CN111769723A - 具有附加发射极/源极路径的并联功率模块 - Google Patents

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Abstract

本公开提供了“具有附加发射极/源极路径的并联功率模块”。功率电子电路包括一对并联的开关元件。所述开关元件中的每一者包括两个功率端子、两个控制端子和附加端子。来自所述对中每一者的所述两个功率端子中的对应一个经由相应的第一功率路径和第二功率路径连接。来自所述对中每一者的所述两个控制端子中的对应一个经由相应的第一控制路径和第二控制路径连接。所述附加端子经由附加路径连接。所述电路还包括栅极驱动器和磁体，所述栅极驱动器分接所述第一控制路径和所述第二控制路径，所述磁体围绕所述附加端子以耦合所述附加路径的电感。

Description

具有附加发射极/源极路径的并联功率模块
技术领域
本公开涉及功率半导体装置。
背景技术
功率半导体在某些功率电子器件，诸如开关模式电源中用作开关或整流器。它们也称为功率装置，或当用于集成电路中时，称为功率集成电路(IC)。功率半导体通常以换相模式(其为接通或切断)使用，并且具有针对这种用途而优化的设计。功率半导体在输送数十毫瓦的系统(例如，耳机放大器)和输送千兆瓦的系统(例如，高压直流输电线)中使用。
某些金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)是一种类型的功率半导体装置，是一种耗尽型沟道装置：建立从漏极到源极的导电路径可能需要电压而不是电流。在低频下，这可以减小栅极电流，因为其仅需要在开关期间对栅极电容充电。开关时间的范围为几十纳秒到几百微秒。通常，MOSFET装置不是双向的并且不是反向电压阻断的。
绝缘栅双极型晶体管(IGBT)作为另一种类型的功率半导体，通常具有为双极性结型晶体管(BJT)和MOSFET所共有的特性。其可能具有高栅极阻抗，并且因此具有低栅极电流要求，像MOSFET一样。其在工作模式中可能具有低通态压降，像BJT一样。某些IGBT可用于阻挡正电压和负电压两者，并且与MOSFET装置相比具有减小的输入电容。
发明内容
功率电子电路包括一对并联的开关元件，所述并联的开关元件各自包括栅极、开尔文源极、漏极和源极。所述电路还包括连接栅极的栅极路径、连接开尔文源极的开尔文路径、连接源极的源极路径，以及栅极驱动器，所述栅极驱动器分接栅极路径和开尔文路径并且配置为驱动栅极。栅极驱动器、栅极路径和开尔文路径限定栅极回路的各部分。所述电路又进一步包括栅极回路外部的附加路径，其与开尔文路径和源极路径并联。
功率电子电路包括一对并联的开关元件，所述并联的开关元件各自包括两个功率端子、两个控制端子，以及附加端子。来自所述对中每一者的两个功率端子中的对应一个经由相应的第一功率路径和第二功率路径连接。来自所述对中每一者的两个控制端子中的对应一个经由相应的第一控制路径和第二控制路径连接。附加端子经由附加路径连接。所述电路还包括栅极驱动器和磁体，所述栅极驱动器分接第一控制路径和第二控制路径，所述磁体围绕附加端子以耦合附加路径的电感。
功率电子电路包括一对并联的开关元件，所述并联的开关元件各自包括栅极、开尔文发射极、集电极和发射极；所述电路还包括连接栅极的栅极路径、连接开尔文源极的开尔文路径、连接发射极的发射极路径，以及栅极驱动器，所述栅极驱动器分接栅极路径和开尔文路径，配置为驱动栅极。栅极驱动器、栅极路径和开尔文路径限定栅极回路的各部分。所述电路又进一步包括栅极回路外部的附加路径，其与开尔文路径和源极路径并联。
