[发明专利]一种集成化SiC固态功率控制器

说明书

本发明公开一种集成化SiC固态功率控制器，采用功率电路板、驱动电路板和数字电路板三层叠加结构，通过铜柱与插针进行电气连接，模块与外部采用功率端子弯折引出连接，实现模块耐高温、高功率密度和低寄生参数的特点。功率走线采用陶瓷基板为Si₃N₄材料的覆铜陶瓷基板技术实现，集成了主电路，限流支路和泄放支路的布局，采用直角弯折迂回结构，大大减小功率部分电路体积，降低功率部分电路寄生参数，从而降低SiC MOSFET的电压应力。SiC MOSFET采用裸芯片并利用纳米银烧结技术焊接在电路布局中，采用超声波铝线键合方式互连，形成良好的导热路径，大大提高散热效果，提高固态功率控制器耐高温性能，可靠性高。

技术领域

本发明属于电力电子与电工领域，涉及一种固态功率控制器（SSPC）模块集成化技术，可大大减小SSPC体积，提高SSPC可靠性，扩展其应用领域。

背景技术

固态功率控制器（Solid State Power Controller，简称SSPC）是用固态半导体功率器件构成的电子开关电器，主要完成负载接通关断控制、反时限过流保护、过欠压保护和短路保护等功能，其具有无触点、无电弧、无噪声、响应快、电磁干扰小、寿命长、可靠性高、便于计算机远程控制等优点，正广泛应用于飞机、坦克、轮船、民用配电网等方面。

为了满足目前航空界正广泛研究和应用的高压直流供电系统技术，开展体积小，重量轻的大功率和高功率密度固态功率控制器迫在眉睫。目前商业化的固态功率控制器以美国DDC公司和Astronics公司为代表，最高电压等级为270V，单通道最大电流为75A，且体积较大，为适应航空飞机更高功率等级的高压直流供电系统，开展大功率和高功率密度的固态功率控制器是未来应用于航空飞机的固态功率控制器的研究重点。

在高功率密度集成化SSPC模块设计中，热设计以及寄生参数优化是至关重要的部分。由于集成化SSPC模块体积小，产生的热不易散发出去，在模块内部聚集就会造成模块内部温度过高，破坏模块内部功率器件和铜层走线；此外功率走线的布局产生的寄生参数在功率芯片关断过程中引起的过电压现象也威胁着功率器件芯片的安全正常工作，为了保证功率器件芯片不因过电压击穿而失效，目前SSPC模块设计工程师不得不使用更高电压等级的高成本器件产品。同时，此过电压现象还会增加器件损耗，影响电路工作效率与电磁性能，并对模块散热条件提出了更高的要求。

集成化SSPC模块的电流检测对实现电路的短路保护，带容启动等功能起着决定性作用，目前商业化SSPC产品都以检测电阻为电路电流检测手段，此方法在大电流的SSPC中精度低，安全性低且功耗大。

发明内容

本发明的目的，在于克服现有技术的上述不足，提供一种带有隔离和高精度的无损电流检测的低寄生参数集成化SiC固态功率控制器模块，可以大大提高散热能力，降低功率芯片关断过程中的电压应力以及不低于150W/cm³的高功率密度。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

一种集成化SiC固态功率控制器，由功率电路板及板上铜层布局和电流检测电路布局、驱动电路板、数字电路板以及各连接端子组成。其中功率电路板及板上铜层布局提供大功率流通路径，集成了主电路、限流支路、泄放支路以及电流检测电路；驱动电路板为功率电路板上的所有功率芯片提供驱动信号并实现短路过流保护，利用功率信号端子对功率输入和功率输出进行检测，并利用插针实现对负载电流的检测上传；数字电路板实现对SSPC的状态实时监测，并实现可编程的反时限和过欠压保护以及SSPC的通讯功能；三块电路板上下叠加，通过铜柱与插针进行电气连接，功率电路板与驱动电路板通过外壳封装在模块内部，数字电路板通过插针实现与驱动板的电气连接并支撑置于外壳之上。