CN104269392B - 一种功率器件 - Google Patents
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Abstract
本申请提供的一种功率器件，包括：芯片、两片电极、钼片组、陶瓷外壳和短路结构；其中，短路结构包括：压缩状态的金属弹簧、套设于金属弹簧外侧的套管和将金属弹簧封装于套管内的低熔点合金；其中，短路结构设置于两片电极之间，短路结构的一端与一电极的靠近另一电极的内侧相连，另一端靠近另一电极的内侧；当金属弹簧处于放松状态时，金属弹簧的两端分别与两片电极的内侧接触。采用该短路结构，当功率器件短路发散热量时，低熔点合金熔融，金属弹簧恢复放松状态，连接两片电极，使得该功率器件失效时，两片电极之间仍然具有连接导通结构，保证了该功率器件表现为短路失效模式，无需外接旁路晶闸管，功率器件整体结构简单，易于实现。
Description
技术领域
本发明涉及电子设备领域，更具体的说，是涉及一种功率器件。
背景技术
平板压接型功率器件的结构示意图如图1所示，包括芯片101、上钼片102、上电极103、下钼片104、下电极105和陶瓷外壳106等，其中，芯片101设置于上钼片102和下钼片104之间，上电极103设置于该上钼片102之上，下电极105设置于下钼片104之下，陶瓷外壳106设置于上电极103和下电极105之间，用于封装该功率器件。
由于平板压接型功率器件具有双面散热、短路失效模式等优点，所以应用于串联应用场合，例如高压直流输电领域。
该平板压接型功率器件的串联示意图如图2所示，3个功率器件201相互串联，每个功率器件之间间隔散热器202，以保证功率器件的散热。如果其中任意一个功率器件失效而要求串联装置仍然能够继续正常运行，则需要该失效的关联器件表现为短路失效模式，以防止开路模式引起整个装置运行的终断，给生产活动带来损失。
现有技术中，采用的开路模式一般为在功率器件的外部并联旁路晶闸管，通过检测电路的电压或电流，来确定该功率器件的工作状态，进而判断器件是否失效，如果失效，则通过控制电路来开通旁路晶闸管，从而实现外部短路，即失效的关联器件表现为短路失效模式。
但是，采用该方法，由于需要为该功率器件外接旁路晶闸管，以及相关的检测和控制电路，使得该功率器件整体结构装置变得复杂，并且增大了装置体积。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种功率器件，解决了现有技术中由于采用功率器件外接旁路晶闸管的结构，导致功率器件整体结构装置变得复杂的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种功率器件，包括：至少一个芯片、分别设置于所述芯片两侧的第一电极和第二电极、分别设置与所述芯片和所述第一电极和第二电极之间的至少一组钼片组、封装所述第一电极和第二电极的陶瓷外壳和短路结构；
所述短路结构包括：压缩状态的金属弹簧、套设于所述金属弹簧外侧的套管和将所述金属弹簧封装于所述套管内的低熔点合金；
其中，所述短路结构设置于所述第一电极和第二电极之间，所述短路结构的一端与第一电极的靠近第二电极的内侧相连，另一端靠近第二电极的内侧；
所述短路结构中的金属弹簧处于放松状态时，所述金属弹簧的两端分别与所述第一电极和第二电极的内侧接触。
上述的功率器件，优选的，所述金属弹簧为筒状。
上述的功率器件，优选的，所述套管为筒状。
上述的功率器件，优选的，所述金属弹簧与所述套管的间距为0-2mm。
上述的功率器件，优选的，所述低熔点合金的熔点温度为100℃-350℃。
上述的功率器件，优选的，所述低熔点合金采用铅锡合金、锡银合金或锡银铜合金。
上述的功率器件，优选的，所述短路结构与所述电极采用螺纹连接。
上述的功率器件，优选的，所述短路结构的设置位置与所述芯片位置相邻，所述短路结构到所述芯片的最小距离小于5mm。
上述的功率器件，优选的，所述短路结构个数至少为2个。
