智能功率器件和变频设备的制作方法

1.本技术涉及电路技术领域，尤其涉及一种智能功率器件和变频设备。


背景技术：

2.智能功率器件(intelligent power module，简称ipm)是一种先进的功率开关器件，兼有大功率晶体管(gtr)高电流、低饱和电压和高耐压的优点，以及金属-氧化层半导体场效晶体管(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor，简称mosfet)高输入阻抗、高开关频率和低驱动功率的优点。而且ipm内部集成了逻辑、控制、检测和保护电路，使用起来更方便，不仅减少了系统的体积，缩短了开发时间，也增强了系统的可靠性，适应了当今功率器件的发展方向，使得ipm在功率电子领域得到了越来越广泛的应用。
3.通过修改芯片设计中的对应参数，从而提高芯片的开关速度和通流能力。伴随着芯片技术的研发升级，将芯片应用于智能功率器件中后，随着电流的提升，下桥功率芯片就越容易产生震荡，从而产生的杂散电感就越大。
4.杂散电感是指这个电感不是电路设计时故意设计出来的，是附加或寄生在某些东西上产生的。杂散电感产生影响的公式是ls
×
di/dt。根据上述的公式可知，只有产生电流变化的回路，才需要考虑回路中的杂散电感ls。
5.参考图1和图2，以mosfet芯片为例，提高mosfet芯片的开关速度和电流能力后，mosfet芯片中封装的源极导线电感开始对mosfet芯片的开关性能产生不利影响。
6.在以往的ipm封装中，栅源电压(v
gs
)应用于mosfet芯片后，产生反电势(v
ls
＝ls×
did/dt)，这是源极导线电感(lsource)和漏极电流斜率(did/dt)的作用。因反电势电压引起电压下降，实际作用于mosfet芯片后，降低了开关速度，尤其是开通速度。
7.在目前的ipm封装中，mosfet芯片只分别引出三个引脚nu、nv、nw进行外部电路的连接。因此将ipm应用于外部电路时，mosfet芯片会产生较大的杂散电感，从而导致mosfet芯片的开关速度下降，并产生栅极震荡。


技术实现要素：

8.为了解决相关技术中功率芯片容易产生较大的杂散电感的技术问题，本实用新型提供了一种智能功率器件和变频设备。
9.第一方面，本技术提供了一种智能功率器件，包括：基板以及安装在所述基板上的功率芯片；
10.所述基板上设置有第一引脚和第二引脚，所述第一引脚与外部电路电性连接，所述第二引脚与负载侧的源线分离；
11.所述功率芯片具有源极，所述功率芯片的所述源极通过所述第一引线连接至所述基板上的第一引脚；所述功率芯片的所述源极通过所述第二引线连接至所述基板上的第二引脚。
12.可选地，所述第一引线的线径大于所述第二引线的线径。
13.可选地，所述第一引线的线径为l1，所述l1的取值范围为8mil＜l1≤15mil。
14.可选地，所述第二引线的线径为l2，所述l2的取值范围为3mil≤l2≤8mil。
15.可选地，所述第一引脚和所述第二引脚均靠近对应的所述功率芯片的源极设置。
16.可选地，所述功率芯片包括igbt芯片、frd芯片、或者mosfit芯片中的至少一种。
17.可选地，所述第一引脚的数量、所述第二引脚的数量分别与所述功率芯片的数量相等；每个所述功率芯片分别与一个所述第一引脚和一个所述第二引脚连接。
18.可选地，所述第一引脚包括以下至少一类引脚：nu引脚、nv引脚和nw引脚。
19.可选地，所述智能功率器件的封装结构包括敷铜陶瓷板封装结构。
20.第二方面，本技术提供了一种变频设备，所述变频设备包括上述的智能功率器件。
21.本技术实施例提供的上述技术方案与现有技术相比具有如下优点：
22.通过研究发现，产生杂散电感的主要原因是下桥功率芯片的发射极或者源极的引线影响。由此，本技术实施例提供的智能功率器件包括基板以及安装在基板上的功率芯片。通过第一引脚与外部电路电性连接，第二引脚与负载侧的源线分离；功率芯片具有源极，功率芯片的源极通过第一引线连接至基板上的第一引脚；功率芯片的源极通过第二引线连接至基板上的第二引脚。这样可以减少功率芯片的源极连接电感，不易受到驱动电压的影响，使功率芯片实现高开关速度。
23.本技术实施例提供的变频设备，包括上述的智能功率器件。将上述的智能功率器件应用于变频设备中，能够实现高开关速率，有助于进一步改善开关效率，提高中型至大型功率开关电源的效率。
附图说明
