Полупроводниковое выпрямительное устройство преобразователя электрической энергии и способ его изготовления

. Зил кт+.-номуозяйстветрукторское.хники юзный научно-исследовательский и пров рукторский институт по автоматизирова роприводу в. промывленности, сельском транспорте и Специальное проектнокон нологическое беро полупроводниковой т Всес явители конс элек и на и те) ПОЛУПРОВОДНИКОВОЕ ВЫПРЯМИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ вару" нт скрепляетусилием, приилие уже отВыпрямительный элем ся с основанием с таки ,котором на фиксаторе у сутствует 11 3 и 2 3. Примен торые неоприжимать Фиксирова к усложне спооба егоние спецходимо о к выпрям ь усилие ию конст изготов ьны пружин, конным образом му элементу, а, приводит прибора и реде ельнорижикциинияспользуютеред устаИзобретение относится к полупроеодниковой технике и предназначенодля использования в промышленныхпреобразователях, выпрямителях, стан1 циях управления электродвигателемв электроприводах.Известны полупроводниковые выпрямительные устройства и приборы с прижимными контактами и способы их изготовления,в которых выпрямительныеэлементы приводятся в контакт с охлаждающей пластиной пружинами, действующими между верхней контактнойповерхностью выпрямительного элемента и металлическим корпусом, механически прикрепленным к охлаждающейпластине, петлями, верхняя контактнаяповерхность элемента электрическиизолируется от охлаждающей пластины,которая действует в качестве одноговывода элемента,Для прижима элементов изажимные приспособления, П новкой выпрямительных элементов в жимном приспособлении отжимают уп гий элемент зажимного приспособления с заданным усилием. Затем упругий элв мент фиксируется в таком предвари-тельно напряженном состоянии спе"циальным фиксатором, после чего отжатое зажимное приспособление прижимают к выпрямительному элементу, прилегающему к основанию, противодействуя предварительному напряжению упругого элемента.3 983840Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является полупроводниковое. выпрямительное устройство преобразова теля электрической энергии, содержа-5 щее полупроводниковые структуры с р-и-переходами и выводами, прижатые к контактным металлическим пластинам и через электроизолирующий теплапроводящий слой - к общему металлицеско му основанию и загерметизированные компаундом. Способ изготовления полупроводникового устройства включает операции прижима полупроводниковых структур, к основанию и герметизацию 15 компаундом ГЗ 3Известное полупроводниковое устройство и способ его изготовления обладают рядом недостатков, одним из которых является малая интеграция элементов в устройстве и жесткая связь между ними, что ограничивает его функциональные возможности реализацией последовательного соединения двух элементов, общая точка ко торых соединяется с одним из трех токовых выводов прибора, Конструкция устройства не позволяет также установить фоточувствительные и светоизлучающие структуры и соединительные элементы к ним для реализации изолированного управления, например, тиристорными приборами.Так,например, для изготовления трехфазной регулируемой реверсивной мостовой схемы преобразователя электроэнергии необходимо применить в упомянутых устройствах и дополнительные коммутации и управления тиристорами, в том числе развязывающие 4 о трансформаторы и задающие генераторы к ним, что соответственно снижает общую надежность преобразователя электроэнергии.1 ЭО45Другим недостатком известного устройства и способа его изготовления является отсутствие контроля прижима в процессе изготовления прибора, например по изменению параметров кон 50 тактируемой структуры и отсутствИВ элементов, улучшающих тепловой контакт при достижении критической температуры в процессе эксплуатации,Вышеуказанные недостатки конструк 55 ции ограничивают надежность устройства и преобразователя электроэнергии, построенного на его основе. Целью изобретения является устранение указанных недостатков за счет1 повышения степени интеграции и универсальности устройства, улучшение теплового и электрического контактов с полупроводниковыми структурами, осуществление контроля параметров структуры при прижиме и улучшения теплового контакта при достижении критических значений температур, т. е. повышение надежности работы устройства при одновременном расширении его функциональных возможностей.