CN105552037B - 一种压接式igbt模块 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种新型压接式IGBT模块，包括管壳和同轴设于所述管壳上、下两端的板状金属电极，下端金属电极的内侧面上固定有凸台，所述凸台与上端金属电极之间压接有功率子模块；所述凸台以所述下端金属电极的中心为圆心，由内层到外层依次圆周等分布在所述下端金属电极的内侧面上。本发明提供的技术方案改善了压接式IGBT模块的凸台在通过瞬态电流时，部分电流过冲太大的问题，提高了压接式IGBT功率模块的可靠性，增大了压接式IGBT功率模块的安全工作区。
Description
技术领域
本发明涉及一种压接式IGBT模块，具体涉及一种可降低IGBT在开关瞬态电流过冲的压接式IGBT模块。
背景技术
1993年，Fuji公司首次提出μ-stack的概念，结合了GTO和IGBT共同的优点看，在20世纪90年代后期得到了广泛的研究，并在2005年前后进行了压接式IGBT的商业化量产。目前市场上的两个主流产品分别为ABB公司的StakPak和Westcode公司的Press Pack IGBT，此外，与此类似的还有Toshiba的IEGT器件。压接式IGBT具有开关频率高、失效短路、双面散热以及更加易于串联的优势，非常适合于电力机车以及VSC-HVDC等的应用。压接式IGBT模块与传统的焊接式IGBT模块相比，芯片回路的杂散电感小。
ABB公司的StakPak通过在集电极使用碟簧的方式将芯片压在底板上，虽然会增加集电极侧的电感值，但是却降低了发射极侧的杂散电感，从而降低了驱动回路的杂散电感，使得芯片具有更好的开通一致性。Westcode公司现有的压接式IGBT器件，通过将芯片压接在凸台上，并使用顶针的方式进行栅极触发。Westcode的Press Pack IGBT的优点在于结构以及工艺相对简单。
针对Westcode器件结构，已有的研究结果表明，随着凸台数量的增加，由于这种杂散电感的不一致问题，凸台之间的电流在开通和关断过程中存在不均流的问题，且部分芯片在开通过程中存在很大的电流过冲，从而降低了器件整体的安全工作区。
发明内容
为了解决现有技术中所存在的上述问题，本发明提供一种新型结构的压接式IGBT模块。
本发明提供的技术方案是：一种新型压接式IGBT模块，包括管壳和同轴设于所述管壳上、下两端的板状金属电极，下端金属电极的内侧面上固定有凸台，所述凸台与上端金属电极之间压接有功率子模块；其改进之处在于：所述凸台以所述下端金属电极的中心为圆心，由内层到外层依次圆周等分布在所述下端金属电极的内侧面上。
优选的，所述功率子模块包括设于不同凸台上的IGBT功率子模块和Diode功率子模块，所述IGBT功率子模块所对应的凸台分布在以所述下端金属电极的中心为圆心的外层圆周上；所述Diode功率子模块所在的凸台分布在所述外层圆周和所述中心之间的以所述中心为圆心的内层圆周上；所述中心位置布置有安装所述IGBT功率子模块的凸台或安装所述Diode功率子模块的凸台。
优选的，所述下端金属电极的内侧面上分布有凹槽，每个凹槽内固定有一个凸台。
进一步，所述凸台的两侧设有平行于所述管壳轴线方向上的柱子，所述凹槽的两侧设有与所述柱子相适应的沟槽；所述柱子容纳于所述沟槽内，以将所述凸台限制在所述凹槽内。
进一步，所述凸台与所述凹槽底部相接触的面为向上凹陷的凹面；所述凹面为曲面或斜面。
进一步，所述凹槽为矩形，所述凹槽的宽度等于凸台的对应边长，以将所述凸台限制在所述凹槽内；所述凹槽的长度略大于凸台的对应底部长度；所述凹面的横截面为拱形；所述凹面的横截面对称线垂直于所述凹槽的长度。
进一步，所述功率子模块包括由下至上依次压接的导电银片、底部钼片、半导体芯片和顶部钼片；所述导电银片的下表面与所述凸台的上表面压接，所述顶部钼片的上表面与所述上端金属电极的内侧面压接；
所述IGBT功率子模块的半导体芯片为绝缘栅双极型晶体管IGBT芯片；所述Diode功率子模块的半导体芯片为二极管Diode芯片。
进一步，所述导电银片、底部钼片、半导体芯片和顶部钼片设于矩形结构的绝缘框架内。
进一步，IGBT功率子模块通过设于凸台之间的PCB板电气相连；所述PCB板的上、下表面分别涂覆有金属层，金属层之间通过绝缘材料电气隔离；上、下表面的金属层宽度小于对应的PCB板宽度，以使凸台之间电气隔离；连接外部驱动电路的接线端子分别经所述上、下表面的金属层引出。
