Мощный полупроводниковый модуль

 

Область использования: в агрегатах бесперебойного питания, в так же в ряде других преобразовательных устройствах. Сущность изобретения: четыре полупроводниковых элемента расположены попарно один над другим и составляют один элемент многоключевого модуля, при этом по меньшей мере в одной паре полупроводниковые элементы разделены теплопроводящей изолирующейпрокладкой .Каждый полупроводниковый элемент расположен между эмиттерными и коллекторными токосъемами , к которым прилегают верхние и нижние коллекторные и средняя эмиттерная шины. Все перечисленные элементы прижаты к основанию модуля крепежными элементами и размещены, в свою очередь, внутри многоуровневых ограничителей. Ограничители представляют собой набор сборно-разборных изолирующих пластин, три из которых выполнены из пластмассы и две из резины. В каждой пластине предусмотрены соответствующие пазы и отверстия под сборочные единицы модуля. По мере сборки пластины нанизывают на крепежные болты и затем стягивают крепежными гайками. Таким образом, все элементы конструкции жестко фиксируют в ограничителях . Для жесткой фиксации коллекторных и змиттерных шин введены дополнительные элементы: изоляторы и узлы соединения . 3 з.п. ф-лы, 5 ил. -Ч Ч сл XJ СЛ ь.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (si)s Н 01 3 25/03

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4927751/07 (22) 15,04.91 (46) 15.11.92. Бюл, ¹ 42 (71) Всесоюзный электротехнический институт им. В.И.Ленина ?2) Л.B.ÃoðoxîB, Л.Н.Гридин, А.и.эалин и

P.È.Вал юженич (56) Авторское свидетельство ЧССР

N 214034, кл. Н 01 L 25/00, 1984.

Европейский патент № 0138048, кл. Н 01

4 25/05, 1985.

Патент cDРГ N 2942401, кл, Н 01 L25/02, 1981.

Авторское свидетельство СССР

¹ 1721668,кл. Н 01 1 25/03, 1990..(54) МОЩНЫЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ

МОДУЛЬ (57) Область использования: в агрегатах бесперебойного питания, в так же в ряде других преобразовательных устройствах. Сущность изобретения: четыре полупроводниковых элемента расположены попарно один над другим и составляют один элемент многоключевого модуля, при этом по меньшей

Изобретение относится к полупроводниковой технике, а именно, к выпрямительным блокам, и может быть использовано в агрегатах бесперебойного питания, а также в ряде других преобразовательных устройствах.

Известны полупроводниковые модули, в том числе как паянной, так и прижимной конструкции.

Модули прижимной конструкции содер;кат полупроводниковые элементы. прижим,, Ы „1775754 Al мере в одной паре полупроводниковые элементы разделены теплопроводящей изолирующей прокладкой. Каждый полупроводниковый элемент расположен между эмиттерными и коллекторными токосъемами, к которым прилегают верхние и нижние коллекторные и средняя эмиттерная шины. Все перечисленные элементы прижаты к основанию модуля крепежными элементами и размещены, в свою очередь, внутри многоуровневых ограничителей. Ограничители представляют собой набор сборно-разборных изолирующих пластин, три из которых выполнены из пластмассы ы две из резины. В каждой пластине предусмотрены соответствующие пазы и отверстия под сборочные единицы модуля..По мере сборки пластины нанизывают на крепежные болты и затем стягивают крепежными гайками, Таким образом, все элементы конструкции жестко фиксируют в ограничителях. Для жесткой фиксации коллекторных и эмиттерных шин введены дополнительные элементы. изоляторы и узлы соединения, 3 з.п. ф-лы, 5 ил. ную систему, силовые и управляющие выводы.

Основным недостатком таких модулей является сложность конструкции, которая с ростом числа элементов увеличивается, а при создании многоключевых модулей еще растут и их габариты. Более жесткими становятся требования к соосности элементов конструкции.

Наиболее близким решением является устройство мощного полупроводникового

1775754 модуля прижимной конструкции в пластмассовом корпусе, содержащем основание, обечайку и крышку, внутри которого на основании в ограничителях расположены транзисторные и диодные элементы с выводами, электрически соединенные в определенной последовательности, токосъемы, эмиттерные.и коллекторные шины, крепежные элементы.

К недостаткам данного устройства относится низкая эффективность использования площади и практическая невозможность создания многоключевого модуля аналогичного по назначению без значительного увеличения его табаритов, Целью изобретения является. снижение массо-габаритов многоключевого модуля, повышение его технологичности и надежности..

