Полупроводниковый модуль Советский патент 1983 года по МПК H01L25/00 

, Изобретение относится к преобразовательной технике и предназначено для использования в полупроводниковых преобразовательных устройствах. Известен полупроводниковый модуль , содержащий полупроводниковый прибор и блок защиты по управляющему электроду Cl. Однако данный модуль нельзя выпо нить, на неуправляемых полупроводниковых приборах, он не может быть и пользован в цепи постоянного тока, не обеспечивает отключение прибора в случае его повреждения и не ограничивает амплитуду аварийного тока Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является полупроводниковый модуль, содержащий плавкий предохранитель и полупроводниковый прибор C2J с многостержневым токоподводом к его полупроводниковой структуре, например, как описано в 3. Недостатка известных модулей являются значительные потери мощности и необходимость расхода серебра- дефицитного и дорогостоящего материала. Это связано с тем, что дпй предохранителя Модуля требует ся малое соотношение между полным джоулевым интегралом отключенияJ t И его номинальным током . по сра нению с соотношением, допускаемым для другого электротехнического оборудования. Уменьшение отношения ОТКА достигается путем выполне-:ния плавкого элемента предохранител сложной конфигурации, применением серебра и повышением в нем плотност тока. Известные модули характеризуются относительно большими габаритами и массой. Это определяется тем, что полупроводниковый прибор и предохранитель выполнены в отдельных кор пусах и имеют внешнее соединение. Кроме того, увеличение номинального тока и напряжения предохранителя достигается путем соответственно параллельного и последовательного соединения предохранителей базовой конструкции. Кроме того, известные модули характеризуются недостаточным быстродействием, вследствие чего допустимое число параллельно работающих модулей не менее трех, так как числе параллельно работающих Модуле m 3 не обеспечивается селективное отключение поврежденного прибора в связи с тем, что аварийный ток может превысить значение, приводящее к начёшу расплавления плавкого элемента предохранителя в модуле с неповрежденным прибором. В схеме прео ра,зовательного устройства через поврежденный модуль протекает полный аварийный ток, Я1вляющийся для его прибора обратным током, а для остальных модулей аварийный ток является прямым и делится по параллельно соединенным модулям равномерно,, т.е. ток одного модуля составляет-l/ni часть от полного тока..ПРИ этом для селективного отключения поврежденного прибора необходимо, чтобы где 32-i . „д - -преддуговой интеграл плавления предохранителя. У современных быстродействующих предохранителей откл ,g., J f . селективность отключения предохранителем при не обеспечивается. При m , 3 и определенной величине рабочего тока модуля аварийный ток через поврежденный модуль может превысить ток термодинамической стой кости его прибора либо предохранителя. Цель изобретения - уменьшение рас хода электроэнергии, массы и габаритов, повышение быстродействия и обес печение термодинамической стойкости. Поставленная цель достигается тем, что в полупроводниковом модуле, содержащем корпус, полупроводниковую структуру, соединенную с электрическими выводами многостержневым токоподводом, и предохранитель с плавкими элементами, предохранитель расположен в указанном корпусе и выполнен с числом плавких элементов, равным числу стержней токоподвода, каждый стержень соединен с электричесгким выводом через один плавкий элемент и образованная таким образом цепочка изолирована на участке от полупроводниковой структуры до электрического вывода. Кроме того, плавкие элементы выполнены из того же материала, чтЪ и стержни токойодвода, например.из алюминия, и каждый стержень объединен с одним плавким элементом. На фиг. 1 изображен предлагаемый модуль с многостержневым токоподводом к двум сторонам полупроводниковой структуры, общий вид в разрезе; на фиг. 2 - то же, к одной стороне полупроводниковой структуры; на фиг. 3 - последовательность перегорания плавких элементов предохранителя.

