本文将围绕电动飞机中功率电子设备的封装、接口及配置展开，具体聚焦于功率逆变器的半桥模块，其技术方案旨在提升电动飞机的性能。

文中以具备多个可倾斜转子组件的飞机(如图1所示的飞机100)为应用对象，该飞机包含机身114、机翼112、尾翼110以及以可倾斜转子组件116形式存在的推进系统108，且配备机舱电池组104和机翼电池组106作为电源；其能源系统(如图2所示的能源系统200)包含电池组202、电池模块204、推进系统108、电池Mate208、爆破膜210、流体循环系统212和功率电子设备214等，功率逆变器作为直流-交流转换的核心部件，性能直接影响飞机的续航、负载能力与安全性。

对于六电机六电池飞机的电气系统架构(如图3所示)，每个电池302为两个功率逆变器304供电，共12个功率逆变器，每个推进电机306由两个逆变器分别为其两组绕组供电，这种冗余设计使得单个组件的性能缺陷被放大，凸显了优化功率逆变器设计的必要性。

图1 飞机平面图

图2 用于图1所示飞机的飞机能源系统示意图

图3 六电机六电池飞机电气系统电源架构示意图

在航空领域，传统直流-交流功率逆变器存在诸多问题，难以满足电动飞机的严苛需求。

从性能角度来看，传统半桥模块的引线布局不合理，导致电路环路的电感较大，以三相功率逆变器(如图4所示的功率逆变器304)为例，其包含三个相互连接的半桥模块702，每个半桥模块由两个串联的开关712组成，而每个开关与直流电源连接形成的环路会产生固有电感，较大的电感会导致开关过程中产生电压尖峰，增加能量损耗，降低转换效率。

图4 功率逆变器及其负载的电路图

温度监测方面，传统逆变器的温度传感器通常安装在远离开关的位置，无法精确反映开关712尤其是芯片上开关的实际工作温度，而开关的温度变化直接影响其性能和寿命，不准确的温度监测可能导致过热保护误触发或失效，进而引发设备故障，这在对安全性要求极高的航空场景中是不可接受的。

空间与重量方面，传统封装设计在空间利用和集成度上存在局限，对于电动飞机中多个功率逆变器的冗余配置(如上图3中每个电机由两个逆变器供电，共12个逆变器)，单个组件的体积和重量劣势被放大，传统设计难以在有限的机舱空间内实现高效布局，同时也会增加整体重量，影响飞机的有效载荷和续航能力。

冷却系统方面，由于传统逆变器效率低下，会产生额外的热量，这就要求冷却系统具备更大的容量，进一步增加了设备的重量和复杂性，与航空领域对轻量化、高效化的要求相悖。

针对上述问题，本文提出了一系列关于半桥封装、引线框架配置及温度监测的创新设计，旨在全面提升功率逆变器在航空场景下的性能。

在半桥封装的结构设计上，核心改进在于优化引线布局以降低电感，从而提升逆变器性能。如图5所示的半桥封装800包含基板802、包封804和引线框架806，其中引线框架806包含多个引线，如功率正极引线808、功率负极引线810、高侧开尔文源引线812、高侧栅极引线814、高侧热敏电阻引线816、低侧开尔文源引线818、低侧栅极引线820、低侧热敏电阻引线822和半桥中心引线824等，这些引线与封装内部的组件相连。通过将连接半桥两侧与直流电源的引线(即第一引线和第二引线，对应图中的功率正极引线808和功率负极引线810)设计为相邻且大致平行的结构，减少了引线所包围的面积，从而降低了半桥的电感。

图5 用于图4所示功率逆变器的半桥封装透视图

如图6-7所示，这是引线框架806及半桥封装相关组件的透视图，其中基板802和包封804已被移除以展示内部结构，从图中可以清晰看到，功率负极引线810与功率正极引线808相邻，功率负极引线810电连接到第一开关908，功率正极引线808耦合到位于其下方且相邻的第二开关1002，半桥模块702的中心通过半桥中心引线824耦合到负载，这种布局缩小了由这些组件和引线所围成的面积，相应地降低了该环路的电感，有效解决了传统引线布局导致电感过大的问题，提升了逆变器的转换效率。

