CN115692399A - 功率模块及电子设备 - Google Patents

Abstract

本申请实施例涉及半导体技术领域，并提供一种功率模块及电子设备。该功率模块包括绝缘基板及位于绝缘基板上的半桥结构。半桥结构包括上半桥臂芯片组、下半桥臂芯片组、多个正极直流端子、多个负极直流端子和多个交流端子。多个正极直流端子电性连接上半桥臂芯片组，多个负极直流端子电性连接下半桥臂芯片组，多个交流端子分别电性连接上半桥臂芯片组和下半桥臂芯片组；定义沿第一方向上，上半桥臂芯片组的相对两侧分别为第一侧和第二侧，多个正极直流端子和多个负极直流端子均位于第一侧，多个交流端子位于第二侧；沿第一方向上，下半桥臂芯片组位于负极直流端子和多个交流端子之间。

Description

功率模块及电子设备

技术领域

本申请涉及半导体技术领域，具体而言，涉及一种功率模块及电子设备。

背景技术

传统的功率模块含有过高的杂散电感，而高的杂散电感会引起开关振荡和功率损耗，进而降低功率模块的可靠性。

发明内容

本申请第一方面提供一种功率模块，所述功率模块包括绝缘基板及位于所述绝缘基板上的半桥结构，所述半桥结构包括：

上半桥臂芯片组和下半桥臂芯片组，所述上半桥臂芯片组和所述下半桥臂芯片组均包括至少一个开关管芯片；以及

多个正极直流端子、多个负极直流端子和多个交流端子；

其中，所述多个正极直流端子电性连接所述上半桥臂芯片组，所述多个负极直流端子电性连接所述下半桥臂芯片组，所述多个交流端子分别电性连接所述上半桥臂芯片组和所述下半桥臂芯片组；定义沿第一方向上所述上半桥臂芯片组的相对两侧分别为第一侧和第二侧，所述多个正极直流端子和所述多个负极直流端子均位于所述第一侧，所述多个交流端子位于所述第二侧；沿所述第一方向上，所述下半桥臂芯片组位于所述负极直流端子和所述多个交流端子之间。

上述的功率模块，通过设置多个正极直流端子、多个负极直流端子和多个交流端子以提供多个并联的换向回路每个电流回路中的电流相较于半桥结构中仅包括一个正极直流端子、一个负极直流端子和一个交流端子的情况下电流变小，进而因该电流引起的电感也变小。而且上述的功率模块，每个换向回路中存在电流流向相反的结构，利用互感抵消了一部分回路上的杂散电感，进而降低了功率模块的损耗，提升了功率模块的可靠性。

本申请第二方面提供一种电子设备，其包括第一方面所述的功率模块。该电子设备包括上述的功率模块，因此其至少具有与功率模块相同的优点，在此不再赘述。

附图说明

图1为本申请一实施例的功率模块的结构示意图。

图2为图1所示的功率模块的导电层在绝缘基板上的分布示意图。

图3为图1所示的功率模块的等效电路示意图。

图4为本申请一实施例的功率模块的杂散电感仿真结果示意图。

主要元件符号说明：

功率模块 100

绝缘基板 10

半桥结构 20

第一半桥结构 20a

第二半桥结构 20b

第三半桥结构 20c

上半桥臂芯片组 21

下半桥臂芯片组 22

开关管芯片 C1、C2、C3、C4

正极直流端子 231

第一源极端子 232

交流端子 233

第一栅极端子 234

第二源极端子 235

第二栅极端子 236

负极直流端子 237

热敏电阻端子 238

辅助端子 239

直流正极导电层 31

第一源极导电层 32

交流导电层 33

第一栅极导电层 34

第二源极导电层 35

第二栅极导电层 36

直流负极导电层 37

热敏电阻导电层 38

第一方向 X

第二方向 Y

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。

图1为本申请一实施例的功率模块的结构示意图。如图1所示，功率模块100包括绝缘基板10及位于绝缘基板10上间隔设置的三个半桥结构20。其中，三个半桥结构20沿与第一方向X交叉的第二方向Y上间隔设置。图1所示的实施例中，第一方向X与第二方向Y垂直。三个半桥结构20分别为第一半桥结构20a、第二半桥结构20b和第三半桥结构20c。第一半桥结构20a、第二半桥结构20b和第三半桥结构20c的等效电路图一致。第一半桥结构20a、第二半桥结构20b和第三半桥结构20c包括的导电层的数量及布局、芯片的数量及布局、端子的数量及布局完全一致。以下以第一半桥结构20a为例进行介绍。

