过高的电压尖峰值会降低器件可靠性，增加器件关断损耗；线路寄生电感降低后，允许器件使用更小的驱动电阻来达到更快的开关速度、降低开关损耗以提升变换器效率。
综上所述，提出了降低线路上寄生电感的要求，而寄生电感与功率半导体器件的封装相关，因此，需要设置一个合理的封装结构以降低寄生电感。
发明内容
本发明的目的在于提供一种功率模块结构，从而至少在一定程度上克服由于相关技术的限制和缺陷而导致的上述技术问题。
本发明的其它特性和优点将通过下面的详细描述变得显然，或部分地通过本发明的实践而习得。
根据本发明的第一个方面，提供一种功率模块结构，包括：
第一金属层，设置于第一参考平面；
第二金属层，设置于所述第一参考平面，并与所述第一金属层相邻；
第三金属层，设置于第二参考平面，且所述第二参考平面与所述第一参考平面平行；
第四金属层，设置于所述第二参考平面，并与所述第三金属层相邻，所述第四金属层通过连接桥与所述第二金属层电连接；
第一开关，包括第一端和第二端，所述第一端电连接于所述第三金属层，所述第二端电连接于所述第二金属层；以及
第二开关，包括第三端和第四端，所述第三端电连接于所述第四金属层，所述第四端电连接于所述第一金属层；
其中，所述第一金属层和所述第三金属层在所述第一参考平面或所述第二参考平面上的投影有第一重叠区域，且流经所述第一金属层的电流与流经所述第三金属层的电流方向相反。
可选地，还包括第一基板和第二基板，其中，所述第一金属层和所述第二金属层设置于所述第一基板的下表面，所述第三金属层和第四金属层设置于所述第二基板的上表面。
可选地，还包括：
第一垫块，与所述第一开关连接在一起，且所述第一垫块连接于所述第三金属层和所述第二金属层中的一个，所述第一开关连接于所述第三金属层和所述第二金属层中的另一个；以及
第二垫块，与所述第二开关连接在一起，且所述第二垫块连接于所述第四金属层和所述第一金属层中的一个，所述第二开关连接于所述第四金属层和所述第一金属层中的另一个。
可选地，所述第一垫块为金属块或导热绝缘材料块，所述第二垫块为金属块或导热绝缘材料块。
可选地，所述连接桥均匀分布于所述第一开关和所述第二开关之间。
可选地，所述连接桥集中设置于所述第一开关和所述第二开关的同一侧。
可选地，还包括：
第一功率端子，电连接于所述第三金属层；
第二功率端子，电连接于所述第一金属层；以及
第三功率端子，电连接于所述连接桥。
可选地，所述第一功率端子和所述第二功率端子在所述第一参考平面或所述第二参考平面上的投影至少部分重叠。
可选地，还包括信号端子，所述信号端子通过键合线或通过键合线和PCB板电连接于所述第一开关与所述第二开关的信号端。
可选地，每一所述第一开关和每一所述第二开关串联成一对，多对所述第一开关和所述第二开关并列排列在一起。
可选地，流经所述第一金属层的电流与流经所述第三金属层的电流穿过第三参考平面的方向相反，其中，所述第三参考平面垂直切割所述第一重叠区域。
可选地，所述第一开关和所述第二开关均为垂直型器件，其中，
所述第一端连接于所述第三金属层，所述第二端连接于所述第一垫块，且所述第一垫块连接于所述第二金属层；以及
所述第三端连接于所述第四金属层，所述第四端连接于所述第二垫块，且所述第二垫块连接于所述第一金属层。
可选地，所述第一开关和所述第二开关均为平面型器件，所述功率模块结构还包括第三垫块、第一连接柱和第二连接柱，其中，
所述第一端连接于所述第三金属层；
所述第二端连接于第一连接金属层，所述第一连接金属层设置于所述第二参考平面并与所述第三金属层相邻，所述第一连接柱连接于所述第一连接金属层和所述第二金属层；以及
所述第三端连接于所述第三垫块，所述第三垫块连接于第二连接金属层，所述第二连接金属层设置于所述第一参考平面并与所述第一金属层相邻，所述第二连接柱连接于所述第二连接金属层和所述第四金属层；以及
所述第四端连接于所述第二垫块，所述第二垫块连接于所述第一金属层。
可选地，所述第一开关和所述第二开关均为平面型器件，所述功率模块结构还包括第一连接柱和第二连接柱，其中，
所述第一端连接于所述第三金属层，所述第二端连接于第一连接金属层，所述第一连接金属层设置于所述第二参考平面并与所述第三金属层相邻，所述第一连接柱连接于所述第一连接金属层和所述第二金属层；以及
所述第三端连接于第二连接金属层，所述第二连接金属层设置于第一参考平面并与所述第一金属层相邻，所述第二连接柱连接于所述第二连接金属层和所述第四金属层，所述第四端连接于所述第一金属层。
可选地，还包括钳位电容，所述钳位电容设置于所述第一参考平面与所述第二参考平面之间，且电连接于所述第三金属层与所述第一金属层之间。
可选地，所述功率模块结构还包括平躺型钳位电容及电容连接块，其中，所述平躺型钳位电容和所述电容连接块位于所述连接桥的外侧，所述平躺型钳位电容的一极连接于所述第三金属层，另一极通过第三连接金属层及对应的所述电容连接块电连接于所述第一金属层。
可选地，所述功率模块结构还包括平躺型钳位电容及电容连接块，其中，所述平躺型钳位电容和所述电容连接块位于所述连接桥中的中空部，所述平躺型钳位电容的一极连接于所述第三金属层，另一极通过第三连接金属层及对应的所述电容连接块电连接于所述第一金属层。
可选地，所述功率模块结构还包括平躺型钳位电容及电容连接块，其中，所述平躺型钳位电容和所述电容连接块位于所述第一开关和所述第二开关之间，所述平躺型钳位电容的一极电连接于所述第三金属层，另一极通过所述电容连接块电连接于所述第一金属层。
可选地，所述功率模块结构还包括直立型钳位电容，其中，所述直立型钳位电容位于所述第一开关和所述第二开关之间，所述直立型钳位电容的一极电连接于所述第三金属层，另一极电连接于所述第一金属层。
可选地，至少部分所述第一重叠区域位于第一开关区域在所述第一参考平面的投影以及第二开关区域在所述第一参考平面的投影之间，其中，所述第一开关区域为所述第一开关的最小包络区域，所述第二开关区域为所述第二开关的最小包络区域。
可选地，所述第一开关连接有第一信号端子，所述第二开关连接有第二信号端子，所述第一信号端子的接线引出方向与所述第二信号端子的接线引出方向分别朝向远离所述第一重叠区域的方向延伸。
可选地，所述第一开关沿第一方向线性排列，所述第二开关沿所述第一方向线性排列；所述第一功率端子与所述第二功率端子沿所述第一方向引出，所述第三功率端子沿所述第一方向的反方向引出。
可选地，所述第一垫块和所述第二垫块中的至少一个包括：与开关相接触的第一垫块平面，以及与金属层相接触的第二垫块平面，其中，所述第二垫块平面在所述第一参考平面的投影与所述第一垫块平面在所述第一参考平面的投影部分重叠，且所述第二垫块平面在所述第一参考平面的投影大于所述第一垫块平面在所述第一参考平面的投影。
可选地，所述第二垫块平面在所述第一参考平面的投影的一侧相对于所述第一垫块平面在所述第一参考平面的投影的一侧向外突出0.5～5mm。
可选地，所述第一垫块平面的至少一侧处形成有朝向所述第二垫块平面凹陷的凹台，所述凹台包括与所述第一垫块平面相连接的第四垫块平面和与所述第四垫块平面相连接的第三垫块平面，所述第三垫块平面与所述第一垫块平面的间距大于0.1mm，所述第三垫块平面与第二垫块平面的间距大于0.5mm。
可选地，所述连接桥在所述第一参考平面或所述第二参考平面的投影与所述第一重叠区域存在交叠。
可选地，所述第一金属层与所述第二功率端子连接的区域和所述第三金属层与所述第一功率端子连接的区域在所述第一参考平面或所述第二参考平面的投影存在交叠。
可选地，所述第二金属层与所述第四金属层在所述第一参考平面或所述第二参考平面上的投影有第二重叠区域，所述连接桥在所述第一参考平面或所述第二参考平面上的投影落入所述第二重叠区域的范围之内。
可选地，所述连接桥为柱形连接桥。
可选地，所述连接桥在所述第一参考平面或所述第二参考平面上的投影不与所述第一重叠区域存在交叠。
可选地，所述第一重叠区域和所述第二重叠区域交错设置。
