CN104981901B - 半导体组件 - Google Patents

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Abstract

一种半导体组件(10)包括具有半导体模块(20a)和冷却器(30a)的叠堆(38)，其中，半导体模块(20a)设置成与冷却器(30a)接触。夹持组件(40)适于对叠堆的两侧(22，24)施加力(F)。叠堆设有在其两侧之间的贯通孔(26，36)，并且夹持组件(40)的一部分包括延伸通过叠堆的贯通孔(26，36)的导电部分。从而，提供紧凑的机械布置，同时获得改进的电气属性，诸如较低的电感和较均匀的电流分配。

Description

半导体组件
技术领域
本发明大体涉及半导体组件，并且更特别地，涉及包括紧压包装模块的半导体组件。
背景技术
许多不同类型的电力转换器利用紧压包装模块，因为易于在机械叠堆的帮助下对它们进行连续连接，其中连续地提供不止一个模块。使紧压包装模块安装在冷却器或压力板之间，并且对那个叠堆施加压力，以确保单独的紧压包装模块之间有恰当的电接触和热接触。对于HVDC转换器，可将高达20个模块连续连接成一个叠堆，而且完整的转换器可能需要超过一百个叠堆。这意味着需要大量重型且有时昂贵的机械部件来建立那些叠堆。
图1中公开了现有技术的紧压包装叠堆的示例。如在此图中看到的那样，标准叠堆包括两个或更多个杆，它们围绕叠堆均等地分布。在叠堆的各个端部中的一个端部处提供两个轭(yoke)，以封闭叠堆。此外，在叠堆的顶部上提供弹簧套件，以对其提供压力。在一些紧压叠堆包装中，省略这个弹簧套件，而且改为提供特殊的轭，该轭允许使用其固有的机械弹力作为弹簧力。
在美国专利申请公布US 2010/0133676 A1中公开了紧压包装叠堆的另一个示例。
发明内容
本发明的目标是提供一种具有简化的机械设计的紧压包装叠堆。
根据本发明，提供一种半导体组件，其包括：叠堆，其包括半导体模块和冷却器，其中，半导体模块设置成与冷却器接触，叠堆具有第一侧和第二侧；适于对叠堆施加力的夹持组件；半导体组件的特征在于，叠堆设有在第一侧和第二侧之间的贯通孔，而且夹持组件的一部分延伸通过叠堆的贯通孔，其中，延伸通过叠堆的贯通孔的夹持组件的部分包括构造成导电的导电部分。从而，提供紧凑的机械布置，同时获得改进的电气属性，诸如较低的电感和较均匀的电流分配。
在实施例中，提供单个母线条。从而，使部件的数量且从而重量保持最低。
在实施例中，提供绝缘元件，以使导电母线条与半导体模块电绝缘开。照这样，可借助于母线条来接触叠堆的端部部分。
在实施例中，在叠堆的中心处提供贯通孔。这确保对叠堆施加的力均匀分布，并且减少用于堆叠的机械部件，这又会降低组装的复杂性和成本。
在实施例中，半导体模块大体是扁平的，并且具有第一平坦侧和相对的第二平坦侧。这使得能够有可靠地电连接和热连接到相邻冷却器上的紧凑设计。这在第一和第二平坦侧充当模块功率连接件时特别有利。
在实施例中，冷却器布置成使得半导体模块(20a)的侧部的基本整个区域都与冷却器接触。从而确保半导体模块侧部的整个区域上有良好的电连接和热连接。
在实施例中，冷却器是导电的，使得它可用来连接到半导体模块上。
在实施例中，半导体模块和冷却器是圆形。这提供占地面积小的设计，而且还改进模块中的电磁耦合的均匀性。
在实施例中，夹持组件包括适于对叠堆的第一侧施加力的第一夹持元件和适于对叠堆的第二侧施加力的第二夹持元件。照这样，可提供半导体组件作为用于在后面连接到电气装备件上的单独部件。
在实施例中，半导体组件包括电气装备件，优选电容器，其中，母线条在第一端部分处电连接到叠堆的第一侧上，并且在第二端部分处电连接和机械地连接到该电气装备件的第一极上。通过将夹持组件结合到该电气装备件中，实现紧凑设计，而且使导电路径的长度保持最小，从而改进组件的电气属性。
