Мощный полупроводниковый модуль

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКРЕСПУБЛИК 17757 9) 5 Н 01 1 25/О ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯПРИ ГКНТ СССР Е ИЗОБРЕТЕНИЯИДЕТЕЛЬСТВУ ПИ АВТОРСКО мере в одной паре полупроводниковые элементы разделены теплопроводящей изолирующей прокладкой. Каждый полупроводниковый элемент расположен между эмиттерными и коллекторными токосъемами, к которым прилегают верхние и нижние коллекторные и средняя эмиттерная шины, Все перечисленные элементы прижаты к основанию модуля крепежными элементами и размещены, в свою очередь, внутри многоуровневых ограничителей. Ограничители представляют собой набор сборно-разборных изолирующих пластин, три из которых выполнены из пластмассы ы две из резины, В каждой пластине предус- а мотрены соответствующие пазы и отверстия под сборочные единицы модуляПо мере сборки пластины нанизывают на крепежные болты и затем стягивают крепежными гайками, Таким образом, все элементыф конструкции жестко фиксируют в ограничителях. Для жесткой фиксации коллекторных и эмиттерных шин введены дополнительные элементы; изоляторы и узлы соединения, 3 з.п, ф-лы, 5 ил.(57) Область иперебойногопреобразова ность иэобре ковь 1 х элеменнад другим и гоключевого Й ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ спользования: в агрегатах беспитания, в так же в ряде других тельных устройствах, Сущтения: четыре полупроводнита расположены попарноодин составляют одинэлемент мномодуля, при этом по меньшей Изобретение относится к полуп никовой технике, а именно, к выпрям ным блокам, и может быть испольэо агрегатах бесперебойного питания, а в ряде других преобразовательных ствах. Известны полупроводниковые м в том числе как пэянной, так и приж конструкции. Модули прижимной конструкцииро вод- ителььную систему, сды.Основнь 1 мявляется сложростом числапри созданиирастут и их гановятся требоконструкции.Наиболееустройство м авляющие вы ловы недостатком таких мо ость конструкции, кото элементов увеличивае многоключевых модуле ариты. Более жестким ания к соосности элем вано такж устро(56) Авторское свИ. 214034, кл, Н 0Европейский4 25/05, 1985.Патент ФРГ1981. близким решением являете щного полупроводниковогмодуля прижимной конструкции в пласт- сквозное отверстие с соотношением диамассовом корпусе, содержащем основание, метра отверстия к внешнему диаметру циОбечайку и крышку, внутри которого на ос- линдра как (3.: 5) - (3,5: 5,5),новании в ограничителях расположены Обечайка корпуса с одной стороны вытранзисторные и диодные элементы с выво полнена с вертикальной, переходящей в надами, электрически соединенные в опреде- клонную плоскость, соединенную с ленной последовательности, токосъемы, крышкой корпуса, при этом на наклонной эмиттерные и коллекторные шины, крепеж- плоскости размещены выводы узлов управные элементы. ления от полупроводниковых элементов, а сК недостаткам данного устройства от другой стороны обечайка выполнена с верносится низкая эффективность использова- тикальной плоскостью, переходящей в гориния площади и практическая невозмож- зонтальную плоскость в виде уступа, ность создания многоключевого модуля переходящего в наклонную плоскость, соеаналогичного по назначению без значитель- диненную с крышкой, причел крышка расного увеличения его табаритов, 15 положена выше горизонтальной частиЦелью изобретения является снижение уступа.