CN212463079U - 寄生电感可调的功率模块结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种寄生电感可调的功率模块结构，本结构中DBC基板包括设于绝缘层两侧的第一铜板和第二铜板，第一铜板间隔划分为上桥区域和下桥区域，上桥功率器件和下桥功率器件分别设于上桥区域和下桥区域并且上桥功率器件的端子连接下桥区域、下桥功率器件的端子连接第二铜板，平滑电容两端分别连接上桥区域和第二铜板，内部电容至少为两个并且分别位于上桥区域两侧，内部电容的两端分别连接上桥区域和第二铜板，平滑电容两端构成功率模块输入端子，下桥区域构成电机连接相端子。本结构通过调整功率模块封装内部电气元件位置和参数，降低功率模块自身的寄生电感，避免浪涌电压对功率器件的损坏，从而提高电机控制器对电机控制的性能。

Description

寄生电感可调的功率模块结构

技术领域

本实用新型涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种寄生电感可调的功率模块结构。

背景技术

新能源汽车电池、电机控制器和电机构成新能源汽车“三电”系统，其中，电机控制器承担着能量转换、电机转矩控制和转速控制的关键角色。目前，以IGBT为代表的功率器件是电机控制器的核心元器件，决定了电机控制器的功率密度等关键性能，并占电机控制器成本的很大比例。

随着新能源汽车对电机控制器高功率密度、高效率和高可靠性的要求越来越高，近些年来，碳化硅器件在新能源汽车上的应用趋势愈发明显，国际著名整车厂和零部件巨头等都在开展SiC器件在新能源汽车的应用和测试。

IGBT和SiC等功率器件的开关过程对功率模块自身的寄生电感比较敏感，较大的寄生电感带来更高的开关电压尖峰，因此，若采用常规的功率模块封装结构，功率模块自身寄生电感较高，对功率模块应用极为不利。

新能源汽车三相交流电机驱动系统中，电机控制器采用高频载波对功率器件进行高速开闭管驱动，与驱动主回路的寄生电感大小成正比的浪涌电压会加载到功率器件上，浪涌电压过大时有可能导致功率器件被击穿损坏。因此，降低驱动主回路的寄生电感是一个重要研究课题。如图1所示，电机控制器逆变回路的寄生电感主要包括功率器件1附近电流回路的寄生电感L₁、平滑电容C_f与功率器件1电路连接端子部的寄生电感L₂以及平滑电容C_f母排的寄生电感L₃。

图1所示的三相交流电机驱动系统中，在电流变化率保持一定的前提下，浪涌电压V₁与寄生电感的关系如式1所示，

其中，

为电流变化率；由式1可见，浪涌电压随着寄生电感L₁、寄生电感L寄生电感L总和的增大而增大因此如何降低功率模块内部寄生电感是提高电机控制器性能的关键因素。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种寄生电感可调的功率模块结构，本结构通过调整功率模块封装内部电气元件位置和参数，降低功率模块自身的寄生电感，避免由于寄生电感形成的浪涌电压对功率器件的损坏，从而提高电机控制器对电机控制的性能。

为解决上述技术问题，本实用新型寄生电感可调的功率模块结构包括功率模块的DBC基板、平滑电容以及上桥功率器件和下桥功率器件，还包括内部电容，所述DBC基板包括设于绝缘层两侧的第一铜板和第二铜板，所述第一铜板间隔划分为上桥区域和下桥区域，所述上桥功率器件和下桥功率器件分别设于所述上桥区域和下桥区域并且上桥功率器件的端子连接下桥区域、下桥功率器件的端子连接第二铜板，所述平滑电容两端分别连接所述上桥区域和第二铜板，所述内部电容至少为两个并且分别位于所述上桥区域两侧，所述内部电容的两端分别连接所述上桥区域和第二铜板，所述平滑电容两端构成功率模块输入端子，所述下桥区域构成电机连接相端子。

进一步，所述第二铜板面积大于第一铜板面积并且第二铜板四周突出第一铜板四周，所述下桥功率器件的端子与第二铜板突出部分之间采用绑定线连接，所述内部电容位于所述上桥区域并且采用绑定线与第二铜板突出部分连接。