在实施例中，叠堆包括多个半导体模块和多个冷却器，其中，在两个冷却器提供之间各个半导体模块。照这样，一个叠堆中可包括大量半导体模块。
在实施例中，叠堆包括两个半导体模块和三个冷却器，其中，提供连接件优选是为了电连接到三个冷却器的中心第二冷却器上。然后叠堆自行用作例如变极器中的相脚。在这种情况下，半导体模块包括高电压半导体，诸如隔离栅双极晶体管。
附图说明
现在参照附图以示例的方式来描述本发明，其中：
图1显示现有技术的紧压包装叠堆，
图2显示根据本发明的呈紧压包装叠堆的形式的半导体组件的截面图，
图3显示包括在图2的半导体组件中的半导体模块的横截面俯视图，
图4显示根据本发明的呈紧压包装叠堆的形式的半导体组件的第二实施例的侧视图，
图5显示根据本发明的呈紧压包装叠堆的形式的半导体组件的第三实施例的部分地截开的侧视图，
图6显示根据本发明的呈紧压包装叠堆的形式的半导体组件的第四实施例的截面图，半导体组件安装到呈电容器的形式的电气装备件上，
图7显示图6的电容器的分解透视图，以及
图8显示组装之后的图7的电容器。
具体实施方式
在下面，将给出根据本发明的半导体组件的优选实施例的详细描述。
已经在背景技术部分论述了图1，所以在本文不进一步涉及图1。
图2显示根据本发明的半导体组件(大体标为10)的截面图。这个半导体组件是紧压包装叠堆的简单形式，它包括正好一个半导体模块20a和冷却器30a，它们贴靠彼此，即，彼此直接进行物理接触或接合。这个半导体模块20a大体是扁平的，并且具有第一平坦侧22和相对的第二平坦侧24。参照图3，显示圆形半导体模块20a的横截面图，在半导体模块中在第一侧22和第二侧24之间提供中心贯通孔26。在模块中提供多个半导体28，诸如隔离栅双极晶体管(IGBT)，而且它们电连接到半导体模块的第一平坦侧22和第二平坦侧24上，而且这些侧部因此充当模块功率连接件。
再次参照图2，冷却器30a具有第一平坦侧32和与第一平坦侧32相对的第二平坦侧34，第二平坦侧34贴靠或接合半导体模块20a的第一侧。冷却器30a设有在相对的平坦侧之间的中心贯通孔36，孔与半导体模块20a的贯通孔26对齐。冷却器具有良好的导电性和导热性，并且因而优选的是冷却器由导电性良好的材料(诸如铜或铝)制成，而且优选的是在冷却器内部提供用于冷却剂(未显示)(诸如水)的通道。冷却器30a是圆形，其直径等于或超过半导体模块20a的直径，以便确保在半导体模块20a的整个第一侧22上在半导体模块20a和冷却器30a之间有导电和导热。
半导体模块20a和冷却器30a共同形成叠堆，其大体标为38。
夹持组件(大体标为40)适于对叠堆38施加力F，在这种情况下，沿朝向半导体模块20a的方向对冷却器30a的第一侧32施加力F，其中，冷却器30a充当轭。因而，夹持组件40延伸通过半导体模块20a的贯通孔26和冷却器30a的贯通孔36。延伸通过贯通孔26、36的部分是导电母线条42，导电母线条42具有第一螺纹端部部分42a以及与第一端部分42a相对的第二端部分42b，呈螺母44a的形式的夹持元件旋到第一螺纹端部部分42a上。导电母线条可为铝杆或者备选地设有铝套的中心钢杆。虽然这个实施例包括呈母线条形式的导电部分，但延伸通过贯通孔的导电部分可体现为许多不同的形式，诸如条或带，导电部分在逆变器、变电站、蓄电池组或任何其它电气设备内导电。
假设半导体模块20a的第二侧24支托在固定平面(在图中以虚线显示)上。这个固定平面可为另一个冷却器、额外的轭或者电气装备件的表面，如将在下面描述的那样。因而，当螺母44a上紧时，将对轭或冷却器30a施加向下力F。由于轭或冷却器30a是刚性的，所以这个力将传递到半导体模块20a上。由于半导体模块20a因为固定平面(半导体模块20a的第二侧24贴靠固定平面)的原因而不会屈服，所以半导体模块20a和冷却器30a将挤压成彼此紧密接触，从而确保它们之间有良好的导电性和导热性。
