包括开关元件和二极管的功率半导体模块

本公开内容涉及一种功率模块，该功率模块包括第一开关和第二开关，每个开关包括至少一个开关元件和相关联的二极管。开关连接以形成半桥。半桥是包括串联连接在DC+端子与DC-端子之间的两个开关的电路，其中，AC端子连接在开关之间。连接到DC+端子的开关被表示为高侧(HS)开关，连接到DC-端子的开关被表示为低侧(LS)开关。

半桥功率模块形成比如可以用在电动车辆(EV)中的马达驱动器或功率转换器等各种功率电子装置中的关键构建块。功率模块需要是紧凑的并且被设计成在严苛环境中长时间工作。功率模块可以包括硅(Si)、碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)或其他半导体元件。三个半桥功率模块形成所谓的六联式功率模块，从而形成逆变器的三相。开关的电磁设计对于开发装置的快速开关能力是至关重要的。

文献WO 2010/004802 A1和WO 2013/171996 A1公开了不同的功率模块布局。文献EP 3 246 945A1公开了一种具有三个DC端子的功率模块，该三个DC端子以交变极性布置，以减小端子对功率模块的杂散电感的作用。

文献JP 2005 216876A公开了一种功率模块，该功率模块具有高侧和低侧IGBT以及二极管的布置，使得导线并联布置并且布线电感通过在相反方向上流动的电流而减小。文献EP 3 613 077 B1和US2011/062491 A1公开了另外的半桥功率模块。

本公开内容的实施例涉及一种具有提升的电磁特性的功率模块。

根据实施例，功率模块包括：第一开关，该第一开关包括第一开关元件和相关联的第一二极管；以及第二开关，该第二开关包括第二开关元件和相关联的第二二极管。每个开关元件并联地电连接到其相关联的二极管。第一开关和第二开关电连接以形成半桥。开关元件和二极管彼此相邻，其中，第二开关元件和第二二极管可以位于第一开关元件与第一二极管之间。

功率模块例如可以是Si或宽带隙模块，比如SiC或GaN模块。作为示例，开关元件可以是绝缘栅双极晶体管(IGBT)。开关元件例如可以替代性地是MOSFET或MISFET晶体管。相关联的二极管可以是续流二极管(FWD)。开关元件与其相关联的二极管电连接，使得相关联的二极管连接在开关元件的集电极与发射极之间。这样，电流可以经由二极管在一个方向上传导。

在实施例中，第一开关是HS开关、连接到DC+端子。在这种情况中，第一开关元件和第一二极管分别被称为HS开关元件和HS二极管。第二开关是LS开关、连接到DC-端子。在这种情况中，第二开关元件和第二二极管分别被称为LS开关元件和LS二极管。

在替代实施例中，第一开关是LS开关，并且第二开关是HS开关。

开关元件和二极管以特定顺序彼此相邻的布置是对称的，即部件所属的侧的顺序在两个方向上是相同的。这使得杂散电感能够减小。此外，另一侧的开关元件、二极管与DC端子之间的换向路径的长度也可以被限制，这减小了回路电流的电感。

在实施例中，第一开关元件与第二二极管相邻，并且第一二极管与第二开关元件相邻。相应地，不同侧的开关和二极管彼此相邻，导致短的换向路径。在一些实施例中，第二开关元件被布置为与距相关联的第二二极管相比更靠近第一二极管。

功率模块可以包括位于功率模块的相同侧上的至少三个DC端子，其中，DC端子具有交变极性。作为示例，端子的布局可以是DC+/DC-/DC+。替代性地，端子的布局可以是DC-/DC+/DC-。功率模块也可以在相同侧上具有为交变极性的另外的DC端子。功率模块可以包括位于与DC端子相反的一侧上的AC端子。

功率模块可以包括金属化部。金属化部可以是连接到相应端子的DC+、DC-和AC金属化部的形式。开关元件和二极管可以位于DC+金属化部和AC金属化部上。金属化部可以以彼此平行的条带形式布置。

在实施例中，第一开关和第二开关中的每一个包括并联连接到同一开关的其他开关元件和相关联的二极管的若干开关元件和相关联的二极管。开关中的每一个可以包括奇数个开关元件和相关联的二极管。作为示例，开关中的每一个可以包括三个开关元件和相关联的二极管。

功率模块可以具有高度对称的布局。作为示例，同一开关的开关元件可以位于一排中。开关元件可以位于相隔规律的距离处。同一开关的相关联的二极管也可以位于一排中。同一开关的开关元件中的每一个可以位于同一金属化部上。相关联的二极管中的每一个也可以位于同一金属化部上。

