CN208690256U - 一种电气器件 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种电气器件，所述电气器件包括：功率半导体元件，所述功率半导体元件的控制电极和电流电极成环形布置，且所述控制电极设置在环形外圈，所述电流电极设置在内圈；驱动模块，所述驱动模块包括至少一个开关元件，用于驱动所述功率半导体元件；一个或多个第一导电块，设置于所述功率半导体元件的一侧，用于提供开关元件到所述电流电极的连接；一个或多个弹性结构，所述弹性结构包括基座、辅助弹片以及弹簧。该电气器件具有换流回路面积小，换流回路杂散电感低，以及换流速度快的特点，且该电气器件中的弹性结构为导电块与电路板的接触面提供了压力，减小了接触电阻，并可以限制开关元件表面受到的压力上限值。

Description

一种电气器件

技术领域

本实用新型属于电子电路技术领域，特别是涉及一种电气器件。

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。

现有技术中的功率半导体器件，一般将功率半导体元件(有时也称为器件晶片、器件芯片或器件管芯)与关断模块置于封装件(也称管壳)内，且功率半导体元件门极环的内侧与外侧均为阴极，进而用于连接阴极的导电块则需要隔离出多个连接门极的通道，即需要多个阴极导电块，因此导致封装结构较为复杂。

另外，由于在使用GCT或GTO时需要在其两侧压接钼片，且压接钼片时需施加几十牛顿以上的压力，而在此过程中驱动模块中的开关元件受到的压力可能远大于其能够承受的压力，其中，单个开关元件仅能承受50-100N的压力，因此，若将开关元件集成于管壳内，存在不同组件的压力差异和配合问题。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供了一种电气器件，该电气器件具有换流回路面积小，换流回路杂散电感低，换流速度快、以及散热能力强的特点。

有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种电气器件，采用以下技术方案：一种电气器件，包括：

功率半导体元件，所述功率半导体元件的控制电极和电流电极成环形布置，且所述控制电极设置在环形外圈，所述电流电极设置在内圈；

驱动模块，所述驱动模块包括至少一个开关元件，用于驱动所述功率半导体元件；所述开关元件以环形阵列或矩阵型阵列进行布置，其中，所述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；

一个或多个第一导电块，设置于所述功率半导体元件的一侧，用于提供开关元件到所述电流电极的连接；

一个或多个弹性结构，所述弹性结构包括基座、辅助弹片以及弹簧，其中，所述基座的底部与所述开关元件的漏极端子顶部耦接，所述基座上还设有凹槽，所述弹簧一端与基座的凹槽耦接，所述弹簧的另一端与第一导电块底部凹槽耦接，所述辅助弹片设置在弹簧的两侧，且所述辅助弹片的一端与基座耦接。

进一步，同一阵列中的开关元件的漏极端子为不同电位时，则设置多个第一导电块与开关元件相关联，且不同的第一导电块之间设置有绝缘环隔层。

进一步，同一阵列中的开关元件的源极端子为不同电位时，则设置多个第二导电块与开关元件相关联。

进一步，还包括至少一个电路板，且所述开关元件的漏极端子和栅极端子耦接到所述电路板。

进一步，还包括至少一个第二导电块，所述第二导电块与所述电路板耦接；

所述第一导电块与所述第二导电块之间施加压力小于或等于预设压力值时，所述第一导电块与所述电路板不接触，所述第一导电块仅能够通过所述弹性结构与所述开关元件漏极端子连接；

所述第一导电块与所述第二导电块之间施加压力大于所述预设压力值时，所述第一导电块与所述电路板接触，所述第一导电块既能够通过所述弹性结构与所述开关元件的漏极端子连接，也能够通过所述电路板与所述开关元件的漏极连接。

进一步，还包括一个或多个连接件，所述连接件设置在所述第一导电块的侧面，且与第一导电块相隔离，所述连接件连接到所述控制电极的一部分，并且所述连接件通过弹性结构与相应的开关元件相关联。

