Силовий напівпровідниковий модуль

Винахід відноситься до напівпровідникової техніки, до перетворюючих блоків, зокрема до силової частини напівпровідникових пристроїв, у яких використовуються конструктивно закінчені напівпровідникові блоки, і може бути реалізований в різних перетворювачах електричної енергії, наприклад, у зварювальних апаратах. Відомо багато напівпровідникових модулів [1. Заявка ФРН № 3142576, МПК Н01L25/04, 1982; 2. Заявка ФРН № 3232154, МПК Н01L25/04, 1982; 3. А.с. СРСР № 1642203, МПК Н01L25/00, 1988], у тому числі як паяної так і притискної конструкції. Основним недоліком таких модулів є складність конструкції, що створює різні технологічні складності при виготовленні двоключових модулів з декількома напівпровідниковими елементами. Відомий "Напівпровідниковий модуль" [А.с. СРСР № 1760578, МПК-5 Н01L25/00, Бюл. № 33, 1992р.], що містить підставу, на якій в ізолюючих втулках розташовані напівпровідникові елементи, ізольовані від підстави, і засобу притиску їх до підстави у вигляді кріпильного болта з гайкою і плоскою хрестоподібною пружиною, причому пружина виконана складеною у вигляді двох коромисел різної довжини і товщини, зафіксованої на направляючих площинах кріпильного болта. Недоліком відомого пристрою є необхідність одержання гарантованого електричного контакту між струмоведучими частинами пристрою і напівпровідникових елементів за допомогою пружних кріпильних елементів, що затягуються за допомогою болта з гайкою, що знижує надійність такого кріплення не тільки в умовах вібрації і тряски, але навіть у природних умовах із процесі експлуатації пристрою під впливом циклічних температурних впливів при нагріванні й охолодженні напівпровідникових елементів. Відомий "Випрямний блок загальнопромислового застосування" [Каталог ВАТ "Електромодуль", Республіка Білорусь, м. Молодечно Мінської обл., 8 с.], що містить напівпровідникові елементи зі штирьовими виводами з привареними до них пелюстками, що відводять струм - наприклад, діоди силові типу Д-204-20, пластини, що відводять тепло, шини, втулки і стяжки. Відомий також "Випрямний блок загальнопромислового застосування" [Блоки напівпровідникові випрямні некеровані для електротехнічних перетворюючих пристроїв серії N.F.O., Технічні умови N.F.O.-91 ТУ від 01.02.91 p. Республіка Білорусь, м. Молодечно Мінської обл., МП "ЭНЭФ"], що містить напівпровідникові елементи, із припаяними до їхніх виводів пелюстками, що відводять струм - наприклад, діоди силові фірми "Моторола" типу 2504Т9822, пластини, що відводять тепло, шини, втулки і стяжки. Загальними недоліками цих конструкцій є необхідність кріплення декількох пелюсток, що відводять тепло, напівпровідникових силових елементів (далі по тексту - НСЕ) до одного вузла на шині, що відводить струм, за допомогою болта і гайки із шайбами, які необхідно затягти з дуже великим зусиллям. І незважаючи на це, таке кріплення вузла, що відводить струм, неминуче приводить до великого і різного перехідного електричного опору між окремими елементами вузла, що відводить струм, через що при великих струмах навантаження виникають неоднакові спадання напруги на цих перехідних опорах. Це приводить до нерівномірного перерозподілу струму навантаження між НСЕ і, як наслідок, до виходу з ладу спочатку самого навантаженого НСЕ, а потім і інших НСЕ. Крім того, недоліком цих конструкцій - прикріплення декількох пелюсток, що відводять струм, НСЕ до одного вузла на шині, яка відводить струм, за допомогою болта і гайки із шайбами - є низька надійність такого кріплення не тільки в умовах вібрації і тряски, але навіть у природних умовах в процесі експлуатації пристрою під впливом циклічних температурних впливів від великих струмів навантаження, що протікають, і від навколишнього середовища (особливо в тропіках) при нагріванні й охолодженні НСЕ. Ще одним неприємним наслідком