CN101819970B - 一种基于焊接型igbt与压接型二极管的串联结构模块 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于焊接型IGBT与压接型二极管的串联结构模块，属于电力电子半导体器件应用领域，包括：散热器、压接型二极管和焊接型绝缘栅双极型功率管IGBT，多个焊接型绝缘栅双极型功率管IGBT之间串联连接，压接型二极管压接于两个相邻焊接型IGBT之间，焊接型IGBT的串联是第一个IGBT模块的发射极与下一个IGBT模块的集电极相连，通过低感导线进行连接，压接型二极管并联在焊接型IGBT的集电极与发射极之间，用于起到续流以及保护作用。很好的解决了IGBT串联应用时产生的断路失效问题，为IGBT串联应用的实用化指出了一条崭新的技术路径。
Description
技术领域
本发明属于电力电子半导体器件应用领域，更具体来说，本发明涉及使用一种新型电力电子半导体器件结构，应用于普遍的电力电子变换器中，例如高压变频器设备、电压源换相高压直流输电的换流阀设备等等。具体涉及一种基于焊接型绝缘栅双极型功率管IGBT与压接型二极管的串联结构模块。
背景技术
20世纪80年代中期出现的半导体电力开关器件--绝缘栅双极型功率管IGBT(Insulated Gate Biploar Transistor)是一种负荷器件，它的输入控制部分为MOSFET，输出级为双极结型晶体管，兼有MOSFET和电力晶体管的优点：高输入阻抗，电压控制，驱动功率小，开关速度快，工作频率可达10～40kHz，饱和压降低，电压、电流容量较大，安全工作区较宽。但是IGBT的缺点在于单个IGBT的电压、电流允许值很难再提高，为了应用于高电压、大功率的领域，通常采用IGBT串联的方法。
随着电力电子技术在电力系统中应用的逐步推广，基于绝缘栅双极型功率管IGBT串联均压技术的高压阀正在成为各种新型大功率电力电子装置的核心部件。例如VSC-HVDC、STATCOM、UPFC等。在这些场合中，由于串联的IGBT器件运行的频率较高，开关速度较快，很容易在串联的IGBT器件中产生电压不平衡的情况，而高电压、大功率的应用领域决定了一旦出现严重的电压不平衡，串联的IGBT将不可避免的出现失效甚至损坏。而串联的IGBT出现断路失效后，反过来又会损坏这些大功率电力电子装置，造成严重的经济损失。
目前半导体器件的封装形式主要有焊接型和平板压接型两种。平板压接型结构是将器件和双面散热器紧固在一起，散热器既作散热又作电极之用。平板压接型的优点是散热性能好，器件工作安全、可靠，且其失效模式为短路型式，适合于串联应用。焊接型具有体积小，安装方便，结构简单等优点，缺点是器件只能单面散热，要求底板既要绝缘又要导热性能好，但其失效形式为断路形式不适合串联应用。
焊接型结构多用于将数个器件整合成基本变流电路，例如，整流、逆变模块，只适用于中小功率的单元或器件。平板型结构主要用于单一的大电流器件。综合上述情况，当应用领域要求电流大于200A(尤其是500A以上)时，半导体器件首选平板型结构，但是IGBT受管芯制作原理的限制，目前无法制造成大功率芯片，不能采用平板型结构，只好采用焊接型，虽然安装方便，但散热性能差不利于可靠性。
综上所述，焊接型IGBT的直接串联有以下缺点：
(1)焊接型IGBT失效形式为断路形式，一旦故障将影响串联的其他IGBT，不适合串联应用；
(2)焊接型IGBT只能单面散热，散热性差，影响IGBT器件可靠性
目前国内外尚未见到类似的有关对于基于焊接型的IGBT串联的技术专利。
发明内容
本发明提出了一种基于焊接型绝缘栅双极型功率管IGBT与压接型二极管的串联结构，很好的解决了IGBT串联应用时产生的断路失效问题，为IGBT串联应用的实用化指出了一条崭新的技术路径。
