Силовой полупроводниковый прибор

 

i ц 68297I

Союз Советских

Социалистических

Республик

1 фт ф

> XIV (51) М. К.. Н 01L 23/48

Государственный комитет (53) УДК 621.382 (088.8) па делам изобретений и открытий (72) Авторы изобретения

М. И. Абрамович, В. Е. Либер и А. А. Сакович (71) Заявитель (54) СИЛОВОЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ПРИБОР

Изобретение относится к области силовой полупроводниковой техники.

Решение проблемы подвода тока к монокристаллической полупроводниковой структуре прибора и отвода тепла от нее представляет все большие трудности по мере роста номинальных токов приборов.

Известное решение с присоединением токопроводов к полупроводниковой пластине через термокомпенсирующие прокладки путем пайки вполне приемлемо для приборов с относительно небольшим диаметром полупроводниковой пластины (до 30 мм), рассчитанных на протекание рабочего тока до

500 A при равномерном графике нагрузки (1).

Однако это решение не применимо для вентилей с большими диаметрами пластин и работающих в режиме циклической нагрузки. В таких случаях у вентилей с паяными контактами в процессе эксплуатации возникают усталостные разрушения припоев вследствие термоциклирования с последующим нарушением контактов. Для твердых припоев возможно растрескивание полупроводниковой структуры при перегрузках током. При больших диаметрах структуры удлиняется путь от источттика тепла (полупроводниковой структуры до места его передачи теплоносителю (вода, воздух), вследствие чего возрастает удельное тепловое сопротивление. Конструктивное решение с отводом тепла только с одной стороны полупроводниковой структуры становит5 ся неприемлемым. Поэтому при токах вентилей более 500 А и диаметрах более 30 мм полупроводниковых пластин используются конструкции с нажимными контактами, прилегающими к пластинам через термо10 компенсирующие прокладки. В вентилях таблеточного типа применяется, как правило, двухстороннее (водяное или воздушное) охлаждение (1).

Нажимные контакты, примыкающие к

15 полупроводниковой структуре через термокомпенсирующие прокладки, соединены через эластичные мембраны с изолятором, во внутреннем герметизированном объеме которого размещена полупроводниковая пла20 стина. Снаружи к нажимным контактам прижаты контактные шины и охладители с фреоновым заполнением. При другом варианте корпус вентиля, образованный изолятором и наружными поверхностями на25 жимных контактов, непосредственно погружен в фреон. Нажатие на собранный вентиль, передающееся через нажимные контакты на полупроводниковую пластину, осуществляется специальным нажим ным

30 устройством. Нажимное устройство содер682971

5 о

1 з

За

65 жит траверсы, изоляционные прокладки, стяжныс болты и пружины, Хотя при таблеточной конструкции приборов с нажимными контактами и погружении приборов в среду фреона удается обеспечить интенсивный теплоотвод и добиться циклостойкости приборов, однако такое решение обладает рядом недостатков, основными из которых являются следующие.

Сжимающее усилие, которое требуется для обеспечения электрического и теплового контакта, достигает десятка тонн, что ведет к большой массе и габаритам нажимного устройства. Требуется относительно большая толщина термокомпенсирующей прокладки вследствие чего возрастает вдвое или втрое расход дефицитного вольфрама на единицу силы тока. При большой толщине термокомпенсатора возрастает также тепловое сопротивление между кремниевой структурой и корпусом прибора. На покрытие контактов расходуется золото и используется серебро в качестве прокладок, что существенно удоро>кает приборы. Принципиально невозможно получить сплошное прилегание контактных поверхностей по всей площади соприкосновения полупроводниковой пластины и контактов токоподвода.

Наиболее близким к изобретению техническим решением является силовой полупроводниковый прибор, содержащий корпус с расположенной в нем по крайней мере одной полупроводниковой структурой, соединенной с токоподводами, имеющими участки, выполненные из эластичных металлических стержней, и систему теплоотвода с охлаждающей средой (2).

Недостатком указанной конструкции является ограниченная мощность, связанная с ограничением диаметра структуры и малая надежность, так как металлические стержни обладают эластичностью только в поперечном направлении, что не позволяет компенсировать механические усилия, возникающие при изгибе полупроводниковой структуры и, следовательно такие конструкции для структур большого диаметра неприемлемы.

