动静态均流的多芯片并联的功率模块的制作方法
【专利摘要】本发明提供的动静态均流的多芯片并联的功率模块，包括陶瓷覆铜板和功率芯片，所述功率芯片数量为多个，每个功率芯片一一对应设置于结构相同的陶瓷覆铜板上，陶瓷覆铜板以轴对称方式沿圆周方向设置；本发明通过圆形的物理对称结构实现电气参数的对称，通过最优化的布局设计确保多芯片并联的功率模块每个支路寄生参数的最小化并且分布基本一致，有助于解决多芯片并联模块的电流分布不均问题。本发明提及的多芯片模块设计方法能够更好的实现功率模块的动态均流和静态均流，提升功率模块的容量利用率，并且通过减小寄生电感的副作用，适应快速开关过程和高频电力电子变换器。
【专利说明】
动静态均流的多芯片并联的功率模块
技术领域
[0001] 本发明涉及电力电子领域，尤其涉及一种动静态均流的多芯片并联的功率模块。
【背景技术】
[0002] 近年来，电力电子器件在新能源发电系统，电机驱动及电气传动方面获得了广泛 的应用。随着工业界对电力电子提出了越来越高的需求，电力电子器件的开关频率越来越 高以提升功率密度，但是基于Si(硅)器件的功率模块开关速率已经基本达到物理极限，因 此，工业界开始将眼光投向SiC(碳化硅）、GaN(氮化镓)等宽禁带器件。和Si器件相比，宽禁 带材料的电气、热学特性更加优异，SiC M0SFET(金属氧化物半导体场效应晶体管）较Si IGBT具有更高的导热系数、阻断电压和工作结温，而且，SiC M0SFET在关断过程中不存在拖 尾电流，可以明显降低开关损耗，提高开关速度。这些优异的特性使得SiC M0SFET的使用范 围越来越广，但是，由于制造工艺和成本的限制，单个SiC M0SFET芯片的通流能力仅为50-100A，因而在电气传动、新能源并网等大功率应用场合中，往往需要并联多个分立器件，或 采用多芯片并联结构的功率模块，现有的分立器件并联时的PCB电路以及多芯片并联模块 的DBC基板一般都是非对称的物理结构，不可避免的会造成回路寄生参数不一致，从而在不 同的器件或者芯片上造成电流不均衡的问题，加之SiC器件的开关频率更高，电流的变化率 更大，寄生参数的差异可能会带来比Si器件更大的电流不均衡，包括导通后的静态电流不 均衡，以及开关过程中的动态电流不均衡。不均衡的电流会使得器件产生不对等的损耗、开 关速度、电压和电流应力，过冲应力最大的器件或芯片处于整个系统最薄弱的环节，电流不 均衡问题将容易造成整个模块的寿命降低和失效率上升。
[0003] 针对多个SiC M0SFET以及其他器件并联过程中存在的电流不均衡问题，已有文献 从器件本身的分散性入手，研究了不同的参数对并联均流的影响及其应对策略。现有文献 的分析表明：器件导通电阻Ron、阈值电压Vth等参数会对器件的静态、动态电流均衡有直接 影响。此外，器件封装的管脚同样会引入漏极和源极寄生电感Ld和Ls，这些参数的分散性同 样会影响到并联器件的电流均衡。由于多个器件之间的不对称布局，也会导致主功率回路 中的电气参数不一致，同样会影响到多个器件之间的静态和动态电流不均衡。
[0004] 功率器件的参数不对称是由生产工艺决定的，是不可避免的，功率回路的参数不 一致往往是由于布局不合理造成的，通过优化布局，可以使得主功率回路的寄生参数尽可 能均衡分布。现有技术中通过有限元仿真分析发现:在多芯片并联模块中，不同芯片到模块 各个输出电极的寄生参数相差较大，会形成严重的静态和动态电流偏差。为了解决这一问 题，有研究通过源极电感补偿的方法降低了不同电流支路之间的寄生参数不均匀性，提升 了模块的均流效果，但这种办法也引入了额外的寄生电感，可能会造成开关损耗的增加。针 对现有布局的不足，也有一些技术提出了一些新型的DBC布局方法来降低寄生参数之间的 不均衡性，但是这些新型的布局并不能保证每个支路之间都是完全对称的，因而仍不可避 免的会产生均流问题。
【发明内容】
[0005] 有鉴于此，本发明提供一种动静态均流的多芯片并联的功率模块，以解决上述问 题。
