本發(fā)明涉及功率半導(dǎo)體模塊，具體涉及一種mosfet功率半導(dǎo)體模塊、電機(jī)控制器及汽車(chē)。

背景技術(shù)：

1、目前，主流的功率半導(dǎo)體模塊結(jié)構(gòu)通常由功率芯片、覆銅陶瓷基板、互聯(lián)銅排或綁線、功率端子、信號(hào)端子、環(huán)氧塑封料或框架塑料外殼以及多種焊料等組成。這種結(jié)構(gòu)通過(guò)精密的焊接工藝，將各個(gè)組件緊密連接在一起，形成一個(gè)高度集成的功率轉(zhuǎn)換單元。然而，在現(xiàn)有技術(shù)中，尤其是采用四并聯(lián)或更多并聯(lián)方案的功率模塊設(shè)計(jì)中，存在一些固有的技術(shù)難題。

2、如圖1和圖2所示，傳統(tǒng)的四并聯(lián)功率模塊中，功率芯片在基板長(zhǎng)邊方向上下部分位置，四并方案橋臂上芯片布局呈矩形分布，其中，功率路徑（大電流路徑）為：從直流正極功率電極端子5經(jīng)基板上橋漏極功率銅層19-a、上橋芯片組、上橋源極功率互聯(lián)銅排20-a、第二基板上下橋功率互聯(lián)銅層19-c?（下橋漏極功率銅層）、上下橋互聯(lián)銅排20-b、第一基板上下橋功率互聯(lián)銅層19-b（下橋漏極功率銅層）、下橋芯片組、下橋源極功率互聯(lián)銅排20-c、基板功率負(fù)極銅層19-d至直流負(fù)極功率電極端子4。這種布局方式存在以下問(wèn)題：

3、1.由于上下橋功率路徑在空間上存在垂直交叉重貼區(qū)域，當(dāng)模塊在死區(qū)暫態(tài)工作時(shí)，上下橋換流路徑會(huì)在此區(qū)域產(chǎn)生強(qiáng)烈的磁場(chǎng)耦合效應(yīng)，進(jìn)而形成電磁干擾。

4、2.下橋驅(qū)動(dòng)路徑與功率路徑之間的空間垂直交叉重貼區(qū)域同樣會(huì)帶來(lái)問(wèn)題。功率路徑上的大電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)會(huì)干擾驅(qū)動(dòng)路徑上的信號(hào)，導(dǎo)致信號(hào)振蕩，進(jìn)而增加模塊的損耗，降低動(dòng)靜態(tài)均流的一致性。這不僅會(huì)降低模塊的效率，還可能影響模塊的穩(wěn)定運(yùn)行。

5、3.由于上下橋驅(qū)動(dòng)路徑的寄生電阻和寄生電感存在較大差異，這會(huì)導(dǎo)致上下橋的外圍電路在設(shè)計(jì)上產(chǎn)生很大差異。這種差異會(huì)進(jìn)一步影響上下橋信號(hào)的一致性，使得模塊在運(yùn)行時(shí)難以達(dá)到理想的控制效果。

6、因此，有必要開(kāi)發(fā)一種新的mosfet功率半導(dǎo)體模塊、電機(jī)控制器及汽車(chē)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種mosfet功率半導(dǎo)體模塊、電機(jī)控制器及汽車(chē)，以解決電磁干擾大和動(dòng)靜態(tài)均流不一致的問(wèn)題。

2、第一方面，本發(fā)明所述的一種mosfet功率半導(dǎo)體模塊，包括：

3、基板，其上從一側(cè)到另一側(cè)依次設(shè)有上橋芯片組區(qū)域、基板功率負(fù)極銅層和下橋芯片組區(qū)域，所述上橋芯片組區(qū)域包括基板上橋柵極信號(hào)銅層、基板上橋源極信號(hào)銅層及基板上橋漏極功率銅層，下橋芯片組區(qū)域包括基板下橋柵極信號(hào)銅層、基板下橋源極信號(hào)銅層及基板下橋漏極功率銅層；

