CN110943609B - 功率模块 - Google Patents

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Abstract

本发明揭露一种功率模块，该功率模块包括：至少三非跳变功率端子，其具有非跳变电位，其中，所述至少三非跳变功率端子中的第一非跳变功率端子与第二非跳变功率端子之间电性连接有多个功率器件及至少一第一电容；至少一跳变功率端子，其具有跳变电位，其中，所述至少一跳变功率端子中的第一跳变功率端子与所述至少三非跳变功率端子中的第三非跳变功率端子是分别电性连接至一功率电感的两端；其中，该第三非跳变功率端子与所述至少三非跳变功率端子的其它非跳变功率端子中的至少其中之一之间电性连接有至少一第二电容。本发明的功率模块可有效减小EMI噪声，并可大大节省工程师解决EMI的时间。

Description

功率模块
技术领域
本发明是关于功率模块，特别是关于一种低EMI(Electro-MagneticInterference，电磁干扰)噪声的功率模块。
背景技术
在最近几年里，SIC功率半导体器件以其优异的开关特性，被越来越多的应用到大功率的电力电子转换器中。目前SIC功率半导体器件的主要应用形式是分立零件包装，如TO220、TO247等，分立零件的主要优势是封装是标准化的，成本比较低，可靠性比较高，但是也带来一些问题，比如说寄生参数(如杂散电感)比较高，不太适合MOSFET并联使用。同时，由于SIC器件是高速器件，容易在寄生参数较大的情况下产生比较大的EMI问题，所以目前在一些相对较大功率的应用场合，比如说10KW以上的应用场合，SIC功率模块的应用越来越多。而功率模块的采用，可以大大减少内部的寄生参数(杂散电感等)，比较适合SIC晶粒(die)并联的使用，同时驱动部分采用Kevin连接，功率源极和驱动源极是完全分离的，不存在共源极(common source)的问题，开关损耗也能降低不少。但是，由于SIC器件是高速宽禁带开关器件，开关管的跳变电位的电压上升速率dv/dt、电流上升速率di/dt相对很高，所以产生的EMI噪声比较大，此EMI噪声问题在SIC功率模块上会显得尤其突出。同样的问题也存在于所有的高速开关器件如GaN中。
如图1所示，其示出了一个典型的半桥功率模块，该半桥功率模块的功率端子通常只有IN+、IN-和AC三个端子(PIN)，其中AC端子是EMI噪声源。并且，通过将半导体集成在一起，可以缩短该半桥功率模块的桥臂的两颗半导体之间导线的长度，同时解决了开关的散热问题。同时，通过将端子布局(layout)在外面并接高频电容，还可以减小开关的尖峰及EMI噪声。
如图2所示，其示出了传统的功率模块在典型的buck电路中的应用。其中，该功率模块M’是由两个功率器件Q1和Q2串联连接组成一桥臂，并具有IN+、IN-和AC三个功率端子，其中IN-和AC端子是与一buck电路电性连接，而IN+和IN-端子是与一输入Vin相连，且输入侧还具有一电容C1。但是，由于该功率模块M’本身的物理尺寸所限，图2中的第一回路CL1(由功率器件Q1和Q2、电容C1组成)的杂散电感会比较大，从而影响到EMC(Electro-MagneticCompatibility，电磁兼容性)的特性。而在认识到这个问题之后，目前已经有功率模块厂商将输入侧的高频陶瓷电容C1集成到功率模块内部。例如，如图3所示，在功率模块内部最靠近功率器件Q1和Q2的位置设置吸收电容C1，大大降低电压过冲过高对器件失效的潜在威胁，提高系统的可靠性。而目前如图2所示的第二回路CL2，由于存在输出电感L的寄生并联电容CL和回路本身的寄生电感(图中未标示)，AC端子一侧的噪声在高频时，会通过寄生并联电容CL流到输出侧，也会产生高频的EMC问题。
