CN102349363B - 带有层状构造的绝缘侧壁的功率半导体模块 - Google Patents

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Abstract

为了开关一种具有高防爆性能且能特别便宜地制造的功率半导体模块(1)，该功率半导体模块带有至少两个相互连接的功率半导体单元(19，20)、模块壳体(2，3，13)和至少一个连接母线(9，10，11，12，21)，其中，所述功率半导体单元具有可控的功率半导体，所述功率半导体单元(19，20)设置在所述模块壳体内并且所述模块壳体具有绝缘的侧壁(13)，所述连接母线穿过所述侧壁(13)并且与至少一个所述功率半导体单元(19，20)连接，本发明建议，所述绝缘的侧壁(13)设计为绝缘并且一体构造的子元件(14，15，16)的堆叠，其中，所述子元件(14，15，16)以接触区域相互贴靠。

Description

带有层状构造的绝缘侧壁的功率半导体模块
技术领域
本发明涉及一种功率半导体模块，该功率半导体模块带有至少两个相互连接的功率半导体单元、模块壳体和至少一个连接母线，其中，所述功率半导体单元具有可控的功率半导体，所述功率半导体单元设置在该模块壳体内并且该模块壳体具有绝缘的侧壁，所述连接母线穿过所述侧壁延伸并且与至少一个功率半导体单元相连接。
背景技术
这种功率半导体模块例如已经由WO2008/031372公开。此处公开的功率半导体模块具有两个相互连接的功率半导体单元。每个功率半导体单元具有多个功率半导体芯片，如IGBTs，GTOs等，所述功率半导体芯片相互连接并且设置在自有的单元壳体内。每个功率半导体单元形成有一个阳极和一个阴极以及控制接头。借助于控制接头上恰当的控制信号可中断或接通阳极和阴极之间的电流。至少两个所述的功率半导体单元设置在用于防爆保护的单独的模块壳体中。借助于合适地铺设穿过模块壳体壁的线路将功率半导体单元的电路向外导。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种开头所述类型的功率半导体模块，该功率半导体模块具有高抗爆性并且其制造特别廉价。
本发明由此解决该技术问题，即，绝缘的侧壁设计为绝缘并且一体构造的子元件的堆叠，其中，各子元件以接触区域相互贴靠。
按照本发明，至少具有可控的功率半导体，如IGBTs，GTOs，可控硅元件等的功率半导体单元设置在防爆的模块壳体内。在此，可控的功率半导体单元除了阳极和阴极接头之外还具有控制接头，以便开关通过可控的功率半导体的阳极和阴极的电流。为了将功率半导体单元上的电路从模块壳体引导出，设置至少一个连接母线，该连接母线贯穿模块壳体的绝缘的侧壁。
在能量分配领域，例如在高压直流输电或者所谓的“柔性交流输电系统(FACTS)”领域常见的是，将高的交流电压转换成直流电压或反之。为此，通常串联多个按本发明的功率半导体模块。然而，由于串联连接，在每个单独的功率半导体模块上都会下降一个高电压。这种高电压尤其会在故障情况下导致功率半导体单元爆炸状的破坏。模块壳体用于安全目的，使得在爆炸情况下出现的爆炸气体能由模块壳体可靠地容纳或者排出。以这种方式能够避免其它功率半导体模块的损坏。
为了确保廉价地制造这种功率半导体模块，按照本发明建议，功率半导体模块的绝缘侧壁由多个相互堆叠的子元件形成，通常多个用于接触模块壳体内部的功率半导体单元的连接母线延伸穿过所述侧壁。子元件本身由绝缘材料制成。在按本发明的功率半导体模块运行时，堆叠的子元件相互贴靠，使得在所述子元件之间限定有对接处，所述对接处明显方便了连接母线从模块壳体引出。
按照本发明，例如首先可以堆叠一个子元件，接着一个连接母线，然后是另一个子元件，然后是必须与所述的第一连接母线绝缘地安装的另一个连接母线，并且最后堆叠另一个子元件。连接母线与希望的功率半导体单元相连接。在功率半导体模块运行时，处于高压电势的电路也通过连接母线导引到模块壳体内，经过设置在模块壳体内的功率半导体单元并从该处又通过另一连接母线从模块壳体导出。
按照本发明的一种优选的设计构造，子元件周向闭合地构造。以这种方式提供了更高的耐爆性，其中，制造成本还继续保持很低。子元件可以与其余的模块壳体无关地制造为闭合或环形的子元件。以这种方式避免了安装侧壁时耗费的对接方法。
子元件有利地具有至少一个加强肋。在周向闭合的环形子元件的情况下，该加强肋例如在两个相对的边界壁之间延伸。子元件并且必要时加强肋合适地限定空腔或者空腔的一部分的边界，在功率半导体模块的组装状态下，功率半导体单元设置在该空腔内。
至少一个连接母线有利地在两个子元件之间穿过侧壁。换句话说，每个连接母线延伸经过对接处。
按照一种与之相应的合适的扩展设计，子元件中的一个在其接触区域具有缺口，连接母线延伸穿过该缺口。借助于该缺口能够进一步简化功率半导体模块的安装。因此，首先可以将具有缺口的子元件与功率半导体模块的其余部分连接并且接着安装母线。