附图说明
图1是半桥式电路的示意图。
图2A和图2B是半桥式功率模块的正视图和侧视图(横截面)。
图3是并联的半桥式功率模块和所产生的栅极回路振荡的示意图。
图4是与图3的并联半桥式功率模块相关联的栅极电压的曲线图。
图5是用于并联半导体的功率模块封装的示意图。
图6是具有附加发射极/源极侧路径的并联半桥式功率模块的示意图。
图7A和图7B分别是半桥式功率模块的正视图和侧视图，所述半桥式功率模块具有扩展的发射极/源极引线框架端子以及附加发射极/源极路径。
图8是并联半桥式功率模块的示意图，所述并联半桥式功率模块具有附加发射极/源极侧路径上的耦合的杂散电感。
图9A和图9B分别是并联半桥式功率模块的正视图和顶视图，所述并联半桥式功率模块具有由扩展引线框架实现的附加发射极/源极侧路径上的耦合的杂散电感。
图10A和图10B分别是并联半桥式功率模块的正视图和侧视图，所述并联半桥式功率模块具有由引脚和焊线(wire bond)实现的附加发射极/源极侧路径上的耦合的杂散电感。
图11是并联半桥式功率模块的正视图，所述并联半桥式功率模块具有由引脚和焊线实现的附加发射极/源极侧路径上的耦合的杂散电感。
具体实施方式
本文中描述了本公开的各个实施例。然而，所公开的实施例仅仅是示例性的，并且其他实施例可以采用未明确示出或描述的各种和替代形式。附图不一定按比例绘制；一些特征可以被放大或最小化以示出特定部件的细节。因此，本文中所公开的具体结构细节和功能细节不应被解释为是限制性的，而是仅仅作为教导本领域普通技术人员以不同方式采用本发明的代表性基础。如本领域普通技术人员将理解，参考附图中的任何一个来示出和描述的各种特征可以与在一个或多个其他附图中所示出的特征进行组合，以产生未明确示出或描述的实施例。所示特征的组合提供典型应用的代表性实施例。然而，与本公开的教导一致的特征的各种组合和修改可以是特定应用或实现方式所期望的。
参考图1，半桥式单元10(其为功率电子电路/转换器电路的主要单元)包括上开关元件12和下开关元件14。开关元件12、14中的每一者包括具有或没有反相并联二极管20、22的有源功率装置16、18(例如，功率硅/碳化硅MOSFET或硅IGBT)。开关元件12、14中的每一者还具有两个功率端子：用于MOSFET配置的漏极(Dn)和源极(Sn)(或用于IGBT配置的集电极(Cn)和发射极(En))；和两个控制端子：用于MOSFET配置的栅极(Gn)和开尔文源极(Kn)(或用于IGBT配置的开尔文发射极)。这里，n在指代开关元件12时为“1”，并且在指代开关元件14时为“2”。栅极Gn和开尔文源极/发射极Kn端子构成栅极回路，以控制有源半导体的接通和切断。半桥式单元的正DC端子P和负DC端子N分别连接到开关元件12的漏极端子D1和开关元件14的源极端子S2。半桥式单元10的中间端子连接到输出负载(例如电动马达绕组U/V/W)，所述中间端子也是开关元件12的源极端子S1和开关元件14的漏极端子D2。
电动车辆/混合电动车辆中的牵引逆变器通常包括一个或若干三相转换器。在某些拓扑结构中，还存在升压DC-DC转换器。对于高功率的牵引逆变器应用，若干半桥式单元需要并联使用以实现高输出功率。功率模块封装由于其在各种应用中的灵活性，不同的逆变器拓扑结构和额定功率而闻名的半桥式单元。因此，若干半桥式功率模块可能在牵引逆变器中是必须的，这取决于逆变器拓扑结构和额定功率。
