Мощный полупроводниковый модуль Советский патент 1992 года по МПК H01L25/03 

Изобретение относится к полупроводниковой технике, а именно, к выпрямительным блокам, и может быть использовано в агрегатах бесперебойного питания, а также в ряде других преобразовательных устройствах.

Известны полупроводниковые модули, в том числе как паянной, так и прижимной конструкции.

Модули прижимной конструкции содержат полупроводниковые элементы, прижимную систему, силовые и управляющие выводы.

Основным недостатком таких модулей является сложность конструкции, которая с ростом числа элементов увеличивается, а при создании многоключевых модулей еще растут и их габариты. Более жесткими становятся требования к соосности элементов конструкции.

Наиболее близким решением является устройство мощного полупроводникового

модуля прижимной конструкции в пластмассовом корпусе, содержащем основание, обечайку и крышку, внутри которого на основании в ограничителях расположены транзисторные и диодные элементы с выводами, электрически соединенные в определенной последовательности, токосъемы, эмиттерные и коллекторные шины, крепежные элементы.

К недостаткам данного устройства относится низкая эффективность использования площади и практическая невозможность создания многоключевого модуля аналогичного по назначению без значительного увеличения его габаритов.

Целью изобретения является снижение массо-габаритов многоключевого модуля, повышение его технологичности и надежности.

Указанная цель достигается тем, что в мощном полупроводниковом модуле прижимной конструкции в пластмассовом корпусе, содержащем основание, обечайку и крышку, внутри которого на основании в ограничителях расположены транзисторные и диодные элементы с выводами, электрически соединенные в определенной последовательности, токосъемы, эмиттерные и коллекторные шины, крепежные элементы, преимущественно, четыре полупроводниковых элемента, составляющие один элемент многоключевого модуля, расположены попарно один над другим, по меньшей мере, водной паре полупроводниковые элементы разделены введенной теплопроводя- щей изолирующей прокладкой, все элементы размещены в ограничителях, выполненных в виде набора сборно-разборных изолирующих пластин, причем, по меньшей мере, одна пластина выполнена из эластичного материала, эмиттерные шины жестко зафиксированы при помощи вновь введенных изоляторов, а коллекторные шины от верхних и нижних полупроводниковых элементов жестко зафиксированы при помощи новь введенных узлов соединения.

Изоляторы выполнены составными из основания и планки с прорезью, в которой расположена эмиттернэя шина, зафиксированная на основании изолятора при помощи планки и крепежных болтов.

Узлы соединения выполнены в виде полых электропроводящих цилиндрических деталей, снабженных болтом, соединяющим упомянутые детали с основанием, изолирующей подложкой и крепежными гайками фикси к 1цими коллекторные шины, причем в центре Оокопой поверхности полы цилинлричгч ки деталей выполнено

сквозное отверстие с соотношением диаметра отверстия к внешнему диаметру цилиндра как (3:5)- (3,5 : 5,5).

Обечайка корпуса с одной стороны выполнена с вертикальной, переходящей в на- клонную плоскость, соединенную с крышкой корпуса, при этом на наклонной плоскости размещены выводы узлов управления от полупроводниковых элементов, а с

0 другой стороны обечайка выполнена с вертикальной плоскостью, переходящей в гори- зонтальную плоскость в виде уступа, переходящего в наклонную плоскость, соединенную с крышкой, причем крышка рас5 положена выше горизонтальной части уступа.

Признаками, отличающими заявленное решение от прототипа являются:наличие по меньше мере, четырех полупроводниковых

0 элементов, которые расположены попарно один над другим и которые составляют один элемент многоключевого модуля; по меньшей мере, в одной паре полупроводниковые элементы разделены теплопроводящей изо5 лирующей прокладкой; ограничители, в которых размещены элементы, представляют собой набор сборно-разборных изолирующих пластин и при этом, по меньшей мере, одна пластина выполнена из эластичного

0 материала; для жесткой фиксации шин введены дополнительные элементы; изоляторы и узлы соединения; изоляторами фиксируют эмиттерные шины, а узлами соединения - коллекторные шины от верхних и нижних

5 полупроводниковых элементов одновременно,

В свою очередь, изоляторы выполнены составными из двух частей: основания и планки с прорезью; через прорезь проходит

0 эмиттернэя шина и фиксируется на основании изолятора при. помощи планки, которая прижимается крепежными болтами.