4、多個(gè)功率電極端子，包括分別與基板功率負(fù)極銅層、基板上橋漏極功率銅層及基板下橋漏極功率銅層相連接的直流負(fù)極功率電極端子、直流正極功率電極端子及輸出功率電極端子；

5、多個(gè)信號(hào)端子，包括分別與基板上橋柵極信號(hào)銅層、基板上橋源極信號(hào)銅層、基板下橋柵極信號(hào)銅層及基板下橋源極信號(hào)銅層相連接的上橋臂柵極信號(hào)端子、上橋臂源極信號(hào)端子、下橋臂柵極信號(hào)端子及下橋臂源極信號(hào)端子；

6、上橋芯片組，包括分別設(shè)置在基板上橋漏極功率銅層上的多顆mosfet功率芯片；

7、下橋芯片組，包括分別設(shè)置在基板下橋漏極功率銅層上的多顆mosfet功率芯片；

8、信號(hào)連接件，用于連接所述基板上橋柵極信號(hào)銅層、基板上橋源極信號(hào)銅層、基板下橋柵極信號(hào)銅層以及基板下橋源極信號(hào)銅層與對(duì)應(yīng)的mosfet功率芯片的驅(qū)動(dòng)區(qū)域；

9、互聯(lián)墊高層，設(shè)置于所述上橋芯片組區(qū)域、下橋芯片組區(qū)域及基板功率負(fù)極銅層上；

10、互聯(lián)基板，設(shè)置于所述互聯(lián)墊高層上；

11、其中，所述上橋臂柵極信號(hào)端子、上橋臂源極信號(hào)端子、下橋臂柵極信號(hào)端子及下橋臂源極信號(hào)端子分別通過(guò)對(duì)應(yīng)的信號(hào)連接件與上橋芯片組和下橋芯片組中的mosfet功率芯片的驅(qū)動(dòng)區(qū)域連接，以形成驅(qū)動(dòng)路徑；直流正極功率電極端子分別通過(guò)基板上的功率銅層、芯片組、互聯(lián)墊高層及互聯(lián)基板與直流負(fù)極功率電極端子相連接，以形成功率路徑；且所述驅(qū)動(dòng)路徑與功率路徑在空間上無(wú)交叉重貼區(qū)域。

12、可選地，所述信號(hào)連接件包括：

13、連接基板上橋柵極信號(hào)銅層和mosfet功率芯片的上橋柵極綁線；

14、連接基板下橋柵極信號(hào)銅層和mosfet功率芯片的下橋柵極綁線；

15、連接基板上橋源極信號(hào)銅層和mosfet功率芯片的上橋源極綁線；

16、連接基板下橋源極信號(hào)銅層和mosfet功率芯片的下橋源極綁線。

17、可選地，所述驅(qū)動(dòng)路徑包括柵極路徑，所述柵極路徑包括上橋柵極路徑和下橋柵極路徑，所述上橋柵極路徑和下橋柵極路徑以中心為原點(diǎn)呈180°對(duì)稱(chēng)設(shè)置；

18、所述上橋柵極路徑從上橋臂柵極信號(hào)端子經(jīng)基板上橋柵極信號(hào)銅層、上橋柵極綁線至上橋芯片組中的mosfet功率芯片的柵極區(qū)域；

19、所述下橋柵極路徑從下橋臂柵極信號(hào)端子經(jīng)基板下橋柵極信號(hào)銅層、下橋柵極綁線至下橋芯片組中的mosfet功率芯片的柵極區(qū)域。

20、可選地，所述驅(qū)動(dòng)路徑還包括源極路徑，所述源極路徑包括上橋源極路徑和下橋源極路徑，所述上橋源極路徑和下橋源極路徑以中心為原點(diǎn)呈180°對(duì)稱(chēng)設(shè)置；

21、所述上橋源極路徑從上橋臂源極信號(hào)端子經(jīng)基板上橋源極信號(hào)銅層、上橋源極綁線至上橋芯片組中的mosfet功率芯片的開(kāi)爾文源極區(qū)域；

