CN115149770A - 一种半导体装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种半导体装置，其包括模块化的控制组件，控制组件具有控制盒、设置在控制盒内的控制板、设置在控制板上的辅助极信号连接器和设置在控制板上的温度传感器信号连接器；相对式设置在控制组件的下端的模块化的功率组件，功率组件具有功率盒、设置在功率盒内的控制信号连接器和设置在功率盒内的温度传感器连接器，其中，控制信号连接器和温度传感器连接器于功率盒的相应位置处开放，以使得辅助极信号连接器和温度传感器信号连接器突出控制盒延伸并分别与控制信号连接器和温度传感器连接器插拔式连接，该半导体装置具有空间紧凑、功率密度高、便于安装维护等特点。

Description

一种半导体装置

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，特别涉及一种模块化高度集成的半导体装置。

背景技术

功率半导体器件应用广泛，诸如轨道交通领域。现有技术中，作为变流器核心部件之一的变流模块，由标准封装功率半导体器件、散热器、低感母排，门极驱动器和结构件等构成。由于受到构造形式、器件布局和器件功能的限制，在功率密度、智能化和便捷应用等方面，半导体装置还存在诸多不完善的地方。

发明内容

针对以上问题的部分或者全部，本发明提供一种符合变流器系统要求的具有空间紧凑、功率密度高、便于安装维护等特点的模块化高度集成的半导体装置。

本发明提供一种半导体装置，其包括：

模块化的控制组件，所述控制组件具有控制盒、设置在所述控制盒内的控制板、设置在所述控制板上的辅助极信号连接器和设置在所述控制板上的温度传感器信号连接器，

相对式设置在所述控制组件的下端的模块化的功率组件，所述功率组件具有功率盒、设置在所述功率盒内的控制信号连接器和设置在所述功率盒内的温度传感器连接器，

其中，所述控制信号连接器和所述温度传感器连接器于所述功率盒的相应位置处开放，以使得所述辅助极信号连接器和所述温度传感器信号连接器突出所述控制盒延伸并分别与所述控制信号连接器和所述温度传感器连接器插拔式连接。

本发明的进步改进是，在所述控制板上，所述辅助极信号连接器与所述温度传感器信号连接器分别设置在所述控制板的两端。

本发明的进步改进是，在所述控制盒的内腔的交流端设置电流传感器，所述交流传感器与设置在所述控制板的交流端的插座信号连接，同时，在所述功率盒内设置低感母排，所述低感母排的交流端设置折弯板状的交流连接器，在所述交流连接器的水平表面上设置检测孔，所述控制盒的下端设置用于容纳所述电流传感器的感应端的容纳筒，所述容纳筒能突出所述控制盒并延伸穿到所述功率盒内而插入到所述检测孔内。

