Полупроводниковое управляемое выпрямительное устройство и способ его изготовления

(57)выпрямразовгермежащее ГОСУДАРСТ 8 ЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИ ИЕ ИЗОБР ВИДЕТЕЛЬСТВУ(71) Специальное проектно-конструкторское и технологическое бюрополупроводниковой техники и Всесоюзный научно-исследовательский.и проектно конструкторский институтпо автоматизированному электроприводу в промышленности, сельском хозяйстве и на транспорте(56) 1. Полупроводниковые приборы,Каталог фирмы фйещепв, 1979,2, Авторское свидетельство СССРпо заявке 9 3276316/24-07, 13.04.81 (прототип) ОЛУПРОВОДНИКОВОЕ УПРАВЛЯЕМОЕ ИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ГОТОВЛЕНИЯ.Полупроводниковое управляемое ительное устройство для преобния электрической энергии, заизированное компаундом, содерсиловые полупроводниковые элементы, часть которых снабжена светочувствительной поверхностью и оптически связана со светоиэлучающимидиодами, при этом полупроводниковыеэлементы прикреплены с одной сторонык общему металлическому основаниючерез металлические фасонные шины иконтактные плаетины, изолированныетеплопроводящим слоем от основанияи соединяющие каждый силовой элементс двумя токовыми выводами устройства, светоизлучающие диоды закреплены на изолирующей детали, имеющейпазы для размещения светоивлучающихдиодов и выводов к ним, о т л и -ч а ю щ е е с я тем, что, с целью.повышениянадежности устройства вработе путем снижения тепловыделений и уменьшения перегрева светоиэлучающих диодов, оно дополнительноснабжено направляющими трубками сгладкой, отражающей излучение, внут"ренней поверхностью, каждая из которых одним концом прикреплена к светочувствительной поверхности силового элемента, а в другом конце трубки размещен светоиэлучающий диод,закрепленный в пазах изолирующейдетали своими выводами, связанными суправляющими выводами устройства,1056319 Известны полупроводниковые полууправляемые и управляемые выпрямительные устройства, представляющие . 10собой однофазные или трехфаэные устройства, построенные с применениемдискретных полупроводниковых приборов, например, диодов и тиристоров,монтируемых на отдельные радиаторы 15или на одном общем радиаторе приусловии обеспечения общего электрического потенциала монтируемых приборов или их электрической изоляцииот радиатора 1 Я .20Однако монтаж дискретных полупроводниковых приборов на общий радиатор представляет определенные трудности, которые могут быть устраненыпри использовании устройства большойинтеграции с изоляцией выпрямительных структур бт основания,Наиболее близким к изобретениюпо технической сущности и достигаемому результату является полупроводниковое выпрямительное устройство дляз 0преобразования электрической энергии,содержащее полупроводниковые структурй ср-л переходами и выводами, прижатые к контактным металлическимпластинам, фасонным шинам, и через 35электроизолирующий теплопроводящийслойк общему металлическому основанию и загерметизированные компаундом. Способ изготовления полупроводникового устройства включает в себя 40операции прижима полупроводниковых 1 и перегрев этих элементов.Целью изобретения является повышение надежности устройства в работе путем снижения тепловыделений иуменьшения перегрева светоизлучающих диодов, а также улучшение электрической изоляции при одновременномповышении степени интеграции устройства,укаэанная цель достигается тем,что полупроводниковое управляемоевыпрямительное устройство, загерметизированное компаундом, содержащеесиловые полупроводниковые элементы,часть которых снабжена светочувстви.тельной поверхностью и оптически 2. Устройство по и, 1, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что оно дополнительно снабжено световодами, при; чем каждая направляющая трубка и световод с одной стороны.