本申請(qǐng)是2013年5月14日提交的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)序列號(hào)13/893,998的部分繼續(xù)申請(qǐng)，而后者是2012年8月17日提交的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)序列號(hào)13/588,329的部分繼續(xù)申請(qǐng)，其要求在2011年9月11日提交的美國(guó)臨時(shí)專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)?1/533,254的權(quán)益，將所述專(zhuān)利的全部公開(kāi)內(nèi)容通過(guò)引用方式并入本文中。

技術(shù)領(lǐng)域

本公開(kāi)涉及用于控制到負(fù)載的功率傳送的功率模塊。

背景技術(shù)：

隨著功率成本持續(xù)增長(zhǎng)和環(huán)境影響問(wèn)題的增長(zhǎng)，對(duì)具有提高性能和效率的功率器件的需求持續(xù)增長(zhǎng)。提供功率器件的性能和效率的一種方法是通過(guò)使用碳化硅(SiC)制造器件。相比于常規(guī)的硅功率器件，預(yù)期由碳化硅(SiC)制成的功率器件在切換速度、功率處理能力和溫度處理能力方面上展現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢(shì)。特別地，當(dāng)相比于常規(guī)的硅器件時(shí)，SiC器件的高臨界場(chǎng)和寬帶隙允許性能和效率兩者的增加。

由于硅中固有的性能限制，當(dāng)阻斷高電壓(例如，大于5kV的電壓)時(shí)，常規(guī)的功率器件會(huì)需要雙極結(jié)構(gòu)，諸如絕緣柵極雙極晶體管(IGBT)。雖然利用雙極結(jié)構(gòu)大體上降低由于其電導(dǎo)率調(diào)制引起的漂移層的電阻，但是雙極結(jié)構(gòu)也遭受相對(duì)較慢的切換時(shí)間。如將由本領(lǐng)域技術(shù)人員所清楚的那樣，雙極結(jié)構(gòu)的反向恢復(fù)時(shí)間(歸因于少數(shù)載流子的相對(duì)較慢擴(kuò)散)限制其最大切換時(shí)間，從而使得硅器件大體上不適于高電壓和高頻率應(yīng)用。

由于關(guān)于SiC功率器件的上述性能增強(qiáng)，單極SiC功率器件可以用于阻斷高達(dá)10kV或更大的電壓。此類(lèi)單極SiC功率器件的多數(shù)載流子本性有效地消除器件的反向恢復(fù)時(shí)間，從而允許非常高的切換速度(例如，對(duì)于具有10kV阻斷能力和約100mΩ*cm²的比導(dǎo)通電阻的雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(DMOSFET)小于100ns)。

功率器件經(jīng)常互相連接且集成為功率模塊，所述功率模塊工作以通過(guò)各種部件諸如電機(jī)、轉(zhuǎn)換器、發(fā)生器等動(dòng)態(tài)地切換大量功率。如上所討論，由于功率成本和環(huán)境影響問(wèn)題的持續(xù)增長(zhǎng)，仍持續(xù)需要更小、制造成本更廉價(jià)以及更有效，同時(shí)提供比它們的常規(guī)對(duì)應(yīng)物類(lèi)似或更好地性能的功率模塊。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本公開(kāi)涉及用于控制到負(fù)載的功率傳送的功率模塊。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，功率模塊包括：殼體，具有內(nèi)部腔室；和多個(gè)切換模塊，安裝在殼體的內(nèi)部腔室內(nèi)。切換模塊互相連接且被配置為促進(jìn)切換功率(power)到負(fù)載。切換模塊中的每個(gè)切換模塊包括至少一個(gè)晶體管和至少一個(gè)二極管。同時(shí)，切換模塊能夠阻斷1200伏特，傳導(dǎo)300安培并具有小于20毫焦耳的切換損耗。通過(guò)將切換模塊包括在功率模塊中，以使得對(duì)于1200V/300A額定值，功率模塊具有小于20毫焦耳的切換損耗，當(dāng)相比于常規(guī)的功率模塊時(shí)，該功率模塊的性能顯著提高。

根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，功率模塊包括具有內(nèi)部腔室的殼體、在內(nèi)部腔室內(nèi)的至少一個(gè)功率基板(power substrate)以及柵極連接器。功率基板包括在功率基板的第一表面上的用于促進(jìn)切換功率到負(fù)載的切換模塊。切換模塊包括至少一個(gè)晶體管和至少一個(gè)二極管。柵極連接器經(jīng)由信號(hào)路徑耦接到至少一個(gè)晶體管的柵極接觸，該信號(hào)路徑包括在功率基板的第一表面上的第一導(dǎo)電跡線(xiàn)。使用在功率基板的第一表面上的導(dǎo)電跡線(xiàn)將柵極連接器連接到至少一個(gè)晶體管的柵極，減小功率模塊中的干擾，并增加?xùn)艠O連接器和至少一個(gè)晶體管的柵極接觸之間的連接可靠性。

