CN117238901A - 压接式igbt结构及功率组件 - Google Patents

Abstract

本发明属于一种IGBT结构，针对现有IGBT需要增加通流能力时，采用多个IGBT并联的方式，导致一致性筛选成本增加，多物理场耦合复杂性增大，可靠性难以保障，以及过压击穿后保持长期短路和降低器件自身热阻能力不足的技术问题，提供压接式IGBT结构及功率组件，包括基板散热板和两个IGBT单元，两个IGBT单元对称安装于基板散热板的两侧，IGBT单元包括多个IGBT模组，芯片为IGBT芯片或二极管芯片，IGBT芯片的发射极连接于基板散热板上，门极并联，集电极位于上表面且并联，二极管芯片的阳极连接于基板散热板上，阴极位于上表面且并联。

Description

压接式IGBT结构及功率组件

技术领域

本发明属于一种IGBT结构，具体涉及一种压接式IGBT结构及功率组件。

背景技术

至2030年，沙戈荒地区风光基地装机容量将达到约4.55亿千瓦，外送达到3.15亿千瓦。其中，采用特高压柔性直流输电技术将大规模新能源长距离跨区域输送至负荷中心，是未来沙戈荒新能源并网的最佳解决方案之一。

目前，受限于IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管）的参数，特高压柔直换流阀最大输送容量为5000MW，应用4500V、3000A参数等级的压接式IGBT。面对未来几亿千瓦的新能源消纳需求，如果采用当前多回5000MW的特高压柔直并联方案，其输电走廊建设成本高，工程经济性较差，因此，亟需开发更大电流等级的IGBT器件，以提升系统输送容量。

IGBT一般在单平面中通过多个芯片并联来增加其通流能力，例如，某款硬压接4500V、3000A IGBT，其内部并联36个芯片，如果将其电流抬升至5000A，并联芯片数将为60个，极大增加了并联芯片的一致性筛选成本，同时，增大了多数量芯片并联下电-磁-热-力多物理场耦合的复杂性，以及门极驱动控制难度，使IGBT器件集成应用后的可靠性难以保障。另外，IGBT作为柔直换流阀内的核心元器件，为保证换流阀的功率模块故障不引起系统闭锁、跳闸，以及IGBT工作状态下的结温裕度，通常要求IGBT过压击穿后具有保持长期短路和降低器件自身热阻的能力，但是，现有IGBT关于该方面的能力还有很大的提升空间。

发明内容

本发明针对现有IGBT需要增加通流能力时，采用多个IGBT并联的方式，导致一致性筛选成本增加，多物理场耦合复杂性增大，可靠性难以保障，以及过压击穿后保持长期短路和降低器件自身热阻能力不足的技术问题，提供压接式IGBT结构及功率组件。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

第一方面，本发明提出一种压接式IGBT结构，包括基板散热板和两个IGBT单元；

两个所述IGBT单元对称安装于基板散热板的两侧；

所述IGBT单元包括多个IGBT模组，多个IGBT模组呈m行×n列阵列排布；所述IGBT模组包括多个芯片，多个芯片呈p行×p列阵列排布，m、n和p均为大于等于2的整数；

所述芯片为IGBT芯片，IGBT芯片的发射极连接于基板散热板上，门极并联，集电极位于上表面且并联；

或者，所述芯片为二极管芯片，二极管芯片的阳极连接于基板散热板上，阴极位于上表面且并联；

或者，所述芯片中一部分为IGBT芯片，另一部分为二极管芯片，其中，IGBT芯片的发射极连接于基板散热板上，门极并联，集电极位于上表面且并联，二极管芯片的阳极连接于基板散热板上，阴极位于上表面且并联。

