一种基于废热利用的功率半导体模块在线监测装置

1.本发明属于功率半导体模块状态在线监测领域，涉及一种基于废热利用的功率半导体模块在线监测装置。


背景技术：

2.igbt功率半导体模块是将一系列绝缘栅双极型晶体管(igbt)芯片，以及半导体二极管芯片按照一定的功能进行封装集成形成的一种模块。和由分立的igbt芯片组成的电力电子变换器相比，igbt功率模块具有可靠性高，功率密度大，集成度高的特点，在电学性能、热性能、安全防护、成本等方面有很高的优越性。在各种igbt功率模块中，igbt半桥功率模块应用灵活，可以构建成mmc，三相逆变器等多种拓扑，应用最为广泛。
3.由于在实际工况中igbt模块会受到热，电，热应力等多物理场耦合作用，会使模块产生失效，对电力电子变换器的可靠性造成显著影响。根据模块内部失效发生时间尺度的不同，可将失效分为突发性失效与老化失效两种。突发性失效是指由外部施加给器件的电压，电流，温度等条件超过其自身忍受限度而引起的瞬间、不可逆且永久性的失效，比如模块承受的电压与电流超过了额定值导致被击穿，承受过大的电流导致结温超过允许的范围从而过热损坏等。突发性失效一般发生在芯片上，具体的失效模式有闩锁效应、栅极氧化层击穿、经时击穿等。老化失效指igbt模块自身的材料受到外部的影响不断发生劣化，达到一定程度时igbt模块就会以突发性失效的方式损坏。
4.在实际应用中，如果严格遵守器件手册规定的各项应力指标的额定值，可以有效避免突发失效的产生；但是模块长时间工作导致材料的劣化是不可避免地，因此老化失效才是影响igbt模块健康状态的关键所在。为了在模块失效前做出预警行为，保障整个系统的安全运行，需要对igbt模块的各个参数进行监测。目前对igbt模块进行在线监测是一种主动、直观且简单的可靠性评估方法，也是igbt模块可靠性研究的主流方向之一，基于失效机理和温度敏感特性分析，确定老化与温度的特征参量并提出相应的失效标准，在实际工况中对这些特征参量进行提取，就能获得目前模块的健康状态与结温，也能在预定失效标准达到时做出预警行为，及时更换器件以保障整个系统的安全运行。
5.模块的状态监测系统需要额外的供电系统来保障模块状态数据的采集，调制，监测等。目前主流的做法是通过一个辅助电源(aps)给驱动电路以及在线监测电路供电。辅助电源的设计主要有两种，一种是直接从母线电压上取电，另外一种是额外增加一条低压母线，专门为驱动以及保护电路供电，从该低压母线接入每个子模块的辅助电源中。第一种方法可扩展性强，但是由于直流母线上的电压一般较高，因此需要一个变比很大的变换器来实现供电。同时该方案绝缘设计难度较大，且由于模块内部半导体的开关动作会产生电磁干扰的问题；该传统方案最大的问题是，从直流母线上取电导致监测系统的供电没有独立性，在启动，母线掉电或者部分模块失效的状态下，监测电路也会立刻断电失效，无法记录存储模块失效瞬间的信息，对于后续找到故障模块以及识别故障类型带来了诸多不便。第二种方法需要额外布设低压直流母线，成本较高，若该低压母线一旦失效，所有子模块的驱
动以及保护电路都会同时立刻失效。且若子模块之间是串联关系(如在模块化多电平变换器中)，aps需要隔离设计并保证高压绝缘。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种基于废热利用的功率半导体模块在线监测装置，该装置具有成本低且断电时能够记录瞬间信息的特点。
7.为达到上述目的，本发明所述的基于废热利用的功率半导体模块在线监测装置包括自上到下依次分布的pcb板、功率半导体模块、导热铜基板以及水冷散热器，其中，pcb板与功率半导体模块相连接；
8.导热铜基板的两端分别开设有第一凹槽及第二凹槽，其中，第一凹槽内设置有第一废热回收装置，第二凹槽内设置有第二废热回收装置，第一废热回收装置包括自上到下依次分布的第一热面陶瓷基板、第一环氧树脂封装的温差发电半导体及第一冷面陶瓷基板；第二废热回收装置包括自上到下依次分布的第二热面陶瓷基板、第二环氧树脂封装的温差发电半导体及第二冷面陶瓷基板组成；第一环氧树脂封装的温差发电半导体及第二环氧树脂封装的温差发电半导体通过导线与pcb板中的调理电路相连接。
9.功率半导体模块包括外壳、第一直流功率端子、第二直流功率端子、交流功率端子以及设置于外壳内的半桥功率模块，半桥功率模块包括第一功率基板、第二功率基板、第三功率基板、第一半导体续流二极管、第一igbt功率半导体芯片、第二半导体续流二极管、第二igbt功率半导体芯片、第三半导体续流二极管、第三igbt功率半导体芯片、第四igbt功率半导体芯片、第四半导体续流二极管、第五igbt功率半导体芯片、第五半导体续流二极管、第六igbt功率半导体芯片及第六半导体续流二极管；
