МОЩНЫЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ПРИБОР Российский патент 1994 года по МПК H01L23/00 

Изобретение относится к силовым полупроводниковым приборам, в частности к деталям и конструктивным элементам силовых диодов и тиристоров таблеточной конструкции.

Известен мощный полупроводниковый прибор [1] таблеточного исполнения, содержащий полупроводниковый элемент, выполненный в виде диска и расположенный между силовыми электродами, каждый из которых снабжен выступающим в радиальном направлении металлическим кольцом, образующим на его боковой поверхности выступающую часть, наружный диаметр которой выбран превышающим диаметр полупроводникового элемента, внутри кольцевого керамического изолятора, соединенного с силовыми электродами через металлические манжеты, и по меньшей мере одно защитное кольцо из эластичного изоляционного материала, расположенное соосно полупроводниковому элементу.

Недостатком такого прибора является относительно невысокая стойкость корпуса к воздействию внутренней электрической дуги. Стойкость такого прибора к воздействию внутренней электрической дуги соответствует протеканию тока дуги I_дм до 50 кА при длительности до 6 мс. Это связано с тем, что при больших токах электрическая дуга под действием электромагнитных сил [2] на отдельных участках выходит в пространство между металлическими манжетами и металлическими кольцами силовых электродов. При этом величина выделяющихся тепловых потерь от горения дуги достаточна для того, чтобы при указанных значениях тока дуги прожечь металлическую манжету. Горению дуги между манжетами и кольцами силовых электродов способствует наличие контактного сопротивления между выступающими металлическими кольцами и электродами, падение напряжения на которых резко возрастает при больших токах. Фактически в мощных преобразователях, имеющих параллельно включенные полупроводниковые приборы, амплитуда аварийного тока при пробое одного из приборов обратным напряжением и возникновении дуги может достигать значения 80 кА и более при длительности прохождения тока до 6 мс.

Целью изобретения является повышение стойкости корпуса прибора к воздействию внутренней электрической дуги.

Цель достигается тем, что в мощном полупроводниковом приборе, содержащем полупроводниковый элемент, выполненный в виде диска и расположенный между силовыми электродами, каждый из которых снабжен выступающей в радиальном направлении частью металлического кольца, наружный диаметр которой выбран превышающим диаметр полупроводникового элемента, внутри кольцевого керамического изолятора, соединенного с силовыми электродами через металлические манжеты, и по меньшей мере одно защитное кольцо из эластичного изоляционного материала, расположенное соосно полупроводниковому элементу, последний зафиксирован установочным кольцом, а защитное кольцо расположено между кольцевым керамическим изолятором и силовым электродом, выступающее в радиальном направлении металлическое кольцо которого выполнено как одно целое с силовым электродом, а наружный диаметр d₁ и высота h₁ выступающей части выбрана из выражений
d₁/d₂ ≥ 1,1+ K˙ I_дм (1); h₁/h₂ ≥ 0,6, (2) где d₂ - диаметр полупроводникового элемента (мм);
К - коэффициент, равный 0,2˙ 10^-5 (1/А);
I_дм - максимальная амплитуда тока дуги (А), на которую рассчитан прибор;
h₂ - высота силового электрода внутри корпуса (мм).

Причем выступающая часть силовых электродов размещена от поверхности полупроводникового элемента на расстоянии h₃, выбранном из выражения
h₃= h₂-h₁, (3) разность между высотой силового электрода внутри корпуса h₂ и высотой выступающей части h₁.

Торцовая поверхность выступающей части по меньшей мере одного силового электрода снабжена кольцевым выступом, а минимальное расстояние δ₁ (мм) из расстояний между кольцевым выступом электрода и соответственно полупроводниковым элементом, установочным кольцом и другим электродом выбрано из выражения
δ₁ ≥ U_доп/U_проб , (4) где U_доп - допустимое импульсное обратное напряжение прибора (В);
U_проб - пробивное напряжение среды внутри корпуса прибора (В/мм).

