CN217935452U - 一种集成功率模块以及包括其的电源、车辆 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种集成功率模块以及包括其的电源、车辆，其中的集成功率模块通过将滤波电容、第一开关管和第二开关管的元件布局于基板上形成集成电路，通过芯片封装工艺将集成电路封装于壳体内的方式，能够省去各个元件之间的长导线，采用集成电路的布线实现各元件之间的电导通即可，省略长导线之后能够降低由于长导线带来的寄生电感，降低了功率电路中由于第一开关管和第二开关管通断时寄生电感产生的尖峰电压，进而降低了整个电路的磁场，由于集成电路中的磁场整体减弱，自然会减少向外辐射的电磁干扰。同时，本方案中无需调节功率电路的驱动电压，即无需改变输入功率，所以在输出功率相同的情况下本方案的输出效率不会受到影响。

Description

一种集成功率模块以及包括其的电源、车辆

技术领域

本申请涉及电源设计技术领域，特别涉及一种集成功率模块以及包括其的电源、车辆。

背景技术

电能作为一种清洁能源越来越广泛地应用于各种设备中，尤其是新能源车辆。在新能源车辆中需要采用大功率电源作为动力来源，如图1所示，一般电源的功率电路包括输入滤波电容11、第一MOSFET管14和第二MOSFET管15，电路与输入电源19连接，其中第一MOSFET管14和第二MOSFET管15在外接驱动电压的驱动下通断。该电路的开关节点外接功率电感16、输出滤波电容17后为负载电阻18提供能量。以上的功率电路中，输入滤波电容11、第一MOSFET管14和第二MOSFET管15为独立封装元件且不同元件之间通过长导线实现连接，由于第一MOSFET管14和第二MOSFET管15在通断的过程中会产生电流变化，因此功率电路内部会形成热回路并且在该热回路中会形成磁场，其中回路方向12和磁场方向13如图中所示。

显然，功率电路产生的磁场会向外释放，给外部空间带来电磁干扰，影响其他电气元件的工作。目前降低电磁干扰的方案是增加第一MOSFET管14和第二MOSFET管15的驱动电压在高低电平间切换的时长以降低功率电路内的电流变化速度，但是这会导致输入功率的增加，从而降低功率电路的输出效率。因此，需要一种既能够降低电磁干扰还尽可能小地影响电源功率输出效率的方案。

发明内容

本申请要解决的技术问题是现有降低电源功率电路电磁干扰的方式影响电源功率输出效率的技术问题，为此，本申请提出了一种集成功率模块以及包括其的电源、车辆。

针对上述技术问题，本申请提供如下技术方案：

本申请实施例提供一种集成功率模块，包括壳体以及封装于所述壳体内的集成电路，所述集成电路包括基板、滤波电容、第一开关管和第二开关管，其中：

所述基板上设置有第一电极引脚、第二电极引脚、第一驱动引脚、第二驱动引脚和开关节点引脚，且各引脚延伸至所述壳体的外部；

所述滤波电容的第一端和所述第一开关管的第一端与所述第一电极引脚连接；所述滤波电容的第二端和所述第二开关管的第二端与所述第二电极引脚连接；所述第一开关管的第二端和所述第二开关管的第一端与所述开关节点引脚连接；所述第一开关管的驱动端与所述第一驱动引脚连接，所述第二开关管的驱动端与所述第二驱动引脚连接。

