МНОГОКРИСТАЛЬНЫЙ СИЛОВОЙ МОДУЛЬ

Полезная модель относится к радиоэлектронной технике, в частности к микроэлектронному конструированию, и может быть использована при проектировании многокристальных модулей на основе полупроводниковых подложек.
Известна силовая сборка, выполненная из шести силовых модулей по схеме трехуровневого полумоста с фиксированной нулевой точкой (US 6028779 A, 22.02.2000). Недостатком данного решения является относительно большая площадь сборки, что приводит к увеличенной паразитной индуктивности монтажа.
Известна силовая сборка, выполненная из шести силовых модулей по схеме трехуровневого полумоста с фиксированной нулевой точкой, в которой минимизирована площадь силового контура сборки (US 6259616 A, 10.07.2001). Однако данная конструкция имеет относительно большие линейные размеры, что также увеличивает паразитную индуктивность монтажных соединений.
Наиболее близким по технической сути к заявляемому решению является многокристальный силовой модуль (US 6101114 А, 08.08.2000), выполненный по схеме трехуровневого полумоста 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 отдельной керамической платы, при этом сами керамические платы нижнем основанием установлены на базовой плате-теплоотводе. Соединения между кристаллами в модуле выполнены полосковыми проводящими шинами, что позволяет значительно снизить паразитную индуктивность монтажа. Однако для получения надежного сварного соединения ленточной шины с кристаллом на верхнем основании кристалла необходимо сформировать утолщенную контактную площадку. Это условие сильно ограничивает выбор кристаллов для построения силового модуля с ленточными соединениями, поскольку требует разработки специальных типов кристаллов, допускающих приварку ленточных выводов.
Технический результат предлагаемого устройства заключается:
1. В существенном уменьшении и выравнивании значений паразитной индуктивности в проводящих контурах модуля при использовании полупроводниковых кристаллов типовой конструкции за счет сокращения линейных размеров проволочных соединений и применения ленточных проводящих шин.
2. В возможности подключения трехфазной нагрузки, соединенной по схеме «треугольника» без внесения дополнительной паразитной индуктивности монтажа.
3. В универсальности топологии монтажных соединений на каждой керамической плате и возможности выравнивания мощности потерь между отдельными кристаллами ключей и керамическими платами.
Технический результат достигается тем, что в 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 отдельной керамической платы, при этом сами керамические платы нижнем 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 сформирована вторая дополнительная 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 со второй дополнительной 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.
Другой технический результат достигается благодаря тому, что многокристальный силовой модуль содержит второй силовой вывод на стороне переменного тока модуля, который служит контактным соединением между верхним основанием третьей керамической платы и второй дополнительной площадкой пятой керамической платы, при этом первый силовой вывод на стороне переменного тока модуля служит контактным соединением между дополнительной контактной площадкой второй керамической платы и второй дополнительной контактной площадкой пятой керамической платы.
Еще один технический результат достигается благодаря тому, что на верхних основаниях пятой и шестой керамических плат многокристального силового модуля нижним основанием установлены пятый и шестой кристаллы полупроводниковых ключей, соответственно, при этом контактные площадки верхнего основания данных кристаллов при помощи проводящих проволок соединены с дополнительными контактными площадками одноименных керамических плат.
Полезная модель иллюстрируется приложенными чертежами, на которых одинаковые элементы обозначены одними и теми же ссылочными позициями.
На Фиг. 1 представлен многокристальный силовой модуль по первому пункту осуществления.
На Фиг. 2 представлена электрическая схема соединений в многокристальном силовом модуле по первому пункту осуществления.
На Фиг. 3 представлен фрагмент многокристального силового модуля ближайшего аналога с проволочным соединением между кристаллами.
На Фиг. 4 представлен фрагмент многокристального силового модуля ближайшего аналога с соединением между кристаллами в виде полосковой шины.
На Фиг. 5 представлен фрагмент многокристального силового модуля с проволочным и ленточным соединением.
На Фиг. 6 представлен многокристальный силовой модуль по второму пункту осуществления.