在实施例中，功率模块包括与第一开关元件和第二开关元件以及相关联的二极管位于同一列中的附加第一开关元件、相关联的附加第一二极管、附加第二开关元件以及相关联的附加第二二极管。附加开关元件和二极管可以以与第一开关元件和第二开关元件以及二极管相同的顺序布置。附加开关元件和二极管也可以以与第一开关元件和第二开关元件以及二极管相反的顺序布置。附加第一开关元件和附加第二开关元件以及相关联的二极管可以并联地电连接到第一开关元件和第二开关元件以及相关联的二极管。

相应地，开关元件和二极管的图案沿列重复。除此之外，开关可以包括布置为与第一开关元件和第二开关元件以及二极管在同一排中的另外的开关元件和另外的二极管。

本公开内容包括若干实施例。关于实施例之一描述的每个特征在本文中也关于另一实施例公开，即使在特定实施例的上下文中没有明确提及相应的特征。

从以下结合附图对示例性实施例的描述中，进一步的特征、改进和便利将变得清楚。在附图中，相同结构和/或功能的元件可以由相同的附图标记表示。应当理解，图中所示的实施例是说明性的表示并且不一定按比例绘制。

图1是呈半桥形式的功率模块的示意性电路图，

图2是根据实施例的功率模块的示意图，

图3是根据图2的布局的功率模块的俯视图，

图4是图3的实施例的栅极金属化部布局的详细视图，

图5是图3的实施例的替代性栅极金属化部布局的详细视图，

图6、图7、图8、图9是根据另外的实施例的功率模块的示意图。

图1示出了呈半桥形式的功率模块1的示意性电路图。功率模块1例如可以用于电动车辆中的马达驱动器或功率转换器。

功率模块1包括第一开关2和第二开关3，第一开关2和第二开关3串联连接在两个DC+/-端子4、5之间，AC端子6连接在开关2、3之间。当在DC+/-端子4、5之间提供电压并且在栅极端子7、8处交替地接通和断开开关2、3时，在AC端子6处产生AC电压。

第一开关2包括第一开关元件9和相关联的第一二极管10。第一二极管10连接在第一开关元件9的发射极与集电极之间。第二开关3包括第二开关元件11和相关联的第二二极管12，第二二极管连接在第二开关元件11的发射极与集电极之间。开关元件9、11可以是绝缘栅双极晶体管(IGBT)。二极管10、12可以是续流二极管(FWD)。在这种情况中，第一开关2直接连接到DC+端子、并且也被称为“高侧”(HS)开关。第一二极管10和第一开关元件9分别被称为HS二极管10和HS开关元件9。在这种情况中，第二开关3直接连接到DC-端子、并且也被称为“低侧”(LS)开关。第二二极管11和第二开关元件12分别被称为LS二极管和LS开关元件。

第一开关2还可以包括并联连接到第一开关元件9和相关联的第一二极管10的一个或多个另外的第一开关元件9'和相关联的另外的第一二极管10'，并且第二开关3包括并联连接到第二开关元件11和相关联的第二二极管12的一个或多个另外的第二开关元件11'和一个或多个相关联的另外的第二二极管12'。

一个或多个另外的第一开关元件9'可以具有与第一开关元件9相同的特征。这同样适用于分别与第二开关元件11、第一二极管10和第二二极管12相关的另外的第二开关元件11'、另外的第一二极管10'和另外的第二二极管12'。在下文中，第一开关元件9和另外的第一开关元件9'也被表示为第一开关元件9、9'，第二开关元件11和另外的第二开关元件11'也被表示为第二开关元件11、11'。在下文中，第一二极管10和另外的第一二极管10'也被表示为第一二极管10、10'，并且第二二极管12和另外的第二二极管12也被表示为第二二极管12、12'。

作为示例，奇数个第一开关元件9、9'和相关联的二极管10、10'可以并联连接，并且奇数个第二开关元件11、11'和相关联的第二二极管12、12'可以并联连接。

在开关期间，换向回路电流在第一开关2与第二开关3之间流动，并且相关联的换向回路电感影响开关速度。

图2示出了功率模块1的布局方案的实施例。该模块包括符合图1的电路图的半桥。仅描绘了第一开关元件9和第二开关元件11以及相关联的二极管10、12。另外的第一开关元件和第二开关元件可以以沿长度方向L位移的对应布置方式呈现。

开关元件9、11和相关联的二极管10、12位于衬底上的金属化部31上。金属化部31也可以表示为“迹线”。具体地，第一开关元件9和第一二极管10位于DC+金属化部13、13a上，并且第二开关元件11和第二二极管12位于AC金属化部15、15a上。在所示出的实施例中，第一开关元件9和第一二极管10分别是HS开关元件和HS二极管。第二开关元件11和第二二极管12分别是LS开关元件和LS二极管。

