CN111681995A - 晶闸管元件、晶闸管元件装配结构及软启动器 - Google Patents

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Abstract

本申请提供了一种晶闸管元件、晶闸管元件装配结构及软启动器，该晶闸管元件包括门极组件和芯片封装组件，芯片封装组件开设有至少部分固定接合门极组件的盲孔，盲孔的轴线垂直于芯片封装组件中的芯片，门极组件包括：门极针，其从门极组件的内部延伸出并抵靠芯片的芯片门极；接线片，其伸出门极组件的顶部以用于连接门极针和引线。晶闸管元件装配结构包括第一散热器、第二散热器以及夹在其中的晶闸管元件。第一散热器和第二散热器通过绝缘紧固件连接。绝缘紧固件的碟簧组套设在绝缘套管的外部且位于第一散热器和绝缘套管之间。利用该晶闸管元件，能够避免焊接且能够降低装配难度，有利于提高软启动器的使用寿命和降低其成本。

Description

晶闸管元件、晶闸管元件装配结构及软启动器
技术领域
本发明涉及电机软启动技术领域，尤其涉及一种晶闸管元件、晶闸管元件装配结构及软启动器。
背景技术
电机软启动时，软启动器内的晶闸管的输出电压逐渐增加，电机逐渐加速，直至晶闸管全导通，电机电压达到额定工作电压，从而实现电机的平滑启动，能够避免启动电流跳闸。
功率在100kW以下的电机在软启动时普遍采用如图1所示的单面散热的晶闸管元件装配结构。该晶闸管元件装配结构包括叠置的金属底板1、绝缘导热板2、硅芯片3以及位于硅芯片3一侧的散热器4。由于该晶闸管元件装配结构的散热能力有限，无法协助功率在100kW以上的电机实现软启动。
功率在100kW以上的电机在软启动时，普遍采用例如图2所示的晶闸管元件装配结构。该类晶闸管元件装配结构包括两个分别位于晶闸管元件5两侧的散热器4，从而提高了其散热能力。图3示出了图2中晶闸管元件5的剖视示意图。
现有技术中，如图3所示，晶闸管元件5的门极组件6封装在其芯片封装组件7的内部，需要使用贯穿陶瓷侧壁8的引线管9连接内引线11和外引线12从而连接晶闸管芯片的芯片门极和外界，其中外引线12与引线管9需要焊接连接。由于焊接的抗疲劳能力较弱，不利于提高晶闸管元件5的使用寿命。再者，现有技术中的晶闸管元件5结构复杂、装配工艺难度大、生产成本高，不利于晶闸管元件5的推广应用。
发明内容
针对上述现有技术中的问题，本申请提出了一种晶闸管元件、晶闸管元件装配结构及软启动器。由于采用了新型的门极组件，不再使用焊接，有利于提高晶闸管元件的使用寿命。同时，简化了晶闸管元件的结构，降低了其装配工艺难度和生产成本，有利于晶闸管元件的推广应用。
第一方面，本发明提供了一种晶闸管元件，该晶闸管元件包括门极组件和芯片封装组件，所述芯片封装组件开设有至少部分固定接合所述门极组件的盲孔，所述盲孔的轴线垂直于所述芯片封装组件中的芯片，所述门极组件包括：门极针，其从所述门极组件的内部延伸出并且其底部抵靠所述芯片的芯片门极；接线片，其伸出所述门极组件的顶部以用于连接所述门极针和引线。利用该晶闸管元件，能够避免焊接，也能够避免引线贯穿芯片封装组件的侧壁，有利于提高晶闸管元件的使用寿命，也有利于降低晶闸管元件的生产成本，且有利于减小晶闸管元件的体积。
在第一方面的一个实施方式中，所述门极组件包括：所述门极针，包括一体成型的针体和弹性件，所述针体抵靠所述芯片门极；所述接线片，第一端嵌入所述弹性件，第二端设置有用于固定所述引线的通孔；第一门极件，所述针体穿过所述第一门极件与所述芯片门极抵靠；第二门极件，套设在所述第一门极件外，且固定接合在所述芯片封装组件的所述盲孔中，以固定接合所述门极组件和所述芯片封装组件。该实施方式中的门极组件具有制造工艺简单、使用寿命长、性能稳定及成本低廉等优点，有利于该门极组件的推广应用。
在第一方面的一个实施方式中，所述第二门极件的外壁至少部分地与所述芯片封装组件的所述盲孔的侧壁螺纹连接。通过该实施方式，能够便捷地固定连接门极组件和芯片封装组件。
在第一方面的一个实施方式中，所述第二门极件与所述第一门极件过盈配合形成容纳压缩状态下的所述弹性件的腔体，所述接线片穿过所述第二门极件与所述门极针连接。通过该实施方式，门极针与芯片门极抵接，从而有利于信号的稳定传输。
在第一方面的一个实施方式中，所述腔体的直径大于所述弹性件的直径0.1-0.3mm。通过该实施方式，能够保证弹性件在压缩的过程中不会弯曲变形，有利于信号的稳定传输。
