Полупроводниковое управляемое выпрямительное устройство и способ его изготовления

 

1. Полупроводниковое управляем выпрямительное устройство для преоб разования электрической энергии, за герметизированное компаундом, содер жащее силовые полупроводниковЕле эле менты, часть которых снабжена светочувствительной поверхностью и оптй чески связана со светоизлучающими диодами, при этом полупроводниковые элементы прикреплены с одной стороны к общему металлическому основанию через металлические фасонные шины и контактные плаетины, изолированные теплопроводящим слоем от основания и соединяющие каждый силовой элемент с двумя токовыми выводами устройства , светоизлучающие диоды закреплены на изолирующей детали, имеющей пазы для размещения светоизлучающих диодов и выводов к ним, отличающее с я тем, что, с целью повышения йадежностК устройства 11 работе путем снижения тепловыделений и уменьшения перегрева светоизлучающих диодов, оно дополнительно снабжено направляющими трубками с гладкой, отражающей излучение, внутренней поверхностью, каждая из которых одним концом прикреплена к светочувствительной поверхности силового элемента, а в другом конце трубки размещен светоизлучающий диод, закрепленный в пазах изолирующей детали своими выводами, связанными с управляющими выводами устройства.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11) ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ менты, часть которых снабжена светочувствительной поверхностью и оптически связана со светоиэлучающими диодами, при этом полупроводниковые элементы прикреплены с одной стороны к общему металлическому основанию через металлические фасонные шины и контактные плаетины, изолированные теплопроводящим слоем от основания и соединяющие каждый силовой элемент с двумя токовыми выводами устройства, светоизлучающие диоды закреплены на изолирующей детали, имеющей пазы для размещения светоивлучающих диодов и выводов к ним, о т л и— ч а ю щ е е с я тем, что, с целью .повышения надежности устройства в работе путем снижения тепловыделеннй и уменьшения перегрева светоиэлучающих диодов, оно дополнительно снабжено направляющими трубками с гладкой, отражающей излучение, внутренней поверхностью, каждая из кото- р рых одним концом прикреплена к светочувствительной поверхности силово- го элемента, а в другом конце трубки размещен светоиэлучающий диод, закрепленный в пазах изолирующей детали своими выводами, связанными с управляющими выводами устройства. (21) 3355781/24-07 (22) 09.11.81 (46) 23.11.83. Бюл. Р 43 (72) С.В.Иашнин, В.Б.Зильберштейн, И.A.Kîðåöêèé, И.М.Горелик, С.Б.Липатова, Ю.Д.Воронин и Г.A.Êèðèëëîâà (71) Специальное проектно-конструк торское и технологическое бюро полупроводниковой техники и. Всесоюзный научно-исследовательский .и проектно конструкторский институт по автоматизированному электроприводу в промышленности, сельском хозяйстве и на транспорте (53) 621.314.632(088 ° 8) (56) 1. Полупроводниковые приборы.

Каталог фирмы 81emens, 1979, 2. Авторское свидетельство СССР по заявке Ю 3276316/24-07, 13.04.81 (прототип). (54) ПОЛУПРОВОДНИКОВОЕ УПРАВЛЯЕМОЕ

ВЫПРЯМИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО И СПОСОБ

ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ. (57) 1. Полупроводниковое управляемое выпрямительное устройство для преобразования электрической энергии, загерметизированное компаундом, содержащее силовые полупроводниковые эле1(17 Ф

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕ

Н ABTOPCH0MV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1056319 основанию через теплопроводящий электроизолирующий слой, о т л и ч а ю шийся тем, что, с целью улучшения электрической изоляции при

2. Устройство по и, 1, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что оно дополнительно снабжено световодами, при; чем каждая направляющая трубка и световод с одной стороны.прикреплены к светочувствительной поверхности полупроводникового элемента, а с другой - к светоизлучающему диоду с воэможностью оптического соединения каждого светоизлучающего диода с полупроводниковыми элементами и каждого полупроводникового элемента со светоизлучающими диодами.

