CN206164351U - 低压大电流Mosfet功率模块 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了低压大电流Mosfet功率模块，包括全铜散热基底、陶瓷板、驱动保护线路板以及Mosfet芯片，Mosfet芯片两两并联形成Mosfet芯片阵列；所述驱动保护线路板和陶瓷板均固定在全铜散热基底上，所述Mosfet芯片阵列固定在陶瓷板上，且Mosfet芯片中每一个Mosfet芯片的漏极均与陶瓷板焊接，每一个Mosfet芯片的栅极和源极均与驱动保护线路板连接；所述驱动保护线路板用于根据来自外部的通断信号输出正反压驱动信号至Mosfet芯片阵列。本实用新型利用全铜散热基底结合陶瓷板有效解决了散热困难的问题，提供大面积的电流通道，多个Mosfet芯片同时驱动，使得通过的电流能够超过3000A。

Description

低压大电流Mosfet功率模块

技术领域

本实用新型涉及低压大电流能量转换技术领域，尤其涉及低压大电流Mosfet功率模块。

背景技术

在当前的工业用低压大电流输出整流器应用上，用于输出蒸馏、输出换向的器件普遍使用的是肖特基二极管、快速恢复二极管、可控硅等几种功率器件。这些器件皆为压降性器件，电流流过该器件则产生固定的压降，压降大小就决定了该器件的功耗大小。目前进口的低压降大功率肖特基二极管的压降普遍在0.65V-0.75V之间。若通过3000A电流，则在整流二极管部分会产生的热功率为0.75V×3000A＝2250W，在大功率应用上损失大量的电能，以及需要高昂的散热费用。

在现有的Mosfet模块中，普遍能够长期带载的电流在300A以下。而且不带有驱动电路，以及内部保护电路。在大电流使用时，需要进行多只并联使用。在当前应用上存在均留控制困难，驱动电路复杂，器件保护成本高，散热结构设计困难，占用空间大等问题。

实用新型内容

为了克服现有技术的不足，本实用新型的目的在于提供低压大电流Mosfet功率模块，其结构简单，具备良好的散热效果，提高高频开关电源的效率。

本实用新型的目的采用以下技术方案实现：

低压大电流Mosfet功率模块，包括全铜散热基底、陶瓷板、驱动保护线路板以及若干个Mosfet芯片，若干个Mosfet芯片两两并联连接形成Mosfet芯片阵列；所述驱动保护线路板和陶瓷板均固定在全铜散热基底上，所述Mosfet芯片阵列固定在陶瓷板上，且Mosfet芯片中每一个Mosfet芯片的漏极均与陶瓷板焊接，每一个Mosfet芯片的栅极和源极均与驱动保护线路板连接；所述驱动保护线路板用于根据来自外部的通断信号输出正反压驱动信号至Mosfet芯片阵列，以控制Mosfet芯片阵列的通断。

优选的，还包括外壳，所述外壳包括围壁和顶盖，围壁固定在全铜散热基底上，顶盖连接在围壁的顶沿，顶盖与围壁连接形成容纳空间，所述陶瓷板、驱动保护线路板以及Mosfet芯片阵列均位于该容纳空间内。

优选的，所述驱动保护线路板上设有正负压产生电路、隔离驱动电路和若干个数量与Mosfet芯片一致的栅极驱动保护电路，栅极驱动保护电路与Mosfet芯片一一对应；所述正负压产生电路连接Mosfet芯片阵列的源极端，隔离驱动电路连接Mosfet芯片阵列的栅极端，Mosfet芯片阵列的栅极端和源极端均与栅极驱动保护电路连接，且栅极驱动保护电路还连接对应的Mosfet芯片的栅极；所述正反压产生电路用于产生一固定电压至Mosfet芯片阵列的源极端；所述隔离驱动电路用于根据来自外部的通断信号输出正反压驱动信号至Mosfet芯片阵列，以控制Mosfet芯片阵列的通断。

优选的，所述正负压产生电路包括电容C1至电容C7、二极管D1、电阻R1和电阻R2；电容C1的一端、电阻R1的一端和二极管D1的负极均与Mosfet芯片阵列的源极端连接；电容C1的另一端、电阻R1的另一端、电阻R2的一端、电容C2的一端、电容C3的一端、电容C4的一端均与一直流电连接；电阻R2的另一端、电容C5的一端、电容C6的一端和电容C7的一端均与电阻R1的一端连接；电容C2的另一端、电容C3的另一端、电容C4的另一端、电容C5的另一端、电容C6的另一端、电容C7的另一端和二极管D1的正极均接地。