Узлы соединения выполнены в виде полых электропроводящих цилиндрических

5 деталей, которые снабжены болтом для соединения с основанием, изолирующей подложкой для изоляции нижней коллекторной шины от основания, крепежными гайками, при помощи которых фиксируют коллектор0 ные шины; в центре боковой поверхности цилиндрических деталей выполнено сквозное отверстие с размером, выбранным из указанного соотношения.

Обечайка корпуса выполнена много5 уровневой, т.е. с одной стороны она сначала выполнена с вертикальной плоскостью переходящей в наклонную плоскость; на наклонной плоскости размещены выводы узлов управления от полупроводниковых элементов и этой плоскостью она соединена

с крышкой корпуса; с другой стороны обечайка так же имеет вертикальную плоскость, переходящую в горизонтальную, в виде уступа; горизонтальная плоскость соединена с крышкой ешз одной наклонной плоскостью, при этом крышка расположена выше горизонтальной плоскости уступа.

На фиг.1 изображен предлагаемый модуль, вид спереди (разрез А-А); на фиг.2 - то же, вид сверху (разрез Б-Б); на фиг.З - ограничитель, вид сбоку (вверху) и вид сверху (внизу), где а, б, в, г, д - набор изолирующих сборно-разборных пластин по слоям; на фиг.4-узел соединения коллекторных шин; на фиг.5 - принципиальная электрическая схема одноключевого модуля.

Мощный полупроводниковый модуль содержит основание 1, обечайку 2, крышку 3. Эти элементы составляют корпус модуля. Внутри корпуса на основании в первом ряду расположены транзисторные элементы 4,5, а во втором ряду транзистор 6 и диод 7. Каждый полупроводниковый элемент расположен между эмиттерными 8 и коллекторными 9 токосъемами, к которым прилегают верхние и нижние коллекторные 10 и эмит- терные 11 шины. Сверху перечисленные элементы прижимаются к основанию крепежными элементами, включающими в себя полусферы 12, планки 13, болты 14, гайки 15 и размещаются внутри многоуровневых ограничителей 16, преде- зляющих собой набор сборно-разборных изолирующих пластин (фиг.За. б, в, г, д). Между двумя транзисторами 4 и 6 дополнительно расположены теплопроводящая прокладка 17 и эмиттерная шина верхнего транзистора 18. От основания нижние транзисторы изолированы при помощи изоляторов 19.

Эмиттерные шины 11 дополнительно жестко зафиксированы в изоляторах, выполненных из изолирующего материала составными и включающими в себя основание 20 с отверстиями под крепеж, планку с прорезью 21 и грепежные бол ы 22 Эмиттерная шина проходит через прорезь в планке, которая в свою очередь nj /.жимается к основанию болтами 22.

Коллекторные шины 10 жестко зафиксированы узлом соединения, выполненным в виде электропроводящей (например, медной) цилиндрической детали 23. напаянной на болт 24 через изолирующую подложку 25. Болт 24 служит для соединения цилиндрической детали с основанием, а подложка 25, выполненная из керамики. - для изоляции нижней коллекторной шины от основания модуля, Гайки 26 наворачивают на внешнюю поверхность цилиндрической детали для фиксации положения коллекторных

шин. В центре боковой поверхности цилиндрической детали 23 выполнено сквозное отверстие, которое при заливке герметиком работает как замок.

5 В центре эмиттерных токрсьемов 8 расположены узлы управления 27 транзистор- ными элементами. Выводы узлов управления 28 размещены на наклоннной плоскости обечайки корпуса, которая в свою

10 очередь соединена с крышкой.

