阅读说明：本技术 降低功率模块中的封装寄生电感 (Reducing package parasitic inductance in power modules ) 是由 徐竹娴 雷光寅 内文·阿尔通尤尔特 陈靖奇 于 2019-06-04 设计创作，主要内容包括：本公开提供了“降低功率模块中的封装寄生电感”。一种功率模块,包括具有一对并排间隔开的母线的封装结构,每根母线均连接到对应的开关。所述功率模块包括导电垫,所述导电垫位于所述母线与所述开关之间并与所述母线和所述开关电隔离,并且被配置成响应于由所述开关产生的通过所述母线并且在所述母线之间产生功率回路磁通量的电流流动,而产生部分地抵消所述功率回路磁通量的磁通量。(The present disclosure provides "reducing package parasitic inductance in a power module. A power module includes an enclosure having a pair of side-by-side spaced apart bus bars, each bus bar connected to a corresponding switch. The power module includes a conductive pad located between and electrically isolated from the bus bar and the switch and configured to generate a magnetic flux that partially cancels a power loop magnetic flux in response to a flow of current generated by the switch through the bus bar and between the bus bars.)

降低功率模块中的封装寄生电感

技术领域

本公开涉及用于降低功率模块中的封装寄生电感的系统和方法。

背景技术

术语“电动车辆”可以用于描述具有用于车辆推进的至少一个电动马达的车辆，诸如电池电动车辆(BEV)和混合动力电动车辆(HEV)。BEV包括至少一个电动马达，其中马达的能量源是可从外部电网再充电的电池。HEV包括内燃发动机和一个或多个电动马达，其中发动机的能量源是燃料，而马达的能量源是电池。HEV电池可以是更大容量的电池，其可从外部电网再充电并且可以用作用于车辆推进的主能量源，直到电池耗尽到低能量水平，此时HEV可以至少部分地依赖于用于车辆推进的内燃发动机。

发明内容

一种功率模块包括：封装结构，其具有一对并排间隔开的母线，每根母线均连接到对应的开关；以及导电垫，其位于母线与开关之间并与母线和开关电隔离，并且被配置成响应于由开关产生的通过母线并且在母线之间产生功率回路磁通量的电流流动，而产生部分地抵消功率回路磁通量的磁通量。

一种逆变器包括功率模块，所述功率模块包括：封装结构；设置在所述结构上的一对并排间隔开的母线；以及导电垫，所述导电垫布置成使得通过母线的电流流动在母线之间感应出功率回路磁通量并且在所述垫中感应出涡电流，所述涡电流产生与所述功率回路磁通量相反的磁通量。

一种用于逆变器的功率模块包括：一对并排间隔开的母线，其彼此电连接并且每根母线均连接到对应的开关；以及导电垫，其设置在母线与开关之间并与母线和开关电隔离，并且被配置成响应于由开关产生的通过母线并且在母线之间产生功率回路磁通量的电流流动，而产生与功率回路磁通量相反的磁通量。

附图说明

图1A是示出混合动力车辆(HEV)的逆变器的框图；

图1B是示出封装电感的逆变器功率模块的框图；

图2A是示出功率模块布局的俯视图的框图；

图2B是示出功率模块布局的横截面视图的框图；

图3是示出功率回路电流的路径的框图；

图4A和图4B是示出在各种杂散电感值下的开关行为的曲线图；

图5A是示出包括导电垫的功率模块的俯视图的框图；

图5B是示出具有导电垫的功率模块的横截面视图的框图；并且

图6是示出功率回路和涡电流的路径的框图。

具体实施方式

本文中描述了本公开的实施例。然而，应理解，所公开的实施例仅仅是示例，并且其他实施例可以采取各种和替代形式。附图不一定按比例绘制；一些特征可以被放大或最小化以示出特定部件的细节。因此，本文中公开的具体结构细节和功能细节不应被解释为是限制性的，而是仅仅作为教导所属领域技术人员以不同方式采用本发明的代表性基础。如所属领域一般技术人员将理解，参考任何一个附图示出并描述的各个特征可以结合一个或多个其他附图中示出的特征以产生未明确示出或描述的实施例。所示特征的组合提供用于典型应用的代表性实施例。然而，对于特定应用或实现方式，可能需要根据本公开的教导对这些特征做出各种组合和修改。

