硬激励栅极可关断可控硅的栅极单元制造技术

在硬激励的栅极可关断可控硅（ＧＴＯ）（１０）的栅极单元（４７）中，至少某些激励所需的电子组件（３７，…４２）安排在印刷电路板（３４）上。为了达到低电感接触，印刷电路板（３４）包围ＧＴＯ（１０），处在ＧＴＯ（１０）的阳极侧和阴极侧之间的与ＧＴＯ（１０）的半导体衬底（１７）平行的平面上，并与ＧＴＯ（１０）的阴极触点（１４）和栅极连接片（２２）直接连接。在这样的栅极单元中，把组件（３７，…４２）安排在围绕ＧＴＯ（１０）的印刷电路板（３４）上，紧紧邻接ＧＴＯ（１０）的地方，从而实现结构紧凑、而同时改善机械稳定性。（*该技术在2018年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及功率电子装置领域。它涉及硬激励栅极可关断可控硅(GTO)的栅极单元，在所述栅极单元中至少激励所需的某些电子组件安排在一块印刷电路板上并用屏蔽层围起来，为了达到低电感接触，所述印刷电路板包围GTO，处于阳极侧和阴极侧之间的平面上，平行于GTO半导体衬底并直接连接到GTO的阴极触点和栅极连接片。这样的栅极单元在例如Publication ABB Technik(ABB公司技术出版物)，5/96期，14-20页(尤其是参见其中的图5)已经公开。近年来，当以GTO的形式使用在高功率半导体组件时所谓硬激励引起了越来越大的兴趣。特别是，例如，诸如主电路等上用的高功率变换器所需要的，在由若干个GTO组成的串联电路的情况下，硬激励保证串联电路上的各个GTO可以非常精确地同时截止，因而在各个GTO两端不出现有害的过电压。在硬激励的方式下，GTO是由梯度非常高的栅极电流(例如，3kA/μs栅极电流Ig，而不是传统激励中的30A/μs)来激励的。为能产生这样的梯度，必须把GTO的栅极电路设计成具有极低的电感(＜5nH)，这要求有特殊的设计措施及预防措施，不仅对于激励用的栅极单元(GU)，而且对于GTO本身。关于硬激励的详细信息可参见在引言中指出的出版物、欧洲专利申请书EP-A1-0 489 945、WO-93/09600或H.Gruning等人的文章”4.5kV/3kA无缓冲操作的高功率硬激励GTO模块”，PCIM’96，Nuemberg，德国，1996，5月，21-23，其内容明确地准备作为本申请书公开的一部分。附图说明图1表示作为硬激励用的已知栅极单元的例子的基本电路图，它基本上包括-截止通道，具有大电流开关(S3)、由多个电解电容组成并具有反向连接的并联二极管(D2)的电容器组(C2)、电压源(13)和激励电路(未示出)；第二开关(S4)使GTO保持截止；还额外设置另一个包括电阻(R2)和二极管(D3)的串联电路；-导通通道，具有中电流开关(S2)、电压源(12)和脉冲电流源(带有反向连接的并联二极管D1的电容C1)；带有串联电阻(R1)的第二开关(S1)使GTO 10保持导通。-逻辑单元(图1中未示出)，具有光纤输入、放大器和延时级以及电压变换器；以及-若适当，一个状态信号装置。已知栅极单元的设计见于引言中指出的出版物图5的照片，其示意图举例示于本申请书的图3。栅极单元28中的整个逻辑单元、导通通道的功率级和截止通道级(在图3中用虚线示出的组件30)一起非常紧凑地放在印刷电路板29上，排列在GTO 25本身一侧，离它有一定距离。栅极单元28和组件30被单独的外壳32包围起来，从而与外界屏蔽。栅极单元28通过包围GTO 25的、安排在它旁边的印刷电路板部分与GTO 25连接。从上面可以随便触到GTO 25的阳极触点27。