СИЛОВОЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ МОДУЛЬ

Полезная модель относится к области силовой электроники, в частности к конструированию гибридных силовых модулей, и может быть использована при проектировании многокристальных модулей, внешние силовые выводы которых обладают малой паразитной индуктивностью.
Известен силовой полупроводниковый модуль, внешние силовые выводы которого являются положительным, отрицательным и общим выводами схемы полумоста, при этом внешние контактные отверстия указанных силовых выводов расположены в одной плоскости и следуют одна за другой в указанной последовательности вдоль общего направления (US 5646445 А, 08.06.1997). Указанное расположение внешних контактных отверстий силовых выводов модуля полумоста является унифицированным конструктивным решением, позволяющим использовать в одной и той же схеме силовые модули полумостов различных производителей. Недостатком данной конструкции является повышенная паразитная индуктивность внешних силовых выводов силового модуля.
Наиболее близким по технической сути к заявляемому решению является силовой полупроводниковый модуль, состоящий из основной керамической платы с двусторонней металлизацией, на поверхности которой сформированы первая и вторая контактные площадки с установленными на них полупроводниковыми кристаллами с межкомпонентными проволочными соединениями, имеющий положительный, отрицательный и общий внешние силовые выводы, при этом положительный внешний силовой вывод присоединен к первой контактной площадке, а общий внешний силовой вывод присоединен ко второй контактной площадке (US 6212087 В1, 03.04.2001). В устройстве прототипа положительный и отрицательный силовые выводы образуют плоскопараллельную конструкцию с пониженной паразитной индуктивностью данных силовых выводов. Однако общий внешний силовой вывод модуля расположен на дальней стороне керамической платы, противоположной от размещения положительного и отрицательного силовых выводов. При этом суммарная паразитная индуктивность в контуре коммутации полумоста возрастает из-за удлиненных проводящих дорожек на керамической плате, связанных с общим внешним силовым выводом.
Задачей предлагаемого решения является повышение эффективности работы силового полупроводникового модуля, за счет увеличения скорости его переключения и снижения динамических потерь мощности.
Технический результат предлагаемого устройства заключается в снижении паразитной индуктивности внешних силовых выводов модуля за счет применения в них ленточной конструкции, а также плоскопараллельного расположения положительного и отрицательного силовых выводов не только между собой, но и между силовыми выводами и проводящими дорожками на керамической плате.
Технический результат достигается тем, что силовой полупроводниковый модуль, состоящий из основной керамической платы с двусторонней металлизацией, на поверхности которой сформированы первая и вторая контактные площадки с установленными на них полупроводниковыми кристаллами с межкомпонентными проволочными соединениями, имеющий положительный, отрицательный и общий внешние силовые выводы, при этом положительный внешний силовой вывод присоединен к первой контактной площадке, а общий внешний силовой вывод присоединен ко второй контактной площадке, на вторую контактную площадку основной керамической платы напаяна дополнительная керамическая плата с двусторонней металлизацией, к поверхности которой присоединен отрицательный внешний силовой вывод и межкомпонентные проволочные соединения полупроводниковых кристаллов, установленных на второй контактной площадке основной керамической платы, внешние силовые выводы выполнены на основе гибких металлизированных лент, при этом положительный и отрицательный внешние силовые выводы изогнуты таким образом, что образуют плоскопараллельную конструкцию, как между собой, так и между межкомпонентными проволочными соединениями на основной керамической плате.
Сущность предложенного решения и его технический результат поясняются соответствующими чертежами.
На Фиг. 1. показан силовой полупроводниковый модуль в соответствие с представленным решением (вид спереди).
На Фиг. 2. показан силовой полупроводниковый модуль в соответствие с представленным решением (вид сверху).
На Фиг. 3. показаны ленточные силовые выводы модуля.
На Фиг. 4. показан практический вариант силового полупроводникового модуля, изготовленный в соответствие с представленным решением.