示例性混合动力电动车辆(HEV)可以包括机械连接到发动机和驱动轴驱动轮的混合动力变速器。在一些示例中，混合动力变速器还可以机械连接到能够作为马达或发电机来操作的一个或多个电机。在例如电池电动车辆(BEV)的纯电动车辆中，混合动力变速器可以是连接到电机的齿轮箱，并且发动机可以不存在。

逆变器的功率模块可以包括多个开关半导体元件，以及电容器和其他电子部件。当闭合时，一个或多个逆变器开关可以形成功率回路并且可以被配置成将电能传输到逆变器和牵引电池以及从逆变器和牵引电池传输电能。当一个或多个开关闭合时形成的功率回路电路可以产生杂散电感，或者功率模块的一个或多个部件、DC链路电容器和母线固有的分布式寄生电感参数。

功率回路杂散电感可以影响开关半导体元件的操作，例如，绝缘栅双极结晶体管(IGBT)、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)等。在一个示例中，杂散电感可能在开关元件的开关期间引起电压过冲，从而导致开关的过早磨损或故障。

图1A示出了逆变器106的示例性功率开关布置100-A。电机104可以电连接到逆变器106，从而在电机104与至少一个牵引电池102之间提供双向能量传递。例如，在马达模式中，逆变器106可以将由牵引电池102提供的直流电(DC)输出转换成电机104正常工作可能需要的三相交流电(AC)。作为另一个示例，在再生模式中，逆变器106可以将来自用作发电机的电机104的三相AC输出转换成牵引电池102所需的DC电压。

在一个示例中，逆变器106可以包括多个功率开关108，所述多个功率开关108被配置成向电机104提供三相电压/电流。当闭合时，功率开关108可以被配置成将电压从高压DC母线传输到电机104的对应的相输入。第一对开关108a可以被配置成选择性地将DC母线功率和返回端子耦合到电机104的第一相输入。第二对开关108b和第三对开关108c可以选择性地将对应的DC母线功率和返回端子分别耦合到电机104的第二相输入端和第三相输入端。

开关108可以包括一个或多个功率开关装置。作为一个示例，开关108中的每一个可以包括一个或多个IGBT、MOSFET和其他固态开关装置。每个开关108还可以包括对应的控制输入(例如，栅极输入)，可以通过该控制输入操作开关108接通和关断，或者闭合和断开。每个开关108的对应控制输入可以电耦合到车辆的一个或多个控制器。因此，电机104的每个相输入可以通过一对开关108选择性地耦合到牵引电池102的端子。作为一个示例，可以操作开关108，使得在给定时间仅接通对108a、108b和108c中的每一者的一个开关108。

图1B示出了用于逆变器106的示例性功率回路电路布置100-B。电路布置100-B可以包括功率模块部分120和DC链路电容器和母线部分122。功率模块120可以包括多个功率半导体开关110，所述多个功率半导体开关110彼此串联电连接并且与DC链路电容器112电串联。一个或多个开关110在闭合时可以例如经由母线与DC链路电容器112一起完成电路，并且可以被配置成在逆变器106与牵引电池102之间传输电能。在一些情况下，DC链路电容器112可以是薄膜电容器。

虽然本文中没有单独示出，但是逆变器106可以包括更多或更少的功率模块120和DC链路电容器112，以及一个或多个其他功率装置、主电路母线、功率模块驱动电路板、马达控制电路板、三相电流传感器、DC和AC连接器和其他电气部件。开关110可以被配置成传输预定义的电流值，并且可以具有足以操作电机104以满足对应的功率和扭矩请求的相关联的额定功率。

开关110中的每一个可以包括控制通过开关110的电流流动的多个端子。例如，开关110可以是IGBT型开关，并且可以包括连接到电容器112的正端子112a的集电极(C)端子114和连接到电容器112的负端子112b的发射极(E)端子116。在一些情况下，开关110可以是MOSFET型开关，并且可以包括漏极(D)端子、源极(S)端子等。另外或替代地，开关110可以是其他类型的半导体装置。开关110中的每一个的对应栅极(G)端子118可以是该开关108的控制输入。在一个示例中，栅极(G)端子118可以通过被配置成监测和控制开关110的操作的栅极驱动器与一个或多个车辆控制器(未示出)连接。