第一半桥结构20a包括上半桥臂芯片组21、下半桥臂芯片组22、多个正极直流端子231、多个负极直流端子237和多个交流端子233。其中，上半桥臂芯片组21和下半桥臂芯片组22均包括至少一个开关管芯片。多个正极直流端子231电性连接上半桥臂芯片组21。多个负极直流端子237电性连接下半桥臂芯片组22。多个交流端子233分别电性连接上半桥臂芯片组21和下半桥臂芯片组22。定义沿第一方向X，上半桥臂芯片组21的相对两侧分别为第一侧和第二侧，多个正极直流端子231和多个负极直流端子237均位于第一侧，多个交流端子233位于第二侧。沿第一方向X上，下半桥臂芯片组22位于负极直流端子237和多个交流端子233之间。

由于本申请实施例中，半桥结构20中包括多个正极直流端子231、多个负极直流端子237和多个交流端子233，使得上半桥臂芯片组21和下半桥臂芯片组22中的开关管芯片均具有多个并联的电流回路，每个电流回路中的电流相较于半桥结构中仅包括一个正极直流端子、一个负极直流端子和一个交流端子的情况下电流变小，进而因该电流引起的电感也变小。而且，本申请实施例中，半桥结构20中的电流流向为自多个正极直流端子231、上半桥臂芯片组21中的开关管芯片、多个交流端子233、下半桥臂芯片组22中的开关管芯片至多个负极直流端子237，而由于上半桥臂芯片组21、下半桥臂芯片组22、多个正极直流端子231、多个负极直流端子237和多个交流端子233在绝缘基板10上的布局设置，半桥结构20中的电流流向呈U字形(如图1中虚线所示)，且自多个正极直流端子231至上半桥臂芯片组21电流的流向为第一方向X负方向，自多个交流端子233、下半桥臂芯片组22中的开关管芯片至多个负极直流端子237电流的流向为第一方向X正方向，如此，第一方向X负方向的电流和第一方向X正方向的电流引起的电感部分被抵消，降低了等效功率回路中的电感，从而降低了功率模块100的损耗。

图1所示的实施例中，所述多个正极直流端子231相对于所述多个负极直流端子237距离上半桥臂芯片组21更远。

一些实施例中，多个正极直流端子231的数量、多个负极直流端子237的数量及多个交流端子233三者的数量相等。如此，保证流经每个端子(包括正极直流端子231、负极直流端子237、交流端子233)流过的电流大小一致，或者说基本相同。

一些实施例中，多个正极直流端子231、多个负极直流端子237和多个交流端子233三者的数量均大于等于3小于等于8。例如三者的数量均为3个、4个、5个、6个、7个、8个。具体地，图1的实施例中，正极直流端子231、负极直流端子237、交流端子233的数量均为四个。当三者的数量为两个的时，降低杂散电感的效果不够明显。在制造工艺上考虑到多个端子(包括正极直流端子231、负极直流端子237、交流端子233)为焊接到绝缘基板10上的导电层的，考虑到焊嘴的尺寸大小及导电层的面积大小，以及相邻的端子之间的距离大小，多个正极直流端子231、多个负极直流端子237和多个交流端子233三者的数量均不大于8。

一些实施例中，相邻的两个正极直流端子231的间距、相邻的两个负极直流端子237的间距、相邻的两个交流端子233的间距均大于等于1mm且小于等于5mm。其中，相邻的两个正极直流端子231的间距、相邻的两个负极直流端子237的间距、相邻的两个交流端子233的间距均是越小越利于杂散电感的降低，但是当端子排布越密集，封装模块的封装工艺越难，因此至少相邻的两个端子的间距在1mm至5mm之间。例如，相邻的两个端子的间距为1mm、2mm、2.5mm、3mm、3.5mm、4mm、4.5mm、5mm。

图2为图1所示的功率模块的导电层在绝缘基板上的分布示意图。请结合参阅图1和图2。每一半桥结构20均包括间隔设置于绝缘基板10的表面上的直流正极导电层31、第一源极导电层32、交流导电层33、第一栅极导电层34、第二源极导电层35、第二栅极导电层36和直流负极导电层37。

一些实施例中，绝缘基板10为直接覆铜(Direct Bond Copper，DBC)陶瓷基板(如，氮化硅陶瓷基板)。绝缘基板10的相对两表面均为铜层，其中一个表面上的铜层形成直流正极导电层31、第一源极导电层32、交流导电层33、第一栅极导电层34、第二源极导电层35、第二栅极导电层36和直流负极导电层37；另一个表面上的铜层用于将绝缘基板10与其他元件(如散热器)电连接，并用于防止陶瓷基板因所述相对两表面应力不均而发生翘曲。其中，绝缘基板10的尺寸例如为48mm×54.5mm，绝缘基板10的厚度例如为0.32mm，绝缘基板10的相对两表面的铜层的厚度例如为0.3mm，但不限于此。

