CN1123070C - 硬激励栅极可关断可控硅的栅极单元 - Google Patents

硬激励栅极可关断可控硅的栅极单元 Download PDF

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Abstract

在硬激励的栅极可关断可控硅(GTO)(10)的栅极单元(47)中，至少某些激励所需的电子组件(37，...，42)安排在印刷电路板(34)上。为了达到低电感接触，印刷电路板(34)包围GTO(10)，处在GTO(10)的阳极侧和阴极侧之间的与GTO(10)的半导体衬底(17)平行的平面上，并与GTO(10)的阴极触点(14)和栅极连接片(22)直接连接。在这样的栅极单元中，把组件(37，...，42)安排在围绕GTO(10)的印刷电路板(34)上，紧紧邻接GTO(10)的地方，从而实现结构紧凑、而同时改善机械稳定性。

Description

硬激励栅极可关断可控硅的栅极单元
本发明涉及功率电子装置领域。它涉及硬激励栅极可关断可控硅(GTO)的栅极单元，在所述栅极单元中至少激励所需的某些电子组件安排在一块印刷电路板上并用屏蔽层围起来，为了达到低电感接触，所述印刷电路板包围GTO，处于阳极侧和阴极侧之间的平面上，平行于GTO半导体衬底并直接连接到GTO的阴极触点和栅极连接片。
这样的栅极单元在例如Publication ABB Technik(ABB公司技术出版物)，5/96期，14-20页(尤其是参见其中的图5)已经公开。
近年来，当以GTO的形式使用在高功率半导体组件时所谓硬激励引起了越来越大的兴趣。特别是，例如，诸如主电路等上用的高功率变换器所需要的，在由若干个GTO组成的串联电路的情况下，硬激励保证串联电路上的各个GTO可以非常精确地同时截止，因而在各个GTO两端不出现有害的过电压。在硬激励的方式下，GTO是由梯度非常高的栅极电流(例如，3kA/μs栅极电流Ig，而不是传统激励中的30A/μs)来激励的。
为能产生这样的梯度，必须把GTO的栅极电路设计成具有极低的电感(＜5nH)，这要求有特殊的设计措施及预防措施，不仅对于激励用的栅极单元(GU)，而且对于GTO本身。关于硬激励的详细信息可参见在引言中指出的出版物、欧洲专利申请书EP-A1-0 489 945、WO-93/09600或H.Gruning等人的文章”4.5kV/3kA无缓冲操作的高功率硬激励GTO模块”，PCIM’96，Nuemberg，德国，1996，5月，21-23，其内容明确地准备作为本申请书公开的一部分。
图1表示作为硬激励用的已知栅极单元的例子的基本电路图，它基本上包括：
-截止通道，具有大电流开关(S3)、由多个电解电容组成并具有反向连接的并联二极管(D2)的电容器组(C2)、电压源(13)和激励电路(未示出)；第二开关(S4)使GTO保持截止；还额外设置另一个包括电阻(R2)和二极管(D3)的串联电路；
-导通通道，具有中电流开关(S2)、电压源(12)和脉冲电流源(带有反向连接的并联二极管D1的电容C1)；带有串联电阻(R1)的第二开关(S1)使GTO 10保持导通。
-逻辑单元(图1中未示出)，具有光纤输入、放大器和延时级以及电压变换器；以及
-若适当，一个状态信号装置。
已知栅极单元的设计见于引言中指出的出版物图5的照片，其示意图举例示于本申请书的图3。栅极单元28中的整个逻辑单元、导通通道的功率级和截止通道级(在图3中用虚线示出的组件30)一起非常紧凑地放在印刷电路板29上，排列在GTO 25本身一侧，离它有一定距离。栅极单元28和组件30被单独的外壳32包围起来，从而与外界屏蔽。栅极单元28通过包围GTO 25的、安排在它旁边的印刷电路板部分与GTO 25连接。从上面可以随便触到GTO 25的阳极触点27。GTO 25的(环型)栅极连接片与印刷电路板29直接连接。连接区31是设置来通过光波导管馈入控制信号的。
