CN207367957U - 电气器件以及电气装置 - Google Patents

Abstract

本公开涉及电气器件以及电气装置。提供一种电气器件，包括：其上形成了功率半导体元件的半导体基板，在该基板的表面上布置功率半导体元件的控制电极和第一电流电极；印刷电路板，其上布置有驱动功率半导体元件的驱动模块，驱动模块包括至少一个第一开关元件，第一开关元件包括控制端子和电流端子；第一导电块，置于所述基板和印刷电路板之间，提供到第一电流电极的电连接；一个或多个连接件，与第一导电块电隔离地穿过第一导电块并连接到控制电极的一部分，连接件与相应的第一开关元件关联；一个或多个第一弹簧部件，置于对应的连接件和与对应的连接件关联的第一开关元件之间，使第一开关元件的第一电流端子通过连接件电连接到控制电极的一部分。

Description

电气器件以及电气装置

技术领域

本公开涉及包括功率元件的电气器件以及包括该电气器件的电气装置。

背景技术

面对电力电子技术的快速发展，用户对功率半导体器件(这里也简称作半导体器件或功率器件)提出了关断期间换流速度快、关断可靠性高、散热性能好等要求。功率半导体器件的封装件结构对于半导体器件与外部电路之间的良好电连接尤为关键，特别是针对适用于高电压大电流环境中的功率半导体器件。

随着半导体技术的不断发展，对于衡量功率半导体器件性能的关键指标，诸如关断电流能力或换流速度，提出了更高的要求。而关断电流能力或换流速度很大程度上受到半导体器件内部的换流回路中存在的杂散电感的影响。如果该杂散电感过大，可能会导致关断过程中半导体器件中的部分单元没有完全换流，从而导致关断过程失败。一般来说，功率半导体器件往往与导通模块和/或关断模块协作。导通模块和/或关断模块可以用于或者辅助用于导通和关断功率半导体器件。在现有技术中，在功率半导体器件中，通常将功率半导体元件(有时也称为器件晶片、器件芯片或器件管芯)置于单独的封装件(也称管壳)内，而将驱动模块(导通模块和/或关断模块)置于管壳封装件以外。这种布置会使得换流回路的面积较大，进而导致换流回路中的杂散电感较大。另外，在封装时或封装后，半导体器件的部件受到的机械压力可能远大于驱动模块中的电路元件能够承受的压力，容易造成电路元件的损坏。

因此，现有技术中存在对改善的包括功率元件的电气器件以及电气装置的需要。

实用新型内容

为了减轻或者消除部分或者全部上述问题及其他问题，本申请的实用新型人对半导体器件的封装结构进行了长时间苦心钻研，提出了如在此申请中公开的电气器件以及电气装置。

根据本公开的电气器件具有紧凑的结构，可以有效地减小换流回路面积，降低换流回路的杂散电感。根据本公开的电气器件以及电气装置可以提高换流速度，增大关断电流能力，提高关断的可靠性。根据本公开的电气器件可以通过压接或者压力配合来制备或组装，通过压力来保证部件之间的可靠接触，减少接触电阻，从而改善了部件之间的耦接。根据本公开的电气器件，提高了连接的可靠性和冗余性，降低了故障概率。另外，根据本公开的电气器件以及电气装置可以保证大的压力不会对导通模块和/或关断模块中的电路元件造成损坏。根据本公开的电气器件以及电气装置还可以提供良好的散热性能。

根据本公开的一个方面，提供了一种电气器件，其包括其上形成了功率半导体元件的半导体基板，其中在所述半导体基板的一个表面上布置有所述功率半导体元件的控制电极和第一电流电极；印刷电路板，其上布置有用于驱动所述功率半导体元件的驱动模块，所述驱动模块包括至少一个第一开关元件，每个第一开关元件包括控制端子和电流端子；第一导电块，设置于所述基板和所述印刷电路板之间，用于提供到所述第一电流电极的电连接；一个或多个连接件，每个连接件与所述第一导电块电隔离地穿过所述第一导电块并连接到所述控制电极的一部分，并且每个连接件与相应的第一开关元件相关联，以及一个或多个第一弹簧部件，每个第一弹簧部件置于对应的连接件和与所述对应的连接件相关联的第一开关元件之间，以使得每个第一开关元件的电流端子中的第一电流端子通过所述连接件电连接到所述控制电极的一部分。

