КОРПУС МОДУЛЯ И СИЛОВОЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ МОДУЛЬ Российский патент 2007 года по МПК H01L23/04 H01L25/16 

Область техники

Изобретение относится к области силовой электроники. Оно относится к корпусу модуля согласно ограничительной части пункта 1 формулы изобретения и к силовому полупроводниковому модулю.

Уровень техники

Разработка модулей на биполярных транзисторах с изолированным затвором (БТИЗ) развивается исходя из получивших широкое распространение транзисторных модулей на основе пары Дарлингтона, которые были основным компонентом низковольтных приводов в течение последних двух десятилетий прошлого века. Сначала изготовители просто заменяли микросхемы Дарлингтона на микросхемы БТИЗ. Эта методика привела к разнообразию типов монтажа в корпусе в т.н. "стандартных модулях". Самые низковольтные устройства обычно имели конфигурацию 6-блочного или полностью 3-фазного моста. Устройства с более сильным током использовали 2-блочную или полумостовую конфигурацию, в то время как устройства с наибольшими значениями тока выполняли в виде 1-блочных устройств (БТИЗ с противопараллельным импульсным диодом). Это сочетание развития из биполярных модулей с разнообразным диапазоном корпусов обеспечило очень разрозненную базу устройств электропитания с огромным разнообразием почти взаимозаменяемых модулей. Поставщики неохотно разрабатывали стандартные решения и не делали капиталовложения в новое оборудование для монтажа ИС в корпусе. При этом старый, вышедший из биполярности, монтаж ИС в корпусе имел некоторые ограничения при его использовании с более быстродействующими БТИЗ с затворами МОП-структуры.

Сейчас появились новые поколения модулей, имеющие более разнообразный монтаж ИС в корпусе, в частности - в маломощном диапазоне, и поставщики сейчас предлагают новые концепции с более высокими уровнями интеграции, обычно направленные на определенные участки рынка. Если поставщики устройств предусматривают в устройствах повышенную функциональность, то это не обязательно должно означать, что они могут выпускать стандартный модуль согласно двум смысловым значениям слова "стандартный". Во-первых, дополнительная функциональность ограничивает область применения модуля. Во-вторых, нужную большинству пользователей стандартизацию, а именно - многоистоковость, трудно обеспечить ввиду присутствия поставщиков, использующих разные технологии.

В маломощном диапазоне были устройства Econopack, которые описываются в М. Feldvoss et al. "A new compact inverter concept with low profile solderable ECONOPACK modules", Powersystems World ′96 Conference, PCIM, September, 7-13, 1996, Las Vegas, и они в конечном счете стали отвечать требованиям определения стандартного модуля: изготавливаются не одним поставщиком и используются многими клиентами. Но до поступления изделия LoPak согласно описанию в S Dewar et al, "The Standard Module of the 21^st century", ABB Semiconductors AG on line documentation (www. Absem. com) не имелось нового стандартного модуля, выполненного конкретно для использования с БТИЗ-техникой свыше показателя 100А, с 6 блоками.

Обычные маломощные низковольтные (с линейным напряжением свыше 3 кВ) применения стабилизируют двухоперационными диодными тиристорами (ДОДТ), интегральными тиристорами с управляемым затвором (ИТУЗ) или с помощью БТИЗ. БТИЗ, являющийся устройством с несколькими преимуществами по сравнению с тиристорными силовыми полупроводниками, например - низкие требования в отношении приводного устройства, удобное охлаждение благодаря изолированной конструкции, является полностью разработанным устройством и используется для запирающих напряжений до 6,5 кВ. БТИЗ-модули с запирающими напряжениями 4,5 или 6,5 кВ изначально были сконструированы для преобразователей тяги и поэтому использовались для промышленных приводов и также для высококачественных силовых применений. Монтаж ИС в корпусе соответствовал тем же нормам, что и для более низковольтных модулей (1,2; 2,5 или 3,3 кВ). Все эти модули имеют стандартные характеристики, габариты и расположение выводов. Поэтому все промежутки и зазоры одинаковы, и все они имеют одинаковую электрическую изоляцию. БТИЗ-модуль для 6 кВ описывается в: F. Auerbach, et al, "6,5 kV IGBT-Modules", EUPEC online documentation (www. eupec.com).

Для применений с более высокими напряжениями необходимо последовательное соединение нескольких модулей. Один из возможных способов снижения себестоимости для этих видов применений заключается в последовательном соединении полупроводниковых ИС БТИЗ внутри модуля, в результате чего обеспечивают модули, в которых в два-три и даже более раза превышено запирающее напряжение имеющихся в данное время модулей наиболее высокого напряжения.

Но для этих модулей высокого напряжения правила обычного монтажа ИС в корпусе, применимые для модулей LoPak, оказались недостаточными для обеспечения полной изоляции без электростатического напряжения в особо важных участках корпусов модуля, например в склеенных переходах между двумя элементами корпуса, таких как стенки корпуса и покрытие.

