МОДУЛЬ СИЛОВОГО ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ЭЛЕМЕНТА С ОБРАЗУЮЩЕЙ РЕЗЕРВУАР ПРИЖИМНОЙ ПЛАСТИНОЙ
MODULE OF POWER SEMICONDUCTOR ELEMENT WITH RESERVOIR FORMING PRESSURE PLATE

Настоящее изобретение относится к модулю силового полупроводникового элемента для закрепления на охлаждающем теле, а также к системе из такого модуля и охлаждающего тела. Модуль включает в себя средства для так называемого прижимного контактирования силового полупроводникового элемента. Касательно встречающихся именно в силовой полупроводниковой электронике проблем при тепловых переменных нагрузках были разработаны для контактирования конструктивных элементов, устойчивых к высокому напряжению и многоамперному току, подобные прижимные контакты. Примерами таких устойчивых к высокому напряжению полупроводниковых элементов являются высоковольтные тиристоры, которые являются центральными конструктивными элементами в высоковольтных преобразователях для распределения электрической энергии. В частности, для таких установок имеют место высокие требования к надежности конструктивных элементов.
Силовые полупроводниковые элементы или тому подобное контактируют на принимающем электронные конструктивные элементы носителе посредством предварительно напряженных пружиной прижимных контактов или тому подобного. При этом также установление и поддержание механического и таким образом электрического контакта между контактной областью электронного конструктивного элемента и проводящим ток контактом осуществляется по существу приложенными механически усилиями. Это имеет то преимущество, что посредством соответствующей регулировки механических усилий - например, натяжными устройствами или пружинами - могут в достаточной степени учитываться тепловые переменные нагрузки, возникающие из-за связанных с этой механической фиксацией механических допусков.
Полупроводниковый элемент находится для предотвращения возможных повреждений посредством перегрева помимо этого в теплопроводном контакте с охлаждающим телом. При помощи охлаждающего тела повышается площадь теплоотдающей поверхности, и тем самым улучшается теплопередача от полупроводникового элемента в окружающую среду, такую как воздух. У известных модулей имеется массивная металлическая воспринимающая давление пластина, которая с одной стороны находится в тепловом контакте с полупроводниковым элементом, а с другой стороны с охлаждающим телом. У имеющихся корпусов воспринимающая давление пластина, называемая также прижимной пластиной, служит не только для теплопередачи между силовым полупроводниковым элементом и охлаждающим телом, но и в первую очередь в качестве опоры для средств прижимного контактирования. Для обеспечения электрического контактирования конструктивного элемента она нагружается прижимным давлением, например от 10 до 20 МПа. Так как тепло должно отводиться через и посредством этой пластины, ее тепловое сопротивление оказывает принципиальное отрицательное воздействие на отведение тепла. Однако на практике возникает помимо этого проблема недостаточного теплового контакта между этой пластиной и охлаждающим телом. Для предотвращения изгибных деформаций на основе прижимных усилий и прилегающих таким образом изгибающих моментов воспринимающая давление пластина разработана в уровне техники как раз сравнительно массивной, с тем недостатком, что эта пластина даже незначительные отклонения от заданной формы области контакта, такие как шероховатости или возникающие из-за вышеупомянутых изгибных деформаций отклонения, между охлаждающим телом и этой пластиной не в состоянии компенсировать. Таким образом, существует та опасность, что теплопередача от силового полупроводникового элемента на охлаждающее тело ухудшена. Ввиду теплового сопротивления существует опасность разрушения и выхода из строя силового полупроводникового элемента.
Исходя из этих недостатков, данное изобретение имеет своей целью предоставить модуль силового полупроводникового элемента для закрепления на охлаждающем теле, а также соответствующую систему из модуля и охлаждающего тела, при помощи которых теплопередача между силовым полупроводниковым элементом и охлаждающим телом улучшается или обеспечивается и, в частности, модуль силового полупроводника может легче заливаться заливочной массой. Эта задача решается согласно изобретению с помощью модуля с признаками пункта 1 формулы изобретения. Дальнейшие, наиболее предпочтительные варианты осуществления изобретения раскрывают зависимые пункты формулы изобретения. Одинаково предпочтительное применение и способ монтажа являются в каждом случае предметом дополнительных независимых пунктов формулы изобретения. Следует указать на то, что указанные по отдельности в формуле изобретения признаки могут произвольным, технически целесообразным образом комбинироваться друг с другом и показывают дальнейшие варианты осуществления изобретения. Описание дополнительно характеризует и уточняет изобретение, в частности, в связи с фигурами.