参考图2A和图2B，在功率模块24的上下文中示出了半桥式单元10，其中开关元件12、14在顶侧和底侧上均被焊接(或烧结)至铜引线框架。漏极端子Dn、源极端子Sn、外部功率端子P、N和中点相输出是引线框架的一部分。信号引脚26通过焊线28连接到有源功率装置12、14(或直接焊接/烧结到半导体)。信号引脚26包括用于栅极Gn和开尔文发射极/源极Kn的引脚，以及一些传感器信号输出(如果有片上传感器)。铜垫片30和环氧树脂32将漏极端子Dn和源极端子Sn分开。功率模块24可以从一侧或两侧被冷却。
图3示出了并联功率开关元件36、38、40、42的电路34，每个并联的开关元件具有两个功率端子，即漏极Dx-y和源极Sx-y，和两个控制端子，即栅极Gx-y和开尔文源极KSx-y。这里，x在指代开关元件36、38时为“1”，且在指代开关元件40、42时为“2”，并且y在指代开关元件36、40时为“1”，且在指代开关元件38、42时为“2”。(在IGBT技术的上下文中，功率端子将替代地作为集电极和发射极，而控制端子将包括开尔文发射极而不是开尔文源极)。相应的栅极Gx-y和开尔文源极KSx-y构成相应的栅极回路以控制功率开关元件36、38、40、42。电路34还包括为开关元件36、38所共有的栅极驱动器集成电路44和为开关元件40、42所共有的栅极驱动器集成电路46。栅极路径48电连接栅极G1-1、G1-2，开尔文路径50电连接开尔文源极KS1-1、KS1-2，并且源极路径52电连接源极S1-1、S1-2。电阻RG1-1、RG1-2在栅极路径48中。同样，栅极路径54电连接栅极G2-1、G2-2，开尔文路径56电连接开尔文源极KS2-1、KS2-2，并且源极路径58电连接源极S2-1、S2-2。电阻RG2-1、RG2-2在栅极路径54中。还示出了各种电感LKx-y、LSx-y。这些不是实际的元件，而是表示电路34中存在的一些电感。
当对于高功率应用并联使用半桥式功率模块时，并联功率半导体的开关接通/切断瞬态电流通常不平衡，这是由于功率半导体参数的件间变化、不均匀的汇流条布局和/或不平衡的半导体结电容和电路杂散电感所导致的。不平衡的电流导致并联半导体的发射极/源极侧的电压电势差，即，VK1-1-VK1-2≠0，VS1-1-VS1-2≠0(其在理想情况下始终应为零)。电压差(VK1-1-VK1-2)，随着K1-1和K1-2(LK1-1、LK1-2)以及S1-1和S1-2(LS1-1、LS1-2)之间的半导体结电容和电路杂散电感，在并联半导体的栅极回路中引发振荡。振荡是无法控制的，并且可能会导致使半导体上的栅极电压(VG1-1、K1-1和VG1-2、K1-2)以高峰值电压值振荡。
参考图4，仿真示出了振荡栅极电压波形。栅极电压的峰值接近50V，其远高于20V的栅极驱动器输出。并联的碳化硅MOSFET的开关速度比单独的硅要快得多，除非开关速度降低，否则它们很容易发生栅极电压振荡。然而，降低的开关速度会导致更高的开关损耗。
再次参考图3，减少连接半导体发射极/源极侧的杂散电感(LK1-1、LK1-2和/或LS1-1、LS1-2)将减小或消除并联功率模块的电压电势差，并有效抑制栅极电压振荡。杂散电感LK1-1、LK1-2主要来自功率模块的信号引脚、焊线和栅极驱动印刷电路板上的电路迹线。电感LS1-1、LS1-2主要来自连接并联功率模块的端子和外部汇流条。为了达到降低LK1-1、LK1-2和/或LS1-1、LS1-2的目的，现有方法是将并联半导体60、62封装在一个功率模块64中，如图5所示。这种方法省去了连接并联半导体60、62的外部汇流条，并有效地减小了LS1-1、LS1-2(图3)。相对于图2A和图2B中的半桥式功率模块24，这种类型的功率模块不基于基本电路单元，即半桥式单元，因此这种类型的功率模块不适用于不同的应用。例如，在图5中，并联半导体60、62可能需要被不同地设计。对于不同额定功率的牵引逆变器，可能需要将功率模块64重新设计为封装不同数量的半导体。另外，汇流条的设计和组装过程也可能很复杂。