GTO 25的(环型)栅极连接片与印刷电路板29直接连接。连接区31是设置来通过光波导管馈入控制信号的。GTO 25本身是同轴设计的。这样一种GTO的(已知的)内部结构以举例的方式示于图2，有一部分带阴影线的剖面。GTO 10的核心是盘状的半导体衬底17，其上多个个别的元件以已知的方式彼此相邻安排。半导体衬底17的边沿进行边沿钝化20。半导体衬底17处于盘状阳极接点14和盘状的阴极接点19之间，它们在GTO 10装配时在压力下紧贴(金属化的)半导体衬底17，以便与阳极A和阴极K产生电气的和热的接触。为了补偿不同的膨胀系数，在接点14，19与半导体衬底17之间一般都设置Mo盘16和18。为了与栅极G接触，设置一个环型低电感触点21，后者用一个环型连接片22沿径向向外穿过陶瓷绝缘外壳23进行连接。绝缘外壳23是用所附的法兰盘15b，24b在顶部和底部与外界气密地密封的，而盖片15a，24a则焊接在这些法兰盘上。图3所示GTO 25的已知的栅极单元28在激励电路和功率半导体之间产生所希望的低电感连接。在栅极电路(图1的11)中的寄生电感小于5nH。用刚性的印刷电路板29使GTO 25与栅极单元直接连接，通常作成一个模件，它能够作为一个单元进行生产和测试，和插入串联电路组中。激励电子电路用外壳32包住所有各侧，进行充分的防电磁干扰(EMI)屏蔽。但是，已知栅极单元的这些重要的优点是与若干缺点形成对比的-栅极单元的电子电路群集成一种尺寸和重量相当大的结构；用作栅极电流电流源的电解电容是造成这些缺点的特别重要的原因；具有性能规格4kA/4.5kV的GTO要求，例如，40个每个1500μF/35V的电解电容，而(较小的)反向导通600A/6kV的GTO要求大约10个每个1500μF/35V的电解电容；这种结构位于GTO和冷却器的一侧；它又必须与冷却器保持一定的距离，使得它不至于太靠近位于阳极侧的冷却器(绝缘距离)。这使得在机械上变得很难固定，而且面对震动和摇摆显得不是非常结实。-紧固工艺的成本高。-所述栅极单元显著地增大了变换器的结构尺寸，因为它跨越很大的空间，其中难以填充。因此，本专利技术的目的是提供一种新的栅极单元，它能避免这些缺点，而且结构紧凑，容易构造，成本低，其特点在于机械稳定性高，而同时维持低电感连接和良好的屏蔽。这个目的是用一种在引言中指出的类型的栅极单元来达到的，其中组件排列在印刷电路板上非常靠近GTO的地方。把组件或激励电子电路直接安排在接近GTO的地方，就避免形成向各侧伸出很远的可能振动的质量，从而大大地提高了机械稳定性。同时，栅极单元节省空间，结果围绕GTO的结构紧凑。包括GTO和栅极单元的模件也变得容易处理，容易安装和拆除。新栅极单元的第一个最佳实施例的特点是GTO邻接阴极侧的散热器；印刷电路板横向伸到位于阴极侧的冷却器以外；安排在印刷电路板上电子组件包括多个电容，特别是在栅极单元内部构成电流源提供GTO中的脉冲栅极电流的电解电容；而且电容安排在印刷电路板伸到冷却器以外的部分，紧靠冷却器的地方。这意味着，体积较大的重的电容安排在靠近GTO的地方，结果显著地提高了机械稳定性。本专利技术中要求专利保护的栅极单元的另一个最佳实施例的特征是组件绝大部分安排在印刷电路板面向冷却器或GTO的阴极侧的一侧；印刷电路板与位于阴极侧的冷却器之间留出一定距离；有些组件安排在印刷电路板和冷却器之间。这样做的结果是，位于阴极侧的冷却器既用来保护、又用来尤其是屏蔽较小的组件(例如，SMD(表面贴焊器件))，而同时节省材料和空间。根据本专利技术另一个实施例，屏蔽以这样的方法完成，即印刷电路板在背离GTO阴极侧的一面金属化，而所述金属化层用作栅极单元的屏蔽。