具体地，直流正极导电层31大致为L形。多个正极直流端子231位于直流正极导电层31上，并与直流正极导电层31电性连接。图1中，四个正极直流端子231呈阵列等间距排布为两行四列，并对称分布。沿第一方向X上和第二方向Y上，两个相邻的正极直流端子231间距均为3mm。其他实施例中，正极直流端子231的数量、排布及间距不限于此。

第一源极导电层32位于直流正极导电层31的第一方向X的负方向，并大致为L型。第一源极导电层32可通过键合线(图未示)与直流正极导电层31电性连接。第一栅极导电层34紧邻第一源极导电层32，并位于第一源极导电层32第二方向Y的正方向。半桥结构20还包括位于第一源极导电层32上，并与第一源极导电层32电性连接的第一源极端子232、以及位于第一栅极导电层34上，并与第一栅极导电层34电性连接的第一栅极端子234。其中，第一源极端子232例如通过键合线与第一源极导电层32电性连接，第一栅极端子234例如通过键合线与第一栅极导电层34电性连接。上半桥臂芯片组21位于第一源极导电层32上。

上半桥臂芯片组21中的至少一个开关管芯片为多个并联的金属氧化物半导体场效应晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,MOSFET)芯片。每个MOSFET芯片贴装到绝缘基板10上。具体地，上半桥臂芯片组21中，每个MOSFET芯片的漏极与多个正极直流端子231均电连接，每个MOSFET芯片的功率源极与多个交流端子233均电连接，每个MOSFET芯片的驱动源极通过与第一源极导电层32电连接而实现与第一源极端子232电连接，每个MOSFET芯片的栅极通过与第一栅极导电层34电连接而实现与第一栅极端子234电连接。

交流导电层33位于第一源极导电层32和第一栅极导电层34的第一方向X的负方向，大致呈矩形。多个交流端子233位于交流导电层33上，并与交流导电层33电性连接。图1所示的实施例中，四个交流端子233阵列排布为两行两列，且对称排布。沿第一方向X上和第二方向Y上，两个相邻的交流端子233的间距均为3mm。其他实施例中，交流端子233的数量、排布及间距不限于此。

第二源极导电层35位于直流负极导电层37和第一源极导电层32之间，并与直流负极导电层37电性连接。第二源极导电层35为L型。第二源极导电层35可通过键合线与直流负极导电层37电性连接。第二栅极导电层36紧邻第二源极导电层35，并位于第二源极导电层35第二方向Y的正方向。半桥结构20还包括位于第二源极导电层35上，并与第二源极导电层35电性连接的第二源极端子235、以及位于第二栅极导电层36上，并与第二栅极导电层36电性连接的第二栅极端子236。其中，第二源极端子235例如通过键合线与第二源极导电层35电性连接，第二栅极端子236例如通过键合线与第二栅极导电层36电性连接。

下半桥臂芯片组22位于第二源极导电层35上。下半桥臂芯片组22中的至少一个开关管芯片为多个并联的MOSFET芯片。每个MOSFET芯片贴装到绝缘基板10上。具体地，下半桥臂芯片组22中，每个MOSFET芯片的漏极与多个交流端子233均电连接，每个MOSFET芯片的功率源极与多个负极直流端子237均电连接，每个MOSFET芯片的驱动源极通过与第二源极导电层35电连接而实现与第二源极端子235电连接，每个MOSFET芯片的栅极通过与第二栅极导电层36电连接而实现与第二栅极端子236电连接。

直流负极导电层37位于直流正极导电层31和第二源极导电层35之间，并大致呈矩形。多个负极直流端子237位于直流负极导电层37上，并与直流负极导电层37电性连接。图1所示的实施例中，具有四个负极直流端。沿第一方向X上和第二方向Y上，两个相邻的负极直流端子237行间距或列间距均为3mm。其他实施例中，负极直流端子237的数量、排布及间距不限于此。每一半桥结构20均还包括辅助端子239，每个半桥结构20的辅助端子239位于直流负极导电层37上，并与直流负极导电层37电性连接。

图1所示的实施例中，上半桥臂芯片组21中包括两个MOSFET芯片(即开关管芯片C1和开关管芯片C2)。下半桥臂芯片组22中包括两个MOSFET芯片(即开关管芯片C3和开关管芯片C4)。每个MOSFET芯片均为碳化硅(SiC)MOSFET芯片。其他实施例中，上半桥臂芯片组21和下半桥臂芯片组22中MOSFET芯片的数量不限于两个，当上半桥臂芯片组21和下半桥臂芯片组22中，MOSFET芯片的数量越多时，越利于提高功率模块100的载流能力。此外，上半桥臂芯片组21中下半桥臂芯片组22中的开关管芯片不限于为SiC MOSFET芯片，例如还可以为硅基MOSFET芯片。