GTO 25本身是同轴设计的。这样一种GTO的(已知的)内部结构以举例的方式示于图2，有一部分带阴影线的剖面。GTO 10的核心是盘状的半导体衬底17，其上多个个别的元件以已知的方式彼此相邻安排。半导体衬底17的边沿进行边沿钝化20。半导体衬底17处于盘状阳极接点14和盘状的阴极接点19之间，它们在GTO 10装配时在压力下紧贴(金属化的)半导体衬底17，以便与阳极A和阴极K产生电气的和热的接触。为了补偿不同的膨胀系数，在接点14，19与半导体衬底17之间一般都设置Mo盘16和18。为了与栅极G接触，设置一个环型低电感触点21，后者用一个环型连接片22沿径向向外穿过陶瓷绝缘外壳23进行连接。绝缘外壳23是用所附的法兰盘15b，24b在顶部和底部与外界气密地密封的，而盖片15a，24a则焊接在这些法兰盘上。
图3所示GTO 25的已知的栅极单元28在激励电路和功率半导体之间产生所希望的低电感连接。在栅极电路(图1的11)中的寄生电感小于5nH。用刚性的印刷电路板29使GTO 25与栅极单元直接连接，通常作成一个模件，它能够作为一个单元进行生产和测试，和插入串联电路组中。激励电子电路用外壳32包住所有各侧，进行充分的防电磁干扰(EMI)屏蔽。
但是，已知栅极单元的这些重要的优点是与若干缺点形成对比的：
-栅极单元的电子电路群集成一种尺寸和重量相当大的结构；用作栅极电流电流源的电解电容是造成这些缺点的特别重要的原因；具有性能规格4kA/4.5kV的GTO要求，例如，40个每个1500μF/35V的电解电容，而(较小的)反向导通600A/6kV的GTO要求大约10个每个1500μF/35V的电解电容；这种结构位于GTO和冷却器的一侧；它又必须与冷却器保持一定的距离，使得它不至于太靠近位于阳极侧的冷却器(绝缘距离)。这使得在机械上变得很难固定，而且面对震动和摇摆显得不是非常结实。
-紧固工艺的成本高。
-所述栅极单元显著地增大了变换器的结构尺寸，因为它跨越很大的空间，其中难以填充。
因此，本发明的目的是提供一种新的栅极单元，它能避免这些缺点，而且结构紧凑，容易构造，成本低，其特点在于机械稳定性高，而同时维持低电感连接和良好的屏蔽。
这个目的是用一种在引言中指出的类型的栅极单元来达到的，其中组件排列在印刷电路板上非常靠近GTO的地方。把组件或激励电子电路直接安排在接近GTO的地方，就避免形成向各侧伸出很远的可能振动的质量，从而大大地提高了机械稳定性。同时，栅极单元节省空间，结果围绕GTO的结构紧凑。包括GTO和栅极单元的模件也变得容易处理，容易安装和拆除。
新栅极单元的第一个最佳实施例的特点是：GTO邻接阴极侧的散热器；印刷电路板横向伸到位于阴极侧的冷却器以外；安排在印刷电路板上电子组件包括多个电容，特别是在栅极单元内部构成电流源提供GTO中的脉冲栅极电流的电解电容；而且电容安排在印刷电路板伸到冷却器以外的部分，紧靠冷却器的地方。这意味着，体积较大的重的电容安排在靠近GTO的地方，结果显著地提高了机械稳定性。
本发明中要求专利保护的栅极单元的另一个最佳实施例的特征是：组件绝大部分安排在印刷电路板面向冷却器或GTO的阴极侧的一侧；印刷电路板与位于阴极侧的冷却器之间留出一定距离；有些组件安排在印刷电路板和冷却器之间。这样做的结果是，位于阴极侧的冷却器既用来保护、又用来尤其是屏蔽较小的组件(例如，SMD(表面贴焊器件))，而同时节省材料和空间。
根据本发明另一个实施例，屏蔽以这样的方法完成，即印刷电路板在背离GTO阴极侧的一面金属化，而所述金属化层用作栅极单元的屏蔽。
根据本发明另一个实施例，屏蔽以这样的方法完成，即为了屏蔽组件，在背离GTO阴极侧的一侧设置导电的外壳，所述外壳横向包围GTO，并盖住装有组件的印刷电路板。
本发明中要求专利保护的栅极单元的另一个最佳实施例的特征是：印刷电路板横向伸到处于阴极侧的冷却器以外；外壳侧壁还用这样的方法包围冷却器的一部分，使得冷却器与外壳或外壳的侧壁之间的圆周空隙留出空档；某些组件安排在这些空隙中。这样，就用简单的方法建立一个保护和屏蔽的区域，在其中特别是栅极单元较大的组件，诸如截止通道上的电解电容(图1中的C2)，就可以安全地装进去。