Кроме того, недостатком является большая масса конструкции, обусловленная тем, что тепло отводится не при непосредственном контакте структуры и эластичных металлических стержней с охлаждающей средой, а через систему токоподводов.

Целью изобретения является увеличение мощности и надежности при одновременном уменьшении массы.

Цель достигается тем, что эластичные стержни выполнены с переменным сечением и контактируют с полупроводниковой структурой в отдельных точках, причем отношение площади поперечного сечения эластичных стержней в месте соединения с полупроводниковой структурой к площади ноперечного сечения в остальной части равно от ошецгпо допустимой для материала стер>KH51 IlJIOTIIOCTH TOK3 K )IOII) OTI IOH I1JIOTHOсти тока в полупроводниковой структуре, которая вместе с эластичными стержнями непосредственно контактирует с охлаждающей средой.

Кроме того, тем, что концы эластичных металлических стержней выполнены в виде плоских спиралей, имеющих со стороны соединения с полупроводниковой структурой вырезы.

Кроме того, тем, что части объема корпуса с противоположных сторон полупроводниковой структуры разделены изоляционной перегородкой, прилегающей к боковой поверхности полупроводниковой структуры, и соединены между собой каналом, проходящим между указанной перегородкой и стенкой корпуса.

Кроме того, тем, что по крайней мере с одной стороны к полупроводниковой структуре прикреплена упрочняющая пластина из материала, имеющего коэффициент термического расширения (КТР), близкий к

КТР материала полупроводниковой структуры, через отверстия, в которой проходят эластичные стержни токоподвода.

Кроме того, тем, что области контакта эластичных стержней токоподвода с противоположными сторонами структуры расположены одна против другой. А также тем, что свободные концы эластичных стержней, контактирующих с разными полупроводниковыми структурами, электрически соединены внутри корпуса прибора.

На фиг. 1 изображен предлагаемый прибор с испарительным охлаждением, общий вид; на фиг. 2 — то же, с проточным водяным охлаждением.

Прибор включает монокристаллическую полупроводниковую структуру 1, токоподводы к которой выполнены с большим количеством эластичных стержней 2, каждый из которых контактирует с определенной небольшой областью поверхности структуры 1. Эластичные стержни выполнены из электропроводного материала, например из отожженной меди. Для увеличения эластичности стержни токоподвода могут иметь волнообразный изгиб относительно продольной оси. Размер каждой контактной области составляет несколько квадратных миллиметров. Эластичные стержни 2 могут быть соединены со структурой 1 посредством, например, сплавных, паяных припоями или образованных термокомпрессией контактов с достаточно высокой электрической и тепловой проводимостью. Другими концами эластичные стержни заделаны в массивные медные платы 3 и 4. Платы 3 и

4, в свою очередь, закреплены на токоподводящих фланцах 5 и 6 посредством болтов 7 и 8. От фланцев 5 и 6 отходят соединительные шины 9 и 10, снабженные гибкими участками 11 и 12. Токоподводящие

682971 фланцы 5 и 6 через переходные детали 13—

16, закреплены на изоляторе 17. Нижний фланец закрыт донышком 18, а верхний, через переходную деталь 19 соединен с замкнутым объемом охладителя 20 (на чертеже показан не полностью).

Герметически замкнутая полость, образованная охладителем 20, переходными деталями 13 — 16, изолятором 18, фланцами 5 и

6 донышком 18, частично заполнена легко испаряющейся жидкостью с хорошими диэлектрическими свойствами, например фрсоном. Уровень жидкости выбран таким образом, чтобы при наибольшей интенсивности испарения и максимально возможном отклонении вентиля от вертикального положения, полупроводниковая структура 1, токоподводящие стержни 2, а также платы 3 и 4, были целиком погружены в теплоотводящую жидкость. Пары кипящей теплоотводящей жидкости через горловину переходной детали 19 поступают в полость охладителя 20. Конденсированная жидкость стекает обратно через трубку 21.