Указанная цель достигается тем, что в мощном полупроводниковом модуле прижимной конструкции в пластмассовом корпусе, содержащем основание, обечайку и крышку, внутри которого- на основании в ограничителях расположены транзистор ные и диодные элементы с выводами, электрически соединенные в определенной последовательности, токосъемы, эмиттерные и,коллекторные шины, крепежные элементы, преимущественно, четыре полупроводниковых элемента, составляющие один элемент многоключевого модуля, располо кены попарно один наддругил1, по меньшей мере, в одной паре полупроводниковые элементы разделены введенной теплопроводящей изолирующей прокладкой, все элементы размещены в ограничителях, выполненных.в виде набора сборно-разборных изолирующих пластин, причем, по меньшей мере, одна пластина выполнена из эластичного материала, эмиттерные шины жестко зафиксированы при помощи вновь введенных изоляторов, а коллекторные шины от верхних и нижних полупроводниковых элементов жестко зафиксированы при помощи вновь введенных узлов соединения, Изоляторы выполнены составными из основания и планки с прорезью, в которой расположена эмиттерная шина, зафиксированная на основании изолятора при помощи планки и крепежных болтов.

Узлы соединения выполнены в виде полых электропроводящих цилиндрических . деталей, снабженных болтом, соединяющим упомянутые де1али с основанием, изолирующей подложкой и крепежными гайками. фиксир,н> ц11ми коллекторные шины, прччем, в центре боковой поверхности

ПОЛЬ!2 ЦИЛ 1 4ДПИ 4 (Х11< Д .ТЯПКОЙ ВЫПОЛНОНО сквозное отверстие с соотношением диаметра отвер тия к внешнему диаметру цилиндра как (3.: 5) — (3,5; 5,5).

Обечайка корпуса с одной стороны вы5 полнена с вертикальной, переходящей в наклонную плоскость, соединенную с крышкой корпуса, при этом на наклонной плоскости размещены выводы узлов управления от полупроводниковых элементов, а с

10 другой стороны обечайка выполнена с вертикальной плоскостью, переходящей в горизонтальную плоскость в виде уступа, переходящего в наклонную плоскость, соединенную с крышкой, причел. крышка рас15 положена выше горизонтальной части уступа.

Признаками, отличающими заявленное решение от прототипа являются:наличие по меньше мере, четырех полупроводниковых

20 элементов, которые расположены попарно один над другим и которые составляют один элемент многоключевого модуля; по меньшей мере, в одной паре. полупроводниковые элементы разделены теплопроводящей изо25 лирующей прокладкой; ограничители, в которых размещены элементы, представляют собой набор сборно-разборных изолирующих пластин и при этом, по меньшей мере, одна пластина выполнена из эластичного

30 материала; для жесткой фиксации шин введены дополнительные элементы; изоляторы и узлы соединения; изоляторами фиксируют эмиттерные шины, а уЗлами соединения— коллекторные шины от верхних и нижних

35 полупроводниковых элементов одновременно.

В свою очередь, изоляторы выполнены составными из двух частей: основания и планки с прорезью; через прорезь проходит

40 эмиттерная шина и фиксируется на основании изолятора при помощи планки, которая прижимается крепежными болтами.

Узлы соединения выполнены в виде nolIbtx электропроводящих цилиндрических

45 деталей, которые снабжены болтом для соединения с основанием, изолирующей подложкой для изоляции нижней коллекторной шины от основания, крепежными гайками, при помощи которых фиксируют коллектор50 ные шины; в центре боковой поверхности цилиндрических деталей выполнено сквозное отверстие с размером, выбранным из укаэанного соотношения.

Обечайка корпуса выполнена много55 уровневой, т,е. с одной стороны она сначала выполнена с вертикальной плоскостью переходящей в наклонную плоскость; на наклонной плоскости размещены выводы узлов управления от полупроводниковых элементов и этОй плоскостью она соединена

1775754 с крышкой корпуса; с другой стороны обечайка так же имеет вертикальную плоскость, переходящую в горизонтальную. в виде уступа; горизонтальная плоскость соединена с крышкой ео одной наклонной плоско- 5 стью, при этом крышка расположена выше горизонтальной плоскости уступа, На фиг.1 изображен предлагаемый модуль, вид спереди(разрез А-А); на фиг.2 — то же, вид сверху (разрез Б-; на фиг.3 — огра- 10 ничитель, вид сбоку (вверху) и вид сверху (внизу), где а, б, в, г, д — набор изолирующих сборно-разборных пластин по слоям; на фиг.4 — узел соединения коллекторных шин; на фиг.5 — принципиальная электрическая 15 схема одноключевого модуля.