10.第一igbt功率半导体芯片以及与其反并联的第一半导体续流二极管焊接于第一功率基板上，第二igbt功率半导体芯片以及与其反并联的第二半导体续流二极管焊接于第二功率基板上，第三igbt功率半导体芯片以及与其反并联的第三半导体续流二极管焊接于第一功率基板上，以形成半桥功率模块的上桥臂；
11.第四igbt功率半导体芯片以及与其反并联的第四半导体续流二极管焊接于第一功率基板上；第五igbt功率半导体芯片以及与其反并联的第五半导体续流二极管焊接于第一功率基板上；第六igbt功率半导体芯片以及与其反并联的第六半导体续流二极管焊接于第一功率基板上，以形成半桥功率模块的下半桥臂；
12.第二直流功率端子穿过外壳后，通过第一金属导线与第三功率基板的上表面相连接；第一直流功率端子穿过外壳后，通过第二金属导线与第一功率基板的上表面相连接；交流功率端子穿过外壳后，通过第三金属导线与第一功率基板的上表面相连接。
13.pcb板通过第一针脚及第二针脚监测上半桥臂的电压。
14.pcb板通过第三针脚及第四针脚实现上半桥臂的驱动。
15.pcb板通过第五针脚及第六针脚连接热敏电阻，以测试功率半导体模块内部的温度。
16.pcb板通过第九针脚及第十针脚监测下半桥臂的电压。
17.pcb板通过第七针脚及第八针脚实现下半桥臂的驱动。
18.水冷散热器的侧面设置有冷水入口以及热水出口。
19.功率半导体模块、导热铜基板以及水冷散热器通过第一螺丝、第二螺丝、第三螺丝及第四螺丝相连接。
20.水冷散热器上与导热铜基板相接触的位置处设置有热界面材料层。
21.本发明具有以下有益效果：
22.本发明所述的基于废热利用的功率半导体模块在线监测装置在具体操作时，第一废热回收装置包括自上到下依次分布的第一热面陶瓷基板、第一环氧树脂封装的温差发电半导体及第一冷面陶瓷基板；第二废热回收装置包括自上到下依次分布的第二热面陶瓷基板、第二环氧树脂封装的温差发电半导体及第二冷面陶瓷基板组成，通过第一环氧树脂封装的温差发电半导体及第二环氧树脂封装的温差发电半导体利用温差进行发电，以供给用电部件，成本较低，断电时能够记录瞬间信息。
附图说明
23.图1为本发明内部的结构爆炸图；
24.图2为本发明外部的结构示意图；
25.图3为本发明中功率半导体模块200内部额结构示意图；
26.图4为本发明中pcb板100与功率半导体模块200的连接示意图；
27.图5为本发明中温差发电半导体的爆炸示意图；
28.图6为本发明中导热铜基板400的结构图。
29.其中，100为pcb板、200为功率半导体模块、201为外壳、202为交流功率端子、203为第一直流功率端子、204为第二直流功率端子、205为第一金属导线、206为第二金属导线、207为第三金属导线、210为第一针脚、211为第二针脚、212为第三针脚、213为第四针脚、214为第五针脚、215为第六针脚、216为第七针脚、217为第八针脚、218为第九针脚、219为第十针脚、301为第一半导体续流二极管、302为第一igbt功率半导体芯片、303为第二半导体续流二极管、304为第二igbt功率半导体芯片、305为第三半导体续流二极管、306为第三igbt功率半导体芯片、307为第四igbt功率半导体芯片、308为第四半导体续流二极管、309为第五igbt功率半导体芯片、310为第五半导体续流二极管、311为第六igbt功率半导体芯片、312为第六半导体续流二极管、320为第一功率基板、321为第二功率基板、322为第三功率基板、400为导热铜基板、410为第一废热回收装置、411为第一热面陶瓷基板、412为第一环氧树脂封装的温差发电半导体、413为第一冷面陶瓷基板、420为第二废热回收装置、421为第二热面陶瓷基板、422为第二环氧树脂封装的温差发电半导体、423为第二冷面陶瓷基板、500为水冷散热器、501为冷水入口、502为热水出口、503为热界面材料层、510为第一螺丝、511为第二螺丝、512为第三螺丝、513为第四螺丝。
具体实施方式
30.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，不是全部的实施例，而并非要限制本发明公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要的混淆本发明公开的概念。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他
实施例，都应当属于本发明保护的范围。
31.在附图中示出了根据本发明公开实施例的结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
32.参考图1及图2，本发明所述的基于废热利用的功率半导体模块在线监测装置包括自上到下依次分布的pcb板100、功率半导体模块200、导热铜基板400以及水冷散热器500；
