CN208015601U - 一种三相全桥电路及智能功率模块 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种三相全桥电路及智能功率模块，该智能功率模块IPM内部的三相全桥电路包括6个功率开关器件，该6个功率开关器件使用氮化镓集成组芯片。三相全桥电路具体包括：实现三相全桥电路连接走线的PCB板和倒装在所述PCB板上并借助于所述连接走线形成三相全桥电路的至少一个氮化镓集成组芯片；氮化镓集成组芯片的所有连接焊盘均位于所述组芯片的同一面，且朝向所述PCB板，利用倒装工艺与所述PCB板上对应的焊盘焊接。本实用新型可降低IPM的成本、减少体积、减少智能功率模块中三相全桥电路部分的功率损耗，大大减少焊线和引线带来的寄生参数而导致的开关损耗、振铃等问题，同时降低了IPM在SIP封装时的工艺复杂度。

Description

一种三相全桥电路及智能功率模块

技术领域

本实用新型涉及IPM技术领域，特别是一种三相全桥电路及智能功率模块。

背景技术

如图1所示，智能功率模块(IPM，Intelligent Power Module)是把功率开关器件(主要是IGBT或MOS)和驱动组件、保护组件集成在一起。保护组件一般有过电压，过电流和过热等故障检测及保护组件，并可将检测信号送到MCU。IPM在各种电机驱动、变频器、逆变器、大功率电源等电力电子领域应用广泛。IPM内部一般集成有6个或7个大功率开关器件，目前的大功率开关器件是IGBT(如图2B所示)或MOS(如图2A所示)。

图2B中示出的大功率开关器件为绝缘栅双极型晶体管(IGBT，Insulated GateBipolar Transistor)，IGBT属于电力电子中常用的一种功率开关器件，其电路符号如图3所示。

图2A中示出的大功率开关器件为金属-氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET，Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)，简称MOS/MOS管，是电力电子中常用的功率开关器件。其电路符号如图4所示。

另外，图2A和图2B中还使用到一个快恢复二极管(FRD，Fast Recovery Diode)，属于二极管中的一种，反向恢复速度快，广泛应用于功率处理电路。二极管的电路符号如图5所示。

图6示出了一种三相逆变桥的示意图，三相逆变桥又称三相全桥逆变或三相桥式逆变电路或三相全桥电路，即由2个功率开关管两两串联组成半桥，再把3对串联后功率管的部分电极连接在一起的方式。主要用于各种电机驱动、电源等，图2B中的IPM内部也包含此电路。

目前，IPM内部三相全桥电路使用的功率管都是IGBT或MOS管，根据用处的不同，内部集成有6个(组成三相全桥电路)或7个(一个用于PFC电路，6个用于三相全桥电路)功率开关管，同时每个功率开关管并联有快恢复的二极管(FRD)。

现有的IPM的缺陷如下：

1、使用IGBT或MOS的IPM，每个IGBT或MOS都需并联一个通流能力跟IGBT或MOS类似的快恢复二极管，成本较贵，体积较大，同时增加了将二极管连接进IPM电路的工艺复杂度。

2、使用IGBT或MOS的IPM，因IGBT或MOS的管芯裸片是立体结构，在将IGBT或MOS连接进IPM的电路板时，三个电极只有一个能直接焊接在IPM的电路板上，其它两个需要靠打线的方式连接，而打线的工艺复杂，成本较贵。使用IGBT的IPM内部打线的简单示意图，如图7和图8所示。

在图7中，IGBT M5通过打线连接FRD M6，以及FRD M6通过铝线M7连接到IPM的电路板，且电路板下方依次设有绝缘导热片M2和铝散热片M1。在图7中还示出了IPM中的其它功能IC M3通过金线M4与电路板连接。在图8中，左侧示出了IGBT或MOS芯片M8的结构，右侧示出了IPM内SIP的PCB板M14及位于PCB板上的IGBT或MOS芯片M8，该芯片中G极M10、S极M11通过打线M9连接到PCB上焊盘M13，IGBT或MOS芯片M8只有D极M12焊接在焊盘M13上。

3、在IPM的电路板上使用MOS时，也是类似情况。这主要是因为IGBT或MOS的芯片是垂直结构，用在SIP封装时，G极或S极需要通过打线的方式和PCB上的线路连在一起，如图7和图8所示。

4、使用IGBT或MOS的IPM，因打线比较多，而打线的电气分布参数不好控制，容易引入过大的寄生电感，影响IPM的性能。

为此，提供一种能够解决上述问题的芯片/电路成为当前亟需解决的问题。

实用新型内容

针对现有技术中的问题，本实用新型提供一种三相全桥电路及智能功率模块。

第一方面，本实用新型提供一种三相全桥电路，包括：6个功率开关器件，所述6个功率开关器件采用至少一个氮化镓集成组芯片形成，所述三相全桥电路包括：实现三相全桥电路连接走线的PCB板和倒装在所述PCB板上并借助于所述连接走线形成三相全桥电路的所述至少一个氮化镓集成组芯片；