массо-габаритов многоключевого модуля, Признаками, отличающими заявленное повышение егО технологичности и надежно- решение от прототипа являются:наличие по сти меньше мере, четырех полупроводниковыхУказанная цель достигается тем, что в 20 элементов, которые расположены попарно мощном полупроводниковом модуле при- один над другим и которые составляют один жимной конструкции в пластмассовом кор- элемент многоключевого модуля; по меньпусе, содержащем основание, обечайку и шеймере, воднойпаре,полупроводниковые крышку, внутри которого. на основании в элементы разделены теплопроводящей изоограничителях расположены транзистор лирующей прокладкой; ограничители, в коные и диодные элементы с выводами, элек- торых размещены элементы, представляют трически соединенные в определенной собой набор сборно-разборных изолирую-. последовательности, токосъемы, эмиттер- щих пластин и при этом, по меньшей мере, ные и,коллекторные шины, крепежные эле- одна пластина выполнена из эластичного менты, преимущественно, четыре полупро материала; для жесткой фиксации шин ввеводниковых элемента, составляющие один дени дополнительные элементы; изоляторы элемент многоключевого модуля, располо- и узлы соединения; изоляторами фиксируют 3 кены попарно один наддругим, по меньшей эмиттерные шины, а уЗлами соединения - мере, водной паре полупроводниковые зле- коллекторные шины от верхних и нижних менты разделены введенной теплопроводя полупроводниковых элементов одноврещей изолирующей прокладкой, все менно,элементы размещены в ограничителях, вы- В свою очередь, изоляторы выполнены полненных.в виде набора сборно-разбор- составными из двух частей: основания и ных изолирующих пластин, причем, по планкиспрорезью;через прорезьпроходит меньшеймере,однапластинавыполненаиз 40 эмиттерная шина ификсируется на основа- эластичного материала, эмиттерные шины . нии изолятора припомощи планки, которая жестко зафиксированы при помощи вновь прижимается крепежными болтами.введенных изоляторов, а коллекторные ши- Узлц соединения выполнены в виде поны от верхних и нижних полупроводнико- лых электропроводящих цилиндрических вых элементов жестко зафиксированы при 45 деталей, которые снабжены болтом для сопомощи вновь введенных узлов соедине- единения с основанием, изолирующей подния, ложкой для изоляции нижней коллекторнойИзоляторы выполнены составными из шины от основания, крепежными гайками, основания и планки с прорезью, в которой при помощи которых фиксируют коллектор- расположена эмиттерная шина, зафиксиро ные шины; в центре боковой поверхности ванная на основании изолятора при помо- цилиндрических деталей выполнено сквозщи планки и крепежных болтов. ное отверстие с размером, выбранным изУзлы соединения выполнены в виде по- укаэанного соотношения.лых электропроводящих цилиндрических Обечайка корпуса выполнена много- . деталей, снабженных болтом, соединяю уровневой,т,е,соднойстороныонасначалагцим упомянутые де 1 али с основанием, изо- выполнена с вертикальной плоскостью пелирующей подложкой и крепежными реходящей в наклонную плоскость; на нагайками, фиксиГ ншими коллекторные ши- клонной плоскости размещены вывОды ны, прччем, в центре Глазковой поеерхности узлов управления от полупроводниковых ПОЛЫ ШЛНЦЛПИЛ С К 11 с ДятдпЕй ВЫПОлнЕНО ЭлЕМЕНтОВ и Этой плОСКОСтьЮ она сОединенас крышкой корпуса; с другой стороны обечайка так же имеет вертикальную плоскость, переходящую в горизонтальную. в видеуступа; горизонтальная плоскость соединена с крышкой еше одной наклонной плоскостью, при этом крышка расположена вышегоризонтальной плоскости уступа,На фиг,1 изображен предлагаемый модуль, вид спереди(разрез А-А); на фиг.2 - тоже, вид сверху (разрез Б-Б); на фиг.З - ограничитель, вид сбоку (вверху) и вид сверху(внизу), где а, б, в, г, д - набор изолирующихсборно-разборных пластин по слоям; нафиг.4 - узел соединения коллекторных шин;на фиг.5 - принципиальная электрическая 15схема одноключевого модуля,Мощный полупроводниковый модульсодержит основание 1, обечайку 2, крышку .3. Эти элементы составляют корпус модуля,Внутри корпуса на основании в первом ряду 20расположены транзисторные элементы 4, 5,а во втором ряду транзистор б и диод 7,Каждый полупроводниковый элемент расположен между эмиттерными 8 и коллектор-.ными 9 токосьемами, к которым прилегают 25верхние и нижние коллекторные 10 и эмиттерные 11 шины, Сверху перечисленныеэлементы прижимаются к основанию крепекными элементами, включающими в себяполусферы 12, планки 13, болты 14, гайки 15 30и размещаются внутри многоуровневых ограничителей 16, предс зляющих собой набор сборно-разборных изолирующихпластин (фиг.