本發(fā)明涉及半導體,更具體地,涉及一種功率模塊及其封裝方法。
背景技術(shù):
1、功率模塊是一種新型的大功率電力電子器件,具有高電流密度、低飽和電壓和耐高壓等優(yōu)點,目前廣泛應(yīng)用在生產(chǎn)和生活等各種領(lǐng)域。
2、功率模塊作為電力電子系統(tǒng)中實現(xiàn)電能變換控制的功率半導體器件。與兩電平功率模塊相比,采用t型中點鉗位三電平電路(“t”type?neutral?point?clamped,tnpc)的功率模塊能夠提供更高的電壓和電流質(zhì)量,但存在回路路徑長的缺點,對應(yīng)的回路電感也比傳統(tǒng)的兩電平電路大很多,導致功率單元間動、靜態(tài)電流分配的不均衡,從而影響三電平功率模塊的電氣性能。
技術(shù)實現(xiàn)思路
1、鑒于上述問題,本發(fā)明的目的在于提供一種功率模塊及其封裝方法,以改善功率模塊內(nèi)的電流分配,減小各種換流回路的雜散電感,提升功率模塊的電氣性能。
2、本發(fā)明提供一種功率模塊,包括,絕緣基板,所述絕緣基板包括位于所述絕緣基板的正面上的導電結(jié)構(gòu),所述導電結(jié)構(gòu)包括相互獨立從下之上依次排列的第四導電結(jié)構(gòu)、第一導電結(jié)構(gòu)、第二導電結(jié)構(gòu)和第三導電結(jié)構(gòu)和;第四功率單元組、第一功率單元組、第三功率單元組、第二功率單元組,所述第四功率單元組位于所述第四導電結(jié)構(gòu)上、所述第一功率單元組位于所述第一導電結(jié)構(gòu)上、所述第三功率單元組位于所述第三導電結(jié)構(gòu)上、所述第二功率單元組位于所述第二導電結(jié)構(gòu)上;其中,所述第一至第四功率單元組中至少一個功率單元組的若干功率單元左右對稱分布的若干功率單元左右對稱分布。
3、可選地,所述功率模塊,還包括:交流輸出端、直流輸入正端、零電位輸入端和直流輸入負端;所述第一功率單元組電連接所述交流輸出端和所述直流輸入正端,所述第二功率單元組和所述第三功率單元組依次連接,所述第二功率單元組電連接所述零電位輸入端,所述第三功率單元組電連接所述交流輸出端;所述第四功率單元組電連接所述交流輸出端和所述直流輸入負端,從而形成t型中點鉗位三電平電路。
4、可選地,所述第四功率單元組包括若干第四功率單元、所述第一功率單元組包括若干第一功率單元、所述第三功率單元組包括若干第三功率單元、所述第二功率單元組包括若干第二功率單元;所述第四功率單元至少為兩個,所述第四功率單元的若干功率單元左右對稱分布的若干功率單元左右對稱分布且所述第一功率單元至少為兩個,所述第一功率單元的若干功率單元左右對稱分布的若干功率單元左右對稱分布;或者,所述第三功率單元至少為兩個,所述第三功率單元的若干功率單元左右對稱分布的若干功率單元左右對稱分布且所述第二功率單元至少為兩個,所述第二功率單元的若干功率單元左右對稱分布的若干功率單元左右對稱分布。
5、可選地,所述第四功率單元、第一功率單元、第三功率單元和第二功率單元的數(shù)量相等,所述第四功率單元的若干功率單元左右對稱分布,所述第一功率單元的若干功率單元左右對稱分布,所述第三功率單元的若干功率單元左右對稱分布,所述第二功率單元的若干功率單元左右對稱分布。
6、可選地,所述第四功率單元和第一功率單元的數(shù)量相等,所述第三功率單元和第二功率單元的數(shù)量相等,所述第四功率單元的數(shù)量小于所述第三功率單元的數(shù)量,所述第四功率單元的若干功率單元左右對稱分布,所述第一功率單元的若干功率單元左右對稱分布,所述第三功率單元的若干功率單元左右對稱分布,所述第二功率單元的若干功率單元左右對稱分布。
7、可選地,所述第四功率單元和第一功率單元的數(shù)量相等,所述第三功率單元和第二功率單元的數(shù)量相等,所述第四功率單元的數(shù)量大于所述第三功率單元的數(shù)量,所述第四功率單元的若干功率單元左右對稱分布,所述第一功率單元的若干功率單元左右對稱分布,所述第三功率單元的若干功率單元左右對稱分布,所述第二功率單元的若干功率單元左右對稱分布。
8、可選地,所述交流輸出端位于所述功率模塊的上側(cè);所述零電位輸入端、直流輸入負端和直流輸入正端位于所述功率模塊的下側(cè)。
9、可選地,所述第一功率單元的第三端與所述直流輸入正端電連接,所述第一功率單元的第二端與所述交流輸出端電連接;所述第二功率單元的第三端與所述零電位電相連,所述第二功率單元的第二端與所述第三功率單元的第二端電相連,所述第三功率單元的第三端與所述交流輸出端電連接,所述第四功率單元的第三端與所述交流輸出端電連接,所述第四功率單元的第二端與所述直流輸入負端電連接,所述第一功率單元的第一端接收第一控制信號、所述第二功率單元的第一端接收第二控制信號、所述第三功率單元的第一端接收第三控制信號,所述第四功率單元的第一端接收第四控制信號。