具体地，SiC MOSFET芯片具有优于硅器件的特性，其具有突出的性能，如，高阻塞电压、高运行温度、高开关速度和低损耗，有助于提高功率变换器的效率和功率密度。具体地，一个光模块的尺寸通常限制在几十平方毫米。这就限制了单个光模块可以处理的电流，因此在大功率应用中需要基于多芯片的并联电源模块。传统的功率模块含有过多的杂散电感，限制了SiC MOSFET的开关速度和效率，引起开关振荡和功率损耗。为了降低功率回路的杂散电感，不同的功率模块100布局被提出。例如将MOSFET芯片和反并联二极管彼此靠近地放置，以减少电流换向路径的距离，降低功率回路以提高功率模块的开关动态特性。此外平面封装结构的功率模块，通过消除键合线也可以降低杂散电感，并具有双面冷却的能力，增强了热管理，使功率模块能够处理更高的电流和功率。然而，平面结构的功率模块制造过程复杂且耗时，例如，平面结构的功率模块需要处理特殊金属化模垫以应付双面焊接。而本申请实施例中，通过设置多个正极直流端子、多个负极直流端子和多个交流端子以提供多个并联的换向回路，且使每个换向回路中存在电流流向相反的结构，利于互感抵消了一部分回路上的杂散电感，进而降低了功率模块的损耗。

此外，如图1所示，本申请实施例中，开关管芯片及各个端子布局紧凑，利于减小换流回路的长度，降低换流回路的寄生电感值，从而降低关断电压尖峰和开关振荡。具体地，与常规的三相全桥模块相比，本申请实施例中，等效功率回路杂散电感降低50％，有助于提高功率模块的功率密度，并减少所需的散热器尺寸和集成该模块的带有栅极驱动板尺寸，此外本技术的成熟度可以很好地控制成本。

图3为图1所示的功率模块的等效电路示意图。请结合参阅图1和图3，三个半桥结构20构成三相全桥模块，应用于电机驱动器。其中，图1中第一半桥结构20a、第二半桥结构20b、第三半桥结构20c的四个正极直流端子231分别对应图3中第一半桥结构20a的P1节点、第二半桥结构20b的P2节点和第三半桥结构20c的P3节点，并分别构成电机驱动器的U相正极直流端子231、V相正极直流端子231、W相正极直流端子231。图1中第一半桥结构20a、第二半桥结构20b、第三半桥结构20c的四个负极直流端子237分别对应图3中第一半桥结构20a的N1节点、第二半桥结构20b的N2节点和第三半桥结构20c的N3节点，并分别构成电机驱动器的U相负极直流端子237、V相负极直流端子237、W相负极直流端子237。图1中第一半桥结构20a、第二半桥结构20b、第三半桥结构20c的四个交流端子233分别对应图3中第一半桥结构20a的U节点、第二半桥结构20b的V节点和第三半桥结构20c的W节点，并分别构成电机驱动器的U相交流端子233、V相交流端子233、W相交流端子233。

图3中对于上半桥臂芯片组21和下半桥臂芯片组22仅画出了一个MOSFET以示意。图1中的第一半桥结构20a第一源极端子232、第一栅极端子234、第二源极端子235、第二栅极端子236分别对应图3中第一半桥结构20a的S1节点、G1节点、S2节点及G2节点。类似地，图1中的第二半桥结构20b第一源极端子232、第一栅极端子234、第二源极端子235、第二栅极端子236分别对应图3中第三半桥结构20c的S3节点、G3节点、S4节点及G4节点。图1中的第三半桥结构20c第一源极端子232、第一栅极端子234、第二源极端子235、第二栅极端子236分别对应图3中第三半桥结构20c的S5节点、G5节点、S6节点及G6节点。

此外，如图1所示，功率模块100还包括位于绝缘基板10的表面上的热敏电阻导电层38，以及位于热敏电阻导电层38上并与热敏电阻导电层38电性连接的两个热敏电阻端子238(对应图3中的T1和T2)。两个热敏电阻端子238之间例如电连接有热敏电阻，以监控功率模块100的温度。

