ПОЛУПРОВОДНИКОВОЕ УСТРОЙСТВО

Полупроводниковое устройство
Полезная модель относится к полупроводниковой технике и может использоваться в преобразовательной технике, электроприводе для регулирования ВЫСОКОГО напряжения переменного тока.
Известны полупроводниковые приборы, полупроводниковые элементы которых размещены внутри корпуса, контакт полупроводниковых элементов с основанием осуществлен путем прижима.
Полупроводниковый элемент подвергают воздействию сжимающих сил в определенном интервале значений введением элементов в стопку, содержащую упругосжимаемую деталь. Упругосжимаемой деталью служит пружинная щайба, например, тарельчатая шайба, а пластически деформируемой деталью - дисковая или рифленая шайба. Части корпуса прибора герметизируют сварным кольцом (см. патент Великобритани №1506735, МКИ Н01 L 23/48, 1978г).
Прибор имеет ряд недостатков. Детали прибора сложны при изготовлении: основание с кольцевой проточкой, баллон для фиксирования деталей; при изготовлении прибора возникает необходимость сваривать части корпуса с помощью сварочного кольца, сборочные операции проводят только с одним прибором.
Известен также полупроводниковый прибор в пластмассовом корпусе, корпус для полупроводникового элемента образован двумя коническими или усеченными коническими металлическими телами, соединенными через изоляционное кольцо так, что одно металлическое тело контактирует с анодом, а другое с катодом и снабжено центральным каналом для прохода извне жесткого вывода, соединяемого с управляющим электродом. Канал заполняют изоляционным материалом. Жесткий вывод соединен с шиной питания металлической плоской перемычкой с отверстием для вывода. Полупроводниковый элемент, отделенный от кольца герметиком, сплавляют с металлическим телом или припаивают к нему. Прижимная пружина, входящая в специальные посадочные места в металлическом теле, контактирующим с катодом, используют для прижимания корпуса к охлаждающим телам и для создания внутреннего контактного давления, когда внутренние электрические соединения осуществляют не сплавлением и не пайкой (см. патент Великобритании №1502066, МКИ Н01 L 23/02, 1978г).
Описанный прибор имеет ряд недостатков.
Детали прибора сложны в изготовлении. Прибор имеет недостаточную надежность, поскольку полупроводниковый элемент в одном случае прижимается к металлическому телу с помощью пружины, вынесенной за пределы корпуса прибора и прижим осуществляется после герметизации прибора.
Описанный прибор имеет такую конструкцию, которая затрудняет применение групповых методов сборки и создание полупроводниковых устройств с несколькими полупроводниковыми элементами и элементами управления в одном корпусе.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому положительному эффекту и принятый авторами за прототип является полупроводниковое устройство, содержащее металлическое основание с корпусом, внутри которого расположены изоляционные подложки, полупроводниковые элементы и/или приборы, несущую плату, изоляционные слои герметика, которые заполняют корпус, крышку, выводы для подачи сигнала управления и выводы для подключения регулируемого напряжения (патент США №4240099, МКИ П01 L 23/42, 1980г).I :
Недостатком этого прибора является невысокая надежность и трудности
изготовления устройств с несколькими полупроводниковыми элементами и элементами управления к ним.;
2col ii/j /c
Технический результат, который может быть достигнут с номощью предлагаемой полезной модели сводится к повышению надежности и расширению функциональных возможностей.
Технический результат достигается тем, что в полупроводниковое устройство, содержащее металлическое основание с корпусом, внутри которого расположены изоляционные подложки, полупроводниковые элементы и/или приборы, несущую плату, изоляционные слои герметика, которые заполняют корпус, крышку, выводы для подачи сигнала управления и выводы для подключения регулируемого напряжения, на одной из поверхностей несущей платы установлен по крайней мере один вспомогательный оптотиристор, а также установлены: по крайней мере один выпрямительный мост, содержащий 4 полупроводниковых диода, причем анод и катод оптотиристора присоединены к выводам выпрямительного моста с которых подается выпрямленное напряжение, а к двум другим выводам присоединены выводы управления силовых полупроводниковых элементов, например, тиристоров, которые размещены на металлических шинах, и которые одной поверхностью соединены с одной из поверхностей изоляционных подложек, другая поверхность изоляционных подложек соединена с металлическим основанием, к аноду и катоду излучающего диода вспомогательного оптотиристора подсоединены полупроводниковые элементы несущей платы, подключенные к выводам для подачи сигнала управления, при этом между выводами для подачи сигнала управления и выводами для подключения регулируемого напряжения установлен изоляционный барьер.
