ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ДИОД Российский патент 2004 года по МПК H01L29/861 

Изобретение относится к силовой полупроводниковой технике и может быть использовано при создании новых приборов силовой полупроводниковой электроники. Известны конструкции высоковольтных диодов, состоящие из множества выпрямительных элементов, расположенных последовательно один за другим, каждый их которых состоит из металлического основания и полупроводникового кристалла, укрепленного в центральной области основания, выпрямительные элементы электрически соединены между собой последовательно для получения высокого пробивного напряжения (патент US 3790865 от 05 февраля 1974 г., патент US 3811084 от 14 мая 1974 г., патент US 4148056 от 03 апреля 1979 г., патент US 4143910 от 08 мая 1979 г., патент Япония 54072984 от 11 июня 1979 г., патент US 4430664 от 07 февраля 1984 г., патент US 2001/0045624 А1 от 29 ноября 2001 г.). Общими недостатками этих конструкций является то, что:

- отвод тепла от выпрямительных элементов осуществляется по последовательной схеме: от одного выпрямительного элемента к другому и далее к выводам, расположенным по торцам корпуса высоковольтного диода, а от последних в окружающую среду. Это существенно снижает токовую нагрузку высоковольтного диода;

- для снижения вероятности электрического пробоя внутренняя полость корпуса заполнена твердым диэлектрическим материалом, что приводит в большим механическим напряжениям в полупроводниковых кристаллах, возникающих за счет разности коэффициентов температурного расширения конструкционных материалов даже при наличии упругого элемента.

За прототип принята конструкция высоковольтного диода по патенту US 4430664.

Сущность предлагаемого изобретения выражается в том, что конструкция высоковольтного диода содержит:

- корпус в виде диэлектрической трубки, на концах которой укреплены электроды;

- множество последовательно соединенных выпрямительных элементов, размещенных внутри трубки, каждый из которых состоит из металлического основания и полупроводникового кристалла, укрепленного на основании;

- пружину, создающую прижимной электрический контакт между выпрямительными элементами.

На торце пружины укреплен контактный узел, состоящий из двух электрически соединенных металлических тел и диэлектрической прокладки между ними, выступающей за границы этих тел. В основаниях изготовлены соосные выступы и углубления, в последних размещены полупроводниковые кристаллы. На выступах оснований укреплены прокладки из диэлектрического материала, выступающие за границы оснований и обеспечивающие центровку оснований по оси трубки. Внутри трубки вблизи ее торца герметично установлен компенсатор температурного расширения жидкости. Внутренняя полость трубки с установленными в ней выпрямительными элементами заполнена до компенсатора диэлектрической жидкостью, например, полиметилсилоксановой жидкостью; внешние торцы трубки герметично закрыты крышками.

Компенсатор выполнен из эластичного материала, имеет форму колпачка, стенки которого герметично прижаты к стенке трубки, внутренняя полость колпачка сообщается с внутренней полостью трубки, заполненной диэлектрической жидкостью, объем трубки, расположенный с внешней стороны колпачка, заполнен газом.

Компенсатор расположен внутри диэлектрической жидкости, содержит перепускные клапаны, обеспечивающие перетекание жидкости из объемов трубки, разделенных компенсатором.

Хотя бы одна пружина расположена между выпрямительными элементами.

Хотя бы один трубчатый электрод имеет оребрение.

Общими признаками заявляемых и известных технических решений являются наличие:

- корпуса в виде диэлектрической трубки, на концах которой укреплены электроды;

- множества последовательно соединенных выпрямительных элементов, размещенных внутри трубки, каждый из которых состоит из металлического основания и полупроводникового кристалла, укрепленного на основании;

- пружину, создающую прижимной электрический контакт между выпрямительными элементами.

Отличительными признаками являются:

- на торце пружины укреплен контактный узел, состоящий из двух электрически соединенных металлических тел и диэлектрической прокладки между ними, выступающей за границы этих тел;

- в основаниях изготовлены соосные выступы и углубления, в последних размещены полупроводниковые кристаллы;

- на выступах оснований укреплены прокладки из диэлектрического материала, выступающие за границы оснований и обеспечивающие центровку оснований по оси трубки;

- внутри трубки вблизи ее торца герметично установлен компенсатор температурного расширения жидкости;

- внутренняя полость трубки с установленными в ней выпрямительными элементами заполнена до компенсатора диэлектрической жидкостью, например, полиметилсилоксановой жидкостью;