在第一方面的一个实施方式中，所述盲孔位于所述芯片封装组件的中部。通过该实施方式，有利于应力均匀分布，避免局部劳损，从而有利于提高晶闸管元件的使用寿命。
在第一方面的一个实施方式中，所述芯片封装组件包括第一封装外壳和第二封装外壳，所述第一封装外壳和所述第二封装外壳围合成封装腔体，阳极钼片、所述芯片、阴极钼片、银垫片依次叠置在所述封装腔体内，其中所述阳极钼片与所述第一封装外壳相接触，所述银垫片与所述第二封装外壳相接触；所述门极针穿过所述银垫片和所述阴极钼片上的通孔抵靠所述芯片门极。该实施方式中的芯片封装组件具有制造工艺简单、使用寿命长、性能稳定及成本低廉等优点，有利于该芯片封装组件的推广应用。
在第一方面的一个实施方式中，所述第一封装外壳包括阳极铜块和环绕所述阳极铜块的阳极塑料外壳，所述第二封装外壳包括阴极铜块和环绕所述阴极铜块的阴极塑料外壳，所述盲孔开设在所述阴极铜块的中部。通过该实施方式，有利于减轻晶闸管元件的重量，也有利于降低密封成本。
在第一方面的一个实施方式中，所述第一封装外壳和所述第二封装外壳均采用金属嵌件注塑工艺成型。
在第一方面的一个实施方式中，所述芯片封装组件采用固态密封介质封装所述芯片，所述第一封装外壳上开设有注胶口。通过该实施方式，由于采用了固态密封介质，相比于采用氮气充注，可以大大降低晶闸管元件的成本。
在第一方面的一个实施方式中，所述固态密封介质为硅胶。通过该实施方式，可以进一步降低封装成本。
在第一方面的一个实施方式中，所述硅胶在液态时，其粘度在500-800mPa.s之间；所述硅胶固化后，其介电强度为12kV/mm。
第二方面，本发明还提供了一种晶闸管元件装配结构，该晶闸管元件装配结构包括第一散热器、第二散热器和夹在所述第一散热器和所述第二散热器之间的上述的晶闸管元件。通过该实施方式，无需采用焊接且引线无需贯穿芯片封装组件的侧壁，有利于提高晶闸管元件装配结构的使用寿命，也有利于降低晶闸管元件装配结构的生产成本，且有利于减小晶闸管元件装配结构的体积。
在第二方面的一个实施方式中，所述第一散热器和所述第二散热器通过四个绝缘紧固件固定连接，所述绝缘紧固件包括：螺杆，其穿过所述第一散热器与所述第二散热器的螺纹孔螺纹配合；绝缘套管，套设在所述螺杆上；碟簧组，套设在所述绝缘套管的外部，位于所述第一散热器和所述绝缘套管之间；垫片，套设于所述绝缘套管上并设置于所述碟簧组的两端。通过该实施方式，能够避免使用调平装置，且能保证压力均匀分布。再者，本实施方式中的绝缘紧固件在固定第一散热器和第二散热器的同时，能够保证第一散热器和第二散热器处于电隔离状态，从而避免短路的发生。
在第二方面的一个实施方式中，所述绝缘套管为一体式套管，所述绝缘套管包括相互连通的第一管体和第二管体，所述第一管体的直径大于所述第二管体的直径，所述第一管体用于容纳所述螺杆的头部，所述第二管体用于容纳部分所述螺杆的主体且从所述第一散热器延伸至所述第二散热器。通过该实施方式，采用一体式套管的软启动器可以耐受高达6500v的电压。
在第二方面的一个实施方式中，所述绝缘套管包括相互分离的第一管体和第二管体，所述第一管体位于所述螺杆的主体与所述第一散热器之间，所述第二管体位于所述螺杆的主体与所述第二散热器之间。通过该实施方式，能够节约绝缘紧固件的成本。
在第二方面的一个实施方式中，所述绝缘套管由相对漏电起痕指数小于或等于400的材料制成。通过该实施方式，有利于确保晶闸管元件装配结构的安全使用。
在第二方面的一个实施方式中，晶闸管元件装配结构包括两个反并联的所述晶闸管元件和两个所述第一散热器，所述第一散热器与所述晶闸管元件一一对应。通过该实施方式，两个第一散热器作为一个整体承担了连接两个晶闸管元件的作用，无需使用外置铜排连接，即可实现反并联，可以降低材料成本和减小晶闸管元件装配结构的体积，有利于软启动器的小型化，从而提高软启动器的市场竞争力。
在第二方面的一个实施方式中，两个所述第一散热器通过其间开设的应力分隔槽形成整体式散热器。通过该实施方式，有利于避免压力干涉。
在第二方面的一个实施方式中，所述第一散热器包括第一基体和多个第一翅片，两个所述第一基体间设置有所述应力分隔槽；所述第二散热器包括第二基体和多个第二翅片。通过该实施方式，有利于提高散热器的散热能力。