根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，功率模塊包括具有內(nèi)部腔室的殼體、一對(duì)輸出接觸(contact)以及多個(gè)切換模塊。多個(gè)切換模塊安裝在殼體的內(nèi)部腔室內(nèi)，并且互相連接以促進(jìn)將來(lái)自耦接在輸出接觸之間的功率源的功率切換到負(fù)載。該對(duì)輸出接觸被布置為使得輸出接觸的每個(gè)輸出接觸的至少150mm²的面積位于距離另一輸出接觸小于1.5mm。提供距離另一輸出接觸小于1.5mm的至少150mm²的每個(gè)輸出接觸的面積減少輸出接觸之間的漏電感，從而增加功率模塊的性能。

在閱讀以下與附圖相關(guān)聯(lián)的優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)描述后，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將清楚本公開(kāi)的范圍并實(shí)現(xiàn)本公開(kāi)的另外方面。

附圖說(shuō)明

結(jié)合在本說(shuō)明書(shū)中且形成本說(shuō)明書(shū)一部分的附圖與用于解釋本公開(kāi)原則的描述一起示出本公開(kāi)的各種方面。

圖1是示出根據(jù)本公開(kāi)一個(gè)實(shí)施例的功率模塊的細(xì)節(jié)的示意圖。

圖2是示出由圖1所示的功率模塊產(chǎn)生的各種信號(hào)的圖形。

圖3是示出在圖1所示的功率模塊中的切換模塊的細(xì)節(jié)的示意圖。

圖4是示出根據(jù)本公開(kāi)一個(gè)實(shí)施例的圖1所示的功率模塊的細(xì)節(jié)的方框圖。

圖5是示出根據(jù)本公開(kāi)一個(gè)實(shí)施例的圖1所示的功率模塊的細(xì)節(jié)的平面圖。

圖6是示出根據(jù)本公開(kāi)一個(gè)實(shí)施例的圖1所示的功率模塊的另外細(xì)節(jié)的平面圖。

圖7是示出根據(jù)本公開(kāi)一個(gè)實(shí)施例的圖1所示的功率模塊的外殼體的平面圖。

圖8是示出根據(jù)本公開(kāi)一個(gè)實(shí)施例的圖1所示的功率模塊的外殼體細(xì)節(jié)的平面圖。

圖9是示出根據(jù)本公開(kāi)一個(gè)實(shí)施例的圖4所示的功率模塊中的功率基板的細(xì)節(jié)的方框圖。

具體實(shí)施方式

以下闡述的實(shí)施例表示使得本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠?qū)嵺`實(shí)施例必要的信息并且示出實(shí)踐實(shí)施例的最佳模式。在根據(jù)附圖閱讀以下描述后，本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解本公開(kāi)的概念并將意識(shí)到在此并未具體提及這些概念的應(yīng)用。應(yīng)理解，這些概念和應(yīng)用落在本公開(kāi)的范圍和所附權(quán)利要求內(nèi)。

將理解，盡管在本文中術(shù)語(yǔ)第一、第二等可以用于描述各種元件，但是這些元件不應(yīng)受限于這些術(shù)語(yǔ)。這些術(shù)語(yǔ)僅用于區(qū)分元件。例如，在不背離本公開(kāi)的范圍情況下，第一元件可以被稱(chēng)為第二元件，并且類(lèi)似地，第二元件可以被稱(chēng)為第一元件。如本文所使用，術(shù)語(yǔ)“和/或”包括相關(guān)聯(lián)所列項(xiàng)目中的一個(gè)或多個(gè)的任意組合和所有組合。