当一个或多个开关110闭合时形成的功率回路100-B电路可以产生杂散电感124，或者功率模块部分120的一个或多个部件、DC链路电容器和母线部分122固有的分布式寄生电感参数等等。功率回路100-B杂散电感124可以影响开关110的操作，诸如但不限于，在开关110的开关期间引起电压过冲，从而导致开关110的过早磨损或故障。

图2A示出了逆变器106的示例性功率模块202的俯视图200-A。功率模块202可以包括封装结构206，所述封装结构206被配置成接收一对开关204、一对DC母线208和AC母线210。封装结构206可以是塑料的，并且可以被配置成在空间上将开关204、DC母线208、AC母线210和功率模块202的其他部件相对于彼此定位。封装结构206还可以是保护壳体、模制件等中的一者，其被配置成容纳功率模块202的一个或多个部件。开关204可以代表至少参考图1B描述的开关110的布局。每个开关204可以是硅裸片，并且可以包括栅极端子212、发射极端子214和集电极端子(未示出)。

DC母线208a、208b和AC母线210可以被配置成延伸到功率模块202的底部铜引线框架(未示出)外部，以通过母线将功率模块202电连接到DC链路电容器112。开关204a可以设置在正DC母线208a上并且电连接到正DC母线208a，并且开关204b可以设置在AC母线210上并且电连接到AC母线210。每个开关204的对应的栅极和开尔文发射极端子212、214可以分别使用接合线218、220连接到开关204的主体。

如至少参考图2B所述，对应的铜间隔件224可以设置在开关204a、204b中的每一个的一侧周围。在一些情况下，一个铜间隔件224可以将第一顶部铜引线框架部分222a的至少一部分与第一开关204a和正DC母线208a两者分离，并且另一个铜间隔件224可以将第二顶部铜引线框架部分222b的至少一部分与第二开关204b和AC母线210两者分离。另外或替代地，第一顶部铜引线框架部分222a的至少一部分可以电连接到AC母线210，并且第二顶部铜引线框架部分222b的至少一部分可以电连接到负DC母线208b。第一顶部铜引线框架部222a与母线210之间以及第二顶部铜引线框架部分222b与母线208b之间的相应连接可以被配置成将电流从正DC母线208a传输到负DC母线208b。因此，顶部铜引线框架部分222a、222b的一些部分可以向外延伸超过开关204a、204b和铜间隔件224的外边缘以形成如本文所述的电连接和完整的电路。

图2B示出了功率模块202的横截面视图200-B。开关204a可以设置在正DC母线208a与第一顶部铜引线框架部分222a之间。铜间隔件224可以设置在第一顶部铜引线框架部分222a的至少一部分与开关204a之间。在一个示例中，开关204a的第一侧204a-1可以与正DC母线208a的顶部部分208a-1相邻和/或接触。在另一个示例中，开关204a的与第一侧204a-1相对的第二侧204a-2可以与铜间隔件224的第一侧224-1相邻和/或接触。在又一个示例中，铜间隔件224的与第一侧224-1相对的第二侧224-2可以与第一顶部铜引线框架部分222a的第一侧222a-1的至少一部分相邻和/或接触。尽管未单独示出，但是铜间隔件224、第一开关204a和第一顶部铜引线框架部分222a的至少一部分相对于彼此的布局也可以适用于铜间隔件224、第二开关204b和第二顶部铜引线框架部分222b的至少一部分之间的相对定位。

图3示出了功率模块202中的电流路径302的示例性图300。在一个示例中，功率回路电流流动302通过从正DC母线208a到负DC母线208b的导电路径。电流流动302可以感应出磁通量304。在一些情况下，可以使用右手定则来确定磁通量304的方向。例如，在功率回路电流的方向上卷曲右手的手指可以指示磁通量304的方向垂直于功率回路电流的路径并且从页面出来。

