CN218887180U - 一种基于交错结构的低寄生电感高压串联功率模块 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及电子电力器件技术领域，具体涉及一种基于交错结构的低寄生电感高压串联功率模块，包括模块壳体，所述模块壳体内设置有基板，所述基板包括第一基板和第二基板，所述第一基板和所述第二基板均设置有功率端子，所述第一基板和所述第二基板之间设置有芯片主体，所述第一基板和所述第二基板上均设置有焊料层，所述芯片主体固定在所述焊料层处，所述功率端子的一端与所述芯片连接，且所述功率端子的另一端从所述模块壳体穿出。本实用新型采用交错结构大大减小了模块功率回路内部的寄生电感，并提高了模块的散热性能。

Description

一种基于交错结构的低寄生电感高压串联功率模块

技术领域

本实用新型涉及电子电力器件技术领域，具体涉及一种基于交错结构的低寄生电感高压串联功率模块。

背景技术

随着智能电网、光伏风电等新能源发电技术、轨道交通等领域的发展，中高压电力电子装备是必然的发展趋势，因此对于高压功率半导体模块的需求也越来越多，有利于降低拓扑和控制复杂程度。相比于阻断电压已经接近材料极限(6.5kV)的硅器件，碳化硅(SiC)由于宽禁带宽度、高临界场强等固有特性有了实现更高电压、更高频率、更高温度的可能，受到国内外学者的广泛关注。但是由于传统硅基器件的封装结构无法发挥出碳化硅器件的优势，所以发展新型封装技术对于研究高压SiC器件是必要的。

目前出现的碳化硅(SiC)器件最高电压已经达到15kV乃至更高，但是高电压等级的SiC器件依然处于实验室研发阶段。商品化的SiCMOSFET器件大多是1.2kV或1.7kV。由于SiC器件工艺的不成熟，高压SiCMOSFET芯片的成本非常高，而商用的多是1.2kV，因此采用低压器件串联连接实现高阻断电压，也同样是研制应用于高压场合SiCMOSFET器件的比较好的方向。但是工程中常用的串联基本都是不同模块间的串联，这样会引入较大的寄生电感，这对于开关速度很快的SiCMOSFET器件而言是十分不利的，会严重影响模块的均压性能、动态性能，甚至引起较大电磁干扰问题。

实用新型内容

本实用新型的目的是为了解决现有技术的缺点，而提出了一种基于交错结构的低寄生电感高压串联功率模块。

本实用新型提供了如下的技术方案：

一种基于交错结构的低寄生电感高压串联功率模块，包括模块壳体，所述模块壳体内设置有基板，所述基板包括第一基板和第二基板，所述第一基板和所述第二基板均设置有功率端子，所述第一基板和所述第二基板之间设置有芯片主体，所述第一基板和所述第二基板上均设置有焊料层，所述芯片主体固定在所述焊料层处，所述功率端子的一端与所述芯片连接，且所述功率端子的另一端从所述模块壳体穿出。

优选的，所述第一基板和所述第二基板均采用覆铜陶瓷板，所述覆铜陶瓷板包括铜层和绝缘层，所述铜层设置有两个且所述绝缘层设置在两个铜层之间，所述绝缘层采用氮化铝陶瓷或氧化铝陶瓷。

优选的，所述第一基板的上表面铜层和所述第二基板的下表面铜层均设置有芯片主体，所述芯片主体设置有两组，两组所述芯片主体交错分布在所述第一基板和所述第二基板上。

优选的，所述芯片主体与导电片的一端连接，所述导电片的另一端与所述基板连接，所述导电片包括第一导电片、第二导电片和第三导电片。

优选的，所述芯片主体采用SiCMOSFET芯片，所述第一导电片的一端与所述芯片主体的栅极连接，所述第二导电片的一端与所述芯片主体的源极连接，一个芯片主体的源极通过第三导电片和基板的铜层与相邻芯片主体的漏极连接，所述芯片主体依次串联设置。