22、所述下橋源極路徑從下橋臂源極信號(hào)端子經(jīng)基板下橋源極信號(hào)銅層、下橋源極綁線至下橋芯片組中的mosfet功率芯片的開(kāi)爾文源極區(qū)域。

23、可選地，所述互聯(lián)墊高層包括設(shè)置在各上橋芯片組上的上橋源極功率互聯(lián)墊高層、設(shè)置在基板下橋漏極功率銅層上的兩個(gè)上下橋功率互聯(lián)墊高層、分別設(shè)置在各下橋芯片組上的下橋源極功率互聯(lián)墊高層、以及設(shè)置在基板功率負(fù)極銅層上的四個(gè)下橋與直流負(fù)極互聯(lián)墊高層；

24、所述互聯(lián)基板包括依次重疊設(shè)置的互聯(lián)銅層、絕緣瓷片和信號(hào)屏蔽銅層，所述互聯(lián)銅層分為能覆蓋所有下橋源極功率互聯(lián)墊高層和所有下橋與直流負(fù)極互聯(lián)墊高層的第一部分，以及能覆蓋所有上橋源極功率互聯(lián)墊高層和所有上下橋功率互聯(lián)墊高層的第二部分。

25、可選地，所述功率路徑從直流正極功率電極端子經(jīng)基板上橋漏極功率銅層、上橋芯片組、上橋源極功率互聯(lián)墊高層、互聯(lián)基板的第二部分、上下橋功率互聯(lián)墊高層、基板下橋漏極功率銅層、下橋芯片組、下橋源極功率互聯(lián)墊高層、互聯(lián)基板下橋源極功率互聯(lián)銅層的第一部分、下橋與直流負(fù)極互聯(lián)墊高層、基板功率負(fù)極銅層至直流負(fù)極功率電極端子。

26、可選地，所述上橋芯片組包括四顆mosfet功率芯片，分別依次間隔設(shè)置在基板上橋漏極功率銅層上；

27、所述下橋芯片組包括四顆mosfet功率芯片，分別依次間隔設(shè)置在基板下橋漏極功率銅層上。

28、可選地，所述基板上橋柵極信號(hào)銅層、基板上橋源極信號(hào)銅層及基板上橋漏極功率銅層均設(shè)置在基板的一側(cè)，且均沿基板的長(zhǎng)度方向延伸；

29、所述基板下橋柵極信號(hào)銅層、基板下橋源極信號(hào)銅層及基板下橋漏極功率銅層均設(shè)置在基板的另一側(cè)，且均沿基板的長(zhǎng)度方向延伸。

30、第二方面，本發(fā)明所述的一種電機(jī)控制器，采用如本發(fā)明所述的mosfet功率半導(dǎo)體模塊。

31、第三方面，本發(fā)明所述的一種汽車(chē)，采用如本發(fā)明所述的電機(jī)控制器。

32、本發(fā)明的有益效果：

33、1.本發(fā)明通過(guò)優(yōu)化模塊中各零部件的布局，顯著降低了功率路徑過(guò)長(zhǎng)所帶來(lái)的電感問(wèn)題，減少了信號(hào)銅排與功率銅排的交叉干擾，提高了電學(xué)穩(wěn)定性。系統(tǒng)電感仿真結(jié)果顯示，相較于現(xiàn)有四并聯(lián)功率模塊的7.6nh，本發(fā)明方案的電感降低至4.8nh，降幅達(dá)2.8nh。這有助于提升功率模塊的電磁兼容性、開(kāi)關(guān)效率、系統(tǒng)穩(wěn)定性、整體性能以及降低功率模塊的損耗，特別是在混合動(dòng)力汽車(chē)、增程動(dòng)力汽車(chē)、工程機(jī)械等領(lǐng)域表現(xiàn)出更出色的性能。

