CN109411462B - 高集成功率模块和电器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了高集成功率模块和电器。该功率模块包括：基板，所述基板上具有绑线焊盘和引脚焊盘；整流桥、功率因数校正器件和智能功率模块，所述整流桥、所述功率因数校正器件和所述智能功率模块设置在所述基板上；所述整流桥与所述功率因数校正器件之间、所述功率因数校正器件与所述智能功率模块之间通过金属绑线、所述绑线焊盘和铜布线电相连；其中，所述绑线焊盘与所述引脚焊盘邻近设置。本发明的高集成功率模块在将整流桥、功率因数校正器件和智能功率模块集成在同一散热基板的同时，进一步通过优化布线方式和焊盘位置减小了功率模块以及电控板的面积，适用范围更广、生产成本更低。
Description
技术领域
本发明涉及电器制造领域，具体而言，本发明涉及高集成功率模块和电器。
背景技术
智能功率模块(IPM，Intelligent Power Module)是一种先进的功率开关器件，本质上是集成了功率器件及其驱动电路芯片的模块；智能功率模块在能源管理领域可起到其他集成电路难以企及的重要作用，器件性能直接影响能源系统的利用效率。智能功率模块以绝缘栅双极型晶体管(IGBT)为内核，由高速低功耗管芯、优化的门极驱动电路以及快速保护电路构成。功率模块内的绝缘栅双极型晶体管的管芯一般选用高速型的，而且驱动电路紧靠绝缘栅双极型晶体管，驱动延时小，所以功率模块开关速度快、损耗小。
然而，目前的功率模块及电器仍有待改进。
发明内容
本发明是基于发明人对以下事实和问题的发现提出的：
空调的耗电量约占常用家电总耗电量的60％，如果将定频空调全部换成变频空调，整体效能将提高30％，而IPM是变频空调的核心器件。变频空调室外电控板包括整流桥、功率因数校正器件(PFC开关)、压缩机IPM、风机IPM四种功率器件。
现有技术中，变频空调室外电控的这四种功率器件各自插针式安装在PCB板上，然后用同一块散热器(翅片)进行集中散热。这种分立设置的整流桥、PFC开关、压缩机IPM和风机IPM设计使得室外电控的体积较大，并且成本也较高。
本发明旨在至少一定程度上缓解或解决上述提及问题中的至少一个。
在本发明的一个方面，本发明提出了一种高集成功率模块。根据本发明的实施例，该高集成功率模块包括：基板，所述基板上具有绑线焊盘和引脚焊盘；整流桥、功率因数校正器件和智能功率模块，所述整流桥、所述功率因数校正器件和所述智能功率模块设置在所述基板上；所述整流桥与所述功率因数校正器件之间、所述功率因数校正器件与所述智能功率模块之间通过金属绑线、所述绑线焊盘和铜布线电相连；其中，所述绑线焊盘与所述引脚焊盘邻近设置。
由此，根据本发明实施例的高集成功率模块通过将整流桥、功率因数校正器件和智能功率模块集成在同一散热基板，有效减小了电控板的面积，且分别采购整流桥、功率因数校正器件和智能功率模块裸芯片进行功率模块封装生产，相比于购买分立的成品器件，成本更低。同时，本发明的高集成功率模块通过对布线方式、焊盘位置的优化，将绑线焊盘与引脚焊盘邻近设置，充分利用了绑线不占据基板尺寸的特点，形成金属绑线与铜布线的立体电路拓扑，从而进一步缩小了高集成功率模块的尺寸。由此，本发明的高集成功率模块在将整流桥、功率因数校正器件和智能功率模块集成在同一散热基板的同时，进一步通过优化布线方式和焊盘位置减小了功率模块以及电控板的面积，适用范围更广、生产成本更低。
另外，根据本发明上述实施例的高集成功率模块还可以具有如下附加的技术特征：
在本发明的一些实施例中，所述整流桥包括多个二极管。
在本发明的一些实施例中，所述功率因数校正器件包括开关管、二极管和功率因数校正开关驱动。
在本发明的一些实施例中，所述功率因数校正器件的开关管为SiC MOSFET、SiCIGBT或者GaN HEMT。由此，可进一步有利于减小模块的开关损耗，进而有利于节约电能，降低模块发热。
在本发明的一些实施例中，所述智能功率模块包括压缩机智能功率模块和风机智能功率模块。
在本发明的一些实施例中，所述压缩机智能功率模块包括多个开关管、多个二极管和压缩机智能功率模块驱动。
在本发明的一些实施例中，所述压缩机智能功率模块的开关管为SiC MOSFET、SiCIGBT或者GaN HEMT。由此，可进一步有利于减小模块的开关损耗，进而有利于节约电能，降低模块发热。
在本发明的一些实施例中，所述风机智能功率模块包括多个逆导型绝缘栅双极型晶体管和风机智能功率模块驱动。
