CN110993594B - 一种三维的高电压电路结构及紧凑型Marx发生器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电力电子技术，尤其涉及一种三维排布的紧凑型高电压电路结构，以及一种具有该高电压电路结构的紧凑型Marx发生器。本发明提供的上述三维的高电压电路结构，包括多个功率器件芯片，其中，每个所述功率器件芯片包括多个功率端，所述多个功率端的焊盘位于所述功率器件芯片的上表面和下表面。所述多个功率器件芯片之间电性连接，相邻功率器件芯片沿上下方向分布以构成所述三维的高电压电路结构。本发明能够减小电路结构的空间尺寸、降低电路的生产成本，并提升电路的安全性。

Description

一种三维的高电压电路结构及紧凑型Marx发生器
技术领域
本发明涉及电力电子技术，尤其涉及一种三维排布的紧凑型高电压电路结构，以及一种具有该高电压电路结构的紧凑型Marx发生器。
背景技术
电力电子技术是一门新兴的应用于电力领域的电子技术，通过使用电力电子器件（例如：晶闸管、GTO、IGBT等）对电能进行变换和控制。电力电子技术所变换的电力的功率可大到数百MW甚至GW，也可以小到数W甚至1W以下。和以信息处理为主的信息电子技术不同，电力电子技术主要用于大功率的电力变换。
随着电力电子技术在生物、医疗等领域的广泛应用，以Marx发生器为例的各种基于电力电子技术的电路结构在民用和商用上的需求逐渐增大，具有生物焊接、癌症诊疗以及中草药有效成分萃取等多种市场需求。具有多级充电-放电电路结构的Marx发生器一般级数较多，各级中用于充电-放电的固态开关管和各级之间的输入-输出高压线会使得整个电路结构的空间尺寸巨大，因此不便于在民用、商用等许多需要小型化应用的场合进行推广应用。
目前，一般会选用耐压和通流能力较强的固态功率器件来作为充电-放电开关，从而通过减少Marx发生器的级数来减小其空间尺寸。然而，耐压和通流能力较强的固态功率器件往往造价高昂，会大幅地提升高电压电路结构的生产成本。而且，将过高的电压分配于各级Marx单元也会对电路中的其他元件、线路的绝缘等级提出更高的要求，存在发热、短路等安全隐患。
因此，为了克服现有技术存在的上述缺陷，本领域亟需一种紧凑型的高电压电路结构，用于减小电路结构的空间尺寸、降低电路的生产成本，并提升电路的安全性。
发明内容
以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之序。
为了克服现有技术存在的上述缺陷，本发明提供了一种三维排布的紧凑型高电压电路结构，以及一种具有该高电压电路结构的紧凑型Marx发生器，用于减小电路结构的空间尺寸、降低电路的生产成本，并提升电路的安全性。
本发明提供的上述三维的高电压电路结构，包括多个功率器件芯片，其中，每个所述功率器件芯片包括多个功率端，所述多个功率端的焊盘位于所述功率器件芯片的上表面和下表面。所述多个功率器件芯片之间电性连接，相邻功率器件芯片沿上下方向分布以构成所述三维的高电压电路结构。
优选地，在本发明提供的上述三维的高电压电路结构中，设于各功率器件芯片上表面的焊盘可以与设于相邻功率器件芯片下表面的焊盘电性连接，电流可以沿所述上下方向从一个功率器件芯片的功率端流向另一个相邻的功率器件芯片的功率端。
优选地，在本发明提供的上述三维的高电压电路结构中，还可以包括沿所述上下方向分布的多层电路板，所述多个功率器件芯片可以设于所述多层电路板，其中，所述电路板可以包括连接所述电路板的上表面和下表面的多个焊盘。设于各功率器件芯片下表面的焊盘可以电性连接对应电路板的上表面的焊盘，设于各功率器件芯片上表面的焊盘可以电性连接上一层电路板的下表面的焊盘，电流可以沿所述上下方向从一层电路板的功率器件芯片流向另一层相邻电路板的功率器件芯片。
优选地，在本发明提供的上述三维的高电压电路结构中，所述电路板的板体可以为介电材质，所述电路板的上表面的焊盘及其对应的所述电路板的下表面的焊盘，以及两者之间的所述板体可以构成一储能电容器。