通过采用本发明第一方面的功率模块结构，由于第一金属层和所述第三金属层在所述第一参考平面或所述第二参考平面上的投影有第一重叠区域，且流经所述第一金属层的电流方向与流经所述第三金属层的电流方向相反，很好地实现了电感抵消的作用，降低了模组的寄生电感。
本发明第二方面还提供一种功率模块结构，包括：
第一金属层，设置于第一参考平面；
第二金属层，设置于第二参考平面，且所述第二参考平面与所述第一参考平面平行；
第三金属层，设置于所述第二参考平面，并与所述第二金属层相邻；
第四金属层，设置于所述第一参考平面与所述第二参考平面之间，并与所述第一参考平面或所述第二参考平面平行；
第一开关，包括第一端和第二端，所述第一端电连接于所述第二金属层，所述第二端电连接于所述第一金属层；以及
第二开关，包括第三端和第四端，所述第三端电连接于所述第一金属层，所述第四端电连接于所述第三金属层；
其中，所述第四金属层与所述第二金属层和所述第三金属层中的一金属层电连接，所述第四金属层与所述第二金属层和所述第三金属层中的另一金属层在所述第一参考平面或所述第二参考平面上的投影有重叠区域，且流经所述第四金属层的电流与流经所述另一金属层的电流方向相反。
可选地，至少部分所述重叠区域位于第一开关区域在第一参考平面的投影以及第二开关区域在第一参考平面的投影之间，其中，所述第一开关区域为所述第一开关的最小包络区域，所述第二开关区域为所述第二开关的最小包络区域。
可选地，所述第一开关连接有第一信号端子，所述第二开关连接有第二信号端子，所述第一信号端子的接线引出方向与所述第二信号端子的接线引出方向分别朝向远离所述重叠区域的方向延伸。
可选地，还包括：
第一功率端子，电连接于所述第二金属层；
第二功率端子，电连接于所述第三金属层；以及
第三功率端子，电连接于所述第一金属层。
可选地，所述第一开关包括沿第一方向线性排列，所述第二开关沿所述第一方向线性排列；所述第一功率端子、第二功率端子沿第一方向引出，第三功率端子沿第一方向的反方向引出。
可选地，还包括：
第一垫块，与所述第一开关连接在一起，且所述第一垫块连接于所述第二金属层和所述第一金属层中的一个，所述第一开关连接于所述第二金属层和所述第一金属层中的另一个；以及
第二垫块，与所述第二开关连接在一起，且所述第二垫块连接于所述第三金属层和所述第一金属层中的一个，所述第二开关连接于所述第三金属层和所述第一金属层中的另一个，其中，所述第一垫块与所述第二垫块均为导热的导体。
可选地，所述第一垫块和所述第二垫块中的至少一个包括：与开关相接触的第一垫块平面，以及与金属层相接触的第二垫块平面，其中，所述第二垫块平面在所述第一参考平面的投影与所述第一垫块平面在所述第一参考平面的投影部分重叠，且所述第二垫块平面在所述第一参考平面的投影大于所述第一垫块平面在所述第一参考平面的投影。
可选地，所述第二垫块平面在所述第一参考平面的投影的一侧相对于所述第一垫块平面在所述第一参考平面的投影的一侧向外突出0.5～5mm。
可选地，所述第一垫块平面的至少一侧处形成有朝向所述第二垫块平面凹陷的凹台，所述凹台包括与所述第一垫块平面相连接的第四垫块平面和与所述第四垫块平面相连接的第三垫块平面，所述第三垫块平面与所述第一垫块平面的间距大于0.1mm，所述第三垫块平面与第二垫块平面的间距大于0.5mm。
通过采用本发明第二方面的功率模块结构，由于第四金属层和所述第二金属层或第三金属层在所述第一参考平面或所述第二参考平面上的投影有重叠区域，且流经所述第四金属层的电流方向与流经所述第二金属层或第三金属层的电流方向相反，很好地实现了电感抵消的作用，降低了模组的寄生电感。
为使能更进一步了解本发明的特征及技术内容，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图，但是这里的详细说明以及附图仅是用来说明本发明，而非对本发明的权利要求范围作任何的限制。
附图说明
通过参照附图详细描述其示例实施方式，本发明的上述和其它特征及优点将变得更加明显。
图1为现有技术中的一种半桥模组的等效电路图；
图2为本发明第一实施例的封装后的功率模块结构的示意图；
图3为本发明第一实施例的功率模块结构的示意图；
图4为图2中A-A方向的剖视图；
图5为图4中电流方向示意图；
图6为本发明第一实施例的功率模块结构的爆炸图；
图7为本发明第二实施例的功率模块结构的示意图；
图8为本发明第二实施例的功率模块结构的爆炸图；
图9为图7中B-B方向的剖视图；
图10为本发明第三实施例的功率模块结构的示意图；
图11为本发明第三实施例的功率模块结构的爆炸图；
图12为本发明第四实施例的功率模块结构的示意图；
图13为本发明第五实施例的功率模块结构的示意图；
图14为本发明中增加钳位电容的半桥模组的等效电路图；
图15为本发明第六实施例的功率模块结构的示意图；
图16为本发明第七实施例的功率模块结构的示意图；
图17为图16中方框区域的放大图；
图18为图16中D-D方向的剖视图；
图19为本发明第八实施例的功率模块结构的示意图；
图20为图19中E-E方向的剖视图；
图21为本发明第九实施例的功率模块结构的示意图；
图22为图21中F-F方向的剖视图；
图23为采用四对开关的半桥模组的等效电路图；
图24为本发明第十实施例的功率模块结构的示意图；
图25和图26为本发明第十实施例的功率模块结构的部分爆炸图；
图27为图24中H-H方向的剖视图；
图28为图24中G-G方向的剖视图；
图29为图27中示出电流方向的示意图；
图30为本发明第十实施例的功率模块结构的爆炸图；
图31为本发明第十一实施例的功率模块结构的示意图；
图32为本发明第十二实施例的功率模块结构的示意图；
图33～34为本发明各个实施例所采用的第一垫块的结构示意图；
图35～43为本发明的第一垫块的各种可选结构的示意图。
附图标记：
21 上基板 61 第一连接柱
22 下基板 62 第二连接柱
23 信号端子 63 第三垫块
24 键合线 41 第一金属层(实施例1～10)
25 第一垫块 42 第二金属层(实施例1～10)
251 第一垫块平面 43 第三金属层(实施例1～10)
252 第二垫块平面 44 第四金属层(实施例1～10)
253 第三垫块平面 45 第一连接金属层
254 第四垫块平面 46 第二连接金属层
26 第二垫块 511～514 连接材料
27 连接桥 52 钳位电容
28 功率器件 53 电容连接块
281 第一开关 54 第三连接金属层
2811 第一端 71 第一金属层(实施例11)
2812 第二端 72 第二金属层(实施例11)
282 第二开关 73 第三金属层(实施例11)
2821 第三端 74 第四金属层(实施例11)
2822 第四端 81 第一金属层(实施例12)
31 第一功率端子 82 第二金属层(实施例12)
32 第二功率端子 83 第三金属层(实施例12)
33 第三功率端子 84 第四金属层(实施例12)
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本发明将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。在图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。
本文中的两个部件之间连接可以指两个部件直接连接即两者直接接触或贴合，也可以指两个部件间接连接即两者通过其它材料相互连接；即可以指两者物理连接，也可以指两者电连接。在不同的实施例中，其具有相应的含义。
此外，所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本发明的实施例的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本发明的技术方案而没有所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的结构、部件、步骤、方法等。在其它情况下，不详细示出或描述公知结构、部件或者操作以避免模糊本发明的各方面。