Защитное кольцо выполнено в виде цилиндра с высотой h₄ зоны перекрытия выступающей части каждого силового электрода, выбранной из выражения
h₄/h₂ ≥ 0,3 , (5) причем на внутренней поверхности защитного кольца выполнен кольцевой радиальный выступ, плотно прилегающий к внутренним торцовым поверхностям выступающих частей силовых электродов, при этом высота l выступа выбрана из выражения
l/(d₁-d₂) ≅0,4. (6)
Между металлическими манжетами расположено металлическое кольцо, выполненное с буртиком на внутренней боковой поверхности, плотно прилегающим к внутренней торцовой поверхности выступающей части первого из силовых электродов, а на нижней торцовой поверхности металлического кольца выполнен кольцевой выступ, вдавленный в торцовую поверхность защитного кольца, которое другой торцовой поверхностью прилегает к второй металлической манжете, а внутренней боковой поверхностью - к боковой поверхности выступающей части второго силового электрода, при этом минимальное расстояние δ₂ (мм) из расстояний между металлическим кольцом и соответственно вторым силовым электродом и полупроводниковым элементом выбрано из выражения δ₂≥ U_доп/U_проб. (7)
Таким образом, признаками, отличающими заявленное решение от прототипа, являются выступающее в радиальном направлении металлическое кольцо, которое выполнено как одно целое с силовым электродом и образует на его боковой поверхности выступающую часть с наружным диаметром d₁ и высотой h₁, выбранных из выражений (1) и (2) соответственно, причем выступающая часть силовых электродов размещена от поверхности полупроводникового элемента на расстоянии h₃, выбранном из выражения (3). Торцовая поверхность выступающей части по меньшей мере одного силового электрода снабжена кольцевым выступом, а минимальное расстояние δ₁ из расстояний между кольцевым выступом электрода и соответственно полупроводниковым элементом, установочным кольцом и другим электродом выбрано из выражения (4). Защитное кольцо выполнено в виде цилиндра с высотой h₄ зоны перекрытия выступающей части каждого силового электрода, выбранной из выражения (5), причем на внутренней поверхности защитного кольца выполнен кольцевой радиальный выступ, плотно прилегающий к внутренним торцовым поверхностям выступающих частей силовых электродов, при этом высота l выступа выбрана из выражения (6). Между металлическими манжетами расположено металлическое кольцо, выполненное с буртиком на внутренней боковой поверхности, плотно прилегающим к внутренней торцовой поверхности выступающей части первого из силовых электродов, а на нижней торцовой поверхности металлического кольца выполнен кольцевой выступ, вдавленный в торцовую поверхность защитного кольца, которое другой торцовой поверхностью прилегает к второй металлической манжете, а внутренней боковой поверхностью - к боковой поверхности выступающей части второго силового электрода, при этом минимальное расстояние δ₂ из расстояний между металлическим кольцом и соответственно вторым силовым электродом и полупроводниковым элементом выбрано из выражения (7). В проанализированных известных технических решениях не обнаружены признаки, отличающие заявляемое решение от прототипа.

На фиг.1 изображен заявляемый мощный полупроводниковый прибор таблеточной конструкции; на фиг.2, 3 и 4 представлены варианты заявляемого прибора.

Прибор содержит полупроводниковый элемент 1, расположенный между силовыми электродами 2 и 3, которые через металлические манжеты 4 и 5 соединены с кольцевым изолирующим изолятором 6, образуя корпус прибора. Полупроводниковый элемент зафиксирован относительно силового электрода с помощью установочного кольца 7 и состоит из полупроводниковой структуры (диод, тиристор) и термокомпенсатора. По наружнему диаметру полупроводникового элемента выполнена фаска 8 с защитным покрытием. Металлические манжеты экранированы внутри корпуса защитными кольцами 9 и 10. Силовые электроды 2, 3 представляют собой диски, снабженные металлическими кольцами, образующими на их боковой поверхности выступающую часть с наружным диаметром d₁ (мм). Силовые электроды могут быть составными. Диаметр d₁ больше диаметра полупроводникового элемента d₂ (мм) и величина его определена из выражения (1). Выступающая часть силовых электродов имеет высоту h₁ (мм) и отстоит от поверхности полупроводникового элемента на величину h₃ (мм), выбираемую из выражения (3). Между торцовой поверхностью выступающей части силового электрода и манжетой имеется зазор.

На фиг.2 показан такой же прибор, но в нем торцовая поверхность выступающей части силовых электродов снабжена кольцевыми выступами 11, направленными навстречу друг другу. Расстояние δ₁ между этими кольцевыми выступами на электродах, между кольцевыми выступами и полупроводниковым элементом, а также между установочным кольцом в случае его наличия определяют из соотношения (4).

