一种Vienna整流用双面结构碳化硅功率模块及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种Vienna整流用双面结构碳化硅功率模块及其制备方法，采用母排式的双面结构，包括上下两块DBC基板，每个DBC基板中包含两层铜层，其中一层铜层上设置有Vienna整流拓扑电路，Vienna整流拓扑电路的输入交流端包括AC

【技术实现步骤摘要】
一种Vienna整流用双面结构碳化硅功率模块及其制备方法
本专利技术属于功率模块
，具体涉及一种Vienna整流用双面结构碳化硅功率模块及其制备方法。
技术介绍
随着经济的发展，环境问题和能源危机日益凸显，亟需清洁能源的开发和使用。因此以电动汽车为代表的新能源汽车具有广阔的应用发展前景。电动汽车的充电桩以及者车载充电器是电动汽车在未来实现大规模推广应用的关键基础设备。充电桩以及车载充电器设计中通常采用AC/DC加DC/DC两级拓扑，其中在AC/DC前级中Vienna整流拓扑是目前应用较多的一种拓扑结构。Vienna整流拓扑是一种三电平整流拓扑，但是与一般半桥三电平拓扑相比较，Vienna整流拓扑需要的开关器件数量更少，每个桥臂上只需要一个开关管结合几个二极管便可以实现因此可以极大的减小充电桩以及车载充电器的成本。这也促使Vienna整流拓扑成为一种在充电桩以及车载充电器的前级整流部分被广泛应用的拓扑。碳化硅的材料特性使得碳化硅器件具有耐压高、通态内阻小、耐温高、开关速度快等优点。碳化硅功率半导体器件的诸多优点使其在充电桩以及车载充电器有良好的应用前景。首先，较低的通态内阻可以使得效率明显的提高，同时较高的开关频率可以极大地减小无源元件的体积和重量，此外碳化硅器件本身耐高温的特性降低了对于散热条件的要求，可以进一步减小散热系统的体积和重量，进而减小整个充电装置的体积和重量，提高整体的功率密度。但是碳化硅器件相较于传统的硅器件对于回路的寄生电感更加敏感，同样的寄生参数下，使用碳化硅器件带来的电压过冲和震荡更为严重，由此对器件的安全运行带来一定的威胁同时严重的震荡可能会导致电磁干扰的问题，影响整个系统的安全稳定运行。综上，为了在Vienna整流器中使用碳化硅器件来提高充电桩以及车载充电器的效率和功率密度，提出了一种用于Vienna整流的双面散热高功率密度碳化硅功率模块。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种Vienna整流用双面结构碳化硅功率模块及其制备方法，采用母排式双面散热结构。一方面极大地减小了换流回路的大小，进而减小了整个换流回路的寄生电感，有效的抑制了关断时的过电压以及开关过程中的电压电流震荡；另一方面该模块采用双面散热的结构，极大的提高了整体的散热效率，降低了对于散热系统的设计要求。本专利技术采用以下技术方案：一种Vienna整流用双面结构碳化硅功率模块，采用母排式的双面结构，包括上下两块DBC基板，每个DBC基板中包含两层铜层，其中一层铜层上设置有Vienna整流拓扑电路，Vienna整流拓扑电路的输入交流端包括AC1和AC2，直流侧中点包括O1和O2；下层DBC基板上设置键合线，实现驱动部分的开尔文连接；通过双面结构碳化硅功率模块中的两个换流路径彼此解耦实现换流回路路径的最小化。具体的，Vienna整流拓扑电路包括碳化硅MOSFET管Q1，碳化硅MOSFET管Q1的栅极连接驱动栅极G，漏极分三路，分别与二极管D1的正极，二极管D2的负极和二极管D3的负极连接，二极管D1的负极连接DC+，二极管D2的正极连接交流输入端口AC1，二极管D3的正极连接直流侧中点O1；碳化硅MOSFET管Q1的源极分四路，一路连接驱动源极K，剩余三路分别连接二极管D4的正极，二极管D5的正极和二极管D6的负极，二极管D4的负极交流输入端口AC2，二极管D5的负极连接直流侧中点O2，二极管D6的正极连接DC-。进一步的，上层DBC基板中换流路径经过二极管D1和二极管D6，二极管D1和二极管D6通过纳米银烧结的方式焊接在上层DBC基板上。进一步的，下层DBC基板中换流路径经过二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5以及碳化硅MOSFET管Q1，二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5以及碳化硅MOSFET管Q1通过纳米银烧结的方式焊接在下层DBC基板上。本专利技术的另一个技术方案是，一种制备Vienna整流用双面结构碳化硅功率模块的方法，包括以下步骤：S1、将二极管D1和二极管D6通过纳米银烧结的方式焊接在上层DBC基板上，将二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5以及碳化硅MOSFET管Q1通过纳米银烧结的方式焊接在下层DBC基板上；S2、在下层DBC基板上打键合线，实现碳化硅MOSFET管Q1的开尔文连接；S3、通过纳米银烧结的方式实现铜-钼-铜金属柱与二极管阳极以及碳化硅MOSFET源极的连接以及功率端子与上层DBC基板、下层DBC基板的连接；S4、将上下层DBC基板按照指定的方式装配起来，并将铜-钼-铜柱的另一端通过纳米银烧结或者焊接的方式与上层DBC基板或下层DBC基板实现稳定的连接。具体的，步骤S1中，二极管D1和二极管D6的负极与上层DBC基板通过纳米银烧结连接在一起，二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5的负极以及化硅MOSFET管Q1的漏极与下层DBC基板通过纳米银烧结的方式连接在一起，纳米银焊料的厚度为0.05～0.1mm。具体的，步骤S2中，采用直径小于5mil的铝键合线实现碳化硅MOSFET管Q1的开尔文连接。具体的于，步骤S3中，铜-钼-铜金属柱的高度为3mm，同时金属柱与芯片的接触面小于芯片的金属电极大小。具体的，步骤S4中，纳米银焊料的厚度为0.1～0.15mm。具体的，碳化硅MOSFET和二极管电极均进行重新金属化处理，电极上采用金属蒸镀方式增加有厚度100nm/200nm的铬/银金属层。与现有技术相比，本专利技术至少具有以下有益效果：本专利技术一种Vienna整流用双面结构碳化硅功率模块，通过对拓扑中部分端口的分裂设计极大的提高了布局设计的自由度，为针对换流回路优化的布局设计提供了基础，在结构设计上采用母排式的结构，充分减小了换流回路整体的面积，进而极大的降低了回路的寄生电感，可以有效的抑制开关过程中的电压过冲和震荡问题，这有利于碳化硅器件的快速开关。此外，这样的结构设计也便于母线解耦电容的集成，从而可以进一步提高模块的整体性能，双面结构可以采用双面散热的方式，极大的提高了散热的效率，进而降低了对于散热系统的设计要求，减小了散热系统的体积和重量，从而有助于整个系统体积和重量的减小，提高功率密度，模块的驱动部分采用开尔文连接，实现了驱动回路和功率回路的解耦，进而提高了模块的开关速度，有利于减小开关损耗，为模块的高频运行提供了保障。进一步的，芯片、金属柱以及DBC基板铜基板之间的连接都是通过纳米银烧结的方式来实现，这样做可以提高模块整体的散热性能和可靠性，同时也提高了模块的耐高温特性。一种Vienna整流用双面结构碳化硅功率模块的制备方法，采用铜-钼-铜复合金属柱实现MOSFET源极以及二极管阳极与DBC基板上铜层的连接，改变其高度可以调整两个上下两个DBC基板之间的距离，进而保证模块的耐压特性。进一步的，将二极管D1和二极管D6通过纳米银烧结的方式焊接在上层DBC基板上，将二极管D2、二极管本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种Vienna整流用双面结构碳化硅功率模块，其特征在于，采用母排式的双面结构，包括上下两块DBC基板，每个DBC基板中包含两层铜层，其中一层铜层上设置有Vienna整流拓扑电路，Vienna整流拓扑电路的输入交流端包括AC

