CN114725076A - 一种功率模块及三相电机驱动器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种功率模块及三相电机驱动器，属于功率半导体器件领域。功率模块包括：封装结构、设置在封装结构内的底层DBC基板和顶层DBC基板、设置在底层DBC基板上的上、下桥臂功率芯片组、设置在底层和顶层DBC基板上的DC+铜块、DC‑铜块及上、下桥臂驱动电阻，以及设置在所述封装结构内并延伸出所述封装结构的接线端子，所述接线端子包括两个正极直流端子、两个负极直流端子。驱动器，包括三个功率模块、叠放在三个功率模块封装结构上下表面的散热器、放置散热器表面的直流母线电容以及与三个功率模块的驱动端子设置在同一侧的驱动板。本发明的功率模块及三相电机驱动器，能够均衡功率芯片电流回路的寄生电感，同时提升驱动器整体的功率密度。

Description

一种功率模块及三相电机驱动器
技术领域
本发明属于功率半导体器件技术领域，更具体地，涉及一种功率模块及三相电机驱动器。
背景技术
现代电力电子装置正朝着高功率密度和高效率的方向发展，对功率模块的要求越来越高。由于单个半导体芯片通流能力有限，在大功率场合一般会采用多芯片并联结构功率模块。
商用多芯片并联功率模块的直流端子多为单端子结构，功率芯片组中的每个芯片到正负直流端子的距离不一致，使功率芯片各个并联支路寄生电感不均衡，功率模块内部回路寄生参数不一致，从而使流经功率芯片组内的不同芯片上的电流不均衡、损耗分配不均衡。同时，功率芯片若是采用碳化硅，高的开关频率使电流的变化率很大，寄生参数的差异可能会带来比硅器件更大的电流不均衡问题。进一步地，也会导致功率模块的热应力不均等可靠性问题。
另外，由于现有的功率模块的端子结构，使得电机驱动器的装配方式受限，电机驱动器的整体体积较大，导致整个驱动器的功率密度较低。
发明内容
针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种功率模块及三相电机驱动器，其目的在于均衡功率芯片回路电流的寄生电感。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种功率模块，包括：封装结构、设置在封装结构内的底层DBC基板和顶层DBC基板、设置在底层DBC基板上的上桥臂功率芯片组和下桥臂功率芯片组、分别设置在底层DBC基板和顶层DBC基板上的DC+铜块、DC-铜块、下桥臂驱动电阻以及上桥臂驱动电阻，还包括设置在所述封装结构内并延伸出所述封装结构的接线端子，所述接线端子包括两个正极直流端子和两个负极直流端子，所述两个正极直流端子与所述DC+铜块电连接，并分别设置在所述上桥臂功率芯片组沿芯片组排布方向的两端；所述两个负极直流端子与所述DC-铜块电连接，并分别设置在所述下桥臂功率芯片组沿芯片组排布方向的两端。
进一步地，所述接线端子还包括：交流端子和驱动端子，所述交流端子与其中一对正极直流端子和负极直流端子设置在同一侧，并分别与所述上桥臂功率芯片组和下桥臂功率芯片组电连接；所述驱动端子与另外一对正极直流端子和负极直流端子设置在同一侧，并分别与所述上桥臂驱动电阻和下桥臂驱动电阻电连接。
进一步地，所述上桥臂功率芯片组和下桥臂功率芯片组的材料为碳化硅。
按照本发明的另一个方面，提供了一种三相电机驱动器，包括三个功率模块、散热器、直流母线电容及驱动板，所述功率模块为第一方面任意一项所述的功率模块；所述散热器分别叠放在三个功率模块封装结构的上下表面；所述直流母线电容设置在所述散热器的表面；所述驱动板与三个功率模块的驱动端子设置在同一侧，并与所述驱动端子电连接。
进一步地，所述直流母线电容分别与每个功率模块的正极直流端子和负极直流端子电连接。
进一步地，还包括DC+铜排和DC-铜排，所述直流母线电容分别通过所述DC+铜排和DC-铜排与所述正极直流端子和负极直流端子电连接。
进一步地，所述DC+铜排和DC-铜排之间通过片式多层陶瓷电容电连接。
进一步地，所述功率模块与散热器之间通过散热翅片连接。
进一步地，所述功率模块与散热翅片之间通过焊料焊接。
进一步地，所述散热翅片与散热器之间设有橡胶圈。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