根据本公开的一个实施例，所述控制电极在半导体基板上成环形布置。

根据本公开的一个实施例，所述至少一个第一开关元件以环形布置分布在所述印刷电路板上。

根据本公开的一个实施例，每个第一开关元件包括作为电流端子的漏极端子、源极端子和作为控制端子的栅极端子，其中所述第一电流端子是第一开关元件的漏极端子，所述第一开关元件的漏极端子和栅极端子耦接到所述印刷电路板。

根据本公开的一个实施例，所述第一弹簧部件是弹簧。

根据本公开的一个实施例，所述第一导电块包括穿透其的第一开口，所述第一开口适于将相应的连接件、相应的第一开关元件以及相应的第一弹簧部件容纳于其中。

根据本公开的一个实施例，所述连接件具有突出的第一部分以及具有凹陷的第二部分，所述第一部分的横向尺寸小于所述第二部分的横向尺寸，其中相应的第一开关元件以及相应的第一弹簧部件容纳于所述第二部分中，所述凹陷包括布置在凹陷边缘处并且向所述印刷电路板延伸的侧臂。

根据本公开的一个实施例，所述电气器件还包括布置在所述连接件与所述第一导电块之间的使两者彼此绝缘的绝缘件。

根据本公开的一个实施例，所述驱动模块还包括附接到所述印刷电路板的电容器。

根据本公开的一个实施例，所述电气器件还包括：一个或多个第二开关元件，所述第二开关元件与所述第一开关元件置于所述印刷电路板的相同表面上，以及一个或多个第二弹簧部件，每个第二弹簧部件设置在对应的第二开关元件与第一导电块之间，以使得第二开关元件通过所述第一导电块与所述功率半导体元件的第一电流电极电连接。

根据本公开的一个实施例，所述多个第二开关元件以环形布置分布在所述印刷电路板上，沿所述环形的径向方向，在至少部分第一开关元件的两侧分别对称地布置一个第二开关元件。

根据本公开的一个实施例，第二弹簧部件是弹簧。

根据本公开的一个实施例，在所述第一导电块中设置有用于冷却的通道。

根据本公开的一个实施例，所述第一开关元件包括DirectFet。

根据本公开的一个实施例，所述第二开关元件包括DirectFet。

根据本公开的一个实施例，所述功率半导体元件包括门极换流晶闸管(GCT)、门极可关断晶闸管(GTO)。

根据本公开的一个实施例，所述电气器件还包括：将所述印刷电路板连接到外部的同轴电缆。

根据本公开的一个实施例，所述电气器件还包括：第二导电块，与所述印刷电路板耦接；第三导电块，与所述功率半导体元件的被布置在所述半导体基板的另一表面上的第二电流电极耦接；以及封装外壳，其与所述第二导电块和所述第三导电块共同包封所述功率半导体元件和所述驱动模块。

本公开还提供了一种电气装置，其包括上述任意方面或实施例所述的电气器件。

附图说明

附图构成本说明书的一部分，其描述了本公开的示例性实施例，并且连同说明书一起用于解释本实用新型的原理，在附图中：

图1是示出了根据本公开一个实施例的电气器件的电路示意图；

图2是示出了根据本公开一个实施例的电气器件的电路示意图；

图3是示出了根据本申请一个实施例的电气器件的结构示意图；

图4是图3中所示的虚线部分的示意性的放大视图；

图5示出了根据本申请一个实施例的电气器件中的功率半导体元件的门极；

图6示出了图3所示的电气器件中以环形布置的开关元件的示意图；

图7示出了图3所示的电气器件中连接件以及绝缘件的示意图；

图8示出了根据本申请另一个实施例的电气器件的结构示意图；

图9示出了根据本申请一个实施例的电气器件中设置的用于冷却的通道的示意图。

具体实施方式

下面将参考附图详细描述本公开的各种示例性实施例。但应理解，对各种实施例的描述仅仅是说明性的，在任何意义上都不是对本申请所要求保护的实用新型的限制。除非另有具体说明或者上下文或其原理明示或者暗示，在示例性实施例中的组件和步骤的相对布置、表达式和数值等不作为对本申请所要保护的实用新型的限制。

本文中所用的术语，仅仅是为了描述特定的实施例，而不意图限制本公开。除非上下文明确地另外指出，本文中所用的单数形式的“一”和“所述”意图同样包括复数形式。还要理解的是，“包含”一词在本文中使用时，说明存在所指出的特征、整体、步骤、操作、单元和/或组件，但是并不排除存在或增加一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、单元和/或组件以及/或者它们的组合。