每一个氮化镓集成组芯片的所有连接焊盘均位于所述氮化镓集成组芯片的同一面，且朝向所述PCB板，并与所述PCB板上对应的焊盘焊接。

可选地，所述6个功率开关器件中的每一个分别对应于所述至少一个氮化镓集成组芯片中的一个氮化镓高电子迁移率晶体管结构。

可选地，所述三相全桥电路包括六个倒装在所述PCB板上的氮化镓集成组芯片，每个所述氮化镓集成组芯片包括单个氮化镓高电子迁移率晶体管结构，其形式为封装后的芯片或未经封装的裸芯片；或者，

所述三相全桥电路包括三个倒装在所述PCB板上的氮化镓集成组芯片，每个所述氮化镓集成组芯片内部集成了半桥形式的氮化镓高电子迁移率晶体管结构，所述氮化镓集成组芯片的形式是封装后的芯片或未经封装的裸芯片；或者，

所述三相全桥电路包括两个倒装在所述PCB板上的氮化镓集成组芯片，每个所述氮化镓集成组芯片内部集成了三个氮化镓高电子迁移率晶体管结构，且所述氮化镓集成组芯片的形式是封装后的芯片或未经封装的裸芯片，其中一个氮化镓集成组芯片用作所述三相全桥电路高端的功率开关，另一个所述氮化镓集成组芯片用作所述三相全桥电路低端的功率开关；或者，

所述三相全桥电路包括一个倒装在所述PCB板上的氮化镓集成组芯片，所述氮化镓集成组芯片内部集成六个氮化镓高电子迁移率晶体管结构，且所述氮化镓集成组芯片的形式是封装后的芯片或未经封装的裸芯片。

可选地，所述三相全桥电路的输入端、输出端和用于与外部电路连接的连接端均为所述PCB板上的焊盘电极。

可选地，所述氮化镓集成组芯片的内部还包括用于驱动内部氮化镓高电子迁移率晶体管结构的驱动电路，所述氮化镓集成组芯片内部每一个氮化镓高电子迁移率晶体管结构对应一个驱动电路。

可选地，所述氮化镓集成组芯片中的一个、部分或全部氮化镓高电子迁移率晶体管结构的D极焊盘和S极焊盘之间连接有快恢复特性的二极管。

可选地，所述氮化镓高电子迁移率晶体管结构为E-Mode GaN HEMT或Cascode级联的GaN HEMT，所述Cascode级联的GaN HEMT由D-Mode GaN HEMT和LVMOSFET构成。

第二方面，本实用新型还提供一种智能功率模块，该智能功率模块内部的三相全桥电路采用上述任一所述的三相全桥电路。

可选地，所述智能功率模块还包括：方便外部控制器驱动和/或保护所述智能功率模块IPM的驱动组件和/或保护组件；

所述驱动组件和/或所述保护组件分别借助于所述PCB板上的焊盘电极与所述三相全桥电路连接。

可选地，所述三相全桥电路的输入端和输出端均连接到所述智能功率模块IPM的引脚上作为所述IPM连接外部电路或负载的端口。

本实用新型具有的有益效果：

1)在IPM里使用GaN HEMT取代IGBT或MOS，因GaN HEMT特殊的反向特性使得GaNHEMT用在IPM内部时不需要并联二极管，省去了6个二极管的成本，减小封装后IPM的体积、降低IPM生产的工艺复杂度，同时少了二极管在开关过程中的损耗，提高IPM的效率。

2)在IPM内使用GaN HEMT取代全部的IGBT或MOS及并联在IGBT或MOS上的FRD，利用GaN HEMT电极在同一个平面的特性，将GaN HEMT倒装在PCB上，三个电极均可直接通过焊接的形式连接进IPM的电路里。由此，可大大减少IPM内部打线的数量，工艺简单、加工成本低。同时也减小了三相全桥电路部分占用IPM的面积。另一个好处是焊接的连接方式功率管芯片到PCB板之间的热阻很小，有利于功率芯片的散热。

3)在IPM内使用GaN HEMT取代IGBT或MOS，通过PCB上走线的方式将GaN HEMT连接进IPM的电路里，可方便减少三相全桥电路中连接线上的分布寄生参数，也很容易通过PCB走线的宽度、覆铜的厚度等改变过载电流的大小。

