半導(dǎo)體器件功率模塊的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提出了一種半導(dǎo)體器件功率模塊，屬于半導(dǎo)體【技術(shù)領(lǐng)域】。所述模塊包括：位于兩側(cè)的支撐結(jié)構(gòu)，用于固定所述功率模塊；位于所述支撐結(jié)構(gòu)之間的沿縱向延伸的功率組件，所述功率組件包括通過壓裝機構(gòu)壓裝的多個半導(dǎo)體器件，所述半導(dǎo)體器件包括集成門極換向晶閘管、箝位吸收二極管、中點箝位二極管和續(xù)流二極管。根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體器件功率模塊電氣性能優(yōu)良，它充分發(fā)揮了集成門極換向晶閘管（IGCT）器件本身的潛力，具有結(jié)構(gòu)緊湊、雜散電感小、散熱能力強、易于維護等優(yōu)點。
【專利說明】半導(dǎo)體器件功率模塊
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體器件功率模塊，其尤其適用于三電平集成門極換向晶閘管(IGCT)變流器。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著半導(dǎo)體器件技術(shù)的迅速發(fā)展，以絕緣柵雙極晶體管(IGBT)、功率金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管(Power MOSFET)、集成門極換向晶閘管(IGCT)為代表的大功率全控器件得到急速發(fā)展。
[0003]集成門極換向晶閘管(IGCT)是一種高效率、可靠性高的電力半導(dǎo)體器件，它由門極可關(guān)斷(GTO)技術(shù)發(fā)展而來，在開通時是一個門極可關(guān)斷(GTO)晶閘管，而在關(guān)斷時是一個晶體管，兼具晶體管開關(guān)速度快、開關(guān)損耗低和晶閘管導(dǎo)通損耗低、阻斷電壓高、輸出電流大的優(yōu)點，所以它集絕緣柵雙極晶體管(IGBT)的高速開關(guān)特性和GTO的高阻斷電壓及低導(dǎo)通損耗特性于一體。
[0004]由于集成門極換向晶閘管(IGCT)兼具開關(guān)速度快、損耗低、阻斷電壓高、輸出電流大等優(yōu)點，將集成門極換向晶閘管(IGCT)應(yīng)用到三電平電路的變流器模塊中則會具有超大功率的輸出能力。從該器件的應(yīng)用來看，目前較為成熟的集成門極換向晶閘管(IGCT)變流器模塊很少，大多存在雜散電感大、集成度不高、維護不便等缺陷，很難充分發(fā)揮集成門極換向晶閘管(IGCT)器件本身的潛力。
[0005]中性點鉗位(NPC)是目前最為成熟的三電平電路，具有結(jié)構(gòu)簡單、使用功率器件少、技術(shù)成熟可靠的優(yōu)點，無需通過串聯(lián)器件即可實現(xiàn)變頻器的高壓大功率輸出，將集成門極換向晶閘管(IGCT)器件應(yīng)用于該電路中是目前一種有效實現(xiàn)途徑。完整的三電平集成門極換向晶閘管(IGCT)變流器模塊包括集成門極換向晶閘管(IGCT)、續(xù)流二極管、箝位二極管、吸收回路及水路組件等，由于集成門極換向晶閘管(IGCT)器件對電路連接中雜散電感的分布要求較為苛刻，需要有效、巧妙地布置各器件，一方面保證必須的電氣性能，另一方面盡可能降低回路的雜散電感，同時充分考慮到半導(dǎo)體元件的壓裝、器件散熱、工程維護等各方面問題，以上種種問題都是集成門極換向晶閘管(IGCT)變流器模塊設(shè)計時所必須考慮的。變流器模塊是集成門極換向晶閘管(IGCT )器件應(yīng)用的基礎(chǔ)，也是變流器設(shè)計的核心部件，所以設(shè)計一種結(jié)構(gòu)簡單、雜散電感小、便于維護、成熟可靠的變流器模塊具有重要意義。
[0006]在三電平電路中，器件數(shù)量相對較多，如果將相關(guān)元器件分散組裝再利用母排連接，不僅增大了電路結(jié)構(gòu)工程化的體積，而且也增加了線路的雜散電感。而集成門極換向晶閘管(IGCT)器件對電路連接中雜散電感的分布要求較為苛刻，雜散電感的增大意味著集成門極換向晶閘管(IGCT)器件的能力不能得到充分發(fā)揮。此外，集成門極換向晶閘管(IGCT)功率組件如果分散安裝，也不利于以后的維護工作。
