CN110931465A - 一种具有抑制压接型igbt器件渡越时间振荡的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的一种具有抑制压接型IGBT器件渡越时间振荡的装置，所述装置包括：发射极极板(1)、PCB板(5)、集电极极板(7)和软磁材料(3)；所述PCB板(5)通过软磁材料(3)与所述发射极极板(1)连接后进行封装；所述发射极极板(1)与集电极极板(7)相连接。对目前存在的压接式IGBT器件的拖尾电流振荡有很好的抑制作用。
Description
技术领域
本发明涉及电力电子器件技术，具体涉及一种具有抑制压接型IGBT器件渡越时间振荡的装置。
背景技术
IGBT是一种电压全控器件，其开关速度快，驱动简便，具有较高的功率密度和较高的成本。大功率IGBT封装形式一般分为焊接型和压接型两种，相较于焊接型，压接型IGBT器件因其具有双面散热特性、短路失效模式等优良特性，尤其适用于串联型电压源换流器场合，在电力系统应用领域具有独特的优势和广泛的应用前景。
压接型IGBT器件由IGBT芯片和二极管芯片并联而成，各个芯片之间通过寄生参数形成回路，在器件拖尾电流期间由于载流子抽取形成负阻效应，容易发生等离子体抽取渡越时间(PETT，PlasmaExtractionTransitTime)振荡。图1为器件PETT振荡的典型波形，这是一种射频(RF，RadioFrequency)振荡，这种振荡发生在器件拖尾电流的流动时间内，振荡发生在栅极信号Vge和集电极电流信号Ice上，由于栅极信号本身较小，通过密勒电容，这种振荡更容易通过栅极信号表现出来。对于指定的封装结构以及芯片参数，当并联IGBT芯片集射极电压满足一定条件，芯片内部空间电荷区显示出负阻特性时，会引起芯片的自激振荡。同时，这种振荡依赖于并联芯片所在的振荡回路的寄生电感，改变的寄生电感的值可以使芯片的渡越时间可以偏移出呈现负阻的区域，从而避免振荡的产生。
因此可以通过改变LC振荡回路的杂散电感来改善振荡现象。实验表明，发射极接触金属越厚，寄生电感越大，振荡越不容易发生。所以封装后器件的寄生电感对于抑制振荡是有用的。但是，因为没有像焊接式IGBT的铝键合线粘接工艺,压接式封装结构的一个重要优点在于它的寄生电感很小，人为的增大器件的寄生电感将破坏功率IGBT电感较小的优点。
理想的情况是器件在振荡容易发生的电流等级较小的拖尾电流期间回路电感较大，而正常开通时的大电流期间电感较小，甚至没有。
发明内容
为了解决现有技术中所存在的上述不足，本发明提供一种具有抑制压接型IGBT器件渡越时间振荡的装置。
本发明提供的技术方案是：
一种具有抑制压接型IGBT器件渡越时间振荡的装置，所述装置包括：
发射极极板(1)、PCB板(5)、集电极极板(7)和软磁材料(3)；
所述PCB板(5)通过软磁材料(3)与所述发射极极板(1)连接后进行封装；
所述发射极极板(1)与集电极极板(7)相连接。
优选的，所述发射极极板设有IGBT芯片发射极凸台(2)和FRD芯片阳极凸台(4)；
其中，所述IGBT芯片发射极凸台(2)中设有IGBT芯片；所述FRD芯片阳极凸台设有FRD芯片(4)；
所述PCB板与所述IGBT芯片发射极凸台(2)或FRD芯片阳极凸台(4)对应的位置上设有矩形孔，所述PCB板通过所述矩形孔套入所述IGBT芯片发射极凸台(2)。
优选的，所述PCB板与所述软磁材料(3)相接触的另一侧设有金属走线。
优选的，所述软磁材料包括磁环；所述磁环具有矩形框结构，所述矩形框的内框边长与所述IGBT芯片发射极凸台(2)的边框相配合；
所述PCB板没有金属走线的一侧具有与所述磁环边框相配合的凹槽，所述磁环嵌入所述凹槽。
优选的，所述磁环的数量与发射极极板上IGBT芯片发射极凸台(2)和FRD芯片阳极凸台(4)的总数量一致。
优选的，所述软磁材料还包括磁片；
所述磁片上设置有矩形孔，所述磁片上的矩形孔与所述PCB板上的矩形孔相对应；
优选的，所述磁片设置于所述PCB板与所述发射极极板之间。
优选的，所述IGBT芯片发射极凸台(2)或FRD芯片阳极凸台(4)同时穿过软磁材料的孔和PCB板上的孔。
优选的，所述软磁材料包括按质量百分比计的下述成分制得:
含碳量低于0.04％，含硅量0.5％～4.8％，含铝6％～16％，镍含量30％～90％，