應(yīng)理解，當(dāng)元件諸如層、區(qū)域或基板被稱(chēng)為“在”另一元件“上”或延伸“到”另一元件“上”時(shí)，其可以直接在另一個(gè)元件或直接延伸到另一個(gè)元件上或者也可以存在介入元件。相反，當(dāng)元件被稱(chēng)為“直接在”另一元件“上”或“直接”延伸“到”另一元件上時(shí)，不存在介入元件。同樣，將理解，當(dāng)元件諸如層、區(qū)域或基板被稱(chēng)為“在”另一元件“之上”或延伸“在”另一元件“之上”時(shí)，其可以直接在另一個(gè)元件之上或直接延伸在另一個(gè)元件之上，或者也可以存在介入元件。相反，當(dāng)元件被稱(chēng)為“直接在”另一元件“之上”或“直接”延伸“在”另一元件“之上”時(shí)，不存在介入元件。還將理解，當(dāng)元件被稱(chēng)為“連接”或“耦接”到另一元件時(shí)，其可以直接連接或耦接到另一個(gè)元件，或者可以存在介入元件。相反，當(dāng)元件被稱(chēng)為“直接連接”或“直接耦接”到另一元件時(shí)，不存在介入元件。

相對(duì)術(shù)語(yǔ)諸如“在…下方”或“在…上方”或“上部”或“下部”或“水平”或“垂直”在文中可以用于描述一個(gè)元件、層或區(qū)域?qū)θ鐖D中所示出的另一元件、層或區(qū)域的關(guān)系。應(yīng)理解，這些術(shù)語(yǔ)和上述討論的術(shù)語(yǔ)旨在涵蓋除了圖中所描繪的方位之外的器件的不同方位。

本文中所使用的術(shù)語(yǔ)僅用于描述具體實(shí)施例的目的，并不旨在成為本公開(kāi)的限制。如本文所使用，除非上下文另外清楚地指示，否則單數(shù)形式“一”、“一個(gè)”和“該”也旨在包括復(fù)數(shù)形式。另外應(yīng)理解，當(dāng)術(shù)語(yǔ)“包含”、“包含的”、“包括”和/或“包括的”用于本文時(shí)，其指定所述特征、整數(shù)、步驟、工作、元件和/或部件的存在，但不排除一個(gè)或多個(gè)其它特征、整數(shù)、步驟、工作、元件、部件和/或其組的存在或添加。

除非另有定義，否則本文所使用的所有術(shù)語(yǔ)(包括技術(shù)術(shù)語(yǔ)和科學(xué)術(shù)語(yǔ))均具有與本公開(kāi)所屬領(lǐng)域中技術(shù)人員通常理解的含義相同。將另外理解，本文所使用的術(shù)語(yǔ)應(yīng)當(dāng)被解釋為與它們本說(shuō)明書(shū)和相關(guān)領(lǐng)域的上下文中的含義相一致，并且不以理想化或過(guò)度形式化的意義來(lái)解釋?zhuān)潜疚拿鞔_地這么定義。

圖1示出根據(jù)本公開(kāi)一個(gè)實(shí)施例的示例性功率模塊10。功率模塊10包括兩個(gè)切換模塊SM1和SM2，所述兩個(gè)切換模塊通過(guò)控制系統(tǒng)12控制以以受控方式將來(lái)自電源(DC+/DC-)的電力傳送到負(fù)載14。如本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，切換模塊SM1和SM2形成半橋，所述切換模塊的細(xì)節(jié)在以下討論。切換模塊SM1和SM2中的每個(gè)切換模塊包括與第一二極管反向并聯(lián)的至少第一晶體管。特定地，第一切換模塊SM1包括與第一二極管D1反向并聯(lián)的第一晶體管Q1，并且第二切換模塊SM2包括與第二二極管D2反向并聯(lián)的第二晶體管Q2。在一個(gè)實(shí)施例中，第一晶體管Q1和第二晶體管Q2是金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)。然而，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將清楚，在不背離本公開(kāi)的原則情況下，任何合適的切換器件，例如，絕緣柵極雙極晶體管(IGBT)、場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管(JFET)、高電子遷移率晶體管(HEMT)等，均可以用于切換模塊SM1和SM2中。第一二極管D1和第二二極管D2可以是肖特基二極管，并且具體是結(jié)型勢(shì)壘肖特基二極管。再次，本領(lǐng)域技術(shù)人員將清楚，在不背離本公開(kāi)的原則情況下，任何合適的二極管器件，例如，P-N二極管和PiN二極管可以用于切換模塊SM1和SM2。在一個(gè)實(shí)施例中，省略了第二二極管D1和第二二極管D2，并且它們的功能分別由第一晶體管Q1和第二晶體管Q2的內(nèi)部體二極管(internal body diode)替代。使用替代第一二極管D1和第二二極管D2的第一晶體管Q1和第二晶體管Q2的內(nèi)部體二極管可在功率模塊10中節(jié)約空間和成本。