附图说明

图1为现有技术中IPM的外观示意图；

图2A为现有技术中采用MOS的IPM的原理示意图；

图2B为现有技术中采用IGBT的IPM的原理示意图；

图3为现有技术中IGBT的电路符号示意图；

图4为现有技术中MOS的电路符号示意图；

图5为现有技术中FRD的电路符号示意图；

图6为现有技术中的三相全桥电路的示意图；

图7和8分别为现有技术中使用IGBT/MOS进行SIP封装的内部打线示意图；

图9A为本实用新型中的氮化镓高电子迁移率晶体管的电路符号示意图；

图9B和图9C分别为本实用新型实施例2中的三相全桥电路的示意图；

图9D为本实用新型实施例2中的IPM的示意图；

图9E为本实用新型实施例2中三相全桥电路中单个GaN HEMT的焊接示意图；

图10A为本实用新型实施例3中三相全桥电路的示意图；

图10B为本实用新型实施例3中的IPM的示意图；

图10C和图10D分别为本实用新型实施例3中的三相全桥电路的原理示意图；

图10E为本实用新型实施例3中三相全桥电路的部分连接端的示意图；

图11A为本实用新型实施例4中三相全桥电路的示意图；

图11B为本实用新型实施例4中的IPM的示意图；

图12A为本实用新型实施例5中三相全桥电路的示意图；

图12B和图12C分别为本实用新型实施例5中的IPM的示意图；

图13A至图13F分别为本实用新型实施例2至实施例5中集成组芯片中每一个氮化镓高电子迁移率晶体管结构的原理图；

图13G和图13H分别为本实用新型实施例中三相全桥电路的示意图；

图14和图15分别为本实用新型实施例1中的IPM的示意图；

图16为现有技术的MOS和本实用新型的GaN HEMT的反向恢复电荷对比示意图。

附图标记说明

图7中：铝散热片M1、绝缘导热片M2、其它功能IC M3、金线M4、IGBT M5、FRD M6、铝线M7；

图8中：IGBT或MOS芯片M8、打线M9、G极M10、S极M11、D极M12、PCB上的焊盘M13、IPM内SIP的PCB板M14；

图10E中：输入端1P1、输入端2P2、输出端P3、高边控制端P4、低边控制端P5。

	实施例2	实施例3	实施例4	实施例5
					三相全桥电路	10	20	30	40
PCB板	11	21	31	41
					氮化镓集成组芯片	12	22	32	42
第一走线	13	23	33	43

具体实施方式

为了更好的解释本实用新型，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本实用新型作详细描述。

为更好的理解本实用新型的内容，对本实用新型中使用的部分词语解释如下：

正装：将封装后的芯片或未经封装的裸芯片的正面(包含连接焊盘的面)朝上，底部直接焊接在封装支架或PCB板上；

倒装：将封装后的芯片或未经封装的裸芯片上下面翻转，正面(包含连接焊盘的面)朝下，正面上的连接焊盘直接焊接在设计好连接走线的PCB板上；

本实用新型实施例中提及的氮化镓高电子迁移率晶体管结构可为E-ModeGaNHEMT或Cascode级联的GaN HEMT，其中，Cascode级联的GaN HEMT由D-Mode Gan HEMT和LVMOSFET构成。

GaN HEMT：氮化镓高电子迁移率晶体管。

需要说明的是，本实用新型实施例中提及的打线是指通过引线方式将两个焊盘/电极连接的。本实用新型实施例中的焊盘焊接具体是指不采用打线的方式将两个焊盘电连接的，例如，可以通过焊料方式实现焊接，或粘合剂方式实现焊盘焊接。

实施例1

本实施例提供一种智能功率模块，智能功率模块内部的三相全桥电路包括6个功率开关器件，6个功率开关器件采用至少一个氮化镓集成组芯片形成(参见下述实施例2至实施例5的描述)。

本实施例中的三相全桥电路包括：实现三相全桥电路连接走线的PCB板和倒装在所述PCB板上并借助于所述连接走线形成三相全桥电路的所述至少一个氮化镓集成组芯片；

每一个氮化镓集成组芯片的所有连接焊盘均位于所述氮化镓集成组芯片的同一面，且朝向所述PCB板，并与所述PCB板上对应的焊盘焊接，此时，三相全桥电路的输入端和输出端均连接到IPM的引脚上作为所述IPM连接外部电路或负载的端口。

需要说明的是，六个功率开关器件中的每一个分别对应于至少一个氮化镓集成组芯片中的一个氮化镓高电子迁移率晶体管结构。图9A示出了功率开关器件的电路符号示意图。

在具体实现中，如图14所示，一种智能功率模块上的三相全桥电路使用集成氮化镓高电子迁移率晶体管结构的组芯片的原理示意图，及其中的任一个氮化镓高电子迁移率晶体管三个电极图示。图15展示了在智能功率模块的PCB板上的氮化镓集成组芯片的焊盘，每个氮化镓高电子迁移率晶体管结构对于一组G、D、S的焊盘。

