СИЛОВОЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ МОДУЛЬ С БОКОВЫМИ СТЕНКАМИ СЛОИСТОЙ КОНСТРУКЦИИ
POWER SEMICONDUCTOR MODULE HAVING LAYERED SIDE WALLS

Изобретение касается силового полупроводникового модуля, включающего в себя по меньшей мере два электрически соединенных друг с другом силовых полупроводниковых блока, содержащих управляемые силовые полупроводники, корпус модуля, в котором расположены силовые полупроводниковые блоки и у которого имеются электрически изолирующие боковые стенки, и по меньшей мере одну присоединительную шину, которая распространяется сквозь боковые стенки и соединена по меньшей мере с одним из силовых полупроводниковых блоков.
Такой силовой полупроводниковый модуль уже известен, например, из документа WO 2008/031372. Описанный там силовой полупроводниковый модуль включает в себя два электрически соединенных друг с другом силовых полупроводниковых блока. Каждый силовой полупроводниковый блок содержит множество силовых полупроводниковых микросхем, таких как, например, транзисторы IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor - транзисторы с изолированным затвором), тиристоры GTO (Gate-Turn-Off - запираемые тиристоры) или им подобные, которые соединены друг с другом и расположены в одном собственном корпусе блока. Каждый силовой полупроводниковый блок образует анод и катод, а также управляющий контакт. С помощью подачи надлежащих сигналов управления на управляющий контакт протекание тока между анодом и катодом может прерываться или разрешаться. Из упомянутых силовых полупроводниковых блоков по меньшей мере два расположены в одном отдельном корпусе модуля, который служит для защиты от взрыва. Посредством целесообразной ошиновки, которая пронизывает стенки корпуса модуля, цепь тока от силовых полупроводниковых блоков выведена наружу.
Задачей изобретения является предложить силовой полупроводниковый модуль вышеназванного рода, который обладает высокой взрывоустойчивостью и изготавливается с особенно оптимальными затратами.
Изобретение решает эту задачу за счет того, что изолирующие боковые стенки выполнены в виде штабеля изолирующих и цельно выполненных частичных элементов, при этом частичные элементы прилегают друг к другу контактными областями.
В соответствии с изобретением силовые полупроводниковые блоки, которые содержат по меньшей мере управляемые силовые проводники, такие как, например, транзисторы IGBT, тиристоры GTO, тиристоры и тому подобные, расположены во взрывоустойчивом корпусе модуля. При этом управляемые силовые полупроводниковые блоки, наряду с анодным и катодным контактом, включают в себя также управляющий контакт для включения протекания тока через анод и катод управляемого силового полупроводника. Чтобы вывести цепь тока через силовые полупроводниковые блоки из корпуса модуля, предусмотрена по меньшей мере одна присоединительная шина, которая пронизывает изолирующие боковые стенки корпуса модуля.
В области распределения энергии, например, при электропередаче постоянным током высокого напряжения или в так называемых «Flexible AC Transmission Systems (FACTS)» (гибких системах передачи переменного тока), обычно высокие переменные напряжения преобразуются в постоянные напряжения или наоборот. Причем для этого, как правило, последовательно включаются множество предлагаемых изобретением силовых полупроводниковых модулей. Однако, несмотря на последовательное включение, на каждом отдельном из этих силовых полупроводниковых модулей имеется высокое напряжение. Это высокое напряжение может, в частности, в случае неисправности привести к взрывообразным разрушениям силовых полупроводниковых модулей. Корпус модуля служит в целях безопасности, так чтобы в случае взрыва образующиеся газообразные продукты взрыва могли надежно удерживаться внутри корпуса модуля или, соответственно, отводиться от него. Повреждения других силовых полупроводниковых модулей могут быть, таким образом, предотвращены.
Чтобы обеспечить изготовление с оптимальными затратами таких силовых полупроводниковых модулей, в соответствии с изобретением предлагается выполнить изолирующие боковые стенки силового полупроводникового модуля, через которые, как правило, распространяются несколько присоединительных шин, служащих для контактирования находящихся внутри корпуса модуля силовых полупроводниковых модулей, из нескольких уложенных штабелем друг на друга частичных элементов. Сами частичные элементы состоят из электрически изолирующего материала. При эксплуатации предлагаемого изобретением силового полупроводникового модуля уложенные в штабель частичные элементы прилегают друг к другу, так что между ними образуются стыковые соединения, которые значительно облегчают вывод присоединительной шины (шин) из корпуса модуля.
В соответствии с изобретением в штабель может быть уложен, например, сначала один частичный элемент, затем одна присоединительная шина, затем другой частичный элемент, затем другая присоединительная шина, которая должна монтироваться изолированно от упомянутой первой ошиновки, и, наконец, другой частичный элемент. Присоединительная шина соединена с желаемыми силовыми полупроводниковыми блоками. При эксплуатации силового полупроводникового модуля цепь тока, находящаяся под потенциалом высокого напряжения, ведет, таким образом, через одну присоединительную шину в корпус модуля, через расположенные там силовые полупроводниковые блоки и оттуда снова через другую присоединительную шину из корпуса модуля.