开关元件9、11和相关联的二极管10、12以如下顺序彼此相邻布置：第一开关元件9-第二二极管12-第一二极管10-第二开关元件12(在图2中从下到上)。如图2中所见，在彼此“相邻”的两个部件之间，没有其他开关元件或二极管。当从下到上或从上到下时，部件的侧顺序(HS-LS-LS-HS)是相同的。这些元件沿功率模块1的宽度方向W布置成一列。位于该列中的元件至少沿长度方向L重叠或彼此对中地布置。

在这种布置中，第一开关元件9不邻近相关联的第一二极管10定位。而是第一开关元件9和第二二极管12定位为彼此靠近的一对，并且第二开关元件11和第一二极管10定位为彼此靠近的一对。因此，不同侧的开关元件9、11和二极管10、11在空间上聚集成对。这具有如下效果：从第一二极管10经由第二开关元件11到DC-金属化部14的电流换向路径16在空间上被良好地限定和限制。从第一开关元件9经由第二二极管12到DC-金属化部14的电流换向路径17也在空间上被良好地限定和限制。因此，换向回路的电感被最小化。

两个DC+金属化部13、13a处于相同的电势，但是可以连接到单独的端子。两个AC金属化部15、15a处于相同的AC电势。AC金属化部15、15a可以连接到单个端子。

图3示出了功率模块1的一个实施例的俯视图，该功率模块布置在衬底18上，具有图2的布局方案。

在所示出的实施例中，三个第一二极管10、10'、10”在同一DC+金属化部13上彼此相邻，与在另外的DC+金属化部13a上彼此相邻的三个第一开关元件9、9'、9”相关联。三个第二二极管12、12'、12”在同一AC金属化部15上彼此相邻，与在同一另外的AC金属化部15a上彼此相邻的三个第二开关元件11、11'、11”相关联。相应地，该实施例在每侧具有三个开关元件和相关联的二极管。开关元件和相关联的二极管位于相隔规律的距离处，仅沿长度方向L相对于彼此位移。每侧的二极管和开关元件在同一金属化部上沿长度方向L彼此相邻，对应于图1的电路图中的若干第一开关的并联连接以及若干第二开关的并联连接。所示出的二极管和开关元件的布置非常规律，并且由此可以实现二极管和开关元件的负载和损耗的平衡分布。

虽然布局方案示出了每侧有三个二极管和开关元件位于同一金属化部上，但是每侧的二极管可以多于或少于三个。在实施例中，每侧可以仅存在一个二极管和一个开关元件。

AC金属化部15、15a连接到单个AC端子6。DC+金属化部连接到两个单独的DC+端子4、4'，而不是图1中示出的单个端子4。DC+端子4、4'包围DC-端子5、并且位于与AC端子6相反的一侧。

开关元件9、9'、9”、11、11'、11”中的每一个以及二极管11、11'、11”和12、12'、12”中的每一个通过线键合件19连接到相邻的DC+、DC-或AC金属化部13、13a、14、15、15a。在该实施例中，线键合件19也沿宽度方向W均匀地定向。总体而言，实现了金属化部和连接结构的非常精简的布局。从而，可以最大化芯片放置面积，并且可以提升热扩散。

图4示出了图3的实施例的栅极金属化部布局的详细视图。详细视图的部位在图3中由虚线指示。

第二开关元件11、11'、11”的栅极20、20'、20”连接到布置在第一DC+金属化部13与第一AC金属化部15之间的栅极金属化部21。如从图3中可以看出，第一开关元件9、9'、9”的栅极连接到位于第二DC+金属化部13a与衬底18的边缘之间的第二栅极金属化部22。取决于整体布局，第二栅极金属化部22可以替代性地位于第二DC+金属化部13a与第二AC金属化部15a之间、对应于第一栅极金属化部21的位置。可以看出，实现了栅极金属化部的非常精简的布局。

图5以详细视图示出了替代性栅极金属化部布局的示例，该栅极金属化部布局可以在图3的功率模块1中实现，来代替图4中示出的栅极金属化部布局。在图5中，第一栅极金属化部21位于DC-金属化部上。如图4所示，第一栅极金属化部21呈细长条带的形式，与DC+、DC-和AC金属化部平行地布置。

图6、图7、图8和图9示出了功率模块1的实施例的另外的布局。

图6示出了功率模块1的布局，其中与图3相比，交换了第二开关元件11和第二二极管12的位置。在这种情况中，二极管和开关沿长度方向L的布置也是均匀的。因此，实现了二极管和开关在各侧的负载和损耗的平衡分布。

与图2的实施例相比，不同侧的开关元件9、11彼此靠近地布置，并且不同侧的二极管10、12彼此靠近地布置。开关元件9、11与相关联的二极管10、12具有一定距离。成对的开关元件9、11通过AC金属化部15与成对的二极管10、12分开。