本实施例的智能功率模块还包括：方便外部控制器驱动和/或保护所述智能功率模块IPM的驱动组件和/或保护组件，如图14和图15所示；

本实施例中的驱动组件和/或所述保护组件可分别借助于所述PCB板上的焊盘电极与所述三相全桥电路连接，图中未示出驱动组件、保护组件对应的连接关系。

本实施例的三相全桥电路中采用氮化镓高电子迁移率晶体管结构作为功率开关器件，以替换现有技术中的IGBT或MOS管，因氮化镓高电子迁移率晶体管没有寄生的体二极管，因此在工作过程中反向恢复损耗比传统的IGBT或MOS低，有利于提高IPM的效率。一个典型的展示MOS和GaN HEMT的反向恢复电荷对比结果如图16所示。阴影部分的面积为反向恢复电荷，此电荷越小，代表反向恢复损耗越小。

本实施例的三相全桥电路中采用氮化镓高电子迁移率晶体管结构作为功率开关器件，以替换现有技术中的IGBT或MOS管，可有效减少应用在IPM内部打线的数量，工艺简单、加工成本低。

本实施例中三相全桥电路的体积非常小，进而三相全桥电路占用IPM的面积非常小。

此外，在三相全桥电路中氮化镓集成组芯片的连接焊盘与PCB板上的焊盘焊接，使得氮化镓集成组芯片到PCB板之间的热阻很小，有利于功率芯片的散热；另外，还可方便控制分布寄生参数，以寄生电感为例，寄生电感会引起开关电路的振荡，增大开关损耗。长度为l，宽度为W的PCB走线其寄生电感值L为：

在制备三相全桥电路时，可预先设计合适的PCB板，例如通过控制PCB连接走线的长度l和宽度W来控制寄生电感值，从而控制获得最优的寄生电感值。

另外，导体的电阻R跟导体的长度l和导体的横截面积S的关系为：R＝ρl/S，ρ为导体的电阻率。

因此很容易通过调整PCB走线的宽度、覆铜的厚度等改变PCB走线的电阻，从而满足不同过载电流大小的要求。

实施例2

本实施例针对包括六个氮化镓集成组芯片的三相全桥电路进行说明。

本实施例中的三相全桥电路包括六个倒装在所述PCB板上的氮化镓集成组芯片，每个所述氮化镓集成组芯片包括单个氮化镓高电子迁移率晶体管结构，其形式为封装后的芯片或未经封装的裸芯片。

如图9B所示，图9B示出了实施例2中的三相全桥电路的示意图，在图9B中虚线部分的G、S、D分别表示每个氮化镓集成组芯片的连接焊盘。

由于每个氮化镓集成组芯片12包括单个氮化镓高电子迁移率晶体管结构，则每个氮化镓集成组芯片的连接焊盘对应有G极焊盘、D极焊盘和S极焊盘。

另外，为方便描述，申请人将图9B中示出的六个氮化镓集成组芯片分成PCB板上依次排列的三组，如图9C中从左到右的三组，每一组包括上端一个氮化镓集成组芯片12和下端一个氮化镓集成组芯片12。

每一组中上端的氮化镓高电子迁移率晶体管结构的S极焊盘和下端的氮化镓高电子迁移率晶体管结构的D极焊盘通过PCB板内的第一走线13连接(如图9C所示)，并形成三相全桥电路的输出端。也就是说，上述的S极焊盘可连接第一走线的一端焊盘，D极焊盘可连接第一走线的另一端焊盘，此时，三个第一走线的一端焊盘可作为三相全桥电路的输出端。

进一步地，三组中上端的氮化镓高电子迁移率晶体管结构的D极焊盘均通过PCB板内的走线连接，形成三相全桥电路的一输入端；三组中下端的氮化镓高电子迁移率晶体管结构的S极焊盘均通过PCB板内的走线连接，形成三相全桥电路的另一输入端。即，三相全桥电路的输入端、输出端和用于与外部电路连接的连接端均为所述PCB板上的焊盘电极。

在图9E中，左侧示出了氮化镓集成组芯片的结构，该集成组芯片中的所有焊盘均位于芯片的同一面；右侧示出了左侧芯片与IPM内的PCB板的焊接示意图，上述连接方式均不需要任何打线。

本实施例中将氮化镓集成组芯片的所有连接端均在集成组芯片的同一面，进而可直接焊接在PCB上，如图9E所示的氮化镓集成组芯片的氮化镓高电子迁移率晶体管结构的焊盘和PCB板上对应焊盘的焊接示意图，由此，可采用PCB走线的方式跟IPM内的其它电路相连，比较用打线相连的方式(如图7和图8所示)，引入的寄生电感等参数容易控制，同时氮化镓集成组芯片焊接在PCB板上的方式使得集成组芯片内的氮化镓高电子迁移率晶体管结构和PCB之间的热阻低，便于氮化镓高电子迁移率晶体管结构借助PCB来散热。

此外，当三相全桥电路应用IPM中时，IPM中的驱动组件和/或保护组件均可借助于所述PCB板上的焊盘电极与上述三相全桥电路连接；以及三相全桥电路的输入端和输出端均连接到所述智能功率模块IPM的引脚上作为所述IPM连接外部电路或负载的端口，如图9D所示。