На фиг.3 показан прибор, в котором между боковыми поверхностями силовых электродов и внутренней поверхностью кольцевого керамического изолятора размещено защитное кольцо 12 цилиндрической формы из эластичного изоляционного материала, например виксинта или кремнийорганического каучука, которое перекрывает выступающую часть каждого силового электрода по высоте на величину h₄ (мм) - зону перекрытия, определяемую из соотношения (5). На внутренней поверхности защитного кольца имеется радиальный выступ, плотно прилегающий к торцовым поверхностям выступающих частей силовых электродов. Длину l (мм) кольцевого выступа определяют из соотношения (6). Защитное кольцо наружной боковой поверхностью плотно прилегает к внутренней поверхности керамического изолятора корпуса прибора, а между защитным кольцом 12 и наружной боковой поверхностью силовых электродов обеспечен зазор для монтаже элементов. В полупроводниковом приборе, показанном на фиг.4, между металлическими манжетами 4 и 5 расположены по высоте прибора металлическое кольцо 13 и защитное кольцо 14, выполненное из эластичного изоляционного материала, например виксинта. Металлическое кольцо (в данном случае выполняющее функции кольцевых выступов 11) на внутренней боковой поверхности имеет буртик 15, который упирается во внутреннюю торцовую поверхность выступающей части силового электрода 2. Буртик может иметь любую форму (сечение). На нижней торцовой поверхности металлического кольца выполнен кольцевой выступ, который вдавлен в торцовую поверхность защитного кольца. Металлическое кольцо без зазора ставится на силовой электрод. Защитное кольцо 14 плотно входит в зазор между силовым электродом и керамическим изолятором корпуса прибора и упирается в металлическую манжету 5 корпуса прибора. Расстояние δ₂ между металлическим кольцом 13 и выступающей частью силового электрода 3 определено из соотношения (7).

Прибор работает следующим образом.

При пробое обратным напряжением полупроводникового элемента 1 по фаске 8 в первое мгновение электрическая дуга возникает между силовыми электродами 2 и 3, огибая полупроводниковый элемент (фиг.1, пунктирная линия А), и имеет малый радиус кривизны. Возникающая дуга под действием электромагнитных сил сразу же сдвигается в пространство между торцами выступающих частей силовых электродов (пунктирная линия Б), где радиус кривизны контура тока дуги близок к бесконечности, а действующая на дугу в поперечном направлении электромагнитная сила практически равна нулю. Дуга горит между силовыми электродами до момента погасания, и переход ее в пространство между манжетами произойти не может, так как это привело бы, с одной стороны, к увеличению радиуса кривизны контура дуги, а следовательно, к появлению электромагнитной силы, препятствующей такому перемещению, а с другой, к увеличению длины дуги и к увеличению требуемой энергии для ее поддержания. Таким образом обеспечивается защита тонких металлических манжет от прямого воздействия дуги. От брызг расплавленного материала внутри корпуса прибора металлические манжеты защищены кольцами 9 и 10.

Выполнение силового электрода и металлического кольца как одно целое без контактного соединения, а также увеличение высоты выступающих частей силовых электродов до величины ≥ 0,6˙ h₂ (соотношение 2) обеспечивают заполнение пространства между металлическими манжетами. При этом обеспечивается то, что дуга при токах I_дм до 80 кА и более горит только в пространстве между торцовыми поверхностями выступающих частей силовых электродов 2, 3. Одновременно существенно снижается мощность потерь при прохождении тока дуги по силовым электродам за счет исключения контактного сопротивления, а также за счет увеличения сечения выступающей части. Определение соотношения d₁/d₂ в функции заданного тока I_дм (формула 1) позволяет уже на стадии проектирования определять конструктивные размеры прибора, при которых обеспечивается устойчивость его корпуса к воздействию заданного тока внутренней дуги. Это позволяет оптимизировать габариты прибора и повысить его надежность.

Увеличение допустимого тока дуги в приборе, показанном на фиг.2, обеспечивается за счет максимально возможного уменьшения длины дуги (см. формулу 4), а следовательно, и выделающаяся мощность тепловых потерь уменьшена на 30% и более.

Дополнительное увеличение допустимого тока дуги достигается в приборе, показанном на фиг.3. Здесь при выполнении защитного кольца 12 с размерами h₄ и l, определенными по формулам (5) и (6), обеспечивается надежная герметизация пространства горения дуги и тем самым исключается воздействие высокого давления, имеющего место при горении дуги, на тонкие металлические манжеты 4, 5.

При выполнении прибора по варианту, показанному на фиг.4, так же, как и в случае на фиг.3, обеспечиваются малая длина дуги (см. формулу 7) и надежная герметизация пространства горения дуги.

Испытания показали, что, например, полупроводниковый прибор таблеточного исполнения по варианту фиг.4 при d₂=56 мм, d₁=80 мм, δ=3 мм успешно выдержал испытание при токе дуги 97 кА в амплитуде и времени горения дуги 6 мс (против 50 кА в прототипе).