Внутри корпуса на основании помимо силовых полупроводниковых элементов размещена управляющая схема 29, состоящая из диодов Дг, Дз.

15 Корпус модуля представляет собой обечайку, выполненную из пластмассы, две стенки которой, представляют собой вертикальные плос.крсти. Боковые же стенки по высоте имеют, помимо вертикальных на0 клонные и горизонтальные плоскости, Так, с одной стороны боковая стенка выполнена сначала с вертикальной, затем с наклонной плоскостью, соединенной с крышкой. На наклонной плоскости расположены выводы

5 узлов управления 28 от полупроводниковых элементов. Высота вертикальной плоскости определяется высотой управляющей схемы 29. С другой стороны боковая стенка представляет собой двух уровневую конст0 рукцию, где помимо вертикальной плоскости есть горизонтальная плоскость в виде уступа, так же соединенная с крышкой, но другой наклонной плоскостью, причем крышка расположена выше горизонтальной

5 плоскости уступа. Высота вертикальной плоскости с этой стороны определяется высотой собранного силового узла. На образованном уступе размещают систему выводов коллектора модулей. На крышке корпуса

0 располагают систему выводов эмиттеров.

Принципиальным отличием предлагаемого корпуса от известных является его значительно большая механическая прочность, которая достигается созданием наклонов, в

5 сумме приводящих к эффекту полога, известного своими укрепляющими свойствами. Кроме того, создание таких корпусов, размеры которых не менее 150 х 95 х 55 мм другой конфигурации плохо выдерживают

0 термоциклирование, даже при прочих равных условиях, т.е. наличии ребер жесткости. Использование корпусов многоключевых модулей само по себе требует разнесения на разные уровни и стороны систем силовых

5 выводов, при этом возможно создание раздельных барьеров между ними, что на фиг. не показано.-;

Сборку модуля начинают с установки на медное основание 1 полой цилиндрической детали 23 узла соедиие ия коллекторных

шин, который ввинчивает в основание. Далее на болты 14, закрепленные в основании, поочередно надевают изолирующие пластины, в собранном виде представляющие из себя разъемные многоуровневые ограничители 16 (фиг 1, 3 а, б, в, г, д). Данный набор сборно-разборных изолирующих пластин выполнен, по меньшей мере, из 3 пластмассовых элементов (3 б, в, д) и двух резиновых (3 а, г). В каждой пластине предусмотрены соответствующие пазы и отверстия под сборочные единицы модуля. По мере сборки пластины нанизывают на крепежные болты и затем стягивают крепежными гайками. Таким образом, все элементы конструкции жестко фиксируются в ограничителе 16.

Осуществляют следующим образом. Резиновую м пластмассовую пластины ограничителя надевают на болты. В эти две пластины устанавливают по высоте изо/1Я- торы 19 и нижнюю коллекторную шину 10, при этом, шину одевают на цилиндрическую деталь 23 и закрепляют на ней нижней гайкой 2б.3атем устанавливают структуры транзисторов 4,5 (соответственно Т и Tj на фиг.5) и на них два нижних эмиттерных токосъема 8. В центре токосъемов располагают узлы управления 27 и накрывают эмиттерной шиной 11. Далее устанавливают пластину ограничителя. В эту пластину слева укладывают кера мическую прокладку 17, эмиттерную шину 18 от верхнего транзистора, верхний эмит- терный токосъем 8, структуру транзистора 6. Справа укладывают токосъем 8, на него диод 7 (Д1). Затем в оба отверстия укладывают коллекторные токосъемы 9. Устанавливают резиновую пластину ограничителя и пластмассовую пластину. После этого устанавливают верхнюю коллекторную шину 10, фиксируя ее на цилиндрической детали 23 верхними гайками 26. На шину кладут полусферы 12, крепежные планки 13 и закрепляют гайками 15. Все пластины ограничителя так же стягиваются гайками, расположенными на болтах 14 (не показаны). Эмиттер- ные шины 11 жестко зажимают в составном изоляторе между основанием 20 и планкой 21. Следующим этапом является установка управляющей схемы 29 и приклеивание обечайки 2 к основанию 1 После чего, производят заливку модуля компаундом, .либо засыпку влагопоглощающим порошком. Приклеивают крышку 3 и закрепляют все шины с помощью винтов и гаек на корпусе Сборка модуля в разборных ограничителях 16, решает ряд задач упрощение технологии изготовления деталей и пресс-форм для них. упрощение технологии сборки, которая по существу заключается в наращивании высоты ограничителя и укладки в его отверстия и пазы элементов конструкции. При этом центровка автоматически обеспечивается самой деталью. Кроме того, .наличие резиновых пластин позволяет уплотнить сборку и решить частные задачи герметизации, которые в других случаях решаются либо за счет специально изготовленных уплотнителей, либо за счет герметиков. Здесь это просто детали огра0 ничителя.

