Многокристальный силовой модуль с мягкой коммутацией Российский патент 2024 года по МПК H01L27/00 

Изобретение относится к силовой электронике, в частности к преобразователям электрической энергии со сниженными потерями мощности в силовых полупроводниковых ключах, и может быть использовано в схемах инверторов и регуляторов напряжения.

Известен силовой полупроводниковый модуль, внешние силовые выводы которого являются положительным, отрицательным и средним выводами схемы полумоста (US 5646445 А, 08.06.1997). Недостатком данного силового модуля является повышенная паразитная индуктивность внешних силовых выводов силового модуля, приводящая к росту коммутационных перенапряжений.

Наиболее близким по технической сути к заявляемому решению является силовой полупроводниковый модуль (RU 184560 U1, 30.10. 2018), имеющий положительный, отрицательный и средний внешние силовые выводы, состоит из основной керамической платы с двусторонней металлизацией, соединенной нижним основанием с базовой платой теплоотвода, на поверхности основной керамической платы сформированы первая и вторая контактные площадки с установленными на них полупроводниковыми кристаллами, согласно последовательно соединенными между собой межкомпонентными проволочными соединениями, при этом положительный внешний силовой вывод присоединен к первой контактной площадке, а средний внешний силовой вывод присоединен ко второй контактной площадке, на вторую контактную площадку основной керамической платы напаяна вторая керамическая плата с двусторонней металлизацией, к поверхности которой присоединен отрицательный внешний силовой вывод и межкомпонентные проволочные соединения полупроводникового кристалла, установленного на второй контактной площадке основной керамической платы. Недостатком данного силового модуля являются высокие коммутационные потери мощности, из-за режима жесткой коммутации силовых ключей модуля, что приводит к перегреву полупроводниковых кристаллов модуля и снижению рабочей частоты переключения.

Технической задачей предлагаемого изобретения является снижения энергии коммутационных потерь в полупроводниковых ключах силового модуля и повышение КПД его работы.

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в обеспечении режима мягкой коммутации путем разделения во времени фронтов тока и напряжения силовых ключей модуля в процессе их переключения.

Технический результат достигается тем, что многокристальный силовой модуль, имеющий положительный, отрицательный и средний внешние силовые выводы, состоит из основной керамической платы с двусторонней металлизацией, соединенной нижним основанием с базовой платой теплоотвода, на поверхности основной керамической платы сформированы первая и вторая контактные площадки с установленными на них полупроводниковыми кристаллами, согласно последовательно соединенными между собой межкомпонентными проволочными соединениями, при этом положительный внешний силовой вывод присоединен к первой контактной площадке, а средний внешний силовой вывод присоединен ко второй контактной площадке, на вторую контактную площадку основной керамической платы напаяна вторая керамическая плата с двусторонней металлизацией, к поверхности которой присоединен отрицательный внешний силовой вывод и межкомпонентные проволочные соединения полупроводникового кристалла, установленного на второй контактной площадке основной керамической платы, модуль снабжен дополнительной керамической платой, соединенной нижним основанием с базовой платой теплоотвода, на поверхности дополнительной керамической платы сформированы первая и вторая дополнительные контактные площадки, с установленными на них полупроводниковыми кристаллами встречно последовательно соединенными между собой межкомпонентными проволочными соединениями, вторая контактная площадка основной керамической платы и первая дополнительная контактная площадка дополнительной керамической платы соединены проводником, пропущенным через окно магнитного сердечника, при этом ко второй дополнительной контактной площадке дополнительной керамической платы присоединен дополнительный внешний силовой вывод.

Сущность предложенного изобретения и его технический результат поясняются соответствующими чертежами.

На Фиг. 1 представлен многокристальный силовой модуль с мягкой коммутацией.

На Фиг. 2 представлена диаграмма переключения основного ключа силового модуля.