进一步，所述IGBT功率子模块所对应的凸台侧部留有位于其对角线上的开口朝外的缺口；所述IGBT功率子模块的绝缘框架内侧转角位置设有与所述缺口相适应的通孔；所述PCB板的下表面金属层与所述缺口的底部相接触，其上表面金属层与所述通孔的底部相接触；所述通孔的顶部与绝缘栅双极型晶体管IGBT芯片的下表面相接触；所述PCB板的上表面金属层通过贯穿所述通孔的栅极顶针与所述IGBT功率子模块的绝缘栅双极型晶体管IGBT芯片的栅极电气相连。
与最接近的现有技术相比，本发明具有如下显著进步：
1)本发明提供的压接式IGBT模块将同一种功率子模块对应的凸台分布在同一圆周上，可改善压接式IGBT模块的凸台在IGBT开关瞬态过程中，电流过冲太大的问题，可提高器件的可靠性，增大安全工作区。
2)本发明提供的压接式IGBT模块将凸台分布在以下端金属电极中心为圆心的圆周上，降低了各个功率子模块的几何位置差别，有效提高了各个功率子模块所在支路参数的一致性，具有更好的均流效果，降低了IGBT功率子模块在开通瞬态过程中电流过冲的问题。
3)本发明提供的压接式IGBT模块的凸台底部设有向上凹陷的凹面，使得凸台在压力条件下，向下移动的位移远远大于顶部钼片、半导体芯片、底部钼片以及导电银片在压力方向上所产生的形变之和，降低了压接式IGBT模块对钼片、芯片、导电银片厚度的一致性要求、对凸台高度的一致性要求，在金属片厚度以及凸台高度存在容差的情况下，仍然可以保持各个芯片之间的压力差异性小，压力差异减小后将会降低各个芯片与散热器之间的热阻差异，从而改善了芯片散热的一致性，提高了器件的使用性能。
4)本发明提供的压接式IGBT模块的导电银片与凸台压接，PCB板的下表面金属层与凸台缺口底部相接触，使得IGBT功率子模块的绝缘栅双极型晶体管的发射极从凸台引出，极大降低了栅极回路的面积，从而降低了杂散参数对驱动回路的影响，提高了器件的电气性能。
5)本发明提供的压接式IGBT模块结构灵活，凸台通过两侧的条形柱子限位在凹槽内，IGBT功率子模块所对应的凸台和Diode功率子模块所对应的凸台的数量以及位置可调，从而可以根据需求来设置IGBT和Diode芯片的比例以及相对位置。
附图说明
图1为IGBT功率子模块数量较少时，凸台在下端金属电极内侧面上的分布示意图；
图2为IGBT功率子模块数量较多时，凸台在下端金属电极内侧面上的分布示意图；
图3为IGBT功率子模块、凸台以及凹槽的结构示意图。
图4是图3中IGBT功率子模块的绝缘框架结构示意图。
图5是Diode功率子模块所对应的凸台结构示意图。
图6是IGBT功率子模块所对应的凸台结构示意图。
图7是凸台、凹槽、PCB板安装在一起时的纵剖面结构示意图。
其中1-IGBT功率子模块所对应的凸台；2-Diode功率子模块所对应的凸台；3-下端金属电极；4-顶部钼片；5-半导体芯片；6-底部钼片；7-导电银片；8-绝缘框架；9-IGBT功率子模块所在凸台侧面的条形柱子；10-通孔；11-Diode功率子模块所在凸台侧面的条形柱子；12-IGBT功率子模块所在凸台的缺口；13-PCB板。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
为了彻底了解本发明实施例，将在下列的描述中提出详细的结构。显然，本发明实施例的施行并不限定于本领域的技术人员所熟习的特殊细节。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。
本发明提供的大功率压接式IGBT模块的外部由管壳和设置在管壳上、下两端的两个金属电极板组成，内部为功率子模块以及相应的凸台。
凸台安装在下端金属电极3上，为了降低各个功率子模块的几何位置差别，提高各个功率子模块所在支路参数的一致性，改善压接式IGBT模块的凸台在IGBT开关瞬态过程中，电流过冲太大的问题，提高器件的可靠性，增大安全工作区，本发明提供的凸台在下端金属电极3的内侧面上采用圆周布局的方式。
功率子模块包括设于不同凸台上的IGBT功率子模块和Diode功率子模块，所述IGBT功率子模块所对应的凸台1分布在以所述下端金属电极3的中心为圆心的外层圆周上；所述Diode功率子模块所在的凸台2分布在所述外层圆周和所述中心之间的以所述中心为圆心的内层圆周上；所述中心位置布置有安装所述IGBT功率子模块的凸台或安装所述Diode功率子模块的凸台。