具体地，如图4所示，其示出了传统的功率模块M’在典型的buck电路应用中的EMI分析电路，其包括buck电路、一级EMI滤波器、EMI LSIN与输出阻抗。其中Cpara1是功率电感L的寄生电容。Lpara1是电容CX1一端A2到功率模块M’中固定点A3的寄生电感，Lpara2是A1点到电容CX1的寄生电感。
并且，在高频时，功率电感L的阻抗很大，近似于开路，电容CX1的阻抗很小，近似于短路。A1A2两端和A2A3两端的电压近似为：
VA1A2＝Vnoise*ZLpara2/(ZLpara1+ZCpara1+ZLpara2)
VA2A3＝Vnoise*ZLpara1/(ZLpara1+ZCpara1+ZLpara2)
其中，Vnoise为AC端子在输出侧的噪声电压(例如图4中A1A2两端和A2A3两端的噪声电压)，ZLpara1、ZLpara2、ZCpara1分别为寄生电感Lpara1、寄生电感Lpara2、寄生电容Cpara1的阻抗。A1A2的电压VA1A2会转化成差模噪声，A2A3的电压VA2A3会转化成共模噪声。由上述可知，频率越高，电感(例如寄生电感Lpara1、寄生电感Lpara2)阻抗越大，噪声越大。
因此，迫切需要一种具有低EMI噪声的功率模块。
发明内容
有鉴于此，本发明的一目的在于提供一种功率模块，其具有低EMI噪声，并可大大节省工程师解决EMI的时间。
为了实现上述目的，本发明提供了一种功率模块，其特点在于，该功率模块包括：
至少三非跳变功率端子，其具有非跳变电位，其中，所述至少三非跳变功率端子中的第一非跳变功率端子与第二非跳变功率端子之间电性连接有多个功率器件及至少一第一电容；以及
至少一跳变功率端子，其具有跳变电位，其中，所述至少一跳变功率端子中的第一跳变功率端子与所述至少三非跳变功率端子中的第三非跳变功率端子是分别电性连接至一功率电感的两端；
其中，该第三非跳变功率端子与所述至少三非跳变功率端子的其它非跳变功率端子中的至少其中之一之间电性连接有至少一第二电容。
在本发明的一或多个实施例中，在该第二电容与该第三非跳变功率端子电性连接的一端进一步形成有一辅助端子，该辅助端子是电性连接至一外部电容的一端。
在本发明的一或多个实施例中，该第一非跳变功率端子是作为一参考点并具有一参考电位；该跳变功率端子是相对于该参考点具有高低电平跳变，且其电压上升速率大于10V/μs。
在本发明的一或多个实施例中，该非跳变功率端子是相对于该参考点具有固定电位；或者，是相对于该参考点具有频率小于10KHz的正弦纹波，且其电压上升速率小于2V/μs；或者，是相对于该参考点具有频率小于10KHz的交流电压。
在本发明的一或多个实施例中，该第一电容及该第二电容为高频电容。
在本发明的一或多个实施例中，该第二电容的容值大于1nF。
在本发明的一或多个实施例中，该第二电容为贴片电容或电容裸片。
在本发明的一或多个实施例中，所述多个功率器件被配置为组成至少一桥臂，所述桥臂包含至少两个功率器件串联连接。
在本发明的一或多个实施例中，该功率模块为高频开关功率模块。
在本发明的一或多个实施例中，所述至少一跳变功率端子中的该第一跳变功率端子为该桥臂的中心点。
在本发明的一或多个实施例中，所述至少三非跳变功率端子包含第四非跳变功率端子，其中该第四非跳变功率端子与所述至少三非跳变功率端子的除第三非跳变功率端子的其它非跳变功率端子中的至少其中之一之间电性连接有至少一第三电容。
在本发明的一或多个实施例中，所述至少三非跳变功率端子包含第五非跳变功率端子，该第五非跳变功率端子与该第三非跳变功率端子电性连接。