第一晶體管Q1的柵極接觸G和第一晶體管Q1的源極接觸S耦接到控制系統(tǒng)12。類(lèi)似地，第二晶體管Q2的柵極接觸G和源極接觸S也耦接到控制系統(tǒng)12。顯著地，從第一晶體管Q1和第二晶體管Q2的柵極接觸G到控制系統(tǒng)12的連接可以分別經(jīng)由相對(duì)較低功率柵極連接器G1和G2實(shí)現(xiàn)。類(lèi)似地，從第一晶體管Q1和第二晶體管Q2的源極接觸S到控制系統(tǒng)12的連接，可以分別經(jīng)由用于測(cè)量第一晶體管Q1和第二晶體管Q2的一個(gè)或多個(gè)工作參數(shù)的低電源返回連接(low-power source return connection)S1和S2實(shí)現(xiàn)。第一晶體管Q1的漏極接觸D耦接到正電源端子DC+。第二晶體管Q2的漏極接觸D耦接到輸出端子OUT。第一晶體管Q1的源極接觸S也耦接到輸出端子OUT。第二晶體管Q2的源極接觸S耦接到負(fù)電源端子DC-。最后，負(fù)載14耦接在輸出端子OUT和負(fù)DC電源端子DC-之間。

第一晶體管Q1、第一二極管D1、第二晶體管Q2以及第二二極管D2可各自為多數(shù)載流子器件。多數(shù)載流子器件大體上包括FET，諸如MOSFET、HEMT、JFET等，但不包括晶閘管、雙極晶體管以及絕緣柵極雙極晶體管(IGBT)。因此，當(dāng)相比于采用雙極器件的常規(guī)功率模塊時(shí)，功率模塊10可以能夠在高切換速度下工作并且遭受較低的切換損耗。在一個(gè)實(shí)施例中，第一晶體管Q1、第一二極管D1、第二晶體管Q2以及第二二極管D2是寬帶隙器件(wide band-gap device)。出于本公開(kāi)的目的，寬帶隙器件時(shí)具有大于或等于3.0電子伏特(eV)的帶隙的半導(dǎo)體器件。例如，第一晶體管Q1、第一二極管D1、第二晶體管Q2以及第二二極管D2可以是碳化硅(SiC)器件或氮化鎵(GaN)器件。出于參考目的，Si具有約1.1eV的帶隙，而SiC具有約3.3eV的帶隙。如上所討論，當(dāng)相比于常規(guī)硅(Si)IGBT基功率模塊時(shí)，使用SiC用于第一晶體管Q1、第一二極管D1、第二晶體管Q2以及第二二極管D1顯著地減少每個(gè)器件的切換時(shí)間，并另外遭受更低的切換損耗。例如，如果功率模塊10的額定值是1200V和300A，那么功率模塊10在-40℃和150℃之間工作時(shí)，在各種實(shí)施例中可維持小于25毫焦耳(mJ)、小于20mJ以及甚至小于15mJ的切換損耗，同時(shí)也提供低導(dǎo)通狀態(tài)電壓降。如本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，功率模塊10的切換損耗將不會(huì)將到低于1mJ。在另外實(shí)施例中，第一晶體管Q1、第一二極管D1、第二晶體管Q2以及第二二極管D2是多數(shù)載流子器件和帶寬隙器件。

在工作中，控制系統(tǒng)12以互補(bǔ)方式操作第一切換模塊SM1和第二切換模塊SM2，以使得當(dāng)?shù)谝磺袚Q模塊SM1導(dǎo)通時(shí)，阻斷第二切換模塊SM2，并且反之亦然。示出在功率模塊10的切換周期過(guò)程中的第一晶體管Q1的柵極接觸G處的電壓、第二晶體管Q2的柵極接觸G處的電壓、輸出端子OUT處的電壓以及通過(guò)負(fù)載14的電流的圖形示出在圖2中。在第一時(shí)段T1期間，第一切換模塊SM1導(dǎo)通，同時(shí)阻斷第二切換模塊SM2。因此，輸出端子OUT連接到正電源端子DC+，從而將正電源電壓提供到負(fù)載14并使得電流從正電源端子DC+流經(jīng)第一晶體管Q1并流入負(fù)載14中。一般，負(fù)載14是感應(yīng)負(fù)載，從而使得在第一切換模塊SM1導(dǎo)通時(shí)通過(guò)負(fù)載14的電流緩慢提高。