钴含量27％～50％。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明提供的一种具有抑制压接型IGBT器件渡越时间振荡的装置，其特征在于，所述装置包括：发射极极板(1)、PCB板(5)、集电极极板(7)和软磁材料(3)；所述PCB板(5)通过软磁材料(3)与所述发射极极板(1)连接后进行封装；所述发射极极板(1)与集电极极板(7)相连接。本发明提供提供的技术方案对目前存在的压接式IGBT器件的拖尾电流振荡有很好的抑制作用；
2、在现有的封装形式上改进完成，装配简单；
3、所用材料厚度极薄体积小，不影响器件的力、热等其他参数；
4、所用的软磁材料只在小电流情况下作用，大电流时达到饱和磁场强度，等效电感为零，不影响器件正常工作时的电气参数。
附图说明
图1为压接型IGBT器件发生等离子体抽取渡越时间振荡的典型波形示意图；
图2为现有技术装置中不添加振荡抑制材料俯视结构示意图；
图3为现有技术装置不添加振荡抑制材料的封装形式剖面侧视示意图；
图4为本发明要嵌入在PCB板背部挖孔处四周的软磁材料外形示意图；
图5为本发明采用软磁嵌入PCB板背面的装配方式俯视示意图；
图6为本发明采用软磁材料嵌入PCB板背面的装配方式剖面侧视示意图；
图7为本发明采用整体套入IGBT器件发射极极板的软磁材料磁片外形示意图；
图8为本发明采用软磁材料磁片为加层的装配方式俯视示意图；
图9为本发明采用软磁材料磁片为加层的装配方式剖面侧视示意图。
图中：1为发射极极板、2为IGBT芯片发射凸台、3为软磁材料磁环、4为FRD芯片阳极凸台、5为PCB板、6为PCB板金属走线、7为集电极极板、8为IGBT芯片、9为FRD芯片、10软磁材料磁片。
具体实施方式
实施例1
人为的加入一种初始磁导率较大，在特定磁场强度下磁感应强度饱和的软磁材料是一种理想选择。
选择BH曲线呈矩形的高初始磁导率软磁材料，其特点是：磁环环绕的电路为小电流时磁导率很大，磁环的电感也较大；而大电流时磁饱和，磁环电感为零。因此软磁材料只在低电流阶段起作用。
目前的压接式IGBT器件的封装方式没有单独考虑抑制器件渡越时间振荡的机制。IGBT器件栅极引线现有的一种封装形式是通过单侧走线的PCB板实现，如图2所示，PCB板与IGBT器件凸台对应的位置打矩形孔，然后套入发射极凸台底部封装。本申请介绍了一种采用软磁材料抑制并联IGBT芯片电流振荡的方法，并基于现有的PCB板封装形式介绍了两种将材料装入的具体实现方案。
为了更好地理解本发明，下面结合说明书附图和实例对本发明的内容做进一步的说明。
如图1为压接型IGBT器件发生等离子体抽取渡越时间振荡的典型波形示意图所示。压接型IGBT器件由IGBT芯片和二极管芯片并联而成，各个芯片之间通过寄生参数形成回路，在器件拖尾电流期间由于载流子抽取形成负阻效应，容易发生等离子体抽取渡越时间振荡。这种射频振荡发生在器件拖尾电流的流动时间内，所示振荡波形为典型波形，这种振荡发生在栅极信号Vge和集电极电流信号Ice上，由于栅极信号本身小，通过密勒电容，这种振荡更容易通过栅极信号表现出来。
如图2和图3所示为是目前压接式IGBT器件的封装方式，没有单独考虑抑制器件渡越时间振荡的机制，PCB板与IGBT器件凸台对应的位置打矩形孔，栅极布线的PCB板正好套入并环绕在IGBT芯片所在的凸台周围，套入发射极凸台底部后进行封装。
由于借助PCB板的位置，在加工PCB板时考虑其在与发射极极板接触的另一侧嵌入薄层软磁材料磁环，既可以实现抑制振荡的目的，又对现有的封装形式影响很小，软磁材料形状如图4，配装位置如图5和6所示。
PCB板有两侧，相当于一个塑料片，一面有裸露的铜导线，一面没有。装配时，有铜导线的一面冲上，提供栅极的引线。在原来没有铜导线的“塑料片”背侧挖一个槽，把软磁材料嵌进去，这样的话不影响原来PCB板的平坦，又可以使软磁材料和发射极极板接触。
另外还可以把软磁材料磁片切割成小于IGBT器件内径的磁片，然后如同PCB板一样，在与IGBT和FRD芯片所在的凸台位置打矩形孔，封装时先于PCB板做为单独一层套入凸台底部。软磁材料形状如图7，装配位置如图8和图9所示。
由于器件是压接型的，压接使用时，软磁材料和器件的发射极极板是接触的，这相当于把软磁材料接入电路中。其原理是利用软磁材料在小电流情况下磁导率较高，而大电流情况下磁导率较低。而在器件正常工作时候器件电流较大。振荡发生在拖尾电流阶段，电流较低，此时软磁材料的磁导率很大，相当于接入电路的自感很大，改变了回路的总电感L，实际上是使得振荡的频率移出工作区，而器件正常开通或者关断后，电流很大，软磁材料在大电流情况下磁导率较低，相当于不起作用。
实施例2