可选地，在本发明提供的上述三维的高电压电路结构中，各层所述电路板之间的间距可以适应于所述功率器件芯片的厚度。
可选地，在本发明提供的上述三维的高电压电路结构中，所述多个功率器件芯片可以直接或间接地耦接一个共用的隔离变压器，由所述共用的隔离变压器供电。
可选地，在本发明提供的上述三维的高电压电路结构中，还可以包括多个驱动电路，所述多个驱动电路可以分别设于各层所述电路板，用于驱动对应的功率器件芯片以输出电压。
可选地，在本发明提供的上述三维的高电压电路结构中，所述功率器件芯片可以包括金属-氧化物半导体场效应晶体管芯片、绝缘栅双极型晶体管芯片和双极结型晶体管芯片中的一种或多种。
优选地，在本发明提供的上述三维的高电压电路结构中，所述功率器件芯片可以包括两个功率端，所述两个功率端的焊盘可以分别设于所述功率器件芯片的上表面和下表面。
根据本发明的另一方面，本文还提供了一种紧凑型Marx发生器。
本发明提供的上述紧凑型Marx发生器，可以包括上述任意一种三维的高电压电路结构，用于减小电路结构的空间尺寸、降低电路的生产成本，并提升电路的安全性。
附图说明
在结合以下附图阅读本公开的实施例的详细描述之后，能够更好地理解本发明的上述特征和优点。在附图中，各组件不一定是按比例绘制，并且具有类似的相关特性或特征的组件可能具有相同或相近的附图标记。
图1示出了根据本发明的一方面提供的三维的高电压电路结构的示意图。
图2示出了根据本发明的一个实施例提供的紧凑型Marx发生器的结构示意图。
图3示出了根据本发明的一个实施例提供的紧凑型Marx发生器的电路示意图。
图4示出了根据本发明的一个实施例提供的紧凑型Marx发生器的结构示意图。
附图标记
11 功率器件芯片；
111、112 功率端；
12 功率器件芯片；
121、122 功率端；
200-203 电路板；
211-213 功率器件芯片；
2111-2131 漏极；
2112-2132 源极；
2113-2133 门极；
221-223 级内电容器；
231-233 限流电阻；
241-243 隔离二极管；
25、26、27 焊盘；
31 直流充电电源；
32 负载；
411、412 功率器件芯片；
421、422 储能电容器；
431、432 限流电阻；
441、442 隔离二极管；
451-454 焊盘。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。虽然本发明的描述将结合优选实施例一起介绍，但这并不代表此发明的特征仅限于该实施方式。恰恰相反，结合实施方式作发明介绍的目的是为了覆盖基于本发明的权利要求而有可能延伸出的其它选择或改造。为了提供对本发明的深度了解，以下描述中将包含许多具体的细节。本发明也可以不使用这些细节实施。此外，为了避免混乱或模糊本发明的重点，有些具体细节将在描述中被省略。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
另外，在以下的说明中所使用的“上”、“下”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“水平”、“垂直”应被理解为该段以及相关附图中所绘示的方位。此相对性的用语仅是为了方便说明之用，其并不代表其所叙述的装置需以特定方位来制造或运作，因此不应理解为对本发明的限制。
能理解的是，虽然在此可使用用语“第一”、“第二”、“第三”等来叙述各种组件、区域、层和/或部分，这些组件、区域、层和/或部分不应被这些用语限定，且这些用语仅是用来区别不同的组件、区域、层和/或部分。因此，以下讨论的第一组件、区域、层和/或部分可在不偏离本发明一些实施例的情况下被称为第二组件、区域、层和/或部分。
如上所述，现有技术一般会选用耐压和通流能力较强的固态功率器件来作为电路结构中的充电-放电开关，从而通过减少Marx发生器的级数来减小其空间尺寸。然而，耐压和通流能力较强的固态功率器件往往造价高昂，会大幅地提升高电压电路结构的生产成本。而且，将过高的电压分配于各级Marx单元也会对电路中的其他元件、线路的绝缘等级提出更高的要求，存在发热、短路等安全隐患。
