CN112510000A - 一种驱动回路低寄生电感的功率模块 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种驱动回路低寄生电感的功率模块，包括底板和设置于底板上的器件单元，所述器件单元包括绝缘基板、正电极、负电极、信号电极G、信号电极E和设于绝缘基板顶部的铜层，绝缘基板顶部的铜层包括分离的正极铜层、负极铜层、G极铜层和E极铜层，正电极与正极铜层连接，负电极与负极铜层连接，所述信号电极G与G极铜层连接采用第一叠层铜排，信号电极E与E极铜层或负极铜层连接采用第二叠层铜排，第一叠层铜排叠和第二叠层铜排上下叠层设置。该功率模块信号电极与铜层之间采用叠层铜排，提高了连接的可靠性，减小了驱动回路寄生电感以及电阻，使得功率模块开关响应速度更快。

Description

一种驱动回路低寄生电感的功率模块
技术领域
本发明涉及电力电子功率模块，尤其涉及一种驱动回路低寄生电感的功率模块。
背景技术
电力电子技术在当今快速发展的工业领域占有非常重要的地位，电力电子功率模块作为电力电子技术的代表，已广泛应用于电动汽车，光伏发电，风力发电，工业变频等行业。随着工业的崛起，电力电子功率模块有着更加广阔的市场前景。
为了追求更高的转换效率，将对功率模块的工作频率提出更高的要求，因此耐压更高、开关损耗更低的碳化硅(SiC)功率模块引来更多的关注，但是传统的电力电子功率模块驱动回路寄生电感偏大，而且各并联支路驱动回路的寄生电感存在较大差异，造成并联芯片的动态均流性变差，甚至造成个别支路的芯片过载，进而影响整个系统。
而且功率模块为实现较大的输出功率，往往需要多个芯片多个绝缘基板进行并联，如图1是现有技术中的一种功率模块，包含正电极、负电极、信号电极、绝缘基板、芯片、绝缘基板，现有方案在不同绝缘基板之间驱动回路部分均采用了细铝线键合的方式进行连接，在大功率模块中，需要多个芯片多个绝缘基板进行并联，芯片之间距离较远，并联芯片驱动回路需要通过细长的铝线连接，细铝线的使用引入了额外的电感和电阻，造成并联芯片之间驱动信号的不一致，导致并联芯片之间开通和关断响应速度差异较大，容易造成芯片电流不均衡引发过流过热失效。且长铝线键合结构强度低，易失效。
发明内容
发明目的：针对以上缺点，本发明提供一种可靠性高、减小驱动回路寄生电感的功率模块。
技术方案：为解决上述问题，本发明采用一种驱动回路低寄生电感的功率模块，包括底板和设置于底板上的器件单元，所述器件单元包括绝缘基板、正电极、负电极、信号电极G、信号电极E和设于绝缘基板顶部的铜层，绝缘基板顶部的铜层包括分离的正极铜层、负极铜层、G极铜层和E极铜层，正电极与正极铜层连接，负电极与负极铜层连接，信号电极G与G极铜层连接，信号电极E与E极铜层或负极铜层连接，所述信号电极G与G极铜层连接采用第一叠层铜排，信号电极E与E极铜层或负极铜层连接采用第二叠层铜排；所述第一叠层铜排包括第一引出部、第一主体部、第一焊脚，所述第一引出部为信号电极G接线端，第一焊脚通过第一主体部与第一引出部连接，所述第一焊脚与G极铜层连接；所述第二叠层铜排包括第二引出部、第二主体部、第二焊脚，所述第二引出部为信号电极E接线端，第二焊脚通过第二主体部与第二引出部连接，所述第二焊脚与E极铜层或负极铜层连接；第一主体部与第二主体部上下叠层设置。
有益效果：本发明相对于现有技术，其显著优点是该功率模块信号电极与铜层之间采用叠层铜排，提高了连接的可靠性，节省器件空间位置，减小了驱动回路寄生电感以及电阻，使得功率模块开关响应速度更快。
进一步的，所述第一主体部靠近第一引出部一端或第二主体部靠近第二引出部一端设置上下贯穿的调节槽，所述调节槽用于调节第一主体部与第二主体部在电路中的有效叠层面积。
进一步的，所述第一引出部相对于绝缘基板的高度高于第一主体部相对于绝缘基板的高度，第一主体部相对于绝缘基板的高度高于第一焊脚相对于绝缘基板的高度；所述第二引出部相对于绝缘基板的高度高于第二主体部相对于绝缘基板的高度，第二主体部相对于绝缘基板的高度高于第二焊脚相对于绝缘基板的高度。