第三方面，本发明还提供了一种软启动器，该软启动器包括上述的晶闸管元件装配结构。通过该实施方式，软启动器采用了具有上述晶闸管元件的晶闸管元件装配结构，无需采用焊接且引线无需贯穿芯片封装组件的侧壁，有利于提高软启动器的使用寿命，也有利于降低软启动器的生产成本，且有利于软启动器的小型化，从而有利于该软启动器得到市场认可。
本申请提供的晶闸管元件、晶闸管元件装配结构及软启动器，相较于现有技术，具有如下的有益效果：
1、由于无需采用抗疲劳能力较弱的焊接连接结构，能够避免焊接带来的结构不稳定性，有利于提高软启动器的使用寿命。
2、由于无需采用引线贯穿芯片封装组件的陶瓷侧壁，有利于降低软启动器的生产成本。
3、本发明的晶闸管元件结构简单、装配工艺难度低、生产成本低，有利于推广应用。
4、由于采用了固态密封介质，相比于采用氮气充注，可以大大降低晶闸管元件的成本。
上述技术特征可以各种适合的方式组合或由等效的技术特征来替代，只要能够达到本发明的目的。
附图说明
在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述，其中：
图1显示了根据现有技术的晶闸管元件装配结构的剖视示意图；
图2显示了根据现有技术的另一晶闸管元件装配结构的剖视示意图；
图3显示了图2中晶闸管元件的剖视示意图；
图4显示了根据本发明一实施方式的晶闸管元件的爆炸示意图；
图5显示了根据本发明一实施方式的晶闸管元件的立体示意图；
图6显示了根据本发明一实施方式的门极组件的结构示意图；
图7显示了根据本发明一实施方式的门极组件的剖视示意图；
图8显示了根据本发明一实施方式的晶闸管元件的剖视示意图；
图9显示了根据本发明一实施方式的晶闸管元件装配结构的立体示意图；
图10显示了根据本发明一实施方式的晶闸管元件装配结构的剖视示意图；
图11显示了根据本发明一实施方式的绝缘紧固件的剖视示意图；
图12显示了根据本发明一实施方式的晶闸管元件装配结构的剖视示意图且图中示出了引线；
图13显示了图12中A区域的局部放大图；
图14显示了根据本发明一实施方式的晶闸管元件装配结构的电路拓扑图。
附图标记清单：
1-金属底板；2-绝缘导热板；3-硅芯片；4-散热器；5-晶闸管元件；6-门极组件；7-芯片封装组件；8-陶瓷侧壁；9-引线管；10-绝缘紧固件；11-内引线；12-外引线；20-引线；50-第一散热器；60-芯片封装组件；70-第二散热器；80-门极组件；101-碟簧组；102-螺杆；103-绝缘套管；104-垫片；501-第一基体；502-第一翅片；601-第二封装外壳；602-银垫片；603-阴极钼片；604-芯片；605-阳极钼片；606-第一封装外壳；607-红胶；608-盲孔；701-第一基体；702-第二翅片；801-接线片；802-第二门极件；803-门极针；804-第一门极件；5011-应力分隔槽；6011-阴极铜块；6012-阴极塑料外壳；6061-阳极铜块；6062-阳极塑料外壳。
在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步说明。
如图4至图8所示，本实施方式提供了一种晶闸管元件，该晶闸管元件包括门极组件80和芯片封装组件60，芯片封装组件60开设有至少部分固定接合门极组件80的盲孔608，盲孔608的轴线垂直于芯片封装组件60中的芯片604，门极组件80包括：门极针803，其从门极组件80的内部延伸出并且其底部抵靠芯片604的芯片门极；接线片801，其伸出所述门极组件80的顶部以用于连接门极针803和引线20。
如图2和图3所示，在现有技术中，如图3所示，晶闸管元件5的门极组件6封装在其芯片封装组件7的内部，需要使用贯穿陶瓷侧壁8的引线管9连接内引线11和外引线12从而连接晶闸管芯片的芯片门极和外界，其中外引线12与引线管9需要焊接连接。由于焊接的抗疲劳能力较弱，不利于提高晶闸管元件5的使用寿命。再者，现有技术中的晶闸管元件5结构复杂、装配工艺难度大、生产成本高，不利于晶闸管元件5的推广应用。
为了避免焊接，也为了避免引线20贯穿芯片封装组件60的侧壁，本实施方式采用了如图6和图7所示的门极组件80。门极组件80包括固定连接的门极针803和接线片801，其中门极针803直接抵靠在芯片604的芯片门极上，引线20则与接线片801固定连接，从而达到连通引线20和芯片门极的目的。
