CN220087140U - 一种三电平功率模块 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种三电平功率模块，涉及半导体技术领域。本实用新型的三电平功率模块通过设置外壳、第一绝缘衬板、第二绝缘衬板以及布置在所述第一绝缘衬板与所述第二绝缘衬板上的三电平逆变电路，所述三电平逆变电路包括第一电路单元、第二电路单元、第三电路单元、第四电路单元、第五电路单元以及第六电路单元，第一绝缘衬板设置有第一导电图案层，第二绝缘衬板上设置有第二导电图案层，第一导电图案层与第二导电图案层电连接，第一导电图案层上设置有第一电路单元、第二电路单元及第五电路单元，第二导电图案层上设置有第三电路单元、第四电路单元及第六电路单元，解决的了现有技术中的三电平功率模块体积大、集成度低的问题。

Description

一种三电平功率模块

技术领域

本实用新型涉及半导体技术领域，尤其涉及一种三电平功率模块。

背景技术

功率模块是一种将电力电子和集成电路技术结合的功率驱动器件，由于具有高集成度、高可靠性等优势，智能功率模块赢得越来越大的市场，尤其适合于驱动电机的变频器及各种逆变电源，是变频调速、冶金机械、电力牵引、伺服驱动和变频家电常用的电力电子器件。随着光伏发电的快速发展，发电功率越来越高，对模块的可安装性，散热，可靠性，体积等提出了更高的要求。

三电平电路即为三相三电平NPC逆变器拓扑结构，由两个直流分压电容C1＝C2、三相逆变电路组成，在中高压大功率场合得到了广泛的研究和应用，实现多电平阶梯波输出电压，可以使波形更加接近正弦波。

然而目前的三电平功率模块存在体积大、散热差、集成度低及不便于安装等问题。

实用新型内容

本实用新型例提供一种三电平功率模块，能够解决现有三电平功率模块存在的体积大、散热差、集成度低及不便于安装等问题。

本申请实施例提供一种三电平功率模块，包括外壳、在所述外壳内沿第一方向布置的第一绝缘衬板和第二绝缘衬板以及布置在所述第一绝缘衬板与所述第二绝缘衬板上的三电平逆变电路；

所述三电平逆变电路包括至少一个桥臂及与所述桥臂并联的电容，所述桥臂包括第一电路单元、第二电路单元、第三电路单元、第四电路单元、第五电路单元以及第六电路单元；

其中，所述第一绝缘衬板上设置有第一导电图案层，所述第二绝缘衬板上设置有第二导电图案层，所述第一导电图案层与所述第二导电图案层电连接，所述第一导电图案层上设置有所述第一电路单元、所述第二电路单元及所述第五电路单元，所述第二导电图案层上设置有所述第三电路单元、所述第四电路单元及所述第六电路单元。

在一个实施方式中，所述第一导电图案层包括沿第二方向依次布置的相隔离的第一金属化区域、第三金属化区域、第五金属化区域以及位于所述第一绝缘衬板上靠近所述第二绝缘衬板一侧的第六金属化区域；

其中，至少一个所述桥臂的所述第一电路单元、所述第二电路单元、所述第三电路单元、所述第四电路单元、所述第五电路单元以及所述第六电路单元分别组成第一电路单元组、第二电路单元组、第三电路单元组、第四电路单元组、第五电路单元组以及第六电路单元组；

所述第一金属化区域上设置有直流正极端子组以及所述第一电路单元组，所述第三金属化区域上设有所述第二电路单元组及所述第五电路单元组，所述第五金属化区域设有第一交流端子组，所述第六金属化区域设有第一中心端子组。

在一个实施方式中，所述第一电路单元组与所述第三金属化区域相连，所述第二电路单元组与所述第五金属化区域相连，所述第五电路单元组与所述第六金属化区域相连。

在一个实施方式中，所述第二导电图案层沿所述第二方向依次布置的相隔离的第七金属化区域、第九金属化区域、第十一金属化区域以及位于所述第二绝缘衬板上靠近所述第一绝缘衬板一侧的第十二金属化区域；

