CN114667052A - 功率模块 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种功率模块。功率模块包括：壳体，该壳体具有容纳空间；底板，该底板具有设置在其上的电路图案；多个功率元件，该多个功率元件设置在电路图案上、并且电连接至电路图案；接地的屏蔽构件，该接地的屏蔽构件设置在功率元件上方、并且屏蔽功率元件的电磁干扰；封装材料，该封装材料设置在容纳空间中，封装材料至少覆盖电路图案和功率元件；盖件；以及冷却构件，该冷却构件在底板的背离壳体的一侧连结至底板。本发明藉由内部屏蔽构件减小了栅极回路的电感。

Description

功率模块
技术领域
本发明涉及一种功率模块，尤其涉及一种具有内部屏蔽构件的功率模块。
背景技术
逆变器通常用于将直流(‘DC’)转换成交流(‘AC’)来为三相负载(例如电动马达)提供电力。逆变器包含功率模块1，该功率模块包括功率元件12(例如IGBT、MOSFET、以及SiC器件)和驱动这些功率元件12的驱动板2，如图1中示出的。特别地，功率模块1包括用于承载功率元件12和引脚或端子13的载体11。载体11可以是DBC(直接键合铜)或IMS(绝缘金属基板)的一部分。可以使用具有低介电常数和低应力的树脂14来封装功率模块1。驱动板2包括电路板20，该电路板在两侧均具有电子部件21、22(例如，驱动芯片、电阻、电容器、二极管、三极管等)。引脚传输用于接通和关断功率元件12的驱动信号以及传感器信号(例如温度信号)。端子例如包括连接器，例如联接至其他电气部件的AC连接器和DC连接器。在常规设计中，功率模块1和驱动板2间隔开相对较大的距离H，这导致栅极回路的电感较大，这进而产生不可忽略的噪声。
为了减小栅极回路的电感，驱动板2应当更靠近功率模块1布置。然而，随着驱动板2更靠近功率模块1，功率模块1可能与驱动板2发生干扰并且引起功率元件发生故障，即发生EMC(Electro Magnetic Compatibility，电磁兼容)问题。
如图2中所示出的，在功率模块1与驱动板2之间插入电屏蔽构件3(例如铜片)可以某种程度上解决EMC问题。然而，由于芯片和/或电子部件22(例如电阻、电容器等)设置在电路板20的后表面上，插入电屏蔽构件3可能会引起短路。为了避免短路，功率模块与驱动板之间必须存在空间。然而，功率模块与驱动板之间的空间再次导致栅极回路的大电感，并且因此噪声问题仍未解决。
发明内容
为了平衡噪声问题和EMC问题，本发明提供了一种具有内部屏蔽构件的功率模块。功率模块包括：壳体，该壳体具有容纳空间；底板，该底板具有设置在其上的电路图案，其中，底板连结至壳体，并且电路图案容纳在容纳空间中；多个功率元件，该多个功率元件设置在电路图案上、并且电连接至电路图案；接地的屏蔽构件，该接地的屏蔽构件设置在功率元件上方、并且屏蔽功率元件的电磁干扰；封装材料，该封装材料设置在容纳空间中，封装材料至少覆盖电路图案和功率元件；盖件；以及冷却构件，该冷却构件在底板的背离壳体的一侧连结至底板，其中，盖件在壳体的邻近封装材料的一侧联接至壳体，盖件和底板封闭容纳空间。在这种设计中，通过在功率模块内设置屏蔽构件，有效地屏蔽了功率元件的电磁干扰。
在优选实施例中，容纳空间的在所述底板与所述屏蔽构件之间的一部分填充有所述封装材料。典型地，封装材料(其是凝胶)保护功率元件和电路图案免受灰尘的影响并且用作减震层。
在另一优选实施例中，容纳空间的在屏蔽构件与盖件之间的一部分填充有封装材料。
在另一优选实施例中，壳体进一步包括支撑构件，以用于支撑屏蔽构件。