3. Способ изготовления полупроводникового управляемого выпрямительного устройства, включающий операции крепления силовых полупроводниковых элементов к общему металлическому одновременном повышении степени интеграции устройства, на одну сторону общего металлического основания предварительно наносят фиксированный по толщине слой теплопроводящего компаун. да, после чего приклеивают контактные пластины и шины с напаянными на них силовыми полупроводниковыми зле ментами, а общее металлическое основание иэ алюминиевого сплава перед нанесением фиксированного по толшине слоя компаунда предварительно анодируют и анодный окисел уплотняют, например, в парах воды. структур к основанию и герметизации компаундами. 12(, Недостатками устройства являются уменьшение надежности его работы изэа перегрева полупроводниковых элементов: светоизлучающего диода и силовых выпрямительных элементов вви-

„цу недостаточной эффективности оптической связи и увеличенных значений контактного электрического и . теплового сопротивлений при прижиме выпрямительных элементов к фасон, ной металлической шине и контактной пластине и к металлическому основанию через электроизолирующий теплопроводящий слой и изолирующее кольцо, Неидеальность поверхностей прижимаеИзобретение относится к полупроводниковой технике и может быть использовано в полупроводниковых преобразователях электрической энергии, станциях управления и электроприво- 5 дах постоянного и переменного тока. мых деталей и сложность конструкции, реализующей прижим двух соседних выпрямительных элементов к контактным пластинам и самой контактной пластины к основанию и их электрическое соединение между собой и с внешними выводами, приводит к увеличению указанных сопротивлений, определяющих собой тепловыделение

1 и перегрев этих элементов.

Целью изобретения является повышение надежности устройства в работе путем снижения тепловыделений и уменьшения перегрева светоизлучающих диодов, а также улучшение электрической изоляции при одновременном повышении степени интеграции устройства. укаэанная цель достигается тем, что полупроводниковое управляемое выпрямительное устройство, загерметизированное компаундом, содержащее силовые полупроводниковые элементы, часть которых снабжена светочувстви тельной поверхностью и оптически известны полупроводниковые полууправляемые и управляемые выпрямительные устройства, представляющие . 10 собой однофазные или трехфаэные устройства, построенные с применением дискретных полупроводниковых. приборов, например, диодов и тиристоров, монтируемых на отдельные радиаторы 15 или на одном общем радиаторе при условии обеспечения общего электрического потенциала монтируемых при» боров или их электрической изоляции от радиатора Я .

Однако монтаж дискретных полупроводниковых приборов на общий радиатор представляет определенные трудности, которые могут быть устранены при использовании устройства большой интеграции с изоляцией выпрямительных структур бт основания.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является полупроводниковое выпрямительное устройство длязО преобразования электрической энергии, содержащее полупроводниковые структурй с,,.р-.п переходами и выводами, прижатые к контактным металлическим . пластинам, фасонным шинам, и через З5 электроизолирующий теплопроводящий слой » к общему металлическому основанию и загерметизированные компаундом. Способ изготовления полупроводникового устройства включает в себя 4g операции прижима полупроводниковых

1056319

В первом варианте устройства каждая направляющая трубка 7 с гладкой, отражающей излучение, внутренней поверхностью прикреплена одним концом к светочувствительной поверх ности полупроводникового, например, тиристорного элемента 9, а в другом конце направляющей трубки размещен светодиод б, электрически соединенный с внешними управляющими выводами 4 устройства или с другими свето" диодами б, а полупроводниковые элементы 9 электрически соединены каждый с двумя токовыми выводами 2

65 связана со светоизлучающимн диодами, при этом полупроводниковые элементы прикреплены с одной стороны к общему металлическому основанию через металлические фасонные шины и контактные пластины, изолированные теплопроводящим слоем от основания.и соединяющие каждый силовой элемент с двумя токовыми выводами устройства, светоизлучающие диоды закреплены на изолирующей детали, имеющей пазы для размещения светоизлучающих диодов и выводов к ним, дополнительно снабжено направляющими трубками с гладкой, отражающей излучение, внутренней поверхностью, каждая из которых одним концом прикреплена к светочувствительной поверхности силового элемента, а в другом конце трубки размещен светоизлучающий диод, зак" репленный в пазах изолирующей детали своими выводами, связанными с управляющими выводами устройства.

Кроме того, устройство снабжено световодами, причем каждая направляющая трубка и световод с одной стороны прикреплены к светочувствительной поверхности полупроводникового элемента, а с другой - к светоизлучаюшему диоду с воэможностью оптического соединения каждого светоизлучающего диода с полупроводниковыми элементами и каждого полупроводникового элемента со светоизлучающими диодами.

