TWI716238B - 高功率模組 - Google Patents

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TWI716238B
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彭明燦
謝士鍇
林立松
何政翰
林宇洲
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Abstract

一種高功率模組，其包含基板、複數個第一功率晶片、複數個第二功率晶片、正電極片及負電極片。基板包含第一金屬區、第二金屬區及設置在第一金屬區及第二金屬區之間的第三金屬區。該些第一功率晶片設置於第三金屬區，並透過複數個第一連接件連接至第一金屬區。該些第二功率晶片設置於第二金屬區，並透過複數個第二連接件連接至第三金屬區。正電極片呈C形環狀，並連接於第一金屬區。負電極片呈C形環狀，並連接於第二金屬區，且負電極片之開口朝向與正電極片之開口朝向相反。

Description

高功率模組
本揭露係有關於一種高功率模組，特別是一種能達到低雜散電感及電流密度均勻的高功率模組。
為了能夠達到大電流輸出，高功率模組需要整合多個功率晶片，使其可以應用於各種車輛及其它相關的設備，如電動汽車、摩托車、公共汽車、卡車和充電站等。然而，當應用於功率逆變器時，換向迴路的雜散電感在切換期間將引起電壓過衝(Overshoot)，而其震盪則會產生電磁干擾(EMI)及嚴重的切換損耗，故功率晶片也容易因此而損壞。
現有的高功率模組由於電路設計不佳，如功率晶片的位置及電極片的設計，使其雜散電感很難達到低於10nH以下，因此無法有效的應用於各種車輛及其它相關的設備。
另外，現有的高功率模組由於電路設計及結構設計不佳，也容易產電流密度不均的問題，進一步影響現有的高功率模組的效能。
因此，如何提出一種高功率模組，能夠有效改善現有的高功率模組的各種限制已成為一個刻不容緩的問題。
有鑑於上述習知技藝之問題，本揭露之其中一目的就是在提供一種高功率模組，以解決習知技藝之高功率模組容易產生高雜散電感及電流密度不均的問題。
根據本揭露之其中一目的，提出一種高功率模組，其包含基板、複數個第一功率晶片、複數個第二功率晶片、正電極片、負電極片及輸出端電極片。基板包含第一金屬區、第二金屬區及設置在第一金屬區及第二金屬區之間的第三金屬區。該些第一功率晶片設置於第三金屬區，並透過複數個第一連接件連接至第一金屬區。該些第二功率晶片設置於第二金屬區，並透過複數個第二連接件連接至第三金屬區。正電極片呈C形環狀，並連接於第一金屬區。負電極片呈C形環狀，並連接於第二金屬區，且負電極片之開口朝向與正電極片之開口朝向相反。輸出端電極片連接於第三金屬區之一端。
1、2、3:高功率模組
10、20、30:基板
101、201、301:第一金屬區
1011:第一凹槽
102、202、302:第二金屬區
1021:第二凹槽
103、203、303:第三金屬區
1031:第三凹槽
104、204、304:第四金屬區
1041:第四凹槽
105、205、305:第五金屬區
1051:第五凹槽
d:汲極
G1:第一群組
G2:第二群組
G3:第三群組
G4:第四群組
O1:正電極片之開口朝向
O2:負電極片之開口朝向
S1、S2:間距
B:相鄰第一功率晶片之間距
X:正極接腳之寬度
J:輸出端電極片之寬度
F:第一功率晶片之寬度、第二功率晶片 之寬度
106-1、206-1、306-1:第一上隔離區
106-2、206-2、306-2:第一下隔離區
107-1、207-1、307-1:第二上隔離區
107-2、207-2、307-2:第二下隔離區108:閘極驅動電路
11-1~11-6、21-1~21-6、31-1~31-6:第一功率晶片
12-1~12-6、22-1~22-6、32-1~32-6:第二功率晶片
13、23、33:正電極片
131、231、331:正極端子
1311、2311、3311:鎖孔
132、232、332:連接部
133-1~133-6、233-1~233-6、333-1~333-6:正極接腳
14、24、34:負電極片
141、241、341:負極端子
1411、2411、3411:鎖孔
142、242、342:連接部
143-1~143-6、243-1~243-6、343-1~343-6:正極接腳
L:第一功率晶片之長度、第二功率晶片之長度
M:正電極片13之中央凹槽之寬度
W:第一金屬區之寬度
Pt1:正極端子之一端之寬度
Pt2:正極端子之另一端之寬度
Ut1:正極端子之寬度
Un1:正極接腳之寬度
P:正電極片之寬度
Pt3:負極端子之一端之寬度
Pt4:負極端子之另一端之寬度
Ut2:負極端子之寬度
Un2:負極接腳之寬度
P’:負電極片之寬度
Y:輸出端端子之寬度
Ku:輸出端端子之寬度
Kd:輸出端接腳之寬度
R1~R6、R1 ’~R6 ’、Z1a~Z6a、Z1b~Z6b、Z1~Z6、Z1 ’~Z6 ’:有效通道寬度
15、15’、25、35:輸出端電極片
151’:輸出端端子
1511、1511’、2511、3511:鎖孔
152’:連接部
153’:輸出端接腳
C1:第一連接件
C2:第二連接件
g:閘極
s:源極
Dm1~Dm6:孔洞之直徑
PA:正電極片之中心軸
NA:負電極片之中心軸
SA:高功率模組之對稱軸
第1A圖~第1D圖 係為本揭露之第一實施例之高功率模組之結構圖。
第2A圖~第2B圖 係為本揭露之第一實施例之高功率模組1與閘極驅動電路整合之結構圖。
第3圖 係為本揭露之第一實施例之高功率模組之第一功率晶片之結構圖。
第4A圖 係為本揭露之第一實施例之高功率模組之正電極片/負電極片之立體圖。
第4B圖 係為本揭露之第一實施例之高功率模組之正電極片/負電極片之剖面圖。
第5A~5B圖 係為本揭露之第一實施例之高功率模組之輸出端電極片之立體圖。
第5C圖 係為本揭露之第一實施例之高功率模組之輸出端電極片之剖面圖。
第6A圖 係為本揭露之第一實施例之高功率模組之側視圖。
第6B圖 係為本揭露之第一實施例之高功率模組之交流相電流路徑之示意圖。
第6C圖 係為本揭露之第一實施例之高功率模組之直流相電流路徑之示意圖。
第7A圖~第7B圖 係為本揭露之第一實施例之高功率模組之模擬結果圖。
第8A圖~第8C圖 係為本揭露之第二實施例之高功率模組之結構圖。
第9圖 係為本揭露之第二實施例之高功率模組之正電極片之立體圖。
第10圖 係為本揭露之第二實施例之高功率模組之負電極片之立體圖。
第11A圖~第11C圖 係為本揭露之第三實施例之高功率模組之結構圖。
第12A圖~第12B圖 係為本揭露之第三實施例之高功率模組之正電極片之局部放大圖。
以下將參照相關圖式，說明依本揭露之高功率模組之實施例，為了清楚與方便圖式說明之故，圖式中的各部件在尺寸與比例上可能會被誇大或縮小地呈現。在以下描述及/或申請專利範圍中，當提及元件「連接」或「耦合」至另一元件時，其可直接連接或耦合至該另一元件或可存在介入元件；而當提及元件「直接連接」或「直接耦合」至另一元件時，不存在介入元件，用於描述元件或層之間之關係之其他字詞應以相同方式解釋。為使便於理解，下述實施例中之相同元件係以相同之符號標示來說明。
請參閱第1A圖~第1D圖，其係為本揭露之第一實施例之高功率模組1之結構圖。如第1A圖所示，高功率模組1包含基板10、6個第一功率晶片11-1、11-2、11-3、11-4、11-5、11-6、6個第二功率晶片12-1、12-2、12-3、12-4、12-5、12-6、正電極片13、負電極片14及輸出端電極片15。
基板10包含第一金屬區101、第二金屬區102、第三金屬區103、第四金屬區104、第五金屬區105、第一上隔離區106-1、第一下隔離區106-2、第二上隔離區107-1及第二下隔離區107-2。第一金屬區101、第二金屬區102及第三金屬區103為矩形區塊。第三金屬區103設置在第一金屬區101與第二金屬區102之間。第四金屬區104設置於第一金屬區101及第三金屬區103之間，並連接於該些第一功率晶片11-1、11-2、11-3、11-4、11-5、11-6之閘極；第一上隔離區106-1及第一下隔離區106-2則分別設置於第四金屬區104之二側，以將第四金屬區104 與第一金屬區101及第三金屬區103隔離。第五金屬區105設置於第二金屬區102及第三金屬區103之間，並連接於該些第二功率晶片12-1、12-2、12-3、12-4、12-5、12-6之閘極；第二上隔離區107-1及第二下隔離區107-2則分別設置於第五金屬區105之二側，以將第五金屬區105與第三金屬區103及第二金屬區102隔離。