本发明在现有功率模块技术的基础上，增加了至少一个非跳变功率端子，该非跳变功率端子与一跳变功率端子分别电性连接至一功率电感的两端，并在该非跳变功率端子与至少一其它非跳变功率端子之间增加一个高频电容，从而可进一步减小EMI噪声，进而可大大节省工程师解决EMI的时间。
以下将以实施方式对上述的说明作详细的描述，并对本发明的技术方案提供更进一步的解释。
附图说明
为让本发明的上述和其他目的、特征、优点与实施例能更明显易懂，所附附图的说明如下：
图1为传统的半桥功率模块的结构示意图；
图2为传统的功率模块在典型的buck电路中的应用的电路示意图；
图3为现有的集成高频电容的功率模块的结构示意图；
图4为传统的功率模块在典型的buck电路应用中的EMI分析电路的示意图；
图5为本发明的一较佳实施例的功率模块的结构示意图；
图6a～图6c为图5中的非跳变端子相对于参考点的电压示意图；
图7为本发明的功率模块在典型的buck电路应用中的EMI分析电路的示意图；
图8为本发明的功率模块在一级EMI滤波器下进行RFI测试得到的波形示意图；
图9a～图9h为本发明的其它较佳实施例的功率模块的拓扑电路示意图；
图10为本发明的又一较佳实施例的功率模块的优化电路示意图。
具体实施方式
为了使本发明的叙述更佳详尽与完备，可参照所附的附图及以下所述各种实施例，附图中相同的号码代表相同或相似的组件。另一方面，众所周知的组件与步骤并未描述于实施例中，以避免对本发明造成不必要的限制。此外，为简化附图起见，一些已知惯用的结构与元件在附图中将以简单示意的方式绘示。
本发明的功率模块包括有至少三非跳变功率端子以及至少一跳变功率端子。其中，所述至少三非跳变功率端子具有非跳变电位，且所述至少三非跳变功率端子中的第一非跳变功率端子与第二非跳变功率端子之间电性连接有多个功率器件及至少一第一电容。而所述至少一跳变功率端子具有跳变电位，且所述至少一跳变功率端子中的第一跳变功率端子与所述至少三非跳变功率端子中的第三非跳变功率端子是分别电性连接至一功率电感的两端。并且，该第三非跳变功率端子与所述至少三非跳变功率端子的其它非跳变功率端子中的至少其中之一之间电性连接有至少一第二电容。
在本发明中，所谓的“非跳变电位”一般是指相对于一参考点具有固定电位或具有较小的高低电平跳变(例如电压上升速率dv/dt小于2V/μs，可视为“基本无跳变”)。所谓的“跳变电位”一般是指相对于该参考点具有较大的高低电平跳变(例如电压上升速率dv/dt大于10V/μs)。当然，可以理解的是，上述电压上升速率dv/dt的临界值，例如2V/μs和10V/μs也可以在一定范围内波动，例如百分之十、或者百分之五等，这些并不作为对本发明的限制。
如图5所示，其示出了本发明一较佳实施例的功率模块的结构。该功率模块M包括有四个功率端子，即IN+、IN-、AC和OUT端子，其中，IN+、IN-和OUT端子为具有非跳变电位的非跳变功率端子，AC端子为具有跳变电位的跳变功率端子。在本实施例中，在IN+和IN-端子之间电性连接有两个功率器件Q1和Q2及一电容C1，其中所述两个功率器件Q1和Q2串联连接并被配置为组成一桥臂，该电容C1是与该桥臂并联，而AC和OUT端子是用于分别电性连接至一功率电感的两端，且在OUT和IN-端子之间还电性连接有一电容C2。
在本实施例中，IN+、IN-、AC和OUT端子分别为电流大于1A的功率端子，其中，IN+，OUT与IN-端子是具有固定电位的端子，例如IN-端子是作为参考点并具有一参考电位(如0电位)，IN+和OUT端子是相对于IN-端子具有一固定电位，如图6c所示。而AC端子是相对于IN-端子(参考点)有较大的高低电平跳变，即AC与IN-之间有较大的电压上升速率dv/dt(例如dv/dt>10V/μs)，是EMI的噪声源。在其它实施例中，IN+、OUT与IN-端子也可以为叠加有频率<10kHz的正弦纹波，且电压上升速率dv/dt比较小，例如小于2V/μs，如图6b所示。在其它实施例中，OUT端子相对于IN-端子也可为频率为<10kHz的交流电压，如图6a所示。
