一种基于碳化硅双面子模块并联的大容量电力电子模块

本发明涉及电力电子器件封装集成，具体为一种基于碳化硅双面子模块并联的大容量电力电子模块。

背景技术：

1、近年来，以碳化硅为代表的宽带隙半导体器件发展迅猛，。与传统硅器件相比，碳化硅器件具有导通电阻小、击穿场强高、开关速度快、耐高温等特点，更加适用于高频、高压、高温等应用场景。但是，受限于碳化硅单芯片电流容量，大电流容量一般需要多芯片并联实现。尤其在电动汽车应用场景下要求越来越高的功率等级，而多芯片并联带来的寄生参数不匹配问题会导致芯片的热失效，同时，在电动汽车长时间高温运行环境下，功率模块的散热能力也成为了至关重要的一点，这对适用于电动汽车应用场景的新型碳化硅功率模块的研发带来了更大的挑战。

2、基于此，双面散热模块作为新型封装的提出，通过平面互连等方式取代了传统的键合线工艺，从而实现双面冷却散热，极大地提高了功率模块的散热性能和可靠性，是作为电动汽车应用领域下新的封装解决方案。然而，受限与双面模块的三维结构和封装工艺限制，无法设计出电流均衡分配的大容量多芯片并联功率模块。因此想要提升双面模块的电流等级以适应更高功率等级的电动汽车应用场景，必须通过多模块并联实现。

3、现在的多模块并联大多存在母排设计不合理导致的寄生参数分布不均，寄生参数过大导致严重的电压过冲；多个并联驱动信号之间的信号不匹配导致的动态电流不均，虽然可以通过有源均流等方式加以调整，但是控制非常复杂且成本高昂。不仅如此，目前解决大电流容量问题的方法大多是设计单面多芯片并联碳化硅功率模块或者通过单面碳化硅功率模块实现多模块并联，这无法满足当今电动汽车高温工作环境下良好的散热性能需求，而且单面模块通常具有较大的回路面积和整体空间体积，功率密度明显不如双面模块，并且具有较大的寄生参数，这些因素都不利于电动汽车在更高功率等级的环境下应用。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于碳化硅双面子模块并联的大容量电力电子模块，解决目前电动汽车领域中碳化硅功率模块电流容量不足、散热性能不够强、功率密度较低的问题，所述大容量电力电子模块兼顾了多模块并联电流分配均衡与双面散热性能，适用于电动汽车电驱系统更高功率等级的应用场景。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种基于碳化硅双面子模块并联的大容量电力电子模块，包括适用于多模块并联的双面碳化硅功率半桥模块、双面散热器、薄膜解耦电容、交流端汇流排、并联模块驱动pcb板、直流侧母排、母线支撑薄膜电容，双面碳化硅功率半桥模块设置有六个，六个双面碳化硅功率半桥模块通过引出的功率端子并联于直流侧母排的输出端，且功率端子处均设置有薄膜解耦电容，薄膜解耦电容通过螺丝与双面碳化硅功率半桥模块、直流母排输出侧引出端子连接；直流侧母排的输入端与外部电源连接；

4、双面碳化硅功率半桥模块与双面散热器连接；六个双面碳化硅功率半桥模块的中点交流侧输出端子通过交流端汇流排连接，每一个双面碳化硅功率半桥模块的驱动端子均引出并连接到并联模块驱动pcb板上。

5、双面碳化硅功率半桥模块在其上表面和下表面涂抹导热硅脂与双面散热器的夹层紧密贴合，通过螺丝孔定位完成与双面散热器的装配。

6、优选的，直流母排为双面叠层母排结构，直流母排包括五层，由上到下依次记作第一绝缘外层、dc+铜层、内绝缘层、dc-铜层和第二外绝缘层。

7、优选的，dc+铜层和dc-铜层均为紫铜材质，第一绝缘外层、内绝缘层和第二外绝缘层均为聚酯材质。

8、优选的，dc+铜层上设置有输入侧dc+端子，dc-铜层上设置有输入侧dc-端子，直流侧双面叠层母排通过输入侧dc+端子、输入侧dc-端子与外部电源连接，并通过母排输出侧引出端子与六个并联的双面碳化硅功率半桥模块1实现连接。