Модуль на фиг. 1 имеет полупровоА никовую структуру 1 и многостержневой токоподвод из двух частей 2 и 3. Стержни токоподвода одними концами контактируют с полупроводниковой структурой 1 на отдельных участках, а другими - с двумя группами плавких элементов 4 и 5, причем каждый стержень контактирует -с одним плавким элементом, имеющим места 6 сужения. Противоположные концы плавких элементов соединены с электрическими выводами 7 и 8. Корпус имеет резервуар 9, заполненный диэлектрической теплоотводящей жидкостью 10, например фреоном, и изолятор 11, заполненный диэлектрической дугогасящей средой 12 например песком или фреоном, изолирукядей каждый плавкий элемент. Каждый стержень токоподвода изолирован изоляцией 13 и 14. Плавкие элементы фиксируются, проходя через отверстия пластин.15 и 16

Модуль на фиг. 2 имеет полупроводниковую структуру 1 и многостержневой токОподвод 2. Стержни токоподвода одними концами контактируют с полупроводниковой структурой на отдельных участках, а другими - с группой плавких элементов 4, причём каждый стержень контактирует с одним плавким элементом, имеющим места 6 сужения. Противоположные концы плавких элементов соединены с электрическим выводом 7. Корпус модуля имеет изолятор 11, заполненный диэлектрической дугогасящей средой 12, изолирующей каждый плавкий элемент, который фиксируется, проходя через отверстия пластин 15 и 16, В модуле имеется также медное основание 17 и термокомпенсатор 18.

Рабочий ток протекает одновременно по всем плавким элементам 4 и 5.. Аварийный ток, вызванный внешней , причиной, такжебудет протекать по всем плавким элементам одновременно. При пробое полупроводниковой струк-. туры 1, который, как правило, происходит в одной небольи ой области,ава:рийный ток начнет протекать по первой группе плавких элементов и соединенных с ними стержней токоподвода, непосредственно примыкающих к этой области..При этом ток в остальг ных стержнях и плавких элементах относительно мал из-за сравнительно большего сопротивления полупроводниковой структуры в поперечном . направлении неповрежденной части и им вначалё можно пренебречь. НараСтающий аварийный ток быстро расплавляет первую небольшую группу элементов и переходит на вторую группу , прикыкающую к первой, расплавляет ее, переходит на третью группу, непосредственно примыкающую ко второй, расплавляет ее -и т.д. до тех

пор, пока не будет расплайлена посленяя группа. Одновременно увеличивается область первоначального пробоя структуры. Например, при пробое полупроводниковой структуры 1 по фаске в точке А (.фиг. 3/ и при токоподводе, содержащем М 52 стержня , вначале расплавится один плаВгкий элемент, группы I, затем три плавких элемента группы 11, затем четыре группы III, затем четыре груп пы IV, затем шесть группы V, затем семь группы VI, затем восемь группы VII, затЪм восемь группы VIII, затем семь группы IX и наконец три г группы X. Таким образом, в случае пробоя полупроводниковой структуры происходит поочередное расплавление групп плавких элементов полнцм аварийным током и при этом резко уменьшается время их плавления tnji а также , максимальный ток Эдлп отключаемый предохранителем. .

Степень влияния поочередного расплавления плавких элементов может быть показана следующим образом.

Энергия, необходимая для нагрег ва единицы объема плавкого элеменравна.

до расплавления, к

-5 .

(11

W

пл

и { - мгновенное значение

де

аварийного тока, t, и t ц - время начала протекания аварийного тока и время до образования дуги;

f - сопротивление единицы объема плавкого элемента.

;- «J,Приняв ia

, получим

dt

Для .одной группы из п параллельно работёцощих. плавких элементов с сечением каждого 5 можно записать:

1п, .