优选的，所述隔离驱动电路包括光耦芯片U1、二极管D2、二极管D3、电阻R3至电阻R5、三极管Q1和三极管Q2；所述二极管D2的正极连接外部输入信号正极端，二极管D3的正极连接外部输入信号负极端，二极管D2的负极通过电阻R3连接二极管D3的负极，二极管D3的负极和电阻R4的一端均与光耦芯片U1的输入正极连接，二极管D3的正极和电阻R4的另一端均与光耦芯片U1的输入负极连接；三极管Q1的基极和三极管Q2的基极均通过电阻R5连接光耦芯片U1的输出端，三极管Q1的发射极和三极管Q2的发射极均连接Mosfet芯片阵列的栅极端；光耦芯片U1的供电端和三极管Q1的集电极均连接一直流电；光耦芯片U1的地端和三极管Q2的集电极均接地。

优选的，所述栅极驱动保护电路包括电阻R6、电阻R7、二极管D4和瞬态二极管D5，二极管D4的负极和电阻R6的一端均与Mosfet芯片阵列的栅极端连接，二极管D4的正极和电阻R6的另一端连接电阻R7的一端，电阻R7的另一端连接Mosfet芯片阵列的源极端，电阻R7的一端还连接该栅极驱动保护电路对应的Mosfet芯片的栅极；所述瞬态二极管D5并联在电阻R7的两端。

优选的，驱动保护线路板上还设有温度保护监测电路，该温度保护监测电路包括电容C8、光耦U2、电阻R8至电阻R11和稳压三极管U3，所述电阻R8和电阻R9串联形成串联之路，该串联之路的一端和电阻R10的一端连接一直流电，电容C8的一端和稳压三极管U3的参考端均连接在电阻R8与电阻R9之间，电容C8的另一端、稳压三极管U3的阳极和串联之路的另一端均接地；电阻R10的另一端通过电阻R11连接稳压三极管U3的阴极，光耦U2的输入负极连接稳压三极管U3的阴极，光耦U2的输入正极连接在电阻R10和电阻R11之间；光耦U2的发射极连接外部输入信号负极端，光耦U2的集电极连接一外部电路。

优选的，所述稳压三极管U3的型号为TL431。

相比现有技术，本实用新型的有益效果在于：

本实用新型利用全铜散热基底结合陶瓷板有效解决了散热困难的问题，提供大面积的电流通道，多个Mosfet芯片同时驱动，使得通过的电流能够超过3000A。

附图说明

图1为本实用新型的低压大电流Mosfet功率模块的结构图。

图2为本实用新型的正负压产生电路的电路结构图。

图3为本实用新型的隔离驱动电路的电路结构图。

图4为本实用新型的栅极驱动保护电路的电路结构图。

图5为本实用新型的温度保护监测电路的电路结构图。

其中，1、全铜散热基底；2、陶瓷板；3、驱动保护线路板；4、Mos芯片阵列；5、外壳；51、围壁；52、顶盖。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对本实用新型做进一步描述：

参见图1，本实用新型提供低压大电流Mosfet功率模块，包括全铜散热基底1、陶瓷板2、驱动保护线路板3以及若干个Mosfet芯片，若干个Mosfet芯片两两并联连接形成Mosfet芯片阵列4。驱动保护线路板3和陶瓷板2均固定在全铜散热基底1上，Mosfet芯片阵列4固定在陶瓷板2上，且Mosfet芯片阵列4中每一个Mosfet芯片的漏极均与陶瓷板2焊接，每一个Mosfet芯片的栅极和源极均与驱动保护线路板3连接；所述驱动保护线路板3用于根据来自外部的通断信号输出正反压驱动信号至Mosfet芯片阵列4，以控制Mosfet芯片阵列4的通断。