在第二時(shí)段T2期間，第一切換模塊SM1切換到阻斷模式。另外，第二切換模塊SM2保持阻斷模式。在這時(shí)段內(nèi)，由于與第一切換模塊SM1和第二切換模塊SM2中每個(gè)切換模塊相關(guān)聯(lián)的內(nèi)部電容，電流持續(xù)從輸出端子OUT流到負(fù)載14。特定地，通過(guò)負(fù)載14的約一半電流由切換模塊SM1和SM2中的每個(gè)切換模塊的內(nèi)部電容提供。因此，在輸出端子OUT處的電壓以給定速率轉(zhuǎn)換到接地，并且通過(guò)負(fù)載14的電流逐漸降低。

當(dāng)在第三時(shí)段T3中第二切換模塊SM2切換到導(dǎo)通模式時(shí)，輸出端子OUT耦接到負(fù)電源端子DC-，所述負(fù)電源端子DC-在一些實(shí)施例中可以接地。因此，電流流經(jīng)第二晶體管Q2并通過(guò)輸出端子OUT流入負(fù)載14中，使得電流變得越來(lái)越負(fù)。

在第四時(shí)段T4期間，第二切換模塊SM2切換到阻斷模式。另外，第一切換模塊SM1處于阻斷模式中。在這時(shí)段中，由于與第一切換模塊SM1和第二切換模塊SM2中每個(gè)切換模塊相關(guān)聯(lián)的內(nèi)部電容，負(fù)電流持續(xù)從輸出端子OUT流向負(fù)載。特定地，通過(guò)負(fù)載14的約一半電流由切換模塊SM1和SM2中的每個(gè)切換模塊的內(nèi)部電容提供。因此，在輸出端子OUT處的電壓從接地轉(zhuǎn)換到在正電源端子DC+處提供的正電源電壓，并且通過(guò)負(fù)載14的電流越來(lái)越正。最后，在第五時(shí)段T5期間，切換周期重新開(kāi)始，以使得第一切換模塊SM1處于導(dǎo)通模式，而第二切換模塊SM2處于阻斷模式。

圖3示出根據(jù)本公開(kāi)一個(gè)實(shí)施例的第一切換模塊SM1的細(xì)節(jié)。第二切換模塊SM2可以經(jīng)配置類(lèi)似于第一切換模塊SM2，但是為簡(jiǎn)便起見(jiàn)未示出。如圖3所示，第一切換模塊SM1的第一晶體管Q1和第一二極管D1可包括并聯(lián)耦接的多個(gè)晶體管Q1_1-6和多個(gè)反向并聯(lián)二極管D1_1-6。特定地，多個(gè)晶體管Q1_1-6中每個(gè)晶體管的漏極接觸D可以耦接在一起，晶體管Q1_1-6中每個(gè)晶體管的源極接觸S可以耦接在一起，并且晶體管Q1_1-6中每個(gè)晶體管的柵極接觸G可通過(guò)柵極電阻器R_G各自耦接在一起。晶體管Q1_1-6中每個(gè)晶體管包括耦接在源極接觸S和其漏極接觸D之間的反向并聯(lián)二極管Q1_1-6。盡管六個(gè)晶體管Q1_1-6示出與六個(gè)反向并聯(lián)二極管D1_1-6并聯(lián)耦接，但是在不背離本公開(kāi)的原則情況下，可以使用任何數(shù)目的晶體管和反向并聯(lián)的二極管。

包括多個(gè)并聯(lián)耦接的晶體管Q1_1-6和多個(gè)反向并聯(lián)二極管D1_1-6允許第一切換模塊SM1處理比其它方式可能的更大量的功率。例如，在一個(gè)實(shí)施例中，晶體管Q1_1-6中每個(gè)晶體管被額定為阻斷1.2kV并傳導(dǎo)50A，從而使得第一切換模塊SM1能夠傳導(dǎo)300A。在其它實(shí)施例中，晶體管Q1_1-6中每個(gè)晶體管可以被額定為阻斷1.2kV并傳到40A，從而使得第一切換模塊SM1能夠傳導(dǎo)240A。在又一實(shí)施例中，晶體管Q1_1-6中每個(gè)晶體管可以被額定為阻斷1.2kV并傳到20A，從而使得第一切換模塊SM1能夠傳導(dǎo)120A。