为了通过减小并联功率半导体之间的发射极/源极侧杂散电感来避免栅极电压振荡，我们提出将附加路径66、68在功率半导体36、38和40、42中每一者的发射极/源极上添加至图3的电路34，如图6所示。附加路径66直接将K1-1/S1-1侧和K1-2/S1-2侧连接。同样地，附加路径68直接将K2-1/S2-1侧和K2-2/S2-2侧连接。附加路径66、68在栅极回路的外部，并且可以设计为在物理上较短且杂散电感较小。
图7A示出了在图2A和2B中描述的功率模块的上下文中实现所提出的附加路径的示例设计。图6中提出的添加的发射极/源极侧路径是通过扩展半导体发射极/源极铜引线框架70、72实现的。图7B示出了附接有对应的功率模块74(其设计类似于图7A的功率模块24)的图7A的功率模块24。扩展半导体发射极/源极铜引线框架70和功率模块74的对应的扩展后半导体发射极/源极引线框架76经由最小长度的汇流条78连接，以减小杂散电感。在杂散电感较小的情况下，相关联的开尔文源极与源极(例如，参见图6的K1-1和K1-2以及S1-1和S1-2)之间的电压电势差即使在快速瞬态开关期间，也将保持较小。因此，当功率半导体并联工作时，可以避免栅极回路振荡和栅极退化。同时，半桥式功率模块结构可用于不同车辆应用的灵活且方便的设计/组装。还示出了邻近功率模块24、74的冷却沟道80。
为了进一步减少添加的发射极/源极路径66、68中的杂散电感，提出了另一种设计，所述设计耦合了如图8所示的添加发射极/源极路径66、68中的杂散电感。通过耦合，可以减小功率半导体之间的等效阻抗。如果开尔文发射极/源极路径电感(例如，LK1-1和LK1-2)耦合，则每个半导体栅极回路的阻抗都将会增加，这增加了开关时间和损耗。如果相输出路径电感(例如，LS1-1和LS1-2)耦合，则输出功率电流将使耦合磁体饱和。在附加路径中耦合杂散电感LCM1-1和LCM1-2将不会影响栅极回路或功率输出。通过将LCM1-1和LCM1-2耦合成为共用模式(CM)结构，也可以降低或消除K1-1和K1-2(以及S1-1和S1-2)之间的电压电势差(其为差模电压)。
参考图9A和图9B，扩展的发射极/源极引线框架端子70、76(类似于信号引脚26)可以焊接到栅极驱动印刷电路板(PCB)82，以实现杂散电感LCM1-1、LCM1-2(以及LCM2-1、LCM2-2)的耦合。通过PCB迹线，可以连接扩展的发射极/源极引线框架端子70、76，然后再形成发射极/源极路径。该添加的路径中的大部分杂散电感(LCM1-1、LCM1-2)在扩展的端子上。PCB迹线和内部引线框架上的电感通常可以忽略不计。将磁体84施加在添加的发射极/源极端子70、76上，以实现CM结构。功率模块74还包括扩展的发射极/源极引线框架端子86。因此，将磁体88施加在添加的发射极/源极端子72、86上。
所提出的附加发射极/源极路径也可以通过焊线和信号引脚来实现。图10A示出了图2A和图2B中描述的功率模块的上下文中的此类示例。分别添加信号引脚90、92并将其连接到开关元件12、14的功率半导体发射极/源极侧。这些附加引脚也通过PCB迹线连接。
为了进一步改善耦合效果并减少添加的路径中的等效电感，图11中示出了第三种替代方案。附加发射极/源极引线框架端子(图9A-9B)或引脚(图10A-10B)是弯曲的且彼此靠近。
