Силовой беспотенциальный модуль с повышенным напряжением изоляции

Изобретение относится к производству силовых модулей на основе диодов, тиристоров, транзисторов и других полупроводниковых приборов и может использоваться в высоковольтной преобразовательной технике для различных отраслей промышленности, транспорта, энергетики, коммунального хозяйства. Технический результат - не менее чем двукратное увеличение напряжения изоляции между выводами и основанием силового модуля за счет использования внутреннего емкостного делителя напряжения на основе металлокерамических плат. Достигается тем, что в силовом беспотенциальном модуле, состоящем из основания, выводов, корпуса, металлокерамической платы с закрепленным на ней полупроводниковым элементом, между полупроводниковым элементом и основанием последовательно размещаются: емкостной делитель напряжения, состоящий из минимум двух металлокерамических плат, соединенных с образованием электрической схемы, состоящей из минимум двух последовательно соединенных конденсаторов, и термокомпенсатор, который одной своей контактной поверхностью соединен с нижней металлокерамической платой и другой поверхностью с основанием модуля, при этом размеры рабочей поверхности термокомпенсатора повторяют размеры металлизации контактируемой с ним металлокерамической платы, а толщина термокомпенсатора должна быть не менее длины изоляционного промежутка от края нижней платы до края ее металлизации. 4 ил.

 

Изобретение относится к производству силовых модулей на основе диодов, тиристоров, транзисторов и других полупроводниковых приборов и может использоваться в высоковольтной преобразовательной технике для различных отраслей промышленности, транспорта, энергетики, коммунального хозяйства.

Полупроводниковый элемент в силовом беспотенциальном модуле размещают на металлокерамической плате (МКП), которая соединена с основанием модуля. Электрические и тепловые контакты между этими элементами модуля реализуются на практике с помощью пайки или механического сжатия сборки с определенным усилием. Тепло, выделяемое при протекании тока в полупроводниковых элементах, передается в охлаждающую систему через металлокерамическую плату и основание, выполненное из меди, металломатричных композитов типа AlSiC или других материалов, обладающих высокой теплопроводностью и механической прочностью. Напряжение изоляции между основанием и выводами модуля (V_isol) определяется как конструкцией и материалом корпуса, так и размерами и свойствами металлокерамической платы, основу которой составляет оксид алюминия (Al₂O₃) или нитрид алюминия (AlN), имеющие хорошую теплопроводность и высокие диэлектрические характеристики. Электрическая прочность изоляции внутри модуля определяется толщиной керамики металлокерамической платы, длиной изоляционных промежутков "край керамики - край металлизации платы" и диэлектрическими свойствами используемого для герметизации модуля заливочного компаунда.

Известны и производятся в России силовые беспотенциальные модули прижимной [ТУ 16-92 ИЕАЛ.437130.002 ТУ. Модуль силовой полупроводниковый типа МТТ250, МТТ200] и паяной [ТУ 16-2000 ИЕАЛ.435700.008 ТУ. Модули силовые серий МТКИ, М2ТКИ, МДТКИ] конструкций, в которых в качестве изолирующих элементов применены однослойные керамические платы на основе Al₂O₃ и AlN. Напряжение изоляции этих модулей в зависимости от толщины керамики составляет от 2500 до 6000 В (эффективное значение) [ТУ 16-92 ИЕАЛ.437130.002 ТУ. Модуль силовой полупроводниковый типа МТТ250, МТТ200], [ТУ 16-2000 ИЕАЛ.435700.008 ТУ. Модули силовые серий МТКИ, М2ТКИ, МДТКИ].

Известны также силовые модули зарубежных фирм [Mitsubishi Electric Power Devices. Data CD, 2003], [Hitachi High-Power IGBT Modules. Short form catalog, 2001], [Eupec Power Semiconductors Data CD, 2003], которые в аналогичных конструктивах имеют такие же напряжения изоляции. Некоторые из них, используя толстую керамику из нитрида алюминия, а также большие изоляционные промежутки достигли более высоких значений напряжения изоляции: 9500 В у высоковольтных модулей фирмы Hitachi [Hitachi High-Power IGBT Modules. Short form catalog, 2001] и 10200 В у высоковольтных модулей фирмы Eupec [Eupec Power Semiconductors Data CD, 2003].

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является силовой модуль типа SKM200GB172DL 1 производства фирмы Semikron, у которого напряжение изоляции, равное 9000 В, достигнуто с применением МКП из нитрида алюминия толщиной 1 мм с изоляционными промежутками длиной 2 мм.

Однако в некоторых областях применения, например, в потенциалоразделяющих преобразователях бортового питания электровозов постоянного тока для российских железных дорог, особенно актуальным является использование модулей с напряжением изоляции более 13000 В. С этой целью для дальнейшего увеличения напряжения изоляции необходимо увеличивать толщину и изоляционные промежутки МКП. Длину изоляционных промежутков можно увеличить до определенного предела, ограниченного размерами полупроводникового элемента, который монтируется на МКП. Увеличение же толщины керамики приводит к возникновению ряда проблем. Во-первых, резко возрастает стоимость МКП с толщиной керамики более 1 мм. Во-вторых, увеличение толщины керамики приводит к снижению электрической прочности изоляции из-за большей вероятности появления в материале пустот, которые являются причиной частичного разряда при высоких напряженностях электрического поля [DBC Substrates with Reduced Ceramic Thickness in Power Semiconductor Modules, Dr. - Ing.J.Schulz-Harger, P.H.Maier, PCIM, 1/1996]. Из-за этого на более толстой керамике не удается получить пропорционального увеличения напряжения изоляции.