优选的，所述第一导电片和所述第二导电片均采用铜金属片，所述第三导电片采用钼片，且所述第三导电片的厚度设置为1mm-7.5mm。

优选的，基板、所述芯片主体、所述导电片和功率端子设置在环氧树脂内，且所述基板、所述芯片主体、所述导电片和所述功率端子之间的连接设置有焊料层。

本实用新型的有益效果是：

通过芯片主体依次串联设置，实现了高阻断电压的效果，配合功率端子相邻设置，使得电流路径重叠，因此抵消了电流产生的磁场，有效的降低了串联模块的回路寄生电感，降低了寄生电感引起电压过冲及高频下电磁干扰的问题；

将芯片主体分成两组，且两组芯片主体交错分布在第一基板和第二基板上，配合基板上下表面设置的铜层，通过双面散热提高了芯片主体的散热路径，有效的降低了芯片主体因热耦合导致温度过高，降低芯片主体结温过高导致损坏的概率，同时使得模块的体积得到了减小，提高了模块功率密度。

附图说明

附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本实用新型的实施例一起用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。在附图中：

图1是本实用新型内部结构示意图；

图2是本实用新型爆炸示意图；

图3是本实用新型等效电路拓扑图；

图4是本实用新型寄生参数提取路径示意图；

图5是传统功率模块结构示意图；

图6是传统功率模块参数提取路径示意图；

图中标记为：1-第一基板，2-第二基板，3-芯片主体，4-功率端子，5-第一导电片，6-第二导电片，7-第三导电片，8-焊料层，9-环氧树脂。

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，所描述的实施例仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。

实施例1：

根据图1-图4所述，一种基于交错结构的低寄生电感高压串联功率模块包括模块壳体，模块壳体内设置有基板，基板包括第一基板1和第二基板2，第一基板1和第二基板2均设置有功率端子4，第一基板1和第二基板2之间设置有芯片主体3，芯片主体3依次串联设置，第一基板1和第二基板2上均设置有焊料层8，芯片主体3固定在焊料层8处，功率端子4的一端与芯片连接，且功率端子4的另一端从模块壳体穿出，功率端子4靠近设置。基板、芯片主体3、导电片和功率端子4设置在环氧树脂9内，且基板、芯片主体3、导电片和功率端子4之间的连接设置有焊料层8。

将芯片主体3串联设计，实现了高阻断电压的效果，有利于将模块的体积减小，进而提高了功率密度。同时比较模块之间的串联，芯片主体3之间的串联有利于降低寄生电感。

因此在功率模块处于高阻端电压等级的情况下，寄生电感在器件关断时电压过冲及高频时电磁干扰情况的发生均有效的降低。

第一基板1和第二基板2均采用覆铜陶瓷板，覆铜陶瓷板包括铜层和绝缘层，铜层设置有两个且绝缘层设置在两个铜层之间，绝缘层采用氮化铝陶瓷或氧化铝陶瓷。第一基板1的上表面铜层和第二基板2的下表面铜层均设置有芯片主体3，芯片主体3设置有两组，两组芯片主体3交错分布在第一基板1和第二基板2上。

对于实际生产应用中，基板还可以采用绝缘陶瓷板两侧覆铝，或者基板还可以采用一侧覆铜一侧覆铝等金属覆盖在绝缘介质两侧的结构。上述所述几种结构有效的通过上下两面的散热路径，降低热阻、增大了模块的散热能力。

芯片主体3与导电片的一端连接，导电片的另一端与基板连接，导电片包括第一导电片5、第二导电片6和第三导电片7。芯片主体3采用SiCMOSFET芯片，第一导电片5的一端与芯片主体3的栅极连接，第二导电片6的一端与芯片主体3的源极连接，一个芯片主体3的源极通过第三导电片7和基板的铜层与相邻芯片主体3的漏极连接。第一导电片5和第二导电片6均采用铜金属片，第三导电片7采用钼片，且第三导电片7的厚度设置为1mm-7.5mm。