金属化部13、13a、14、15、15a呈细长条带的形式，彼此平行排列成一排。此外，在每侧有若干开关的情况中，开关的另外组的开关元件和二极管也沿相应的金属化部(即沿长度方向L)以一定的间距成排位于相应的金属化部上。

开关元件9、11可以连接到分别与AC金属化部15和DC+金属化部13相邻布置的栅极金属化部。作为示例，用于连接到HS开关元件11的第一栅极金属化部可以位于DC+金属化部13a的背对AC金属化部15a的一侧。用于连接到LS开关元件9的第二栅极金属化部可以与AC金属化部15相邻，例如，在DC+金属化部13与AC金属化部15之间。第二栅极金属化部可以替代性地位于DC-金属化部14上。

另外的开关元件9'、9”、11'、11”和另外的二极管10'、10”、12'、12”的相关布置是相同的，但是仅沿长度方向L位移。

图7示出了功率模块1的另一布局。在该实施例中，DC-金属化部和相关联的端子不以“+/-/+”方案(在附图中从上到下)布置，而是以“-/+/-”方案布置。

在该实施例中，第一开关元件9和第一二极管10是HS开关的一部分，并且第二开关元件11和第二二极管12是LS开关的一部分。在此，当从下到上或从上到下时，侧的顺序(HS-LS-LS-HS)也是相同的。第二开关元件11和第二二极管12在同一DC+金属化部13上沿宽度方向W的不同位置彼此靠近。第一开关元件11和相关联的第一二极管12彼此靠近地布置。然而，第一开关元件9和相关联的二极管10通过DC+金属化部13以及第二开关元件11和第二二极管12而彼此分开。此外，在该实施例中，从第二二极管12经由第一开关元件9到DC-金属化部14的换向路径16以及还有从第二开关元件11经由第一二极管10到DC-金属化部14a的换向路径17短，并且电感低。

如在先前的实施例中，开关的第一组开关元件9、11和相关联的二极管10、12沿功率模块1的长度L布置在相同位置处。第二组开关元件9'、11'和相关联的二极管10'、12'以相同方式布置，但仅沿长度方向L位移。第三组开关元件9”、11”和相关联的二极管10”、12”也以相同方式布置，但仅沿长度方向L位移。

图8示出了功率模块1的另一布局。与图7的布局相比，交换了第二开关元件11、11'、11”的位置和相关联的二极管12、12'、12”的位置。在这种情况中，也能够获得负载和损耗的平衡分布。

图9示出了功率模块1的另一布局。在该实施例中，DC-金属化部和相关联的端子沿宽度方向W以“-/+/-/+/-”方案布置。

当图8所示的布局方案在宽度方向W上加倍，并共用一个直流端子14a时，便获得所示出的实施例。相应地，功率模块1包括形成半桥的第一组开关，第一组开关包括第一开关元件9和第二开关元件11以及相关联的二极管10、12，并且第二组开关包括附加开关元件9a、11a和相关联的附加二极管10a、12a。由于功率模块1内的各金属化部是分开的，所以当模块端子进一步连接到例如逆变器时，可以建立并联连接。

另外几组以相同方式排列的开关位于沿纵向方向L位移的位置处，示例性地彼此相距规律的距离。相应地，就开关元件和二极管在沿金属化部的方向上的布置而言，布局是对称的。示例性地，每侧的开关元件和二极管仅沿金属化部方向位移，但是布局不沿金属化部改变。

图3所示的布局模拟表明，每个开关元件在相关的换向回路与栅极回路之间的互耦电感是负的并且平衡良好，因此可以实现适当的动态电流共享。除此之外，在模拟开关元件关断和二极管接通时，所有三个开关元件的开关行为都非常一致，因此在开关的开关元件之间实现了良好的平衡。二极管的开关行为也很均衡。

附图标记

1 功率模块

2 第一开关

3 第二开关

4、4' DC+端子

5 DC-端子

6 AC端子

7 第一栅极端子

8 第二栅极端子

9 第一开关元件

9'、9”、9a 另外的第一开关元件

10 第一二极管

10'、10”、10a 另外的第一二极管

11 第二开关元件

11'、11”、11a 另外的第二开关元件

12 第二二极管

12'、12”、12a 另外的第二二极管

13、13a DC+金属化部

14、14a、14b DC-金属化部

15、15a、15b、15c AC金属化部

16 换向路径

17 换向路径

18 衬底

19 线键合件

20、20'、20” 栅极

21 第一栅极金属化部

22 第二栅极金属化部

23 第一栅极端子

24 第二栅极端子

25 实施例模拟结果

26 参考例模拟结果

27 附加第一开关元件

28 附加第一二极管

29 附加第二开关元件

30 附加第二二极管

31 金属化部

U 电压

I 电流

W 宽度方向

L 长度方向