[0007]基于此， 申請人:設(shè)計了一種高壓三電平集成門極換向晶閘管(IGCT)變流器模塊，該模塊集成度高、電氣連接簡潔、雜散電感小、方便維護，能充分發(fā)揮集成門極換向晶閘管(IGCT )器件的能力，大大提升了變流器模塊的輸出能力。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]以上種種問題決定了集成門極換向晶閘管(IGCT)器件的應(yīng)用必須要采用集成度高的變流器模塊形式，本發(fā)明設(shè)計了一種半導(dǎo)體器件功率模塊，它不僅很好地解決了以上問題，同時降低了器件的應(yīng)用難度，充分發(fā)揮了集成門極換向晶閘管(IGCT)這種大功率器件的潛力。
[0009]本發(fā)明提出了一種半導(dǎo)體器件功率模塊，包括:位于兩側(cè)的支撐結(jié)構(gòu)，用于固定所述功率模塊；位于所述支撐結(jié)構(gòu)之間的沿縱向延伸的功率組件，所述功率組件包括通過壓裝機構(gòu)壓裝的多個半導(dǎo)體器件，所述半導(dǎo)體器件包括集成門極換向晶閘管、箝位吸收二極
管、中點箝位二極管和續(xù)流二極管。
[0010]在一個實施方案中，所述功率組件的數(shù)量為三個，且沿縱向方向觀測，所述三個功率組件的位置處于三角形的三個頂點。以此方式，巧妙地實現(xiàn)了三電平電路結(jié)構(gòu)，采用三串式結(jié)構(gòu)，整個模塊的電氣連接更加簡潔、減小了模塊內(nèi)部環(huán)流回路的雜散電感，充分發(fā)揮了IGCT器件本身的能力。
[0011]在一個實施方案中，所述模塊包括第一功率組件、第二功率組件、第三功率組件、箝位吸收電容、絕緣部件和散熱器，且所述第一功率組件包括集成門極換向晶閘管，所述第二功率組件包括箝位吸收二極管、中點箝位二極管和吸收電容的連接母排，所述第三功率組件包括續(xù)流二極管。
[0012]在一個實施方案中，在所述第一功率組件中，通過壓裝機構(gòu)將四只集成門極換向晶閘管與散熱器和絕緣部件壓裝。
[0013]在一個實施方案中，在所述第二功率組件中，通過壓裝機構(gòu)將兩只箝位吸收二極管、兩只中點箝位二極管、散熱器與絕緣部件壓裝。
[0014]在一個實施方案中，在所述第三功率組件中，通過壓裝機構(gòu)將四只續(xù)流二極管與散熱器和絕緣部件壓裝。
[0015]在一個實施方案中，所述模塊還包括沿縱向從位于一側(cè)的支撐結(jié)構(gòu)延伸至另一側(cè)的支撐結(jié)構(gòu)的柱體，所述柱體內(nèi)部具有用于冷卻水的通道，且所述柱體的數(shù)量優(yōu)選為4根。支撐柱一方面用于連接模塊兩側(cè)的支撐結(jié)構(gòu)，使模塊形成一個框架，支撐柱承受半導(dǎo)體元件的壓裝力；另一方面支撐柱上開有水嘴口，內(nèi)部通冷卻水為功率器件進行散熱，確保功率半導(dǎo)體器件工作過程中的熱量能被有效帶走。
[0016]在一個實施方案中，所述箝位吸收電容一端通過壓裝于所述第二功率組件內(nèi)的連接母排連接，另一端通過絕緣子進行固定。這用于減輕電容重量本身對功率組件的壓力。
[0017]在一個實施方案中，所述支撐結(jié)構(gòu)包括沿所述模塊的橫向設(shè)置的鋼板，所述鋼板能夠承受120kN的壓力。如此保證其有足夠的強度來承受三個功率組件的壓裝力。
[0018]在一個實施方案中，所述散熱器的接線端通過多層銅板或紫銅帶疊合來進行連接。這用于解決不同功率器件的高度差問題。
[0019]上述技術(shù)特征可以各種適合的方式組合或由等效的技術(shù)特征來替代，只要能夠達到本發(fā)明的目的。
[0020]根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體器件功率模塊電氣性能優(yōu)良，它充分發(fā)揮了集成門極換向晶閘管(IGCT)器件本身的潛力，具有結(jié)構(gòu)緊湊、雜散電感小、散熱能力強、易于維護等優(yōu)點?！緦＠綀D】

【附圖說明】
[0021]在下文中將基于僅為非限定性的實施例并參考附圖來對本發(fā)明進行更詳細的描述。其中:
[0022]圖1顯示了根據(jù)本發(fā)明的功率模塊沿縱向的剖面圖；
[0023]圖2顯示了根據(jù)本發(fā)明的功率模塊的橫向剖面圖；
[0024]圖3顯示了根據(jù)本發(fā)明的功率模塊的電路圖。
[0025]在圖中，相同的構(gòu)件由相同的附圖標記標示。附圖并未按照實際的比例繪制?！揪唧w實施方式】
[0026]下面將參照附圖來詳細地介紹本發(fā)明。
[0027]圖1顯示了根據(jù)本發(fā)明的功率模塊50沿縱向的剖面圖。參照圖1，根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體功率模塊50采用以左壓板3和鋼板2作為左側(cè)的支撐壓板，采用右壓板8和鋼板2作為右側(cè)的支撐壓板。