缺口和穿过缺口延伸的连接母线合适地相互形状互补地构造。通过形状互补的构造基本上防止了爆炸气体在故障情况下流出。侧壁密封包围每个连接母线。以这种类型和方式可以进一步最小化爆炸损坏。
子元件有利地由纤维强化塑料制成。通过纤维强化，塑料特别抗爆。纤维强化塑料是已经公知的，因此其化学成分在此不详细说明。尤其可以考虑玻璃纤维强化塑料。
每个功率半导体单元有利地具有功率半导体芯片和单元壳体，在所述单元壳体中设置有功率半导体芯片。这种功率半导体单元可在市场上买到并且能够特别廉价地获得。因此，按本发明的功率半导体模块的成本因此得以进一步减小。
按照一种与之相应的合适的扩展设计，功率半导体芯片借助于连接引线相互连接。通过借助于连接引线的连接进一步降低了成本。
按照本发明的一种优选的设计构造，绝缘壁在底板和盖板之间延伸，其中，底板和/或盖板设计为冷却板。换句话说，底板或盖板由高导热能力的材料制成，例如金属，如铝等。
附图说明
本发明其它合适的构造和优点是以下参照附图对本发明的实施例说明的主题，其中相同作用的部件使用相同的附图标记，并且，
图1是按本发明的功率半导体模块的一种实施例以及
图2示出了处于安装状态下的图1所示功率半导体模块。
具体实施方式
图1以透视图示出了按本发明的功率半导体模块的一种实施例。功率半导体模块1具有下部的底板2以及上部的盖板3，所述板分别由金属材料，在此是铝制成。底板2以及盖板3与图1中不可见的功率半导体单元导热连接，因此底板和盖板由于高导热能力用作冷却板。为了改善冷却板2、3的冷却效率，冷却板通过U形的传热桥接件4相互导热连接。
在盖板3上设有塑料支架5，在该塑料支架上又设有控制单元6、7、8。控制单元6、7、8为设置在功率半导体模块1内部的功率半导体单元提供控制信号，使得功率半导体单元针对性地从阻断位置转换到导通位置，在所述阻断位置，电流通过受控的功率半导体单元中断，在导通位置，电流能够通过相应的功率半导体单元。在导通位置，电流从各个功率半导体单元的阳极流到其阴极。
在可开关的功率半导体单元的情况下，如IBGTs，GTOs等，功率半导体单元也可以借助于控制信号从导通位置转换到阻断位置。在功率半导体单元带有可开关的功率半导体的情况下，功率半导体单元分别具有一个空转二极管，所述空转二极管与各自的可开关的功率半导体反向并联。
在本发明的框架内，功率半导体模块1的功率半导体单元通过其阳极和/或阴极任意相互连接以及与连接母线9、10、11和12连接。在此，功率半导体模块1的功率半导体单元例如可以这样被控制，使得接通或中断朝外导引的连接母线9和10之间的电流。
侧壁13在底部2和盖板3之间延伸，该侧壁由绝缘材料，例如玻璃纤维强化塑料制成。因此，底板2、盖板3和侧壁13形成模块壳体，该模块壳体在功率半导体单元爆炸情况下对其余的功率半导体模块和/或操作人员起保护作用。
在本发明的范围内，侧壁13不是一体构造的，而是层状构造的。该侧壁由多个相互堆叠的子元件14、15和16构成，所述子元件以接触区域相互贴靠，因此限定出对接处17和18的边界。由于侧壁13堆叠式的结构而实现了侧壁13简单的安装，因为子元件14、15、16和穿过侧壁13的连接母线9、10、11和12能以任意顺序安装。
图2示出了安装时的瞬时情景中的功率半导体模块1。可以看出，子元件14和两个功率半导体单元19、20与地板2连接。还可以看见折角状的直流电压连接母线21，其同样与功率半导体单元19，20连接。其它两个在图2中不可见的功率半导体单元安装在盖板13上，其中，为从外面接触功率半导体单元19，20，设置连接母线9、10、11、12和21。功率半导体模块1总共具有四个功率半导体单元19、20，所述功率半导体单元在所示的实施例中相互连接成全电桥或H桥以及与在图2中没有示出的电容器连接。因此，通过相应控制功率半导体单元可以在各个功率半导体单元的两极输入处切换在电容器上下降的电压Uc、零电压或者反向的电容电压-Uc。
在图2中还可见，子元件14是周向闭合的，也就是设计为环形，其中，在两个相对的侧面之间延伸有加强肋22。在加强肋22和子元件14的外壁之间形成两个空腔，在所述空腔中分别设有一个功率半导体单元19或20。还可看出的是，子元件14具有缺口23、24和25，所述缺口与各自的连接母线10、12或21形状互补地构造。由于这种形状互补地构造，爆炸时在功率半导体模块1内部产生的热气的流出至少变得困难。
如图2所示，为了机械张紧盖板3和底板2并因此张紧子元件14、15、16，每个子元件14、15、16具有多个固定孔26，在功率半导体模块1的安装状态下，配有螺纹的固定螺栓延伸经过所述固定孔。通过将固定螺栓与盖板3和底板2以螺纹方式连接紧提供了廉价并且抗爆的功率半导体模块1。