24.此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本实用新型的实施例，并与说明书一起用于解释本实用新型的原理。
25.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
26.图1为一种智能功率器件的电路结构图；
27.图2为一种智能功率器件的结构示意图；
28.图3为本技术实施例提供的一种智能功率器件的电路结构图；
29.图4为本技术实施例提供的一种智能功率器件的结构示意图。
30.附图标记：
31.100、智能功率器件；110、基板；120、焊盘；130、功率芯片；140、第一引脚；150、第二引脚；160、第一引线；170、第二引线；180、驱动芯片。
具体实施方式
32.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
33.参考图3和图4，本技术实施例提供的智能功率器件100包括：基板110以及安装在基板110上的功率芯片130。
34.基板110上设置有第一引脚140和第二引脚150，第一引脚140以用于与外部电路电性连接，第二引脚150以用于与负载侧的源线分离；功率芯片130具有源极，功率芯片130的源极通过第一引线160连接至基板110上的第一引脚140；功率芯片130的源极通过第二引线170连接至基板110上的第二引脚150。
35.利用本技术实施例提供的智能功率器件100，通过在基板110上设置第一引脚140和第二引脚150，第一引脚140与外部电路电性连接，第二引脚150与负载侧的源线分离，这样可以减少功率芯片130的源极连接电感，使得回路中的杂散电感降低，提高功率芯片130的开关速度，达到降低损耗及栅极震荡的目的，有助于进一步改善中型到大型功率器件开关电源的效率。
36.智能功率器件100包括驱动芯片180，第一引脚140连接外部的电路，第二引脚150连接驱动芯片180的接地端。外部的电路为负载端。通过第二引脚150和第二引线170还可以在不经过第一引线160的前提下，直接从第二引脚150进行外部接线，降低原本反应电动势对栅极电压的影响。智能功率器件100内置的栅极驱动芯片180，大大减少了外围组件的数目，减少了因组件失效造成的故障，并且由于集成度高而缩小了智能功率器件100的体积，大大提高了可靠性和空间利用率。
37.功率芯片130的源极通过第一引线160与第一引脚140连接，且功率芯片130的源极通过第二引线170与第二引脚150连接，第一引脚140用于与外部电路连接，即可以与外部负载侧连接，也可以接地。第二引脚150从功率芯片130的外部连接到驱动芯片180的功能引脚上。这样，通过第二引线170与第二引脚150连接，可以使得第二引脚150与负载侧分离，减少杂散电感的产生，提高功率芯片130的开关速度，减少损耗和震荡。
38.第一引线160的线径大于第二引线170的线径。第二引线170的线径需要小于第一引线160的线径，采用线径较小的第二引线170，可以限制通过第二引线170的电流，进一步降低回路的杂散电感，从而使得功率芯片130的杂散电感降低，提高功率芯片130的开关速度，达到降低损耗及栅极震荡的目的。
39.第一引线160的线径为l1，l1的取值范围为8mil＜l1≤15mil。第一引线160的线径可以设置为9mil、10mil、12mil、或者15mil。第一引线160的线径越大，则允许通过的电流越大。第二引线170的线径为l2，l2的取值范围为3mil≤l2≤8mil。第二引线170的线径范围可以根据电流的大小进行选择，采用线径较小的第二引线170，通过第二引线170与负载侧的源线相分离，这样流经第二引线170的电流较小，可以实现小电流通过的目的，从而抑制回路中较大的杂散电感的产生。当第二引线170中流通的电流在50a左右时，可以选用6mil或8mil的线径。当然，如果封装层太小时，也可以选用3mil或5mil的线径。
40.第一引脚140和第二引脚150均靠近对应的功率芯片130的源极设置。通过在功率芯片130靠近源极的位置分别引出第一引脚140和第二引脚150，利用第二引线170与第二引脚150连接，从而使得与负载侧的源线分离，这样不易受到驱动电压的影响，从而减少了功率芯片130的源极连接电感，使得功率芯片130实现高开关速度。
