CN221575135U - 碳化硅光耦驱动功率模块 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种碳化硅光耦驱动功率模块，包括：第一功率单元、第二功率单元以及第三功率单元；所述第一功率单元包括相连接第一功率电路和第二功率电路；所述第二功率单元包括相连接第三功率电路和第四功率电路；所述第三功率单元包括相连接第五功率电路和第六功率电路；所述第一功率电路、所述第二功率电路、所述第三功率电路、所述第四功率电路、所述第五功率电路以及所述第六功率电路均包括相连接的光耦驱动电路和三相全桥电路。本实用新型可以有效地解决驱动芯片对碳化硅芯片的电流驱动问题，优化模块结构，并且与使用驱动芯片控制的模块相比拥有更好的性价比。

Description

碳化硅光耦驱动功率模块

技术领域

本实用新型涉及光耦技术领域，具体地，涉及一种碳化硅光耦驱动功率模块，尤其是一种采用SOP封装的碳化硅光耦驱动智能功率模块。

背景技术

现有技术多采用碳化硅MOSFET组成全碳化硅功率集成模块，如申请号为CN202010439352.2的中国专利，公开了“基于碳化硅MOSFET模块的大功率高功率密度变流器及结构”，该模块整体结构依托碳化硅MOSFET的特性，可实现系统整体的高功率密度设计，但是因其芯片制造难度大、成本高，导致这种结构暂时没有得到广泛的应用。

实用新型内容

针对现有技术中的缺陷，本实用新型的目的是提供一种碳化硅光耦驱动功率模块。

根据本实用新型提供的一种碳化硅光耦驱动功率模块，包括：第一功率单元、第二功率单元以及第三功率单元；

所述第一功率单元包括相连接第一功率电路和第二功率电路；所述第二功率单元包括相连接第三功率电路和第四功率电路；所述第三功率单元包括相连接第五功率电路和第六功率电路；

所述第一功率电路、所述第二功率电路、所述第三功率电路、所述第四功率电路、所述第五功率电路以及所述第六功率电路均包括相连接的光耦驱动电路和三相全桥电路；所述光耦驱动电路包括发光二极管和感光二极管，所述三相全桥电路包括相连接电阻、三极管以及二极管。

优选的，所述第一功率单元、所述第二功率单元以及所述第三功率单元均布置在封装结构内，所述封装结构为SOP-32封装结构。

优选的，所述第一功率电路包括第一光耦驱动电路和第一单极型三相全桥电路；

所述第一光耦驱动电路包括发光二极管IRC1和感光二极管IRR1；所述第一单极型三相全桥电路包括电阻R1、碳化硅三极管Q1以及碳化硅二极管D1；

所述发光二极管IRC1的正负极分别连接封装结构的HUA引脚和HUK引脚；所述感光二极管IRR1的负极连接所述电阻R1的一端；所述感光二极管IRR1的正极分别连接所述碳化硅三极管Q1的发射极、所述碳化硅二极管D1的正极以及所述第二功率电路，并连接封装结构的UO引脚；

所述电阻R1的另一端连接所述碳化硅三极管Q1的基极；所述碳化硅三极管Q1的集电极连接所述碳化硅二极管D1的负极，并连接封装结构的VM引脚。

优选的，所述第二功率电路包括第二光耦驱动电路和第二单极型三相全桥电路；

所述第二光耦驱动电路包括发光二极管IRC2和感光二极管IRR2；所述第二单极型三相全桥电路包括电阻R2、碳化硅三极管Q2以及碳化硅二极管D2；

所述发光二极管IRC2的正负极分别连接封装结构的LUA引脚和LUK引脚；所述感光二极管IRR2的负极连接所述电阻R2的一端；所述感光二极管IRR2的正极分别连接所述碳化硅三极管Q2的发射极和所述碳化硅二极管D2的正极，并连接封装结构的GU引脚；

所述电阻R2的另一端连接所述碳化硅三极管Q2的基极；所述碳化硅三极管Q2的集电极连接所述碳化硅二极管D2的负极，并连接封装结构的UO引脚。

优选的，所述第三功率电路包括第三光耦驱动电路和第三单极型三相全桥电路；

所述第三光耦驱动电路包括发光二极管IRC3和感光二极管IRR3；所述第三单极型三相全桥电路包括电阻R3、碳化硅三极管Q3以及碳化硅二极管D3；

所述发光二极管IRC3的正负极分别连接封装结构的HVA引脚和HVK引脚；所述感光二极管IRR3的负极连接所述电阻R3的一端；所述感光二极管IRR3的正极分别连接所述碳化硅三极管Q3的发射极、所述碳化硅二极管D3的正极以及所述第二功率电路，并连接封装结构的VO引脚；