[0006] 本发明提供的动静态均流的多芯片并联的功率模块，包括陶瓷覆铜板和功率芯 片，所述功率芯片数量为多个，，每个功率芯片一一对应设置于结构相同的陶瓷覆铜板上， 陶瓷覆铜板以轴对称方式沿圆周方向设置。
[0007] 进一步，所述陶瓷覆铜板为圆形结构，上下半桥每个电流支路的功率芯片各占据 一个扇形区域，所述多个功率芯片为并联结构，每个桥臂上并联在一起的芯片由同一个驱 动器驱动。
[0008] 进一步，功率模块的直流侧和交流侧端子的结构为层叠母排结构。
[0009] 进一步，所述陶瓷覆铜板为与功率芯片热膨胀系数接近的陶瓷绝缘材料，键合线 为铝线。
[0010] 进一步，将所述陶瓷覆铜板的外观结构简化为矩形结构，并通过如下公式获取简 化后结构的导体寄生电感：
[0011]
[0012]
[0013]其中，L为导体电感，a为导体长度，b为导体的宽度，d为导体的厚度，P为导体的电 阻率，μ〇 = 43?Χ1〇-7H/m，真空导磁率。
[0014] 进一步，将任意形状的不闭合回路等效为由一个闭合回路与一根电流方向相反的 无限长长直导线组成，通过如下公式获取寄生电感估计值：
[0015]
[0016] 其中，L为寄生电感，1为导线长度，r为导线半径，C为回路的周长，S为回路的面积；
[0017] 通过有限元方法获取模块的寄生电感的准确值。
[0018] 进一步，功率模块中每个开关连接一组功率芯片，每组包括三个并联连接的功率 芯片，不同组的功率芯片以轴对称方式沿圆周方向相间设置，所述功率芯片为SiC M0SFET 芯片或IGBT。
[0019] 进一步，通过如下公式判断功率模块的对称性：
[0020]
[0021]其中，UL越大表明模块寄生参数分布越不均匀，当UL = 0时，模块完全对称;Lj为不 同支路的电感值i为总体的电感平均值
[0022]本发明的有益效果:本发明通过圆形的物理对称结构实现电气参数的对称，利用 解析方法和有限元方法进行了寄生参数的提取，在各个并联支路上电气参数对称，能够更 好的实现功率模块的动态均流和静态均流，使多芯片并联的功率模块每个支路寄生参数和 电流分布基本一致，有助于解决多芯片并联模块的均流问题，能够更好的实现功率模块的 动态均流和静态均流，以提升功率模块容量的利用率。并且通过减小寄生电感的副作用，适 应快速开关过程和高频电力电子变换器。
【附图说明】
[0023]下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：
[0024]图1是本发明的多芯片并联模块等效原理图。
[0025]图2是本发明的多芯片并联模块横截面示意图。
[0026]图3是本发明的多芯片并联模块DBC对称布局示意图。
[0027] 图4是本发明功率模块包含驱动和功率端子的结构示意图。
[0028] 图5是本发明的多芯片并联模块解析法求寄生电感的算例示意图。
[0029]图6是本发明的三芯片并联时动态特性测试原理图。
[0030] 图7是本发明的三芯片并联模块的动态均流效果和传统参数不对称模块的对比 图，a为传统参数不对称模块的动态均流效果，b为本发明的三芯片并联模块的动态均流效 果。
[0031] 图8是本发明的三芯片并联模块的静态均流效果和传统参数不对称模块的对比 图，a为传统参数不对称模块的静态均流效果，b为本发明的三芯片并联模块的静态均流效 果。
【具体实施方式】
[0032] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：图1是本发明的多芯片并联模块 等效电路图。图2是本发明的多芯片并联模块横截面示意图。图3是本发明的多芯片并联模 块DBC对称布局示意图。图4是本发明功率模块驱动和功率端子结构示意图。图5是本发明的 多芯片并联模块解析法求寄生电感的算例示意图。图6是本发明的三芯片并联时动态特性 测试原理图。图7是本发明的三芯片并联模块的动态均流效果和传统参数不对称模块的对 比图，a为传统参数不对称模块的动态均流效果，b为本发明的三芯片并联模块的动态均流 效果。