具体地，门极针803，其从门极组件80的内部延伸出并且其底部抵靠芯片604的芯片门极；接线片801，其伸出所述门极组件80的顶部以用于连接门极针803和引线20。其中，门极组件80的顶部为门极组件80伸出盲孔608在芯片封装组件60外表面上开口的一端，门极针803的底部为门极针803远离盲孔608在芯片封装组件60外表面上开口的一端。
门极组件80设置在芯片封装组件60上的盲孔608中，盲孔608的轴线垂直于芯片封装组件60中的芯片604，即门极组件80的轴线垂直于芯片604设置。该设置相比于引线20使用引线套管等结构贯穿芯片封装组件60的侧壁，工艺较为简单，这是由于现有技术中芯片封装组件60的侧壁多为陶瓷结构，而本实施方式的盲孔608设置在阴极铜块6011上。
再者，由于上述晶闸管元件的结构简单，有利于其小型化。
使用本实施方式的上述结构连通引线20和芯片门极无需使用焊接，引线20也无需贯穿芯片封装组件60的侧壁，有利于提高晶闸管元件的使用寿命，也有利于降低晶闸管元件的生产成本，且有利于减小晶闸管元件的体积。
如图6至图8所示，可选地，本实施方式的门极组件80包括：门极针803，包括一体成型的针体和弹性件，针体抵靠芯片门极；接线片801，第一端嵌入弹性件，第二端设置有用于固定引线20的通孔；第一门极件804，针体穿过第一门极件804与芯片门极抵靠；第二门极件802，套设在第一门极件804外，且固定接合在芯片封装组件60的盲孔608中，以固定接合门极组件80和芯片封装组件60。
该门极组件80连通引线20和门极芯片604，且其具有制造工艺简单、使用寿命长、性能稳定及成本低廉等优点，有利于该门极组件80的推广应用。
可选地，门极针803的直径可在0.2-1.0mm之间。当门极针803压缩至原长的1/2时，其弹力需大于或等于3N。首先，采用金属嵌件注塑工艺将第二门极件802和接线片801结合为一体。在组装门极组件80时，将门极针803插入第一门极件804中部的通孔，然后通过旋转接合第一门极件804和固定有接线片801的第二门极件802。
如图8所示，可选地，本实施方式的第二门极件802的外壁至少部分地与芯片封装组件60的盲孔608的侧壁螺纹连接。
通过第二门极件802的外壁与芯片封装组件60的盲孔608的侧壁螺纹连接，可以使得门极组件80与芯片封装组件60固定连接，且具有良好的密封效果，避免芯片604氧化。另外，螺纹连接有利于门极组件80与芯片封装组件60的快速组装且螺纹易于加工，有利于降低成本，从而有利于晶闸管元件的推广应用。
在安装时，可选地，扭力控制在0.5-1.5Nm，从而旋紧门极组件80与芯片封装组件60。
如图7所示，可选地，本实施方式的第二门极件802与第一门极件804过盈配合形成容纳压缩状态下的弹性件的腔体，接线片801穿过第二门极件802与门极针803连接。
第二门极件802与第一门极件804过盈配合有利于密封，从而有利于避免芯片604氧化。为了使门极针803与芯片门极抵接，从而保证信号的稳定传输，在连接第一门极件804和第二门极件802时，需要将门极针803的长度压缩至原长的1/2-3/4。
可选地，本实施方式的腔体的直径大于弹性件的直径0.1-0.3mm。
由于腔体的直径大于弹性件的直径0.1-0.3mm，能够保证弹性件在压缩的过程中不会弯曲变形，有利于信号的稳定传输。
如图4所示，可选地，本实施方式的盲孔608位于芯片封装组件60的中部。
盲孔608位于芯片封装组件60的中部，即门极组件80位于芯片封装组件60的中部，有利于应力均匀分布，避免局部劳损，从而有利于提高晶闸管元件的使用寿命。
如图8所示，可选地，本实施方式的芯片封装组件60包括第一封装外壳606和第二封装外壳601，第一封装外壳606和第二封装外壳601围合成封装腔体，阳极钼片605、芯片604、阴极钼片603、银垫片602依次叠置在封装腔体内，其中阳极钼片605与第一封装外壳606相接触，银垫片602与第二封装外壳601相接触；门极针803穿过银垫片602和阴极钼片603上的通孔抵靠芯片门极。
由于第一封装外壳606的阳极铜块6061、第二封装外壳601的阴极铜块6011与硅芯片604的热膨胀系数相差较大，为了避免芯片604的铝层磨损，因此在芯片604的两侧设置有阳极钼片605和阴极钼片603。
银垫片602具有良好的延展性，因此将银垫片602作为缓冲层夹在平整度不同的阴极钼片603和第二封装外壳601的阴极铜块6011之间，有利于晶闸管元件的稳定运行。
