CN116387269B - 一种功率模块 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种功率模块，包括：上桥臂部分、下桥臂部分、第一基板和第二基板；上桥臂部分包括：若干上桥臂芯片、上桥臂驱动柔性PCB板、若干上桥臂垫片、第一正电极层、第二正电极层、铜CLIP和第一交流侧电极层；下桥臂部分包括：若干下桥臂芯片、下桥臂驱动柔性PCB板、若干下桥臂垫片、负电极层、中间铜柱和第二交流侧电极层。本申请功率模块没有使用双回路结构，正电极层被分为第一正电极层和第二正电极层两个部分，第一正电极层与正电极端子件连接，而第二正电极层与上桥臂垫片连接，中间选择铜CLIP完成两个正电极层的连接，使得回路结构交错，有利于减小回路寄生电感，进而减小开关损耗和开关时的电压尖峰。

Description

一种功率模块

技术领域

本申请涉及电子技术领域，特别是涉及一种功率模块。

背景技术

随着航空航天、新能源汽车等领域的快速发展，电力电子功率模块(简称为功率模块)得到了广泛的应用。对功率模块的性能也提出了更高的要求，即需要实现功率模块更高的开关频率，而传统的功率模块结构具有较高的寄生电感，传统的功率模块里功率芯片在开关过程中承受较高的过压，可能导致功率芯片过压击穿；更高的开关频率同时也导致了更大的发热损耗。

因此，寄生电感以及模块的热性能是功率模块需要克服的难题，尤其是在高频工作状态下，需要优化设计布局结构、降低寄生电感和提高热性能来保证功率模块工作正常。

发明内容

为解决上述背景中存在的技术问题，本申请提供一种功率模块，以减小寄生电感、提高热性能及促进模块内部结构优化。

为实现上述目的，本申请提供了以下方案：

一种功率模块，包括：上桥臂部分、下桥臂部分、第一基板和第二基板；

所述上桥臂部分包括：若干上桥臂芯片、上桥臂驱动柔性PCB板、若干上桥臂垫片、第一正电极层、第二正电极层、铜CLIP和第一交流侧电极层；

所述下桥臂部分包括：若干下桥臂芯片、下桥臂驱动柔性PCB板、若干下桥臂垫片、负电极层、中间铜柱和第二交流侧电极层。

优选的，所述上桥臂芯片包括：第一控制端、第一输入端和第一输出端；所述上桥臂驱动柔性PCB板，与所述第一控制端和所述第一交流侧电极层电连接；所述上桥臂垫片与所述第一输入端和所述第二正电极层电连接；所述第一正电极层，与外部正电极相连；所述铜CLIP，将所述第一正电极层和所述第二正电极层连接。

优选的，所述下桥臂芯片包括：第二控制端、第二输入端和第二输出端；所述下桥臂驱动柔性PCB板，与所述第二控制端和所述负电极层电连接；所述下桥臂垫片，与所述第二输入端和所述第二交流侧电极层电连接；所述负电极层，与所述第二输出端连接；所述中间铜柱，与所述第二交流侧电极层连接。