上述的功率器件，优选的，所述短路结构的排布位置与所述第一电极和第二电极的形状相关。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明提供了一种功率器件，包括：至少一个芯片、分别设置于所述芯片两侧的第一电极和第二电极、分别设置与所述芯片和所述第一电极和第二电极之间的至少一组钼片组、陶瓷外壳和短路结构；其中，短路结构包括：压缩状态的金属弹簧、套设于所述金属弹簧外侧的套管和将所述金属弹簧封装于所述套管内的低熔点合金；其中，所述短路结构设置于所述第一电极和第二电极之间，所述短路结构的一端与第一电极的靠近第二电极的内侧相连，另一端靠近所述第二电极的内侧；所述短路结构中的金属弹簧处于放松状态时，所述金属弹簧的两端分别与所述第一电极和第二电极的内侧接触。采用该短路结构，在该功率器件短路发散热量时，该封装金属弹簧的低熔点合金熔融，金属弹簧由压缩状态恢复放松状态，连接两片电极，使得该功率器件失效时，两片电极之间仍然具有连接导通结构，保证了该功率器件表现为短路失效模式。采用该实现短路结构，无需对功率器件外接复杂的旁路晶闸管的结构，功率器件整体结构简单且占用体积小，易于实现，便于推广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为平板压接型功率器件的结构示意图；
图2为平板压接型功率器件的结构示意图；
图3为本申请实施例提供的一种功率器件的一结构示意图；
图4为本申请实施例提供的一种功率器件中短路结构的一结构示意图；
图5为本申请实施例提供的一种功率器件中短路结构的另一结构示意图；
图6为本申请实施例提供的一种功率器件的另一结构示意图；
图7为本申请实施例提供的一种功率器件中电极上短路结构的一排布示意图；
图8为本申请实施例提供的一种功率器件中电极上短路结构的另一排布示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图3所示，为本申请实施例提供的一种功率器件的一结构示意图，该功率器件包括：芯片301、钼片302、电极303、陶瓷外壳304和短路结构305。
其中，该芯片个数为至少一个，本实施例中以5个芯片为例进行说明。
其中，2个钼片组成一个钼片组302，钼片302设置在电极303和芯片301之间，该钼片的组数与该芯片的个数一致。
其中，该电极303包括第一电极和第二电极，个数为两个，分别设置于该钼片302外侧。
其中，该陶瓷外壳304分别与所述第一电极和第二电极相连，用于封装电极303。
具体的，该第一电极和第二电极形状一致。
如图4所示，为本申请实施例提供的一种功率器件中短路结构的一结构示意图，所述短路结构包括：金属弹簧401、套管402和低熔点合金403。
其中，该金属弹簧401处于压缩状态；
其中，套管402套设于该金属弹簧401的外侧，用于对金属弹簧401起保护作用以及固定低熔点合金403的作用；
其中，低熔点合金403设置于该套管402内，用于将该压缩状态的金属弹簧401封装于该套管402内。
其中，该短路结构305设置于两片电极303之间，该短路结构305的一端与第一电极的靠近第二电极的内侧相连，另一端靠近第二电极的内侧；
具体的，短路结构305中的金属弹簧401处于放松状态时，该金属弹簧401的两端分别与两片电极303的内侧接触。
需要说明的是，该金属弹簧401的一端与第一电极相连。
其中，该短路结构305的另一端与第二电极的距离以在正常工作状态下不发生放电为准。具体长度可以为大于2mm。
其中，该金属弹簧401可采用铜质弹簧、钢制弹簧等。
具体的，该金属弹簧401为筒状，该套管402也为筒状，该金属弹簧401与套管402之间具有一定的间距，以使得金属弹簧401能够在套管402间自由伸缩，该间距可以为不大于2mm，即0-2mm。
需说明的是，为了节约套管成本，在实际实施中，可将套管长度设置与该金属弹簧压缩状态长度相同。