прикреплены к светочувствительной поверхности полупроводникового элемента, а с другой - к светоизлучающему диоду с воэможностью оптического соединения каждого светоизлучающего диода с полупроводниковыми элемента-. ми и каждого полупроводникового элемента со светоизлучающими диодами,3. Способ изготовления полупровод. никового управляемого выпрямительного устройства, включающий операции крепления силовых полупроводниковых элементов к общему металлическому Изобретение относится к полупроводниковой технике и может быть ис" польэовано в полупроводниковых преобразователях электрической энергии, станциях управления и электроприво-5 дах постоянного и переменного тока. основанию через теплопроводящийэлектроизолирующий слой, о т л ич а ю щ и й с я тем, что, с цельюулучшения электрической изоляции при одновременном повышении степени интеграции устройства, на одну сторонуобщего металлического основания предварительно наносят фиксированный потолщине слой теплопроводящего компаун да, после чего приклеивают контактные пластины и шины с напаянными наних силовыми полупроводниковыми злементами, а общее металлическое основа.ние иэ алюминиевого сплава переднанесением Фиксированного по толшине слоя компаунда предварительноанодируют и анодный окисел уплотняют, например, в парах воды. структур к основанию и герметизациикомпаундами, 12,Недостатками устройства являютсяуменьшение надежности его работы изэа перегрева полупроводниковых элементов: светоизлучающего диода и силовых выпрямительных элементов вви-цу недостаточной эффективности оптической связи и Увеличенных значений контактного электрического и .тепловоГо сопротивлений при прижимевыпрямительных элементов к фасон, ной металлической шине и контактнойпластине и к металлическому основанию через электроизолирующий тепло"проводящий слой и изолирующее кольцо,Неидеальность поверхностей прижимаемых деталей и сложность конструкции, реализующей прижим двух соседнихвыпрямительных элементов к контактным пластинам и самой контактной пластины к основанию и их электрическое соединение между собой и с внешними выводами, приводит к увеличению указанных сопротивлений,определяющих собой тепловыделение5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 В первом варианте устройства каждая направляющая трубка 7 с гладкой, отражающей излучение, внутренней поверхностью прикреплена одним концом к светочувствительной поверх. ности полупроводникового, например, тиристорного элемента 9, а в другом конце направляющей трубки размещен светодиод 6, электрически соединенный с внешними управляющими выводами 4 устройства или с другими свето" диодами 6, а полупроводниковые элементы 9 электрически соединены каждый с двумя токовыми выводами 2 55 60 65 связана со светоизлучающимн диодами,при этом полупроводниковые элементыприкреплены с одной стороны к общемуметаллическому основанию через метал.лические фасонные шины и контактныепластины, изолированные теплопроводяшим слоем от основания и соединяющие каждый силовой элемент с двумятоковыми выводами устройства, светоизлучающие диоды закреплены на изолирующей детали, имеюшей пазы дляразмещения светоизлучаюших диодови выводов к ним, дополнительно снабжено направляющими трубками с гладкой, отражающей излучение, внутренней поверхностью, каждая из которыходним концом прикреплена к светочувствительной поверхности силовогоэлемента, а в другом конце трубкиразмещен светоизлучающий диод, зак"репленный в пазах изолирующей детали своими выводами, связанными суправляющими выводами устройства.Кроме того, устройство снабженосветоводами, причем каждая направляющая трубка и световод с одной стороны прикреплены к светочувствительной поверхности полупроводниковогоэлемента, а с другой - к светоизлучаюшему диоду с воэможностью оптического соединения каждого светоизлучающего диода с полупроводниковымиэлементами и каждого полупроводникового элемента со светоизлучающимидиодами.Согласно способу изготовленияполупроводникового управляемого выпрямительного устройства, включающемуоперации крепления силовых полупроводниковых элементов к общему металлическому основанию через теплопро- .