Силовой полупроводниковый диод

Область техники, к которой относится полезная модель
Полезная модель относится к области электротехнических изделий, а именно к дискретным, силовым полупроводниковым выпрямительным приборам и может быть использована для проектирования корпусов аналогичных приборов.
Уровень техники
Известен высоковольтный выпрямительный модуль (патент РФ на полезную модель №66606, кл. МПК H01L 29/861, опубл. 10.09.2007), который состоит из корпуса, выполненного из диэлектрического материала с внешними анодным и катодным выводами. В корпусе размещена сборка полупроводниковых элементов, соединенных электрически в последовательную цепь, причем сборка размещена на диэлектрической плоской пластине, имеющей на одной стороне отдельные изолированные металлизированные участки, на которых закреплены выпрямительные элементы, соединенные последовательно с помощью перемычек.
Известен силовой полупроводниковый диод (патент РФ на полезную модель №185181, кл. МПК H01L 29/861, опубл. 23.11.2018), который содержит силовой вывод, корпус, внутри которого расположена полупроводниковая кремниевая структура и основание, причем корпус изготовлен из модифицированного эпоксидного компаунда.
Известен высоковольтный диод (патент РФ на изобретение №2231866, кл. МПК H01L 29/861, опубл. 27.06.2004), который включает в себя: корпус в виде диэлектрической трубки, на концах которой укреплены электроды, множество последовательно соединенных выпрямительных элементов, размещенных внутри трубки, каждый из которых состоит из металлического основания и полупроводникового кристалла, укрепленного на основании, пружину, создающую прижимной электрический контакт между выпрямительными элементами.
Основной недостаток известных вариантов сборки корпуса для силовых выпрямительных диодов – это негативное воздействие инерции пластической деформации жесткого вывода диода (трубка ковара и медный вывод 5, Фиг. 2а,б) в процессе его обжима и, как следствие, возникновение дополнительных упругих напряжений в проходном изоляторе 2 (Фиг. 1а), на границе сопряжения проходной изолятор – коваровая трубка 1, приводящие, в зависимости от величины напряжений, к пластической деформации, с нарушением целостности проходного изолятора (трещины первого рода – на начальном этапе и разгерметизация диода на последующих операциях изготовления и эксплуатации, под действием нагрузок динамического характера). Использование данных диодов в изделиях специального назначения и в условиях испарительного охлаждения, приводит к проникновению в подкорпусное пространство выпрямительного диода конденсата хладагента и ускоренному выходу диода из строя в результате теплового пробоя.
Решение проблемы надежности герметизации диодов, работающих в экстремальных условиях эксплуатации, путем изменения массогабаритных и геометрических параметров жесткого вывода, не допускается из-за ограничений, наложенных конструкторской документацией.
Раскрытие полезной модели
Техническим результатом, достигаемым с помощью предлагаемой полезной модели, является повышение качества, надежности и технологичности силового полупроводникового выпрямительного диода, за счет существенного снижения влияния инерции пластической деформации жесткого вывода в процессе обжима, ответственного за возникновение дополнительных упругих напряжений в проходном изоляторе на этапе его герметизации.
Указанный технический результат достигается тем, что силовой выпрямительный диод содержит металлостеклянный корпус, включающий трубку жесткого вывода, проходной изолятор и стакан корпуса, внутри которого на медном основании 6 (Фиг. 2а) размещена полупроводниковая структура кремния (не показана), причем с внешней стороны корпуса, в области стыка трубки жесткого вывода с проходным изолятором, расположена металлическая шайба круглого сечения.
Толщина шайбы может составлять от 0,5 до 1 мм.
Трубка жесткого вывода, корпус и шайба диода могут быть выполнены из ковара, а изолятор – из стекла.
В целях решения проблемы негативного воздействия инерции пластической деформации в процессе обжима жесткого вывода на проходной изолятор, предлагается использовать одновременное ограничение трубки вывода и армирование стекла, путем введения в конструкцию металлостеклянного корпуса, при осуществлении стеклоспая, дополнительной сборочной единицы (шайбы из ковара).