为了克服现有技术存在的上述缺陷，本发明提供了一种三维排布的紧凑型高电压电路结构，以及一种具有该高电压电路结构的紧凑型Marx发生器，用于减小电路结构的空间尺寸、降低电路的生产成本，并提升电路的安全性。
请参考图1，图1示出了根据本发明的一方面提供的三维的高电压电路结构的示意图。
如图1所示，本发明提供的上述三维的高电压电路结构，可以包括多个功率器件芯片11-12。功率器件芯片11可以包括多个功率端111-112。功率器件芯片12可以包括多个功率端121-122。该多个功率端111-112、121-122的焊盘可以分别位于各功率器件芯片11-12的上表面和下表面。多个功率器件芯片11-12之间可以通过焊接的方式电性连接。相邻的两个功率器件芯片11-12可以沿上下方向分布以构成该三维的高电压电路结构。可以理解的是，上述“上下方向”可以指示垂直于功率器件芯片11-12平面的方向。在其他实施例中，也可以采用其他方式来指示该方向。
通过直接采用功率器件芯片11-12来作为电路结构中的充电-放电开关，可以省去常规固态功率开关管的封装所占用的空间，从而大幅地缩小电路结构中固态功率器件所占用的体积。通过将相邻的两个功率器件芯片11-12沿上下方向分布以构成三维的高电压电路结构，可以更好地利用多个功率端111-112、121-122的焊盘分别位于各功率器件芯片11-12的上表面和下表面的特点，将前一级功率器件芯片11的功率输出端112沿上下方向直接连接到后一级功率器件芯片12的功率输入端121。
本领域的技术人员可以理解，常规的固态功率开关管通常采用将位于功率器件芯片的上下表面的各功率端统一连接到元件侧边的封装结构，以便于构建沿功率器件芯片所在平面分布的二维电路结构。不同于常规的二维电路结构，本发明提供的上述三维的高电压电路结构的各功率器件芯片11-12沿上下方向分布，从而具有更紧凑的布线结构，因此可以减小电路结构的空间尺寸、降低电路的生产成本，并提升电路的安全性。
请结合参考图2，图2示出了根据本发明的一个实施例提供的紧凑型Marx发生器的结构示意图。
如图2所示，在一个紧凑型Marx发生器的实施例中，可以包括上述实施例提供的三维的高电压电路结构。具体来说，该紧凑型Marx发生器的电路结构中可以包括三级电压模块。第一级电压模块可以包括一个作为充电-放电开关的功率器件芯片211、一个用于储能的级内电容器221、一个限流电阻231，以及一个辅助实现并联充电-串联放电功能的隔离二极管241。第二级电压模块可以包括一个作为充电-放电开关的功率器件芯片212、一个用于储能的级内电容器222、一个限流电阻232，以及一个辅助实现并联充电-串联放电功能的隔离二极管242。第三级电压模块可以包括一个作为充电-放电开关的功率器件芯片213、一个用于储能的级内电容器223、一个限流电阻233，以及一个辅助实现并联充电-串联放电功能的隔离二极管243。各级电压模块可以沿上下方向排布以构成三维的高电压电路结构。也就是说，各级电压模块的功率器件芯片211-213也可以依次沿上下方向排布。
在一些实施例中，上述功率器件芯片211-213可以为金属-氧化物半导体场效应晶体管（Metal-oxide-semiconductor field-effect transistor， MOSFET）芯片。功率器件芯片211可以包括漏极2111、源极2112和门极2113，其中，漏极2111和源极2112为功率器件芯片211的功率端，门极2113为功率器件芯片211的控制端。漏极2111和源极2112分别设于功率器件芯片211的上表面和下表面。功率器件芯片212可以包括漏极2121、源极2122和门极2123，其中，漏极2121和源极2122为功率器件芯片212的功率端，门极2123为功率器件芯片212的控制端。漏极2121和源极2122分别设于功率器件芯片212的上表面和下表面。功率器件芯片213可以包括漏极2131、源极2132和门极2133，其中，漏极2131和源极2132为功率器件芯片213的功率端，门极2133为功率器件芯片213的控制端。漏极2131和源极2132分别设于功率器件芯片213的上表面和下表面。