在本公开中，术语“耦接”被用来表示对象之间的直接或间接的接合或连接，包括(但不限于)机械地和/或电地耦接。

在本公开中，术语“电气”被用来表示其所限定的对象涉及电；因此，术语“电气”可以包括“电子”或“电力”或“电力电子”的含义。因此，术语“电气”也需要时可以被适当地替换为“电子”或“电力”或“电力电子”。

在本公开中采用“之上”、“之下”之类的术语来表示对象之间的位置关系。但应理解，这样的术语仅仅是描述性的而不是限制性的，本实用新型还可以在不同于上述描述的取向上实现。

图1示出了根据本公开一个实施例的电气器件的电路示意图。具体来说，如图1所示，电气器件可以包括驱动模块以及功率半导体元件106。驱动模块可以用于驱动功率半导体元件106来进行开关动作。驱动模块可以包括用于关断功率半导体元件的关断模块100和/或用于导通功率半导体元件的导通模块102。

作为示例，导通模块100可以包括可控电流源，该可控电流源可以包括电压源S、电感器L、电阻器R以及多个开关元件Q₁、Q₂，如图1所示。作为示例，关断模块102可以包括多个开关元件Q_G、Q_E，如图1所示。

在一些实施例中，开关元件(如Q_G、Q_E)可以包括DirectFet^TM。DirectFet^TM是由国际整流器公司(International Rectifier company)生产和销售的一种类型的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，其金属壳体连接到MOSFET的一个电流电极(通常漏极)，并且其壳体能够直接耦接到外部装置(如PCB等)。

功率半导体元件106可以具有控制端子(G)以及电流端子(A和K)。功率半导体元件106的例子可以包括(但不限于)门极换流晶闸管(GCT)、门极可关断晶闸管(GTO)等。

其中整合了门极换流晶闸管(GCT)或门极可关断晶闸管(GTO)等以及驱动模块的一部分或者全部的电气器件可以称为集成门极换流晶闸管(IGCT)或发射极关断晶闸管(ETO)。

下面以门极换流晶闸管(GCT)作为功率半导体元件106的例子进行说明。门极换流晶闸管(GCT)可以具有作为控制电极(端子)的门极G以及作为电流电极(端子)(或者电流承载电极)的阳极A和阴极K。

在要导通门极换流晶闸管(GCT)时，导通模块100向门极换流晶闸管(GCT)106的门极G注入电流I，以使GCT导通。该注入电流可以被配置为具有较高的电流变化率(dI/dt)和较大的电流幅值，从而保证功率半导体元件的均匀导通。此时，关断模块102不工作。

在关断门极换流晶闸管(GCT)时，导通模块不工作，关断模块102的开关Q_G导通，开关Q_E关断，电流从功率半导体元件的阴极K换流到门极G，从而使得GCT关断。

图2是示出了根据本公开另一实施例的电气器件的电路示意图。图2所示的电气器件包括导通模块200、关断模块202、管壳以及功率半导体元件206。图2所示的电气器件在导通模块与功率半导体元件的结构上与图1所示的结构基本相同，不同之处在于关断模块202。图2所示的关断模块202可以包括开关元件Q_G、电容器C_OFF以及电压源V。电压源V可以用于向电容器C_OFF预充电。

在要导通功率半导体元件206时，关断模块不工作，导通模块向功率半导体元件206的门极G注入较大的电流I，以使功率半导体元件206导通。在要关断功率半导体元件206时，导通模块不工作，开关Q_G导通，从而通过预充电的电容器C_OFF将电流从阴极K换流到门极G，从而使得功率半导体元件206关断。

在现有技术中常用的半导体器件的电路布置中，导通模块和关断模块均处于功率半导体元件的封装件(管壳)以外，使得关断功率半导体元件时的换流回路的面积较大，进而导致换流回路中的杂散电感较大。因此，需要对半导体器件的封装结构进行改进，减小换流回路面积，以便减小换流回路中的杂散电感。