优选的，所述第一正电极层、所述第二正电极层和所述第二交流侧电极层均设置在所述第一基板上；且所述第一正电极层、所述第二正电极层和所述第二交流侧电极层同层设置。

优选的，所述负电极层、所述第一交流侧电极层均设置在所述第二基板上；且所述负电极层和所述第一交流侧电极层同层设置。

优选的，还包括：第一端子件和第二端子件；所述第一端子件与所述第二端子件从沿所述第一基板的平行面引出；

所述第一端子件，一端与所述第一正电极层电连接，另一端延伸出所述第一基板的外侧；

所述第二端子件，一端与所述第一正电极层电连接，另一端延伸出所述第一基板的外侧。

优选的，还包括：第三端子件；所述第三端子件一端与所述负电极层电连接，另一端延伸出所述第一基板的外侧。

优选的，还包括：第四端子件、第五端子件和第六端子件；

所述第四端子件，一端与所述第一交流侧电极层电连接，另一端延伸出所述第一基板的外侧；

所述第五端子件，一端与所述上桥臂驱动柔性PCB板输入端电连接，另一端延伸出所述第一基板的外侧；

所述第六端子件，一端与所述下桥臂驱动柔性PCB板输入端电连接，另一端延伸出所述第一基板的外侧。

与现有技术相比，本申请的有益效果如下：

本申请功率模块没有使用双回路结构，正电极层被分为第一正电极层和第二正电极层两个部分，第一正电极层与正电极端子件连接，而第二正电极层与上桥臂垫片连接，中间选择铜CLIP完成两个正电极层的连接，使得回路结构交错，有利于减小回路寄生电感，进而减小开关损耗和开关时的电压尖峰；在功率芯片的布局上面，该模块的芯片布局更加均匀，并且芯片间距更大，减缓了芯片之间的热耦合，使得功率芯片散热更加顺利，大大提升了功率模块的热性能。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例的功率模块结构示意图；

图2为本申请实施例功率模块的内部结构示意图；

图3为本申请实施例功率模块的外部结构示意图；

图4为本申请实施例中第一、二端子件的结构示意图；

图5为本申请实施例中第三端子件的结构示意图；

图6为本申请实施例中第四端子件的结构示意图；

图7为本申请实施例中第五、六端子件的结构示意图。

附图标记说明：1、第一基板；2、第一正电极层；3、第二交流侧电极层；4、铜CLIP；5、下桥臂芯片；6、下桥臂驱动信号输出端；7、驱动信号输出端；8、第二正电极层；9、下桥臂驱动柔性PCB板；10、下桥臂驱动柔性PCB板的驱动信号输入端；11、上桥臂垫片；12、中间铜柱；13、上桥臂芯片；14、上桥臂驱动柔性PCB板的驱动信号输入端；15、上桥臂驱动柔性PCB板；16、下桥臂垫片；17、第一端子件；18、第三端子件；19、第二端子件；20、驱动信号输出金属件；21、第一交流侧电极层；22、第六端子件；23、第四端子件；24、驱动信号输出金属件；25、第五端子件；26、负电极层；27、金属板；28、第二基板；171、第一端子件的金属层；181、第三端子件的金属层；191、第二端子件的金属层；211、第一镂空方框；221、第六端子件的金属层；231、第四端子件的金属层；251、第五端子件的金属层；261、第二镂空方框。

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，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步详细的说明。

实施例一

如图1、图2、图3所示，为本申请功率模块的结构示意图，本实施例的功率模块包括：多个上桥臂芯片13、多个上桥臂垫片11、上桥臂驱动柔性PCB板15、第一正电极层2、第二正电极层8、多个下桥臂芯片5、多个下桥臂垫片16、第二交流侧电极层3、下桥臂驱动柔性PCB板9、第一基板1、中间铜柱12、负电极层26、第一交流侧电极层21、第二基板28以及顶部金属板27；其中，上桥臂芯片13设有第一控制端、第一输入端及第一输出端；上桥臂驱动柔性PCB板15设置有上桥臂驱动柔性PCB板的驱动信号输入端14、驱动信号输出端7以及驱动信号输出金属件24，上桥臂驱动信号输出金属件24与上桥臂芯片13的第一控制端连接，上桥臂驱动信号输出端7与第一交流侧电极层21连接；第一正电极层2与第二正电极层8通过铜CLIP 4相连；第二正电极层8与上桥臂垫片11连接；上桥臂垫片11与上桥臂芯片13的第一输入端连接；第一端子件的金属层171、第二端子件的金属层191与第一正电极层2相连；下桥臂芯片5设有第二控制端、第二输入端及第二输出端；下桥臂驱动柔性PCB板9设置有下桥臂驱动柔性PCB板的驱动信号输入端10以及驱动信号输出金属件20，下桥臂驱动驱动信号输出金属件20与下桥臂芯片5的第二控制端连接，下桥臂驱动信号输出端6与负电极层26连接；第二交流侧电极层3与下桥臂垫片16连接；下桥臂垫片16与下桥臂芯片5的第二输入端连接；负电极层26与下桥臂芯片5的第二输出端、下桥臂驱动信号输出端6连接；第三端子件的金属层181与负电极层26连接；第一交流侧电极层21与上桥臂芯片13的第一输出端、中间铜柱12以及上桥臂驱动信号输出端7连接；中间铜柱12与第二交流侧电极层3相连；第二交流侧电极层3、第一正电极层2以及第二正电极层8均设置在第一基板1上，且第二交流侧电极层3、第一正电极层2以及第二正电极层8同层设置；如图2、图3所示，负电极层26及第一交流侧电极层21均设置在第二基板28上，且负电极层26及第一交流侧电极层21同层设置；如图2、图6所示，第四端子件的金属层231与第一交流侧电极层21相连接；如图1、图2、图7所示，第五端子件25与上桥臂驱动柔性PCB板的驱动信号输入端14通过接触点251连接，第六端子件22与下桥臂驱动柔性PCB板的驱动信号输入端10通过接触点连接。