本发明提供了一种基于焊接型IGBT与压接型二极管的串联结构模块，包括：散热器、压接型二极管和焊接型绝缘栅双极型功率管IGBT，多个焊接型绝缘栅双极型功率管IGBT之间串联连接，压接型二极管压接于两个相邻焊接型IGBT之间，焊接型IGBT的串联是第一个IGBT的发射极与下一个IGBT的集电极相连，通过低感导线进行连接，压接型二极管并联在焊接型IGBT的集电极与发射极之间，用于起到续流以及保护作用。
其中，压接型二极管采用散热器压装封装形式，焊接型IGBT紧紧固定在散热器两端。
其中，散热器和压接型二极管通过强力压接方式紧紧压合在一起，为保证良好接触，需要较大的压接力量(例如35kN)。常见的所述压装型压接型二极管器件封装是直径为120mm的圆，其上直径为85mm的凸起圆，压接型二极管圆形封装的一面是阳极，另一面是阴极。
其中，所述压接型二极管器件方形封装的尺寸为140mm，凸起边缘长度为92.3mm，压接型二极管圆形封装的一面是阳极，另一面是阴极。
其中，所述散热器和压接型二极管通过强力压接方式紧紧压合在一起，所述压接力量为20-80kN。
本发明技术方案的优点是：
1、提出了基于焊接型IGBT串联的独特思想，为IGBT串联应用的实用化指出了一条崭新的技术路径；
2、所提的焊接型IGBT串联方法原理简单，实现起来较为容易；
3、对于IGBT的断路故障，采用焊接型IGBT与压接型二极管反并联的方法可以将其转化为短路失效，保证了整个IGBT阀的安全工作。
附图说明
下面结合附图对本发明进一步说明。
图1是依据本发明的焊接型IGBT模块与压接型二极管的串联结构模块的结构示意图；
图2是依据本发明的IGBT与二极管的反并联安装的结构示意图；
图3示出了是依据本发明的三个IGBT串联工作的工作状态示意图；
图4示出了焊接型IGBT串联阀装置框图；
图5是一个应用实例示意图。
具体实施方式
基于焊接型绝缘栅双极型功率管IGBT与压接型二极管的串联结构如图1，其主要包括散热器、压接型二极管和焊接型IGBT几大部分组成。
研究和实际应用表明，单个半导体元件的温度每升高10℃，系统的可靠性将降低50％。因此需要有良好的散热手段来保证器件可靠工作。散热器是一种加快发热体热量散发的装置，它的作用就是将半导体器件发出的热量吸收，然后发散到周围空气中，保证半导体器件的温度正常。散热器通过和发热部件表面接触，吸收热量，再通过各种方法将热量传递到远处。
电力二极管可视为一个正方向单向导电、反方向阻断电压的静态单向电力电子开关。正向导电时尽管电压降很小，但对电力二极管来说，额定正向电流时的功耗及其发热却不容忽略。所以本发明采用的压接型二极管应当压装在双面散热器上，以保证二极管流过额定电流时，其管芯PN结温升不超过允许值。反并联的电力二极管主要使电感性电流有一个继续流动的回路，使开关器件IGBT关断时其两端电压不超过电源电压，避免了因感性断流而在开关器件两端出现高电压。
焊接型IGBT也有三个电极：门极G、发射极E和集电极C。它是电压控制的，当门极G与发射极E之间的外加控制电压足够大时，IGBT可由断态进入通态。反并联二极管的连接方式见图2，阴极K连接在IGBT的集电极C上，阳极A连接在IGBT的集电极E上，也就构成了反并联形式。这种反并联形式可以避免IGBT两端产生高电压，保护IGBT器件。
压接型二极管采用散热器压装形式，而焊接型IGBT固定在散热器侧面，IGBT通过低感导线实现连接和反并联二极管的电位连接。
当串联的某只IGBT损坏后，当其它IGBT开通后，串联回路高压将集中在这只损坏的IGBT上，并进而导致其反并联的二极管击穿，并进入短路失效模式，从而不至于影响整个IGBT阀可以继续工作。