陶瓷板2为氧化铝陶瓷板，全铜散热基底1是作为整个功率模块的结构支撑，并提供大面积的电流通道以及散热功能。陶瓷板2为Mosfet芯片与全铜散热基底1之间提供一层绝缘低热阻的过渡通道，并提供一端低阻抗的导电通道。Mosfet芯片阵列4为本实用新型中的核心部件，通过多个Mosfet芯片的并联封装，例如第一个Mosfet芯片与第二个Mosfet芯片并联，第一个Mosfet芯片的栅极与第二个Mosfet芯片的栅极连接，第一个Mosfet芯片的源极与第二个Mosfet 芯片的源极连接，这两个Mosfet芯片的漏极都连接到陶瓷板。同样的，假如第三个Mosfet芯片与第二个Mosfet芯片并联，第三个Mosfet芯片的栅极与第二个Mosfet芯片的栅极连接，第三个Mosfet芯片的源极与第二个Mosfet芯片的源极连接，以此类推，实现大电流的Mosfet导电通道。驱动保护线路板3具有多个电路。其为Mosfet芯片阵列4提供隔离正反压驱动信号，还可以提供温度保护故障反馈。

在Mosfet芯片阵列4上覆盖有绝缘填充层，绝缘填充层为高分子硅胶材料，能够为内部器件提供绝缘、低热阻的运行环境。

本实用新型还可以设置一个外壳5，外壳包括围壁51和顶盖52，围壁51固定在全铜散热基底1上，顶盖52连接在围壁41的顶沿，顶盖42与围壁41连接形成容纳空间，所述陶瓷板2、驱动保护线路板3以及Mosfet芯片阵列4均位于该容纳空间内。外壳5实现外观的整体封装。

模块内部采用焊接工艺把各个器件焊接结合在一起，根据Mosfet芯片的热传递路径，通过陶瓷板，全铜散热基底为模板内部热量提供一条低热阻的散热路径，通过该放手，Mosfet芯片产生的热量能够透过陶瓷板和全铜散热基底最终传输到外部连接的散热器上。

参见图2至图5，本实用新型的驱动保护线路板上设有正负压产生电路、隔离驱动电路和若干个数量与Mosfet芯片一致的栅极驱动保护电路，栅极驱动保护电路与Mosfet芯片一一对应；正负压产生电路连接Mosfet芯片阵列的源极端，隔离驱动电路连接Mosfet芯片阵列的栅极端，Mosfet芯片阵列的栅极端和源极端均与栅极驱动保护电路连接，且栅极驱动保护电路还连接对应的Mosfet芯片的栅极。实现对Mosfet芯片阵列控制通断的是隔离驱动电路，其能够接受外部的通断信号，产生正反压驱动信号至Mosfet芯片阵列。

正负压产生电路包括电容C1至电容C7、二极管D1、电阻R1和电阻R2；电容C1的一端、电阻R1的一端和二极管D1的负极均与Mosfet芯片阵列的源极端DrvS连接；电容C1的另一端、电阻R1的另一端、电阻R2的一端、电容C2的一端、电容C3的一端、电容C4的一端均与一直流电VCC连接；电阻R2的另一端、电容C5的一端、电容C6的一端和电容C7的一端均与电阻R1的一端连接；电容C2的另一端、电容C3的另一端、电容C4的另一端、电容C5的另一端、电容C6的另一端、电容C7的另一端和二极管D1的正极均接地。

二极管D1、电阻R1、电阻R2、电容C5、电容C6和电容C7组成而成稳压及储能电路，为输入的电压提供一个稳定的偏置电位，而该电位则作为Mosfet芯片源极的固定电平。以该固定电平作为参考电平，渠道输入电源正侧为正电压，而渠道输入电源负侧为负电压。

隔离驱动电路包括光耦芯片U1、二极管D2、二极管D3、电阻R3至电阻R5、三极管Q1和三极管Q2；所述二极管D2的正极连接外部输入信号正极端Drv+，二极管D3的正极连接外部输入信号负极端Drv-，二极管D2的负极通过电阻R3连接二极管D3的负极，二极管D3的负极和电阻R4的一端均与光耦芯片U1的输入正极连接，二极管D3的正极和电阻R4的另一端均与光耦芯片U1的输入负极连接；三极管Q1的基极和三极管Q2的基极均通过电阻R5连接光耦芯片U1的输出端out，三极管Q1的发射极和三极管Q2的发射极均连接Mosfet芯片阵列的栅极端DrvG；光耦芯片U1的供电端vin和三极管Q1的集电极均连接一直流电；光耦芯片U1的地端gnd和三极管Q2的集电极均接地。

光耦芯片U1、三极管Q1和三极管Q2组成的推挽电路，形成带隔离的驱动电路，当光耦芯片U1的输入端有高电平信号时，那么Mosfet芯片的栅极上有正电压的驱动电压，使其导通；当光耦芯片U1的输入端没有信号输入时，那么Mosfet芯片的栅极上有负电压的驱动电压，使其可靠关闭。

