CN208014698U - 智能功率模块及空调器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种智能功率模块及空调器，该智能功率模块包括：安装载体；设置于安装载体上的功率驱动器、氮化镓晶体管及滤波电路；功率驱动器的输出端与滤波电路的输入端电连接，滤波电路的输出端与氮化镓晶体管的受控端电连接，功率驱动器的接地端与氮化镓晶体管的源极电连接。本实用新型解决了分立式封装的GaN器件和驱动器中，焊线和引线引入的寄生电感带来开关损耗、振铃的问题。

Description

智能功率模块及空调器

技术领域

本实用新型涉及电子电路技术领域，特别涉及一种智能功率模块、智能功率模块的制造方法及氮化镓智能功率模块。

背景技术

以SiC和GaN为代表的宽禁带半导体器件被誉为第三代半导体器件，其优异的特性引起了国内外学者的关注。氮化镓(GaN)晶体管的开关速度比硅MOSFET快很多，可以实现更低的开关损耗，这一特性使得氮化镓(GaN)晶体管开始应用于电力电子领域。

目前，氮化镓(GaN)晶体管大多为分立式器件封装，并受单独的驱动器驱动，然而独立封装的氮化镓(GaN)晶体管和驱动器需要采用大量的焊线和引线来实现电气连接，而焊线和引线将引入寄生电感，这些寄生电感会带来开关损耗、振铃的问题。

实用新型内容

本实用新型的主要目的是提出一种智能功率模块及空调器，旨在本实用新型解决了分立式封装的GaN器件和驱动器中，焊线和引线引入的寄生电感带来开关损耗、振铃的问题。

为实现上述目的，本实用新型提出的一种智能功率模块，所述智能功率模块包括：

安装载体；

设置于所述安装载体上的功率驱动器、氮化镓晶体管及滤波电路；

所述功率驱动器的输出端与所述滤波电路的输入端电连接，所述滤波电路的输出端与所述氮化镓晶体管的受控端电连接，所述功率驱动器的接地端与所述氮化镓晶体管的源极电连接。

优选地，所述滤波电路包括第一磁珠，所述第一磁珠的第一端为所述滤波电路的输入端，所述第一磁珠的第二端为所述滤波电路的输出端。

优选地，所述功率驱动器与与所述滤波电路通过金属线实现电连接，所述滤波电路与所述氮化镓晶体管通过金属线实现电连接。

优选地，所述智能功率模块还包括引脚，所述引脚设置于所述安装载体上，且通过金属线分别与所述功率驱动器和所述氮化镓晶体管电连接。

优选地，所述智能功率模块还包括封装壳体，所述功率驱动器及所述氮化镓晶体管设置于所述封装壳体内。

优选地，所述氮化镓晶体管为氮化镓型HEMT管。

优选地，所述安装载体为布线基板。

优选地，所述布线基板包括绝缘导热基板及形成于所述绝缘导热基板上的多个安装位；

所述功率驱动器、所述氮化镓晶体管及所述滤波电路分别安装在各所述安装位上。

优选地，所述安装载体为引线框架。

本实用新型还提出一种空调器，所述空调器包括如上所述的智能功率模块；所述智能功率模块包括：安装载体；设置于所述安装载体上的功率驱动器、氮化镓晶体管及滤波电路；所述功率驱动器的输出端与所述滤波电路的输入端电连接，所述滤波电路的输出端与所述氮化镓晶体管的受控端电连接，所述功率驱动器的接地端与所述氮化镓晶体管的源极电连接。