在另一优选实施例中，支撑构件是凸缘，该凸缘设置在壳体的内侧壁上。凸缘优选地与壳体一体地形成。
在另一优选实施例中，屏蔽构件通过导电紧固件或接线经由壳体中的金属层接地到冷却构件的地。
在另一优选实施例中，功率模块进一步包括多个电连接至电路图案的外部连接器，屏蔽构件和盖件上分别设置有多个通孔以供外部连接器穿过，外部连接器与屏蔽构件电绝缘。
在另一优选实施例中，屏蔽构件是铜片或铝片。
在另一优选实施例中，电路图案集成在设置在底板上的DBC或IMS中。
根据本发明的另一方面，公开了一种功率模块。功率模块包括：壳体，该壳体具有容纳空间；底板，该底板具有设置在其上的电路图案，其中，底板连结至壳体，并且电路图案容纳在容纳空间中；多个功率元件，该多个功率元件设置在电路图案上、并且电连接至电路图案；接地的屏蔽构件，该接地的屏蔽构件设置在功率元件上方、并且屏蔽功率元件的电磁干扰；封装材料，该封装材料设置在容纳空间中，封装材料至少覆盖电路图案和功率元件；冷却构件，所述冷却构件在底板的背离壳体的一侧连结至底板，其中，屏蔽构件在壳体的邻近封装材料的一侧联接至壳体，屏蔽构件和底板封闭容纳空间。在这种设计，屏蔽构件用作盖件，使得功率模块尽可能地紧凑。
在另一优选实施例中，屏蔽构件的背离底板的表面是绝缘的，以在驱动板设置在功率模块上时防止短路。
在另一优选实施例中，图案化绝缘层设置在屏蔽构件的背离底板的表面上。当功率模块和驱动板组装起来时，图案化绝缘层与驱动板的后表面上的设置有电子元件的区域相对应。因为电子元件由于图案化绝缘层而与功率模块绝缘，所以驱动板可以尽可能地靠近功率模块设置，因此栅极回路的电感大大降低。
在另一优选实施例中，容纳空间填充有封装材料。典型地，封装材料(其是凝胶)保护功率元件和电路图案免受灰尘的影响并且用作减震层。
在另一优选实施例中，壳体进一步包括支撑构件，以用于支撑屏蔽构件。
在另一优选实施例中，支撑构件是凸缘，该凸缘设置在壳体的内侧壁上。凸缘优选地与壳体一体地形成。
在另一优选实施例中，屏蔽构件通过导电紧固件或接线经由壳体中的金属层接地到冷却构件的地。
在另一优选实施例中，功率模块进一步包括多个电连接至电路图案的外部连接器，所述屏蔽构件上设置有多个通孔以供所述外部连接器穿过，外部连接器与屏蔽构件电绝缘。
在另一优选实施例中，电路图案集成在设置在底板上的DBC或IMS中。
从以下结合附图的详细描述中，实施例的其他方面和优点将变得显而易见，附图通过举例的方式展示了所描述的实施例的原理。
附图说明
通过结合附图参考以下描述，可以最好地理解所描述的实施例及其优点。这些附图决不限制本领域技术人员在不脱离所述实施例的精神和范围的情况下可以对所述实施例在形式和细节上进行的任何改变。
图1展示了常规逆变器的截面视图，该常规逆变器包括功率模块和驱动板；
图2展示了具有屏蔽构件的另一常规逆变器的截面视图；
图3是根据本发明的优选实施例的功率模块的截面视图；
图4是根据本发明的另一优选实施例的功率模块的截面视图；
图5是3相应用中的功率模块的透视图；
图6是图5中示出的功率模块的另一透视图；
图7是根据本发明的另一优选实施例的功率模块的截面视图，其中省略了盖件。
具体实施方式
现在参考附图，详细描述本发明的实施例。参考图3至图6详细描述了具有第一实施例的内部屏蔽构件的功率模块。参照图3和图5至图6，功率模块包括壳体1，该壳体具有容纳空间10、连结至壳体1的底板2、多个功率元件4、用于屏蔽功率元件4的电磁干扰的接地的屏蔽构件5、盖件7(参见图5至图6)、冷却构件20、以及填充容纳空间的封装材料。