本领域的技术人员可以理解，上述MOSFET芯片只是本发明提供的一个实施例，主要用于清楚地展示本发明的构思，并提供一种便于公众实施的具体方案，而非用于限制本发明的保护范围。在其他实施例中，上述功率器件芯片还可以选用金属-氧化物半导体场效应晶体管（Metal-oxide-semiconductor field-effect transistor， MOSFET）芯片、绝缘栅双极型晶体管（Insulate-gate bipolar transistor，IGBT）芯片和双极结型晶体管（Bipolar junction transistor，BJT）芯片中的一种或多种。
如图2所示，在上述紧凑型Marx发生器的实施例中，可以包括四块电路板200-203。三级电压模块的功率器件芯片211-213、级内电容器221-223、限流电阻231-233，以及隔离二极管241-243可以分别设于其中三层电路板201-203上。该四层电路板200-203可以沿上下方向分布，以构成三维的高电压电路结构。
在一些实施例中，各层电路板200-203之间的间距可以适应于功率器件芯片211-213的厚度。具体来说，电路板200与电路板201之间的间距可以为功率器件芯片211厚度与级内电容器221厚度之和。电路板201与电路板202之间的间距可以为功率器件芯片212厚度与级内电容器222厚度之和。电路板202与电路板203之间的间距可以为功率器件芯片213厚度与级内电容器223厚度之和。在一些实施例中，各层电路板200-203之间的间距可以相同。在一些实施例中，各层电路板200-203之间的间距可以在1mm-2mm之间，从而获得紧凑的电路结构。
在一些实施例中，位于功率器件芯片211下表面的源极2112的焊盘可以电性连接对应电路板201的上表面的焊盘。位于功率器件芯片211上表面的漏极2111的焊盘可以电性连接上一层电路板200的下表面的焊盘。位于功率器件芯片212下表面的源极2122的焊盘可以电性连接对应电路板202的上表面的焊盘。位于功率器件芯片212上表面的漏极2121的焊盘可以电性连接上一层电路板201的下表面的焊盘。位于功率器件芯片213下表面的源极2132的焊盘可以电性连接对应电路板203的上表面的焊盘。位于功率器件芯片213上表面的漏极2131的焊盘可以电性连接上一层电路板202的下表面的焊盘。
电路板201上表面的连接源极2112的焊盘可以电性连接电路板201下表面连接漏极2121的焊盘。电路板202上表面的连接源极2122的焊盘可以电性连接电路板202下表面连接漏极2131的焊盘。因此，位于功率器件芯片212上表面的焊盘可以与位于相邻功率器件芯片211下表面的焊盘电性连接，位于功率器件芯片213上表面的焊盘可以与位于相邻功率器件芯片212下表面的焊盘电性连接。
请参考图3，图3示出了根据本发明的一个实施例提供的紧凑型Marx发生器的电路示意图。
如图3所示，在Marx发生器的并联充电阶段，各功率器件芯片211-213不导通，直流充电电源31经过限流电阻231-233给各级电压模块的级内电容器221-223并联充电。各级内电容器221-223上的电压在充电过程中逐渐升高，直到经过足够长的时间后全部达到直流充电电源31的输出电压Vdc。在Marx发生器的串联放电阶段，各功率器件芯片211-213都处于导通状态。各隔离二极管241-243均处于反向偏置状态，从而起到隔离电压的作用。此时，Marx发生器从负载32侧来看己经成为一个由各级内电容器221-223串联而成的高压放电电路，其总输出电压为3*Vdc。
请继续参考图2，在上述紧凑型Marx发生器的电路结构中，位于电路板200上表面的焊盘25可以接地。位于电路板203下表面的焊盘26可以电性连接直流充电电源31的输出端。位于电路板203下表面的焊盘27可以作为高压输出端电性连接负载32。
