[發明專利]高速、高效SiC功率模塊

在審

• 申請號: 202011027498.2
• 申請日: 2016-03-11
• 公開（公告）號: CN112103272A
• 公開（公告）日: 2020-12-18
• 發明（設計）人: 姆里納爾·K·達斯;亞當·巴克利;亨利·林;馬塞洛·舒普巴赫
• 申請（專利權）人: 克利公司
• 主分類號: H01L25/07
• 分類號: H01L25/07;H01L23/373;H01L23/495;H01L23/498;H02M1/08;H02M1/44;H02M3/155;H02M7/00;H05K3/30
• 代理公司: 北京康信知識產權代理有限責任公司 11240
• 代理人: 王紅艷

本申請涉及高速、高效SiC功率模塊。一種功率轉換器模塊，包括活性金屬釬焊(AMB)襯底、功率轉換器電路以及外殼。AMB襯底包括氮化鋁基層、氮化鋁基層的第一表面上的第一導電層以及氮化鋁基層的與第一表面相對的第二表面上的第二導電層。功率轉換器電路包括經由第一導電層彼此耦接的多個碳化硅開關部件。外殼設置在功率轉換器電路和AMB襯底之上。通過使用具有氮化鋁基層的AMB襯底，可在保持功率轉換器模塊的結構完整性的同時，顯著改善功率轉換器模塊的散熱性。

本申請是申請日為2016年3月11日、國際申請號為PCT/US2016/022031、發明名稱為“高速、高效SiC功率模塊”的PCT申請的中國國家階段申請的分案申請，該中國國家階段申請進入中國國家階段的進入日為2017年10月31日、申請號為201680025081.8，其全部內容結合于此作為參考。

技術領域

本公開涉及功率轉換器模塊，具體涉及利用碳化硅(SiC)部件的高頻功率轉換器模塊。

背景技術

功率轉換器模塊(在此涉及的功率轉換器模塊還可包括電力逆變器模塊)為可在功率轉換器系統內執行各種功能的獨立器件。例如，功率轉換器模塊可包括升壓轉換器、降壓轉換器、半橋轉換器和全橋轉換器。常規的功率轉換器模塊通常包括利用硅(Si)開關部件的功率轉換器電路。雖然有效，但是在許多應用中，使用具有硅(Si)開關部件的功率轉換器電路通常限制功率轉換器電路能夠運轉的開關頻率。功率轉換器電路內的部件的開關頻率越低，功率轉換器系統內使用的如電感器和電容器的濾波部件需要越大。這樣，與利用硅(Si)開關部件的功率轉換器電路一起使用的濾波部件必須相當大，從而抬高功率轉換器系統的成本。進一步地，高開關頻率下，硅(Si)開關部件常常與較低效率和低功率密度相關。

發明內容

本公開涉及功率轉換器模塊，具體涉及利用碳化硅(SiC)部件的高頻功率轉換器模塊。在一個實施方式中，功率轉換器模塊包括活性金屬釬焊(AMB)襯底、功率轉換器電路以及外殼。AMB襯底包括氮化鋁基層、氮化鋁基層的第一表面上的第一導電層以及氮化鋁基層的與第一表面相對的第二表面上的第二導電層。功率轉換器電路包括經由第一導電層耦接到彼此的多個碳化硅開關部件。外殼設置在功率轉換器電路和AMB襯底之上(over)。通過使用具有氮化鋁基層的AMB襯底，在維持功率轉換器模塊的結構完整性的同時，可大大改進功率轉換器模塊的散熱性。

在一個實施方式中，第一導電層直接在氮化鋁基層的第一表面上，并且第二導電層直接在氮化鋁基層的第二表面上。

在一個實施方式中，蝕刻第一導電層，以在碳化硅開關部件之間形成期望的連接圖案。碳化硅開關部件可經由一個或多個焊線耦接到第一導電層，使得功率切換路徑具有大約50mm的最大長度，并且柵極控制路徑具有大約20mm的最大長度。通過最小化功率切換路徑長度和柵極控制路徑長度，功率轉換器模塊的雜散電感降低。

在一個實施方式中，功率轉換器電路為被配置為接收直流(DC)輸入電壓且提供提升的DC輸出電壓的升壓轉換器。功率轉換器電路可包括與碳化硅肖特基二極管串聯耦接的碳化硅金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)。進一步地，功率轉換器電路可被配置為提供大于650V的輸出電壓、提供大于900W的輸出功率，并且以大于40kHz的開關頻率操作。功率轉換器電路具有的開關損耗可介于5mJ/A和100mJ/A之間。絕緣基層可具有30W/m-K的最小熱導率，以在功率轉換器電路和第二導電層之間提供低熱阻。

在一個實施方式中，功率轉換器電路為降壓轉換器、半橋轉換器、全橋轉換器、單相逆變器、三相逆變器和如中點箝位(NPC)和晶體管式中點箝位(TNPC)的多級拓撲中的一個。