进一步，所述驱动模块还包括附接到所述电路板的电容器。

进一步，在所述第一导电块中设置有用于冷却的通道。

进一步，还包括：

同轴电缆，用于将所述电路板连接到外部；

第三导电块，与所述功率半导体元件的电流电极耦接；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。

进一步，所述功率半导体元件可以包括门极换流晶闸管(GCT)、门极可关断晶闸管(GTO)。

与现有技术相比，本实用新型具有如下有益效果：

1、该电气器件将驱动模块的关断回路集成到管壳内部，显著减小换流回路面积，降低换流回路杂散电感，提高换流速度。

2、该电气器件的弹性结构可以保证开关元件与功率半导体元件的阴极通过导电块紧密相连，同时可以限制开关元件表面受到的压力上限值，使得开关元件不会因为过大的压力压坏，从而使第一导电块和第二导电块间施加的压力范围更大，适用范围更广。

3、该弹性结构也为导电块与电路板的接触面提供压力，减小接触电阻，利用辅助弹片，增加通流面积，从而增加整体结构的通流能力，同时电路板采用铜基电路板，且弹性结构具有辅助弹片，增强整体结构的散热能力。

4、该电气器件具有水冷通道，可进一步保证功率半导体元件有效散热。

5、该电气器件可用于门极环在外侧的晶闸管型器件，从而该电气器件中仅设计一个阴极导电块即可，简化结构，降低生产成本。

6、开关元件采用并联阵列，结构简单、紧凑。

本实用新型的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。本实用新型的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，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的附图。

图1是本实用新型实施例中一种电气器件的结构示意图；

图2是本实用新型实施例中一种电气器件中的功率半导体元件布置示意图；

图3是本实用新型实施例中一种开关元件环形布置示意图；

图4是本实用新型实施例中另一种开关元件环形布置示意图；

图5是本实用新型实施例中一种弹性结构示意图；

图6是本实用新型实施例中一种电路板结构示意图；

图7是本实用新型实施例中一种电气器件中适用于压接型MOSFET的结构布置示意图；

图8是本实用新型实施例中一种电气器件的结构示意图；

图9是本实用新型实施例中另一种电气器件的结构示意图；

图10是本实用新型实施例中一种压接型MOSFET的结构布置示意图；

图11a是本实用新型实施例中另一种压接型MOSFET的结构布置示意图；

图11b是本实用新型实施例中一种压接型MOSFET封装结构示意图；

图12是本实用新型实施例中一种电气器件的电路示意图；

图13是本实用新型实施例中另一种电气器件的电路示意图。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1所示，本实用新型实施例中介绍了一种电气器件的结构示意图，图1中所述电气器件包括第三导电块5、功率半导体元件4、第一导电块7、连接件9、弹性结构8、开关元件、电路板15、第二导电块16。其中，所述功率半导体元件4的表面连接有导电片，所述导电片3与功率半导体元件4的上表面连接，所述导电片6与功率半导体元件4的下表面连接，所述导电片3、6可以是(但不限于)金属片，例如钼片。所述导电片6与第一导电块7连接，所述第一导电块7底部设置有至少一个凹槽，所述凹槽中设置有弹性结构与开关元件，所述第一导电块7还用于提供功率半导体元件4到所述开关元件电流电极的电连接，所述开关元件与电路板15连接，电路板15还连接有第二导电块16。

所述连接件9设置于第一导电块7的两侧，且与所述第一导电块7相隔离，因此，所述连接件9的外侧设置有绝缘块10。所述连接件9一端连接功率半导体元件的控制电极(门极)，另一端通过相关联的弹性结构8与相关联的开关元件连接。

本实施例中，所述功率半导体元件4的例子可以包括(但不限于)普通晶闸管SCR、门极换流晶闸管GCT、门极关断晶闸管GTO等。功率半导体元件4可以形成在半导体基板中，因此，在图1中，4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4的门极(也称作控制电极)和电流电极(例如阴极K)。