- внешние торцы трубки герметично закрыты крышками;

- компенсатор выполнен из эластичного материала, имеет форму колпачка, стенки которого герметично прижаты к стенке трубки, внутренняя полость колпачка сообщается с внутренней полостью трубки, заполненной диэлектрической жидкостью, объем трубки, расположенный с внешней стороны колпачка, заполнен газом;

- компенсатор расположен внутри диэлектрической жидкости, содержит перепускные клапаны, обеспечивающие перетекание жидкости из объемов трубки, разделенных компенсатором;

- хотя бы одна пружина расположена между выпрямительными элементами;

- хотя бы один электрод имеет оребрение.

Авторы считают, что заявляемые технические решения соответствуют критерию “существенные отличия”, так как технические решения, имеющие признаки, сходные с признаками, отличающими заявляемое решение от прототипа, им неизвестны.

На фиг.1 представлен общий вид высоковольтного диода в разрезе. На фиг.2 представлен фрагмент А фиг.1. На фиг.3 представлен разрез выпрямительного элемента с прокладкой из диэлектрического материала. На фиг.4 представлен разрез контактного узла пружины. На фиг.5 представлен общий вид высоковольтного диода, имеющего компенсатор с перепускными клапанами. На фиг.6 представлен общий вид высоковольтного диода с оребренным трубчатым электродом. На фиг.7 представлен вид сверху высоковольтного диода с оребренным трубчатым электродом.

Высоковольтный диод, изображенный на фиг.1, состоит из корпуса, образованного диэлектрической трубкой 1 с трубчатыми электродами 2 и 3. Внутри трубки размещено множество одинаковых таблеточных выпрямительных элементов 4-19. Количество выпрямительных элементов может быть различным и состоять из нескольких единиц до нескольких сотен штук.

Выпрямительные элементы соединены между собой по последовательной электрической схеме. С этой целью в трубке вблизи ее торцов размещены две пружины 20 и 21, с помощью которых создан прижимной электрический контакт между выпрямительными элементами. Для повышения пробивного напряжения высоковольтного диода исключен механический контакт металлических деталей, размещенных внутри трубки, со стенкой трубки. С этой целью на торцах пружин укреплены контактные узлы, состоящие из металлических тел 22, 23 и 25, 26 с диэлектрическими прокладками 24 и 27 между ними, соответственно. Диэлектрические прокладки 24 и 27 выступают за границы металлических тел 23, 25 и 25, 26 контактных узлов, тем самым исключено касание пружинами стенки трубки. Вблизи верхнего торца трубки с помощью распорного кольца 29 герметично укреплен компенсатор 28 температурного расширения жидкости, которой заполнена внутренняя полость 30 трубки. Компенсатор 28 изготовлен из эластичного материала и имеет форму колпачка. Объем 31 трубки, расположенный между герметично установленной крышкой 32 и внешней стороной колпачка 28, заполнен газом. Нижний торец трубки герметично закрыт крышкой 33. На фиг.2 представлен в увеличенном масштабе фрагмент А фиг.1. На фиг.3 представлен разрез выпрямительного элемента с прокладкой из диэлектрического материала. Выпрямительный элемент состоит из металлического основания 34, имеющего углубление 35 и выступ 38. В углублении 35 установлен полупроводниковый кристалл 36 с электродом 37. На выступе 38 укреплена прокладка из диэлектрического материала 39, выступающая за границу основания 34. На фиг.4 представлен разрез контактного узла пружины. Контактный узел пружины состоит из двух металлических тел 22 и 23, которые электрически соединены между собой перемычкой 40. Внутри металлического тела 22 укреплен контакт 41. Между металлическими телами 22 и 23 укреплена прокладка из диэлектрического материала 24, выступающая за границу тел 22 и 23.

На фиг.5 представлен общий вид высоковольтного диода, имеющего компенсатор 45 с перепускными клапанами 46 и 47, обеспечивающими циркуляцию диэлектрической жидкости из объемов 48 и 49 трубки, разделенных компенсатором. На фиг.5 изображена конструкция высоковольтного диода, содержащая одну пружину 44, расположенную между выпрямительными элементами.

На фиг.6 представлен общий вид высоковольтного диода с оребренным трубчатым электродом 50. На фиг.7 представлен вид сверху высоковольтного диода с оребренным трубчатым электродом 50.