циклічних температурних впливів від великих струмів навантаження, що протікають, і від навколишнього середовища при нагріванні й охолодженні НСЕ є зміна довжини пелюсток, які відводять струм, що викликає механічні напруги на висновках НСЕ, які приводять до порушення в скляному чи керамічному ізоляторі НСЕ і виходу їхній з ладу. Недоліком цих конструкцій є також проблеми з тепловідводом при нагріванні НСЕ в робочому режимі, навіть незважаючи на те, що в пластинах-радіаторах, які відводять тепло, виконана витяжка під корпус НСЕ. При цьому тепловий потік від НСЕ досить добре приділяється до пластини-радіатора, яка відводить тепло, однак потім, через малу товщину самої пластини-радіатора і при наявності декількох НСЕ, розташованих поруч один з одним, тепловий потік не може рівномірно розтікатися по всій поверхні пластини-радіатора. Це приводить до місцевого перегріву як самої пластини-радіатора, яка відводить тепло, так і НСЕ. Тому приходиться збільшувати площу пластин-радіаторів, які відводять тепло, і видаляти НСЕ друг від друга, що неминуче веде до збільшення габаритів пристрою. Ще одним недоліком зазначених вище конструкцій є необхідність точного орієнтування положення запресовуємого корпуса НСЕ в пластині-радіаторі для того, щоб струмовідвідні пелюстки, які згинаються, точно орієнтувалися б з віссю болта, на який збираються всі пелюстки струмовідвідного вузла. При цьому, якщо положення корпуса НСЕ не зовсім точно орієнтовано при запресовуванні, то в процесі монтажу конструкції модуля приходиться "примусово" згинати пелюсток (приварений чи припаяний до корпуса НСЕ), що викликає залишкові механічні напруги в конструкції зборки і нерідко приводить до мікротріщин в ізоляторі НСЕ, через що такий елемент при великих струмах навантаження виходить з ладу. Найбільш близьким по технічній сутності і технічному результаті, що досягається, і обраним як прототип є "Випрямний блок загальнопромислового застосування" [Каталог ВАТ "Електромодуль", Республіка Білорусь, м. Молодечно Мінської обл., 8 с.], що містить напівпровідникові елементи зі штирьовими виводами -наприклад, діоди типу ДВА204-35-6 0111, із припаяним до цих штирьових виводів пелюстками, що відводять струм, пластини, що відводять тепло, шини, втулки і стяжки. Недоліком прототипу є необхідність кріплення декількох пелюсток, які відводять струм, ПСЭ до одного вузла на шині, що відводить струм, за допомогою болта і гайки із шайбами, які необхідно затягти з дуже великим зусиллям. І незважаючи на це, таке кріплення вузла, який відводить струм, неминуче приводить до великого перехідного електричного опору між окремими пелюстками й елементами вузла, який відводить струм, через що при великих струмах навантаження виникають великі і неоднакові спадання напруги на цих перехідних опорах. Тому при великих струмах навантаження виникають неоднакові спадання напруги на цих перехідних опорах, що приводить до нерівномірного перерозподілу струму навантаження між НСЕ і, як наслідок, до виходу з ладу спочатку самого навантаженого НСЕ, а потім і інших НСЕ. Крім того, недоліком прототипу є низька надійність кріплення декількох пелюсток, які відводять струм, НСЕ до одного вузла на шині, що відводить струм, за допомогою болта і гайки із шайбами, що виявляється не тільки в умовах вібрації і тряски, але навіть у природних умовах із процесі експлуатації пристрою під впливом циклічних температурних впливів від великих струмів навантаження, що протікають, і від навколишнього середовища (особливо в тропіках) при нагріванні й охолодженні НСЕ. Ще одним неприємним наслідком циклічних температурних впливів від великих струмів навантаження, що протікають, і від навколишнього середовища при нагріванні й охолодженні НСЕ є зміна довжини пелюсток, які відводять струм, що викликає механічні напруги на виводах НСЕ, що приводять до порушення в