Применение электропроводящих узлов соединения для коллекторных шин позволяет изолировать их от основания и жестко зафиксировать с защитой от вибраций. При

5 заливке жестким компаундом отверстие в цилиндре служит замком. Сам цилиндр позволяет улучшить условия работы коллекторов, т.к. позволяет увеличить сечение промежуточного элемента, снизив его со0 противление. Соотношение размеров отверстия выбирается из условия того, что с одной стороны, надо увеличить максимально размер отверстия для прохождения компаунда, с другой стороны - не сильно

5 уменьшать сечение токопровода. Исходя из этих соображений подобрано соотношение (3 - 5) - (3,5 - 5,5), которое испытывалось в составе всей конструкции.

Жесткое закрепление, в изоляторе эмит0 терных шин 1-1 также необходимо для защиты их от вибраций.

При работе прибора входной сигнал подают либо в базу транзистора Ti - В(28), либо через управляющую схему 29 - Вх(28),

5 если она не является защитной схемой (как в данном случае). Происходит отпирание транзистора Ti, выходной ток которого отпирает параллельно соединенные транзисторы Т2 и Тз. В результате в рабочей цепи

0 коммутируется напряжение.

Диод Дт является защитным диодом цепи выходных транзисторов. Управляющая схема 29, состоящая из диода Д2 - ускоряющего и диодной сборки Дз - защитной цепи

5 эмиттера, является элементом, улучшающим качество работы модуля.

Расположение транзистора Ti(6) над Т2(4), а диода Д1(7) над Тз(5) возможно потому, что входной транзистор Ti и диод Д1

0 работают в значительно более легком режиме, когда выходной ток транзистора Ti по меньше мере, едва раза меньше, чем у транзисторов 2 и Тз Диод Дт работает, как защитный, только в импульсном режиме, по5 этому в них меньше выделяется тепла, чем в транзисторах Т2 и Тз. Так как все полупроводниковые элементы в данном примере имеют одно сечение $32 мм и имеют одну конструкцию, то понятно, что у верхних элементов есть запас прочности. Это позволяет

создавать модули двухэтажной конструкции, не снижая их надежности

Предлагаемая конструкция модуля позволяет решить задачи соосности сборочных элементов при даух уровневом расположении структур; решить задачи соединения и закрепления шин; решить задачу снижения массогабаритов многоключевых модулей, в частности при одноключе- вом исполнении выигрыш по площади составляет 40%, а при двухключевом исполнении используется первоначальная площадь без ее увеличения.

Повышается технологичность изделия на 10 - 15% без снижения надежности при резком увеличении числа его элементов.

В такой конструкции можно увеличивать ряды элементов теоретически до бесконечности, при этом, естественно, растут габариты корпуса. Однако, практически выгодно изготавливать модули одноключевые, двухключевые, 4-ключевые и 6-ключевые. При этом можно делать их, как дискретными, так и объединять в любую схему внутри корпуса.

