[發明專利]一種基于焊接型IGBT與壓接型二極管的串聯結構模塊

有效

• 申請號: 201010141749.X
• 申請日: 2010-04-08
• 公開（公告）號: CN101819970A
• 公開（公告）日: 2010-09-01
• 發明（設計）人: 溫家良;于坤山;荊平
• 申請（專利權）人: 中國電力科學研究院
• 主分類號: H01L25/18
• 分類號: H01L25/18;H01L23/40
• 代理公司: 北京安博達知識產權代理有限公司 11271
• 代理人: 徐國文

技術領域

本發明屬于電力電子半導體器件應用領域，更具體來說，本發明涉及使用一種新型電力 電子半導體器件結構，應用于普遍的電力電子變換器中，例如高壓變頻器設備、電壓源換相 高壓直流輸電的換流閥設備等等。具體涉及一種基于焊接型絕緣柵雙極型功率管IGBT與壓接 型二極管的串聯結構模塊。

背景技術

20世紀80年代中期出現的半導體電力開關器件--絕緣柵雙極型功率管 IGBT(Insulated?Gate?Biploar?Transistor)是一種負荷器件，它的輸入控制部分為MOSFET， 輸出級為雙極結型晶體管，兼有MOSFET和電力晶體管的優點：高輸入阻抗，電壓控制，驅動 功率小，開關速度快，工作頻率可達10～40kHz，飽和壓降低，電壓、電流容量較大，安全工 作區較寬。但是IGBT的缺點在于單個IGBT的電壓、電流允許值很難再提高，為了應用于高 電壓、大功率的領域，通常采用IGBT串聯的方法。

隨著電力電子技術在電力系統中應用的逐步推廣，基于絕緣柵雙極型功率管IGBT串聯均 壓技術的高壓閥正在成為各種新型大功率電力電子裝置的核心部件。例如VSC-HVDC、STATCOM、 UPFC等。在這些場合中，由于串聯的IGBT器件運行的頻率較高，開關速度較快，很容易在 串聯的IGBT器件中產生電壓不平衡的情況，而高電壓、大功率的應用領域決定了一旦出現嚴 重的電壓不平衡，串聯的IGBT將不可避免的出現失效甚至損壞。而串聯的IGBT出現斷路失 效后，反過來又會損壞這些大功率電力電子裝置，造成嚴重的經濟損失。

目前半導體器件的封裝形式主要有焊接型和平板壓接型兩種。平板壓接型結構是將器件 和雙面散熱器緊固在一起，散熱器既作散熱又作電極之用。平板壓接型的優點是散熱性能好， 器件工作安全、可靠，且其失效模式為短路型式，適合于串聯應用。焊接型具有體積小，安 裝方便，結構簡單等優點，缺點是器件只能單面散熱，要求底板既要絕緣又要導熱性能好， 但其失效形式為斷路形式不適合串聯應用。

焊接型結構多用于將數個器件整合成基本變流電路，例如，整流、逆變模塊，只適用于 中小功率的單元或器件。平板型結構主要用于單一的大電流器件。綜合上述情況，當應用領 域要求電流大于200A(尤其是500A以上)時，半導體器件首選平板型結構，但是IGBT受管 芯制作原理的限制，目前無法制造成大功率芯片，不能采用平板型結構，只好采用焊接型， 雖然安裝方便，但散熱性能差不利于可靠性。

綜上所述，焊接型IGBT的直接串聯有以下缺點：

(1)焊接型IGBT失效形式為斷路形式，一旦故障將影響串聯的其他IGBT，不適合串聯 應用；

(2)焊接型IGBT只能單面散熱，散熱性差，影響IGBT器件可靠性

目前國內外尚未見到類似的有關對于基于焊接型的IGBT串聯的技術專利。

發明內容

本發明提出了一種基于焊接型絕緣柵雙極型功率管IGBT與壓接型二極管的串聯結構，很 好的解決了IGBT串聯應用時產生的斷路失效問題，為IGBT串聯應用的實用化指出了一條嶄 新的技術路徑。

本發明提供了一種基于焊接型IGBT與壓接型二極管的串聯結構模塊，包括：散熱器、 壓接型二極管和焊接型絕緣柵雙極型功率管IGBT，多個焊接型絕緣柵雙極型功率管IGBT之 間串聯連接，壓接型二極管壓接于兩個相鄰焊接型IGBT之間，焊接型IGBT的串聯是第一 個IGBT的發射極與下一個IGBT的集電極相連，通過低感導線進行連接，壓接型二極管并 聯在焊接型IGBT的集電極與發射極之間，用于起到續流以及保護作用。

其中，壓接型二極管采用散熱器壓裝封裝形式，焊接型IGBT緊緊固定在散熱器兩端。

其中，散熱器和壓接型二極管通過強力壓接方式緊緊壓合在一起，為保證良好接觸，需 要較大的壓接力量(例如35kN)。常見的所述壓裝型壓接型二極管器件封裝是直徑為120mm 的圓，其上直徑為85mm的凸起圓，壓接型二極管圓形封裝的一面是陽極，另一面是陰極。

其中，所述壓接型二極管器件方形封裝的尺寸為140mm，凸起邊緣長度為92.3mm，壓 接型二極管圓形封裝的一面是陽極，另一面是陰極。

其中，所述散熱器和壓接型二極管通過強力壓接方式緊緊壓合在一起，所述壓接力量為 20-80kN。

本發明技術方案的優點是：