Предложенная конструкция высоковольтного диода обладает следующими преимуществами перед известными:

- усилие от пружин передается на полупроводниковые кристаллы по оси симметрии высоковольтного диода перпендикулярно плоскостям кристаллов;

- улучшена конвекция жидкости между выпрямительными элементами за счет изготовления выступов на основании;

- улучшено охлаждение жидкости и как следствие полупроводниковых кристаллов, за счет изготовления оребренного трубчатого электрода;

- применение жидкого герметика позволило значительно снизить механические напряжения в полупроводниковых кристаллах, возникающие из-за разности температурных коэффициентов линейного расширения конструкционных материалов.

Использование: при создании приборов силовой полупроводниковой техники. Сущность изобретения: высоковольтный диод включает в себя: корпус в виде диэлектрической трубки, на концах которой укреплены электроды, множество последовательно соединенных выпрямительных элементов, размещенных внутри трубки, каждый из которых состоит из металлического основания и полупроводникового кристалла, укрепленного на основании, пружину, создающую прижимной электрический контакт между выпрямительными элементами. На торце пружины укреплен контактный узел, состоящий из двух электрически соединенных металлических тел и диэлектрической прокладки между ними, выступающей за границы этих тел. В основаниях изготовлены соосные выступы и углубления, в последних размещены полупроводниковые кристаллы; на выступах оснований укреплены прокладки из диэлектрического материала, выступающие за границы оснований и обеспечивающие центровку оснований по оси трубки. Внутри трубки вблизи ее торца герметично установлен компенсатор температурного расширения жидкости. Внутренняя полость трубки с установленными в ней выпрямительными элементами заполнена до компенсатора диэлектрической жидкостью, например, полиметилсилоксановой жидкостью. Внешние торцы трубки герметично закрыты крышками. Компенсатор может быть выполнен из эластичного материала, иметь форму колпачка, стенки которого герметично прижаты к стенке трубки, внутреннюю полость колпачка, сообщающуюся с внутренней полостью трубки, заполненной диэлектрической жидкостью, объем трубки, расположенный с внешней стороны колпачка, заполненный газом. Компенсатор может быть расположен внутри диэлектрической жидкости, содержать перепускные клапаны, обеспечивающие перетекание жидкости из объемов трубки, разделенных компенсатором. Хотя бы одна пружина может быть расположена между выпрямительными элементами. Хотя бы один электрод имеет оребрение. Техническим результатом изобретения является снижение механических напряжений в полупроводниковых кристаллах и улучшение условий охлаждения. 4 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Высоковольтный диод, включающий в себя корпус в виде диэлектрической трубки, на концах которой укреплены электроды, множество последовательно соединенных выпрямительных элементов, размещенных внутри трубки, каждый из которых состоит из металлического основания и полупроводникового кристалла, укрепленного на основании, пружину, создающую прижимной электрический контакт между выпрямительными элементами, отличающийся тем, что на торце пружины укреплен контактный узел, состоящий из двух электрически соединенных металлических тел и диэлектрической прокладки между ними, выступающей за границы этих тел, в основаниях изготовлены соосные выступы и углубления, в последних размещены полупроводниковые кристаллы, на выступах оснований укреплены прокладки из диэлектрического материала, выступающие за границы оснований и обеспечивающие центровку оснований по оси трубки, внутри трубки вблизи ее торца герметично установлен компенсатор температурного расширения жидкости, внутренняя полость трубки с установленными в ней выпрямительными элементами заполнена до компенсатора диэлектрической жидкостью, например полиметилсилоксановой жидкостью, внешние торцы трубки герметично закрыты крышками.2. Высоковольтный диод по п.1, отличающийся тем, что компенсатор выполнен из эластичного материала, имеет форму колпачка, стенки которого герметично прижаты к стенке трубки, внутренняя полость колпачка сообщается с внутренней полостью трубки, заполненной диэлектрической жидкостью, объем трубки, расположенный с внешней стороны колпачка, заполнен газом.3. Высоковольтный диод по п.1, отличающийся тем, что компенсатор расположен внутри диэлектрической жидкости, содержит перепускные клапаны, обеспечивающие перетекание жидкости из объемов трубки, разделенных компенсатором.4. Высоковольтный диод по пп.1-3, отличающийся тем, что хотя бы одна пружина расположена между выпрямительными элементами.5. Высоковольтный диод по пп.1-4, отличающийся тем, что хотя бы один электрод имеет оребрение.