Силовой полупроводниковый прибор

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 19) 111) 20 Н 01 1. 23 48 1) НО ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ ЗОБРЕТЕНЕТЕЛЬСТВУ ИОАН АВТОРСКОМУ 13/24-21.85. Бюл, )1ник, В,М.К капов ордена Дружуниверсите7 (088. 8)й О,Г. и дре приборы,аро Си личаротивопо детельство ССС 23/48, 1977жн ас кремниевойв разных сеорнстой стрр по п,1, отем, что наерхностях сии выполнены астины,ях, нане поверхност положенные слой меди3. Приб щ и й с я внешнеи пов ванных сек одниковый заполненой, кремпературны иную в огруженПОЛУПР сен ктуры.т л и ч а корпус, ющей сре высокоте установл и внутреннеенок изолребра. лях и(54)(57) 1.силовойПРИБОР, содержащийный жидкой охлажданиевую пластину ср - п-переходом,изоляционных держа ную в жидкую охлаждающую среду, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения эффективности охлаждения и увеличения мощности прибора,Фдержатели выполнены из эластичного материала, кремниевая пластина установлена с возможностью образования двух изолированных между собой сек" ций, заполненных жидкой охлаждающей средой, а в качестве охлаждающей жид кости использовано жидкометаллическо соединение.2 рибор о т юстержней заделаны в массивные медные платы, являющиеся вторичными токосъемами. Прибор помещен в жидкий диэлектрик-фреан для улучшения отвода тепловых потерь ат полупроводниковой структуры 121.Однако электрический и тепловой контакты с полупроводниковой структурой осуществляются дискретно в отдельных точках, а не по всей площади структуры.Кроме тога, в тиристорах имеютея локальные области структуры со значительным перегревом по отношению к остальной площади. В данном случае это может привести к выходу из строя прибора, так как один стержень, попавший на эту локальную область, не справится с теплоотводом. Причем теплоотвод в данном приборе (испарительный вариант) предполагается: за счет кипения жидкого диэлектрика - фреона 113 на поверхности кремниевой пластины, Однако в этом случае рост температуры кремниевой пластины, а следовательно, и нагрузочной способности прибора ограничен из-за опасности возникновения кризисных явлений при кипении фреона на поверхности пластины. Кроме того, данной конструкцией предусмотрено, что кремниевая пластина находится в объеме фреона, в который также помещены другие охлаждаемые элементы преобразователя; трансформаторы, дроссели, конденсаторы, резисторы и т. д. Вследствие этого фреон или его пары загрязняется, Электроизоляционные свойства его ухудшаются, что может привести к короткому замыканию между анодом и катодом.СПП. Цель изобретения - повышение эффективности охлаждения и увеличе"Указанная цель достигается тем,что в СПП, содержащем корпус, запойненный жидкой охлаждающей средой,кремниевую пластинус высокотемпературным р п-переходом, установлен-" ную в изоляционных держателях и погруженную в жидкую охлаждающую среду,держатели выполнены из эластичного материала, кремниевая пластина установлена с возможностью образования двух изолированных между собой секций, заполненных жидкой охлаждающейсредой, а в качестве охлаждающей жид 1 138961 ъИзобретение относится к силовойполупроводниковой технике и можетбыть использовано в статистических пре-образователях электрической энергии.В процессе постоянного роста номинальных токов силовых полупроводниковых приборов (СПП, а следовательно, и геометрических размеров р-пструктуры все острее становятся проблемы токосъема и теплосъема со 0структуры и отвода тепловой мощностипотерь от СПП,Известна конструкция СПП, в которой полупроводниковая структура, представляющая собой кремниевую пластину, 15содержащую р - п-переход и напаянную на вольфрамовый термокомпенсатори заключенную в керамический корпус.Токосъем осуществляется за счет медных оснований, прижатых к полупроводниковой структуре с обеих сторон через систему прокладок. Отвод теплаосуществляется путем двухстороннеговоздушного, жидкостного или испарительного охлаждения Ц . 25Однако д 5 чя сжатия прибора .