водящий электроизолирующий слой,на одну сторону общего металлического основания предварительно наносятфиксированный по толщине слой теплопроводящего компаунда, после чегоприклеивают контактные пластины ишины с напаянными на них силовымиполупроводниковыми элементами, аобщее металлическое основание иэалюминиевого сплава перед нанесениемфиксированного по толщине слоя компаунда предварительно анодируют ианодный окисел уплотняют, например,в парах воды,На фиг. 1 изображено устройство,реализующее последовательное соединение двух оптотиристорных структур,разрез; на фиг. 2 - то же, вид сверху; на фиг. 3 - устройство, реализующее тиристорный трехфазный мост постоянного тока с оптронным управлением, разрез; на фиг. 4 - то же, видсверху; на фиг. 5 - устройство,реализующее два изолированных оптоприбЬра, разрез; на фиг. 6 - то же,вид сверху; на фиг. 7 - часть изолирующей детали и соединения направляющей трубки со светодиодом и полупроводниковым элементом.Устройство содержит корпус 1, токовые выводы 2 устройства, крышку 3 корпуса, управляющие выводы устройства, изолирующую деталь 5, светоизлучаюший диод 6, направляющую трубку 7, изолируюций теплопроводящий слой 8, полупроводниковые элементы 9 с р- п переходами и токовыми выводами, металлические пластины и фасонные шины 10, металлическое основание 11, герметизирующий компаунд 12, эластичный компаунд 13, соединительные проводники. 14 и световоды 15, На металлическом основа" нии 11 размещены изолирующий слой 8, контактные металлические пластины и фасонные шины 10, полупроводниковые элементы 9 с р- п переходами и токовыми выводами, например диоды, тиристоры, транзисторы, а также со светочувствительной поверхностью, например фотодиоды, фототиристоры, фототранзисторы, светоизлучающие диоды 6 и направляющие трубки 7 с двумя открытыми концами,которые крепятся одним концом к светочувствительной поверхности полупроводникового элемента 9, а в другом конце направляющей трубки размещен свето- излучающий диод 6 или световоды 15, которые соединяют светоизлучающие диоды 6 со светочувствительной поверхностью полупроводникового элемента 9, корпус 1, который крепится на металлическом основании 11, и изолирующая деталь 5, прикрепленная к корпусу 1, в котором выполнены пазы и отверстия и размещены управляюшне выводы устройства, светоиэ" лучающие диоды 6, выводы которых электрически соединены с управляю- шими выводами 4 устройства, светово" ды 15, токовые выводы 2 устройства, электрически соединенные с помощью фасонных шин и пластин 10 и проводников 14 с полупроводниковыми элементами 9, герметизирующий компаунд 12, заполняюший корпус 1 устройства, и крышка 3 корпуса с высту- пами для разделения токовых и управ-. ляющих выводов.УстРойства и между собой с помощьюсоединительных проводников 14 контактных пластин и фасонных шин 10,укрепленных через теплопроводящнйизолирующий слой 8 на общем метал"лическом основании 11. 5Во втором варианте устройствакаждая направляюцая трубка 7 с гладкой, отражающей излучение, внутренней поверхностью также прикрепленак светочувствительной поверхности 10полупроводникового, например, тиристорного элемента 9, а в другом конце направляющей трубки 7 размещенсветодиод б, электрически соединен".ный с двумя изолированными от других 15светодиодов, внешними управляющимивыводами 4 устройства, а каждыйполупроводниковый элемент 9 электрически соединен с помощью контактных пластин 10, укрепленных черезтеплопроводящий электроизолирующийслой 8 на общем металлическом основании 11, и соединительных проводников 14 с двумя изолированными отдругих полупроводниковых элементов,токовыми выводами 2 устройства.В третьем варианте устройствакаждан направляющая трубка 7 и световод 15 одним концом прикреплены ксветочувствительной поверхности полупроводникового элемента, а другим - к светодиоду б с возможностьюоптического соединения каждого светодиода б с одним или несколькимиполупроводниковыми элементами 9 икаждого полупроводникового элемента 9 с одним или несколькими светодиодами б, электрически соединенными а внешними управляющими вывода"ми 4 устройства или с другими светодиодами б, а полупроводниковые элементы б электрически соединены каждый с двумя токовыми выводами 2 устройства и между собой с помощью соен,динительных проводников 14 и контактных металлических пластин и фасонных шин 10, прикрепленных к общемУметаллическому основанию 11 черезтеплопроводящий электроизолирующийслой 8.