[發明專利]一種三電平電路碳化硅功率模塊

在審

• 申請號: 202011578636.6
• 申請日: 2020-12-28
• 公開（公告）號: CN112701111A
• 公開（公告）日: 2021-04-23
• 發明（設計）人: 陳材;王志偉;郭心悅;黃志召;劉新民;康勇
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: H01L25/07
• 分類號: H01L25/07;H01L23/535;H05K7/06
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 李智

本發明公開了一種三電平電路碳化硅功率模塊，屬于電力電子技術領域。該功率模塊包括：底層直接覆銅陶瓷DBC基板；焊接在底層DBC基板上的碳化硅功率芯片、驅動電阻、功率端子、驅動端子，碳化硅功率芯片和驅動電阻構成三電平全橋電路；碳化硅功率芯片之間通過金屬鍵合線連接；底層直接覆銅陶瓷DBC基板焊接在底板上。本發明提供的功率模塊通過合理的DBC銅層布局，對換流回路進行優化，實現并聯芯片回路的均衡，并且大大降低了回路的寄生電感，減小了模塊的體積，提高了模塊的功率密度。

技術領域

本發明屬于電力電子技術領域，更具體地，涉及一種三電平電路碳化硅功率模塊。

背景技術

電力電子技術在航空航天、軌道交通、電動汽車以及電力系統等多個領域應用廣泛。隨著大功率電力電子裝置的發展，PWM變換器由兩電平變換器向多電平變換器方向發展，其中尤其以三電平變換器為主。

為了使電力電子裝置的結構更為緊湊、體積減小，常常把多個電力電子器件及必要的輔助元件做成模塊的形式。目前，市面上已經出現的商用三電平功率模塊使用功率器件仍以硅器件為主，無法有效提高模塊的功率密度。使用碳化硅等新型寬禁帶半導體功率器件可以很好地提高模塊的工作頻率、降低模塊損耗，提高模塊的功率密度。

然而碳化硅器件的高頻操作使得開關器件承受更大的電壓應力和電流應力，使其對回路的寄生參數反應更為敏感。此外，三電平電路長短換流回路長度的不同，會導致不同開關管上承受的電壓、電流應力及熱損耗分布不均。

基于以上情況，目前急需一種能夠實現低寄生電感、開關管均流、高功率密度的三電平碳化硅功率模塊。

發明內容

針對現有技術的缺陷，本發明的目的在于提供一種三電平電路碳化硅功率模塊，旨在解決現有三電平功率模塊存在的寄生電感、開關管不均流、功率密度不高的問題。

為實現上述目的，本發明提供了一種三電平電路碳化硅功率模塊，包括：底層直接覆銅陶瓷DBC基板、焊接在底層DBC基板上的碳化硅功率芯片、驅動電阻、功率端子、驅動端子以及封裝外殼，碳化硅功率芯片和驅動電阻構成三電平全橋電路，包括第一三電平有源中點鉗位ANPC型半橋功率電路、第二三電平ANPC型半橋功率電路；碳化硅功率芯片之間通過金屬鍵合線連接；底層直接覆銅陶瓷DBC基板焊接在底板上。

進一步地，DBC基板包括：

導熱層，用來將所述碳化硅功率芯片的熱量導出所述功率模塊；

絕緣層和電路層，絕緣層位于導熱層和電路層之間，電路層通過焊接方式與碳化硅功率芯片的相應端口連接。

進一步地，DBC基板電路層包括第一芯片區、第二芯片區、第三芯片區、第四芯片區、第五芯片區、第一柵極控制區、第二柵極控制區、第三柵極控制區、第四柵極控制區、第五柵極控制區、第六柵極控制區、負極功率端子區；所述第一芯片區、第二芯片區、第三芯片區、第四芯片區依次排布組成矩形區域，所述第五芯片區位于矩形區域中央，所述第一柵極控制區、第二柵極控制區、第三柵極控制區、第四柵極控制區、第五柵極控制區、第六柵極控制區依次呈犬牙交錯排列在第一芯片區至第五芯片區周圍，所述負極功率端子區位于矩形區域的邊緣。其中，通過不同連接區之間的合理布局設計，使回路長度減小，從而降低換流回路寄生電感，提高模塊的可靠性三電平ANPC型電路可以工作在更高電壓等級、更高開關頻率下，輸出電壓電流畸變率更小，可以有效提高模塊輸出電能質量，并且提高模塊的功率密度。

進一步地，DBC基板電路層各連接區(第一芯片區、第二芯片區、第三芯片區、第四芯片區、第五芯片區、第一柵極控制區、第二柵極控制區、第三柵極控制區、第四柵極控制區、第五柵極控制區、第六柵極控制區、負極功率端子區)呈犬牙交錯排列，在保證絕緣安全的前提下，有利于各個連接區盡量緊密放置，充分利用了空間，避免了模塊體積增加。