一种基于柔性电路板连接的低感高均流半桥功率模块

本发明涉及电子，特别是涉及一种基于柔性电路板连接的低感高均流半桥功率模块。

背景技术：

1、随着现代交通运输、航空航天等领域的快速发展，电力电子功率模块(简称为功率模块)得到了广泛的应用。对功率模块的电性能和热性能都提出了更高的要求。

2、为了提升功率模块的效率，需要实现功率模块更高的开关频率，而传统的功率模块布局结构具有较高的寄生电感，功率芯片在开关过程中承受较高的过压，增加了功率芯片过压击穿的风险。

3、为了提升功率模块的通流能力，需要在功率模块内并联多芯片，而多芯片会因寄生参数产生动态不均流问题。功率芯片在开关过程中会出现结温不平衡，增加了功率模块热失控的风向，降低了功率模块可靠性。

4、为了提升功率模块的热可靠性，需要在功率模块内进行合理热设计，传统多芯片并联功率模块芯片结温不均衡，使得功率模块工作中内部芯片温度不一致，导致不均流，增加了热失控的风险。

5、因此，在高频、大功率应用场合，寄生电感、动态均流和热阻是功率模块需要克服的难题，需要降低寄生电感、实现动态均流和降低热阻，来保证功率模块可靠工作。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种基于柔性电路板连接的低感高均流半桥功率模块，以减小寄生电感，改善动态均流和芯片结温均衡。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、一种基于柔性电路板连接的低感高均流半桥功率模块，包括：上桥臂模块、下桥臂模块、电极层模块、基板模块和电路板，所述上桥臂模块和所述下桥臂模块通过所述电路板分别与所述电极层模块连接，所述上桥臂模块、所述下桥臂模块、所述电极层模块均设置在所述基板模块上。

4、可选地，所述上桥臂模块包括：上桥臂驱动金属层和若干上桥臂芯片，所述上桥臂芯片设置第一控制端、第一开关端及第二开关端，所述上桥臂驱动金属层与所述第一控制端和第一开关端连接；

5、所述下桥臂模块包括：下桥臂驱动金属层和若干下桥臂芯片，所述下桥臂芯片设置第二控制端、第三开关端及第四开关端，所述下桥臂驱动金属层与所述第二控制端、第三开关端连接；

6、所述电极层模块包括：正电极层、负电极层、交流侧电极层，所述正电极层与所述第二开关端连接，所述负电极层与所述第三开关端连接，所述交流侧电极层与所述第一控制端和第四开关端连接；

7、所述基板模块包括：基板，所述上桥臂驱动金属层、若干上桥臂芯片、下桥臂驱动金属层、若干下桥臂芯片、正电极层、负电极层、交流侧电极层均设置在所述基板上；

8、所述电路板包括：柔性电路板，所述柔性电路板用于实现所述上桥臂驱动金属层和上桥臂芯片之间的连接，所述下桥臂驱动金属层和下桥臂芯片之间的连接，以及所述正电极层、负电极层、交流侧电极层和所述上桥臂芯片、下桥臂芯片之间的连接。

9、可选地，所述下桥臂芯片与所述上桥臂芯片沿所述基板的第一方向设置；

10、所述上桥臂芯片和下桥臂芯片分别按偶数个进行分组，形成并联芯片，每组并联芯片沿所述基板的第二方向分开对称布局；

11、所述第一方向与所述第二方向垂直设置。

12、可选地，所述正电极层包括第一正电极引出端点和第二正电极引出端点，所述第一正电极引出端点和第二正电极引出端点设置于所述上桥臂芯片两侧；

13、所述负电极层包括第一负电极引出端点和第二负电极引出端点，所述第一负电极引出端点和第二负电极引出端点设置于所述下桥臂芯片两侧；

14、所述交流侧电极层包括第一交流引出端点和第二交流引出端点，所述第一交流引出端点和第二交流引出端点设置于一组上桥臂芯片和邻近的一组下桥臂芯片之间。

15、可选地，所述柔性电路板包括绝缘层、上铜层和下铜层，所述绝缘层用于将所述上铜层和下铜层与外部环境隔离，所述上铜层包括柔性电路板的第一负电极层、柔性电路板的上桥臂驱动金属层和柔性电路板的下桥臂驱动金属层；所述下铜层包括柔性电路板的第二负电极层、柔性电路板的交流侧电极层、柔性电路板的芯片第一控制端连接端、柔性电路板的第三负电极层、柔性电路板的芯片第二控制端连接端。

16、可选地，所述上桥臂驱动金属层和下桥臂驱动金属层分别包括两个子金属层，所述上桥臂驱动金属层的两个子金属层分别通过所述柔性电路板的芯片第一控制端连接端和柔性电路板的交流侧电极层与所述上桥臂芯片的第一控制端和第一开关端连接；

17、所述下桥臂驱动金属层的两个子金属层分别通过所述柔性电路板的芯片第二控制端连接端和柔性电路板的第三负电极层与所述下桥臂芯片的第二控制端和第三开关端连接。

18、可选地，所述功率模块还包括端子件模块，所述端子件模块设置在所述基板模块上。

19、可选地，所述端子件模块包括第一端子件、第二端子件、第三端子件、第四端子件和第五端子件；所述第一端子件与所述正电极层连接，所述第二端子件与所述负电极层连接，所述第三端子件与所述交流侧电极层连接，所述第四端子件与所述上桥臂驱动金属层连接，所述第五端子件与所述下桥臂驱动金属层连接。