所述电阻R3的另一端连接所述碳化硅三极管Q3的基极；所述碳化硅三极管Q3的集电极连接所述碳化硅二极管D3的负极，并连接封装结构的VM引脚。

优选的，所述第四功率电路包括第四光耦驱动电路和第四单极型三相全桥电路；

所述第四光耦驱动电路包括发光二极管IRC4和感光二极管IRR4；所述第四单极型三相全桥电路包括电阻R4、碳化硅三极管Q4以及碳化硅二极管D4；

所述发光二极管IRC4的正负极分别连接封装结构的LVA引脚和LVK引脚；所述感光二极管IRR4的负极连接所述电阻R4的一端；所述感光二极管IRR4的正极分别连接所述碳化硅三极管Q4的发射极和所述碳化硅二极管D4的正极，并连接封装结构的GV引脚；

所述电阻R4的另一端连接所述碳化硅三极管Q4的基极；所述碳化硅三极管Q4的集电极连接所述碳化硅二极管D4的负极，并连接封装结构的VO引脚。

优选的，所述第五功率电路包括第五光耦驱动电路和第五单极型三相全桥电路；

所述第五光耦驱动电路包括发光二极管IRC5和感光二极管IRR5；所述第五单极型三相全桥电路包括电阻R5、碳化硅三极管Q5以及碳化硅二极管D5；

所述发光二极管IRC5的正负极分别连接封装结构的HWA引脚和HWK引脚；所述感光二极管IRR5的负极连接所述电阻R5的一端；所述感光二极管IRR5的正极分别连接所述碳化硅三极管Q5的发射极、所述碳化硅二极管D5的正极以及所述第二功率电路，并连接封装结构的WO引脚；

所述电阻R5的另一端连接所述碳化硅三极管Q5的基极；所述碳化硅三极管Q5的集电极连接所述碳化硅二极管D5的负极，并连接封装结构的VM引脚。

优选的，所述第六功率电路包括第六光耦驱动电路和第六单极型三相全桥电路；

所述第六光耦驱动电路包括发光二极管IRC6和感光二极管IRR6；所述第六单极型三相全桥电路包括电阻R6、碳化硅三极管Q6以及碳化硅二极管D6；

所述发光二极管IRC6的正负极分别连接封装结构的LWA引脚和LWK引脚；所述感光二极管IRR6的负极连接所述电阻R6的一端；所述感光二极管IRR6的正极分别连接所述碳化硅三极管Q6的发射极和所述碳化硅二极管D6的正极，并连接封装结构的GW引脚；

所述电阻R6的另一端连接所述碳化硅三极管Q6的基极；所述碳化硅三极管Q6的集电极连接所述碳化硅二极管D6的负极，并连接封装结构的WO引脚。

优选的，所述封装结构内设置有热敏电阻NTC，所述热敏电阻NTC的两端连接所述封装结构的NTC引脚。

优选的，所述第一功率电路包括第一光耦驱动电路和第一双极型三相全桥电路；所述第二功率电路包括第二光耦驱动电路和第二双极型三相全桥电路；所述第三功率电路包括第三光耦驱动电路和第三双极型三相全桥电路；

所述第一光耦驱动电路、所述第二光耦驱动电路以及所述第三光耦驱动电路均包括一个发光二极管和一个感光二极管；

所述第一双极型三相全桥电路、所述第二双极型三相全桥电路以及所述第三双极型三相全桥电路均包括两个电阻、两个碳化硅三极管以及两个碳化硅二极管。

与现有技术相比，本实用新型具有如下的有益效果：

1、本实用新型在内部电路设计上采用光耦驱动三相全桥电路的开关器件(SiCBJT),这种设计可以有效地解决驱动芯片(Driver IC)对碳化硅(BJT)芯片的电流驱动问题，优化模块结构，并且与使用Driver IC控制的模块相比拥有更好的性价比。

2、本实用新型采用的光电耦合作为驱动架构，该驱动方式不仅适用于本申请，也适用于中大功率IPM架构的设计，且本申请电路结构采用的功率芯片包括但不限于BJT、MOSFET，IGBT等类型的裸芯片，不限定其工艺来源和基底材料，可以是硅基或者SiC，GaN等。

3、本实用新型采用碳化硅三极管和碳化硅二极管，碳化硅还具有高度稳定的晶体结构，其能带宽度可达2.2eV～3.3eV，几乎是Si材料的两倍，其载流子寿命短使其转换速度更快。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本实用新型的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为单极型三相全桥电路图；

图2(a)为SOP-32模块封装外部模拟图，图2(b)封装内部元件及芯片对应表；

图3为SOP-32模块封装内部结构图；

图4为SOP-32模块引脚分布图；

图5为封装内部结构图；

图6为封装侧刨图；

图7为Si材料与SiC材料物理性能比较；

图8为双极性三相全桥电路图。

图中示出：

第一功率电路1 第四功率电路4

第二功率电路2 第五功率电路5

第三功率电路3 第六功率电路6

具体实施方式

下面结合具体实施例对本实用新型进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本实用新型，但不以任何形式限制本实用新型。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本实用新型的保护范围。

