功率堆叠结构和方法技术

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。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
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。
技术介绍
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。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。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。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。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。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。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。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。
技术实现思路
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。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。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。附图说明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：图1A-B是传统的功率堆叠组件的示意图；图2是根据示例性实施例的功率堆叠组件的示意图；图3是根据示例性实施例的另一功率堆叠组件的示意图；图4是图示根据示例性实施例的表面的平整度的示意图；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；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；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，本专利技术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。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、结本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】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、

\t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(60)，所述第一和第二绝缘子(60)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...

【专利技术属性】
技术研发人员：张帆，盛军锋，张小丹，R张，
申请(专利权)人：通用电气公司，
类型：发明
国别省市：美国;US