当有少量IGBT功率子模块时，凸台布局方式如图1所示，图1中的凸台省略了侧部的条形柱子，最中心为一个IGBT功率子模块对应的凸台，随后包围的是Diode功率子模块对应的凸台，最外围是其他IGBT功率子模块对应的凸台布局方式；
对于IGBT功率子模块对应凸台数量较多的情形，采用图2所示的布局方式，图2中的凸台省略了侧部的条形柱子；所有的Diode功率子模块对应的凸台都在中间位置，IGBT功率子模块对应的凸台都在外围呈现圆周分布。
如图3所示，所述功率子模块包括由下至上依次压接的导电银片7、底部钼片6、半导体芯片5和顶部钼片4；所述导电银片7的下表面与所述凸台的上表面压接，所述顶部钼片4的上表面与上端金属电极的内侧面压接。所述半导体芯片5和所述顶部钼片4的大小一致，并采用烧结工艺固定。
所述IGBT功率子模块的半导体芯片5为绝缘栅双极型晶体管IGBT芯片；所述Diode功率子模块的半导体芯片5为二极管Diode芯片。
所述导电银片7、底部钼片6、半导体芯片5和顶部钼片4设于矩形结构的绝缘框架8内，绝缘框架8可采用塑料制作。
所有凸台之间，最近的距离不能低于安置绝缘框架8所需要的距离。
如图3和图7所示，为了安装凸台，下端金属电极3的内侧面上分布有凹槽；每个凹槽中放置一个凸台，凸台侧面条形柱子上放置PCB板13，每个凸台顶端与上端金属电极之间压接一个功率子模块。
如图3和图7所示：凸台的底部为拱形，与凹槽接触的凸台底面为曲面或斜面，在1～2kN的压力条件下，凸台将会被下压，从而凸台底面与凹槽之间的空隙减小，凸台起到的作用类似于一个弹簧。凸台在压力条件下，向下移动的位移远远大于顶部钼片4、半导体芯片5、底部钼片6以及导电银片7在压力方向上所产生的形变之和。
Doide功率子模块对应的凸台和IGBT功率子模块对应的凸台的底部曲面经过处理，在指定压力条件下，可以保证凸台底面与凹槽接触面之间的压力尽可能均匀分布。
如图5和图6所示，Doide功率子模块对应的凸台和IGBT功率子模块对应的凸台的两侧面均具有条形柱9和11，用于固定凸台，同时为PCB板13提供支撑。
如图3和图7所示，所述凹槽为具有一定深度的凹槽，宽度与凸台对应的边长相同，从而起到固定凸台的作用，但长度略长于凸台底部长度，便于凸台下压形变时，凸台底部边缘具有一定的位移空间；在凹槽侧面留有沟槽，用于放置凸台侧面条形柱9和11，从而起到固定凸台的作用。
如图6所示：所述IGBT功率子模块所对应的凸台1侧部留有位于其对角线上的开口朝外的缺口12；缺口12深度约为凸台高度的30％～80％；如图4所示，所述IGBT功率子模块的绝缘框架8内侧转角位置设有与凸台侧部缺口12相适应的通孔10。
所述IGBT功率子模块通过设于凸台之间的PCB板13电气相连；所述PCB板13的上、下表面分别涂覆有金属层(例如敷设铜或其他金属)，金属层之间通过绝缘材料电气隔离；上、下表面的金属层宽度小于对应的PCB板13宽度，以使凸台之间电气隔离；
将PCB板13放置在凸台之间，PCB板13处于架空状态。调整PCB板13位置，将PCB板13放置在IGBT功率子模块对应的凸台的缺口12上，所述PCB板13的下表面金属层与所述缺口12的底部相接触，其上表面金属层与所述通孔10的底部相接触；所述通孔10的顶部与绝缘栅双极型晶体管IGBT芯片的下表面相接触；所述PCB板13的上表面金属层通过贯穿所述通孔10的栅极顶针与所述IGBT功率子模块的绝缘栅双极型晶体管IGBT芯片的栅极电气相连。
如图3所示，所述IGBT功率子模块的导电银片7和底部钼片6的形状和大小与绝缘栅双极型晶体管IGBT芯片的发射极有源区形状和大小分别一致。IGBT功率子模块的顶部钼片4与上端金属电极压接，引出集电极；IGBT功率子模块的导电银片7与凸台表面压接，引出发射极。
PCB板13的上表面和下表面分别设有连接外部驱动电路的引出端子。
将IGBT功率子模块的绝缘框架8扣压在凸台上时，绝缘框架8的通孔10与对应凸台的缺口12相接触，可以起到固定PCB板13的作用；将栅极顶针穿过绝缘框架8的通孔10；通孔10深度可以取值为3～7mm不等，且满足条件：底部钼片6厚度+导电银片7厚度+IGBT功率子模块对应的凸台缺口12深度＝通孔10深度+PCB板13厚度，这样可以使得绝缘框架8安装在凸台上时，导电银片7、底部钼片6、半导体芯片5和顶部钼片4可以依次压接。