【技术特征摘要】
1.一种Vienna整流用双面结构碳化硅功率模块，其特征在于，采用母排式的双面结构，包括上下两块DBC基板，每个DBC基板中包含两层铜层，其中一层铜层上设置有Vienna整流拓扑电路，Vienna整流拓扑电路的输入交流端包括AC1和AC2，直流侧中点包括O1和O2；下层DBC基板上设置键合线，实现驱动部分的开尔文连接；通过双面结构碳化硅功率模块中的两个换流路径彼此解耦实现换流回路路径的最小化。


2.根据权利要求1所述的Vienna整流用双面结构碳化硅功率模块，其特征在于，Vienna整流拓扑电路包括碳化硅MOSFET管Q1，碳化硅MOSFET管Q1的栅极连接驱动栅极G，漏极分三路，分别与二极管D1的正极，二极管D2的负极和二极管D3的负极连接，二极管D1的负极连接DC+，二极管D2的正极连接交流输入端口AC1，二极管D3的正极连接直流侧中点O1；碳化硅MOSFET管Q1的源极分四路，一路连接驱动源极K，剩余三路分别连接二极管D4的正极，二极管D5的正极和二极管D6的负极，二极管D4的负极交流输入端口AC2，二极管D5的负极连接直流侧中点O2，二极管D6的正极连接DC-。


3.根据权利要求2所述的Vienna整流用双面结构碳化硅功率模块，其特征在于，上层DBC基板中换流路径经过二极管D1和二极管D6，二极管D1和二极管D6通过纳米银烧结的方式焊接在上层DBC基板上。


4.根据权利要求2所述的Vienna整流用双面结构碳化硅功率模块，其特征在于，下层DBC基板中换流路径经过二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5以及碳化硅MOSFET管Q1，二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5以及碳化硅MOSFET管Q1通过纳米银烧结的方式焊接在下层DBC基板上。


5.一种制备权利要求2所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：王来利，赵成，李锡光，杨奉涛，齐志远，王见鹏，陈阳，
申请(专利权)人：西安交通大学，广东天泽恒益科技有限公司，
类型：发明
国别省市：陕西;61