Настоящее изобретение относится к модулю силового полупроводникового элемента, называемому в дальнейшем также кратко модулем, для закрепления на охлаждающем теле, для того чтобы таким образом отходящее тепло, по меньшей мере, одного силового полупроводникового элемента вводить в охлаждающее тело. В отношении силового полупроводникового элемента и его количества изобретение не ограничено. Предпочтительно он является кремниевым управляемым выпрямителем (SCR), регулятором мощности, силовым транзистором, биполярным транзистором с изолированным затвором (IGBT), полевым МОП- (металл-оксид-полупроводник) транзистором (MOSFET), силовым выпрямителем, диодом, например диодом Шоттки, полевым транзистором с p-n-переходом (J-FET), тиристором, например запираемым тиристором, тиристором с затвором, симметричным триодным тиристором (TRIAC), симметричным диодным тиристором (DIAC) или фототиристором. При нескольких силовых полупроводниковых элементах согласно изобретению охвачена любая комбинация из этого. Например, по меньшей мере, один силовой полупроводниковый элемент имеет дискообразный внешний вид, причем одна из плоских основных сторон должна быть обращена к охлаждающему телу. Силовые полупроводниковые элементы соединены, например, по схеме полумоста, полного моста или трехфазного моста.
Согласно изобретению предусмотрены помимо этого средства контактирования, для того чтобы электрически контактировать, по меньшей мере, с одним силовым полупроводниковым элементом. Например, средства контактирования расположены, по меньшей мере, частично между описанными ниже средствами предварительного напряжения и силовым полупроводниковым элементом. Например, средства контактирования имеют, по меньшей мере, одну плоскую контактную область для контактирования касанием с конструктивным элементом и на своем другом конце выполнены в соответствии с необходимой технологией соединения, например, в виде штекерного контакта типа "папа" и/или резьбового соединения.
Согласно изобретению предусмотрена далее выполненная, по меньшей мере, в отдельных областях теплопроводной прижимная пластина. Например, прижимная пластина выполнена теплопроводной полностью теплопроводной или теплопроводной только в одной или нескольких областях. Например, пластина, по меньшей мере, в отдельных областях или полностью состоит из металла и/или металлического сплава и/или керамики. Предпочтительно прижимная пластина имеет, по меньшей мере, в теплопроводной области или теплопроводных областях алюминий или медь или керамику из нитрида алюминия. В другом варианте осуществления пластина состоит из пластика, такого как термопласт, который в теплопроводной области или теплопроводных областях имеет металлические частицы. Например, прижимная пластина изготовлена из пластичного, теплопроводного материала, такого как медь. Сравнительно высокая пластичность прижимной пластины по сравнению с материалами, которые используются для прилегающих к прижимной пластине элементов, таких как охлаждающее тело или описанная ниже, изолирующая электричество промежуточная пластина, улучшает теплопередачу между охлаждающим телом и силовым полупроводниковым элементом, так как пластичный материал может благодаря своей высокой пластичности компенсировать неровности в области контакта.
Кроме того, предусмотрены согласно изобретению средства предварительного напряжения, которые рассчитаны для того, чтобы предварительно напрягать средства контактирования к силовому полупроводниковому элементу для электрического контактирования, а силовой полупроводниковый элемент, по меньшей мере, к одной теплопроводной области прижимной пластины, предпочтительно в направлении охлаждающего тела, для термического контактирования. Согласно изобретению средства предварительного напряжения принимают как функцию электрического прижимного контактирования, так и функцию теплового контактирования между силовым полупроводниковым элементом и прижимной пластиной, соответственно, охлаждающим телом благодаря тому, что они расположены, например, таким образом, что после монтажа силового полупроводникового элемента средства контактирования зажаты между охлаждающим телом и средством предварительного напряжения. Существуют принципиальные преимущества предусмотренного согласно изобретению прижимного контактирования, а именно то, что можно отказаться от контактирования пайкой, которое имеет тот недостаток, что оно менее термически устойчиво. Прижимное контактирование гарантирует помимо этого то, что в случае неисправности при так называемом "сваривании" силового полупроводникового элемента возникает короткое замыкание, которое может быть обнаружено.
Далее предусмотрены крепежные средства для закрепления средств предварительного напряжения на охлаждающем теле, причем крепежные средства включают в себя, по меньшей мере, в отдельных областях теплопроводную прижимную пластину.
