CN204793295U - 薄型功率模块 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种薄型功率模块，其包括散热底板以及固定支撑在所述散热底板上的外壳体，所述外壳体与散热底板间形成用于收容功率开关电路的收纳空间；在所述收纳空间内设置陶瓷基板以及位于所述陶瓷基板上的功率开关电路，所述陶瓷基板固定支撑在散热底板上，且陶瓷基板与散热底板绝缘隔离；在所述陶瓷基板上还设有用于将功率开关电路引出的功率连接端子以及信号连接端子，所述功率连接端子、信号连接端子均从收纳空间穿出外壳体外；所述信号连接端子呈针式，功率连接端子穿出外壳体的端部折弯后采用螺母与外壳体连接。本实用新型结构紧凑，降低功率模块的封装体积以及寄生电感值，提高功率密度，简化制作工艺，确保功率模块的可靠性。

Description

薄型功率模块

技术领域

本实用新型涉及一种功率模块，尤其是一种薄型功率模块，属于功率电力电子器件的技术领域。

背景技术

功率IGBT(绝缘栅双极晶体管)和MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)模块被广泛用于逆变焊机、各种开关电源、电动汽车控制器、UPS、太阳能和风能等领域。功率模块是大功率电力电子系统的重要组成部分，其性能和可靠性影响到电力电子系统的性能与安全运行。功率模块内部寄生参数是影响功率模块可靠性的关键因素之一，这是由于功率模块在关断的瞬间，寄生电感上储存的能量会在开关器件上造成电压过冲，还会与器件的寄生电容产生振荡，不合适的功率模块布局设计会造成严重的器件关断电压过冲以及电磁干扰(EMI)问题，并且会影响器件的开关损耗，严重影响器件的性能和安全工作。随着近年来功率器件技术的不断发展，器件的开关速度不断加快，以上问题将会变得愈发严重。

目前，电力电子行业使用的常见的功率IGBT模块和MOSFET模块，内部电路结构主要为半桥电路、斩波电路，全桥模块。如图1和图2所示，是一种常见的功率模块，其包括四个信号端子110，三个功率端子120，模块壳体100，底板130以及基板140等构成。所述常见的功率模块中有限的信号端子110引出限制了单个功率模块的电路集成度；过于狭长的底板130造成所述功率模块在横向和竖向方向的散热不均；信号端子110内部采用绕线方式引出，大大增加了信号通道的长度，增加了应用过程中信号振铃和串扰等不确定因素；同时由于模块壳体100的厚度h1普遍在25mm-30mm，造成功率端子120的长度较长，而当功率端子120的长度过长时必然造成功率模块内部功率回路的寄生电感较大，无法适应很多应用领域对高功率密度和低寄生电感的要求。

如上所述，功率模块电压过冲的原理是，IGBT或MOSFET芯片在关断时在寄生电感上会产生一个瞬间电压Vovershoot，该瞬间电压叠加在母线电压上，这样加载在功率模块的之间实际电压为VDD+Vovershoot，因Vovershoot＝L*di/dt，(L为模块内部电感和直流母线接线电感之和)，一般站在模块设计和制造的角度，认为在应用过程中di/dt设定为一固定值，那么改善模块功率端子长度，优化模块整体布局和DBC布局，减少模块内部的电感值L就显得特别重要了。

发明内容

本实用新型的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种薄型功率模块，其结构紧凑，降低功率模块的封装体积以及寄生电感值，提高功率密度，简化制作工艺，确保功率模块的可靠性。

按照本实用新型提供的技术方案，所述薄型功率模块，包括散热底板以及固定支撑在所述散热底板上的外壳体，所述外壳体与散热底板间形成用于收容功率开关电路的收纳空间；在所述收纳空间内设置陶瓷基板以及位于所述陶瓷基板上的功率开关电路，所述陶瓷基板固定支撑在散热底板上，且陶瓷基板与散热底板绝缘隔离；在所述陶瓷基板上还设有用于将功率开关电路引出的功率连接端子以及信号连接端子，所述功率连接端子、信号连接端子均从收纳空间穿出外壳体外；所述信号连接端子呈针式，功率连接端子穿出外壳体的端部折弯后采用螺母与外壳体连接。

