Силовий напівпровідниковий модуль з множиною підмодулів

1 Силовий напівпровідниковий модуль (10) з множиною підмодулів (1), що містять ВІДПОВІДНО, щонайменше, один напівпровідниковий чип (5а, 5Ь), причому підмодулі (1) закріплені на загальній опорній платі (11), що відводить тепло, і мають електричний контакт з провідниками (12, 14, 18), що приєднуються ззовні, який відрізняється тим, що щонайменше один напівпровідниковий чип (5а, 5Ь) підмодуля (1) вміщений в оболонку, яка містить ЗОВНІШНІ електроди (3, 7) для силових контактів (С, Е) щонайменше одного напівпровідникового чипа, причому кріплення і підключення кожного вміщеного в оболонку підмодуля (1) в силовому напівпровідниковому модулі (10) виконані з можливістю легкого роз'єднання 2 Модуль за п 1, який відрізняється тим, що оболонка підмодулів (1) включає в себе заливку (8) з електроізоляційної маси, причому ЗОВНІШНІ електроди (3, 7) виконані плоскими 3 Модуль за п 1 або п 2, який відрізняється тим, що оболонка підмодулів (1) включає електроізоляційну основу (2) з металевим покриттям (3) і металеву пластину (7), причому щонайменше один напівпровідниковий чип (5а, 5Ь) своїми силовими контактами (С, Е), переважно за допомогою шарів припою (4, 6) електрично з'єднаний з металевим покриттям (3) та металевою пластиною (7), а ЗОВНІШНІМИ електродами (3, 7) слугують виступна частина покритої металом основи (2) і металева пластина (7) Винахід відноситься до силової електроніки Його основою є силовий напівпровідниковий мо 4 Модуль за п 3, який відрізняється тим, що підмодуль (1) мінімально укомплектований напівпровідниковими чипами (5а, 5Ь) і, зокрема, має один IGBT (22) і/або один силовий діод (23), основа (2) містить керамічний матеріал, металева пластина (7) містить молібден, заливка (8) складається з пластику, а затворний вивід до затворного контакту (G) виведений крізь заливку (8) і являє собою монтажний провід 5 Модуль за будь-яким з пп 1-4, який відрізняється тим, що провідники (12, 14) з малою індуктивністю розташовані над опорною платою (11) шарами і на достатній відстані один над одним для забезпечення електроізоляції (13а, 13Ь, 13с, 17), в цій шаруватій системі передбачені виступні, у вигляді язичків або пазоподібно, поглиблені частини провідників як місця (19) вставлення і контакти (20) для підключення вміщених в оболонку підмодулів (1), а затворні контакти вміщених в оболонку підмодулів (1) з'єднані із затворним блоком (18), наприклад, затворними виводами (9) 6 Модуль за п 5, який відрізняється тим, що провідники (12, 14) розділені шарами (13а, 13Ь, 13с) ізоляції з твердого матеріалу, а в місцях (19) для вставлення - повітряними або газовими проміжками (17), і передбачено натискувальне підключення ЗОВНІШНІХ електродів (3, 7) підмодулів (1) до поверхонь контактів (20), які, зокрема, оснащені контактними пружинами 7 Модуль за будь-яким з пп 1-6, який відрізняється тим, що плата (11) основи виконана як охолоджувач або знаходиться в термічному зв'язку з охолоджувачем, основа (2) має високу теплопровідність і підмодулі (1) виконані з можливістю закріплення поруч один з одним з добрим тепловим контактом з опорною платою (11) 8 Модуль за будь-яким з пп 1-7, який відрізняється тим, що деяка КІЛЬКІСТЬ підмодулів (1) вибрана згідно з заданою величиною необхідної потужності силового напівпровідникового модуля (10) дуль з великою КІЛЬКІСТЮ підмодулів згідно з обмежувальною частиною п 1 формули винаходу Силові напівпровідникові модулі для промис О 00 о (О 60298 якою-небудь іншою композицією лових, тягових і інших приводів звичайно складаТаке капсулювання в корпусі вимагає великих ються з численних силових напівпровідникових витрат і мало надійне Зокрема, м'яка заливальна конструктивних елементів, наприклад тиристорів, маса лише злегка захищає від вологи і корозії, а двонапрямних тиристорів (GTO), звичайних транвикид шматків твердої заливальної маси під час зисторів (МСТ), силових ДІОДІВ, біполярних транзивибуху може нанести великий збиток сторів з ізольованим затвором (IGBT) або польових транзисторів з