一些实施例中提供的集成功率模块，所述集成电路中，所述滤波电容、所述第一开关管和所述第二开关管之间通过芯片引线连接。

一些实施例中提供的集成功率模块，所述集成电路中，所述滤波电容、所述第一开关管和所述第二开关管与所述基板上的各引脚之间通过芯片引线连接。

一些实施例中提供的集成功率模块，所述芯片引线采用金线。

一些实施例中提供的集成功率模块，所述第一开关管的驱动端和所述第二开关管的驱动端朝向所述基板的第一侧，所述第一驱动引脚和所述第二驱动引脚设置于所述基板的第一侧。

一些实施例中提供的集成功率模块，所述滤波电容设置于所述第一开关管和所述基板的第二侧之间，所述基板的第二侧与所述基板的第一侧相对；

所述第一电极引脚、所述第二电极引脚和所述开关节点引脚设置于所述基板的第二侧。

一些实施例中提供的集成功率模块，所述滤波电容包括多个，多个所述滤波电容并联连接。

一些实施例中提供的集成功率模块，还包括绝缘散热层：

所述绝缘散热层设置于所述集成电路与所述壳体的顶部之间，和/或，所述绝缘散热层设置于所述集成电路与所述壳体的底部之间。

本申请实施例还提供一种电源，包括输入电源、驱动信号源和以上任一项方案所述的集成功率模块，所述集成功率模块的第一驱动引脚和第二驱动引脚与所述驱动信号源连接，所述集成功率模块的第一电极引脚或开关节点引脚与所述输入电源连接，所述集成功率模块的第二电极引脚接地。

本申请实施例还提供一种车辆，包括整车控制器、电池和以上任一项方案所述的集成功率模块，其中：所述集成功率模块的第一驱动引脚和第二驱动引脚连接所述整车控制器的输出端；所述集成功率模块的第一电极引脚或开关节点引脚与所述电池连接，所述集成功率模块的第二电极引脚接地。

本申请的技术方案相对现有技术具有如下技术效果：通过将滤波电容、第一开关管和第二开关管的元件布局于基板上形成集成电路，将集成电路封装于壳体内的方式，将功率电路中的各元件整体封装在一个器件中，能够省去各个元件之间的长导线，采用集成电路的布线实现各元件之间的电导通即可。相比于现有技术中各元件单独封装为一个器件的方案来说，本申请的方案减少了器件数量，而且元件布置在同一基板上有效缩小了元件之间的距离，不再需要长导线实现不同元件的电连接，省略长导线之后就能够降低由于长导线带来的寄生电感，降低了功率电路中由于第一开关管和第二开关管通断时寄生电感产生的尖峰电压，进而降低了整个电路的磁场，由于集成电路中的磁场整体减弱，自然会减少向外辐射的电磁干扰。同时，本方案中无需调节驱动电压，即无需改变输入功率，所以在输出功率相同的情况下本方案的输出效率不会受到影响。

附图说明

下面将通过附图详细描述本申请中优选实施例，将有助于理解本申请的目的和优点，其中:

图1为现有技术中一种电源回路的电路连接关系示意图；

图2为现有功率电路中寄生电感的模拟状态示意图；

图3为本申请一个实施例所述集成功率模块的结构示意图；

图4为本申请另一实施例所述集成功率模块的结构示意图；

图5为图3或图4所示集成功率模块内部集成电路与引脚的连接关系示意图；

图6为包括两个滤波电容的集成功率模块内部集成电路与引脚的连接关系示意图；

图7为包括本申请实施例所述集成功率模块的BUCK电源的电路连接关系示意图；

图8为包括本申请实施例所述集成功率模块的BOOST电源的电路连接关系示意图；

图9为本申请实施例所述集成功率模块应用于车辆中时与车辆其他部件之间的连接关系示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本申请的技术方案进行清楚、完整地描述。在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。此外，下面所描述的本申请不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

在描述本申请各实施例的方案之前，需要对本申请降低电磁干扰的原理进行阐述。结合图2所示的功率电路部分，由于其中不同元件之间的电导线具有一定的长度，因此在两个开关通断的过程中会产生寄生电感Lj，设回路中寄生电感的总的电感值为L_parasitic，而回路中的电流变化较大时，寄生电感Lj会产生较大的尖峰电压ΔV，其推导关系如下式所示：