较佳地，在本发明的一实施例中，所述电容C1、C2可为高频电容。更佳地，所述电容C2可为贴片电容或电容裸片，其容值例如可大于1nF。
如图7所示，其示出了本发明的功率模块在典型的buck电路应用中的EMI分析电路。其中，相比于如图4所示的传统的功率模块M’，本发明的功率模块M中增加了一个功率端子OUT及一个电容C2，该电容C2为寄生电感<1nH的高频电容。其中，该电容C2的容值远大于功率电感L的寄生电容Cpara1，而寄生电感Lpara1、Lpara2比较小，所以在高频时A1A2两端的阻抗近似等于电容C2的阻抗ZC2，A1A3两端的电压VA1A3近似等于Vnoise*ZC2/(ZC2+ZCpara1)，因为ZC2远小于ZCpara1，所以在A1A3两端的噪声幅值被大大减小。
图8为本发明的功率模块在一级EMI滤波器下进行RFI(Radio FrequencyInterference，射频干扰)测试得到的波形示意图。利用本发明的功率模块的连接方式，在高速开关器件GaN的拓扑下测试得到的RFI的波形，如图8所示，从波形上看，采用该方案的电源在一级EMI滤波下即可以通过ClassB标准。
可以理解的是，本发明的功率模块并不限于以上拓扑，其还可以广泛应用于boost，buck，Herric，T-type三电平等拓扑。每种拓扑中都应包括有至少一个跳变节点和至少三个非跳变节点。并且，每种拓扑中本发明的功率模块的功率端子都应包含功率电感的两端跟一个非跳变功率端子。
如图9a～图9h所示，其示出了本发明的其它较佳实施例的功率模块的拓扑电路。
如图9a～图9b所示，其功率模块与图5所示的功率模块不同之处在于：在图9a所示的功率模块中，电容C2是电性连接于OUT和IN+端子之间；在图9b所示的功率模块中，是在OUT和IN+端子之间电性连接电容C2，并在OUT和IN-端子之间电性连接电容C3。
如图9c～图9e所示，其功率模块与图5所示的功率模块不同之处在于：图9c～图9e所示的功率模块是在IN+和IN-端子之间包括有两个半桥桥臂，其分别由功率器件Q1和Q2、Q3和Q4串联连接而成，且具有跳变电位的AC1、AC2端子分别为该两个半桥桥臂的中心点。并且，在图9c所示的功率模块中，电容C2是电性连接在OUT和IN-端子之间；在图9d所示的功率模块中，电容C2是电性连接于OUT和IN+端子之间；在图9e所示的功率模块中，是在OUT和IN+端子之间电性连接电容C2，并在OUT和IN-端子之间电性连接电容C3。
如图9f～图9h所示，其功率模块与图5所示的功率模块不同之处在于：图9f～图9h所示的功率模块是在IN+和IN-端子之间包括一个全桥桥臂，其是由功率器件Q1、Q2、Q3和Q4串联连接而成，且该功率模块还包含有由串联的二极管D1和D2组成的桥臂且其是与功率器件Q2和Q3的两端并联。在IN+和IN-端子之间还包括有由串联的电容C1和C2组成的桥臂，且具有非跳变电位的COM端子是连接至该由串联的二极管D1和D2组成的桥臂、该由串联的电容C1和C2组成的桥臂的中心点。并且，在图9f所示的功率模块中，电容C3是电性连接在OUT端子和该由串联的电容C1和C2组成的桥臂的中心点之间；在图9g所示的功率模块中，电容C3是电性连接于OUT和IN+端子之间；在图9h所示的功率模块中，电容C3是电性连接于OUT和IN-端子之间。