第四金屬區104及第五金屬區105連接至一外部閘極驅動電路(未繪於圖中)。因此，該些第一功率晶片11-1、11-2、11-3、11-4、11-5、11-6之閘極能透過第四金屬區104連接至外部閘極驅動電路，而該些第二功率晶片12-1、12-2、12-3、12-4、12-5、12-6之閘極也能透過第五金屬區105連接至外部閘極驅動電路。
請參閱第2A圖及第2B圖，其係為本揭露之第一實施例之高功率模組1與閘極驅動電路108整合之結構圖。如第2A圖所示，第一金屬區101包含第一凹槽1011，第二金屬區102包含第二凹槽1021，第三金屬區103包含第三凹槽1031，第四金屬區104包含第四凹槽1041，而第五金屬區105包含第五凹槽1051。因此，如第2B圖所示，閘極驅動電路108則可以設置於由第一凹槽1011、第二凹槽1021、第三凹槽1031、第四凹槽1041及第五凹槽1051連接所形成的空間內，並透過封裝技術固定閘極驅動電路108及其走線，使閘極驅動電路108可以穩定地固定在基板10上。透過上述的結構，使高功率模組1不需要連接至外部閘極驅動電路，故高功率模組1的體積可以大幅縮小，使其應用上更為廣泛。在另一實施例中，基板10可包含一凹槽，而閘極驅動電路108則可設置於凹槽內，使閘極驅動電路108被基板10及第一金屬區101~第五金屬區105包覆。
如第1A圖所示，該些第一功率晶片11-1、11-2、11-3、11-4、11-5、11-6設置於第三金屬區103，並透過第一連接件C1連接至第一金屬區101。因此，第一連接件C1橫跨第一金屬區101與第三金屬區103，且跨越第四金屬區104，並橋接第一功率晶片11-1、11-2、11-3、11-4、11-5、11-6與第一金屬區101，使該些第一功率晶片11-1、11-2、11-3、11-4、11-5、11-6能呈直線排列以形成一陣列。在本實施例中，第一功率晶片11-1之閘極g(第3圖)透過走線連接第四金屬區104，再連接至外部閘極驅動電路。同理，該些第一功率晶片11-2、11-3、11-4、11-5、11-6也具有上述的結構。
請參閱第3圖，其係為第一功率晶片11-1之結構圖，並請同時參閱第1A圖。如圖所示，第一功率晶片11-1之源極s設置於其下表面，並與第三金屬區103連接，而第一功率晶片11-1之汲極d設置於其上表面，並與第一連接件C1連接；該些第一功率晶片11-2、11-3、11-4、11-5、11-6也具有上述的結構。同理，由於該些第一功率晶片11-1、11-2、11-3、11-4、11-5、11-6之源極s與第三金屬區103連接，而該些第一功率晶片11-1、11-2、11-3、11-4、11-5、11-6之汲極d設置於其上表面，各第一連接件C1之一端連接各汲極d，並透過第一連接件C1連接至第一金屬區101，各第一連接件C1之另一端連接第一金屬區101，故該些第一功率晶片11-1、11-2、11-3、11-4、11-5、11-6呈現並聯的狀態。在一實施例中，該些第一功率晶片11-1、11-2、11-3、11-4、11-5、11-6可透過緞帶式接合(Ribbon Bonding)、金屬片接合(Clip Bonding)、鎊線接合(Wire Bonding)、束狀或樑式引線(Beam Lead)、表面黏著技術(Surface Mount Technique，SMT)、覆晶(Flip-Chip)、引線框架(Lead Frame)、球格陣列(Ball Grid Array，BGA)等等的 方式連接於第三金屬區103上，而該些第一連接件C1可為磅線、銅片或其它金屬片。在本實施例中，該些第一功率晶片11-1、11-2、11-3、11-4透過鎊線或金屬片接合的方式連接於第三金屬區103上。
如第1A圖所示，該些第二功率晶片12-1、12-2、12-3、12-4、12-5、12-6設置於第二金屬區102，並透過第二連接件C2連接至第三金屬區103。因此，第二連接件C2橫跨第二金屬區102與第三金屬區103，且跨越第五金屬區105，並橋接第二功率晶片12-1、12-2、12-3、12-4、12-5、12-6與第三金屬區103，使該些第二功率晶片12-1、12-2、12-3、12-4、12-5、12-6能呈直線排列以形成另一陣列，與第一功率晶片11-1、11-2、11-3、11-4、11-5、11-6呈現對稱。同樣的，在本實施例中，第二功率晶片12-1之閘極g透過走線連接至第五金屬區105，再連接至外部閘極驅動電路。同理，該些第二功率晶片12-2、12-3、12-4、12-5、12-6也具有上述的結構。由於該些第二功率晶片12-1、12-2、12-3、12-4、12-5、12-6之源極s與第三金屬區103連接(該些第二功率晶片12-1、12-2、12-3、12-4、12-5、12-6之側示圖近似第3圖)，而該些第二功率晶片12-1、12-2、12-3、12-4、12-5、12-6之汲極d設置於其上表面，各第二連接件C2之一端連接各汲極d，並透過第二連接件C2連接至第三金屬區103，各第二連接件C2之另一端連接第三金屬區103，故該些第二功率晶片12-1、12-2、12-3、12-4、12-5、12-6呈現並聯的狀態。由第1A圖可看出，該些第一功率晶片11-1、11-2、11-3、11-4、11-5、11-6呈直線排列且形成一陣列，且該些第二功率晶片12-1、12-2、12-3、12-4、12-5、12-6也呈直線排列且形成另一陣列。因此，該些第一功率晶片11-1、11-2、11-3、11-4、11-5、11-6形成之陣列能夠與該些第二功率晶片12-1、12-2、12-3、12-4、12-5、 12-6形成之陣列平行。同樣的，該些第二功率晶片12-1、12-2、12-3、12-4、12-5、12-6可透過緞帶式接合、金屬片接合、鎊線接合、束狀或樑式引線、表面黏著技術、覆晶、引線框架、球格陣列等等的方式連接於第二金屬區102上。在本實施例中，該些第二功率晶片12-1、12-2、12-3、12-4透過鎊線或金屬接合的方式連接於第二金屬區102上。在一實施例中，該些第一功率晶片11-1、11-2、11-3、11-4、11-5、11-6及該些第二功率晶片12-1、12-2、12-3、12-4、12-5、12-6可為碳化矽功率開關，如Wolfspeed公司提供之Silicon Carbide Power MOSFET(CPM3-0900-0010A；900V/196A/10mohm)或其它類似或具有更高規格的元件。
請參閱第4A圖及第4B圖，其係為本揭露之第一實施例之高功率模組1之正電極片13/負電極片14之立體圖及剖面圖，並請同時參閱第1C圖~第1D圖。正電極片13連接於第一金屬區101，且設置於該些第一功率晶片11-1、11-2、11-3、11-4、11-5、11-6之一側。如第4A圖及第4B圖所示，正電極片13包含正極端子131、連接部132及6個正極接腳133-1、133-2、133-3、133-4、133-5、133-6。正極端子131透過連接部132與該些正極接腳133-1、133-2、133-3、133-4、133-5、133-6連接，使正電極片13呈C形環狀。其中，連接部132可視為側壁，該些正極接腳133-1、133-2、133-3、133-4、133-5、133-6與正極端子131分別位於兩個平面，且此兩個平面在空間中平行，該些正極接腳133-1、133-2、133-3、133-4、133-5、133-6對應1個正極端子131；如第4B圖(剖面圖)所示，正極端子131的寬度Ut1大於正極接腳133-1的寬度Un1。該些正極接腳133-1、133-2、133-3、133-4、133-5、133-6分為二個群組，即第一群組G1及第二群組G2；第一群組G1及第二群組G2分別設置於正電極片13之中心軸PA之二側。第一群組G1包含該些正極接 腳133-1、133-2、133-3，且該些正極接腳133-1、133-2、133-3等間距設置，而此間距為S1；同樣的，第二群組G2包含該些正極接腳133-4、133-5、133-6，且該些正極接腳133-4、133-5、133-6也等間距設置，而此間距也為S1。另外，第一群組G1與第二群組G2之間的間距為S2(即正極接腳133-3與正極接腳133-4之間的間距)，而S2大於S1。正極端子131具有一鎖孔1311，鎖孔1311位於中心軸PA處，正極端子131能與外部線路電連接，使電流從正極端子131進入並經過連接部132後分流到6個正極接腳133-1、133-2、133-3、133-4、133-5、133-6。正極端子131與連接部132連結的一端的寬度Pt1與連接部132的寬度相等，正極端子131與連接部132連結的一端的寬度Pt1與正電極片13的寬度P相等，如第1B圖所示；正極端子131另一端的寬度Pt2則小於寬度Pt1；正極端子131的二側則呈圓弧狀。該些正極接腳133-1、133-2、133-3、133-4、133-5、133-6則直接接觸且連接第一金屬區101，且該些正極接腳133-1、133-2、133-3、133-4、133-5、133-6之位置分別對應於該些第一功率晶片11-1、11-2、11-3、11-4、11-5、11-6。由第1A圖及第4B圖可看出，正電極片13呈C形環狀，且正電極片13的開口朝向為遠離該些第一功率晶片11-1、11-2、11-3、11-4、11-5、11-6的方向。在本實施例中，該些正極接腳133-1、133-2、133-3、133-4、133-5、133-6實質上呈矩形；在另一實施例中，該些正極接腳133-1、133-2、133-3、133-4、133-5、133-6也可呈正方形、梯形或其它不同的形狀。