为了解决现有技术中的问题，本发明一实施例提供了一种功率模块结构，该功率模块结构包括第一金属层、第二金属层、第三金属层、第四金属层、第一开关和第二开关。其中，所述第一金属层设置于第一参考平面；所述第二金属层设置于所述第一参考平面，并与所述第一金属层相邻；所述第三金属层设置于第二参考平面，且所述第二参考平面与所述第一参考平面平行；所述第四金属层设置于所述第二参考平面，并与所述第三金属层相邻，所述第四金属层通过连接桥与所述第二金属层电连接；所述第一开关包括第一端和第二端，所述第一端电连接于所述第三金属层，所述第二端电连接于所述第二金属层；所述第二开关包括第三端和第四端，所述第三端电连接于所述第四金属层，所述第四端电连接于所述第一金属层。进一步地，为了降低功率模块的电感，所述第一金属层和所述第三金属层在所述第一参考平面或所述第二参考平面上的投影有第一重叠区域，即至少部分重叠；且流经所述第一金属层的电流与流经所述第三金属层的电流方向相反，很好地实现了电感抵消，降低了模组的寄生电感。
下面结合附图对各个实施例对本发明的技术方案进行进一步介绍，在图1～图30示出的实施例一到实施例十中，第一金属层41可代表与N极电连接的金属层，第二金属层42、第四金属层44可代表与O极电连接的金属层，第三金属层43可代表与P极电连接的金属层。第一功率端子31可代表P极功率端子，第二功率端子32可代表N极功率端子，第三功率端子33可代表O极功率端子。但本发明不限于此。在该实施例中，第一金属层41与第二功率端子32连接的区域和所述第三金属层43与第一功率端子31连接的区域在所述第一参考平面或所述第二参考平面的投影存在交叠。
图1示出了现有技术中一半桥模组的等效电路图。如图1所示，该电路中第一开关S1与第二开关S2串联连接，其中，第一开关S1包括第一端和第二端，第二开关S2包括第三端和第四端。P极与第一开关S1的第一端电连接，N极与第二开关S2的第四端电连接，第一开关S1的第二端与第二开关S2的第三端电连接，并共同电连接于O极。
图2～6示出了本发明第一实施例的功率模块结构的示意图。在该实施例中，功率模块结构包括平行设置的第一基板21和第二基板22，功率器件28设置于两个基板之间，这里不对功率器件28的数量做限制，例如可以为包括三个第一开关281和三个第二开关282。其中，第一功率端子31与第一开关281的第一端电连接；第二功率端子32与第二开关282的第四端电连接；第一开关281的第二端与第二开关282的第三端电连接，并共同与第三功率端子33电连接。信号端子23与功率器件28的信号端通过键合线24电连接。此外，功率器件28在第一基板21所在的平面或第二基板22所在的平面上的投影不重叠，也即功率器件28在第一基板21与第二基板22之间平铺设置，彼此不相互堆叠。
如图4所示，在功率模块结构内部，第一基板21作为上基板，将其下表面称为第一参考平面；第二基板22作为下基板，将其上表面称为第二参考平面。在第一参考平面上设置彼此相邻的第一金属层41和第二金属层42；在第二参考平面上设置彼此相邻的第三金属层43和第四金属层44。其中，第二金属层42与第四金属层44通过连接桥27连接在一起。如图4所示，连接桥27是一个异形的连接桥，将第二金属层42和第四金属层44连接在一起。如图6所示，连接桥27在所述第一参考平面或所述第二参考平面上的投影与所述第一重叠区域存在交叠，并且可选连接桥27在所述第一参考平面或所述第二参考平面上的投影至少部分落入所述第一重叠区域的范围之内。第一开关281的第一端通过连接材料与第三金属层43连接，第一开关281的第二端通过第一垫块25与第二金属层42连接；第二开关282的第四端通过第二垫块26与第一金属层41连接，第二开关282的第三端通过连接材料与第四金属层44连接。垂直方向上，第一开关281的下方只有第三金属层43，上方只有第二金属层42；第二开关282的上方只有第一金属层41，下方只有第四金属层44，即各个功率器件28在其一垂直方向上的上下只有一个功率电极。值得说明的是，这里一垂直方向上的上下是指当做一条垂线垂直于功率器件时，则在功率器件上面与下面的垂线上仅各存在一个功率电极，即在功率器件的上面与下面均不存在功率电极堆叠的情况。第三金属层43与第一金属层41在第一参考平面或第二参考平面上的投影有第一重叠区域，也即二者至少部分重叠；且流经第一金属层41的电流与流经所述第三金属层43的电流方向相反。
如图5所示，此处的电流方向相反是指，存在垂直于第一参考平面或第二参考平面的至少一第三参考平面，其垂直切割第三金属层43和第一金属层41的第一重叠区域，流经第三金属层43的电流和流经第一金属层41的电流穿过第三参考平面的方向相反。因为功率模块内部的第三金属层43和第一金属层41至少部分重叠且流经的电流方向相反，所以很好地实现了电感的抵消，降低了模组的寄生电感。此外，在功率器件28的上下表面都有与环境换热的散热通道，能够很好地实现双面散热。
如图3-图5所示，在该实施例中，至少部分所述第一重叠区域位于第一开关区域在所述第一参考平面的投影以及第二开关区域在所述第一参考平面的投影之间。其中，第一开关区域为第一开关281的最小包络区域，第二开关区域为第二开关282的最小包络区域。即如图4中示出的视角中，第一开关281的最小包络区域位于所述第一重叠区域的左侧，第二开关282的最小包络区域位于所述第一重叠区域的右侧。
这样设置的有益效果是，第一开关区域和第二开关区域的两侧有空置的空间，可作为第一开关281和第二开关282的信号端子的出端区域。具体地，所述第一开关281连接有第一信号端子，所述第二开关282连接有第二信号端子。可以通过将第一开关区域和第二开关区域分别设置在第一重叠区域两侧，第一信号端子的接线引出方向与第二信号端子的接线引出方向可以分别朝向远离所述第一重叠区域的方向延伸。即在图4中的视角中，第一信号端子的接线引出方向可以从第一开关281继续向左侧延伸，第二信号端子的接线引出方向可以从第二开关282继续向右侧延伸。通过该种设置，可以使得并联的第一开关281和第二开关282的芯片驱动回路一致，这有利于实现芯片间驱动电压一致、芯片同步开关，进一步优化芯片间动态均流。
在该实施例中，所述第一开关281沿第一方向线性排列，所述第二开关282沿第一方向线性排列。所述第一功率端子31和第二功率端子32沿第一方向引出，所述第三功率端子33沿与第一方向相反的方向引出。这样设置的有益效果在于，第一功率端子31、第二功率端子32和第三功率端子33的出端不会占用第一开关区域和第二开关区域两侧的空置空间，第一开关281左侧的空置空间可以作为第一开关281的信号端子接线出端区域，第二开关282右侧的空置空间可以作为第二开关282的信号端子接线出端区域，可以使得并联的第一开关281和第二开关282的芯片驱动回路一致，这有利于实现芯片间驱动电压一致、芯片同步开关，进一步优化芯片间动态均流。
如图6所示，第一基板21和第二基板22均可采用包括绝缘层和外金属层的复合基板，也可采用仅包括绝缘层的绝缘基板，第一金属层41、第二金属层42、第三金属层43和第四金属层44均为设置于基板内侧的金属层。值得说明的是，在其它一些实施例中，该功率模块结构也可以为无基板设置，当无基板设置时，功率模块的金属层由引线框架制成，更节省材料。功率器件28通过连接材料511与设置于第二基板22内侧的金属层相连，其中的连接材料511可以为焊料、烧结银或导电银胶。功率器件28通过第一垫块25、第二垫块26以及连接材料512与设置于第一基板21内侧的金属层相连，其中，第一垫块25与第二垫块26均为热和电的导体，如均采用金属块，常用的金属块材料为铜、铝、钼、钨、铜钨合金或铜钼合金等。连接桥27通过连接材料513分别与第二金属层42和第四金属层44相连。同时，通过控制第一垫块25和第二垫块26的厚度可以控制功率模块内部第一基板21和第二基板22的距离，即控制第三金属层43和第一金属层41的距离；不仅可实现功率模块的体积调节，也可实现寄生电感的调节。应当知道，上述结构仅是一示例实施方式，在其它实施方式中，功率模块结构可以有很多变形。例如，第一开关281与第一垫块25的位置可以互换；第二开关282与第二垫块26的位置也可以互换。应当知道，这里的“基板内侧”是指基板靠近开关的一侧，比如图6中第一基板21的下侧和第二基板22的上侧。
