[发明专利]功率单元、功率模块

说明书

本公开涉及功率单元、功率模块。该功率单元包括：第一金属层包括第一方向依次排列的功率区、低压区及高压区；基本电路单元包括：至少两个主开关管位于功率区，漏极与功率区电连接，源极与低压区电连接；辅开关管位于高压延伸区，漏极与高压延伸区电连接，源极与主开关管的漏极电连接；箝位电容电连接于低压区和高压区；第一基本电路单元的低压区通过连接区与第二基本电路单元的功率区电连接；低压延伸区与第二基本电路单元的低压区电连接。该功率单元内部对高电场和低电场区域做明显分隔的设计可提升其电气可靠性，基于功率单元的高对称性功率模块设计降低模块寄生电感，提高功率模块动态响应速度。

技术领域

本公开涉及电力电子技术领域，特别是涉及功率单元、功率模块。

背景技术

在工业、交通、电网、国防等领域中存在大量的中高压电力变换应用场景，其电力变换系统对高耐压电力电子器件或者功率模块有着强劲的需求。对于单极性电力电子器件而言，器件的比导通电阻与耐压的平方呈正比，耐压越高，器件的比导通电阻越高，器件工作时的损耗越大。某种程度上，可以简单的认为器件的耐压增加5倍(比如1200V增加到6000V)，器件的损耗将升高为原来的25倍。

对于传统的硅基器件而言，大幅提升器件的电压等级只能依靠双极型的器件结构设计，但是双极型器件的开关损耗较高，使得高耐压双极性器件的应用收到限制。为了实现低损耗的高压大功率输出，新型宽禁带半导体电力电子器件的研究和开发成为必然趋势。碳化硅(Silicon Carbide，SiC)器件是新型宽禁带半导体器件的典型代表，具有开关速度快、损耗低的特点，在电力系统中存在广阔的应用前景。当前，1.2kV及其以下耐压等级碳化硅电力电子芯片已完全大规模商业化，其价格也比较合理，但是由于碳化硅材料和芯片工艺技术的制约，低成本的可靠的高耐压碳化硅器件仍旧遥遥无期。因此，采用串联低耐压低损耗碳化硅器件实现高耐压功率变换的技术成为了中高压电力变换降低损耗、降低成本、提升系统输出功率的最佳选择。

采用低压器件搭建高压功率变换系统有两种可能的解决方案，分别是多电平变换器方案(Multilevel Converter Scheme)和电力电子器件串联方案(Power DevicesSeries Scheme)。以级联H桥多电平变换器(Cascaded H-Bridge Multilevel Converter，CHB)和模块化多电平变换器(Modular Multilevel Converter，MMC)为代表的多电平变换器方案具有模块化结构、高效率和高可靠性的特点，已被应用于众多中高功率变换应用场合里。然而，多电平转换器方案通常不得不使用大尺寸的无源元件，例如，CHB需要配备较大体积的移相变压器，而MMC中电容器占其子模块尺寸的70％左右。这些缺点阻碍了多电平转换器在一些对重量和体积要求严格的应用场合的使用，例如电气化运输和数据中心等。

电力电子器件串联方案是将低压功率器件应用于中高压应用场合的另外一种较为直接的方式。电力电子器件的串联方案提高了功率变换系统的耐压等级，增加了功率变换系统的输出功率，其相对于多电平技术方案的优点在于串联后的功率变换系统体积小、无源元件数量少、电路拓扑简单。但是由于电力电子器件的电性能参数或者外部电路条件存在差异，比如：结电容、栅极的阈值电压、栅极驱动信号延时、施加在栅极的瞬时驱动电压等，结果导致串联电力电子器件的电压极容易出现不均衡，功率变换系统的电气可靠性不高的问题。因此，实现串联器件的电压均衡(Voltage Balance)成为采用低耐压电力电子器件的功率变换系统进一步提升电压和电流等级的技术关键。

均压控制策略和串联拓扑结构功率回路的硬件优化设计是实现电力电子器件的串联均压(Voltage Balance of Power Devices in Series)的两个主要技术支撑。均压控制策略存在两类技术方案，分别是输入栅极侧均压控制技术方案和输出功率侧均压控制技术方案。