进一步的，底板上设置四个器件单元，所述四个器件单元的四个绝缘基板以两列排列，每列包含两个绝缘基板，即四个绝缘基板呈“田”字排列，第一主体部包括第一延伸部及自第一延伸部弯折出的第一弯折部，第一引出部位于第一弯折部的前端，所述第一延伸部在两列绝缘基板之间延伸；所述第二主体部包括第二延伸部及自第二延伸部弯折出的第二弯折部，第二引出部位于第二弯折部的前端，所述第二延伸部在两列绝缘基板之间延伸；所述第一延伸部叠在第二延伸部上，所述第一弯折部叠在第二弯折部上。
进一步的，所述器件单元有多个，第一叠层铜排包括多个与第一主体部连接的第一焊脚，所述第一叠层铜排通过第一焊脚与至少两个器件单元的G极铜层连接。
进一步的，所述器件单元有多个，第二叠层铜排包括多个与第二主体部连接的第二焊脚，所述第二叠层铜排通过第二焊脚与至少两个器件单元的E极铜层或负极铜层连接。
进一步的，所述第一主体部与第二主体部至少有部分平行，第一主体部与第二主体部平行部分之间设置绝缘垫。
进一步的，所述第一主体部至少一端设置缓冲部。
进一步的，所述第二主体部至少一端设置缓冲部。
进一步的，所述多个器件单元中两个相邻的G极铜层之间采用短铝线连接，多个器件单元中两个相邻的E极铜层之间采用短铝线连接。
附图说明
图1是现有技术中功率模块的结构示意图；
图2是本发明功率模块的结构示意图；
图3是本发明功率模块的俯视图；
图4是本发明功率模块驱动回路的结构示意图；
图5是本发明功率模块驱动回路的俯视图；
图6是本发明功率模块第一叠层铜排的结构示意图；
图7是本发明功率模块第二叠层铜排的结构示意图；
图8是本发明功率模块第一叠层铜排和第二叠层铜排配合的结构示意图；
图9是本发明功率模块第一叠层铜排和第二叠层铜排与绝缘基板连接的左视图；
图10是图9中A-A的局部放大图；
图11是本发明功率模块第一叠层铜排设有调节槽的结构示意图；
图12是本发明功率模块第二叠层铜排设有调节槽的结构示意图；
图13是本发明功率模块设有调节槽的第一叠层铜排和第二叠层铜排配合的结构示意图；
图14是本发明功率模块设有调节槽的第一叠层铜排的驱动回路的俯视图。
具体实施方式
实施例一
如图2至图5所示，本实施例公开了一种驱动回路低寄生电感的功率模块，包括底板100和设置于底板100上的多个器件单元，在本实施例中，以四个器件单元为例，所述器件单元包括芯片单元700、正电极310、负电极410、信号电极G、信号电极E、设于底板上的绝缘基板200和设于绝缘基板200顶部的铜层，绝缘基板200顶部的铜层包括分离的正极铜层300、负极铜层400、G极铜层600和E极铜层500，正电极310与正极铜层300连接，负电极410与负极铜层400连接，信号电极G与G极铜层600采用第一叠层铜排连接，信号电极E与E极铜层500采用第二叠层铜排连接。
所述第一叠层铜排包括第一引出部611、第一主体部612、第一焊脚613，第一引出部611为信号电极G的接线端，用于连接外驱动信号，第一引出部611与第一主体部612连接，第一焊脚613与第一主体部612垂直连接，第一引出部611相对于绝缘基板200的高度高于第一主体部612相对于绝缘基板200的高度，第一主体部612相对于绝缘基板200的高度高于第一焊脚613相对于绝缘基板200的高度。
第一叠层铜排包括多个与第一主体部612连接的第一焊脚613，第一焊脚613分别连接不同器件单元的G极铜层600，在本实施例中，第一叠层铜排包括两个第一焊脚613，分别与两个器件单元的G极铜层600连接，其中，两个相邻的G极铜层600之间通过段铝线相连，两个中间跨过芯片单元700的G极铜层600分别通过两个第一焊脚613与第一主体部612相连。
所述第二叠层铜排包括第二引出部511、第二主体部512、第二焊脚513，第二引出部511为信号电极E的接线端，用于连接外驱动信号，第二引出部511与第二主体部512连接，第二焊脚513与第二主体部512垂直连接，第二引出部511相对于绝缘基板200的高度高于第二主体部512相对于绝缘基板200的高度，第二主体部512相对于绝缘基板200的高度高于第二焊脚513相对于绝缘基板200的高度。
第二叠层铜排包括多个与第二主体部512连接的第二焊脚513，第二焊脚513分别连接不同器件单元的E极铜层500，在本实施例中，第二叠层铜排包括两个第二焊脚513，分别与两个器件单元的E极铜层500连接，其中，两个相邻的E极铜层500之间通过段铝线相连，两个中间跨过芯片单元700的E极铜层500分别通过两个第二焊脚513与第二主体部512相连。