实施例1：

如图1～7所示，本实施例提供一种碳化硅光耦驱动功率模块，包括：第一功率单元、第二功率单元以及第三功率单元；第一功率单元包括相连接第一功率电路1和第二功率电路2；第二功率单元包括相连接第三功率电路3和第四功率电路4；第三功率单元包括相连接第五功率电路5和第六功率电路6；第一功率电路1、第二功率电路2、第三功率电路3、第四功率电路4、第五功率电路5以及第六功率电路6均包括相连接的光耦驱动电路和三相全桥电路；光耦驱动电路包括发光二极管和感光二极管，三相全桥电路包括相连接电阻、三极管以及二极管。

封装结构内设置有热敏电阻NTC，热敏电阻NTC的两端连接封装结构的NTC引脚。第一功率单元、第二功率单元以及第三功率单元均布置在封装结构内，封装结构为SOP-32封装结构。

第一功率电路1包括第一光耦驱动电路和第一单极型三相全桥电路；第一光耦驱动电路包括发光二极管IRC1和感光二极管IRR1；第一单极型三相全桥电路包括电阻R1、碳化硅三极管Q1以及碳化硅二极管D1；发光二极管IRC1的正负极分别连接封装结构的HUA引脚和HUK引脚；感光二极管IRR1的负极连接电阻R1的一端；感光二极管IRR1的正极分别连接碳化硅三极管Q1的发射极、碳化硅二极管D1的正极以及第二功率电路2，并连接封装结构的UO引脚；电阻R1的另一端连接碳化硅三极管Q1的基极；碳化硅三极管Q1的集电极连接碳化硅二极管D1的负极，并连接封装结构的VM引脚。第二功率电路2包括第二光耦驱动电路和第二单极型三相全桥电路；第二光耦驱动电路包括发光二极管IRC2和感光二极管IRR2；第二单极型三相全桥电路包括电阻R2、碳化硅三极管Q2以及碳化硅二极管D2；发光二极管IRC2的正负极分别连接封装结构的LUA引脚和LUK引脚；感光二极管IRR2的负极连接电阻R2的一端；感光二极管IRR2的正极分别连接碳化硅三极管Q2的发射极和碳化硅二极管D2的正极，并连接封装结构的GU引脚；电阻R2的另一端连接碳化硅三极管Q2的基极；碳化硅三极管Q2的集电极连接碳化硅二极管D2的负极，并连接封装结构的UO引脚。

第三功率电路3包括第三光耦驱动电路和第三单极型三相全桥电路；第三光耦驱动电路包括发光二极管IRC3和感光二极管IRR3；第三单极型三相全桥电路包括电阻R3、碳化硅三极管Q3以及碳化硅二极管D3；发光二极管IRC3的正负极分别连接封装结构的HVA引脚和HVK引脚；感光二极管IRR3的负极连接电阻R3的一端；感光二极管IRR3的正极分别连接碳化硅三极管Q3的发射极、碳化硅二极管D3的正极以及第二功率电路2，并连接封装结构的VO引脚；电阻R3的另一端连接碳化硅三极管Q3的基极；碳化硅三极管Q3的集电极连接碳化硅二极管D3的负极，并连接封装结构的VM引脚。第四功率电路4包括第四光耦驱动电路和第四单极型三相全桥电路；第四光耦驱动电路包括发光二极管IRC4和感光二极管IRR4；第四单极型三相全桥电路包括电阻R4、碳化硅三极管Q4以及碳化硅二极管D4；发光二极管IRC4的正负极分别连接封装结构的LVA引脚和LVK引脚；感光二极管IRR4的负极连接电阻R4的一端；感光二极管IRR4的正极分别连接碳化硅三极管Q4的发射极和碳化硅二极管D4的正极，并连接封装结构的GV引脚；电阻R4的另一端连接碳化硅三极管Q4的基极；碳化硅三极管Q4的集电极连接碳化硅二极管D4的负极，并连接封装结构的VO引脚。