可选地，依次叠置第一封装外壳606、阳极钼片605、芯片604、阴极钼片603、银垫片602和第二封装外壳601进行装配。装配完成后，门极组件80与第二封装外壳601的阴极铜块6011之间的电阻应在5-40Ω之间。
本实施方式适用于双面蒸铝的全压接芯片，当芯片为烧结芯片时，由于只有阴极蒸铝，因此可以省去阳极钼片。
芯片封装组件60的封装腔体与门极组件80的腔体相互连通。门极针803穿过银垫片602和阴极钼片603上的通孔抵靠芯片门极。
本实施方式中的芯片封装组件60具有制造工艺简单、使用寿命长、性能稳定及成本低廉等优点，有利于该芯片封装组件60的推广应用。
如图8所示，可选地，本实施方式的第一封装外壳606包括阳极铜块6061和环绕阳极铜块6061的阳极塑料外壳6062，第二封装外壳601包括阴极铜块6011和环绕阴极铜块6011的阴极塑料外壳6012，盲孔608开设在阴极铜块6011的中部。
使用塑料外壳有利于减轻重量且有利于降低密封的成本。这是由于当第一封装外壳606和第二封装外壳601均为铜时，只能采用焊接甚至是冷压焊工艺密封。当采用冷压焊工艺时，对设备要求较高、封装工艺复杂且封装材料必须采用无氧铜，成本过高。由于阳极铜块6061和阳极塑料外壳6062为一体结构且阴极铜块6011和阴极塑料外壳6012为一体结构，因此只需密封阳极塑料外壳6062与阴极塑料外壳6012即可形成第一封装外壳606和第二封装外壳601之间的封装腔体。相较之下，阳极塑料外壳6062与阴极塑料外壳6012之间的密封工艺简单、成本低廉。
盲孔608开设在阴极铜块6011的中部，即门极组件80位于阴极铜块6011的中部，有利于应力均匀分布，避免局部劳损，从而有利于提高晶闸管元件的使用寿命。
可选地，本实施方式的第一封装外壳606和第二封装外壳601均采用金属嵌件注塑工艺成型。
金属件注塑工艺是广泛使用的成熟工艺，有利于降低第一封装外壳606和第二封装外壳601的制造成本。
可选地，本实施方式的芯片封装组件60采用固态密封介质封装芯片604，第一封装外壳606上开设有注胶口。
液态密封介质可通过注胶口进入封装腔体，经固化，液态密封介质成为固态。可选地，液态密封介质需浸没阴极钼片603，以避免芯片604氧化。
可选地，上述结构也可采用氮气充注，但对其的密封性能有更高的要求，且在封装后还需要进行检漏测试。为了确保密封性能，一般需要采用压焊工艺进行封装，工艺复杂且设备维护成本高。为了使用压焊工艺还需要采用由无氧铜制成的第一封装外壳606和第二封装外壳601，无氧铜的成本远高于紫铜。再者，氮气作为气体，其储存与运输也会增加产品的成本。
由于采用了固态密封介质，阴极铜块6011和阳极铜块6061可由紫铜构成，且无需使用压焊工艺，密封后也无需进行检漏测试，可以大大降低产品的成本。
可选地，本实施方式的固态密封介质为硅胶。
硅胶作为常用的工业材质，其使用方便、成本低廉。使用硅胶作为固态密封介质，有利于降低成本。
可选地，本实施方式的硅胶在液态时，其粘度在500-800mPa.s之间；硅胶固化后，其介电强度为12kV/mm。
硅胶的粘度过高，不利于硅胶进入狭窄、细小的缝隙；而硅胶的粘度过低，不利于后续固化的顺利进行，因此硅胶的粘度需要控制在500-800mPa.s之间。
硅胶的介电强度越大，越不容易被击穿，越有利于提高晶闸管元件的耐高压性能。但是当硅胶的介电强度超过一定值时，其成本将大幅度增加。因此，固化后硅胶的介电强度达到12kV/mm即可满足设计要求。
可选地，液态硅胶使用双组份硅胶1:1混合组成。
另外，所使用的液态硅胶不可与用于保护芯片604的红胶607发生化学反应。为了避免化学反应的发生，在第一次封装前需要对所预选的硅胶进行测试。测试时，先将芯片604浸入所预选的液态硅胶中，然后固化液态硅胶，固化后进行观察。如若观察到红胶607的边缘出现絮状物或液体，即可判定红胶607与被测试的硅胶发生了化学反应，不可采用该被测试的硅胶。
可选地，硅胶灌封过程的主要参数为：腔体的真空度为-0.06-0.08MPa；真空脱泡时长为5-8min；固化温度为130±5℃；固化时长为60min。
如图9所示，本实施方式还提供了一种晶闸管元件装配结构，该晶闸管元件装配结构包括第一散热器50、第二散热器70和夹在第一散热器50和第二散热器70之间的上述的晶闸管元件。
本实施方式的晶闸管元件装配结构包括两个分别位于晶闸管元件两侧的散热器，相比于只在晶闸管元件一侧设立散热器，有利于提高晶闸管元件装配结构的散热能力，以使其适用于功率在100kW以上电机的软启动。