本实施例中的第一开关281与第二开关282均为垂直型器件，例如可以为IGBT、MOSFET或二极管。信号端子23与功率器件28的信号端通过键合线24以及设置于第二基板22内侧的金属层进行连接；此外，也可在功率器件28外侧设置PCB板，信号端子23与功率器件28的信号端通过键合线24以及PCB板进行连接。第一功率端子31通过设置于第二基板22内侧的的第三金属层43与第一开关281进行电连接，第二功率端子32通过设置于第一基板21内侧的第一金属层41与第二开关282进行电连接。第一开关281与第二开关282通过连接桥27进行电连接，第三功率端子33通过设置于第二基板22内侧的第四金属层44与连接桥27连接，或者直接与连接桥27连接，抑或功率端子33与连接桥27为一体件。其中，第一功率端子31与第二功率端子32在第一参考平面或第二参考平面上的投影至少部分重叠，可进一步降低寄生电感。本实施例中，连接桥27均匀分布于第一开关281与第二开关282之间，可实现更小的寄生电感。其中，连接桥27采用金属材料制成，该金属材料可以为铜、铝、钼、钨、铜钨合金或铜钼合金等。
图7～9示出了本发明第二实施例的功率模块结构的示意图。第二实施例与第一实施例的功率模块结构类似，第一开关281与第二开关282之间通过连接桥27进行电连接。区别在于连接桥27集中设置于第一开关281与第二开关282的同一侧，即集中设置于二者之间的局部区域或者二者的外部。例如，本实施例中，三对功率器件并排排成两列，各对的第一开关281排列在第一列，第二开关282排列在与第一列平行的第二列，每对的两个功率器件左右对应设置，连接桥27位于第一列与第二列的对称线上，并设置于所有功率器件28的外部。因为连接桥27可以放置于第一开关281与第二开关282之间的局部区域或者外部，可实现更好的均流效果。
图9为图7的B-B方向剖视图，功率器件28在其一垂直方向上的上下分别只有一个功率电极，模块内部第三金属层43与第一金属层41在第一参考平面或第二参考平面上的投影有第一重叠区域；且流经第一金属层41的电流与流经第三金属层43的电流方向相反，很好地实现了电感的抵消，降低了模组的寄生电感。
图10～11示出了本发明第三实施例的功率模块结构的示意图。第三实施例与第一实施例的功率模块结构类似。区别在于第一功率端子31与第二功率端子32在第一参考平面或第二参考平面上的投影不重叠。功率器件28在其一垂直方向上的上下分别只有一个功率电极，模块内部第三金属层43与第一金属层41在第一参考平面或第二参考平面上的投影有第一重叠区域；且流经第一金属层41的电流与流经第三金属层43的电流方向相反，很好地实现了电感的抵消，降低了模组的寄生电感。
图12示出了本发明第四实施例的功率模块结构的示意图。第四实施例与第一实施例的功率模块结构类似。区别在于图12中的第一开关281与第二开关282均为平面型器件，比如GaN器件。该类功率器件的功率电极从器件的一侧扇出，有功率电极引出的一侧称为含电极层，相对的另一侧称为无电极层。第一开关281与第二开关282连接在同一基板上，可以将功率器件28的无电极层与基板连接，也可以将功率器件28的含电极层与基板连接。图12中示出了第一开关281的含电极层与下基板22连接。
本实施例的功率模块结构还包括第三垫块63、第一连接柱61和第二连接柱62。其中，第一开关281的第一端2811连接于第三金属层43；第一开关281的第二端2812连接于第一连接金属层45，第一连接金属层45设置于第二参考平面并与第三金属层相邻，第一连接柱61连接于第一连接金属层45和第二金属层42。第二开关282的第三端2821连接于第三垫块63，第三垫块63连接于第二连接金属层46，第二连接金属层46设置于第一参考平面并与第一金属层41相邻，第二连接柱62连接于第二连接金属层46和第四金属层44；第二开关282的第四端2822连接于第二垫块26，第二垫块26连接于第一金属层41。
本实施例中，第一垫块25为金属块或导热绝缘材料块，第二垫块26和第三垫块63均为金属块。其中，导热绝缘材料可以为氧化铝、氧化铍、氮化铝或DBC。功率器件28在其一垂直方向上的上下分别只有一个功率电极，模块内部第三金属层43与第一金属层41在第一参考平面或第二参考平面上的投影有第一重叠区域；且流经第一金属层41的电流与流经第三金属层43的电流方向相反，很好地实现了电感的抵消，降低了模组的寄生电感。
如图13示出了本发明第五实施例的功率模块结构的示意图。第五实施例与第四实施例的功率模块结构类似，第一开关281和第二开关282均为平面型器件。区别在于图13中的第一开关281与第二开关282分别设置于第二基板22和第一基板21。其中，第一开关281设置于第二基板22，且含电极层与设置于第二基板22内侧的金属层连接；第二开关282设置于第一基板21，且含电极层与设置于第一基板21内侧的金属层连接。当然本公开并不以此为限。
本实施例的功率模块结构还包括第一连接柱61和第二连接柱62。其中，第一开关281的第一端2811连接于第三金属层43；第一开关281的第二端2812连接于第一连接金属层45，第一连接金属层45设置于第二参考平面并与第三金属层43相邻，第一连接柱61连接于第一连接金属层45和第二金属层42。第二开关282的第三端2821连接于第二连接金属层46，第二连接金属层46设置于第一参考平面并与第一金属层41相邻，第二连接柱62连接于第二连接金属层46和第四金属层44；第二开关282的第四端2822连接于第一金属层41。
本实施例中，第一垫块25为金属块或导热绝缘材料块，第二垫块26为金属块或导热绝缘材料块。功率器件28在其一垂直方向上的上下分别只有一个功率电极，模块内部第三金属层43与第一金属层41在第一参考平面或第二参考平面上的投影有第一重叠区域；且流经第一金属层41的电流与流经第三金属层43的电流方向相反，很好地实现了电感的抵消，降低了模组的寄生电感。
图14示出了带钳位电容的等效电路图。在模块内放置钳位电容Cin，器件关断时对应高频回路所围面积会减小，则回路寄生电感也会减小。具体地，在模块内没有放置钳位电容Cin时，回路寄生电感值为Lout+Lin；在模块内放置钳位电容Cin后，回路寄生电感值变为Lin，电感值减小。
图15示出了本发明第六实施例的带钳位电容的功率模块结构的示意。第六实施例与第一实施例的功率模块结构类似。区别在于该功率模块结构还包括钳位电容52，钳位电容52设置于第一参考平面与第二参考平面之间，且电连接于第三金属层43与第一金属层41之间。
本实施例中，钳位电容52为平躺型钳位电容，该功率模块结构还包括电容连接块53。其中，钳位电容52和电容连接块53位于连接桥27的外侧，钳位电容52的一极电连接于第三金属层43，另一极通过对应的电容连接块53电连接于第一金属层41。功率器件28在其一垂直方向上的上下分别只有一个功率电极，模块内部第三金属层43与第一金属层41在第一参考平面或第二参考平面上的投影有第一重叠区域；且流经第一金属层41的电流与流经第三金属层43的电流方向相反，很好地实现了电感的抵消，降低了模组的寄生电感。通过在模块内部P极与N极间设置了钳位电容52，能进一步降低寄生电感。
图16～18示出了本发明第七实施例的功率模块结构的示意图。第七实施例与第六实施例的功率模块结构类似，也包括钳位电容52及电容连接块53，且该钳位电容52也为平躺型钳位电容。区别在于除了在连接桥27的外侧设置钳位电容52外，还将连接桥27内部局部挖空形成中空部271，将钳位电容52及电容连接块53设置于该中空部271内。具体地，在连接桥27的中空部271内，钳位电容52的一极通过连接材料与第三金属层43电连接；钳位电容52的另一极通过第三连接金属层54、第三连接金属层54上设置的电容连接块53以及连接材料与第一金属层41电连接。与第六实施例的方案相比，在连接桥27外侧及中空部271放置钳位电容52的方案会使高频回路包围面积进一步减小，进而使回路电感减小。