本实施例中，所述功率半导体元件可以具有控制电极(门极G)以及电流电极(阳极A和阴极K)，所述功率半导体元件4的控制电极与电流电极在半导体基板上成环形布置。如图2所示，所述控制电极(门极)41设置在环形外圈，所述电流电极42(阴极或阳极)设置在内圈。

本实施例中，所述电路板上设置有驱动模块，所述驱动模块可以包括关断模块和导通模块，所述关断模块至少包括一个开关元件，所述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；所述开关元件的漏极端子和栅极端子耦接到所述电路板。图1中，所述电路板上设有开关元件QG与开关元件QE；所述开关元件QG包括漏极端子11、源极端子12以及栅极端子18，所述漏极端子11和栅极端子18耦接到所述电路板15，所述源极端子12与第二导电块16连接。同理，所述开关元件QE包括漏极端子13、源极端子14以及栅极端子17，所述漏极端子13和栅极端子17耦接到所述电路板15，所述源极端子14与第二导电块16连接；优选地，为了保证第二导电块16与开关元件的源极端子连接紧密，所述第二导电块16上设置有突起，且所述突起的高度与电路板15的厚度一致。

本实施例中，所述开关元件可以包括DirectFet或压接型MOSFET阵列；其中，所述DirectFet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)。所述压接型MOSFET阵列或DirectFet可以采用环形排布或矩阵式排布。

如图3所示，本实用新型实施例中介绍了一种开关元件环形布置示意图，以近似同心环形布置，图3中每环代表一个开关元件。在一个实施例中，所述外环可以对应于图1中所示的驱动模块中的关断模块中的开关QG，而所述中间环与内环可以对应于图1中所示的驱动模块中的关断模块中的开关QE。尽管这里的图3示出了开关元件以圆环形布置在电路板上，且设置3个同心环，但应当理解，开关元件也可以以其他任意形状的环状布置在电路板上，例如，椭圆形、方形、多边形等；开关元件可以设置一个或多个圆环，例如可以是如图4所示的单圆环。

如图5所示，本实用新型实施例中还介绍了一种适用于压接型MOSFET的弹性结构，所述弹性结构包括主弹簧81，两个辅助弹片82，金属基座83。金属基座83具有凹槽结构，主弹簧81一端与金属基座83的凹槽耦接。辅助弹片82的一端与金属基座83耦接；主弹簧81的另一端与第一导电块7底部凹槽耦接，在无外部压力时，两个辅助弹片82的另一端与第一导电块7底部凹槽轻微接触或不接触。

基于图5的弹性结构，如图6所示，本实用新型实施例中还介绍了一种电路板15，所述电路板15包括顶层电路层，第一层绝缘导热层，中间电路层，第二层绝缘导热层和铜基板。电路板15示例性可以采用普通的FR4基材电路板，也可以采用铝基板或铜基板。

如图7所示，弹性结构8与压接型MOSFET设置于第一导电块7底部的凹槽内，弹性结构8的顶部与凹槽的内表面电气连接，在没有施加压力的情况下，第一导电块7与电路板15不接触，第一导电块7仅通过弹性结构8与压接型MOSFET漏极电气连接。弹性结构8底部的金属基座83耦接压接型MOSFET漏极端子顶部，压接型MOSFET底部源极端子和栅极端子电气连接所述电路板15；压接型MOSFET设置于电路板15上面；第二导电块16连接于电路板15的底部。

本实施例中，采用压接型MOSFET阵列与图5中弹性结构的电气器件，在电气特性上，具有如下性质：当第一导电块7与第二导电块16之间施加压力较小时，弹性结构8形变较小，第一导电块7与电路板15不接触，第一导电块7仅通过弹性结构8与压接型MOSFET漏极端子电气连接，弹性结构8中的辅助弹片82用于增加通流面积和接触面积，减小通流电阻和热阻。