由于其机械稳定性特别高而值得注意的再一个最佳实施例的特征是：固定件安排在印刷电路板上、并用来把印刷电路板固定在它下面的冷却器上，和/或设置额外的装置来把印刷电路板支持在外壳上。
在后附的权利要求书中还将出现其他实施例。
参考下面联系附图进行的详细描述，将会更好地理解本发明，从而更全面地评价本发明及其许多优点。附图中：
图1显示先有技术中所描述的GTO用的硬激励示范性基本电路图；
图2显示带有环型低电感栅极连接片的已知同轴GTO的内部结构的横向剖面图；
图3示出包括先有技术中已描述的同轴GTO和用于硬激励装置的直接连接的栅极单元的模块的平面视图；
图4示出图2所示的具有根据本发明最佳实施例的栅极单元的GTO的剖面视图。
现参见附图，其中在所有几个附图中类似的标号指的是同一或对应的部件。图4举例说明图2所示已知GTO的剖面视图，它具有根据本发明最佳实施例的栅极单元47。在图4和图2中GTO 10都用相同标号。差别仅在于，GTO的位置安排与图2中的例图旋转了180°，亦即阴极接点14向下，而阳极接点向上。
同轴(按轴对称的方式设计的)GTO 10象面包圈似的被(一般是多层的)印刷电路板34包围，后者与半导体衬底17平行，处于栅极连接片22的水平上。所述印刷电路板是倒装的，亦即彼此相连的组件37….42装在印刷电路板的下侧。因此，组件37….42大部分朝向处于阴极侧的冷却器48，与GTO 10的阴极处于热接触状态，可以设计成水冷却器或者不然设计成空气冷却器。这样，除冷却作用以外，冷却器48同时还由于它的金属零件对印刷电路板上它的一侧的组件37…42起屏蔽作用。在印刷电路板34的另一侧，设有金属化层，原则上可以用作屏蔽。当印刷电路板34(安装比较小的GTO 10)本身足够结实时，它本身在运输装卸过程中能够安全地支持所连接的GTO 10。
但是，带有大型和沉重(超过1kg)的GTO 10时，用金属板制成的外壳35安装在印刷电路板34背离冷却器48的一面，作进一步的屏蔽，以产生更大的机械稳定性并改善所述单元的运作，所述外壳最好具有基本上是平的基体35a，以及与基体35a成一个角度的侧壁35b。外壳35布置在印刷电路板34与GTO 10的阳极侧之间，其基体35a平行与印刷电路板34。侧壁35b在横向包围印刷电路板34。外壳35在所述基体处有一个中心孔35c，GTO 10由此伸出。它用基体35a固定在印刷电路板34上，特别是用孔35c的边沿，后者可以略微向下弯，这样明显地有助于整个装置的机械稳定性。为了改善支持，另外在印刷电路板34和外壳35之间的较外侧还可以设置硅酮珠49，50等形式的支持装置。
栅极单元47包括不同尺寸的电子组件，例如，诸如表面安装的电阻、MOSFET(金属-氧化物-半导体场效应管)开关或供应脉冲电流用的电解电容。这些组件最好按照其尺寸布置在印刷电路板34和冷却器48之间的不同点上。对于扁平的组件，诸如电阻41，42或MOSFET开关39，40，只要印刷电路板34与处于阴极侧的冷却器48之间空开一点就够，因此，这部分组件直接安排在印刷电路板34和冷却器48之间。这样，节省了大量空间，而同时提供了非常好的屏蔽。为了高个的组件，诸如电解电容37，38，最好把印刷电路板34设计成横向伸到处于阴极侧的冷却器48以外。外壳35的侧壁35b以这样的方式把冷却器48的一部分也包住，使得在冷却器48和外壳35或外壳的侧壁35b之间留出空的空隙36。然后，将这部分组件安排在这个空隙36中，紧靠着冷却器48。
若冷却器48具有矩形截面，则电解电容37，38最好至少安排在冷却器48的两侧(尤其是相对的两侧)。若冷却器48具有圆形截面，则电解电容37，38最好围绕冷却器48安排成一个环型。在这两种情况下，结果都是，结构紧凑，而重量均匀分布。
为了进一步增大稳定性，可以把印刷电路板34设置成可拆卸地固定在冷却器上。为此目的，固定件43，44，例如，以导轨或导向螺栓的形式，安排在印刷电路板34上，并能用来把印刷电路板34固定在处于它下面的冷却器48上的，例如，采用导轨的形式的固定装置45，46上。但是，同样可以设想，让冷却器48具有固定在它上面的夹箍，装配所述组件时，把印刷电路板34搭锁在这些夹箍中，将其锁定在适当的位置。
