一种集成化SiC固态功率控制器的制作方法

本发明属于电力电子与电工领域，涉及一种固态功率控制器（SSPC）模块集成化技术，可大大减小SSPC体积，提高SSPC可靠性，扩展其应用领域。

背景技术：

固态功率控制器（Solid State Power Controller，简称SSPC）是用固态半导体功率器件构成的电子开关电器，主要完成负载接通关断控制、反时限过流保护、过欠压保护和短路保护等功能，其具有无触点、无电弧、无噪声、响应快、电磁干扰小、寿命长、可靠性高、便于计算机远程控制等优点，正广泛应用于飞机、坦克、轮船、民用配电网等方面。

为了满足目前航空界正广泛研究和应用的高压直流供电系统技术，开展体积小，重量轻的大功率和高功率密度固态功率控制器迫在眉睫。目前商业化的固态功率控制器以美国DDC公司和Astronics公司为代表，最高电压等级为270V，单通道最大电流为75A，且体积较大，为适应航空飞机更高功率等级的高压直流供电系统，开展大功率和高功率密度的固态功率控制器是未来应用于航空飞机的固态功率控制器的研究重点。

在高功率密度集成化SSPC模快设计中，热设计以及寄生参数优化是至关重要的部分。由于集成化SSPC模块体积小，产生的热不易散发出去，在模块内部聚集就会造成模块内部温度过高，破坏模块内部功率器件和铜层走线；此外功率走线的布局产生的寄生参数在功率芯片关断过程中引起的过电压现象也威胁着功率器件芯片的安全正常工作，为了保证功率器件芯片不因过电压击穿而失效，目前SSPC模块设计工程师不得不使用更高电压等级的高成本器件产品。同时，此过电压现象还会增加器件损耗，影响电路工作效率与电磁性能，并对模块散热条件提出了更高的要求。

集成化SSPC模块的电流检测对实现电路的短路保护，带容起动等功能起着决定性作用，目前商业化SSPC产品都以检测电阻为电路电流检测手段，此方法在大电流的SSPC中精度低，安全性低且功耗大。

技术实现要素：

本发明的目的，在于克服现有技术的上述不足，提供一种带有隔离和高精度的无损电流检测的低寄生参数SiC集成化固态功率控制器模块，可以大大提高散热能力，降低功率芯片关断过程中的电压应力以及不低于150W/cm³的高功率密度。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

一种集成化SiC固态功率控制器，由功率电路板及板上铜层布局和电流检测电路布局、驱动电路板、数字电路板以及各连接端子组成。其中功率电路板及板上铜层布局提供大功率流通路径，集成了主电路、限流支路、泄放支路以及电流检测电路；驱动电路板为功率电路板上的所有功率芯片提供驱动信号并实现短路过流保护，利用功率信号端子对功率输入和功率输出进行检测，并利用插针实现对负载电流的检测上传；数字电路板实现对SSPC的状态实时监测，并实现可编程的反时限和过欠压保护以及SSPC的通讯功能；三块电路板上下叠加，通过铜柱与插针进行电气连接，功率电路板与驱动电路板通过外壳封装在模块内部，数字电路板通过插针实现与驱动板的电气连接并支撑置于外壳之上。