在本发明的一些实施例中，所述高集成功率模块进一步包括：外部电感，所述外部电感设置在所述整流桥和所述功率因数校正器件之间；外部电容，所述外部电容设置在所述功率因数校正器件和所述智能功率模块之间。由此，可进一步有利于减小高集成功率模块的体积。
在本发明的另一方面，本发明提出了一种电器。根据本发明的实施例，该电器包括上述实施例的高集成功率模块。根据本发明实施例的电器通过采用上述实施例的高集成功率模块，可有效减小功率模块的空间占用。
在本发明的一些实施例中，上述电器可以为空调、洗衣机、冰箱或电磁炉。空调、洗衣机、冰箱或电磁炉中通过采用上述实施例的高集成功率模块，可有效减小功率模块的空间占用，且具有更高的可靠性和更长的使用寿命。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是根据本发明一个实施例的高集成功率模块的结构示意图；
图2是根据本发明再一个实施例的高集成功率模块的结构示意图；
图3是现有技术中的PCB基板布线示意图；
图4是根据本发明一个实施例的高集成功率模块中基板布线示意图；
图5是根据本发明一个实施例的高集成功率模块中各器件的电气连接关系图。
附图标记：
100：基板；10：整流桥；20：功率因数校正器件(PFC开关)；30：智能功率模块(IPM)；
5：金属绑线；6：绑线焊盘；7：铜布线；8：引脚焊盘；
11：二极管；12：二极管；13：二极管；14：二极管；
21：开关管；22：二极管；23：功率因数校正开关驱动(PFC开关驱动)；
300：压缩机智能功率模块(压缩机IPM)；311：开关管；312：开关管；313：开关管；314：开关管；315：开关管；316：开关管；321：二极管；322：二极管；323：二极管；324：二极管；325：二极管；326：二极管；33：压缩机智能功率模块驱动(压缩机IPM驱动)；
400：风机智能功率模块(风机IPM)；411：逆导型绝缘栅双极型晶体管(逆导IGBT)；412：逆导IGBT；413：逆导IGBT；414：逆导IGBT；415：逆导IGBT；416：逆导IGBT；43：风机智能功率模块驱动(风机IPM驱动)。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
发明人在对电器IPM的研究中发现，变频空调室外电控板包括整流桥、功率因数校正器件(PFC开关)、压缩机IPM、风机IPM四种功率器件。现有技术中，变频空调室外电控的这四种功率器件各自插针式安装在PCB板上，然后用同一块散热器(翅片)进行集中散热。这种分立设置的整流桥、PFC开关、压缩机IPM和风机IPM设计使得室外电控的体积较大，并且成本也较高。
鉴于此，在本发明的一个方面，本发明提出一种高集成功率模块。根据本发明的实施例，参考图1，该高集成功率模块包括：基板100、整流桥10、功率因数校正器件20和智能功率模块30。其中，基板上具有绑线焊盘和引脚焊盘；整流桥10、功率因数校正器件20和智能功率模块30设置在基板上，整流桥10与功率因数校正器件20之间、功率因数校正器件20与智能功率模块30之间通过金属绑线、绑线焊盘和铜布线电相连，且绑线焊盘与引脚焊盘邻近设置。
由此，根据本发明实施例的高集成功率模块通过将整流桥、功率因数校正器件和智能功率模块集成在同一散热基板，有效减小了电控板的面积，且分别采购整流桥、功率因数校正器件和智能功率模块裸芯片进行功率模块封装生产，相比于购买分立的成品器件，成本更低。同时，本发明的高集成功率模块通过对布线方式、焊盘位置的优化，将绑线焊盘与引脚焊盘邻近设置，充分利用了绑线不占据基板尺寸的特点，形成金属绑线与铜布线的立体电路拓扑，从而进一步缩小了高集成功率模块的尺寸。由此，本发明的高集成功率模块在将整流桥、功率因数校正器件和智能功率模块集成在同一散热基板的同时，进一步通过优化布线方式和焊盘位置减小了功率模块以及电控板的面积，适用范围更广、生产成本更低。
下面参考图1～5进一步对根据本发明实施例的高集成功率模块进行详细描述：
目前，本领域常规的PCB布线如图3所示，PCB常规布线方案中，绑线焊盘6与引脚焊盘8的设置位置相距较远，铜布线7占据了一定的PCB面积，导致功率模块的尺寸较大。而根据本发明实施例的高集成功率模块基本布线如图4所示，绑线焊盘6与引脚焊盘8邻近设置，从而大大减少了用于连接绑线焊盘6与引脚焊盘8的铜布线占用面积。此外，本发明的高集成功率模块充分利用了金属绑线5不占据PCB尺寸的特点，将部分金属绑线跨过IGBT将绑线焊盘与IPM驱动电相连，形成金属绑线与铜布线的立体电路拓扑，从而进一步缩小了高集成功率模块的尺寸。
