功率模块的制作方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及一种功率模块，尤其涉及一种内置有电压钳位电路的功率模块。
【背景技术】
[0002] 目前，对转换器、逆变器等功率装置的功率密度的要求越来越高，尤其是对于功率 模块的功率密度要求。提升其内部开关的开关频率是减小功率模块的体积的有效方法，因 为当内部使用高频开关时，功率模块可以采用更小的磁性元件和电容。这样就可以获得更 高的功率密度。
[0003] 然而，如果仅单纯地提升开关频率，则会导致更多的开关损耗产生。图1分别示 出了开关元件的开通损耗和关断损耗与开关速度之间的关系曲线。为了在使用高频开关 时保证较小的开关损耗，包括开通损耗Ecin和关断损耗Eciff,则需要如图1所示提升开关速 度（di/dt与dv/dt)。图1中Vce为开关元件两侧的电压，Ic为流过开关元件的电流。提 升开关速度的一种方法为采用较小的栅级驱动电阻Rg。图2分别示出了栅级驱动电阻与开 关元件的开通损耗和关断损耗之间的关系曲线。如图2所示，以英飞凌公司供应的型号为 FF400R06KE3的IGBT (绝缘栅门极晶体管）为例，当采用较小电阻值的栅级驱动电阻Rg时， 开通损耗显著下降。但是，如果减小Rg，则会严重加大施加在IGBT和二极管上的电压。图 3分别示出了施加在IGBT和二极管上的电压与栅级驱动电阻之间的关系曲线。从图3中可 以看出，当采用较小的栅级驱动电阻Rg时，施加于IGBT和二极管上的电压均很大，尤其在 大电流时。因此当转换器或逆变器过载时，其中的开关元件在开或关时均会承受大电流，如 果采用小电阻值的的栅级驱动电阻Rg，突增的瞬间电压将可能击毁转换器或逆变器等功率 装置。
[0004] 在功率模块中，为了限制其内部开关上突增的瞬间电压，目前在功率模块的开关 的外部引线端子处广泛地采用了各种电压钳位电路。通常，电压钳位电路包括一个充电回 路和一个放电回路。充电回路至少包括一个钳位电容C，此外还可以包括一个与钳位电容C 串联的开关元件，例如二极管D、有源开关MOSFET (金属氧化物半导体场效应晶体管）等，或 电阻。图4分别示出了几种电压钳位电路的充电回路示意图。其中，图4(a)为RCD电压钳 位电路中的充电回路，图4(b)为RC电压缓冲电路（RC voltage snubber)中的充电回路，图 4(c)为C电压缓冲电路（C voltage snubber)中的充电回路。
[0005] 放电回路可以包括一个与钳位电容C串联的放电电阻R，即充电回路与放电回路 共享钳位电容C，进一步地，放电回路也可以包括一个与放电电阻R串联的开关元件，例如 MOSFET或二极管等。
[0006] 图5分别示出了功率模块的内部电路为两电平和三电平中性点钳位型（NPC)转换 器时用于内部开关S1 KRCD电压钳位电路。在图5中，充电回路包括电容C和与之串联的 二极管D，放电回路包括电容C和电阻R。
[0007] 但是，在功率模块的内部开关的外部引线端子处连接如图5所示的电压钳位电 路，施加在开关S1上的实际瞬间电压仍然很大。以图5(b)所示的三电平NPC转换器为例， 经实验测得，当关闭开关S1的电流为150A时，虽然从外部引线端子处测量开关S1的瞬间电 压仅为338V，但直接从内部测量开关S1的集电极与发射极之间的电压，则为413V。显然， 内部开关承受了更大的瞬间电压。
【发明内容】
[0008] 鉴于上述问题，本发明提供了一种功率模块，通过合理的放置电压钳位电路，以进 一步减小内部开关突增的瞬间电压，从而进一步提升功率模块的功率密度。
[0009] 本发明的额外方面和优点将部分地在下面的描述中阐述，并且部分地将从描述中 变得显然，或者可以通过本发明的实践而习得。