參閱第4A圖、第4B圖及第1D圖，負電極片14連接於第二金屬區102，且設置於該些第二功率晶片12-1、12-2、12-3、12-4、12-5、12-6之一側。負電極片14之結構與正電極片13相同；負電極片14包含負極端子141、連接部142 及6個負極接腳143-1、143-2、143-3、143-4、143-5、143-6。負極端子141透過連接部142與該些負極接腳143-1、143-2、143-3、143-4、143-5、143-6連接，使負電極片14呈C形環狀。同樣的，連接部142可視為側壁，該些負極接腳143-1、143-2、143-3、143-4、143-5、143-6與負極端子141分別位於兩個平面，且此兩個平面在空間中平行，該些負極接腳143-1、143-2、143-3、143-4、143-5、143-6對應1個負極端子141；如第4B圖(剖面圖)所示，負極端子141的寬度Ut2大於負極接腳143-1的寬度Un2。該些負極接腳143-1、143-2、143-3、143-4、143-5、143-6也分為二個群組，即第三群組G3及第四群組G4；第三群組G3及第四群組G4分別設置於負電極片14之中心軸NA之二側。第三群組G3包含該些負極接腳143-1、143-2、143-3，且該些負極接腳143-1、143-2、143-3等間距設置，而此間距為S1；同樣的，第四群組G4包含該些負極接腳143-4、143-5、143-6，且該些負極接腳143-4、143-5、143-6也等間距設置，而此間距也為S1。另外，第三群組G3與第四群組G4之間的間距為S2(即負極接腳143-3與負極接腳143-4之間的間距)，而S2大於S1。負極端子141具有一鎖孔1411，鎖孔1411位於中心軸NA處，負極端子141能與外部線路電連接，電流可從負極端子141進入並經過連接部142後，分流到6個負極接腳143-1、143-2、143-3、143-4、143-5、143-6。同樣的，負極端子141與連接部142連結的一端的寬度Pt3與連接部142的寬度相等，負極端子141與連接部142連結的一端的寬度Pt3與負電極片14的寬度P’相等，如第1B圖所示；負極端子141另一端的寬度Pt4則小於寬度Pt3；負極端子141的二側也呈圓弧狀。該些負極接腳143-1、143-2、143-3、143-4、143-5、143-6則直接接觸且連接第二金屬區102，且該些負極接腳143-1、143-2、143-3、143-4、143-5、143-6之位置 分別對應於該些第二功率晶片12-1、12-2、12-3、12-4、12-5、12-6。同樣的，負電極片14的開口朝向為遠離該些第二功率晶片12-1、12-2、12-3、12-4、12-5、12-6的方向，使負電極片14與正電極片13相互對稱。在本實施例中，該些負極接腳143-1、143-2、143-3、143-4、143-5、143-6實質上呈矩形；在另一實施例中，該些負極接腳143-1、143-2、143-3、143-4、143-5、143-6也可呈正方形、梯形或其它不同的形狀。
由上述可知，本實施例之高功率模組1之正電極片13及負電極片14並不是直接平貼於第一金屬區101及第二金屬區102，而是分別透過趾狀的正極接腳133-1、133-2、133-3、133-4、133-5、133-6及負極接腳143-1、143-2、143-3、143-4、143-5、143-6與第一金屬區101及第二金屬區102接觸。此外，趾狀的正極接腳133-1、133-2、133-3、133-4、133-5、133-6及負極接腳143-1、143-2、143-3、143-4、143-5、143-6的數量也分別對應於該些第一功率晶片11-1、11-2、11-3、11-4、11-5、11-6及該些第二功率晶片12-1、12-2、12-3、12-4、12-5、12-6，此設計能有效地降低高功率模組1之雜散電感。在一實施例中，各接腳對齊各功率晶片。
請參閱第5A圖，其係為本揭露之第一實施例之高功率模組1之輸出端電極片15之立體圖，並請同時參閱第1A圖。如第1A圖所示，輸出端電極片15連接於第三金屬區103之一端。如第5圖所示，輸出端電極片15為一扁平的金屬片。此外，輸出端電極片15也包含鎖孔1511。
請參閱第5B圖及第5C圖，其係為本揭露之第一實施例之高功率模組1之輸出端電極片15’之立體圖及剖面圖。如第5B圖所示，第5A圖的輸出端電 極片15也可以替換為輸出端電極片15’。輸出端電極片15’可以呈C形環狀，且輸出端電極片15之開口朝向與正電極片13之開口朝向及負電極片14之開口朝向垂直。輸出端電極片15’包含輸出端端子151’、連接部152’及輸出端接腳153’。輸出端端子151’透過連接部152’與輸出端接腳153’連接。此外，輸出端端子151’包含鎖孔1511’，且具有加寬的結構；也就是說，輸出端端子151’的寬度Y則大於一個第一功率晶片(或第二功率晶片)的寬度F，並且小於二個第一功率晶片(或二個第二功率晶片)的寬度2F(第一功率晶片或第二功率晶片的寬度F如第1B圖所示)，如下式(1)所示：F<Y<2F......................................................................(1)
另外，如第5C圖所示，輸出端端子151’的寬度Ku大於輸出端接腳153’的寬度Kd。輸出端端子151’與輸出端接腳153’在空間上互相平行。
請參閱第6A圖、第6B圖及第6C圖，其係為本揭露之第一實施例之高功率模組1之側視圖、交流相電流路徑之示意圖及直流相電流路徑之示意圖。如第6A圖所示，高功率模組1之正電極片13及負電極片14呈C型環狀，且正電極片13之開口朝向O1與負電極片14之開口朝向O2相反(即正電極片13及負電極片14呈背對背擺放)。
如第6B圖所示，箭頭A1及A2分別表示正電極片13與負電極片14在交流相時的電流路徑(為了能清楚表示電流路徑，故僅繪示部份電流路徑)。正電極片13之電流路徑A1為：正極端子131->連接部132->正極接腳133-1、133-2、133-3、133-4、133-5、133-6(分流到6個接腳)->第一金屬區101->第一連接件C1->第一功率晶片11-1、11-2、11-3、11-4、11-5、11-6->第三金屬區103->輸出端電 極片15。由圖中可看出，正極端子131之電流路徑(在圖上往左)與正極接腳133-1、133-2、133-3、133-4、133-5、133-6之電流路徑(在圖上往右)相反，使正極端子131與正極接腳133-1、133-2、133-3、133-4、133-5、133-6之間的互感減少，故正電極片13能達到反相耦合。負電極片14之電流路徑A2為：負極端子141->連接部142->負極接腳143-1、143-2、143-3、143-4、143-5、143-6->第二金屬區102->第二功率晶片12-1、12-2、12-3、12-4、12-5、12-6->第二連接件C2->第三金屬區103->輸出端電極片15。由圖中可看出，負極端子141之電流路徑(在圖上往右)與負極接腳143-1、143-2、143-3、143-4、143-5、143-6電流路徑(在圖上往左)相反，使負極端子141與負極接腳143-1、143-2、143-3、143-4、143-5、143-6之間的互感減少，故負電極片14也能達到反相耦合。
如第6C圖所示，箭頭A3分別表示正電極片13與負電極片14在直流相時的電流路徑。正電極片13與負電極片14在直流相時的電流路徑為：正極端子131->連接部132->正極接腳133-1、133-2、133-3、133-4、133-5、133-6(分流到6個接腳)->第一金屬區101->第一連接件C1->第一功率晶片11-1、11-2、11-3、11-4、11-5、11-6->第三金屬區103->第二連接件C2->第二功率晶片12-1、12-2、12-3、12-4、12-5、12-6->第二金屬區102->負極接腳143-1、143-2、143-3、143-4、143-5、143-6(6個接腳匯流到1端子)->連接部142->負極端子141。由圖中可看出，正極端子131之電流路徑(在圖上往左)與正極接腳133-1、133-2、133-3、133-4、133-5、133-6之電流路徑(在圖上往右)也相反，使正極端子131與正極接腳133之間的互感減少，故正電極片13能達到反相耦合。同樣的，負電極片14也能達到反相耦合。