第五功率电路5包括第五光耦驱动电路和第五单极型三相全桥电路；第五光耦驱动电路包括发光二极管IRC5和感光二极管IRR5；第五单极型三相全桥电路包括电阻R5、碳化硅三极管Q5以及碳化硅二极管D5；发光二极管IRC5的正负极分别连接封装结构的HWA引脚和HWK引脚；感光二极管IRR5的负极连接电阻R5的一端；感光二极管IRR5的正极分别连接碳化硅三极管Q5的发射极、碳化硅二极管D5的正极以及第二功率电路2，并连接封装结构的WO引脚；电阻R5的另一端连接碳化硅三极管Q5的基极；碳化硅三极管Q5的集电极连接碳化硅二极管D5的负极，并连接封装结构的VM引脚。第六功率电路6包括第六光耦驱动电路和第六单极型三相全桥电路；第六光耦驱动电路包括发光二极管IRC6和感光二极管IRR6；第六单极型三相全桥电路包括电阻R6、碳化硅三极管Q6以及碳化硅二极管D6；发光二极管IRC6的正负极分别连接封装结构的LWA引脚和LWK引脚；感光二极管IRR6的负极连接电阻R6的一端；感光二极管IRR6的正极分别连接碳化硅三极管Q6的发射极和碳化硅二极管D6的正极，并连接封装结构的GW引脚；电阻R6的另一端连接碳化硅三极管Q6的基极；碳化硅三极管Q6的集电极连接碳化硅二极管D6的负极，并连接封装结构的WO引脚。

实施例2：

如图8所示，本实施例与实施1的不同之处在于，第一功率电路1包括第一光耦驱动电路和第一双极型三相全桥电路；第二功率电路2包括第二光耦驱动电路和第二双极型三相全桥电路；第三功率电路3包括第三光耦驱动电路和第三双极型三相全桥电路。

第一光耦驱动电路、第二光耦驱动电路以及第三光耦驱动电路均包括一个发光二极管和一个感光二极管；第一双极型三相全桥电路、第二双极型三相全桥电路以及第三双极型三相全桥电路均包括两个电阻、两个碳化硅三极管以及两个碳化硅二极管。

在中大功率模块的设计中多采用双极性电路，如图8所示，中大功率模块的封装形式与现有硅基模块相仿。

实施例3：

本领域技术人员可以将本实施例理解为实施例1的更为具体的说明。

本实施例提供了一种全碳化硅光耦驱动智能功率模块(IPM)，在电路设计上如图1所示，采用光耦驱动三相全桥电路的开关器件(SiC BJT)；在模块封装上如图2(a)所示，采用SOP-32(小功率模块)的封装形式；并在芯片方面如图2(b)所示，逆变电路的功率芯片均采用SiC BJT芯片和SiC SBD芯片，综合以上优势组成全碳化硅光耦驱动智能功率模块，具体技术方案如下：

电路方面：

本实施例在内部电路设计上采用光耦驱动三相全桥电路的开关器件(SiC BJT),这种设计可以有效地解决Driver IC对BJT芯片的电流驱动问题，优化模块结构，并且与使用Driver IC控制的模块相比拥有更好的性价比。

本实施例采用的光电耦合作为驱动架构，该驱动方式不仅适用于本实施例，也适用于中大功率IPM架构的设计，且本实施例电路结构采用的功率芯片包括但不限于BJT、MOSFET，IGBT等类型的裸芯片，不限定其工艺来源和基底材料，可以是硅基或者SiC，GaN等。

芯片方面：

与采用硅基功率芯片的智能功率模块(Si IGBT&Si FRD)相比，本实施例为全碳化硅模块智能功率模块，得益于碳化硅自身材料的优势，使其具有比硅基低20～50倍的开关损耗以及更低的导通压降，因为开关损耗和导通压降的降低，模块整体的效率和性能得到大大提高。此外，碳化硅还具有高度稳定的晶体结构，其能带宽度可达2.2eV～3.3eV，几乎是Si材料的两倍，其载流子寿命短使其转换速度更快。综合上述优势也使得碳化硅模块可以克服硅基模块出现的众多问题，使其在电力电子中的应用更有优势。

与当前混合碳化硅基模块(Si IGBT&SiC SBD)和全碳化硅模块(SiC MOSFET&SiCSBD)相比，该款碳化硅模块的优势在于采用了SiC BJT芯片和SiC SBD芯片，既保留了全碳化硅模块耐高温、耐高压、耐高频、低损耗，抗杂讯等优势，而且该款全碳化硅模块要比使用SiC MOSFET模块更有性价比，且不存在由SiC MOS构造导致的抗杂讯差等问题，在模块应用更有优势。

封装方面：

如图2(a)所示，该款模块采用SOP-32的封装形式，但其封装形式包含不限于SOP-32这种封装形式，可以根据不用的应用场景匹配合适的封装形式。结构上，将SOP-32传统的一体化冲压出来的金属铜框架的散热片改成高导热系数的陶瓷片，陶瓷片单面覆金属后成为可直接键合的陶瓷(Direct Bonding Ceramic)，其中正面加工出需要的线路，芯片上表面的焊盘与陶瓷上的金属层(覆铜电路)或者金属引脚通过金属丝，金属条或金属带形成电气连接。