Способ изготовления полупроводникового управляемого выпрямительного устройства заключается в следующем,На одну сторону общего металлического основания 11 предварительнонаносят Фиксированный по толщинеслой 8 теплопроводящего компаунда,после чего приклеивают контактныепластины и шины 10 с напаянными наних силовыми полупроводниковыми элементами 9, а общее металлическое 60основание 11 из алюминиевого сплаваперед нанесением фиксированного потолщине слоя компаунда предварительно анодируют и анодный окисел уплотняют, например, в парам воды. 65 Устройство работает следующим образом.При подаче электрического сигнала на управляющие выводы 4 устройст" ва через светоизлучающие диоды б протекает электрический ток в прямом направлении, вызывая излучение, прямо пропорциональное величине прямого тока, Излучение распространяется по световоду 15 или внутри направляющей трубки 7 с гладкой отражающей излучение внутренней поверхностью к фоточувствительной поверхности полупроводникового элемента 9, например, фототиристорного, генерируя в этом элементе фото-ЭДС или Фототок, который переключает фототиристор в проводящее состояние, если управляющий импульс достаточной величины подается на светодиод б в любой момент времени в течение. полупериода когда к фототиристорному элементу приложено напряжение в прямом направлении, Устройство монтируется непосредственно на радиаторе, так как токоведуцие элементы 2, 10, 14 и 9 устройства изолированы от металлического основания 11 и обеспечено низкое тепловое сопротивление, и подключается выводами 4 непосредственно к системе импульсно-Фазового управления. без промежуточного изолируюцего трансформатора, а выводами .2 к напряжению питания и к нагрузке, Подключение устройства облегчено односторонним расположением токовых 2 и управляющих 4 выводов, их конструкцией, например под винт, и функциональной законченностью устройства, в котором скрыто выполнена значительная часть коммутации полупроводниковых элементов с помощью Металлических пластин и фасонных шин 10 и соединительных проводников 14.Управление светочувствительными структурами осуществляется светодиодами б, например арсенидогалиевыми, с помощью направляюцей трубки 7 с двумя отверстиями и помецеиныхв трубку световодов 15, прикрепленных одним концом к светочувствительной поверхности полупроводниковых элементов 9, а другим концом - к светодиоду б с помощью оптического клея, например, кремнийорганического, Управление светочувствительными структурами возможно также при помецении светодиодов непосредственно в направляющую трубку 7 с гладкой, отражающей излучение, внутренней поверхностью.,При этом каждый свето- излучающий диод б соединяется через направляюцую трубку 7 непосредственно или с помощью световодов 15 с одной или несколькими полупроводниковыми элементами, а каждый полупро1 О вцдниковый элемент 9 соединяют с одним или несколькими светодиодами б, выводы которых припаивают к управляющим выводам 4 устройства,.укреплен. ным на изолирующем элементе 5, образуя различные схемы соединения.Снижение тепловыделений и умень шение перегрева светоизлучающих диодов для повышения надежности его работы достигается включени.;и в состав устройства конструктивных элементов, обеспечивающих улучшенное оптическое управление выпрямительными элементами, что позволяет снизить прямой ток через светоиэлучающий ,диод и его перегрев.Предлагаемым способом изготовления обеспечивается сборка элементов устройств, низкая величина теплового сопротивления, высокая электрическая прочность изоляции от.основания и светоизлучающих диодов при достаточной светопередаче, герметизация от внешних воздействий, повышение степени интеграции устройства при уменьшении веса и габаритов,.б. Составитель Н.Нестеренкообкова Техред А,Ач Коррек тор О. Тигор тЗаказ 9 ое 5 ал ППП Патент город, ул.Проектн 320/49 Тираж 703ВНИИПИ Государственного комипо делам изобретений и отк113035, Москва, Ж, Раушс Подпиета СССРтийя наб. д,