Мощный полупроводниковый модуль содержит основание 1, обечайку 2, крышку .

3. Эти элементы составляют корпус модуля, Внутри корпуса на основании в первом ряду 20 расположены транзисторные элементы 4, 5, а во втором ряду транзистор б и диод 7, Каждый полупроводниковый элемент расположен между эмиттерными 8 и коллектор-. ными 9 токосьемами, к которым прилегают 25 верхние и нижние коллекторные 10 и эмиттерные 11 шины. Сверху перечисленные элементы прижимаются к основанию крепе>кными элементами, включающими в себя . полусферы 12, планки 13, болты 14, гайки 15 30 и размещаются внутри многоуровневых ограничителей 16, предс- зляющих собой наб>р сборно-разборных изолирующих пластин (фиг.3а, б, в, г, д). Между двумя транзисторами 4 и 6 дополнительно распо- 35 ложены теплопроводящая прокладка 17 и эмиттерная шина верхнего транзистора 18.

От основания нижние транзисторы изолированы при помощи изоляторов t9.

Змиттерные шины 11 дополнительно 40 жестко зафиксированы в изоляторах, выполненных из изолирующего материала составными и включающими в себя основание

20 с отверстиями под крепеж, планку с прорезью 21 и крепежные бо- ы 22. Эмиттер- 45 ная шина проходит через прорезь в планке, которая в свою очередь п :;>кимается к основанию болтами 22, Коллекторные шины 10 жестко зафиксированы узлом соединения, выполненным в 50 виде электропроводящей (например, медной) цилиндрической детали 23, напаянной на болт 24 через изолирующую подложку 25.

Болт 24 служит для соединения цилиндрической детали с основанием. а подложка 25, 55 выполненная из керамики, = для изоляции нижней коллекторной шины от основания модуля, Гайки 26 наворачивают на внешнюю поверхность цилиндрической детали для фиксации положения коллекторных шин. В центре боковой поверхности цилиндрической детали 23 выполнено сквозное отверстие, которое при заливке герметиком работает как замок.

В центре эмиттерных токосьемов 8 расположены узлы управления 27 транзисторнымими элементами. В ы воды узлов управления 28 размещены на наклоннной плоскости обечайки корпуса, которая в свою очередь соединена с крышкой.

Внутри корпуса на основании помимо силовых полупроводниковых элементов размещена управляющая схема 29. состоящая из диодов Д2 Дз

Корпус модуля представляет собой обечайку,:выполненную из пластмассы, две стенки которой. представляют собой вертикальные плоскости. Боковые же стенки по высоте имеют. .помимо вертикальных наклонные и горизонтальные плоскости. Так, с одной сторайы боковая стенка выполнена сначала с вертикальной. затем с наклонной плоскостью, соединенной с крышкой. На наклонной плоскости расположены выв0ды узлов управления 28 от:полупроводниковых элементов. Высота вертикальной плоско.сти определяется высотой управляющей схемы 29. С другой стороны боковая стенка представляет собой двух уровневую конструкцию, где помимо вертикальной плоско- сти есть горизонтальная плоскость в виде уступа, так.же соединенная с крышкой, но другой наклонной плоскостью, причем крышка расположена выше горизонтальной плоскости уступа, Высота вертикальной плоскости с этой стороны определяется высотой собранного силового узла. На образованном уступе размещают систему выводов коллектора модулей. На крышке корпуса располагают систему выводов эмиттеров.

Принципиальным отличием предлагаемого корпуса 0Т известных является его значительно большая механическая прочность, которая достигается созданием наклонов, в счмме приводящих к эффекту полога, известного своими укрепляющими свойствами.

Кроме того, создание таких корпусов, размеры которых не менее 150 х 95 х 55 мм другой конфигурации плохо выдерживают термоциклирование, даже при прочих равных условиях, т.е. наличии ребер жесткости.

Использование корпусов многоключевых модулей само по себе требует разнесения на разные уровни и стороны систем силовых выводов, при этом возможно создание раздельных барьеров между ними, что на фиг. не показано.