可以提供柵極電阻器R_G以在第一切換模塊SM1中抑制當(dāng)?shù)谝磺袚Q模塊SM1以相對(duì)高的轉(zhuǎn)變速度(例如，大于20V/ns)驅(qū)動(dòng)時(shí)可能發(fā)生的任何不期望的振蕩。柵極電阻器R_G的電阻可根據(jù)晶體管Q1_1-6中每個(gè)晶體管的額定電流以及因此第一切換模塊SM1的所有額定電流而改變。在其中第一切換模塊SM1具有120A的額定電流的實(shí)施例中，柵極電阻器R_G中每個(gè)電阻器具有約1Ω和15Ω之間的電阻。在其中第一切換模塊SM1具有240A的額定電流的另外實(shí)施例中，柵極電阻器R_G中每個(gè)電阻器具有約1Ω和15Ω之間的電阻。在其中第一切換模塊SM1具有300A的額定電流的又一實(shí)施例中，柵極電阻器中每個(gè)電阻器具有約15Ω和20Ω之間的電阻。

圖4示出根據(jù)本公開(kāi)一個(gè)實(shí)施例的功率模塊10的細(xì)節(jié)。如圖4所示，功率模塊10包括設(shè)置有保持一個(gè)或多個(gè)功率基板20的內(nèi)部腔室18的殼體16。特定地，殼體16的內(nèi)部腔室18保持第一功率基板(power substrate)20A、第二功率基板20B、第三功率基板20C以及第四功率基板20D。本領(lǐng)域技術(shù)人員將清楚，在不背離本公開(kāi)的原則的情況下，殼體16的內(nèi)部腔室18可容納任何數(shù)目的功率基板20。示出功率基板20中的每個(gè)功率基板包括表示第一切換模塊SM1和第二切換模塊SM2的主要部件的多個(gè)晶體管Q、多個(gè)二極管D以及多個(gè)電阻器R。在一個(gè)實(shí)施例中，第一切換模塊SM1由第一功率基板20A和第二功率基板20B提供，而第二切換模塊SM2分別由第三功率基板20C和第四功率基板20D提供。在功率基板20的每個(gè)功率基板上的部件之間的必要互相連接可以由在功率基板20的表面上的金屬跡線(xiàn)(未示出)提供。另外，可以提供焊線(xiàn)(未示出)以互相連接不同的功率基板20以及將功率基板20連接到一個(gè)或多個(gè)外部連接器(未示出)。功率基板20可以安裝到附著于殼體16的安裝結(jié)構(gòu)22上。在一個(gè)實(shí)施例中，安裝結(jié)構(gòu)22是平面散熱器，所述平面散熱器還起到散發(fā)由第一切換模塊SM1和第二切換模塊SM2產(chǎn)生的熱量的作用。

如以上所討論，多個(gè)晶體管Q和二極管D可以是多數(shù)載流子器件，從而降低與晶體管Q和二極管D中每個(gè)相關(guān)聯(lián)的切換時(shí)間和損耗。因此，功率模塊10比常規(guī)功率模塊，可在更高頻率下工作并遭受更小的切換損耗。另外，晶體管Q和二極管D可以是寬帶隙器件(wide band-gap device)，諸如SiC器件。如以上所討論，使用SiC用于晶體管Q和二極管D顯著地減少晶體管Q和二極管D的切換時(shí)間和切換損耗，從而增加功率模塊10的性能。

圖5示出根據(jù)本公開(kāi)一個(gè)實(shí)施例的示例性安裝結(jié)構(gòu)22和功率基板20的細(xì)節(jié)。如圖5所示，第一功率基板20A、第二功率基板20B、第三功率基板20C以及第四功率基板20D設(shè)置在安裝結(jié)構(gòu)22上。第一功率基板20A包括第一切換模塊SM1的六個(gè)晶體管中三個(gè)晶體管Q1_1-3、三個(gè)柵極電阻器R_G以及六個(gè)反向并聯(lián)二極管中三個(gè)反向并聯(lián)二極管D1_1-3。第二功率模塊包括第一切換模塊SM1的剩余晶體管Q1_4-6、柵極電阻器R_G以及反向并聯(lián)二極管D1_4-6。類(lèi)似地，第三功率模塊20C包括第二切換模塊SM2的六個(gè)晶體管中三個(gè)晶體管Q2_1-3、三個(gè)柵極電阻器R_G以及六個(gè)反向并聯(lián)二極管中三個(gè)反向并聯(lián)二極管D2_1-3。第四功率基板20D包括第二切換模塊SM2的剩余晶體管Q2_4-6、柵極電阻器R_G以及反向并聯(lián)二極管D2_4-6。較厚的黑線(xiàn)表示功率模塊10中各種部件之間和功率模塊10的各種部件和一個(gè)或多個(gè)輸出端24之間的焊線(xiàn)。功率模塊10的輸出端24包括如上所討論的第一柵極連接器G1、第二柵極連接器G2、第一源極返回連接器S1以及第二源極返回連接器S2。在功率基板20上的部件之間的其它連接有金屬跡線(xiàn)提供。顯著地，柵極總線(xiàn)26設(shè)置在功率基板20上，并在第二切換模塊SM2中的晶體管Q2_1-6的柵極接觸G和功率模塊的輸出端24之間行進(jìn)。特定地，柵極總線(xiàn)26在第二切換模塊SM2中的晶體管Q2_1-6的柵極接觸G和第二柵極連接器G2之間行進(jìn)，并且可另外提供從第二切換模塊SM2中的晶體管Q21-6的源極接觸S到第二源極返回連接器S2的低的功率路徑。柵極總線(xiàn)26是在功率基板20的每個(gè)功率基板上的金屬跡線(xiàn)，所述金屬跡線(xiàn)減少功率模塊10的干擾，并且增加第二切換模塊SM2中的晶體管Q2_1-6的柵極接觸和功率模塊10的輸出端24之間的連接可靠性，尤其是當(dāng)相比于在常規(guī)功率模塊中使用的“跨”柵極連接時(shí)。如所示，安裝結(jié)構(gòu)22可形成散熱器的所有部分或一部分，所述散熱器起到散發(fā)由第一切換模塊SM1和第二切換模塊SM2產(chǎn)生的熱量的作用。