Согласно способу изготовления полупроводникового управляемого выпрямительного устройства, включающему операции крепления силовых полупроводниковых элементов к общему металлическому основанию через теплопро- . водящий электроизолирующий слой, на одну сторону общего металлического основания предварительно наносят фиксированный по толщине слой теплопроводящего компаунда, после чего приклеивают контактные пластины и шины с напаянными на них силовыми полупроводниковыми элементами, а общее металлическое основание иэ алюминиевого сплава перед нанесением фиксированного по толщине слоя компаунда предварительно анодируют и анодный окисел уплотняют, например, в парах воды.

На фиг. 1 изображено устройство, реализующее последовательное соединение двух оптотиристорных структур, разрез; на фиг. 2 — то же, вид свер.ху; на фиг. 3 — устройство, реализующее тиристлрный трехфазный мост постоянного тока с оптронным управлением, разрез; на фиг. 4 — то же, вид сверху; на фиг. 5 — устройство, реализующее два изолированных оптоприбора, разрез; на фиг. б — то же, вид сверху; на фиг. 7 — часть изолирующей детали и соединения направляющей трубки со светодиодом и полупроводниковым элементом.

Устройство содержит корпус 1, токовые выводы 2 устройства, крыш-. ку 3 корпуса, управляющие выводы устройства, изолирующую деталь 5, светоизлучающий диод б, направляющую трубку 7, изолирующий теплопро водящий слой 8, полупроводниковые элементы 9 с р- п переходами и токовыми выводами, металлические пластины и фасонные шины 10, металлическое основание 11, герметизирующий компаунд 12, эластичный компаунд 13, соединительные .проводники. 14 и световоды 15, На металлическом основании 11 размещены изолирующий слой 8, контактные металлические пластины и фасонные шины 10, полупроводниковые элементы 9 с p- n переходами и токовыми выводами, например диоды, тиристоры, транзисторы, а также со светочувствительной поверхностью, например фотодиоды, фототиристоры, фототранзисторы, светоизлучающие диоды б и направляющие трубки 7 с двумя открытыми концами, которые

S крепятся одним концом к светочувст вительной поверхности полупроводникового элемента 9, а в другом конце направляющей трубки размещен светоизлучающий диод б или световоды 15, которые соединяют светоизлучающие диоды 6 со светочувствительной поверхностью полупроводникового элемента 9, корпус 1, который крепится на металлическом основании 11, и изолирующая деталь 5, прикрепленная к корпусу 1, в котором выполнены пазы и отверстия и размещены управляющие выводы устройства, светоиэлучающие диоды 6, выводы которых электрически соединены с управляюшими выводами 4 устройства, световоды 15, токовые выводы 2 устройства, электрически соединенные с помощью фасонных шин и пластин 10 и проводников 14 с полупроводниковыми элементами 9, герметизирующий компаунд 12, заполняющий корпус 1 устройства, и крышка 3 корпуса с высту- пами для разделения токовых и управ-. ляющих выводов

1056319 устройства и между собой с помощью соединительных проводников 14 контактных пластин и фасонных шин 10, укрепленных через теплопроводящнй изолирующий слой 8 на общем металлическом основании 11. 5

Во втором варианте устройства каждая направляющая трубка 7 с гладкой, отражающей излучение, внутренней поверхностью также прикреплена к светочувствительной поверхности полупроводникового, например, тиристорного элемента 9, а в другом конце направляющей трубки 7 размещен светодиод б, электрически соединен ный с двумя изолированными от других 35 светодиодов, внешними управляющими выводами 4 устройства, а каждый полупроводниковый элемент 9 электрически соединен с помощью контактных пластин 10, укрепленных через теплопроводящий электроизолирующий слой 8 на общем металлическом основании 11, и соединительных проводников 14 с двумя изолированными от других полупроводниковых элементов, токовыми выводами 2 устройства.