[0010] 本发明一方面提供了一种功率模块，包括：基板；至少一个开关芯片，所述至少一 个开关芯片集成于所述基板；以及，电压钳位电路，所述电压钳位电路用于钳制所述至少一 个开关芯片的电压，所述电压钳位电路包括：充电回路元件；其中，以所述至少一个开关芯 片各自的中心点为圆心，并以其各自的长和宽的最大值与第一系数的乘积为半径，构成至 少一个第一圆，至少其中之一个所述充电回路元件在所述基板上的投影，位于所述至少一 个第一圆的至少其中之一内。
[0011] 于一实施例中，所述充电回路元件包括：两个引脚；所述两个引脚集成于所述基 板，连接所述电压钳位电路与所述至少一开关芯片；所述至少其中之一个所述充电回路元 件在所述基板上的投影，位于所述至少一个第一圆的至少其中之一内包括：所述两个引脚 在所述基板上的位置，分别位于所述至少一个第一圆的至少其中之一内。
[0012] 于另一实施例中，所述充电回路元件还包括：一电容，所述两个引脚连接所述电容 与所述至少一个开关芯片；或者，所述充电回路元件还包括：一电容和一开关器件，所述两 个引脚连接所述电容和所述开关器件与所述至少一个开关芯片；或者，所述充电回路元件 还包括：一电容和一电阻，所述两个引脚连接所述电容和所述电阻与所述至少一个开关芯 片。
[0013] 于再一实施例中，所述充电回路元件包括：一电容；所述电容集成于所述基板；所 述至少其中之一个所述充电回路元件在所述基板上的投影，位于所述至少一个第一圆的至 少其中之一内包括：所述电容在所述基板上的位置，位于所述至少一个第一圆的至少其中 之一内。
[0014] 本发明另一方面提供了另一种功率模块，包括：基板；至少一个开关芯片，所述至 少一个开关芯片集成于所述基板；以及，电压钳位电路，所述电压钳位电路用于钳制所述至 少一个开关芯片的电压，所述电压钳位电路包括：第一充电回路元件和第二充电回路元件； 其中，以所述至少一个开关芯片各自的中心点为圆心，并以其各自的长和宽的最大值与第 一系数的乘积为半径，构成至少一个第一圆，至少其中之一个所述第一充电回路元件在所 述基板上的投影，位于所述至少一个第一圆的至少其中之一内；或者，以所述第二充电回路 元件的中心点在所述基板上的投影为圆心，并以其长和宽的最大值与所述第一系数的乘积 为半径，构成一第二圆，至少其中之一个所述第一充电回路元件在所述基板上的投影，位于 所述第二圆内。
[0015] 于一实施例中，所述第一充电回路兀件包括：两个引脚和电容；所述第二充电回 路元件为一开关器件；所述两个引脚与所述开关器件集成于所述基板，所述两个引脚连接 所述电容与集成的所述开关器件和所述至少一个开关芯片；所述至少其中之一个所述第一 充电回路元件在所述基板上的投影，位于所述至少一个第一圆的至少其中之一内包括：所 述两个引脚在所述基板上的位置，分别位于所述至少一个第一圆的至少其中之一内；所述 至少其中之一个所述第一充电回路元件在所述基板上的投影，位于所述第二圆内包括：所 述两个引脚在所述基板上的位置，分别位于所述第二圆内；以所述至少一个开关芯片各自 的中心点为圆心，并以其各自的长和宽的最大值与第二系数的乘积为半径，构成至少一个 第三圆，所述开关器件的中心点在所述基板上的位置，位于所述至少一个第三圆的至少其 中之一内。
[0016] 于另一实施例中，所述第一系数大于所述第二系数。