进一步地，还包括阵列柔压单元；所述阵列柔压单元包括芯片分隔绝缘框和柔性均压组件；

所述芯片分隔绝缘框上开设有p×p个第一安装孔，芯片分隔绝缘框安装在基板散热板上，所述芯片位于第一安装孔内，p×p个第一安装孔与p行×p列的所述芯片一一对应；

所述柔性均压组件安装在芯片分隔绝缘框上，柔性均压组件底部与所述芯片相抵，使各芯片受到的轴向压力相等。

进一步地，所述柔性均压组件包括下均力板、上均力板、围挡和至少一个压力碟簧；

所述压力碟簧安装在下均力板上，压力碟簧上端设置有限位柱；

所述上均力板上开设有限位孔，所述限位孔的数量与限位柱的数量相等且一一对应，限位柱位于限位孔内，且延伸至上均力板外部；

所述围挡安装于上均力板和下均力板之间，所述压力碟簧位于围挡内；

所述下均力板与芯片分隔绝缘框相接。

进一步地，所述基板散热板内设置有冷却通道，用于对所述芯片进行冷却。

进一步地，所述芯片的上表面贴附有上钼片，所述上钼片的表面积小于所述芯片的表面积。

进一步地，还包括封装外壳；

所述封装外壳上开设有m×n个第二安装孔，封装外壳安装在基板散热板上，IGBT模组位于第二安装孔内，m×n个第二安装孔与m行×n列的IGBT模组一一对应。

第二方面，本发明提出一种功率组件，包括框架和四个上述压接式IGBT结构；

四个压接式IGBT结构同轴压装在框架上。

进一步地，每个所述压接式IGBT结构的上方和下方均安装有散热器；

相邻两个所述散热器之间设置有绝缘垫。

第三方面，本发明还提出了另一种功率组件，包括框架和两个上述压接式IGBT结构；

两个压接式IGBT结构同轴压装在框架上。

进一步地，每个所述压接式IGBT结构的上方和下方均安装有散热器；

相邻两个所述散热器之间设置有绝缘垫。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.本发明提出一种压接式IGBT结构，在基板散热板两侧对称安装IGBT单元，结合IGBT芯片集电极并联或二极管芯片阴极并联，形成包含两个IGBT单元的镜像结构，可以将现有压接式IGBT通流能力从3000A提升到5000A以上，并联的结构形式，还能降低热阻，提高IGBT工作结温裕度。因此，需要增加通流能力时，不需要再采用大量IGBT并联的结构，没有一致性筛选成本，且规避了多物理场耦合的复杂问题，进而提高了使用可靠性。

2.本发明中采用阵列柔压单元封装IGBT模组，通过柔性均压组件，不仅能实现IGBT芯片集电极并联或二极管芯片阴极并联，还能够对各芯片施加均匀的轴向压力。同时，通过芯片分隔绝缘框能够将各芯片有效分隔。

3.本发明中基板散热板内还可以设置冷却通道，对芯片进行冷却，降低芯片工作时产生的损耗热量。

4.本发明中采用封装外壳进行整体封装，能够对各IGBT模组和柔性均压组件进行分隔和定位固定。

5.本发明还提出了两种功率组件，分别为全桥功率组件和半桥功率组件，实现柔直换流阀输送容量从5000MW提高到8000MW以上，减少了未来沙戈荒新能源采用特高压柔性直流输电技术，需要的走廊数量，提高了大规模新能源消纳系统的经济性。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为实施例3的结构示意图；

图2为图1中IGBT单元的爆炸图和IGBT模组的局部放大；

图3为图1中柔性均压组件的结构示意图；

图4为实施例3中部分柔性均压组件的剖视图；

图5为实施例4的结构示意图；

图6为实施例4的全桥拓扑等效电路图；

图7为实施例5的结构示意图；

图8为实施例5的半桥拓扑等效电路图。

其中：1-基板散热板、2-IGBT单元、3-IGBT模组、4-芯片、5-芯片分隔绝缘框、6-柔性均压组件、61-下均力板、62-转接排、63-压力碟簧组、64-上均力板、7-冷却通道入口、8-冷却通道出口、9-上钼片、10-封装外壳、11-第一安装孔、12-第二安装孔、13-压接式IGBT结构、14-框架、15-散热器、16-绝缘垫、17-第一斜段、18-第二斜段、19-第一平直段、20-第一避让槽、21-第二避让槽、22-并联GE门极端子、23-第三斜段、24-第四斜段、25-第二平直段。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“水平”、“内”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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，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。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，若出现术语“水平”，并不表示要求部件绝对水平，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明提出了一种压接式IGBT结构，以及相应的功率组件，能够提高IGBT的通流能力，使IGBT具有低热阻和过压击穿后的短路能力，具有广泛的应用前景。

