功率堆叠结构和方法
【专利摘要】一种功率变换设备，包括：多个紧压包装式功率半导体器件(42)；多个导热导电块(44，56)，所述多个导热导电块(44，56)提供于所述多个紧压包装式功率半导体器件(42)中；以及多个母线(46)，所述多个母线(46)提供于所述多个紧压包装式功率半导体器件(42)和所述多个导热导电块(44，56)中，以形成第一列(41)，所述第一列(41)在预定义的机械力下夹紧。所述多个母线(46)直接压入第一列或更多列(41)中以用于电连接，至少一个紧压包装式功率半导体器件(42)夹在两个导热导电块(44，56)之间，至少一个母线(46)夹在两个导热导电块(44，56)之间。还提供了一种组装功率变换设备的方法。所述设备和方法可以提供紧压包装式功率半导体器件的最优的热传递和最小的换向损失和应力。
【专利说明】功率堆叠结构和方法
【技术领域】
[0001] 本文中公开主题的实施例一般涉及方法和系统，并且更具体地涉及功率堆叠组件 的电气和机械结构。
【背景技术】
[0002] 紧压包装式（press-pack)半导体器件在许多应用中是用来控制电功率的流动或 变换连接到电动机或发电机所需的电压、电流或频率或干预电网的强大部件。紧压包装式 半导体器件用在各种各样应用范围的功率变换设备（例如功率变换器）中。这些应用包括 石油和天然气、金属、水、采矿和航运业的电动机驱动以及用于可再生能源（风力、太阳能） 和电力工业的功率/频率变换器。为了利用紧压包装式半导体器件的全部潜能，需要整体 组件（包括紧压包装式半导体器件、散热器、母线和其它部件）的适当机械设计。
[0003] 紧压包装式半导体器件的导电导热接口被设计成保持设备在整个寿命周期的良 好传导性质。这是通过产生足够数目的稳定金属-金属连接从而能够高效地将电流从半导 体器件传导到母线来实现的。
[0004] 对于采用紧压包装式功率半导体器件的功率变换器，功率半导体器件在所需压力 下彼此堆叠，以达到电和热接触，从而形成电路，以去除由于工作过程中的损耗产生的热。 堆叠（功率堆叠组件power stack assembly)可以具有包括功率半导体器件、散热器、绝缘 子、母线等等的用夹紧机构将这些部件连接在一起的单列或多列。压力被施加到每一列，确 保在各个紧压包装式模块之间有适当的电和热的接触。紧压包装式半导体器件是用于功率 变换器或电动机的变频驱动中的核心部件。
[0005] 功率半导体器件可以包括集成门极换流晶闸管（IGCT)、绝缘栅双极型晶体管 (IGBT)、注入增强栅晶体管（IEGT)、晶闸管（ETT或LTT)和二极管模块。对于高功率中压功 率变换器，当用在诸如石油和天然气、电力、钢厂和海上的应用中，紧压包装形式由于其更 高的功率密度和更高的功率处理能力因而是优选的。还有，由于紧压包装式半导体器件的 坚固性和良好的故障条件压接形式是优选的，即由于强大的机械夹紧力，紧压包装式部件 的故障不会导致电弧和等离子体事件，这与塑料封装中的功率半导体模块不同。
[0006] 功率堆叠组件10的一个例子示于图1A中。图1A显示了在压力作用下将多个紧 压包装式功率半导体器件16、母线18和散热器20保持在一起的夹紧机构12和14。紧压 包装式功率半导体器件16直接连接到母线18,而散热器20直接接触母线18。
[0007] 然而，这种布置增大了从紧压包装式功率半导体器件到散热器的热阻抗，原因是 母线的表面不象紧压包装式功率半导体器件的表面那么平（平滑）。就这一点而言，要注 意散热器20和紧压包装式功率半导体器件16的表面（电极表面）被制成具有高度的平整 度，而可购买的母线18可以包括多个层压在一起的铜板。因此，母线的平整度一般比散热 器或紧压包装式功率半导体器件的平整度低。紧压包装式功率半导体器件和母线之间的此 平整度的不同决定了在这两个元件之间有不良接触，这增大了不希望的热阻，降低了整个 功率堆叠组件的能力。
[0008] 克服上文讨论的一些局限性的一种不同方法提出如图1B中所示在散热器20的一 侧安装母线22。然而，由于列之间的距离增大，这种方法可能会增大电路中的杂散电感，除 增加了更多零件，增加了功率堆叠组装时的人力之外，还给电源开关带来更多的电应力并 且增大了功率损耗。