图6 图5所示半桥封装的引线框架及相关组件透视图

图7 移除了功率负极引线的图5半桥封装

的引线框架及相关组件透视图

温度监测的准确性是保障开关性能和寿命的关键，本文通过创新设计解决了传统温度监测不准确的问题，具体而言，是将热敏电阻直接集成到开关所在的芯片上以实现精准测温。

如图8所示，这是展示每个开关712的热敏电阻1204的位置和安装方式的透视图，在当前的半桥封装800中，通过将热敏电阻1204直接设置在包含第一开关908的芯片1202上，对于第二开关1002也采用类似的布置，即配备自己的热敏电阻，从而能够直接感知开关的温度。热敏电阻1204通常通过烧结的方式直接连接到芯片1202上的焊盘1208，热敏电阻引线1206通过烧结、引线键合或其他技术连接到热敏电阻1204，这种设计使得温度测量点紧邻开关，极大地提高了温度监测的准确性，相比传统的远程测温方式，能更及时、准确地反映开关的工作状态，为过热保护提供可靠依据，保障设备的安全运行，尤其适用于对安全性要求极高的航空场景。

图8 图5-6所示半桥封装中每个开关

的热敏电阻位置及安装方式的透视图

在封装集成度和空间优化方面，本文提出的半桥封装设计具有高度的集成性，有效解决了传统封装集成度低、空间占用大的问题。如图5-6所示，半桥封装800将多个功能引线和组件集成在单一封装内，除了功率正极引线808、功率负极引线810、半桥中心引线824外，还包括高侧开尔文源引线812、高侧栅极引线814、高侧热敏电阻引线816、低侧开尔文源引线818、低侧栅极引线820、低侧热敏电阻引线822等，这种高度集成的设计减少了外部连接的复杂性，同时显著缩小了封装体积，使得多个逆变器能够在有限的飞机空间内实现高效布局。

对于飞机的推进系统倾斜配置(如图9-11所示)，该设计的紧凑性使其能够适应机舱内的动态环境，不会因空间限制影响性能。此外，由于电感降低和效率提升，逆变器产生的热量减少，相应地降低了对冷却系统的容量需求，如图2中的流体循环系统212可以设计得更轻便，进一步减轻了设备重量，这对于提升飞机的有效载荷和续航能力具有重要意义，尤其是在多个逆变器冗余配置的情况下，单个组件的重量和体积优势会被放大，整体提升飞机的性能。

图9A 处于垂直推力配置的飞机透视图

图9B 处于水平推力配置的飞机透视图

图10A-10C飞机推进系统及螺旋桨、机舱等相关组件的倾斜情况

图11A-11C 飞机推进系统及螺旋桨、机舱等相关组件的倾斜情况

从整体系统应用来看，本文提出的半桥封装设计能够很好地适配飞机的功率系统，为推进电机提供高效、可靠的电力供应。该半桥封装设计适用于如图4所示的三相功率逆变器304，三个半桥模块702相互连接，与直流电源704和电容器706并联，每个半桥模块702耦合到一个负载(表示为电阻708和电感710，在一些示例中为三相电机的三相)，通过优化后的引线布局和温度监测，确保了逆变器在为飞机推进电机(如图3中的推进电机306)供电时的高效性和可靠性。

在飞机的电气系统中，电池302除了为功率逆变器304供电外，还为转子部署机构308(机舱倾斜致动器)、可变螺距螺旋桨312的叶片变距电机和位置编码器、控制面致动器314等供电，而功率逆变器作为电力转换的核心，其性能的提升会带动整个电气系统的高效运行，例如，更高效的功率逆变器会减少能量损耗，增加飞机的续航里程，同时降低对电池容量的需求，间接减轻电池重量。

在制造方法上，本文提出的方案也具有可行性和可靠性，为解决方案的实现提供了工艺保障。该方法包括将第一引线810耦合到第一开关908，将第二引线808耦合到第二开关1002，使第二引线808与第一引线810相邻，在一些示例中，第一开关908和第二开关1002在半桥封装中彼此相邻，第一引线810越过第二开关1002；还包括将第一开关908和第二开关1002中的至少一个形成在芯片上，并将热敏电阻安装到芯片上，其中将热敏电阻安装到芯片上包括将热敏电阻烧结到芯片(如图7中热敏电阻1204烧结至芯片1202)，以及将热敏电阻引线安装到热敏电阻上。这种制造工艺不仅提升了组件的集成度，还增强了连接的可靠性，能够适应航空场景的振动和温度变化环境，确保半桥封装在长期使用中保持稳定的性能。

综上所述，本文提出的半桥封装及相关设计通过优化引线布局降低电感、集成热敏电阻实现精准测温、提升封装集成度缩小体积和重量，有效解决了传统技术在航空功率逆变器应用中存在的问题，各个设计环节相互配合，从性能、可靠性、空间利用等多方面提升了功率逆变器的整体水平，为电动飞机的高效、安全运行提供了关键的技术支持，满足了航空领域对电力电子设备的严苛要求。

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