В третьем варианте устройства каждан направляющая трубка 7 и световод 15 одним концом прикреплены к светочувствительной поверхности полупроводникового элемента, а другим - к светодиоду б с возможностью оптического соединения каждого светодиода б с одним или несколькими полупроводниковыми элементами 9 и каждого полупроводникового элемента 9 с одним или несколькими светодиодами б, электрически соединенными а внешними управляющими выводами 4 устройства или с другими светодиодами б, а полупроводниковые эле- 40 менты б электрически соединены каждый с двумя токовыми выводами 2 устройства и между собой с помощью соен, динительных проводников 14 и контактных металлическйх пластин и фасон- 45 ных шин 10, прикрепленных к общему металлическому основанию ll через теплопроводящий электроизолирующий ,слой 8.

Способ изготовления полупроводникового управляемого выпрямительного устройства заключается в следую. щем.

На одну сторону общего металлического основания 11 предварительно наносят фиксированный по толщине слой 8 теплопроводящего компаунда, после чего приклеивают контактные пластины и шины 10 с напаянными на них силовыми полупроводниковыми элементами 9, а общее металлическое основание 11 из алюминиевого сплава перед нанесением фиксированного по толщине слоя компаунда предварительно анодируют и анодный окисел уплотняют, например, в парам воды. 65

Устройство работает следующим образом.

При подаче электрического сигнала на управляющие выводы 4 устройства через светоизлучающие диоды б протекает электрический ток в прямом направлении, вызывая излучение, прямо пропорциональное величине прямого тока. Излучение распространяется по световоду 15 или внутри направляющей трубки 7 с гладкой отражающей излучение внутренней поверхностью к фоточувствительной поверхности полупроводникового элемента 9, например, фототиристорного, генерируя в этом элементе фото-ЭДС или фототок, который переключает фототиристор в проводящее состояние, если управляющий импульс достаточной величины подается на светодиод б в любой момент времени в течение.полупериода,, когда к фототиристорному элементу приложено напряжение в прямом направлении, Устройство монтируется непосредственно на радиаторе, так как токоведущие элементы 2, 10, 14 и 9 устройства изолированы от металлического основания 11 и обеспечено низкое тепловое сопротивление, и подключается выводами 4 непосредственно к системе импульсно-4lasoanro управления без промежуточного изолирующего трансформатора, а выводами 2 к напряжению питания и к нагрузке. Подключение устройства облегчено односторонним расположением токовых 2 и управляющих 4 выводов, их конструкцией, например под винт, и функциональной законченностью устройства, в котором скрыто выполнена значительная часть коммутации полупроводниковых элементов с помощью металлических пластин и фасонных шин 10 и соединительных проводников 14.

Управление светочувствительными структурами осуществляется светодиодами б, например арсенидогалиевыми, с помощью направляющей трубки 7 с двумя отверстиями и помещенных в трубку световодов 15, прикрепленных одним концом к светочувствительной поверхности полупроводниковых элементов 9, а другим концом - к светодиоду б с помощью оптического клея, например, кремнийорганического.

Управление светочувствительными структурами возможно также при помещении светодиодов непосредственно в направляющую трубку 7 с гладкой, отражающей излучение, внутренней поверхностью. При этом каждый светоизлучающий диод б соединяется через направляющую трубку 7 непосредственно или с помощью световодов 15 с одной или несколькими полупроводниковыми элементами, а каждый полупро1056319

12 вадниковый элемент 9 соединяют с одним или несколькими светодиодами 6, выводы которых припаивают к управляющим выводам 4 устройства,.укреплен" ным на изолирующем элементе 5, образуя различные схемы соединения.

Снижение тепловыделений и умень шение перегрева светоизлучающих диодов для повышения надежности его работы достигается включени.;и в состав устройства конструктивных элементов, обеспечивающих улучшенное оптическое управление выпрямительны-ми элементами, что позволяет снизить прямой ток через светоиэлучающий ,диод и его перегрев.

Предлагаемым способом изготовления обеспечивается сборка элементов устройств, низкая величина теплового сопротивления, высокая электрическая прочность изоляции от.основания и светоизлучающих диодов при достаточной светопередаче, гермети зация от внешних воздействий, повышение степени интеграции устройства при уменьшении веса и габаритов.

1056319

2 2 2

Составитель Н.Нестеренко Редактор Н.Бобкова Техред А.ач Коррек тор O. Тигор

Заказ 9320/49 Тираж 703 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб.„ д, 4/5 филиал ППП Патент, г.ужгород, ул.Проектная, 4