在上述的一种SiC集成化固态功率控制器中，所述的功率电路板及板上铜层布局，包括主电路、限流支路、泄放支路以及电流检测电路的布局，利用覆铜陶瓷基板（DBC）实现。主电路通过功率电接入端子引入功率电，利用12只左右对称分布的SiC MOSFET裸芯片对负载进行540V/200A的功率开通断操作，SiC MOSFET裸芯片的驱动输入输出采用开尔文连接，将驱动回路与功率回路完全解耦，驱动回路设置两个左右对称分布源极输出信号端子，一个栅极输入信号端子，从驱动电路板接入驱动信号，栅极电阻分布以驱动信号端子为轴心采用上下左右对称分布结构，SiC MOSFET裸芯片的功率输入输出采用同侧边接入接出分布，功率输出源极通过铝键合线连接至接入负载的功率走线铜层；限流支路通过弯折引出的功率端子与功率电接入端子接入限流电阻和功率电，两只SiC MOSFET裸芯片并联控制限流支路开通断，同样采用开尔文连接将驱动回路和功率回路解耦，驱动回路通过信号端子从驱动电路板接入驱动信号，功率回路源极输出通过铝键合线与主电路SiC MOSFET裸芯片功率回路源极输出并联连接至接入负载的功率走线铜层；电流检测采用各向异性磁阻传感器，通过检测下部U形导体磁场强度差实现电流检测，U形导体为接入负载的功率走线铜层的一部分，回绕至靠近主电路SiC MOSFET裸芯片方向，泄放支路采用一只SiC MOSFET裸芯片控制其开通断，该SiC MOSFET裸芯片功率漏极输入直接覆在接入负载的功率走线铜层之上，功率源极输出通过端子和迂回至主电路SiC MOSFET裸芯片的功率地端子接入泄放电阻，驱动回路仍然采用开尔文连接，利用信号端子从驱动电路板上引入驱动信号；泄放支路并联的两只SiC肖特基二极管裸芯片负极直接覆在接入负载的功率走线铜层之上，正极利用铝键合线连接至功率地铜层；负载利用直接覆在接入负载的功率走线铜层上的功率端子和功率地端子接入功率电路。

在上述的一种SiC集成化固态功率控制器中，所述的覆铜陶瓷基板（DBC），包括上下为铜层和中间硅基层三层结构，中间硅基层为Si3N4材料，上铜层即为功率电路板上铜层布局，下铜层与AlSiC基板焊接。

在上述的一种SiC集成化固态功率控制器中，所述的电流检测电路包括各向异性磁阻传感器，传感器周围电路，U形导体，干扰磁场屏蔽罩。U形导体为接入负载的功率走线铜层的一部分，厚度为0.3mm，直接覆在DBC硅基层之上；传感器周围电路用于设置传感器工作状态，焊接在0.8mm厚的PCB上，PCB利用耐高温的硅凝胶粘在U形导体上，并利用插针从驱动电路板引入电源以及将电流检测值上传至驱动电路板；磁屏蔽罩采用坡莫合金材料，为半全屏蔽罩结构，厚度0.3mm，上部屏蔽板直接置于DBC陶瓷层上，下部屏蔽板通过腐蚀与DBC下铜层嵌合，直接与DBC陶瓷层焊接。

在上述的一种SiC集成化固态功率控制器中，所述的SiC MOSFET裸芯片和SiC肖特基二极管裸芯片的焊接均采用纳米银烧结技术。

在上述的一种SiC集成化固态功率控制器中，所述的铝键合线均采用超声波键合方式。

采用上述方案后，本发明的有益效果如下：

1）本发明采用功率电路板，驱动电路板和数字电路板三层叠加结构，三层结构之间通过铜柱与插针进行电气连接，模块与外部采用功率端子弯折引出连接，可以极大的减小模块体积，实现集成化SiC SSPC模块耐高温、高功率密度和低寄生参数的特点；

2）本发明功率铜层采用覆铜陶瓷基板实现，且中间层硅基层采用Si3N4材料，相比于传统DBC技术的陶瓷材料，热导率和机械强度高出至少两倍，且热膨胀系数与功率芯片更接近，下表面加工成鳍片结构，此外功率MOSFET和二极管均采用SiC材料的裸芯片并利用纳米银烧结技术焊接在电路布局中，其顶部和底部既是器件的电源端子又是散热面，可以形成良好的导热路径，极大地提高散热效率，提高固态功率控制器耐高温性能；