Многокристальный силовой модуль имеет положительный 1, отрицательный 2 и средний 3 внешние силовые выводы, состоит из основной керамической платы 4 с двусторонней металлизацией, соединенной нижним основанием с базовой платой теплоотвода 5, на поверхности основной керамической платы 4 сформированы первая 6 и вторая 7 контактные площадки с установленными на них полупроводниковыми кристаллами 8 и 9 согласно последовательно соединенными между собой межкомпонентными проволочными соединениями 10, при этом положительный внешний силовой вывод 1 присоединен к первой контактной площадке 6, а средний внешний силовой вывод 3 присоединен ко второй контактной площадке 7, на вторую контактную площадку 7 основной керамической платы 4 напаяна вторая керамическая плата 11 с двусторонней металлизацией, к поверхности которой присоединен отрицательный внешний силовой вывод 2 и межкомпонентные проволочные соединения 12 полупроводникового кристалла 9, установленного на второй контактной площадке 7 основной керамической платы 4. Модуль снабжен дополнительной керамической платой 13, соединенной нижним основанием с базовой платой теплоотвода 5, на поверхности дополнительной керамической платы 13 сформированы первая 14 и вторая 15 дополнительные контактные площадки, с установленными на них полупроводниковыми кристаллами 16 и 17 встречно последовательно соединенными между собой межкомпонентными проволочными соединениями 18, вторая контактная площадка 7 основной керамической платы 4 и первая дополнительная контактная площадка 14 дополнительной керамической платы 13 соединены проводником 19, пропущенным через окно магнитного сердечника 20, при этом ко второй дополнительной контактной площадке 15 дополнительной керамической платы 13 присоединен дополнительный внешний силовой вывод 21.

Рассмотрим, каким образом в представленном изобретении обеспечивается реализация условий для разделения во времени фронтов тока и напряжения силовых ключей модуля в процессе их коммутации, с целью обеспечения эффективного снижения коммутационных потерь мощности.

Полупроводниковые кристаллы 8 и 9, согласно последовательно соединенные между собой межкомпонентными проволочными соединениями 10, являются основными силовыми ключами модуля с двусторонней проводимостью тока. Полупроводниковые кристаллы 16 и 17, встречно последовательно соединенные между собой межкомпонентными проволочными соединениями 18, являются вспомогательными силовыми ключами модуля, и также обладают двусторонней проводимостью тока.

Вторая керамическая плата 11 с двусторонней металлизацией, по сути, является керамическим конденсатором, подключенным параллельно к внешним выводам полупроводникового кристалла 9, и емкость которого равна:

где ε - диэлектрическая проницаемость диэлектрика второй керамической платы 11; S - площадь металлизированной поверхности второй керамической платы 11; d - толщина диэлектрика второй керамической платы 11.

Проводник 19, пропущенный через окно магнитопровода 20, имеет индуктивность:

где μ - магнитная проницаемость магнитного сердечника 20; S - площадь сечения магнитного сердечника 20; l_ср - средняя длина магнитной силовой линии магнитного сердечника 20.

При работе силового модуля в составе импульсных регуляторов постоянного напряжения или в составе инверторов напряжения, между его положительным 1 и отрицательным 2 внешними силовыми выводами подключается пара последовательно соединенных входных источников ЭДС одинакового напряжения Е с соответствующей внешним 1 и 2 силовым выводам полярности, средняя точка которых соединяется с дополнительным внешним силовым выводом 21. При этом к среднему 3 внешнему силовому выводу подключается нагрузка.

В зависимости от направления, ток нагрузки в установившемся режиме протекает через один из основных силовых ключей модуля, выполненных на полупроводниковых кристаллах 8 или 9, согласно последовательно соединенных между собой межкомпонентными проволочными соединениями 10. В устройство модуля введены вспомогательные силовые ключи, выполненные на полупроводниковых кристаллах 16 и 17, встречно последовательно соединенные между собой межкомпонентными проволочными соединениями 18. При этом только один из встречно последовательных вспомогательных ключей модуля будет согласно включен с соответствующим основным ключом модуля. Пусть согласным включением обладают пары ключей 8 и 16, а также 9 и 17, соответственно. Через проводник 19 вспомогательные ключи присоединены к средней точке соединения основных ключей модуля и к среднему 3 внешнему силовому.

Пусть в начальный момент времени основной силовой ключ на кристалле 8 включен, и через него протекает ток нагрузки, а основной силовой ключ на кристалле 9 выключен. При этом выходная емкость проводящего ключа 8 полностью разряжена, а выходная емкость выключенного ключа 9, фактически равная емкости второй керамической платы 11, заряжена до напряжения 2Е входных источников ЭДС. Непосредственно перед включением основного ключа модуля на кристалле 9 на относительно короткий интервал времени включается вспомогательный ключ 16, который согласно включен с противофазным основным ключом 8. При этом ток нагрузки плавно переключается с основного ключа 8 во вспомогательный ключ 16. Плавная коммутация тока нагрузки с основного ключа 8 во вспомогательный ключ 16 обеспечивается индуктивностью проводника 19 и описывается уравнением:

где Е - напряжение входного источника ЭДС.

