CN1187821C - 电力电子装置 - Google Patents
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Abstract
装置(1)具有一个导性基底(2)，其上有由具有连接端子(12，14，16)的二极管(4)和IGBT(6)形成的半导体电路的第一平面布置。该装置包括一个第二平面半导体电路(104，106)布置，两个相邻的平面布置(4，6，104，106)由具有至少一个导电和散热汇流条(20)的平面导体阵列(18，28A，28B)隔开，所述汇流条(20)与第一布置的电路(4，6)的端子(12，16)相连，所述汇流条(18)还支承第二平面布置的电路(104，106)，与所述汇流条(20)电绝缘的至少一个导性部件(28A，28B)与所述第一布置的电路(4，6)的另外端子(14)相连并位于所述汇流条(20)的体积内。
Description
本发明涉及电力电子装置。
尤其适用于轨道牵引的电力电子装置包括一个铜制的导性基底，它附着有导体-绝缘体-导体的复合结构，具有热传递和电绝缘功能。每个复合结构的传导顶层构成一个基底，其上二极管和绝缘门双极晶体管(IGBT)以与有关的电子装置的特性不同的布置放置。功率半导体电路由锡-铅或锡-铅-银软焊料固定。
二极管和IGBT的自由面由一个或多个连接端子覆盖，连接到每个端子的是典型地具有380至500微米数量级的直径的焊接铝导线。导线的另一端被焊接到形成一个反相器支路的复合结构的一个顶层导性基底上。
然而现有技术中公知的上述设计具有一些缺点。上述电力电子装置由于包括大量铝导线而使制造复杂。而且这些电力电子装置的表面积相当大，从而它增加了装配装置的总体积，并产生寄生电感现象，它危及电子操作。
本发明的目的是提供一种电力电子装置，它能克服上述现有技术中的缺陷。为此，该一种电力电子装置，包括一个导性基底，其上有由二极管和绝缘门双极晶体管形成的半导体电路的第一平面布置，所述半导体电路具有连接端子，其特征在于所述装置还包括一个半导体电路的第二平面布置，两个相邻的平面布置由一个平面导体阵列分隔，该平面导体阵列包括至少一个连接到第一布置的电路的端子的导电和热耗散汇流条，该汇流条还在其与基底相反的表面支承第二平面布置的电路，至少一个与所述汇流条电绝缘的导性部件与所述第一布置的电路的另外端子相连接，并置于所述汇流条的体积内。
-半导体电路的所述第二平面布置由一个附加平面导体阵列所覆盖，该附加平面导体阵列包括至少一个连接所述第二平面布置的电路的端子的导电和热耗散附加汇流条，还包括至少一个与所述附加汇流条电绝缘的导性部件，所述导性部件与所述第二平面布置的电路的另外端子相连并被放置于所述附加汇流条的体内。
-所述平面布置的端子通过焊接至少一个锡-铅-银凸台分别固定到平面阵列上。
-所述端子通过与这个凸台或每个凸台附着的涂层和这个或每个凸台相分隔，该涂层尤其可以是钛-镍-金镀层。
-所述至少一个汇流条具有至少一个肩部，并从而在与所述基底平行的平面延伸。
-所述基底和所述附加汇流条是相应的导热和电绝缘复合结构的一部分。
-所述各汇流条具有接受所述导性部件的凹槽。
-它形成一个反相器支路，并且它包括相同的第一和第二平面布置以及第一和附加平面导体阵列。
-每个所述平面阵列38B包括至少一个顺序的一行绝缘门双极晶体管的共控制极；
-所述第一平面阵列和所述第二平面阵列的汇流条分别形成所述第一平面布置和第二平面布置的绝缘门双极晶体管的共射极。
下面本发明结合附图通过非限制性的实施例进行描述，其中：
图1是示出根据本发明的反相器分路的元件部分的剖开立体图；
图2是反相器分路的轴截面视图；
图3是在沿图2中线III-III的部分截面图；
图4是示出本发明的反相器分路的一个导性汇流条到一个二极管的装配；
图5是前图中示出的反相器分路的电路图。
图中示出根据本发明的反相器分路1的制造。形成第一平面半导体电路布置的二极管4和IBGT 6被放置在例如由铜制成的基底2上。二极管4和IGBT 6通过相应的锡-铅焊接层8和10以公知方式固定在基底2上。通常每个二极管4具有单个的连接端子12，每个IGBT具有一个中央端子14和多个周围端子16。在示出的例子中，基底支撑九个二极管和四个IGBT，但熟练技术人员可以根据所完成的反相器分路的需要的特性选择不同数目的电路。