с охладителем и токосъемными шинами сцелью получения надежного тепловогои электрического контактов, необходимо осевое усилие в пределах 20000- З 050000 Н, что приводит к увеличениюмассотабаритных параметров прижимного устройства и прибора в целом. Наличие в приборе термокомпенсаторов,яедных оснований, большого числа контактов ведет к возрастанию тепловогосопротивления между полупроводниковой структурой и окружающей средой,Кроме того, использование специальных медных или алюминиевых охладителей приводит к резкому увеличению массы и габаритов приборов, расходадефицитных цветных металлов..1Наиболее близким к предлагаемомуявляется СПП, содержащий кремниевуюпластину с р - п-переходом с прикрепленной к .ней по крайней мере с однойстороны упрочняющей пластиной из материала, имеющего коэффициент термического расширения КТР), близкий к 50КТР кремния, эластичные стержни, выполняющие функцию токосъемов с переменным сечением, контактируют с полупроводниковой структурой в отдельныхточках, причем области контактов этих 55стержней с противоположными сторонами структуры расположены одна противдругой. Свободные концы эластичных25 30 35 40 45 Составитель С.ДудкинРедактор А.Мотыль Техред А.Бабинец Корректор Л.Пилипенко Заказ 10708/45 Тираж 794 ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета СССРпо делам изобретений и открытий113035, Москва, Ж, Раушская наб., д, 4/5 Филиал ППП "Патент", г.Ужгород, ул.Проектная, 4 кости использовано жидкометаллическое соединение.Кроме того, на противоположныеповерхности кремниевой пластины,расположенные в разных секциях, нанесен слой меди пористой структуры.Причем на внутренней и внешнейповерхностях стенок изолированныхсекций выполнены ребра,На чертеже изображен СПП, общийвид.Прибор состоит из монокристаллической полупроводниковой структуры -кремниевой пластины 1, содержащейр - п-переход с высокой предельнодопустимой температурой, например190 С. Поверхность пластины с анодной и катодной сторон имеет пористоемедное покрытие 2, полученное, например, методом плазменного напыления. Пластина закреплена в эластичномдержателе 3, выполненном из самовулканизирующегося кремнийорганическогокомпаунда КЛТ. К держателю с двухсторон прикреплены автономные герметичные секции 4, выполненные из медии имеющие внутреннее и внешнее оребрение. Емкости заполнены жидкимметаллическим соединением 5 с температурой кипения 150 С таким образом,чтобы анодная и катодная поверхности.полностью омывались им. Верхниеполости 6 автономных герметичныхемкостей, свободные от жидкости,предназначены для конденсациипаров кипящего металлического соединения. Токосъем осуществляется электрической цепью жидкость - медныйкорпус - токосъемная шина 7. Прибормонтируется на изоляционной панели 8и размещается в объеме преобразовательного агрегата, который заполненвторичным промежуточным легкокипящимтеплоносителем 9, например фреоном113,В рабочем режиме СПП поверхностькремниевой пластины имеет температуру, близкую к температуре р-и-перехода, 190 С, Бромат ниодима закипаетона этой поверхности, при этом темперао турный напор достигает величины 40 С, достаточной для развитого пузырЬкового кипения с удельными тепловыми потоками от поверхности пластины к кипящей жидкостил(2-510 Вт/м. Пары7кипящего металлического соединения конденсируются на внутренних ребристых поверхностях автономных герметичных екостей,как верхних свободных от жидкости полостях, так и в самом объеме кипящей жидкости. Температура поверхности конденсирования поддерживается равной 85 С тем, что на внешней ребристой со специальной геометрией оребрения поверхности секций организуется режим развитого пузырькового кипения фреона 113. Предлагаемая конструкция силового полупроводникового высокотемпературного прибора позволяет отвести мощ" ность тепловых потерь 5000-10000 Вт, получить при этом предельный ток высокотемпературного прибора,3000 - 5000 А. Повышение интенсивности теплоотвода достигается тем, что при кипении жидкометаллического соединения на поверхности кремниевой пластины теплоотдача с последней составляет (2-5) 10 Вт/м 2 (в существующих аналогичных нспарительных системах охлаждения при кипении фреона или воды теплоотдача не более 10 - 10 Вт/м ,6 а Отвод тепла интенсивнее - мощность прибора выше. Повышение интенсивности токосъема достигается тем, что в процессе работы жидкометаллическое соединение,.через которое происходит токосъем, контактирует практически со всей поверхностью кремниевой пластины, Улучшение тепло- и токосъемов приводит к более стабильной работе предлагаемого прибора в целом, т,е, повышается его надежность.