Полупроводниковый модуль

 

1. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ МОДУ содержаи1Ий корпус, полупроводниковую структуру, соединенную с электрическими выводами посредством мн гостержневого токоподвода, и предохранитель с плавкими элементами, отличающийся тем, что, с целью уменьшения расхода электро энергии, массы и габаритов, повышения быстродействия и обеспечения термодиис1мической стойкости, предохранитель расположен в указанном корпусе и выполнен с чи.сяом плавких элементов, равным числу стержней токоподвода , каждый стержень соединен с электрическим выводом через один плавкий элемент и обраэованнгш такий образом цепочка изолирована на участке от полупроводниковой структуры до электрического вывода. 2. Модуль по п. 1, отличающийся тем, что, с целью исключения расхода серебра и упрощения конструкции, плавкие элементы выполнены из того же материгша, что и стержни токоподвода, например из алкни1иния, и Ксикдый стержень объе-. динен с одним плавким элементом.

СОЮЗ COBETCHHX

00UW

РЕСПУБЛИК (1% (И) 3(,р) Н 01 L 25/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н ABTOPGHOMV СИИДЕТЕЛЬСТВ,Ф!

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНЯТИЙ (21 ) 3489082/24-07 (22) 09.08.82 (46) 30 12 83. Бюл. М 48 (72) М.И. Абрамович, В.Е. Либер и A À. Сакович (71) Всесоюэный электротехнический институт им. В.И. Ленина (53) 621.314.632(088.8) (56) 1. Глух Е.М. Зеленов В.Е.

Защита.полупроводниковых преобраэователей. М., "Энергия", 1970, с. 73-76.

2. Беркович Е.И. и др. Полупровод. никовые выпрямители. M., "Энергия", 1978, с. 318-324.

3. Авторское свидетельство СССР

Ф 682971, кл. Н 01 L 23/48, 1979. (54)(57) 1. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ МОДУЛЬ содержащий корпус, полупроводниковую структуру, соединенную с электрическими выводами посредством многостержневого токоподвода, и предохранитель с плавкими элементавв отличающийся тем, что, . с целью уменьшения расхода электро энергии, массы и габаритов, повышения быстродействия и обеспечение термодинамической стойкости, предохранитель расположен в указанном корпусе и выполнен с числом цлавким элементов, равным числу стержней то" коподвода, каждый стержень соединен с электрическим выводом через один плавкий элемент и обраэованная таким обраэом цепочка изолирована на участке от полупроводниковой структуры до электрического вывода.

2. Модуль по п. 1, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью 3 исключения расхода серебра и упрощения конструкции, плавкие элементы выполнены иэ того же материала, что и стержни токоподвода, например иэ алюминия, и каждый стержень объе-. динен с одним плавким элементом. . Q

1064356, Изобретение относится к преобразовательной технике и предназначе1 но для использования в полупроводниковых преобразовательных устройствах.

Известен полупроводниковый модуль, содержащий полупроводниковый прибор и блок защиты по управляющему электроду (1).

Однако данный модуль нельзя выполнить на неуправляемых полупроводниковых приборах, он не может быть ис пользован в цепи постоянного тока, не обеспечивает отключение прибора в случае его повреждения и не ограничивает амплитуду аварийного тока.

Наиболее близким к предлагаембму по технической сущности является полупроводниковый модуль, содержащий плавкий предохранитель и полупроводниковый прибор (2 с многостержневым токоподводом К его полупроводниковой структуре, .например, как описано в (33.

Недостатками известных модулей являются значительные потери мощности и необходимость расхода серебра-дефицитного и дорогостоящего материала. Это связано с тем, что для предохранителя Модуля требуется малое соотношение между полным джоулевым интегралом отклвчения3 4„ „„ и его. номинальным током 3 z„ по срав нению с соотношением, допускаемым для другого электротехнического оборудования. Уменьшение отношения

z атил достигается путем аыпопеетия ния плавкого элемента предохранителя сложной конфигурации, применением серебра и повышением в нем плотности тока.

Известные модули характеризуются относительно большими габаритами и массой. Это определяется тем, что полупроводниковый прибор и предохранитель выполнены в отдельных корпусах и имеют внешнее соединение.

Кроме того, увеличение номинального тока и напряжения предохранителя достигается путем соответственно параллельного и последовательного соединения цредохранителей базовой конструкции.

Кроме того, известные модули характеризуются недостаточным быстродействием, вследствие чего допусти- . мое число параллельно работающих модулей не менее трех, так как при числе параллельно работающих .модулей

m(3 не обеспечивается селективное отключение поврежденного прибора в. связи с тем, что аварийный ток может превысить значение, приводящее к началу расплавления плавкого элемента предохранителя в модуле с неповрежденным прибором. В схеме преоб где 324 - преддуговой интеграл пл

15 плавления предохранителя.