Указанная цель достигается тем, что полупроводниковое выпрямительное устройство преобразователя электрической энергии, содержащее полупроводниковые структуры с р - и переходами и выводами, прижатые к контактным металлическим пластинам, фасонным шинам и церез электроизолирующий токопроводящий слой - к общему металлическому основанию и загерметизированные компаундом, снабжено нажимными болтами и опорным элементом, в котором выполнены отвеостия и резьба по окружности отверстий для перемещения нажимных болтов, прижимающих каждую полупроводниковую структуру через фасонную шину к контактной пластине и каждую контактную пластину через электроизолирующий теплопроводящий слой к основанию и образующих выводы тока, причем каждая полупроводниковая структура изолирована теплопроводящим изолирующим кольцом от прижимного болта, прижимающего данную структуру к фасонной металлической шине и к контактной металлической пластине, и имеет электрический контакт с одним нажимным болтом, прижимающим контактную пластину через изолирующий тепло- проводящий слой к основанию,и электрический контакт с вторым нажимным болтом, прижимающим через фасонную шину и второе изолирующее кольцо соседнюю структуру к второй контактной пластине и общему металлическому основанию; две или более структуры прижаты нажимными болтами к общей контактной металлической пластине, изолированной от основания теплопроводящим слоем, причем каждая из этих структур имеет электрический контакт с одним прижимным болтом, образующим изолированный от других структур токовой вывод, а также электрический контактс общими токовыми выводами.5 9838 образованными прижимными болтами к общей контактной металлической пластине, опорный элемент жестко соединен с металлическим основанием; в опорном элементе выполнены пазы, в которых размещены управляющие выводы или световолокна и светодиоды и токовые выводы к ним; в нажимных болтах выполнены сквозные пазы, в которых размещены управляющие выводы тиристор ф ных структур или световолокна и светодиоды; электроды структуры, металли. ческие шины, пластины и нажимные болты покрыты слоем металла с температурой плавления, превышающей пре дельно допустимую температуру р-и перехода на 5-10 О.Способ изготовления полупроводникового устройства, включающий операции прижима полупроводниковых струй- о тур к основанию и герметизации компаундом, при прижиме структуры одновременно измеряют обратный ток через р-п переход и обратное напряжение,. приложенное к структуре, и при крити" 5 ческих значениях этих параметров прижим прекращают, после чего осущест" вляют герметизацию.На фиг. 1 схематически изображено полупроводниковое устройство, разрез 50 на Фиг. 2 - то же, вид сверху; на фиг. 3 - то же, разрез; на Фиг. часть дополнительного устройства; на фиг. 5 - место соединения структуры с основанием, шинами и нажимным бол том; на фиг. 6 - полупроводниковое устройство, вид спереди; на Фиг. 7- дополнительный элемент; на Фиг. 8 - Фиксирующая деталь.Схема полупроводникового устройст в ва включает нажимные болты 1;металлическое основание 2, опорный элемент 3, корпус 4 устройства, полупроводниковую структуру 5, световолокно 6 светодиоды 7, металлические фасонные 45 шины 8 и 9, винты 1 О, втулку 11,токовые выводы 12 светодиодов, изолирующий слой 13, металлическую пластину 14, изолирующее кольцо 15, фиксирующую деталь 16, оптический клей 17, 50 дополнительное стекловолокно 18, оптический клей 19, отверстие 20 в фиксирующей детали, отверстие 2 1 с нарезкой под нажимные болты, отверстия 22 дпя винтов. 