应理解，本实用新型不限于图1和2所示的驱动模块以及驱动模块与功率半导体元件的连接方式。

下面参考图3-图5对本公开的一些实施例进行说明。

图3示出了根据本申请的一个实施例的包括功率半导体元件的电气器件的结构示意图。为了清楚的目的，图4示出了图3中的虚线部分的示意性的放大视图。

如图3所示，该电气器件可以包括功率半导体元件304。功率半导体元件304的例子可以包括(但不限于)SCR、GCT、GTO等。功率半导体元件304可以形成在半导体基板中。因此，在图3中，304也可用于指示该半导体基板。在该半导体基板的一个表面上布置有该功率半导体元件304的门极(也称作控制电极)和电流电极(下面也称作第一电流电极，例如阴极K)501(见附图5，图3中未示出)。

该电气器件还可以包括印刷电路板315，其上可以布置有用于驱动功率半导体元件304的驱动模块。驱动模块可以包括用于关断功率半导体元件304的关断模块和/或用于导通功率半导体元件304的导通模块，如前面结合附图1和2所说明的。该驱动模块可以包括至少一个第一开关元件(例如Q_G)。本领域技术人员容易明了，每个第一开关元件可以包括控制端子和电流端子。

在一个实施例中，如图3所示，第一开关元件可以包括作为电流端子(电极)的漏极端子311和源极端子312以及作为控制端子(电极)的栅极端子318。作为示例，该第一开关元件的漏极端子311和栅极端子318可以电连接到该印刷电路板315上。在一个实施例中，漏极端子311和栅极端子318可以通过压接、焊接或者其他可用的连接方式耦接到印刷电路板315上。

电气器件还可以包括第一导电块307。第一导电块307可以被设置于功率半导体元件304和印刷电路板315之间，用于提供到第一电流电极501(稍后将更详细说明)的电连接。这里，图3中还示出了可选的设置在功率半导体元件304和导电块307之间的导电片306。另外，尽管这里可能未作示出，但在需要时，可以在彼此电连接的导电部件设置绝缘部件，以例如提供特定几何形状的电连接。

在一个实施例中，第一导电块307可以用于提供到功率半导体元件304的阴极的电连接。第一导电块307可以由导电金属制成，优选地，第一导电块可以是金属铜块。第一导电块307可以通过压接与功率半导体元件304的电极耦接，从而提供到该电极的电连接。

在一个实施例中，在第一导电块307和功率半导体元件304之间还可以包括与功率半导体元件304的第一电流电极501以及导电块307直接接触的导电片306。优选地，导电片306可以包括具有与功率半导体元件304的热膨胀系数一致的热膨胀系数的导电材料，例如钼。导电片306可以用于减少导电块与功率半导体元件之间的接触带来的机械摩擦。

电气器件还可以包括一个或多个连接件309。每个连接件309可以与第一导电块307电隔离地穿过第一导电块307，并连接到门极500的一部分。换而言之，导电块307可以具有一个或多个对应的穿通的开口，以容纳对应的连接件309以及将连接件309与导电块307电隔离的绝缘部件310。每个连接件309可以与相应的第一开关元件相关联。

电气器件还可以包括一个或多个第一弹簧部件308，例如蝶形弹簧。每个第一弹簧部件308可以被置于对应的连接件309和与对应的连接件309相关联的第一开关元件之间，以使得每个第一开关元件的端子(例如第一电流端子)可以通过第一弹簧部件308和连接件309电连接到门极500的一部分。其中在一个实施例中，如图3所示，第一电流端子可以是第一开关元件的漏极端子318。

通过第一弹簧部件308上述这样的布置，使得能够通过压力配合将第一开关元件(如Q_G)通过连接件309与门极500的一部分紧密连接，但又不会由于施加到功率半导体元件304的大的机械压力而导致功率半导体元件304(例如其半导体基板或半导体基板上的电极等)损坏，提高了可靠性。

在大容量或大功率的功率半导体元件304(例如，尺寸为4英寸或6英寸或者更大)的情况下，在制备过程中需要对功率半导体元件304施加较大的压力(例如，4英寸对应36-44kN，6英寸对应90-130kN)来实现功率半导体元件304上的所有单元与周围部件之间的可靠接触，从而降低接触电阻，因此在这种情况下图3所示的布置更为有利。

另外，通过上述的布置，将图1和图2所示的关断模块连同功率半导体元件都集成在管壳(即封装件)中，可以显著地减小半导体器件内部的换流回路的面积，从而有效地降低换流回路中的杂散电感，进而提高换流速度，并提高关断可靠性。

