一种应用于高压固态电力电子开关的叠层母排的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及叠层母排技术领域，更具体的，设及一种叠层母排及高压固态电力电 子开关。
【背景技术】
[0002] 固态电力电子开关是一种全部由半导体器件构成的开关装置，具有开关速度快， 可控性强，寿命长的特点，同时为了应用于高电压领域，须将多个半导体器件串联使用W 达到较高的电压等级，该方案效果好同时成本低，故得到了广泛的关注与应用。
[0003] 在半导体器件串联使用时，由于各个半导体器件之间的细微差异W及线路的寄生 电感等影响，会导致开关过程中各器件承压不均衡，极大的影响了开关的使用寿命和工作 效率，甚至会造成器件击穿损坏。保证半导体器件在开关过程中的电压分布均衡是实现高 压固态电力电子开关的关键。
[0004] 对此现有技术有多种解决方法：一种是在驱动端采用反馈控制实现器件电压动态 调整，另一种是在功率端并联动态缓冲电路、静态均压电路。前者主要采用无源器件构成高 速反馈网络在每次开关暂态过程中调整驱动信号的幅值或时序，控制精度高，效果好，但电 路结构复杂，随着器件串联数目增多，控制复杂度也大幅提升。后者主要通过缓冲电路来吸 收线路中存在的电感能量W避免过电压，通过静态均压电路来减缓半导体器件因漏电流不 同而导致的静态电压不均衡问题，结构简单，即使器件串联数目增多，也不会提升控制复杂 度。当前高压固态开关领域内均通过两种方案的结合解决串联半导体电压不均衡问题。 阳〇化]在对现有技术的研究和实践中，本发明的发明人发现：由于串联半导体数目较多， 再加上与其并联的动态缓冲电路及静态均压电路，会导致电路中连接线路过多过长，增加 了线路电感，造成开关暂态峰值电压升高；增加了开关组装、测试、维修的难度；增大了装 置体积，降低了开关的功率密度。
【发明内容】
[0006] 针对上述技术问题，本发明提供了一种应用于高压固态开关的叠层母排。叠层母 排是一种多层复合结构连接排，包括至少两层导体层，所述导体层包括铜条，至少一个输入 端和输出端，外部电流经输入端进入，经导体片后连接到半导体器件的不同电极，经半导体 器件处理后，再由输出端输出，可应用于大功率电力电子装置中。
[0007] 本发明可通过垂直地面放置叠层母排调节各串联器件的对地分布电容，通过叠层 母排降低了开关的配线难度，同时极大的减少了线路电感，有效抑制器件的关断过电压，简 化了动态缓冲电路及静态均压电路线路，采用平行导体片连接半导体器件的不同电极，额 外形成了极间缓冲电容，降低了缓冲电路中电容的容值要求，在降低成本的同时使开关结 构更加紧凑，后期使用、维护更加简单；本发明提供了 3个半导体开关器件串联所用的最小 叠层母排，通过添加各子排导体片的数目，可应用于串联更多半导体器件，扩大应用范围。 [000引本发明提供了一种高压固态电力电子开关叠层母排，包括第一绝缘子排（1)、第二 连接子排（2)、第二绝缘子排（3)、正子排（4)、第=绝缘子排巧）、负子排化）、第四绝缘子排 (7)、第一连接子排（8)、第五绝缘子排巧），其中：
[0009] 所述第一绝缘子排（1)，第二绝缘子排（3)，第S绝缘子排巧），第四绝缘子排（7) 和第五绝缘子排巧）由绝缘材料制成，均为L型，包括一个水平面和一个垂直面；在各子排 水平面上均设有=组绝缘开孔，每组开孔由=个绝缘开孔组成，用于外接半导体开关器件； 所述绝缘开孔填充绝缘垫，保证各极之间绝缘性能及方便半导体器件连接，所有子排上的 绝缘开孔尺寸相同；
[0010] 所述第二连接子排（2)包括第一导体片组，其包括=块互不连接的导体片（21、 22、23)，每块导体片呈L型，包括一个水平面和一个垂直面，=块导体片的水平面和垂直面 均共面；垂直面至少包括一个接线端子；所述=块导体片水平面上方均设有1个导电螺柱， 用于连接该导体片对应的半导体开关器件的E1/C2极，垂直面接线端子用于连接外接的缓 冲电路与均压电路；
[0011] 所述正子排（4)包括互不相连的第二导体片（41)、第=导体片（42)，每块导体片 呈L型，包括一个水平面和一个垂直面，两个导体片（41)、（42)的水平面和垂直面均共面； 垂直面至少包括一个接线端子；所述导体片（41)水平面还包括1个接线端子，用于连接电 源正极，水平面上方设有1个导电螺柱，用于连接该导体片对应的半导体开关器件的Cl极， 垂直面接线端子用于连接外接的缓冲电路与均压电路；所述导体片（42)水平面上方设有 包括2个导电螺柱，右侧螺柱用于连接该导体片对应的半导体开关器件的E2极，左侧螺柱 用于连接该导体片对应的半导体开关器件的Cl极，垂直面接线端子用于连接外接的缓冲 电路与均压电路；