其中，所述第七金属化区域上设有第二交流端子组及第三电路单元组，所述第九金属化区域上设有所述第四电路单元组，所述第十一金属化区域设有直流负极端子组，所述第十二金属化区域上设有所述第六电路单元组及第二中心端子组。

在一个实施方式中，所述第三电路单元组与所述第九金属化区域相连，所述第四电路单元组与所述第十一金属化区域相连，所述第九金属化区域与所述第六电路单元组相连。

在一个实施方式中，所述第五金属化区域与所述第七金属化区域并联，所述第六金属化区域与所述第十二金属化区域并联。

在一个实施方式中，所述直流正极端子组、所述直流负极端子组、所述第一中心端子组及所述第二中心端子组设置于所述第一绝缘衬板的同一侧，所述第一交流端子组、所述第二交流端子组设置于所述第一绝缘衬板的另一侧。

在一个实施方式中，所述第一电路单元、所述第二电路单元、所述第三电路单元及所述第四电路单元均包括一三极管芯片以及与所述三极管芯片对应的反向并联的一二极管芯片，所述第五电路单元及所述第六电路单元均包括至少一二极管芯片。

在一个实施方式中，所述第一导电图案层还包括第二金属化区域及第四金属化区域，所述第一电路单元组的栅极通过所述第二金属化区域并联后引出，所述第二电路单元组的栅极通过所述第四金属化区域并联后引出；

所述第二导电图案层还包括第八金属化区域及第十金属化区域，所述第三电路单元组的栅极通过所述第八金属化区域并联后引出，所述第四电路单元组的栅极通过所述第十金属化区域并联后引出。

在一个实施方式中，所述外壳与所述第一绝缘衬板、所述第二绝缘衬板之间的空腔内填充有绝缘介质。

与现有技术相比，本申请实施例的优点在于，通过设置外壳、第一绝缘衬板、第二绝缘衬板以及布置在所述第一绝缘衬板与所述第二绝缘衬板上的三电平逆变电路，所述三电平逆变电路包括第一电路单元、第二电路单元、第三电路单元、第四电路单元、第五电路单元以及第六电路单元，其中，所述第一绝缘衬板设置有第一导电图案层，所述第二绝缘衬板上设置有第二导电图案层，所述第一导电图案层与所述第二导电图案层电连接，所述第一导电图案层上设置有所述第一电路单元、所述第二电路单元及所述第五电路单元，所述第二导电图案层上设置有所述第三电路单元、第四电路单元及第六电路单元，解决的了现有技术中的三电平功率模块体积大、集成度低的问题，有效减小了三电平模块的体积、提高了三电平模块的集成度。

附图说明

在下文中将基于实施例并参考附图来对本实用新型进行更详细的描述。

图1是本实用新型一实施例提供的三电平功率模块开盖结构示意图；

图2是本实用新型一实施例提供的三电平功率模块结构示意图；

图3是本实用新型一实施例提供的三电平功率模块内的电路拓扑图；

图4是本实用新型另一实施例提供的三电平功率模块内的电路拓扑图。

附图标记：

10、第一绝缘衬板；110、第一金属化区域；120、第二金属化区域；130、第三金属化区域；140、第四金属化区域；150、第五金属化区域；160、第六金属化区域；20、第二绝缘衬板；210、第七金属化区域；220、第八金属化区域；230、第九金属化区域；240、第十金属化区域；250、第十一金属化区域；260、第十二金属化区域；30、外壳；40、散热基板；50、管壳。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型作进一步说明。