Согласно изобретению, по меньшей мере, в отдельных областях теплопроводная прижимная пластина образует, по меньшей мере, один окружающий силовой полупроводниковый элемент или при необходимости все силовые полупроводниковые элементы резервуар (карман). В качестве резервуара понимается гнездо с дном и окружающей стенкой, причем силовой полупроводниковый элемент расположен в гнезде. Окружающая стенка приводит к механической устойчивости прижимной пластины, так что, в частности, толщина материала прижимной пластины в предусмотренной для расположения между силовым полупроводниковым элементом и охлаждающим телом области может для лучшей теплопередачи уменьшаться, не угрожая при этом механической устойчивости прижимной пластины, в частности, при ее использовании в качестве опоры для средств предварительного напряжения. Существует далее таким образом возможность перейти на сравнительно более подходящие или более легкие материалы, такие как алюминий, для прижимной пластины, не угрожая устойчивости прижимной пластины. Одновременно существует благодаря форме резервуара возможность использовать заполняющую резервуар полностью или частично заливочную массу, для того чтобы, по меньшей мере, один силовой полупроводниковый элемент защищать от грязи и влаги. Для того чтобы защищать расположенные в модуле силовые полупроводниковые элементы, и для обеспечения достаточной электрической изоляции компоненты, в частности силовые полупроводниковые элементы, покрыты в корпусе мягкой заливочной массой (например, силиконовым гелем, который относится к группе холодно-вулканизируемых, двухкомпонентных кремнийорганических эластомеров) и тем самым защищены. Далее может быть предусмотрено покрытие из эпоксидной смолы.
Окружающая стенка и вызванное ею придание устойчивости, в частности, также относительно изгибающей нагрузки от средств предварительного напряжения, предотвращают таким образом при сравнительно небольших размерах и одновременно хорошей теплопроводности изгиб в области присоединения к охлаждающему телу, так что в итоге не доходит за счет механической деформации до нарушения термического соединения с охлаждающим телом. Высокая механическая устойчивость прижимной пластины обеспечивает помимо этого в варианте осуществления надежное закрепление средств предварительного напряжения на охлаждающем теле через прижимную пластину. Прижимная пластина закрепляется со своей стороны, например, винтами на охлаждающем теле.
Согласно предпочтительному варианту осуществления прижимная пластина имеет на своей обращенной к силовому полупроводниковому элементу стороне седло, например, для силового полупроводникового элемента и/или для опционально предусмотренной между силовым полупроводниковым элементом и прижимной пластиной, изолирующей электричество промежуточной пластины и/или для средств контактирования. Предпочтительно седло совпадает в каждом случае с одной из теплопроводных областей. Тем самым существует возможность предварительно напрягать силовой полупроводниковый элемент средствами предварительного напряжения к прижимной пластине, то есть в седло прижимной пластины, даже при отсутствующем охлаждающем теле. Таким образом, силовой полупроводниковый элемент не может потеряться. Далее существует возможность модуль предварительно собирать и в смонтированном состоянии хранить и транспортировать.
Теплопроводная область выполнена предпочтительно таким образом, что она имеет поперечное сечение, которое практически конгруэнтно с предусмотренной для термического соединения поверхностью силового полупроводникового элемента. Предпочтительно теплопроводная область выполнена круглой.
Предпочтительно седло выполнено в виде посадки с зазором или посадки с натягом для силового полупроводникового элемента и/или изолирующей электричество промежуточной пластины и/или средств контактирования. Седло выполняется, например, посредством нескольких образованных прижимной пластиной ребер. Наиболее предпочтительно седло выполняется посредством утопленной поверхности прилегания, например, утопленной относительно окружающей поверхности прижимной пластины в диапазоне от 0,5 до 2 мм. В варианте осуществления предусмотрены комбинации из ребер и утопленной поверхности прилегания.
Предпочтительно средства предварительного напряжения включают в себя тарельчатую пружину или пластинчатую пружину.
Далее, согласно дальнейшему предпочтительному варианту осуществления модуль включает в себя упомянутую выше, проводящую тепло, изолирующую электричество промежуточную пластину для расположения между силовым полупроводниковым элементом и охлаждающим телом. Например, пластина изготовлена по существу или полностью из керамики из нитрида алюминия.
Предпочтительно при помощи средств предварительного напряжения предварительное напряжение может регулироваться. Для этого средства предварительного напряжения включают в себя, например, по меньшей мере, одно резьбовое соединение. Таким образом, давление для теплового и электрического контактирования силового полупроводникового элемента с охлаждающим телом или средств контактирования с конструктивным элементом может средствами предварительного напряжения, например, резьбовым соединением, регулироваться и/или подстраиваться.
Согласно одному предпочтительному варианту изобретения, модуль силового полупроводника включает в себя колпак или крышку, чтобы вместе с резервуаром задавать полый объем для приема упомянутого, по меньшей мере, одного силового полупроводникового элемента.
Далее изобретение относится к системе из модуля в одном из вышеописанных предпочтительных вариантов осуществления и охлаждающего тела, например, ребристого охлаждающего тела. Оно состоит, например, из алюминия.
Далее изобретение относится к применению модуля для выключения, регулирования и/или выпрямления электрического тока, в частности, токов до 800 А и напряжений до 3600 В.