本发明的进步改进是，所述控制盒包括：

控制盒底板，

设置在所述控制盒底板上控制盒侧板，该控制盒侧板形成筒状，

盖合在所述控制盒侧板上的控制盒顶板，

其中，在所述控制盒侧板上以及控制盒顶板上设置有通风孔，并在所述控制盒侧板的交流端设置豁口以使得设置在所述控制板上的外部接口外露。

本发明的进步改进是，所述功率组件还包括：

设置在所述功率盒内的具有IGBT半导体芯片的衬板，

设置在所述衬板之上的电路板，所述电路板能与所述衬板的IGBT半导体芯片信号连接，

设置在所述衬板上的铜排端子，

其中，所述低感母排设置在所述电路板之上，所述铜排端子以向上延伸穿过所述电路板而连接所述低感母排。

本发明的进步改进是，在所述衬板上设置插针式的信号引线以向上插入所述电路板上而实现连接。

本发明的进步改进是，所述功率组件还包括：

散热器，

设置在所述散热器的上表面的功率盒侧板，该功率盒侧板形成筒状，

盖合在所述功率盒侧板上的功率盒顶板，以与所述功率盒侧板和所述散热器的上表面形成所述功率盒，

其中，所述衬板直接焊接在所述散热器的上表面上。

本发明的进步改进是，所述散热器的冷却接头位于直流端并构造为插拔式。

本发明的进步改进是，在所述低感母排的直流正接口与直流负接口之间设置绝缘块，并且所述绝缘块与所述直流正接口和所述直流负接口共同构造为条状的插拔式。

本发明的进步改进是，在所述功率盒位于直流端的位置设置有绝缘保护套，所述绝缘保护套由相互对接的第一槽状板和第二槽状板组成。

相对于现有技术，本发明的有益效果是：本申请内部采用模块化分层的设计理念，实现高压大功率、低压控制两部分分层及隔离，从而加强半导体装置内部的绝缘性、降低互相干扰；低压控制部分与高压功率部分采用插拔式连接及组装，可极大提高组装效率，并且插拔式连接器可解决信号传输可靠性、传输路径较长和一致性的问题；另外，模块化的控制组件和功率组件本身以及半导体装置集成度高，与变流器模块技术融合，空间紧凑，功率密度高，运用IGBT半导体器件级技术实现变流器相模块功能。外部水路和直流端均采用快速插拔式接口，产品安装应用更为便捷。单相半桥式主电路，应用范围广，通用性和互换性强。

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是根据本发明的一个实施例的半导体装置的表现分层设计的主视图；

图2是根据本发明的一个实施例的控制组件的爆炸图；

图3是根据本发明的一个实施例的功率组件的爆炸图；

图4是根据本发明的一个实施例的半导体装置的立体图；

图5是根据本发明的一个实施例的半导体装置的另一个角度的立体图；

图6是根据本发明的一个实施例的半导体装置的主电路原理图。

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。

本发明提供了一种半导体装置。如图1所示，该半导体装置包括功率组件1和控制组件2。其中，功率组件1和控制组件2均为独立的模块，并在后期通过组装而形成半导体装置。并且，功率组件1以层式的结构关系相对式设置在控制组件2的下端。这种设计利用了模块化、分层式的设计理念，实现高压大功率、低压控制模块化隔离，从而实现了高压大功率部分和控制部分的隔离绝缘，并有利于提高抗干扰性能。

另外，如图2所示，控制组件2具有控制盒5、设置在控制盒5内的控制板6、设置在控制板6上的辅助极信号连接器4和设置在控制板6上的温度传感器信号连接器3。同时，如图3所示，功率组件1具有功率盒15、设置在功率盒15内的控制信号连接器18和设置在功率盒15内的温度传感器连接器16。控制信号连接器18于功率盒1的上表面的相应位置处开放，以使得辅助极信号连接器4突出控制盒5延伸，与控制信号连接器18插拔式连接。同理地，温度传感器连接器16也于功率盒1的上表面的相应位置处开放，以使得温度传感器信号连接器3突出控制盒5延伸，并与温度传感器连接器16插拔式连接。也就是，功率组件1和控制组件2通过快速插拔的方式实现了辅助极关键控制信号和温度传感器信号的传输。这种结构可以有助于实现功率组件1和控制组件2二者的快速连接，既不需要常规IGBT与驱动控制板之间线缆+螺钉连接方式的布线，也无需插针式连接的焊接工序，极大提高组装效率。减短了信号传输路径，并有利于各信号传输均衡分布。

在一个实施例中，辅助极信号连接器4和温度传感器信号连接器3分别位于控制板6的两端。这种设置有利于实现高、低压区隔离设计，进而有助于实现绝缘隔离。

在控制盒5的内腔的交流端设置电流传感器7。这种设置优化了结构的空间布局，有助于实现高集成化，进而有助于减小半导体装置的外形尺寸。同时，由于电流传感器7设置在控制盒5内，有助保证电流传感器7与功率组件1的完全绝缘隔离，隔绝了功率组件1对控制组件2的绝缘风险，有利于提高抗干扰性能。交流传感器7与设置在控制板6的交流端的插座9连接，从而实现与控制板6的信号传输。在控制盒5的下表面突出式设置容纳筒51，以收纳交流传感器7的感应突出部分。同时，在功率盒15内设置低感母排19。低感母排19的交流端设置折弯板状的交流连接器191。在交流连接器191的水平表面上设置检测孔192。在安装过程中，电流传感器7的感应部分的插入到容纳筒51中，而容纳筒51向下延伸能穿过功率盒顶板20并插入到检测孔192内，用于检测和感应检测孔192内的电磁场环境，实现电流测量。优选地，该容纳筒51与功率盒15以及检测孔192的连接关系，可以为插拔式。由此，功率组件1和控制组件2可以完全实现快速插拔安装。