[0012] 所述负子排（6)包括第四导体片，该导体片呈L型，包括一个水平面和一个垂直 面，水平面包括一个导电螺柱和一个接线端子；所述导电螺柱用于连接该导体片对应的半 导体开关器件的E2极，所述接线端子用于连接电源负极；垂直面包括一个接线端子，用于 连接外接的缓冲电路与均压电路；
[0013] 所述第一连接子排（8)包括互不相连的第五导体片（81)、第六导体片（82)，每块 导体片呈L型，包括一个水平面和一个垂直面，两个导体片（81)、（82)的水平面和垂直面均 共面；所述导体片（81)水平面上方设有2个导电螺柱，右侧螺柱用于连接该导体片对应的 半导体开关器件的E2极，左侧导电螺柱用于连接该导体片对应的半导体开关器件的Cl极， 垂直面接线端子用于连接外接的缓冲电路与均压电路；所述导体片（82)水平面上方设有1 个导电螺柱，所述导电螺柱用于连该半导体器件导体片对应的半导体开关器件的E2极；
[0014]所述正子排（4)，负子排化），第一连接子排（8)，第二连接子排（2)在对应于第一 绝缘子排（1)各个绝缘开孔同轴圆屯、处，除各个导体片所连接半导体开关器件相应位置设 有导电螺柱外，均设有绝缘开孔，所述导电螺柱用于固定连接半导体开关器件电极，所有导 电螺柱尺寸相同，直径小于所述绝缘开孔，其内径大小能容纳半导体开关器件引脚；
[0015]W上各子排按从下至上，W第一绝缘子排（1)、第二连接子排（2)、第二绝缘子排 (3) 、正子排（4)、第=绝缘子排巧）、负子排化）、第四绝缘子排（7)、第一连接子排（8)、第五 绝缘子排巧）的顺序叠放，各子排中各组绝缘开孔对正，压合固定成一体，形成叠层母排。
[0016] 使用时，在所述叠层母排的导电螺柱部位，装上对应的半导体开关器件，正子排 (4) 水平面接线端子接电源正极，负子排（6)水平面接线端子接电源负极。根据实际需要， 第二连接子排（2)、第一连接子排（8)、正子排（4)、负子排化）的垂直面接线端子连接外部 的缓冲电路与均压电路，可进一步提升应用该叠层母排的高压固态开关的性能。
[0017] 本发明提出的高压固态电力电子开关的叠层母排，第=导体片（42)和第五导体 片（81)的尺寸与开孔对应两个半导体开关器件的尺寸与安装管脚；第二导体片（41)、第六 导体片（82)和第一导体片组的=个导体片（21、22、23)的尺寸与开孔对应一个半导体器件 的尺寸与安装管脚。
[0018] 本发明提出的高压固态电力电子开关的叠层母排，所用的半导体开关器件包括但 不限于IGBT。
[0019] 本发明各导体片尺寸和结构、各开孔及导电螺柱尺寸和位置，与外接的半导体开 关器件相对应，实现了导体、绝缘体和半导体开关器件的有机结合。
[0020] 本发明通过合理安排子排数目及其包含的导体片数目与位置，大幅度减少了高压 固态电力电子开关所需配线数目与长度，减缓了动态缓冲电路与静态均压电路中线路电感 对开关暂态过程的影响。本发明通过合理安排4层导体子排相对位置并采用叠层放置，改 善了开关回路的电流复合效果，有效降低了开关回路的杂散电感，大幅度抑制了固态电力 电子开关中各串联半导体器件的关断过电压。本发明通过平行导体片连接半导体器件的 不同电极，额外形成了极间缓冲电容，可进一步简化动态缓冲电路。本发明同时具备较好的 拓展性，通过添加各子排中的导体片数目，可应用于3个、6个、9个及W上串联的半导体开 关器件的领域。本发明在降低成本的同时，使结构更加紧凑，有利于高压固态开关的长期安 全、稳定工作。
【附图说明】
[0021] 图1是本发明提出的叠层母排的分拆结构图。
[0022] 图2是本实施例提出的叠层母排的组合后示意图。 阳023] 图3是本发明的应用电路原理图。
[0024] 图4是开关导通时第二连接子排的电流流向示意图。
[00巧]图5是开关导通时正子排的电流流向示意图。
[0026] 图6是开关导通时负子排的电流流向示意图。
[0027] 图7是应用该叠层母排的6串联IGBT固态电力电子开关的S视图。
[0028] 图8是应用该叠层母排的6串联IGBT固态电力电子开关的S维图。
[0029] 图9是外接半导体开关器件的叠层母排组装示意图。
[0030] 图10是实施例所用半导体开关器件的示意图。
[0031] 图11本实施例提出的叠层母排的分拆结构图。
[0032] 图1中各标号的标注对象分别为：1-第一绝缘子排、2-第二连接子排、3-第二绝 缘子排、4-正子排、5-第=绝缘子排、6-负子排、7-第四绝缘子排、8-第一连接子排、9-第 五绝缘子排、41-第二导体片、42-第=导体片、81-第五导体片、82-第六导体片。
【具体实施方式】
[0033] W下结合