41.功率芯片130包括igbt芯片、frd芯片、或者mosfit芯片中的至少一种。
42.绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor，简称igbt)是由晶
体三极管和mos管组成的复合型半导体器件。igbt芯片作为新型电子半导体器件，具有输入阻抗高，电压控制功耗低，控制电路简单，耐高压，承受电流大等特性，在各种电子电路中获得极广泛的应用。
43.实际应用中，需要igbt芯片的开关速度尽可能的高，同时降低开关时间，减少开关损耗。然而考虑到igbt芯片参数的影响，igbt芯片实际的开关速度仍会受到一定的限制。电流变化率di/dt意味着单位时间内电流的变化。在igbt芯片的开通和关断过程中，增大电流变化率有利于减小开关损耗。由此，igbt芯片可以实现非常快的开通速度。但同时，igbt芯片中封装的源极导线电感也开始对igbt芯片的开关性能产生不利影响。
44.利用本技术实施例提供的智能功率器件100包括基板110以及安装在基板110上的igbt芯片。基板110上设置有第一引脚140和第二引脚150，第一引脚140与外部电路电性连接，第二引脚150与负载侧的源线分离；功率芯片130具有源极，功率芯片130的源极通过第一引线160连接至基板110上的第一引脚140；功率芯片130的源极通过第二引线170连接至基板110上的第二引脚150。
45.这样，通过在igbt芯片的源极引出第二引脚150，利用第二引线170将igbt芯片的源极与第二引脚150连接，从而使得igbt芯片的源极与负载侧的源线相分离，这样不易受到驱动芯片180的驱动电压影响，减少igbt芯片的源极连接电感。
46.智能功率器件100采用了ic驱动和保护技术、低饱和压降igbt芯片技术以及先进的封装技术，其功率范围能满足0.75kw～5.0kw电机对驱动功率的要求，特别适合于变频空调器用逆变器系统。ipm系统可使应用装置具有更小的体积和更高的可靠性。
47.frd芯片为快恢复二极管(fast recovery diode，简称frd)，frd芯片能够用于配合igbt芯片的开关动作。
48.mosfet芯片是一种可以广泛使用在模拟电路与数字电路的场效晶体管。场效晶体管多被用作电子开关，用在控制控制回路中控制负载的通断，也可以当作可控整流来实现交流变直流。
49.功率芯片130包括下桥功率芯片。在智能功率器件100中，上桥功率芯片较少会产生杂散电感，所以杂散电感的产生基本集中在下桥功率芯片中。
50.第一引脚140的数量、第二引脚150的数量分别与功率芯片130的数量相等；每个功率芯片130分别与一个第一引脚140和一个第二引脚150连接。基板110上设置的功率芯片130的数量大于或等于两个，第一引脚140和第二引脚150的数量与功率芯片130的数量相等；每个功率芯片130与一个第一引脚140和一个第二引脚150对应，且功率芯片130的源极分别通过第一引线160、第二引线170与第一引脚140、第二引脚150连接。
51.当功率芯片130的数量为多个时，分别设置在多个功率芯片130上的多个第一引脚140之间相互独立，为了达到降低杂散电感的效果，第二引脚150的数量需要与第一引脚140的数量相对应。例如第一引脚140的数量为三个，第二引脚150的数量也为三个，三个第一引脚140与三个第二引脚150一一对应。当然，第一引线160和第二引线170也分别与第一引脚140和第二引脚150一一对应。当然，第一引脚140和第二引脚150的数量也可以为其他数值，例如功率芯片130的数量为两个或四个时，第一引脚140的数量和第二引脚150的数量也为两个或四个。实际应用中，设置功率芯片130的数量为两个，可以应用于两相交流电。设置功率芯片130的数量为三个，可以应用于三相交流电。
52.第一引脚140包括以下至少一类引脚：nu引脚、nv引脚和nw引脚。实际应用中，第一引脚140的数量为三个，三个第一引脚140包括nu引脚、nv引脚以及nw引脚。这三个第一引脚140均为下桥功率芯片的源极的引出脚，三个第一引脚140的功能一样，但相位不同，分别为u、v、w相的下桥功率芯片源极的引出脚，可以用于三相交流电的输入或输出。相应的，第二引脚150的数量也为三个，三个第二引脚150包括e1引脚、e2引脚以及e3引脚。e1引脚、e2引脚以及e3引脚分别对应nu引脚、nv引脚、nw引脚设置。通过单独引出e1引脚、e2引脚以及e3引脚，可保持原来的nu引脚、nv引脚、nw引脚的功能不变，并且可通过外部电路对下桥的三相功率芯片130进行电压等数值的单独检测和采样，外部可操作性强。