(Я

(Щ- п5 Э

ЪпЧ W

ПА

(Ь)

+ i

(п|

H(n|

(-)

Vdt/ Для L групп последовательно плавляющихся элементов общее вре плавления Из выражения 16 для случая, да все плавкие элементы в количе ве п П2+... расплавляются од временно, получим Последнее имеет место, когда полупроводниковая структура моду не повреждена и по нему протекае аварийный ток в прямом направлен вызванный внешней причиной. Тако же время плавления будет иметь стандартный предохранитель с общ сечением плавкого элемента М5 изготовленного из того же матер ла. Из (7J| и (8 получим t- Г1 Так как (1) и (2) /d т d -/ип dt пл то ...4 П 1 1U ;п I м A.rXll. Например, при , п 1, п 3, ,п 6,п 7,п п 8.,п 7 и п (фиг.З). Потери мощности в плавких-эле тах модуля по сравнению с потер мощности в стандартном предохра ле с теми же значениями „л 1пд уменьшаются в 2,5-3 раза из (8) видно, что для получения стандартного предохранителя t 2 раза меньше необходимо уменьшить сечение SN плавкого элемента в 2,82 раза. При этом во столько же раз возрастет плотность тока и потери мощности. В современных предохранителях потери мощности на 1 А эффективного тока составляют 0,15 Вт а, например, в предохранителе на 800 А равны 120 Вт, В плавких элементах соответствующего модуля с полупроводниковой структурой диода В-500 они составляют около 40 Бт„ Учитывая, что допустимые потери для такой структуры составляют 850 Вт влиянием потерь в плавких элементах, выделяющихся в значительном объеме с дугогасящей средой,можно пренебречь. Помещение предохранителя в один корпус с полупроводниковой структурой прибора и соединение последней с электрическими выводами через цепочки из последовательно соединенных стержня токоподвода и плавкой вставки позволяет уменьшить расход электроэнергии на потери в предохранителе модуля и тем самым увеличить КПД преобразовательных устройств за счет уменьшения плотности тока в предохранителе. Например, в модуле ria 500 А при /N 52 и выполнении плавких вставок из меди мощность потерь снижается в 3 раза по сравнению с потерями в предохранителе ПП57 на 800 А к диоду на средний ток 500 А. Одновременно Ь1сключается потребление 42. г серебра, Умень1аение массы и габаритов и упрощение конструкции достигается исключением внешних контактов, применением общего корпуса, а также исключением внутренних контактов между стержнями токоподвода и плавкими элементами При выполнении их из одного материала. Кроме того, в предлагаемом модуле увеличивается быстродействие и обеспечивается селективная работа защиты при любом числе m , включая m 1 и 2,, Это следует из того, что даже приняв З -ЬОТКА (144 получим 32/ioTM/ пл ® меньше 1Т|2 12.Обеспечение термодинамической стойкости достигается тем, что, начиная с момента возникновения аварийнего тока и расплавления первой группы плавких вставок, первоначально малая область повреждения полупрбводниковой структуры быстро увеличивается за счет последовательно перевода аварийного тока на вторую третью и т.д. группы. При этом умень шается концентрация потерь энергии в области полупроводниковой структуры. Кроме ToroV .значительная доля энергии потерь переносится из области полупроводниковой структуры 1 в дугогасящую среду 12,.

1. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ МОДУ содержаи1Ий корпус, полупроводниковую структуру, соединенную с электрическими выводами посредством мн гостержневого токоподвода, и предохранитель с плавкими элементами, отличающийся тем, что, с целью уменьшения расхода электро энергии, массы и габаритов, повышения быстродействия и обеспечения термодиис1мической стойкости, предохранитель расположен в указанном корпусе и выполнен с чи.сяом плавких элементов, равным числу стержней токоподвода, каждый стержень соединен с электрическим выводом через один плавкий элемент и обраэованнгш такий образом цепочка изолирована на участке от полупроводниковой структуры до электрического вывода. 2. Модуль по п. 1, отличающийся тем, что, с целью исключения расхода серебра и упрощения конструкции, плавкие элементы выполнены из того же материгша, что и стержни токоподвода, например из алкни1иния, и Ксикдый стержень объе-. динен с одним плавким элементом.