У современных быстродействующих предохранителей

321

ОТКЛ

32tï т.е. селективность отключения предохранителем при m< 3 не обеспечива25

При m v, 3 и определенной величине рабочего тока модуля аварийный ток через поврежденный модуль может превысить ток термодинамической стой кости его прибора либо предохраните30 ля

Цель изобретения — уменьшение рас хода электроэнергии, массы и габаритов, повышение быстродействия и обес печение термодинамической стойкости.

Поставленная цель достигается тем, что в полупроводниковом модуле, содержащем корпус, полупроводниковую структуру, соединенную с

40 электрическими выводами многостержневым токоподводом, и предохрани тель с плавкими элементами, предохранитель расположен в указанном корпусе и выполнен с числом плав45 ких элементов, равным числу стержней токоподвода, каждый стержень соеди- нен с электрическим выводом через один плавкий элемент и образованная таким образом цепочка изолиронана на участке от полупроводниковой структуры до электрического вывода.

Кроме того, плавкие элементы выполнены из того же материала, что и стержни токойодвода, например.из алюминия, и каждый стержень объединен с одним плавким элементом.

На фиг. 1 изображен предлагаемый модуль с многостержневым токоподводом к двум сторонам полупроводни60 ковой структуры, общий вид в разрезе: на фиг. 2 - то же, к одной стороне полупроводниковой структуры; на фиг. 3 - последовательность перегорания плавких элементов предохрани65

20 разовательного устройства через поврежденный модуль протекает полный аварийный ток, являющийся для его прибора обратным током, а для остальных модулей аварийный ток является прямым и делится по параллельно соединенным модулям равномерно, т.е. ток одного модуля составляет11ю часть от полного тока. Пои этом для селективного отключения поврежден10 ного прибора необходимо, чтобы

1064356

Дпя,одной группы из и параллельно работающих. плавких элементов с сечением каждого З можно записать г (п1 д5 (ь|

H(n) 3

Модуль на фиг. 1 имеет полупровод никовую структуру 1 и многостержне" вой токоподвод из двух частей 2 и 3.

Стержни токоподвода.одними концами контактируют с полупроводниковой структурой 1 на отдельных участках, .а другими — с двумя группами плавких элементов 4 и 5, причем каждый стержень контактирует с одним плавким элементом, имеющим места б сужения. Противоположные концы цлавких элементов соединены с электрическими выводами 7 и 8 ° Корпус имеет резервуар 9, заполненный диэлектрической теплоотводящей жидкостью 10, например фреоном, и изолятор 11, 15 заполненный диэлектрической дугогасящей средой 12 например песком или фреоном, изолирующей каждый плавкий элемент. Каждый стержень токоподвода изолирован изоляцией ° 13 и 14.

Плавкие элементы фиксируются, проходя через отверстия пластин, 15 и 16.

Модуль на фиг. 2 имеет полупроводниковую структуру 1 и многостержневой токоподвод 2. Стержни токоподвода одними концами контактируют с полупроводниковой структурой на отдельных участках, а другими - с группой плавких элементов 4, причем каждый стержень контактирует с одним . плавким элементом, имеющим места б сужения. Противоположные концы плавких элементов соединены с элек трическим выводом 7 ° Корпус модуля имеет. изолятор 11, заполненный диэлектрической дугогасящей средой 12, 35 изолирующей каждый плавкий элемент, который фиксируется, проходя через отверстия пластин 15 и 16. В модуле, имеется также медное основание 17 и термокомпенсатор 18.

Рабочий ток протекает одновремен- . но по всем плавким элементам 4 и 5..

Аварийный ток, вызванный внешней причиной, также будет протекать по всем плавким элементам одновременно. 45

При пробое полупроводниковой структуры 1, который, как правило, происходит в одной небольшой области,аварийный ток начнет протекать по пер- . вой группе плавких элементов и соединенных с ними стержней токоподво5 да, непосредственно примыкающих к этой облаСти..При этом ток в остаЛь-, ных стержнях и плавких элементах относительно мал из-за сравнительно большего сопротивления полупроводниковой структуры в поперечном . направлении неповрежденной части и им вначале можно пренебречь. Нарас тающий аварийный ток быстро расплавляет первую небольшую группу плавких 60 элементов и переходит на вторую группу, примыкающую к первой, расплавля" . ет ее, переходит на третью группу, непосредственно примыкающую ко второй, расплавляет ее и т.д. до тех пор, пока не будет расплавлена послед. няя группа. Одновременно увеличивается область первоначальною пробоя структуры. Например, при пробое полупроводниковой структуры 1 по фаске в точке A (фиг. 3/ и при токоподводе, содержащем N = 52 стержня, вначале расплавится один плавкий элемент, группы Х, затем три плавких элемента группы II, затем четыре группы III, затем четыре груп пы IV, затем шесть группы V, затем семь группы VI, затем восемь группы

VII, затем восемь группы VIII, за тем семь группы IX и наконец три .группы Х. Таким образом, в случае пробоя .полупроводниковой структуры происходит поочередное расплавление групп плавких элементов полным аварийным током и при этом резко уменьшается время их плавлениями„ а также З2tnge tot и максимальный ток Эмя, отключаемый предохранителем.

