半導體器件功率模塊的制作方法
【專利摘要】本發明提出了一種半導體器件功率模塊，屬于半導體【技術領域】。所述模塊包括：位于兩側的支撐結構，用于固定所述功率模塊；位于所述支撐結構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壓裝的多個半導體器件，所述半導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流二極管。根據本發明的半導體器件功率模塊電氣性能優良，它充分發揮了集成門極換向晶閘管（IGCT）器件本身的潛力，具有結構緊湊、雜散電感小、散熱能力強、易于維護等優點。
【專利說明】半導體器件功率模塊
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種半導體器件功率模塊，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】
[0002]隨著半導體器件技術的迅速發展，以絕緣柵雙極晶體管(IGBT)、功率金屬氧化物半導體場效應管(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體器件，它由門極可關斷(GTO)技術發展而來，在開通時是一個門極可關斷(GTO)晶閘管，而在關斷時是一個晶體管，兼具晶體管開關速度快、開關損耗低和晶閘管導通損耗低、阻斷電壓高、輸出電流大的優點，所以它集絕緣柵雙極晶體管(IGBT)的高速開關特性和GTO的高阻斷電壓及低導通損耗特性于一體。
[0004]由于集成門極換向晶閘管(IGCT)兼具開關速度快、損耗低、阻斷電壓高、輸出電流大等優點，將集成門極換向晶閘管(IGCT)應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，具有結構簡單、使用功率器件少、技術成熟可靠的優點，無需通過串聯器件即可實現變頻器的高壓大功率輸出，將集成門極換向晶閘管(IGCT)器件應用于該電路中是目前一種有效實現途徑。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 )器件應用的基礎，也是變流器設計的核心部件，所以設計一種結構簡單、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，器件數量相對較多，如果將相關元器件分散組裝再利用母排連接，不僅增大了電路結構工程化的體積，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。
【發明內容】
[0008]以上種種問題決定了集成門極換向晶閘管(IGCT)器件的應用必須要采用集成度高的變流器模塊形式，本發明設計了一種半導體器件功率模塊，它不僅很好地解決了以上問題，同時降低了器件的應用難度，充分發揮了集成門極換向晶閘管(IGCT)這種大功率器件的潛力。
[0009]本發明提出了一種半導體器件功率模塊，包括:位于兩側的支撐結構，用于固定所述功率模塊；位于所述支撐結構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壓裝的多個半導體器件，所述半導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流二極管。
[0010]在一個實施方案中，所述功率組件的數量為三個，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，巧妙地實現了三電平電路結構，采用三串式結構，整個模塊的電氣連接更加簡潔、減小了模塊內部環流回路的雜散電感，充分發揮了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，通過壓裝機構將四只續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的支撐結構延伸至另一側的支撐結構的柱體，所述柱體內部具有用于冷卻水的通道，且所述柱體的數量優選為4根。支撐柱一方面用于連接模塊兩側的支撐結構，使模塊形成一個框架，支撐柱承受半導體元件的壓裝力；另一方面支撐柱上開有水嘴口，內部通冷卻水為功率器件進行散熱，確保功率半導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，所述支撐結構包括沿所述模塊的橫向設置的鋼板，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]上述技術特征可以各種適合的方式組合或由等效的技術特征來替代，只要能夠達到本發明的目的。
[0020]根據本發明的半導體器件功率模塊電氣性能優良，它充分發揮了集成門極換向晶閘管(IGCT)器件本身的潛力，具有結構緊湊、雜散電感小、散熱能力強、易于維護等優點。【專利附圖】
【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明進行更詳細的描述。其中:
[0022]圖1顯示了根據本發明的功率模塊沿縱向的剖面圖；
[0023]圖2顯示了根據本發明的功率模塊的橫向剖面圖；
[0024]圖3顯示了根據本發明的功率模塊的電路圖。
[0025]在圖中，相同的構件由相同的附圖標記標示。附圖并未按照實際的比例繪制。【具體實施方式】
[0026]下面將參照附圖來詳細地介紹本發明。
[0027]圖1顯示了根據本發明的功率模塊50沿縱向的剖面圖。參照圖1，根據本發明的半導體功率模塊50采用以左壓板3和鋼板2作為左側的支撐壓板，采用右壓板8和鋼板2作為右側的支撐壓板。
[0028]功率模塊50通過三個壓裝機構10把集成門極換向晶閘管(IGCT) 9、續流二極管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和相關絕緣部件11壓裝成呈三角形排列的三串功率串，左右兩側的支撐通過四根支撐柱4緊固成一個框架。
[0029]三串功率組件內部的半導體器件通過散熱器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。
[0030]圖2顯示了根據本發明的功率模塊50的橫向剖面圖。參照圖2，第一串功率組件15的半導體器件為集成門極換向晶閘管(IGCT) 9，其通過壓裝機構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的半導體器件為續流二極管13，在圖2所示的實施例中，其為通過壓裝機構把四只續流二極管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，根據本發明的功率模塊50所使用的水冷散熱器14通過鋁合金材質內盤不銹鋼管整體鑄壓而成，散熱器14兩側面均布有不銹鋼管，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，根據本發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的左右兩側設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。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，另一方面內部通冷卻水為功率器件進行散熱，以確保半導體功率器件工作過程中產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及功率半導體元件間的距離，保證有足夠的電氣間隙，以適應高壓、大電流的電氣設計要求。
[0034]根據本發明的半導體器件功率模塊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揮。
[0035]根據本發明的半導體器件功率模塊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、續流二極管13、箝位吸收二極管7的相應極位，另一端直接從“T”形另一端引出。
[0036]圖3顯示了根據本發明的功率模塊的電路圖。其中Vl—V4為IGCT器件，Dl—D4為續流二極管，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而成。
[0037]根據本發明的功率模塊極大方便了模塊的維護。對于單串式設計，無論哪一個半導體元件損壞，都必須將整個功率模塊徹底拆卸，不利于工程化應用，而三串式設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，根據本發明的半導體器件功率模塊還具有如下優點:它巧妙地實現了三電平電路結構，采用三串式結構，整個模塊的電氣連接更加簡潔、減小了模塊內部環流回路的雜散電感，充分發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用，使得模塊的維護、檢修更加方便
[0039]雖然已經參考優選實施例對本發明進行了描述，但在不脫離本發明的范圍的情況下，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。本發明并不局限于文中公開的特定實施例，而是包括落入權利要求的范圍內的所有技術方案。
【權利要求】
1.一種半導體器件功率模塊,包括: 位于兩側的支撐結構，用于固定所述功率模塊； 位于所述支撐結構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壓裝的多個半導體器件，所述半導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、續流二極管。
2.根據權利要求1所述的功率模塊，其特征在于，所述功率組件的數量為三個，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.根據權利要求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流二極管。
4.根據權利要求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.根據權利要求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.根據權利要求3所述的功率模塊，其特征在于，在所述第三功率組件中，通過壓裝機構將四只續流二極管與散熱器和絕緣部件壓裝。
7.根據權利要求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的支撐結構延伸至另一側的支撐結構的柱體，所述柱體內部具有用于冷卻水的通道，且所述柱體的數量優選為4根。
8.根據權利要求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的連接母排連接，另一端通過絕緣子進行固定。
9.根據權利要求1到8中任一項所述的功率模塊，其特征在于，所述支撐結構包括沿所述模塊的橫向設置的鋼板，所述鋼板能夠承受120kN的壓力。
10.根據權利要求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 優先權日:2013年11月1日
【發明者】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