控制盒5包括控制盒底板52、控制盒侧板53和控制盒顶板10。其中，控制盒侧板53设置在控制盒底板52上，自身形成筒状，例如，截面为大体四方形的筒状。控制盒顶板10盖合在控制盒侧板53上。这种结构的控制盒5便于生产，并能对处于内部的控制板6等实现良好的绝缘、防尘以及安全等保护。同时，在位于非直流端和非交流端的控制盒侧板53的两个相对的控制盒侧板53上，以及控制盒顶板10上设置有通风孔531，用于提高散热性，保证使用寿命的提高。通风孔531的具体形状、大小和数量可以根据需要设置。此处需要还说明的，整个半导体装置的外侧大体为方形，但是出于对部件的优化布局考虑，可以在交流端和直流端均设置向各自的两端方形延伸的突出的部分，并最终形成如图4和5所示的封装的半导体装置的整体。正是因为这种原因，例如，控制盒顶板10等也需要相应的设置突出部分。

在控制盒侧板53的交流端设置豁口532，以使得设置在控制板6上的外部接口8能够外露，如图5所示。外部接口8包括电信号及光信号，用于获取控制电源能量以及与上位控制单元进行控制、故障等信号的传输，电信号及光信号集中布置，有利于本发明的外部弱电布线以及智能驱动控制板6内部的模块化及高低压分区设计

功率组件2还包括设置在功率盒15内的具有IGBT半导体芯片的衬板12、设置在衬板12之上的电路板17、设置在衬板12上的铜排端子13。低感母排19设置在电路板17之上。铜排端子13向上延伸而连接低感母排19，实现电能传输。例如，为了实现铜排端子13与低感母排19的连接，可以在电路板17上设置用于避让的避让孔171。而铜排端子13本身可以设计为条状板，并在调整板的一端设计突出部131，以与低感母排19实现插接式的配合连接。

在衬板12设置插式的信号引线14，以向上插入电路板17上，并通过例如焊接的方式固定。这种设置将多块衬板12的控制信号引入电路板17，再合理布置汇流至控制信号连接器18。控制信号连接器18则与控制组件1对应的辅助极信号连接器4插拔式连接，从而实现智能驱动控制板6对功率组件2的控制。在高压电力电子领域采用这种连接方式可以减少信号传输距离，并保证控制信号传输可靠性，还有利于提升连接处结构强度和绝缘能力，并将所有关键控制信号集中于一侧处理，利于高、低压分区设计，进一步地方便了模块化设计和分层式快速组装。

功率组件2还包括散热器11、设置在散热器11的上表面的功率盒侧板151和盖合在功率盒侧板151上的功率盒顶板20。其中，该功率盒侧板151形成围墙状，以与散热器11的上表面和功率盒顶板20形成功率盒15。并且，衬板12直接焊接在散热器11的上表面上。这种设置方式取消了常规的IGBT器件必须的基板，可降低热阻提升散热性能，同时减小半导体装置的体积重量。

低感母排19包含正直流、负直流、交流铜板以及绝缘层等。散热器11的冷却接头21位于直流端，并构造为插拔式，使得本发明在安装时可实现水电一体快速插拔式连接，使用极为便捷。

在低感母排19的直流正接口193与直流负接口194之间设置绝缘块23。并且，该绝缘块23与低感母排19构造为一体化。也就是，该低感母排19自身作为模块化部件，有助于提高半导体装置的集成度，降低组装难度。该绝缘块23与直流正接口193和直流负接口194共同构造为条状的插拔式。通过设置绝缘块23使得低感母排19自身内部可靠绝缘，便于模块化设计。另外在对功率盒15内的衬板12等进行灌胶封装时，上述方案使得低感母排19无需完全浸没灌封于绝缘胶中。由此，上述设置可降低制造过程中的污染风险并且降低体积重量。