图3示出了三个IGBT串联工作的工作状态示意图，正常工作情况下，三个IGBT同时开通，同时关断，共同承担施加在电路两端的高电压，完成电力转换功能。假定因为某种原因(如不同时开通)，中间的IGBT损坏，无法正常工作，呈断路失效模式(见图3(a)所示)。此时，其他两个IGBT在驱动电路驱动下，仍保持正常开通关断。在它们都正常开通时，即相当于短路状态，原本施加在三个串联IGBT上的回路高压将直接施加在与故障IGBT反并联的二极管上(图3(b)的中间二极管)。高压将直接击穿反并联二极管，使压接型的二极管进入短路失效模式。故障后，反并联二极管进入短路失效后，上下两个IGBT仍可以正常串联工作(如图3(c)所示)，整个IGBT阀也就能继续正常串联工作，完成电力转换功能。
图4示出了焊接型IGBT串联阀装置框图：数个焊接型绝缘栅双极型功率管IGBT构成串联结构，通过低感导线连接相邻IGBT的发射极E与集电极C，而压接型二极管通过平板压接的散热器形式连接在两个相邻IGBT之间。平板压接式结构主是将器件和双面散热器紧固在一起，散热器既作散热又作电极之用。通过平板压接的方式，反并联于其相应的焊接型IGBT的集电极C与发射极E之间。
图5给出的应用实例中焊接型IGBT采用EUPEC的大功率一单元IGBT-FZ800R12KF4模块，其等效电路如图中“焊接型IGBT”所示，。该系列IGBT主要型号有FZ800R12KF4，FZ800R12KF4，FZ1050R12KF4，FZ1200R12KF4，FZ1600R12KF4，FZ1800R12KF4，FZ2400R12KF4等等。其额定电流值从800A到2400A，额定电压值为1200V。
压接型二极管采用株洲南车时代电气公司的ZK8 600-**系列续流二极管。额定值为600A(75℃时)、1500A(25℃时)、2500V。
散热器平整度愈高愈好。焊接型IGBT安装在散热器上，IGBT的驱动PCB板也要固定在散热器上。
图5中只给出三个焊接型IGBT串联的简单示意，可以扩展为由数个乃至数十个焊接性IGBT按照图示方式串联而成。
此处已经根据特定的示例性实施例对本发明进行了描述。对本领域的技术人员来说在不脱离本发明的范围下进行适当的替换或修改将是显而易见的。示例性的实施例仅仅是例证性的，而不是对本发明的范围的限制，本发明的范围由所附的权利要求定义。
Claims (4)
1.一种基于焊接型IGBT与压接型二极管的串联结构模块，包括：散热器、压接型二极管和焊接型绝缘栅双极型功率管IGBT，其特征在于：
多个焊接型绝缘栅双极型功率管IGBT之间串联连接，压接型二极管压接于两个相邻焊接型IGBT之间，焊接型IGBT的串联是第一个IGBT模块的发射极与下一个IGBT模块的集电极相连，通过低感导线进行连接，压接型二极管并联在焊接型IGBT的集电极与发射极之间，用于起到续流以及保护作用。
2.如权利要求1所述的模块，其特征在于压接型二极管采用散热器压装封装形式，焊接型IGBT紧紧固定在散热器两端。
3.如权利要求2所述的模块，其特征在于散热器和压接型二极管通过强力压接方式紧紧压合在一起，为保证良好接触，需用35kN的力量，常见的所述压接型二极管器件封装是直径为120mm的圆，其上直径为85mm的凸起圆，压接型二极管圆形封装的一面是阳极，另一面是阴极。
4.如权利要求2所述的模块，其特征在于所述压接型二极管器件方形封装的尺寸为140mm，凸起边缘长度为92.3mm，压接型二极管圆形封装的一面是阳极，另一面是阴极。
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