Полупроводниковый модуль

( ИЗОБРЕТЕНИЯВИДЕТЕЛЬСТВУ САН АВТОРСКОМУ С(54)(57) 1. ПО содержащий корп вую структуру,трическими выво гостержневого т ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНЯТИЙ(56) 1, Глух Е.М. Зеленов В.Е.Защита полупроводниковых преобразователей. М., "Энергия", 1970,с. 73-76.2. Беркович Е.И. и др. Полупроводниковые выпрямители. М., "Энергия",1978, с, 318-324,3. Авторское свидетельство СССРВ 682971, кл, Н 01 Ь 23/48, 1979. ЛУПРОВОДНИ КОВЫЯ МОДУЛЬус, полупроводникосоединенную с элекдами посредством мноокоподвода, и предохранитель с плавкими элементафе о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, . с целью уменьшения расхода электроф энергии, массы и габаритов, повышения быстродействия и обеспечения термодинамической стойкости, предохранитель расположен в указанном корпусе и выполнен с числом плавким элементов, равным числу стержней то" коподвода, каждый стержень соединен с электрическим выводом через один плавкий элемент и образованная таким образом цепочка изолирована на участке от полупроводниковой структуры до электрического вывода.2, Модуль по п. 1, о т л ич а ю щ и й с я тем, что, с цельюисключения расхода серебра и упрощения конструкции, плавкие элементы выполнены иэ того же материала, что и стержни токоподвода, например из алюминия, и каждый стержень объе-. динен с одним плавким элементом. Ф510 вой интеграля предохрани вующи ть отключен в(3 не обес 2 7 отк 3остигает ем вы е 45 5 55 60, Изобретение относится к преобразовательной технике и предназначе 1 но для использования в полупроводниковых преобразовательных устройствах.Известен полупроводниковый модуль, содержащий полупроводниковый прибор и блок защиты по управляющему электроду 113.Однако данный модуль нельзя выпол. нить 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. 1Наиболее близким к предлагаембму по технической сущности является полупроводниковый модуль, содержащий плавкий предохранитель и полупроводниковый прибор 23 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 отклвчения 31 и его. номинальным током Эпо срав нению с соотношением, допускаемым для другого электротехнического оборудования. Уменьшение отношения 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 допустимое число параллельно работающих модулей не менее трех, так как при числе параллельно работающих .модуле п( 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 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 составляет 17 Ф часть от полного тока. При этом для селективного отключения поврежденного прибора необходимо, чтобы где э - преддуго 5 плавлени теля.У современных быстродейст хпредохранителей 0 зО -ут. е. селективнос ия предохранителем при печиваПри в Ъ 3 и определенной величине рабочего тока модуля аварийный ток через поврежденный модуль может превысить ток термодинамической стой кости его прибора либо предохраните ля,Цель изобретения - уменьшение рас хода электроэнергии, массы и габаритов, повышение быстродействия и обеспечение термодинамической стойкости,5 Поставленная цель достигается тем, что в полупроводниковом модуле, содержащем корпус, полупроводниковую структуру, соединенную с электрическими выводами многостержневым токоподводом, и предохрани тель с плавкими элементами, предохранитель расположен в указанном корпусе и выполнен с числом плавких 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 полупроводниковой структуры, общий вид в разрезе: иа фиг. 2 - то же, к одной стороне полупроводниковой структуры; на фиг. 3 - последовательность перегорания плавких элементов предохранителя.(и) о 5 Нь) 3Модуль на фиг. 1 имеет полупровоЬ 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 4 лавких элементов соединены с электрическими выводами 7 и 8Корпус 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 черезотверстия 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 7Корпус 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. 