SOP-32这种封装形式在集成电路上应用广泛，具有体型小、适配度高、功率密度高、可靠性好和稳定性高等优点。将整个逆变电路及光耦驱动电路集成到一个SOP-32模块中，可以有效地保护芯片内部电路免受外界环境的影响。此外，由于其尺寸较小，因此可以在电路板上占用更少的空间，也提高了PCB板空间利用率，从而使得整个电路板的设计更加简洁和美观，并且本模块使用覆铜陶瓷基板也使得整个模块的散热效果更好。

实施例4：

本领域技术人员可以将本实施例理解为实施例1的更为具体的说明。

本实施例提供了一种采用全碳化硅功率器件的小功率光耦驱动智能功率模块，其内部的单极性电路包含6组光耦驱动电路和三相逆变电路，并在模块封装上如图2(a)所示，采用SOP-32封装形式。

其内部电路结构组成如下：

本实施例共使用到6组光耦驱动电路，每组光耦驱动分别由1颗发光二极管IRC和1颗感光二极管IRR组成。以其中1组为例，外部PWM控制信号通过引脚3在发光二极管IRC1的阳极输入并再通过其阴极在引脚4输出，控制发光二极管IRC1以光为媒介传输电信号，感光二极管IRR1通过导光柱可以接收光信号并产生微小光电流进行输出，完成电—光—电的转换。

三相逆变电路由6个NPN型SiC BJT芯片(Q1～Q6)和6个SiC SBD(D1～D6)芯片组成，形成三相全桥控制电路。每个NPN型SiC BJT反平行并联一个SiC SBD构成一个桥臂，上下两个桥臂串联构成一相。感光二极管IRR产生电信号通过限流电阻R连接SiC BJT的基极，用来控制SiC BJT的开通和关断；上桥臂SiC BJT的集电极接直流电压源(29-VM、30-VM、31-VM)，下桥臂SiC BJT的发射极连接引脚(26-GU、22-GV、19-GW)，通过上下桥臂的连接点(即上桥臂SiC BJT的发射极和下桥臂SiC BJT的集电极的连接点)引出引脚电极27-UO/28-UO、24-VO/25-VO、20-WO/21-WO。三相逆变电路在工作时，每相的功率换流回路是错位的，即上桥臂SiC BJT与下桥臂SiC SBD构成一个功率换流回路，而下桥臂SiC BJT与上桥臂SiC SBD构成另一个功率换流回路，整个逆变电路共有六个功率换流回路。

此外，在本实施例的功能上，设计了内部温度检测电路，由引脚15-NTC1、引脚16-NTC2连接热敏电阻NTC，对模块内部温度进行检测。

其封装结构组成如下：

该款模块的封装采用SOP-32的封装形式，结构上采用单面覆铜陶瓷基板可以直接键合芯片和元件。设计完成的PCB电路如图5所示，通过特殊工艺将金属层镀在陶瓷基板的正面形成26个区域，芯片上表面的焊盘与陶瓷上的金属层(覆铜电路)或者金属引脚通过金属丝，金属条或金属带形成电气连接，最后注塑、切筋做成成品模块。

如图3所示，在全部32个引脚中，其中20个引脚分别点焊在覆铜电路的1、2、15～26区域，在这20个引脚中有6个为空引脚、14个为电信号输入输出引脚；另外12个引脚为发光二极管的控制引脚分别搭建在覆铜电路3～14区域。根据图1所示，本实施例内部主要结构可以分为3个部分，每个部分电路及封装结构相同，如图5所示，以第一部分为例：

第一部分上桥臂，引脚3、4见图6所示，向上弯折分别连接发光二极管IRC1的阳极和阴极，外部控制信号控制发光二极管IRC1产生以光为媒介的电信号，通过导光柱将信号传输。感光二极管IRR1接收信号并产生微小光电流进行输出，完成电—光—电的转换。其感光二极管IRR1的阴极焊接在区域3,其阳极通过键合线连接到区域4。SiC BJT(Q1)的集电极与SiC SBD(D1)的阴极焊接在区域25，与焊接在区域25的Q3的集电极、Q5的集电极、D3的阴极、D5的阴极相连，同时通过点焊在区域25的29、30、31引脚接收电信号；其基极通过键合线连接到区域3，与焊接在区域3上限流电阻(R1)和感光二极管IRR1的阴极相连；其发射极通过键合线连接到区域4再通过键合线连接到感光二极管IRR1的阳极，并且通过键合线与SiCSBD(D1)的阳极相连。