图18为图16中D-D方向的剖视图，功率器件28在其一垂直方向上的上下分别只有一个功率电极，模块内部第三金属层43与第一金属层41在第一参考平面或第二参考平面上的投影有第一重叠区域；且流经第一金属层41的电流与流经第三金属层43的电流方向相反，很好地实现了电感的抵消，降低了模组的寄生电感。通过在模块内部P极与N极间设置了钳位电容52，能进一步降低寄生电感。
图19～20示出了本发明第八实施例的功率模块结构的示意图。第八实施例与第二实施例结构类似，连接桥27集中设置于第一开关281与第二开关282的同一侧。区别在于该功率模块结构还包括钳位电容52及电容连接块53，且该钳位电容52为平躺型钳位电容。其中，钳位电容52与电容连接块53一起均匀分布于第一开关281与第二开关282之间除了连接桥27的位置，钳位电容52的一极通过连接材料电连接于第三金属层43，另一极通过电容连接块53及连接材料电连接于第一金属层41。
图20为图19中E-E方向的剖视图，功率器件28在其一垂直方向上的上下分别只有一个功率电极，模块内部第三金属层43与第一金属层41在第一参考平面或第二参考平面上的投影有第一重叠区域；且流经第一金属层41的电流与流经第三金属层43的电流方向相反，很好地实现了电感的抵消，降低了模组的寄生电感。通过在模块内P极与N极间设置钳位电容52，进一步降低了寄生电感。
图21～22示出了本发明第九实施例的功率模块结构的示意图。第九实施例与第二实施例结构类似，连接桥27集中设置于第一开关281与第二开关282的同一侧。区别在于该功率模块结构还包括钳位电容52，且该钳位电容52为直立型钳位电容。其中，钳位电容52均匀分布于第一开关281与第二开关282之间除了连接桥27的位置，钳位电容52的一极通过连接材料电连接于第三金属层43；另一极通过连接材料电连接于第一金属层41。
图22为图21中F-F方向的剖视图。功率器件28在其一垂直方向上的上下分别只有一个功率电极，模块内部第三金属层43与第一金属层41在第一参考平面或第二参考平面上的投影有第一重叠区域；且流经第一金属层41的电流与流经第三金属层43的电流方向相反，很好地实现了电感的抵消，降低了模组的寄生电感。通过在模块内P极与N极间设置钳位电容52，进一步了降低寄生电感。
下面结合图23～30进一步介绍本分发明的第十实施例。如图23为对应于该实施例的具有四对开关的半桥模组的等效电路图，其中开关S11、S12、S13和S14即对应于第一开关281，开关S21、S22、S23和S24即对应于第二开关282。该实施例与第一实施例相比，其区别在于，不仅第一金属层41和第三金属层43在所述第一参考平面或所述第二参考平面上的投影有第一重叠区域，而且第二金属层42和第四金属层在所述第一参考平面或所述第二参考平面上的投影有第二重叠区域，所述连接桥27在所述第一参考平面或所述第二参考平面上的投影落入所述第二重叠区域的范围之内。由于存在第二重叠区域，连接桥27无需再设计成如实施例一中的异形形状，而是可以直接设置为如图27中示出的柱形连接桥。第一开关281和第二开关282通过柱形连接桥27进行电连接，第三功率端子33通过第二基板22与柱形连接桥27或者直接与柱形连接桥27连接。与实施例一相比，柱形连接桥27相比于异形连接桥更容易加工，并且具有更高的可靠性，降低了功率模块结构的成本。
在该实施例中，所述连接桥27在所述第一参考平面或所述第二参考平面上的投影不与所述第一重叠区域存在交叠。并且，如图25所示，第一金属层41与第二功率端子32连接的区域和所述第三金属层43与第一功率端子31连接的区域存在交叠。
如图29所示，流经第一金属层41的电流与流经第三金属层43的电流方向相反。与实施例一类似地，因为功率模块内部的第三金属层43和第一金属层41至少部分重叠且流经的电流方向相反，所以很好地实现了电感的抵消，降低了模组的寄生电感。
在该实施例中，所述第一重叠区域和所述第二重叠区域交错设置。即如图30所示，在第一金属层41和第二金属层42的交界处，形成有锯齿形边界，第一金属层41和第二金属层42交替向前突出；同样地，第三金属层43和第四金属层44的交界处，形成有锯齿形边界，第三金属层43和第四金属层44交替向前突出，第一金属层41的边界突出的部分与第三金属层43的边界突出的部分在所述第一参考平面或所述第二参考平面上的投影形成所述第一重叠区域，第二金属层42的边界突出的部分与第四金属层44的边界突出的部分在所述第一参考平面或所述第二参考平面上的投影形成所述第二重叠区域。连接桥27的数量和分布方式不限于图30中示出的。在优选的实施方式中，柱形连接桥27均匀分布于第一开关281和第二开关282之间，可实现更小的寄生电感。对应地，第一重叠区域和第二重叠区域也就均匀分布于第一开关281和第二开关282之间。其中，柱形连接桥27采用金属材料制成，该金属材料可以为铜、铝、钼、铜钨合金或铜钼合金等。
下面结合图31和图32进一步介绍本发明的第十一实施例和第十二实施例。
如图31所示，为本发明第十一实施例的功率模块结构的示意图。在该实施例中，第一金属层71可代表与O极电连接的金属层，第二金属层72和第四金属层74可代表与P极电连接的金属层，第三金属层73可代表与N极电连接的金属层。但本发明不限于此。
在该实施例中，第一金属层71设置于第一参考平面，第二金属层72和第三金属层73设置于第二参考平面，第二参考平面与第一参考平面平行，第四金属层74设置于第一参考平面和第二参考平面之间，并且与第一参考平面和第二参考平面平行，其中，第四金属层74与第二金属层72电连接。
第一开关281包括第一端和第二端，所述第一端电连接所述第二金属层72，所述第二端电连接所述第一金属层71，第二开关282包括第三端和第四端，所述第三端电连接所述第一金属层71，所述第四端电连接所述第三金属层73。其中，所述第四金属层74和所述第三金属层73在第一参考平面或第二参考平面上的投影有重叠区域，且流经所述第四金属层74和流经所述第三金属层73的电流方向相反，从而很好地实现电感抵消，降低模组的寄生电感。此外，由于第四金属层74和第三金属层73的距离很近，可以更好的实现寄生电感的抵消。
此处的电流方向相反是指，存在垂直于第一参考平面或第二参考平面的至少一第三参考平面，其垂直切割第四金属层74和第三金属层73的重叠区域，流经第四金属层74的电流和流经第三金属层73的电流穿过第三参考平面的方向相反。因为功率模块内部的第四金属层74和第三金属层73至少部分重叠且流经的电流方向相反，所以很好地实现了电感的抵消，降低了模组的寄生电感。此外，在第一开关281和第二开关282的上下表面都有与环境换热的散热通道，能够很好地实现双面散热。
与第一实施例类似地，如图31所示，在该实施例中，至少部分所述重叠区域位于第一开关区域在所述第一参考平面的投影以及第二开关区域在所述第一参考平面的投影之间。其中，第一开关区域为第一开关281的最小包络区域，第二开关区域为第二开关282的最小包络区域。即如图31中示出的视角中，第一开关281的最小包络区域位于所述重叠区域的左侧，第二开关282的最小包络区域位于所述重叠区域的右侧。
这样设置的有益效果是，第一开关区域和第二开关区域的两侧有空置的空间，可作为第一开关281和第二开关282的信号端子的出端区域。具体地，所述第一开关281连接有第一信号端子，所述第二开关282连接有第二信号端子。可以通过将第一开关区域和第二开关区域分别设置在重叠区域两侧，第一信号端子的接线引出方向与第二信号端子的接线引出方向可以分别朝向远离所述重叠区域的方向延伸。即在图31中的视角中，第一信号端子的接线引出方向可以从第一开关281继续向左侧延伸，第二信号端子的接线引出方向可以从第二开关282继续向右侧延伸。通过该种设置，可以使得并联的第一开关281和第二开关282的芯片驱动回路一致，这有利于实现芯片间驱动电压一致、芯片同步开关，进一步优化芯片间动态均流。
