Многокристальный силовой модуль

Полезная модель относится к радиоэлектронной технике, в частности к силовым микросборкам, и может быть использована при создании многокристальных модулей на основе керамических подложек.
Известна силовая сборка (патент US №6259616, публ. 10.07.2001, МПК Н02М 7/00), содержащая шесть отдельных силовых модулей: четыре модуля одиночного ключа со встречно-параллельным диодом и два модуля диода, соединенных с помощью силовых шин по схеме трехуровневого полумоста с фиксирующими диодами.
Недостатком данного технического решения являются относительно большие геометрические размеры сборки из отдельных силовых модулей, что приводит к росту паразитной индуктивности монтажных соединений и ее неравномерному разбросу по четырем контурам коммутации в трехуровневой схеме.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой полезной модели является многокристальный силовой модуль (патент RU №148258, публ. 27.11.2014, МПК H01L 27/00), выполненный по трехуровневой схеме с фиксированной нулевой точкой, содержащий четыре кристалла полупроводниковых ключей, четыре кристалла встречно-параллельных диодов, два кристалла фиксирующих диодов, шесть керамических плат с двусторонним металлическим покрытием, базовую плату-теплоотвод, три силовых вывода на стороне постоянного тока модуля и один силовой вывод на стороне переменного тока модуля, в котором каждый кристалл полупроводникового ключа с кристаллом встречно-параллельного диода, а также каждый кристалл фиксирующего диода нижним основанием установлены на верхнем основании одноименной керамической платы, при этом сами керамические платы нижним основанием установлены на базовой плате-теплоотводе, на верхнем основании каждой керамической платы сформирована дополнительная контактная площадка, которая при помощи проводящих проволок соединена с контактными площадками на верхних основаниях кристаллов ключей и диодов, расположенных на данной плате, при этом верхнее основание первой керамической платы соединено с первым силовым выводом на стороне постоянного тока модуля, верхнее основание шестой керамической платы соединено со вторым силовым выводом на стороне постоянного тока модуля, а дополнительная контактная площадка четвертой керамической платы соединена с третьим силовым выводом на стороне постоянного тока модуля, на верхнем основании пятой керамической платы имеется изолированная контактная площадка, которая соединена с силовым выводом на стороне переменного тока модуля, соединения между керамическими платами выполнены ленточными проводящими шинами, при этом дополнительная контактная площадка первой керамической платы соединена с верхним основанием второй керамической платы, которая в свою очередь соединена с верхним основанием пятой керамической платы, дополнительная контактная площадка второй керамической платы и верхнее основание третьей керамической платы соединены с изолированной контактной площадкой пятой керамической платы, дополнительная контактная площадка третьей керамической платы соединена с верхним основанием четвертой керамической платы, которая в свою очередь соединена с дополнительной контактной площадкой шестой керамической платы, верхнее основание которой соединено с дополнительной контактной площадкой пятой керамической платы.
Недостатком настоящего технического решения является наличие динамических выбросов напряжения на полупроводниковых ключах трехуровневой схемы при коммутации из-за относительно малого значения их выходных емкостей. В данном устройстве невозможен полный разряд внешних конденсаторов, что ведет к увеличению энергии динамических потерь. Другим недостатком прототипа является неравномерность статического распределения напряжения между полупроводниковыми ключами трехуровневой схемы за счет эффекта «зависания» фиксирующих диодов в блокирующем состоянии и невозможностью выполнения ими функции фиксации уровня напряжения из-за разброса токов утечки в кристаллах полупроводниковых ключей.
Технической задачей предлагаемой полезной модели является устранение проблем статической и динамической неравномерности распределения напряжения между полупроводниковыми ключами многокристальной сборки.
Технический результат заключается в повышении надежности работы устройства.