本实施例中，将氮化镓(GaN)晶体管、功率驱动器以及滤波电路集成在一封装壳体中，且氮化镓(GaN)晶体管的源极与功率驱动器的接地端电气连接，氮化镓(GaN)晶体管的栅极与滤波电路的一端电气连接，滤波电路的另一端与功率驱动器的输出端电气连接，如此设置，使得驱动氮化镓(GaN)晶体管与功率驱动器集成于一体，从而缩短了氮化镓(GaN)晶体管和功率驱动器之间的空间距离，无需PCB板物理连接，进而减少了由焊线和引线引入的寄生电感，甚至可以将栅极电感减少至1nH以下。本实用新型解决了分立式封装的GaN器件和驱动器中，焊线和引线引入的寄生电感带来开关损耗、振铃的问题。此外，本实用新型通过设置滤波电路，以避免功率驱动器在输出驱动信号至氮化镓晶体管的栅极时，驱动信号中的电磁干扰严重，可能引起氮化镓晶体管误开通或者击穿栅氧层造成损坏。如此设置，使得滤波电路能够吸收输出至氮化镓晶体管栅极的驱动信号中的电磁干扰及高频杂波，准确控制HEMT管栅极的上下沿速度，有利于提高HEMT管栅极的抗干扰能力，提升了智能功率模块的稳定性。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本实用新型智能功率模块一实施例的结构示意图；

图2为本实用新型智能功率模块另一实施例的结构示意图。

附图标号说明：

标号	名称	标号	名称
				10	安装载体	50	金属线
20	功率驱动器	60	引脚
				30	氮化镓晶体管	70	封装壳体
40	滤波电路	M	第一磁珠

本实用新型目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

需要说明，若本实用新型实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本实用新型实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本实用新型要求的保护范围之内。

本实用新型提出的一种智能功率模块。

参照图1及图2，在本实用新型一实施例中，该智能功率模块包括：

安装载体10；

设置于所述安装载体10上的功率驱动器20、氮化镓晶体管30及滤波电路40；

所述功率驱动器20的输出端与所述滤波电路40的输入端电连接，所述滤波电路40的输出端与所述氮化镓晶体管30的受控端电连接，所述功率驱动器20的接地端与所述氮化镓晶体管30的源极电连接。

本实施例中，安装载体10为功率驱动器20和氮化镓(GaN)晶体管30芯片的载体，安装载体10由高导热材料制成，可以采用引线框架或者布线基板来实现，布线基板包括绝缘导热基板及形成于所述绝缘导热基板上的安装位。安装载体10的形状可以根据功率驱动器20和氮化镓(GaN)晶体管30的大小确定，可以为方形，但不限于方形。

氮化镓晶体管30可以为氮化镓型HEMT管、氮化镓型MOS管或者氮化镓型IGBT，本实施例优选为氮化镓型HEMT管。

功率驱动器20用于在驱动氮化镓(GaN)晶体管导通时，给氮化镓(GaN)晶体管提供充电电流，以使氮化镓(GaN)晶体管的栅源极间电圧迅速上升至所需值，保证氮化镓(GaN)晶体管开关能快速导通。并在氮化镓(GaN)晶体管导通期间保证氮化镓(GaN)晶体管的栅源极间电圧维持稳定，以使氮化镓(GaN)晶体管可靠导通。

滤波电路40用于滤除所述功率驱动器20输出至氮化镓晶体管30的驱动信号中的电磁干扰信号以及高频噪音信号。

在同等导通电阻的情况下，氮化镓(GaN)晶体管，尤其是GaN HEMT(高电子迁移率晶体管)的终端电容较低，且没有体二极管所导致的反向恢复损耗，可以减小开关损耗。且氮化镓(GaN)晶体管的开关速度比硅MOSFET快，因此的总体开关性能要优于硅MOSFET，可以实现更高的开关频率，从而在保持合理开关损耗的同时，提升功率密度和瞬态性能。

参照图1及图2，图1为智能功率模块的结构示意图，在智能功率模块工作时，功率驱动器20在接收到外部输入的控制信号时，输出相应的PWM信号以驱动氮化镓(GaN)晶体管导通/截止，从而输出驱动电能，以驱动电机等负载工作。

需要说明的是，功率驱动器20和氮化镓(GaN)晶体管大多采用独立封装，再通过PCB板上的电路布线层和焊接材料实现电气连接，这样，每个封装以及PCB板都会有引入寄生电感的焊线和引线，这些寄生电感会带来开关损耗、振铃和可靠性等问题。寄生电感主要有共源电感和栅极环路电感。

在GaN的独立封装中，例如TO-220封装，由焊线和封装引线引入的共源电感高于10nH，而共源电感会限制氮化镓(GaN)晶体管汲取电流的压摆率(di/dt)，降低开关速度，且容易增加开关损耗。