[0017] 于再一实施例中，所述第一充电回路元件包括：两个引脚和一第三充电回路元件； 所述两个引脚与所述第二充电回路元件集成于所述基板，所述两个引脚连接所述第三充电 回路元件与集成的所述第二充电回路元件和所述至少一个开关芯片；所述至少其中之一个 所述第一充电回路元件在所述基板上的投影，位于所述至少一个第一圆的至少其中之一内 包括：所述两个引脚在所述基板上的位置，分别位于所述至少一个第一圆的至少其中之一 内；所述至少其中之一个所述第一充电回路元件在所述基板上的投影，位于所述第二圆内 包括：所述两个引脚在所述基板上的位置，分别位于所述第二圆内；以所述至少一个开关 芯片各自的中心点为圆心，并以其各自的长和宽的最大值与所述第一系数的乘积为半径， 构成至少一个第三圆，所述第二充电回路元件的中心点在所述基板上的位置，位于所述至 少一个第三圆的至少其中之一内。
[0018] 于再一实施例中，所述第三充电回路元件和所述第二充电回路元件分别为一电容 和一电阻；或者，所述第三充电回路元件和所述第二充电回路元件分别为一电阻和一电容； 或者，所述第三充电回路元件和所述第二充电回路元件分别为一开关器件和一电容。
[0019] 于再一实施例中，所述第一充电回路元件包括：两个引脚和电容；所述第二充电 回路元件为一开关器件；所述开关器件集成于所述电路板；所述两个引脚集成于所述基 板，所述两个引脚连接所述电容与集成的所述开关器件和所述至少一个开关芯片；所述至 少其中之一个所述第一充电回路元件在所述基板上的投影，位于所述至少一个第一圆的至 少其中之一内包括：所述两个引脚在所述基板上的位置，分别位于所述至少一个第一圆的 至少其中之一内；所述至少其中之一个所述第一充电回路元件在所述基板上的投影，位于 所述第二圆内包括：所述两个引脚在所述基板上的位置，分别位于所述第二圆内；以所述 至少一个开关芯片各自的中心点为圆心，并以其各自的长和宽的最大值与第二系数的乘积 为半径，构成至少一个第三圆，所述开关器件的中心点在所述基板上的投影，位于所述至少 一个第三圆的至少其中之一内。
[0020] 于再一实施例中，所述第一系数大于所述第二系数。
[0021] 于再一实施例中，所述功率模块还包括与所述基板平行设置且连接的电路板；其 中，所述第一充电回路元件包括：两个引脚和一第三充电回路元件；所述第二充电回路元 件集成于所述电路板；所述两个引脚集成于所述基板，所述两个引脚连接所述第三充电回 路元件与集成的所述第二充电回路元件和所述至少一个开关芯片；所述至少其中之一个所 述第一充电回路元件在所述基板上的投影，位于所述至少一个第一圆的至少其中之一内包 括：所述两个引脚在所述基板上的位置，分别位于所述至少一个第一圆的至少其中之一内； 所述至少其中之一个所述第一充电回路元件在所述基板上的投影，位于所述第二圆内包 括：所述两个引脚在所述基板上的位置，分别位于所述第二圆内；以所述至少一个开关芯 片各自的中心点为圆心，并以其各自的长和宽的最大值与所述第一系数的乘积为半径，构 成至少一个第三圆，所述第二充电回路元件的中心点在所述基板上的投影，位于所述至少 一个第三圆的至少其中之一内。
[0022] 于再一实施例中，所述第三充电回路元件和所述第二充电回路元件分别为一电容 和一电阻；或者，所述第三充电回路元件和所述第二充电回路元件分别为一电阻和一电容； 或者，所述第三充电回路元件和所述第二充电回路元件分别为一开关器件和一电容。
[0023] 于再一实施例中，所述第一充电回路元件与所述第二充电回路元件均集成于所述 基板；以所述至少一个开关芯片各自的中心点为圆心，并以其各自的长和宽的最大值与第 二系数的乘积为半径，构成至少一个第三圆，所述第二充电回路元件的中心点在所述基板 上的位置，位于所述至少一个第三圆的至少其中之一内。
[0024] 于再一实施例中，所述第一充电回路元件与所述第二充电回路元件分别为一电容 和一开关器件。
[0025] 于再一实施例中，所述第一系数大于所述第二系数。
[0026] 于再一实施例中，所述第一充电回路元件与所述第二充电回路元件均集成于所述 基板；所述第二充电回路元件的中心点在所述基板上的位置，位于所述至少一个第一圆的