在上述Marx发生器的串联放电阶段，各级内电容器221-223可以分别存储有大量的电能，从而在焊盘25和焊盘27之间形成3*Vdc的电势差。当焊盘27通过负载放电时，电流可以首先从级内电容221流入功率器件芯片211的漏极2111，并由功率器件芯片211的源极2112流向下方的级内电容222。之后，电流可以从级内电容222流入功率器件芯片212的漏极2121，并由功率器件芯片212的源极2122流向下方的级内电容223。然后，电流可以从级内电容223流入功率器件芯片213的漏极2131，并由功率器件芯片213的源极2132流向位于电路板203下方的焊盘27。最后，Marx发生器可以通过焊盘27向负载32提供3*Vdc的高电压输出。
由此可见，在本实施例提供的上述紧凑型Marx发生器的三维高电压电路结构中，电流可以沿上下方向从一层电路板的功率器件芯片流向另一层相邻电路板的功率器件芯片。相比于现有技术采用的具备统一封装的固态功率开关管，在本实施例提供的上述三维的高电压电路结构中，位于各功率器件芯片上表面的漏极可以直接向上连接位于上一级功率器件芯片下表面的源极，而省下了现有封装将位于功率器件芯片上表面的漏极和位于功率器件芯片下表面的源极统一接引到封装侧面的空间。因此，本实施例提供的上述三维的高电压电路结构具有更紧凑的构型，所需的空间尺寸也更小，从而可以在有限的安装空间内设置更多级电压模块，以获得更高的输出电压并降低每级电压模块所需承载的电势差。
可选地，在一些实施例中，三维的高电压电路结构还可以包括多个驱动电路（未绘示）。该多个驱动电路可以分别设于各层电路板201-203，用于驱动对应的功率器件芯片211-213以输出所需的电压。具体来说，第一级电压模块的驱动电路可以电性连接电路板201上对应门极2113的焊盘，用于向功率器件芯片211提供所需的驱动信号。第二级电压模块的驱动电路可以电性连接电路板202上对应门极2123的焊盘，用于向功率器件芯片212提供所需的驱动信号。第三级电压模块的驱动电路可以电性连接电路板203上对应门极2133的焊盘，用于向功率器件芯片213提供所需的驱动信号。
可选地，在一些实施例中，三维的高电压电路结构中的多个功率器件芯片211-213可以直接或间接地耦接一个共用的隔离变压器（未绘示），从而由该共用的隔离变压器供电。
请参考图4，图4示出了根据本发明的一个实施例提供的紧凑型Marx发生器的结构示意图。
如图4所示，在一个紧凑型Marx发生器的实施例中，可以包括上述实施例提供的三维的高电压电路结构。具体来说，该紧凑型Marx发生器的电路结构中可以包括两级电压模块。该两级电压模块可以分别设于两层电路板401-402上。第一级电压模块可以包括一个作为充电-放电开关的功率器件芯片411、一个储能电容器421、一个限流电阻431，以及一个辅助实现并联充电-串联放电功能的隔离二极管441。储能电容器421可以由位于电路板400上表面的焊盘451、位于电路板400下表面的焊盘452和该两个焊盘451-452之间的电路板400的板体构成，可以用于储存提供第一级电压模块的输出电压所需的电能。第二级电压模块可以包括一个作为充电-放电开关的功率器件芯片412、一个储能电容器422、一个限流电阻432，以及一个辅助实现并联充电-串联放电功能的隔离二极管442。储能电容器422可以由位于电路板401上表面的焊盘453、位于电路板401下表面的焊盘454和该两个焊盘453-454之间的电路板401的板体构成，可以用于储存提供第二级电压模块的输出电压所需的电能。
在一些实施例中，电路板400-402的板体可以由电木板、玻璃纤维、塑胶、陶瓷等介电材质制成。储能电容器421-422的电容值可以由电路板400-401的板体材质、电路板400-401的板体厚度，以及焊盘451-454的面积来确定。通过选用合适的板体材质，并设计合适的板体厚度和焊盘面积，即可在焊盘451-452和453-454之间的板体上等效出所需电容值的储能电容器421-422。通过选用本实施例提供的储能电容器421-422来替代上述实施例提供的级内电容器221-223，可以进一步减小每级电压模块所占用的空间体积及重量。