За, б, в, г, д). Между двумятранзисторами 4 и 6 дополнительно расположены теплопроводящая прокладка 17 иэмиттерная шина верхнего транзистора 18.От основания нижние транзисторы изолированы при помощи изоляторов 19.Змиттерные шины 11 дополнительно 40жестко зафиксированы в изоляторах, выполненных из изолирующего материала составными и включающими в себя основание20 с отверстиями под крепеж, планку с прорезью 21 и крепежные бол ы 22. Эмиттерная шина проходит через прорезь в планке,которая в свою очередь п:,жимается к основанию болтами 22,Коллекторные шины 10 жестко зафиксированы узлом соединения, выполненным в 50виде электропроводящей (например, медной) цилиндрической детали 23, напаяннойна болт 24 через изолирующую подложку 25.Болт 24 служит для соединения цилиндрической детали с основанием, а подложка 25, 55выполненная из керамики, - для изоляциинижней коллекторной шины от основаниямодуля, Гайки 26 наворачивают на внешнюю поверхность цилиндрической деталидля фиксации положения коллекторных шин. В центре боковой поверхности цилиндрической детали 23 выполнено сквозноеотверстие, которое при заливке герметикомработает как замок.В центре эмиттерных токрсьемов 8 расположены узлы управления 27 транзисторными элементами, Выводы узловуправления 28 размещены на наклоннной плоскости обечайки корпуса, которая в своюочередь соединена с крышкой. Внутри корпуса на основании помимосиловых полупроводниковых элементовразмещена управляющая схема 29, состоящая из диодов Д 2 ДзКорпус модуля представляет собой обечайку,:выполненную из пластмассы, двестенки которой. представляют собой вертикальные плоскости. Боковые же стенки повысоте имеют;. помимо вертикальных наклонные и горизонтальные плоскости. Так, с одной сторайц боковая стенка выполнена сначала с вертикальной, затем с наклонной плоскостью, соединенной с крышкой. На наклонной плоскости расположены выерды узлов управления 28 От:полупроводниковых элементов. Высота вертикальной плоско.- сти определяется высотой управляющей схемы 29. С другой стороны боковая стенка представляет собой двух уровневую конструкцию, где помимо вертикальной плоско- сти есть горизонтальная плоскость в виде уступа, так.же соединенная с крышкой, но другой наклонной плоскостью, причем крышка расположена выше горизонтальной плоскости уступа, Высота вертикальной плоскости с этой стороны определяется высотой собранного силового узла. На образованном уступе размещают систему выводов коллектора модулей, На крышке корпуса располагают систему выводов эмиттеров.Принципиальным отличием предлагаемого корпуса От известных является его значительно большая механическая прочность, которая достигается созданием наклонов, в счмме приводящих к эффекту полога, известного своими укрепляющими свойствами. Кроме того, создание таких корпусов, размеры которых не менее 150 х 95 х 55 мм другой конфигурации плохо выдерживают термоциклирование, даже при прочих равных условиях, т.е. наличии ребер жесткости. Использование корпусов многоключевых модулей само по себе требует разнесения на разные уровни и стороны систем силовых выводов, при этом возможно создание раздельных барьеров между ними, что на фиг. не показано.Сборку модуля начинают с установки на медное основание 1 полой цилиндрической детали 23 узла соедине.ия коллекторныхшин, который ввинчивает в основание. Далее на болты 14, закрепленные в основании, поочередно надевают изолирующие пластины, в собранном виде представляющие из себя разъемные многоуровневые ограничители 16(фиг,1, 3 а, б, в, г, д), Данный набор сборно-разборных изолирующих пластин выполнен, по меньшей мере, из 3 пластмассовых элементов (3 б, в; д) и двух резиновых (3 а, г), В каждой пластине предусмотрены соответствующие пазы и отверстия под сборочные единицы модуля, По. мере сборки пластины нанизывают на крепежные болты . и затем стягивают крепежными гайками. Таким образом, все элементы конструкции жестко фиксируются в ограничителе 16.