因此，正電極片13及負電極片14在交流相及直流相均呈現反相耦合，故高功率模組1之雜散電感能被有效地降低。
如第1B圖所示，在本實施例中，該些第一功率晶片11-1、11-2、11-3、11-4、11-5、11-6與該些第二功率晶片12-1、12-2、12-3、12-4、12-5、12-6相互對應；正電極片13與負電極片14之間具有間距K1相互對應，且正極端子131及負極端子141在垂直方向(垂直於基板10的方向，等同基板10的法向量)無交疊。此外，正電極片13之開口朝向O1與負電極片14之開口朝向O2相反(如第6A圖所示)，且正電極片13與負電極片14之均能達到反相耦合，如第6B圖及第6C圖所示。透過上述的設計，正電極片13本身的互感及負電極片14本身的互感能夠降低，進而降低高功率模組1之雜散電感。
本實施例之高功率模組1具有特殊的結構設計及尺寸要求。如第1B圖~第1D圖(同時參酌第1A圖)所示，各個正極接腳133-1、133-2、133-3、133-4、133-5、133-6及負極接腳143-1、143-2、143-3、143-4、143-5、143-6之寬度X大於或等於對應的第一功率晶片11-1、11-2、11-3、11-4、11-5、11-6、第二功率晶片12-1、12-2、12-3、12-4、12-5、12-6的寬度F，但小於寬度F與二相鄰晶片之間距B的總和，如下式(2)所示：F≦X<F+B.......................................(2)
其中，X表示正極接腳133-1、133-2、133-3、133-4、133-5、133-6及負極接腳143-1、143-2、143-3、143-4、143-5、143-6之寬度；F表示第一功率晶片11-1、11-2、11-3、11-4、11-5、11-6、第二功率晶片12-1、12-2、12-3、12-4、 12-5、12-6之寬度；B表示二相鄰第一功率晶片11-1、11-2、11-3、11-4、11-5、11-6或是第二功率晶片12-1、12-2、12-3、12-4、12-5、12-6之間的間距。
此外，正電極片13之寬度P大於該些第一功率晶片11-1、11-2、11-3、11-4、11-5、11-6之寬度F、正電極片13之中央凹槽之寬度M及該些第一功率晶片11-1、11-2、11-3、11-4、11-5、11-6之間的間距B的總和寬度，且小於第一金屬區101之寬度W，如下式(3)所示：W>P>(N*F+M+(N-2)*B)..........................(3)
其中，P表示正電極片13之寬度；W表示第一金屬區101之寬度；N表示該些第一功率晶片11-1、11-2、11-3、11-4、11-5、11-6之數量；F表示第一功率晶片11-1、11-2、11-3、11-4、11-5、11-6之寬度；M表示正電極片13之中央凹槽之寬度；B表示二相鄰第一功率晶片11-1、11-2、11-3、11-4、11-5、11-6之間的間距。
負電極片14及該些第二功率晶片12-1、12-2、12-3、12-4、12-5、12-6也具有類似的結構，故不在此多加贄述。
此外，本實施例之高功率模組1也透過加寬之正極端子131、負極端子141、輸出端電極片15進一步達到減少雜散電感的功效。負極端子141也具有與正極端子131類似的結構，故不在此多加贄述。
另外，正極端子131與連接部132連結的一端的寬度Pt1與正電極片14的寬度P相等；正極端子131另一端的寬度Pt2則小於寬度Pt1；寬度Pt2大於或等於寬度Pt1減上二個第一功率晶片的寬度F，如下式(4)所示：Pt1(=W)>Pt2≧(Pt1-2F)........................(4)
其中，Pt2表示正極端子131另一端的寬度；Pt1表示正極端子131與連接部132連結的一端的寬度；F表示第一功率晶片11-1、11-2、11-3、11-4、11-5、11-6之寬度。負電端子141也具有類似的結構，故不在此多加贄述。
輸出端電極片15的寬度J則大於一個第一功率晶片(或第二功率晶片)的寬度F，並且小於二個第一功率晶片(或二個第二功率晶片)的寬度2F，如下式(5)所示：F<J<2F.................................................(5)
透過上述的電路設計及結構設計，高功率模組1在切換頻率10MHz下可以有效地降低雜散電感到10nH以下，故可有效避免電壓過衝(Overshoot)及電磁干擾(EMI)，且能有效地降低切換損耗，使高功率模組1能具有更長的使用壽命，並達到更佳的效能。
因此，高功率模組1能有效地應用於各種車輛及其它相關的設備。本實施例採用Q3D軟體(雜散電感萃取軟體)進行模擬實驗，而此模擬實驗之實驗數據如表1所示，如下：
Figure 108147725-A0305-02-0018-1
Figure 108147725-A0305-02-0019-2
由上述之實驗數據可知，本實施例之高功率模組1之結構及電路設計確實可以達到有效降低雜散電感的功效，雜散電感值皆低於10nH。
請參閱第7A圖及第7B圖，其係為本揭露之第一實施例之高功率模組1之模擬結果圖，並請同時參閱第1A圖。
第7A圖表示利用第一實施例之高功率模組1，進行模擬交流相電流路徑而產生的電流密度模擬結果，此模擬結果表示第6B圖之箭頭A2所示之電流路徑(即負電極片14->輸出端電極片15)。同樣的，紅色的區域表示具有較高電流密度的電流路徑(如圖中圓圈標示處)；由第7A圖可明顯看出，該些第二連接件C2及第三金屬區103均具有分佈均勻的紅色區域，故該些第二連接件C2及第三金屬區103均具有較高的電流密度，且能達到均勻的電流密度；此外，該些第二連接件C2及第三金屬區103均具有較高的電流密度；當高功率模組1操作在10kw以下時，該些第二連接件C2及第三金屬區103的電流密度仍能保持在20A/mm2以下。
第7B圖表示利用第一實施例之高功率模組1，進行模擬直流相電流路徑(第6C圖)而產生的電流密度模擬結果。紅色的區域表示具有較高電流密度的電流路徑(如圖中圓圈標示處)；由第7B圖可明顯看出，該些第一連接件C1及該些第二連接件C2的電流密度較高，當高功率模組1操作在10kw以下時，該些第一連接件C1及該些第二連接件C2的電流密度仍仍能保持在20A/mm2以下。
由上述可知，高功率模組1的正電極片13到負極端子141的電流密度，確實達到電流密度(20A/mm2)以下(當高功率模組1操作在10kw以下時)，使 第三金屬區103的溫度能保持在可接受的範圍(100℃)內，故高功率模組1不會因過熱而產生故障的情況。一般而言，當高功率模組1操作在10kw以下時，高功率模組1的正極端子131、負極端子141及輸出端電極片15的電流密度皆在20A/mm2以下。
當然，上述僅為舉例，高功率模組1之電路、結構及各元件之協同關係均可依實際需求變化，本揭露並不以此為限。
請參閱第8A、第8B圖及第8C圖，其係為本揭露之第二實施例之高功率模組2之結構圖。如第8A圖所示，高功率模組2包含基板20、6個第一功率晶片21-1、21-2、21-3、21-4、21-5、21-6、6個第二功率晶片22-1、22-2、22-3、22-4、22-5、22-6、正電極片23、負電極片24以及輸出端電極片25。
基板20包含第一金屬區201、第二金屬區202、第三金屬區203、第四金屬區204、第五金屬區205、第一上隔離區206-1、第一下隔離區206-2、第二上隔離區207-1及第二下隔離區207-2。第三金屬區203設置在第一金屬區201與第二金屬區202之間。第四金屬區204設置於第一金屬區201及第三金屬區203之間，並連接於該些第一功率晶片21-1、21-2、21-3、21-4、21-5、21-6之閘極；第一上隔離區206-1及第一下隔離區206-2則分別設置於第四金屬區204之二側，以將第四金屬區204與第一金屬區201及第三金屬區203隔離。第五金屬區205設置於第二金屬區202及第三金屬區203之間，並連接於該些第二功率晶片22-1、22-2、22-3、22-4、22-5、22-6之閘極；第二上隔離區207-1及第二下隔離區207-2則分別設置於第五金屬區205之二側，以將第五金屬區205與第三金屬區203及第 二金屬區202隔離。另外，輸出端電極片25連接於第三金屬區203之一端；輸出端電極片25包含鎖孔2511。
