基于集成门极换流晶闸管的功率模块的制作方法

本发明涉及电力电子技术领域，特别地涉及一种基于集成门极换流晶闸管的功率模块。

背景技术：

集成门极换流晶闸管(integratedgatecommutatedthyristors，igct)是一种高效率、可靠性高的电力半导体器件，它由门极关断晶闸管(gateturn-offthyrisitor，gto)发展而来。igct在开通时是一个门极可关断晶闸管(gto)，而在关断时是一个晶体管，兼具晶体管开关速度快、开关损耗低和晶闸管导通损耗低、阻断电压高、输出电流大的特点，所以它集绝缘栅双极晶体管(insulatedgatebipolartransistor，igbt)的高速开关特性和gto的高阻断电压及低导通损耗特性于一体。

目前的4英寸igct双向断路器压装结构串联压接5组h桥回路，其中存在回路的杂散电感较大，从而对器件的关断能力产生明显的影响。

技术实现要素：

本发明提供一种基于集成门极换流晶闸管的功率模块，用于减小回路杂散电感。

本发明提供一种基于集成门极换流晶闸管的功率模块，包括至少两个层叠设置功率子单元，每个所述功率子单元均包括第一器件和至少两个第二器件总成；

所述第一器件和至少两个第二器件分别通过第一导通结构和第二导通结构电气连通；

其中，在所述功率子单元的层叠方向上，相邻的所述功率子单元相互对称，以使相邻的所述第一导通结构中的电流方向相反，且相邻的所述第二导通结构中的电流方向也相反。

在一个实施方式中，所述第一导通结构和所述第二导通结构之间具有夹角。

在一个实施方式中，还包括至少两个阻容吸收单元，所述阻容吸收单元分别设置在位于所述功率子单元侧部的绝缘板上，所述阻容吸收单元分别通过具有折弯角度的第三导通结构与相应的所述第一器件电气连通；

其中，在所述功率子单元的层叠方向上，相邻的所述第三导通结构中的电流方向相反。

在一个实施方式中，所述第三导通结构的折弯角度为钝角。

在一个实施方式中，所述绝缘板位于相邻的两个所述阻容吸收单元之间的部分上设置有槽体，所述槽体用于增大爬电距离。

在一个实施方式中，所述第二器件总成包括：

第二器件，其至少为两个；以及

金属块，其设置在两个所述第二器件之间；

其中，两个所述第二器件在所述功率子单元的层叠方向上相互对称。

在一个实施方式中，相邻的所述第一器件之间设置有第一绝缘块，所述第一绝缘块相对的两端分别设置有用于与所述第一器件的表面接触的金属垫块。

在一个实施方式中，所述第一绝缘块的侧壁上设置有环绕其周向的凹槽。

在一个实施方式中，还包括框架，所述功率子单元设置在所述框架中；所述框架中还设置有隔离变压器以及用于为第一器件供电的供电电源。

在一个实施方式中，还包括用于使所述功率子单元压接在一起的中心加力机构。

与现有技术相比，本发明的优点在于，由于相邻的功率子单元关于第一器件的上表面或下表面对称设置，因此可使相邻的第一导通结构中的电流方向相反，且相邻的第二导通结构中的电流方向也相反，而流向相反的电流产生的电磁感应会相互抵消一部分，从而实现降低回路杂散电感的目的。

附图说明

在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。

图1是本发明的一个实施例中基于集成门极换流晶闸管的功率模块的电气原理图；

图2和图3是本发明的一个实施例中基于集成门极换流晶闸管的功率模块的立体结构示意图；

图4是本发明的一个实施例中基于集成门极换流晶闸管的功率模块的主视图(图中未示出第三功率串)

图5是图2所示的功率子单元的立体结构示意图；

图6是图4所示的第一绝缘块的主视图；

图7是图4所示的第一导柱的主视图。

附图标记：

100-第一功率串；110-igct器件；

200-第二功率串；210-二极管器件；

400-框架；410-上压板；420-下压板；430-供电电源；440-隔离变压器；450-支撑柱；

500-阻容吸收单元；510-铜排；520-吸收电阻；530-吸收电容；540-均压电阻；501-绝缘板；502-槽体；

600-功率子单元；

120-中心加力机构；121-第一螺柱；122-第一导柱；123-第二螺柱；124-第二导柱；

130-第二绝缘块；131-第一绝缘块；1311-凹槽；1312-金属垫块；

132-金属块。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

本发明提供一种基于集成门极换流晶闸管的功率模块，所述的功率模块可以是断路器，更具体地，所述的功率模块是h桥型回路断路器。

如图1所示，断路器要求四象限工作，但目前集成门极换流晶闸管(igct)不具备反向耐压能力，因此需增加反向阻断二极管，同时利用二极管的反向截止能力，以igct为支路节点，形成h桥式电路。电路中在igct两端并联阻容吸收部分，mov则并联在整个电气回路两端。因此本发明的功率模块具有igbt器件和二极管器件，其中单只igct器件关断电流可达5ka。