9、优选的，直流侧母排上还设置有三个并联的母线支撑薄膜电容，母线支撑薄膜电容通过dc+铜层14、dc-铜层与直流母排10连接。

10、优选的，双面碳化硅功率半桥模块与电动汽车车用双面模块兼容，双面碳化硅功率半桥模块内部包括两个桥臂，每个桥臂设置有两个并联且结构完全对称的碳化硅芯片，双面碳化硅功率半桥模块内部集成有驱动电阻，适合多模块并联互连。

11、优选的，双面散热器的内层设置有散热通道，散热通道上设置引出接口，引出接口外接水冷设备。

12、优选的，双面散热器的中间夹层与并联的双面碳化硅功率半桥模块紧密贴合，该中间夹层分为两层，每一层并排设置有三个双面碳化硅功率半桥模块。

13、优选的，交流端汇流排上开设有挖孔。

14、与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

15、本发明公开了一种基于碳化硅双面子模块并联的大容量电力电子模块，与同等级下单面大容量碳化硅功率模块相比，采用双面碳化硅模块并联结合双面散热器的组合，单个双面功率模块的尺寸为52mm×30mm×5.8mm，整体尺寸只有211mm×40mm×40mm，可以实现双面冷却水冷散热，并在双面模块内部采用金属柱互连代替传统键合线互连，提高了模块整体的散热性能和可靠性。不仅如此，通过ansys q3d优化设计交流侧汇流排、直流母排端子分布的寄生参数，可以实现各支路阻抗匹配从而保证动静态电流分配均衡；又由于双面碳化硅模块内部芯片也可做到完全均流，再加上每个模块外部提供的薄膜解耦电容，可以降低母排带来的较大寄生参数减少电压过冲并优化动态电流路径为每个并联的模块提供更加均衡的电流；驱动板设计采用单驱动加栅源振荡抑制电路保证各模块之间的栅源驱动信号同步且栅源信号稳定，因此并联之后形成的大容量电力电子模块内部电流分配非常均衡。

16、进一步的，由于本发明设计的基于碳化硅双面子模块并联的大容量电力电子模块通过对功率子模块布局优化设计，栅源驱动电路优化，并联母排端子分布优化，可以实现并联模块之间均衡的电流分布，从而避免局部损耗过高导致的热失效问题；同时，采用双面碳化硅功率模块作为单面碳化硅功率模块的替代，使得模块整体具有更高的散热性能和可靠性，适用于电动汽车应用领域中更大功率等级的场合，且设计方法灵活可调，具备很强的扩展性，可以根据实际情况调整并联模块的数量，在电动汽车电驱系统的应用中可带来极大的经济效益。

17、进一步的，薄膜解耦电容可降低回路寄生参数减少电压过冲并优化电流路径平衡各并联模块间的电流。

18、进一步的，引出接口外接水冷设备，用以实现双面水冷散热。

19、进一步的，挖空用以保证多模块并联各支路均衡，从而实现电流均衡分配。

技术特征：

1.一种基于碳化硅双面子模块并联的大容量电力电子模块，其特征在于，包括适用于多模块并联的双面碳化硅功率半桥模块(1)、双面散热器(2)、薄膜解耦电容(3)、交流端汇流排(4)、并联模块驱动pcb板(5)、直流侧母排(10)、母线支撑薄膜电容(9)，双面碳化硅功率半桥模块设置有六个，六个双面碳化硅功率半桥模块通过引出的功率端子并联于直流侧母排(10)的输出端，且功率端子处均设置有薄膜解耦电容(3)，薄膜解耦电容(3)通过螺丝与双面碳化硅功率半桥模块(1)、直流母排输出侧引出端子(8)连接；直流侧母排(10)的输入端与外部电源连接；

2.根据权利要求1所述的基于碳化硅双面子模块并联的大容量电力电子模块，其特征在于，双面碳化硅功率半桥模块(1)在其上表面和下表面涂抹导热硅脂与双面散热器(2)的夹层紧密贴合，通过螺丝孔定位完成与双面散热器(2)的装配。

3.根据权利要求1所述的基于碳化硅双面子模块并联的大容量电力电子模块，其特征在于，直流母排为双面叠层母排结构，直流母排包括五层，由上到下依次记作第一绝缘外层(11)、dc+铜层(14)、内绝缘层(13)、dc-铜层(12)和第二外绝缘层(15)。

4.根据权利要求3所述的基于碳化硅双面子模块并联的大容量电力电子模块，其特征在于，dc+铜层(14)和dc-铜层(12)均为紫铜材质，第一绝缘外层(11)、内绝缘层(13)和第二外绝缘层(15)均为聚酯材质。

5.根据权利要求3所述的基于碳化硅双面子模块并联的大容量电力电子模块，其特征在于，dc+铜层(14)上设置有输入侧dc+端子(6)，dc-铜层(12)上设置有输入侧dc-端子(7)，直流侧双面叠层母排(10)通过输入侧dc+端子(6)、输入侧dc-端子(7)与外部电源连接，并通过母排输出侧引出端子(8)与六个并联的双面碳化硅功率半桥模块(1)实现连接。

6.根据权利要求3所述的基于碳化硅双面子模块并联的大容量电力电子模块，其特征在于，直流侧母排(10)上还设置有三个并联的母线支撑薄膜电容(9)，母线支撑薄膜电容(9)通过dc+铜层(14)、dc-铜层(12)与直流母排(10)连接。

7.根据权利要求1所述的基于碳化硅双面子模块并联的大容量电力电子模块，其特征在于，双面碳化硅功率半桥模块(1)与电动汽车车用双面模块兼容，双面碳化硅功率半桥模块(1)内部包括两个桥臂，每个桥臂设置有两个布局完全对称的并联碳化硅芯片，且双面碳化硅功率半桥模块(1)内部集成有驱动电阻，适合多模块并联互连。

8.根据权利要求1所述的基于碳化硅双面子模块并联的大容量电力电子模块，其特征在于，双面散热器(2)的内层设置有散热通道，散热通道上设置引出接口，引出接口外接水冷设备。

9.根据权利要求1所述的基于碳化硅双面子模块并联的大容量电力电子模块，其特征在于，双面散热器(2)的中间夹层与并联的双面碳化硅功率半桥模块(1)紧密贴合，该中间夹层分为两层，每一层并排设置有三个双面碳化硅功率半桥模块(1)。

10.根据权利要求2所述的基于碳化硅双面子模块并联的大容量电力电子模块，其特征在于，交流端汇流排(4)上开设有挖孔。

技术总结本发明涉及电力电子器件封装集成技术领域，具体为一种基于碳化硅双面子模块并联的大容量电力电子模块，包括适用于多模块并联的双面碳化硅功率半桥模块、双面散热器、薄膜解耦电容、交流端汇流排、并联模块驱动PCB板、直流侧母排、母线支撑薄膜电容。功率模块属于多模块并联的半桥结构，每个功率子模块与双面散热器紧密结合，通过直流侧母排与交流段汇流排实现并联。本发明通过优化母排并联支路端子寄生参数，集成双面散热器，使用集成栅源电压稳定电路的单驱动板，保证了该大容量电力电子模块各并联双面碳化硅功率模块间电流均衡的同时还具备良好的散热性能和较高功率密度，适用于电动汽车应用领域中大容量电流的应用场合。技术研发人员：王来利,龚泓舟,关国廉,张鑫,张彤宇,汪岩,姚乙龙,高凯受保护的技术使用者：西安交通大学技术研发日：技术公布日：2024/11/4