СИЛОВОЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ МОДУЛЬ С ИСПАРИТЕЛЬНЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ Российский патент 2004 года по МПК H01L23/34 

Изобретение относится к электротехники, а именно к полупроводниковой технике, и может использоваться в статистических преобразователях электрической энергии.

Наиболее близким техническим решением является силовой полупроводниковый модуль, состоящий из нескольких полупроводниковых, диодных или тиристорных структур, размещенных на едином медном основании, которое является электро- и теплоотводящим элементом модуля. Фаски структур защищены кремнийорганическим компаундом. Кроме того, имеются дополнительные электроотводящие элементы. Медное основание, структуры, дополнительные электроотводящие элементы соединены между собой пластмассовым корпусом (Силовые полупроводниковые модули. ТУ 16-99. ИЕАЛ. 435 - 740.002 ТУ).

Недостатком данного модуля является то, что его конструкция предполагает только одностороннее воздушное охлаждение, что существенно снижает рабочие токи устройства.

Технический результат заключается в увеличении рабочих токов силовых полупроводниковых модулей за счет интенсификации теплоотвода от полупроводниковых структур.

Сущность изобретения заключается в том, что в силовом полупроводниковом модуле с испарительным охлаждением, содержащем силовые полупроводниковые, диодные или тиристорные структуры в сборе с медными токосъемными шинами, размещенными в пластмассовом корпусе, полупроводниковые, диодные или тиристорные структуры собраны в электрическую трехфазную мостовую схему выпрямителя с помощью двух медных токосъемных шин постоянного тока, имеющих по три группы одностороннего оребрения медными штырьками квадратного сечения, и трех медных токосъемных шин переменного тока, имеющих по две группы аналогичного оребрения с двух сторон, и размещены в среде жидкого диэлектрического промежуточного теплоносителя, при этом корпус герметично соединен с конденсатором, имеющим внутренние каналы конденсации и внешнее оребрение. Параметры одной группы оребрения определены:

а=(1,1:1,2)Д_спп;

n=0,00625 а²;

h=(0,7:l,0)P_AV,

где n - количество штырьков, штук;

h - высота штырьков, мм;

а - размер стороны группы, мм;

Д_спп - диаметр силовой полупроводниковой структуры, мм;

P_AV - мощность тепловых потерь одной структуры в номинальном режиме, Вт.

Тип жидкого диэлектрика выбран в зависимости от максимально допустимой температуры р-n переходов полупроводниковых структур.

Площадь поверхности внешнего оребрения определен в соответствии с суммарной мощностью тепловых потерь всех шести силовых полупроводниковых структур, скоростью охлаждающего воздуха и типом жидкого диэлектрического промежуточного теплоносителя следующим образом:

При W_cf=0 м/с:

F_OV=(3:3,5)10^-3 P_AVΣ_{для перфтортриэтиламина;}

F_OV=(1,5:2,0)10^-3 P_AVΣ_{для перфтордибутилового эфира;}

F_OV=(1,1:1,2)10^-3 P_AVΣ_{для перфтордиамилового эфира;}

При W_cf=6 м/с:

F_OV=(8,1:10)10^-4 Р_AVΣ_{для перфтортриэтиламина;}

F_OV=(4:5)10^-4 Р_AVΣ_{для перфтордибутилового эфира;}

F_OV=(2,5:3)10^-4 P_AVΣ_{для перфтордиамилового эфира.}

При W_cf=12 м/с:

F_OV=(7:8)10^-4 Р_AVΣ_{для перфтортриэтиламина;}

F_OV=(3:4)10^-4 P_AVΣ_{для перфтордибутилового эфира;}

F_OV=(2:2,5)10^-4 P_AVΣ_{для перфтордиамилового эфира,}

где F_OV - площадь поверхности внешнего оребрения;

P_AVΣ_{- суммарная мощность тепловых потерь всех шести силовых полупроводниковых структур;}

W_cf - скорость охлаждающего воздуха.

Фаски силовых полупроводниковых структур, находящихся в среде кипящего жидкого диэлектрика, защищены материалом, например полиамидом стеклонаполненным, инертным к кипящим, а именно перфтортриэтиламину, перфтордибутиловому эфиру, перфтордиамиловому эфиру и их паровым фазам.