本实施方式的晶闸管元件装配结构采用了上述的晶闸管元件，能够避免焊接，也能够避免引线20贯穿芯片封装组件60的侧壁，有利于提高晶闸管元件装配结构的使用寿命，也有利于降低晶闸管元件装配结构的生产和使用成本，且有利于减小晶闸管元件装配结构的体积。
为了满足不同工况对爬电距离的要求，第一散热器50和第二散热器70的垂直间距是衡量装配合格与否的关键尺寸。
如图9至图11所示，可选地，本实施方式的第一散热器50和第二散热器70通过四个绝缘紧固件10固定连接，绝缘紧固件10包括：螺杆102，其穿过第一散热器50与第二散热器70的螺纹孔螺纹配合；绝缘套管103，套设在螺杆102上；碟簧组101，套设在绝缘套管103的外部，位于第一散热器50和绝缘套管103之间；垫片104，套设于绝缘套管103上并设置于碟簧组101的两端。
本实施方式中的绝缘紧固件10在固定第一散热器50和第二散热器70的同时，能够保证第一散热器50和第二散热器70处于电隔离状态，从而避免短路的发生。
螺杆102的作用在于固定连接第一散热器50和第二散热器70，螺杆102包括头部和杆状的主体。杆状的主体从第一散热器50延伸至第二散热器70且与第二散热器70螺纹配合。可选地，螺杆102的头部设置有内六角沉孔，以使安装过程更加省时省力。本实施方式并不对第二散热器70的螺纹强度进行限制。可选地，为了调节螺纹强度，可应用钢丝螺套装配工艺。在使用钢丝螺套时，可涂抹润滑油以避免出现螺纹粘连、咬死等现象。
套设在螺杆102上的绝缘套管103主要用于电隔离第一散热器50和第二散热器70。
如图9至图11所示，碟簧组101套设在绝缘套管103的外部，因此碟簧直径的大小不受绝缘套管103内径大小的限制，可以根据所需的碟簧载荷自由调整碟簧的尺寸，从而有利于优化碟簧数量与碟簧直径的比值。碟簧组101的作用在于减震，从而提高晶闸管元件装配结构的使用寿命。
可选地，本实施方式根据变形和载荷的需求，公开了一种可行的碟簧组101组合方式。该组合方式首先将多个碟簧均分为两个小组，对每个碟簧小组中的所有碟簧进行叠合(并联)，再将两个小组进行对合(串联)。可选地，每个碟簧小组由五个叠合的碟簧构成，即每个绝缘紧固件10均包括十个碟簧。
可选地，在设计碟簧尺寸时，还需考虑各相关部分受热后的轴向膨胀。可选地，本实施方式晶闸管元件装配结构的最高工作温度为130℃，常温为30℃。如图10所示，第一散热器50的第一基体501的厚度为h1，螺杆102的工作长度为L，绝缘套管103第一管体和其第二管体间的距离为h3。根据下述受热变形公式：
σ＝ρ×H×ΔT
当第一基体501的材质为6系铝合金(密度：23.8×10-6/℃)，螺杆102的材质为碳钢(密度：11.5×10-6/℃)时，可以得到：
第一基体501的轴向形变σh1为23.8×10-4×h1，
螺杆102的轴向形变σL为11.5×10-4×L；
另外，绝缘套管103的轴向形变σh3大约为h3/80，此时绝缘套管103的材质为添加了35-55％玻璃纤维的聚对苯二甲酸乙二酯(polyethylene terephthalate，简称“PET”)或添加了35-55％玻璃纤维的聚苯硫醚(polyphenylene sulfide，简称“PPS”)，且单个绝缘套管103承受的压力约为15kN。
从而得到所需的实际变形量x应满足x≥Δt+σh3+σL-σh1，其中Δt为单片碟簧在不考虑受热时的形变。
垫片104套设在绝缘管上且位于碟簧组101的两端，由于垫片104有良好的延展性能，其可以起到缓冲的作用，从而提高碟簧组101的使用寿命。
可选地，本实施方式的第一散热器50和第二散热器70通过四个绝缘紧固件10固定连接。现有的晶闸管元件装配结构包括至少一个晶闸管元件，其中每个晶闸管元件均使用两个现有的绝缘紧固件10连接其两侧的第一散热器50和第二散热器70，因此需要配置调平装置，例如钢球等。调平装置的使用，不利于减少部件数量、减小晶闸管元件装配结构的体积及重量。而本实施方式由于每个晶闸管元件均使用四个上述绝缘紧固件10连接其两侧的第一散热器50和第二散热器70，即使不使用调平装置，也可消除各部件公差带来的高度差，从而保证压力均匀分布。