скляному чи керамічному ізоляторі НСЕ і виходу їх з ладу. Недоліком прототипу є також проблеми з тепловідводом при нагріванні НСЕ в робочому режимі, навіть незважаючи на те, що в пластинах-радіаторах виконана витяжка під корпус НСЕ. При цьому тепловий потік від НСЕ досить добре приділяється до пластини-радіатора, однак потім, через малу товщину самої пластини-радіатора і при наявності декількох НСЕ, розташованих поруч один з одним, тепловий потік не може рівномірно розтікатися по всій поверхні пластини-радіатора. Це приводить до місцевого перегріву як самої пластини-радіатора, так і НСЕ. Тому приходиться збільшувати площу пластин-радіаторів і встановлювати НСЕ якнайдалі один від одного, що неминуче веде до збільшення габаритів пристрою. Задачею дійсного винаходу є розробка нової конструкції силового напівпровідникового модуля з досягненням технічного результату - підвищення надійності пристрою. Поставлена задача досягається тим, що в "Силовому напівпровідниковому модулі”, який містить пластини, що відводять тепло, з розташованими на них напівпровідниковими елементами зі штирьовими виводами, із припаяними до цих штирьових виводів пелюстками, що відводять струм, шини, втулки і стяжки, пелюсток, що відводить струм, виконаний у вигляді n променевої зірочки з одним центральним отвором під кріплення для відведення струму і n отворами на кінцях n променів зірочки під пайку штирьових виводів напівпровідникових елементів, крім того, розташування n променів зірочки точно відповідає конкретному конструктивному розташуванню n напівпровідникових елементів зі штирьовими виводами, а на кожному з n променів зірочки виконаний струмообмежувальний резистор, який може бути виконаний у вигляді каліброваного отвору в промені зірочки чи у вигляді каліброваного стоншення - зменшення ширини чи зменшення перерізу у промені зірочки, причому пластина виконана з товщиною не меншою висоти корпуса напівпровідникового елемента, а на кожному з n променів мається термокомпенсатор, виконаний у вигляді сходинки. Суттєвими ознаками технічного рішення, що заявляється, співпадаючими з прототипом, є: - пластини, які відводять тепло; - на пластинах, які відводять тепло, установлені напівпровідникові елементи; - напівпровідникові елементи мають штирьові виводи; - до штирьових виводів напівпровідникових елементів припаяні пелюстки, які відводять струм; - шини; - втулки; - стяжки. Відмінними від прототипу суттєвими ознаками технічного рішення, що заявляється, є: - пелюсток, який відводить струм, виконаний у вигляді n променевої зірочки; - пелюсток, який відводить струм, має один центральний отвір під кріплення для відводу струму; - пелюсток, який відводить струм, має n отворів на кінцях n променів зірочки під пайку штирьових виводів напівпровідникових елементів. Приватними відмінними від прототипу суттєвими ознаками технічного рішення, що заявляється, є: - розташування n променів зірочки точно відповідає конкретному конструктивному розташуванню n напівпровідникових елементів зі штирьовими виводами; - на кожному з n променів зірочки виконаний струмообмежувальний резистор; - струмообмежувальний резистор може бути виконаний у вигляді каліброваного отвору в промені зірочки; - струмообмежувальний резистор може бути виконаний у вигляді каліброваного стоншення - зменшення ширини чи зменшення перетину - у промені зірочки; - пластина виконана з товщиною не менш висоти корпуса напівпровідникового елемента; - на кожному з n променів мається термокомпенсатор, виконаний у вигляді сходинки. Між відмітними суттєвими ознаками технічного рішення, що заявляється, і технічним результатом, який досягається, існує наступний причинно-наслідковий зв'язок. Дійсно, виконання пелюстка, який відводить струм, у вигляді n променевої зірочки дозволяє усунути проблеми, які виникають у прототипі, а саме: - необхідність кріплення