34、2、本發(fā)明上下橋的驅(qū)動(dòng)路徑采用以中心為原點(diǎn)，180°的對(duì)稱(chēng)式設(shè)計(jì)，使得上下柵源極路徑基本一致，減少了驅(qū)動(dòng)寄生參數(shù)的差異。在驅(qū)動(dòng)路徑寄生電感方面：現(xiàn)有方案的四并聯(lián)功率模塊，由于上下橋的回路復(fù)雜，且需要綁定線進(jìn)行連接，整體系統(tǒng)電磁干擾較大，在1ghz下對(duì)上下橋的驅(qū)動(dòng)路徑電感進(jìn)行仿真，上下橋的柵源極寄生電感分別為34.7nh和54nh，電感不均衡度為21.76%。在1ghz下對(duì)本發(fā)明的上下橋的驅(qū)動(dòng)路徑寄生電感進(jìn)行仿真，上下橋的寄生電感分別為12.33nh和12.35nh，電感不均衡度僅為0.1%，遠(yuǎn)低于現(xiàn)有方案的21.76%。在柵源極路徑寄生電阻方面：現(xiàn)有方案的四并聯(lián)功率模塊，在1hz下對(duì)上下橋的柵源極路徑寄生電阻進(jìn)行仿真，上下橋柵源極路徑的寄生電阻分別為44.6mω和77.7mω，電阻不均衡度27.06%。在1hz下對(duì)本發(fā)明的上下橋的柵源極路徑電阻進(jìn)行仿真，上下橋柵源極路徑的寄生電阻分別為3.55mω和3.56mω，電阻不均衡度僅為0.14%，遠(yuǎn)低于現(xiàn)有方案的27.06%。本發(fā)明相較于現(xiàn)有的四并聯(lián)功率模塊，在柵源極路徑寄生電感方面有很大提升，電感優(yōu)化之后，功率模塊的柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)更為穩(wěn)定，對(duì)于功率模塊的性能穩(wěn)定性有更好的提升。在回路電阻方面也有很大的提升，這將進(jìn)一步降低功率回路對(duì)驅(qū)動(dòng)回路的影響，對(duì)功率模塊的系統(tǒng)穩(wěn)定性有較大的提升。

35、3、本發(fā)明中的驅(qū)動(dòng)路徑與功率路徑無(wú)空間交叉重貼區(qū)域，有效減小了因相互之間的電磁干擾造成的柵極開(kāi)關(guān)振蕩。在1ghz下對(duì)上下橋的柵極與功率路徑的互感進(jìn)行仿真，上橋與功率路徑的互感僅為0.47nh，下橋與功率路徑的互感僅為0.68nh，互感不均衡度為18.26%。相較于現(xiàn)有方案的四并聯(lián)功率模塊，因四并聯(lián)功率模塊較為復(fù)雜，柵極綁定線會(huì)跨過(guò)功率回路上方，在1ghz下對(duì)上下橋的柵極與功率回路的互感進(jìn)行仿真，上下橋的柵極與功率回路的互感分別為1.92nh和10.2nh，互感不均衡度為68.32%。以上說(shuō)明本發(fā)明能夠很好地降低驅(qū)動(dòng)路徑和功率路徑之間的互感，這將降低功率路徑對(duì)驅(qū)動(dòng)路徑的影響，這有利于提升模塊的系統(tǒng)穩(wěn)定性。同時(shí)驅(qū)動(dòng)回路受到的影響減小，這將有利于降低功率模塊的損耗，對(duì)提升功率模塊的整體效率有很大幫助。

36、4、本發(fā)明的功率路徑的換流回路更為簡(jiǎn)單，使得換流速度更快。

37、5、本發(fā)明在mosfet功率半導(dǎo)體模塊中，設(shè)置互聯(lián)墊高層和互聯(lián)基板后形成的空間結(jié)構(gòu)允許電流在多個(gè)方向上流動(dòng)。特別是，當(dāng)功率路徑中的電流通過(guò)互聯(lián)墊高層、互聯(lián)基板、芯片和基板時(shí)，它們會(huì)形成一些電流大小一致但流向反向的路徑。這些反向電流路徑產(chǎn)生的磁場(chǎng)將相互抵消，從而減小了整個(gè)回路的雜感，降低了開(kāi)關(guān)損耗，減小了關(guān)斷尖峰，充分提升了功率模塊的性能。