图8是本发明的三芯片并联模块的静态均流效果和传统参数不对称模块的对比图，a 为传统参数不对称模块的静态均流效果，b为本发明的三芯片并联模块的静态均流效果。 [0033]如图2所示，本实施例中的动静态均流的多芯片并联的功率模块，包括陶瓷覆铜板 和芯片，驱动端子和功率端子，每个芯片一一对应设置于结构相同的陶瓷覆铜板上，陶瓷覆 铜板以轴对称方式沿圆周方向设置。如图3所示，本实施例采用新型的物理对称的多芯片并 联的功率模块，通过圆形的物理对称结构实现电气参数的对称，利用解析方法和有限元方 法进行了寄生参数的提取。本实施例通过建立多芯片并联时，寄生参数不对称的仿真模型， 分析了电流分布和寄生参数的解析关系，分析结果表明本实施例可以使并联支路上电气参 数对称，能够更好的实现功率模块的动态均流和静态均流。
[0034]本实施例中的陶瓷覆铜板为扇形结构，所述多个芯片为并联结构，（芯片为SiC M0SFET、GaN HEMT、Si IGBT、Si IGCT或者其他功率开关器件)并分别与同一驱动器连接，功 率模块的直流侧和交流侧端子的结构为层叠母排结构。本实施例以SiC M0SFET为例，模块 中的每个桥臂构成是三个SiC M0SFET(1200V，40A，Cree CPM2-1200-0040B)和三个SiC肖特 基二极管（1200V，20A，CreeCPW4-1200-S020B)并联，如图4所示，并联在一起的SiCM0SFET 由同一个驱动信号触发。
[0035] 在本实施例中，陶瓷覆铜板为与SiC热膨胀系数接近的氮化铝陶瓷绝缘材料，键合 线为铝线，本实施例采用一款和SiC热膨胀系数接近的直接敷铜板(DBC)，目前主流的DBC的 陶瓷绝缘材料有氧化铝(Al 2〇3)、氮化铝(A1N)氧化铍(BeO)和氮化硅(Si3N4)。他们的主要性 能如表1所示。在上述四种材料中，Al 2〇3是价格最便宜的，也是目前商业化模块中使用最多 的陶瓷绝缘材料，但是其物理性能相对较差。在所有备选材料中，氧化铍的导热性能最好， 但是由于其对人体有毒，一般不再使用它作为陶瓷绝缘材料。A1N的导热性能为氧化铝的5-6倍，而且热膨胀系数也更加接近SiC(SiC的热膨胀系数为3ppm/K)，是一种很好的选择。所 有材料中，Si 3N4的热膨胀系数最接近SiC，而且剪切强度也最大，相同条件下，预期寿命也会 最长，但是Si 3N4价格远高于其他材料，而且导热系数也比其他材料以及A1N要低很多。因此， 综合考虑价格，性能等，本实施例选择A1N作为陶瓷绝缘材料，由于铝线的半径和载流能力 比金线高得多，以及铝线比金线拥有更长的热循环寿命，本实施例采用铝线作为键合线。
[0036]
[0037] 表 1
[0038]在本实施例中，DBC铜基板是一个扇形，无法直接适用公式计算它的寄生电感，本 实施例将其简化成一个长方形然后利用闭合导体的寄生电感公式近似的计算其寄生电感。 在将其简化成长方形后，利用公式计算电感。
[0039]
[0040] 其中，L:导体电感[H]，a:导体长度[m]，b:导体的宽度[m]，d:导体的厚度[m]，p:导 体的电阻率[Ω · m]，μ〇 = 43?Χ 10-7H/m，真空导磁率。
[0041 ] 以一个不规则的DBC铜基板为例，设其尺寸为一个内径35mm，外径50mm，圆周角54° 的扇形，厚度为〇.635mm。可将将其等效为长40mm，宽15mm的长方形，利用公式（1)计算其电 感值为·
[0042]
[0043]简化方法和实际的电感值之间存在着一定的误差，尤其是计算对象的形状和长方 形有着明显的区别的时候，因而需要寻求一种寄生电感的解析求法。
[0044] 在本实施例中，将任意形状的不闭合回路等效为由一个闭合回路与一根电流方向 相反的无限长长直导线组成，闭合长方形线圈的电感计算公式如下：
[0045]
[0046] 其中，L:导体电感[H]，a，b:长方形的边长[mm]，d:导体厚度[mm]〇
[0047]无线长长直导线的电感值计算公式为：
[0048] ι- t
[0049] 其中，L:导线电感[H]，1:导线长度[mm]，r:导线半径[mm] 〇