下面结合实施例和附图对本发明做进一步详细描述：

实施例1

作为本发明一种压接式IGBT结构13的基础实施例，包括基板散热板1和两个IGBT单元2，具体的：

两个IGBT单元2对称安装于基板散热板1的两侧，两个IGBT单元2关于基板散热板1呈镜像对称设置。每个IGBT单元2包括多个IGBT模组3，多个IGBT模组3呈m行×n列阵列排布，m和n均为大于等于2的整数。每个IGBT模组3又包括多个芯片4，多个芯片4呈p行×p列阵列排布，p为大于等于2的整数。其中，m、n和p的具体取值可根据实际情况进行调整，本发明不做具体限制。

芯片4的具体类型，也可根据需要进行选择，如果选择IGBT芯片，所有IGBT芯片的发射极均连接于基板散热板1上，所有IGBT芯片的门极并联，所有IGBT芯片的集电极位于IGBT芯片的上表面且并联，具体连接时，所有IGBT芯片的门极可通过PCB板（PrintedCircuit Board，印制电路板）进行连接，使位于基板散热板1两侧的两个IGBT单元2形成并联结构，形成的并联GE门极端子22，用于外部连接。如果选择二极管芯片，二极管芯片的阳极连接于基板散热板1上，阴极位于二极管芯片的上表面且并联，同样使位于基板散热板1两侧的两个IGBT单元2形成并联结构。还可以一部分采用IGBT芯片，另一部分采用二极管芯片，其中，IGBT芯片的发射极连接于基板散热板1上，门极并联，集电极位于上表面且并联，二极管芯片的阳极连接于基板散热板1上，阴极位于二极管芯片上表面且并联。通过两个IGBT单元2的并联结构，大幅提高了整个IGBT结构的通流水平。

实施例2

作为本发明一种压接式IGBT结构的一个优选实施例，包括基板散热板1、阵列柔压单元、封装外壳10和两个IGBT单元2，具体的：

两个IGBT单元2借助阵列柔压单元和封装外壳10对称安装于基板散热板1的两侧。IGBT单元2包括多个IGBT模组3，多个IGBT模组3呈m行×n列阵列排布，IGBT模组3包括多个芯片4，多个芯片4呈p行×p列阵列排布，芯片4采用IGBT芯片，IGBT芯片的发射极焊接于基板散热板1上，门极通过PCB板并联，集电极位于IGBT芯片上表面，芯片4的上表面还贴附有上钼片9，上钼片9的表面积小于所述芯片4的表面积。随着技术发展，若上钼片9的材质发生变化，本发明也可以采用其他材质的结构。

其中，阵列柔压单元包括芯片分隔绝缘框5和柔性均压组件6，芯片分隔绝缘框5上开设有p×p个第一安装孔11，芯片分隔绝缘框5焊接安装在基板散热板1上，芯片4位于第一安装孔11内，p×p个第一安装孔11与p行×p列的所述芯片4一一对应，通过芯片分隔绝缘框5，将IGBT模组3中的所有芯片4隔开，实现绝缘隔离。一般情况下，芯片4与第一安装孔11的尺寸相适配，实现紧密安装。柔性均压组件6安装在芯片分隔绝缘框5上，柔性均压组件6底部与上钼片9相抵，通过柔性均压组件6使各芯片4受到的轴向压力相等，实现均压。柔性均压组件6有很多种实现结构和实现方式，只要能够对芯片4和上钼片9施加可调控且相等的轴向压力即可。

封装外壳10上开设有m×n个第二安装孔12，封装外壳10通过螺丝固定安装在基板散热板1上，IGBT模组3位于第二安装孔12内，m×n个第二安装孔12与m行×n列的IGBT模组3一一对应。通过封装外壳10对各IGBT模组3和对应的阵列柔压单元进行分隔、定位固定和封装，以形成完整的压接式IGBT结构13。

实施例3

作为本发明一种压接式IGBT结构的另一个优选实施例，提出了一种优选的柔性均压组件6结构，具体的：

如图1所示，IGBT模组3共12个，m=3，n=4，呈3行×4列阵列排布。如图2所示，每一个IGBT模组3中共有9个芯片4，p=3，呈3行×3列阵列排布。基板散热板1内设置有冷却通道，在冷却通道内通入冷却介质，通过冷却介质带走芯片4工作时产生的损耗热量，对芯片4进行冷却，冷却通道入口7、冷却通道出口8和并联GE门极端子22位于基板散热板1的同侧，便于操作。