Сущность изобретения

Цель данного изобретения заключается в обеспечении корпуса модуля и силового полупроводникового модуля упомянутого вида, обладающих повышенной электрической прочностью диэлектрика и улучшенными характеристиками запирающего напряжения.

Эту цель обеспечивают с помощью корпуса модуля, согласно пункту 1 формулы изобретения, и с помощью силового полупроводникового модуля согласно пункту 4 формулы изобретения.

Корпус модуля, согласно данному изобретению, содержит два электроизолированных элемента корпуса, прикрепленных друг к другу. Первый элемент из числа указанных элементов корпуса содержит, по меньшей мере, два отверстия для электросиловых выводов и углубление в виде прорези. Между указанными отверстиями выполнены, по меньшей мере, две изолирующие стенки на поверхности корпуса и перпендикулярно к ней. По меньшей мере, одна первая стенка из числа указанных изолирующих стенок является частью второго элемента из числа указанных элементов корпуса, и она вставлена в углубление в указанном первом элементе корпуса; при этом, по меньшей мере, одна вторая стенка из числа указанных изолирующих стенок является частью первого элемента корпуса.

Изолирующие стенки между отверстиями для силовых выводов позволяют осуществить компактную компоновку выводов.

Согласно предпочтительному осуществлению корпуса модуля, согласно данному изобретению: указанный второй элемент стенки с указанной первой изолирующей стенкой, вставляемой в указанное углубление, и указанный первый элемент стенки соединены клеевым переходом. Этот клеевой переход отделен, по меньшей мере, от одного из указанных отверстий, по меньшей мере, одной стенки из числа указанных вторых изолирующих стенок.

Клей не находится в промежутках токоведущих частей между силовыми выводами в отверстиях. Поэтому к клеевому переходу можно прикладывать любое электрическое поле; токопроводящая дорожка всегда прерывается, по меньшей мере, одной изолирующей стенкой между переходом и, по меньшей мере, одним из выводов.

Прочие варианты осуществления будут очевидными из прилагаемой формулы изобретения.

Краткое описание чертежей

Более полное представление о данном изобретении и многие присущие ему преимущества станут очевидными при обращении к приводимому ниже подробному описанию в совокупности с прилагаемыми чертежами, на которых:

фиг.1 - частичное изображение модуля, согласно данному изобретению, с двумя элементами корпуса - перед соединением элементов корпуса;

фиг.2 - корпус модуля, согласно Фиг.1, элементы корпуса прикреплены друг к другу; изображены силовые выводы;

фиг.3 - сечение корпуса модуля, согласно фиг.2; и

фиг.4 - сечение варианта осуществления корпуса модуля согласно фиг.2.

Предпочтительные варианты осуществления изобретения

Обращаясь к чертежам, на которых ссылочные обозначения обозначают одинаковые или соответствующие детали в нескольких видах.

Фиг.1 изображает первое осуществление корпуса модуля, согласно данному изобретению. Стенка 1 корпуса и покрытие 2 выполнены соответствующими друг другу. Стенка 1 корпуса на чертеже изображена только частично. Вся стенка корпуса предпочтительно имеет прямоугольную форму вокруг пластины подложки, на которой, например, установлены полупроводниковые микросхемы. Покрытие 2, также изображенное частично, выполнено с возможностью точной посадки сверху стенки корпуса, обеспечивая полную изоляцию корпуса модуля. Покрытие корпуса и стенку склеивают вместе, образуя герметичный корпус модуля.

На верху стенки 1 корпуса выполнена небольшая изолирующая стенка 11 перпендикулярно верхней поверхности стенки корпуса. Согласно изображению на чертеже, изолирующая стенка 11 перекрывает стенку корпуса в направлении внутрь модуля.

Покрытие 2 имеет углубление 23 в виде прорези, которое выходит на наружную сторону модуля. Эту изолирующую стенку 11 за счет скользящего перемещения вводят в углубление, когда покрытие 2 устанавливают сверху стенки 1 корпуса.

Фиг.2 изображает стенку 1 корпуса и покрытие 2, прикрепленные друг к другу. Покрытие 2 окружает изолирующую стенку 11, которая расположена в углублении 23.

Покрытие 2 содержит два отверстия 24 для введения в них силовых выводов 31 и 32 для осуществления контакта с полупроводниковыми микросхемами, установленными внутри модуля. Эти отверстия выполнены по обеим сторонам от углубления 23.

На покрытии 2 расположены две дополнительные изолирующие стенки 21 и 22, установленные перпендикулярно сверху поверхности покрытия и проходящие параллельно углублению 23. Эти изолирующие стенки 21 и 22 покрытия выполнены по обеим сторонам от углубления 23 между углублением и отверстием 24 для силового вывода 32. Изолирующие стенки 21 и 22 покрытия более длинные, чем расположенная между ними изолирующая стенка 11, и они могут проходить даже по всей длине покрытия.

В стенке 1 корпуса, покрытии 2 и силовых выводах 31 и 32 выполнены фиксирующие отверстия 12, 25 и 33, через которые болт 52 или винт вводят для прикрепления внешнего соединителя 4 к силовым выводам - согласно фиг.3 и 4.