进一步，所述下桥区域划分为左右间隔布置的第一下桥区域和第二下桥区域，所述上桥区域下部延伸至所述第一下桥区域与第二下桥区域之间，所述下桥功率器件均布于所述第一下桥区域和第二下桥区域。

进一步，所述上桥区域划分为上下间隔布置的第一上桥区域和第二上桥区域，所述第二上桥区域位于所述第一下桥区域与第二下桥区域之间，所述上桥功率器件位于所述第二上桥区域并且采用绑定线连接所述第一上桥区域，所述内部电容的两端分别连接所述第一上桥区域和第二铜板。

进一步，所述第二上桥区域与第二铜板之间连接有内部电容。

进一步，所述上桥功率器件和下桥功率器件每相至少为两个并且在所述功率模块输入端子与电机连接相端子之间垂直方向并联配置。

进一步，所述下桥功率器件与平滑电容连接的电流通路分为第一电流通路和第二电流通路，并且两条电流通路从两侧包夹并联的上桥功率器件。

进一步，所述上桥功率器件和下桥功率器件分别是IGBT管或MOSFET管。

进一步，所述内部电容的电容值小于1/10的平滑电容的电容值。

进一步，所述内部电容是阻容器件。

由于本实用新型寄生电感可调的功率模块结构采用了上述技术方案，即本结构中DBC基板包括设于绝缘层两侧的第一铜板和第二铜板，第一铜板间隔划分为上桥区域和下桥区域，上桥功率器件和下桥功率器件分别设于上桥区域和下桥区域并且上桥功率器件的端子连接下桥区域、下桥功率器件的端子连接第二铜板，平滑电容两端分别连接上桥区域和第二铜板，内部电容至少为两个并且分别位于上桥区域两侧，内部电容的两端分别连接上桥区域和第二铜板，平滑电容两端构成功率模块输入端子，下桥区域构成电机连接相端子。本结构通过调整功率模块封装内部电气元件位置和参数，降低功率模块自身的寄生电感，避免由于寄生电感形成的浪涌电压对功率器件的损坏，从而提高电机控制器对电机控制的性能。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本实用新型作进一步的详细说明：

图1为电机控制器逆变回路寄生电感分布示意图；

图2为本实用新型寄生电感可调的功率模块结构示意图；

图3为本功率模块中下桥功率器件和内部电容子采用绑定线连接示意图；

图4为本功率模块中下桥区域划分示意图；

图5为本功率模块中上桥区域划分示意图；

图6为本功率模块中下桥功率器件与平滑电容之间电流通路示意图；

图7为应用本功率模块的电机控制器逆变回路原理示意图。

具体实施方式

实施例如图2所示，本实用新型寄生电感可调的功率模块结构包括功率模块的DBC基板2、平滑电容C_f以及上桥功率器件11和下桥功率器件12，还包括内部电容C_z，所述DBC基板2包括设于绝缘层两侧的第一铜板21和第二铜板22，所述第一铜板21间隔划分为上桥区域211和下桥区域212，所述上桥功率器件11和下桥功率器件12分别设于所述上桥区域211和下桥区域212并且上桥功率器件11的端子连接下桥区域212、下桥功率器件12的端子连接第二铜板22，所述平滑电容C_f两端分别连接所述上桥区域211和第二铜板22，所述内部电容C_z至少为两个并且分别位于所述上桥区域211两侧，所述内部电容C_z的两端分别连接所述上桥区域211和第二铜板22，所述平滑电容C_f两端构成功率模块输入端子5，所述下桥区域212构成电机连接相端子6。

如图3所示，优选的，所述第二铜板22面积大于第一铜板21面积并且第二铜板22四周突出第一铜板21四周，所述下桥功率器件12的端子与第二铜板22突出部分之间采用绑定线7连接，所述内部电容C_z位于所述上桥区域211并且采用绑定线8与第二铜板22突出部分连接。