(1)本发明的功率模块，通过在上、下桥臂功率芯片组沿芯片组排布方向的两端设计两个正极直流端子和两个负极直流端子，电流从两个正极端子汇入，通过DC+铜块流经上桥臂功率芯片组、下桥臂功率芯片组，通过DC-铜块从两个负极直流端子流出，即流经上、下桥臂功率芯片组中的每个芯片的电流的路径长度是相等的，平衡了功率芯片组各回路的寄生参数。
(2)作为优选，功率芯片采用碳化硅，使整个功率模块具有很高的开关频率。
(3)进一步地，基于本发明提供的功率模块，本发明提供的三相电机驱动器，在功率模块的上下表面均叠放有散热器，能够大幅降低热阻；功率模块独特的接线端子设计结构，使得母线电容能够直接放置在散热器的表面，为直流电容起到了一定的散热效果；驱动板与驱动端子设置在同一面，并与功率模块接线端子电连接，这种装配方式，使得驱动器的各个部件直接接触，省去了传统的线束连接，使整个驱动器的排布更紧凑，在同等功率情况下，体积更小，提升了驱动器整体的功率密度。
(4)作为优选，功率模块与散热翅片之间通过焊料焊接，取代了传统的热导率较低的导热硅脂，进一步降低了热阻。
(5)作为优选，在散热器与散热翅片之间设置有橡胶圈，能够提升散热器与散热翅片之间的密封性能。
总而言之，本发明的功率模块及三相电机驱动器，能够均衡功率芯片电流回路的寄生电感，同时提升驱动器整体的功率密度。
附图说明
图1为本发明提供的功率模块结构示意图。
图2为本发明驱动器中的功率模块与散热翅片的连接示意图。
图3为本发明驱动器中的功率模块与散热器的连接示意图。
图4为本发明驱动器中的母线电容及铜排连接示意图。
图5为本发明驱动器一侧的结构示意图。
图6为本发明驱动器另一侧的结构示意图。
图7为本发明驱动器的驱动板连接示意图。
图8为本发明驱动器装配完成后的整体尺寸示意图。
图9为本发明提供的驱动器样机在700V、100A工况下的测试波形图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或者结构，其中：
1为散热翅片、2为焊料、3为封装结构、3-1为上桥臂驱动电阻、3-2为上桥臂功率芯片组、3-3为下桥臂驱动电阻、3-4为下桥臂功率芯片组、3-5为上桥臂Spacer、3-6为下桥臂Spacer、3-7为AC Spacer、4为交流端子、5为正极直流端子、6为负极直流端子、7为驱动端子、8、14、24为螺栓、9为出水口、10为进水口、11为橡胶圈、12为散热器、13为直流母线电容、15为DC+铜排、16为DC-铜排、17为片式多层陶瓷电容、25为驱动板。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本发明提供的功率模块，主要包括封装结构3、设置在封装结构内的底层DBC基板、顶层DBC基板、设置在底层DBC基板上的上桥臂功率芯片组3-2和下桥臂功率芯片组3-4、分别设置在底层DBC基板和顶层DBC基板上的DC+铜块、DC-铜块、下桥臂驱动电阻3-3以及上桥臂驱动电阻3-1。其中，DC+，表示直流正极；DC-，表示直流负极。
具体的，上桥臂功率芯片组3-2和下桥臂功率芯片组3-4的漏极焊接到底层DBC基板的DC+铜块，栅极电连接到设置在底层DBC基板上的上桥臂驱动电阻3-1，源极通过设置在上桥臂功率芯片组3-2上的上桥臂Spacer3-5电连接到顶层DBC基板上的AC铜块上，下桥臂功率芯片组3-4的漏极电连接到底层DBC基板的AC铜块上，源极通过设置在下桥臂功率芯片组3-4上的下桥臂Spacer3-6电连接到顶层DBC基板的DC-铜块上，栅极电连接到设置在顶层DBC基板上的下桥臂驱动电阻3-3。其中，AC表示交流。
还包括设置在封装结构内并延伸出封装结构的接线端子，其中，接线端子包括：两个正极直流端子5、两个负极直流端子6、交流端子4以及两个驱动端子。
两个正极直流端子5分别与DC+铜块电连接，并分别设置在上桥臂功率芯片组3-2的水平延长线上，即沿芯片组排布方向的两端；两个负极直流端子6分别与DC-铜块电连接，并分别设置在下桥臂功率芯片组3-4的水平延长线上；该水平延长线与芯片组的排布方向一致。