Фиг.3 изображает сечение первого осуществления корпуса модуля, согласно данному изобретению, изображаемого на упомянутых чертежах. Изображена стенка 1 корпуса и покрытие 2, прочно прикрепленные друг к другу. Между изолирующей стенкой 11 и покрытием 2 в углублении выполнен переход 6. Изолирующие стенки 21 и 22 покрытия экранируют этот клеевой переход, отделяя канал утечки по поверхности диэлектрика и зазора. Поэтому целесообразно, чтобы высота h_w изолирующих стенок, особенно стенок между силовыми выводами 32 и клеевым переходом 6, была по меньшей мере равна высоте h_s уровня силового вывода 32, соединительной шины 4 и любого применяемого фиксирующего элемента, т.е. болта 52 и гайки 51.

Фиг.4 изображает сечение второго осуществления корпуса модуля, согласно данному изобретению. На стенке 1 корпуса выполнены две изолирующие стенки 11 и 12, но - только одна изолирующая стенка 21 покрытия. Для двух изолирующих стенок 11 и 12 имеются соответствующие углубления в покрытии, выполненные по обеим сторонам от изолирующей стенки 21 покрытия.

Клеевой переход является одним очень важным пунктом с точки зрения диэлектрика. Поскольку поведение диэлектрика на слое клея охарактеризовать трудно, поэтому надежнее будет ограничить электрическое поле слоя. В корпусе модуля, согласно данному изобретению, всегда имеется, по меньшей мере, одна изолирующая стенка между клеевым переходом и одним из силовых выводов.

Силовой полупроводниковый модуль, согласно данному изобретению, предположительно, не будет иметь частичного разряда относительно напряжений запирания от вывода к выводу до значения, по меньшей мере, равного 16 кВ.

Возможными применениями корпуса модуля, согласно данному изобретению, являются высоковольтные модули силовой электроники, например, модули силовой электроники с последовательно соединенными микросхемами, используемыми в силовом оборудовании высокого качества или в приводах среднего напряжения.

Элементы корпуса, включая изолирующие стенки, выполнены из электроизоляционного материала, например из эпоксидной смолы.

Перечень ссылочных обозначений

1 - корпус

11, 12 - изолирующая стенка корпуса

13 - фиксирующее отверстие

2 - покрытие

21, 22 - изолирующая стенка покрытия

23 - углубление

24 - отверстие вывода

25 - фиксирующее отверстие

31, 32 - силовой вывод

33 - фиксирующее отверстие

4 - соединительная шина

51, 52 - фиксирующий элемент, болт и гайка

6 - клей

h_s - высота уровня вывода

h_w - высота стенки

Изобретение относится к области силовой электроники. Сущность изобретения: корпус силового модуля содержит два электроизолированных элемента корпуса, которые прикреплены друг к другу. Первый элемент из числа указанных элементов корпуса содержит, по меньшей мере, два отверстия для электрических силовых выводов и углубление в виде прорези. Между отверстиями, по меньшей мере, две изолирующие стенки выполнены на поверхности корпуса и перпендикулярно к ней. Одна изолирующая стенка является частью второго элемента из числа указанных элементов корпуса и вставлена в углубление в указанном первом элементе корпуса; при этом, по меньшей мере, одна вторая стенка из числа указанных изолирующих стенок является частью первого элемента корпуса. Изолирующие стенки между отверстиями для силовых выводов позволяют осуществление компактной компоновки выводов. Техническим результатом изобретения является создание корпуса модуля и силового полупроводникового модуля, обладающих повышенной электрической прочностью диэлектрика и улучшенными характеристиками запирающего напряжения. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Корпус модуля, содержащий, по меньшей мере, два электроизолированных элемента, причем указанные элементы корпуса прикреплены друг к другу;

при этом первый элемент из числа указанных элементов корпуса содержит, по меньшей мере, два отверстия (24) для электросиловых выводов (31, 32);

причем между указанными отверстиями (24) выполнены, по меньшей мере, две изолирующие стенки (11, 12, 21, 22) на поверхности указанного корпуса и перпендикулярно ей;

причем, по меньшей мере, одна первая стенка из числа указанных изолирующих стенок (11, 12) является частью второго элемента из числа указанных элементов корпуса,

при этом указанную первую изолирующую стенку (11, 12) вводят в углубление (23) в виде прорези в указанном первом элементе корпуса,

отличающийся тем, что,

по меньшей мере, одна вторая стенка из числа указанных изолирующих стенок (21, 22) является частью первого элемента (2) корпуса.

при этом две изолирующие стенки (11, 12; 21, 22) являются частью одного из элементов корпуса и выполнены по обеим сторонам от третьей изолирующей стенки (21; 11); при этом указанная третья изолирующая стенка является частью другого элемента корпуса.

при этом указанные электроды соединены, по меньшей мере, с двумя силовыми выводами (31, 32); причем указанные силовые выводы выполнены в указанных отверстиях (24) для наружного электрического контактирования.