具有升高的共源极电感的直接敷铜电源模块制造技术

本公开提供了“具有升高的共源极电感的直接敷铜电源模块”。一种具有升高的共源极电感的直接敷铜(DBC)电源模块适合用作电动车辆的电驱动装置中的半桥。所述DBC基板上的蚀刻图案提供缩进凹口，用于集中所述功率回路中的磁通量。蚀刻的栅极迹线形成栅极回路，其中线圈绕组设置在所述凹口内或与所述凹口重叠，以增强每个开关晶体管(诸如IGBT)的所述共源极电感。这样，电动车辆的开关损耗降低，燃料经济性得到改善，对封装尺寸的影响最小，并且无需额外成本。

Direct copper clad power module with raised common source inductance

The present disclosure provides a \direct copper clad power supply module with an elevated common source inductance\. A DBC power module with a raised common source inductance is suitable for use as a half bridge in an electric drive device of an electric vehicle. The etched pattern on the DBC substrate provides a recess for concentrating the magnetic flux in the power circuit. The etched gate trace forms a gate loop, wherein the coil winding is arranged in or overlapped with the notch to enhance the common source inductance of each switching transistor (such as IGBT). In this way, the switching loss of electric vehicles is reduced, the fuel economy is improved, the impact on the package size is minimal, and no additional cost is required.