现在将参照图4来描述半导体组件的第二实施例。在这个实施例中，在叠堆中提供多个(即，四个)半导体模块20a、20b、20c、20d。相应地，提供多个冷却器，即，五个冷却器30a、30b、30c、30d、30e，使得各个半导体模块20a-d设置在两个冷却器30a-e之间。这意味着半导体模块20a-d和冷却器30a-e在叠堆38中交错布置，叠堆38具有图中的显示第一上端和相对的第二下端。
夹持组件40包括具有第一上部螺纹端部分42a和第二下部螺纹端部分42b的条42。呈第一螺母44a的形式的第一夹持元件旋到条的第一端部分42a上，并且呈第二螺母44b的形式的第二夹持元件旋到条的第二端部分42b上。
弹簧套件46布置在第一螺母44a和第一最上部冷却器30a之间，如图中显示的那样。显示了弹簧套件由多个盘形弹簧组建而成，但将认识到的是，可提供其它形式的弹簧。
在弹簧套件46和第一冷却器30a之间提供第一轭绝缘元件48a，以便在它们之间提供电绝缘。相应地，在第二螺母44b和最下部冷却器30e之间提供第二轭绝缘元件，以便在它们之间提供电绝缘。
提供连接件(在图中未显示)是为了电连接到半导体模块20a-d上，以及可选地电连接到一个或多个冷却器30a-e上。
半导体组件10在这个实施例中借助于夹持组件40而保持在一起，而不像图2中显示的实施例那样依赖于任何固定平面。这意味着这个半导体组件可以可释放地安装到电气装备件上，诸如电容器或变压器。
现在将参照图5来描述半导体组件的第三实施例。在这个实施例中，在叠堆38中提供多个(即，两个)半导体模块20a、20b。相应地，提供多个冷却器，即，三个冷却器30a、30b、30c，使得各个半导体模块20a、20b设置在两个冷却器30a-c之间。这意味着在这个实施例中半导体模块20a、20b和冷却器30a-c在叠堆38中也交错地布置，叠堆38具有图中显示的第一上端和相对的第二下端。
夹持组件40包括具有上部螺纹端部分42a的条42。条42的下端部分42b附连到电气装备件上，诸如电容器。呈螺母44a的形式的夹持元件旋到条的上端部分42a上。
类似于图4中显示的一个的弹簧套件46布置在第一螺母44a和第一最上部冷却器30a之间，如图中显示的那样。弹簧套件46直接对第一最上部冷却器30a施加力，在这个实施例中，第一最上部冷却器30a起轭的作用。在这个实施例中省略了图4中显示的轭绝缘元件。
在这个实施例中，在以截面显示成叠堆的冷却器和半导体模块的情况下，提供绝缘元件50是为了使中心条42与半导体模块20a、20b电绝缘开。绝缘元件50还使负的DC连接件或端子“-DC”和正的DC连接件或端子“+DC”彼此电绝缘开。但是，绝缘元件50不会一直延伸到弹簧套件46，这意味着第一最上部冷却器30a与条42处于电连接。这意味着由于条42(在这种情况下，条42充当母线条且与负的DC连接件处于电连接)与第一最上部冷却器30a处于直接电连接，所以这个第一冷却器也将具有相同的电势，即，“-DC“。
在负的DC连接件或端子“-DC”和正的DC连接件或端子“+DC”之间提供电绝缘器件62，以使它们彼此电隔离。
提供呈最上部冷却器30a和最下部冷却器30c的形式的连接件是为了电连接到半导体模块20a、20b上。
提供相连接件是为了电连接到中心第二冷却器30b上，中心第二冷却器30b与母线条42电绝缘，中心第二冷却器30b取决于半导体模块20a、20b的运行而具有电势“-DC”或“+DC”。在这个实施例中，半导体组件10因此适合对转换器(诸如HVDC转换器)提供相电压。
现在将参照图6-8来描述半导体组件的第四实施例。在这个实施例中，在叠堆38中提供多个(即，两个)半导体模块20a、20b。相应地，提供多个冷却器，即，三个冷却器30a、30b、30c，使得各个半导体模块20a、20b设置在两个冷却器30a-c之间。这意味着在这个实施例中，半导体模块20a、20b和冷却器30a-c在叠堆38中也交错地布置，叠堆38具有图中显示的第一上端和相对的第二下端。