При этом за счет замедления нарастания тока, потери мощности во вспомогательном ключе 16 при его включении будут практически равны нулю. В конце интервала коммутации ток индуктивности проводника 19 становится равным току нагрузки. При этом между индуктивностью проводника 19 и емкостью второй керамической платы 11 возникает резонансный процесс, в ходе которого емкость второй керамической платы 11 полностью разряжается в соответствие с уравнением:

где - круговая частота резонансного процесса.

Тогда основной ключ 9 может быть включен при нулевом напряжении без потерь мощности.

После включения основного ключа 9 ток индуктивности проводника 19 будет плавно спадать, возвращая накопленную энергию во входной источник ЭДС. Процесс плавного спада тока индуктивности проводника 19 описывается уравнением:

где I_H - ток нагрузки.

После уменьшения тока индуктивности проводника 19 до нуля вспомогательный ключ 16 выключается при нуле тока без потерь мощности.

При выключении основного ключа 9, ток нагрузки переключается в емкость второй керамической платы 11, обеспечивая плавное нарастание напряжения в его выходной цепи:

За счет замедления нарастания напряжения на основном ключе 9 обеспечиваются практически нулевые потери мощности при его выключении.

Таким образом, введение в состав силового модуля дополнительной керамической платы 13, содержащей вспомогательный силовые ключи на полупроводниковых кристаллах 16 и 17, присоединенные через проводник 19 к средней точке соединения основных ключей модуля 8 и 9 и к среднему 3 внешнему силовому, обеспечивает коммутацию тока нагрузки в основном ключе 9 при нулевом напряжении, а во вспомогательном ключе 16 при нулевом токе, что снижает коммутационные потери мощности в обоих ключах практически до нуля.

При изменении направления тока нагрузки в среднем 3 внешнем силовом выводе аналогичный режим коммутации без потерь мощности обеспечивается в основном ключе 8 и во вспомогательном ключе 17.

Предложенное устройство было исполнено в виде гибридного многокристального силового модуля и применено в трехфазном инверторе напряжения.

На Фиг. 2 представлена диаграмма одного цикла коммутаций основного ключа 9 многокристального силового модуля.

Масштаб по вертикали:

Напряжение U_S (t) ключа 9: (канал 1) - 200 В/дел.

Ток I_S (t) ключа 9: (канал 2) - 20 А/дел.

Масштаб по горизонтали: Время - 1,0 мкс/дел.

Как следует из диаграмм Фиг. 2, изобретение обеспечивает режим мягкой коммутации основных ключей многокристального силового модуля при полном разделении во времени фронтов напряжения и тока. При этом энергия коммутационных потерь практически равна нулю, что повышает КПД работы схемы.

Изобретение относится к силовой электронике, в частности к преобразователям электрической энергии со сниженными потерями мощности в силовых полупроводниковых ключах, и может быть использовано в схемах инверторов и регуляторов напряжения. Технический результат предлагаемого изобретения заключается в обеспечении режима мягкой коммутации путем разделения во времени фронтов тока и напряжения силовых ключей модуля в процессе их переключения. Технический результат достигается тем, что многокристальный силовой модуль снабжен дополнительной керамической платой с установленными на ней встречно последовательно соединенными полупроводниковыми кристаллами, которая соединяется с основной керамической платой проводником, пропущенным через окно магнитного сердечника. 2 ил.

Многокристальный силовой модуль, имеющий положительный, отрицательный и средний внешние силовые выводы, состоит из основной керамической платы с двусторонней металлизацией, соединенной нижним основанием с базовой платой теплоотвода, на поверхности основной керамической платы сформированы первая и вторая контактные площадки с установленными на них полупроводниковыми кристаллами, согласно последовательно соединенными между собой межкомпонентными проволочными соединениями, при этом положительный внешний силовой вывод присоединен к первой контактной площадке, а средний внешний силовой вывод присоединен ко второй контактной площадке, на вторую контактную площадку основной керамической платы напаяна вторая керамическая плата с двусторонней металлизацией, к поверхности которой присоединен отрицательный внешний силовой вывод и межкомпонентные проволочные соединения полупроводникового кристалла, установленного на второй контактной площадке основной керамической платы, отличающийся тем, что модуль снабжен дополнительной керамической платой, соединенной нижним основанием с базовой платой теплоотвода, причем на поверхности дополнительной керамической платы сформированы первая и вторая дополнительные контактные площадки, с установленными на них полупроводниковыми кристаллами, встречно последовательно соединенными между собой межкомпонентными проволочными соединениями, вторая контактная площадка основной керамической платы и первая дополнительная контактная площадка дополнительной керамической платы соединены проводником, пропущенным через окно магнитного сердечника, а ко второй дополнительной контактной площадке дополнительной керамической платы присоединен дополнительный внешний силовой вывод.