本实施例中，上桥臂芯片13对应的换流回路为：第一端子件17、第二端子件19-第一正电极层2-铜CLIP 4-第二正电极层8-上桥臂垫片11-上桥臂芯片13-第一交流侧电极层21(或反向)。下桥臂芯片5对应的换流回路为：第一交流侧电极层21-中间铜柱12-第二交流侧电极层3-下桥臂垫片16-下桥臂芯片5-负电极层26(或反向)。

因此，在本实施例中，设置的正电流路径(第一端子件17、第二端子件19-第一正电极层2-铜CLIP 4-第二正电极层8)中，电流会流经铜CLIP 4，使得功率模块中的回路结构出现交错，有利于减小回路寄生电感，进而减小开关损耗和开关时的电压尖峰；相对于传统功率模块，该功率模块中，上桥臂芯片13、上桥臂垫片11、下桥臂芯片5以及下桥臂垫片16在第一基板1上的布局更加均匀，在相同尺寸下，该模块的芯片间距更大，有助于减缓芯片之间的热耦合，大大提升了功率模块的热性能，优化了功率芯片的工作环境，延长了使用寿命。

需要说明的是，本实施例的上桥臂芯片13可以包括IGBT器件，其栅电极作为上桥臂芯片13的第一控制端与上桥臂驱动信号输出金属件24电连接，其源极作为上桥臂芯片13的第一输出端与第一交流侧电极层21电连接，其漏极作为上桥臂芯片13的第一输入端与上桥臂垫片11电连接；下桥臂芯片5可以包括IGBT器件，其栅电极作为下桥臂芯片5的第二控制端，其源极作为下桥臂芯片5的第二输出端与负电极层26电连接，其漏极作为下桥臂芯片5的第二输入端与第二交流侧电极层3电连接。

此外，上述上桥臂芯片13还可以包括二极管，用于在电压或电流出现突变时，对桥臂芯片起保护作用；同时，可以采用其它开关管代替IGBT器件，如三极管或者MOS管等。

实施例二

本实施例实现的功率模块为半桥功率模块。

其中，本实施例的第一交流侧电极层21设有三个第一镂空方框211，其目的是为了在不改变功率模块整体厚度的情况下让上桥臂驱动信号输出金属件24不与第一交流侧电极层21相接触；第一交流侧电极层21与第四端子件的金属层231电连接，并且第四端子件23设置于第二基板28的第一方向中轴线上，第四端子件23可与外部交流电路连接；负电极层26设有三个第二镂空方框261，其目的是为了在不改变功率模块整体厚度的情况下让下桥臂驱动信号输出金属件20不与负电极层26相接触；负电极层26与第三端子件的金属层181电连接，并且第三端子件18设置于第二基板28的第一方向中轴线上，第三端子件18可与外部直流负极连接。

此外，本实施例的第二交流侧电极层3、第一正电极层2以及第二正电极层8沿第一基板1的第一方向依次相邻排布；负电极层26、第一交流侧电极层21沿第二基板28的第一方向依次相邻排布；三个中间铜柱12、三个上桥臂垫片11、三个上桥臂芯片13、三个下桥臂垫片16、三个下桥臂芯片5均沿第一基板1的第二方向排布。