Дальнейшие признаки и преимущества изобретения проистекают из остальных пунктов формулы изобретения, а также последующего описания примеров осуществления изобретения, которые должны пониматься как неограничивающие и в дальнейшем разъясняются более подробно со ссылкой на чертежи. На этом чертежах схематично показаны:
фиг.1 - вид в перспективе сбоку соответствующей изобретению прижимной пластины 1 в одном варианте осуществления;
фиг.2 - вид в перспективе сбоку другого варианта осуществления соответствующей изобретению прижимной пластины 1 с вставленными в нее нижними средствами контактирования;
фиг.3 - вид в перспективе сбоку показанного на фиг.1 варианта осуществления соответствующей изобретению прижимной пластины 1 с вставленными в нее силовыми полупроводниковыми элементами и комплектующими средствами контактирования;
фиг.4 - вид в перспективе сбоку показанного на фиг.1 варианта осуществления соответствующей изобретению прижимной пластины 1 с вставленными в нее силовыми полупроводниковыми элементами и комплектующими средствами предварительного напряжения; и
фиг.5 - вид в перспективе соответствующего изобретению модуля 20, который был укомплектован посредством надевания колпака на показанную на фиг.4 прижимную пластину 1 и закреплен на охлаждающем теле.
На фиг.1 подробно показана прижимная пластина 1 соответствующего изобретению, показанного на фиг.5 модуля 20, который является частью крепежных средств, при помощи которых показанный на фиг.5 модуль 20 закрепляется на неизображенном охлаждающем теле, благодаря тому, что поверхность 8, а именно отвернутая от наблюдателя сторона на фиг.1, прилегает к охлаждающему телу. Поверхность 8 выполнена, в общем и целом, плоской. Для закрепления прижимной пластины 1 она имеет четыре отверстия 7. При помощи проходящих сквозь отверстия 7, неизображенных винтов осуществляется разъемное закрепление прижимной пластины 1 и тем самым модуля 20 с фиг.5 на охлаждающем теле. Прижимная пластина 1 изготовлена из алюминия и посредством задающего ее форму литья и имеет наряду с дном 10 проходящую по периметру (окружную), выполненную за одно целое с дном 10 стенку 3. Так как прижимная пластина 1 изготовлена из алюминия, она полностью теплопроводна. Следовательно, прижимная пластина 1 теплопроводна в данном случае не только в отдельных областях. Эта стенка 3 представляет собой механическое усиление прижимной пластины 1, так что дно 10 может оказываться сравнительно тонким. Стенка 3 определяет резервуароподобную (карманоподобную) выемку 9, которая в данном случае разделена не достигающей высоты стенки промежуточной перемычкой 5 на две предусмотренные в каждом случае для отдельного силового полупроводникового элемента камеры. Резервуар 9 служит помимо этого для приема неизображенной заливочной массы. В стенке 3 выполнены отверстия 4, которые служат для закрепления средств предварительного напряжения, которые разъясняются более подробно при помощи фиг.4. В прижимной пластине 1 выполнено седло 2, 6. Седло образуется с одной стороны круглым углублением 2 на заданной дном 10 поверхности, а с другой стороны парами диаметрально противоположных ребер 6 и служит в совокупности для установления и позиционирования прилегающей к прижимной пластине 1 изолирующей шайбы и части 11 средств контактирования, как показано на фиг.2. На фиг.2 показан другой вариант осуществления соответствующей изобретению прижимной пластины 1, в котором отказались от выполнения ребер 6 с фиг.1.
На фиг.3 показано состояние монтажа, в котором два силовых полупроводниковых элемента 12 вставлены в резервуар 9, и укомплектованы включающими в себя нагрузочные 11 и управляющие 16 присоединительные элементы средствами 11, 16 контактирования. На фиг.4 смонтированы средства 13, 14 предварительного напряжения. Для этого на каждый силовой полупроводниковый элемент 12 предусмотрена перекрывающая этот элемент 12 и расположенную над ним тарельчатую пружину 19 пластина 14, которые при помощи винтов 13, которые входят в отверстия 4 прижимной пластины 1, предварительно напрягают силовые полупроводники 12 к прижимной пластине 1 в направлении неизображенного охлаждающего тела, для того чтобы посредством прижимного контактирования обеспечивать и электрическое, и тепловое контактирование. Благодаря винтам 13 предварительное напряжение может регулироваться.
Фиг.5 показывает собранный до конца после заливки неизображенной заливочной массой и после покрытия прижимной пластины 1 колпаком 15 модуль 20. Колпак 15 имеет проемы, так что нагрузочные выводы 11 и управляющие выводы 16 остаются доступными снаружи для электрического контактирования. Кроме того, показаны относящиеся к крепежным средствам винты 17, которые проходят сквозь отверстия 7 прижимной пластины 1, чтобы привинчивать ее поверхностью 8 к охлаждающему телу 18 с прилеганием к нему.