10、可選地,所述導電結(jié)構(gòu)還包括:第五導電結(jié)構(gòu)、第六導電結(jié)構(gòu),所述第五導電結(jié)構(gòu)、第六導電結(jié)構(gòu)分別位于在所述絕緣基板的左右兩側(cè);所述第一導電結(jié)構(gòu)、第二導電結(jié)構(gòu)、第三導電結(jié)構(gòu)、第四導電結(jié)構(gòu)位于所述第五導電結(jié)構(gòu)和第六導電結(jié)構(gòu)之間;第七導電結(jié)構(gòu),所述第七導電結(jié)構(gòu)位于所述第四導電結(jié)構(gòu)的下方;所述第一導電結(jié)構(gòu)至第七導電結(jié)構(gòu)相互獨立。
11、可選地,其特征在于:所述第三導電結(jié)構(gòu)位于所述絕緣基板的上部分;所述第一導電結(jié)構(gòu)位于所述絕緣基板的下部分;所述第一導電結(jié)構(gòu)半包圍所述第四導電結(jié)構(gòu)和所述第七導電結(jié)構(gòu),所述第一導電結(jié)構(gòu)引出至絕緣基板的下側(cè)并分別形成所述第一導電結(jié)構(gòu)的第一端和所述第一導電結(jié)構(gòu)的第二端,所述第一導電結(jié)構(gòu)的第一端和所述第一導電結(jié)構(gòu)的第二端對稱設(shè)置在所述絕緣基板的下側(cè),所述第一導電結(jié)構(gòu)的第一端和所述第一導電結(jié)構(gòu)的第二端之間形成第一導電結(jié)構(gòu)的開口,所述第一導電結(jié)構(gòu)的開口朝向所述絕緣基板的下側(cè),所述第一導電結(jié)構(gòu)的第一端作為直流輸入正端第一連接端,所述第一導電結(jié)構(gòu)的第二端作為直流輸入正端第二連接端,所述第一導電結(jié)構(gòu)的第一端和所述第一導電結(jié)構(gòu)的第二端電連接所述直流輸入正端;所述第七導電結(jié)構(gòu)位于所述第一導電結(jié)構(gòu)的開口處,所述第七導電結(jié)構(gòu)引出至絕緣基板的下側(cè)并形成第七導電結(jié)構(gòu)的第一端,所述第七導電結(jié)構(gòu)電連接所述直流輸入負端;所述第三導電結(jié)構(gòu)包圍所述第二導電結(jié)構(gòu);所述第三導電結(jié)構(gòu)電連接所述交流輸出端;所述第二導電結(jié)構(gòu)電連接所述第五導電結(jié)構(gòu)和第六導電結(jié)構(gòu),所述第五導電結(jié)構(gòu)的第一端引出至絕緣基板的下側(cè),所述第五導電結(jié)構(gòu)的第一端作為直流輸入負端的第一連接端,所述第六導電結(jié)構(gòu)的第一端引出至絕緣基板的下側(cè),所述第六導電結(jié)構(gòu)的第一端作為直流輸入負端的第二連接端,所述第五導電結(jié)構(gòu)的第一端和所述第六導電結(jié)構(gòu)的第一端電連接所述零電位輸入端;所述第五導電結(jié)構(gòu)的第一端、所述第一導電結(jié)構(gòu)的第一端、第七導電結(jié)構(gòu)的第一端、所述第二導電結(jié)構(gòu)的第一端和所述第六導電結(jié)構(gòu)的第一端依次排列在所述絕緣基板的下側(cè)。
12、可選地,所述第一功率單元的第三端經(jīng)所述第一導電結(jié)構(gòu)與所述直流輸入正端電連接,所述第一功率單元的第二端經(jīng)第三導電結(jié)構(gòu)與所述交流輸出端電連接;所述第二功率單元的第三端經(jīng)所述第五導電結(jié)構(gòu)和第六導電結(jié)構(gòu)與所述零電位電連接,所述第二功率單元的第二端與所述第三功率單元的第二端電連接,所述第三功率單元的第三端經(jīng)第三導電結(jié)構(gòu)與所述交流輸出端電連接,所述第四功率單元的漏極經(jīng)第四導電結(jié)構(gòu)、第三導電結(jié)構(gòu)與所述交流輸出端電連接,所述第四功率單元的第二端經(jīng)第七導電結(jié)構(gòu)與所述直流輸入負端電連接,所述第一功率單元的第一端接收第一控制信號、所述第二功率單元的第一端接收第二控制信號、所述第三功率單元的第一端接收第三控制信號,所述第四功率單元的第一端接收第四控制信號。