因此，我们提出用于并联半桥式功率模块的附加发射极/源极。本文设想的一些设计的可能优点如下。当功率半导体以快速的开关速度并联工作时，可以避免栅极回路振荡。半桥式功率模块结构没有显著改变，并且功率模块仍可灵活地适应车辆中不同的牵引逆变器拓扑结构和额定功率。只需在功率模块设计上进行很小的改动，并可以添加短汇流条或磁铁。附加的成本应降至最低。在功率模块和牵引逆变器组装期间可以实现某些所提出的设计。牵引逆变器的正常功能(诸如逆变器相输出和功率半导体栅极驱动器)将不会受到影响。所提出的布置可应用于不同类型的半桥式功率模块(单侧或双侧冷却的功率模块，使用焊线或引线框架作为芯片顶部表面连接的功率模块等)。
在说明书中所使用的用词是描述性用词而非限制性用词，并且应理解，可以在不脱离本公开和权利要求的精神和范围的情况下做出各种改变。如前所述，各个实施例的特征可以被组合以形成可能未明确描述或示出的另外的实施例。尽管各个实施例可能已被描述为在一个或多个期望的特性方面提供优于其他实施例或现有技术实现方式的优点或相比其他实施例或现有技术实现方式是优选的，但是本领域的普通技术人员认识到，一个或多个特征或特性可以被折衷以实现期望的整体系统属性，所述期望的整体系统属性取决于具体的应用和实现方式。这些属性包括但不限于成本、强度、耐久性、生命周期成本、可销售性、外观、包装、尺寸、适用性、重量、可制造性、易于组装等。因此，被描述为关于一个或多个特性不如其他实施例或现有技术实现方式所希望的实施例不在本公开的范围之外，并且对于特定应用可能是希望的。
根据本发明，提供了功率电子电路，所述功率电子电路具有一对并联的开关元件，所述并联的开关元件各自包括栅极、开尔文源极、漏极和源极；连接栅极的栅极路径；连接开尔文源极的开尔文路径；连接源极的源极路径；栅极驱动器，其分接栅极路径和开尔文路径并，配置为驱动栅极，其中栅极驱动器、栅极路径和开尔文路径限定栅极回路的各部分；和栅极回路外部的附加路径，其与开尔文路径和源极路径并联。
根据一个实施例，本发明的特征还在于磁体，所述磁体围绕附加路径的端子以耦合附加路径的电感。
根据一个实施例，汇流条部分地限定附加路径的一部分。
根据一个实施例，所述对、栅极驱动器和路径限定半桥式单元的各部分。
根据一个实施例，源极路径是半桥式单元的中间端子。
根据一个实施例，本发明的特征还在于分接源极路径的U/V/W相。
根据一个实施例，本发明的特征还在于分接源极路径的DC端子。
根据一个实施例，开关元件中的每一者包括反相并联二极管。
根据本发明，提供了功率电子电路，所述功率电子电路具有一对并联的开关元件，所述并联的开关元件各自包括两个功率端子、两个控制端子以及附加端子，来自所述对中每一者的两个功率端子中的对应一个经由相应的第一率路径和第二功率路径连接，来自所述对中每一者的两个控制端子中的对应一个经由相应的第一控制路径和第二控制路径连接；和附加端子，其经由附加路径连接；栅极驱动器，其分接第一控制路径和第二控制路径；以及磁体，其围绕附加端子以耦合附加路径的电感。
根据一个实施例，开关元件是金属氧化物半导体场效应晶体管。
根据一个实施例，开关元件是绝缘栅双极型晶体管。
根据一个实施例，汇流条限定附加路径的一部分。
根据一个实施例，附加端子朝向彼此弯曲。
根据本发明，提供了功率电子电路，所述功率电子电路具有一对并联的开关元件，所述并联的开关元件各自包括栅极、开尔文发射极、集电极和发射极；连接栅极的栅极路径；连接开尔文发射极的开尔文路径；其连接发射极的发射极路径；栅极驱动器，其分接栅极路径和开尔文路径并且配置为驱动栅极，其中栅极驱动器、栅极路径和开尔文路径限定栅极回路的各部分；和栅极回路外部的附加路径，其与开尔文路径和发射极路径并联。
