高电流、低切换损耗SiC功率模块制造技术

一种功率模块包括具有内部腔室的壳体和安装在壳体的内部腔室内的多个切换模块。切换模块互相连接并被配置为促进切换到负载的功率。切换模块中的每个包括至少一个晶体管和至少一个二极管。至少一个晶体管和至少一个二极管可以由宽带隙材料系统(诸如碳化硅(SiC))形成，从而当相比于常规功率模块时，允许该功率模块在高频率以及更低切换损耗下工作。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】相关申请本申请是2013年5月14日提交的美国专利申请序列号13/893,998的部分继续申请，而后者是2012年8月17日提交的美国专利申请序列号13/588,329的部分继续申请，其要求在2011年9月11日提交的美国临时专利申请号61/533,254的权益，将所述专利的全部公开内容通过引用方式并入本文中。
本公开涉及用于控制到负载的功率传送的功率模块。
技术介绍
随着功率成本持续增长和环境影响问题的增长，对具有提高性能和效率的功率器件的需求持续增长。提供功率器件的性能和效率的一种方法是通过使用碳化硅(SiC)制造器件。相比于常规的硅功率器件，预期由碳化硅(SiC)制成的功率器件在切换速度、功率处理能力和温度处理能力方面上展现出巨大的优势。特别地，当相比于常规的硅器件时，SiC器件的高临界场和宽带隙允许性能和效率两者的增加。由于硅中固有的性能限制，当阻断高电压(例如，大于5kV的电压)时，常规的功率器件会需要双极结构，诸如绝缘栅极双极晶体管(IGBT)。虽然利用双极结构大体上降低由于其电导率调制引起的漂移层的电阻，但是双极结构也遭受相对较慢的切换时间。如将由本领域技术人员所清楚的那样，双极结构的反向恢复时间(归因于少数载流子的相对较慢扩散)限制其最大切换时间，从而使得硅器件大体上不适于高电压和高频率应用。由于关于SiC功率器件的上述性能增强，单极SiC功率器件可以用于阻断高达10kV或更大的电压。此类单极SiC功率器件的多数载流子本性有效地消除器件的反向恢复时间，从而允许非常高的切换速度(例如，对于具有10kV阻断能力和约100mΩ*cm2的比导通电阻的双扩散金属氧化物半导体场效应晶体管(DMOSFET)小于100ns)。功率器件经常互相连接且集成为功率模块，所述功率模块工作以通过各种部件诸如电机、转换器、发生器等动态地切换大量功率。如上所讨论，由于功率成本和环境影响问题的持续增长，仍持续需要更小、制造成本更廉价以及更有效，同时提供比它们的常规对应物类似或更好地性能的功率模块。
技术实现思路
本公开涉及用于控制到负载的功率传送的功率模块。根据一个实施例，功率模块包括：壳体，具有内部腔室；和多个切换模块，安装在壳体的内部腔室内。切换模块互相连接且被配置为促进切换功率(power)到负载。切换模块中的每个切换模块包括至少一个晶体管和至少一个二极管。同时，切换模块能够阻断1200伏特，传导300安培并具有小于20毫焦耳的切换损耗。通过将切换模块包括在功率模块中，以使得对于1200V/300A额定值，功率模块具有小于20毫焦耳的切换损耗，当相比于常规的功率模块时，该功率模块的性能显著提高。根据一个实施例，功率模块包括具有内部腔室的壳体、在内部腔室内的至少一个功率基板(powersubstrate)以及栅极连接器。功率基板包括在功率基板的第一表面上的用于促进切换功率到负载的切换模块。切换模块包括至少一个晶体管和至少一个二极管。栅极连接器经由信号路径耦接到至少一个晶体管的栅极接触，该信号路径包括在功率基板的第一表面上的第一导电迹线。使用在功率基板的第一表面上的导电迹线将栅极连接器连接到至少一个晶体管的栅极，减小功率模块中的干扰，并增加栅极连接器和至少一个晶体管的栅极接触之间的连接可靠性。根据一个实施例，功率模块包括具有内部腔室的壳体、一对输出接触(contact)以及多个切换模块。