55 40 6 Устройство содержит металлическоеоснование 2, на котором расположеныизолирующий слой 13 например, из окиси берилия), металлические пласти"ны 14, на которых помещены полупровод=никовые структуры 5 (например, диоды,транзисторы, тиристоры, фототиристоры, оптотиристоры); металлическиеФасонные шины 8 и 9; кольца 15, которые изолируют вину 8 от шины 9 наполупроводниковой структуре 5; нажямные болты 1, прижимающие полупроводниковые структуры к основанию 2;нжимные болты 1 а, прижимающие метал-:лические пластины 14 к основанию 2;опорный элемент 3, в котором выполнены отверстия 21 с резьбой, в которые ввинчиваются нажимные болты1 и 1 а, а также отверстия 22 подвинты 10, которые закрепляют дополнительный элемент 3 с корпусом 4 иметаллическим основанием 2 с помощьювтулок 11, которые прикреплены к металлическому основанию 2, например,с помощью пайки; световолокна 6,которые соединяют оптотиристорныеструктуры со светодиодами 7 и расволожены в пазах дополнительногоэлемента 3 и нажимных болтов 1; токовые выводы светодиодов 12, расположенные в опорном элементе 3; Фиксирующую деталь 16, которая Фиксируетполупроводниковые структуры 5 и металлические шины 8 и 9 с помощьюотверстий 20. Для изготовления полупроводникового устройства используются кремниевые р - п-структуры, р-п-р-и-структуры с электрическим и оптическим управлением. Изготавливаются структуры 5 по известной технологии. Для изготовления металлического основания 2 используется листовая медь, из которой методом штамповки вырубается основание. Основание покрывается никелем. К основанию в водородной печи припаивается пластина окиси берилия 13, сверху - ее пластина из меди 14, а также четыре втулки по краям основания.На основание затем помещаются по лупроводниковые структуры 5 с верхним и нижним термокомпенсатором, покрытым тонким слоем металла с температурой плавления в интервале 130- 150 ОС, фиксируются на пластинах с помощью специальной фиксирующей детали из пластмассы 16. На верхние электроды структур помещаются металлические шины 8 и 9, на которые накладываются кольца из изолирующего матери98381 формула изобретения 7ала 15, например, окиси берилия, затем снова металлические шины 8 и 9,сверху которых накладываются болты 1,которые прижимают металлические шины8 и 9 и изолирующее кольцо 15 к структурам 5, а структуры 5 - к основанию2, Нажилные болты 1 перемещаются вотверстиях с резьбой в опорном элементе 3, например, из пластмассы, которой с помощью винтов 10 неподвижно Озакрепляют с корпусоми основанием2 устройства. 8 процессе прижима полупроводниковых структур 5 к основанию 2 одновременно измеряют обратныйток структуры при определенном обратном напрякении наприлер, 500 В) .С росгом давления обратный ток возрастает и при увеличении его, например, на 10-50 мА при 25 ОС, прижимпрекращают. Прижим металлических шин 208 и 9 к верхним электродам структурыосуществляют с помощью. изолирующегокольца 15, так что структура 5 находится в тепловом контакте с нажимнымболтом 1, который прижимает данную 25структуру к основанию, а в электрическом контакте - с соседним нажимным болтом 1, который прижимает соседнюю структуру к основанию. Этодает возможность затем угростить гро 30цесс соединения структур в определенную эгектрическую цепь, например впоследовательную одлофазную цепочкуиз. двух диодов, двух тиристоров,оптотиристоров, 35Металлические шины 8-9, 11. изолирующие кольца 15 конць нажимных болтов 1 и 1 а покрыты мсталлом с температурой плавления в интервале 130150 С,1 0При работе полупроводникового устройства при максимальных температурахр-и-структур (нагример для диодов140 С) возможен перегрев структур засчет недостаточного прижима одного 45из болтов, тогда металл на электродах структуры, шинах, кольцах и болтах расплавляется и улучшает тепловоиконтакт структуры с основанием устройства, 50 Управление оптотиристоров осущест - вляется светодиодами 7, расположенными в опорном элементе 3, с помощью световолокон 6, расположенных в па 55 зах опорного элемента 3 и нажимных болтах 1, прижимающих структуры к основанию. Светсволокна подсоединяются к структуре 5 и светодиоду 7 с 0 8помощью оптического клея 19, например кл,-1. Управление оптотиристороввозмокно также при помещении светодиодов непосредственно на поверхностиструктур, через пазы нажимных болтов.