33.参考图3，功率半导体模块200包括外壳201、第一直流功率端子203、第二直流功率端子204、交流功率端子202以及设置于外壳201内的半桥功率模块，半桥功率模块包括第一功率基板320、第二功率基板321、第三功率基板322、第一半导体续流二极管301、第一igbt功率半导体芯片302、第二半导体续流二极管303、第二igbt功率半导体芯片304、第三半导体续流二极管305、第三igbt功率半导体芯片306、第四igbt功率半导体芯片307、第四半导体续流二极管308、第五igbt功率半导体芯片309、第五半导体续流二极管310、第六igbt功率半导体芯片311及第六半导体续流二极管312；
34.第一igbt功率半导体芯片302以及与其反并联的第一半导体续流二极管301焊接于第一功率基板320上，第二igbt功率半导体芯片304以及与其反并联的第二半导体续流二极管303焊接于第二功率基板321上，第三igbt功率半导体芯片306以及与其反并联的第三半导体续流二极管305焊接于第一功率基板320上，以形成半桥功率模块的上桥臂；
35.第四igbt功率半导体芯片307以及与其反并联的第四半导体续流二极管308焊接于第一功率基板320上；第五igbt功率半导体芯片309以及与其反并联的第五半导体续流二极管310焊接于第一功率基板320上；第六igbt功率半导体芯片311以及与其反并联的第六半导体续流二极管312焊接于第一功率基板320上，以形成半桥功率模块的下半桥臂；
36.第二直流功率端子204穿过外壳201后，通过第一金属导线205与第三功率基板322的上表面相连接；第一直流功率端子203穿过外壳201后，通过第二金属导线206与第一功率基板320的上表面相连接；交流功率端子202穿过外壳201后，通过第三金属导线207和第一功率基板320的上表面相连接，完成模块内部和外部的电气连接。
37.参考图4，第一针脚210、第二针脚211、第三针脚212、第四针脚213、第五针脚214、第六针脚215、第七针脚216、第八针脚217、第九针脚218及第十针脚219镶嵌在外壳201上，功率半导体模块200通过第一针脚210、第二针脚211、第三针脚212、第四针脚213、第五针脚214、第六针脚215、第七针脚216、第八针脚217、第九针脚218及第十针脚219与pcb板100相连接，其中，pcb板100通过第一针脚210及第二针脚211监测上半桥臂的电压；pcb板100通过第三针脚212和第四针脚213实现上半桥臂的驱动；pcb板100通过第五针脚214及第六针脚215连接热敏电阻，以测量功率半导体模块200内部的温度，pcb板100通过第九针脚218及第十针脚219监测下半桥臂的电压；pcb板100通过第七针脚216及第八针脚217实现下半桥臂的驱动。
38.参考图5，导热铜基板400的两端分别开设有第一凹槽及第二凹槽，其中，第一凹槽内设置有第一废热回收装置410，第二凹槽内设置有第二废热回收装置420，导热铜基板400的四个角留有螺丝孔，用于固定散热器，第一废热回收装置410包括自上到下依次分布的第
一热面陶瓷基板411、第一环氧树脂封装的温差发电半导体412及第一冷面陶瓷基板413；第二废热回收装置420包括自上到下依次分布的第二热面陶瓷基板421、第二环氧树脂封装的温差发电半导体422及第二冷面陶瓷基板423组成；第一环氧树脂封装的温差发电半导体412及第二环氧树脂封装的温差发电半导体422通过导线与pcb板100中的调理电路相连接。
39.参考图6，水冷散热器500的侧面设置有冷水入口501以及热水出口502。水冷散热器500上与导热铜基板400相接触的位置处设置有热界面材料层503，其中，功率半导体模块200、导热铜基板400以及水冷散热器500通过第一螺丝510、第二螺丝511、第三螺丝512及第四螺丝513相连接。
40.本发明具有以下特点：
41.1)本发明将温差发电片集成在模块底部的导热铜基板400中，通过回收模块工作过程中的废热，不仅实现对于废热的利用，而且实现对于功率半导体模块200在线监测系统的自供电。
42.2)本发明通过固体半导体温差发电片，实现从热能到电能的直接转化，转化效率及可靠性高，且温差发电半导体的位置避开了功率模块主要的热通路，相对于不会因为温差发电片而明显增加模块的热阻，增大结温，影响可靠性。
43.3)本发明与传统方案相比，实现了在母线电压掉电后，仍可监测，并上传一定时间的状态信息。这是由于传统的在线监测电路从由高压直流母线经过降压后供电或者采用单独的低压直流母线供电，一旦电路发生故障，造成母线电压掉电，则状态监测电路也会同时立刻失效，不便于后续判定故障类型，定位故障模块。若采用本发明，在母线掉电后，由于模块中仍有余热，温差发电半导体的热面和冷面仍然有温差存在，因此还可以记录监测，并上传一定时间的状态信息，在后续的检修过程中，可以较快的排除故障。