夹持组件40包括具有上部螺纹端部分42a的条42。呈螺母44a的形式的夹持元件旋到条42的上端部分42a上，条42充当母线条。条42的下端部分42b优选借助于螺纹接头附连到呈电容器60的形式的电气装备件上，其中，电容器设有电连接到一个电力连接件上的螺纹。
呈盘形弹簧的形式的弹簧套件46布置在螺母44a和第一最上部冷却器30a之间，如图中显示的那样。弹簧套件46通过专用轭49(即，不起冷却器的作用的轭)和轭绝缘元件48a对第一最上部冷却器30a施加力。
母线条42设有母线条绝缘体50，以使母线条42与半导体模块20a、20b电绝缘。
现在将论述电容器60的设计。电容器壳的前侧60a展示多个端子或极，第一组标为“DC”且表示电容器的第一极，并且第二组标为“+DC”且表示电容器的第二极。第一组端子通常与电容器60的壳处于相同的电势。
在电容器60的前侧60a上提供呈叠片62(特别参见图7和8)的形式的绝缘片，并且绝缘片具有几乎覆盖这个前侧60a的大小。在叠片62中对第二组端子“+DC”提供第一开口62a，并且对母线条42提供第二中心开口62b。叠片62由电绝缘材料制成。
在叠片62前面，即在其外部，提供由诸如金属的导电材料制成的传导片64。在传导片64中对第二组端子“+DC”提供第一开口64a，并且对母线条42提供第二中心开口64b。但是，传导片的中心开口64b的直径基本大于母线条42的直径，以确保它们之间有电绝缘。传导片64设有围绕中心开口64b的圆形区域64c，其适于与最内部冷却器30c紧密接触。
在组装期间，将叠片62装配到第二组端子“+DC”上，然后也将传导片64装配到这个第二组端子上。借助于软焊、硬钎焊或栓接等来在第二组端子“+DC”和传导片64之间提供电连接和机械连接。然后将母线条42旋到或以别的方式附连到电容器60上，从而对母线条42提供电势“-DC”。然后以从图4中显示的最内部到最外部的顺序，将图4中显示的不同部分旋到母线条42上，螺母44a为结束，将螺母44a旋到母线条42的外端部分42a上，直到对成叠堆的冷却器和半导体模块施加期望力为止，或者通过施加力(诸如液压力)，以及转动螺母以锁定弹簧来将螺母44a旋到母线条42的外端部分42a上。
提供连接件是为了在控制单元70和半导体模块20a、20b之间有电连接。
提供相连接件是为了电连接到中心第二冷却器30b上，中心第二冷却器30b与母线条42电绝缘，中心第二冷却器30b取决于半导体模块20a、20b的运行而具有电势“-DC”或“+DC”。在这个实施例中，半导体组件10因此适合对转换器(诸如HVDC转换器)提供相电压。
已经描述了半导体组件的优选实施例。将理解的是，在不偏离有创造性的思想的情况下，可在所附权利要求限定的范围内对这些进行修改。
已经在绝缘片呈叠片的形式的情况下描述了电气装备件，诸如电容器。将理解的是，这个思想不仅适用于本文描述的有创造性的半导体组件，而且还适用于其它组件，诸如包括图1中显示的现有技术的紧压包装叠堆的组件。
虽然已经在图中展示了具体极性，但将认识到，任何电压和电流都可应用于半导体组件，而不偏离有创造性的思想。
在描述的优选实施例中，半导体模块和冷却器是圆形。将理解的是，这些部件的形状可与圆形不同，诸如为正方形或六角形，而不偏离有创造性的思想。
已经将叠片描述和显示成装配到第二组端子上。在其它实施例中，叠片可装配在该电气装备件的壳体的内部或外部。
已经描述了对母线条提供传导片的中心开口基本大于母线条本身的直径，以便实现电绝缘。这个绝缘也可由其它手段实现，诸如通过例如用电绝缘胶密封。

Claims (19)

1.一种半导体组件(10)，包括：