第一主体部612叠在第二主体部512上，第一引出部611和第二引出部511相对于绝缘基板200的高度相同。第一主体部612和第二主体部512位于绝缘基板200上方，相对于绝缘基板200有一定高度，在起到连接作用时，不会占用绝缘基板200上的位置。
所述相邻的两个G极铜层600和相邻的两个E极铜层500之间通过段铝线相连，可以实现多个器件单元并联，距离较远的两个中间跨过芯片单元700的G极铜层600和E极铜层500之间通过叠层铜排连接，代替了传统的细长铝线，提升了连接的可靠性，信号电极与铜层的连接通过多个焊脚与同一主体部的连接达到，省去了多个器件单元之间细长的铝线相连，减小了驱动回路的寄生电感以及电阻，使得功率模块开关响应速度更快，同时减小并联芯片之间开通和关断的差异，使不同器件单元之间开关速度更加一致，避免引发回路过流过热失效。
第一主体部612和第二主体部512均至少有一端设置缓冲部800，缓冲部800为在主体部与焊脚连接部位中间挖空，设置缓冲部800为防止功率模块工作过程中应力集中，焊脚剥离。第一主体部612和第二主体部512至少有部分平行，且第一主体部612和第二主体部512平行部分之间设置绝缘垫900，起到支撑和绝缘的作用，绝缘垫900可以采用聚四氟乙烯或者其他能够绝缘的材料，绝缘垫900可以是连续的或者分开的，符合设置在第一主体部612和第二主体部512之间的，设置绝缘垫900减少电极之间距离，进一步降低驱动回路面积、降低电感，使得功率模块开关响应速度更快。
在本实施例中，以四个器件单元为例，四个器件单元的四个绝缘基板200以两列排列，每列包含两个绝缘基板200，即四个绝缘基板200呈“田”字排列，第一主体部612包括第一延伸部6121及自第一延伸部6121弯折出的第一弯折部6122，第一引出部611位于第一弯折部6122的前端，第一延伸部6121在两列绝缘基板200之间延伸；所述第二主体部512包括第二延伸部5121及自第二延伸部5121弯折出的第二弯折部5122，第二引出部511位于第二弯折部5122的前端，第二延伸部5121在两列绝缘基板200之间延伸；第一延伸部6121叠在第二延伸部5121上，中间设置绝缘垫900隔开，第一弯折部6122叠在第二弯折部5122上，中间同样设置绝缘垫900隔开；第二延伸部5121边缘设置若干向上弯折的插销5123，绝缘垫900在对应插销5123所在位置设置插口901，插销5123插入插口901，使第二主体部512与绝缘垫900的连接更牢固。第一延伸部6121和第二延伸部5121处在两列绝缘基板200之间，不会干涉绝缘基板200上的电子元件。
功率模块存在不设置E极铜层500的情况，此时，信号电极E与负极铜层400连接，信号电极E与负极铜层400连接的设置与信号电极E与E极铜层500连接的设置相同在此不再赘述。
在本实施例中，每个器件单元设置有9个芯片单元700，芯片单元700数量还可以为其他数量，芯片单元700包括开关芯片和二极管芯片，或者芯片单元700均为开关芯片，不包括二极管芯片，此时开关芯片为MOSFET芯片。当需要芯片单元700续流时，由开关芯片内部体二极管进行续流。所述二极管芯片可以是硅基快恢复二极管芯片，也可以是碳化硅基肖特基二极管，开关芯片可以是硅基芯片，也可以是碳化硅基芯片。芯片单元700表面键合线与负极铜层相连。
为进一步说明本发明相对于现有技术的有益效果，采用ANSYS.Q3D软件对现有技术以及本实施例中驱动回路部分进行了仿真分析。仿真过程对具体实施方式的结构进行了简化，仅保留了驱动回路部分。通过仿真，提取到本具体实施例中功率模块驱动回路寄生电感为44.5nH，回路电阻为1.27mΩ，现有技术功率模块驱动回路寄生电感为167.4nH，回路电阻为38.1mΩ。可见，与现有技术相比，本实施例中功率模块驱动回路寄生电感降低了73.4％，回路电阻降低了96.7％，因此本发明功率模块相对于现有技术降低了寄生电感和回路电阻。
实施例二