根据上式表现的对应关系，回路中的电流变化越快，或寄生电感越大，则产生的尖峰电压就会越大，而该尖峰电压与回路中的磁场强度是成正比的。现有技术中通过降低回路中的电流变化速率来降低磁场强度，但如前所述，这样会降低电路的输出效率。因此，本申请不改变电流变化速率，选择降低寄生电感的电感值来降低磁场强度，能够在降低其电磁干扰的同时不影响电路的输出效率。而寄生电感值与导线的长度有关，如果采用常规的电路连接方式，很难减小导线的长度，为克服上述困难，本申请提出将普通的电路连接改进为芯片化的集成模块的方式，既能够确保各个元器件的功能不受影响，还能够降低整个电路的电磁干扰，从而达到本申请的发明目的。下面结合附图对集成功率模块的具体结构进行说明。

本实施例提供一种集成功率模块，如图3至图5所示，包括壳体302以及封装于所述壳体302内的集成电路，所述集成电路包括基板301、滤波电容C、第一开关管G1和第二开关管G2。其中，所述基板301上设置有第一驱动引脚31、第二驱动引脚32、第一电极引脚35、第二电极引脚33和开关节点引脚34，且各引脚延伸至所述壳体302的外部；所述滤波电容C的第一端和所述第一开关管G1的第一端与所述第一电极引脚35连接；所述滤波电容C的第二端和所述第二开关管G2的第二端与所述第二电极引脚33连接；所述第一开关管G1的第二端和所述第二开关管G2的第一端与所述开关节点引脚34连接；所述第一开关管G1的驱动端与所述第一驱动引脚31连接，所述第二开关管G2的驱动端与所述第二驱动引脚32连接。

以上方案中，基板301为芯片结构中常规使用的基板即可，第一开关管G1和第二开关管G2可以选择MOSFET管，其G极作为驱动端，其D极作为第一端，其S极作为第二端。以上方案中，将所述集成电路封装于所述壳体302内方式可采用现有成熟的芯片封装工艺实现，其中，芯片封装工艺可采用现有SIP封装技术等实现即可，各个引脚以及各元件可以通过焊锡直接焊接在基板301上，上述工艺过程较为成熟在此不再赘述。本方案中，滤波电容C、第一开关管G1和第二开关管G2不再设置为单独封装的元件，而是将其布局于基板301上形成集成电路，集成电路设计过程中可以采用多种布线方式实现元件连接，如基板上提前印刷好铜线等，因此可以不必使用长导线实现各元件间的电联接。

以上方案中，将功率电路中的滤波电容C、第一开关管G1和第二开关管G2布局于基板上形成集成电路，将集成电路封装于壳体302内，实现了将功率电路中的各元件整体封装在一个器件中，能够省去各个元件之间的长导线，采用集成电路的布线实现各元件之间的电导通即可，相比于现有技术中各元件单独封装为一个器件的方案来说，本申请的方案减少了器件数量，而且元件布置在同一基板上有效缩小了元件之间的距离，不再需要长导线实现不同元件的电连接，省略长导线之后就能够降低由于长导线带来的寄生电感，降低了功率电路中由于第一开关管G1和第二开关管G2通断时寄生电感产生的尖峰电压，进而降低了整个电路的磁场，由于集成电路中的磁场整体减弱，自然会减少向外辐射的电磁干扰。同时，本方案中无需调节驱动电压，即无需改变输入功率，所以在输出功率相同的情况下本方案的输出效率不会受到影响。

在一些方案中的集成功率模块，所述集成电路中，所述滤波电容C、所述第一开关管G1和所述第二开关管G2之间通过芯片引线连接，在现有的芯片封装工艺中，可采用芯片打线的方式得到不同间的芯片引线。进一步地，所述滤波电容C、所述第一开关管G1和所述第二开关管G2与所述基板301上的各引脚之间通过芯片引线连接，在现有的芯片封装工艺中，可采用芯片打线的方式得到不同间的芯片引线。芯片打线技术成熟，且在芯片封装过程中能够降低布线的难度、提高布线的精准度。芯片打线技术可以采用多种导体材料实现不同元件的电联接，如金、铝等，从而得到芯片引线为金线、铝线等，本方案中优选所述芯片引线采用金线303，金线303具有良好的稳定性和低电阻特性，可以提升集成功率模块的可靠性。可以理解，图中所示的金线303的布置方式仅用于体现不同元件之间的连接关系，而实际实现本方案时的金线布局方式以芯片打线结果为准即可。