功率模块是一种将电力电子和集成电路技术结合的功率驱动器件，由于具有高集成度、高可靠性等优势，智能功率模块赢得越来越大的市场，尤其适合于驱动电机的变频器及各种逆变电源，是变频调速、冶金机械、电力牵引、伺服驱动和变频家电常用的电力电子器件。随着光伏发电的快速发展，发电功率越来越高，对模块的可安装性，散热，可靠性，体积等提出了更高的要求。

然而目前的三电平功率模块存在体积大、散热差、集成度低及不便于安装等问题。

为了解决上述技术问题，如图1、图2所示，本申请至少一实施例提供了一种三电平功率模块，包括外壳30、在外壳30内沿第一方向布置的第一绝缘衬板10和第二绝缘衬板20以及布置在所述第一绝缘衬板10与所述第二绝缘衬板上的三电平逆变电路；

所述三电平逆变电路包括至少一个桥臂及与所述桥臂并联的电容，所述桥臂包括第一电路单元、第二电路单元、第三电路单元、第四电路单元、第五电路单元以及第六电路单元；

其中，第一绝缘衬板10上设置有第一导电图案层，第二绝缘衬板20上设置有第二导电图案层，所述第一导电图案层与所述第二导电图案层电连接，所述第一导电图案层上设置有所述第一电路单元、所述第二电路单元及所述第五电路单元，所述第二导电图案层上设置有所述第三电路单元、所述第四电路单元及所述第六电路单元。

与现有技术相比，本申请实施例的优点在于，通过设置外壳30、沿第一方向布置的第一绝缘衬板10、第二绝缘衬板20以及布置在第一绝缘衬板10与第二绝缘衬板上的三电平逆变电路，所述三电平逆变电路包括至少一个桥臂及与所述桥臂并联的电容，所述桥臂包括第一电路单元、第二电路单元、第三电路单元、第四电路单元、第五电路单元以及第六电路单元，其中，第一绝缘衬板10上设置有第一导电图案层，第二绝缘衬板20上设置有第二导电图案层，所述第一导电图案层与所述第二导电图案层电连接，所述第一导电图案层上设置有所述第一电路单元、所述第二电路单元及所述第五电路单元，所述第二导电图案层上设置有所述第三电路单元、所述第四电路单元及所述第六电路单元，解决的了现有技术中的三电平功率模块体积大、集成度低的问题，有效减小了三电平模块的体积、提高了三电平模块的集成度。

在一些实施例中，所述第一方向是所述三电平模块的横向。

在一些实施例中，所述至少一个桥臂包括多个桥臂。

需要说明的是，当所述至少一个桥臂包括多个桥臂时可实现多相电平的转换以供用电设备使用。

在一些实施例中，第一绝缘衬板10与第二绝缘衬板下方还设有散热基板40，散热基板40用于将第一绝缘衬板10与第二绝缘衬板上产生的热量及时地传递出去。

在一些实施例中，所述第一电路单元、所述第二电路单元、所述第三电路单元及所述第四电路单元均包括一三极管以及与所述三极管对应的反向并联的一二极管，所述第五电路单元及所述第六电路单元均包括至少一二极管。

在一些实施例中，所述三极管是IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)晶体管。

需要说明的是，如图3所示，所述第一电路单元是T1/D1芯片、所述第二电路单元是T2/D2芯片、所述第三电路单元是T3/D3芯片，所述第四电路单元是T4/D4芯片、所述第五电路单元D5芯片、所述第六电路单元是D6芯片，其中，所述T1/D1芯片、T2/D2芯片及D5芯片设置于第一绝缘衬板10上，所述T3/D3芯片、T4/D4芯片及D6芯片设置于第二绝缘衬板20上，通过此种布置方式将处于同一换流回路的T1/D1芯片、D5芯片与T4/D4芯片、D6芯片分别设置在同一衬板上，以减小环流回路，降低寄生电感。