Это достигается тем, что в известном многокристальном силовом модуле, выполненном по трехуровневой схеме с фиксированной нулевой точкой, содержащем четыре кристалла полупроводниковых ключей, четыре кристалла встречно-параллельных диодов, два кристалла фиксирующих диодов, шесть керамических плат с двусторонним металлическим покрытием, базовую плату - теплоотвод, три силовых вывода на стороне постоянного тока модуля и один силовой вывод на стороне переменного тока модуля, в котором каждый кристалл полупроводникового ключа с кристаллом встречно-параллельного диода, а также каждый кристалл фиксирующего диода нижним основанием установлены на верхнем основании соответствующей керамической платы, при этом сами керамические платы нижним основанием установлены на базовой плате - теплоотводе, на верхнем основании каждой керамической платы сформирована дополнительная контактная площадка, которая при помощи проводящих проволок соединена с контактными площадками на верхних основаниях кристаллов ключей и диодов, расположенных на данной плате, при этом верхнее основание первой керамической платы соединена с первым силовым выводом на стороне постоянного тока модуля, верхнее основание шестой керамической платы соединена со вторым силовым выводом на стороне постоянного тока модуля, а дополнительная контактная площадка четвертой керамической платы соединена с третьим силовым выводом на стороне постоянного тока модуля, на верхнем основании пятой керамической платы имеется изолированная контактная площадка, которая соединена с силовым выводом на стороне переменного тока модуля, соединения между керамическими платами выполнены ленточными проводящими шинами, при этом дополнительная контактная площадка первой керамической платы соединена с верхним основанием второй керамической платы, которая в свою очередь соединена с верхним основанием пятой керамической платы, дополнительная контактная площадка второй керамической платы и верхнее основание третьей керамической платы соединены с изолированной контактной площадкой пятой керамической платы, дополнительная контактная площадка третьей керамической платы соединена с верхним основанием четвертой керамической платы, которая в свою очередь соединена с дополнительной контактной площадкой шестой керамической платы, верхнее основание которой соединено с дополнительной контактной площадкой пятой керамической платы, при этом дополнительные контактные площадки на всех шести керамических платах представляют собой верхнее металлизированное основание каждой из шести дополнительных керамических плат, которые нижним металлизированным основанием припаяны к верхнему металлизированному основанию одноименной керамической платы, при этом значения диэлектрической проницаемости дополнительных керамических плат, расположенных на пятой и шестой керамических платах, выбраны большими, чем значения диэлектрической проницаемости дополнительных керамических плат, расположенных на первой, второй, третьей и четвертой керамических платах, а значения сопротивлений изоляции для диэлектриков дополнительных керамических плат, расположенных на первой и четвертой керамических платах, выбраны большими, чем значения сопротивления изоляции для диэлектриков дополнительных керамических плат, расположенных на второй и третьей керамических платах.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется чертежом, на котором изображен многокристальный силовой модуль.
Многокристальный силовой модуль содержит четыре кристалла полупроводниковых ключей (позиции 1, 2, 3 и 4), четыре кристалла встречно-параллельных диодов (позиции 5, 6, 7 и 8), два кристалла фиксирующих диодов (позиции 9 и 10), шесть керамических плат (позиции 11, 12, 13, 14, 15 и 16) с двусторонним металлическим покрытием, базовую плату - теплоотвод 17, три силовых вывода на стороне постоянного тока модуля (позиции 18, 19 и 20) и один силовой вывод на стороне переменного тока модуля 21.
Кристалл каждого полупроводникового ключа 1, 2, 3, 4 содержит нижнее металлизированное основание (коллектор, сток) и верхнее основание с металлизированной контактной площадкой (эмиттер, исток). Кристалл каждого диода 5, 6, 7. 8, 9, 10 содержит нижнее металлизированное основание (катод) и верхнее основание с металлизированной контактной площадкой (анод).
Каждый кристалл полупроводникового ключа 1, 2, 3, 4 с соответствующим кристаллом встречно-параллельного диода 5, 6, 7, 8, а также каждый кристалл фиксирующего диода 9 и 10 нижним основанием установлены на верхнем основании 22 шести отдельных керамических плат 11, 12, 13, 14, 15 и 16 при этом сами керамические платы И, 12, 13, 14, 15 и 16 нижнем основанием установлены на общей базовой плате - теплоотводе 17.
На верхнем основании 22 каждой керамической платы 11, 12, 13, 14, 15 и 16 сформирована дополнительная контактная площадка 23, которая при помощи проводящих проволок 24 соединена с контактными площадками на верхних основаниях кристаллов ключей и диодов, расположенных на данной плате. Верхнее основание 22 первой керамической платы 11 соединено с первым силовым выводом 18 на стороне постоянного тока модуля. Верхнее основание 22 шестой керамической платы 16 соединено со вторым силовым выводом 19 на стороне постоянного тока модуля. Дополнительная контактная площадка 23 четвертой керамической платы 14 соединена с третьим силовым выводом 20 на стороне постоянного тока модуля. На верхнем основании пятой керамической платы 15 имеется изолированная контактная площадка 25, которая соединена с силовым выводом 21 на стороне переменного тока модуля.
Соединения между керамическими платами выполнены ленточными проводящими шинами 26, при этом дополнительная контактная площадка 23 первой керамической платы 11 соединена с верхним основанием 22 второй керамической платы 12, которая в свою очередь соединена с верхним основанием 22 пятой керамической платы 15, дополнительная контактная площадка 23 второй керамической платы 12 и верхнее основание 22 третьей керамической платы 13 соединены с изолированной контактной площадкой 25 пятой керамической платы 15, дополнительная контактная площадка 23 третьей керамической платы 13 соединена с верхним основанием 22 четвертой керамической платы 14, которая в свою очередь соединена с дополнительной контактной площадкой 23 шестой керамической платы 16, верхнее основание 22 которой соединено с дополнительной контактной площадкой 23 пятой керамической платы 15. Дополнительные контактные площадки 23 на всех шести керамических платах 11, 12, 13, 14, 15 и 16 представляют собой верхнее металлизированное основание каждой из шести дополнительных керамических плат 27, которые нижним металлизированным основанием припаяны к верхнему металлизированному основанию 22 соответствующей керамической платы 11, 12, 13, 14, 15 и 16.
Значения диэлектрической проницаемости дополнительных керамических плат 27, расположенных на пятой 15 и шестой 16 керамических платах, выбраны большими, чем значения диэлектрической проницаемости дополнительных керамических плат, расположенных на первой 11, второй 12, третьей 13 и четвертой 14 керамических платах.