Электрод управления 22 полупроводниковой структуры 1 через токопроводящий провод 23 в изоляции подключен к выводу 24.

Охладитель 20 с водяным теплоотводом составляет с прибором единое конструктивное целое. Корпус охладителя выполнен из ттсржавеютцей стали и снабжен водяной рубашкой. Для охлаждения прибора может быть использована обычная техническая вода. При этом охладитель может быть потенциально разделен с прибором посредством введения промежуточного изолятора между токоподводящим фланцем 6 и охладителем 20. Охладитель 20 может также иметь конструкцию, рассчитанную на естественное или принудительное воздушное охлаждение.

На фиг. 2 показан вариант конструкции прибора для водяного проточного охлаждения, например, дистиллированной водой.

Структура 1 закреплена на упрочняющей пластине 25, которая служит для того, чтобы воспринимать перепад давлений протекающей через корпус вентиля охлаждающей жидкости. Боковая поверхность структуры 1 и часть торцовой поверхности пластины 25 (если упрочняющая пластина выполнена из металла) изолированы наплавленным стеклом или дртгим изоляционным материалом. Пластина 25 вместе с закрепленной на ней полупроводниковой структурой 1 впаяна в цилиндрический изолирующий стакан 26, выполненный из изолирующего материала, например, стекла. Соединение пластины 25 с изолирующим стаканом 26 выполнено таким образом, что верхняя и нижняя части объема изолирующего стакана электрически изолированы друг от друга и ток между ними может протекать только через рабочую площадь полупроводниковой структуры 1.

25 зо

З5

-то

6.) Со структурой 1 контактируют эластичные стержни 2, соединенные с ней в отдельных областях, через сплавной, паяный или термокомпрессионный контакт. Токоподводящие эластичные стержни уложены на внешнюю поверхность медных конусов 27 и 28 и запаяны B месте соединения конусов с токоподводящими фланцами 29 и 30. На стержни токоподвода надеты фиксирующие бандажи 31 и 32.

Изолирующий стакан 26 фиксируется в заданном положении пружинными планками 33 и 34. Токоподводящпе фланцы 29 и

30 скреплены с крепежными фланцами 35 и

36, образующими жесткую конструкцию с изолятором 37, выполненным, например, из стекла. Электрод управления 22 структу.ры 1 соединен изолированным проводом 23 с выводом 24, Крепежные и токоподводящпе фланцы

35, 36 и 29, 30 соединяются механически болтами или сваркой с системой токоподвода и охлаждения или, в случае последовательного соединения, с аналогичньт ттт деталями других приборов.

В качестве теплоотводя щей жидкости здесь используется дистиллированная деионизированная вода. Вода поступает через отверстия токоподводящего фланца 29, направляется конусом 27 на токоподводящие эластичные стержни 2 и структуру 1, проходит через внутреннюю полость стакана

26, выходит в цилиндрический зазор между стаканом 26 и изолятором 37, проходит в другую внутреннюю часть объема стакана

26, омывает эластичные стержни токоподвода к противоположной стороне структуры 1 и упрочняющую пластину 25 выходит через конус 28 и отверстие токоподводящего фланца 30. Конструкция допускает протекание воды и в обратном направлении.

Зазор между стаканом 26 и изолятором 34 выбран с таким соотношением длины и сечения, чтобы обеспечить практическое отсутствие тока утечки через дистиллированную воду.

Соединение эластичных стержней с полупроводниковой структурой может производиться, например, следующим образом.

На концах стержней, прилегающих к пластине, формируют утолщения. При сплавной технологии на торцовые поверхности утолщений наплавляют нужный сплав, Затем стержни устанавливают в оправку и плоскости утолщений, выравнивают опрессовкой илп шлифованием. Пластину зажимают между оправками таким образом, что утолщенные концы стержней прилегают к обоим плоским сторонам структуры, и обеспечивают максимально возможное совпадение областей контакта стержней на одной стороне структуры с областями контакта стержней на другой стороне. Затем сборка помещается в печь с защитной атмосферой и производится сплавленне. Оправки пзго682971 тавливают из материала, исключающего возможность их спекания с эластичными стержнями, например, из графита, титана ит. п.