如图3和图4所示，柔性均压组件6包括下均力板61、上均力板64、围挡和四个压力碟簧，压力碟簧的数量和参数可根据需要进行调整。压力碟簧安装在下均力板61上，压力碟簧上端设置有限位柱，上均力板64上开设有限位孔，限位孔的数量与限位柱的数量相等且一一对应，限位柱位于限位孔内，且延伸至上均力板64外部，通过限位孔和限位柱之间的配合，对压力碟簧进行限位。围挡安装于上均力板64和下均力板61之间，压力碟簧位于围挡内，一方面，围挡能够包围压力碟簧起到一定的保护作用，另外，围挡同时与上均力板64和下均力板61相接，起到电连接的作用。下均力板61与芯片分隔绝缘框5相接，通过柔性均压组件6能够对芯片4和上钼片9施加轴向压力，保证各个芯片4和上钼片9在被压接时受力均匀。为了便于拆卸安装，如下是一种优选的围挡结构：

围挡包括四个转接排62，转接排62呈U型，U型的一个侧边包括依次平滑连接的第一斜段17、第一平直段19和第二斜段18，第一斜段17和第二斜段18均与U型的底边相连，第一斜段17和第二斜段18上均开设有第一避让槽20。U型的一个侧边包括依次平滑连接的第三斜段23、第二平直段25和第四斜段24，第三斜段23和第四斜段24均与U型的底边相连，第三斜段23和第四斜段24上均开设有第二避让槽21。第一避让槽20和第二避让槽21均为弧形槽，通常，第一避让槽20的圆弧角大于90°，第二避让槽21的圆弧角小于90°。下均力板61呈正方形，四个转接排62分别连接在下均力板61四个边的边沿处，相邻两个转接排62的第一避让槽20共同组成一个圆形，供限位柱穿过，相邻两个第二避让槽21共同包绕在压力碟簧下端外部。通过四个转接排62、上均力板64和下均力板61，实现了各芯片4集电极的并联，如果芯片4中有二极管芯片，即实现了反并联二极管芯片阴极的并联，保证单个芯片4过压击穿短路后，转接排62长期通大电流的能力。

实施例4

基于上述压接式IGBT结构13，本发明还提出了相应的功率组件。如图5所示，为一种全桥功率组件，包括框架14和四个压接式IGBT结构13，具体的：

四个压接式IGBT结构13同轴压装在框架14上，每个压接式IGBT结构13的上方和下方均安装有散热器15，散热器15对集电极进行散热，相邻两个散热器15之间还设置有绝缘垫16，通过绝缘垫16进行分隔。压装的具体结构和方式并不受限，例如，如图5所示，位于最上方的散热器15，通过框架14顶部结构直接进行压装。在本发明的其他实施例中，也可以采用其他的压装方式。

如图6所示，为实施例4中功率组件的全桥拓扑等效电路图，其中，IGBT1’和IGBT1’’为第一个压接式IGBT结构13中的两个IGBT单元2，IGBT2’和IGBT2’’为第二个压接式IGBT结构13中的两个IGBT单元2，IGBT3’和IGBT3’’为第三个压接式IGBT结构13中的两个IGBT单元2，IGBT4’和IGBT4’’为第四个压接式IGBT结构13中的两个IGBT单元2。在A和B之间接入功率组件，电阻R1和电阻R2起到静态电压均衡的作用，直流电容C1和直流电容C2起到电能存储和直流电压支撑的作用，机械开关K1，是在使用中，若功率组件出现故障，能够切出功率组件。

实施例5

如图7所示，为一种全桥功率组件，包括框架14和两个压接式IGBT结构13，具体的：

两个压接式IGBT结构13同轴压装在框架14上，每个压接式IGBT结构13的上方和下方均安装有散热器15，相邻两个散热器15之间还设置有绝缘垫16。压装的具体结构和方式并不受限，例如，如图7所示，位于最上方的散热器15，通过框架14顶部结构直接进行压装。在本发明的其他实施例中，也可以采用其他的压装方式。