如图1所示的电路拓扑为双向通流的断路器回路，单只器件关断电流到达了器件标称的极限，而回路的杂散电感对器件的关断能力有明显影响，因此本发明的发明构思在于减小器件间的回路杂散电感。

具体来说，如图2-5所示，本发明的功率模块包括框架400和至少两个功率子单元600。框架400包括上压板410和下压板420，至少两个功率子单元600设置在上压板410和下压板420之间。上压板410和下压板420之间设置有支撑柱450，支撑柱450沿z轴方向延伸，以限定上压板410和下压板420之间用于安装功率串的空间。

功率子单元600沿图2所示的z轴方向依次层叠设置，下文中以层叠5个功率子单元600为例对本发明进行详细地说明。

每个功率子单元600均包括第一器件110和至少两个第二器件总成；其中，第一器件和至少两个第二器件总成分别通过第一导通结构111和第二导通结构112电气连通。相邻的功率子单元600在其层叠方向(图2所示z轴方向)上相互对称，换言之，相邻的功率子单元600的放置方向相反，从而使相邻的第一导通结构111中的电流方向相反，且相邻的第二导通结构112中的电流方向也相反。由于流向相反的电流产生的电磁感应会相互抵消一部分，因此能够实现降低回路杂散电感的目的。

可以理解地，第一导通结构111和第二导通结构112均可以是铜排等导电体。

首先对第一器件进行说明。第一器件110为集成门极换流晶闸管(igct)器件，下文称为igct器件110。

如图2和3所示，其示出了具有5个功率子单元600的断路器。因此相应地，igct器件110的数量为5个。5个igct器件110沿图2所示z轴方向依次层叠并压合在一起，因此5个压合在一起的第一器件110构成第一功率串100。

在图2所示z轴方向上相邻的igct器件110相互对称，即其反向放置。具体来说，若某一igct器件110为阳极在下、阴极在上的放置方式，那么位于其上层的igct器件110为阳极在上、阴极在下的放置方式，而位于其下层的igct器件110同样也为阳极在上、阴极在下的放置方式，依次类推。

在一些实施例中，相邻的igct器件110之间设置有第一绝缘块131。如图6所示，第一绝缘块131的侧壁上设置有环绕其周向的凹槽1311，第一绝缘块131的两端设置有用于与igct器件110的表面接触的金属垫块1312。

其中，第一绝缘块131由cti》600的玻璃纤维制成，以提升其绝缘能力，并减小高度尺寸。金属垫块1312嵌入第一绝缘块131的端部，并突出第一绝缘块131的表面3～5mm。金属垫块1312可以是铝合金，其表面相较于环氧材料有更好的加工性能，可以加工到更高的平面度和粗糙度。例如金属垫块1312的表面采用精加工(平面度小于0.006，粗糙度小于0.8)以保证压接面接触均匀，并进行电镀或阳极氧化处理，以进一步提高其表面光洁度。

在保证绝缘性能的情况下，金属垫块1312的可使igct器件110的压接面接触更均匀。

下面以每个功率子单元600均包括两个第二器件总成为例，对第二器件总成进行说明。

如图5所示，两个第二器件总成分别位于igct器件110的左右两侧，且两个第二器件总成关于第一器件110对称设置。

其中，5个压合在一起的第二器件总成构成其中一个第二功率串200，另外5个压合在一起的第二器件总成构成另一个第二功率串200。两个第二功率串200分别位于第一功率串100的左右两侧。

第二器件总成包括两个第二器件，第二器件可以是二极管器件210。因此，每个第二功率串200均具有10个二极管器件210。

第二器件总成中的两个二极管器件210在功率子单元600的层叠方向(图2所示的z轴方向)对称设置，即反向放置。具体地，若某一二极管器件210为阳极在下、阴极在上的放置方式，那么位于其上层(或下层)的二极管器件210为阳极在上、阴极在下的放置方式。

其一个第二功率串200中的两个二极管器件210和另个一第二功率串200中的对应两个二极管器件210分别与第一功率串100中对应的一个igct器件110电气连通。

如图5所示，示出了其中一个功率子单元600，其包括一个igct器件110以及分别位于其左右两侧的两个二极管器件总成。igct器件110左右两侧的二极管器件总成均包括上下两个二极管器件210。此外，两个二极管器件210之间设置有金属块132，金属块132可以是铜块。

igct器件110通过第一导通结构111与其左侧的二极管器件总成中的二极管器件210导通，并通过第二导通结构112与其右侧的二极管器件总成中的二极管器件210导通。

如图5所示，第一导通结构111与第二导通结构112之间具有夹角，具体地，该夹角为锐角，例如60°，以保证在安装和加工等约束条件下缩短回路。

此外，相邻的第一导通结构111之间以及相邻的第二导通结构112之间的间距需要尽可能地小，以缩短回路。

由于相邻的igct器件110反向放置，并且相邻的二极管器件210也反向放置，因此相邻的第一导通结构111中的电流方向相反，相邻的第二导通结构112的电流方向也相反，从而能够降低回路杂散电感。