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 показан металлостеклянный корпус для силового выпрямительного диода: а) стандартный вид; б) с применением шайбы.
На фиг. 2 показаны эскизы силовых полупроводниковых выпрямительных диодов, до обжима (а) и после обжима (б).
На фиг. 3 показана 3D-модель шайбы, вид изометрия.
На фиг. 4 показана фотография силовых выпрямительных диодов: левый – стандартный и правый – экспериментальный, с применением шайбы.
На фигурах (1-4) приняты следующие обозначения: 1 – трубка вывода, 2 –проходной изолятор, 3 – стакан корпуса, 4 – шайба, 5 –внутренний медный вывод, 6 – медное основание.
Осуществление полезной модели
Металлостеклянный корпус (Фиг.1а,б) и силовой полупроводниковый выпрямительный диод (Фиг. 2а,б) содержат трубку 1, изолятор 2, стакан корпуса 3, медное основание 6, на котором размещается полупроводниковая структура кремния (не показана). Причем на внешней стороне металлостеклянного корпуса, в области стыка изолятора и трубки жесткого вывода, впаяна металлическая шайба 4.
Жесткий вывод и металлостеклянный корпус диода выполнены в виде: трубки 1, стакана корпуса 3 и шайбы 4 из ковара; проходного изолятора 2 из стекла; внутреннего вывода 5 и основания диода 6 из меди.
Металлическая шайба 4 представляет собой деталь круглого сечения, внутренний диаметр которого ограничивается диаметром трубки 1 жесткого вывода диода, а внешний – допускаемым расстоянием между жестким выводом и стаканом корпуса, в целях предотвращения межэлектродного поверхностного электрического пробоя, при наложении внешнего электрического смещения. Толщина шайбы может варьироваться от 0,5 до 1 мм.
Для изготовления металлостеклянного корпуса силового выпрямительного диода сборочные единицы корпуса укладывают в графитовую кассету в следующей последовательности: в оснастку на основе графита вставляют в соответствующее отверстие трубку 1, на которую надевают шайбу 4, опускают стакан корпуса 3 и стеклянный изолятор 2. Сборочные единицы (сборка стакана) в графитовой оснастке переносят в высокотемпературную конвейерную печь и осуществляют процесс сварки в атмосфере азота и водорода по стандартной технологии.
Пример реализации.
Для проверки качества, надежности и технологичности предлагаемой полезной модели силового выпрямительного диода были собраны две партии диодов, по 200 штук каждая. Первая (контрольная) партия диодов имела стандартную конструкцию, вторая (экспериментальная) – конструкцию с применением шайбы (Фиг. 4). После всех испытаний, в том числе на испытательных стендах заказчика (имеется положительное заключение), указанные партии, совместно с заказчиком, были подвергнуты, тщательному контролю на предмет выявления целостности и герметичности проходного изолятора и диодов в целом, с применением методов контроля, предусмотренных технической документацией изготовления силовых выпрямительных диодов. Экспериментальная партия показала 100% выход годных изделий, а контрольная – 55%.
Таким образом, преимуществом заявленной полезной модели силового полупроводникового выпрямительного диода является повышение качества, надежности и технологичности последнего, за счет существенного снижения влияния инерции пластической деформации жесткого вывода, в процессе его обжима, на проходной изолятор, в области сопряжения изолятор – вывод, за счет одновременного поверхностного армирования изолятора и ограничения пластической деформации трубки жесткого вывода.
Сопоставительный анализ заявляемой полезной модели показал, что совокупность существенных признаков заявленного устройства не известна из уровня техники, что соответствует условию патентоспособности «Новизна».
Приведенные сведения подтверждают возможность применения заявленного устройства в электротехнике и поэтому соответствует условию патентоспособности «Промышленная применимость».