所述陶瓷基板上设有至少三个功率连接端子以及至少四个的信号连接端子，功率连接端子、信号连接端子焊接在陶瓷基板上。

所述功率开关电路包括由MOSFET或IGBT对应连接配合形成的半桥电路、斩波电路、全桥电路或H桥电路，功率开关电路通过信号连接铝线与信号连接端子匹配电连接，且功率开关电路通过功率连接铝线与陶瓷基板电连接后与功率连接端子匹配电连接。

所述外壳体的厚度为11mm～15mm，信号连接端子伸出外壳体的顶端与外壳体表面的距离为1.5mm～6mm。

所述外壳体上设有与信号连接端子数量相一致的信号端子插孔以及与功率连接端子数量相一致的螺母插口；信号连接端子的顶端通过信号端子插孔穿出外壳体外。

所述功率连接端子包括位于外壳体内的竖直连接体以及位于外壳体外的水平连接体，竖直连接体通过外壳体上的功率端子插槽穿出外壳体外，且竖直连接体穿出外壳体外的端部折弯后形成水平连接体，螺母固定在水平连接体的内侧，外壳体上设置与螺母相适配的螺母插口，水平连接体通过螺母嵌置在螺母插口内与外壳体的上表面连接。

所述螺母选用M4螺母或M3螺母，与螺母相适配的螺栓长度为6mm～10mm。

在所述外壳体上设置若干固定台阶以及贯通所述固定台阶的台阶通孔，在固定台阶的外表面上有金属圆环，在散热底板上设有底板固定孔，所述底板固定孔与台阶通孔相对应，外壳体通过嵌置在台阶通孔、底板固定孔内的连接固定螺栓与散热底板连接固定。

在散热底板与外壳体相接触的外侧壁涂覆密封胶，且在收纳空间内灌有硅凝胶。

本实用新型的优点：通过采用针式的信号连接端子，螺母选用M4螺母或M3螺母，外壳体的厚度为11mm～15mm，外壳体的厚度降低后，能缩短功率连接端子的长度，降低功率模块的封装体积以及寄生电感值，提高功率密度，通过外壳体与散热底板形成封装壳体以及收纳空间，陶瓷基板固定在散热底板上，功率开关电路设置在陶瓷基板上，结构紧凑，简化制作工艺，确保功率模块的可靠性。

附图说明

图1为现有功率模块的结构示意图。

图2为现有功率模块的剖视图。

图3为本实用新型的结构示意图。

图4为本实用新型功率模块的分解图。

图5为本实用新型功率模块的剖视图。

图6为现有功率端子的示意图。

图7为本实用新型功率连接端子的示意图。

附图标记说明：1-散热底板、2-外壳体、3-功率连接端子、4-信号连接端子、5-陶瓷基板、6-功率开关电路、7-辅助元件、8-功率连接铝线、9-螺母、10-金属圆环、11-信号端子插孔、12-功率端子插槽、13-螺母插口、14-竖直连接体、15-固定台阶、16-台阶通孔、17-底板固定孔、18-水平连接体、100-模块壳体、110-功率端子、120-信号端子以及130-底板与140-基板。

具体实施方式

下面结合具体附图和实施例对本实用新型作进一步说明。

如图3、图4和图5所示：为了降低功率模块的封装体积以及寄生电感值，提高功率密度，简化制作工艺，确保功率模块的可靠性，本实用新型包括散热底板1以及固定支撑在所述散热底板1上的外壳体2，所述外壳体2与散热底板1间形成用于收容功率开关电路6的收纳空间；在所述收纳空间内设置陶瓷基板5以及位于所述陶瓷基板5上的功率开关电路6，所述陶瓷基板5固定支撑在散热底板1上，且陶瓷基板5与散热底板1绝缘隔离；在所述陶瓷基板5上还设有用于将功率开关电路6引出的功率连接端子3以及信号连接端子4，所述功率连接端子3、信号连接端子4均从收纳空间穿出外壳体2外；所述信号连接端子4呈针式，功率连接端子3穿出外壳体2的端部折弯后采用螺母9与外壳体2连接。

