CN113875006A - 三电平功率模块 - Google Patents
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Abstract
披露了一种功率模块(2),该功率模块包括模制封装件(4)、从模制封装件(4)的第一侧(40)突出的三个功率端子(6,8,10)。功率端子(6,8,10)包括正极DC端子(6)、中性端子(8)和负极端子(10)。功率模块(2)包括从模制封装件(4)的第二侧(42)突出的相输出功率端子(12)。功率模块(2)是包括从模制封装件(4)的第二侧(42)突出的多个控制引脚(14,16,18,20,22,24,26,28,30,32,34,36)的三电平功率模块。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于逆变器的功率模块。本发明涉及一种适用于汽车牵引逆变器(例如,用于移动电源功能)以及大小限制受到关注的应用(例如,压缩机)的功率模块。
背景技术
在各种应用中都用到功率模块。然而,当在逆变器中使用时,功率模块典型地基于两电平系统,其中两个供应源之间的DC电压被切换以形成AC输出(反之亦然)。现有技术的功率模制功率模块含有半桥拓扑,其中一个相脚由两个晶体管和两个二极管形成。与两电平半桥相比,在汽车牵引逆变器(例如,用于移动电源功能)以及大小限制受到关注的应用(例如,压缩机)中,利用了三个DC供应源的三电平拓扑能够实现高输出频率的较好性能、较好的正弦形状和改进的EMI行为。这种拓扑将支持高转速电机的利用以及紧凑型高功率驱动器的设计。
为了提高开关速度并借此优化正弦波形并降低损耗,因而已越来越多地使用具有成本效益的基于碳化硅(SiC)的高功率开关元件。
然而,有利的是,具有提供功率模块的替代方式,在该功率模块中,正弦输出的形状相比现有技术的功率模块需要更少滤波,并且可以提高整体效率。
因此,本发明的目的在于提供现有技术的用于逆变器的功率模块的替代方案。本发明的目的还在于提供一种适用于汽车牵引逆变器(例如,用于移动电源功能)以及大小限制受到关注的应用(例如,压缩机)中的功率模块。
因此,本发明的目的在于提供现有技术的用于逆变器的功率模块的替代方案,通过该功率模块,可以提高输出功率,提供高度热扩散,并且提供较长使用寿命。
发明内容
本发明的目的可以由如权利要求1所述的功率模块实现。优选实施例在从属权利要求中定义、在以下描述中解释、并且在附图中展示。
根据本发明的功率模块是一种功率模块,该功率模块包括:
-模制封装件;
-从模制封装件的第一侧突出的三个功率端子,其中,这些功率端子包括正极DC端子、中性端子和负极端子;
-从模制封装件的第二侧突出的相输出功率端子,
其中,功率模块是包括从模制封装件的第二侧突出的多个控制引脚的三电平功率模块,其中:
a)金属化区域电连接到中性端子;
b)另一个金属化区域电连接到相输出功率端子,
c)金属化区域是分离的金属化区域,这些分离的金属化区域的形状被设置为具有沿着轴线延伸的纵向轴线的长形结构,并且
d)金属化区域沿着轴线延伸,扩展彼此。
因此,可以提供使得能够提高输出功率,提供高度热扩散,并且提供较长使用寿命的功率模块。此外,功率模块提供了基于两电平拓扑的现有技术逆变器的替代方案。这样的功率模块在汽车牵引逆变器(例如,用于移动电源功能)以及大小限制受到关注的应用(例如,压缩机)和太阳能逆变器应用中是有利的。将三电平功率模块应用为两电平功率模块的替代方案会产生较小谐波。
在一个实施例中,中性端子位于正极端子与负极端子之间的中心。这使得到客户系统的集成较容易,并且这些应用中的汇流条结构可以由三层构成,并且这种布置简化了接口(汇流条堆叠体:正极/中性/负极)。
将内部布局结构化成长形结构的金属化区域,由于提供了足够的可用空间,实现了成行放置的多个芯片的并行使用。这提高了输出功率,并且允许并行使用多个较小管芯,从而具有热扩散的益处。