根据本发明的实施例，基板100具体材料并不受特别限制，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择。根据本发明的具体示例，为了进一步提高基板100的散热性能，基板100可以采用陶瓷基板或者带有绝缘层的金属基板(例如铝基板或铜基板等)，其中，绝缘层可采用70～150μm厚的常见高热导率材料，从而可以进一步有利于基板上各器件的散热，从而保证模块整体的稳定性和使用寿命。与此同时，基板上的各器件可以采用裸芯片，并通过基板上适配的铜布线、外部金属绑线实现电连接，由此，可以进一步有利于基板上各器件的散热，从而保证模块整体的稳定性和使用寿命。在一些实施例中，高集成功率模块的剖面结构依次为散热基板、绝缘层、铜布线、芯片和金属绑线，由此，功率模块的结构及布线方式更为简洁合理，稳定性更佳。
根据本发明的实施例，整流桥10包括多个二极管。如图5所示，整流桥10包括二极管11、二极管12、二极管13和二极管14。在一些实施例中，二极管11、二极管12、二极管13和二极管14可相互分散设置。由此，整流桥10中各个二极管的设置位置分散，更利于散热，使整流桥中各元件的稳定性更佳，从而提高高集成功率模块整体的可靠性和稳定性。
根据本发明的实施例，功率因数校正器件20包括开关管和多个二极管。如图5所示，功率因数校正器件20包括开关管21、二极管22和功率因数校正开关驱动23。在一些实施例中，正开关管21可设置在二极管22和功率因数校正开关驱动23之间。由此，可进一步有利于功率因数校正器件中功率因数校正开关管的散热，减小其对散热基板上其他器件的温度冲击，从而提高高集成功率模块整体的可靠性和稳定性。在一些实施例中，开关管21为绝缘栅双极型晶体管(IGBT管)。
根据本发明的实施例，功率因数校正器件20的开关管21可以为SiC MOSFET、SiCIGBT或者GaN HEMT。利用SiC、GaN材料制成的器件开关速度快的优点，可减小模块的开关损耗，进而有利于节约电能、降低模块发热，从而进一步提高高集成功率模块可靠性。另外，发明人还发现，开关管21采用SiC MOSFET、SiC IGBT或者GaN HEMT后，二极管22再设置为SiCMOSFET、SiC IGBT或者GaN HEMT器件，并不能带来显著的节能省电效果，因此，二极管22可以设置为Si材料制成的器件，由此可以进一步降低模块成本。
根据本发明的实施例，参考图2，智能功率模块30包括压缩机智能功率模块300和风机智能功率模块400。本发明的高集成智能功率模块通过将压缩机智能功率模块300和风机智能功率模块400集成在同一散热基板上，有效减小了电控板的体积。
根据本发明的实施例，压缩机智能功率模块300包括多个开关管、多个二极管和压缩机智能功率模块驱动。如图5所示，压缩机智能功率模块300包括开关管311、开关管312、开关管313、开关管314、开关管315、开关管316、二极管321、二极管322、二极管323、二极管324、二极管325、二极管326和压缩机智能功率模块驱动33。在一些实施例中，开关管311～316为IGBT管，二极管321～326为快速恢复二极管。
根据本发明的实施例，功率因数校正器件300的开关管311～316可以为SiCMOSFET、SiC IGBT或者GaN HEMT。利用SiC、GaN材料制成的器件开关速度快的优点，可减小模块的开关损耗，进而有利于节约电能、降低模块发热，从而进一步提高高集成功率模块可靠性。另外，发明人还发现，开关管311～316采用SiC MOSFET、SiC IGBT或者GaN HEMT后，二极管321～326再设置为SiC MOSFET、SiC IGBT或者GaN HEMT器件，并不能带来显著的节能省电效果，因此，二极管321～326可以设置为Si材料制成的器件，由此可以进一步降低模块成本。
根据本发明的实施例，风机智能功率模块400包括多个逆导型绝缘栅双极型晶体管(逆导IGBT)和风机智能功率模块驱动(风机IPM驱动)。如图5所示，风机智能功率模块包括逆导IGBT 411、逆导IGBT 412、逆导IGBT 413、逆导IGBT 414、逆导IGBT 415、逆导IGBT416和风机IPM驱动43。在本发明的一些实施例中，风机IPM驱动43与压缩机IPM驱动33可邻近设置。由于风机IPM和压缩机IPM的强电输入端相连，因此将二者邻近设置，有利于高集成功率模块的强电布线简洁，减小干扰，从而提高模块的稳定性和寿命。
根据本发明的实施例，本发明的高集成功率模块电气连接如图5。如图5所示，本发明的高集成功率模块可包括外部电感500和外部电容600。其中，外部电感500设置在整流桥和功率因数校正器件之间；外部电容600设置在功率因数校正器件和智能功率模块之间。由此，可进一步有利于减小高集成功率模块的体积。