ізольованим затвором У основу винаходу поставлена задача створи(MOSFET) Зокрема, МОП-керовані напівпровіднити вдосконалений силовий напівпровідниковий кові чипи можна виготовляти лише з відносно немодуль з декількома підмодулями, який мав би великими активно керованими поверхнями або дуже просту, гнучку і міцну конструкцію, що допуспотужністю Тому, наприклад, для розрахованого кає легку заміну підмодулів і здатна ефективно на 1200А силового напівпровідникового модуля протистояти електричним і термічним навантазвичайно паралельно включають 20 біполярних женням транзисторів з ізольованим затвором (IGBT) Принципова основа винаходу полягає в тому, щоб створити з підмодулів такі силові напівпровідПодібний силовий напівпровідниковий модуль никові модулі, в яких щонайменше один силовий відомий, наприклад, з Європейської заявки ЕР-0 напівпровідник замкнено в оболонку із ЗОВНІШНІМИ 597 144 Для паралельного включення і зовнішньоелектродами і встановлено на загальній опорній го підключення декількох підмодулів запропоноваплаті з можливістю перемикання відносно ЗОВНІШна гібридна силова електронна конструкція ПідНІХ провідників з малою індуктивністю модуль на своїй основі несе кілька, звичайно 4-6 силових напівпровідників, які сполучені в один Ця задача вирішена ознаками п 1 формули функціональний блок На загальній опорній платі винаходу підмодулі змонтовані спільно з по черзі розташоСуть винаходу полягає в конструюванні силованими шарами напівпровідників з малою індуктивого напівпровідникового модуля з множиною підвністю і ізолятора Опорна плата переважно має модулів, що містять ВІДПОВІДНО, щонайменше, вигляд радіатора Така конструкція забезпечує один напівпровідниковий чип, причому підмодулі механічну стабільність і термостійкість силового закріплені на загальній опорній платі, що відвонапівпровідникового модуля дить тепло, і мають електричний контакт з провідниками, що приєднуються зовні, щонайменше, Для полегшення контакту з провідниками підодин напівпровідниковий чип підмодуля вміщений модулі виконані без корпусів Бажані дротяні конв оболонку, яка містить ЗОВНІШНІ електроди для такти, але можливі і клеми або ІНШІ засоби підклюсилових контактів, щонайменше, одного напівпрочення Крім того, для захисту підмодулів і контактів відникового чипа, причому кріплення і підключення запропоновано залиття змонтованих підмодулів в кожного вміщеного в оболонку підмодуля в силосилових напівпровідникових модулях вому напівпровідниковому модулі виконані з можЦя відома модульна конструкція має значні ливістю легкого роз'єднання недоліки Так, підмодулі перед монтажем на опорній платі можна дуже легко пошкодити, відмова Інші приклади виконання виходять із залежних напівпровідникового чипа при перевірці працездапунктів формули Оболонка підмодулів включає в тності приводить до втрати всього підмодуля, для себе заливку з електроізоляційної маси, причому монтажу потрібні відносно великі керамічні основи, ЗОВНІШНІ електроди виконані плоскими що утрудняє виконання паяних з'єднань, що нагріОболонка підмодулів включає електроізоляваються, з несучою платою, дротяні контакти між ційну основу з металевим покриттям і металеву підмодулями і провідниками повинні витримувати пластину, причому, щонайменше, один напівпровеликі струмові і ЦИКЛІЧНІ теплові навантаження, відниковий чип своїми силовими контактами, пещо вимагає особливих витрат і ретельності викореважно за допомогою шарів припою електрично нання з'єднань, і, нарешті, відкрито розташовані на з'єднані з металевим покриттям та металевою силовому напівпровідниковому модулі дротяні пластиною, а ЗОВНІШНІМИ електродами слугують контакти легко ламаються Якщо ж вони залиті, то виступна частина покритої металом основи і метазаміна одного підмодуля утруднена або взагалі лева пластина неможлива, а тому при ВІДМОВІ ОДНОГО напівпровіВІДПОВІДНО ДО ІНШОГО прикладу виконання піддникового чипа доводиться замінювати весь силомодуль мінімально укомплектований напівпровідвий напівпровідниковий модуль Випадання чипів никовими чипами і, зокрема, має один IGBT