3）本发明功率回路采用直角弯折迂回结构，功率芯片的功率输入漏极直接焊覆在功率铜层上，支路间以及功率芯片之间连接采用铝键合线方式，最大限度的减小损耗以及铜层厚度，功率SiC MOSFET电路连接采用开尔文连接，将驱动回路和功率回路完全解耦，避免小功率信号和大功率信号的耦合，提高SiC 集成化SSPC模块的工作可靠性，整个功率铜层布局可以大大减小功率部分电路体积和功率电路的寄生参数，降低功率芯片关断器件的电压应力；

4）本发明电流检测采用各项异性磁阻传感器，可以实现电流检测上传的大功率信号和小功率信号的隔离，并且实现高精度无损的检测要求，此外设置的干扰磁场屏蔽罩可以保证电流检测的正常工作以及检测结果的高线性度，屏蔽罩结构设置为半全屏蔽罩结构，可以完美的解决硅基板无法穿孔的缺点同时达到良好的干扰磁场屏蔽效果，屏蔽罩厚度与DBC的下铜层厚度一致，可通过腐蚀与下铜层直接嵌合，解决全封闭屏蔽罩难以安装的问题；

5）本发明芯片焊接采用纳米银烧结技术，该技术粘接空洞小，仅微米级，而且均匀分布，同时粘接强度高，可以极大的提高芯片可靠性及热导率；

6）本发明芯片互连以及支路连接采用超声波铝线键合方式，最大限度的降低对芯片的损害，可靠性高。

附图说明

图1是本发明3D外观结构图；

图2是本发明的3D结构侧面图；

图3是本发明功率部分电路拓扑图；

图4是本发明功率电路板布局图；

图5是本发明电流检测电路结构图；

图6本发明电流检测屏蔽罩下部图；

图7是本发明电流检测U形导流条结构图；

图8是本发明驱动电路板布局图。

图中1-外壳；2-基板；3-功率输入功率端子；4-限流支路功率芯片功率漏极功率端子；5-接入负载的功率走线铜层的功率端子；6-泄放支路功率芯片功率源极功率端子；7-功率地功率端子；8-泄放支路的功率电阻；9-限流支路的功率电阻；10-数字电路板；11-数字电路板上电源管理电路；12-数字电路板上DSC数字控制芯片电路；13-数字电路板上CAN通讯电路；14-驱动电路板上传数据至数字电路板的信号端子插针；15-功率电路板；16-限流支路功率芯片SiC MOSFET驱动信号端子；17-电流检测电路；18-驱动电路板；19-电流检测值上传至驱动电路板的信号端子插针；20-限流支路；21-主电路；22-泄放支路；23- DBC硅基层；24-主电路功率芯片SiC MOSFET漏极功率输入小信号端子；25-功率地输出小信号端子；26-主电路功率芯片SiC MOSFET源极驱动输出信号端子1；27-主电路功率芯片SiC MOSFET源极驱动输出信号端子2；28-主电路功率芯片SiC MOSFET漏极驱动输入信号端子；29-泄放支路功率芯片SiC MOSFET驱动信号端子；30-接入负载的功率走线铜层功率小信号端子；31-主电路功率芯片SiC MOSFET；32-主电路功率芯片SiC MOSFET键合线；33-主电路功率芯片SiC MOSFET栅极电阻；34-主电路功率芯片SiC MOSFET漏极功率输入铜层；35-主电路功率芯片SiC MOSFET源极功率输出铜层；36-主电路与接入负载的功率走线铜层连接键合线；37-限流支路功率芯片SiC MOSFET；38-接入负载的功率走线铜层；39-泄放支路功率芯片SiC MOSFET；40-泄放支路肖特基二极管；41-泄放支路肖特基二极管键合线；42-各向异性磁阻传感器周围电路PCB板；43- U形导流体；44-屏蔽罩下部分；45-屏蔽罩上部分；46-各向异性磁阻传感器；47-驱动电路板上电源管理电路；48-驱动电路板上固态功率控制器电路状态上传电路；49-驱动电路板上泄放支路功率芯片驱动电路；50-驱动电路板上过流短路保护电路；51-驱动电路板上限流支路功率芯片驱动电路；52-驱动电路板上主电路功率芯片驱动电路。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。