在本发明的另一方面，本发明提出了一种电器。根据本发明的实施例，该电器包括上述实施例的高集成功率模块。根据本发明实施例的电器通过采用上述实施例的高集成功率模块，可有效减小功率模块的空间占用，且具有更高的可靠性和更长的使用寿命。
在本发明的一些实施例中，上述电器可以为空调、洗衣机、冰箱或电磁炉。空调、洗衣机、冰箱或电磁炉中通过采用上述实施例的高集成功率模块，可有效减小功率模块的空间占用，且具有更高的可靠性和更长的使用寿命。
需要说明的是，前文针对高集成功率模块所描述的特征和优点同样适用于上述电器，在此不再一一赘述。
下面参考具体实施例，对本发明进行描述，需要说明的是，这些实施例仅仅是描述性的，而不以任何方式限制本发明。
实施例
高集成功率模块基板布线方式如图4所示、各器件之间的气连接关系如图5所示。高集成功率模块包含制作于同一散热基板上的整流桥、PFC开关、压缩机IPM和风机IPM。通过将整流桥、PFC开关、压缩机IPM和风机IPM集成在同一基板，可减小电控板面积约30％。
整流桥包括4个Si材料制作的二极管11、二极管12、二极管13、二极管14。输入功率模块的交流电，经整流桥后，变为直流电，流向模块外部电感500(电感500体积大，无法集成到模块之中)。
PFC开关包括开关管21、二极管22、PFC开关驱动23。开关管21是SiC MOSFET、SiCIGBT或者GaN HEMT器件，二极管22为Si材料制成。
压缩机IPM包括开关管311～316、快速恢复二极管321～326和压缩机IPM驱动33。开关管311～316为SiC MOSFET、SiC IGBT或者GaN HEMT器件，快速恢复二极管321～326为Si材料制成。
风机IPM包括逆导IGBT 411～416，风机IPM驱动43。逆导IGBT411～416为Si材料制成。
本实施例的功率模块所选用器件均为裸芯片，它们被安装在同一散热基板上。功率模块内部电路的电连接通过金属绑线5、绑线线盘6、铜布线7实现电连接关系。本实施例的功率模块对绑线焊盘6设置位置进行调整，将绑线焊盘6设置在靠近引脚焊盘8处，从而有效减少了PCB上的铜布线7，达到缩小PCB尺寸目的。相比于常规布线(图3)，本实施例图4的布线方式，对绑线焊盘位置进行调整，充分利用绑线不占据PCB尺寸的特点，形成金属绑线5与铜布线6的立体电路拓扑，从而进一步缩小功率模块的尺寸。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (9)
1.一种高集成功率模块，其特征在于，包括：
基板，所述基板上具有绑线焊盘和引脚焊盘；
整流桥、功率因数校正器件和智能功率模块，所述整流桥、所述功率因数校正器件和所述智能功率模块设置在所述基板上；所述整流桥与所述功率因数校正器件之间、所述功率因数校正器件与所述智能功率模块之间通过金属绑线、绑线焊盘和铜布线电相连；其中，所述绑线焊盘与所述引脚焊盘邻近设置；且部分所述金属绑线跨过IGBT将所述绑线焊盘与所述智能功率模块驱动电相连以形成所述金属绑线与所述铜布线的立体电路拓扑；
外部电感，所述外部电感设置在所述整流桥和所述功率因数校正器件之间；
外部电容，所述外部电容设置在所述功率因数校正器件和所述智能功率模块之间。
2.根据权利要求1所述的高集成功率模块，其特征在于，所述整流桥包括多个二极管。
3.根据权利要求1所述的高集成功率模块，其特征在于，所述功率因数校正器件包括开关管、二极管和功率因数校正开关驱动。
4.根据权利要求3所述的高集成功率模块，其特征在于，所述功率因数校正器件的开关管为SiC MOSFET、SiC IGBT或者GaN HEMT。
5.根据权利要求1所述的高集成功率模块，其特征在于，所述智能功率模块包括压缩机智能功率模块和风机智能功率模块。
6.根据权利要求5所述的高集成功率模块，其特征在于，所述压缩机智能功率模块包括多个开关管、多个二极管和压缩机智能功率模块驱动。
7.根据权利要求5所述的高集成功率模块，其特征在于，所述压缩机智能功率模块的开关管为SiC MOSFET、SiC IGBT或者GaN HEMT。
8.根据权利要求5所述的高集成功率模块，其特征在于，所述风机智能功率模块包括多个逆导型绝缘栅双极型晶体管和风机智能功率模块驱动。
9.一种电器，其特征在于，包括权利要求1～8任一项所述的高集成功率模块。
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