在一個(gè)實(shí)施例中，柵極總線(xiàn)26可以由一個(gè)或多個(gè)同軸電纜替換以連接第二切換模塊中的晶體管Q2_1-6的柵極接觸G和功率模塊10的輸出端24。當(dāng)相比于其他解決方案時(shí)，使用同軸電纜以將輸出端連接到晶體管Q2_1-6的柵極接觸G可提供改進(jìn)的隔離，從而改進(jìn)功率模塊10的性能。另外，盡管針對(duì)切換模塊SM1和第二切換模塊SM2兩者的柵極接觸G的輸出端均設(shè)置在殼功率模塊10的殼體16的相同側(cè)上，但是在其它實(shí)施例中，它們可以設(shè)置在殼體16的相對(duì)側(cè)上。將第一切換模塊SM1和第二切換模塊SM2的柵極接觸G的輸出端24設(shè)置在殼體16的相對(duì)側(cè)上，可將較短的連接路線(xiàn)提供給第二切換模塊SM2的柵極接觸G中每個(gè)柵極接觸，從而減少干擾并改進(jìn)功率模塊10的耐用性。另外，將第一切換模塊SM1和第二切換模塊SM2的柵極接觸G的輸出端24設(shè)置在殼體16的相對(duì)側(cè)上，可減少在第二切換模塊SM2中晶體管Q2_1-6中每個(gè)晶體管的柵極電阻器R_G的所需電阻，因?yàn)闁艠O接觸G和輸出端24之間的較短連接路徑減少由晶體管Q2_1-6看到的振蕩量。

圖6示出根據(jù)本公開(kāi)一個(gè)實(shí)施例的殼體16、輸出端子OUT、正電源端子DC+以及負(fù)電源端子DC-的另外細(xì)節(jié)。如圖6所示，殼體16基本上是矩形的，包括用于將功率模塊10安裝到平臺(tái)的安裝孔M1-M4的切口。另外，示出正電源端子DC+、負(fù)電源端子DC-以及輸出端子OUT。如本領(lǐng)域技術(shù)人員將清楚，在正電源端子DC+和負(fù)電源端子DC-兩端的雜散電感尤其是在功率模塊10的高頻率工作下可導(dǎo)致功率模塊10的性能降低。因此，正電源端子DC+和負(fù)電源端子DC-彼此靠近地設(shè)置，大體上間隔開(kāi)小于1.5mm，以便減輕端子兩端的漏電感。另外，端子可以被制成寬的，大體上約33.5mm寬，以便最大化相對(duì)端子附近的面積。一般，正電源端子DC+和負(fù)電源端子DC-在彼此1.5mm間隔內(nèi)將具有約150mm²和200mm²之間的面積。在一個(gè)實(shí)施例中，正電源端子DC+和負(fù)電源端子DC-在彼此1.5mm間隔內(nèi)將具有約187.31mm²的面積。如本領(lǐng)域技術(shù)人員將清楚，通過(guò)將正電源端子DC+的相對(duì)較大面積置于緊密地靠近負(fù)電源端子DC-的較大面積產(chǎn)生的電容效應(yīng)減少端子之間的漏電感，從而改進(jìn)功率模塊10的性能。