一个导电汇流条18位于半导体电路4，6的端子12，14，16的自由面。汇流条18具有分别由顶肩和底肩24A和24B分隔的一个薄端部分20和一个厚端部分22。顶肩部24A的尺寸是这样的，它使得汇流条18保持在基本上平行于基底2的平面的电路4，6上。
二极管104和IGBT 106位于薄部20和厚端部分22的顶层表面而形成与上述第一布置相同的半导体电路第二布置。二极管104和IGBT106分别通过焊接层108，110固定。二极管具有单个端子112，而IGBT具有一个中央端子114和侧端子116。顶肩部24A的尺寸是这样的，它使得端子112，114，116的顶表面基本上位于与基底2平行的公共面。
凹槽26形成于汇流条18的厚端部分22的下表面。凹槽26接受以电气互连连条28A和28B形式的两个导性部件。第一个连条28A覆盖于顺序放置的第一行(R1)IGBT的的中央端子114，而第二个连条28B覆盖第二行(R2)的IGBT的中央端子，如图3所示。则连条28A，28B形成连接并行的两行IGBT(R1，R2)的两个控制极(gate)。
当反相器支路已装配好，汇流条18上的凹槽26的边缘位于每个IGBT 6的侧端子16上。因而汇流条18构成对于所有IGBT的共射极。注意凹槽26和连条28A、28B的各自的尺寸以使得连条28与汇流条18电气绝缘。从而连条28A、28B和汇流条18的底表面形成相互绝缘的导性部件的一个平面阵列。
现在结合图4说明汇流条18的薄部20是如何与基底2上支承的二极管4固定的。
第一步是例如通过喷涂工艺将大约0.8微米厚的钛-镍-金多层涂层30沉积于二极管4的端子12的自由面上。
然后其尺寸对应于端子12的尺寸的锡-铅-银凸台32放置在多层涂层30上。在本例中，该凸台含有大约2％锡，95.5％铅和2.5％银。注意多层涂层30极好地将凸台32机械固定于端子12上。
下一步是使汇流条18的薄部20的底表面与每个凸台32相接触并通过将凸台加热到例如大约330℃10秒钟来熔化每个凸台。这使端子12固定到汇流条18上。
上述例子只提及将汇流条18的薄部20固定到二极管4的端子12上。当然，利用同样的处理可将汇流条18的厚端部分22固定到IGBT 6的侧端子16，和连条28A和28B固定到IGBT 6的中央端子14。
制造反相器支路1的最后一步是将另一个附加的导性汇流条34附着于由汇流条18在与基底2相对侧支承的导性电路104，106上。汇流条34具有接收与前述的连条28A和28B类似的导性连条34A和34B的槽口36。连条38A和38B是电气互连的，构成在与基底2相对侧的附加导性部件。
在一种类似于参照电路4和6所述的方式中，一旦反相器支路组装好，附加导性汇流条34就覆盖在所有二极管104的端子112和IGBT 106的侧面端子116上。因而汇流条34构成了对于所有IGBT的共射极。而且第一附加连条38A覆盖在第一行(R’1)IGBT的各中央端子114上，而第二附加连条38B置于第二行(R’2)IGBT的各中央端子上，结果是每个连条形成相同行的IGBT的共控制极。注意槽口36和连条38A、38B的尺寸是这样的，使得汇流条34和连条38不相互接触并构成相互绝缘导性部件的一个平面阵列。
图5是反相器支路1的一个电路图，将它与图1图2相比较，显然基底2形成一个负馈电轨条AN，附加汇流条34形成一个正馈电轨条AP。
一组二极管4和一组二极管104构成图5中相应的等效二极管D和D’。
同样，IGBT 6和IGBT 106构成图5中相应的等效晶体管T和T’。最后，中性导性汇流条20形成反相器1的相线P。
由上述工序组装的反相器支路可通过将其浸入介电溶液中冷却。基底2和汇流条18、34都是导电的，则可附加假设热耗散功能。
同样易于在两个热传导和电绝缘复合结构中包括基底2和汇流条34。为此，在基底2下面放置一个绝缘层42和一个导性层44，如以点划线示出的，以使得基底2构成最终结构46的顶层。同样，有可能将相应的绝缘和导性层48和50置于导性汇流条34的顶部，以使汇流条34构成最终复合结构52的底层。
反相器分路1则通过将复合结构46，52的导性端面层44，50与冷却部件(未示出)相接触。通常这些可以是水冷却板，气热(air heat)交换器或“caloduc”蒸发器喷嘴。因而根据本发明的反相器支路可以通过它的顶和底表面冷却。
本发明实现了前述目的。根据本发明的电力电子装置的三维结构是非常紧凑的。与现有技术中的电力电子装置相比，本发明显著地减小的装置的整个体积并降低了寄生阻抗现象。