通过将内部布局结构化成长形结构的金属化区域,可以降低寄生电感,这是因为换向环路以“宽但短”的几何形状制成(这意味着电流在多个装置和导线中并行流动,因此与迹线窄且长的几何形状相比,降低了杂散电感)。
通过以两个金属化区域沿着共用轴线(例如,功率模块的纵向轴线)延伸的方式将两个金属化区域放置在功率模块的中心区域内,可以实现放置在金属化区域上的芯片的损耗的良好热传递。可以实现增强的热传递,这是因为模块冷却典型地在中心区中最佳,在该中心区中,热路径不会出现边缘效应。
通过以两个金属化区域沿着共用轴线(例如,功率模块的纵向轴线)延伸的方式将两个金属化区域放置在功率模块的中心区域内,可以延长功率模块的使用寿命。系统焊料(DBC到基板的接合)的退化效应和衬底分层(CU从陶瓷脱落)始于拐角和边缘。因此,当芯片布置在功率模块的中心区域中时,可以实现较高数量的温度循环。
通过以两个金属化区域沿着共用轴线延伸的方式将两个金属化区域放置在功率模块的中心区域内,可以实现对称布局,该对称布局在上开关与下开关之间或者内部开关之间实现了良好的开关对称性。相反的开关功能的损耗产生将较对称。因此,可以减小甚至消除降额的需要。
通过以两个金属化区域沿着共用轴线延伸、扩展彼此的方式将两个金属化区域放置在功率模块的中心区域内,与迹线彼此相距较大距离布置的情形(布局以短环路为特征)相比,换向环路被最小化。
在一个实施例中,模制封装件的第二侧定位在功率模块的与第一侧相反的一端。
在一个实施例中,从模制封装件的第一侧突出的三个功率端子被布置的方式为使得外部端子分别形成正极DC端子和负极DC端子,并且内部端子(布置在外部端子之间)形成中性端子。
优点可以在于,功率模块包括中性点箝位(NPC-1)拓扑。在一个实施例中,功率模块包括斩波器或二极管桥模块以降低成本。
在另一实施例中,功率模块包括NPC-2拓扑。
在进一步的实施例中,功率模块包括有源中性点箝位(ANPC)拓扑。
优点可以在于,功率模块包括布置有一个或多个半导体开关的至少一个金属化区域(例如,包括铜),其中,半导体开关中的至少两个半导体开关形成半桥电路。
在优选实施例中,功率模块包括彼此间隔开的多个金属化区域,其中,一个或多个半导体开关布置在这些金属化区域中的至少一些金属化区域上。因此,可以提供一种具有成本效益的功率模块。
应理解,金属化区域可以例如经由引线结合在功率模块内电互连。此外,布置在金属化区域上的电部件可以通过电连接器(比如,引线结合)连接到一个或多个控制引脚。
在一个实施例中,金属化区域形成为彼此平行地延伸的长形结构。
优点可以在于,金属化区域布置成五行。因此,可以通过使用一系列短的电连接器(比如,引线结合)将设置在金属化区域上的一行电子部件(例如,开关元件)与邻近金属化区域连接。
在一个实施例中,金属化区域的中心(最中间)行包括两个分离的金属化区域。
可以有益的是,半导体结合到最外部的四行金属化区域。
在一个实施例中,在除了最外部的四行之外的各行金属化区域处没有布置半导体。
可以有利的是,相输出功率端子电连接到第一金属化区域,并且中性端子电连接到第二金属化区域,其中,附加的金属化区域布置在第一金属化区域与第二金属化区域之间并与第一金属化区域和第二金属化区域间隔开。
在一个实施例中,一个或多个半导体开关布置在第一金属化区域和附加的金属化区域上,其中,在第二金属化区域上没有布置半导体开关。
在一个实施例中,一个或多个半导体开关布置在电连接到正极DC端子的另一金属化区域上。
可以有利的是,又一金属化区域电连接到负极DC端子,其中,在所述金属化区域上没有布置半导体开关。
在一个实施例中,至少金属化区域的子集中的金属化区域关于对称轴线基本镜像对称地布置。
在一个实施例中,所有金属化区域关于对称轴线基本镜像对称地布置。
优点可以在于,多个控制引脚从模制封装件突出,其方式为使得控制引脚沿着同一平面延伸。
在一个实施例中,控制引脚从模制封装件的第二侧突出。因此,较容易将功率模块电连接到装置。
在一个实施例中,功率模块包括八个控制引脚。
在一个实施例中,功率模块包括九个控制引脚。
在一个实施例中,功率模块包括十个控制引脚。
在一个实施例中,功率模块包括十一个控制引脚。