在一些实施例中，所述第一导电图案层、所述第二导电图案层上还设有热敏电阻。

在一些实施例中，所述第一导电图案层包括沿第二方向依次布置有相隔离的第一金属化区域110、第三金属化区域130、第五金属化区域150以及位于第一绝缘衬板10上靠近第二绝缘衬板20一侧的第六金属化区域160；

其中，至少一个所述桥臂的所述第一电路单元、所述第二电路单元、所述第三电路单元、所述第四电路单元、所述第五电路单元以及所述第六电路单元分别组成第一电路单元组、第二电路单元组、第三电路单元组、第四电路单元组、第五电路单元组以及第六电路单元组；

第一金属化区域110上设置有直流正极端子组以及所述第一电路单元组，第三金属化区域130上设有所述第二电路单元组及所述第五电路单元组，第五金属化区域150设有第一交流端子组，第六金属化区域160设有第一中心端子组。

需要说明的是，通常所述第一导电图案层设置在所述第一绝缘衬板10的上表面，以方便安装相应的元器件；为合理的将所述三电平电路布置在第一绝缘衬板10以及第二绝缘衬板20上，需对所述第一导电图案层进行区域划分，以便在不同的区域上布置不同的元器件，并通过相应的连接方式将相应的区域和/或元器件连接起来，以实现整个三电平电路的连通。

还需要说明的是，所述第一方向与所述第二方向相垂直，即所述第一方向为横向、所述第二方向为纵向。

还需要说明的是，功率模块通常包括多个桥臂，而多个桥臂的所述所述第一电路单元、所述第二电路单元、所述第三电路单元、所述第四电路单元、所述第五电路单元以及所述第六电路单元通常是以并联且集成的方式安装在相应的区域上，而为了提高集成度，通常将多个桥臂的相应的所述第一电路单元、所述第二电路单元、所述第三电路单元、所述第四电路单元、所述第五电路单元以及所述第六电路单元分别组成第一电路单元组、第二电路单元组、第三电路单元组、第四电路单元组、第五电路单元组以及第六电路单元组，然后再进行安装以提高集成度。

还需要说明的是，所述第一电路单元组可以是多个T1/D1芯片并联组成的T1/D1芯片组、所述第二电路单元组可以是多个T2/D2芯片并联组成的T2/D2芯片组、所述第三电路单元组可以是多个T3/D3芯片并联组成的T3/D3芯片组，所述第四电路单元组可以是多个T4/D4芯片并联组成的T4/D4芯片组、所述第五电路单元组可以是多个D5芯片并联组成的D5芯片组、所述第六电路单元组可以是多个D6芯片并联组成的D6芯片组，通过此种方式以提高安装方便程度及集成度。

在一些实施例中，所述第一电路单元组与第三金属化区域130相连，所述第二电路单元组与第五金属化区域150相连，所述第五电路单元组与第六金属化区域160相连。

需要说明的是，所述第一电路单元组与第三金属化区域130、所述第二电路单元组与第五金属化区域150、所述第五电路单元组与第六金属化区域160均可通过键合线相连，通过上述的连接即可实现如图3拓扑图中上半部分的电路连接。

在一些实施例中，所述第二导电图案层沿所述第二方向依次布置有相隔离的第七金属化区域210、第九金属化区域230、第十一金属化区域250以及位于第二绝缘衬板20上靠近第一绝缘衬板10一侧的第十二金属化区域260；

其中，第七金属化区域210上设有第二交流端子组及第三电路单元组，第九金属化区域230上设有所述第四电路单元组，第十一金属化区域250设有直流负极端子组，第十二金属化区域260上设有所述第六电路单元组及第二中心端子组，

需要说明的是，通常所述第二导电图案层设置在所述第二绝缘衬板的上表面，以方便安装相应的元器件；为合理的将所述三电平电路布置在第一绝缘衬板10以及第二绝缘衬板20上，需对所述第二导电图案层进行区域划分，以便在不同的区域上布置不同的元器件，并通过相应的连接方式将相应的区域和/或元器件连接起来，以实现整个三电平电路的连通。