而且，本发明使得有可能省去现有技术中使用的铝导线。除了简化制造以外，还可以改善可靠性，铝导线在使用中遭受热循环可能使其断裂，导致严重的性能不良。
另外，在没有这种铝导线的情况下，本发明的电力装置比现有技术的装置易于冷却。铝导线对于冷却构成了一个限制，因为它们的加热与流过它们的电流面积成比例，难以冷却它们。在这方面提出了通过基底和导性汇流条确保热耗散。
因为冷却得到改善，本发明或者对于使用的给定数量的半导体材料增加电力电子装置的载流容量，从而耗用给定的单元，或者对于给定的标准电流减小体积从而耗用整个单元。
如果导性基底和与它相对的导性汇流条两者都是复合热传导和电绝缘结构的一部分，改进的冷却将尤其有利。这使得从构成电力电子装置的一组半导体电路的顶和底表面同时冷却。
Claims (10)
1.一种电力电子装置(1)，包括一个导性基底(2)，其上有由二极管(4)和绝缘门双极晶体管(6)形成的半导体电路的第一平面布置，所述半导体电路(4，6)具有连接端子(12，14，16)，其特征在于所述装置还包括一个半导体电路(104，106)的第二平面布置，两个相邻的平面布置(4，6，104，106)由一个平面导体阵列(18，28A，28B)分隔，该平面导体阵列包括至少一个连接到第一布置的电路(4，6)的端子(12，16)的导电和热耗散汇流条(18)，该汇流条(18)还在其与基底(2)相反的表面支承第二平面布置的电路(104，106)，至少一个与所述汇流条(18)电绝缘的导性部件(28A，28B)与所述第一布置的电路(4，6)的另外端子(14)相连接，并置于所述汇流条(18)的体积内。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于半导体电路(104，106)的所述第二平面布置由一个附加平面导体阵列(34，38A，38B)所覆盖，该附加平面导体阵列包括至少一个连接所述第二平面布置的电路(104，106)的端子(112，116)的导电和热耗散附加汇流条(34)，还包括至少一个与所述附加汇流条(34)电绝缘的导性部件(38A，38B)，所述导性部件(38A，38B)与所述第二平面布置的电路(104，106)的另外端子(114)相连并被放置于所述附加汇流条(34)的体内。
3.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于所述平面布置(4，6，104，106)的端子(12，14，16，112，114，116)通过焊接至少一个锡-铅-银凸台(32)分别固定到平面阵列(18，28A，28B，34，38A，38B)上。
4.如权利要求3所述的装置，其特征在于所述端子(12，14，16，112，114，116)通过与这个凸台或每个凸台附着的涂层和这个或每个凸台(32)相分隔。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述至少一个汇流条(18)具有至少一个肩部(24A，24B)，并从而在与所述基底(2)平行的平面延伸。
6.根据权利要求2所述的装置，其特征在于所述基底(2)和所述附加汇流条(34)是相应的导热和电绝缘复合结构(46，52)的一部分。
7.如权利要求2所述的装置，其特征在于所述各汇流条(18，34)具有接受所述导性部件(28A，28B，38A，38B)的凹槽(26，36)。
8.如权利要求2所述的装置，其特征在于它形成一个反相器支路(1)，并且它包括相同的第一和第二平面布置(4，6；104，106)以及第一和附加平面导体阵列(18，28A，28B；34，38A，38B)。
9.如权利要求8所述的装置，其特征在于每个所述平面阵列(18，28A，28B；34，38A，38B)包括至少一个串联的绝缘门双极晶体管的行(R1，R2，R’1，R’2)的共控制极(28A，28B，38A，38B)。
10.如权利要求8所述的装置，其特征在于所述第一平面阵列(18，28A，28B)和所述附加平面阵列(34，38A，38B)的所述汇流条(18，34)分别形成所述第一平面布置(4，6)和所述第二平面布置(104，106)的绝缘门双极晶体管(6，106)的共射极。
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