栅极环路电感包括栅极电感和驱动器接地电感。栅极电感是驱动器输出端与GaN栅极之间的电感，具体包括驱动器输出焊线(Ldrv_out)、连接功率驱动器20输出端和氮化镓(GaN)晶体管栅极的PCB迹线(Lg_pcb)，以及GaN栅极焊线(Lg_gan)。基于不同的封装尺寸，栅极电感从紧凑型表面贴装封装(例如，四方扁平无引线封装)的几纳亨到有引线功率封装(例如TO-220)的10nH以上不等。氮化镓(GaN)晶体管在关闭期间，GaN栅极被一个电阻器下拉，这个电阻器的电阻值需要足够低，器件才不会在开关期间由于漏极被拉高而又重新接通。这个电阻器与GaN器件的栅源电容和栅极环路电感组成了一个电感器-电阻器-电容器(L-R-C)电路，其品质因数Q表示为：

由(1)式可知，栅极环路电感值与品质因数Q成正比，品质因数Q越大时，振铃变得更高。

为了减少功率驱动器20和氮化镓(GaN)晶体管采用独立封装，再通过PCB板上的电路布线层和焊接材料实现电气连接时，引入的寄生电感，本实施例中，将氮化镓(GaN)晶体管30、功率驱动器20以及滤波电路40集成在一封装壳体中，且氮化镓(GaN)晶体管30的源极S与功率驱动器20的接地端GND电气连接，氮化镓(GaN)晶体管30的栅极与滤波电路40的一端电气连接，滤波电路40的另一端与功率驱动器20的输出端电气连接，如此设置，使得驱动氮化镓(GaN)晶体管30与功率驱动器20集成于一体，从而缩短了氮化镓(GaN)晶体管30和功率驱动器20之间的空间距离，无需PCB板物理连接，进而减少了由焊线和引线引入的寄生电感，甚至可以将栅极电感减少至1nH以下。本实用新型解决了分立式封装的GaN器件和驱动器中，焊线和引线引入的寄生电感带来开关损耗、振铃的问题。此外，本实用新型通过设置滤波电路40，以避免功率驱动器20在输出驱动信号至氮化镓晶体管30的栅极时，驱动信号中的电磁干扰严重，可能引起氮化镓晶体管30误开通或者击穿栅氧层造成损坏。如此设置，使得滤波电路40能够吸收输出至氮化镓晶体管30栅极的驱动信号中的电磁干扰及高频杂波，准确控制HEMT管栅极的上下沿速度，有利于提高HEMT管栅极的抗干扰能力，提升了智能功率模块的稳定性。

参照图1及图2，进一步地，上述实施例中，所述滤波电路40包括第一磁珠M，所述第一磁珠M的第一端为所述滤波电路40的输入端，所述第一磁珠M的第二端为所述滤波电路40的输出端。

本实施例中，滤波电路40优选采用磁珠来实现，通过设置磁珠以滤除输出至氮化镓晶体管30栅极的驱动信号中的电磁干扰及高频杂波。

参照图1及图2，在一优选实施例中，所述功率驱动器20与所述滤波电路40通过金属线50实现电连接，所述滤波电路40与所述氮化镓晶体管30通过金属线50实现电连接。

本实施例中，该金属线50可以采用铜线、银线等导电性良好的金属导线来实现，功率驱动器20与氮化镓晶体管30及滤波电路40之间，以及氮化镓晶体管30与滤波电路40之间通过金属线50实现电气连接，使得功率驱动器20输出的驱动信号能够传输至功率元件40，从而控制功率元件40导通/截止。并且功率驱动器20输出的驱动信号还经滤波电路40实现滤波，从而避免功率驱动器20在输出驱动信号至氮化镓晶体管30的栅极时，驱动信号中的电磁干扰严重，可能引起氮化镓晶体管30误开通或者击穿栅氧层造成损坏。

参照图1及图2，在一优选实施例中，所述智能功率模块还包括引脚60，所述引脚60设置于所述安装载体10上，且通过金属线50分别与所述功率驱动器20和所述氮化镓晶体管30电连接。

