Выпрямительная ячейка Советский патент 1982 года по МПК H01L23/36 

(54) ВЫПРЯМИТЕЛЬНАЯ ЯЧЕЙКА

1

Изобретение относится к полупроводниковой преобразовательной технике и может быть использовано при создании выпрями-, тельных блоков к преобразовательным установкам тягового электропривода электровозов.

Известен выпрямительный блок, содержащий охладитель, силовой полупроводииковый прибор и тепло проводящую прокладку из легкоплавкого металла, расположенную между поверхностями контакта прибора и охладителя (зона контакта) 1.

Недостатком этого блока является низкая термодинамическая эффективность, обусловленная низким коэффициентом теплопроводности жидкого металла и воздущных включений в зоне контакта, появляющихся в результате вытекания расплавленного металла из зоны контакта прибора и охладителя.

В связи с ростом мощности в единице силового полупроводникового прибора наряду с жесткими требованиями к габаритам и массе блока применительно к пробразовательным установкам электровозов необходимо повыщение термодинамической эффективности блока и, в частности, контактной

зоны, на которой имеют место потери температурного напора, достигающие до располагаемого температурного напора от поверхности прибора к охлаждающему воздуху, циркулирующему в каналах охладителей. Возможно повыщение термодинамической эффективности зоны контакта посредством уменьщения толщины теплопроводящей прокладка. Однако уменьщение толщины прокладки ограничено микро- и макронеровностями контактирующих поверхнос10тей, а также непараллельностью, возникающей при установке прибора и охладителя.

Известна выпрямительная ячейка, содержащая силовой полупроводниковый прибор, охладители и теплопроводящую прокладку, расположенную в кольцевых канавках, выполненных на поверхности охладителя 2.

Недостатком указанной выпрямительной ячейки является низкая термодинамическая

,„ эффективность теплопроводящей прокладки, обусловленная тем, что контакт поверхностей прибора и охладителя осуществляется лишь по части участков кольцевых выступов на охладителе, а по участкам кольцевых впадин контакт происходит через слой легкоплавкого металла с невысокой теп.топроводностыо. Кроме того, зона контакта содержит воздушные прослойки, возникающие из-за микро- и макронеровностей и непара;1лельности поверхностей прибора и охлаД1ггелй. Цель изобретения - повышение термодинамической эффективности выпрямительной ячейки. Указанная цель достигается тем, что, в выпрямительной ячейке, содержащей силовой полупроводниковый прибор, установленный между охладителями через теплопроводяи1.ие прокладки из легкоплавкого металла, указанные прокладки выполнены армированными, причем арматура выполнена из материала с высокой теплопроводностью. На чертеже показана выпрямительная яче(ка. Выпрямительная ячейка содержит силоЕюй полупроводниковый прибор 1, охладии 2 и теплопроводящие прокладки 3 из легкоплавкого материала, снабженные ар.матурой 4. Прокладки 3 установлены между торцами прибора 1 и охладителями 2 и скреплены прижимны.м устройством 5. Армирование теплопроводящей прокладки материалом с повышенной теплопроводностыо способствует повышению общего коэффициента теплопроводности зоны контакта, так как тепловой поток передается от силового полупроводникового прибора к охладителю по двум параллельным путям- через металл арматуры и через слой жидкого MCTa.Lia, заполняющего ячейки между арматур(1Й. Жидкий металл, смачивая арматуру, удерживается от вытекания из зоны конT.ijKTa за счет капиллярных сил, предотвра;цая попадание воздуха в зону контакта, что способствует поддержанию повышенного коэффициента теплопроводности независимо от нагрузки. Все это способствует повышеиию термодинамической эффективности выпрямительной ячейки. Вместе с тем предлагаемое техническое решение позволяет реализовать теплопередачу через слой армированной прокладки даже в случае контакта неоднородных поверх.ностеи, например, медного вывода корпуса прибора и алюминиевого охладителя. Так, если одна из поверхностей смачивается жидким металлом, а другая не смачивается, то герметизация и удержание металла в зоне контакта затруднительны, поскольку жидкий металл при циклических тепловых нагрузках вытесняется из зоны контакта, а вместо него в зону попадает воздух, обладаюплий низкой теплопроводностью, что снижает термодинамическую эффективность выпрямительного блока. Применение арматуры, смачиваемой жидким металлом, способствует тому, что за счет усилия прижатия прибора и охладителя герметизация металла осуществляется в каждой отдельной ячейке, образованной арматурой, и попадание воздуха в зону контакта прибора и охладителя не будет иметь места даже в случа,е контакта поверхностей, несмйчиваемых жидким металлом. В процессе работы выпрямительного блока за счет тепловыделений в приборе 1 температура прокладок 3 повышается и легкоплавкий металл переходит в жидкое состояние, заполняя ячейки, образованные арматурой 4, например ячейки сетки, выполненной из меди, и удерживаются в ячейках посредством капиллярных сил. В качестве базового объекта для сравнения принято устройство 2, в котором содержатся сведения о термодинамической эффективности выпрямительного блока. При этом толщина теплопроводящей прокладки как в известном, так и в предлагаемом устройствах принята 6 0,254мм. Тогда, принимая по данным 3 теплопроводность лег оилавкого сплава AI 10Вт/{м-К), для ,, f,r,,f-rnr,i ТЙПП ГЛ1 ппул ( ЯППй таблетки тиристора Т800 4 при { 800А (тепловыделения при этом Q 1000 Вт), получим перегрев поверхности тиристора над поверхностью охладителя через зону контакта0 0 iJ 9К « F-Л. где F nd /4 - площадь поверхности контакта. Величина теплового сопротивления базового варианта определится по формуле 1 0,009 К/Вт В случае применения предлагаемой арматуры около 20°/о теплового потока будет передаваться через арматуру при А2 390Вт/(м-К) 3, а 80% - через слой жидкого металла при А( 10Вт/(м-К). Тогда усредненный коэффициент теплопроводности составит А 0,,2А2 86Вт/(мК), а термический напор и сопротивление зоны контакта по предлагаемому решению принимают величины соответственно 0 1,05 К R 0,00105 К/Вт. Таким образом, применение предлагаемого технического решения позволяет за счет повышения термодинамической эффективности выпрямительного блока на порядок снизить термический напор на каждой контактной паре. В результате температура силового полупроводникового прибора снижается, что позволяет повысить мощность выпрямительного блока в тех же габаритах или же снизить габариты и массу блока путем применения более компактных охладителей.

Формула изобретения Выпрямительная ячейка, содержащая силовой полупроводниковый прибор, установленный между охладителями через теплопроводящие прокладки из легкоплавкого металла, отличающаяся тем, что, с целью повышения термодинамической эффективности ячейки, указанные прокладки выполнены армированными, причем арматура, выполнена из материала с высокой теплопроводностью.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

кл

кл

4.Тиристоры Т4-500, Т630, Т800. Информационный листок 05.04.45-76, «Информэлектро, 1977.