当第一导电块7与第二导电块16之间施加压力较大时，弹性结构8形变较大，第一导电块7与电路板15接触，第一导电块7既能够通过弹性结构8与压接型MOSFET漏极电气连接，也能够通过第一导电块7与电路板15的接触面、经电路板15的顶层电路层的敷铜区域与压接型MOSFET漏极端子电气连接，从而增加第一导电块7与压接型MOSFET漏极的通流面积，减小通流电阻。同样，弹性结构8中的辅助弹片7用于增加通流面积和接触面积，减小通流电阻和热阻。

本实施例中，所述弹性结构8也可以是弹簧，例如蝶形弹簧。采用弹簧结构可以保证开关元件与功率半导体元件的阴极通过阴极铜块紧密相连，而又不因为过大的压力压坏。

本实施例中，如图1所示，所述电气器件还包括同轴电缆19，所述电路板通过同轴电缆19与驱动电路连接，优选地，所述同轴电缆19可以是多个，例如提供开关元件的栅极信号，或提供用于注入开通门极电流的门阴极连接或门极与负极连接，或用于过流保护检测的阴极与负极连接。

本实施例中，电气器件还可以包括封装外壳，其可以与第二导电块16和第三导电块5共同包封功率半导体元件4和驱动模块。具体来说，封装外壳可以包括支撑件1。第三导电块5和第二导电块16各自可以具有从其侧面延伸出来的延伸部。支撑件1可以设置在第三导电块5和第二导电块16的延伸部之间，从而形成腔体2。功率半导体元件4、电路板15等可以设置在腔体2中。支撑件1可以由陶瓷形成。在一个实施例中，支撑件1的外侧可以被设置有突起(也称作伞裙结构)，如图1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2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4不易受到外部环境的影响。支撑件1中还可以设置有用于通过同轴电缆19的开口。

如图8所示，本实用新型实施例中介绍了另一种电气器件的结构示意图，图2与图1的结构基本相同，不同之处在于，图2中的电气器件在图1的结构基础上添加了水冷通道20，且在第一导电块7中设置有多个水槽21。从而在电气器件中设置水冷通道，可保证功率半导体元件进行有效地散热。

如图9所示，本实施例中介绍了另一种电气器件的结构示意图，与图1类似地，该电气器件可以包括功率半导体元件、电路板、布置在电路板上的包括一个或多个开关元件的驱动模块、第一导电块24、第二导电块25、一个或多个弹性结构、一个或多个连接件。图9所示的实施例与图1所示的实施例的不同之处在于：电路板设置在第一导电块24的侧面；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电路板上；以及布置在电路板上的驱动模块还可以包括附接到电路板(图中在电路板的下表面)的电容器23。在一个实施例中，电容器23可以通过电路板与开关元件电连接。图9中还包括电容器23预充电的同轴电缆22与开关元件栅极端子的控制电缆26。

本实施例中，图1、图8以及图9中所述第一导电块可以是一体成型设置。优选地，若所述开关元件采用压接型MOSFET且采用图5所示的弹性结构时，进一步的，若压接型MOSFET采用如图10所示的不同环MOSFET的漏极为不同电位，则应设计多个第一导电块，并在不同的第一导电块之间增加绝缘环隔层，且所述多个第一导电块分别与漏极具有不同电位的MOSFET漏极相关联，如图11a与图11b所示；进一步地，若不同环MOSFET的源极为不同电位，同理，则应设计多个第二导电块，且所述多个第二导电块分别与源极具有不同电位的MOSFET相关联。