Сборку модуля начинают с установки на медное основание 1 полой цилиндрической детали 23 узла соедине. ия коллекторных

1775754 шин, который ввинчивает в основание. Да- ки в его отверстия и пазы элементов констлее на болты 14, закрепленные в основании, рукции. При этом центровка автоматически поочередно надевают изолирующие пла- обеспечивается самой деталью, Кроме того, стины, в собранном виде представляющие .наличие резиновых пластин позволяет упиз себя разъемные многоуровневые ограни- 5 лотнить сборку и решить частные задачи чители 16 (фиг.1, 3 а, б, в г, д}, Данный набор герметизации, которые в других случаях ресборно-разборных изолирующих пластин шаются либо за счет специально иэготоввыполнен, по меньшей мере, из 3 пластмас- ленных уплотнителей, либо за счет совых элементов (3 б, в, д) и двух резиновых . герметиков. Здесь это просто детали огра(3 а, r), В каждой пластине предусмотрены 10 ничителя. соответствующие пазы и отверстия под сбо- Применение электропроводящих узлов рочные единицы модуля. По.мере сборки соед1нениядляколлекторныхшинпозволяпластины нанизывают на крепежные болты ет изолировать их от основания и жес1ко . и затем стягивают крепежными гайками. Та- зафиксировать с защитой от вибраций. При ким образом, все элементы конструкции же- 15 заливке жестким компаундом отверстие в стко фиксируются в ограничителе 16. цилиндре служит замком. Сам цилиндр поОсуществляютследующимобразом. Ре- зволяет улучшить условия работы коллекто. зиновую и пластмассовую nnacTMHbl ограни- ров, т.к, позволяет увеличить сечение чителя надевают на болты. В эти две промежуточного элемента, снизив его сопластины устанавливают по высоте изоля- 20 противление. Соотношение размеров отторы 19 и нижнюю коллекторную шину 10, верстия выбирается из условия того, что с при этом, шину одевают на цилиндрическую одной стороны, надо увеличить максимальдеталь 23 и закрепляют на ней нижней гай- но размер отверстия для прохождения комкой263атемустанавливаютструктурытранзисто- паунда, с другой стороны — не сильно ров4,5(соответственно Tj иТу нафиг5) и на них 25 уменьшать сечение токопровода. Исходя из два нижних эмиттерных токосъема 8. В цен- этих соображений подобрано соотношение тре токосъемов располагают узлы управле- (3 — 5) — (3,5 — 5,5), которое испытывалось в ния 27 и накрывают эмиттерной шиной 11. составе всей конструкции.

Далее устанавливают пластину ограничите- Жесткое закрепление.в изоляторе эмитля. В эту пластину слева укладывают кера. 30 терных шин 1.1 также необходимодля защимическую прокладку 17, эмиттерную шину ты их от вибраций.

18 от верхнего транзистора, верхний эмит- При работе прибора входной. сигнал терный токосъем 8, структуру транзистора подают либо в базу транзистора T> — В(28), 6. Справа укладывают токосъем 8, на него либо через управляющую схему 29 — Bx(28), диод 7 (д1). Затем в оба отверстия уклады 35 если она не является защитной схемой (как вают коллекторные токосьемы 9. Устанавли- в данном случае). Происходит отпирание вают резиновую пластину ограничителя и транзистора Т>, выходной ток которого отпластмассовую пластину. После этого уста- пирает параллельно соединенные транзинавливают верхнюю коллекторную шину10, сторы Тг и Тз. В результате в рабочей цепи фиксируя ее на цилиндрической детали 23 40 коммутируется напряжение. верхними гайками 26. На шину кладут полу- Диод Д1 является защитным диодом цесферы 12, крепежные планки 13 и закрепля- пи выходных транзисторов. Управляющая

er гайками 15. Все пластины ограничителя схема 29, состоящая из диода Др — ускоряютак же стягиваются гайками, расположен- щего идиодной сборки Дз — защитной цепи ными на болтах 14 (не показаны). Змиттер- 45 эмиттера, является элементом, улучшаюные шины 11 жестко зажимают в составном щим качество работы модуля. изоляторе между основанием 20 и планкой Расположение транзистора Т1(6) над