[0028]功率模塊50通過三個壓裝機構(gòu)10把集成門極換向晶閘管(IGCT) 9、續(xù)流二極管13、箝位吸收二極管7、中點箝位二極管6、箝位吸收電容5、水冷散熱器14和相關(guān)絕緣部件11壓裝成呈三角形排列的三串功率串，左右兩側(cè)的支撐通過四根支撐柱4緊固成一個框架。
[0029]三串功率組件內(nèi)部的半導(dǎo)體器件通過散熱器14本身及其后部的接線端來完成電路的連接。考慮到三串功率組件散熱器件可能存在一定的高度差，所以散熱器14后部的接線端的連接通過多層薄銅板或紫銅帶疊合來實現(xiàn)。
[0030]圖2顯示了根據(jù)本發(fā)明的功率模塊50的橫向剖面圖。參照圖2，第一串功率組件15的半導(dǎo)體器件為集成門極換向晶閘管(IGCT) 9，其通過壓裝機構(gòu)把四只集成門極換向晶閘管(IGCT) 9、散熱器14、絕緣部件11等壓裝而成；第二串功率組件16的半導(dǎo)體器件為箝位吸收二極管7、中點箝位二極管6、箝位吸收電容5的連接母排，在圖2所示的實施例中，其為通過壓裝機構(gòu)把兩只箝位吸收二極管7、兩只中點箝位二極管6、散熱器14、絕緣部件11等壓裝而成；第三串功率組件17的半導(dǎo)體器件為續(xù)流二極管13，在圖2所示的實施例中，其為通過壓裝機構(gòu)把四只續(xù)流二極管13、散熱器14、絕緣部件11等壓裝而成。
[0031]在附圖所示的實施例中，根據(jù)本發(fā)明的功率模塊50所使用的水冷散熱器14通過鋁合金材質(zhì)內(nèi)盤不銹鋼管整體鑄壓而成，散熱器14兩側(cè)面均布有不銹鋼管，可進行雙面散熱，散熱器14的后部加工有接線端，可直接進行電氣連接。
[0032]在附圖所示的實施例中，根據(jù)本發(fā)明的功率模塊所使用的左壓板3、右壓板8為鋁合金板，且它們分別為一整塊厚板，并且具有足夠的強度，例如能承受120kN的壓力。優(yōu)選地，厚壓板的變形量盡可能小。
[0033]支撐柱4可以為較厚的不銹鋼管。支撐柱4的左右兩側(cè)設(shè)置有螺紋用于固定連接。支撐柱4通過匯流管組件I和匯流管組件12兩兩并聯(lián)。在圖中所示的實施例中，四根支撐柱4中有兩根為進水管、兩根為出水管，每根支撐柱4上布置有多個水接口，其一方面要承受三串功率組件的壓裝力，另一方面內(nèi)部通冷卻水為功率器件進行散熱，以確保半導(dǎo)體功率器件工作過程中產(chǎn)生的熱量能被有效帶走。支撐柱4截面的選取一方面要考慮強度，確保能承受壓裝元件的壓裝力，另一方面要考慮模塊散熱所需要的冷卻水流量，合理匹配流阻。支撐柱4的布置要充分考慮到其與散熱器14及功率半導(dǎo)體元件間的距離，保證有足夠的電氣間隙，以適應(yīng)高壓、大電流的電氣設(shè)計要求。
[0034]根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體器件功率模塊50吸收電路布置緊湊，箝位吸收電容5直接并聯(lián)于器件兩端，位于模塊的上部。箝位吸收電容5—端通過壓裝于第二串功率組件16內(nèi)的連接母排連接，另一端通過絕緣子進行固定，以減輕電容重量本身對功率串組件的壓力。使得箝位吸收電容5與箝位吸收二極管7之間母排很短，盡可能降低了其連接的雜散電感，因為該回路的雜散電感對集成門極換向晶閘管(IGCT) 9的性能影響較大，所以這種布置方式使集成門極換向晶閘管(IGCT ) 9的能力得到了較大發(fā)揮。
[0035]根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體器件功率模塊50的對外接口有兩種:電氣接口和機械接口。機械接口為鋼板2上的安裝孔和吊裝孔，用于模塊的安裝及運輸。電氣接口有DC+母排、DC-母排、NP母排、PH母排組成，除NP母排外，其余母排均采用多層薄銅板或紫銅帶疊合，模塊出線均在后端且母排為“T”形，母排一端短接位于電路上部和下部的集成門極換向晶閘管(IGCT) 9、續(xù)流二極管13、箝位吸收二極管7的相應(yīng)極位，另一端直接從“T”形另一端引出。
[0036]圖3顯示了根據(jù)本發(fā)明的功率模塊的電路圖。其中Vl—V4為IGCT器件，Dl—D4為續(xù)流二極管，D5 — D6為中點箝位二極管,D7 — D8為箝位吸收二極管,Cl一C2為箝位吸收電容，每個電容由兩個并聯(lián)而成。
