功率单元、功率模块

本公开涉及电力电子，特别是涉及功率单元、功率模块。

背景技术：

1、在工业、交通、电网、国防等领域中存在大量的中高压电力变换应用场景，其电力变换系统对高耐压电力电子器件或者功率模块有着强劲的需求。对于单极性电力电子器件而言，器件的比导通电阻与耐压的2.3-2.5次幂呈正比，耐压越高，器件的比导通电阻越高，器件工作时的损耗越大。某种程度上，可以简单的认为器件的耐压增加5倍(比如1200v增加到6000v)，器件的损耗将升高为原来的25倍以上。

2、对于传统的硅基器件而言，大幅提升器件的电压等级只能依靠双极型的器件结构设计，但是双极型器件的开关损耗较高，使得高耐压双极性器件的应用收到限制。为了实现低损耗的高压大功率输出，新型宽禁带半导体电力电子器件的研究和开发成为必然趋势。碳化硅(silicon carbide，sic)器件是第三代半导体器件的典型代表，具有开关速度快、损耗低的特点，在电力系统中存在广阔的应用前景。当前，1.2kv及其以下耐压等级碳化硅电力电子芯片已完全大规模商业化，其价格也比较合理，但是由于碳化硅材料和芯片工艺技术的制约，低成本的可靠的高耐压碳化硅器件仍旧遥遥无期。因此，采用串联低损耗的碳化硅器件实现高耐压的功率模块方案成为了中高压电力变换降低损耗、降低成本、提升系统输出功率的最佳选择。

3、采用低压器件搭建高压功率变换系统有两种可能的解决方案，分别是多电平转换器方案(multilevel converter scheme)和电力电子器件串联方案(power devicesseries scheme)。级联h桥多电平变换器(cascaded h-bridge multilevel converter，chb)和模块化多电平变换器(modular multilevel converter，mmc)具有模块化结构、高效率和高可靠性的特点，已被应用于众多中高功率应用场合里。然而，多电平转换器方案通常不得不使用大尺寸的无源元件，例如，chb需要配备较大体积的移相变压器，而mmc中电容器占其子模块尺寸的70％左右。这些缺点阻碍了多电平转换器在一些对重量和体积要求严格的应用场合的使用，例如电气化运输和数据中心等。

4、电力电子器件串联是将低压功率器件应用于中高压应用场合的另外一种较为直接的方式。电力电子器件的串联方案提高了功率变换系统的耐压等级，增加了功率变换系统的输出功率，其相对于多电平技术方案的优点在于串联后的功率变换系统体积小、无源元件数量少、电路拓扑简单。但是由于电力电子器件的电性能参数或者外部电路条件存在差异，比如：结电容、栅极的阈值电压、栅极驱动信号延时、施加在栅极的瞬时驱动电压等，结果导致串联电力电子器件的电压极容易出现不均衡，功率变换系统的电气可靠性不高的问题。因此，实现串联器件的电压均衡(voltage balance)成为采用低耐压电力电子器件的功率变换系统进一步提升电压和电流等级的技术关键。

5、目前关于有源箝位的研究都是基于分立器件或者标准化的行业模块来开展的。基于分立器件的串联方案存在系统功率密度低、难以大电流运行的劣势，无法满足中高压应用的大功率需求；基于标准化的商业模块的串联方案虽然解决了中高压应用的大功率需求，但是，商业模块功率回路电路拓扑结构与采用有源箝位控制策略的功率变换系统整体架构的不匹配也使得基于商业模块的有源箝位串联方案存在诸多局限，比如功率变换系统电压电流等级扩展不方便、功率变换系统内部功率回路线路较长导致了较大的寄生电感、功率模块主电路拓扑不合理、功率模块及其功率变换系统的功率密度不高或者动态响应较慢等。