交流端子4位于其中一对正极直流端子5和负极直流端子6之间，通过上桥臂功率芯片组3-2和下桥臂功率芯片组3-4中间的AC Spacer3-7电连接到AC铜块上；两个驱动端子7与另外一对正极直流端子和负极直流端子设置在同一侧，两个驱动端子7分别通过位于底部DBC基板上的铜块连接到上桥臂驱动电阻3-1和下桥臂驱动电阻3-3。
其中，该上桥臂功率芯片组3-2和下桥臂功率芯片组3-4为多个芯片并联结构，能够增强电流的流通能力，提高了可处理的功率等级。
作为优选，功率芯片采用碳化硅，具有很高的开关频率。
本发明设计的功率模块的正极直流端子和负极直流端子均有两个，由于正极直流端子和负极直流端子分别设置在上桥臂功率芯片组3-2和下桥臂功率芯片组3-4的水平延长线上，电流从两个正极直流端子汇入，流经底部DBC的DC+铜块、上桥臂功率芯片组、上桥臂Spacer到顶部DBC基板的AC铜块，经过AC Spacer3-7流入底部DBC基板的AC铜块，经过下桥臂功率芯片组、下桥臂Spacer、DC-铜块从两个负极直流端子流出。从该电流路径不难看出，本发明设计的这种双端子出线的方式，使流经上桥臂功率芯片组和下桥臂功率芯片组的每个芯片的电流所走的路径都是一致的，使得并联功率芯片组各回路的寄生参数得到了很好的平衡，避免了多芯片并联的单端子结构中不同功率芯片到端子正极和负极的距离不同所导致的回路寄生参数不一致问题。
同时，正极端子和负极端子的相对位置，通过电流反向抵消使得功率回路寄生电感得到降低，优化了动态均流性能。
并且本发明的功率模块为双面散热的功率模块，极大的提升了散热性能，功率转换的能力相对更强。
基于上述功率模块，本发明提供了一种三相电机驱动器，主要包括：三个上述功率模块、设置在三个功率模块封装结构3上、下表面的散热器12、叠放在每个散热器表面上的直流母线电容13以及与三个功率模块的驱动端子设置在同一侧的驱动板25，该驱动板25与驱动端子电连接。
作为优选，如图2所示，在功率模块封装结构上、下表面通过焊料2分别焊接有散热翅片1，相比于传统的单面散热结构大幅减小了热阻。并且，功率模块与散热翅片之间用焊料进行焊接，取代传统的热导率较低的导热硅脂，使得热阻进一步降低。
如图3所示，散热器可以设置在三个功率模块封装结构上、下表面，可大幅度降低热阻，提高了功率转换能力。作为优选，散热器为铝制散热器。在散热器12与散热翅片1连接部分处使用橡胶圈11进行密封，用于防水，位于封装结构上、下表面的两个散热器12之间使用散热器紧固螺栓8进行紧固连接，同时也增强散热器12与散热翅片1之间的橡胶圈11的密封性能。在散热器12的两端设置有宝塔接头，以及与宝塔接头相连接的出水口9和进水口10，该出水口9和进水口10用于外接水冷机构，本实施例中，通过使用外径为8mm的软管与外接的水冷机构连接。
直流母线电容13放置在散热器12的表面，这样的放置位置不仅能够为直流母线电容起到了部分散热效果，而且缩短了直流母线电容13与散热器12之间的距离，使整个驱动器的排布更紧凑，实现了整个装置功率密度的提升。
直流母线电容13与正极直流端子和负极直流端子之间通过铜排进行电气连接，具体的，如图4、图5所示，直流母线电容13通过DC+铜排15与三个功率模块的正极直流端子电连接，通过DC-铜排16与三个功率模块的负极直流端子电连接，用于向三个功率模块中的率芯片组供电。DC+铜排15和DC-铜排16设置在每一对正极直流端子和负极直流端子的同一侧，最大限度减小装配体积。本发明中，由于设计的电机驱动器为三相结构，包含三个功率模块，每个功率模块的两侧均设置有DC+铜排15和DC-铜排16，即每一对正极直流端子和负极直流端子的同一侧均设有DC+铜排15和DC-铜排16。DC+铜排15和DC-铜排16之间通过片式多层陶瓷电容17电连接。直流母线电容13分别与DC+铜排15和DC-铜排16之间通过紧固件固定连接，本实施例中，该紧固件优选为螺栓14。正极直流端子和负极直流端子分别与DC+铜排15和DC-铜排16之间通过螺栓24进行连接。如图6和图7所示，此时，三个分别位于每个功率模块半桥结构中点处的直流端子4分布在同一侧，构成电机驱动器的输出，这三个直流端子4分别构成电机驱动器的U相直流端子、V相直流端子、W相直流端子。三个功率模块的驱动端子7分布在另外一侧，并与驱动板25电连接，接收驱动信号从而使功率模块中的功率芯片组正常工作；这三个驱动端子7分别构成电机驱动器的U相驱动端子、V相驱动端子、W相驱动端子。驱动板25与三个驱动端子之间通过焊锡连接。本发明的这种端子设计结构，使得驱动板25能够和功率模块的驱动端子分布在同一侧，大大缩短了驱动板到功率模块驱动端子之间的距离，最大限度的减小装配体积，提升驱动器的功率密度；同时，可以使驱动回路的寄生电感得以降低。