在一个实施例中,功率模块包括十二个控制引脚。
优点可以在于,控制引脚彼此平行地延伸并且具有相同的几何形状。
在一个实施例中,功率模块包括布置有一个或多个半导体开关的至少一个金属化区域。
优点可以在于,半导体开关中的一个或多个是碳化硅(SiC)半导体。
在一个实施例中,功率模块包括一个或多个SiC金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。
在一个实施例中,功率模块包括布置有一个或多个绝缘栅双极晶体管(IGBT)的至少一个金属化区域。
在一个实施例中,至少一个电路元件由直接敷铜(DBC)衬底的铜层形成。
在一个实施例中,功率模块包括彼此间隔开的五个金属化区域。
在一个实施例中,功率模块包括彼此间隔开的六个金属化区域。
优点可以在于,金属化区域中的两个或更多个金属化区域具有相同的几何形状。
在一个实施例中,半导体开关包括一个或多个半导体芯片,其中,半导体开关的一个或多个连接器直接结合到芯片的表面。
附图说明
从下文中给出的详细描述中,本发明将被更充分地理解。附图仅通过图示的方式给出,因此,它们不是对本发明的限制。在附图中:
图1示出了根据本发明的实施例的功率模块;
图2A示出了图1所示的功率模块的另一视图;
图2B示出了图2A所示的功率模块的等效电路;
图3A示出了根据本发明的一个实施例的功率模块;
图3B示出了图3A所示的功率模块的等效电路;
图4A示出了根据本发明的一个实施例的功率模块;以及
图4B示出了图4A所示的功率模块的等效电路。
具体实施方式
现在出于展示本发明的优选实施例的目的而详细参考附图,在图1中展示了本发明的功率模块2。
图1展示了根据本发明的实施例的功率模块2。功率模块2是三电平功率模块,并且包括模制封装件4,该模制封装件包括第一侧40和相反的第二侧42。三个功率端子6、8、10从模制封装件4的第一侧40突出。功率端子6、8、10包括正极DC端子6、中性端子8和负极端子10。
相输出功率端子12从模制封装件4的第二侧42突出。功率模块2包括从模制封装件4的第二侧42突出的多个控制引脚14、16、18、20、22、24、26、28。这些控制引脚14、16、18、20、22、24、26、28彼此平行地延伸。
在功率端子6、8、10、12中的每一个功率端子中设置有居中布置的孔38。孔38可以用于通过穿过孔38插入的螺钉(未示出)将端子6、8、10、12机械且电附接到其他部分(例如,DC链路)。每个螺钉将典型地拧入到对应螺母中。因此,螺钉可以机械地使功率模块2的端子6、8、10、12与端子6、8、10、12所电连接到的结构保持接触。必要时,也可以使用其他附接方式,比如,熔焊、胶粘、焊接、铜焊或本领域已知的其他方式。一些附接方式可能不需要孔38的存在。
在一个实施例中,模制封装件4包封功率模块2的电子部件。在一个实施例中,模制封装件4包封功率模块2的底板。
图2A展示了图1所示中性点箝位(NPC)-1拓扑中的功率模块2的俯视图。除了图1所示的结构之外,可以看出,功率模块2包括若干电分离的金属化区域44、46、48、50、52、54。第一金属化区域44电连接到负极DC端子10。半导体开关T4和二极管D3布置在第一金属化区域44上。
第二金属化区域46布置在第一金属化区域44与电连接到相输出功率端子12的第三金属化区域48之间。半导体开关T3和两个二极管D1和D4布置在第二金属化区域46上。半导体开关T2和二极管D5布置在第三金属化区域48上。
第四金属化区域50电连接到中性端子8。二极管D2布置在第四金属化区域50上。
第五金属化区域52布置在第四金属化区域50与电连接到正极DC端子6的第六金属化区域54之间。半导体开关T1和二极管D6布置在第五金属化区域52上。
金属化区域44、46、48、50、52、54的形状被设置为具有沿着轴线X延伸的纵向轴线的长形结构。可以看出,金属化区域44、46、48、50、52、54关于轴线X基本镜像对称地布置。此外,金属化区域44和54关于轴线X基本镜像对称地布置。同样,金属化区域46和52关于轴线X基本镜像对称地布置,而金属化区域48和50关于轴线X基本镜像对称地布置。