一般地，散热底板1采用铜底板，外壳体2与散热底板1相适配，通过外壳体2与散热底板1间形成整个功率模块的封装壳体。外壳体2固定支撑在散热底板1上后，在散热底板1与外壳体2相接触的外侧壁涂覆密封胶，且在收纳空间内灌有硅凝胶，通过密封胶用于对散热底板1与外壳体2相接触的部位进行密封，提高散热底板1与外壳体2之间的粘结密封效果；在硅凝胶固化后，能对收纳空间内的功率开关电路6进行保护，避免来自外界的污染。

陶瓷基板5一般为覆铜陶瓷基板，陶瓷基板5通过高温焊接固定在散热底板1上，陶瓷基板5的具体结构形式为本技术领域人员所熟知，具体不再赘述。在具体实施时，散热底板1呈矩形状，陶瓷基板5位于散热底板5位于散热底板1的中心区域。

具体实施时，所述功率开关电路6包括由MOSFET或IGBT对应连接配合形成的半桥电路、斩波电路或全桥电路，即功率开关电路6为半桥电路、斩波电路、全桥电路或H桥电路中的任意一种，当然，功率开关电路6还可以采用其他的形式，功率开关电路6的具体形式可以根据需要选择确定，所述半桥电路、斩波电路或全桥电路只能通过MOSFET或IGBT中的一种构成，通过MOSFET、IGBT连接成半桥电路、斩波电路、H桥电路或全桥电路的具体结构为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。当然，还可以通过其他功率器件来形成所需的半桥电路、斩波电路或全桥电路，具体的功率器件可以根据需要进行选择，具体为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。

本实用新型实施例中，功率开关电路6通过信号连接铝线与信号连接端子4匹配电连接，且功率开关电路6通过功率连接铝线8与陶瓷基板5电连接后与功率连接端子3匹配电连接。其中，信号连接端子4与现有信号端子110作用相同，功率连接端子3与现有功率端子120的作用相同。由于功率开关电路6的具体形式可以根据需要选择确定，在确定功率开关电路6的具体形式后，通过信号连接端子4、功率连接端子3进行匹配连接，以将功率开关电路6进行引出，具体匹配连接的引出过程为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。

本实用新型实施例中，信号连接端子4采用针式结构，信号连接端子4竖直分布在陶瓷基板5上，且信号连接端子4与陶瓷基板5呈垂直分布。在信号连接端子4采用针式结构后，保证了信号通路最短，从而可以让外壳体2的厚度变得更薄。

所述陶瓷基板5上设有至少三个功率连接端子3以及至少二个的信号连接端子4，功率连接端子3、信号连接端子4焊接在陶瓷基板5上，所述焊接方式可以为软钎焊接、扩散焊接或银粉焊接中的任意一种。

本实用新型实施例中，功率连接端子3均匀分布在陶瓷基板5上，当陶瓷基板5上设置三个功率连接端子3时，三个功率连接端子3分别位于两端与中间，信号连接端子4的数量一般可以为二～八个，信号连接端子4位于陶瓷基板5的一侧，信号连接端子4的数量与功率开关电路6有关，即功率开关电路6内的MOSFET或IGBT多时，信号连接端子4的数量也相应增多，较多的信号连接端子4表面整个功率模块具有较高的集成度，适合于各种应用方案的要求。功率连接端子3、信号连接端子4通过一次真空回流焊接在陶瓷基板5上，省去了多次焊接的麻烦。功率连接端子3、信号连接端子4通过与陶瓷基板5焊接固定，从而达到与散热底板1连接成一体。

此外，在所述陶瓷基板5上设置用于抗干扰和/或续流作用的辅助元件7，所述辅助元件7为电阻、电容和/或二极管。辅助元件7可以通过回流焊接在陶瓷基板5上看，在辅助元件7为电阻、电容时，能解决应用过程中遇到的兼容性和电磁干扰问题，在辅助元件7采用二极管时，能解决遇到的反向续流问题，在具体实施时，可以根据需要，在陶瓷基板5上同时焊接电阻、电容以及二极管，辅助元件7与功率开关电路6连接配合的具体形式为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。