13、可選地,所述功率模塊還包括信號端,所述信號端包括:所述第一功率單元的第一端引出端,所述第1功率單元第二端引出端,所述第一功率單元的第三端引出端;所述第二功率單元的第一端引出端,所述第二功率單元第二端引出端;所述第三功率單元的第一端引出端,所述第三功率單元的第二端引出端,所述第三功率單元的第三端引出端;所述第四功率單元的第一端引出端,所述第四功率單元的第二端引出端,所述第四功率單元的第三端引出端。
14、可選地,第一換流回路的電流流經(jīng)所述功率模塊經(jīng)直流輸入正端、所述第一功率單元、所述第四功率單元、所述直流輸入負端。
15、可選地,其特征在于所述第一換流回路中在所述功率模塊上的電流路徑左右對稱形成兩個并聯(lián)的第一換流回路。
16、可選地,第二換流回路的電流流經(jīng)所述功率模塊經(jīng)所述直流輸入正端、所述第一功率單元、所述第三功率單元、所述第二功率單元、所述零電位輸入端。
17、可選地,其特征在于所述第二換流回路中在所述功率模塊上的電流路徑左右對稱形成兩個并聯(lián)的第二換流回路。
18、可選地,第三換流回路的電流流經(jīng)所述功率模塊經(jīng)所述零電位輸入端、所述第二功率單元、所述第三功率單元、所述第四功率單元、所述直流輸入負端。
19、可選地,其特征在于所述第三換流回路中在所述功率模塊上的電流路徑左右對稱形成兩個并聯(lián)的第三換流回路。
20、可選地,還包括:外殼,所述絕緣基板、所述導電結(jié)構(gòu)、若干功率單元組位于所述外殼的一側(cè)。
21、可選地,還包括:蓋板,所述蓋板位于所述外殼的一側(cè),所述外殼和蓋板包覆所述絕緣基板、所述導電結(jié)構(gòu)、若干功率單元。
22、可選地,還包括:散熱基板,所述散熱基板位于所述外殼的另一側(cè),所述絕緣基板的背面與所述散熱基板相連。
23、可選地,所述絕緣基板的背面通過焊接或燒結(jié)中的任意一種方式與所述散熱基板相連。
24、可選地,所述絕緣基板為dbc覆銅基板。
25、可選地,所述功率模塊還包括信號端,所述信號端垂直于所述絕緣基板,所述信號端至少部分頂端從所述蓋板中穿出。
26、可選地,所述絕緣基板上還設(shè)置有熱敏電阻,所述熱敏電阻的兩端引出所述功率模塊的外殼。
27、可選地,所述第四功率單元數(shù)量大于等于六個,第一功率單元數(shù)量大于等于六個,所述第三功率單元數(shù)量大于等于6個,所述第二功率單數(shù)量元大于等于6個。
28、可選地,所述直流輸入正端、零電位輸入端和直流輸入負端位于所述功率模塊下側(cè)且所述直流輸入正端、零電位輸入端和直流輸入負端位于不同平面。
29、可選地,其特征在于:所述第一至第四功率單元為金屬氧化物半導體場效應(yīng)管功率管、碳化硅金屬氧化物半導體場效應(yīng)管、絕緣柵型場效應(yīng)管與并聯(lián)續(xù)流二極管的并聯(lián)結(jié)構(gòu),或者rc-igbt中的一種;當所述功率單元為金屬氧化物半導體場效應(yīng)管或者碳化硅金屬氧化物半導體場效應(yīng)管時,所述功率單元的第一端為柵極,所述第一功率單元的第二端為源極,所述第一功率單元的第三端為漏極;當所述功率單元為絕緣柵型場效應(yīng)管與并聯(lián)續(xù)流二極管的并聯(lián)結(jié)構(gòu),或者所述功率單元為rc-igbt時,所述功率單元的第一端為基極,所述功率單元的第二端為集電極,所述功率單元的第三端為發(fā)射級;所述絕緣柵型場效應(yīng)管與并聯(lián)續(xù)流二極管的并聯(lián)結(jié)構(gòu)為所述絕緣柵型場效應(yīng)管的集電極連接所述二極管的陽極,所述絕緣柵型場效應(yīng)管的發(fā)射極連接所述二極管的陰極。
30、根據(jù)本發(fā)明提供的功率模塊,其將t型中點鉗位三電平電路中的全部功率單元封裝在同一封裝結(jié)構(gòu)中,同一功率單元組的功率單元之間相互并聯(lián),且同一功率單元組的若干功率單元的若干功率單元左右對稱分布在功率模塊中。本發(fā)明顯著地縮小了功率模塊的體積,使功率模塊封裝更加緊湊,降低了成本。同時,該功率模塊的封裝可以保證三電平電路拓撲中的各種換流回路的雜散電感相近且小。該功率模塊中同一功率單元組的功率單元在功率單元放置區(qū)對稱分布,其連接端采用雙端結(jié)構(gòu)。特別的,每個功率單元放置區(qū)有左右對稱的一對回流路徑,用于形成兩個并聯(lián)的換流回路,可顯著降低換流回路的整體雜散電感,有助于減小回路換流面積,可顯著提高功率模塊中功率單元的電流均衡度,優(yōu)化電氣性能。