Предложенные варианты конструкции прибора благодаря высокой стойкости корпуса прибора к воздействию тока дуги позволяют значительно повысить единичную мощность преобразователей, в которых используется параллельное включение приборов, при этом существенно снижаются масса, габариты и стоимость на единицу установленной мощности преобразователя, уменьшить количество параллельно включаемых приборов в преобразователе, упростить средства защиты и уменьшить величину индуктивности на входе преобразователя, требуемую для ограничения аварийного тока. При этом повышается надежность преобразователя, появляется возможность исключения плавких предохранителей, уменьшаются масса, габариты и стоимость, в том числе за счет входного реактора и узлов ограничения перенапряжения на приборах, улучшаются внешние характеристики преобразователей.

Сущность изобретения: силовые электроды представляют собой диски, на боковой поверхности которых образована выступающая часть с наружным диаметром d₁ . Диаметр d₁ больше диаметра d₂ полупроводникового элемента, зажатого между электродами. Выступающая часть силовых электродов имеет высоту h₁ и отстоит от поверхности полупроводникового элемента на величину h₃ . Величины d₁, h₁, h₃ определяют из соотношений. Торцовая поверхность выступающей части силовых электродов может быть снабжена кольцевыми выступами, направленными навстречу друг другу. Расстояние δ₁ между кольцевыми выступами, а также между кольцевыми выступами и полупроводниковым элементом или установочным кольцом определяют по соотношению. 3 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. МОЩНЫЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ПРИБОР, содержащий полупроводниковый элемент, выполненный в виде диска и расположенный между силовыми электродами, каждый из которых снабжен выступающим в радиальном направлении металлическим кольцом, образующим на его поверхности выступающую часть, наружный диаметр которой превышает диаметр полупроводникового элемента, кольцевого керамического изолятора, соединенного с силовыми электродами через металлические манжеты, и по меньшей мере одно защитное кольцо из эластичного изоляционного материала, расположенное соосно с полупроводниковым элементом, отличающийся тем, что, с целью повышения стойкости к возможному воздействию внутренней электрической дуги, полупроводниковый элемент зафиксирован установочным кольцом, а защитное кольцо расположено между кольцевым керамическим изолятором и силовым электродом, выступающее в радиальном направлении металлическое кольцо которого выполнено как одно целое с силовым электродом, а наружный диаметр d₁ и высота h₁ выступающей части выбрана из выражений
d₁ / d₂ ≥ 1,1+K˙I_дм ;
h₁ / h₂ ≥ 0,6 ,
где d₂ - диаметр полупроводникового элемента, мм;
K - коэффициент, равный 0,2 · 10^-5;
I_дм - максимальная амплитуда тока дуги, на которую рассчитан прибор, А;
h₂ - высота силового электрода внутри корпуса, мм,
причем выступающая часть силовых электродов размещена от поверхности полупроводникового элемента на расстоянии h₃, выбранном из выражения
h₃=h₂- h₁ . 2. Прибор по п.1, отличающийся тем, что торцевая поверхность выступающей части по меньшей мере одного силового электрода снабжена кольцевым выступом, а минимальное расстояние δ₁ из расстояний между кольцевым выступом электрода и соответственно полупроводниковым элементом, установочным кольцом и другим электродом выбрано из выражения
δ₁≥ U_доп/U_проб, мм
где U_доп - допустимое импульсное обратное напряжение прибора, В;
U_проб - пробивное напряжение среды внутри корпуса прибора, В/мм. 3. Прибор по п. 1, отличающийся тем, что защитное кольцо выполнено в виде цилиндра с высотой h₄ зоны перекрытия выступающей части каждого силового электрода, выбранной из выражения
h₄ / h₂ ≥ 0,3 ,
причем на внутренней поверхности защитного кольца выполнен кольцевой радиальный выступ, плотно прилегающий к внутренним торцевым поверхностям выступающих частей силовых электродов, при этом высота l выступа выбрана из выражения
l / (d₁-d₂) ≅ 0,4 . 4. Прибор по п.1, отличающийся тем, что между металлическими манжетами расположено металлическое кольцо, выполненное с буртиком на внутренней боковой поверхности, плотно прилегающим к внутренней торцевой поверхности выступающей части первого из силовых электродов, а на нижней торцевой поверхности металлического кольца выполнен кольцевой выступ, вдавленный в торцевую поверхность защитного кольца, которое другой торцевой поверхностью прилегает к второй металлической манжете, а внутренней боковой поверхностью прилегает к боковой поверхности выступающей части второго силового электрода, при этом минимальное расстояние δ₂ из расстояний между металлическим кольцом и соответственно вторым силовым электродом и полупроводниковым элементом выбрано из выражения
δ₂ = U_доп / U_пpоб , мм .