所述外壳体2上设有与信号连接端子4数量相一致的信号端子插孔11以及与功率连接端子3数量相一致的螺母插口13；所述信号端子插孔11位于外壳体2的一侧，信号连接端子4的顶端通过信号端子插孔11穿出外壳体2外。

本实用新型实施例中，为了能对信号连接端子4、功率连接端子3进行定位，外壳体2上设有信号端子插孔11，信号端子插孔11与信号连接端子4呈一一对应关系，由于信号连接端子4在陶瓷基板5的一侧，因此，信号连接端子11位于外壳体2的一侧。信号连接端子4通过信号端子插孔11穿出外壳体2外。

所述功率连接端子3包括位于外壳体2内的竖直连接体14以及位于外壳体2外的水平连接体18，竖直连接体14通过外壳体2上的功率端子插槽12穿出外壳体2外，且竖直连接体14穿出外壳体2外的端部折弯后形成水平连接体18，螺母9固定在水平连接体18的内侧，外壳体2上设置与螺母9相适配的螺母插口13，水平连接体18通过螺母9嵌置在螺母插口13内与外壳体2的上表面连接。

本实用新型实施例中，由于功率连接端子3穿出外壳体2外的端部需要折弯，即使得功率连接端子3包括位于外壳体2内的竖直连接体14以及位于外壳体2外的水平连接体18。为了能对功率连接端子3穿出外壳体2进行导向及连接，在外壳体2上设置于功率连接端子3呈一一对应的功率端子插槽12以及螺母插口13。具体实施时，水平连接体18与竖直连接体14呈垂直状态，即需要折弯成90°。功率连接端子3通过功率端子插槽12穿出外壳体2外，穿出外壳体2后，折弯形成水平连接体18，螺母9位于水平连接体18的内侧，便于将螺母9嵌置在螺母插口13内。在螺母9嵌置在螺母插口13内后，可以在螺母9内插入匹配的螺钉。

进一步地，所述外壳体2的厚度为11mm～15mm，信号连接端子4伸出外壳体2的顶端与外壳体2表面的距离为1.5mm～6不mm。为了能减少厚度，所述螺母9选用M4螺母或M3螺母，与螺母9相适配的螺栓长度为6mm～10mm。

本实用新型实施例中，信号连接端子4的长度为15mm～22mm，现有技术中，模块壳体100的高度为在25mm～30mm，而本实用新型中外壳体2的厚度为11mm～15mm，因此，通过外壳体2的厚度能降低整个功率模块的厚度，同时能降低功率连接端子3的长度，从而能减少功率模块内部的寄生电感。

通过选用针式的信号连接端子4，较小规格的螺丝螺母9和设计布局优化相结合的方式，降低模块的厚度，因此功率模块的功率连接端子3也相应变短，而矩形长直导体局部自感近似计算公式为：

具体地，

$\frac{L_i}{l}=\frac{\mathrm{\μ}}{2\mathrm{\π}}\[\ln \frac{2l}{0.2235(W+T)}-1\]$

其中，Li为导体i的自感，l为导体的长度，W为导体宽度，T为导体厚度，u＝4πX10^-7H/m为真空磁导率。由该公式和仿真可得，在降低功率模块的高度同时缩小功率连接端子3的长度，能有效降低功率模块的寄生电感，提升功率模块的性能。

如图6和图7所示，本实用新型的功率连接端子3比现有常用的功率端子120的垂直长度减少了56％，寄生电感降低了62％。通过整个布局优化，新型薄模块的总电感值为31.32nH，比上述列举的常见功率模块的总电感值61.37nH,下降了49％，大大提高。

在所述外壳体2上设置若干固定台阶15以及贯通所述固定台阶15的台阶通孔16，在固定台阶15的外表面上填埋注塑有金属圆环10，在散热底板1上设有底板固定孔17，所述底板固定孔17与台阶通孔16相对应，外壳体2通过嵌置在台阶通孔16、底板固定孔17内的连接固定螺栓与散热底板1连接固定。了功率模块的性能。