После сборочных операций устройствогерметизируют, помещая заливочный материал, например пластмассу ЭЗК, вкорпус устройства. Описанное полупроводниковое выпрямительное устройствопреобразователя энергии с нажимнымиконтактами может быть использованодля выпрямления переменного тока вразличных выпрямителях,.для управления различными агрегатами постоянногои переменного тока,. в различной коммутационной аппаратуре,Использование предлагаемого полупроводникового выпрямительного устройства преобразователя электроэнергии дает значительный эффект по сравнению с использованием известных полупроводниковых приборов за счет повышения в 5-10 раз показателей надежности и срока службы нового изделия и снижения издержек у потребителя, связанных с вероятным отказом, а также за счет упрощения монтажа,Экономический эффект составляет 27-51 руб, на один модуль в зависимости от типоисполнения. 1, Полупроводниковое выпрямительное устройство преобразователя электрической энергии, содержащее полупроводниковые структуры с р-и переходами и выводами, прижатые к контактным металлическим пластинам, фасонным шинам и через электроизолирующий теплопроводящий слой - к общему металлическому основанию и загерметизированные компаундом, о т л и ч а ю ш е е с я тем, что, с целью повыщения надежности при одновременном расширении функциональных возможностей, оно снабжено нажимными болтами и опорным элементом, в котором выполнены отверстия и резьба по окружности отверстий для перемещения нажимных болтов, прижимающих каждую полупроводниковую структуру через фасонную шину к контактной пластине и каждую контактную пластину через электроизолирующий теплопроводящий слой к основанию и образующих выводы тока,причем каждая полупроводниковая структура изолирована теплопроводящим изолирующим кольцом от прижимного болта,прижимающего,данную структуру к Фасонной металлической шине и к контактной металлической пластине, и имеетэлектрический контакт с одним нажимным болтом, прижимающим контактнуюпластину через электроизолирующийтеплопроводящий слой к основанию, иэлектрический контакт с вторым нажимным болтом, прижимающим через Фасонную шину и второе изолирующее кольцососеднюю структуру к второй контактной пластине и общему металлическому 1 фоснованию.2, Устройство по и, 1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что две и болееструктуры прижаты нажимными болтамик общей контактной металлической пла- остине, изолированной от основаниятеплопроводящим слоем, причем каждая из этих структур имеет электрический контакт с одним прижимным болтом,образующим изолированный от другихструктур токовый вывод, а также электрический контакт с общими токовымивыводами, образованными. прижимнымиболтами к общей контактной металлической пластине, 303. Устройство по пп, 1 и 2, о тл и ч а ю щ е е с я тем, что опорный элемент жестко соединен с металлическим основанием,Устройство по пп. 1 3 1 о т 35л и ч а ю щ е е с я тем, что в опорном элементе выполнены пазы, в кото-.рых размещены управляющие выводы или световолокна и светодиоды и токовыевыводы к ним.5. Устройство по пп. 1-4, о тл и ч а ю щ е е с я тем, что в нажимных болтах выполнены сквозные пазы,в которых размещены управляющие выво"ды тиристорных структур или светово.локна и светодиоды.6 Устройство по пп. 1-5, о тл и ч а ю щ е е с я тем, что электроды структуры, металлические шины,пластины и нажимные болты покрытыслоем металла с температурой плавления, превышающей предельно допусти"мую температуру р-и перехода на 510 С.7, Способ изготовления полупроводниковогого устройства, включающийоперации прижима полупроводниковыхструктур к основанию и герметизациикомпаундом, о т л и ч а ю щ и й с ятем, что при прижиме структуры одновременно измеряют обратный ток черезр-и переход и обратное напряжение,приложенное к структуре, и при критических значениях этих параметровприжим прекращают, после чего осуще"ствляют герметизацию,Источники инФормации,принятые во внимание при экспертизеПатент Великобритании 1 Г 1366294кл. Н 01 1/14, опублик. 11.09.742. Патент ФРГ Ю 2336361,кл, Н 01 23 йО, опублик. 27.11.75.3. Патент ФРГ 11 2641032,кл, Н 01 25/08, опублик. 16,03.78