В цепи излучающего диода установлены элементы несущей платы, обеспечивающие защиту излучающего диода вспомогательного оптотиристора от перегрузки по прямому току ограничением амплитудного и/или среднего значения тока управления.
Металлические шины и силовые полупроводниковые элементы, например, тиристоры, полупроводниковые элементы и/или приборы, несущая плата, изоляционные подложки соединены с металлическим основанием путем прижима.
Силовые тиристоры, полупроводниковые элементы и/или приборы одной поверхностью соединены с металлическими шинами методом пайки, а другой поверхностью с металлическими шинами, с изоляционными подложками и с металлическим основанием путем прижима.
Несущая плата с полупроводниковыми элементами размещена на верхней поверхности металлических шин, нижняя поверхность которых соединена с катодами силовых тиристоров, при этом в несущей плате выполнены отверстия для выводов управления силовых тиристоров и винта, осуществляющего прижим к металлическому основанию.
Изоляционные подложки с размещенными на них металлическими шинами, силовыми тиристорами, полупроводниковыми элементами и/или приборами, покрыты одним слоем изоляционного герметика, несущая плата с размещенными полупроводниковыми элементами покрыта другим слоем изоляционного герметика, при этом между ними имеется свободное пространство.
Между корпусом и изоляционными подложками, металлическими шинами силовыми тиристорами, полупроводниковыми элементами и/или приборами размещен третий слой изоляционного герметика,
В корпусе выполнены пазы, в которых размещены электроды, которые соединены с выводами управления несущей платы.
Металлические шины, отходящие от анодов и катодов полупроводниковых элементов и/или приборов, например силовых тиристоров, размещены в одной плоскости одной из сторон корпуса.
В крышке выполнены отверстия и пазы, в которых размещены вывода управления и металлические шины.
Между крышкой и несущей платой размещен слой изоляционного герметика.
Между катодами силовых полупроводниковых элементов, например, тиристоров, на которых размещены металлические шины и несущей платой, размещены дополнительные изоляционные прокладки,
В корпусе выполнены пазы, в которых размещены электроды, которые соединены с металлическими шинами и выводами управления несущей платы отдельными перемычками.
В металлическом основании выполнены отверстия, в которых размещены винты, осуществляющие прижим металлических шин, изоляционных подложек, полупроводниковых элементов и/или приборов, несущей платы к металлическому основанию.
Размеры корпуса совпадают с размерами металлического основания.
Размеры корпуса больше размеров металлического основания, при этом часть корпуса охватывает по образующей металлическое основание,
Пружина для прижима двух полупроводниковых элементов и/или приборов выполнена как одно тело с отверстиями для выводов управления и винта.
На фиг, 1 схематически изображено полупроводниковое устройство.
На фиг,2 показана функциональная схема полупроводникового устройства.
Полупроводниковое устройство состоит из металлического основания 1, на котором размещены изоляционные подложки 2, металлические шины 3, на поледних размещены полупроводниковые элементы 4, например, силовые тиристоры. На полупроводниковых элементах 4 размещены металлические шины 5, У полупроводниковых элементов 4 сформированы выводы управления 6, На металлических шинах 5 размещены изоляционные прокладки 7, на которых размещена пружина 8, которая закрепляет несущую плату 9, На несущей плате 9, размещены вспомогательный оптотиристор 10, выпрямительный мост 11, входное устройство 12. Винт 13 размещен в отверстии пружины 8 и соединяет все детали устройства с металлическим основанием 1. Пространство вокруг изоляционных подложек 2, металлических шин 3, полупроводниковых элементов 4 заполнено слоем герметика 14.
Полупроводниковое устройство изготавливается следующим образом.
Полупроводниковый элемент 4 представляет, например, кремниевую тиристорную структуру с электрическим (оптическим) управлением. Для изготовления основания 1 используется лист алюминия. В основании выполнены отверстия с резьбой для размещения винтов для осуществления прижима металлических шин 3, полупроводниковых элементов 4, изоляционных подложек 2, несущей платы 9 к металлическому основанию 1. Пружина 8 для прижима полупроводниковых элементов выполнена как одно тело с отверстиями для выводов управления 6 тиристорных структур 4 и винта 13. Изоляционные подложки 2, металлические шины 3, полупроводниковые элементы 4, покрыты слоем изоляционного герметика 14, например, КЛТ - 30. В ряде случаев для повышения электрической прочности под пружину в месте отверстия для выхода вывода управления тиристора помещается дополнительный элемент - изоляционная прокладка 7 из стеклотекстолита. В корпусе и крышке выполнены специальные пазы и отверстия для размещения электродов и металлических щин. Для достижения больщей надежности между несущей платой и крыщкой может быть размещен дополнительный слой изоляционного герметика.