本实施例中在IPM内使用氮化镓高电子迁移率晶体管取代分立的IGBT或MOS作为功率开关器件，因氮化镓高电子迁移率晶体管无反向恢复损耗，开关速度较类似规格的IGBT或MOS快，利于提高IPM的开关速度，在电机驱动系统中应用时，可提高逆变三相正弦波的精度，降低谐波，减少电机绕组的发热。此外，与原有用IGBT或MOS的方案比，在IPM内部应用氮化镓高电子迁移率晶体管结构的集成组芯片，可利用氮化镓高电子迁移率晶体管特殊的反向特性，可省去外部并联的二极管，从而减小系统体积，降低系统成本。

另外，需要说明的是，图9B或图9C中三组上端的氮化镓高电子迁移率晶体管结构的D极焊盘通过PCB板内的走线连通，在其他实施例中，每组上端的D极焊盘可不连通，应用于IPM中时，每组上端的D极焊盘与PCB板上相应焊盘焊接后形成的输入端均可连接到IPM的引脚上。

本实施例并不对三相全桥电路的输入端的连接进行限定，可根据实际需要调整。

实施例3

本实施例针对包括三个氮化镓集成组芯片的三相全桥电路进行说明。

本实施例中的三相全桥电路20包括三个倒装在所述PCB板21上的氮化镓集成组芯片22，每个氮化镓集成组芯片22内部集成了半桥形式的氮化镓高电子迁移率晶体管结构，如图10A所示，所述氮化镓集成组芯片22的形式是封装后的芯片或未经封装的裸芯片。

图10A示出了实施例3中的三相全桥电路的示意图，在图10A中虚线部分的G、S、D分别表示为每个氮化镓集成组芯片的连接焊盘。

由于每个氮化镓集成组芯片22包括两个氮化镓高电子迁移率晶体管结构，则集成组芯片中每个氮化镓高电子迁移率晶体管结构对应有各自的G极焊盘、D极焊盘和S极焊盘。

每个集成组芯片中上端的氮化镓高电子迁移率晶体管结构的S极焊盘和下端的氮化镓高电子迁移率晶体管结构的D极焊盘可以在芯片内部连接，即通过一个晶圆制备的集成组芯片中上端的氮化镓高电子迁移率晶体管结构的S极焊盘和下端的氮化镓高电子迁移率晶体管结构的D极焊盘已经连通(图中未示出)。三相全桥电路使用该集成组芯片22相比较通过PCB板内第一走线相连，降低使用PCB板内走线的长度，减少寄生电感，从而更好的减少应用在IPM时的寄生振荡。

当然，在实际应用中，每个集成组芯片22中上端的氮化镓高电子迁移率晶体管结构的S极焊盘和下端的氮化镓高电子迁移率晶体管结构的D极焊盘也可以通过PCB板内的第一走线23连接。

本实施例中，每个集成组芯片22中上端的氮化镓高电子迁移率晶体管结构的S极焊盘和下端的氮化镓高电子迁移率晶体管结构的D极焊盘分别与PCB板上的焊盘焊接之后，通过PCB板上的焊盘电极形成三相全桥电路的输出端。

进一步地，三个集成组芯片中上端的氮化镓高电子迁移率晶体管结构的D极焊盘均通过PCB板内的走线连接，形成三相全桥电路的一输入端；三组中下端的氮化镓高电子迁移率晶体管结构的S极焊盘均通过PCB板内的走线连接，形成三相全桥电路的另一输入端。即，三相全桥电路的输入端、输出端和用于与外部电路连接的连接端均为所述PCB板上的焊盘电极。由此，可使得集成组芯片到PCB板之间的热阻很小，有利于集成组芯片的散热。

图10E示出了图10A中一个氮化镓芯片倒装后的三相全桥电路的输入端、输出端等接口的示意图，图10E中示出了输入端1P1、输入端2P2、高边控制端P4、低边控制端P5、输出端P3。

此外，当三相全桥电路应用于IPM中时，IPM中的驱动组件和/或保护组件均可借助于所述PCB板上的焊盘电极与所述三相全桥电路连接；以及三相全桥电路的输入端和输出端均连接到所述IPM的引脚上作为IPM连接外部电路或负载的端口，如图10B所示。

本实施例中，使用在同一晶圆上制造的一致性、上下管对称性优良的半桥形式的氮化镓高电子迁移率晶体管结构取代分立的IGBT或MOS。如图10C和图10D所示，由此，取消并联在IGBT或MOS上的快恢复二极管，从而减少IPM体积，降低IPM的成本，较好解决了现有技术中将FRD连接进IPM中的工艺复杂度。