在一些实施例中，所述第三电路单元组与第九金属化区域230相连，所述第四电路单元组与第十一金属化区域250相连，第九金属化区域230与所述第六电路单元组相连。

需要说明的是，所述第三电路单元组与第九金属化区域230、所述第四电路单元组与第十一金属化区域250、第九金属化区域230与所述第六电路单元组均可通过键合线相连，通过上述的连接即可实现如图3拓扑图中下半部分的电路连接。

在一些实施例中，第五金属化区域150与第七金属化区域210并联，第六金属化区域160与第十二金属化区域260并联。

需要说明的是，第五金属化区域150与第七金属化区域210、第六金属化区域160与第十二金属化区域260均通过键合线进行并联，可共享对外的功率/信号端子，以减少功率/信号端并联数量。

在一些实施例中，所述直流正极端子组、所述直流负极端子组、所述第一中心端子组及所述第二中心端子组设置于第一绝缘衬板10的同一侧，所述第一交流端子组、所述第二交流端子组设置于第一绝缘衬板10的另一侧。

需要说明的是，通过将所述直流正极端子组、所述直流负极端子组、所述第一中心端子组、所述第二中心端子组与所述第一交流端子组、所述第二交流端子组分别设置于第一绝缘衬板10、第二绝缘衬板20的两侧，以减小其占用的空间、减小换流回路的寄生电感。

在一些实施例中，所述直流正极端子组、所述直流负极端子组、所述第一中心端子组及所述第二中心端子组、所述第一交流端子组、所述第二交流端子组均采用PIN针。

在一些实施例中，所述PIN针通过锡焊或超声焊接或激光焊接的方式焊接在第一绝缘衬板10及第二绝缘衬板的正面电路图案层上。

在一些实施例中，第一绝缘衬板10及第二绝缘衬板20通过焊接或烧结的方式固定在散热基板40上。

在一些实施例中，所述第一导电图案层还包括第二金属化区域120及第四金属化区域140，所述第一电路单元组的栅极通过第二金属化区域120并联后引出，所述第二电路单元组的栅极通过第四金属化区域140并联后引出；

所述第二导电图案层还包括第八金属化区域220及第十金属化区域240，所述第三电路单元组的栅极通过第八金属化区域220并联后引出，所述第四电路单元组的栅极通过所述第十金属化区域240并联后引出。

需要说明的是，为便利的将所述第一电路单元组、所述第二电路单元组的栅极引出，所述第一导电图案层还包括第二金属化区域120及第四金属化区域140。

还需要说明的是，为便利的将所述第三电路单元组、所述第四电路单元组的栅极引出，所述第二导电图案层还包括第八金属化区域220及第十金属化区域240。

在一些实施例中，外壳30与第一绝缘衬板10、第二绝缘衬板20之间的空腔内填充有绝缘介质。

需要说明的是，为实现绝缘衬板上的芯片、功率/信号端子及热敏电阻之间的电气隔离，将外壳30与第一绝缘衬板10、第二绝缘衬板20之间的空腔内填充有绝缘介质，如硅胶。

在一些实施例中，如图4所示，所述第五电路单元、所述第六电路单元均包括一三极管以及与所述三极管对应的反向并联的一二极管以形成ANPC(为有源型中性点箝位型，Active Neutral Point Clamped)拓扑的三电平模块。

虽然已经参考优选实施例对本实用新型进行了描述，但在不脱离本实用新型的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本实用新型并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (10)

1.一种三电平功率模块，其特征在于，包括外壳、在所述外壳内沿第一方向布置的第一绝缘衬板和第二绝缘衬板以及布置在所述第一绝缘衬板与所述第二绝缘衬板上的三电平逆变电路；