第四金屬區204及第五金屬區205連接至一外部閘極驅動電路(未繪於圖中)。同樣的，閘極驅動電路也可以直接設置於第一金屬區201、第二金屬區202、第三金屬區203、第四金屬區204及第五金屬區205上，近似第2B圖所示。
如第8B圖所示，正電極片23包含正極端子231、連接部232及6個正極接腳233-1、233-2、233-3、233-4、233-5、233-6。正極端子231透過連接部232與該些正極接腳233-1、233-2、233-3、233-4、233-5、233-6連接，使正電極片23呈C形環狀；正極端子231具有一鎖孔2311。同樣的，該些正極接腳233-1、233-2、233-3、233-4、233-5、233-6也分為二個群組，即第一群組G1(正極接腳233-1、233-2、233-3)及第二群組G2(正極接腳233-4、233-5、233-6)；第一群組G1及第二群組G2分別設置於正電極片23之中心軸PA之二側。
如第8C圖所示，負電極片24包含負極端子241、連接部242及6個負極接腳243-1、243-2、243-3、243-4、243-5、243-6。負極端子241透過連接部242與該些負極接腳243-1、243-2、243-3、243-4、243-5、243-6連接，使負電極片24呈C形環狀；負極端子241具有一鎖孔2411。同樣的，該些負極接腳243-1、243-2、243-3、243-4、243-5、243-6也分為二個群組，即第三群組G3(負極接腳243-1、243-2、243-3)及第四群組G4(負極接腳243-4、243-5、243-6)；第三群組G3及第四群組G4分別設置於負電極片24之中心軸NA之二側。
高功率模組2之上述各元件之結構與第一實施例相似，故不在此多加贅述。與第一實施例不同的是，該些正極接腳233-1、233-2、233-3之間有 不同的寬度，而該些正極接腳233-4、233-5、233-6之間也有不同的寬度。同樣的，該些負極接腳243-1、243-2、243-3之間有不同的寬度，而該些負極接腳243-4、243-5、243-6之間也有不同的寬度。
請參閱第9圖，其係為本揭露之第二實施例之高功率模組2之正電極片23之立體圖。該些正極接腳233-1、233-2、233-3、233-4、233-5、233-6的寬度即為電流路徑的通道寬度；因此，在本實施例中，該些正極接腳233-1、233-2、233-3、233-4、233-5、233-6的寬度被描述為有效通道寬度。如第9A圖所示，第一群組G1之該些正極接腳233-1、233-2、233-3之有效通道寬度朝遠離正電極片23之中心軸PA之方向遞增。
第一群組G1之該些正極接腳233-1、233-2、233-3之有效通道寬度可透過不同的方式進行調整；在本實施例中，第一群組G1之該些正極接腳233-1、233-2、233-3之有效通道寬度朝遠離正電極片23之中心軸PA之方向呈等差級數遞增(即由正極接腳233-3朝正極接腳233-1遞增)，如下式(6)所示：R1(n1-1)/(n1+1),R1n1/(n1+1),R1..............(6)
其中，正極接腳233-3之有效通道寬度R3為R1(n1-1)/(n1+1)；正極接腳233-2之有效通道寬度R2為Rn1/(n1+1)；正極接腳233-1之有效通道寬度為R1。
等差級數之公差為最遠離正電極片23之中心軸PA之正極接腳233-1之有效通道寬度R1除以第一群組G1之該些正極接腳233-1、233-2、233-3及閘極驅動電路之數量總和(n1+1)，如下式(7)所示：(1/n1+1)*R1....................................(7)
其中，n1表示第一群組G1之該些正極接腳233-1、233-2、233-3的數量；R1表示最遠離正電極片23之中心軸PA之正極接腳233-1之有效通道寬度。在本實施例中，正極接腳233-3的有效通道寬度R3為R1/2；正極接腳233-2的有效通道寬度R2為3R1/4；正極接腳233-1的有效通道寬度為R1。
同樣的，第二群組G2之該些正極接腳233-4、233-5、233-6之有效通道寬度朝遠離正電極片23之中心軸PA之方向遞增。
在本實施例中，第二群組G2之該些正極接腳233-4、233-5、233-6之有效通道寬度朝遠離正電極片23之中心軸PA之方向呈等差級數遞增(即由正極接腳233-4朝正極接腳233-6遞增)，如下式(8)所示：R6(n2-1)/(n2+1),R6n2/(n2+1),R6....................(8)
其中，正極接腳233-4之有效通道寬度R4為R6(n2-1)/(n2+1)；正極接腳233-5之有效通道寬度R5為R6n2/(n2+1)；正極接腳233-6之有效通道寬度為R6。
等差級數之公差為最遠離正電極片23之中心軸PA之正極接腳233-6之有效通道寬度R6除以第二群組G2之該些正極接腳233-4、233-5、233-6及閘極驅動電路之數量總和(n2+1)，如下式(9)所示：(1/n2+1)*R6..............................................(9)
其中，n2表示第二群組G2之該些正極接腳233-4、233-5、233-6的數量；R6表示最遠離正電極片23之中心軸PA之正極接腳233-6之有效通道寬度。在本實施例中，正極接腳233-4的有效通道寬度R4為R6/2；正極接腳233-5的有效通道寬度R5為3R6/4；正極接腳233-6的有效通道寬度為R6。
當然，該些正極接腳233-1、233-2、233-3、233-4、233-5、233-6之有效通道寬度也可以根據其它不同的遞增函數進行遞增，也可達到相似的功效。
請參閱第10圖，其係為本揭露之第二實施例之高功率模組2之負電極片24之立體圖。與第一實施例不同的是，該些負極接腳243-1、243-2、243-3之間有不同的寬度，而該些負極接腳243-4、243-5、243-6之間也有不同的寬度。如第10圖所示，第三群組G3之該些負極接腳243-1、243-2、243-3之間的有效通道寬度朝遠離負電極片24之中心軸NA之方向遞增。
第三群組G3之該些負極接腳243-1、243-2、243-3之有效通道寬度可透過不同的方式進行調整；在本實施例中，如第10圖所示，第三群組G3之該些負極接腳243-1、243-2、243-3之有效通道寬度也朝遠離負電極片24之中心軸NA之方向呈等差級數遞增(即由負極接腳243-3朝負極接腳243-1遞增)，如下式(10)所示：R1’(n3-1)/(n3+1),R1’n3/(n3+1),R1’..................(10)
等差級數之公差如下式(11)所示：(1/n3+1)*R1’...........................................(11)
其中，n3表示第三群組G3之該些負極接腳243-1、243-2、243-3的數量；R1’表示最遠離負電極片24之中心軸NA之負極接腳243-1之有效通道寬度。在本實施例中，負極接腳243-3的有效通道寬度R3’為R1’/2；負極接腳243-2的有效通道寬度R3’為3R1’/4；正極接腳243-1的有效通道寬度為R1’。
同樣的，第四群組G4之該些負極接腳243-4、243-5、243-6之有效通道寬度也是朝遠離該負電極片24之中心軸NA之方向遞增。
在本實施例中，第四群組G4之該些負極接腳243-4、243-5、243-6之有效通道寬度朝遠離負電極片24之中心軸NA之方向呈等差級數遞增(即由負極接腳243-4朝負極接腳243-6遞增)，如下式(12)所示：R6’(n4-1)/(n4+1),R6’n4/(n4+1),R6’....................(12)
等差級數之公差如下式(13)所示：(1/n4+1)*R6’.............................................(13)
其中，n4表示第四群組G4之該些負極接腳243-4、243-5、243-6的數量；R6’表示最遠離負電極片24之中心軸NA之正極接腳243-6之有效通道寬度。在本實施例中，負極接腳243-4的有效通道寬度R4’為R6’/2；負極接腳243-5的有效通道寬度R5’為3R6’/4；正極接腳243-6的有效通道寬度為R6’。負電極片24之結構與正電極片23相似，故不在此多加贅述。
當然，該些負極接腳243-1、243-2、243-3、243-4、243-5、243-6之有效通道寬度也可以根據其它不同的遞增函數進行遞增，也可達到相似的功效。