然后，可以使用以下等式计算功率回路杂散电感L_s：

其中Φ是磁通量，并且I是功率回路电流。功率电路电感可以包括功率模块202的内部电感、母线208的电感和电容器112的内部电感。

图4A和图4B示出了在各种功率回路杂散电感L_s值的情况下指示开关204的关断行为的示例性曲线图400。图4A示出了电压曲线图400-A，使得开关204的最大集电极-发射极电压V_ce可以随着杂散电感L_s增加而相对于参考电压V_参考增加。例如，当L_s大约等于20nH时出现的最大集电极-发射极电压V₂₀小于参考电压V_参考。作为另一个示例，当L_s大约等于80nH时出现的最大集电极-发射极电压V₈₀大于参考电压V_参考。

图4B示出了关断能量E_关断曲线图400-B，使得开关204的最大关断能量值E_关断可以随着杂散电感L_s增加而相对于参考关断能量E_{关断_参考}增加。例如，当L_s大约等于20nH时出现的最大关断能量E₂₀小于参考关断能量E_{关断_参考}和当L_s大约等于40nH时出现的最大关断能量E₄₀两者等等。作为另一个示例，当L_s大约等于80nH时出现的最大关断能量E₈₀大于参考关断能量E_{关断_参考}、当L_s大约等于60nH时出现的最大关断能量E₆₀、当L_s大约等于40nH时出现的最大关断能量E₄₀和当L_s大约等于20nH时出现的最大关断能量E₂₀中的每一个。

因此，降低功率回路杂散电感L_s可以改善开关204的操作。降低杂散电感L_s的方法包括优化引脚位置并覆盖每个功率模块202的正和负DC母线208端子。

图5A示出了电流流过功率模块508期间具有较低杂散电感L_s的示例性功率模块508的俯视图500-A。导电垫502可以设置在DC母线208之间并且进一步设置在一对开关204之间。每根母线208分别包括彼此相对设置的顶部部分208-1和底部部分208-2。在一个示例中，正DC母线208a和负DC母线208b的对应顶部部分208-1彼此相邻。导电垫502可以包括第一垫侧502a和与第一垫侧502a相对设置的第二垫侧502b。在一些情况下，导电垫502的第一垫侧502a可以与第一正DC母线侧208a-1相邻，并且导电垫502的第二垫侧502b可以与第一负DC母线侧208b-1相邻。

导电垫502可以与开关204电隔离，并且与DC母线208、AC母线210和功率模块508的其他部件电隔离。在一些情况下，导电垫502可以使用金属垫或通过在柔性或非柔性印刷电路板(PCB)上安装铜平面来实施。

图5B示出了在功率电流流动期间具有较低杂散电感L_s的功率模块508的横截面视图500-B。在一个示例中，导电垫502可以与开关204、DC母线208、AC母线210和封装结构206中的每一个电隔离。在另一个示例中，导电垫502可以与功率模块508的所有其他部件电隔离。

图6示出了功率模块508中的电流路径302的示例性图600。在一个示例中，功率回路电流流动302通过从正DC母线208a到负DC母线208b的导电路径，例如，经由第一顶部铜引线框架部分222a和第二顶部铜引线框架部分222b。由功率回路电流流动302引起的磁通量304可以垂直于功率回路电流的路径指向并且指向为从页面出来，如由圆圈304所指示。

磁通量304还可以在设置在DC母线208之间并且进一步设置在一对开关204之间的导电垫502中感应出涡电流602。在一个示例中，涡电流602可以产生对应的磁场604，所述磁场604具有与功率回路磁场304的方向相反的方向。导电垫磁通量604可以减少或部分地抵消功率回路磁通量304。在另一个示例中，涡电流回路602的方向可以是进入页面，如大体上由X 604所指示。