叠堆(38)，其包括半导体模块(20a)和冷却器(30a)，其中，所述半导体模块(20a)设置成与所述冷却器(30a)接触，所述叠堆具有第一侧和第二侧；
夹持组件(40)，其适于对所述叠堆施加力(F)；
其中，所述叠堆(38)设有在所述第一侧(22)和所述第二侧(24)之间的贯通孔(26，36)，以及
其中，所述夹持组件(40)的一部分延伸通过所述叠堆的贯通孔(26，36)，
其特征在于，
延伸通过所述叠堆的贯通孔(26，36)的所述夹持组件(40)的部分包括呈母线的形式的导电部分(42)，其构造成导电，并且其中
所述半导体组件进一步包括电气装备件(60)，其中，所述导电部分(42)在第一端部分(42a)处电连接到所述叠堆(38)的第一侧上，并且在第二端部分(42b)处电连接和机械地连接到所述电气装备件(60)的第一极(-DC)上。
2.根据权利要求1所述的半导体组件，其特征在于，延伸通过所述叠堆(38)的贯通孔(26，36)的所述夹持组件(40)包括单个母线(42)。
3.根据权利要求1或2所述的半导体组件，其特征在于，所述半导体组件包括绝缘元件(50)，提供所述绝缘元件(50)来使所述导电部分(42)与所述半导体模块(20a)电绝缘开。
4.根据权利要求1或2所述的半导体组件，其特征在于，所述贯通孔(26，36)设置在所述叠堆(38)的中心处。
5.根据权利要求1或2所述的半导体组件，其特征在于，所述半导体模块(20a)是扁平的，并且具有第一平坦侧(22)和相对的第二平坦侧(24)。
6.根据权利要求5所述的半导体组件，其特征在于，所述半导体模块(20a)的第一平坦侧和第二平坦侧(22，24)起模块功率连接件的作用。
7.根据权利要求1或2所述的半导体组件，其特征在于，所述冷却器(30a)布置成使得所述半导体模块(20a)的侧部的整个区域都与所述冷却器接触。
8.根据权利要求1或2所述的半导体组件，其特征在于，所述冷却器(30a)是导电的。
9.根据权利要求1或2所述的半导体组件，其特征在于，所述半导体模块(20a)和所述冷却器(30a)是圆形。
10.根据权利要求1或2所述的半导体组件，其特征在于，所述夹持组件(40)包括适于对所述叠堆的第一侧施加力的第一夹持元件(44a)和适于对所述叠堆的第二侧施加力的第二夹持元件(44b)。
11.根据权利要求1或2所述的半导体组件，其特征在于，所述电气装备件(60)是电容器。
12.根据权利要求1或2所述的半导体组件，其特征在于，所述叠堆(38)包括多个半导体模块(20a-d)和多个冷却器(30a-e)，其中，所述半导体模块(20a-d)中的各个设置在所述冷却器(30a-e)中的两个之间。
13.根据权利要求12所述的半导体组件，其特征在于，所述叠堆(38)包括两个半导体模块(20a，20b)和三个冷却器(30a-c)。
14.根据权利要求13所述的半导体组件，其特征在于，所述半导体组件包括提供来电连接到所述三个冷却器(30a-c)的中心第二冷却器(30b)上的连接件。
15.根据权利要求14所述的半导体组件，其特征在于，所述连接件为HVDC转换器的相连接件，并且其中，所述第二冷却器(30b)与所述导电部分(42)电绝缘开。
16.根据权利要求15所述的半导体组件，其特征在于，用作母线的所述导电部分(42)与DC端子(-DC)电连接，并且其中，第一冷却器(30a)与用作母线的所述导电部分(42)电连接。
17.根据权利要求1或2所述的半导体组件，其特征在于，所述夹持组件(40)包括在所述夹持组件的第一端部分(42a)处的弹簧套件(46)。
18.根据权利要求1或2所述的半导体组件，其特征在于，所述半导体模块(20a)包括高电压半导体。
19.根据权利要求18所述的半导体组件，其特征在于，所述半导体模块(20a)包括隔离栅双极晶体管。
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