【技术实现步骤摘要】
具有升高的共源极电感的直接敷铜电源模块
本专利技术一般涉及用于半桥逆变器的电源开关模块，更具体地说，涉及用于电气化车辆的逆变器驱动系统，其中逆变器中的电源开关模块采用增强的共源极电感来获得高开关效率。
技术介绍
电动车辆(诸如混合动力电动车辆(HEV)、插电式混合动力电动车辆(PHEV)和电池电动车辆(BEV))使用由逆变器驱动的电机来向车轮提供牵引扭矩。典型的电驱动系统可包括通过接触器开关耦合到可变电压转换器(VVC)的DC电源(诸如电池组或燃料电池)以调节主DC链路电容器两端的主总线电压。逆变器连接在主总线与牵引马达之间以便将DC总线电力转换为AC电压，所述AC电压耦合到马达的绕组以推进车辆。逆变器包括以桥式配置与多个相桥连接的晶体管开关装置(诸如绝缘栅双极晶体管，IGBT)。每个相桥构造为半桥，其中高侧晶体管与低侧晶体管串联连接在DC总线之间。典型配置包括由具有三个相桥的逆变器驱动的三相马达。电子控制器导通和关断开关以便将来自总线的DC电压逆变为施加到马达的AC电压。逆变器可以对DC链路电压进行脉冲宽度调制以便提供正弦电流输出的近似值以按期望速度和转矩驱动马达。施加到IGBT的栅极的脉冲宽度调制(PWM)控制信号根据需要打开和关闭所述IGBT，使得产生的电流与期望的电流相匹配。通过由驱动器电路提供的栅极信号在栅极端子处驱动诸如IGBT或MOSFET等半导体开关装置。对于IGBT，栅极信号施加在装置的栅极端子和发射极端子之间。在导通(ON)状态下，输出信号传导通过在集电极端子和发射极端子之间的装置。装置电流在栅极回路和功率回路中流动。共源极电感是指功率开关晶体管中的主功率回路(即，晶体管的漏极-源极或集电极-发射极功率输出)和栅极驱动器回路(即，栅极-源极或栅极-发射极)共享的电感。共源极电感携带装置输出电流(例如，漏极-源极电流)和栅极充电/放电电流。共源极电感的输出(功率回路)部分中的电流以加强(例如，加速)开关性能的方式修改栅极电压。正如在2016年11月2日提交的名称为“InverterSwitchingDeviceswithCommonSourceInductanceLayouttoAvoidShoot-Through”的共同未决的美国申请序列号15/341,184(通过引用结合于此)中所公开，减少的切换时间可能是期望的，因为在切换过渡期间，相关的能量消耗(即丢失)可能减少。通过选择适当的布局和/或在PCB迹线中包括添加重叠线圈以形成到晶体管栅极或发射极的导电路径以便获得期望的共源极电感，可以操纵(例如，增强)栅极回路电感和/或功率回路电感的幅度以及它们之间的互耦程度。晶体管开关装置和相关部件(诸如跨越每个晶体管的反向二极管)通常封装在电源模块中。一种典型配置使用具有铜层的直接敷铜(DBC)基板，所述铜层具有接收晶体管和二极管管芯的蚀刻电路图案。在添加接合的跨接线、端子引脚和导电间隔件之后，可以将包含两个DBC基板的模块封装在包覆成型的塑料体中。用于车辆电驱动系统的电源模块必须满足关于可靠性、效率、耐用性和成本的严格要求。另一个重要考虑因素是包装尺寸。当添加结构或部件以增加栅极回路和功率回路之间的共源极电感时，电源模块的封装尺寸已经增加。因此，期望在不显著增加部件或封装空间的情况下增加共源极电感。
技术实现思路
在本专利技术的一个方面，一种半桥电源模块包括第一直接敷铜基板(DBC)，其具有第一绝缘层、内表面上的第一蚀刻电路层和外表面上的第一传热层。第一蚀刻电路层包括具有高侧端子垫的高侧板。第二直接敷铜基板(DBC)设置有第二绝缘层、内表面上的第二蚀刻电路层和外表面上的第二传热层。第二蚀刻电路层包括具有输出端子垫的输出板。高侧晶体管管芯的集电极侧焊接到高侧板。低侧晶体管管芯的集电极侧焊接到输出板。高侧板限定了设置在高侧晶体管管芯和高侧端子垫之间的第一缩进凹口，以将由高侧板中的电流感应的磁通量集中在第一缩进凹口。第一或第二蚀刻电路层中的一个还包括连接到高侧晶体管管芯并与第一缩进凹口重叠的高侧栅极迹线。附图说明图1是示出具有一对IGBT的逆变器的相桥的现有技术等效电路的示意图，所述一对IGBT中的每个IGBT展现共源极电感。图2是示出用于相桥的二合一电源模块中IGBT和二极管的现有技术布局的图，所述相桥使用栅极线圈来增强共源极电感。图3是图2的注释图，示出了功率回路电流与栅极线圈的重叠。图4是示出半桥电源模块的示例布局的分解透视图，所述半桥电源模块使用两个并联晶体管，每个晶体管用于切换半桥的高侧和低侧，其中共源极电感未被增强。图5是根据本专利技术第一实施例的半桥电源模块的布局的分解透视图，所述半桥电源模块使用两个并联晶体管，每个晶体管用于切换半桥的高侧和低侧并具有增强的共源极电感。图6是图5的模块的放大部分，更详细地示出了与栅极迹线的连接。图7和图8分别是图5的顶部DBC基板的俯视图和仰视图。图9和图10分别是图5的底部DBC基板的俯视图和仰视图。图11是底部DBC基板的俯视图，示出了缩进凹口放置于蚀刻电路层的高侧板内以用于集中磁通量。图12是底部DBC基板的俯视图，示出了缩进凹口周围的电流和栅极迹线在缩进凹口内的放置。图13是顶部DBC基板的仰视图，示出了缩进凹口周围的电流和栅极迹线在缩进凹口内的放置。图14是根据本专利技术另一实施例的半桥电源模块的布局的分解透视图，所述半桥电源模块使用两个并联晶体管，每个晶体管用于切换半桥的高侧和低侧并具有增强的共源极电感，其中栅极迹线限定多个线圈匝。图15是又一实施例的分解透视图，其中栅极迹线限定多个线圈匝，使得主磁通量方向平行于DBC基板的表面取向。图16是更详细地限定图15的多个线圈匝的栅极迹线的透视图。具体实施方式共源极电感是由主电源回路和用于晶体管开关装置的栅极驱动器回路共享的电感。它通常由与装置封装相关联的寄生电感和印刷电路板上的迹线引起的。在用于DC到AC功率转换的开关桥的背景下，共源极电感的存在可能是有益的。图1示出了半桥相桥10的示例，这种类型的半桥相桥经常用于电气化车辆的逆变器驱动系统中以驱动电动马达，其中高侧(即，上)晶体管11示出为具有上栅极、集电极和发射极端子的IGBT。可以使用其他类型的半导体装置，诸如MOSFET。如这里所使用的，IGBT的栅极、集电极和发射极端子也指MOSFET的栅极、漏极和源极端子。具有下栅极、集电极和发射极端子的低侧(即，下)晶体管12与上晶体管11串联连接在正总线13和负总线14之间，以限定中间(即，输出)结15。总线13和14提供DC链路，其经由可变电压转换器(未示出)从DC电源(例如，电池)接收DC电源电压。反并联二极管16和17跨晶体管11和12连接。上栅极和发射极端子产生上共源极电感，其包括磁性耦合到功率回路(即，发射极侧)电感19的栅极回路电感18。栅极驱动电路20和栅极电阻器21联接到栅极端子，以便控制上晶体管11的开关。下栅极和发射极端本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种半桥电源模块，其包括：/n第一直接敷铜基板(DBC)，所述第一直接敷铜基板具有第一绝缘层、内表面上的第一蚀刻电路层和外表面上的第一传热层，其中所述第一蚀刻电路层包括具有高侧端子垫的高侧板；/n第二直接敷铜基板(DBC)，所述第二直接敷铜基板具有第二绝缘层、内表面上的第二蚀刻电路层和外表面上的第二传热层，其中所述第二蚀刻电路层包括具有输出端子垫的输出板；/n高侧晶体管管芯，所述高侧晶体管管芯的集电极侧焊接到所述高侧板；和/n低侧晶体管管芯，所述低侧晶体管管芯的集电极侧焊接到所述输出板；/n其中所述高侧板限定了设置在所述高侧晶体管管芯和所述高侧端子垫之间的第一缩进凹口，以将由所述高侧板中的电流感应的磁通量集中在所述第一缩进凹口；并且/n其中所述第一或第二蚀刻电路层中的一个还包括连接到所述高侧晶体管管芯并与所述第一缩进凹口重叠的高侧栅极迹线。/n