Степень влияния поочередного расплавления плавких элементов может быть показана следующим образом.

Энергия, необходимая для нагре ва единицы объема плавкого элемента до расплавления, равна, tk аю у у112t, (11 1

I н где i — мгновенное значение аварийного тона;

t è t„ - время начала протекания аварийного тока и . время до образования дуги; сопротивление единицы объема плавного элемента.

Приняв 1» -, получим

81.

dt г — щ„- -

I к=

1064356

5.10 (B) 20

25 то,Пля L групп последовательно расплавляющихся элементов общее время плавления

Из выражения (6) для случая, когда все плавкие элементы в количестве rl1+rl2+„ „ H расплавляются одновременно, получим

Последнее имеет место, когда полупроводниковая структура модуля не повреждена и по нему протекает аварийный ток в прямом направлении, вызванный внешней причиной. Такое же время плавления будет иметь стандартный предохранитель с общим сечением плавкого элемента йз изготовленного из того же материала.

Из (7) и (8) получим Ï 2 — 1„irl +...+п; . (g)

Так как лл а из (1) и (2) t 2 ), ; )2 trI)1

Д1 а 1

3 мв (40 )

I ми

Э 4 rl +l12+" +rl

2 лл 2- Ь . (.Иу

321(И2 пл

Например, при L=10, п =1 и =3, и =4, n=5,n =6,n =7,n =8.,п =7 =3, и=52 (фиг. 3) . пл 3З nr ) (.)2 )

tl 27 )О 2 пл

М11 (1 (О) М)1

72 и - (44)

32 8 лл .

Потери мощности в плавких. элемен-. тах модуля по сравнению с потерями мощности в стандартном предохранителе с теми же значениями 32+ „„

1 и 1„„. уменьшаются в 2,5-3 раза.. Так из (8 ) видно, что для получения у стандартного предохранителя 1 „„ в, 2 раза меньше необходимо уменьшить сечение 9Н плавного элемента в

2,82 раза. При этом во столько же раз возрастет плотность тока и потери мощности. В современных предохранителях потери мощности на 1 A эффективного тока составляют 0,15 Вт„ а, например, в предохранителе на

800 A равны 120 Вт. В плавких элементах соответствующего модуля с полупроводниковой структурой диода

В-500 они составляют около 40 Вт.

Учитывая, что допустимые потери для такой стРуктуры составляют 850 Вг влиянием потерь в плавких элементах, выделяющихся в значительном объеме с дугогасящей средой, можно пренебречь.

Помещение предохранителя в один корпус с полупроводниковой структурой прибора и соединение последней с электрическими выводами через цепочки из последовательно соединенных стержня токоподвода и плавкой вставки позволяет уменьшить расход электроэнергии на потери в предохранителе модуля и тем самым увеличить КПД преобразовательных устройств за счет уменьшения плотности тока в предохранителе. Например, в модуле Йа 500 A при, и = 52 и выполнении плавких вставок из меди мощность потерь снижается в 3 раза по сравнению с потерями в предохранителе ПП57 на 800 A к диоду на средний ток 500 А. Одновременно .сключается потребление 42. г серебра. уменьшение массы и габаритов и упрощение конструкции достигается исключением внешних контактов, применением общего корпуса, а также исключением внутренних контактов

40 между стержнями токоподвода и плавкими элементами при выполнении их из одного материала.

Кроме того, в предлагаемом модуле увеличивается быстродействие и обес45 печивается селективная работа защиты при любом числе m,,включая r11 -=

1 и 2. Это следует из того, что даже приняв Л2 иткл !32й„л= )нз (14 1 получим 32 / откп /Э2+„ п=,098, т.е, меньше

50 61 = f 2.

Обеспечение .термодинамической стойкости достигается тем, что, начиная с момента возникновения аварийного тока и расплавления первой группы плавких вставок, первоначально малая область повреждения полупрЬводниковой структуры быстро увеличивается за счет последовательно перевода аварийного тока на вторую, третью и т.д. группы. При этом умейь

60. шается концентрация потерь энергии в области полупроводниковой структуры. Кроме того, значительная доля энергии потерь переносится из облас- ти полупроводниковой структуры 1 в .

65 дугогасящую среду 12.

1064356 (s)

Составитель Н. Нестеренко

Редактор 9. Ковш Техред N,Êóçüìà . Корректор И.Муска

Заказ 10540/53 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