多个切换模块安装在壳体的内部腔室内，并且互相连接以促进将来自耦接在输出接触之间的功率源的功率切换到负载。该对输出接触被布置为使得输出接触的每个输出接触的至少150mm2的面积位于距离另一输出接触小于1.5mm。提供距离另一输出接触小于1.5mm的至少150mm2的每个输出接触的面积减少输出接触之间的漏电感，从而增加功率模块的性能。在阅读以下与附图相关联的优选实施例的详细描述后，本领域的技术人员将清楚本公开的范围并实现本公开的另外方面。附图说明结合在本说明书中且形成本说明书一部分的附图与用于解释本公开原则的描述一起示出本公开的各种方面。图1是示出根据本公开一个实施例的功率模块的细节的示意图。图2是示出由图1所示的功率模块产生的各种信号的图形。图3是示出在图1所示的功率模块中的切换模块的细节的示意图。图4是示出根据本公开一个实施例的图1所示的功率模块的细节的方框图。图5是示出根据本公开一个实施例的图1所示的功率模块的细节的平面图。图6是示出根据本公开一个实施例的图1所示的功率模块的另外细节的平面图。图7是示出根据本公开一个实施例的图1所示的功率模块的外壳体的平面图。图8是示出根据本公开一个实施例的图1所示的功率模块的外壳体细节的平面图。图9是示出根据本公开一个实施例的图4所示的功率模块中的功率基板的细节的方框图。具体实施方式以下阐述的实施例表示使得本领域技术人员能够实践实施例必要的信息并且示出实践实施例的最佳模式。在根据附图阅读以下描述后，本领域技术人员将理解本公开的概念并将意识到在此并未具体提及这些概念的应用。应理解，这些概念和应用落在本公开的范围和所附权利要求内。将理解，尽管在本文中术语第一、第二等可以用于描述各种元件，但是这些元件不应受限于这些术语。这些术语仅用于区分元件。例如，在不背离本公开的范围情况下，第一元件可以被称为第二元件，并且类似地，第二元件可以被称为第一元件。如本文所使用，术语“和/或”包括相关联所列项目中的一个或多个的任意组合和所有组合。应理解，当元件诸如层、区域或基板被称为“在”另一元件“上”或延伸“到”另一元件“上”时，其可以直接在另一个元件或直接延伸到另一个元件上或者也可以存在介入元件。相反，当元件被称为“直接在”另一元件“上”或“直接”延伸“到”另一元件上时，不存在介入元件。同样，将理解，当元件诸如层、区域或基板被称为“在”另一元件“之上”或延伸“在”另一元件“之上”时，其可以直接在另一个元件之上或直接延伸在另一个元件之上，或者也可以存在介入元件。相反，当元件被称为“直接在”另一元件“之上”或“直接”延伸“在”另一元件“之上”时，不存在介入元件。还将理解，当元件被称为“连接”或“耦接”到另一元件时，其可以直接连接或耦接到另一个元件，或者可以存在介入元件。相反，当元件被称为“直接连接”或“直接耦接”到另一元件时，不存在介入元件。相对术语诸如“在…下方”或“在…上方”或“上部”或“下部”或“水平”或“垂直”在文中可以用于描述一个元件、层或区域对如图中所示出的另一元件、层或区域的关系。应理解，这些术语和上述讨论的术语旨在涵盖除了图中所描绘的方位之外的器件的不同方位。本文中所使用的术语仅用于描述具体实施例的目的，并不旨在成为本公开的限制。如本文所使用，除非上下文另外清楚地指示，否则单数形式“一”、“一个”和“该”也旨在包括复数形式。另外应理解，当术语“包含”、“包含的”、“包括”和/或“包括的”用于本文时，其指定所述特征、整数、步骤、工作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或多个其它特征、整数、步骤、工作、元件、部件和/或其组的存在或添加。除非另有定义，否则本文所使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)均具有与本公开所属领域中技术人员通常理解的含义相同。