技术实现思路

1、基于此，有必要针对上述至少一个问题，提供一种基于有源箝位电路拓扑结构的功率单元及一种基于有源箝位电路拓扑结构的功率模块。

2、本公开实施方式提供一种基于有源箝位电路拓扑结构的功率单元，该功率单元包括：主开关管；图案化的第一金属层，第一金属层包括：第一安装区，安装有主开关管，并与主开关管的漏极电连接；第一连接区，沿第一方向凸出于第一安装区的一侧，第一连接区与第一安装区电连接；第二连接区，沿第一方向位于第一安装区的一侧，第二连接区与主开关管的源极电连接；第二安装区，沿第一方向位于第一连接区背离第一安装区的一侧；及第三连接区，沿第一方向位于第二连接区背离第一安装区的一侧，第三连接区与第二安装区电连接；辅开关管，安装于第二安装区，辅开关管的漏极与第二安装区电连接，辅开关管的源极与第一连接区电连接；以及箝位电容，箝位电容的第一端电连接地位于第二连接区，箝位电容的第二端电连接地位于第三连接区。

3、本公开实施方式提供的功率单元内部高电场区和低电场区得到设计区分，继而通过这种分隔使得功率单元的电气可靠性得到提升。该功率单元内的结构设计可保证各个元件的分布位置及电路拓扑关系，各元件的排列较为紧密，功率单元的尺寸较小。

4、在一些实施方式中，主开关管用于构成功率支路，辅开关管和箝位电容用于构成箝位支路；第一金属层还包括第一对端子图形及第二对端子图形；功率单元还包括主栅极信号端子、主源极信号端子、辅栅极信号端子、辅源极信号端子、低压采样端子及高压采样端子；主栅极信号端子和主源极信号端子位于功率支路背离箝位支路的一侧，并电连接地位于第一对端子图形，主栅极信号端子与主开关管的栅极电连接，主源极信号端子与主开关管的源极电连接；辅栅极信号端子和辅源极信号端子位于箝位支路背离功率支路的一侧，并电连接地位于第二对端子图形，辅栅极信号端子与辅开关管的栅极电连接，辅源极信号端子与辅开关管的源极电连接；低压采样端子电连接地位于第二连接区，高压采样端子电连接地位于第三连接区。

5、本公开实施方式提供的功率单元内部高电场区和低电场区得到设计区分，继而通过这种分隔使得功率单元的可靠性得到提升。可保证各个端子的分布位置，并保证其与外部控制和采样电路紧凑的电连接和高密度集成。

6、在一些实施方式中，主栅极信号端子和主源极信号端子的排列方向垂直于第一方向，辅栅极信号端子和辅源极信号端子的排列方向垂直于第一方向；功率支路包括并联的至少两个主开关管，且至少两个主开关管的排列方向垂直于第一方向；箝位支路包括并联的至少两个箝位电容，辅开关管与箝位电容的排列方向垂直于第一方向，箝位电容的低压端朝向功率支路，箝位电容的高压端背离功率支路。

7、如此设置，该功率单元的结构紧凑且电场分布得到控制，该功率单元的寄生电感更小，且箝位支路的电场分布样式好。

8、在一些实施方式中，第一金属层还包括：主源极条、主栅极条、辅源极条及辅栅极条；主源极条和主栅极条位于第一安装区背离第二连接区的一侧，主开关管的源极通过主源极条而与主源极信号端子电连接，主开关管的栅极通过主栅极条而与主栅极信号端子电连接；辅源极条和辅栅极条位于第二安装区背离第一连接区的一侧，辅开关管的源极通过辅源极条而与辅源极信号端子电连接，辅开关管的栅极通过辅栅极条而与辅栅极信号端子电连接。

9、如此设置，有助于扩展主开关管的数量，提升功率单元电流等级；开关管输入侧和输出侧路径被彼此分隔的设计降低共源电感在开关瞬态的负反馈，有助于提升功率单元的开关速度；此外，有助于功率支路与箝位支路的隔离，并将低电场区分隔在功率单元的外侧，优化功率单元的电场分布。

10、在一些实施方式中，功率单元包括覆金属层基板结构，覆金属层基板结构包括依次堆叠的第二金属层、基板及第一金属层；第一安装区与第一连接区用于构成一体式的功率图形；第二连接区用于构成一体式的低压图形，第二安装区与第三连接区用于构成一体式的高压图形。