第一部分下桥臂，引脚5、6见图6所示，向上弯折分别连接发光二极管IRC2的阳极和阴极，外部控制信号控制发光二极管IRC2产生以光为媒介的电信号，通过导光柱将信号传输。感光二极管IRR2接收信号并产生微小光电流进行输出，完成电—光—电的转换。其感光二极管IRR2的阴极焊接在区域5,其阳极通过键合线连接到区域6。SiC BJT(Q2)的集电极与SiC SBD(D2)的阴极焊接在区域24，通过键合线与上桥臂Q1的发射极、D1的阳极相连，同时通过点焊在区域24的27、28引脚输出电信号；其基极通过键合线连接到区域5，与焊接在区域5上限流电阻(R2)和感光二极管IRR2的阴极相连；其发射极通过键合线连接到区域6再通过键合线连接到感光二极管IRR2的阳极，并且通过键合线与SiC SBD(D2)的阳极相连，SiC SBD(D2)的阳极通过键合线与电焊在区域23的引脚26相连输出电信号。

如上述所示，上下两桥臂组成三相全桥电路的第一半桥，其余两个半桥的封装结构与第一半桥相同。此外，在本实施例的功能上，设计了内部温度检测电路，由点焊在区域15的引脚15、16与焊接区域15热敏电阻NTC相连，对模块内部温度进行检测。

本实施例内部封装结构如图5、6所示，可与内部电路图1搭配理解，且本实施例的封装形式包含不限于SOP-32这种封装形式，可以根据不用的应用场景匹配合适的封装形式。

本实施例透过以下步骤进行工作：

本实施例提供一种采用全碳化硅光耦驱动智能功率模块(IPM)，本实施例为小功率模块多采用单极性电路包含光耦驱动和三相逆变电路，其电路原理如下：

光耦驱动电路原理，光电耦合以光为媒介传输电信号。它对输入、输出电信号有良好的隔离作用，在各种电路中得到广泛的应用。输入的电信号驱动发光二极管，使之发出一定波长的光，被感光二极管接收并产生微小光电流进行输出，完成电—光—电的转换，从而起到输入、输出、隔离的作用。由于光耦合器输入输出间互相隔离，电信号传输具有单向性等特点，因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。

三相逆变电路：三相逆变电路的输入端接直流电源，逆变电路中的6个SiC BJT芯片作为开关器件分为三组，每组两个，分别对应三相交流电的正负半周。当一个开关器件导通时，电流会流经该器件并流向负载；当另一个开关器件导通时，电流会流经该器件并从负载返回。通过控制不同开关器件的导通和关断，可以实现对输出电压和频率的控制，逆变电路的输出端连接到负载，将直流电能转换为交流电能供给负载使用。与SiC BJT芯片反平行并联的SiC SBD担任蓄流二极管角色，由于碳化硅材料优异特性不仅可以降低蓄流二极管的部分开关损耗，SiC BJT部分开关损耗也会降低。

在中大功率模块设计中多采用双极性电路，驱动电路可以采用光电耦合配合达林顿放大电路的原理，达林顿基本电路由两个(甚至多个)双极性晶体管组成的复合结构，通过这样的结构，经第一个双极性晶体管放大的电流可以进一步被放大,此结构可提供一个比其中任意一个晶体管高得多的电流增益。同时因其具有高电流增益的特性，从而意味其可透过微控制器或传感器的少量电流运行更大的负载。因达林顿放大原理只需少量电流即可运行，故而采用光耦电路驱动达林顿放大电路，这种设计可以有效地解决Driver IC对BJT芯片的电流驱动问题，并且与使用Driver IC控制的模块相比拥有更好的性价比。

本实施例把原来需要多个器件及Driver IC的逆变系统集成到一个SOP-32形式的封装模块内，即降低了原来多个分立器件在PCB板上的综合寄生参数，也减少了电磁/开关噪音，改善了EMI性能，提高了系统效率，解决了芯片与散热片/散热底板的电气绝缘问题。如图5所示，该模块内部集成封装了光耦驱动(IRC1～IRC6、IRR1～IRR6)、电阻(R1～R6)、SiC BJT芯片(Q1～Q6)和SiC SBD(D1～D6)等元件或裸芯片，将智能功率模块的功率及驱动部分封入一个模块中即减少了单管使用数量，也提高了PCB板空间利用率，还使得整个系统的体积和重量得以优化。

实施例5：

本领域技术人员可以将本实施例理解为实施例1的更为具体的说明。

本实施例提出了一种改进的SOP封装结构，其主要特点是将现有的金属散热片替换为高导热陶瓷材料。这种高导热陶瓷材料包括但不限于氮化铝(ALN)、氧化铝(AL2O3)和氮化硅(Si3N4)。通过使用这些高导热陶瓷材料，可以显著提高绝缘及散热效果，从而增强器件的稳定性和可靠性。此外，本实施例还创新地采用了SOP-32封装形式，这种封装结构能够容纳更多芯片的输出管脚需求，这也意味着在相同的封装尺寸下，可以实现更大功率、更多芯片以及更高的集成度和更多的功能。本实施例通过将金属散热片替换为高导热陶瓷材料以及采用SOP-32封装形式，不仅提高了器件的散热性能，还增加了其集成度和功能，这将有助于推动电子设备的发展，满足日益增长的性能需求。