在一些方案中的集成功率模块，如图3和图4所示，所述第一开关管G1的驱动端和所述第二开关管G2的驱动端朝向所述基板301的第一侧，所述第一驱动引脚31和所述第二驱动引脚32设置于所述基板301的第一侧。在实际的芯片封装过程中，元件的布局方式可不做限定，本方案中采用图3或图4所示的元件布局方式，能够进一步减小两个开关管驱动端与驱动引脚之间的距离，便于驱动信号的引入，进一步优选地，第一驱动引脚31与所述第一开关管G1的驱动端相对设置，即两者之间的连线长度达到最短，相似地，第二驱动引脚32与所述第二开关管G2的驱动端相对设置，即两者之间的连线长度达到最短。

在一些方案中的集成功率模块，如图3和图4所示，所述滤波电容C设置于所述第一开关管G1和所述基板301的第二侧之间，所述基板301的第二侧与所述基板301的第一侧相对；所述第一电极引脚35、所述第二电极引脚33和所述开关节点引脚34设置于所述基板301的第二侧。如图所示，通过上述布局方式，能够尽可能的减小滤波电容C与两个开关管、两个电极引脚之间的距离，从而可进一步简化布线方式，使集成功率模块内部空间利用率更高，电磁干扰更低。

另外，参考图5，以上所述的集成功率模块中，所述滤波电容C可以包括多个，多个所述滤波电容C并联连接，如图6中滤波电容包括两个时，第一滤波电容C1和第二滤波电容C2并联连接的电路示意图。并联的多个滤波电容可以相等也可以不相等，例如可以选择一个大电容并联一个小电容的滤波方式，能够适应电路中的不同频率的信号。上述电路中的各元件在封装为芯片时，参考图3，可以按照第一开关管G1和第二开关管G2的排列方式对不同的滤波电容进行排列，不必增加壳体的容积即可。

在一些方案中的集成功率模块，还可以包括绝缘散热层，所述绝缘散热层设置于所述集成电路与所述壳体302的顶部之间，和/或，所述绝缘散热层设置于所述集成电路与所述壳体302的底部之间。即绝缘散热层可以包括一层或两层，可以单独设置于集成电路的上方或下方，也可以同时布置在集成电路的上方和下方。通过设置绝缘散热层的方式能够便于元器件工作过程中产生的热量的释放，由于绝缘散热层具有绝缘性能，不会对电路的正常工作产生影响，还能进一步屏蔽封装后的集成功率模块的电磁干扰。

在本申请的一些实施例中还提供一种电源，如图7和图8所示，包括输入电源19、驱动信号源40和以上任一项方案所述的集成功率模块30，所述集成功率模块30的第一驱动引脚31和第二驱动引脚32连接所述驱动信号源40，所述集成功率模块30的第一电极引脚35或开关节点引脚34与所述输入电源19连接，所述集成功率模块30的第二电极引脚 33接地。图7和图8所示的两种电路连接方式分别对应的是Buck(降压式变换)电源和Boost(升压式变换)电源。以上所示的电源，其电路的连接关系本身与现有的电源电路连接关系并无不同，但是本实施例中采用集成功率模块30代替了现有的单独元件连接得到的功率电路，在集成功率模块30中将滤波电容和两个开关管封装成一个模块，以减少走线距离，进而减小寄生电感，使集成功率模块30降低了电磁干扰且不必改变驱动信号源40输出的驱动信号，因此能够保持原有的输出效率。