Формула изобретения 1. Мощный полупроводниковый модуль прижимной конструкции в пластмассовом корпусе, содержащий основание, обечайку и крышку, внутри которого на основании в ограничителях расположены транзисторные и диодные элементы с выводами, электрически соединенные в определенной последовательности, токосъемы, эмиттер- ные и коллекторные шины, крепежные элементы, отличающийся тем, что, с целью снижения массогабаритов многоключевого модуля, повышения технологичности и надежности, преимущественно четыре полупроводниковых элемента, составляющие один элемент многоключевого модуля, расположены попарно один над другим, по меньшей мере в одной паре полупроводниковые элементы разделены введенной теп- лопроводящей изолирующей прокладкой, все элементы размещены в ограничителях выполненных в виде набора сборно-разбор5 ных изолирующих пластин, причем по меньшей мере одна пластина выполнена из эластичного материала, эмиттерные шины жестко зафиксированы при помощи вновь введенных изоляторов, а коллекторные ши0 ны от верхних и нижних полупроводниковых элементов жестко зафиксированы при помощи вновь введенных узлов соединения.

2.Модуль по п. 1. отличающийся тем, что изоляторы выполнены составными

5 из основания и планки с прорезью, в которой расположена эмиттерная шина, зафиксированная на основании изолятора при помощи планки и крепежных болтов.

3.Модуль по п. 1,отличающийся 0 тем, что узлы соединения выполнены в виде

полых электропроводящих цилиндрических деталей, снабженных болтом, соединяющим упомянутые детали с основанием, изолирующей подложкой и крепежными

5 гайками, фиксирующими коллекторные шины, причем в центре боковой поверхности полых цилиндрических деталей выполнено сквозное отверстие с соотношением диаметра отверстия к внешнему диаметру ци0 линдра как (3:5)- (3,5 - 5,5).

4.Модуль по п. 1,отличающийся тем, что обечайка корпуса с одной стороны выполнена с вертикальной плоскостью, переходящей в наклонную плоскость, соеди5 ненную с крышкой корпуса при этом на наклонной плоскости размещены выводы узлов управления от полупроводниковых элементов, а с другой стороны обечайка выполнена с вертикальной плоскостью, пере0 ходящей в горизонтальную плоскость в виде уступа, переходящего в наклонную плоскость, соединенную с крышкой, причем крышка расположена выше горизонтальной части уступа.

ъ

i

N JS Ul «5i

k .

$

Область использования: в агрегатах бесперебойного питания, в так же в ряде других преобразовательных устройствах. Сущность изобретения: четыре полупроводниковых элемента расположены попарно один над другим и составляют один элемент многоключевого модуля, при этом по меньшей мере в одной паре полупроводниковые элементы разделены теплопроводящей изолирующейпрокладкой.Каждый полупроводниковый элемент расположен между эмиттерными и коллекторными токосъемами, к которым прилегают верхние и нижние коллекторные и средняя эмиттер- ная шины. Все перечисленные элементы прижаты к основанию модуля крепежными элементами и размещены, в свою очередь, внутри многоуровневых ограничителей. Ограничители представляют собой набор сборно-разборных изолирующих пластин, три из которых выполнены из пластмассы и две из резины. В каждой пластине предусмотрены соответствующие пазы и отверстия под сборочные единицы модуля. По мере сборки пластины нанизывают на крепежные болты и затем стягивают крепежными гайками. Таким образом, все элементы конструкции жестко фиксируют в ограничителях. Для жесткой фиксации коллекторных и змиттерных шин введены дополнительные элементы: изоляторы и узлы соединения. 3 з.п. ф-лы, 5 ил. -Ч Ч сл XJ СЛ ь.

bSLSLLl

i г & 0t

I I I I

4LD

r

1Л

r

31

I

Ј1 Ы IZ Zl

/ /J /

9-ff

frGiSUt