40Рабочий ток протекает одновременно по всем плавким элементам 4 и 5 Аварийный ток, вызванный внешней причиной, также будет протекать повсем 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 токоподво 5 да, непосредственно примыкающих к этой облаети.,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 расплав- . ляет 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 первоначального пробоя структуры. Например, при пробое полупроводниковой структуры 1 по фаске в точке А фиг. 3/ и при токоподводе, содержащем М = 52 стержня, вначале расплавится один плавкий элемент, группы Х, затем три плавких элемента группы 11, затем четыре группы 111, затем четыре груп пы 1 Ч, затем шесть группы Ч, затем семь группы Ч 1, затем восемь группы Ч 11, затем восемь группы Ч 111, за" тем семь группы 1 Х и наконец три г 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 32 Ф, Э 1 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,фкщ 2 ( 1нгде"1 - мгновенное значениеаварийного тона;1 и Ф - время начала протекания аварийного тока и. время до образованиядуги;сопротивление единицыобъема плавного элемента. Дпя,одной группы из и параллело работающих. плавких элементов сечением каждого З можно записатьДля (. групп последовательно расплавляющихся элементов общее время плавления ия (6) для е элементырасплавл учим Из выраже да все плавк ве п 1 фпг+ь- временно, по Эслучая, ког количесттся одноее имениковаена иток в дао л сто укт внешне лавлени й предо плавкого ного и 8) получим юр 1 Так как ил)2 ) 3 илщф4)32 . 8ил .терн мощности в плавких элемен-.дуля по сравнению с потерямисти в стандартном предохранитетеми же значениями ЭгФ и , эмуменьшаются в 2,5-3 раза Так) видно, что для получения уартного предохранителяв,Потах момощноле с фпл из (8 станд Последполупроводне повреждаварийныйвызванныйже времястандартнысечениемизготовлела.Из 7 ф т ме стр о не рямо при я бу хран ура м ду яму протекаетнаправлениииной. Такоеет иметьтель с общимента йзже материафил 1) и (2) 1 г ),; )2.Ф,яла зо 2 раза меньше необходимо уменьшитьсечение бй плавного элемента в2,82 раза. При этом во столько жераз возрастет плотность тока и потери мощности. В современных предохранителях потери мощности на 1 Аэффективного тока составляют 0,15 Вта, например, в предохранителе на800 А равны 120 Вт. В плавких элементах соответствующего модуля с полу проводннковой структурой диодаВони составляют около 40 Вт.Учитывая, что допустимые потери длятакой структуры составляют 850 Вгвлиянием потерь в плавких элементах, 15 выделяющихся в значительном объемес дугогасящей средой, можно пренебречь.Помещение предохранителя в одинкорпус с полупроводниковой структурой прибора и соединение последней 20 с электрическими выводами черезцепочки из последовательно соединенных стержня токоподвода и плавкойвставки позволяет уменьшить расходэлектроэнергии на потери в предо хранителе модуля и тем самым увеличить КПД преобразовательных устройствза счет уменьшения плотности токав предохранителе. Например, в модуле Йа 500 Ь при ,и = 52 и выполнении плавких вставок из меди мощность потерь снижается в 3 раза посравнению с потерями в предохранителе ПП 57 на 800 А к диоду на средний ток 500 А. Одновременно .сключается потребление 42, г серебра.Уменьшение массы и габаритов иупрощение конструкции достигаетсяисключением внешних контактов, применением общего корпуса, а такжеисключением внутренних контактов 40 между стержнями токоподвода и плавкими элементами при выполнении.их изодного материала.Кроме того, в предлагаемом модулеувеличивается быстродействие и обес печивается селективная работа защиты при любом числе щ , включая в =1 и 2. Это следует из того, чтодаже приняв ЭгплЭгйл= )из (141 по-лУчим Зг /Фита /Эг 1=,0 ЭЭ, т. е, меньше 50 щ =Обеспечение .термодинамическойстойкости достигается тем, что, начиная с момента возникновения аварийного тока и расплавления первой группы плавких вставок, первоначальномалая область повреждения полупрЬводниковой структуры быстро увеличивается за счет последовательноперевода аварийного тока на вторую,третью и т,д. группы. При этом умейь 60. шается концентрация потерь энергиив области полупроводниковой структуры, Кроме того; значительная доляэнергии потерь переносится из облас-ти полупроводниковой структуры 1 в 65 дугогасящую среду 12.1064356 иа Составитель Н. НестеренкоР. Ковач Техред М,кузьма . КорректоР И.Муска Реда За 5 илиал ППП фПатентф, г. Ужгород, ул ктная, 4 0540/53ВНИИПИ" Гпо делам13035, Мо Тираж 703ударственногизобретеннй ива, Ж, Рау Подписикомитета СССРоткрытийская наб., д. 4/