此外，第一功率串100和两个第二功率串200之间的间隔需要在生产、组装和电气间隙等约束下尽可能地小。例如，两个第二功率串200关于第一功率串100对称设置。

进一步地，如图2所示，本发明的功率模块还包括阻容吸收单元500，阻容吸收单元500设置在igct器件110侧部的绝缘板501上，并与igct器件110并联。阻容吸收单元500应当与相应的igct器件110之间的距离尽可能地小，以缩短回路从而降低回路杂散电感。

具体地，igct器件110的两侧分别设置有绝缘板501，因此阻容吸收单元500分别设置在igct器件110的两侧，能够减小整个组件尺寸的同时还缩短了该部分回路长度，减小了回路杂散电感。

阻容吸收单元500至少为两个，由于功率子单元600的数量为5个，因此相应地，下文以5个阻容吸收单元500进行说明。

如图2和3所示，在igct器件110的两侧分别设置有绝缘板501，如图2所示，在igct器件110左侧的绝缘板501上设置有3个阻容吸收单元500，3个阻容吸收单元500在z轴方向上叠置；如图3所示，在igct器件110右侧的绝缘板501上设置有2个阻容吸收单元500，2个阻容吸收单元500在z轴方向上叠置。

如图2所示，绝缘板501位于相邻的两个阻容吸收单元500之间的部分上设置有槽体502，以增大爬电距离。

优选地，阻容吸收单元500分别通过具有弯折角度的第三导通结构与相应的igct器件110并联。第三导通结构中的电流方向也相反，因此能够进一步地消除回路杂散电感。

其中，第三导通结构可以是铜排510，铜排510可以由紫铜制成，其能够消除不同功率串之间的高度差带来的应力，并避免因应力导致铜排510的压接面出现形变的情况。

此外，铜排510的折弯角度为钝角(角度值大于130°)，用于防止铜排510出现直角而使回路杂散电感增大。

以其中一个阻容吸收单元500为例，其包括分别与铜排510相连的吸收电阻520、吸收电容530和均压电阻540。吸收电阻520、吸收电容530和均压电阻540沿图2所示x轴方向依次设置。

此外，框架400中还设置有隔离变压器440以及向igct器件110供电的供电电源430，从而可隔离变压器440和供电电源430在功率模块中。

在一些实施例中，还包括用于使上述的功率子单元600压接在一起的中心加力机构120。下面分别对其进行说明。

第一功率串100还包括中心加力机构120，其中，中心加力机构120用于向igct器件110施加压力；在igct器件110与中心加力机构120之间也设置有第二绝缘块130，其用于将中心加力机构120所施加的压力传递到igct器件110。

其中，中心加力机构120与第二绝缘块130的接触面积小于第二绝缘块130与igct器件110的接触面积，以保证压力传递至igct器件110表面时均匀分布。

具体来说，中心加力机构120包括第一螺柱121以及第一导柱122，第一螺柱121设置在最顶端igct器件110的上方，第一导柱122设置在最底端igct器件110的下方。

如图7所示，第一导柱122构造为第一端面积大而第二端面积小的结构，且第一导柱122的第一端面积大于或等于igct器件110的压接面积。第一导柱122的第一端为靠近igct器件110的一端，第二端为远离igct器件110的一端。例如第一导柱122的第一端的直径为90mm左右，第一导柱122的第二端的直径为50mm～60mm。

第一螺柱121贯穿上压板410后与第二绝缘块130的上端接触，而第二绝缘块130的下端则与最顶层的igct器件110的上端接触。而在下端，第一导柱122的其中一端(即小端)与下压板420的表面接触，第一导柱122的另一端(即大端)与第二绝缘块130相接触，该第二绝缘块130则与最底层的igct器件110相接触。

因此通过力矩扳手(力矩为50～60n.m)向下旋紧第一螺柱121，使第一螺柱121可顶紧在第二绝缘块130上并施加向下的压力，而同时底部的第一导柱122则向上顶紧第二绝缘块130并施加向上的压力，从而向igct器件110提供所需的压接力。

优选地，第一螺柱121为球头螺柱，其端面面积远小于第二绝缘块130的端面面积，从而可达到第一螺柱121与第二绝缘块130的接触面积远小于第二绝缘块130与最顶层的igct器件110的接触面积。

优选地，第一螺柱121的轴线与igct器件110的轴线重合，并且第一螺柱121位于igct器件110的中心位置处，由此可使第一螺柱121实现中心加力，以保证压力能够传递至igct器件110表面时能够均匀分布。

类似地，如图5所示，第二功率串200也具有中心加力机构120，中心加力机构120包括第二螺柱123以及第二导柱124，第二螺柱123设置在最顶层的二极管器件210的上方，第二导柱124设置在最底层的二极管器件210的下方。

其中，第二螺柱123可以是球头螺柱，其设置方式与第一螺柱121的设置方式相同，在此不再赘述。

第二导柱124与第一导柱122所不同的是，第二导柱124可设置为柱状结构，由于二极管器件210的压接要求低于igct器件110的压接要求，因此第二功率串200中的第二导柱124可以设置为更容易加工的柱状结构。

相同的是，在中心加力机构120与第二导柱124之间设置第二绝缘块130。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。