本实施例上桥臂驱动回路设置在上桥臂驱动柔性PCB板15中，下桥臂驱动回路设置在下桥臂驱动柔性PCB板9中；具体地，上桥臂驱动柔性PCB板15通过上桥臂驱动信号输出金属件24连接至上桥臂芯片13的第一控制端，通过上桥驱动信号输出端7与第一交流侧电极层21相连接；下桥臂驱动柔性PCB板9通过下桥臂驱动信号输出金属件连接至下桥臂芯片5的第二控制端，通过下桥臂驱动信号输出端6与负电极层26相连接。

需要说明的是，本实施例的多个上桥臂垫片11设置在第二正电极层8背离第一基板1的一侧上，且沿第二方向排布；多个下桥臂垫片16设置在第二交流侧电极层3背离第一基板1的一侧上，且沿第二方向排布，在相同尺寸的条件下，该模块内芯片在DBC基板上的布局更加均匀，芯片间距更大，有助于减缓芯片之间的热耦合，使得功率芯片散热更加顺利，大大提升了功率模块的热性能。

在本实施例中，正电极层分为两个部分，它们分别是第一正电极层2和第二正电极层8，第一正电极层2与第一端子件的金属层171、第二端子件的金属层191连接，而第一正电极层2和第二正电极层8之间通过铜CLIP 4连接，该模块正电流路径为：第一端子件17、第二端子件19-第一正电极层2-铜CLIP 4-第二正电极层8，电流会流经铜CLIP 4，使得功率模块中的回路结构出现交错，有利于减小回路寄生电感，进而减小开关损耗和开关时的电压尖峰。

第二基板28位于负电极层26以及第一交流侧电极层21上方，并与它们连接；在第二基板28上方为金属板27，金属板27可选择与外部散热器相连接，以实现功率模块散热。

本实施例的功率模块还包括，如图4至图7所示，图4是图2实施例功率模块中第一端子件17和第二端子件19的结构示意图；图5是图2实施例功率模块中第三端子件18的结构示意图；图6是图2实施例功率模块中第四端子件23的结构示意图；图7是图2实施例功率模块中第五端子件25、第六端子件22的结构示意图。其中，第一端子件的金属层171、第二端子件的金属层191与第一正电极层2电连接，第一端子件17、第二端子件19另一端延伸出第一基板1的外侧，用于实现第一正电极层2从功率模块的外部接入正电压；第三端子件18的一端与负电极层26电连接，第三端子件18的另一端延伸出第一基板1的外侧，用于实现负电极层26从功率模块的外部接入负电压或接地；第四端子件的金属层231与第一交流侧电极层21电连接，第四端子件23的另一端延伸出第一基板1的外侧，用于实现第一交流侧电极层21从功率模块的内部接出交流电压；第五端子件25拥有两个相互绝缘的金属柱，分别用于接入针对于上桥臂芯片13和第一交流侧电极层21的驱动信号；第五端子件的金属层251与上桥臂驱动信号输入端14电连接，第五端子件25的另一端延伸出第一基板1的外侧，用于实现上桥臂芯片13的第一控制端和第一交流侧电极层21从功率模块的外部接入驱动信号；第六端子件22拥有两个相互绝缘的金属柱，分别用于接入针对于下桥臂芯片5和负电极层26的驱动信号；第六端子件的金属层221与下桥臂驱动信号输入端10电连接，第六端子件22的另一端延伸出第一基板1的外侧，用于实现下桥臂芯片5的第二控制端和负电极层26从功率模块的外部接入驱动信号。

具体地，本实施例的第一端子件17、二端子件19与第三端子件18从沿第一基板1的平行面引出，且设置在第一基板1的同侧，便于与同一供电设备的正、负极连接，缩短连接路径，缩短二者之间的连接路径。

具体地，本实施例的第四端子件23、第五端子件25和第六端子件22从沿第一基板1的平行面引出，且设置在第一基板1的同侧(与第一端子件17、二端子件19和第三端子件18的一侧相反)，便于功率模块与承载功率模块的电路板连接。