如图4所示，优选的，所述下桥区域212划分为左右间隔布置的第一下桥区域212A和第二下桥区域212B，所述上桥区域211下部延伸至所述第一下桥区域212A与第二下桥区域212B之间，所述下桥功率器件12均布于所述第一下桥区域212A和第二下桥区域212B。

如图5所示，优选的，所述上桥区域211划分为上下间隔布置的第一上桥区域211A和第二上桥区域211B，所述第二上桥区域211B位于所述第一下桥区域212A与第二下桥区域212B之间，所述上桥功率器件11位于所述第二上桥区域211B并且采用绑定线9连接所述第一上桥区域211A，所述内部电容C_z的两端分别连接所述第一上桥区域211A和第二铜板22。

优选的，所述第二上桥区域211B与第二铜板22之间连接有内部电容C_z。

优选的，所述上桥功率器件11和下桥功率器件12每相至少为两个并且在所述功率模块输入端子5与电机连接相端子6之间垂直方向并联配置。

如图6所示，优选的，所述下桥功率器件12与平滑电容C_f连接的电流通路分为第一电流通路3和第二电流通路4，并且两条电流通路从两侧包夹并联的上桥功率器件11。

优选的，所述上桥功率器件11和下桥功率器件12分别是IGBT管或MOSFET管。

优选的，所述内部电容C_z的电容值小于1/10的平滑电容C_f的电容值。

优选的，所述内部电容C_z是阻容器件。

如图7所示,在电机控制器逆变回路中应用本功率模块后，由于在逆变回路中追加了内部电容Cz，则浪涌电压V₂和浪涌电压V₃由式2和式3表述，

其中，L_z是内部电容Cz的寄生电感，V₂是加入内部电容后，由于改变了换流回路，使得寄生电感总值改为L₁+Lz的浪涌电压，V₃是加入内部电容后，由于L₂、L₃和Cz三者谐振带来的浪涌电压；根据式2可知，V₂大小主要受寄生电感Lz和功率器件附近的电流电路的电感L₁的大小影响，因此，相对式1来说，对寄生电感有影响的要素更少，可以更容易控制并降低浪涌电压。根据式3可知，V₃大小主要受平滑电容母排的电感L₃、平滑电容和功率器件电路连接端子部的电感L₂以及内部电容Cz的大小影响，其中，内部电容容值可以调整，可以容易地抑制V₃大小。

因此通过内部电容的设置以及参数的调整，理论上可以有效地降低加载到功率器件上的浪涌电压。但内部电容的寄生电感Lz一般都不小，通过本功率模块中电气元件的布置，可有效降低内部电容的寄生电感Lz对浪涌电压的影响。

本功率模块通过用电流磁场来抵消降低内部电容的寄生电感Lz，从而降低加载到功率器件上的浪涌电压V₂。功率模块的DBC基板采用两层铜板结构，整体上第一铜板和第二铜板的电流方向相反，从而降低寄生电感。同时，第二铜板的面积要大于第一铜板，由于电流需要通过平滑电容C_f和功率器件电路连接的端子，电流是从铜板附近的各方向朝着端子部位聚集流向端子，即存在X方向和Y方向的电流分量。因此，将追加的内部电容配置在第一铜板，通过第二铜板的电流分量抵消降低内部电容的寄生电感，由于第二铜板的电流一定存在有X方向和Y方向的电流分量，因此，在第一铜板配置的内部电容Cz是可以任意方向的。

要使配置在第一铜板的内部电容的寄生电感Lz减小的条件是需要在第二铜板产生X方向和Y方向的电流分量，因此，本功率模块将内部电容Cz配置在连接平滑电容的端子附近，因为电流需要从铜板各方向向端子聚集，从而产生X方向和Y方向的电流分量；另外通过绑定线将第一铜板的电流连接到第二铜板的外周部，在第二铜板中心部的电流密度会更小，使得电流朝着连接平滑电容的端子方位聚集，产生X方向和Y方向的电流分量。