Осуществляют следующим образом, Ре, зиновую и пластмассовую пластины ограничителя надевают на болты, В эти две пластины устанавливают по высоте изоляторы 19 и нижнюю коллекторную шину 10, при этом, шину одевают на цилиндрическую деталь 23 и закрепляют на ней нижней гайкой 26.Затем устанавливают структуры транзисторов 4,5(соответственно Т и Т на фиг,5) и на них два нижних эмиттерных токосъема 8, В центре токосъемов располагают узлы управления 27 и накрывают эмиттерной шиной 11.Далее устанавливают пластину ограничителя. В эту пластину слева укладывают кера мическую прокладку 17, эмиттерную шину 18 от верхнего транзистора, верхний эмиттерный токосъем 8, структуру транзистора 6, Справа укладывают токосъем 8, на него диод 7 (Д). Затем в оба отверстия укладывают коллекторные токосьемы 9, Устанавливают резиновую пластину ограничителя и пластмассовую пластину. После этого устанавливают верхнюю коллекторную шину 10, фиксируя ее на цилиндрической детали 23 верхними гайками 26, На шину кладут полусферы 12, крепежные планки 13 и закрепляют гайками 15. Все пластины ограничителя так же стягиваются гайками, расположенными на болтах 14 (не показаны). Змиттерные шины 11 жестко зажимают в составном изоляторе между основанием 20 и планкой 21. Следующим этапом является установка управляющей схемы 29 и приклеивание обечайки 2 к основанию 1, После чего, производят заливку модуля компаундом, .либо засыпку влагопоглощающим порошком.Приклеивают крышку 3 и закрепляют все шины с помощью винтов и гаек на корпусе.Сборка модуля в разборных ограничителях 16, решает ряд задач: упрощение технологии изготовления деталей и пресс-форм для них; упрощение технологии сборки, которая по существу заключается в наращивании высоты ограничителя и уклад ки в его отверстия и пазы элементов конструкции. При этом центровка автоматически обеспечивается самой деталью, Кроме того,.наличие резиновых пластин позволяет уп 5 лотнить сборку и решить частные задачи герметизации, которые в других случаях решаются либо за счет специально изготовленных уплотнителей, либо за счет соед мнения для коллекторных шин позволяет. изолировать их от основания и жеско зафиксировать с защитой от вибраций. При 15 заливке жестким компаундом отверстие в цилиндре служит замком. Сам цилиндр позволяет улучшить условия работы коллекторов, т.к, позволяет увеличить сечение промежуточного элемента, снизив его сопротивление, Соотношение размеров отверстия выбирается из условия того, что с одной стороны, надо увеличить максималь 20 но размер отверстия для прохождения компаунда, с другой стороны - не сильно уменьшать сечение токопровода. Исходя из 25 этих соображений подобрано соотношение (3 - 5) - (3,5 - 5,5), которое испытывалось в составе всей конструкции,Жесткое закрепление. в изоляторе эмиттерных шин 11 также необходимо для защиты их от вибраций.При работе прибора входной сигнал подают либо в базу транзистора Т - В(28), либо через управляющую схему 29 - Вх(28),30 если она не является защитной схемой (как в данном случае). Происходит отпирание транзистора Т 1, выходной ток которого отпирает параллельно соединенные транзисторы Тги Тз В результате в рабочей цепи 40 коммутируется напряжение.Диод Д 1 является защитным диодом цепи выходных транзисторов. Управляющая схема 29, состоящая из диода Д 2 - ускоряющего и диодной сборки Дз - защитной цепи 45 эмиттера, является элементом, улучшающим качество работы модуля.Расположение транзистора Т 1(6) надТ 2(4), а диода Д 1(7) над Тз(5) возможно потому, что входной транзистор Т 1 и диод Д 50 работают в значительно более легком режиме, когда выходной ток транзистора Т 1 по меньше мере, едва раза меньше, чему транзисторов Т 2 и Тз. Диод Д 1 работает, как защитный, только в импульсном режиме, по этому в них меньше выделяется тепла, чемв транзисторах Т 2 и Тз. Так как все полупроводниковые элементы в данном примере имеют одно сечение ф 32 мм и имеют одну конструкцию, то понятно, чтоу верхних элементов есть запас прочности, Это позволяет. герметиков. Здесь это просто детали огра 10 ничителя. Применение электропроводящих узловсоздавать модули двухэтажной конструкции, не снижая их надежности.