[0009] 因此，希望提供能避免前面描述的问题和缺点的系统和方法。
【发明内容】
[0010] 根据一个示例性实施例，有一种功率变换设备，包括：多个紧压包装式功率半导体 器件；多个导热导电块，所述多个导热导电块提供于所述多个紧压包装式功率半导体器件 中；以及多个母线，所述多个母线提供于所述多个紧压包装式功率半导体器件和所述多个 导热导电块中，以形成第一列，所述第一列在预定义的机械力下夹紧。所述多个母线直接压 入一列或更多列中以用于电连接，至少一个紧压包装式功率半导体器件夹在两个导热导电 块之间，至少一个母线夹在两个导热导电块之间。
[0011] 根据另一示例性实施例，有一种功率变换设备，包括：多个紧压包装式功率半导体 器件；多个导热导电块，所述多个导热导电块提供于所述多个紧压包装式功率半导体器件 中；多个母线，所述多个母线提供于所述多个紧压包装式功率半导体器件和所述多个导热 导电块中，以形成第一列，所述第一列在预定义的机械力下夹紧；第一和第二绝缘子，所述 第一和第二绝缘子被配置成夹住所述多个紧压包装式功率半导体器件、所述导热导电块和 多个母线以形成所述第一列，使所述第一列的端部是电绝缘的；以及堆叠框架，所述堆叠框 架被配置成向所述第一和第二绝缘子和所述第一列施加预定义的额定力。所述多个母线直 接压入所述第一列中以用于电连接，至少一个紧压包装式功率半导体器件夹在两个导热导 电块之间，至少一个母线夹在两个导热导电块之间。
[0012] 根据又一示例性实施例，有一种组装功率变换设备的方法，所述方法提供紧压包 装式功率半导体器件的最优的热传递和最小的换向损失和应力。所述方法包括：将紧压包 装式功率半导体器件夹在相应的导热导电块之间以形成第一列的步骤；将母线插入到所述 第一列中，使得至少一个母线提供于两个导热导电块之间的步骤；将第一和第二绝缘子加 入到所述第一列的端部，使得所述第一列的端部是电绝缘的步骤；以及在所述第一列上施 加额定力的步骤。
【专利附图】
【附图说明】
[0013] 并入并构成说明书的一部分的附图图解说明一个或更多个实施例，并且与描述一 起解释这些实施例。在图中：
[0014] 图1A-B是传统的功率堆叠组件的示意图；
[0015] 图2是根据示例性实施例的功率堆叠组件的示意图；
[0016] 图3是根据示例性实施例的另一功率堆叠组件的示意图；
[0017] 图4是图示根据示例性实施例的表面的平整度的示意图；
[0018] 图5是根据示例性实施例的三角形连接的功率堆叠组件的示意图；
[0019] 图6是根据示例性实施例的直线连接的功率堆叠组件的示意图；
[0020] 图7是图示根据示例性实施例用于在功率变换设备中组装功率堆叠组件的方法 的流程图。
【具体实施方式】
[0021] 下面对示例性实施例的描述参考附图进行。在不同的图中相同的附图标记标识相 同或相似的元件。以下的详细描述并不限制本发明。而是，本发明的范围由所附权利要求 限定。为了简便起见，关于功率变换设备的功率堆叠组件中的紧压包装式半导体器件的术 语和结构讨论以下的实施例。然而，接下来要讨论的实施例不局限于这些设备。
[0022] 在说明书中提到"一个实施例"表示与公开主题的至少一个实施例中包括的实施 例关联地描述的具体特征件、结构或特征。因此，在说明书的许多地方出现词语"在一个实 施例中"不一定指相同的实施例。进一步地，所述的具体特征件、结构或特征可以在一个或 更多个实施例中以任何适当方式组合。
[0023] 根据示例性实施例，功率变换设备包括形成至少一列的多个紧压包装式功率半导 体器件、多个散热器和至少一个母线。母线提供于相邻的散热器之间，使得避免母线和紧压 包装式功率半导体器件之间直接接触。在另一示例性实施例中，母线分布于散热器和金属 块之间，使得避免母线和紧压包装式功率半导体器件之间直接接触。金属块可以与紧压包 装式半导体器件直接接触。散热器或金属块朝向紧压包装式半导体器件的表面可以制造成 比母线的表面有更高的平整度，因此降低热阻抗。同样，对于形成超过一列的布置，紧压包 装式半导体器件和相应的散热器之间的re热传导路径被最小化，电应力由于换向回路减 少被降低。