Описанная конструкция позволяет получить полупроводниковое устройство, которое содержит несколько силовых полупроводниковых элементов, например, силовые тиристоры, как для однофазного, так и для трехфазного исполнения, содержащее устройство управления силовыми полупроводниковыми элементами, при этом в цепи излучающего диода вспомогательного оптотиристора установлены элементы несущей платы образующие входное устройство. Применение входного устройства позволяет перейти к упрощенному управлению оптоэлектронных приборов, т.е. управлению аналоговыми сигналами от источника напряжения, амплитуда которого может меняться в широком диапазоне с незначительными изменениями потребляемого тока по цепи управления и большим уровнем помехоустойчивости. Устройство имеет, как минимум, на 1-1,5 В больше значение неотпирающего управляющего напряжения, по сравнению с устройствами с прямым включением излучающего диода. Кроме того, эффективное управление излучающим диодом без входного устройства требует формирования импульсов тока управления с высоким значением скорости нарастания тока, для снижения помех и передачи формы сигнала без искажения требуется дорогостоящий экранированный кабель. Использование регенеративной схемы включения на основе выпрямительного моста 11 и оптотиристора1С) позволяет получить компактное устройство, с высоким изоляционным барьером между входом и выходом, надежными блокирующими характеристиками и
стойкостью к коммутационным всплескам напряжения. Устройство работает следующим образом.
При отсутствии напряжения на внешних выводах для подачи сигнала управления несущей платы 9, вспомогательный оптотиристор 10 находится в состоянии низкой проводимости, как и управляе 1ые им полупроводниковые элементы 4, например, силовые тиристоры. Независимо от полярности регулируемого напряжения на шинах 5, к аноду вспомогательного оптотиристора 10, через диодный мост 11 поступает только положительное напряжение. За один период напряжения к аноду оптотиристора подводится два импульса выпрямленного напряжения. При подаче сигнала управления на вход устройства, через излучающий диод оптотиристора 10, проходят импульсы прямого тока, которые преобразуются в импульсы инфракрасного излучения. В результате оптотиристор 10 отпирается и в силовой цепи протекает ток по цепи: шунт управляющего электрода тиристора 4 смещенного в обратном направлении, диод выпрямительного моста И, оптотиристор 10, диод выпрямительного моста 11, цепь управляющего электрода тиристора 4 смещенного в прямом направлении. В результате тиристор 4 смещенный в прямом направлении быстро переходит в состояние высокой проводимости и блокирует оптотиристор 10. При смене полярности ток протекает в обратном направлении, через другую пару диодов выпрямительного моста 11, оптотиристор 10, а тиристоры 4 меняются ролями.
loo(
Предлагаемая полезная модель по сравнению с прототипом и другими известпыми техническими peиleпия пl имеет следуюиию преимущества: простота сборки, HeGojH LUHe габариг1 1, новышенная надежность, улучнюнные характеристики но управляющему входу и регулируемому выходу.
Изготовлена опытная партия полупроводниковых устройств в виде прижимного варианта однофазного полупроводникового ключа переменного тока с оптической развязкой между входом и выходом, в габаритах корпуса серийно выпускаемого онтотиристорного юдуля МТОТО-80, собранных по схемам (фиг.1 и фиг.2) со следующими характеристиками:
-максимальный действующий ток в открытом состоянии при температуре корпуса 85°С до 125 А;
-установивщееся тепловое сопротивление переход-корпус не более 0,4°С/Вт;
-критическая скорость нарастания  нанряжения в закрытом состоянии до 1000 В/мкс;
-максимальная темнература силовых элементов не более 125°С;
-электрическая прочность изоляции между входом и выходом не менее 3000 В (действующее значение);
-электрическая прочность изоляции между выходом и основанием не мене 3000 В (действующее значение);
-минимальное отпирающее напряжение не более 3 В нри среднем значении входного тока до 50 мА ;
-рабочий диапазон температур от минус 60 до +45°С;
-рост установившегося теплового сопротивления переход-корпус после 4000 циклов нагрева-охлаждения силовых элементов греющим током до 120°С и охлажде1П1я до 40°С (дJПIтeльнocть цикла 6 минут) составил не более 30%;
Наиболее целесообразно использование полупроводникового устройства для построения систем управления трехфазными двигателялп мощностью до 100 кВт в распределенных системах автоматизированного управления производственными процессами в условиях высоких перепадов температуры окрул ающей среды.
((
Авторы: V f ct ;  Х Лл/ С.В. Машнин Е.Э. Горохов-Мирошников