ПОДМОДУЛЬ ПОЛУМОСТОВОЙ СИЛОВОГО ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО МОДУЛЯ
POWER SEMICONDUCTOR MODULE HALF-BRIDGE SUB-MODULE

Изобретение относится к силовым полупроводниковым модулям и может использоваться в преобразовательной технике.
Основной проблемой, которую решают производители полупроводниковых модулей (подмодулей) со схемой полумоста (транзисторного, транзисторно-диодного, диодного), является снижение «выбросов» напряжения на транзисторах (после их запирания) или на диодах (после восстановления из непроводящего состояния) за пределы напряжения DC-конденсатора. Эти выбросы возникают вследствие наличия паразитных индуктивностей контура DC, образуемого как внутренними тоководами самого подмодуля: DC+, DC- и тоководами, соединяющими полупроводниковые элементы плеч молумоста между собой, так и внешними тоководами, соединяющими внутренние тоководы модуля DC+ и DC- с буферным DC-конденсатором. Например, в транзисторном полумосте при запирании нижнего ключа, через который от токовода АС к тоководу DC- протекает ток внешней индуктивной цепи, скорость роста напряжения на запираемом ключе вначале ограничивается собственной емкостью полупроводниковых элементов и конструктивными емкостями модуля. После достижения напряжением на запираемом ключе уровня напряжения DC полумоста открывается диод в верхнем плече полумоста, который перенаправляет внешний ток АС через токовод DC+ в DC-конденсатор. При этом в диоде ток должен увеличиться скачком на величину, равную внешнему току АС. Но упомянутая паразитная индуктивность препятствует этому процессу: для разгона в ней тока требуется наличие на ней определенного напряжения, равного ЭДС самоиндукции, которое и будет вышеупомянутым «выбросом напряжения».
Оценим допустимую величину паразитной индуктивности Ln упомянутого контура полумоста для модулей IGBT. Возьмем допустимую величину «выброса напряжения» равной 200 В.
Скорость спада тока для одного кристалла IGBT среднего быстродействия на ток 100 А равна . Тогда для модуля на 600 А, т.е. с ключами из 6-и кристаллов:
Приблизительно такое значение индуктивности (15 нГ) и имеют, например, серийные модули SKM600GB126D [1] в корпусе SEMITRANS-3.
Переход на более высокие рабочие частоты преобразования и повышение КПД требует применения более быстродействующих транзисторов, что влечет необходимость разработки менее индуктивных корпусов. Для более быстродействующих силовых SiC транзисторов на 1200 В C2M0080120D [2] время спада тока менее 20 нс, поэтому для коммутируемого тока 600 А модулем из таких кристаллов, имеем:
Это подтверждает последняя разработка ф.Cree - низкопрофильный модуль CAS325M12HM2 [3] - он имеет индуктивность около 5 нГ.
В эту оценку индуктивности входят в качестве слагаемого и паразитная индуктивность вешних буферных конденсаторов между внешними DC-тоководами и индуктивность внешних DC-тоководов. Например, для конденсатора B32656S (ф.Epcos) емкостью 2,2 мкФ (1250 В) [4] имеем величину суммы упомянутых паразитных индуктивностей 1 нГ. Параллельное соединение таких конденсаторов снизит паразитную индуктивность до долей нГ. Поэтому необходимо отметить, что необходимость в постановке буферных DC-конденсаторов внутрь модуля непосредственно на подложку с целью минимизации упомянутых паразитных индуктивностей практически отпадает (исключение составляет случай, когда длительности фронтов - менее единиц не, а коммутируемые токи - более десятков А).
Таким образом, для обеспечения гарантированного безопасного режима работы современных модулей на сотни Ампер суммарная величина паразитных индуктивностей DC-контура внутри модуля не должна превышать (2÷3) нГ.
Тоководы упомянутого контура полумоста современных низкоиндуктивных подмодулей выполнены полосковыми так, что их длина в разы меньше ширины. Например, низкопрофильный серийный силовой полумостовой модуль CAS325M12HM2 характеризуется расположением полупроводниковых элементов параллельными рядами при параллельном их соединении внутри каждого ряда. Ток протекает в поперечном направлении к этим рядам по сплошным токоведущим полигонам подложки. Сужение линий тока происходит только в областях токопроводящих перемычек, соединяющих кристаллы полупроводниковых элементов с полигонами. Однако выводы DC-тоководов разнесены по разные стороны от рядов полупроводниковых элементов, что существенно увеличивает площадь петли упомянутого контура и препятствует получению минимально возможной паразитной индуктивности даже при максимальном приближении буферного DC конденсатора к модулю.