因此,可以提供具有较少数量的电互连的设计。
控制引脚14、16电连接到布置在第五金属化区域52上的电子部件。控制引脚18、20电连接到布置在第三金属化区域48上的电子部件。控制引脚22、24电连接到布置在第二金属化区域46上的电子部件。控制引脚26、28电连接到布置在第一金属化区域44上的电子部件。
功率模块2包括第一行I、第二行II、第三行III、第四行IV和第五行V。第一金属化区域44布置在第一行I中。第二金属化区域46布置在第二行II中。第三金属化区域48与第四金属化区域50两者布置在第三行III中。第五金属化区域52布置在第四行IV中,并且第六金属化区域54布置在第五行V中。可以看出,金属化区域的中心(最中间)行III包括两个分离的金属化区域48、50。因此,分离的金属化区域48、50布置在功率模块2的中心区域62中。中心区域62用虚线圆角矩形表不。
此外,可以看出,半导体开关T1、T2、T3、T4结合到最外部的四行I、II、III、IV。
还可以看出,在除了最外部的四行I、II、III、IV之外的其他行处没有布置半导体开关T1、T2、T3、T4。
图2B展示了图2A所示的功率模块的等效电路。
构成第一半桥58的两个二极管D3、D4(串联布置)和两个半导体开关T3、T4(串联布置)设置在正极DC端子DC+与相端子U(在图2A中示出为12)之间。
同样,构成第二半桥58′的两个二极管D5、D6(串联布置)和两个半导体开关T2、T1(串联布置)设置在负极DC端子DC-与相端子U之间。
两个二极管D1、D2串联布置并构成二极管桥60。
图3A展示了根据本发明的一个实施例的功率模块2,而图3B展示了图3A所示的功率模块(NPC2 T型拓扑)的等效电路。图3A展示了功率模块2的俯视图,该功率模块包括彼此间隔开的多个金属化区域44、48、50、52、54、56。
功率模块2是三电平功率模块2,并且包括第一侧40和相反的第二侧42。三个功率端子6、8、10从功率模块2的第一侧40突出。功率端子6、8、10包括正极DC端子6、中性端子8和负极端子10。相输出功率端子12从功率模块2的第二侧42突出。功率模块2包括从功率模块2的第二侧42突出的多个控制引脚14、16、18、20、22、24、26、28。这些控制引脚14、16、18、20、22、24、26、28平行于虚线所示的轴线X延伸。
第一金属化区域44电连接到负极DC端子10。两个控制引脚22、24电连接到布置在此第一金属化区域44上的电子部件。
另一个金属化区域48电连接到相输出功率端子12。另一金属化区域50电连接到中性端子8。两个控制引脚18、20电连接到布置在此金属化区域48上的电子部件。
金属化区域54电连接到正极DC端子6。
金属化区域56布置在金属化区域48与金属化区域50之间。两个控制引脚26、28电连接到布置在此金属化区域56上的电子部件。
金属化区域44、48、50、52、54关于轴线X基本镜像对称地布置。轴线X基本对应于功率模块2的纵向轴线。
可以看出,金属化区域44和54关于轴线X基本镜像对称地布置。同样,金属化区域48、50和56关于轴线X基本镜像对称地布置。
分离的金属化区域48、50、56布置在功率模块2的中心区域62中。中心区域62用虚线圆角矩形表示。
图3B展示了图3A所示的功率模块的等效电路。
两个二极管D3、D4(串联布置)和两个半导体开关T3、T4(串联布置)设置在中性端子N与相端子U(在图3A中示出为12)之间。
二极管D1和半导体开关T2布置在负极DC端子DC-与相端子U之间。类似地,二极管D2和半导体开关T1布置在正极DC端子DC+与相端子U之间。
图4A展示了根据本发明的一个实施例的功率模块2,而图4B展示了图4A所示的功率模块(高级中性点箝位(ANPC)拓扑)的等效电路。
图4A展示了功率模块2的俯视图,该功率模块包括彼此间隔开的多个金属化区域44、46、48、50、52、54。
