一种对称封装结构的SiCMOSFET功率半桥模块

一种对称封装结构的sic mosfet功率半桥模块
技术领域
1.本发明涉及半导体器件领域，特别是涉及功率器件封装布局结构。


背景技术：

2.近年来，以sic为代表的宽禁带半导体功率器件在大功率电能变换领域获得了广泛的应用。由于分立器件载流能力有限，故采用sic裸片并联封装的功率模块以提高大功率电能变换装备的功率密度。然而，功率模块的寄生参数对各sic裸片间的动态与静态电流均衡有重要影响。不均衡的寄生参数，将导致严重的电流不平衡问题，进而影响功率模块的可靠性。
3.针对并联器件电流分布不均的问题，目前大多采用局部优化布局的方法。但是，这些已有方法并不能完全解决寄生电感分布不对称带来的动静态电流分布不均问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种对称布局的sic mosfet功率模块封装结构，通过优化寄生参数分布，提高了多裸片并联模块的电流一致性。
5.本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
6.一种对称封装结构的sic mosfet功率半桥模块，由若干个相互并联的上桥臂和若干个相互并联的下桥臂组成，所述上桥臂和下桥臂的数量相同，上桥臂和下桥臂两两相互对称的布置在直接覆铜板的四周，所述直接覆铜板为圆形结构，每个上桥臂的漏极与dc+端子连接，每个上桥臂的功率源极和正对的下桥臂的漏极通过直接覆铜板相连后在直接覆铜板上引出ac端子；每个下桥臂的功率源极与dc-端子连接；所述直接覆铜板上扣接有与dc+端子和dc-端子形状契合的母排，dc+端子和dc-端子通过所述母排引出。
7.进一步的，每个上桥臂和下桥臂对应的驱动回路采用开尔文源极封装结构，实现功率回路和驱动回路的解耦。
8.与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
9.1.本发明通过改善直接覆铜板(dbc)的布局结构，弱化了传统布局功率模块的控制中寄生参数分布不均和电流分布不均的现象，使得新型封装结构sic mosfet功率半桥模块能在高频工作环境中不同sic mosfet裸片可靠性一致，能够保障大功率系统长期稳定工作。因此，该对称布局的功率模块相比传统布局功率模块寄生参数更加减小，电流分布更加均衡。
10.2.在本发明的功率半桥模块中，由于圆形对称布局结构，各sic裸片及相关电路具有相同的寄生参数，保证了开关过程中的动态和静态电流的一致性，进而提高了功率模块的可靠性。相比于传统封装结构，对称性的裸片布局具有较小的寄生参数，有利于降低开关过程中的电气应力和开关损耗，从而延长功率模块的寿命。
11.3.本发明的功率半桥模块了开尔文源极封装结构，在提高开通关断速度的同时，降低了开关损耗，这样可以减少系统整体的损耗大小，从而减小能量的消耗。
12.4.本发明的对称式功率模块统一了dbc结构，降低了开模成本，制作工艺简单，具有广泛的应用前景。
附图说明
13.图1a和图1b分别是本发明实施例中半桥功率模块平面结构和电路结构示意图。
14.图2是本发明实施例中半桥功率模块立体示意图。
15.图3是本发明实施例中半桥功率模块工作电流分布图。
具体实施方式
16.以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
17.本发明是一种优化后的新型封装结构sic mosfet功率半桥模块，和传统封装的功率模块相比，实现了sic mosfet裸片之间的均流，提升了器件的可靠性。
18.本实施例封装结构的半桥sic mosfet功率模块平面结构图以及电路结构如附图1a和图1b所示，由上桥臂q
h1
、q
h2
、q
h3
和下桥臂q
l1
、q
l2
、q
l3
两两相互对称的布置在直接覆铜板的四周构成，直接覆铜板(dbc)为圆形结构，其中上桥臂q
h1
、q
h2
、q
h3
由三个sic mosfet裸片并联构成，下桥臂q
l1
、q
l2
、q
l3
由三个sic mosfet裸片并联构成，每个上桥臂sic mosfet裸片的漏极与dc+端子连接，每个上桥臂sic mosfet裸片的功率源极和正对面的下桥臂sic mosfet裸片的漏极相连，之后每个连接点在直接覆铜板上引出ac端子，每个下桥臂sic mosfet裸片的漏极为半桥模块与dc-端子连接，直接覆铜板上扣接有与dc+端子和dc-端子形状契合的母排，dc+端子和dc-端子通过母排引出，见图2，用于连接到功率变换器中。
19.本实施例中每个sic mosfet裸片的驱动回路采用开尔文源极封装结构，实现了功率回路和驱动回路的解耦，增加了开关速度，减少了开关损耗。dbc布局经过改良以后，采用圆形完全对称结构，实现了寄生电感和寄生电阻的完全对称性，在运行过程中实现了电流均流。
20.具体的，该新型封装结构sic mosfet功率半桥模块可以分解为以下几个模块详细分析。
21.1、sic mosfet裸片
22.sic mosfet裸片在功率模块中起到核心作用，作为压控型器件，当附图1a和图1b中的g
l
和k
l
之间的电压达到阈值电压时，sic mosfet裸片可以进行开通关断实现变换器电路的开通关断。sic mosfet裸片通过焊片连接到其下方的直接覆铜板(dbc)上，通过键合线连接到周围的直接覆铜板(dbc)上。多个sic mosfet裸片进行并联可以实现在电压一定的情况下经过更多的电流，承受更大的电流应力。
23.2、直接覆铜板(dbc)
24.dbc基板在功率模块中，主要是作为sic裸片的承载体，dbc基板通过表面覆铜层完成裸片部分连接极或者连接面的连接，dbc基板具有绝缘性能好、散热性能好、热阻系数低、膨胀系数匹配、机械性能优、焊接性能佳的显著特点。使用dbc基板作为裸片的承载体，可有效的将裸片与模块散热底板隔离开。本发明主要就是改变了dbc的布局结构，采用圆形的物理对称结构，使dbc的寄生参数(包括寄生电感和寄生电阻等)对称，每个支路的阻抗一样，
根据欧姆定律可得，工作电压一定时。如附图3中所示，在dc+设置激励source，在dc-设置sink，得到的电流分布可得：流过每个sic mosfet裸片的电流大小是一样的，电流不均衡度为0。
25.综上，本实施例封装结构的功率模块主要用于大功率电能变换器。具体表现为：功率模块内部拓扑结构为半桥结构。将该功率模块接入大功率变换器(如llc变换器)中，进行整流或者逆变。本发明的功率模块主要改良了现有的dbc(直接覆铜板)布局结构，本发明采用对称的dbc布局，将上下桥臂的sic mosfet裸片均匀的分布在dbc上，接入变换器之后，每个支路的阻抗回路大小相等，降低了不同裸片工作时电流不均衡的情况。
26.具体的，具体实施过程中，基于双脉冲测试实验硬件平台，实现了不同sic mosfet裸片电流分布的改善，通过改善直接覆铜板dbc布局结构，弱化了传统布局功率模块的控制中寄生参数分布不均和电流分布不均的现象，使得新型封装结构sic mosfet功率半桥模块能在高频工作环境中不同sic mosfet裸片可靠性一致。
27.其中，双脉冲测试实验硬件平台是电力电子行业内，用于测试sic mosfet模块开关行为的通用电路，通过这个实验可以看出模块在设置的电压电流环境下的开关行为特征。
28.本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。