如图9至图11所示，可选地，本实施方式的绝缘套管103为一体式套管，绝缘套管103包括相互连通的第一管体和第二管体，第一管体的直径大于第二管体的直径，第一管体用于容纳螺杆102的头部，第二管体用于容纳部分螺杆102的主体且从第一散热器50延伸至第二散热器70。
一体式套管有利于提高绝缘紧固件10的耐电压等级和机械耐压性能。采用一体式套管的软启动器可以耐受高达6500v的电压。
可选地，本实施方式的绝缘套管103包括相互分离的第一管体和第二管体，第一管体位于螺杆102的主体与第一散热器50之间，第二管体位于螺杆102的主体与第二散热器70之间。
相互分离的第一管体和第二管体有利于降低生产、安装成本，但采用相互分离的第一管体和第二管体的软启动器只能适用于1800v以下的电压。当电压高于1800v时，无法安全使用。
可选地，本实施方式的绝缘套管103由相对漏电起痕指数小于或等于400的材料制成，从而有利于确保晶闸管元件装配结构的安全使用。
如图9和图12所示，可选地，本实施方式的晶闸管元件装配结构包括两个反并联的晶闸管元件和两个第一散热器50，第一散热器50与晶闸管元件一一对应。
本实施方式的晶闸管元件装配结构包括两个反并联的晶闸管元件，图14示出了其电路拓扑图。如图9所示，本实施方式的两个第一散热器50为一个整体。在现有技术中，当两个第一散热器50相互分离时，为了实现晶闸管元件的反并联拓扑结构，还需要使用连接铜排串联两个第一散热器50。作为一个整体，两个第一散热器50承担了连接两个晶闸管元件的作用，无需使用外置铜排连接，可以降低材料成本和减小晶闸管元件装配结构的体积，有利于软启动器的小型化，从而提高软启动器的市场竞争力。
如图9所示，可选地，本实施方式的两个第一散热器50通过其间开设的应力分隔槽5011形成整体式散热器。
由于受到机械加工精度和成本的限制，两个晶闸管元件，尤其是来自于不同生产批次的两个晶闸管元件会有高度差。同时，散热器与晶闸管元件的接触平面也无法确保达到绝对平整，散热器的高度也无法确保一致。晶闸管元件与其两侧的散热器的高度之和无法保持一致，一般存在20-50μm的区别。
当压力机施压固定晶闸管元件装配结构时，由于高度差，垂直向下的压应力会产生干涉，为了避免压力干涉从而提高产品的使用寿命，在两个第一散热器50之间设置应力分隔槽5011。压力机施压固定是为了保证晶闸管元件装配结构的各个分层之间具有良好的电接触。
如图9所示，可选地，本实施方式的第一散热器50包括第一基体501和多个第一翅片502，两个第一基体501间设置有应力分隔槽5011；第二散热器70包括第二基体701和多个第二翅片702。
不同工况下的不同压力所对应的应力分隔槽5011的尺寸在1.5-4.0mm之间，切割后第一基体501的厚度在2-30mm之间。具有应力分隔槽5011的两个第一散热器50作为一个整体仍可耐受1000-7500A的短时过电流。
通过增大表面积，翅片可以提高散热器的散热能力。如图9所示，第一翅片502需要避让应力分隔槽5011和绝缘紧固件10设置。
可选地，为了进一步优化第一散热器50、第二散热器70的散热能力，可以根据晶闸管元件的功率等级进行仿真分析从而确定基体、翅片的具体尺寸，例如翅片数量、翅片长高比、翅片尺寸及基体尺寸。
本实施方式还提供了一种软启动器，该软启动器包括上述的晶闸管元件装配结构。
如图12和图13所示，软启动器的引线20的第一端与门极组件80固定连接，引线20的第二端固定有标准的插接件，以通过引线20连接门极组件80和软启动器的触发控制板，其中图13为局部放大图示出了插接件的具体结构。
本实施方式的软启动器采用了具有上的晶闸管元件的晶闸管元件装配结构，无需采用焊接，引线20也无需贯穿芯片封装组件60的侧壁，有利于提高软启动器的使用寿命，也有利于降低软启动器的生产和使用成本，且有利于软启动器的小型化，从而有利于该软启动器得到市场认可。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“底”、“顶”、“前”、“后”、“内”、“外”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (21)

1.一种晶闸管元件，其特征在于，包括门极组件和芯片封装组件，所述芯片封装组件开设有至少部分固定接合所述门极组件的盲孔，所述盲孔的轴线垂直于所述芯片封装组件中的芯片，所述门极组件包括：
门极针，其从所述门极组件的内部延伸出并且其底部抵靠所述芯片的芯片门极；
接线片，其伸出所述门极组件的顶部以用于连接所述门极针和引线。