[0024] 在图2所示的示例性实施例中，功率堆叠组件40有一列，这一列包括多个紧压包 装式功率半导体器件42。至少一个紧压包装式功率半导体器件夹在两个散热器44之间。 在一种应用中，每个紧压包装式功率半导体器件夹在两个散热器44之间。紧压包装式功率 半导体器件42可以有控制栅45。母线46放置成与相应的散热器44直接接触，与紧压包装 式半导体器件42不直接接触。在一个示例性实施例中，母线46都不与紧压包装式功率半 导体器件42直接接触。
[0025] 紧压包装式功率半导体器件42的一个例子是集成门极换流晶闸管（IGCT)、IGBT 或IGET。紧压包装式功率半导体器件的另一个例子是二极管。
[0026] 功率堆叠组件中的IGCT或IEGT或紧压包装式IGBT器件需要用很大的力压着，以 便从电学和热学观点高效地工作。获得这种效率的一个条件是在紧压包装式功率半导体器 件面向并接触散热器44的表面（电极表面）上均匀地分布力。光滑平直的电极表面确保有 均匀的力分布、良好的电接触和良好的热传递。相应地，散热器需要有足够的机械鲁棒性， 以承受大的力（例如高达135kN)压缩而无形变。形变可能导致不均匀的力分布。可以使 用铸造或挤压式散热器。散热器还可以由铝或铜制成。可以使用其它金属。散热器可以通 过诸如铣削或精车削的工艺适当加工，以获得推荐的表面加工。
[0027] 母线46并不是同样地得到的。由于母线46是可购买的，而这些母线由压在一起 的铜板或其它材料制成。然而，这种工艺不能获得与紧压包装式功率半导体器件或散热器 的平整度相当的平整度。出于此原因，根据此示例性实施例，紧压包装式功率半导体器件42 夹在散热器44而不是母线46之间。因此，散热器去掉了在插入紧压包装式功率半导体器 件的列中时由母线引起的负面影响。
[0028] 包括第一和第二端板48a的堆叠框架47可以用来将紧压包装式功率半导体器件、 散热器和母线夹在一起。堆叠框架可以是现有技术中已知的任何一种。例如，堆叠框架47 可以包括杆48b，杆48b用于保持列元件以期望的推荐为紧压包装式功率半导体器件的良 好操作的力压缩。施力机构48c可以用来施加期望的力。可以提供绝缘子49以夹住功率 堆叠组件40的整列，防止不期望的电接触。堆叠框架被配置成直接作用于绝缘子49上。
[0029] 根据图3所示的另一示例性实施例，功率堆叠组件50中的一列可以包括紧压包装 式功率半导体器件52,紧压包装式功率半导体器件52被散热器54或被散热器54和金属块 56夹住。在此示例性实施例中，至少一个母线58与紧压包装式功率半导体器件不直接接 触。然而，在另一示例性实施例中，每个母线与紧压包装式功率半导体器件都不直接接触。 金属块56优于母线58,原因是金属块56面向紧压包装式功率半导体器件的表面可以制造 成具有与紧压包装式功率半导体器件的平整度相当的平整度。尽管与散热器相比，这些金 属块引入更大的热阻抗，但是如果金属块能提供足够的热性能，则金属块是散热器的低成 本的替代物。
[0030] 图3示出了紧压包装式功率半导体器件的一个完整的列，散热器和母线被绝缘元 件60夹住，并通过包括第一和第二端62和64的夹紧机构夹紧。每个紧压包装式功率半导 体器件52可以通过相应的栅64电控制。
[0031] 在一个示例性实施例中，紧压包装式功率半导体器件和直接接触紧压包装式 功率半导体器件的散热器和/或金属块的电极表面的平整度为15 μ m或更小。平整度 (flatness)如图4中所示定义。特定的电极表面A由两个平行平面B和C限定，间隔开最 大距离15 μ m。为了达到这种平整度，散热器和金属块可以由铝、铜或其它金属块制成，而具 有较差平整度的母线由层压铜板制成。
[0032] 图5图示了三列IGCT功率堆叠组件80具有彼此连接成三角形的三列82、84和86 的实施例。由于是本领域中已知的，将列保持在合适的位置以及在预先决定的力的框架未 被显示。例如，这种框架显示于图2中。功率堆叠组件80包括具有相应的栅极90的紧压 包装式功率半导体器件（IGCT) 88。紧压包装式功率半导体器件88被两个散热器92夹住。 不过，所述的列可以包括二极管94作为紧压包装式功率半导体器件，二极管94夹在散热器 92和金属块96之间。母线100被插入每个列中，以直接接触散热器92或金属块96而不是 紧压包装式功率半导体器件88。