图5示出了根据本申请的一个实施例的电气器件中的功率半导体元件的俯视图。在功率半导体元件304的半导体基板的一个表面(例如，半导体基板的下表面)上可以布置有门极500以及第一电流电极501。优选地，第一电流电极501可以被设置为围绕门极500。在一个实施例中，门极500可以在半导体基板上成环形布置。门极500的内部可以是第一电流电极501的一部分，并且门极500的外部可以是第一电流电极501的另一部分。在一个实施例中，第一电流电极501可以是功率半导体元件304的阴极。尽管这里的图5仅仅示出了门极500在半导体基板上呈连续的圆环形布置的情形，但应当理解的是，门极500也可以在半导体基板上被设置为任意适当形状的连续的或不连续的环，例如，椭圆形环、方形环、规则多边形环、不规则多边形环等。

图6示出了根据本公开一个实施例的开关元件的布置的示意图。在一个实施例中，如图6所示，至少一个开关元件可以以环形分布的布置设置在印刷电路板315上。图6中示出了分别以近似同心环形布置的第一多个开关元件600、第二多个开关元件601、以及第三多个开关元件602。在一个实施例中，所述第一多个开关元件600可以对应于图1中所示的驱动模块中的关断模块102中的开关Q_G，而所述第二多个开关元件601以及第三多个开关元件602可以对应于图1中所示的驱动模块中的关断模块102中的开关Q_E。尽管这里的图6示出了开关元件以圆环形布置在半导体基板上，但应当理解，第一开关元件也可以以其他任意形状的环状布置在半导体基板上，例如，椭圆形、方形、多边形等。

图7示出了根据本公开另一实施例的电气器件的部分的俯视示意图。图7中示出了被配置为分离的弧形的连接件309的上表面700，以及围绕连接件309的绝缘件310的上表面701。图7还示出了设置在印刷电路板315上的开关元件，例如开关Q_E。

通过上述这样的布置，使得能够通过压力配合或者压接将开关元件(如Q_G)与功率元件的电极紧密连接从而提供可靠的连接，并进一步降低了由于施加到功率半导体元件304的机械压力而导致功率半导体元件304(例如其半导体基板或半导体基板上的电极等)损坏的可能性。此外，还可以降低接触电阻，降低杂散电感，进而提高换流速度，并提高关断可靠性。

回到图3，在一个实施例中，电气器件还可以包括第二导电块(在某些实施例中，也称作负极导电块)316。导电块316可以通过压力配合与印刷电路板315耦接，更确切地，与印刷电路板315上的导电部件(例如，导电盘(pad)或电极等)耦接，以提供到印刷电路板的电连接。在图3所示的实施例中，印刷电路板315被示出为布置在负极导电块316与第一导电块307之间。尽管在图中未示出，但是应当理解，在需要时，也可以在导电块316与印刷电路板之间也可以存在垫片或者适当的绝缘部件。

在一个实施例中，导电块316还被设置为与开关元件的源极端子312紧密接触以提供到源极端子312的电连接。如图3所示，通过在负极导电块316的相应位置处设置突起，使得源极端子312与负极导电块316能够紧密接触。

在一个实施例中，如图3所示，第一导电块307可以包括穿透其的第一开口，所述第一开口适于将相应的连接件309、相应的第一开关元件以及相应的第一弹簧部件308容纳于其中。在一个实施例中，如图3所示，连接件309可以包括突出的第一部分309-2以及具有凹陷的第二部分309-4。所述第一部分309-2的横向尺寸可以小于所述第二部分的横向尺寸309-4。相应的开关元件以及相应的弹簧部件308容纳于所述第二部分309-4中。所述第二部分可以包括布置在凹陷边缘处并且延伸至印刷电路板315的侧臂309-1和309-3。侧臂309-1和309-3可以也通过压力配合与印刷电路板315接合以提供电连接。侧臂309-1和309-3和第一部分309-2可以被配置为基本与印刷电路板315和功率半导体元件304的半导体基板基本垂直，如图3和图4所示。

通过侧臂309-1和309-3，连接件309可以将门极500或其一部分电连接到印刷电路板315上。如此，门极500或其一部分可以通过第一弹簧部件308和连接件309连接到印刷电路板315上的开关Q_G的第一电流端子，并且门极500或其该部分还可以通过连接件309的侧臂309-1和309-3连接到印刷电路板315上的连接位点(其与第一电流端子基本等电位)，从而在门极500与开关Q_G的第一电流端子所处的电位之间存在分立的冗余的电流路径，从而既可以增加通流能力，又可以提供冗余的电流路径，从而提高了可靠性。