圖7示出根據(jù)本公開(kāi)一個(gè)實(shí)施例的殼體16的另外細(xì)節(jié)。如圖7所示，殼體16包括功率基板20，并且提供用于正電源端子DC+、負(fù)電源端子DC-、輸出端子OUT以及相應(yīng)路徑的輸出端子，以將第一切換模塊SM1和第二切換模塊SM2連接到控制系統(tǒng)12。顯著地，殼體16和各種輸出端子是工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的，從而允許功率模塊10用作原有平臺(tái)的置入式解決方案。此外，爬電分隔器(creepage divider)28設(shè)置在正電源端子DC+、負(fù)電源端子DC-以及輸出端子OUT的每個(gè)之間，其增加了相應(yīng)端子之間的爬電距離約50％。因此，功率模塊10可以用于較高電壓應(yīng)用中，而不會(huì)由短路或其它損害的風(fēng)險(xiǎn)。

如圖7所示，一個(gè)或更多未用端子位置30可存在于殼體16中。未使用的端子位置30可以用于為功率模塊10的一個(gè)或多個(gè)部件提供開(kāi)爾文(Kelvin)連接，或者可以用于向在各種實(shí)施例中包括在功率模塊10中的NTC溫度傳感器模塊提供連接。

圖8示出根據(jù)本公開(kāi)一個(gè)實(shí)施例的功率模塊10的切口(cutaway)視圖。顯著地，另外的爬電分隔器32設(shè)置在正電源端子DC+和負(fù)電源端子DC-之間，其將相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)彼此分離，并因此保護(hù)免于在高壓下短路，而同時(shí)允許功率模塊10利用以上所討論的節(jié)點(diǎn)之間的漏電感的減少。

圖9示出根據(jù)本公開(kāi)一個(gè)實(shí)施例的第一功率基板20A的細(xì)節(jié)。第二功率基板20B、第三功率基板20C以及第四功率基板20D可以被配置為類(lèi)似于第一功率基板20A，但是為了簡(jiǎn)便起見(jiàn)未示出。如圖9所示，第一功率基板20A形成在底板(baseplate)34(其可以是銅)上。本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，存在用于底板34的許多不同的材料，所有這些材料均涵蓋在本文中。在一個(gè)實(shí)施例中，底板34為碳化鋁硅(AlSiC)，其可以是比銅重量更輕并提供與一個(gè)或多個(gè)所附部件更好的熱匹配。底板34可以共享在功率基板20中每個(gè)功率基板之間，以使得第一功率基板20A、第二功率基板20B、第三功率基板20C以及第四功率基板20D均形成在底板34上。直接粘合銅(DBC)基板36可以設(shè)置在底板34之上。DBC基板36可包括在底板34表面上的第一金屬層38、在第一金屬層38之上的絕緣層40以及在絕緣層40之上與第一金屬層38相對(duì)的第二金屬層42。第一金屬層38和第二金屬層42可以是例如銅。本領(lǐng)域技術(shù)人員將清楚，存在用于第一金屬層38和第二金屬層42的許多不同的合適材料，所有這些材料均涵蓋在本文中。絕緣層40可以是例如氮化鋁(AlN)。本領(lǐng)域技術(shù)人員將清楚，存在用于絕緣層40的許多不同合適的材料，例如氧化鋁(Al₂O₃)或氮化硅(Si₃N₄)，所有這些材料均涵蓋在本文中。

當(dāng)相比于常規(guī)氧化鋁或氮化硅(SiN)層時(shí)，使用AlN用于絕緣層40可提供高得多的熱導(dǎo)率。鑒于與SiC器件相關(guān)聯(lián)的相對(duì)低的電阻和AlN的低熱電阻，因此功率模塊10可比常規(guī)功率模塊處理更高的電流?？梢曰谀繕?biāo)隔離電壓選擇絕緣層40的厚度。由于通過(guò)使用SiC部件和AlN絕緣層40提供的優(yōu)點(diǎn)，功率模塊10能夠比相同尺寸的常規(guī)器件處理更大的功率，并且/或者可以比其常規(guī)對(duì)應(yīng)物減小到更小的尺寸。

本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到對(duì)本公開(kāi)優(yōu)選實(shí)施例的改進(jìn)和修改。所有此類(lèi)改進(jìn)和修改均被認(rèn)為在本文所公開(kāi)的概念的范圍內(nèi)和以下權(quán)利要求書(shū)內(nèi)。