[0033] 在一个示例性实施例中，一些母线可以插入到列中，以直接接触紧压包装式功率 半导体器件。绝缘子102可以用来将每列电绝缘，以不需要接触其各自的端部。如图5中所 示，同一母线104 (集合母线）可以延伸到所有的三列82、84和86。换言之，单段母线104 可以电连接三列82、84和86中的各个元件。单段母线104可以有柔性部分106以确保插 入列中的各个部分可以相对于彼此轻微移动。柔性部分106可以形成于列82、84和86之 间。单段母线由形成闭环的单块金属制成，以最小化换向电感。
[0034] 图6示出了具有以直线提供的列82、84和86的另一功率堆叠组件200。此实施例 示出了各个绝缘子102可以插入到列中。图6还示出了散热器92a可以具有一个入口 110 和一个出口 112。冷却管道系统（未显示）可以连接到入口 110,以泵压散热器92a内部的 冷却液体，在散热器92a内部的液体之间出现热传递之后，热的冷却液体在出口 112离开散 热器。以此方式，散热器92a被强迫冷却，以获得紧压包装式功率半导体器件88的较低的 温度。尽管图6示出了被配置成冷却紧压包装式半导体器件的散热器，但注意，功率堆叠组 件的其它元件（例如电阻器或电感器）可以具有内置于元件中的冷却通道。
[0035] 上文讨论的新结构有利地提供了紧压包装式半导体器件的电极表面不与母线接 触，提高了电学和热性能，将母线附连到列时不使用螺丝，降低了这些列之间的距离，降低 了杂散电感。此外，这些新结构的组装和拆卸需要较小的人力。
[0036] 根据示例性实施例，有用于组装包括紧压包装式半导体器件的功率堆叠组件的方 法。所述方法包括步骤700 :将紧压包装式功率半导体器件（42)夹在相应的导热导电块 (44)之间，以形成第一列；步骤702 :将母线（46)插入到第一列中，使得至少一个母线提供 于两个导热导电块（44)之间；步骤704 :将第一和第二绝缘子（60)加入到第一列的端部， 使得第一列的端部是电绝缘的；以及步骤706 :在第一列上施加额定力。
[0037] 公开的示例性实施例提供了用于具有紧压包装式功率半导体器件的功率堆叠组 件的系统和方法，以提高功率堆叠组件的电学和热学性能。应当理解，此描述不旨在限定本 发明。相反，示例性实施例旨在涵盖包括于由所附权利要求限定的本发明的精神和范围内 的替代、修改和等同。进一步地，在示例性实施例的详细描述中，列出了各种具体细节，以便 提供对所要求保护的发明的全面理解。然而，本领域技术人员要理解没有这些具体细节也 可以实施各个实施例。
[0038] 尽管目前的示例性实施例的特征和元件在实施例中是以特定组合描述的，但每个 特征或元件可以没有这些实施例的其它特征和元件单独使用，或者以有或没有本文中公开 的其它特征和元件的各种组合使用。
[0039] 本书面说明书使用示例来公开本发明，使得任意本领域技术人员可实践本发明 (包括制造和使用任意器件或系统和执行任意结合的方法）。本发明的专利范围由权利要 求书限定，并且可以包括本领域技术人员想到的其他示例。这样的其他示例确定为落入权 利要求书的范围内。
【权利要求】
1. 一种功率变换设备（40)，包括： 多个紧压包装式功率半导体器件（42); 多个导热导电块（44, 56)，所述多个导热导电块（44, 56)提供于所述多个紧压包装式 功率半导体器件（42)中；以及 多个母线（46)，所述多个母线（46)提供于所述多个紧压包装式功率半导体器件（42) 和所述多个导热导电块（44, 56)中，以形成第一列（41)，所述第一列（41)在预定义的机械 力下夹紧， 其中，所述多个母线（46)直接压入一列或更多列（41)中以用于电连接， 至少一个紧压包装式功率半导体器件（42)夹在两个导热导电块（44,56)之间，以及 至少一个母线（46)夹在两个导热导电块之间。
2. 根据权利要求1所述的功率变换设备，其特征在于，所述导热导电块（44, 56)是散热 器（44)。
3. 根据权利要求1所述的功率变换设备，其特征在于，所述散热器（44)是液体冷却散 热器或空气冷却散热器。