在一个实施例中，第一弹簧部件308可以是碟形弹簧。但应当理解，第一弹簧部件308可以采用任何形状的能够产生适合弹力的导电部件，包括但不限于前面所述的碟形弹簧、压簧等任何适合的弹簧。

在前所述的，电气器件还可以包括一个或多个第二开关元件(如Q_E)。第二开关元件Q_E可以与第一开关元件可以被置于印刷电路板315的相同表面上。电气器件还可以包括一个或多个第二弹簧部件320。每个第二弹簧部件320可以被设置在对应的第二开关元件Q_E与第一导电块307之间，以使得第二开关元件Q_E通过所述第一导电块307与所述功率半导体元件304的电极(例如第一电流电极501)电连接。具体来说，在一个实施例中，第一电流电极500可以是功率半导体元件304的阴极，通过第二弹簧部件320，可以使得功率半导体元件304的阴极与第二开关元件Q_E通过第一导电块307电连接。

第二弹簧部件320可以是碟形弹簧。但应当理解，第二弹簧部件320可以采用任何形状的能够产生适合弹力的弹性导电部件，包括但不限于弹簧。

在一些实施例中，与第一开关元件类似地，第二开关元件Q_E可以包括漏极端子313、源极端子314和栅极端子317。通过第二弹簧部件320和第一导电块307，第二开关元件Q_E的漏极端子313可以与功率半导体元件304的第一电流电极501电连接。

多个第二开关元件Q_E可以也以环形分布设置在印刷电路板315上。优选地，如图3、图6所示，沿径向方向，在至少一部分第一开关元件600的两侧可以分别对称地布置两个第二开关元件Q_E。具体来说，在一个实施例中，如图6所示，多个第一开关元件可以以第一环形600布置，而在第一环形600的外部和内部分别布置有由多个第二开关元件Q_E形成的第二环形601和第三环形602。针对第一环形600中的部分或者全部第一开关元件，沿第一环形600的径向方向，在第一开关元件的每一侧可以分别布置有一个相应的第二开关元件Q_E。优选地，第一开关元件与两侧相应的第二开关元件Q_E的距离可以被设置为基本相等。在一些实施例中，通过第二开关元件Q_E这样对称的布置，可以使得功率半导体元件304的门极与其不同位置的阴极之间的换流回路的面积基本上一致，从而使得不同回路的换流速度基本一致。从而，可以使得功率半导体元件304内部不同位置处的单元的均匀关断，防止某个或某些单元发热过多，进而防止造成功率半导体元件304的损坏。

通过利用第二弹簧部件320这样的布置，能够使得第二开关元件Q_E通过第一导电块307与第一电流电极501紧密连接，但又不会由于外部施加到功率半导体元件304的过大的压力而损坏。在大容量或大功率的功率半导体元件304(例如，尺寸为4英寸或6英寸的功率半导体元件304)的情况下，需要施加较大的压力(例如，4英寸对应需要例如36-44kN，6英寸对应需要例如90-110kN)，因此第二弹簧部件520这样的布置更为有利。

通过上述这样的布置，使得能够通过压力配合或者压接将开关元件(如Q_G、Q_E)与功率元件的电极紧密连接从而提供可靠的连接，并进一步降低了由于施加到功率半导体元件的机械压力而导致功率半导体元件(例如其半导体基板或半导体基板上的电极等)损坏的可能性。此外，还可以降低接触电阻，降低杂散电感，进而提高换流速度，并提高关断可靠性。

再次回到图3，电气器件还可以包括将印刷电路板315连接到外部的同轴电缆319。在一个实施例中，同轴电缆319可以提供外部分别与第一开关元件和/或第二开关元件Q_E的栅极端子和/或源极端子的连接，从而控制开关Q_G和/或Q_E的导通和关断。或者，同轴电缆319可以提供外部分别与功率半导体元件304的门极500和/或第一电流电极501的连接，从而控制功率半导体元件304的导通和关断。或者，可以通过同轴电缆319来测量流过开关元件(例如，Q_G和/或Q_E、Q₁和/或Q₂等)的电流，从而对开关元件进行过流保护。