如图1所示为本发明的3D外观结构图，由图可知SiC集成化固态功率控制器由外壳1、基板2、外引至外壳外面的各功率端子（3、4、5、6、7）和功率电阻（泄放电阻8、限流电阻9）、外壳内部的电路结构以及安装在外壳上面的数字电路板10组成。功率电阻8和9放置在外壳1外面，有利于大体积和大功率的功率电阻在集成化SSPC模块中的安装以及功率电阻的散热。外壳1采用高导热率的铝合金材料，基板2采用低热膨胀系数和高热导率的AlSiC材料，对内部结构进行密封，保护内部结构的同时利于模块内部的热量散发出去；外壳1内部利用耐高温的硅凝胶材料填充空隙，不仅考虑了模块内部器件的散热，而且还可利用硅凝胶材料的特性加深内部结构的稳定性，防止内部结构松动；数字电路板10通过如图1两边分布的插针14安装在外壳上面，两边分布的插针不仅起到数字电路板与外壳内部电气连接的作用，而且还可以对数字电路板起到固定作用；功率端子3、4、5、6和7均采用弯折后外引出模块，方便模块与外部负载以及功率电进行连接。

图2则显示了外壳内部的结构侧面图，包括了功率电路板15和驱动电路板18以及电路板之间电气连接的端子（14、16、19）。其中信号端子14为驱动电路板与数字电路板电气连接的插针；信号端子19为电流检测电路17上传至驱动电路板18的插针；信号端子16为限流支路中功率芯片SiC MOSFET的信号驱动端子，功率电路板与驱动电路板之间的信号连接除了端子16，还有如图4所示的主电路功率芯片SiC MOSFET源极驱动输出信号端子26和27、主电路功率芯片SiC MOSFET栅极驱动输入信号端子28、主电路功率芯片SiC MOSFET漏极功率输入小信号端子24、接入负载的功率走线铜层功率输出小信号端子30、泄放支路功率芯片SiC MOSFET驱动信号端子29、功率地小信号端子25，这些端子直接焊接到驱动电路板18的焊盘上，驱动电路板如图8所示，其上开有与功率电路板相对应的孔，形状也依据模块的内部结构进行了设计，其上还有驱动电路相关的电子器件，包括主电路功率芯片驱动电路52、限流支路功率芯片驱动电路51、泄放支路功率芯片驱动电路49、电源管理电路47、SSPC状态量上传电路48以及SSPC短路过流保护电路50。

如图4 所示，功率电路板由板上铜层布局和电流检测电路布局以及与外界环境和驱动板之间的各连接端子组成，其对应的电路拓扑如图3所示，电流经过主电路21为负载供电，限流支路20提供负载过电流保护，泄放支路22提供负载关断的续流保护。功率电路板采用覆铜陶瓷基板（DBC）实现，即上下为铜层和中间硅基层三层结构，三层结构上下焊接在一起，中间硅基层23为Si3N4材料，上铜层即为图2所示电路拓扑的铜层实现，下铜层还与AlSiC基板焊接。

在图3和4中，主电路21通过功率电接入端子3引入功率电，利用12只左右对称分布的SiC MOSFET裸芯片31对负载进行540V/200A的功率开通断操作，并且将输入功率信号端子24上传至驱动电路板18进行检测，SiC MOSFET裸芯片31的驱动输入输出采用开尔文连接，将驱动回路与功率回路完全解耦，驱动回路设置两个左右对称分布源极信号端子26和27，一个栅极信号端子28，从驱动电路板18接入驱动信号，栅极电阻33分布以信号端子26、27和28为轴心采用上下左右对称分布结构，SiC MOSFET裸芯片31的功率输入输出采用同侧边接入接出分布，功率输出源极35通过铝键合线36连接至接入负载额定功率走线铜层38。