В предлагаемом приборе контактные области распределены равномерно по всей рабочей плоскости электродов полупроводниковой структуры. Подвод тока осуществляется через отдельные эластичные стержни.

Хороший контакт каждого стержня со структурой обеспечивается соответствующим технологическим процессом. Поэтому число токоподводящих стержней может быть увеличено без ограничений. Вследствие эластичности стержней точность размеров задающих параллельность торцовых сторон полупроводниковой структуры и их соответствие идеальной плоскости перестает быть критическим фактором. Следовательно, диаметр пластины не лимитирован конструктивными и технологическими условиями и предел нагрузочной способности прибора по току (соответственно и его мощность) может быть увеличен за счет увеличения площади полупроводниковой структуры, что позволит уменьшить число полупроводниковых приборов в схемах мощных преобразовательных установок, исключить ряд вспомогательных элементов и сократить потери электроэнергии.

Эластичные стержни имеют на всем протяжении меньшую площадь поперечного сечения, чем в месте контакта со структурой, поэтому между стержнями образуются зазоры достаточной величины, в которых может циркулировать охлаждающая среда.

Эластичные стержни токоподвода имеют непосредственный контакт с охлаждающей средой, что обеспечивает интенсивное охлаждение полупроводниковой структуры, и в предлагаемом приборе при равной плотности тока нагрузки температура полупроводниковой структуры будет ниже, чем в других известных типах силовых полупроводниковых приборов. Поэтому может быть допущена большая амплитуда ударного тока при рабочей нагрузке, что позволит упростить и удешевить токоограничивающие устройства в схеме преобразовательной ус ановки (реакторы и др.) улучшить внешние и регулировочные характеристики и повысить энергетические показатели.

В приборе благодаря меньшей плотности тока в полупроводниковой структуре и отсутствию промежуточных контактных соединений прямое падение напряжения при протекании нагрузочного тока и, следовательно, потери электроэнергии будут значительно ниже, чем в случае использования известных конструкций.

Увеличение площади сечения стержней, контактирующих с поверхностью пластины, позволяет обеспечить достаточную площадь контакта и более свободный проток жидкости между стержнями, а также лучший от10

-и l.)

3d

6з вод тепла от мест контактных соединений.

Поскольку отношение площадей поперечных сечений приконтактной и остальной частей стержней равно отношению допустимых плотностей тока в материале стержня и в пластине, соотношение потерь может быть сделано минимальным.

Предпочтительной является такая конструкция токоподвода, при которой места контактов токоподводящих стержней на противоположных сторонах пластины размещаются друг против друга. Это позволяет иметь минимальное падение напряжения в структуре при протекании прямого тока.

Указанные преимущества прибора позволяют значительно увеличить мощность по сравнению с известными конструкциями.

Снижение плотности чагрузочного тока в полупроводниковой структуре, равномерное размещение контактов. совпадающее размещение контактных соединений на противоположных сторонах структуры, низкое тепловое сопротивление теплоотвода и эластичное крепление, исключают возможность нарушения контакта или растрескивания пластины, вследствие чего надежность прибора будет более высокой чем у известных конструкций.

Отвод тепла происходит путем непосредственного взаимодействия движущейся охлаждающей среды со стержнями токоподвода и с полупроводниковой структурой.

Поэтому, при проточном охлаждении (например, дистиллированной водой) с вторичным контуром, отпадает необходимость в каких бы то ни было дополнительных теплоотводящих элементах в корпусе вентиля, В приборах с испарительным охлаждением масса теплоотводящих устройств значительно уменьшается, так как передача тепла происходит за счет циркуляции пара и жидкой фазы охлаждающей жидкости, а не за счет теплопроводности металлических частей. Кроме того, отпадает громоздкое и тяжелое устройство для прижима, являющесся необходимой принадлежностью вентилей таблеточной конструкции.

Эл астичность токоподводящих стержней и зазоры между ними предохраняют структуру от передачи на пее значительных усилий от массивных токоподводящих частей.

Зазоры в области контактов. минимизируют деформации и усилия развивающиеся при изменениях температуры. Поэтому отпадает необходимость в термокомпенсирующих массивных прокладках из дефицитных материалов (вольфрама, молибдена).