Задача изобретения - увеличение электрической прочности изоляции силового беспотенциального модуля при условии минимизации теплового сопротивления и массогабаритных характеристик прибора.

Техническим результатом изобретения является не менее чем двукратное увеличение напряжения изоляции между выводами и основанием силового модуля за счет использования внутреннего емкостного делителя напряжения на основе металлокерамических плат.

Поставленная задача достигается тем, что в силовом беспотенциальном модуле, состоящем из медного основания, выводов, корпуса, керамической платы с закрепленной на ней полупроводниковым элементом, между этой платой и основанием последовательно размещаются определенное количество металлокерамических плат (1, 2, 3...n) и термокомпенсатор (ТК), который одной своей контактной поверхностью соединен с нижней металлокерамической платой, а другой поверхностью с основанием модуля, при этом размеры рабочей поверхности термокомпенсатора повторяют размеры металлизации контактируемой с ним металлокерамической платы, а толщина термокомпенсатора должна быть не менее длины изоляционного промежутка от края нижней платы до края ее металлизации.

Предлагаемое техническое решение основано на принципе деления напряжения на последовательно соединенных конденсаторах. Если имеется n последовательно соединенных конденсаторов с емкостями C₁, С₂...С_n и к цепи приложено напряжение V, то для данной схемы справедливы соотношения:

В простейшем случае при n=2 и C₁=C₂ будет иметь место равенство напряжений на конденсаторах:

Поэтому, если соединить две одинаковые металлокерамические платы, получится электрическая схема, состоящая из двух последовательно соединенных конденсаторов одинаковой емкости, при этом приложенное напряжение будет делиться пополам. Для реализации данного решения достаточно использовать, по крайней мере, две металлокерамические платы стандартной толщины (до 1 мм включительно), что позволяет получить двукратное увеличение V_isol при оптимальном сочетании тепловых и стоимостных характеристик модуля. Керамические платы могут быть соединены друг с другом любым способом, обеспечивающим хороший тепловой контакт (пайка, прижим и др.). Для обеспечения равномерного деления напряжения на металлокерамических платах между нижней платой и основанием размещается молибденовая пластина с толщиной не менее длины изоляционного промежутка от края керамики до края металлизации МКП и с площадью контактной поверхности, равной площади нижней металлизации платы.

На фиг.1 представлена конструкция силового модуля - прототипа, на фиг.2 - основание модуля с напаянной металлокерамической платой и полупроводниковыми элементами, на фиг.3 - конструкция силового модуля с повышенным напряжением изоляции, фиг.4 - основание модуля с напаянными металлокерамическими платами, полупроводниковыми элементами и термокомпенсатором. Полупроводниковые элементы (1) соединены с металлокерамической платой (2), которая закреплена на основании (4). Модуль собран в пластмассовом корпусе (5) и залит гелеобразным кремнийорганическим компаундом (7). Напряжение изоляции прототипа между выводами (6) и основанием (4) определяется внутренним изоляционным промежутком между краем верхней металлизации платы и ближайшей точкой на поверхности основания, равным сумме расстояний "а" и "d" (фиг.2). На фиг.3 представлена конструкция силового модуля с повышенным напряжением изоляции. Отличие от прототипа заключается в том, что в модуле применен емкостной делитель напряжения, выполненный в виде нескольких последовательно соединенных металлокерамических плат. Для равномерного деления напряжения на всех металлокерамических платах емкости каждой платы должны быть одинаковы, поэтому использованы МКП с одинаковой толщиной керамики (d₁=d₂) и площадью металлизации.

Для выравнивания напряжений пробоя по краю каждой металлокерамической платы, для модуля, в котором применяются две МКП, нижняя плата должна быть приподнята над поверхностью основания на высоту "b", которая должна быть не менее длины изоляционного промежутка "а" между краем керамики и краем металлизации МКП (фиг.4). С этой целью между нижней МКП и основанием помещается молибденовая пластина (3) с толщиной, равной или больше длины изоляционного промежутка "а", и с размерами рабочей поверхности, повторяющими размеры металлизации нижней МКП.

Такая конструкция силового модуля позволила не менее чем в два раза увеличить напряжение изоляции, обеспечить низкое значение частичного разряда и высокую стабильность в процессе диэлектрических испытаний, снизить механические напряжения в металлокерамических платах, более чем в два раза снизить электрическую емкость между основанием и силовыми выводами и, вследствие этого, уменьшить токи смещения, вызванные всплесками напряжения в питающих сетях.

Силовой беспотенциальный модуль с повышенным напряжением изоляции, состоящий из основания, выводов, корпуса, металлокерамической платы с закрепленным на ней полупроводниковым элементом, отличающийся тем, что между полупроводниковым элементом и основанием последовательно размещаются емкостной делитель напряжения, состоящий из минимум двух металлокерамических плат, соединенных с образованием электрической схемы, состоящей из минимум двух последовательно соединенных конденсаторов, и термокомпенсатор, который одной своей контактной поверхностью соединен с нижней металлокерамической платой и другой поверхностью с основанием модуля, при этом размеры рабочей поверхности термокомпенсатора повторяют размеры металлизации контактируемой с ним металлокерамической платы, а толщина термокомпенсатора должна быть не менее длины изоляционного промежутка от края нижней платы до края ее металлизации.