Действительно, индуктивность контура, ограничиваемого двумя полосковыми плоскопараллельными тоководами шириной b и длиной , расположенными друг над другом с зазором h, определяется в приближении (h<<b) формулой [5]:
Для рассмотренного модуля CAS325M12HM2 имеем: h≈10 мм, b≈100 мм, . Тогда получаем L≈6 нГ, что достаточно близко к заявленному (5 нГ). Одним из путей снижения паразитной индуктивности контура является снижение толщины DC контура до h≈1 мм, ограничиваемого технологическими и физическими факторами. В этом случае основной вклад в суммарную индуктивность уже будут вносить неоднородности тоководов, например, токопроводящие перемычки. Они обычно выполняются шлейфом, состоящим из проволочек или полосок. Суммарная ширина этих шлейфов в каждом ряду в несколько раз меньше ширины b сплошного токовода, особенно при выполнении перекрестий тоководов в виде «гребенок». Поэтому при суммарной длине этих участков примерно 20 мм и длине , имеем ощутимый вклад в паразитную индуктивность DC контура.
Таким образом, при оценке величины паразитной индуктивности DC контура подмодуля необходимо учитывать не только соотношение габаритных размеров этого контура, но и неоднородности тоководов.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа [6, fig3a], является полумостовой силовой полупроводниковый модуль, содержащий электроизоляционную теплопроводящую подложку с двумя силовыми токоведущими слоями: нижним слоем, который выполнен сплошным полигоном и является частью токовода DC+ полумоста, и верхним слоем, который разделен на полигоны, на двух из которых расположены параллельные ряды силовых полупроводниковых элементов, образующие плечи полумоста, а между упомянутыми рядами находится полигон, который соединен электропроводящими переходками с нижним слоем; три максимально широких полосковых силовых вывода, расположенных параллельно рядам полупроводниковых элементов и подсоединенных по всей ширине вывода к соответствующим полигонам, причем выводы DC+ и DC- максимально сближены до толщины необходимой изоляции и находятся за пределами рядов кристалллов подмодуля со стороны верхнего плеча полумоста, а силовой вывод АС полумоста находится на краю модуля со стороны нижнего плеча полумоста.
Недостатком такой конфигурации является невозможность выполнения соединений полупроводниковых элементов и тоководов в полумост без перекрестья. Это оставляет нереализованным потенциал снижения паразитных индуктивностей.
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является повышение надежности полупроводникового силового модуля.
Техническим результатом заявленного изобретения является снижение выбросов напряжения на полупроводниковых элементах силового полумостового подмодуля, возникающих вследствие наличия паразитной индуктивности в DC контуре полумоста.
Технический результат достигается тем, что в подмодуле полумостовом силового полупроводникового модуля, содержащем электроизоляционную теплопроводящую подложку с двумя токоведущими слоями: нижним слоем, который выполнен сплошным силовым полигоном и является частью одного из DC-тоководов, и верхним слоем, который разделен на силовые полигоны АС и DC+, на которых расположены параллельные ряды силовых полупроводниковых элементов, образующие плечи полумоста; два силовых полигона, электрически связанных с нижним силовым токоведущим слоем и расположенных вдоль упомянутых полигонов, причем один из них расположен за пределами рядов кристаллов подмодуля; три максимально широких полосковых силовых вывода AC, DC+ и DC- подмодуля, расположенных параллельно рядам полупроводниковых элементов и подсоединенных по всей своей ширине к соответствующим полигонам, причем выводы DC+ и DC- подмодуля подсоединены к соответствующим полигонам, находящимся за пределами рядов кристаллов подмодуля, и находятся друг от друга на расстоянии, равном толщине необходимой изоляции, новизна заключается в том, что ликвидируются перекрестья тоководов подмодуля за счет того, что полигоны АС и DC+, на которых расположены параллельные ряды силовых полупроводниковых элементов, расположены в непосредственной близости друг от друга; два упомянутых силовых полигона, электрически связанных с нижним силовым токоведущим слоем, расположены за пределами рядов кристаллов подмодуля; вывод АС подмодуля подсоединен к полигону АС между рядами силовых полупроводниковых элементов; а необходимые для образования полумостовой схемы соединения между полигонами и(или) полупроводниковыми элементами выполнены гибкими тоководами, ширина которых обеспечивает максимальное покрытие ими ширины тоководов подмодуля.