特别地，在IPM内部使用3对在同一晶圆上制造的一致性、对称性优良的半桥形式的氮化镓高电子迁移率晶体管结构取代分立的IGBT或MOS，半桥内的两个氮化镓高电子迁移率晶体管结构本身已有电气连接，同时倒装在IPM内的PCB板上，可大大减少打线的连接，降低工艺的复杂度，降低加工成本。进一步地，可方便减少三相全桥电路中连接线上的分布寄生参数，也很容易通过PCB走线的宽度、覆铜的厚度等改变过载电流的大小。

另外，需要说明的是，图10B中三个集成组芯片上端的氮化镓高电子迁移率晶体管结构的D极焊盘通过PCB板内的走线连通，在其他实施例中，三个集成组芯片上端的D极焊盘可不连通，应用于IPM中时，每个集成组芯片上端的D极焊盘与PCB板上相应焊盘焊接后形成的输入端均可连接到IPM的引脚上。

实施例4

本实施例针对包括两个氮化镓集成组芯片的三相全桥电路进行说明。

本实施例中的三相全桥电路30包括两个倒装在所述PCB板31上的氮化镓集成组芯片，每个氮化镓集成组芯片内部集成了三个氮化镓高电子迁移率晶体管结构，如图11A所示，氮化镓集成组芯片的形式是封装后的芯片或未经封装的裸芯片，其中一个氮化镓集成组芯片32用作所述三相全桥电路高端的功率开关，另一个所述氮化镓集成组芯片32用作所述三相全桥电路低端的功率开关。

图11A示出了实施例4中的三相全桥电路的示意图，在图11A中虚线部分的G、S、D为每个氮化镓集成组芯片的连接焊盘。

由于每个氮化镓集成组芯片32包括三个氮化镓高电子迁移率晶体管结构，则集成组芯片中每个氮化镓高电子迁移率晶体管结构对应有各自的G极焊盘、D极焊盘和S极焊盘。

每个集成组芯片32中每一个氮化镓高电子迁移率晶体管结构的S极焊盘和另一个集成组芯片中对应位置的氮化镓高电子迁移率晶体管结构的D极焊盘通过PCB板内的第一走线33连接，以形成三相全桥电路的输出端。例如，三个第一走线的一端焊盘可作为三相全桥电路的输出端。

进一步地，用作三相全桥电路高端功率开关的集成组芯片中氮化镓高电子迁移率晶体管结构的D极焊盘均通过PCB板内的走线连接，形成三相全桥电路的一输入端；用作三相全桥电路低端的功率开关的氮化镓高电子迁移率晶体管结构的S极焊盘均通过PCB板内的走线连接，形成三相全桥电路的另一输入端。即，三相全桥电路的输入端、输出端和用于与外部电路连接的连接端均为所述PCB板上的焊盘电极。

或者，在其他实施例中，用作三相全桥电路高端功率开关的集成组芯片中氮化镓高电子迁移率晶体管结构的D极焊盘在该集成组芯片内连接；用作三相全桥电路低端的功率开关的氮化镓高电子迁移率晶体管结构的S极焊盘在该集成组芯片内连接，本实施例根据实际需要选择。

此外，当三相全桥电路应用IPM中时，IPM中的驱动组件和/或保护组件均可借助于所述PCB板上的焊盘电极与所述三相全桥电路连接；以及三相全桥电路的输入端和输出端均连接到所述IPM的引脚上作为IPM连接外部电路或负载的端口，如图11B所示。

实施例5

本实施例针对包括一个氮化镓集成组芯片的三相全桥电路进行说明。

本实施例中的三相全桥电路40包括一个倒装在所述PCB板41上的氮化镓集成组芯片42，每个氮化镓集成组芯片42内部集成了六个氮化镓高电子迁移率晶体管结构，如图12A所示，氮化镓集成组芯片的形式是封装后的芯片或未经封装的裸芯片。

图12A示出了实施例5中的三相全桥电路的示意图，在图12A中虚线部分的G、S、D为每个氮化镓集成组芯片的连接焊盘。

由于每个氮化镓集成组芯片包括六个氮化镓高电子迁移率晶体管结构，则集成组芯片中每个氮化镓高电子迁移率晶体管结构对应有各自的G极焊盘、D极焊盘和S极焊盘。

本实施例中集成组芯片42中上端的每一个氮化镓高电子迁移率晶体管结构的S极焊盘和下端对应位置的氮化镓高电子迁移率晶体管结构的D极焊盘通过PCB板内的第一走线43连接，以形成三相全桥电路的输出端。例如，三个第一走线的一端焊盘可作为三相全桥电路的输出端。

可选地，集成组芯片42中上端的每一个氮化镓高电子迁移率晶体管结构的S极焊盘和下端对应位置的氮化镓高电子迁移率晶体管结构的D极焊盘可在该集成组芯片内连接。

进一步地，集成组芯片42中上端的每一个氮化镓高电子迁移率晶体管结构的D极焊盘可在该集成组芯片42内连接，下端的每一个氮化镓高电子迁移率晶体管结构的S极焊盘可在该集成组芯片内连接，本实施例根据实际需要选择。