На фиг. 1 изображен силовой полупроводниковый модуль с испарительным охлаждением, на фиг.2 - расположение структур в корпусе модуля.

Силовой полупроводниковый модуль с испарительным охлаждением состоит из пластмассового корпуса 1, заполненного жидким диэлектрическим промежуточным теплоносителем 2, в который погружены силовые полупроводниковые структуры 3, собранные в трехфазную мостовую электрическую схему выпрямления с помощью трех медных токосъемных шин переменного тока 4, оребренных медными квадратными штырьками 5, и двух медных токосъемных шин постоянного тока 6, также оребренных квадратными штырьками 7. Пластмассовый корпус 1 герметично соединен с алюминиевым конденсатором 8, имеющим внешнее оребрение 9 и внутренние каналы конденсации 10.

Силовой полупроводниковый модуль с испарительным охлаждением работает следующим образом. При работе электрической мостовой трехфазной схемы выпрямления через шесть полупроводниковых, диодных или тиристорных структур 3 проходит электрический ток, при этом на каждой структуре выделяется мощность тепловых потерь Р_AV. Структуры размещены между пятью медными токосъемными шинами, которые являются одновременно теплоотводящими элементами. Две из них - шины постоянного тока 6 имеют по три группы одностороннего оребрения медными штырьками 7 квадратного сечения 2× 2 мм; три - шины переменного тока 4 имеют по две группы аналогичного оребрения с двух сторон 5.

Параметры одной группы оребрения определены:

а=(1,1:1,2)Д_cпп;

n=0,0625 а²;

h=(0,7:1,0)P_AV/n,

где n - количество штырьков, штук;

h - высота штырьков, мм;

а - размер стороны группы, мм;

Д_спп - диаметр силовой полупроводниковой структуры, мм;

P_AV - мощность тепловых потерь в номинальном режиме, Вт.

Полупроводниковые структуры в сборе с токосъемными шинами - теплоотводами размещены в пластмассовом корпусе 1, заполненном жидким диэлектрическим промежуточным теплоносителем 2. Мощность тепловых потерь от структуры передается контактирующим с ней штырьками 5 и 7, которые нагреваются до температуры 20-25° С ниже, чем температура р-n перехода структуры, жидкий промежуточный теплоноситель 2 закипает на поверхностях штырьков 5 и 7, пары жидкости поднимаются вверх, поступают в каналы конденсации 10 конденсатора 8, конденсируются, конденсат стекает вниз в объем жидкости. Поскольку для наиболее эффективной теплоотдачи при кипении диэллектрических жидкостей температура поверхности кипения (то есть поверхности штырьков 5 и 7) должна превышать температуру кипения жидкостей на 25-30° С, тип жидкого диэлектрика 2 выбирается в зависимости от максимально допустимой температуры р-n переходов полупроводниковых структур T_fmax. Для структур с T_fmах=125° С используется фтороорганическая жидкость - перфтортриэтиламина (МД-3Ф) с температурой кипения 70° С; для структур с T_fmax=140-150° С - перфтордибутиловый эфир (ДЭФ) с температурой кипения 100° С; для структур T_fmax=175-190° С - перфтордиамиловый эфир (ПЭФ) с температурой кипения 140° С.

Тепловой поток от конденсирующихся паров промежуточного теплоносителя 2 передается через сетки конденсатора 8 к внешнему оребрению 9, далее за счет воздушной конвекции отводится в окружающее пространство.

Площадь поверхности внешнего оребрения F_OV определяют в соответствии с суммарной мощностью тепловых потерь всех шести силовых полупроводниковых структур P_AVΣ_{, скоростью охлаждающего воздуха Wcf и типом промежуточного теплоносителя следующим образом:}

При W_cf = 0 м/с:

F_OV=(3:3,5)10^-3 P_AVΣ_{для перфтортриэтиламина;}

F_OV=(1,5:2,0)10^-3 P_AVΣ_{для перфтордибутилового эфира;}

F_OV=(1,1:1,2)10^-3P_AVΣ_{для перфтордиамилового эфира.}

При W_cf=6 м /с:

F_OV=(8,1:10)10^-4 P_AVΣ_{для перфтортриэтиламина;}

F_OV=(4:5)10^-4 P_AVΣ_{для перфтордибутилового эфира;}

F_OV=(2,5:3)10^-4 Р_AVΣ_{для перфтордиамилового эфира.}

При W_cf=12 м/с:

F_OV=(7:8)10^-4 P_AVΣ_{для перфтортриэтиламина;}

F_OV=(3:4 )10^-4 P_AVΣ_{для перфтордибутилового эфира;}

F_OV=(2:2,5)10^-4 P_AVΣ_{для перфтордиамилового эфира.}

Фаски силовых полупроводниковых структур 3, находящихся в среде кипящего жидкого диэлектрика 2, защищены материалом, например полиамидом стеклонаполненным типа ПА 66-KC. 1. OCT6 - 11.498.79, инертным к кипящим: перфтортриэтиламину, перфтордибутиловому эфиру, перфтордиамиловому эфиру и их паровым фазам.

По сравнению с известными решениями предлагаемая конструкция позволяет увеличить рабочие токи силовых полупроводниковых модулей за счет интенсификации теплоотвода от полупроводниковых структур.

Использование: в электротехнике, а именно в полупроводниковой технике, в статистических преобразователях электрической энергии. Технический результат заключается в увеличении рабочих токов силовых полупроводниковых модулей за счет интенсификации теплоотвода от полупроводниковых структур. Сущность изобретения: силовой полупроводниковый модуль с испарительным охлаждением состоит из пластмассового корпуса, заполненного жидким диэлектрическим промежуточным теплоносителем, в который погружены силовые полупроводниковые структуры, собранные в трехфазную мостовую электрическую схему выпрямления с помощью трех медных токосъемных шин переменного тока, оребренных медными квадратными штырьками, и двух медных токосъемных шин постоянного тока, также оребренных квадратными штырьками. Пластмассовый корпус герметично соединен с алюминиевым конденсатором, имеющим внешнее оребрение и внутренние каналы конденсации. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Силовой полупроводниковый модуль с испарительным охлаждением, содержащий силовые полупроводниковые, диодные или тиристорные структуры в сборе с медными токосъемными шинами, размещенными в пластмассовом корпусе, отличающийся тем, что полупроводниковые, диодные или тиристорные структуры собраны в электрическую трехфазную мостовую схему выпрямителя с помощью двух медных токосъемных шин постоянного тока, имеющих по три группы одностороннего оребрения медными штырьками квадратного сечения и трех медных токосъемных шин переменного тока, имеющих по две группы аналогичного оребрения с двух сторон, и размещены в среде жидкого диэлектрического промежуточного теплоносителя, при этом корпус герметично соединен с конденсатором, имеющим внутренние каналы конденсации и внешнее оребрение.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что параметры одной группы оребрения определены:

a=(1,1: 1,2)Д_спп,

n=0,00625 а²,

h=(0,7:1,0)P_AV,

где n - количество штырьков, штук;

h - высота штырьков, мм;

а - размер стороны групп, мм;

Д_спп - диаметр силовой полупроводниковой структуры, мм;

P_AV - мощность тепловых потерь одной структуры в номинальном режиме, Вт.

при W_cf=0 м/с:

F_ov=(3:3,5)10^-3 P_AVΣ_{для перфтортриэтиламинажа;}

F_ov=(1,5:2,0)10^-3 P_AVΣ_{для перфтордибутилового эфира;}

F_ov=(1,1:1,2)10^-3 P_AVΣ_{для перфтордиамилового эфира;}

при W_cf=6 м/с:

F_ov=(8,1:10)10^-3 P_AVΣ_{для перфтортриэтиламина;}

F_ov=(4:5)10^-3 P_AVΣ_{для перфтордибутилового эфира;}

F_ov=(2,5:3)10^-3 P_AVΣ_{для перфтордиамилового эфира;}

при W_cf=12 м/с:

F_ov=(7:8)10^-3 P_AVΣ_{для Перфтортриэтиламина;}

F_ov=(3:4)10^-3 P_AVΣ_{для перфтордибутилового эфира;}

F_ov=(2:2,5)10^-3 P_AVΣ_{для перфтордиамилового эфира;}

где F_ov - площадь поверхности внешнего оребрения;

P_AVΣ_{- суммарная мощность тепловых потерь всех шести силовых полупроводниковых структур;}

W_cf - скорость охлаждающего воздуха.