在一些实施例中，各层电路板400-402之间的间距可以适应于功率器件芯片411-412的厚度。具体来说，电路板400与电路板401之间的间距可以为功率器件芯片411厚度。电路板401与电路板404之间的间距可以为功率器件芯片412厚度。上述功率器件芯片411-412的厚度通常在0.1mm-0.3mm之间，从而可以进一步获得更紧凑的电路结构。在一些实施例中，各层电路板400-402之间的间距可以相同。
根据本发明的另一方面，上文还提供了一种紧凑型Marx发生器。该紧凑型Marx发生器可以包括上述任意一个实施例所提供的三维的高电压电路结构，用于减小电路结构的空间尺寸、降低电路的生产成本，并提升电路的安全性。
本领域的技术人员可以理解，上述基于Marx发生器的三维高电压电路结构只是本发明提供的一个实施例，主要用于清楚地展示本发明的构思，并提供一种便于公众实施的具体方案，而非用于限制本发明的保护范围。在其他实施例中，基于本发明的构思，上述三维的高电压电路结构也可以应用于其他具体的电路拓扑，从而同样地起到减小电路结构的空间尺寸、降低电路的生产成本，并提升电路的安全性的效果。
提供对本公开的先前描述是为使得本领域任何技术人员皆能够制作或使用本公开。对本公开的各种修改对本领域技术人员来说都将是显而易见的，且本文中所定义的普适原理可被应用到其他变体而不会脱离本公开的精神或范围。由此，本公开并非旨在被限定于本文中所描述的示例和设计，而是应被授予与本文中所公开的原理和新颖性特征相一致的最广范围。

Claims (9)

1.一种紧凑型Marx发生器，其特征在于，包括多个功率器件芯片，其中，每个所述功率器件芯片包括多个功率端，所述多个功率端的焊盘位于所述功率器件芯片的上表面和下表面，
所述多个功率器件芯片之间电性连接，相邻功率器件芯片沿上下方向分布以构成三维的高电压电路结构。
2.如权利要求1所述的紧凑型Marx发生器，其特征在于，设于各功率器件芯片上表面的焊盘与设于相邻功率器件芯片下表面的焊盘电性连接，电流沿所述上下方向从一个功率器件芯片的功率端流向另一个相邻的功率器件芯片的功率端。
3.如权利要求2所述的紧凑型Marx发生器，其特征在于，还包括沿所述上下方向分布的多层电路板，所述多个功率器件芯片设于所述多层电路板，其中，所述电路板包括连接所述电路板的上表面和下表面的多个焊盘，
位于各功率器件芯片下表面的焊盘电性连接对应电路板的上表面的焊盘，位于各功率器件芯片上表面的焊盘电性连接上一层电路板的下表面的焊盘，电流沿所述上下方向从一层电路板的功率器件芯片流向另一层相邻电路板的功率器件芯片。
4.如权利要求3所述的紧凑型Marx发生器，其特征在于，所述电路板的板体为介电材质，所述电路板的上表面的焊盘及其对应的所述电路板的下表面的焊盘，以及两者之间的所述板体构成一储能电容器。
5.如权利要求3所述的紧凑型Marx发生器，其特征在于，各层所述电路板之间的间距适应于所述功率器件芯片的厚度。
6.如权利要求3所述的紧凑型Marx发生器，其特征在于，所述多个功率器件芯片直接或间接地耦接一个共用的隔离变压器，由所述共用的隔离变压器供电。
7.如权利要求3所述的紧凑型Marx发生器，其特征在于，还包括多个驱动电路，所述多个驱动电路分别设于各层所述电路板，用于驱动对应的功率器件芯片以输出电压。
8.如权利要求1-7中任一项所述的紧凑型Marx发生器，其特征在于，所述功率器件芯片包括金属-氧化物半导体场效应晶体管芯片、绝缘栅双极型晶体管芯片和双极结型晶体管芯片中的一种或多种。
9.如权利要求8所述的紧凑型Marx发生器，其特征在于，所述功率器件芯片包括两个功率端，所述两个功率端的焊盘分别设于所述功率器件芯片的上表面和下表面。
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