当集成组芯片倒装在PCB板上时，三相全桥电路的输入端、输出端和用于与外部电路连接的连接端均为所述PCB板上的焊盘电极。

此外，当三相全桥电路应用IPM中时，IPM中的驱动组件和/或保护组件均可借助于所述PCB板上的焊盘电极与所述三相全桥电路连接；以及三相全桥电路的输入端和输出端均可连接到所述IPM的引脚上作为IPM连接外部电路或负载的端口，如图12B和图12C所示，在图12C中示出了IPM中的用于连接负载如电机的输出端1、输出端2和输出端3。

实施例6

上述实施例2至实施例5中的每一个氮化镓集成组芯片中的氮化镓高电子迁移率晶体管结构的电路符号表示如图13A所示，上述的氮化镓高电子迁移率晶体管结构均可为单独的一个氮化镓高电子迁移率晶体管，且不需要连接FRD。图13A和图9A的内容一致，为了更好的说明本实施例，单独设置一个图13A。

在一种可选的实现方式中，上述实施例2至实施例5中的每一个氮化镓集成组芯片的内部还包括用于驱动内部氮化镓高电子迁移率晶体管结构的驱动电路，所述氮化镓集成组芯片内部每一个氮化镓高电子迁移率晶体管结构对应一个驱动电路，如图13B所示。即，氮化镓集成组芯片中每一个氮化镓高电子迁移率晶体管结构和相对应的驱动电路均是在晶圆制备过程中形成的。图13G示出了半桥形式的三个氮化镓集成组芯片倒装在PCB板上的三相全桥电路的示意图，图13H示出了全桥形式的一个氮化镓集成组芯片倒装在PCB板上的三相全桥电路的示意图。

在第二种可选的实现方式中，上述实施例2至实施例5中的每一个氮化镓集成组芯片中的一个、部分或全部氮化镓高电子迁移率晶体管结构的D极焊盘和S极焊盘之间连接有快恢复特性的二极管，如图13C所示。

在第三种可选的实现方式中，上述实施例2至实施例5中的每一个氮化镓集成组芯片中全部氮化镓高电子迁移率晶体管结构对应一个驱动电路，且一个、部分或全部氮化镓高电子迁移率晶体管结构的D极焊盘和S极焊盘之间连接有快恢复特性的二极管，如图13D所示。

在第四种可选的实现方式中，上述任意氮化镓集成组芯片中的氮化镓高电子迁移率晶体管结构为E-Mode GaN HEMT或Cascode级联的GaN HEMT，所述Cascode级联的GaNHEMT由D-Mode GaN HEMT和LVMOSFET构成。应说明的是，氮化镓集成组芯片中的Cascode级联的GaN HEMT均是在晶圆制备过程中形成的。

本实用新型实施例中，GaN HEMT焊接在PCB板上，采用PCB板内走线的方式跟IPM内的其它电路相连，比较用打线相连的方式，引入的寄生电感等参数容易控制，同时GaN HEMT焊接在PCB板上的方式使得GaN HEMT和PCB之间的热阻低，便于GaN HEMT借助PCB来散热。

在IPM内使用GaN HEMT取代IGBT或MOS，因GaN HEMT无反向恢复损耗，开关速度较类似规格的IGBT或MOS快，利于提高IPM的开关速度，在电机驱动系统中应用时，可提高逆变三相正弦波的精度，降低谐波，减少电机绕组的发热。

在第五种可选的实现方式中，上述任意氮化镓集成组芯片中的氮化镓高电子迁移率晶体管结构可以是多个晶体管子结构并联形成的一个氮化镓高电子迁移率晶体管结构，如图13E和图13F所示。这些并联的晶体管子结构是在通过一个晶圆制备裸芯片或带封装的芯片的过程中形成的。氮化镓高电子迁移率晶体管结构在芯片上呈现的仍是G极焊盘、D极焊盘和S极焊盘。

使用半桥或全桥形式的集成组芯片的优势：

使用上述实施例3中的三相全桥电路制作IPM时，可以解决实施例2中需要6个GaNHEMT，在IPM内部进行SIP封装时，占用的PCB面积比较大的缺陷。以及解决实施例2中三相全桥电路中对上下相连的集成组芯片的一致性要求比较高，需尽量选用一致性相同的两个集成组芯片放在同一个桥臂上，费时费力的缺陷。

针对实施例3和实施例5，其集成组芯片占用的PCB板面积小，全桥比半桥占用的PCB面积更小。不论是半桥或全桥，桥臂的上下两个氮化镓高电子迁移率晶体管结构都是在同一块晶圆上切割下来的，一致性好，省去在IPM的SIP封装前筛选一致性好的氮化镓高电子迁移率晶体管的过程。