如图3所示，电气器件还可以包括第三导电块305，第三导电块305可以用于提供到功率半导体元件304的被布置在半导体基板的另一表面上的第三电流电极的电连接。在一个实施例中，第三电流电极可以是功率半导体元件304的阳极，阳极可以位于半导体基板的上表面。如图3所示，在第三导电块305和功率半导体元件304之间还可以包括与功率半导体元件304的第三电流电极直接接触的导电垫片303，其中导电垫片303可以包括具有与功率半导体元件304的热膨胀系数一致的热膨胀系数的导电材料，例如钼，用于改善第三导电块305和功率半导体元件304之间的接合，减少导电块与功率半导体元件之间的接触带来的机械摩擦。

电气器件还可以包括封装外壳，其可以与第二导电块316和第三导电块305共同包封功率半导体元件304和驱动模块。具体来说，封装外壳可以包括支撑件301。第三导电块305和第二导电块316各自可以具有从其侧面延伸出来的延伸部。支撑件301可以设置在第三导电块305和第二导电块316的延伸部之间，从而形成腔体302。功率半导体元件304、印刷电路板315等可以设置在腔体202中。支撑件301可以由陶瓷形成。在一个实施例中，支撑件301的外侧可以被设置有突起(也称作伞裙结构)，如图3所示，以便增加爬电距离，提高绝缘性能。在一个实施例中，可以在密封的腔体302中充有性质稳定、不容易分解的气体，例如，氮气、氦气等，从而进一步保护功率半导体元件304不易受到外部环境的影响。支撑件301中还可以设置有用于通过同轴电缆319的开口。

在一个实施例中，功率半导体元件304可以包括门极换流晶闸管(GCT)或门极可关断晶闸管(GTO)。在一个实施例中，图3所示的电气器件可以构成发射极关断晶闸管(ETO)。

现在参考图8。图8示出了根据本申请的另一个实施例的半导体元件的电气器件的结构示意图。与图3类似地，该电气器件可以包括功率半导体元件800、印刷电路板801、布置在印刷电路板801上的包括一个或多个第一开关元件的驱动模块、第一导电块804、一个或多个第一弹簧部件808、一个或多个连接件809。图8所示的实施例与图3所示的实施例的不同之处在于：印刷电路板801设置在第一导电块804中的开口中；第一开关元件的栅极端子、源极端子以及漏极端子均可以通过焊接或者其他可用的电连接方式电连接到印刷电路板801上；以及布置在印刷电路板801上的驱动模块还可以包括附接到印刷电路板801(图中在801的下表面)的电容器803。在一个实施例中，电容器803可以通过印刷电路板801与第一开关元件电连接。

由于图8中的功率半导体元件800、第一导电块804、第一开关元件、第一弹簧部件808、连接件809以及同轴电缆802、806以及其他未标识的部件与图3中对应部件基本相同，这里不再赘述。就图3所进行的说明可以容易地适用于本实施例。

在一个实施例中，功率半导体元件800可以包括GCT或GTO，而图8所示的电气器件可以构成集成门极换流晶闸管(IGCT)。

图9示出了根据本申请的一个实施例的电气器件的示意图。如图9所示，优选地，在第一导电块中可以设置有用于冷却的通道900、901。在一些实施例中，在使用流体进行冷却的情况下，通道900可以是与外界连通的进出流体的管道，通道901可以是第一导电块中的流体通道。由于半导体器件的主要发热部分是功率半导体元件304，而印刷电路板315通常采用导热性能较差的材料，因此热量容易在第一导电块内积聚，而通过在第一导电块中设置用于冷却的通道，可以有效地改善整个半导体器件的散热性能。另外，尽管在图9所示的实施例中，冷却通道901被示出为设置在第一导电块中，然而本实用新型不限于此。需要时，可以替代地或者另外地在其他导电块中或导电块外侧设置冷却通道。优选地，冷却用流体是不导电的。在使用例如水等可能会导电的流体的情况下，优选使用去离子水，或在冷却通道内设置绝缘层，以提供绝缘。

至此应理解，本公开还提供了一种电气装置，其可以包括上文详细描述的电气器件。所述驱动模块可以包括关断模块和/或导通模块等。

以上已经描述了本公开的各种实施例，但是上述说明仅仅是示例性的，并非穷尽性的，并且本实用新型也不限于所公开的各种实施例。在此公开的各实施例可以任意组合，而不脱离本实用新型的精神和范围。根据本实用新型在此的教导，相关技术领域的普通技术人员可以容易地想到许多修改和变化，这些修改和变化也被涵盖在本实用新型的精神和范围内。