如图10所示，为了更好的优化EMI的效果，本发明还可在电容C2的端子上增加了一个功率端子(如图中与OUT1端子电性连接的端子OUT2)作为辅助端子，其中，AC与OUT1端子是电性连接在功率电感(如图7中的功率电感L)的两端，OUT2端子为非跳变功率端子且是连接在外部电容的一端(如图7中的电容CX1)。这样可以尽量减小C2的等效电感，EMI噪声会相比于图5所示的功率模块更小。
可以理解的是，包括图9a～图9h所示实施例在内的所有实施例，都可以按照图10的方式，将输出的功率端子由一个变为两个，这些并不作为对本发明的限制。并且，如图5所示的功率模块在布局(layout)的时候，为了优化EMI，可以将功率电感的一端与外部电容的一端分别接到功率模块的OUT端子上。
虽然本发明已以实施方式揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟悉此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (11)

1.一种低EMI噪声的功率模块，其特征在于，该功率模块包括：
至少三非跳变功率端子，其具有非跳变电位，其中，所述至少三非跳变功率端子中的第一非跳变功率端子与第二非跳变功率端子之间电性连接有多个功率器件及至少一第一电容；以及
至少一跳变功率端子，其具有跳变电位，其中，所述至少一跳变功率端子中的第一跳变功率端子与所述至少三非跳变功率端子中的第三非跳变功率端子是分别电性连接至一功率电感的两端；
其中，该第三非跳变功率端子与所述至少三非跳变功率端子的其它非跳变功率端子中的至少其中之一之间电性连接有至少一第二电容，所述至少一第二电容直接连接该第三非跳变功率端子以及所述至少三非跳变功率端子的其它非跳变功率端子中的至少其中之一，所述第三非跳变功率端子与所述第一跳变功率端子用作输出端子，在该第二电容与该第三非跳变功率端子电性连接的一端进一步形成有一辅助端子，该辅助端子是电性连接至一外部电容的一端。
2.根据权利要求1所述的功率模块，其特征在于，该第一非跳变功率端子是作为一参考点并具有一参考电位；该跳变功率端子是相对于该参考点具有高低电平跳变，且其电压上升速率大于10V/μs。
3.根据权利要求2所述的功率模块，其特征在于，该第二非跳变功率端子和第三非跳变功率端子是相对于该参考点具有固定电位；或者，是相对于该参考点具有频率小于10KHz的正弦纹波，且其电压上升速率小于2V/μs；或者，是相对于该参考点具有频率小于10KHz的交流电压。
4.根据权利要求2所述的功率模块，其特征在于，该第一电容及该第二电容为高频电容。
5.根据权利要求4所述的功率模块，其特征在于，该第二电容的容值大于1nF。
6.根据权利要求1所述的功率模块，其特征在于，该第二电容为贴片电容或电容裸片。
7.根据权利要求1所述的功率模块，其特征在于，所述多个功率器件被配置为组成至少一桥臂，所述桥臂包含至少两个功率器件串联连接。
8.根据权利要求1所述的功率模块，其特征在于，该功率模块为高频开关功率模块。
9.根据权利要求7所述的功率模块，其特征在于，所述至少一跳变功率端子中的该第一跳变功率端子为该桥臂的中心点。
10.根据权利要求1所述的功率模块，其特征在于，所述至少三非跳变功率端子包含第四非跳变功率端子，其中该第四非跳变功率端子与所述至少三非跳变功率端子的除第三非跳变功率端子的其它非跳变功率端子中的至少其中之一之间电性连接有至少一第三电容。
11.根据权利要求1所述的功率模块，其特征在于，所述至少三非跳变功率端子包含第五非跳变功率端子，该第五非跳变功率端子与该第三非跳变功率端子电性连接。
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