Сущность заявленного изобретения поясняется чертежом, на котором показан вертикальный разрез одного из вариантов «полумостовой» секции модуля, выполненный в поперечном направлении к рядам полупроводниковых элементов.
Нижний токоведущий слой керамической подложки 1 представляет собой сплошной полигон 2, несущий один из потенциалов DC+ или DC- (в данном случае DC-). По краям подложки 1 полигон 2 выведен на верхний токоведущий слой на полигоны 3 и 4. На полигонах 5 и 6 верхнего токоведущего слоя расположены кристаллы полупроводниковых элементов 7 (VT-L) и 8 (VT-H). Токопроводящие перемычки 9 и 10 соединяют кристаллы 7 и 8 с соответствующими полигонами 4 и 5. Выводы DC+ и DC-11 и 12 подсоединены к соответствующим полигонам 3 и 6 и максимально прижаты друг к другу на толщину необходимой изоляций. Вывод 13 точки АС полумоста выходит с полигона 5 между рядами полупроводниковых элементов 7 и 8.
Таким образом, все токоведущие элементы (1÷10) контура полумоста и тоководы 11 и 12 образуют конструкцию, не имеющую пересечений тоководов и геометрически близки к двум последовательно соединенным двухпроводным двухуровневым полосковым линиям. И как следствие - минимальную индуктивность: действительно, суммарная индуктивность упомянутых линий для h≈1 мм, b≈100 мм,  где 50 мм - длина линии на подложке, а 10 мм - длина линии от подложки до выхода модуля (длина тоководов 11 и 12), будет 0,8 нГ (см. формулу 1).
Оценим индуктивность одного перекрестья. Перекрестье можно осуществить в виде «гребенки» с шагом Н, равным шагу расположения полупроводниковых кристаллов в ряду, то есть около Н≈14 мм. Тогда при величине зазора между зубцами 3 мм (определяется требованием к электроизоляции), ширина зубца будет: (14 мм / 2зубца) - 3 мм = 4 мм.
Оценка индуктивности одного зубца по формуле (1) для h≈2 мм, b≈4 мм,  дает значение около 9 нГ. Если оценивать индуктивность по модели одиночного проводника:
то получим значение 7 нГ. Таким образом, наилучшая оценка будет 8 нГ.
Если даже по минимуму оценить индуктивность «гребенки», то можно пренебречь взаимоиндукцией зубцов, усиливающую индуктивность, то получим: число зубцов на каждом тоководе равно 100 мм / 14 мм/шаг ≈ 7 зубцов, тогда:
гребенки
L ≈ (8 нГ / 7зубцов) × 2 токовода ≈ 2 нГ
Тогда ликвидация перекрестий (например, в виде «гребенки») тоководов DC контура полумоста дает снижение паразитной индуктивности DC контура полумоста как минимум на 2нГ, что для  дает снижение выбросов напряжения на:
что является значительной частью допустимого полного запаса, приблизительно равного 200 В.
Таким образом, заявляемое изобретение позволяет снизить выбросы напряжения на полупроводниковых элементах полумостового подмодуля силового полупроводникового модуля, возникающие вследствие наличия паразитной индуктивности в DC контуре полумоста.
Источники информации
1. www.semikron.com/dl/service-support/downloads/download/semikron-datasheet-skm600gb12t4-22892098
2. www.wolfspeed.com/downloads/dl/file/id/167/product/10/c2m0080120d.pdf
3. www.wolfspeed.com/downloads/dl/file/id/967/product/204/cas325m12hm2.pdf
4. en.tdk.eu/inf/20/20/db/fc_2009/MKP_B32651_658.pdf
5. П.Л. Калантаров, Л.А. Цейтлин «Расчет индуктивностей». 1986,
6. патент US 7,791,208 В2, Power semiconductor arrangement, Infineon Technologies AG, 2010, Priority 2007, Fig. 3a