4. 根据权利要求1所述的功率变换设备，其特征在于，所述导热导电块（44, 56)是金属 块（56)。
5. 根据权利要求1所述的功率变换设备，其特征在于，所述预定义的机械力对于各列 是不同的或相同的。
6. 根据权利要求1所述的功率变换设备，其特征在于，所述多个母线包括层压金属板。
7. 根据权利要求1所述的功率变换设备，其特征在于，所述紧压包装式功率半导体器 件是集成门级换向晶闸管IGCT、紧压包装式绝缘栅双极型晶体管IGBT、紧压包装式注入增 强型栅极晶体管IEGT、二极管或晶闸管中的至少一种。
8. 根据权利要求1所述的功率变换设备，其特征在于，所述功率变换设备进一步包括： 第一和第二绝缘子￠0)，所述第一和第二绝缘子￠0)被配置成夹住所述第一列，使得 所述第一列的端部是电绝缘的。
9. 根据权利要求8所述的功率变换设备，其特征在于，所述功率变换设备进一步包括： 堆叠框架（48a，48b，48c)，所述堆叠框架（48a，48b，48c)被配置成向所述第一和第二 绝缘子和所述第一列施加预定义的机械力。
10. 根据权利要求1所述的功率变换设备，其特征在于，所述功率变换设备进一步包 括： 第二和第三列，所述第二和第三列包括多个紧压包装式功率半导体器件、多个导热导 电块和多个母线，每个母线夹在两个导热导电块之间，其中，第一、第二和第三列是以直线 提供的。
11. 根据权利要求10所述的功率变换设备，其特征在于，所述功率变换设备进一步包 括： 直线集合母线（104)，所述直线集合母线（104)被配置成连接所述第一、第二和第三 列，所述直线集合母线夹在所述第一、第二和第三列的相应的导热导电块之间。
12. 根据权利要求1所述的功率变换设备，其特征在于，所述功率变换设备进一步包 括： 第二和第三列，所述第二和第三列包括多个紧压包装式功率半导体器件、多个导热导 电块和多个母线，每个母线夹在两个导热导电块之间，其中，第一、第二和第三列是以倒三 角形排列提供的。
13. 根据权利要求12所述的功率变换设备，其特征在于，所述功率变换设备进一步包 括： 环形集合母线（104)，所述环形集合母线（104)被配置成连接所述第一、第二和第三 列，所述环形集合母线夹在所述第一、第二和第三列的相应导热导电块之间。
14. 一种功率变换设备（40)，包括： 多个紧压包装式功率半导体器件（42); 多个导热导电块（44, 56)，所述多个导热导电块（44, 56)提供于所述多个紧压包装式 功率半导体器件（42)中； 多个母线（46)，所述多个母线（46)提供于所述多个紧压包装式功率半导体器件（42) 和所述多个导热导电块（44, 56)中，以形成第一列（41)，所述第一列（41)在预定义的机械 力下夹紧， 第一和第二绝缘子￠0)，所述第一和第二绝缘子￠0)被配置成夹住所述多个紧压包 装式功率半导体器件（42)、所述导热导电块（44)和母线（46)以形成所述第一列，使所述第 一列的端部是电绝缘的；以及 堆叠框架（48a，48b，48c)，所述堆叠框架（48a，48b，48c)被配置成向所述第一和第二 绝缘子和所述第一列施加预定义的机械力， 其中，所述多个母线（46)直接压入所述第一列（41)中以用于电连接， 至少一个紧压包装式功率半导体器件（42)夹在两个导热导电块（44,56)之间，以及 至少一个母线（46)夹在两个导热导电块之间。
15. -种组装功率变换设备的方法，所述方法提供紧压包装式功率半导体器件的最优 的热传递和最小的换向损失和应力，所述方法包括： 将紧压包装式功率半导体器件（42)夹在相应的导热导电块（44)之间，以形成第一 列； 将母线（46)插入到所述第一列中，使得至少一个母线提供于两个导热导电块（44)之 间； 将第一和第二绝缘子￠0)加入到所述第一列的端部，使得所述第一列的端部是电绝 缘的；以及 在所述第一列上施加额定力。
【文档编号】H01L25/00GK104145336SQ201180074582
【公开日】2014年11月12日 申请日期:2011年11月4日 优先权日:2011年11月4日
【发明者】张帆, 盛军锋, 张小丹, R.张 申请人:通用电气公司