Конструкция дает возможность размещать в корпусе вентиля несколько полупроводниковых структур, которые могут быть сое,чинены через стержни токоподводов параллельно, последовательно, параллельнопоследовательно, встречно-параллельно и т. п. При этом обсспечивается возможность дальнейшего увеличения нагрузочной

6P?971

10 способности прибора, уменьшения массы н габаритов, получения более совершенных или специальных электрических характеристик.

В приборе может быть использована полупроводниковая структура, состоящая например из комбинации структур тиристора с обратной проводимостью и силового диода; соединенных последовательно структур многоэмиттерного тиристора, силового триода и т. п., при этом отдельные группы стержней токоподвода не имеют между собой электрического контакта и выводятся на отдельные платы.

Одним из примеров конкретного выполнения предлагаемого прибора при диаметре структуры 80 мм может быть следующий: число стержней токоподвода — 560, сечение каждого стержня — 1,2 мм, граничный ток вентиля — 10 000 А, рабочий ток—

2500 А, ударный ток длительностью 10 мс—

62 500 А, прямое падение напряжения—

1,75 В при амплитуде рабочего тока, потери — 436 кВт при протекании рабочего тока, соответствующего трехфазной схеме преобразования, а масса прибора с испарительным охлаждением составляет 13—

14 KI, с проточным охлаждением — 4 — 5 кг, что значительно меньше, чем, например, у приборов с нажимными контактами.

Формула изобретения

1. Силовой полупроводниковый прибор, содержащий корпус с расположенной в нем по крайней мере одной полупроводниковой структурой, соединенной с токоподводами, имеющими участки, выполненные из эластичных металлических стержней, и систему теплоотвода с охлаждающей средой, отлича ющийся тем, что, с целью увеличения мощности и надежности прп одновременном уменьшении массы, эластичные стержни выполнены с переменным сечением и контактируют с полупроводниковой структурой в отдельных точках, причем отношение площади поперечного сечения эластичных стержней в месте соединения с полупроводниковой структурой к площади поперечного сечения в остальной части равно отношению допустимой для материала стержня плотности тока к допустимой плотно;> стп тока в полупроводниковой структуре, которая вместе с эластичными стержнями непосредственно контактирует с охлаждающей средой.

2. Прибор по п. 1, отличающийся

10 тем, что концы эластичных металлических стержней выполнены в виде плоских спиралей, имеющих со стороны соединения с полупроводниковой структурой вырезы.

3. Прибор по п. 1, отличающийся

1,> тем, что части объема корпуса с противоположных сторон полупроводниковой структуры разделены изоляционной перегородкой, прилегающей к боковой поверхности полупроводниковой структуры, и соединены

20 между собой каналом, проходящим между указанной перегородкой и стенкой корпуса.

4. Прибор по пп. 1 и 3, отл и ч а ю щийс я тем, что по крайней мере с одной стороны к полупроводниковой структуре при25 креплена упрочняющая пластина из материала, имеющего коэффициент термичсского расширения (КТР), близкий к КТР материала полупроводниковой структуры, черс3 отверстия в которой проходят эластичныс стержни токоподвода.

5. Прибор по п. 1, отличающийся тем, что области контакта эластичных стер>кнсй токоподвода с противоположными сторонами структуры расположены одна против другой.

6. Прибор по п. 1, отличающийся тем, что свободные концы эластичных стержней, контактирующих с разными полупроводниковыми структурами, электрически

1р соединены внутри корпуса прибора.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Чебовский А. Г. и др. Силовые полупроводниковые приборы, Справочник, М., 1,- «Энергия», 1975, с. 128, 100.

2. Патент США Ме 3273029, кл. 317 — 234, опубл. 1966.

682971

1аиг. 2

Составитель А. Прохорова

Редактор Н, Коляда Техред А. Камышникова Корректор T. Добровольская

Заказ 2008/19 Изд. № 492 Тираж 923 Подписное

НПО «Поиск» Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, 7К-35, Раушская наб., д. 4/5

Типография, пр. Сапунова, 2