其中，第五端子件25包括两个绝缘设置的端子柱，两个端子柱对应的第五端子件的金属层251分别与上桥臂驱动柔性PCB板15的两个上桥臂驱动信号输入端14电连接，用于分别提供上桥臂芯片13的第一控制端的驱动信号及第一交流侧电极层21的驱动信号。

其中，第六端子件22包括两个绝缘设置的端子柱，两个端子柱对应的第六端子件的金属层221分别与下桥臂驱动柔性PCB板9的两个子金属层10电连接，用于分别提供下桥臂芯片5的第二控制端的驱动信号及负电极层26的驱动信号。

上述连接件是金属连接件，如铜连接件或者铜铝合金连接件等。

以上所述的实施例仅是对本申请优选方式进行的描述，并非对本申请的范围进行限定，在不脱离本申请设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本申请的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本申请权利要求书确定的保护范围内。

Claims (1)

1.一种功率模块，其特征在于，包括：上桥臂部分、下桥臂部分、第一基板和第二基板；

所述上桥臂部分包括：若干上桥臂芯片、上桥臂驱动柔性PCB板、若干上桥臂垫片、第一正电极层、第二正电极层、铜CLIP和第一交流侧电极层；

所述下桥臂部分包括：若干下桥臂芯片、下桥臂驱动柔性PCB板、若干下桥臂垫片、负电极层、中间铜柱和第二交流侧电极层；具体的，第一正电极层、第二交流侧电极层以及第二正电极层沿第一基板的第一方向依次相邻排布；负电极层、第一交流侧电极层沿第二基板的第一方向依次相邻排布；

其中，上桥臂芯片设有第一控制端、第一输入端及第一输出端；上桥臂驱动柔性PCB板设置有上桥臂驱动柔性PCB板的驱动信号输入端、驱动信号输出端以及驱动信号输出金属件，上桥臂驱动信号输出金属件与上桥臂芯片的第一控制端连接，上桥臂驱动信号输出端与第一交流侧电极层连接；第一正电极层与第二正电极层通过铜CLIP 4相连；第二正电极层与上桥臂垫片连接；上桥臂垫片与上桥臂芯片的第一输入端连接；下桥臂芯片设有第二控制端、第二输入端及第二输出端；下桥臂驱动柔性PCB板设置有下桥臂驱动柔性PCB板的驱动信号输入端以及驱动信号输出金属件，下桥臂驱动信号输出金属件与下桥臂芯片的第二控制端连接，下桥臂驱动信号输出端与负电极层连接；第二交流侧电极层与下桥臂垫片连接；下桥臂垫片与下桥臂芯片的第二输入端连接；负电极层与下桥臂芯片的第二输出端、下桥臂驱动信号输出端连接；第一交流侧电极层与上桥臂芯片的第一输出端、中间铜柱以及上桥臂驱动信号输出端连接；中间铜柱与第二交流侧电极层相连；第二交流侧电极层、第一正电极层以及第二正电极层均设置在第一基板上，且第二交流侧电极层、第一正电极层以及第二正电极层同层设置；负电极层及第一交流侧电极层均设置在第二基板上，且负电极层及第一交流侧电极层同层设置；

所述功率模块还包括：第一端子件、第二端子件、第三端子件、第四端子件、第五端子件和第六端子件；

第一端子件与第二端子件从沿第一基板的平行面引出；

第一端子件，一端与第一正电极层电连接，另一端延伸出第一基板的外侧；

第二端子件，一端与第一正电极层电连接，另一端延伸出第一基板的外侧；

第三端子件一端与负电极层电连接，另一端延伸出第一基板的外侧；

第四端子件，一端与第一交流侧电极层电连接，另一端延伸出第一基板的外侧；

第五端子件，一端与上桥臂驱动柔性PCB板输入端电连接，另一端延伸出第一基板的外侧；

第六端子件，一端与下桥臂驱动柔性PCB板输入端电连接，另一端延伸出第一基板的外侧。