栅极驱动保护电路包括电阻R6、电阻R7、二极管D4和瞬态二极管D5，二极管D4的负极和电阻R6的一端均与Mosfet芯片阵列的栅极端DrvG连接，二极管D4的正极和电阻R6的另一端连接电阻R7的一端，电阻R7的另一端连接Mosfet芯片阵列的源极端DrvS，电阻R7的一端还连接该栅极驱动保护电路对应的Mosfet芯片的栅极MosG；瞬态二极管D5并联在电阻R7的两端。

栅极驱动保护电路的数量与Mosfet芯片的数量一致，本实用新型Mosfet芯片的数量优选为14颗，可以组成两个Mosfet芯片阵列，一个Mosfet芯片阵列包括7颗Mosfet芯片。因而栅极驱动保护电路也对应为14个，对应第一颗Mosfet芯片的栅极驱动保护电路，则其电阻R7的一端连接该Mosfet芯片的栅极，依次类推。而其余地方提到的连接Mosfet芯片阵列的栅极端、源极端，表示的是若干个Mosfet 芯片并联后的整体的栅极和源极。

栅极驱动保护电路采用瞬态二极管D5进行栅极的过压保护，二极管D4作为关断时的快速放电通道。

本实用新型的驱动保护线路板还可设有温度保护监测电路，该温度保护监测电路包括电容C8、光耦U2、电阻R8至电阻R11和稳压三极管U3，所述电阻R8和电阻R9串联形成串联之路，该串联之路的一端和电阻R10的一端连接一直流电VCC，电容C8的一端和稳压三极管U3的参考端均连接在电阻R8与电阻R9之间，电容C8的另一端、稳压三极管U3的阳极和串联之路的另一端均接地；电阻R10的另一端通过电阻R11连接稳压三极管U3的阴极，光耦U2的输入负极连接稳压三极管U3的阴极，光耦U2的输入正极连接在电阻R10和电阻R11之间；光耦U2的发射极连接外部输入信号负极端Drv-，光耦U2的集电极连接一外部电路TP。

雪崩电阻R11和稳压三极管U3组成过温监控电路，当安装在模块内部的电阻R11达到触发温度时，电阻R11的内阻会迅速增大，从而稳压三极管U3会通过光耦U2把过温信号传送到外部电路，使外部电路知晓电路温度情况，并关闭Mosfet的驱动电压。

本实用新型的设计中，内阻仅为0.039mOhm。则相同通过3000A电流的情况下的热功率为：3000A*3000A*0.039mOhm＝975W，本设计方案比现有设计在该变换环节中节省72％的热损耗。采用集成化设计，单体容量可达3000A。能够为目前新能源行业，以及工业上的大电流应用提供可靠的基础器件支持。

对于Mosfet功率模块方面的一个控制方面，由于高频开关电源变压器输出端不能同时导通，因此Mosfe功率模块控制采用脉冲式导通方式，死区间隔达到nS极，充分利用了Mosfe功率模块开通功能，进一步提高高频开关电源的效率。其次，本实用新型采用全铜散热基底以及陶瓷板的散热方式，使整个模块本身具备散热条件，从而解决了发热量大，散热困难的问题。内部同时使用多个Mosfe芯片同时驱动，使得每个Mosfe芯通过的电流超过3000A，Mosfe芯使用焊接工艺，减小了连接件之间的压降。使得整个Mosfe芯通过3000A电流时的压降约为110mV。同时通过模块化的结构设计，使得大功率的Mosfet应用上能够节省大量的安装以及后续的维护工作量。

对本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本实用新型权利要求的保护范围之内。

Claims (8)

1.低压大电流Mosfet功率模块，其特征在于，包括全铜散热基底、陶瓷板、驱动保护线路板以及若干个Mosfet芯片，若干个Mosfet芯片两两并联连接形成Mosfet芯片阵列；所述驱动保护线路板和陶瓷板均固定在全铜散热基底上，所述Mosfet芯片阵列固定在陶瓷板上，且Mosfet芯片中每一个Mosfet芯片的漏极均与陶瓷板焊接，每一个Mosfet芯片的栅极和源极均与驱动保护线路板连接；所述驱动保护线路板用于根据来自外部的通断信号输出正反压驱动信号至Mosfet芯片阵列，以控制Mosfet芯片阵列的通断。