需要说明的是，上述实施例中，以功率模块100包括三个半桥结构20为例进行说明。其他实施例中，功率模块100中的半桥结构20的数量不做限制，例如功率模块100中包括一个半桥结构20。图4为功率模块100包括一个半桥结构20，单相流经换流回路产生的杂散电感基于Ansys Q3D仿真结果示意图。其中，测试得到的杂散电感为5.6nH，显著降低了等效功率回路的杂散电感(通常都在10nH以上，本申请实施例降低超过50％)。

进一步地，本申请实施例还提供一种电子设备。该电子设备包括上述的功率模块100。具体地，电子设备例如为电机驱动器、光伏逆变器、Boost升压设备；或者，电子设备为逆变电源、变频器、制冷设备、冶金机械设备、电力牵引设备等具有电机的设备，功率模块100应用于所述电机的电机驱动器(如，单相电机驱动器或三相电机驱动器)。

以上实施方式仅用以说明本申请的技术方案而非限制，尽管参照以上较佳实施方式对本申请进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本申请的技术方案进行修改或等同替换都不应脱离本申请技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种功率模块，其特征在于，所述功率模块包括绝缘基板及位于所述绝缘基板上的半桥结构，所述半桥结构包括：

上半桥臂芯片组和下半桥臂芯片组，所述上半桥臂芯片组和所述下半桥臂芯片组均包括至少一个开关管芯片；以及

多个正极直流端子、多个负极直流端子和多个交流端子；

其中，所述多个正极直流端子电性连接所述上半桥臂芯片组，所述多个负极直流端子电性连接所述下半桥臂芯片组，所述多个交流端子分别电性连接所述上半桥臂芯片组和所述下半桥臂芯片组；定义沿第一方向上，所述上半桥臂芯片组的相对两侧分别为第一侧和第二侧，所述多个正极直流端子和所述多个负极直流端子均位于所述第一侧，所述多个交流端子位于所述第二侧；沿所述第一方向上，所述下半桥臂芯片组位于所述负极直流端子和所述多个交流端子之间。

2.根据权利要求1所述的功率模块，其特征在于，所述多个正极直流端子的数量、所述多个负极直流端子的数量及所述多个交流端子三者的数量相等。

3.根据权利要求1所述的功率模块，其特征在于，所述多个正极直流端子、所述多个负极直流端子和所述多个交流端子三者的数量均大于等于3且小于等于8。

4.根据权利要求1所述的功率模块，其特征在于，相邻的两个所述正极直流端子的间距、相邻的两个所述负极直流端子的间距、相邻的两个所述交流端子的间距均大于等于1mm且小于等于5mm。

5.根据权利要求1所述的功率模块，其特征在于，所述半桥结构还包括间隔设置于所述绝缘基板的表面上的直流正极导电层、直流负极导电层、交流导电层；

所述多个正极直流端子与所述直流正极导电层电性连接，所述多个负极直流端子与所述直流负极导电层电性连接，所述多个交流端子与所述交流导电层电性连接。

6.根据权利要求1所述的功率模块，其特征在于，所述至少一个开关管芯片为多个并联的MOSFET芯片；

所述上半桥臂芯片组中，每个所述MOSFET芯片的漏极与所述多个正极直流端子电连接，每个所述MOSFET芯片的功率源极与所述多个交流端子电连接；

所述下半桥臂芯片组中，每个所述MOSFET芯片的漏极与所述多个交流端子电连接，每个所述MOSFET芯片的功率源极与所述多个负极直流端子电连接。

7.根据权利要求6所述的功率模块，其特征在于，所述半桥结构还包括间隔设置于所述绝缘基板的表面上的第一源极导电层、第一栅极导电层、第二源极导电层、第二栅极导电层；

所述上半桥臂芯片组中，每个所述MOSFET芯片的驱动源极与所述第一源极导电层电连接，每个所述MOSFET芯片的栅极与所述第一栅极导电层电连接；

所述下半桥臂芯片组中，每个所述MOSFET芯片的驱动源极与所述第二源极导电层电连接，每个所述MOSFET芯片的栅极与所述第二栅极导电层电连接。

8.根据权利要求7中所述的功率模块，其特征在于，所述半桥结构还包括第一源极端子、第一栅极端子、第二源极端子和第二栅极端子；

所述第一源极端子与所述第一源极导电层电连接，所述第一栅极端子与所述第一栅极导电层电连接，所述第二源极端子与所述第二源极导电层电连接，所述第二栅极端子与所述第二栅极导电层电连接。

9.根据权利要求1至8中任意一项所述的功率模块，其特征在于，所述功率模块包括三个所述半桥结构；其中三个所述半桥结构沿与所述第一方向交叉的第二方向上间隔设置。

10.一种电子设备，其特征在于，包括根据权利要求1至9中任意一项所述的功率模块。

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