由於該些正極接腳233-1、233-2、233-3、233-4、233-5、233-6與正極端子231之鎖孔2311(電流之輸入點)的距離不同，而該些負極接腳243-1、243-2、243-3、243-4、243-5、243-6與負極端子241之鎖孔2411(電流之輸入點)的距離也不同，因此可能會產生電流密度不均的問題，如此則會影響到高功率模組2的效能；而本實施例能透過上述特殊設計使該些正極接腳233-1、233-2、 233-3、233-4、233-5、233-6及該些負極接腳243-1、243-2、243-3、243-4、243-5、243-6具有不同的有效通道寬度，修正電流密度不均的問題，如此可以提升高功率模組2的效能。
值得一提的是，現有的高功率模組由於電路設計不佳，如功率晶片的位置及電極片的設計，使其雜散電感很難達到低於10nH以下，因此無法有效的應用於各種車輛及其它相關的設備。相反的，根據本揭露之實施例，如第8B圖及第8C圖所示，高功率模組2之正電極片23及負電極片24呈C型環狀，且正電極片23之開口朝向與負電極片24之開口朝向相反(即正電極片23及負電極片24呈背對背擺放)，且正電極片23與負電極片24均能達到反相耦合，故可降低高功率模組2之雜散電感。
又，根據本揭露之實施例，高功率模組2之正電極片23及負電極片24之間具有間距，使正極端子231及負極端子241在垂直方向(基板20的法向量)無交疊，且正電極片23及負電極片24均能達到反向耦合，故可進一步減少高功率模組2之雜散電感。
此外，根據本揭露之實施例，透過特殊的結構設計，高功率模組2之正電極片23及負電極片24具有加寬的正極端子231、負極端子241、輸出端端子251的結構設計，使其具有較大的截面積，故可進一步減少高功率模組2之雜散電感。
另外，現有的高功率模組由於電路設計及結構設計不佳，也容易產電流密度不均的問題，進一步影響現有的高功率模組的效能。相反的，根據本揭露之實施例，如第9圖所示，高功率模組2之正電極片23包含6個正極接腳 233-1、233-2、233-3、233-4、233-5、233-6，且該些正極接腳233-1、233-2、233-3、233-4、233-5、233-6之有效通道寬度朝遠離正極端子231之中心軸PA的方向呈等差級數遞增；如第10A圖~第10B圖所示，高功率模組2之負電極片24之該些負極接腳243-1、243-2、243-3、243-4、243-5、243-6也具有對應的結構，故可使高功率模組2能達到均勻的電流密度。
請參閱第11A、第11B圖以及第11C圖，其係為本揭露之第三實施例之高功率模組3之結構圖。如第11A圖所示，高功率模組3包含基板30、6個第一功率晶片31-1、31-2、31-3、31-4、31-5、31-6、6個第二功率晶片32-1、32-2、32-3、32-4、32-5、32-6、正電極片33、負電極片34以及輸出端電極片35。
基板30包含第一金屬區301、第二金屬區302、第三金屬區303、第四金屬區304、第五金屬區305、第一上隔離區306-1、第一下隔離區306-2、第二上隔離區307-1以及第二下隔離區307-2。輸出端電極片35具有一鎖孔3511。
第四金屬區304及第五金屬區305連接至一外部閘極驅動電路(未繪於圖中)。同樣的，閘極驅動電路也可以直接設置於第一金屬區301、第二金屬區302、第三金屬區303、第四金屬區304及第五金屬區305上，類似第2B圖所示。
如第11B圖所示，正電極片33包含正極端子331、連接部332及6個正極接腳333-1、333-2、333-3、333-4、333-5、333-6；正極端子331具有一鎖孔3311。同樣的，該些正極接腳333-1、333-2、333-3、333-4、333-5、333-6也分為第一群組G1(正極接腳333-1、333-2、333-3)及第二群組G2(正極接腳333-4、333-5、333-6)。
如第11C圖所示，負電極片34包含負極端子341、連接部342及6個負極接腳343-1、343-2、343-3、343-4、343-5、343-6；負極端子341具有一鎖孔3411。同樣的，該些負極接腳343-1、343-2、343-3、343-4、343-5、343-6也分為第三群組G3(負極接腳343-1、343-2、343-3)及第四群組G4(負極接腳343-4、343-5、343-6)。
高功率模組3之上述各元件之結構與第一實施例相似，故不在此多加贅述。與第一實施例不同的是，該些正極接腳333-1、333-2、333-3分別具有孔洞H1-1、H2-1、H3-1，而該些正極接腳333-4、333-5、333-6也分別具有孔洞H4-1、H5-1、H6-1。負極接腳343-1、343-2、343-3、343-4、343-5、343-6也分別具有孔洞H1-2、H2-2、H3-2、H4-2、H5-2、H6-2。
請參閱第12A圖及第12B圖，其係為本揭露之第三實施例之高功率模組3之正電極片33之局部放大圖。該些正極接腳333-1、333-2、333-3、333-4、333-5、333-6的寬度扣除對應的該些孔洞H1-1、H2-1、H3-1、H4-1、H5-1、H6-1的直徑即為有效通道寬度(電流路徑的通道寬度)。如第12A圖所示，第一群組G1之該些正極接腳333-1、333-2、333-3之該些孔洞H1-1、H2-1、H3-1之面積朝遠離正電極片33之中心軸PA之方向遞減，故第一群組G1之該些正極接腳333-1、333-2、333-3之有效通道寬度朝遠離正電極片33之中心軸PA之方向遞增。
第一群組G1之該些正極接腳333-1、333-2、333-3之有效通道寬度可透過不同的方式進行調整。在本實施例中，該些正極接腳333-1、333-2、333-3之寬度相同，而孔洞面積尺寸為H3-1>H2-1>H1-1。因此，正極接腳333-1的有效通道寬度為正極接腳333-1的寬度X扣除孔洞H1-1的直徑Dm1，如下式(14)所示： X-Dm1=Z1............................................(14)
其中，X表示正極接腳333-1的寬度(由於該些正極接腳333-1、333-2、333-3、333-4、333-5、333-6之寬度相同，故均以X表示)；Dm1表示孔洞H1-1之直徑；Z1表示正極接腳333-1的有效通道寬度(Z1=Z1a+Z1b)。
正極接腳333-2的有效通道寬度Z2為正極接腳333-2的寬度X扣除孔洞H2-1的直徑Dm2，如下式(15)所示：X-Dm2=Z2.................................................(15)
其中，X表示正極接腳333-2的寬度；Dm2表示孔洞H2-1之直徑；Z2表示正極接腳333-2的有效通道寬度(Z2=Z2a+Z2b)。
正極接腳333-3的有效通道寬度Z3為正極接腳333-3的寬度X扣除孔洞H3-1的直徑Dm3，如下式(16)所示：X-Dm3=Z3...................................................(16)
其中，X表示正極接腳333-3的寬度；Dm3表示孔洞H3-1之直徑；Z3表示正極接腳333-3的有效通道寬度(Z3=Z3a+Z3b)。
第一群組G1之該些正極接腳333-1、333-2、333-3之有效通道寬度可透過不同的方式進行調整；在本實施例中，第一群組G1之該些正極接腳333-1、333-2、333-3之寬度分別扣除對應的該些孔洞H1-1、H2-1、H3-1的直徑後的有效通道寬度Z1、Z2、Z3朝遠離正電極片33之中心軸PA之方向呈等差級數遞增(即有效通道寬度由正極接腳333-3朝正極接腳333-1遞增)，如下式(17)所示：Z1(n1-1)/(n1+1),Z1n1/(n1+1),Z1....................(17)
其中，正極接腳333-3之有效通道寬度為Z1(n1-1)/(n1+1)；正極接腳333-2之有效通道寬度為Z1n1/(n1+1)；正極接腳333-1之有效通道寬度為Z1。
等差級數之公差為最遠離正電極片33之中心軸PA之正極接腳333-1之有效通道寬度Z1除以第一群組G1之該些正極接腳333-1、333-2、333-3及閘極驅動電路之數量總和(n1+1)，如式(18)所示。
(1/n1+1)*Z1..............................................(18)
其中，n1表示第一群組G1之該些正極接腳333-1、333-2、333-3的數量；Z1表示最遠離正電極片33之中心軸PA之正極接腳333-1之有效通道寬度；如前述，此有效通道寬度Z1指的是正極接腳333-1之寬度扣除對應的孔洞H1-1的直徑後的寬度。在本實施例中，正極接腳333-3的有效通道寬度Z3為Z1/2；正極接腳333-2的有效通道寬度Z2為3Z1/4；而正極接腳333-1的有效通道寬度為Z1。