[0050] 由公式(2)，假设d〈〈a，b，则闭合长方形线圈的自感为：
[0051]
[0052] 其中，C = 2(w+h)，单位mm，是回路的周长。S=wh，为回路的面积单位mm2。回路总寄 生电感和变量Cln(S)线性相关。
[0053] 由无限长长直导线的电感计算公式，假设r〈〈l，单位mm，则无限长长直导线的自感 计算公式为：
[0054]
[0055] 因而可以最终求得一个任意形状的不闭合回路的寄生电感值为：
[0056]
[0057]如图5所示是一个算例示意图，在本实施例中，模块是一个由三组芯片并联的单相 桥模块，按照和输出端子的距离不同，可以划分为3个回路，分别为回路1、回路2和回路3,根 据公式(6)
[0058] 回路1的参数为:w=ll · 18mm，h = 17.36mm，l = 17.36mm
[0059] 计算得到：
[0060] C = 2(w+h) =57.08mm, S=wh = 194.08mm2
[0061 ] L=-^-[Ch(S)-/(ln(2/)-l)]x]〇^ =[57.08χ1η(194·08)-17.36χ(1η(34.72)-1)]χ4π Xl° xlO^ =51.30?// 2π 2π
[0062] 回路 2 的参数为:w = 23 · 04mm ,h = 1 7.36mm, 1 = 17 · 36mm。
[0063] 回路 3 的参数为 w = 32 · 96mm，h = 17 · 36mm, 1 = 17 · 36mm。
[0064] 算得回路2的寄生电感为87.66nH，回路3的寄生电感为122.40nH
[0065] 本实施例采用焊接技术，目前主流的焊接材料如表2所示。虽然铅基的焊料比金基 的焊料稳定性更好，但是考虑到铅可能对人体产生的危害，采用含铅焊料的功率模块已经 越来越少了，综合考虑性能和价格，本实施例采用金锡合金(Au80-Sn20)作为焊料。
[0066]
[0067] 表 2
[0068] 多芯片并联t旲块电气特性包括各电流支路的对称性，对于开关频率更尚的SiC M0SFET，不同电流支路之间的对称性更加重要，但是现有的SiC模块大部分还是采用的传统 的Si的布局方法，带来了参数的不对称性，
[0069] 通过如下公式判断SiC M0SFET芯片的对称性：
[0070]
L UL越大表明模块寄生参数分布越不均匀，当UL = 0时，模块完全对 称；
[0071] 其中，Lj为不同支路的电感值，L为总体的电感平均值。
[0072] 本实施例采取了圆形形状作为DBC的布局方案，和相同功率等级的传统结构的功 率模块相比，圆形对称结构的使用大大提升了不同支路之间的参数一致性，寄生参数最大 值和最小值之间的差距仅为2%。考虑驱动信号及功率输出端子的模块结构如图4所示，直 流侧和交流侧端子的结构都使用层叠母排的结构以降低回路的总寄生电感值，经过实验证 明本实施例中的不同电流支路也是物理对称的，其寄生参数也基本一致。
[0073]如图6所示，三个并联的M0SFET由同一个驱动信号触发，它们相应的源极电感分别 为 Lsl、Ls2 和 Ls3。
[0074] 在M0SFET导通的过程中，有如下关系：
[0075] iD = gfs(vGS-Vth) (7)
[0076]
(8)
[0077]式中，gfs为功率器件的跨导，vgs为施加在门极和源极之间的电压，Vth为M0SFET的 阈值电压。Vdriver为驱动输出电压，iG、Rg为驱动电流和驱动电阻，Ls、iS为源极电感和流过源 极电感的电流。
[0078] Ls通过对施加在器件门极和源极之间的电压VCS的负反馈影响系统的开关特性。由 于门极的电流很小，在这种情况下，可认为源极电流is和漏极电流iD是一致的。由式(7)、（8) 可得：
[0079]
(9)
[0080] 式（9)表明，动态电流的分布和源极电感紧密相关，而且随着源极电感差距的增 大，电流的分布差距也将相应增大。源极电感处于驱动回路中，它的不对称会通过对驱动电 压VCS的影响表现在动态电流的分布不均上。