在半桥或全桥的集成组芯片内部的上下两个氮化镓高电子迁移率晶体管结构之间的连接直接在芯片的晶圆上实现，比之用PCB相连寄生电感更小，有利于提高IPM的性能。

更进一步地，若使用带驱动的GaN HEMT半桥或全桥，集成度更高，因此需要SIP封装的面积更小，同时带了GaN的驱动，非常便于跟IPM的信号驱动电路相连。

本实用新型实施例中部分实施例中采用PCB描述，部分实施例中采用PCB板描述，其代表含义是相同的，均是实现三相全桥电路连接走线的PCB板。

还需要说明的是，本实用新型中提及的示例性实施例，基于一系列的步骤或者装置描述一些方法或系统。但是，本实用新型不局限于上述步骤的顺序，也就是说，可以按照实施例中提及的顺序执行步骤，也可以不同于实施例中的顺序，或者若干步骤同时执行。

上述各个实施例可以相互参照，本实施例不对各个实施例进行限定。

最后应说明的是：以上所述的各实施例仅用于说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种三相全桥电路，包括：6个功率开关器件，其特征在于，所述6个功率开关器件采用至少一个氮化镓集成组芯片形成，所述三相全桥电路包括：实现三相全桥电路连接走线的PCB板和倒装在所述PCB板上并借助于所述连接走线形成三相全桥电路的所述至少一个氮化镓集成组芯片；

每一个氮化镓集成组芯片的所有连接焊盘均位于所述氮化镓集成组芯片的同一面，且朝向所述PCB板，并与所述PCB板上对应的焊盘焊接。

2.根据权利要求1所述的三相全桥电路，其特征在于：所述6个功率开关器件中的每一个分别对应于所述至少一个氮化镓集成组芯片中的一个氮化镓高电子迁移率晶体管结构。

3.根据权利要求2所述的三相全桥电路，其特征在于：

所述三相全桥电路包括六个倒装在所述PCB板上的氮化镓集成组芯片，每个所述氮化镓集成组芯片包括单个氮化镓高电子迁移率晶体管结构，其形式为封装后的芯片或未经封装的裸芯片；或者，

所述三相全桥电路包括三个倒装在所述PCB板上的氮化镓集成组芯片，每个所述氮化镓集成组芯片内部集成了半桥形式的氮化镓高电子迁移率晶体管结构，所述氮化镓集成组芯片的形式是封装后的芯片或未经封装的裸芯片；或者，

所述三相全桥电路包括两个倒装在所述PCB板上的氮化镓集成组芯片，每个所述氮化镓集成组芯片内部集成了三个氮化镓高电子迁移率晶体管结构，且所述氮化镓集成组芯片的形式是封装后的芯片或未经封装的裸芯片，其中一个氮化镓集成组芯片用作所述三相全桥电路高端的功率开关，另一个所述氮化镓集成组芯片用作所述三相全桥电路低端的功率开关；或者，

所述三相全桥电路包括一个倒装在所述PCB板上的氮化镓集成组芯片，所述氮化镓集成组芯片内部集成六个氮化镓高电子迁移率晶体管结构，且所述氮化镓集成组芯片的形式是封装后的芯片或未经封装的裸芯片。

4.根据权利要求1、2或3所述的三相全桥电路，其特征在于：

所述三相全桥电路的输入端、输出端和用于与外部电路连接的连接端均为所述PCB板上的焊盘电极。

5.根据权利要求3所述的三相全桥电路，其特征在于：

所述氮化镓集成组芯片的内部还包括用于驱动内部氮化镓高电子迁移率晶体管结构的驱动电路，所述氮化镓集成组芯片内部每一个氮化镓高电子迁移率晶体管结构对应一个驱动电路。

6.根据权利要求3或5所述的三相全桥电路，其特征在于：

所述氮化镓集成组芯片中的一个、部分或全部氮化镓高电子迁移率晶体管结构的D极焊盘和S极焊盘之间连接有快恢复特性的二极管。

7.根据权利要求2所述的三相全桥电路，其特征在于：

所述氮化镓高电子迁移率晶体管结构为E-Mode GaN HEMT或Cascode级联的GaN HEMT，所述Cascode级联的GaN HEMT由D-Mode GaN HEMT和LVMOSFET构成。

8.一种智能功率模块，其特征在于，该智能功率模块内部的三相全桥电路采用上述权利要求1至7任一所述的三相全桥电路。

9.根据权利要求8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：方便外部控制器驱动和/或保护所述智能功率模块IPM的驱动组件和/或保护组件；

所述驱动组件和/或所述保护组件分别借助于所述PCB板上的焊盘电极与所述三相全桥电路连接。

10.根据权利要求8或9所述的智能功率模块，其特征在于，

所述三相全桥电路的输入端和输出端均连接到所述智能功率模块IPM的引脚上作为所述IPM连接外部电路或负载的端口。