декількох пелюсток, що відводять струм, НСЕ до одного вузла на шині, яка відводить струм, за допомогою болта і гайки із шайбами, які необхідно затягти з дуже великим зусиллям, тому що тепер до шини, яка відводить струм, кріпиться тільки n променева зірочка своїм центральним отвором, тому зусилля затягування болта і гайки із зірочкою уже не повинно бути таким великої, як у прототипі; - у винаході, що заявляється, більше немає різних перехідних опорів між різними пелюстками, які відводять струм, НСЕ, тому що немає самих окремих пелюсток, які відводять струм, у зв'язку з чим більше немає проблеми неоднакових падінь напруг на цих перехідних опорах, а, отже, і немає неоднакового перерозподілу струму навантаження між НСЕ, тому і немає виходу їх з ладу через нерівномірний перерозподіл струму навантаження між НСЕ; - усунуто низьку надійність кріплення декількох пелюсток, які відводять струм, НСЕ до одного вузла на шині, яка відводить струм, за допомогою болта і гайки із шайбами, тому що в пристрої, що заявляється, просто немає цих декількох пелюсток, які відводять струм. Перераховані вище проблеми і недоліки конструкції прототипу усунуті в новій конструкції силового напівпровідникового модуля, що заявляється, у якому замість декількох пелюсток, які відводять струм, установлена n променева зірочка з числом променів, що відповідають конкретному конструктивному виконанню силового напівпровідникового модуля з визначеним числом НСЕ, розташованих певним чином на пластинірадіаторі, яка відводить тепло, при цьому виконання пластини з товщиною не менш висоти корпуса НСЕ дозволяє, по-перше, забезпечити гарне розтікання теплового потоку від НСЕ по всій поверхні пластини радіатора; по-друге, немає необхідності, як у прототипі, виконувати на пластині витяжку в місці установки НСЕ, що спрощує технологію виготовлення модуля, виключає місцевий перегрів НСЕ, дозволяє зменшити площу пластин і, відповідно, габарити модуля. Варіанти виконання струмообмежувального резистора, зазначені у формулі винаходу, дозволяють вибрати найбільш економічну і прийнятну для конкретного виробника технологію виготовлення n променевої зірочки. Наявність на кожному з n променів зірочки термокомпенсатора, виконаного у вигляді сходинки, дозволяє усунути зміна довжини пелюсток, які відводять струм, через циклічні температурні впливи від великих струмів навантаження, що протікають, і від навколишнього середовища при нагріванні й охолодженні НСЕ, тому що при таких температурних впливах відбувається зміна кута вигину променя зірочки, що компенсує зміну його довжини завдяки наявності сходинки. Це виключає механічні напруги на виводах НСЕ, що приводять до порушення в скляному чи керамічному ізоляторі НСЕ і виходу їх з ладу. Усі вищевказані суттєві ознаки винаходу, що заявляється, дозволяють підвищити надійність роботи пристрою. Досягнення зазначеного вище технічного результату можливе тільки при наявності сукупності всіх суттєвих ознак, викладених у формулі винаходу, при відсутності кожної з них технічний результат не може бути досягнутим. Проведений заявником аналіз рівня техніки, що включає пошук по патентних і науково-технічних джерелах інформації, з виявленням джерел, що містять інформацію про аналоги технічного рішення, що заявляється, дозволяє установити, що заявником не виявлено аналога, що характеризується всією сукупністю ознак, ідентичної всім суттєвим ознакам винаходу, що заявляється. Виділення з переліку виявлених аналогів прототипу, як найбільш близького по сукупності суттєвих ознак, дозволяє виявити сукупність суттєвих стосовно технічного результату, зазначеного заявником, відмітних ознак у силовому напівпровідниковому модулі, що заявляється, викладених у формулі винаходу. Тому можна затверджувати, що винахід відповідає умові охороноздатності за критерієм "новизна". Таким чином, можна зробити