将另外理解，本文所使用的术语应当被解本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种功率模块，包括：·壳体，具有内部腔室；以及·多个切换模块，安装在所述内部腔室内并互相连接以促进切换到负载的功率，其中，所述多个切换模块中的每个包括至少一个晶体管和至少一个二极管，并且所述功率模块能够阻断1200伏特、传导300安培并且具有小于20毫焦耳的切换损耗。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.05.15 US 14/277,8201.一种功率模块，包括：·壳体，具有内部腔室；以及·多个切换模块，安装在所述内部腔室内并互相连接以促进切换到负载的功率，其中，所述多个切换模块中的每个包括至少一个晶体管和至少一个二极管，并且所述功率模块能够阻断1200伏特、传导300安培并且具有小于20毫焦耳的切换损耗。2.根据权利要求1所述的功率模块，其中，所述功率模块具有大于1毫焦耳的切换损耗。3.根据权利要求1所述的功率模块，其中，所述至少一个晶体管和所述至少一个二极管是碳化硅(SiC)器件。4.根据权利要求3所述的功率模块，其中，所述至少一个晶体管是金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)并且所述至少一个二极管是肖特基二极管。5.根据权利要求4所述的功率模块，其中，所述至少一个晶体管与所述至少一个二极管反向并联耦接。6.根据权利要求5所述的功率模块，其中，所述至少一个晶体管包括有效地并联耦接的晶体管阵列并且所述至少一个二极管包括有效地并联耦接的二极管阵列。7.根据权利要求1所述的功率模块，其中，所述功率模块被配置为在至少50kHz的切换频率下工作。8.根据权利要求1所述的功率模块，其中，所述至少一个晶体管形成在氮化铝的层之上。9.根据权利要求8所述的功率模块，其中，所述多个切换模块安装到碳化铝硅底板。10.根据权利要求4所述的功率模块，其中：·所述多个切换模块由两个切换模块组成；·所述切换模块串联耦接在正电源端子和负电源端子之间；并且·输出端子耦接在所述切换模块之间。11.一种功率模块，包括：·壳体，具有内部腔室；·在所述内部腔室内的至少第一功率基板，所述第一功率基板包括在所述第一功率基板的第一表面上的用以促进切换到负载的功率的一个或多个切换模块，其中，所述一个或多个切换模块包括至少一个晶体管和至少一个二极管；以及·栅极连接器，经由信号路径耦接到所述至少一个晶体管的栅极接触，所述信号路径包括在所述功率基板的第一表面上的第一导电迹线。12.根据权利要求11所述的功率模块，进一步包括第二功率基板，所述第二功率基板与所述第一功率基板分离并且包括在所述第二功率基板的第一表面上的第二导电迹线，其中，所述第二导电迹线形成所述信号路径的一部分。13.根据权利要求12所述的功率模块，其中：·所述至少一个晶体管的所述栅极接触经由第一线焊耦接到所述第一导电迹线；·所述栅极连接器经由第二线焊耦接到所述第二导电迹线；以及·所述第一导电迹线和所述第二导电迹线经由第三线焊连接。14.根据权利要求11所述的功率模块，其中，所述至少一个晶体管和所述至少一个二极管是碳化硅(SiC)器件。15.根据权利要求14所述的功率模块，其中，所述至少一个晶体管是金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)并且所述至少一个二极管是肖特基二极管。16.根据权利要求15所述的功率模块，其中，所述至少一个晶体管与所述至少一个二极管反向并...

【专利技术属性】
技术研发人员：姆里纳尔·K·达斯，亨利·林，马塞洛·舒普巴赫，约翰·威廉斯·帕尔穆尔，
申请(专利权)人：克利公司，
类型：发明
国别省市：美国;US