根据一个实施例，本发明的特征还在于磁体，所述磁体围绕附加路径的端子，以耦合附加路径的电感。
根据一个实施例，汇流条部分地限定附加路径。
根据一个实施例，所述对、栅极驱动器和路径限定半桥式单元的各部分。
根据一个实施例，发射极路径是半桥式单元的中间端子。
根据一个实施例，本发明的特征还在于分接发射极路径的U/V/W相。
根据一个实施例，本发明的特征还在于分接发射极路径的DC端子。

Claims (15)

1.一种功率电子电路，其包括：
一对并联的开关元件，所述并联的开关元件各自包括栅极、开尔文源极、漏极和源极；
栅极路径，所述栅极路径连接所述栅极；
开尔文路径，所述开尔文路径连接所述开尔文源极；
源极路径，所述源极路径连接所述源极；
栅极驱动器，所述栅极驱动器分接所述栅极路径和所述开尔文路径并且被配置为驱动所述栅极，其中所述栅极驱动器、所述栅极路径和所述开尔文路径限定栅极回路的各部分；和
所述栅极回路外部的附加路径，所述附加路径与所述开尔文路径和所述源极路径并联。
2.根据权利要求1所述的功率电子电路，其还包括磁体，所述磁体围绕所述附加路径的端子以耦合所述附加路径的电感。
3.根据权利要求1所述的功率电子电路，其中汇流条部分地限定所述附加路径的一部分。
4.根据权利要求1所述的功率电子电路，其中所述对、所述栅极驱动器和所述路径限定半桥式单元的各部分。
5.根据权利要求4所述的功率电子电路，其中所述源极路径是所述半桥式单元的中间端子。
6.根据权利要求1所述的功率电子电路，其中所述开关元件中的每一者包括反相并联二极管。
7.一种功率电子电路，其包括：
一对并联的开关元件，所述并联的开关元件各自包括两个功率端子、两个控制端子以及附加端子，来自所述对中每一者的所述两个功率端子中的对应一个经由相应的第一功率路径和第二功率路径连接，来自所述对中每一者的所述两个控制端子中的对应一个经由相应的第一控制路径和第二控制路径连接，并且所述附加端子经由附加路径连接；
栅极驱动器，所述栅极驱动器分接所述第一控制路径和所述第二控制路径；和
磁体，所述磁体围绕所述附加端子以耦合所述附加路径的电感。
8.根据权利要求7所述的功率电子电路，其中所述开关元件是金属氧化物半导体场效应晶体管。
9.根据权利要求7所述的功率电子电路，其中所述开关元件是绝缘栅双极型晶体管。
10.根据权利要求7所述的功率电子电路，其中汇流条限定所述附加路径的一部分。
11.根据权利要求7所述的功率电子电路，其中所述附加端子朝向彼此弯曲。
12.一种功率电子电路，其包括：
一对并联的开关元件，所述并联的开关元件各自包括栅极、开尔文发射极、集电极和发射极；
栅极路径，所述栅极路径连接所述栅极；
开尔文路径，所述开尔文路径连接所述开尔文发射极；
发射极路径，所述发射极路径连接所述发射极；
栅极驱动器，所述栅极驱动器分接所述栅极路径和所述开尔文路径，被配置为驱动所述栅极，其中所述栅极驱动器、所述栅极路径和所述开尔文路径限定栅极回路的各部分；和
所述栅极回路外部的附加路径，所述附加路径与所述开尔文路径和所述发射极路径并联。
13.根据权利要求12所述的功率电子电路，其还包括磁体，所述磁体围绕所述附加路径的端子以耦合所述附加路径的电感。
14.根据权利要求12所述的功率电子电路，其中汇流条部分地限定所述附加路径。
15.根据权利要求12所述的功率电子电路，其中所述对、所述栅极驱动器和所述路径限定半桥式单元的各部分。
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