Claims (10)

1.一种功率半导体模块(1)，该功率半导体模块带有至少两个相互连接的功率半导体单元(19,20)、模块壳体(2,3,13)和至少一个连接母线(9,10,11,12,21)，其中，所述功率半导体单元具有可控的功率半导体，所述半导体单元(19,20)设置在所述模块壳体内并且所述模块壳体具有绝缘的侧壁(13)，所述连接母线穿过所述侧壁(13)并且与至少一个所述功率半导体单元(19,20)连接，其特征在于，所述绝缘的侧壁(13)设计为绝缘并且一体构造的子元件(14,15,16)的堆叠，其中，所述子元件(14)以接触区域相互贴靠。
2.如权利要求1所述的功率半导体模块(1)，其特征在于，所述子元件(14,15,16)周向闭合地构造。
3.如权利要求1或2所述的功率半导体模块(1)，其特征在于，所述子元件(14,15,16)具有至少一个加强肋(22)。
4.如权利要求1或2所述的功率半导体模块(1)，其特征在于，至少一个连接母线(9,10,11,12,21)在两个子元件(14,15,16)之间穿过所述侧壁(13)。
5.如权利要求1或2所述的功率半导体模块(1)，其特征在于，至少一个子元件(14,15,16)在它的接触区域具有缺口(23,24,25)，连接母线(9,10,11,12,21)中的一个延伸穿过所述缺口。
6.如权利要求5所述的功率半导体模块(1)，其特征在于，所述缺口(23,24,25)和延伸穿过该缺口的连接母线(9,10,11,12,21)相互形状互补地构造。
7.如权利要求1或2所述的功率半导体模块(1)，其特征在于，所述子元件(14,15,16)由玻璃纤维强化塑料制成。
8.如权利要求1或2所述的功率半导体模块(1)，其特征在于，每个功率半导体单元(19,20)具有功率半导体芯片和单元壳体，所述功率半导体芯片设置在所述单元壳体内。
9.如权利要求8所述的功率半导体模块(1)，其特征在于，所述功率半导体芯片借助于连接引线相互连接。
10.如权利要求1或2所述的功率半导体模块(1)，其特征在于，所述绝缘的侧壁(13)在底板(2)和盖板(3)之间延伸，其中，所述底板(2)和/或所述盖板(3)设计为冷却板。
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