所述三电平逆变电路包括至少一个桥臂及与所述桥臂并联的电容，所述桥臂包括第一电路单元、第二电路单元、第三电路单元、第四电路单元、第五电路单元以及第六电路单元；

其中，所述第一绝缘衬板上设置有第一导电图案层，所述第二绝缘衬板上设置有第二导电图案层，所述第一导电图案层与所述第二导电图案层电连接，所述第一导电图案层上设置有所述第一电路单元、所述第二电路单元及所述第五电路单元，所述第二导电图案层上设置有所述第三电路单元、所述第四电路单元及所述第六电路单元。

2.根据权利要求1所述的三电平功率模块，其特征在于，所述第一导电图案层包括沿第二方向依次布置的相隔离的第一金属化区域、第三金属化区域、第五金属化区域以及位于所述第一绝缘衬板上靠近所述第二绝缘衬板一侧的第六金属化区域；

其中，至少一个所述桥臂的所述第一电路单元、所述第二电路单元、所述第三电路单元、所述第四电路单元、所述第五电路单元以及所述第六电路单元分别组成第一电路单元组、第二电路单元组、第三电路单元组、第四电路单元组、第五电路单元组以及第六电路单元组；

所述第一金属化区域上设置有直流正极端子组以及所述第一电路单元组，所述第三金属化区域上设有所述第二电路单元组及所述第五电路单元组，所述第五金属化区域设有第一交流端子组，所述第六金属化区域设有第一中心端子组。

3.根据权利要求2所述的三电平功率模块，其特征在于，所述第一电路单元组与所述第三金属化区域相连，所述第二电路单元组与所述第五金属化区域相连，所述第五电路单元组与所述第六金属化区域相连。

4.根据权利要求2或3所述的三电平功率模块，其特征在于，所述第二导电图案层沿所述第二方向依次布置的相隔离的第七金属化区域、第九金属化区域、第十一金属化区域以及位于所述第二绝缘衬板上靠近所述第一绝缘衬板一侧的第十二金属化区域；

其中，所述第七金属化区域上设有第二交流端子组及第三电路单元组，所述第九金属化区域上设有所述第四电路单元组，所述第十一金属化区域设有直流负极端子组，所述第十二金属化区域上设有所述第六电路单元组及第二中心端子组。

5.根据权利要求4所述的三电平功率模块，其特征在于，所述第三电路单元组与所述第九金属化区域相连，所述第四电路单元组与所述第十一金属化区域相连，所述第九金属化区域与所述第六电路单元组相连。

6.根据权利要求5所述的三电平功率模块，其特征在于，所述第五金属化区域与所述第七金属化区域并联，所述第六金属化区域与所述第十二金属化区域并联。

7.根据权利要求6所述的三电平功率模块，其特征在于，所述直流正极端子组、所述直流负极端子组、所述第一中心端子组及所述第二中心端子组设置于所述第一绝缘衬板的同一侧，所述第一交流端子组、所述第二交流端子组设置于所述第一绝缘衬板的另一侧。

8.根据权利要求6所述的三电平功率模块，其特征在于，所述第一电路单元、所述第二电路单元、所述第三电路单元及所述第四电路单元均包括一三极管芯片以及与所述三极管芯片对应的反向并联的一二极管芯片，所述第五电路单元及所述第六电路单元均包括至少一二极管芯片。

9.根据权利要求8所述的三电平功率模块，其特征在于，所述第一导电图案层还包括第二金属化区域及第四金属化区域，所述第一电路单元组的栅极通过所述第二金属化区域并联后引出，所述第二电路单元组的栅极通过所述第四金属化区域并联后引出；

所述第二导电图案层还包括第八金属化区域及第十金属化区域，所述第三电路单元组的栅极通过所述第八金属化区域并联后引出，所述第四电路单元组的栅极通过所述第十金属化区域并联后引出。

10.根据权利要求1所述的三电平功率模块，其特征在于，所述外壳与所述第一绝缘衬板、所述第二绝缘衬板之间的空腔内填充有绝缘介质。