На Фиг. 7 представлена электрическая схема соединений в многокристальном силовом модуле по второму пункту осуществления.
На Фиг. 8 представлен многокристальный силовой модуль по третьему пункту осуществления.
На Фиг. 9 представлена электрическая схема соединений в многокристальном силовом модуле по третьему пункту осуществления.
На Фиг. 10 представлена диаграмма переходного процесса выключения силового ключа в «коротком» контуре модуля.
На Фиг. 11 представлена диаграмма переходного процесса выключения силового ключа в «длинном» контуре модуля.
Силовой модуль (Фиг.1) содержит четыре кристалла полупроводниковых ключей (позиции 1к, 2к, 3к и 4к), четыре кристалла встречно-параллельных диодов (позиции 1д, 2д, 3д и 4д), два кристалла фиксирующих диодов (позиции 5д и 6д), шесть керамических плат 7 с двусторонним металлическим покрытием, базовую плату - теплоотвод 8, три силовых вывода на стороне постоянного тока модуля (позиции 9, 10 и 11) и один силовой вывод на стороне переменного тока модуля 12.
Кристалл каждого полупроводникового ключа имеет нижнее металлизированное основание (коллектор, сток) и верхнее основание с металлизированной контактной площадкой (эмиттер, исток). Кристалл каждого диода имеет нижнее металлизированное основание (катод) и верхнее основание с металлизированной контактной площадкой (анод).
Каждый кристалл полупроводникового ключа с кристаллом встречно-параллельного диода, а также каждый кристалл фиксирующего диода нижним основанием установлены на верхнем основании 13 одноименных керамических плат 7, при этом сами керамические платы 7 нижнем основанием установлены на базовой плате-теплоотводе 8.
На верхнем основании каждой керамической платы 7 сформирована дополнительная контактная площадка 14, которая при помощи проводящих проволок 15 соединена с контактными площадками на верхних основаниях кристаллов ключей и диодов, расположенных на данной плате. Верхнее основание первой керамической платы соединено с первым силовым выводом 9 на стороне постоянного тока модуля. Верхнее основание шестой керамической платы соединено со вторым силовым выводом 10 на стороне постоянного тока модуля. Дополнительная контактная площадка четвертой керамической платы соединена с третьим силовым выводом 11 на стороне постоянного тока модуля. На верхнем основании пятой керамической платы сформирована вторая дополнительная контактная площадка 16, которая соединена с силовым выводом 12 на стороне переменного тока модуля. Соединения между керамическими платами выполнены ленточными проводящими шинами 17, 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 со второй дополнительной площадкой 16 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.
В соответствии с Фиг. 6 силовой модуль содержит второй силовой вывод 18 на стороне переменного тока модуля, который служит контактным соединением между верхним основанием третьей керамической платы и второй дополнительной площадкой 16 пятой керамической платы. При этом первый силовой вывод 12 на стороне переменного тока модуля служит контактным соединением между дополнительной контактной площадкой второй керамической платы и второй дополнительной контактной площадкой 16 пятой керамической платы.
В соответствии с Фиг. 8 на верхних основаниях пятой и шестой керамических плат силового модуля нижним основанием установлены пятый 5к и шестой 6к кристаллы полупроводниковых ключей, соответственно, при этом контактные площадки верхнего основания данных кристаллов при помощи проводящих проволок 15 соединены с дополнительными контактными площадками 14 одноименных керамических плат 7.
Работа 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 их них в процессе коммутации участвуют по два полупроводниковых элемента, 1к - 5д и 4к - 6д, 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, 5д - 2к - 3д - 4д и 6д - 3к - 1д - 2д, 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 модуля.
2
Интегральная конструкция модуля позволяет понизить величину паразитной индуктивности. Однако при использовании типовой технологии проволочных монтажных соединений (Фиг. 3) проблема решается частично, поскольку разброс индуктивности между несимметричными контурами остается относительно большим. Монтажное соединение между шинами шириной 10 мм, выполненное при помощи шести параллельных алюминиевых проволок с площадью сечения 0,04 мм и длиной 10 мм, вносит в проводящий контур модуля паразитную индуктивность 5 нГн. При этом суммарная паразитная индуктивность в «длинном» контуре модуля будет иметь величину примерно 75 нГн, что вдвое больше, чем в «коротком» контуре. Для получения минимально допустимой паразитной индуктивности необходимо применять монтажные соединения, состоящие из набора не менее 50 проволок.