і/або при експлуатації може викликати перевантаження один силовий діод, основа містить керамічний маконтактів, їх розмикання, запалювання електричтеріал, металева пластина містить молібден, заних дуг, проплавлення основи і небезпечні короткі ливка складається з пластику, а затворний вивід замикання між провідниковим ланцюгом і радіатодо затворного контакту (G) виведений крізь заливром ку (8) і являє собою монтажний провід Силові напівпровідникові модулі із закритим корпусом ВІДОМІ, наприклад з патенту ФРН 3669017 Вони мають відносно складну конструкцію з декількома напівпровідниковими елементами, внутрішніми дротяними з'єднаннями, ЗОВНІШНІМИ приєднувальними накладками, керамічними опорами і т д , що звичайно охоплені пластмасовим корпусом з виводами для підключення і залиті всередині м'яким гелем, твердою епоксидною або Провідники з малою індуктивністю розташовані над опорною платою шарами і на достатній відстані один над одним для забезпечення електроізоляції, в цій шаруватій системі передбачені виступні у вигляді язичків або пазоподібно заглиблені частини провідників як місця вставки і контакти для підключення вміщених в оболонку підмодулів, а затворні контакти вміщених в оболонку підмодулів з'єднані із затворним блоком, напри 60298 ВПЛИВІВ вузол, а виступ металізованої основи 2 і клад, затворними виводами молібденовий диск 7 слугують його ЗОВНІШНІМИ Провідники можуть бути розділені шарами ізоелектродами 3, 7 ляції з твердого матеріалу, а в місцях для вставки На фіг 2 показаний переважний приклад ви- повітряними або газовими проміжками і передбаконання силового напівпровідникового модуля з чено натискувальне підключення ЗОВНІШНІХ електпідмодулями, які замкнені в подібну оболонку На родів підмодулів до поверхонь контактів, які, зокопорній платі 11 змонтована шарувата система з рема, оснащені контактними пружинами двох провідників 12, 14 та ізоляторів 13а, 13Ь, 13с Плата основи виконана як охолоджувач або Вирізи в цій системі слугують місцями 19 для знаходиться в термічному зв'язку з охолоджувавставлення підмодулів 1 Контакти 20 для підключем, основа має високу теплопровідність і підмочення ЗОВНІШНІХ електродів 3, 7 замкнених в ободулі виконані з можливістю закріплення поруч лонці підмодулів 1 мають вигляд виступних язичків один з одним з добрим тепловим контактом з опоабо пазоподібно заглиблених частин провідників рною платою 12, 14 Підмодулі 1 притиснуті до контактів 20 пруДеяка КІЛЬКІСТЬ підмодулів вибрана згідно з зажинами 15, 16 Це забезпечує хороший тепловий даною величиною необхідної потужності силового контакт підмодулів 1 або їх керамічної основи 2 з напівпровідникового модуля опорною платою 11, що відводить тепло Монтажні Перевага силового напівпровідникового модупроводи 9 клемами 21 приєднані до спільного, ля згідно з винаходом полягає в його підвищеній розташованого симетричній середній позиції замодульності, більш простому обслуговуванні і мотворному блоці 18 (gate runner), який виконаний, жливості підвищення або зниження потужностей, наприклад, у вигляді РСВ (printed circuit board що перемикаються друкованої плати) Іншою перевагою силового напівпровідникового модуля згідно з винаходом є дуже надійний Фіг 3 показує відому електричну схему взаємоелектричний і термічний зв'язок між чипами, що зв'язку біполярного транзистора з ізолюючим задосягається незважаючи на дуже просту можлитвором (IGBT) 22 з силовим напівпровідниковим вість заміни підмодулів діодом 23 Ця комбінація силових напівпровідникових чипів 5а, 5Ь є переважним комплектом для Особливо важливі підвищення СТІЙКОСТІ ДО замкненого в оболонку підмодуля 1 При цьому ЗМІННИХ навантажень завдяки підключенню підмоВІДПОВІДНІ силові контакти С, Е обох елементів, дулів з допомогою натискувальних контактів і тобто колектора і катода і емітера і анода, закоросприятлива низькоомна характеристика короткого чені і сполучені із ЗОВНІШНІМИ електродами 3 і 7 замикання при аварії підмодулів 1 Ще однією важливою перевагою винаходу є можливість виготовлення і випробування замкнеПередбачені й ІНШІ приклади виконання підних в оболонки підмодулів як стандартних детамодулів 1 і силових напівпровідникових модулів лей, що дозволяє знизити втрати матеріалів і вар10 Деякі з них описані нижче більш детально тість Комплект підмодуля 1 включає, щонайменше, один конструктивний силовий напівпровідниковий Далі винахід більш детально пояснюється елемент, наприклад, тиристор, двонапрямний типрикладами виконання з посиланнями на кресленристор (СТО), звичайний транзистор (МСТ), силові ня, де показані на діоди, силовий біполярний транзистор з ізольовафіг 1 - розріз підмодуля згідно з винаходом, ним затвором (IGBT) або польовий транзистор з фіг 2 - розріз силового напівпровідникового ізольованим затвором (MOSFET), причому за певмодуля згідно з винаходом з подмодулями за фіг них умов затворний контакт G, монтажний провід 9 1, і затворний вузол 18 не потрібні Однак підмодуль фіг 3 - відома електрична схема біполярного 1 може також містити ІНШІ монтажні компоненти, транзистора з ізольованим затвором IGBT з діоале за умови їх нечисленності заради збереження дами зворотної полярності для бажаного комплекпереваг модульності і гнучкості Особливо бажатування підмодуля за фіг 1 ний мінімальний комплект, в якому ще забезпечуНа фігурах однакові частини мають однакові ється повна функціональна працездатність і можпозначення ливість перевірки підмодуля 1, а Фіг 1 показує переважний варіант виконання багатокомпонентних комплектів для підвищення підмодуля 1 згідно з винаходом На керамічну оспотужності підмодуля 1 бажано уникати нову 2 звичайним способом, наприклад DCB (direct copper bonding безпосереднім мідним з'єднанням), нанесено металізоване покриття 3 Силові напівпровідникові чипи 5а, 5Ь спільно спаяні силовим контактом С через шар 4 припою з металізованим шаром 3, а з протилежної плоскої сторони - силовим контактом Е через інший шар 6 припою - з молібденовим диском 7 Керівний або затворний контакт G чипа 5b сполучений з монтажним проводом 9 Чипи 5а і 5Ь залиті пластиком так, що вони з усіх боків або, щонайменше, в достатній мірі оточені керамічною основою 2, молібденовим диском 7 і залиттям 8 Вивід В оболонку перетворює підмодуль 1 в механічно стабільний захищений від ЗОВНІШНІХ Основа 2 може складатися з якого-небудь електроізолюючого і досить теплопровідного матеріалу, зокрема, з нітриду алюмінію AIN Диск 7 може бути виготовлений з молібдену і інших металів, сплавів або інших матеріалів, що має провідність металу і досить близький до напівпровідників за коефіцієнтом термічного розширення Поряд з шарами припою 4, 6 і монтажного дроту 9 придатні і ІНШІ засоби, що забезпечують механічну стабільність підключення чипів 5а, 5Ь Підмодуль 1 може також мати кілька монтажних проводів 9 і, загалом, кілька підключень до одного або кількох затворних контактів G Для підключення до затворного вузла 18 замість клем 21 можна застосовувати штекери 60298 або ІНШІ контактори, що легко роз'єднуються Заливка 8 може бути замість пластика також з іншої електроізолюючої маси, що вводиться переважно литтям під тиском Зокрема, залиття 8 повинна захищати контакт G і, крім того, механічно підтримувати виведений до затвора монтажний провід 9 Форма заливки 8 і, ВІДПОВІДНО, підмодуля 1 вибрані так, щоб можна було перекрити шляхи для втрат струму у повітрі або газі і забезпечити ІЗОЛЯЦІЮ Основа 2 і металева плата 7 є складовими частинами оболонки підмодуля і повинні сприяти и механічній стабільності Для цього бажано вибирати їх настільки великими по площі, щоб вони покривали значну частину, щонайменше, одного чипа 5а, 5Ь Утворені металевим покриттям 3 і металевою платою 7 ЗОВНІШНІ електроди 3, 7 найбільш просто виконувати плоскими, що, однак, не виключає виступних або віддалених частин або накладок Важливо, щоб було забезпечене надійне, легкорознімне з'єднання для великих струмів між ЗОВНІШНІМИ електродами 3, 7 і провідниками 12, 14 Структуру силового напівпровідникового модуля 10 можна змінювати, зокрема, відносно розташування підмодулів 1 і шаруватої системи провідників 12, 14 У залежності від необхідної