висновок, що задача, поставлена в дійсному винаході - розробка нової конструкції силового напівпровідникового модуля - вирішена з досягненням технічного результату - підвищення надійності пристрою. На Фіг.1 - зображена конструкція блоку випрямного ПДГ-151; на Фіг.2 - зображена принципова електрична схема блоку випрямного ПДГ-151; на Фіг.3 - зображена конструкція блоку випрямного ВДМ-1202С; на Фіг.4 зображений пелюсток з 6-ма променями; на Фіг.5 - зображений розріз А-А на Фіг.4. Силовий напівпровідниковий модуль, який заявляється, (див. Фіг.1 і 3) містить пластини 1, що відводять тепло, на яких установлені напівпровідникові елементи 2 зі штирьовими виводами 3. До штирьових виводів 3 напівпровідникових елементів 2 припаяні пелюстки 4, які відводять струм. Пелюстки 4, які відводять струм, за допомогою кріпильних елементів - болта чи гвинта 5 і гайки 6 із шайбами 7 - прикріплені до шин 8, які відводять струм. Пластини 1, які відводять тепло, за допомогою втулок 9 і стяжок 10 з гайками 11 зібрані у тверду модульну конструкцію, що має конкретну функцію. Пелюстки 4, які відводять струм, виконані у вигляді n променевої зірочки 12 (див. Фіг.4 і 5). N променева зірочка 12 має визначену, конкретно необхідну для даної конструкції, кількість променів 13, що розташовані під визначеним кутом друг до друга, що також визначається конкретним конструктивним розташуванням напівпровідникових елементів 2 на пластині 1, що відводить тепло. У центрі n променевої зірочки виконаний отвір 14 для кріплення зірочки 12 до шин 8, які відводять струм, за допомогою кріпильних елементів 5, 6, і 7. На кожному з n променів 13 зірочки 12 виконаний струмообмежувальний резистор 15. Струмообмежувальній резистор 15 конструктивно може бути виконаний у різних варіантах, наприклад, у вигляді отвору 16 у промені 13, стоншення 17 по ширині променя 13 чи у вигляді стоншення 18 по товщині променя 13. Крім того, на кожному промені 13 n променевої зірочки 12 мається термокомпенсатор 19, виконаний у вигляді сходинки, а на кінці кожного з n променів 13 зірочки 12 виконаний отвір 20 під пайку штирьового виводу напівпровідникового елемента 2. Пластини 1, які відводять тепло, виконуються з товщиною не меншою висоти корпуса напівпровідникового елемента 3, щонайменше - її металеві частини, яка запресовується у пластину 1, що відводить тепло. Зборка силового напівпровідникового модуля здійснюється в такий спосіб. В отвори в пластини 1, яка відводить тепло, запресовують корпуси напівпровідникових елементів 2 зі штирьовими виводами 3. Потім на штирьових виводах 3 напівпровідникових елементів 2 установлюється n променева зірочка 12, що має n променів - пелюсток 4, які відводять струм. Далі пелюстки 4, що відводять струм, розпаюють до штирьових виводів 3 напівпровідникових елементів 2. Після цього збирають у пакет кілька пластин 1 з напівпровідниковими елементами 2, причому зірочки 12 центральними отворами 14 кріплять до шин 8, які відводять струм, за допомогою кріпильних елементів 5,6 і 7. Пластини 1, які відводять тепло, за допомогою втулок 9 і стяжок 10 з гайками 11 збирають у тверду модульну конструкцію, що забезпечує надійний тепловідвід від напівпровідникових елементів 2, гарне розтікання теплового потоку по всій поверхні пластин 1, які відводять тепло, однаковий перехідний електричний опір для всіх напівпровідникових елементів 2, електрично з'єднаних з даною n променевою зірочкою 12, при цьому забезпечується компенсація можливої механічної напруги на штирьових виводах 3 напівпровідникових елементів 2 через циклічні температурні коливання в процесі роботи пристрою. На підставі усього вищевикладеного, можна зробити висновок, що задача, поставлена в дійсному винаході розробка нової конструкції силового напівпровідникового модуля - вирішена з досягненням технічного результату - підвищення надійності пристрою.