另外，在印刷电路板34中心有一个孔34a，用来装入GTO 10。所述孔34a最好用导电槽33(金属板制)封闭，GTO 10的阴极接触片14就插入所述槽中，并在电气上把阴极连接片14连接到印刷电路板34和栅极单元47上。为此目的，槽33连接或固定在印刷电路板34的下侧。最后，GTO 10用它的环型栅极连接片22与外壳35一起连接到印刷电路板34的上侧。
在本发明的框架内，栅极单元47可以用许多不同于图4所举例说明的示范性的实施例的方法实现。例如，除了电解电容37，38外，输入放大器和光耦合元件也可以装入空隙36中。还可以设想，把操作栅极单元所需的逻辑单元布置在一块单独的SMD板上，垂直安装在起主板作用的印刷电路板34上。但是，最后，变换器中各栅极单元用的逻辑单元和电源元件也可以安排在变换器的中心位置，栅极单元以外。结果，使光激励连接(光链路)和各栅极单元之间的锁存的连接变得容易得多。
总而言之，本发明提供一种栅极单元，其特征在于下列特点和优点：
-栅极单元小；
-它包围GTO，并与处于阴极侧的冷却器形成一个单元；
-GTO的阴极连接片可以以特别低的成本生产；
-栅极单元和阳极之间的屏蔽可以一步制成。它在操作上完成两种功能(支持和屏蔽)，并在运输装卸中支持GTO和栅极单元；
-可以进一步把包括栅极单元和GTO的所述单元推入所述组件中；
-沉重的组件可以以机械上最优的方式固定。
显然，在上述教导的指引下，可以对本发明进行许多修改和变化。因此，应该明白，在后附权利要求书的范围内，本发明可以以不同于这里专门描述的方式加以实施。

Claims (24)

1.一种硬激励栅极可关断可控硅(GTO)(10)的栅极单元(47)，其特征在于：在所述栅极单元(47)中，至少激励所需的某些电子组件(37，…，42)安排在印刷电路板(34)上，并被屏蔽板(35)包围，为了实现低电感接触，所述印刷电路板(34)包围GTO(10)，处于GTO(10)的阳极侧与阴极侧之间的与GTO(10)的半导体衬底(17)平行的平面上，并与GTO(10)的阴极触点(14)和栅极连接片(22)直接连接，其中组件(37，…，42)安排在印刷电路板(34)上紧靠GTO(10)的地方。
2.权利要求1的栅极单元，其特征在于：GTO(10)邻接处于阴极侧的冷却器(48)；印刷电路板(34)横向伸到处于阴极侧的冷却器(48)以外；安排在印刷电路板(34)上的电子组件包括多个电容，特别是，在栅极单元(47)内部形成电流源并提供GTO(10)脉冲栅极电流用的电解电容(37，38)；电容(37，38)安排在印刷电路板(34)紧紧邻接冷却器(48)并伸到冷却器(48)以外的部分。
3.权利要求2的栅极单元，其特征在于：组件(37，…，42)绝大部分安排在印刷电路板(34)面向冷却器(48)或GTO(10)阴极侧的一面。
4.权利要求3的栅极单元，其特征在于：印刷电路板(34)与处于阴极侧的冷却器(48)隔开一段距离，而其中某些组件(37，…，42)安排在印刷电路板(34)与冷却器(48)之间。
5.权利要求1至4中的一个的栅极单元，其特征在于：冷却器(48)具有矩形截面，而其中电容或电解电容(37，38)安排在冷却器(48)的至少两侧。
6.权利要求1至4中的一个的栅极单元，其特征在于：冷却器(48)具有园形截面，而其中电容或电解电容(37，38)安排在冷却器(48)的周围成一园环。
7.权利要求3或4的栅极单元，其特征在于：在印刷电路板(34)背向处于GTO(10)的阴极侧的冷却器(48)的一面上形成金属化层，而其中金属化层用作所述栅极单元(47)的屏蔽板。
8.权利要求1的栅极单元，其特征在于：为了屏蔽板组件(37，…，42)设置导电外壳(35)，所述外壳横向包围GTO(10)，并盖住装有组件(37，…，42)的印刷电路板(34)的背向GTO(10)阴极侧的一面。