Claims (19)

1.一种电气器件，其特征在于，该电气器件包括：

在其上形成了功率半导体元件的半导体基板，其中在所述半导体基板的一个表面上布置有所述功率半导体元件的控制电极和第一电流电极；

印刷电路板，其上布置有用于驱动所述功率半导体元件的驱动模块，所述驱动模块包括至少一个第一开关元件，每个第一开关元件包括控制端子和电流端子；

第一导电块，设置于所述半导体基板和所述印刷电路板之间，用于提供到所述第一电流电极的电连接；

一个或多个连接件，每个连接件与所述第一导电块电隔离地穿过所述第一导电块并连接到所述控制电极的一部分，并且每个连接件与相应的第一开关元件相关联；以及

一个或多个第一弹簧部件，每个第一弹簧部件置于与其对应的连接件和与所述对应的连接件相关联的第一开关元件之间，以使得每个第一开关元件的电流端子中的第一电流端子通过所述连接件电连接到所述控制电极的一部分。

2.根据权利要求1所述的电气器件，其中所述控制电极在半导体基板上成环形布置。

3.根据权利要求1所述的电气器件，其中所述至少一个第一开关元件以环形布置分布在所述印刷电路板上。

4.根据权利要求1所述的电气器件，其中每个第一开关元件包括作为电流端子的漏极端子和源极端子以及作为控制端子的栅极端子，其中所述第一电流端子是第一开关元件的漏极端子，所述第一开关元件的漏极端子和栅极端子耦接到所述印刷电路板。

5.根据权利要求1所述的电气器件，其中所述第一弹簧部件是弹簧。

6.根据权利要求1所述的电气器件，其中所述第一导电块包括穿透其的第一开口，所述第一开口适于将相应的连接件、相应的第一开关元件以及相应的第一弹簧部件容纳于其中。

7.根据权利要求1所述的电气器件，其中所述连接件具有突出的第一部分以及具有凹陷的第二部分，所述第一部分的横向尺寸小于所述第二部分的横向尺寸，其中相应的第一开关元件以及相应的第一弹簧部件容纳于所述第二部分中，所述凹陷包括布置在凹陷边缘处并且延伸至所述印刷电路板的侧臂。

8.根据权利要求1所述的电气器件，还包括布置在所述连接件与所述第一导电块之间的使两者彼此绝缘的绝缘件。

9.根据权利要求1所述的电气器件，其中所述驱动模块还包括附接到所述印刷电路板的电容器。

10.根据权利要求1所述的电气器件，还包括：

一个或多个第二开关元件，所述第二开关元件与所述第一开关元件置于所述印刷电路板的相同表面上，以及

一个或多个第二弹簧部件，每个第二弹簧部件设置在对应的第二开关元件与第一导电块之间，以使得第二开关元件通过所述第一导电块与所述功率半导体元件的第一电流电极电连接。

11.根据权利要求10所述的电气器件，其中所述多个第二开关元件以环形布置分布在所述印刷电路板上，沿所述环形的径向方向，在至少部分第一开关元件的两侧分别对称地布置一个第二开关元件。

12.根据权利要求10所述的电气器件，所述第二弹簧部件是弹簧。

13.根据权利要求1所述的电气器件，其中在所述第一导电块中设置有用于冷却的通道。

14.根据权利要求1所述的电气器件，其中所述第一开关元件包括DirectFet。

15.根据权利要求10所述的电气器件，其中所述第二开关元件包括DirectFet。

16.根据权利要求1所述的电气器件，其中所述功率半导体元件包括门极换流晶闸管(GCT)、门极可关断晶闸管(GTO)。

17.根据权利要求1所述的电气器件，还包括：

将所述印刷电路板连接到外部的同轴电缆。

18.根据权利要求1所述的电气器件，还包括：

第二导电块，与所述印刷电路板耦接；

第三导电块，与所述功率半导体元件的被布置在所述半导体基板的另一表面上的第二电流电极耦接；以及

封装外壳，其与所述第二导电块和所述第三导电块共同包封所述功率半导体元件和所述驱动模块。

19.一种电气装置，其特征在于，该电气装置包括根据权利要求1-18中的任一项所述的电气器件。