【技术特征摘要】
20180514 US 15/978,5521.一种半桥电源模块，其包括：
第一直接敷铜基板(DBC)，所述第一直接敷铜基板具有第一绝缘层、内表面上的第一蚀刻电路层和外表面上的第一传热层，其中所述第一蚀刻电路层包括具有高侧端子垫的高侧板；
第二直接敷铜基板(DBC)，所述第二直接敷铜基板具有第二绝缘层、内表面上的第二蚀刻电路层和外表面上的第二传热层，其中所述第二蚀刻电路层包括具有输出端子垫的输出板；
高侧晶体管管芯，所述高侧晶体管管芯的集电极侧焊接到所述高侧板；和
低侧晶体管管芯，所述低侧晶体管管芯的集电极侧焊接到所述输出板；
其中所述高侧板限定了设置在所述高侧晶体管管芯和所述高侧端子垫之间的第一缩进凹口，以将由所述高侧板中的电流感应的磁通量集中在所述第一缩进凹口；并且
其中所述第一或第二蚀刻电路层中的一个还包括连接到所述高侧晶体管管芯并与所述第一缩进凹口重叠的高侧栅极迹线。


2.根据权利要求1所述的电源模块，其中所述高侧栅极迹线遵循回路，所述回路接收所述集中磁通量的至少一部分。


3.根据权利要求2所述的电源模块，其中所述高侧栅极迹线包括在所述第一蚀刻电路层中。


4.根据权利要求2所述的电源模块，其中所述输出板限定了设置在所述低侧晶体管管芯和所述输出端子垫之间的第二缩进凹口，以将由所述输出板中的电流感应的磁通量集中在所述第二缩进凹口；并且
其中所述第一或第二蚀刻电路层中的一个还包括连接到所述低侧晶体管管芯并与所述第二缩进凹口重叠的低侧栅极迹线。


5.根据权利要求4所述的电源模块，其中所述低侧栅极迹线遵循回路，所述回路接收所述第二缩进凹口的所述集中磁通量的至少一部分。


6.根据权利要求5所述的电源模块，其中所述低侧栅极迹线包括在所述第二蚀刻电路层中。


7.根据权利要求5所述的电源模块，其中所述第二缩进凹口与所述第一缩进凹口重叠，使得每个凹口将磁通量集中到共同空间中。


8.根据权利要求5所述的电源模块，其中每个栅极回路包括相应的多个绕组匝，并且其中每个多个绕组匝包括设置在所述第一和第二蚀刻电路层中的迹线段和连接所述电路层的所述迹线段的多个间隔件。


9.根据权利要求8所述的电源模块，其中每个栅极回路的...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐竹娴，陈靖奇，
申请(专利权)人：福特全球技术公司，
类型：发明
国别省市：美国;US