此外，散热器11的水电一体式接头端，设计有定位销孔22，用于功率组件2在安装过程中的导向和定位，以免损伤接口并可防插错。在所述功率盒15位于直流端的位置设置有绝缘保护套，所述绝缘保护套由相互对接的第一槽状板201和第二槽状板152组成。优选地，在功率盒顶板20的直流端设置第一槽状板201。在功率盒侧板151的直流端设置第二槽状板152，以与第一槽状板201相对式配合连接，而形成用于容纳直流端接口194、193的容纳空间，如图5所示，从而加强对外绝缘，并起到一定的保护作用。当然，第一槽状板201和第二槽状板152的位置可以根据实际情况进行改变，并不限于图5中的位置。

在图6中示出了半导体装置的主电路图。这种单相半桥式主电路，应用范围广，通用性和互换性强，可灵活实现多模块并联，或组合为整流器、逆变器、逆变+斩波器使用。本申请，实现了IGBT器件高度集成，与变流器模块技术融合，运用IGBT器件级技术实现相模块功能。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (10)

1.一种半导体装置，其特征在于，包括：

模块化的控制组件，所述控制组件具有控制盒、设置在所述控制盒内的控制板、设置在所述控制板上的辅助极信号连接器和设置在所述控制板上的温度传感器信号连接器，

相对式设置在所述控制组件的下端的模块化的功率组件，所述功率组件具有功率盒、设置在所述功率盒内的控制信号连接器和设置在所述功率盒内的温度传感器连接器，

其中，所述控制信号连接器和所述温度传感器连接器于所述功率盒的相应位置处开放，以使得所述辅助极信号连接器和所述温度传感器信号连接器突出所述控制盒延伸并分别与所述控制信号连接器和所述温度传感器连接器插拔式连接。

2.根据权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，在所述控制板上，所述辅助极信号连接器与所述温度传感器信号连接器分别设置在所述控制板的两端。

3.根据权利要求1或2所述的半导体装置，其特征在于，在所述控制盒的内腔的交流端设置电流传感器，所述交流传感器与设置在所述控制板的交流端的插座信号连接，同时，在所述功率盒内设置低感母排，所述低感母排的交流端设置折弯板状的交流连接器，在所述交流连接器的水平表面上设置检测孔，所述控制盒的下端设置用于容纳所述电流传感器的感应端的容纳筒，所述容纳筒能突出所述控制盒并延伸穿到所述功率盒内而插入到所述检测孔内。

4.根据权利要求1到3中任一项所述的半导体装置，其特征在于，所述控制盒包括：

控制盒底板，

设置在所述控制盒底板上控制盒侧板，该控制盒侧板形成筒状，

盖合在所述控制盒侧板上的控制盒顶板，

其中，在所述控制盒侧板上以及控制盒顶板上设置有通风孔，并在所述控制盒侧板的交流端设置豁口以使得设置在所述控制板上的外部接口外露。

5.根据权利要求3所述的半导体装置，其特征在于，所述功率组件还包括：

设置在所述功率盒内的具有IGBT半导体芯片的衬板，

设置在所述衬板之上的电路板，所述电路板能与所述衬板的IGBT半导体芯片信号连接，

设置在所述衬板上的铜排端子，

其中，所述低感母排设置在所述电路板之上，所述铜排端子以向上延伸穿过所述电路板而连接所述低感母排。

6.根据权利要求5所述的半导体装置，其特征在于，在所述衬板上设置插针式的信号引线以向上插入所述电路板上而实现连接。

7.根据权利要求5或6所述的半导体装置，其特征在于，所述功率组件还包括：

散热器，

设置在所述散热器的上表面的功率盒侧板，该功率盒侧板形成筒状，

盖合在所述功率盒侧板上的功率盒顶板，以与所述功率盒侧板和所述散热器的上表面形成所述功率盒，

其中，所述衬板直接焊接在所述散热器的上表面上。

8.根据权利要求7所述的半导体装置，其特征在于，所述散热器的冷却接头位于直流端并构造为插拔式。

9.根据权利要求5到8中任一项所述的半导体装置，其特征在于，在所述低感母排的直流正接口与直流负接口之间设置绝缘块，并且所述绝缘块与所述直流正接口和所述直流负接口共同构造为条状的插拔式。

10.根据权利要求7或8所述的半导体装置，其特征在于，在所述功率盒位于直流端的位置设置有绝缘保护套，所述绝缘保护套由相互对接的第一槽状板和第二槽状板组成。

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