Значения сопротивлений изоляции для диэлектриков дополнительных керамических плат 27, расположенных на первой 11 и четвертой 14 керамических платах, выбраны большими, чем значения сопротивления изоляции для диэлектриков дополнительных керамических плат 27, расположенных на второй 12 и третьей 13 керамических платах.
Многокристальный силовой модуль работает следующим образом.
Работа многокристального силового модуля, изготовленного по трехуровневой схеме, заключается в последовательной коммутации фазного тока между соответствующими ключевыми элементами. При индуктивном характере нагрузки фазный ток в выходной цепи модуля имеет синусоидальную форму и отстает по фазе от напряжения. В результате на периоде выходной частоты в трехуровневой схеме последовательно реализуются четыре контура коммутации. В двух из них в процессе коммутации участвуют по два полупроводниковых элемента, 1-9 и 4-10, соответственно. Данные контуры охватывают относительно малую площадь и называются «короткими» контурами коммутации. В двух других контурах в процессе коммутации участвуют уже по четыре полупроводниковых элемента, 9-2-7-8 и 10-3-5-6, соответственно. Данные контуры охватывают примерно вдвое большую площадь и называются «длинными» контурами коммутации. Одной из важнейших проблем при разработке трехуровневых схем является проблема несимметричности контуров коммутации, что приводит к существенному увеличению паразитной индуктивности монтажных соединений в «длинных» контурах силового модуля. При этом возникает опасность повышенных перенапряжений на полупроводниковых кристаллах 1, 2, 3, 4 модуля.
В предлагаемом силовом модуле применено решение, основанное на создании дополнительных контактных площадок 23 на керамических платах 11, 12, 13, 14, 15, 16 модуля, наиболее близко расположенных к полупроводниковым кристаллам. За счет этого длина проволочных алюминиевых соединений 24 кристалла с промежуточной контактной площадкой 23 предельно минимизирована, а их паразитная индуктивность снижена до значений порядка 1,5 нГн. При этом дальнейший токоотвод выполнен с применением ленточных проводящих шин 26, индуктивность которых составляет не более 2 нГн.
Дополнительные контактные площадки 23 на всех шести керамических платах 11, 12, 13, 14, 15, 16 являются верхним металлизированным основанием каждой из шести дополнительных керамических плат 27, которые нижним металлизированным основанием припаяны к верхнему металлизированному основанию 22 соответствующей керамической платы. При этом дополнительные керамические платы 27, по сути, являются керамическими конденсаторами плоской конструкции, емкости которых суммируется с выходной емкостью присоединенных к ним соответствующих кристаллов полупроводниковых ключей 1, 2, 3, 4 и диодов 5, 6, 7, 8, 9, 10. Таким образом, значения выходных емкостей полупроводниковых компонентов линейно увеличиваются в зависимости от площади основания дополнительных керамических плат 27 и диэлектрической проницаемости их изоляционных слоев, что позволяет существенно снижать динамические выбросы напряжения между полупроводниковыми ключами трехуровневой схемы.
За счет более высокого значения диэлектрической проницаемости дополнительных керамических плат 27, расположенных на пятой 15 и шестой 16 керамических платах, выходные емкости кристаллов фиксирующих диодов 9 и 10 становятся больше, чем выходные емкости внутренних полупроводниковых ключей 2 и 3 с соответствующими встречно-параллельными диодами 6 и 7 в трехуровневой схеме, что обеспечивает возможность их полного разряда обратным током нагрузки в режиме мягкой коммутации.
В представленном решении сопротивления изоляции диэлектриков дополнительных керамических плат 27 оказываются параллельно подключенными к сопротивлениям изоляции кристаллов соответствующих полупроводниковых ключей 1, 2, 3, 4 и диодов 5, 6, 7, 8, 9, 10.
Проблема неравномерности статического распределения напряжения между полупроводниковыми ключами 1, 2, 3, 4 для трехуровневой схемы решена за счет выбора соответствующих сопротивлений изоляции для диэлектриков дополнительных керамических плат 27, расположенных на первой 11, второй 12, третей 13 и четвертой 14 керамических платах. Значения сопротивлений изоляции для диэлектриков дополнительных керамических плат 27, расположенных на первой 11 и четвертой 14 керамических платах, выбираются больше, чем значения сопротивления изоляции для диэлектриков дополнительных керамических плат 27, расположенных на второй 12 и третьей 13 керамических платах. Тогда токи утечки в выходной цепи внешних полупроводниковых ключей 1 и 4 с соответствующими встречно-параллельными диодами 5 и 8 будут всегда меньше, чем токи утечки в выходной цепи внутренних полупроводниковых ключей 2 и 3 с соответствующими встречно параллельными диодами 6 и 7. При этом действие эффекта «зависания» фиксирующих диодов 9 и 10 в блокирующем состоянии полностью исключается.
Использование полезной модели позволяет устранить проблемы статической и динамической неравномерности распределения напряжения между полупроводниковыми ключами многокристальной сборки и, как следствие, повысить надежность работы устройства.