根据本专利技术另一个实施例，屏蔽以这样的方法完成，即为了屏蔽组件，在背离GTO阴极侧的一侧设置导电的外壳，所述外壳横向包围GTO，并盖住装有组件的印刷电路板。本专利技术中要求专利保护的栅极单元的另一个最佳实施例的特征是印刷电路板横向伸到处于阴极侧的冷却器以外；外壳侧壁还用这样的方法包围冷却器的一部分，使得冷却器与外壳或外壳的侧壁之间的圆周空隙留出空档；某些组件安排在这些空隙中。这样，就用简单的方法建立一个保护和屏蔽的区域，在其中特别是栅极单元较大的组件，诸如截止通道上的电解电容(图1中的C2)，就可以安全地装进去。由于其机械稳定性特别高而值得注意的再一个本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种硬激励栅极可关断可控硅（ＧＴＯ）（１０）的栅极单元（４７），其特征在于：在所述栅极单元（４７）中，至少激励所需的某些电子组件（３７，…，４２）安排在印刷电路板（３４）上，并被屏蔽板（３５）包围，为了实现低电感接触，所述印刷电路板（３４）包围ＧＴＯ（１０），处于ＧＴＯ（１０）的阳极侧与阴极侧之间的与ＧＴＯ（１０）的半导体衬底（１７）平行的平面上，并与ＧＴＯ（１０）的阴极触点（１４）和栅极连接片（２２）直接连接，其中组件（３７，…，４２）安排在印刷电路板（３４）上紧靠ＧＴＯ（１０）的地方。

【技术特征摘要】
DE 1997-3-5 19708873.21.一种硬激励栅极可关断可控硅(GTO)(10)的栅极单元(47)，其特征在于在所述栅极单元(47)中，至少激励所需的某些电子组件(37，...，42)安排在印刷电路板(34)上，并被屏蔽板(35)包围，为了实现低电感接触，所述印刷电路板(34)包围GTO(10)，处于GTO(10)的阳极侧与阴极侧之间的与GTO(10)的半导体衬底(17)平行的平面上，并与GTO(10)的阴极触点(14)和栅极连接片(22)直接连接，其中组件(37，...，42)安排在印刷电路板(34)上紧靠GTO(10)的地方。2.权利要求1的栅极单元，其特征在于GTO(10)邻接处于阴极侧的冷却器(48)；印刷电路板(34)横向伸到处于阴极侧的冷却器(48)以外；安排在印刷电路板(34)上的电子组件包括多个电容，特别是，在栅极单元(47)内部形成电流源并提供GTO(10)脉冲栅极电流用的电解电容(37，38)；电容(37，38)安排在印刷电路板(34)紧紧邻接冷却器(48)并伸到冷却器(48)以外的部分。3.权利要求2的栅极单元，其特征在于冷却器(48)具有矩形截面，而其中电容或电解电容(37，38)安排在冷却器(48)的至少两侧。4.权利要求2的栅极单元，其特征在于冷却器(48)具有园形截面，而其中电容或电解电容(37，38)安排在冷却器(48)的周围成一园环。5.权利要求1至4中的一个的栅极单元，其特征在于组件(37，...，42)绝大部分安排在印刷电路板(34)面向冷却器(48)或GTO(10)阴极侧的一面。6.权利要求5的栅极单元，其特征在于印刷电路板(34)与处于阴极侧的冷却器(48)隔开一段距离，而其中某些组件(37，...，42)安排在印刷电路板(34)与冷却器(48)之间。7.权利要求5或6的栅极单元，其特征在于在印刷电路板(34)背向处于GTO(10)的阴极侧的冷却器(48)的一面上形成金属化层，而其中金属化层用作所述栅极单元(47)的屏...

【专利技术属性】
技术研发人员：H格吕宁，E皮乔尼，
申请(专利权)人：ABB瑞士控股有限公司，
类型：发明
国别省市：CH[瑞士]