本文所公开的过程、方法或算法可以交付给处理装置、控制器或计算机(其可以包括任何现有的可编程电子控制单元或专用电子控制单元)或者由其实施。类似地，该过程、方法或算法可以存储为可由控制器或计算机执行的呈许多形式的数据和指令，该形式包括(但不限于)永久地存储在诸如ROM装置等不可写存储介质上的信息以及可变地存储在诸如软盘、磁带、CD、RAM装置和其他磁性和光学介质等可写存储介质上的信息。该过程、方法或算法还可以以软件可执行对象来实施。替代地，所述过程、方法或算法可以全部或部分地使用合适的硬件部件来体现，诸如专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、状态机、控制器或其他硬件部件或装置，或者硬件、软件和固件部件的组合。

在说明书中使用的词汇是描述性词汇，而不是限制性的词汇，并且应理解，可以在不脱离本公开的精神和范围的情况下做出各种改变。如前所述，各种实施例的特征可以进行组合以形成可能未明确描述或示出的本发明的另外的实施例。虽然各种实施例就一个或多个期望特性而言可能已经被描述为相对于其他实施例或现有技术实现方式提供优点或者是优选的，但是所属领域一般技术人员应认识到，可以折衷一个或多个特征或特性以实现期望的整体系统属性，这取决于具体应用和实现方式。这些属性可以包括但不限于成本、强度、耐用性、生命周期成本、市场适销性、外观、封装、尺寸、可维护性、重量、可制造性、易组装性等。因此，就一个或多个特性而言，描述为期望性不及其他实施例或现有技术实现方式的实施例并非在本公开的范围之外并且对于特定应用来说可能是期望的。

根据本发明，提供了一种功率模块，其具有：封装结构，其包括一对并排间隔开的母线，每根母线均连接到对应的开关；以及导电垫，其位于母线与开关之间并与母线和开关电隔离，并且被配置成响应于由开关产生的通过母线并且在母线之间产生功率回路磁通量的电流流动，而产生部分地抵消功率回路磁通量的磁通量。

根据实施例，垫是具有铜平面的印刷电路板。

根据实施例，垫是金属垫。

根据实施例，电流流动经由对应的引线框架部分进行，每个引线框架部分连接到母线中的不同母线。

根据实施例，垫与引线框架部分电隔离。

根据实施例，开关是硅裸片，所述开关中的每一个均具有与母线中的对应母线相邻设置的一侧和与引线框架部分相邻设置的另一侧。

根据实施例，上述发明的特征还在于两个铜间隔件，每个铜间隔件设置在引线框架的至少一部分与开关中的对应开关之间。

根据本发明，提供了一种逆变器，其具有功率模块，所述功率模块包括：封装结构；设置在所述结构上的一对并排间隔开的母线；以及导电垫，所述导电垫布置成使得通过母线的电流流动在母线之间感应出功率回路磁通量并且在所述垫中感应出涡电流，所述涡电流产生与所述功率回路磁通量相反的磁通量。

根据实施例，垫与母线和结构电隔离。

根据实施例，垫是包括铜平面的印刷电路板。

根据实施例，垫是金属垫。

根据实施例，电流流动由一对半导体开关产生，并且其中所述开关中的每一个均连接到所述母线中的不同母线。

根据实施例，垫与开关电隔离。

根据实施例，上述发明的特征还在于DC链路电容器，其被配置成根据开关的操作进行充电和放电。

根据本发明，提供了一种用于逆变器的功率模块，所述功率模块具有：一对母线，其彼此电连接并且每根母线均连接到对应的开关；以及导电垫，其设置在母线与开关之间并与母线和开关电隔离，并且被配置成响应于由开关产生的通过母线并且在母线之间产生功率回路磁通量的电流流动，而产生与功率回路磁通量相反的磁通量。

根据实施例，垫是具有铜平面或金属垫的印刷电路板。

根据实施例，上述发明的特征还在于引线框架部分，其设置在一个开关的与第二侧相对的第一侧周围，电连接到对应的母线，其中引线框架部分的至少一部分延伸超出开关的外边缘，以电连接到所述母线中的不同母线。

根据实施例，垫与引线框架部分电隔离。

根据实施例，每个开关夹置在母线中的对应母线与对应的引线框架部分的至少一部分之间。

根据实施例，上述发明的特征还在于两个铜间隔件，每个铜间隔件设置在对应的开关与对应的引线框架部分之间。