一种具有抑制压接型IGBT器件渡越时间振荡的装置，所述装置包括：
发射极极板(1)、PCB板(5)、集电极极板(7)和软磁材料(3)；
所述PCB板(5)通过软磁材料(3)与所述发射极极板(1)连接后进行封装；
所述发射极极板(1)与集电极极板(7)相连接。
所述发射极极板设有IGBT芯片发射极凸台(2)和FRD芯片阳极凸台(4)；
其中，所述IGBT芯片发射极凸台(2)中设有IGBT芯片；所述FRD芯片阳极凸台设有FRD芯片(4)；
所述PCB板与所述IGBT芯片发射极凸台(2)或FRD芯片阳极凸台(4)对应的位置上设有矩形孔，所述PCB板通过所述矩形孔套入所述IGBT芯片发射极凸台(2)。
所述PCB板与所述软磁材料(3)相接触的另一侧设有金属走线。
所述软磁材料包括磁环；所述磁环具有矩形框结构，所述矩形框的内框边长与所述IGBT芯片发射极凸台(2)的边框相配合；
所述PCB板没有金属走线的一侧具有与所述磁环边框相配合的凹槽，所述磁环嵌入所述凹槽。
所述磁环的数量与发射极极板上IGBT芯片发射极凸台(2)和FRD芯片阳极凸台(4)的总数量一致。
所述软磁材料还包括磁片；
所述磁片上设置有矩形孔，所述磁片上的矩形孔与所述PCB板上的矩形孔相对应；
所述磁片设置于所述PCB板与所述发射极极板之间。
所述IGBT芯片发射极凸台(2)或FRD芯片阳极凸台(4)同时穿过软磁材料的孔和PCB板上的孔。
所述软磁材料包括按质量百分比计的下述成分制得:
含碳量低于0.04％，含硅量0.5％～4.8％，含铝6％～16％，镍含量30％～90％，
钴含量27％～50％。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。
Claims (9)
1.一种具有抑制压接型IGBT器件渡越时间振荡的装置，其特征在于，所述装置包括：
发射极极板(1)、PCB板(5)、集电极极板(7)和软磁材料(3)；
所述PCB板(5)通过软磁材料(3)与所述发射极极板(1)连接后进行封装；
所述发射极极板(1)与集电极极板(7)相连接。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，
所述发射极极板设有IGBT芯片发射极凸台(2)和FRD芯片阳极凸台(4)；
其中，所述IGBT芯片发射极凸台(2)中设有IGBT芯片；所述FRD芯片阳极凸台设有FRD芯片(4)；
所述PCB板与所述IGBT芯片发射极凸台(2)或FRD芯片阳极凸台(4)对应的位置上设有矩形孔，所述PCB板通过所述矩形孔套入所述IGBT芯片发射极凸台(2)。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述PCB板与所述软磁材料(3)相接触的另一侧设有金属走线。
4.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述软磁材料包括磁环；所述磁环具有矩形框结构，所述矩形框的内框边长与所述IGBT芯片发射极凸台(2)的边框相配合；
所述PCB板没有金属走线的一侧具有与所述磁环边框相配合的凹槽，所述磁环嵌入所述凹槽。
5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述磁环的数量与发射极极板上IGBT芯片发射极凸台(2)和FRD芯片阳极凸台(4)的总数量一致。
6.如权利要求2所述一种具有抑制压接型IGBT器件渡越时间振荡的装置，其特征在于，所述软磁材料还包括磁片；
所述磁片上设置有矩形孔，所述磁片上的矩形孔与所述PCB板上的矩形孔相对应。
7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述磁片设置于所述PCB板与所述发射极极板之间。
8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述IGBT芯片发射极凸台(2)或FRD芯片阳极凸台(4)同时穿过软磁材料的孔和PCB板上的孔。
9.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述软磁材料包括按质量百分比计的下述成分制得：
含碳量低于0.04％，含硅量0.5％～4.8％，含铝6％～16％，镍含量30％～90％，钴含量27％～50％。
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