壳体通常具有限定容纳空间的框架结构，其中，壳体的一侧连结至底板，壳体的另一侧与盖件相联接，因此封闭容纳空间。底板2成为功率模块的底部板，从而支撑包括功率元件4的电子部件。底板可以使用具有优良导热性的金属(例如铝和铝合金，或铜和铜合金)。具有引脚翅片结构的冷却构件20连结至底板。冷却构件由与底板相同的材料制成。
在图3中示出的实施例中，底板2上设置有DBC(直接键合铜)3，该DBC提供功率元件4与引脚和端子(所谓的外部连接器，在某些应用中，引脚和端子电连接至功率元件)之间的电连接。DBC 3从下到上包括铜层31、陶瓷层32、以及电路图案33。连结材料6(典型地是焊料)用于将功率元件4和电路图案33连结，并且用于将DBC 3和底板2连结。然而，连结材料不限于焊料。作为焊料的替代方案，例如可以使用导电粘合剂。引脚传输传感器信号和驱动信号，并且端子(例如AC和DC连接器)可以设置在DBC上，也可以设置在壳体上。
功率模块进一步包括接地的屏蔽构件5(图5至图6中未示出)，以用于屏蔽功率元件4的电磁干扰。屏蔽构件5是覆盖功率元件4的铜片，使得屏蔽构件5屏蔽了功率元件4的电磁干扰。通过在功率模块内放置屏蔽构件，驱动功率模块的功率元件的驱动板可以尽可能地靠近功率模块放置，并且因此，由于功率模块与驱动板之间的距离减小，由栅极回路的电感引起的噪声大幅降低。
为了放置屏蔽构件5，壳体1设置有支撑构件，例如设置在壳体的内侧壁上的凸缘11。凸缘优选地与壳体1一体地形成，并且凸缘11的上表面由金属层段81覆盖。如图3中示出的，屏蔽构件5被放置在凸缘11的金属层段81上。在壳体1的邻近底板2的一侧上，在壳体1的内侧壁设置有第二凸缘，并且第二凸缘的上表面上形成有另一金属层段83。此外，壳体1的侧壁中形成有竖直金属层段82，该竖直金属层段连接金属层段81和83。藉由金属层段81、82和83(形成‘C’形金属层)以及将金属层段83连接至底板2的接线91，屏蔽构件5被支撑在容纳空间10内并且被接地。
在引脚和端子设置在DBC上的实施例中，屏蔽构件和盖件上分别设置有多个通孔以供引脚和端子穿过，并且引脚和端子与屏蔽构件电绝缘。
通过在容纳空间的在底板2与屏蔽构件5之间的一部分中提供封装材料(例如凝胶)，功率元件4和电路图案33被保护免受灰尘和振动的影响。优选地，容纳空间完全填充有封装材料。
现在参考图4，在另一实施例中，屏蔽构件5是接地的，并且壳体1通过‘Z’形金属层和导电紧固件(例如螺栓92)紧固至底板2。
在另一优选实施例中，如图7中所示出的，省略了盖件。屏蔽构件5在壳体的邻近封装材料的一侧联接至壳体，使得屏蔽构件5和底板2封闭容纳空间。屏蔽构件还起到盖件的作用，并且因此可以使功率模块更紧凑。从功率模块与驱动功率模块中的功率元件的驱动板之间的绝缘的角度看，屏蔽构件的背离底板的表面(面向驱动板的表面)是绝缘的，因为驱动板的两侧均设置有电气部件。在替代性的实施例中，图案化绝缘层51(例如图案化绝缘带)设置在屏蔽构件的背离底板的表面上。
在这种内部屏蔽构件设计，驱动板尽可能地靠近功率模块放置，并且栅极回路的电感显著地减小。因此，由栅极回路的电感引起的噪声可以忽略不计。同时，借助于功率模块内的屏蔽构件，即使驱动板非常靠近功率模块，或甚至触功率模块，EMC问题都得到很好的控制。因此，噪声问题和EMC问题之间的矛盾得到了妥协。
对于优选实施例，已经提出了多个替代性的结构性元件和处理步骤。因此，尽管已经参考特定实施例描述了本发明，但是本说明书是对本发明的说明，而不应被解释为对本发明的限制。在不脱离由所附权利要求限定的本发明的真实精神和范围的情况下，本领域技术人员可以想到多个不同的修改和应用。

Claims (16)

1.一种功率模块，其特征在于，包括：