本实用新型实施例中，在外壳体2的端角处设置四个固定台阶15，固定台阶15的表面远低于外壳体2的上表面。通过金属圆环10能保证后续安装过程中的强度。

以上所述的仅是本实用新型的优选实施方式，本实用新型不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本实用新型的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化均应认为在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种薄型功率模块，包括散热底板（1）以及固定支撑在所述散热底板（1）上的外壳体（2），所述外壳体（2）与散热底板（1）间形成用于收容功率开关电路（6）的收纳空间；在所述收纳空间内设置陶瓷基板（5）以及位于所述陶瓷基板（5）上的功率开关电路（6），所述陶瓷基板（5）固定支撑在散热底板（1）上，且陶瓷基板（5）与散热底板（1）绝缘隔离；在所述陶瓷基板（5）上还设有用于将功率开关电路（6）引出的功率连接端子（3）以及信号连接端子（4），所述功率连接端子（3）、信号连接端子（4）均从收纳空间穿出外壳体（2）外；其特征是：所述信号连接端子（4）呈针式，功率连接端子（3）穿出外壳体（2）的端部折弯后采用螺母（9）与外壳体（2）连接。

2.根据权利要求1所述的薄型功率模块，其特征是：所述陶瓷基板（5）上设有至少三个功率连接端子（3）以及至少四个的信号连接端子（4），功率连接端子（3）、信号连接端子（4）焊接在陶瓷基板（5）上。

3.根据权利要求1所述的薄型功率模块，其特征是：所述功率开关电路（6）包括由MOSFET或IGBT对应连接配合形成的半桥电路、斩波电路、全桥电路或H桥电路，功率开关电路（6）通过信号连接铝线与信号连接端子（4）匹配电连接，且功率开关电路（6）通过功率连接铝线（8）与陶瓷基板（5）电连接后与功率连接端子（3）匹配电连接。

4.根据权利要求1所述的薄型功率模块，其特征是：所述外壳体（2）的厚度为11mm~15mm，信号连接端子（4）伸出外壳体（2）的顶端与外壳体（2）表面的距离为1.5mm~6mm。

5.根据权利要求1或4所述的薄型功率模块，其特征是：所述外壳体（2）上设有与信号连接端子（4）数量相一致的信号端子插孔（11）以及与功率连接端子（3）数量相一致的螺母插口（13）；信号连接端子（4）的顶端通过信号端子插孔（11）穿出外壳体（2）外。

6.根据权利要求1所述的薄型功率模块，其特征是：所述功率连接端子（3）包括位于外壳体（2）内的竖直连接体（14）以及位于外壳体（2）外的水平连接体（18），竖直连接体（14）通过外壳体（2）上的功率端子插槽（12）穿出外壳体（2）外，且竖直连接体（14）穿出外壳体（2）外的端部折弯后形成水平连接体（18），螺母（9）固定在水平连接体（18）的内侧，外壳体（2）上设置与螺母（9）相适配的螺母插口（13），水平连接体（18）通过螺母（9）嵌置在螺母插口（13）内与外壳体（2）的上表面连接。

7.根据权利要求1或6所述的薄型功率模块，其特征是：所述螺母（9）选用M4螺母或M3螺母，与螺母（9）相适配的螺栓长度为6mm~10mm。

8.根据权利要求1所述的薄型功率模块，其特征是：在所述外壳体（2）上设置若干固定台阶（15）以及贯通所述固定台阶（15）的台阶通孔（16），在固定台阶（15）的外表面上有金属圆环（10），在散热底板（1）上设有底板固定孔（17），所述底板固定孔（17）与台阶通孔（16）相对应，外壳体（2）通过嵌置在台阶通孔（16）、底板固定孔（17）内的连接固定螺栓与散热底板（1）连接固定。

9.根据权利要求1所述的薄型功率模块，其特征是：在散热底板（1）与外壳体（2）相接触的外侧壁涂覆密封胶，且在收纳空间内灌有硅凝胶。