当然，在某些特定场景中，该套管还具有将金属弹簧与外界隔离的功能时，则该套管可以设置较长的长度，套管的两端分别与电极内侧相连。
其中，该低熔点合金的熔点温度可以为100℃-350℃。
具体的，该所述低熔点合金采用铅锡合金、锡银合金或锡银铜合金。
如图5所示，为本申请实施例提供的一种功率器件中短路结构的另一结构示意图，本示意图中低熔点合金熔融，金属弹簧处于放松状态，该短路结构305包括：金属弹簧501、套管502和低熔点合金503。
其中，该金属弹簧501、套管502的相对位置未变，该金属弹簧501还设置在该套管502内部，由于低熔点合金熔融，金属弹簧501处于放松状态，本申请实施例中，由于金属弹簧处于压缩状态时其长度与套管长度一致，则当金属弹簧处于放松状态时，其长度大于套管长度。
具体的，由于该短路结构一端与功率器件中的电极固定连接，则该金属弹簧501处于放松状态时，一端固定一端增长。
需要说明的是，该低熔点合金的材料可根据实际情况进行设置，相应的，其熔点温度也相应变化，不限定于本实施例中的铅锡合金、锡银合金或锡银铜合金三种低熔点合金类型，其熔点温度也不现定于100℃-350℃。
其中，该短路结构与第一电极采用可靠的连接方式，具体可以采用螺纹连接、紧配合等连接方式。
其中，该短路结构的设置位置与芯片位置相邻。
具体的，短路结构到所述芯片的最小距离小于5mm。
实际实施中，当该功率器件正常工作时，功率器件温度较低，传递到该短路结构的温度低于该低熔点合金的熔点，此时，该低熔点合金处于固定状态，维持该金属弹簧的压缩状态，该状态下的结构如图3和图4所示。
而当该功率器件在失效状态时表现为芯片过流烧毁，此时，功率器件内部由于芯片烧毁而导致功率器件温度急剧升高，此时传递到该短路结构的温度高于该低熔点合金的熔点，导致低熔点合金熔融，被固态低熔点合金封装的金属弹簧从压缩状态恢复放松状态，此时，金属弹簧一端与套管固定在一电极上，另一端伸长，与另一电极接触，导通两个电极。
如图6所示，为本申请实施例提供的一种功率器件的另一结构示意图，该功率器件处于失效短路状态，该功率器件包括：芯片601、钼片602、第一电极603、第二电极604、陶瓷外壳605和短路结构606。
其中，芯片、钼片、电极和陶瓷外壳的结构与图3中一致，本处不再赘述。
其中，短路结构606中低熔点合金熔融，金属弹簧为放松状态，金属弹簧一端与套管固定在第一电极上，另一端伸长，与第二电极接触，导通两个电极，实现了功率器件中的芯片故障导致第一电极和第二电极断开时，放松状态的金属弹簧连接两个电极，保证了第一电极和第二电极之间保持短路连接，该失效的关联器件表现为短路失效模式。
需要说明的是，具体实施中，该金属弹簧的长度选择标准为：当该金属弹簧处于放松状态时长度大于第一电极和第二电极之间的距离，以保证当金属弹簧处于放松状态时，由于金属弹簧自身的弹力，使得两个电极之间的连接牢靠。
需要说明的是，当该短路结构与空间位置上处于上侧的第一电极连接时，当低熔点合金在熔融状态时，在重力的作用下，该熔融状态的低熔点合金随着金属弹簧的形状流动，覆盖在该金属弹簧表面，甚至流动到空间位置上处于下侧的第二电极处，由于低熔点合金的导电特性，提升了金属弹簧的导电能力。
需要说明的是，设置有该短路结构的功率器件具有工作姿态，当该功率器件处于工作姿态时，该短路结构中的套管开口朝下，具体为垂直向下，而当该功率器件处于非工作状态放置(水平放置或者倒置)时，例如，该套管开口向上或者水平方向，即使由于外部因素导致该低熔点合金熔融，该短路结构也不能实现短路功能，防止出现错误安装或者保存环境不善导致的短路结构中低熔点合金熔融短路的情况出现。
具体实施中，为了确保器件失效后短路结构的电流负载能力，可在电极的周围布置多个短路结构。
其中，该短路结构是个数与功率器件的工作电流和单个短路结构所能承载的最大电流相关，具体为：
n≥I/I0
其中，n表示短路结构数量，I表示功率器件工作电流，I0表示单个短路结构承载的最大电流。