[0081] 源极电感由于对门极电压信号有负反馈作用，所以对暂态电流的分布有很大影 响，漏极电感则更多的而影响静态电流的分布。
[0082]
[0083]式（10)中，Rem为功率器件的导通电阻，Ld、id为漏极电感和流过源极电感的电流。 假设所有芯片的参数都是一致的，所以有：
[0084]
[0085]
[0086] 在本实施例中，功率模块中每个开关连接一组SiC M0SFET芯片，每组包括三个并 联连接的SiC M0SFET芯片，不同组的SiC M0SFET芯片以轴对称方式沿圆周方向相间设置， 在SiMetrix平台下搭建了一个三芯片并联的双脉冲测试电路，如图5所示，对每个不同支路
[0087] 上的电流im，iD2，iD3有：
[0088]
[0089] 由式（11)、（12)可以看出，多芯片并联模块不同支路之间电流的分布和寄生电感 的大小有很大关系，本实施例采用对称型功率模块，在采用了对称的结构进行DBC布局后， 多芯片并联的功率模块每个支路寄生参数和电流分布基本是一致的，解决了多芯片并联模 块不同电流支路的均流问题。
[0090] 最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较 佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技 术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本 发明的权利要求范围当中。
【主权项】
1. 一种动静态均流的多芯片并联的功率模块，其特征在于:包括陶瓷覆铜板和功率芯 片，所述功率芯片数量为多个，每个功率芯片一一对应设置于结构相同的陶瓷覆铜板上，陶 瓷覆铜板以轴对称方式沿圆周方向设置。2. 根据权利要求1所述的动静态均流的多芯片并联的功率模块，其特征在于:所述陶瓷 覆铜板为圆形结构，上下半桥每个电流支路的功率芯片各占据一个扇形区域，所述多个功 率芯片为并联结构，每个桥臂上并联在一起的芯片由同一个驱动器驱动。3. 根据权利要求2所述的动静态均流的多芯片并联的功率模块，其特征在于:功率模块 的直流侧和交流侧端子的结构为层叠母排结构。4. 根据权利要求1所述的动静态均流的多芯片并联的功率模块，其特征在于:所述陶瓷 覆铜板为与功率芯片热膨胀系数接近的陶瓷绝缘材料，键合线为铝线。5. 根据权利要求1所述的动静态均流的多芯片并联的功率模块，其特征在于:将所述陶 瓷覆铜板的外观结构简化为矩形结构，并通过如下公式获取简化后结构的导体寄生电感：其中，L为导体电感，a为导体长度，b为导体的宽度，d为导体的厚度，P为导体的电阻率， μ〇 = 4π X 10-7H/m，真空导磁率。6. 根据权利要求5所述的动静态均流的多芯片并联的功率模块，其特征在于:将任意形 状的不闭合回路等效为由一个闭合回路与一根电流方向相反的无限长长直导线组成，通过 如下公式获取寄生电感估计值：其中，L为寄生电感，1为导线长度，r为导线半径，C为回路的周长，S为回路的面积； 通过有限元方法获取模块的寄生电感的准确值。7. 根据权利要求1所述的动静态均流的多芯片并联的功率模块，其特征在于:功率模块 中每个开关连接一组功率芯片，每组包括三个并联连接的功率芯片，不同组的功率芯片以 轴对称方式沿圆周方向相间设置，所述功率芯片为SiCMOSFET芯片或IGBT。8. 根据权利要求1所述的动静态均流的多芯片并联的功率模块，其特征在于:通过如下 公式判断功率模块的对称性：其中，仇越大表明模块寄生参数分布越不均匀，当仇=0时，模块完全对称;Lj为不同支 路的电感值，Σ为总体的电感平均值。
【文档编号】H01L23/528GK105932016SQ201610407686
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年6月12日
【发明人】曾正, 邵伟华, 冉立, 胡博容
【申请人】重庆大学