本实施例中，引脚60可以采用鸥翼型或者直插型，本实施例优选为直插型。引脚60焊接在安装载体10上对应的安装位上的焊盘位置，并通过金属线50与功率驱动器20和氮化镓晶体管30实现电气连接。

参照图1及图2，在一优选实施例中，所述智能功率模块还包括封装壳体70，所述功率驱动器20及所述氮化镓(GaN)晶体管30设置于所述封装壳体70内。

上述实施例中，所述封装壳体70为导热绝缘黑色硅胶或环氧树脂黑色胶材质。

本实施例中，在封装时，采用导热绝缘黑色硅胶或环氧树脂黑色胶材质将功率驱动器20和氮化镓(GaN)晶体管30进行包覆封装，从而形成智能功率模块。

参照图1及图2，在一优选实施例中，所述智能功率模块还包括绝缘层(图未示出)以及形成于所述绝缘导热基板上的多个安装位。

本实施例中，安装位优选采用导电银胶或焊锡膏等材料制成，以实现所述功率驱动器20的接地端GND与所述氮化镓(GaN)晶体管30的源极S之间固定且电气连接，以及所述功率驱动器20的输出端与滤波电路40的一端固定且电气连接，滤波电路40的另一端与氮化镓(GaN)晶体管30的栅极之间固定且电气连接。

绝缘层优选采用热塑性胶或者热固性胶等材料制成，以实现所述功率驱动器20的接地端输入端焊垫IN与所述氮化镓(GaN)晶体管30的栅极焊垫D之间固定连接且绝缘。

本实用新型还提出一种空调器，所述空调器包括如上所述的智能功率模块。该智能功率模块的详细结构可参照上述实施例，此处不再赘述；可以理解的是，由于在本实用新型空调器中使用了上述智能功率模块，因此，本实用新型空调器的实施例包括上述智能功率模块全部实施例的全部技术方案，且所达到的技术效果也完全相同，在此不再赘述。

本实施例中，可以理解的是，智能功率模块还可以应用到逆变电源、变频器、制冷设备、冶金机械设备、电力牵引设备等设备中。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是在本实用新型的实用新型构思下，利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种智能功率模块，其特征在于，所述智能功率模块包括：

安装载体；

设置于所述安装载体上的功率驱动器、氮化镓晶体管及滤波电路；

所述功率驱动器的输出端与所述滤波电路的输入端电连接，所述滤波电路的输出端与所述氮化镓晶体管的受控端电连接，所述功率驱动器的接地端与所述氮化镓晶体管的源极电连接。

2.如权利要求1所述的智能功率模块，其特征在于，所述滤波电路包括第一磁珠，所述第一磁珠的第一端为所述滤波电路的输入端，所述第一磁珠的第二端为所述滤波电路的输出端。

3.如权利要求1所述的智能功率模块，其特征在于，所述功率驱动器与所述滤波电路通过金属线实现电连接，所述滤波电路与所述氮化镓晶体管通过金属线实现电连接。

4.如权利要求1所述的智能功率模块，其特征在于，所述智能功率模块还包括引脚，所述引脚设置于所述安装载体上，且通过金属线分别与所述功率驱动器和所述氮化镓晶体管电连接。

5.如权利要求1所述的智能功率模块，其特征在于，所述智能功率模块还包括封装壳体，所述功率驱动器及所述氮化镓晶体管设置于所述封装壳体内。

6.如权利要求1所述的智能功率模块，其特征在于，所述氮化镓晶体管为氮化镓型HEMT管。

7.如权利要求1至6任意一项所述的智能功率模块，其特征在于，所述安装载体为布线基板。

8.如权利要求7所述的智能功率模块，其特征在于，所述布线基板包括绝缘导热基板及形成于所述绝缘导热基板上的多个安装位；

所述功率驱动器、所述氮化镓晶体管及所述滤波电路分别安装在各所述安装位上。

9.如权利要求8所述的智能功率模块，其特征在于，所述安装载体为引线框架。

10.一种空调器，其特征在于，所述空调器包括如权利要求1至9任意一项所述的智能功率模块。