Существенные снижение паразитной индуктивности обеспечивает технология полосковых (ленточных) шин, подключаемых с помощью сварки к полупроводниковым кристаллам модуля (Фиг. 4). В сравнении с технологией проволочного монтажа полосковая шина длиной 10 мм и шириной 10 мм имеет собственную индуктивность не более 2 нГн.
Однако исследования характеристик ленточных проводников и качества их сварных соединений выявили факт зависимости количества отказов от толщины алюминия на контактной площадке полупроводникового кристалла. При толщине алюминия 4,5 мкм, что является типовой величиной для контактных площадок стандартных чипов, количество отказов достигает 30% от общего числа испытанных приборов. В тех же условиях при толщине алюминия 10 мкм отказов практически не наблюдается.
Это условие значительно ограничивает выбор полупроводниковых чипов для применения в силовом модуле с полосковыми соединениями, поскольку требует специальных типов кристаллов, допускающих приварку ленточных выводов.
В представленном силовом модуле применено новое техническое решение, максимально технологичное и не требующее внесения изменений в конструкцию чипов. Оно основано на создании промежуточных контактных площадок 14 на керамических платах 7 модуля, наиболее близко расположенных к полупроводниковым кристаллам. За счет этого длина проволочных алюминиевых соединений 15 кристалла с промежуточной дорожкой предельно минимизирована, а паразитная индуктивность снижена до значения 1,5 нГн. При этом дальнейший токоотвод выполнен с применением ленточных медных перемычек 17, индуктивность которых составляет не более 2 нГн (Фиг. 5).
При использовании силового модуля в трехфазном инверторе напряжения, нагрузка которого соединена по схеме «треугольника», силовой вывод на стороне переменного тока должен подключаться сразу к двум силовым шинам нагрузки. Для минимизации паразитной индуктивности монтажа в конструкцию силового модуля введен второй силовой вывод 18 на стороне переменного тока модуля. Симметричное расположение двух силовых выводов 12 и 18 на стороне переменного тока позволяет обеспечить подключение модуля к разным силовым шинам нагрузки.
Исследование температурного поля силового модуля показывает, что наиболее разогретыми частями конструкции в процессе работы являются центральные области первой и четвертой керамической платы модуля. Для выравнивания потерь мощности в ключевых элементах трехуровневого модуля применяется схема с активной фиксацией нулевой точки (Фиг. 9). Для реализации схемы активной фиксации, выравнивания температурного поля по площади базовой платы модуля и применения единой конструкции размещения чипов на керамических платах в многокристальный силовой модуль на верхние основания пятой и шестой керамических плат установлены полупроводниковые кристаллы дополнительных ключей 5к и 6к.
Для изготовления предложенного многокристального модуля была использована промышленная микроэлектронная технология силовых интегральных сборок и промышленное оборудование.
Изготовленная конструкция предложенного многокристального модуля позволила обеспечить значительное снижение и выравнивание паразитной индуктивности в проводящих контурах модуля. Измеренные величины суммарной паразитной индуктивности составили значения 23 нГн для «коротких» контуров и 30 нГн для «длинных» контуров, соответственно. Минимизация и выравнивание величин указанных индуктивностей позволило обеспечить практически одинаковую картину переходных процессов выключения силовых транзисторов в несимметричных контурах трехуровневой схемы, что иллюстрируется диаграммами на Фиг. 10 и Фиг. 11, соответственно.
Масштабы диаграмм, представленных на Фиг. 10 и Фиг. 11:
По вертикали:
Напряжение ключа (канал 2) - 100 В/дел.
Ток ключа (канал 3) - 20 А/дел.
По горизонтали: Время - 200 нс/дел.