实际实施中，该短路结构个数至少为2个。
其中，该短路结构的排布位置与该电极的形状相关。
如图7所示，为本申请实施例提供的一种功率器件中电极上短路结构的一排布示意图，该示意图为一俯视图，其中，包括：电极701和短路结构702。
本示意图中，电极701的形状为规则的圆形，短路结构702均匀分布于该电极701的边缘位置。
需要说明是，本示意图中，该短路结构的个数为6个，相邻两个的短路结构与电极圆心连线的夹角为60°。
需要说明是，功率器件中设置芯片的位置与电极圆心连线的夹角为60°，该短路结构设置于与芯片相邻的位置。
如图8所示，为本申请实施例提供的一种功率器件中电极上短路结构的另一排布示意图，该示意图为一俯视图，包括：电极801和短路结构802。
本示意图中，电极801形状为规则的四边形，短路结构802均匀分布于该电极801的四个角。
需要说明是，本示意图中，该短路结构的个数为4个，该短路结构设置于与芯片相邻的位置。
当然实际实施中，当该芯片的设置位置为电极的边的边缘位置时，该短路结构设置于与该芯片相邻的边的边缘位置。
由上述可知，本发明提供了一种功率器件，包括：至少一个芯片、分别设置于所述芯片两侧的第一电极和第二电极、分别设置与所述芯片和所述第一电极和第二电极之间的至少一组钼片组、陶瓷外壳和短路结构；其中，短路结构包括：压缩状态的金属弹簧、套设于所述金属弹簧外侧的套管和将所述金属弹簧封装于所述套管内的低熔点合金；其中，所述短路结构设置于所述第一电极和第二电极之间，所述短路结构的一端与第一一电极的靠近第二电极的内侧相连，另一端靠近所述第二电极的内侧；所述短路结构中的金属弹簧处于放松状态时，所述金属弹簧的两端分别与所述第一电极和第二电极的内侧接触。采用该短路结构，在该功率器件短路发散热量时，该封装金属弹簧的低熔点合金熔融，金属弹簧有压缩状态恢复放松状态，连接两片电极，使得该功率器件失效时，两片电极之间仍然具有连接导通结构，保证了该功率器件表现为短路失效模式，并且由于金属弹簧自身的弹力，使得两个电极之间的连接牢靠。采用该实现短路结构，无需对功率器件外接复杂的旁路晶闸管的结构，功率器件整体结构简单，易于实现，便于推广。
以上所述仅是本申请的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。
Claims (9)
1.一种功率器件，其特征在于，包括：至少一个芯片、分别设置于所述芯片两侧的第一电极和第二电极、分别设置与所述芯片和所述第一电极和第二电极之间的至少一组钼片组、封装所述第一电极和第二电极的陶瓷外壳和短路结构；
所述短路结构包括：压缩状态的金属弹簧、套设于所述金属弹簧外侧的套管和将所述金属弹簧封装于所述套管内的低熔点合金；
其中，所述短路结构设置于所述第一电极和第二电极之间，所述短路结构的一端与第一电极的靠近第二电极的内侧相连，另一端靠近第二电极的内侧，且所述短路结构的设置位置与所述芯片位置相邻；
所述短路结构中的金属弹簧处于放松状态时，所述金属弹簧的两端分别与所述第一电极和第二电极的内侧接触。
2.根据权利要求1所述的功率器件，其特征在于，所述金属弹簧为筒状。
3.根据权利要求1所述的功率器件，其特征在于，所述套管为筒状。
4.根据权利要求1-3任一项所述的功率器件，其特征在于，所述金属弹簧与所述套管的间距为0-2mm。
5.根据权利要求1所述的功率器件，其特征在于，所述低熔点合金的熔点温度为100℃-350℃。
6.根据权利要求1所述的功率器件，其特征在于，所述低熔点合金采用铅锡合金、锡银合金或锡银铜合金。
7.根据权利要求1所述的功率器件，其特征在于，所述短路结构与所述电极采用螺纹连接。
8.根据权利要求1所述的功率器件，其特征在于，所述短路结构个数至少为2个。
9.根据权利要求1所述的功率器件，其特征在于，所述短路结构的排布位置与所述第一电极和第二电极的形状相关。
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