限流支路20通过弯折引出的功率端子4与功率电接入端子3接入限流电阻9和功率电，两只SiC MOSFET裸芯片37并联控制限流支路开通断，同样采用开尔文连接将驱动回路和功率回路解耦，驱动回路通过信号端子16从驱动电路板18接入驱动信号，功率回路源极输出通过铝键合线36与主电路SiC MOSFET裸芯片功率回路源极输出35并联连接至接入负载的功率走线铜层38。

电流检测电路17如图5所示，采用各向异性磁阻传感器46，通过检测下部U形导体43磁场强度差实现电流检测，U形导体43为接入负载的功率走线铜层38的一部分，形状如图7所示，回绕至靠近主电路SiC MOSFET裸芯片31方向，厚度为0.3mm，直接覆在DBC硅基层23之上，传感器周围电路42用于设置传感器工作状态，焊接在0.8mm厚的PCB上，PCB利用耐高温的硅凝胶粘在U形导体43上，并利用插针19从驱动电路板引入电源以及将电流检测值上传至驱动电路板18；磁屏蔽罩采用坡莫合金材料，为半全屏蔽罩结构，厚度0.3mm，上部屏蔽板45直接置于DBC陶瓷层上，下部屏蔽板44如图6所示通过腐蚀与DBC下铜层嵌合，直接与DBC陶瓷层焊接。

泄放支路22采用一只SiC MOSFET裸芯片36控制其开通断，该SiC MOSFET裸芯片功率漏极输入直接覆在负载功率走线铜层39之上，功率源极输出通过端子5和迂回至主电路SiC MOSFET裸芯片的功率地端子7接入功率电阻8，驱动回路仍然采用开尔文连接，利用信号端子29从驱动电路板18上引入驱动信号；泄放支路并联的两只SiC肖特基二极管裸芯片40负极直接覆在接入负载的功率走线铜层38之上，正极利用铝键合线41连接至功率地铜层，在图3中简化为一只二极管表示；负载利用直接覆在接入负载的功率走线上的功率端子5和功率地端子7接入功率电路，功率端子5和功率地端子7分别设置了信号端子30和25将负载电压信息上传至驱动电路板18。

数字电路板10电路布局如图1所示，包括电源管理电路11、DSC数字芯片12、CAN通讯电路13以及与驱动电路板之间的连接接口14。数字电路板接收上位机的开通、关断命令，隔离传送给模拟控制电路，并对固态功率控制器的运行状态进行实时检测，将固态功率控制器的运行状态数据上传给上位机，此外完成固态功率控制器的I²T保护，过欠压保护。电源管理电路11为DSP以及其他电路提供电源； DSC数字芯片12作为数字电路板的控制中心，存储编写好的程序；与驱动电路板之间的连接接口14将固态功率控制器的负载电流以及输入输出电压上传到数字电路板上。

驱动电路板18电路布局如图8所示，包括主电路功率芯片的驱动电路52、限流支路功率芯片的驱动电路51、泄放支路功率芯片的驱动电路49、短路过流保护电路50、固态功率控制器电路状态上传电路48以及电源管理电路47。电源管理电路47从外界接入电源为驱动电路板上所有电路供电；主电路、限流支路以及泄放支路的驱动电路52、51、49为功率电路板上的功率芯片提供驱动信号，控制主电路、限流支路和泄放支路的开通和关断；短路过流保护电路通过插针19采集功率电路板上的负载电流，对负载电流进行监控，当负载电流过大时通过控制驱动信号来实现保护；固态功率控制器电路状态上传电路48将固态功率控制器的电流，输入输出电压信号上传到数字电路板10，通过数字电路板10进行数字编程实现对固态功率控制器实施保护。

综上所述，尽管本发明的基本结构、原理、方法通过上述实施例予以具体阐述，在不脱离本发明要旨的前提下，根据以上所述的启发，本领域普通技术人员可以不需要付出创造性劳动即可实施变换/替代形式或组合均落入本发明保护范围内。