以功率器件为MOSFET管进行说明，MOSFET管的三个端子分别为栅极、漏极和源极，在功率模块内部，第一铜板的上桥区域连接到平滑电容正极，第二铜板连接到平滑电容负极，在与平滑电容正极和负极连接的正极端子和负极端子之间，布置降低浪涌电压用的内部电容Cz。通过调整内部电容的参数和布置位置，降低功率器件开关换流过程中的换流回路面积，从而降低寄生电感。

第一铜板的上桥区域与平滑电容正极连接，位于第一铜板的上桥区域的上桥MOSFET管源极通过焊接形式连接到上桥区域，上桥MOSFET管漏极通过绑定线连接至第一铜板下桥区域，从而与下桥MOSFET管源极连接；下桥MOSFET管源极通过焊接形式连接到下桥区域，下桥MOSFET管漏极通过绑定线连接第二铜板；第二铜板连接到平滑电容负极。在控制回路各相中至少配置两个内部电容Cz，实现从两侧包夹并联功率器件，内部电容Cz可跨接于第一铜板与第二铜板之间，也可以将内部电容Cz布置于第一铜板并采用绑定线连接第二铜板，提高内部电容Cz封装的灵活性。

Claims (10)

1.一种寄生电感可调的功率模块结构，包括功率模块的DBC基板、平滑电容以及上桥功率器件和下桥功率器件，其特征在于：还包括内部电容，所述DBC基板包括设于绝缘层两侧的第一铜板和第二铜板，所述第一铜板间隔划分为上桥区域和下桥区域，所述上桥功率器件和下桥功率器件分别设于所述上桥区域和下桥区域并且上桥功率器件的端子连接下桥区域、下桥功率器件的端子连接第二铜板，所述平滑电容两端分别连接所述上桥区域和第二铜板，所述内部电容至少为两个并且分别位于所述上桥区域两侧，所述内部电容的两端分别连接所述上桥区域和第二铜板，所述平滑电容两端构成功率模块输入端子，所述下桥区域构成电机连接相端子。

2.根据权利要求1所述的寄生电感可调的功率模块结构，其特征在于：所述第二铜板面积大于第一铜板面积并且第二铜板四周突出第一铜板四周，所述下桥功率器件的端子与第二铜板突出部分之间采用绑定线连接，所述内部电容位于所述上桥区域并且采用绑定线与第二铜板突出部分连接。

3.根据权利要求1或2所述的寄生电感可调的功率模块结构，其特征在于：所述下桥区域划分为左右间隔布置的第一下桥区域和第二下桥区域，所述上桥区域下部延伸至所述第一下桥区域与第二下桥区域之间，所述下桥功率器件均布于所述第一下桥区域和第二下桥区域。

4.根据权利要求3所述的寄生电感可调的功率模块结构，其特征在于：所述上桥区域划分为上下间隔布置的第一上桥区域和第二上桥区域，所述第二上桥区域位于所述第一下桥区域与第二下桥区域之间，所述上桥功率器件位于所述第二上桥区域并且采用绑定线连接所述第一上桥区域，所述内部电容的两端分别连接所述第一上桥区域和第二铜板。

5.根据权利要求4所述的寄生电感可调的功率模块结构，其特征在于：所述第二上桥区域与第二铜板之间连接有内部电容。

6.根据权利要求1所述的寄生电感可调的功率模块结构，其特征在于：所述上桥功率器件和下桥功率器件每相至少为两个并且在所述功率模块输入端子与电机连接相端子之间垂直方向并联配置。

7.根据权利要求1所述的寄生电感可调的功率模块结构，其特征在于：所述下桥功率器件与平滑电容连接的电流通路分为第一电流通路和第二电流通路，并且两条电流通路从两侧包夹并联的上桥功率器件。

8.根据权利要求1所述的寄生电感可调的功率模块结构，其特征在于：所述上桥功率器件和下桥功率器件分别是IGBT管或MOSFET管。

9.根据权利要求1所述的寄生电感可调的功率模块结构，其特征在于：所述内部电容的电容值小于1/10的平滑电容的电容值。

10.根据权利要求1所述的寄生电感可调的功率模块结构，其特征在于：所述内部电容是阻容器件。

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