在该实施例中，进一步地，所述第一开关281可以沿第一方向线性排列，所述第二开关282可以沿第一方向线性排列。所述第一功率端子31和第二功率端子32沿第一方向引出，所述第三功率端子33沿与第一方向相反的方向引出。这样设置的有益效果在于，第一功率端子31、第二功率端子32和第三功率端子33的出端不会占用第一开关区域和第二开关区域两侧的空置空间，第一开关281左侧的空置空间可以作为第一开关281的信号端子接线出端区域，第二开关282右侧的空置空间可以作为第二开关282的信号端子接线出端区域，可以使得并联的第一开关281和第二开关282的芯片驱动回路一致，这有利于实现芯片间驱动电压一致、芯片同步开关，进一步优化芯片间动态均流。
同样地，第一开关281和第二开关282的数量不做限制，可以根据需要选择。该功率模块结构的上下可以分别设置第一基板21和第二基板22，也可以为无基板设置，当无基板设置时，功率模块的金属层由引线框架制成，更节省材料。第一开关281通过连接材料与设置于第二基板22内侧的金属层相连接，第二开关282通过连接材料与设置于第一基板21内侧的金属层相连接，该连接材料可以为焊料、烧结银或导电银胶。第一开关281通过第一垫块25与设置于第一基板21内侧的金属层相连接，第二开关282通过第二垫块26与设置于第二基板内侧的金属层相连接。同样地，在其它实施例中，第一开关281和第一垫块25的位置可以互换，第二开关282和第二垫块26的位置也可以互换。第一开关281和第二开关282的选型也可以如上述实施例中描述的，例如可以为垂直型或平面型器件，例如为IGBT、MOSFET、二极管或GaN器件等。在其它实施例中，也可以进一步在该实施例的基础上增加第三垫块63、第一连接柱61、第二连接柱62和钳位电容52等等。
如图32所示，为本发明第十二实施例的功率模块结构的示意图。在该实施例中，第一金属层81可代表与O极电连接的金属层，第二金属层82可代表与P极电连接的金属层，第三金属层83和第四金属层84可代表与N极电连接的金属层。但本发明不限于此。
在该实施例中，第一金属层81设置于第一参考平面，第二金属层82和第三金属层83设置于第二参考平面，第二参考平面与第一参考平面平行，第四金属层84设置于第一参考平面和第二参考平面之间，并且与第一参考平面和第二参考平面平行，其中，第四金属层84与第三金属层83电连接。
第一开关281包括第一端和第二端，所述第一端电连接所述第二金属层82，所述第二端电连接所述第一金属层81，第二开关282包括第三端和第四端，所述第三端电连接所述第一金属层71，所述第四端电连接所述第三金属层83。其中，所述第四金属层84和所述第二金属层82在第一参考平面或第二参考平面上的投影有重叠区域，且流经所述第四金属层84和流经所述第二金属层82的电流方向相反，从而很好地实现电感抵消，降低模组的寄生电感。此外，由于第四金属层84和第二金属层82的距离很近，可以更好的实现寄生电感的抵消。
此处的电流方向相反是指，存在垂直于第一参考平面或第二参考平面的至少一第三参考平面，其垂直切割第四金属层84和第三金属层83的重叠区域，流经第四金属层84的电流和流经第二金属层82的电流穿过第三参考平面的方向相反。因为功率模块内部的第四金属层84和第二金属层82至少部分重叠且流经的电流方向相反，所以很好地实现了电感的抵消，降低了模组的寄生电感。此外，在第一开关281和第二开关282的上下表面都有与环境换热的散热通道，能够很好地实现双面散热。
与第一实施例类似地，如图32所示，在该实施例中，至少部分所述重叠区域位于第一开关区域在所述第一参考平面的投影以及第二开关区域在所述第一参考平面的投影之间。其中，第一开关区域为第一开关281的最小包络区域，第二开关区域为第二开关282的最小包络区域。即如图32中示出的视角中，第一开关281的最小包络区域位于所述重叠区域的左侧，第二开关282的最小包络区域位于所述重叠区域的右侧。
这样设置的有益效果是，第一开关区域和第二开关区域的两侧有空置的空间，可作为第一开关281和第二开关282的信号端子的出端区域。具体地，所述第一开关281连接有第一信号端子，所述第二开关282连接有第二信号端子。可以通过将第一开关区域和第二开关区域分别设置在重叠区域两侧，第一信号端子的接线引出方向与第二信号端子的接线引出方向可以分别朝向远离所述重叠区域的方向延伸。即在图32中的视角中，第一信号端子的接线引出方向可以从第一开关281继续向左侧延伸，第二信号端子的接线引出方向可以从第二开关282继续向右侧延伸。通过该种设置，可以使得并联的第一开关281和第二开关282的芯片驱动回路一致，这有利于实现芯片间驱动电压一致、芯片同步开关，进一步优化芯片间动态均流。
在该实施例中，进一步地，所述第一开关281可以沿第一方向线性排列，所述第二开关282可以沿第一方向线性排列。所述第一功率端子31和第二功率端子32沿第一方向引出，所述第三功率端子33沿与第一方向相反的方向引出。即第一功率端子31和第二功率端子32与第三功率端子33朝向相反的方向引出。这样设置的有益效果在于，第一功率端子31、第二功率端子32和第三功率端子33的出端不会占用第一开关区域和第二开关区域两侧的空置空间，第一开关281左侧的空置空间可以作为第一开关281的信号端子接线出端区域，第二开关282右侧的空置空间可以作为第二开关282的信号端子接线出端区域，可以使得并联的第一开关281和第二开关282的芯片驱动回路一致，这有利于实现芯片间驱动电压一致、芯片同步开关，进一步优化芯片间动态均流。
同样地，第一开关281和第二开关282的数量不做限制，可以根据需要选择。该功率模块结构的上下可以分别设置第一基板21和第二基板22。在其它实施例中，也可以为无基板设置，当无基板设置时，功率模块的金属层由引线框架制成，更节省材料。第一开关281通过连接材料与设置于第二基板22内侧的金属层相连接，第二开关282通过连接材料与设置于第一基板21内侧的金属层相连接，该连接材料可以为焊料、烧结银或导电银胶。第一开关281通过第一垫块25和连接材料与设置于第一基板21内侧的金属层相连接。第二开关282通过第二垫块26与设置于第二基板22内侧的金属层相连接。同样地，在其它实施例中，第一开关281和第一垫块25的位置可以互换，第二开关282和第二垫块26的位置也可以互换。第一开关281和第二开关282的选型也可以如上述实施例中描述的，例如可以为垂直型或平面型器件，例如IGBT、MOSFET、二极管或GaN器件等。在其它实施例中，也可以进一步在该实施例基础上增加第三垫块63、第一连接柱61、第二连接柱62和钳位电容52等等。
如图33和图34所示，为本发明各个实施例所采用的第一垫块的结构示意图。此处以第一实施例中第一垫块的连接关系为示例，可以理解的是，此处第一垫块的结构可以应用于上述各个实施例，以组合成新的技术方案，均属于本发明的保护范围之内。
如图33所示，第一垫块25包括与第一开关281相接触的第一垫块平面251和与第二金属层42相接触的第二垫块平面252，所述第二垫块平面252在所述第一参考平面的投影大于所述第一垫块平面251在所述第一参考平面的投影。具体地，第一开关281的第一端通过连接材料511连接至第三金属层43，第一开关281的第二端通过连接材料514连接至第一垫块25的第一垫块平面251，第一垫块25的第二垫块平面252通过连接材料512连接至第二金属层42。应当知道，这里的接触指间接接触，即通过连接材料连接接触。通过这种设置，不仅可提高散热能力，还能够增强结构强度。