По одному из предпочтительных вариантов осуществления изобретения частичные элементы выполнены замкнутыми в окружном направлении. Таким образом обеспечена еще более высокая взрывоустойчивость, при этом затраты на изготовление остаются по прежнему низкими. Частичные элементы могут изготавливаться в виде замкнутых или кольцеобразных частичных элементов, независимо от остального корпуса модуля. Затратного способа стыкования при монтаже боковых стенок, таким образом, удается избежать.
Предпочтительно частичные элементы снабжены по меньшей мере одним усилительным ребром. Это усилительное ребро распространяется, например, у кольцеобразного замкнутого в окружном направлении частичного элемента между двумя противолежащими ограничительными стенками. Целесообразным образом частичные сегменты и при необходимости усилительное ребро (ребра) ограничивают полости или части полости, в которой в смонтированном состоянии силового полупроводникового модуля расположены силовые полупроводниковые блоки.
Предпочтительно по меньшей мере одна из присоединительных шин пронизывает боковые стенки между двумя частичными элементами. Другими словами, каждая присоединительная шина распространяется через одно стыковое соединение.
По одному из целесообразных в этом отношении усовершенствованных вариантов осуществления один из частичных элементов в своей контактной области снабжен выемкой, сквозь которую распространяется присоединительная ошиновка. С помощью этой выемки монтаж силового полупроводникового модуля еще больше облегчается. Так, сначала снабженный выемкой частичный элемент может быть соединен с остальным корпусом, а затем смонтирована ошиновка.
Целесообразным образом выемки и распространяющиеся сквозь них присоединительные шины выполнены дополняющими друг друга по форме. Благодаря дополняющему по форме исполнению по существу предотвращен выход газообразных продуктов взрыва в случае неисправности. Боковая стенка охватывает каждую присоединительную шину, обеспечивая уплотнение. Таким образом может быть сокращен до минимума вред, причиненный взрывом.
Предпочтительно частичные элементы состоят из полимерного материала, усиленного волокном. Благодаря усилению волокном этот полимерный материал особенно взрывоустойчив. Усиленные волокном полимерные материалы очень хорошо известны, так что на их химическом составе здесь не требуется останавливаться подробнее. В частности, рассматриваются полимерные материалы, усиленные стекловолокном.
Предпочтительно каждый силовой полупроводниковый блок включает в себя силовые полупроводниковые микросхемы и корпус блока, в котором расположены эти силовые полупроводниковые микросхемы. Такие силовые полупроводниковые блоки имеются на рынке и могут приобретаться по особенно оптимальной стоимости. Стоимость предлагаемого изобретением силового полупроводникового модуля, таким образом, еще более уменьшается.
По одному из целесообразных в этом отношении усовершенствованных вариантов осуществления силовые полупроводниковые микросхемы соединены друг с другом проволочными соединениями. Благодаря соединению с помощью проволочных соединений стоимость еще более уменьшается.
По одному из предпочтительных вариантов осуществления изобретения изолирующие боковые стенки распространяются между панелью дна и панелью крышки, при этом панель дна и/или панель крышки выполнены в виде охлаждающих панелей. Другими словами, панель дна или панель крышки состоит из материала с высокой теплопроводностью, то есть, например, из металла, такого как алюминий или тому подобные.
Другие целесообразные варианты осуществления и преимущества изобретения являются предметом последующего описания примеров осуществления изобретения со ссылкой на фигуры чертежа, при этом одинаковыми номерами позиций обозначены конструктивные элементы одинакового действия, и при этом
на фиг.1 показан один из вариантов осуществления предлагаемого изобретением силового полупроводникового модуля и
на фиг.2 показан силовой полупроводниковый модуль, изображенный на фиг.1, во время монтажа.
На фиг.1 показан один из примеров осуществления предлагаемого изобретением силового полупроводникового модуля на виде в перспективе. Силовой полупроводниковый модуль 1 включает в себя нижнюю панель 2 дна, а также верхнюю панель 3 крышки, каждая из которых изготовлена из металлического материала, здесь алюминия. Панель 2 дна, а также панель 3 крышки находятся в теплопроводящем соединении с невидимыми на фиг.1 силовыми полупроводниковыми блоками, так что они благодаря высокой теплопроводности действуют подобно охлаждающим панелям. Для улучшения охлаждающей способности охлаждающих панелей 2, 3 эти панели находятся в теплопроводящем соединении друг с другом посредством U-образных тепловых мостиков 4.