2.如权利要求1所述的低压大电流Mosfet功率模块，其特征在于，还包括外壳，所述外壳包括围壁和顶盖，围壁固定在全铜散热基底上，顶盖连接在围壁的顶沿，顶盖与围壁连接形成容纳空间，所述陶瓷板、驱动保护线路板以及Mosfet芯片阵列均位于该容纳空间内。

3.如权利要求1所述的低压大电流Mosfet功率模块，其特征在于，所述驱动保护线路板上设有正负压产生电路、隔离驱动电路和若干个数量与Mosfet芯片一致的栅极驱动保护电路，栅极驱动保护电路与Mosfet芯片一一对应；所述正负压产生电路连接Mosfet芯片阵列的源极端，隔离驱动电路连接Mosfet芯片阵列的栅极端，Mosfet芯片阵列的栅极端和源极端均与栅极驱动保护电路连接，且栅极驱动保护电路还连接对应的Mosfet芯片的栅极；所述正反压产生电路用于产生一固定电压至Mosfet芯片阵列的源极端；所述隔离驱动电路用于根据来自外部的通断信号输出正反压驱动信号至Mosfet芯片阵列，以控制Mosfet芯片阵列的通断。

4.如权利要求3所述的低压大电流Mosfet功率模块，其特征在于，所述正负压产生电路包括电容C1至电容C7、二极管D1、电阻R1和电阻R2；电容C1的一端、电阻R1的一端和二极管D1的负极均与Mosfet芯片阵列的源极端连接；电容C1的另一端、电阻R1的另一端、电阻R2的一端、电容C2的一端、电容C3的一端、电容C4的一端均与一直流电连接；电阻R2的另一端、电容C5的一端、电容C6的一端和电容C7的一端均与电阻R1的一端连接；电容C2的另一端、电容C3的另一端、电容C4的另一端、电容C5的另一端、电容C6的另一端、电容C7的另一端和二极管D1的正极均接地。

5.如权利要求4所述的低压大电流Mosfet功率模块，其特征在于，所述隔离驱动电路包括光耦芯片U1、二极管D2、二极管D3、电阻R3至电阻R5、三极管Q1和三极管Q2；所述二极管D2的正极连接外部输入信号正极端，二极管D3的正极连接外部输入信号负极端，二极管D2的负极通过电阻R3连接二极管D3的负极，二极管D3的负极和电阻R4的一端均与光耦芯片U1的输入正极连接，二极管D3的正极和电阻R4的另一端均与光耦芯片U1的输入负极连接；三极管Q1的基极和三极管Q2的基极均通过电阻R5连接光耦芯片U1的输出端，三极管Q1的发射极和三极管Q2的发射极均连接Mosfet芯片阵列的栅极端；光耦芯片U1的供电端和三极管Q1的集电极均连接一直流电；光耦芯片U1的地端和三极管Q2的集电极均接地。

6.如权利要求5所述的低压大电流Mosfet功率模块，其特征在于，所述栅极驱动保护电路包括电阻R6、电阻R7、二极管D4和瞬态二极管D5，二极管D4的负极和电阻R6的一端均与Mosfet芯片阵列的栅极端连接，二极管D4的正极和电阻R6的另一端连接电阻R7的一端，电阻R7的另一端连接Mosfet芯片阵列的源极端，电阻R7的一端还连接该栅极驱动保护电路对应的Mosfet芯片的栅极；所述瞬态二极管D5并联在电阻R7的两端。

7.如权利要求6所述的低压大电流Mosfet功率模块，其特征在于，驱动保护线路板上还设有温度保护监测电路，该温度保护监测电路包括电容C8、光耦U2、电阻R8至电阻R11和稳压三极管U3，所述电阻R8和电阻R9串联形成串联之路，该串联之路的一端和电阻R10的一端连接一直流电，电容C8的一端和稳压三极管U3的参考端均连接在电阻R8与电阻R9之间，电容C8的另一端、稳压三极管U3的阳极和串联之路的另一端均接地；电阻R10的另一端通过电阻R11连接稳压三极管U3的阴极，光耦U2的输入负极连接稳压三极管U3的阴极，光耦U2的输入正极连接在电阻R10和电阻R11之间；光耦U2的发射极连接外部输入信号负极端，光耦U2的集电极连接一外部电路。

8.如权利要求7所述的低压大电流Mosfet功率模块，其特征在于，所述稳压三极管U3的型号为TL431。