Предлагаемая конструкция модуля позволяет решить задачи соосности сборочных элементов при двух уровневом 5 расположении структур; решить задачи соединения и закрепления шин; решить задачу снижения массогабаритов многоключевых модулей, в частности при одноключевом исполнении выигрыш по площади со ставляет 40%. а при двухключевом исполнении используется первоначальная площадь без ее увеличения.Повышается технологичность изделия на 10 - 15без снижения надежности при 15 резком увеличении числа его элементов,В такой конструкции можно увеличивать ряды элементов теоретически до бесконечности, при этом, естественно, растут габариты корпуса. Однако, практически вы годно изготавливать модули одноключевые, двухключевые, 4-ключевые и б-ключевые. При этом можно делать их, как дискретными, так и объединять в любую схему внутри корпуса. 25 Формула изобретения1. Мощный полупроводниковый модуль прижимной конструкции в пластмассовом корпусе, содержащий основание, обечайку 30 и крышку, внутри которого на основании в огра ничител ях расположен ы транзистор-. ные и диодные элементы с выводами, электрически соединенные в определенной последовательности, токосъемы, эмиттер ные и коллекторные шины, крепежные элементы, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью снижения массогабаритов многоключевого модуля, повышения технологичности и надежности, преимущественно четыре полу проводниковых элемента, составляющие один элемент многоключевого модуля, расположены попарно один над другим, по меньшей мере в одной паре полупроводниковые элементы разделены введенной теплопроводящей изолирующей прокладкой, все элементы размещены в ограничителях, выполненных в виде набора сборно-разборных изолирующих пластин, причем по меньшей мере одна пластина выполнена из эластичного материала, эмиттерные шины жестко зафиксированы при помощи вновь введенных изоляторов, а коллекторные шины от верхних и нижних полупроводниковых элементов жестко зафиксированы при помощи вновь введенных узлов соединения.2. Модуль по п.1, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что изоляторы выполнены составными из основания и планки с прорезью, в которой расположена эмиттерная шина, зафиксированная на основании изолятора при помощи планки и крепежных болтов.3, Модуль по п.1, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что узлы соединения выполнены в виде полых электропроводящих цилиндрических деталей, снабженных болтом, соединяющим упомянутые детали с основанием, изолирующей подложкой и крепежными гайками, фиксирующими коллекторные шины, причем в центре боковой поверхности полых цилиндрических деталей выполнено сквозное отверстие с соотношением диаметра отверстия к внешнему диаметру цилиндра как (3: 5) - (3,5 - 5,5).4. Модуль по п.1, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что обечайка корпуса с одной стороны выполнена с вертикальной плоскостью, переходящей в наклонную плоскость, соеди-ненную с крышкой корпуса при этом нанаклонной плоскости размещены выводы узлов управления от полупроводниковых элементов, а с другой стороны обечайка выполнена с вертикальной плоскостью, переходящей в горизонтальную плоскость в виде уступа, переходящего в наклонную плоскость, соединенную с крышкой, причем крышка расположена выше горизонтальной части уступа.1775754 ЕЙ Составите Техред М. орректор Н, Король дак Заказ 4036 ТиражВНИИПИ Государевенного комитета по изобр113035. Москва, Ж, РаушПроизводсгвеннчзгельскии комбинат "Па ФОР Уь П,орохооргентал Подписноетениям и открытиям при ГКНТ СССРская наб 4/5 ент". г. Ужгород, ул,Гагарина. 101