53.智能功率器件100的封装结构包括敷铜陶瓷板封装结构。敷铜陶瓷板(direct bonded copper，简称dbc)封装结构中的敷铜陶瓷板是将铜箔直接烧结在陶瓷表面而制成的一种电子基础材料。敷铜陶瓷板具有导热性好、绝缘性强、可靠性高等优点，已广泛应用于igbt、激光二极管(laser diode，简称ld)和聚焦型光伏(concentrator photo voltaics，简称cpv)封装。cpv是通过光生伏打效应把聚光的太阳光直接转换为电能。且由于铜箔较厚，铜箔的厚度可达100μm～600μm，使得敷铜陶瓷板在igbt和ld封装领域具有明显的优势。
54.智能功率器件100的封装结构还可以采用dbc和印制电路板(printed circuit board，简称为pcb)的混合封装。通过将dbc工艺和pcb板相结合，利用金属键合线将芯片上表面连接到pcb板，控制换流回路在pcb层间，大大减小了电流回路面积，进而减小杂散电感参数。当然，智能功率器件100包括但不限于dbc封装结构，其余能够实现智能功率器件100封装的结构均可以。
55.智能功率器件100还包括焊盘120，焊盘120安装在基板110上，功率芯片130安装在焊盘120上。
56.第二引脚150和第二引线170电性连接，第二引脚150与负载侧的源线分离，可以在不经过第一引线160直接从靠近功率芯片130的端口进行外部接线，降低原本反应电动势对栅极电压的影响。
57.综合上述，本实用新型实施例提供的智能功率器件100包括基板110以及安装在基板110上的功率芯片130。基板110上设置有第一引脚140和第二引脚150，第一引脚140以用于与外部电路电性连接，第二引脚150以用于与负载侧的源线分离；功率芯片130具有源极，功率芯片130的源极通过第一引线160连接至基板110上的第一引脚140；功率芯片130的源极通过第二引线170连接至基板110上的第二引脚150。这样可以减少功率芯片130的源极连接电感，使得回路中的杂散电感降低，提高功率芯片130的开关速度，达到降低损耗及栅极震荡的目的，有助于进一步改善中型到大型功率器件开关电源的效率。
58.以下具体说明智能功率器件100的制作过程：
59.第一步，功率芯片130设计。根据产品的性能和功能，设计合理规格的功率芯片130。
60.第二步，基板110设计。根据电路特点和产品性能的实现，设计基板110、基岛形状、基板110的长宽高。
61.第三步，产品外形设计。根据基板110的形状尺寸和基板110上功率芯片130的布局设计，确定产品的长宽高和焊盘120，最终确定输出产品的外形。
62.第四步，引线框架设计。根据产品的内部结构布局，设计产品的引线框架，根据引线设计第二引脚150的焊盘120和引线框架。
63.第五步，模具设计。根据产品的塑封方式和产品的外形，设计产品塑封所需要的模具。
64.第六步，装配。首先将功率芯片130与基板110装配，完成功率芯片130的固定。然后将功率芯片130与焊盘120通过引线进行焊接。
65.第七步，产品封装。使用注塑压机、模具和塑封料，进行包埋塑封。完成对已经装配好的基板110的包埋封装。在注塑完成后，进行固化成型，完成封装。最后，对引脚进行切筋，弯曲成型成设计所需要的产品。
66.本技术实施例还提供了一种变频设备，变频设备包括智能功率器件100。将智能功率器件100应用于变频设备中，能够实现高开关速率，有助于进一步改善开关效率，提高中型至大型功率器件的开关电源效率。
67.智能功率器件100由高速的igbt芯片和优选的门极驱动及保护电路构成，在各种电力变换中起重要作用，智能功率器件100是变频技术功率变换部分的关键组件，除在各种工业使用高，低压和大容量变频器中被大量采用外，在变频的空调器、洗衣机、电冰箱、微波炉、电磁灶等家用电器也广泛采用智能功率器件100，在各类电源、电力机车等产品中也有应用，市场前景可观。
68.需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
69.以上所述仅是本实用新型的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。