优选地，所述第二垫块平面252在所述第一参考平面的投影的一侧相对于所述第一垫块平面251在所述第一参考平面的投影的一侧向外突出d1。即如图34所示的视角中，第二垫块平面252的右侧相对于第一垫块平面251的右侧向外突出d1。其中，距离d1优选为0.5～5mm，但本发明不以此为限。通过采用该种设置，可以进一步加大第一垫块25与金属层(在该实施例中为第二金属层42，其他实施例中为对应的与第一垫块25通过连接材料连接的金属层)的接触面积，提高第一垫块25与金属层的结合强度。
所述第一垫块25的第一垫块平面251的至少一侧处形成有朝向所述第二垫块平面252凹陷的凹台，所述凹台包括与所述第一垫块平面251相连接的第四垫块平面254和与第四垫块平面254相连接的第三垫块平面253，所述第三垫块平面253与所述第一垫块平面251的间距d3优选大于0.1mm，所述第三垫块平面253与所述第二垫块平面252的间距d2优选大于0.5mm，但本发明不以此为限。
此处仅为第一垫块25的一种实施方式。此外，第一垫块25还可以采用如图35到图43所示的各种实施方式。
如图35所示，第一垫块25的第二平面252在第一垫块平面251的投影可以和第一垫块平面251重叠。
为了增加第一垫块25的第二垫块平面252与第二金属层42的结合面积，第二垫块平面252在第一垫块平面251的投影还可凸出第一垫块平面251,如图36所示为凸出一边的结构。进一步地，第二垫块平面252在第一垫块平面251的投影还可凸出第一垫块平面251的两边，如图37和图38所示。进一步地，第二垫块平面252在第一垫块平面251的投影还可凸出第一垫块平面251的三边，如图39所示。
第二垫块平面252在第一垫块平面251的投影还可凸出第一垫块平面251的四边。其中，第一开关281在第二端的旁边有信号连接端子。该信号连接端子可安置在第一开关281边缘的中间部位，对应图40所示，该信号连接端子也可安置在第一开关281的角落处，如图41所示。
以上结构中，第一平面和第三平面的连接过度均为90°直角，该角度也适用于圆角过度，如图42所示；以及大于90°的过度角，如43所示。
此外，第二垫块26的结构也可以采用如第一垫块25类似的结构。例如，所述第二垫块26可以包括与所述第二开关282相接触的第五垫块平面以及于所述第四金属层44或所述第一金属层41(在不同的实施例中，与第五垫块平面接触的金属层可能会有所不同)相接触的第六垫块平面，所述第六垫块平面在所述第一参考平面的投影大于所述第五垫块平面在所述第一参考平面的投影。所述第六垫块平面在所述第一参考平面的投影的一侧相对于所述第五垫块平面在所述第一参考平面的投影的一侧向外突出0.5～5mm，以增大第六垫块平面与所连接的金属层之间的接触面积和结构强度。
在该实施例中，所述第二垫块的第五垫块平面的至少一侧处形成有朝向所述第六垫块平面凹陷的凹台，所述凹台包括与所述第五垫块平面相连接的第八垫块平面和与第八垫块平面相连接的第七垫块平面，所述第七垫块平面与所述第五垫块平面的间距大于0.1mm，所述第七垫块平面与所述第六垫块平面的间距大于0.5mm。
进一步地，第二垫块26也可采用如图35～43所示的垫块的结构。上述的第一垫块和第二垫块是结合实施例一说明的，也可与实施例二至实施例十进行组合，得到不同的技术方案，均属于本发明的保护范围之内。
此外，实施例十一和实施例十二中的第一垫块25和第二垫块26也可采用如图35～43所示的垫块的结构，并与各实施例的变形进行组合，得到不同的技术方案，均属于本发明的保护范围之内。
综上所述，通过采用本发明各个实施例的功率模块结构，由于P极金属层和N极金属层在所述第一参考平面或所述第二参考平面上的投影有重叠区域，且流经P极的电流与流经N极的电流方向相反，很好地实现了电感的抵消，降低了模组的寄生电感。
本发明已由上述相关实施例加以描述，然而上述实施例仅为实施本发明的范例，并未限制本发明的范围。相反地，在不脱离本发明的精神和范围内所作的更动与润饰，均属本发明的专利保护范围。

Claims (39)

1.一种功率模块结构，其特征在于，包括：
第一金属层，设置于第一参考平面；
第二金属层，设置于所述第一参考平面，并与所述第一金属层相邻；
第三金属层，设置于第二参考平面，且所述第二参考平面与所述第一参考平面平行；
第四金属层，设置于所述第二参考平面，并与所述第三金属层相邻，所述第四金属层通过连接桥与所述第二金属层电连接；
第一开关，包括第一端和第二端，所述第一端电连接于所述第三金属层，所述第二端电连接于所述第二金属层；以及
第二开关，包括第三端和第四端，所述第三端电连接于所述第四金属层，所述第四端电连接于所述第一金属层；
其中，所述第一金属层和所述第三金属层在所述第一参考平面或所述第二参考平面上的投影有第一重叠区域，且流经所述第一金属层的电流与流经所述第三金属层的电流方向相反。
2.根据权利要求1所述的功率模块结构，其特征在于，还包括第一基板和第二基板，其中，所述第一金属层和所述第二金属层设置于所述第一基板的下表面，所述第三金属层和第四金属层设置于所述第二基板的上表面。
3.根据权利要求1所述的功率模块结构，其特征在于，还包括：
第一垫块，与所述第一开关连接在一起，且所述第一垫块连接于所述第三金属层和所述第二金属层中的一个，所述第一开关连接于所述第三金属层和所述第二金属层中的另一个；以及
第二垫块，与所述第二开关连接在一起，且所述第二垫块连接于所述第四金属层和所述第一金属层中的一个，所述第二开关连接于所述第四金属层和所述第一金属层中的另一个。
4.根据权利要求3所述的功率模块结构，其特征在于，所述第一垫块为金属块或导热绝缘材料块，所述第二垫块为金属块或导热绝缘材料块。
5.根据权利要求1所述的功率模块结构，其特征在于，所述连接桥均匀分布于所述第一开关和所述第二开关之间。
6.根据权利要求1所述的功率模块结构，其特征在于，所述连接桥集中设置于所述第一开关和所述第二开关的同一侧。
7.根据权利要求1所述的功率模块结构，其特征在于，还包括：
第一功率端子，电连接于所述第三金属层；
第二功率端子，电连接于所述第一金属层；以及
第三功率端子，电连接于所述连接桥。
8.根据权利要求7所述的功率模块结构，其特征在于，所述第一功率端子和所述第二功率端子在所述第一参考平面或所述第二参考平面上的投影至少部分重叠。
9.根据权利要求1所述的功率模块结构，其特征在于，还包括信号端子，所述信号端子通过键合线或通过键合线和PCB板电连接于所述第一开关与所述第二开关的信号端。
10.根据权利要求1所述的功率模块结构，其特征在于，每一所述第一开关和每一所述第二开关串联成一对，多对所述第一开关和所述第二开关并列排列在一起。
11.根据权利要求3所述的功率模块结构，其特征在于，所述第一开关和所述第二开关均为垂直型器件，其中，
所述第一端连接于所述第三金属层，所述第二端连接于所述第一垫块，且所述第一垫块连接于所述第二金属层；以及
所述第三端连接于所述第四金属层，所述第四端连接于所述第二垫块，且所述第二垫块连接于所述第一金属层。
12.根据权利要求3所述的功率模块结构，其特征在于，所述第一开关和所述第二开关均为平面型器件，所述功率模块结构还包括第三垫块、第一连接柱和第二连接柱，其中，
所述第一端连接于所述第三金属层；
所述第二端连接于第一连接金属层，所述第一连接金属层设置于所述第二参考平面并与所述第三金属层相邻，所述第一连接柱连接于所述第一连接金属层和所述第二金属层；以及
所述第三端连接于所述第三垫块，所述第三垫块连接于第二连接金属层，所述第二连接金属层设置于所述第一参考平面并与所述第一金属层相邻，所述第二连接柱连接于所述第二连接金属层和所述第四金属层；以及
所述第四端连接于所述第二垫块，所述第二垫块连接于所述第一金属层。
13.根据权利要求3所述的功率模块结构，其特征在于，所述第一开关和所述第二开关均为平面型器件，所述功率模块结构还包括第一连接柱和第二连接柱，其中，
所述第一端连接于所述第三金属层，所述第二端连接于第一连接金属层，所述第一连接金属层设置于所述第二参考平面并与所述第三金属层相邻，所述第一连接柱连接于所述第一连接金属层和所述第二金属层；以及