为了使栅极顶针可以将PCB板13上表面金属层与绝缘栅双极型晶体管IGBT的栅极电气连接，IGBT功率子模块的底部钼片6和导电银片7设有与绝缘框架8的通孔10相适应的缺口12，以将底部钼片6和导电银片7固定在绝缘框架8内。
PCB板13的上表面敷设金属，通过传输栅极驱动信号到顶针，从而驱动IGBT芯片。PCB板13下表面也敷设金属，并与凸台缺口12以及凸台侧面条形柱子接触，辅助发射极回路由凸台以及PCB板13下表面金属层构成。
如图5和图6所示，当功率子模块为Diode功率子模块时，Diode功率子模块对应凸台没有空缺，且凸台边长略大于IGBT子模块对应凸台边长；Diode功率子模块的顶部钼片4与上端金属电极压接，引出阴极；Diode功率子模块的导电银片7与凸台表面压接，引出阳极。
本发明中IGBT功率子模块数量和Diode功率子模块数量的比例是可调的，相对位置也是可变的，从而可以根据不同的应用场合来改变凸台的形状、位置和方向，以达到所需目的。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的权利要求保护范围之内。
Claims (6)
1.一种压接式IGBT模块，包括管壳和同轴设于所述管壳上、下两端的板状金属电极，下端金属电极的内侧面上固定有凸台，所述凸台与上端金属电极之间压接有功率子模块；其特征在于：所述凸台以所述下端金属电极的中心为圆心，由内层到外层依次圆周等分布在所述下端金属电极的内侧面上；
所述下端金属电极的内侧面上分布有凹槽，每个凹槽内固定有一个凸台；
所述凸台的两侧设有平行于所述管壳轴线方向上的柱子，所述凹槽的两侧设有与所述柱子相适应的沟槽；所述柱子容纳于所述沟槽内，以将所述凸台限制在所述凹槽内；
所述凸台与所述凹槽底部相接触的面为向上凹陷的凹面；所述凹面为曲面或斜面；所述凹槽为矩形，所述凹槽的宽度等于凸台的对应边长，以将所述凸台限制在所述凹槽内；所述凹槽的长度略大于凸台的对应底部长度；所述凹面的横截面为拱形；所述凹面的横截面对称线垂直于所述凹槽的长度。
2.根据权利要求1所述的一种压接式IGBT模块，其特征在于：
所述功率子模块包括设于不同凸台上的IGBT功率子模块和Diode功率子模块，所述IGBT功率子模块所对应的凸台分布在以所述下端金属电极的中心为圆心的外层圆周上；所述Diode功率子模块所在的凸台分布在所述外层圆周和所述中心之间的以所述中心为圆心的内层圆周上；所述中心位置布置有安装所述IGBT功率子模块的凸台或安装所述Diode功率子模块的凸台。
3.根据权利要求2所述的一种压接式IGBT模块，其特征在于：
所述功率子模块包括由下至上依次压接的导电银片、底部钼片、半导体芯片和顶部钼片；所述导电银片的下表面与所述凸台的上表面压接，所述顶部钼片的上表面与所述上端金属电极的内侧面压接；
所述IGBT功率子模块的半导体芯片为绝缘栅双极型晶体管IGBT芯片；所述Diode功率子模块的半导体芯片为二极管Diode芯片。
4.根据权利要求3所述的一种压接式IGBT模块，其特征在于：
所述导电银片、底部钼片、半导体芯片和顶部钼片设于矩形结构的绝缘框架内。
5.根据权利要求4所述的一种压接式IGBT模块，其特征在于：
IGBT功率子模块通过设于凸台之间的PCB板电气相连；所述PCB板的上、下表面分别涂覆有金属层，金属层之间通过绝缘材料电气隔离；上、下表面的金属层宽度小于对应的PCB板宽度，以使凸台之间电气隔离；连接外部驱动电路的接线端子分别经所述上、下表面的金属层引出。
6.根据权利要求5所述的一种压接式IGBT模块，其特征在于：
所述IGBT功率子模块所对应的凸台侧部留有位于其对角线上的开口朝外的缺口；所述IGBT功率子模块的绝缘框架内侧转角位置设有与所述缺口相适应的通孔；所述PCB板的下表面金属层与所述缺口的底部相接触，其上表面金属层与所述通孔的底部相接触；所述通孔的顶部与绝缘栅双极型晶体管IGBT芯片的下表面相接触；所述PCB板的上表面金属层通过贯穿所述通孔的栅极顶针与所述IGBT功率子模块的绝缘栅双极型晶体管IGBT芯片的栅极电气相连。
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