本实施例中，所述第一导电块、第二导电块以及第三导电块均为具有导电性能的金属块，例如铜块。

如图12所示，本实用新型实施例中介绍了一种电气器件的电路示意图，电气器件可以包括驱动模块、管壳以及功率半导体元件。驱动模块可以用于驱动功率半导体元件来进行开关动作。驱动模块至少包括用于关断功率半导体元件的关断模块，图12中，电气器件中所述关断模块至少包括开关元件QG、QE，在关断功率半导体元件时，关断模块的开关QG导通，开关QE关断，电流从功率半导体元件的阴极K换流到门极G，从而使得功率半导体元件关断。

图13是本实用新型实施例中另一种电气器件的电路示意图，图13所示的电气器件包括关断模块、管壳以及功率半导体元件。图13所示的关断模块可以包括开关元件QG、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。在要关断功率半导体元件时，开关QG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关断。

本实施例中，功率半导体元件可以具有控制端子(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，而图9所示的电气器件可以构成集成门极换流晶闸管(IGCT)。图1所示电气器件可以构成发射极关断晶闸管IETO和内部换流晶闸管ICT。

本实施例中，所述电气器件是由晶闸管型器件与相应封装结构组合而成，且用于电子电路的控制等。

尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种电气器件，其特征在于：包括：

功率半导体元件，所述功率半导体元件的控制电极和电流电极成环形布置，且所述控制电极设置在环形外圈，所述电流电极设置在内圈；

驱动模块，所述驱动模块包括至少一个开关元件，用于驱动所述功率半导体元件；所述开关元件以环形阵列或矩阵型阵列进行布置，其中，所述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；

一个或多个第一导电块，设置于所述功率半导体元件的一侧，用于提供开关元件到所述电流电极的连接；

一个或多个弹性结构，所述弹性结构包括基座、辅助弹片以及弹簧，其中，所述基座的底部与所述开关元件的漏极端子顶部耦接，所述基座上还设有凹槽，所述弹簧一端与基座的凹槽耦接，所述弹簧的另一端与第一导电块底部凹槽耦接，所述辅助弹片设置在弹簧的两侧，且所述辅助弹片的一端与基座耦接。

2.根据权利要求1所述的电气器件，其特征在于：同一阵列中的开关元件的漏极端子为不同电位时，则设置多个第一导电块与开关元件相关联，且不同的第一导电块之间设置有绝缘环隔层。

3.根据权利要求1所述的电气器件，其特征在于：同一阵列中的开关元件的源极端子为不同电位时，则设置多个第二导电块与开关元件相关联。

4.根据权利要求1所述的电气器件，其特征在于：还包括至少一个电路板，且所述开关元件的漏极端子和栅极端子耦接到所述电路板。

5.根据权利要求4所述的电气器件，其特征在于：还包括至少一个第二导电块，所述第二导电块与所述电路板耦接；

所述第一导电块与所述第二导电块之间施加压力小于或等于预设压力值时，所述第一导电块与所述电路板不接触，所述第一导电块仅能够通过所述弹性结构与所述开关元件漏极端子连接；

所述第一导电块与所述第二导电块之间施加压力大于所述预设压力值时，所述第一导电块与所述电路板接触，所述第一导电块既能够通过所述弹性结构与所述开关元件的漏极端子连接，也能够通过所述电路板与所述开关元件的漏极连接。

6.根据权利要求1所述的电气器件，其特征在于：还包括一个或多个连接件，所述连接件设置在所述第一导电块的侧面，且与第一导电块相隔离，所述连接件连接到所述控制电极的一部分，并且所述连接件通过弹性结构与相应的开关元件相关联。

7.根据权利要求1所述的电气器件，其特征在于：所述驱动模块还包括附接到电路板的电容器。

8.根据权利要求1所述的电气器件，其特征在于：在所述第一导电块中设置有用于冷却的通道。

9.根据权利要求5所述的电气器件，其特征在于：还包括：

同轴电缆，用于将所述电路板连接到外部；

第三导电块，与所述功率半导体元件的电流电极耦接；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。

10.根据权利要求1所述的电气器件，其特征在于：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)。