基于本发明提出的功率模块的端子的设计结构，使得本发明的三相电机驱动器中的功率模块、散热器、直流母线电容及驱动板均直接接触，省去了传统的线束连接，故整体排布十分紧凑，在同等功率情况下，体积更小，提升了驱动器整体的功率密度。
如图8所示，是本发明实施例提供的电机驱动器结构样机的安装完成整体尺寸示意图。图中上面为俯视图，下面为侧视图，从图中可以看出整个三相电机驱动器样机的长度为160mm、宽度为62.6mm、高度为48mm。该样机工作在直流母线电压700V、负载电流有效值100A的工况下，如图9所示，整个电机驱动器装置的功率密度为83kW/L，达到了一个非常高的功率密度。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种功率模块，包括：封装结构(3)、设置在封装结构(3)内的底层DBC基板和顶层DBC基板、设置在底层DBC基板上的上桥臂功率芯片组(3-2)和下桥臂功率芯片组(3-4)、分别设置在底层DBC基板和顶层DBC基板上的DC+铜块、DC-铜块、下桥臂驱动电阻(3-3)以及上桥臂驱动电阻(3-1)，其特征在于，还包括设置在所述封装结构(3)内并延伸出所述封装结构(3)的接线端子，所述接线端子包括两个正极直流端子(5)和两个负极直流端子(6)，所述两个正极直流端子(5)与所述DC+铜块电连接，并分别设置在所述上桥臂功率芯片组(3-2)沿芯片组排布方向的两端；所述两个负极直流端子(6)与所述DC-铜块电连接，并分别设置在所述下桥臂功率芯片组(3-4)沿芯片组排布方向的两端。
2.根据权利要求1所述的功率模块，其特征在于，所述接线端子还包括：交流端子(4)和驱动端子(7)，所述交流端子(4)与其中一对正极直流端子(5)和负极直流端子(6)设置在同一侧，并分别与所述上桥臂功率芯片组(3-2)和下桥臂功率芯片组(3-4)电连接；所述驱动端子(7)与另外一对正极直流端子(5)和负极直流端子(6)设置在同一侧，并分别与所述上桥臂驱动电阻(3-1)和下桥臂驱动电阻(3-3)电连接。
3.根据权利要求1或2所述的功率模块，其特征在于，所述上桥臂功率芯片组(3-2)和下桥臂功率芯片组(3-4)的材料为碳化硅。
4.一种三相电机驱动器，包括三个功率模块、散热器(12)、直流母线电容(13)及驱动板(25)，其特征在于，所述功率模块为权利要求1-3任意一项所述的功率模块；所述散热器(12)分别叠放在三个功率模块封装结构(3)的上下表面；所述直流母线电容(13)设置在所述散热器(12)的表面；所述驱动板(25)与三个功率模块的驱动端子设置在同一侧，并与所述驱动端子电连接。
5.根据权利要求4所述的驱动器，其特征在于，所述直流母线电容(13)分别与每个功率模块的正极直流端子(5)和负极直流端子(6)电连接。
6.根据权利要求5所述的驱动器，其特征在于，还包括DC+铜排(15)和DC-铜排(16)，所述直流母线电容(13)分别通过所述DC+铜排(15)和DC-铜排(16)与所述正极直流端子(5)和负极直流端子(6)电连接。
7.根据权利要求6所述的驱动器，其特征在于，所述DC+铜排(15)和DC-铜排(16)之间通过片式多层陶瓷电容(17)电连接。
8.根据权利要求7所述的驱动器，其特征在于，所述功率模块与散热器(12)之间通过散热翅片(1)连接。
9.根据权利要求8所述的驱动器，其特征在于，所述功率模块与散热翅片(1)之间通过焊料(2)焊接。
10.根据权利要求8或9所述的驱动器，其特征在于，所述散热翅片(1)与散热器(12)之间设有橡胶圈(11)。
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