потужності, що підключається, або числа підмодулів 1 можна погоджувати розміри і форму опорної плати 1 1 , шаруватої системи і одного або декількох затворних вузлів 18 Можна зробити один або кілька рядів послідовно розташованих місць 19 вставлення підмодулів 1 Підмодулі 1, що уведені згідно з винаходом в оболонку і вставляються, можна також комбінувати з відомими відкритими або жорстко змонтованими підмодулями Підмодулі 1 можна також пригвинчувати або закріпляти іншими засобами з можливістю перемикання Шарувата система може включати шари 13а, 13Ь, 13с з твердого ІЗОЛЯЦІЙНОГО матеріалу, а також повітря або газу, якщо провідники 12, 14 рознесені на досить велику відстань один від іншого Затворний вузол 18 можна замінити третім шаром з, наприклад, друкованими провідниковими ланцюгами Такі ланцюги можуть проходити в площинах або під кутом і мати накладки для приєднання струмових шин При цьому важливо, особливо для підмодуля 1 з 10-ма чипами 5а, 5Ь, що швидко включаються, наприклад типу IGBT 22, щоб провідники 12, 14 і всі засоби підключення були виконані з низькою індуктивністю Для виключення пружинних контактів 15, 16 із збереженням натискувального підключення ЗОВНІШНІХ електродів 3, 7 підмодулів 1 контакти 20 можна виконати гнучкими і пружними І, нарешті, опорну плату 11 бажано виконувати у вигляді охолоджувача або термічно зв'язувати з охолоджувачем Охолоджувач може мати вигляд оребреного повітряного радіатора або бути рідинним і т д У принципі для економії місця підмодулі 1 можна розташувати в кількох площинах один над 8 одним і підключити через багаторівневу шарувату систему провідникових ланцюгів, а для забезпечення досить ефективного відведення тепла застосувати, наприклад, теплові містки до кожного підмодуля 1 Силові напівпровідникові модулі поряд із згаданими вище перевагами мають, зокрема, ще такі переваги Після уведення підмодулів 1 в оболонку не потрібно більше ніяких інших приєднань або паяння Зокрема, відпадає, паяний шар між керамічними основами звичайних підмодулів, мають велику площу, і опорною платою 11 Таким чином, значно знижується небезпека розмикання паяних з'єднань внаслідок перегріву або термомеханічних перевантажень Після монтажу підмодулів 1 в силовому напівпровідниковому модулі 10 не потрібно ніякого подальшого заливання, бо НІЯКІ компоненти або контакти не потребують механічного або електричного захисту Тепер для частин 3, 7, 15, 16,20 в зоні місця 19 вставлення, що знаходяться під напругою, досить повітряної ізоляції 17 Через гнучкі натискувальні контакти 15, 16, 20 силовий напівпровідниковий модуль 10 згідно з винаходом відрізняється дуже високою здатністю витримувати ЗМІННІ термічні навантаження При випаданні силових напівпровідникових чипів 5а, 5Ь у відповідному підмодулі 1 може статися низькоомне коротке замикання Це знижує вибухонебезпеку або, щонайменше, пом'якшує наслідки вибуху Крім того, низькоомний тип короткого замикання має особливі переваги при використанні підмодулів 1 згідно з винаходом в послідовних схемах Перелік позначень 1 - замкнений підмодуль 2 - керамічна основа 3, 7 - ЗОВНІШНІ електроди (підмодуля) 3 - металеве покриття 4, 6 - паяний шар 5а, 5Ь - силовий напівпровідниковий чип 7 - молібденовий диск 8 - пластикова заливка, ізолююча заливальна маса 9 - монтажний провід, затворне підключення 10 - силовий напівпровідниковий модуль 11 - опорна плата, охолоджувач 12, 14-провідники 13а, 13Ь, 13с - ІЗОЛЯЦІЯ з твердого матеріалу, ІЗОЛЮЮЧІ шари 15, 16 - пружинні контакти, контакти 17 - повітряна ІЗОЛЯЦІЯ, газова ІЗОЛЯЦІЯ 18 - затворний блок 19 - місце вставлення підмодулів 20 - контактні поверхні 21 - клеми 22 - IGBT 23 - силові напівпровідникові діоди С, Е - силові контакти С - колектор, катод Е - емітер, анод G - керуючий контакт, затворний контакт 60298 10 іг. 1 -22 Фіг. З Комп'ютерна верстка М Клюкш Підписне Тираж39 прим Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, Львівська площа, 8, м Київ, МСП, 04655, Україна ДП "Український інститут промислової власності", вул Сім'ї Хохлових, 15, м Київ, 04119