本申请一些实施例中还提供一种车辆，如图9所示，包括整车控制器50、电池51及以上任一实施例方案中提供的集成功率模块30，其中，所述集成功率模块30的第一驱动引脚和第二驱动引脚连接所述整车控制器50的输出端；所述集成功率模块30的第一电极引脚或开关节点引脚与所述电池51连接(所述集成功率模块30的第一电极引脚与电池51 连接时，开关节点引脚接车辆中的用电回路；所述集成功率模块30的开关节点引脚与电池 51连接时，第一电极引脚接车辆中的用电回路；具体地，根据电源形式为Buck电源还是 Boost电源进行设置即可)，所述集成功率模块30的第二电极引脚接地。本方案中，所述电池51通常为12V电池，本方案利用整车控制器50作为驱动信号源对开关管进行驱动，整车控制器50能根据车辆实际运行过程中对于能量的需求确定电源的工作状态，根据确定的电源工作状态驱动两个开关管。本实施例中的车辆，将上述集成功率模块作为动力电源的一部分，利用该动力电源为整车提供动力，能够减少电源部分对车辆其他电气元件释放的电磁干扰，确保车辆运行过程的稳定性。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本申请的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种集成功率模块，其特征在于，包括壳体以及封装于所述壳体内的集成电路，所述集成电路包括基板、滤波电容、第一开关管和第二开关管，其中：

所述基板上设置有第一电极引脚、第二电极引脚、第一驱动引脚、第二驱动引脚和开关节点引脚，且各引脚延伸至所述壳体的外部；

所述滤波电容的第一端和所述第一开关管的第一端与所述第一电极引脚连接；所述滤波电容的第二端和所述第二开关管的第二端与所述第二电极引脚连接；所述第一开关管的第二端和所述第二开关管的第一端与所述开关节点引脚连接；所述第一开关管的驱动端与所述第一驱动引脚连接，所述第二开关管的驱动端与所述第二驱动引脚连接。

2.根据权利要求1所述的集成功率模块，其特征在于：

所述集成电路中，所述滤波电容、所述第一开关管和所述第二开关管之间通过芯片引线连接。

3.根据权利要求2所述的集成功率模块，其特征在于：

所述集成电路中，所述滤波电容、所述第一开关管和所述第二开关管与所述基板上的各引脚之间通过芯片引线连接。

4.根据权利要求2或3所述的集成功率模块，其特征在于：

所述芯片引线采用金线。

5.根据权利要求1所述的集成功率模块，其特征在于：

所述第一开关管的驱动端和所述第二开关管的驱动端朝向所述基板的第一侧，所述第一驱动引脚和所述第二驱动引脚设置于所述基板的第一侧。

6.根据权利要求5所述的集成功率模块，其特征在于：

所述滤波电容设置于所述第一开关管和所述基板的第二侧之间，所述基板的第二侧与所述基板的第一侧相对；

所述第一电极引脚、所述第二电极引脚和所述开关节点引脚设置于所述基板的第二侧。

7.根据权利要求1所述的集成功率模块，其特征在于：

所述滤波电容包括多个，多个所述滤波电容并联连接。

8.根据权利要求1所述的集成功率模块，其特征在于，还包括绝缘散热层：

所述绝缘散热层设置于所述集成电路与所述壳体的顶部之间，和/或，所述绝缘散热层设置于所述集成电路与所述壳体的底部之间。

9.一种电源，其特征在于，包括输入电源、驱动信号源和权利要求1-8任一项所述的集成功率模块，所述集成功率模块的第一驱动引脚和第二驱动引脚与所述驱动信号源连接，所述集成功率模块的第一电极引脚或开关节点引脚与所述输入电源连接，所述集成功率模块的第二电极引脚接地。

10.一种车辆，其特征在于，包括整车控制器、电池和如权利要求1-8任一项所述的集成功率模块，其中：

所述集成功率模块的第一驱动引脚和第二驱动引脚连接所述整车控制器的输出端；所述集成功率模块的第一电极引脚或开关节点引脚与所述电池连接，所述集成功率模块的第二电极引脚接地。

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