与第一导电片5连接的芯片主体所固定的基板与第一导电片5的另一端连接，与第二导电片6连接的芯片主体所固定的基板与第二导电片6的另一端连接。同时与芯片主体3连接的第二导电片6引出开尔文源极，以便于将驱动回路和均压回路分隔开，达到降低驱动回路和均压回路之间的耦合作用，进而提高整体模块的性能。

采用钼片制成的第三导电片7具有良好的缓冲作用，降低芯片主体3在高温时受到的热应力，起到提高整体模块的可靠性。

实施例2：

根据图5和图6所示，传统的功率模块内部结构包括第一基板1、芯片主体3和功率端子4，芯片主体3串联设置在第一基板1上，且串联的芯片主体1的各电极通过键合线引出。

将根据本实用新型方案制成的模块和传统功率模块进行仿真测试，提取两种模块的寄生参数，并且测试各模块工作时温度分布，具体结果如表1所示：

方案	寄生电感(有端子)/nH	温度峰值/℃
			实施例1	43.66	110.93
实施例2	51.20	148.78

表1

根据表1所示，相比较传统功率模块的实施例2，本实用新型方案的实施例1用金属导电片代替键合线以及将芯片主体交错结构设置，有效的将寄生电感降低14.76％，这对于串联芯片的均压和模块的性能均具有良好的作用。

而模块在使用过程中，模块本身温度峰值降低了25.44％，更加直观的体现了采用本方案对于散热性能的提升，进而体现出热阻减小的优点。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于交错结构的低寄生电感高压串联功率模块，其特征在于，包括模块壳体，所述模块壳体内设置有基板，所述基板包括第一基板和第二基板，所述第一基板和所述第二基板均设置有功率端子，所述第一基板和所述第二基板之间设置有芯片主体，所述第一基板和所述第二基板上均设置有焊料层，所述芯片主体固定在所述焊料层处，所述功率端子的一端与所述芯片连接，且所述功率端子的另一端从所述模块壳体穿出，所述功率端子靠近设置。

2.根据权利要求1所述的一种基于交错结构的低寄生电感高压串联功率模块，其特征在于，所述第一基板和所述第二基板均采用覆铜陶瓷板，所述覆铜陶瓷板包括铜层和绝缘层，所述铜层设置有两个且所述绝缘层设置在两个铜层之间，所述绝缘层采用氮化铝陶瓷或氧化铝陶瓷。

3.根据权利要求2所述的一种基于交错结构的低寄生电感高压串联功率模块，其特征在于，所述第一基板的上表面铜层和所述第二基板的下表面铜层均设置有芯片主体，所述芯片主体设置有两组，两组所述芯片主体交错分布在所述第一基板和所述第二基板上。

4.根据权利要求1所述的一种基于交错结构的低寄生电感高压串联功率模块，其特征在于，所述芯片主体与导电片的一端连接，所述导电片的另一端与所述基板连接，所述导电片包括第一导电片、第二导电片和第三导电片。

5.根据权利要求4所述的一种基于交错结构的低寄生电感高压串联功率模块，其特征在于，所述芯片主体采用SiC MOSFET芯片，所述第一导电片的一端与所述芯片主体的栅极连接，所述第二导电片的一端与所述芯片主体的源极连接，一个芯片主体的源极通过第三导电片和基板的铜层与相邻芯片主体的漏极连接，所述芯片主体依次串联设置。

6.根据权利要求4所述的一种基于交错结构的低寄生电感高压串联功率模块，其特征在于，所述第一导电片和所述第二导电片均采用铜金属片，所述第三导电片采用钼片，且所述第三导电片的厚度设置为1mm-7.5mm。

7.根据权利要求4所述的一种基于交错结构的低寄生电感高压串联功率模块，其特征在于，基板、所述芯片主体、所述导电片和功率端子设置在环氧树脂内，且所述基板、所述芯片主体、所述导电片和所述功率端子之间的连接设置有焊料层。

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