[发明专利]高电流、低切换损耗SiC功率模块

说明书

本发明公开了高电流、低切换损耗SiC功率模块。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。

本申请是分案申请，其母案申请的申请号为2015800376807，申请日为2015年5月14日，发明名称为“高电流、低切换损耗SiC功率模块”。

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。

技术领域

本公开涉及用于控制到负载的功率传送的功率模块。

背景技术

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。

发明内容

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(power substrate)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。