На панели 3 крышки предусмотрены пластмассовые держатели 5, на которых, в свою очередь, расположены блоки 6, 7, 8 управления. Блоки 6, 7, 8 управления подают сигналы управления на расположенные внутри силового полупроводникового модуля 1 силовые полупроводниковые блоки, так что эти блоки могут целенаправленно переводиться из запрещающего положения, в котором протекание тока через управляемый силовой полупроводниковый блок прервано, в проводящее положение, в котором протекание тока через соответствующий силовой полупроводниковый блок возможно. В проводящем положении ток течет от анода соответствующего силового полупроводникового блока к его катоду.
В случае отключаемых силовых полупроводниковых блоков, таких как транзисторы IGBT, тиристоры GTO или тому подобные, они могут с помощью сигнала управления также переводиться из проводящего положения в запрещающее положение. В случае силовых полупроводниковых блоков с отключаемыми силовыми полупроводниками каждый из силовых полупроводниковых блоков снабжен диодом холостого хода, который включен параллельно в направлении, противоположном соответствующему отключаемому силовому полупроводнику.
Силовые полупроводниковые блоки силового полупроводникового модуля 1 через их анод и/или катод в рамках изобретения соединены друг с другом и с присоединительными шинами 9, 10, 11 и 12 произвольным образом. При этом управление силовыми полупроводниковыми блоками силового полупроводникового модуля 1 может, например, осуществляться так, чтобы протекание тока между выведенными наружу присоединительными шинами 9, 10 становилось возможным или прерывалось.
Между панелью 2 дна и панелью 3 крышки распространяются боковые стенки 13, которые состоят из электрически изолирующего материала, например, усиленного стекловолокном полимерного материала. Панель 2 дна, панель 3 крышки и боковые стенки 13 образуют, таким образом, корпус модуля, который в случае взрыва силовых полупроводниковых блоков оказывает защитное действие для остальных силовых полупроводниковых модулей и/или для обслуживающего персонала.
Боковые стенки 13 в рамках изобретения выполнены не цельно, а имеют слоистую конструкцию. Они состоят из нескольких уложенных в штабель друг на друга частичных элементов 14, 15 и 16, которые прилегают друг к другу контактными областями, так что ограничены стыковые соединения 17 и 18. Благодаря штабельной конструкции боковых стенок 13 возможен простой монтаж боковых стенок 13, так как частичные элементы 14, 15, 16 и присоединительные шины 9, 10, 11 и 12, которые пронизывают боковые стенки 13, могут монтироваться в произвольной последовательности.
c
c
На фиг.2 показан силовой полупроводниковый модуль 1 на моментальном снимке во время монтажа. Видно, что частичный элемент 14 и два силовых полупроводниковых блока 19, 20 соединены с панелью 2 дна. Кроме того, видна угловая присоединительная шина 21 постоянного напряжения, которая также соединена с силовыми полупроводниковыми блоками 19, 20. Два других, не видимых на фиг.2 силовых полупроводниковых блока смонтированы на панели 13 крышки, при этом для контактирования силовых полупроводниковых блока 19, 20 снаружи предусмотрены присоединительные шины 9, 10, 11, 12 и 21. В целом силовой полупроводниковый модуль 1 включает в себя четыре силовых полупроводниковых блока 19, 20, которые в показанном примере осуществления в виде цельного мостика или, другими словами, H-образного мостика электрически соединены друг с другом, а также с не изображенным на фиг.2 конденсатором. Поэтому путем соответствующего управления силовыми полупроводниковыми блоками может включаться имеющееся на конденсаторе напряжение U, нулевое напряжение или напряжение -U обратной последовательности на двухполюсном выходе каждого из силовых полупроводниковых блоков.
На фиг.2 видно также, что частичный элемент 14 выполнен замкнутым в окружном направлении, то есть кольцеобразным, при этом между двумя противолежащими сторонами распространяется усилительное ребро 22. Между усилительным ребром 22 и наружными стенками частичного элемента 14 выполнены две полости, в каждой из которых расположен один силовой полупроводниковый блок 19 или, соответственно, 20. Кроме того, видно, что частичный элемент 14 снабжен выемками 23, 24 и 25, которые выполнены дополняющими по форме соответствующую присоединительную шину 10, 12. Благодаря этому дополняющему по форме исполнению выход горячих газов, которые образуются в случае взрыва внутри силового полупроводникового модуля 1, по меньшей мере затруднен.
Для механического скрепления панели 3 крышки с панелью 2 дна и вместе с тем частичных элементов 14, 15, 16 каждый частичный элемент 14, 15, 16, как показано на фиг.2, снабжен несколькими крепежными отверстиями 26, через которые в смонтированном состоянии силового полупроводникового модуля 1 проходят снабженные резьбой крепежные болты. При привертывании крепежных болтов к панели 3 крышки и панели 2 дна образуется силовой полупроводниковый модуль 1, обладающий оптимальной стоимостью и взрывоустойчивостью.