在芯片方面，碳化硅材料为大功率芯片的出现提供了契机，在碳化硅芯片导入模块的历程中，首先是将硅基二极管更换成了SiC SBD出现了混合碳化硅模块，后来出现了采用SiC MOSFET芯片&SiC SBD芯片的全碳化硅模块。通过采用碳化硅功率器件，因其材料高击穿场强、宽禁带、高热导率、高熔点、高电子饱和漂移速率等优异的性能如图7所示，使得碳化硅PFC电路模块可以在高温、高压、高频应用环境下使用，且能够提高工作电压，减小工作电流，降低传导损失，以达到提高转换效率的效果。

本实施例采用SiC BJT芯片&SiC SBD芯片新型架构来替代SiC MOSFET芯片。BJT做为最早应用于电子领域的半导体器件，典型的三层式结构(集电极、基极、发射极)使其制造成本相对低。当前借助碳化硅材料制作的SiC BJT芯片，其在放大电流、开关电路以及作为电子开关等方面的表现突出，且因其制造和价格优势，使得该种架构在未来的碳化硅应用方面前景广阔。

在应用方面，除了制造和成本优势，通过采用SiC BJT芯片&SiC SBD芯片新型架构的光耦驱动智能功率模块，在封装设计方面是非常灵活的，其封装形式包含不限于SOP-32这种封装形式，可以根据不同的应用场景匹配合适的封装形式，且在传统的模块封装形式上不需要做出太大的修改，完全可以借助现有的封装形式进行封装，本实施例属于小功率模块采用单极性电路，在中大功率模块的设计中多采用双极性电路如下图8所示，中大功率模块的封装形式与现有硅基模块相仿。

本实用新型可以有效地解决驱动芯片对碳化硅芯片的电流驱动问题，优化模块结构，并且与使用驱动芯片控制的模块相比拥有更好的性价比。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

以上对本实用新型的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本实用新型并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本实用新型的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种碳化硅光耦驱动功率模块，其特征在于，包括：第一功率单元、第二功率单元以及第三功率单元；

所述第一功率单元包括相连接第一功率电路(1)和第二功率电路(2)；所述第二功率单元包括相连接第三功率电路(3)和第四功率电路(4)；所述第三功率单元包括相连接第五功率电路(5)和第六功率电路(6)；

所述第一功率电路(1)、所述第二功率电路(2)、所述第三功率电路(3)、所述第四功率电路(4)、所述第五功率电路(5)以及所述第六功率电路(6)均包括相连接的光耦驱动电路和三相全桥电路；所述光耦驱动电路包括发光二极管和感光二极管，所述三相全桥电路包括相连接电阻、三极管以及二极管。

2.根据权利要求1所述的碳化硅光耦驱动功率模块，其特征在于，所述第一功率单元、所述第二功率单元以及所述第三功率单元均布置在封装结构内，所述封装结构为SOP-32封装结构。

3.根据权利要求2所述的碳化硅光耦驱动功率模块，其特征在于，所述第一功率电路(1)包括第一光耦驱动电路和第一单极型三相全桥电路；

所述第一光耦驱动电路包括发光二极管IRC1和感光二极管IRR1；所述第一单极型三相全桥电路包括电阻R1、碳化硅三极管Q1以及碳化硅二极管D1；

所述发光二极管IRC1的正负极分别连接封装结构的HUA引脚和HUK引脚；所述感光二极管IRR1的负极连接所述电阻R1的一端；所述感光二极管IRR1的正极分别连接所述碳化硅三极管Q1的发射极、所述碳化硅二极管D1的正极以及所述第二功率电路(2)，并连接封装结构的UO引脚；

所述电阻R1的另一端连接所述碳化硅三极管Q1的基极；所述碳化硅三极管Q1的集电极连接所述碳化硅二极管D1的负极，并连接封装结构的VM引脚。

4.根据权利要求3所述的碳化硅光耦驱动功率模块，其特征在于，所述第二功率电路(2)包括第二光耦驱动电路和第二单极型三相全桥电路；

所述第二光耦驱动电路包括发光二极管IRC2和感光二极管IRR2；所述第二单极型三相全桥电路包括电阻R2、碳化硅三极管Q2以及碳化硅二极管D2；

所述发光二极管IRC2的正负极分别连接封装结构的LUA引脚和LUK引脚；所述感光二极管IRR2的负极连接所述电阻R2的一端；所述感光二极管IRR2的正极分别连接所述碳化硅三极管Q2的发射极和所述碳化硅二极管D2的正极，并连接封装结构的GU引脚；