如图8所示，为实施例5中功率组件的全桥拓扑等效电路图，其中，IGBT5’和IGBT5’’为第一个压接式IGBT结构13中的两个IGBT单元2，IGBT6’和IGBT6’’为第二个压接式IGBT结构13中的两个IGBT单元2。同理，在A和B之间接入功率组件，电阻R3和电阻R4起到静态电压均衡的作用，直流电容C3和直流电容C4起到电能存储和直流电压支撑的作用，机械开关K3，是在使用中，若功率组件出现故障，能够切出功率组件。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种压接式IGBT结构，其特征在于：包括基板散热板(1)和两个IGBT单元(2)；

两个所述IGBT单元(2)对称安装于基板散热板(1)的两侧；

所述IGBT单元(2)包括多个IGBT模组(3)，多个IGBT模组(3)呈m行×n列阵列排布；所述IGBT模组(3)包括多个芯片(4)，多个芯片(4)呈p行×p列阵列排布，m、n和p均为大于等于2的整数；

所述芯片(4)为IGBT芯片，IGBT芯片的发射极连接于基板散热板(1)上，门极并联，集电极位于上表面且并联；

或者，所述芯片(4)为二极管芯片，二极管芯片的阳极连接于基板散热板(1)上，阴极位于上表面且并联；

或者，所述芯片(4)中一部分为IGBT芯片，另一部分为二极管芯片，其中，IGBT芯片的发射极连接于基板散热板(1)上，门极并联，集电极位于上表面且并联，二极管芯片的阳极连接于基板散热板(1)上，阴极位于上表面且并联。

2.根据权利要求1所述压接式IGBT结构，其特征在于：还包括阵列柔压单元；所述阵列柔压单元包括芯片分隔绝缘框(5)和柔性均压组件(6)；

所述芯片分隔绝缘框(5)上开设有p×p个第一安装孔(11)，芯片分隔绝缘框(5)安装在基板散热板(1)上，所述芯片(4)位于第一安装孔(11)内，p×p个第一安装孔(11)与p行×p列的所述芯片(4)一一对应；

所述柔性均压组件(6)安装在芯片分隔绝缘框(5)上，柔性均压组件(6)底部与所述芯片(4)相抵，使各芯片(4)受到的轴向压力相等。

3.根据权利要求2所述压接式IGBT结构，其特征在于：所述柔性均压组件(6)包括下均力板(61)、上均力板(64)、围挡和至少一个压力碟簧；

所述压力碟簧安装在下均力板(61)上，压力碟簧上端设置有限位柱；

所述上均力板(64)上开设有限位孔，所述限位孔的数量与限位柱的数量相等且一一对应，限位柱位于限位孔内，且延伸至上均力板(64)外部；

所述围挡安装于上均力板(64)和下均力板(61)之间，所述压力碟簧位于围挡内；

所述下均力板(61)与芯片分隔绝缘框(5)相接。

4.根据权利要求1至3任一所述压接式IGBT结构，其特征在于：所述基板散热板(1)内设置有冷却通道，用于对所述芯片(4)进行冷却。

5.根据权利要求4所述压接式IGBT结构，其特征在于：所述芯片(4)的上表面贴附有上钼片(9)，所述上钼片(9)的表面积小于所述芯片(4)的表面积。

6.根据权利要求5所述压接式IGBT结构，其特征在于：还包括封装外壳(10)；

所述封装外壳(10)上开设有m×n个第二安装孔(12)，封装外壳(10)安装在基板散热板(1)上，IGBT模组(3)位于第二安装孔(12)内，m×n个第二安装孔(12)与m行×n列的IGBT模组(3)一一对应。

7.一种功率组件，其特征在于：包括框架(14)和四个权利要求1至6任一所述压接式IGBT结构(13)；

四个压接式IGBT结构(13)同轴压装在框架(14)上。

8.根据权利要求7所述功率组件，其特征在于：每个所述压接式IGBT结构(13)的上方和下方均安装有散热器(15)；

相邻两个所述散热器(15)之间设置有绝缘垫(16)。

9.一种功率组件，其特征在于：包括框架(14)和两个权利要求1至6任一所述压接式IGBT结构(13)；

两个压接式IGBT结构(13)同轴压装在框架(14)上。

10.根据权利要求9所述功率组件，其特征在于：每个所述压接式IGBT结构(13)的上方和下方均安装有散热器(15)；

相邻两个所述散热器(15)之间设置有绝缘垫(16)。