9.权利要求2的栅极单元，其特征在于：为了屏蔽板组件(37，…，42)设置导电外壳(35)，所述外壳横向包围GTO(10)，并盖住装有组件(37，…，42)的印刷电路板(34)的背向GTO(10)阴极侧的一面。
10.权利要求3的栅极单元，其特征在于：为了屏蔽板组件(37，…，42)设置导电外壳(35)，所述外壳横向包围GTO(10)，并盖住装有组件(37，…，42)的印刷电路板(34)的背向GTO(10)阴极侧的一面。
11.权利要求4的栅极单元，其特征在于：为了屏蔽板组件(37，…，42)设置导电外壳(35)，所述外壳横向包围GTO(10)，并盖住装有组件(37，…，42)的印刷电路板(34)的背向GTO(10)阴极侧的一面。
12.权利要求8的栅极单元，其特征在于：外壳(35)具有基本上平的基体(35a)和与基体(35a)构成角度的侧壁(35b)，外壳(35)布置在印刷电路板(34)和GTO(10)的阳极侧之间，而其基体(35a)平行于印刷电路板(34)，其侧壁(35b)横向包围印刷电路板(34)。
13.权利要求9的栅极单元，其特征在于：外壳(35)具有基本上平的基体(35a)和与基体(35a)构成角度的侧壁(35b)，外壳(35)布置在印刷电路板(34)和GTO(10)的阳极侧之间，而其基体(35a)平行于印刷电路板(34)，其侧壁(35b)横向包围印刷电路板(34)。
14.权利要求10的栅极单元，其特征在于：外壳(35)具有基本上平的基体(35a)和与基体(35a)构成角度的侧壁(35b)，外壳(35)布置在印刷电路板(34)和GTO(10)的阳极侧之间，而其基体(35a)平行于印刷电路板(34)，其侧壁(35b)横向包围印刷电路板(34)。
15.权利要求11的栅极单元，其特征在于：外壳(35)具有基本上平的基体(35a)和与基体(35a)构成角度的侧壁(35b)，外壳(35)布置在印刷电路板(34)和GTO(10)的阳极侧之间，而其基体(35a)平行于印刷电路板(34)，其侧壁(35b)横向包围印刷电路板(34)。
16.权利要求12的栅极单元，其特征在于：外壳(35)通过其基体(35a)固定在印刷电路板(34)上。
17.权利要求13的栅极单元，其特征在于：外壳(35)通过其基体(35a)固定在印刷电路板(34)上。
18.权利要求8至17中的一个的栅极单元，其特征在于：外壳(35)是用金属板制成的。
19.权利要求13-15之一的栅极单元，其特征在于：印刷电路板(34)横向伸到处于阴极侧的冷却器(48)以外；外壳(35)的侧壁(35b)也以这样的方式包围冷却器(48)的一部分，使得在冷却器(48)和外壳(35)或外壳的侧壁(35b)之间的空隙(36)留出空档；以及某些组件(37，…，42)安排在所述空隙(36)中。
20.权利要求1的栅极单元，其特征在于：印刷电路板(34)中心有个孔(34a)，用来装入GTO(10)；以及孔(34a)用导电槽(33)封闭，GTO(10)的阴极触点(14)可以插入所述槽中，并且所述槽在电气上把阴极触点(14)连接到印刷电路板(34)和栅极单元(47)。
21.权利要求2的栅极单元，其特征在于：印刷电路板(34)中心有个孔(34a)，用来装入GTO(10)；以及孔(34a)用导电槽(33)封闭，GTO(10)的阴极触点(14)可以插入所述槽中，并且所述槽在电气上把阴极触点(14)连接到印刷电路板(34)和栅极单元(47)。
22.权利要求20或21的栅极单元，其特征在于：所述槽(33)连接或固定在印刷电路板(34)的下侧；以及GTO(10)通过其环形的栅极连接片(22)连接到印刷电路板(34)的上侧。
23.权利要求2至4中的一个的栅极单元，其特征在于：固定件(43，44)安排在印刷电路板(34)上，并可以用来把印刷电路板(34)固定在处于其下的冷却器(48)上。
24.权利要求8至17中的一个的栅极单元，其特征在于：为了把印刷电路板(34)支持在外壳(35)上，设置了附加装置(49，50)。
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