所述电阻R2的另一端连接所述碳化硅三极管Q2的基极；所述碳化硅三极管Q2的集电极连接所述碳化硅二极管D2的负极，并连接封装结构的UO引脚。

5.根据权利要求4所述的碳化硅光耦驱动功率模块，其特征在于，所述第三功率电路(3)包括第三光耦驱动电路和第三单极型三相全桥电路；

所述第三光耦驱动电路包括发光二极管IRC3和感光二极管IRR3；所述第三单极型三相全桥电路包括电阻R3、碳化硅三极管Q3以及碳化硅二极管D3；

所述发光二极管IRC3的正负极分别连接封装结构的HVA引脚和HVK引脚；所述感光二极管IRR3的负极连接所述电阻R3的一端；所述感光二极管IRR3的正极分别连接所述碳化硅三极管Q3的发射极、所述碳化硅二极管D3的正极以及所述第二功率电路(2)，并连接封装结构的VO引脚；

所述电阻R3的另一端连接所述碳化硅三极管Q3的基极；所述碳化硅三极管Q3的集电极连接所述碳化硅二极管D3的负极，并连接封装结构的VM引脚。

6.根据权利要求5所述的碳化硅光耦驱动功率模块，其特征在于，所述第四功率电路(4)包括第四光耦驱动电路和第四单极型三相全桥电路；

所述第四光耦驱动电路包括发光二极管IRC4和感光二极管IRR4；所述第四单极型三相全桥电路包括电阻R4、碳化硅三极管Q4以及碳化硅二极管D4；

所述发光二极管IRC4的正负极分别连接封装结构的LVA引脚和LVK引脚；所述感光二极管IRR4的负极连接所述电阻R4的一端；所述感光二极管IRR4的正极分别连接所述碳化硅三极管Q4的发射极和所述碳化硅二极管D4的正极，并连接封装结构的GV引脚；

所述电阻R4的另一端连接所述碳化硅三极管Q4的基极；所述碳化硅三极管Q4的集电极连接所述碳化硅二极管D4的负极，并连接封装结构的VO引脚。

7.根据权利要求6所述的碳化硅光耦驱动功率模块，其特征在于，所述第五功率电路(5)包括第五光耦驱动电路和第五单极型三相全桥电路；

所述第五光耦驱动电路包括发光二极管IRC5和感光二极管IRR5；所述第五单极型三相全桥电路包括电阻R5、碳化硅三极管Q5以及碳化硅二极管D5；

所述发光二极管IRC5的正负极分别连接封装结构的HWA引脚和HWK引脚；所述感光二极管IRR5的负极连接所述电阻R5的一端；所述感光二极管IRR5的正极分别连接所述碳化硅三极管Q5的发射极、所述碳化硅二极管D5的正极以及所述第二功率电路(2)，并连接封装结构的WO引脚；

所述电阻R5的另一端连接所述碳化硅三极管Q5的基极；所述碳化硅三极管Q5的集电极连接所述碳化硅二极管D5的负极，并连接封装结构的VM引脚。

8.根据权利要求7所述的碳化硅光耦驱动功率模块，其特征在于，所述第六功率电路(6)包括第六光耦驱动电路和第六单极型三相全桥电路；

所述第六光耦驱动电路包括发光二极管IRC6和感光二极管IRR6；所述第六单极型三相全桥电路包括电阻R6、碳化硅三极管Q6以及碳化硅二极管D6；

所述发光二极管IRC6的正负极分别连接封装结构的LWA引脚和LWK引脚；所述感光二极管IRR6的负极连接所述电阻R6的一端；所述感光二极管IRR6的正极分别连接所述碳化硅三极管Q6的发射极和所述碳化硅二极管D6的正极，并连接封装结构的GW引脚；

所述电阻R6的另一端连接所述碳化硅三极管Q6的基极；所述碳化硅三极管Q6的集电极连接所述碳化硅二极管D6的负极，并连接封装结构的WO引脚。

9.根据权利要求2所述的碳化硅光耦驱动功率模块，其特征在于，所述封装结构内设置有热敏电阻NTC，所述热敏电阻NTC的两端连接所述封装结构的NTC引脚。

10.根据权利要求2所述的碳化硅光耦驱动功率模块，其特征在于，所述第一功率电路(1)包括第一光耦驱动电路和第一双极型三相全桥电路；所述第二功率电路(2)包括第二光耦驱动电路和第二双极型三相全桥电路；所述第三功率电路(3)包括第三光耦驱动电路和第三双极型三相全桥电路；

所述第一光耦驱动电路、所述第二光耦驱动电路以及所述第三光耦驱动电路均包括一个发光二极管和一个感光二极管；

所述第一双极型三相全桥电路、所述第二双极型三相全桥电路以及所述第三双极型三相全桥电路均包括两个电阻、两个碳化硅三极管以及两个碳化硅二极管。