如第12B圖所示，第二群組G2之該些正極接腳333-4、333-5、333-6之該些孔洞H4-1、H5-1、H6-1之面積朝遠離正電極片33之中心軸PA之方向遞減，故第二群組G2之該些正極接腳333-4、333-5、333-6之有效通道寬度Z4、Z5、Z6朝遠離正電極片33之中心軸PA之方向遞增。
第二群組G2之該些正極接腳333-4、333-5、333-6之有效通道寬度Z4、Z5、Z6可透過不同的方式進行調整。在本實施例中，該些正極接腳333-4、333-5、333-6之寬度相同，而孔洞面積尺寸為H4-1>H5-1>H6-1。因此，正極接腳333-4的有效通道寬度Z4為正極接腳333-4的寬度X扣除孔洞H4-1的直徑Dm4，如下式(19)所示：X-Dm4=Z4.............................................(19)
其中，X表示正極接腳333-4的寬度；Dm4表示孔洞H4-1之直徑；Z4表示正極接腳333-4的有效通道寬度(Z4=Z4a+Z4b)。
正極接腳333-5的有效通道寬度Z5為正極接腳333-5的寬度X扣除孔洞H5-1的直徑Dm5，如下式(20)所示：X-Dm5=Z5.................................................(20)
其中，X表示正極接腳333-5的寬度；Dm5表示孔洞H5-1之直徑；Z5表示正極接腳333-5的有效通道寬度(Z5=Z5a+Z5b)。
正極接腳333-6的有效通道寬度Z6為正極接腳333-6的寬度X扣除孔洞H6-1的直徑Dm6，如下式(21)所示：X-Dm6=Z6..................................................(21)
其中，X表示正極接腳333-6的寬度；Dm6表示孔洞H6-1之直徑；Z6表示正極接腳333-6的有效通道寬度(Z6=Z6a+Z6b)。
第二群組G2之該些正極接腳333-4、333-5、333-6之有效通道寬度Z4、Z5、Z6可透過不同的方式進行調整；在本實施例中，第二群組G2之該些正極接腳333-4、333-5、333-6之寬度X分別扣除對應的該些孔洞H4-1、H5-1、H6-1的直徑Dm4、Dm5、Dm6後的有效通道寬度朝遠離正電極片33之中心軸PA之方向呈等差級數遞增(即由正極接腳333-4朝正極接腳333-6遞增)，如下式(22)所示：Z6(n2-1)/(n2+1),Z6n2/(n2+1),Z6....................(22)
其中，正極接腳333-4之有效通道寬度Z4為Z6(n2-1)/(n2+1)；正極接腳333-5之有效通道寬度Z5為Z6n2/(n2+1)；正極接腳333-6之有效通道寬度為Z6。
等差級數之公差為最遠離正電極片33之中心軸PA之正極接腳333-6之有效通道寬度Z6除以第二群組G2之該些正極接腳333-4、333-5、333-6及閘極驅動電路之數量總和(n2+1)，如第二實施例之式(23)所示。
(1/n2+1)*Z6...............................................(23)
其中，n2表示第二群組G2之該些正極接腳333-4、333-5、333-6的數量；Z6表示最遠離正電極片33之中心軸PA之正極接腳333-6之有效通道寬度；如前述，此有效通道寬度指的是正極接腳333-6之寬度扣除對應的孔洞H6-1的直徑後的寬度。在本實施例中，正極接腳333-4的有效通道寬度Z4為Z6/2；正極接腳333-5的有效通道寬度Z5為3Z6/4；正極接腳333-6的有效通道寬度為Z6。
負電極片34之結構與正電極片33相似，故不在此多加贅述。在本實施例中，負極接腳343-3的有效通道寬度Z3’為Z1’/2；負極接腳343-2的有效通道寬度Z2’為3Z1’/4；而負極接腳343-1的有效通道寬度為Z1’；負極接腳343-4的有效通道寬度Z4’為Z6’/2；負極接腳343-5的有效通道寬度Z5’為3Z6’/4；負極接腳343-6的有效通道寬度為Z6’。
由於該些正極接腳333-1、333-2、333-3、333-4、333-5、333-6與正極端子331之鎖孔3311(電流之輸入點)的距離不同，而該些負極接腳343-1、343-2、343-3、343-4、343-5、343-6與負極端子341之鎖孔3411(電流之輸入點)的距離也不同，因此可能會產生電流密度不均的問題，如此則會影響到高功率模組3的效能；而本實施例能透過上述特殊設計使該些正極接腳333-1、333-2、333-3、333-4、333-5、333-6及該些負極接腳343-1、343-2、343-3、343-4、343-5、343-6具有不同的有效通道寬度，修正電流密度不均的問題，如此可以提升高功率模組3的效能。如第11B圖及第12A~12B圖所示，高功率模組3之正電極片33及負電極片34呈C型環狀，且正電極片33之開口朝向與負電極片34之開口朝向相反 (即正電極片33及負電極片34呈背對背擺放)，且正電極片33與負電極片34均能達到反相耦合，故可降低高功率模組3之雜散電感。
當然，上述僅為舉例，高功率模組3之電路、結構及各元件之協同關係均可依實際需求變化，本揭露並不以此為限。
綜上所述，根據本揭露之實施例，高功率模組之正極端子(P端子/DC+)到負極端子(N端子/DC-)的雜散電感能達到10nH以下，並且電流密度能達到低於20A/mm2的條件(當高功率模組1操作在10kw以下時)；本揭露之其它實施例也能達到類似的功效。各高功率模組之正電極片及負電極片呈C型環狀，且正電極片之開口朝向與負電極片之開口朝向相反(即正電極片及負電極片呈背對背擺放)，且正電極片及負電極片均能達到反相耦合，以降低各高功率模組之雜散電感。因此，高功率模組可以廣泛地應用於各種車輛，如電動汽車、混合動力汽車、電動摩托車、電動巴士、電動卡車和充電站等。
又，根據本揭露之實施例，高功率模組之正電極片及負電極片之間具有間距，使正極端子及負極端子在垂直方向(基板的法向量)無交疊，且正電極片及負電極片均能達到反向耦合，故可進一步減少高功率模組之雜散電感。
此外，根據本揭露之實施例，透過特殊的結構設計，高功率模組之正電極片及負電極片具有加寬的正極端子、負極端子、輸出端電極片的結構設計，使其具有較大的截面積，故可進一步減少高功率模組之雜散電感。
在一實施例中，高功率模組之正電極片包含多個正極接腳，且該些正極接腳之有效通道寬度朝遠離正極端子之中心軸的方向呈等差級數遞增；在一實施例中，高功率模組之負電極片之該些負極接腳也可以具有上述對應的 結構。在一實施例中，該些正極接腳之有效通道寬度是透過多個孔洞的尺寸進行調整，故可使高功率模組能達到均勻的電流密度。
可見本揭露在突破先前之技術下，確實已達到所欲增進之功效，且也非熟悉該項技藝者所易於思及，其所具之進步性、實用性，顯已符合專利之申請要件，爰依法提出專利申請，懇請 貴局核准本件發明專利申請案，以勵創作，至感德便。
以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。其它任何未脫離本揭露之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應該包含於後附之申請專利範圍中。
1:高功率模組
10:基板
101:第一金屬區
102:第二金屬區
103:第三金屬區
104:第四金屬區
105:第五金屬區
106-1:第一上隔離區
106-2:第一下隔離區
107-1:第二上隔離區
107-2:第二下隔離區
11-1~11-6:第一功率晶片
12-1~12-6:第二功率晶片
13:正電極片
1311:鎖孔
14:負電極片
1411:鎖孔
15:輸出端電極片
1511:鎖孔
C1:第一連接件
C2:第二連接件

Claims (30)