21. Следующим этапом является установка Tz(4), а диода Д1(7) над Тз(5) возможно потоуправляющей схемы 29 и приклеивание обе- му, что входной транзистор Т1 и диод Д чайки 2 к основанию 1, После чего, произво- 50 работают в значительно более легком режидят заливку модуля компаундом,.либо ме, когда выходной ток транзистора Т1 по засыпку влагопоглощающим порошком. меньшемере, вдва разаменьше,чемутранПриклеивают крышку 3 и закрепляют все зисторов Т2 и Т3. Диод Д1 работает, как шины с помощью винтов и гаек на корпусе. защитный, только в импульсном режиме, поСборка модуля в разборных ограничи- 55 этому в них меньше выделяется тепла, чем телях 16, решает ряд задач: упрощение тех- е транзисторах Tz и Тз. Так как все полупронологии изготовления деталей и водниковые элементы в данном примере пресс-форм для них; упрощение технологии имеют одно сечение ф32 мм и имеют одну сборки, которая по существу заключается в конструкцию, то понятно, что у верхних эленаращивании высоты ограничителя и уклад- ментов есть запас прочности, Это позволяет

1775754 создавать модули двухэтажной конструкции, не снижая их надежности.

Предлагаемая конструкция модуля позволяет решить задачи соосности сборочных элементов при двух уровневом 5 расположении структур; решить задачи соединения и закрепления шин; решить задачу снижения массогабаритов многоключевых модулей, в частности при одноключевом исполнении выигрыш по площади со- 10 ставляет 40%. а при двухключевом исполнении используется первоначальная площадь без ее увеличения.

Повышается технологичность изделия на 10 — 15% без снижения надежности при 15 резком увеличении числа его элементов.

В такой конструкции можно увеличивать ряды элементов теоретически до бесконечности, при этом, естественно, растут габариты корпуса. Однако, практически вы- 20 годно изготавливать модули одноключевые, двухключевые, 4-ключевые и б-ключевые.

При этом можно делать их, как дискретными, так и объединять в любую схему внутри корпуса. 25

Формула изобретения

1. Мощный полупроводниковый модуль прижимной конструкции в пластмассовом корпусе, содержащий основание, обечайку 30 и крышку, внутри которого на основании в огра ничител ях расположены транзистор-. ные и диодные элементы с выводами, электрически соединенные в определенной последовательности, токосъемы, эмиттер- 35 ные и коллекторные шины, крепежные элементы, отличающийся тем, что, с целью снижения массогабаритов многоключевого модуля, повышения технологичности и надежности, преимущественно четыре полу- 40 проводниковых элемента, составляющие один элемент многоключевого модуля, расположены попарно один над другим, по меньшей мере в одной паре полупроводниковые элементы разделены введенной теплопроводящей изолирующей прокладкой, все элементы размещены в ограничителях, выполненных в виде набора сборно-разборных изолирующих пластин, причем по меньшей мере одна пластина выполнена из эластичного материала, эмиттерные шины жестко зафиксированы при помощи вновь введенных изоляторов, а коллекторные шины от верхних и нижних полупроводниковых элементов жестко зафиксированы при помощи вновь введенных узлов соединения.

2. Модуль по п.1, отличающийся тем, что изоляторы выполнены составными из основания и планки с прорезью, в которой расположена эмиттерная шина, зафиксированная на основании изолятора при помощи планки и крепежных болтов.

3, Модуль по п.1, отличающийся тем, что узлы соединения выполнены в виде полых электропроводящих цилиндрических деталей, снабженных болтом, соединяющим упомянутые детали с основанием, изолирующей подложкой и крепежными гайками, фиксирующими коллекторные шины, причем в центре боковой поверхности полых цилиндрических деталей выполнено сквозное отверстие с соотношением диаметра отверстия к внешнему диаметру цилиндра как (3: 5) — (3,5 — 5,5).

4. Модуль по п.1, отличающийся тем, что обечайка корпуса с одной стороны выполнена с вертикальной плоскостью, переходящей в наклонную плоскость, соеди- ненную с крышкой корпуса при этом на наклонной плоскости размещены выводы узлов управления от полупроводниковых элементов, а с другой стороны обечайка выполнена с вертикальной плоскостью, переходящей в горизонтальную плоскость в виде уступа, переходящего в наклонную плоскость, соединенную с крышкой, причем крышка расположена выше горизонтальной части уступа.

7 775754

1775754

1775754

1775754

С(2ф с(ю) в(гг)

Е 111 дх()

Ф

Составитель П.! орохов

Редактор Техред М.Моргентал Корректор Н, Король

Заказ 4036 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государс венного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ CCCP

113035. Москва, Ж-35, Раушская наб„4/5

Производсгвенн . ii. äç льскии комбинат "Патент". г. Ужгород, ул,Гагарина. 101