20、可选地，所述第一端子件、第二端子件、第三端子件、第四端子件和第五端子件均延伸出所述基板的外侧。

21、本发明的有益效果为：

22、本发明的功率模块为多芯片并联模块，芯片偶数个一组，对称分布；采用柔性电路板代替芯片连接件与键合线，实现功率芯片间以及功率芯片与电极层间的电连接，能够提高功率模块的电性能，改善可靠性；采用柔性电路板代替芯片连接件与键合线，实现功率芯片的并联连接以及功率芯片与电极层的电连接，能够减小功率模块的寄生电感，提高均流性与可靠性；通过电路设计使流过柔性电路板上下铜层的电流反相，且柔性电路板中铜层间隔小，能够更好地实现互感抵消，减小功率回路寄生电感；正电极层的正电极引出端点位于上桥臂芯片两侧设置，能够使得布局紧凑，缩小换流回路面积，从而能够减小功率模块的寄生电感；交流引出端点在上桥臂每组内部芯片之间和组与组之间对称分布，能够减小相邻的两个上桥臂芯片的换流回路面积之间的差异，有助于上桥臂芯片间的均流；负电极引出端点关于下桥臂芯片对称排布设置，减小相邻的两个下桥臂芯片的换流回路面积之间的差异，有助于下桥臂芯片间的均流。

23、本发明的功率模块具有高度对称的布局结构，使得各功率芯片(上、下桥臂芯片)的工作状况和使用寿命保持一致，改善并联芯片的动态均流，提高功率模块的开关性能；功率模块内部芯片偶数个为一组，且组与组之间位置对称分布，改善了多芯片的结温均衡，使得多芯片工作时每个芯片温度接近，改善了因芯片结温差异带来的不均流等问题。

技术特征：

1.一种基于柔性电路板连接的低感高均流半桥功率模块，其特征在于，包括：上桥臂模块、下桥臂模块、电极层模块、基板模块和电路板，所述上桥臂模块和所述下桥臂模块通过所述电路板分别与所述电极层模块连接，所述上桥臂模块、所述下桥臂模块、所述电极层模块均设置在所述基板模块上。

2.根据权利要求1所述的基于柔性电路板连接的低感高均流半桥功率模块，其特征在于，所述上桥臂模块包括：上桥臂驱动金属层(15)和若干上桥臂芯片(17)，所述上桥臂芯片(17)设置第一控制端、第一开关端及第二开关端，所述上桥臂驱动金属层(15)与所述第一控制端和第一开关端连接；

3.根据权利要求2所述的基于柔性电路板连接的低感高均流半桥功率模块，其特征在于，所述下桥臂芯片(18)与所述上桥臂芯片(17)沿所述基板(1)的第一方向设置；

4.根据权利要求2所述的基于柔性电路板连接的低感高均流半桥功率模块，其特征在于，所述正电极层(2)包括第一正电极引出端点(19a)和第二正电极引出端点(19b)，所述第一正电极引出端点(19a)和第二正电极引出端点(19b)设置于所述上桥臂芯片(17)两侧；

5.根据权利要求2所述的基于柔性电路板连接的低感高均流半桥功率模块，其特征在于，所述柔性电路板(5)包括绝缘层、上铜层和下铜层，所述绝缘层用于将所述上铜层和下铜层与外部环境隔离，所述上铜层包括柔性电路板的第一负电极层(7)、柔性电路板的上桥臂驱动金属层(8)和柔性电路板的下桥臂驱动金属层(9)；所述下铜层包括柔性电路板的第二负电极层(10)、柔性电路板的交流侧电极层(11)、柔性电路板的芯片第一控制端连接端(12)、柔性电路板的第三负电极层(13)、柔性电路板的芯片第二控制端连接端(14)。

6.根据权利要求5所述的基于柔性电路板连接的低感高均流半桥功率模块，其特征在于，所述上桥臂驱动金属层(15)和下桥臂驱动金属层(16)分别包括两个子金属层，所述上桥臂驱动金属层(15)的两个子金属层分别通过所述柔性电路板的芯片第一控制端连接端(12)和柔性电路板的交流侧电极层(11)与所述上桥臂芯片(17)的第一控制端和第一开关端连接；

7.根据权利要求1-6任一项所述的基于柔性电路板连接的低感高均流半桥功率模块，其特征在于，所述功率模块还包括端子件模块，所述端子件模块设置在所述基板模块上。

8.根据权利要求7所述的基于柔性电路板连接的低感高均流半桥功率模块，其特征在于，所述端子件模块包括第一端子件(22)、第二端子件(23)、第三端子件(24)、第四端子件(25)和第五端子件(26)；所述第一端子件(22)与所述正电极层(2)连接，所述第二端子件(23)与所述负电极层(3)连接，所述第三端子件(24)与所述交流侧电极层(4)连接，所述第四端子件(25)与所述上桥臂驱动金属层(15)连接，所述第五端子件(26)与所述下桥臂驱动金属层(16)连接。

9.根据权利要求8所述的基于柔性电路板连接的低感高均流半桥功率模块，其特征在于，所述第一端子件(22)、第二端子件(23)、第三端子件(24)、第四端子件(25)和第五端子件(26)均延伸出所述基板(1)的外侧。

技术总结
本发明涉及电子技术领域，特别是涉及一种基于柔性电路板连接的低感高均流半桥功率模块，包括：上桥臂模块、下桥臂模块、电极层模块、基板模块和电路板，所述上桥臂模块和所述下桥臂模块通过所述电路板分别与所述电极层模块连接，所述上桥臂模块、所述下桥臂模块、所述电极层模块均设置在所述基板模块上。本发明通过对铜层、功率器件和端子的布局设计并使用柔性电路板电连接功率回路，实现了多并联芯片的对称布局，改善了并联芯片动态均流和结温均衡，且实现了较小的寄生电感值，降低关断过压和开关振荡。

技术研发人员：陈材,郑泽祥,柏柯舟,刘佳欣,吕坚玮,康勇
受保护的技术使用者：华中科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/8/15