Силовой полупроводниковый модуль (Фиг. 1) содержит основную керамическую плату 1 с двусторонней металлизацией, на поверхности которой сформированы первая 2 и вторая 3 контактные площадки, с установленными на них полупроводниковыми кристаллами 4 с межкомпонентными проволочными соединениями 5. Силовой полупроводниковый модуль имеет положительный 6, отрицательный 7 и общий 8 внешние силовые выводы. Положительный внешний силовой вывод 6 присоединен к первой контактной площадке 2, а общий внешний силовой вывод 8 присоединен ко второй контактной площадке 3. На вторую контактную площадку 3 основной керамической платы 1 напаяна дополнительная керамическая плата 9 с двусторонней металлизацией, к поверхности которой присоединен отрицательный внешний силовой вывод 7 и межкомпонентные проволочные соединения 5 полупроводниковых кристаллов 4, установленных на второй контактной площадке 3 основной керамической платы 1. Внешние силовые выводы 6, 7 и 8 выполнены на основе гибких металлизированных лент, при этом положительный и отрицательный внешние силовые выводы 6 и 7 изогнуты таким образом, что образуют плоскопараллельную конструкцию, как между собой, так и между межкомпонентными проволочными соединениями 5 на основной керамической плате 1.
Рассмотрим характеристики представленного силового полупроводникового модуля в сравнение с известными аналогами.
За счет применения дополнительной керамической платы 9 с двусторонней металлизацией, которая напаяна на вторую контактную площадку 3 основной керамической платы 1, положительный 6 и отрицательный 7 силовые выводы модуля расположены максимально близко к друг другу и образуют плоскопараллельную конструкцию, не только между собой, но и между межкомпонентными проволочными соединениями 5. При этом токи в параллельных проводниках представленной конструкции имеют встречные направления. Это обеспечивает взаимную компенсацию наводимых магнитных потоков и снижает паразитную индуктивность как самих силовых выводов 6 и 7, так и межкомпонентных соединений 5 на керамической плате 1.
Индуктивность положительного 6 и отрицательного 7 силовых выводов модуля в нГн, выполненных на основе гибких металлизированных лент, образующих плоскопараллельную конструкцию рассчитывается по формуле:
где W - длина шины силового вывода в мм; d - расстояние между шинами силовых выводов в мм; Z - ширина шины силового вывода в мм.
В конструкции модуля длина положительного 6 силового вывода W=30 мм, длина отрицательного 7 силового вывода W=15 мм. Расстояние между проводящими шинами положительного 6 и отрицательного 7 силового вывода, образующих плоскопараллельную пару, d=4 мм. Ширина всех шин силовых выводов Z=30 мм. При этом паразитная индуктивность положительного 6 силового вывода равна L=5,0 нГн, а индуктивность отрицательного 7 силового вывода равна L=2,5 нГн.
Длина общего 8 силового вывода W=20 мм. Индуктивность отдельно расположенного общего 8 силового вывода в нГн рассчитывается по формуле:
где Т - толщина шины общего 8 силового вывода в мм.
Толщина шины общего 8 силового вывода Т=0,5 мм. Тогда паразитная индуктивность общего 8 силового вывода равна L=4,5 нГн.
При этом типовые значения паразитных индуктивностей силовых выводов аналогов составляют значительно большую величину L≈(20-30) нГн.
На Фиг. 2. показан вид сверху силового полупроводникового модуля с обозначением позиций основных элементов модуля аналогично Фиг. 1.
На Фиг. 3. показаны ленточные силовые выводы 6, 7 и 8 силового полупроводникового модуля с верхним и нижним основанием и их основные изгибы.
Пример конкретного исполнения силового полупроводникового модуля на основе предложенного решения.
На Фиг. 4 показан практический вариант силового полупроводникового модуля, выполненный по схеме полумоста на шести полупроводниковых кристаллах мощных МДП-транзисторов на основе карбида кремния, в соответствие с представленным решением.
Предельные электрические параметры силового модуля 1200 В/100 А. На вторую контактную площадку 3 основной керамической платы 1 модуля напаяна дополнительная керамическая плата 9 с двусторонней металлизацией.
Нижние основания ленточных силовых выводов 6, 7 и 8 модуля охватывают поверхности первой 2 и второй 3 контактных площадок, на каждой их которых размещены по три полупроводниковых кристалла 4 мощных МДП-транзисторов на основе карбида кремния.
Внешние силовые выводы модуля 6, 7 и 8 изготовлены на основе гибких медных лент. При этом положительный 6 и отрицательный 7 внешние силовые выводы изогнуты таким образом, что образуют плоскопараллельную конструкцию, как между собой, так и между межкомпонентными проволочными соединениями 5 на основной керамической плате 1.