所述第三端连接于第二连接金属层，所述第二连接金属层设置于第一参考平面并与所述第一金属层相邻，所述第二连接柱连接于所述第二连接金属层和所述第四金属层，所述第四端连接于所述第一金属层。
14.根据权利要求1所述的功率模块结构，其特征在于，还包括钳位电容，所述钳位电容设置于所述第一参考平面与所述第二参考平面之间，且电连接于所述第三金属层与所述第一金属层之间。
15.根据权利要求5所述的功率模块结构，其特征在于，所述功率模块结构还包括平躺型钳位电容及电容连接块，其中，所述平躺型钳位电容和所述电容连接块位于所述连接桥的外侧，所述平躺型钳位电容的一极连接于所述第三金属层，另一极通过第三连接金属层及对应的所述电容连接块电连接于所述第一金属层。
16.根据权利要求5所述的功率模块结构，其特征在于，所述功率模块结构还包括平躺型钳位电容及电容连接块，其中，所述平躺型钳位电容和所述电容连接块位于所述连接桥中的中空部，所述平躺型钳位电容的一极连接于所述第三金属层，另一极通过第三连接金属层及对应的所述电容连接块电连接于所述第一金属层。
17.根据权利要求6所述的功率模块结构，其特征在于，所述功率模块结构还包括平躺型钳位电容及电容连接块，其中，所述平躺型钳位电容和所述电容连接块位于所述第一开关和所述第二开关之间，所述平躺型钳位电容的一极电连接于所述第三金属层，另一极通过所述电容连接块电连接于所述第一金属层。
18.根据权利要求6所述的功率模块结构，其特征在于，所述功率模块结构还包括直立型钳位电容，其中，所述直立型钳位电容位于所述第一开关和所述第二开关之间，所述直立型钳位电容的一极电连接于所述第三金属层，另一极电连接于所述第一金属层。
19.根据权利要求1所述的功率模块结构，其特征在于，至少部分所述第一重叠区域位于第一开关区域在所述第一参考平面的投影以及第二开关区域在所述第一参考平面的投影之间，其中，所述第一开关区域为所述第一开关的最小包络区域，所述第二开关区域为所述第二开关的最小包络区域。
20.根据权利要求19所述的功率模块结构，其特征在于，所述第一开关连接有第一信号端子，所述第二开关连接有第二信号端子，所述第一信号端子的接线引出方向与所述第二信号端子的接线引出方向分别朝向远离所述第一重叠区域的方向延伸。
21.根据权利要求7所述的功率模块结构，其特征在于，所述第一开关沿第一方向线性排列，所述第二开关沿所述第一方向线性排列；所述第一功率端子与所述第二功率端子沿所述第一方向引出，所述第三功率端子沿所述第一方向的反方向引出。
22.根据权利要求3所述的功率模块结构，其特征在于，所述第一垫块和所述第二垫块中的至少一个包括：与开关相接触的第一垫块平面，以及与金属层相接触的第二垫块平面，其中，所述第二垫块平面在所述第一参考平面的投影与所述第一垫块平面在所述第一参考平面的投影部分重叠，且所述第二垫块平面在所述第一参考平面的投影大于所述第一垫块平面在所述第一参考平面的投影。
23.根据权利要求22所述的功率模块结构，其特征在于，所述第二垫块平面在所述第一参考平面的投影的一侧相对于所述第一垫块平面在所述第一参考平面的投影的一侧向外突出0.5～5mm。
24.根据权利要求22所述的功率模块结构，其特征在于，所述第一垫块平面的至少一侧处形成有朝向所述第二垫块平面凹陷的凹台，所述凹台包括与所述第一垫块平面相连接的第四垫块平面和与所述第四垫块平面相连接的第三垫块平面，所述第三垫块平面与所述第一垫块平面的间距大于0.1mm，所述第三垫块平面与第二垫块平面的间距大于0.5mm。
25.根据权利要求1所述的功率模块结构，其特征在于，所述连接桥在所述第一参考平面或所述第二参考平面的投影与所述第一重叠区域存在交叠。
26.根据权利要求7所述的功率模块结构，其特征在于，所述第一金属层与所述第二功率端子连接的区域和所述第三金属层与所述第一功率端子连接的区域在所述第一参考平面或所述第二参考平面的投影存在交叠。
27.根据权利要求1所述的功率模块结构，其特征在于，所述第二金属层与所述第四金属层在所述第一参考平面或所述第二参考平面上的投影有第二重叠区域，所述连接桥在所述第一参考平面或所述第二参考平面上的投影落入所述第二重叠区域的范围之内。
28.根据权利要求27所述的功率模块结构，其特征在于，所述连接桥为柱形连接桥。
29.根据权利要求27所述的功率模块结构，其特征在于，所述连接桥在所述第一参考平面或所述第二参考平面上的投影不与所述第一重叠区域存在交叠。
30.根据权利要求27所述的功率模块结构，其特征在于，所述第一重叠区域和所述第二重叠区域交错设置。
31.一种功率模块结构，其特征在于，包括：
第一金属层，设置于第一参考平面；
第二金属层，设置于第二参考平面，且所述第二参考平面与所述第一参考平面平行；
第三金属层，设置于所述第二参考平面，并与所述第二金属层相邻；
第四金属层，设置于所述第一参考平面与所述第二参考平面之间，并与所述第一参考平面或所述第二参考平面平行；
第一开关，包括第一端和第二端，所述第一端电连接于所述第二金属层，所述第二端电连接于所述第一金属层；以及
第二开关，包括第三端和第四端，所述第三端电连接于所述第一金属层，所述第四端电连接于所述第三金属层；
其中，所述第四金属层与所述第二金属层和所述第三金属层中的一金属层电连接，所述第四金属层与所述第二金属层和所述第三金属层中的另一金属层在所述第一参考平面或所述第二参考平面上的投影有重叠区域，且流经所述第四金属层的电流与流经所述另一金属层的电流方向相反。
32.根据权利要求31所述的功率模块结构，其特征在于，至少部分所述重叠区域位于第一开关区域在第一参考平面的投影以及第二开关区域在第一参考平面的投影之间，其中，所述第一开关区域为所述第一开关的最小包络区域，所述第二开关区域为所述第二开关的最小包络区域。
33.根据权利要求32所述的功率模块结构，其特征在于，所述第一开关连接有第一信号端子，所述第二开关连接有第二信号端子，所述第一信号端子的接线引出方向与所述第二信号端子的接线引出方向分别朝向远离所述重叠区域的方向延伸。
34.根据权利要求31所述的功率模块结构，其特征在于，还包括：
第一功率端子，电连接于所述第二金属层；
第二功率端子，电连接于所述第三金属层；以及
第三功率端子，电连接于所述第一金属层。
35.根据权利要求34所述的功率模块结构，其特征在于，所述第一开关包括沿第一方向线性排列，所述第二开关沿所述第一方向线性排列；所述第一功率端子、第二功率端子沿第一方向引出，第三功率端子沿第一方向的反方向引出。
36.根据权利要求31所述的功率模块结构，其特征在于，还包括：
第一垫块，与所述第一开关连接在一起，且所述第一垫块连接于所述第二金属层和所述第一金属层中的一个，所述第一开关连接于所述第二金属层和所述第一金属层中的另一个；以及
第二垫块，与所述第二开关连接在一起，且所述第二垫块连接于所述第三金属层和所述第一金属层中的一个，所述第二开关连接于所述第三金属层和所述第一金属层中的另一个，其中，所述第一垫块与所述第二垫块均为导热的导体。
37.根据权利要求36所述的功率模块结构，其特征在于，所述第一垫块和所述第二垫块中的至少一个包括：与开关相接触的第一垫块平面，以及与金属层相接触的第二垫块平面，其中，所述第二垫块平面在所述第一参考平面的投影与所述第一垫块平面在所述第一参考平面的投影部分重叠，且所述第二垫块平面在所述第一参考平面的投影大于所述第一垫块平面在所述第一参考平面的投影。
38.根据权利要求37所述的功率模块结构，其特征在于，所述第二垫块平面在所述第一参考平面的投影的一侧相对于所述第一垫块平面在所述第一参考平面的投影的一侧向外突出0.5～5mm。
39.根据权利要求37所述的功率模块结构，其特征在于，所述第一垫块平面的至少一侧处形成有朝向所述第二垫块平面凹陷的凹台，所述凹台包括与所述第一垫块平面相连接的第四垫块平面和与所述第四垫块平面相连接的第三垫块平面，所述第三垫块平面与所述第一垫块平面的间距大于0.1mm，所述第三垫块平面与第二垫块平面的间距大于0.5mm。
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