[0037]根據(jù)本發(fā)明的功率模塊極大方便了模塊的維護。對于單串式設(shè)計，無論哪一個半導(dǎo)體元件損壞，都必須將整個功率模塊徹底拆卸，不利于工程化應(yīng)用，而三串式設(shè)計很好地解決了該問題，它可以針對有問題的功率串單獨進行操作，無需解壓其它兩個功率串組件。
[0038]同時，根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體器件功率模塊還具有如下優(yōu)點:它巧妙地實現(xiàn)了三電平電路結(jié)構(gòu)，采用三串式結(jié)構(gòu)，整個模塊的電氣連接更加簡潔、減小了模塊內(nèi)部環(huán)流回路的雜散電感，充分發(fā)揮了集成門極換向晶閘管(IGCT)器件本身的能力。同時該模塊便于工程化應(yīng)用，使得模塊的維護、檢修更加方便
[0039]雖然已經(jīng)參考優(yōu)選實施例對本發(fā)明進行了描述，但在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下，可以對其進行各種改進并且可以用等效物替換其中的部件。本發(fā)明并不局限于文中公開的特定實施例，而是包括落入權(quán)利要求的范圍內(nèi)的所有技術(shù)方案。
【權(quán)利要求】
1.一種半導(dǎo)體器件功率模塊,包括: 位于兩側(cè)的支撐結(jié)構(gòu)，用于固定所述功率模塊； 位于所述支撐結(jié)構(gòu)之間的沿縱向延伸的功率組件，所述功率組件包括通過壓裝機構(gòu)壓裝的多個半導(dǎo)體器件，所述半導(dǎo)體器件包括集成門極換向晶閘管、箝位吸收二極管、中點箝位二極管、續(xù)流二極管。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率模塊，其特征在于，所述功率組件的數(shù)量為三個，且沿縱向方向觀測，所述三個功率組件的位置處于三角形的三個頂點。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的功率模塊，其特征在于，所述模塊包括第一功率組件、第二功率組件、第三功率組件、箝位吸收電容、絕緣部件和散熱器，且所述第一功率組件包括集成門極換向晶閘管，所述第二功率組件包括箝位吸收二極管、中點箝位二極管和吸收電容的連接母排，所述第三功率組件包括續(xù)流二極管。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的功率模塊，其特征在于，在所述第一功率組件中，通過壓裝機構(gòu)將四只集成門極換向晶閘管與散熱器和絕緣部件壓裝。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的功率模塊，其特征在于，在所述第二功率組件中，通過壓裝機構(gòu)將兩只箝位吸收二極管、兩只中點箝位二極管、散熱器與絕緣部件壓裝。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的功率模塊，其特征在于，在所述第三功率組件中，通過壓裝機構(gòu)將四只續(xù)流二極管與散熱器和絕緣部件壓裝。
7.根據(jù)權(quán)利要求1到6中任一項所述的功率模塊，其特征在于，所述模塊還包括沿縱向從位于一側(cè)的支撐結(jié)構(gòu)延伸至另一側(cè)的支撐結(jié)構(gòu)的柱體，所述柱體內(nèi)部具有用于冷卻水的通道，且所述柱體的數(shù)量優(yōu)選為4根。
8.根據(jù)權(quán)利要求1到7中任一項所述的功率模塊，其特征在于，所述箝位吸收電容一端通過壓裝于所述第二功率組件內(nèi)的連接母排連接，另一端通過絕緣子進行固定。
9.根據(jù)權(quán)利要求1到8中任一項所述的功率模塊，其特征在于，所述支撐結(jié)構(gòu)包括沿所述模塊的橫向設(shè)置的鋼板，所述鋼板能夠承受120kN的壓力。
10.根據(jù)權(quán)利要求1到9中任一項所述的功率模塊，其特征在于，所述散熱器的接線端通過多層銅板或紫銅帶疊合來進行連接。
【文檔編號】H05K7/20GK103633818SQ201310535423
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2013年11月1日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月1日
【發(fā)明者】胡家喜, 孫保濤, 李彥涌, 楊進峰, 羅凌波, 姚磊, 劉海濤, 朱武, 劉少奇, 馬振宇, 羅劍波, 周偉軍 申請人:南車株洲電力機車研究所有限公司