  1. 一種高功率模組，係包含：一基板，係包含一第一金屬區、一第二金屬區及設置在該第一金屬區及該第二金屬區之間的一第三金屬區；複數個第一功率晶片，係設置於該第三金屬區，並透過複數個第一連接件連接至該第一金屬區；複數個第二功率晶片，係設置於該第二金屬區，並透過複數個第二連接件連接至該第三金屬區；一正電極片，係呈C形環狀，並連接於該第一金屬區；一負電極片，係呈C形環狀，並連接於該第二金屬區，且該負電極片之開口朝向與該正電極片之開口朝向相反；以及一輸出端電極片，係連接於該第三金屬區之一端。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之高功率模組，更包含一第四金屬區及一第五金屬區，該第四金屬區設置於該第一金屬區及該第三金屬區之間，並連接於該些第一功率晶片之閘極，該第五金屬區設置於該第二金屬區及該第三金屬區之間，並連接於該些第二功率晶片之閘極，該第四金屬區及該第五金屬區連接至一外部閘極驅動電路。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之高功率模組，更包含一閘極驅動電路、一第四金屬區及一第五金屬區，該第四金屬區設置於該第一金屬區及該第三金屬區之間，並連接於該些第一功率晶片之閘極，該第五金屬區設置於該第二金屬區及該第三金屬區之間，並連接於該些第二功率晶片之閘極，該閘極驅動電路設置於該第一金屬區、該第二金屬區、該第三金屬區、該第四金屬區及該第五金屬區上，並連接於該第四金屬區及該第五金屬區。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之高功率模組，其中該第一金屬區包含一第一凹槽，該第二金屬區包含一第二凹槽，該第三金屬區包含一第三凹槽，該第四金屬區包含一第四凹槽，而該第五金屬區包含一第五凹槽，該閘極驅動電路設置於由該第一凹槽、該第二凹槽、該第三凹槽、該第四凹槽及該第五凹槽連接所形成的空間內。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之高功率模組，其中該基板包含一凹槽，而一閘極驅動電路設置於該凹槽內，使該閘極驅動電路被該基板及該第一金屬區、該第二金屬區及該第三金屬區包覆。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之高功率模組，其中該些第一功率晶片呈直線排列以形成陣列，且以並聯的方式連接，該些第二功率晶片呈直線排列以形成另一陣列，且以並聯的方式連接。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之高功率模組，其中該些第一功率晶片對稱於該些第二功率晶片；該正電極片對稱於該負電極片。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之高功率模組，其中該輸出端電極片呈平板狀，並與該第三金屬區平行且位於同一平面。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之高功率模組，其中該輸出端電極片的寬度大於1個該第一功率晶片的寬度，且小於2個該第一功率晶片的寬度。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之高功率模組，其中該正電極片與該負電極片平行且該正電極片與該負電極片之間具有一距離。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之高功率模組，其中該正電極片之寬度大於該些第一功率晶片的寬度及該正電極片之一中央凹槽之寬度及該些第一功率晶片之間的間距的總和寬度，且小於該第一金屬區之寬度。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之高功率模組，其中該正電極片包含一正極端子、一連接部及複數個正極接腳，該正極端子與該連接部連結的一端的寬度與該正電極片的寬度相等，該正極端子之另一端的寬度小於該正極端子之該寬度，該另一端的寬度大於或等於該寬度減上2個該第一功率晶片的寬度。
  13. 如申請專利範圍第1項所述之高功率模組，其中該正電極片包含一正極端子、一連接部及複數個正極接腳，該些正極接腳之位置分別對應於該些第一功率晶片，透過該連接部，該正極端子與該些正極接腳連接，使該正電極片呈C形環狀，該正極端子與該些正極接腳分別位於兩平面且在空間中平行。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之高功率模組，其中各個該正極接腳之寬度大於或等於該第一功率晶片的寬度，且小於各該第一功率晶片的寬度與二相鄰的該些第一功率晶片之間距的總和。
  15. 如申請專利範圍第13項所述之高功率模組，其中該些正極接腳分為一第一群組及一第二群組，該第一群組及該第二群組分別設置於該正電極片之中心軸之二側，且該第一群組之該些正極接腳之有效通道寬度及該第二群組之該些正極接腳之有效通道寬度朝遠離該正電極片之中心軸之方向遞增。
  16. 如申請專利範圍第13項所述之高功率模組，其中該些正極接腳分為一第一群組及一第二群組，該第一群組及該第二群組分別設置於該正電極片之中心軸之二側，且該第一群組之該些正極接腳之有效通道寬度及該第二群組之該些正極接腳之有效通道寬度朝遠離該正電極片之中心軸之方向呈一等差級數遞增。
  17. 如申請專利範圍第16項所述之高功率模組，其中該等差級數遞增之公差為最遠離該正電極片之中心軸之該正極接腳之有效通道寬度除以該第一 群組之該些正極接腳及一閘極驅動電路之數量總和或該第二群組之該些正極接腳及該閘極驅動電路之數量總和。
  18. 如申請專利範圍第13項所述之高功率模組，其中該些正極接腳分為一第一群組及一第二群組，該第一群組及該第二群組分別設置於該正電極片之中心軸之二側，且各個該正極接腳包含一孔洞，且該第一群組之該些正極接腳之該些孔洞之面積及該第二群組之該些正極接腳之該些孔洞之面積朝遠離該正電極片之中心軸之方向遞減。
  19. 如申請專利範圍第18項所述之高功率模組，其中該第一群組之該些正極接腳之寬度及該第二群組之該些正極接腳之寬度分別扣除對應的該些孔洞的直徑後，該些正極接腳之有效通道寬度朝遠離該正電極片之中心軸之方向呈一等差級數遞增。
  20. 如申請專利範圍第19項所述之高功率模組，其中該等差級數之公差為最遠離該正電極片之中心軸之該正極接腳之有效通道寬度除以該第一群組之該些正極接腳及一閘極驅動電路之數量總和或該第二群組之該些正極接腳及該閘極驅動電路之數量總和。
  21. 如申請專利範圍第1項所述之高功率模組，其中該負電極片之寬度大於該些第二功率晶片的寬度、該負電極片之一中央凹槽之寬度及該些第二功率晶片之間的間距的總和寬度，且小於該第二金屬區之寬度。
  22. 如申請專利範圍第1項所述之高功率模組，其中該負電極片包含一負極端子、一連接部及複數個負極接腳，該負極端子與該連接部連結的一端的寬度與該負電極片的寬度相等，該負極端子之另一端的寬度小於該負極端子之該寬度，該另一端的寬度大於或等於該寬度減上2個該第二功率晶片的寬度。
  23. 如申請專利範圍第1項所述之高功率模組，其中該負電極片包含一負極端子、一連接部及複數個負極接腳，該些負極接腳之位置分別對應於該些第二功率晶片，該負極端子透過該連接部與該些負極接腳連接，使該負電極片呈C形環狀，該負極端子與該些負極接腳分別位於兩平面且在空間中平行。
  24. 如申請專利範圍第23項所述之高功率模組，其中各個該負極接腳之寬度大於或等於該第二功率晶片的寬度，且小於各該第二功率晶片的寬度與二相鄰的該些第二功率晶片之間距的總和。
  25. 如申請專利範圍第23項所述之高功率模組，其中該些負極接腳分為一第三群組及一第四群組，該第三群組及該第四群組分別設置於該負電極片之中心軸之二側，且該第三群組之該些負極接腳之有效通道寬度及該第四群組之該些負極接腳之有效通道寬度朝遠離該負電極片之中心軸之方向遞增。
  26. 如申請專利範圍第23項所述之高功率模組，其中該些負極接腳分為一第三群組及一第四群組，該第三群組及該第四群組分別設置於該負電極片之中心軸之二側，且該第三群組之該些負極接腳之有效通道寬度及該第四群組之該些負極接腳之有效通道寬度朝遠離該負電極片之中心軸之方向呈一等差級數遞增。
  27. 如申請專利範圍第26項所述之高功率模組，其中該等差級數遞增之公差為最遠離該負電極片之中心軸之該負極接腳之有效通道寬度除以該些第三群組之該些負極接腳及一閘極驅動電路之數量總和或該第四群組之該些負極接腳及該閘極驅動電路之數量總和。
  28. 如申請專利範圍第23項所述之高功率模組，其中該些負極接腳分為一第三群組及一第四群組，該第三群組及該第四群組分別設置於該負電極片 之中心軸之二側，且各個該負極接腳包含一孔洞，且該第三群組之該些負極接腳之該些孔洞之面積及該第四群組之該些負極接腳之該些孔洞之面積朝遠離該負電極片之中心軸之方向遞減。
  29. 如申請專利範圍第28項所述之高功率模組，其中該第三群組之該些負極接腳之寬度及該第四群組之該些負極接腳之寬度分別扣除對應的該些孔洞的直徑後，該些負極接腳的有效通道寬度朝遠離該負電極片之中心軸之方向呈一等差級數遞增。
  30. 如申請專利範圍第29項所述之高功率模組，其中該等差級數之公差為最遠離該負電極片之中心軸之該負極接腳之有效通道寬度除以該些第三群組之該些負極接腳及一閘極驅動電路之數量總和或該第四群組之該些負極接腳及該閘極驅動電路之數量總和。
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