2.根据权利要求1所述的晶闸管元件，其特征在于，所述门极组件包括：
所述门极针，包括一体成型的针体和弹性件，所述针体抵靠所述芯片门极；
所述接线片，第一端嵌入所述弹性件，第二端设置有用于固定所述引线的通孔；
第一门极件，所述针体穿过所述第一门极件与所述芯片门极抵靠；
第二门极件，套设在所述第一门极件外，且固定接合在所述芯片封装组件的所述盲孔中，以固定接合所述门极组件和所述芯片封装组件。
3.根据权利要求2所述的晶闸管元件，其特征在于，所述第二门极件的外壁至少部分地与所述芯片封装组件中所述盲孔的侧壁螺纹连接。
4.根据权利要求2所述的晶闸管元件，其特征在于，所述第二门极件与所述第一门极件过盈配合形成容纳压缩状态下的所述弹性件的腔体，所述接线片穿过所述第二门极件与所述门极针连接。
5.根据权利要求4所述的晶闸管元件，其特征在于，所述腔体的直径大于所述弹性件的直径0.1-0.3mm。
6.根据权利要求1所述的晶闸管元件，其特征在于，所述盲孔位于所述芯片封装组件的中部。
7.根据权利要求1所述的晶闸管元件，其特征在于，所述芯片封装组件包括第一封装外壳和第二封装外壳，所述第一封装外壳和所述第二封装外壳围合成封装腔体，阳极钼片、所述芯片、阴极钼片、银垫片依次叠置在所述封装腔体内，其中所述阳极钼片与所述第一封装外壳相接触，所述银垫片与所述第二封装外壳相接触；所述门极针穿过所述银垫片和所述阴极钼片上的通孔抵靠所述芯片门极。
8.根据权利要求7所述的晶闸管元件，其特征在于，所述第一封装外壳包括阳极铜块和环绕所述阳极铜块的阳极塑料外壳，所述第二封装外壳包括阴极铜块和环绕所述阴极铜块的阴极塑料外壳，所述盲孔开设在所述阴极铜块的中部。
9.根据权利要求7所述的晶闸管元件，其特征在于，所述第一封装外壳和所述第二封装外壳均采用金属嵌件注塑工艺成型。
10.根据权利要求7所述的晶闸管元件，其特征在于，所述芯片封装组件采用固态密封介质封装所述芯片，所述第一封装外壳上开设有注胶口。
11.根据权利要求10所述的晶闸管元件，其特征在于，所述固态密封介质为硅胶。
12.根据权利要求11所述的晶闸管元件，其特征在于，所述硅胶在液态时，其粘度在500-800mPa.s之间；所述硅胶固化后，其介电强度为12kV/mm。
13.一种晶闸管元件装配结构，其特征在于，包括第一散热器、第二散热器和夹在所述第一散热器和所述第二散热器之间的如权利要求1-12中任一项所述的晶闸管元件。
14.根据权利要求13所述的晶闸管元件装配结构，其特征在于，所述第一散热器和所述第二散热器通过四个绝缘紧固件固定连接，所述绝缘紧固件包括：
螺杆，其穿过所述第一散热器与所述第二散热器的螺纹孔螺纹配合；
绝缘套管，套设在所述螺杆上；
碟簧组，套设在所述绝缘套管的外部，位于所述第一散热器和所述绝缘套管之间；
垫片，套设于所述绝缘套管上并设置于所述碟簧组的两端。
15.根据权利要求14所述的晶闸管元件装配结构，其特征在于，所述绝缘套管为一体式套管，所述绝缘套管包括相互连通的第一管体和第二管体，所述第一管体的直径大于所述第二管体的直径，所述第一管体用于容纳所述螺杆的头部，所述第二管体用于容纳部分所述螺杆的主体且从所述第一散热器延伸至所述第二散热器。
16.根据权利要求14所述的晶闸管元件装配结构，其特征在于，所述绝缘套管包括相互分离的第一管体和第二管体，所述第一管体位于所述螺杆的主体与所述第一散热器之间，所述第二管体位于所述螺杆的主体与所述第二散热器之间。
17.根据权利要求14所述的晶闸管元件装配结构，其特征在于，所述绝缘套管由相对漏电起痕指数小于或等于400的材料制成。
18.根据权利要求13或14所述的晶闸管元件装配结构，其特征在于，包括两个反并联的所述晶闸管元件和两个所述第一散热器，所述第一散热器与所述晶闸管元件一一对应。
19.根据权利要求18所述的晶闸管元件装配结构，其特征在于，两个所述第一散热器通过其间开设的应力分隔槽形成整体式散热器。
20.根据权利要求19所述的晶闸管元件装配结构，其特征在于，所述第一散热器包括第一基体和多个第一翅片，两个所述第一基体间设置有所述应力分隔槽；所述第二散热器包括第二基体和多个第二翅片。
21.一种软启动器，其特征在于，包括如权利要求13-20中任一项所述的晶闸管元件装配结构。
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