[发明专利]半导体模块

说明书

一种提供半桥的功率模块(1)，该功率模块包括：至少一个衬底(2)，该至少一个衬底包括内部负载轨道(3)、两个中间负载轨道(4)和两个外部负载轨道(5)，每个负载轨道是长形的并且在第一方向(6)上基本上横跨该至少一个衬底(2)延伸；其中，两个中间负载轨道(4)被布置为与内部负载轨道(3)相邻，并且每个外部负载轨道(5)相对于基本上与第一方向(6)正交的第二方向(7)布置在两个中间负载轨道(4)中一个的相反侧上。

半导体功率模块在工业中应用广泛。例如，这种功率模块可以用于大电流的受控开关，并且可以用于功率转换器(比如逆变器)以将DC转换为AC或反之亦然，或者用于在不同电压或频率的AC之间转换。这种逆变器在电机控制器、或发电或储电之间的接口、或配电网中使用。

半导体功率模块旨在满足两个主要特性：高功率转换效率和高功率密度。还考虑了使用寿命、成本和质量等因素。为了实现高功率密度，可以使用高性能宽带隙半导体、比如碳化硅(SiC)半导体开关，因为它们通常优于标准硅基半导体开关、即绝缘栅双极晶体管(IGBT)。SiC设备从热和电气的角度对功率模块的设计提出了很高的要求。宽带隙半导体(例如，SiC半导体开关)具有开关速度非常快的特性，这意味着从导通模式到阻断模式的转变只需几纳秒。

电子电路中的快速开关与杂散电感相结合，在使用这种半导体功率模块时会导致电压过冲。这些电压过冲会增加开关损耗，并且可能通过振铃引起EMI辐射。由于开关期间的电流梯度很高，整个组件的杂散/寄生电感需要尽可能小。

SiC MOSFET在其中应用需要在小建筑体积中实现最高效率的这种应用中用作半导体开关。SiC MOSFET同时示出快速开关速度和低导通电阻。由于SiC晶片的制造成本高昂，并且使用当前的制造工艺难以制造出晶体故障量低得可接受的部件，因此管芯通常非常小(例如，5-25mm²)。这使产量损失保持在低水平，但限制了SiC半导体开关可以通过的总电流。为了实现高输出功率，需要并行操作这些小型半导体开关(例如MOSFET)中的若干个。在比如汽车功率转换等应用中，并行使用多个半导体开关会占用半导体功率模块内的空间，从而产生可能较大的模块。然而，车辆内的空间非常宝贵，并且通常不会选择增加模块的尺寸。因此，如果布局的创新设计能够适应多个并行的半导体开关、平衡(对称)的操作、低杂散电感和小总体布局尺寸，则这是很大的优势。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种功率模块，该功率模块能够展现出多个并行的半导体开关的同时开关和平衡的操作、比当前可用的功率模块更低的杂散电感以及更稳定和有效的操作。

根据本发明的第一方面，通过提供一种提供半桥的功率模块来实现上述和其他目的，该功率模块包括至少一个衬底，该至少一个衬底包括内部负载轨道、两个中间负载轨道和两个外部负载轨道，每个负载轨道是长形的并且在第一方向上基本上横跨至少一个衬底延伸。两个中间负载轨道被布置为与内部负载轨道相邻，并且每个外部负载轨道相对于基本上与第一方向正交的第二方向布置在两个中间负载轨道中一个中间负载轨道的相反侧上。功率模块还包括两组第一组半导体开关，每组第一组半导体开关安装在内部负载轨道上并且电连接到中间负载轨道，使得第一组半导体开关形成半桥的第一臂。另外，功率模块包括两组第二组半导体开关，每组第二组半导体开关安装在中间负载轨道上并且电连接到外部负载轨道，使得第二组半导体开关形成半桥的第二臂。

衬底可以包括绝缘基底，具有导电轨道以形成附接到绝缘基底所需的电路系统。合适的衬底可以是由绝缘陶瓷层两侧的两个导电铜层形成的DBC(直接敷铜)衬底。其他合适的衬底可以包括DBA(直接敷铝)衬底或本领域公知的其他衬底。