功率模块2包括第一侧40和相反的第二侧42。三个功率端子6、8、10(正极DC端子6、中性端子8和负极端子10)从功率模块2的第一侧40突出。然而,相输出功率端子12从功率模块2的第二侧42突出。
功率模块2包括从功率模块2的第二侧42突出的多个控制引脚14、16、18、20、22、24、26、28、30、32、34、36。这些控制引脚14、16、18、20、22、24、26、28、30、32、34、36平行于虚线所示的轴线X延伸。
功率模块2包括电连接到负极DC端子10的第一金属化区域44。两个控制引脚34、36电连接到布置在此第一金属化区域44上的电子部件。
另一个金属化区域48电连接到相输出功率端子12。两个控制引脚22、24电连接到布置在此金属化区域48上的电子部件。
另一金属化区域50电连接到中性端子8。控制引脚20电连接到布置在此金属化区域50上的电子部件。
金属化区域54电连接到正极DC端子6。控制引脚14电连接到此金属化区域54。
金属化区域52布置在金属化区域54与金属化区域50之间。两个控制引脚16、18电连接到布置在此金属化区域52上的电子部件。
金属化区域46布置在金属化区域44与金属化区域50之间。四个控制引脚26、28、30、32电连接到布置在此金属化区域46上的电子部件。
金属化区域44、46、48、50、52、54关于轴线X基本镜像对称地布置。轴线X基本对应于功率模块2的纵向轴线。
金属化区域44和54是长形的,并且关于轴线X基本镜像对称地布置。同样,金属化区域48、50关于轴线X基本镜像对称地布置,而金属化区域46、52关于轴线X基本镜像对称地布置。
功率模块2包括第一行I、第二行II、第三行III、第四行IV和第五行V。第一金属化区域44布置在第一行I中。第二金属化区域46布置在第二行II中。第三金属化区域48与第四金属化区域50两者布置在第三行III中。第五金属化区域52布置在第四行IV中,并且第六金属化区域54布置在第五行V中。金属化区域的中心(最中间和第三)行III包括两个分离的金属化区域48、50。因此,分离的金属化区域48、50布置在功率模块2的中心区域62中。中心区域62用虚线圆角矩形表示。
此外,可以看出,半导体开关结合到最外部的四行I、II、III、IV。
还可以看出,在除了最外部的四行I、II、III、IV之外的其他行处没有布置半导体开关。
图4B展示了图4A所示的功率模块的等效电路。功率模块包括构成第一半桥的两个二极管D1、D2(串联布置)和两个半导体开关Sa1、Sa2(串联布置)。功率模块进一步包括构成第二半桥的两个二极管D3、D4(串联布置)和两个半导体开关Sa3、Sa4(串联布置),以及包括两个二极管和两个半导体开关Sa5、Sa6的第三半桥。
附图标记清单
2 功率模块
4 模制封装件
6、DC+ 正极DC端子
8、N 中性端子
10、DC- 负极DC端子
12、U 相端子
14、16、18、20 控制引脚
22、24、26、28 控制引脚
30、32、34、36 控制引脚
38 孔
40 第一侧
42 第二侧
44、46、48、50、52、54、56 金属化区域
58、58′ 半桥
60 二极管桥
62 中心区域
X 轴线
D1、D2、D3、D4、D5、D6 二极管
T1、T2、T3、T4 半导体开关
Sa1、Sa2、Sa3、Sa4、Sa5、Sa6 半导体开关
I 第一行
II 第二行
III 第三行
IV 第四行
V 第五行
Claims (17)
1.一种功率模块(2),包括:
-模制封装件(4);
-从该模制封装件(4)的第一侧(40)突出的三个功率端子(6,8,10),其中,这些功率端子(6,8,10)包括正极DC端子(6)、中性端子(8)和负极端子(10);
-从该模制封装件(4)的第二侧(42)突出的相输出功率端子(12),
其中,该功率模块(2)是包括从该模制封装件(4)的第二侧(42)突出的多个控制引脚(14,16,18,20,22,24,26,28,30,32,34,36)的三电平功率模块,其特征在于:
a)金属化区域(50)电连接到该中性端子(8);
b)另一个金属化区域(48)电连接到该相输出功率端子(12);
c)这些金属化区域(48,50)是分离的金属化区域(48,50),这些分离的金属化区域的形状被设置为具有沿着轴线(X)延伸的纵向轴线的长形结构,并且
d)这些金属化区域(48,50)沿着该轴线(X)延伸,扩展彼此。
2.根据权利要求1所述的功率模块(2),其特征在于,从该模制封装件(4)的第一侧(40)突出的这三个功率端子(6,8,10)被布置的方式为使得外部端子(6,10)分别形成该正极DC端子(6)和该负极DC端子(10),并且内部端子形成中性端子(8)。
3.根据权利要求1或2所述的功率模块(2),其特征在于,该功率模块(2)包括中性点箝位(NPC)-1拓扑。
4.根据权利要求1或2所述的功率模块(2),其特征在于,该功率模块(2)包括NPC-2拓扑。
5.根据前述权利要求1至3之一所述的功率模块(2),其特征在于,该功率模块(2)包括有源中性点箝位(ANPC)拓扑。
6.根据前述权利要求之一所述的功率模块(2),其特征在于,该功率模块(2)包括布置有一个或多个半导体开关(T1,T2,T3,T4,Sa1,Sa2,Sa3,Sa4,Sa5,Sa6)的至少一个金属化区域(44,46,48,50,52,54,56),其中,这些半导体开关(T1,T2,T3,T4,Sa1,Sa2,Sa3,Sa4,Sa5,Sa6)中的至少两个半导体开关形成半桥电路。
7.根据前述权利要求之一所述的功率模块(2),其特征在于,此功率模块(2)包括彼此间隔开的多个金属化区域(44,46,48,50,52,54,56),其中,一个或多个半导体开关(T1,T2,T3,T4,Sa1,Sa2,Sa3,Sa4,Sa5,Sa6)布置在这些金属化区域(44,46,48,50,52,54,56)中的至少一些金属化区域上。
8.根据权利要求7所述的功率模块(2),其特征在于,这些金属化区域(44,46,48,50,52,54,56)形成为彼此平行地延伸的长形结构。
9.根据权利要求8所述的功率模块(2),其特征在于,这些金属化区域(44,46,48,50,52,54,56)被布置成五行。
10.根据权利要求9所述的功率模块(2),其特征在于,中心(最中间)行包括两个分离的金属化区域(48,50)。
11.根据权利要求9或10所述的功率模块(2),其特征在于,这些半导体结合到最外部的四行。
12.根据权利要求11所述的功率模块(2),其特征在于,在除了最外部的四行之外的各行处没有布置半导体。
13.根据前述权利要求之一所述的功率模块(2),其特征在于,该相输出功率端子(12)电连接到第一金属化区域(48),并且该中性端子(8)电连接到第二金属化区域(50),其中,附加的金属化区域(56)布置在该第一金属化区域(48)与该第二金属化区域(50)之间并与该第一金属化区域和该第二金属化区域间隔开。
14.根据权利要求13所述的功率模块(2),其特征在于,一个或多个半导体开关(T1,T2,T3,T4,Sa1,Sa2,Sa3,Sa4,Sa5,Sa6)布置在该第一金属化区域(48)和该附加的金属化区域(56)上,其中,在该第二金属化区域(50)上没有布置半导体开关。
15.根据权利要求13或14所述的功率模块(2),其特征在于,一个或多个半导体开关(T1,T2,T3,T4,Sa1,Sa2,Sa3,Sa4,Sa5,Sa6)布置在电连接到该正极DC端子(10)的另一金属化区域(44)上。
16.根据权利要求13至15之一所述的功率模块(2),其特征在于,又一金属化区域(54)电连接到该负极DC端子(6),其中,在所述金属化区域(54)上没有布置半导体开关。
17.根据权利要求6至16之一所述的功率模块(2),其特征在于,这些金属化区域(44,46,48,50,52,54,56)关于对称轴线对称地布置。
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