壳体，所述壳体具有容纳空间；
底板，其中所述底板上设置有电路图案，其中，所述底板连结至所述壳体，并且所述电路图案容纳在所述容纳空间中；
多个功率元件，所述多个功率元件设置在所述电路图案上、并且电连接至所述电路图案；
接地的屏蔽构件，所述接地的屏蔽构件设置在所述功率元件上方、并且屏蔽所述功率元件的电磁干扰；
封装材料，所述封装材料设置在所述容纳空间中，所述封装材料至少覆盖所述电路图案和所述功率元件；
盖件；以及冷却构件，所述冷却构件在所述底板的背离所述壳体的一侧连结至所述底板，
其中，所述盖件在所述壳体的邻近所述封装材料的一侧联接至所述壳体，使得所述盖件和所述底板封闭所述容纳空间。
2.如权利要求1所述的功率模块，其特征在于，所述容纳空间的在所述底板与所述屏蔽构件之间的一部分填充有所述封装材料。
3.如权利要求1所述的功率模块，其特征在于，所述容纳空间的在所述屏蔽构件与所述盖件之间的一部分填充有所述封装材料。
4.如权利要求1所述的功率模块，其特征在于，所述壳体进一步包括支撑构件，以用于支撑所述屏蔽构件。
5.如权利要求4所述的功率模块，其特征在于，所述支撑构件是凸缘，所述凸缘设置在所述壳体的内侧壁上。
6.如权利要求1所述的功率模块，其特征在于，所述屏蔽构件通过导电紧固件或接线经由所述壳体中的金属层接地到所述冷却构件的地。
7.如权利要求1至6中任一项所述的功率模块，其特征在于，所述功率模块进一步包括多个电连接至所述电路图案的外部连接器，
所述屏蔽构件和所述盖件上分别设置有多个通孔以供所述外部连接器穿过，
所述外部连接器与所述屏蔽构件电绝缘。
8.如权利要求1至6中任一项所述的功率模块，其特征在于，所述电路图案集成在设置在所述底板上的DBC或IMS中。
9.一种功率模块，其特征在于，包括：
壳体，所述壳体具有容纳空间；
底板，其中所述底板上设置有电路图案，其中，所述底板连结至所述壳体，并且所述电路图案容纳在所述容纳空间中；
多个功率元件，所述多个功率元件设置在所述电路图案上、并且电连接至所述电路图案；
接地的屏蔽构件，所述接地的屏蔽构件设置在所述功率元件上方、并且屏蔽所述功率元件的电磁干扰；
封装材料，所述封装材料设置在所述容纳空间中，所述封装材料至少覆盖所述电路图案和所述功率元件；
冷却构件，所述冷却构件在所述底板的背离所述壳体的一侧连结至所述底板，
其中，所述屏蔽构件在所述壳体的邻近所述封装材料的一侧联接至所述壳体，使得所述屏蔽构件和所述底板封闭所述容纳空间。
10.如权利要求9所述的功率模块，其特征在于，所述屏蔽构件的背离所述底板的表面是绝缘的。
11.如权利要求9所述的功率模块，其特征在于，图案化绝缘层设置在所述屏蔽构件的背离所述底板的表面上。
12.如权利要求9所述的功率模块，其特征在于，所述壳体进一步包括支撑构件，以用于支撑所述屏蔽构件。
13.如权利要求12所述的功率模块，其特征在于，所述支撑构件是凸缘，所述凸缘设置在所述壳体的内侧壁上。
14.如权利要求9所述的功率模块，其特征在于，所述屏蔽构件通过导电紧固件或接线经由所述壳体中的金属层接地到所述冷却构件的地。
15.如权利要求9至14中任一项所述的功率模块，其特征在于，所述功率模块进一步包括多个电连接至所述电路图案的外部连接器，
所述屏蔽构件上设置有多个通孔以供所述外部连接器穿过，
所述外部连接器与所述屏蔽构件电绝缘。
16.如权利要求9至14中任一项所述的功率模块，其特征在于，所述电路图案集成在设置在所述底板上的DBC或IMS中。
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