11、如此设置，功率单元具有紧凑的布局结构，并且结构强度好，长久可靠性高。

12、在一些实施方式中，基板包括沿第一方向依次设置并相互分隔的第一基板、第二基板及第三基板；功率图形、低压图形及高压图形均位于第二基板。

13、如此设置，可提高功率单元的结构强度，保证功率单元的可靠性。并且，降低了制造成本。

14、在一些实施方式中，第一金属层具有位于主开关管与辅开关管之间的中轴位置，功率图形包括位于中轴位置的第四连接区，低压图形包括位于中轴位置的第五连接区。

15、如此设置，该功率单元适于沿中轴方向且在中轴位置与外部器件电连接，有助于控制电场分布，并实现紧凑布局。

16、本公开实施方式在另一方面还提供一种功率模块，该功率模块包括：串联的至少两个前述的功率单元，功率单元沿垂直于第一方向的第二方向依次排列。

17、本公开实施方式提供的功率模块，通过串联功率单元实现了电压和电流等级的扩展，并且具有较好的电气可靠性。该功率模块具有高密度的结构，并具有较低的寄生电感，各功率单元可实现快速可靠地均压。该功率模块可利用低耐压电力电子器件实现高耐压大电流功率变换的应用，并且具有低成本、低损耗的优势。此外，整体的主功率回路可布局成“一”字形，缩减了主功率回路的长度，从而降低了该功率模块的主功率回路的寄生电感，并可助于串联的多个主开关管实现快速可靠的均压。

18、在一些实施方式中，功率模块还包括覆金属层绝缘结构及至少两个第一焊接层，至少两个第一焊接层沿覆金属层绝缘结构依次排列，功率单元的覆金属层基板结构通过对应的第一焊接层固接于覆金属层绝缘结构。

19、该功率模块具有较好的绝缘性、安全性，并且通过设置覆金属层绝缘结构可以增加功率模块的结构强度，保证电路连接可靠。

20、在一些实施方式中，覆金属层绝缘结构包括沿背离功率单元方向依次堆叠的第三金属层、绝缘板及第四金属层，第三金属层的各金属部沿堆叠方向的投影覆盖覆金属层基板结构的下层金属箔、并被覆金属层基板结构的基板的投影覆盖。

21、如此设置，可以保证在高耐压条件下工作时该功率模块整体的绝缘性能，各覆金属层基板结构在第三金属层的定位准确，方便制作，提升该功率模块的制造良率。

22、在一些实施方式中，覆金属层绝缘结构的绝缘板沿堆叠方向的尺寸大于或等于功率模块耐压除以绝缘板的材料的击穿场强得到的商。

23、通过控制绝缘板的厚度，可以确保功率模块的绝缘性能，保证各元件稳定运行，保证功率模块安全可靠。

24、在一些实施方式中，功率模块还包括第二焊接层、底板及框架，底板位于覆金属层绝缘结构背离第一焊接层一侧并通过第二焊接层与覆金属层绝缘结构固定连接，覆金属层绝缘结构的四角均形成为缺口，以沿堆叠方向暴露出底板，框架围绕至少两个第一焊接层并通过缺口与底板固定连接。

25、如此设置，可以有效地保护功率单元，并保证功率模块的整体结构稳定，尤其是功率模块在具有细长形状时；通过在覆金属层绝缘结构的四角形成缺口的方式，使得覆金属层绝缘结构、底板及框架三者可以具有结构交错的拼装状态，既保证了底板与框架之间的连接牢固，又使得制造后的整体结构稳定。

26、在一些实施方式中，功率模块还可包括第一续流二极管和第二续流二极管中的至少一个，第一续流二极管的阴极与主开关管的漏极电连接，第一续流二极管的阳极与主开关管的源极电连接，第二续流二极管的阴极与辅开关管的漏极电连接，第二续流二极管的阳极与辅开关管的源极电连接；功率模块的耐压为功率单元的耐压与功率单元的数量之积。

27、如此设置，可以优化功率模块的电路性能，保证其在高压使用环境下的使用效果。

28、在一些实施方式中功率模块还包括至少一个串联连接结构及两个电极，连接结构搭接于相邻的两个功率单元，相邻的两个功率单元中，一个的第四连接区与另一个的第五连接区通过串联连接结构电连接；沿串联次序位于两端的两个功率单元与两个电极一一对应地电连接。

29、如此设置，该功率模块结构紧凑、拓展方便、电场分布好，保证了功率单元的串联可靠，并且保证与外部器件的电连接方便、可靠。