如图11至图13所示，所述本实施例二公开了一种驱动回路低寄生电感的功率模块，为在实施例一的基础上，在第一弯折部6122或第二弯折部5122设置调节槽6123，调节槽6123为上下贯穿第一弯折部6122或第二弯折部5122的槽，调节槽6123调节第一弯折部6122或第二弯折部5122在电路回路中的有效面积，从而调节第一弯折部6122与第二弯折部5122在电路回路中的有效叠层面积，由于不同支路上连接的器件单元到引出部的距离不同，导致与引出部距离较远的器件单元和引出部之间的电阻大于与引出部距离较近的器件单元和引出部之间的电阻，在靠近引出部的支路和引出部之间连接的叠层铜排上设置调节槽，增大与引出部距离较近的器件单元和引出部之间的电阻，减小各支路的电阻，从而通过调节叠层面积调节不同支路上的寄生电感，进一步减小并联芯片之间开通和关断的差异，使不同器件单元之间开关速度更加一致。由于该实施例中的功率模块除另外设置的调节槽6123外其他与实施例一中的功率模块完全相同，在此不再赘述。

Claims (10)

1.一种驱动回路低寄生电感的功率模块，包括底板和设置于底板上的器件单元，所述器件单元包括绝缘基板、正电极、负电极、信号电极G、信号电极E和设于绝缘基板顶部的铜层，绝缘基板顶部的铜层包括分离的正极铜层、负极铜层、G极铜层和E极铜层，正电极与正极铜层连接，负电极与负极铜层连接，信号电极G与G极铜层连接，信号电极E与E极铜层或负极铜层连接，其特征在于，所述信号电极G与G极铜层连接采用第一叠层铜排，信号电极E与E极铜层或负极铜层连接采用第二叠层铜排；所述第一叠层铜排包括第一引出部、第一主体部、第一焊脚，所述第一引出部为信号电极G接线端，第一焊脚通过第一主体部与第一引出部连接，所述第一焊脚与G极铜层连接；所述第二叠层铜排包括第二引出部、第二主体部、第二焊脚，所述第二引出部为信号电极E接线端，第二焊脚通过第二主体部与第二引出部连接，所述第二焊脚与E极铜层或负极铜层连接；第一主体部与第二主体部上下叠层设置。
2.根据权利要求1所述的功率模块，其特征在于，所述第一主体部靠近第一引出部一端或第二主体部靠近第二引出部一端设置上下贯穿的调节槽，所述调节槽用于调节第一主体部与第二主体部在电路中的有效叠层面积。
3.根据权利要求1所述的功率模块，其特征在于，所述第一引出部相对于绝缘基板的高度高于第一主体部相对于绝缘基板的高度，第一主体部相对于绝缘基板的高度高于第一焊脚相对于绝缘基板的高度；所述第二引出部相对于绝缘基板的高度高于第二主体部相对于绝缘基板的高度，第二主体部相对于绝缘基板的高度高于第二焊脚相对于绝缘基板的高度。
4.根据权利要求3所述的功率模块，其特征在于，底板上设置四个器件单元，所述四个器件单元的四个绝缘基板以两列排列，每列包含两个绝缘基板，即四个绝缘基板呈“田”字排列，第一主体部包括第一延伸部及自第一延伸部弯折出的第一弯折部，第一引出部位于第一弯折部的前端，所述第一延伸部在两列绝缘基板之间延伸；所述第二主体部包括第二延伸部及自第二延伸部弯折出的第二弯折部，第二引出部位于第二弯折部的前端，所述第二延伸部在两列绝缘基板之间延伸；所述第一延伸部叠在第二延伸部上，所述第一弯折部叠在第二弯折部上。
5.根据权利要求1或2或3所述的功率模块，其特征在于，所述器件单元有多个，第一叠层铜排包括多个与第一主体部连接的第一焊脚，所述第一叠层铜排通过第一焊脚与至少两个器件单元的G极铜层连接。
6.根据权利要求1或2或3所述的功率模块，其特征在于，所述器件单元有多个，第二叠层铜排包括多个与第二主体部连接的第二焊脚，所述第二叠层铜排通过第二焊脚与至少两个器件单元的E极铜层或负极铜层连接。
7.根据权利要求1或2或3所述的功率模块，其特征在于，所述第一主体部与第二主体部至少有部分平行，第一主体部与第二主体部平行部分之间设置绝缘垫。
8.根据权利要求4所述的功率模块，其特征在于，所述第一主体部至少一端设置缓冲部。
9.根据权利要求4所述的功率模块，其特征在于，所述第二主体部至少一端设置缓冲部。
10.根据权利要求6所述的功率模块，其特征在于，所述多个器件单元中两个相邻的G极铜层之间采用短引线连接，多个器件单元中两个相邻的E极铜层之间采用短引线连接。
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