ПОДМОДУЛЬ ПОЛУМОСТОВОЙ СИЛОВОГО ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО МОДУЛЯ

Изобретение относится к силовым полупроводниковым модулям и может использоваться в преобразовательной технике.

Основной проблемой, которую решают производители полупроводниковых модулей (подмодулей) со схемой полумоста (транзисторного, транзисторно-диодного, диодного), является снижение «выбросов» напряжения на транзисторах (после их запирания) или на диодах (после восстановления из непроводящего состояния) за пределы напряжения DC-конденсатора. Эти выбросы возникают вследствие наличия паразитных индуктивностей как во внутренних и внешних тоководах DC, включая паразитную индуктивность контура DC, образуемого как внутренними тоководами самого подмодуля: DC+, DC- и тоководами, соединяющими полупроводниковые элементы плеч молумоста между собой, так и внешними тоководами, соединяющими внутренние тоководы модуля DC+ и DC- с буферным DC-конденсатором. Например, в транзисторном полумосте при запирании нижнего ключа, через который от токовода АС к тоководу DC- протекает ток внешней индуктивной цепи, скорость роста напряжения на запираемом ключе вначале ограничивается собственной емкостью полупроводниковых элементов и конструктивными емкостями подмодуля. После достижения напряжением на запираемом ключе уровня напряжения DC полумоста открывается диод в верхнем плече полумоста, который перенаправляет внешний ток АС через токовод DC+ в DC-конденсатор. При этом в диоде ток должен увеличиться скачком на величину, равную внешнему току АС. Но упомянутая паразитная индуктивность препятствует этому процессу: для разгона в ней тока требуется наличие на ней определенного напряжения, равного ЭДС самоиндукции, которое и будет вышеупомянутым «выбросом напряжения».

Оценим допустимую величину паразитной индуктивности L_П упомянутого контура полумоста для модулей IGBT. Возьмем допустимую величину «выброса напряжения» равной 200 В.

Скорость спада тока для одного кристалла IGBT среднего быстродействия на ток 100 А равна Тогда для модуля на 600 А, т.е. с ключами из 6-и кристаллов:

Приблизительно такое значение индуктивности (15 нГ) и имеют, например, серийные модули SKM600GB126D [1] в корпусе SEMITRANS-3.

Переход на более высокие рабочие частоты преобразования и повышение КПД требует применения более быстродействующих транзисторов, что влечет необходимость разработки менее индуктивных корпусов. Для более быстродействующих силовых SiC транзисторов на 1200 В C2M0080120D [2] время спада тока менее 20 нс, поэтому для коммутируемого тока 600 А модулем из таких кристаллов имеем:

Это подтверждает последняя разработка ф.Cree - низкопрофильный модуль CAS325M12HM2 [3] - он имеет индуктивность около 5 нГ.

В эту оценку индуктивности входят в качестве слагаемого и паразитная индуктивность вешних буферных конденсаторов между внешними DC-тоководами и индуктивность внешних DC-тоководов. Например, для конденсатора B32656S (ф.Epcos) емкостью 2,2 мкФ (1250 В) [4] имеем величину суммы упомянутых паразитных индуктивностей 1 нГ. Параллельное соединение таких конденсаторов снизит паразитную индуктивность до долей нГ. Поэтому необходимо отметить, что необходимость в постановке буферных DC-конденсаторов внутрь модуля непосредственно на подложку с целью минимизации упомянутых паразитных индуктивностей практически отпадает (исключение составляет случай, когда длительности фронтов - менее единиц нс, а коммутируемые токи - более десятков А).

Таким образом, для обеспечения гарантированного безопасного режима работы современных модулей на сотни Ампер суммарная величина паразитных индуктивностей DC-контура внутри подмодуля не должна превышать (2÷3) нГ.

Тоководы упомянутого контура полумоста современных низкоиндуктивных подмодулей выполнены полосковыми так, что их длина в разы меньше ширины. Например, низкопрофильный серийный силовой полумостовой модуль CAS325M12HM2 характеризуется расположением полупроводниковых элементов параллельными рядами при параллельном их соединении внутри каждого ряда. Ток протекает в поперечном направлении к этим рядам по сплошным токоведущим полигонам подложки. Сужение линий тока происходит только в областях токопроводящих перемычек, соединяющих кристаллы полупроводниковых элементов с полигонами. Однако выводы DC-тоководов разнесены по разные стороны от рядов полупроводниковых элементов, что существенно увеличивает площадь петли упомянутого контура и препятствует получению минимально возможной паразитной индуктивности даже при максимальном приближении буферного конденсатора питания к подмодулю.

Действительно, индуктивность контура, ограничиваемого двумя полосковыми плоскопараллельными тоководами шириной b и длиной расположенными друг над другом с зазором h, определяется в приближении (h<<b) формулой [5]:

Для рассмотренного подмодуля CAS325M12HM2 имеем: h≈10 мм, b≈100 мм, Тогда получаем L≈6 нГ, что достаточно близко к заявленному (5 нГ).

Одним из путей снижения паразитной индуктивности контура является снижение толщины DC контура до h≈1 мм, ограничиваемого технологическими и физическими факторами. В этом случае основной вклад в суммарную индуктивность уже будут вносить неоднородности тоководов, например токопроводящие перемычки. Они обычно выполняются шлейфом, состоящим из проволочек или полосок. Суммарная ширина этих шлейфов в каждом ряду в несколько раз меньше ширины b сплошного токовода, особенно при выполнении перекрестий тоководов в виде «гребенок». Поэтому при суммарной длине этих участков примерно 20 мм и длине имеем ощутимый вклад в паразитную индуктивность DC контура.

Таким образом, при оценке величины паразитной индуктивности DC контура подмодуля необходимо учитывать не только соотношение габаритных размеров этого контура, но и неоднородности тоководов.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа [6, fig.8c], является силовой полумостовой полупроводниковый модуль, содержащий электроизоляционную теплопроводящую подложку с токоведущим слоем, имеющим силовые полигоны расположенные по порядку: DC+, первый полигон AC; DC- и второй полигон АС. На полигонах DC+ и втором АС расположены параллельные ряды силовых полупроводниковых элементов, образующие, соответственно, верхнее и нижнее плечи полумоста. Три максимально возможно широких полосковых силовых вывода модуля расположены параллельно рядам полупроводниковых элементов и присоединены к соответствующим полигонам по всей ширине: выводы DC+ и DC- подсоединены к соответствующим полигонам, а вывод АС - к перемычке между полигонами АС. Все три вывода максимально возможно сближены между собой на толщину необходимой изоляции.

Недостатком такой конструкции является невозможность сделать количество перекрестий тоководов меньше трех. Это оставляет нереализованным потенциал снижения паразитных индуктивностей тоководов.

Задача изобретения - повышение надежности полупроводникового силового подмодуля.

Техническим результатом заявленного изобретения является снижение выбросов напряжения на силовых полупроводниковых элементах полумостового подмодуля, возникающих вследствие наличия паразитных индуктивностей в тоководах полумостового подмодуля.

Технический результат достигается тем, что в подмодуль полумостовой силового полупроводникового модуля, содержащий электроизоляционную теплопроводящую подложку с токоведущим слоем, имеющим силовые полигоны: первый DC+ и АС, на которых расположены параллельные ряды силовых полупроводниковых элементов, образующие плечи полумоста; три максимально возможно широких полосковых силовых вывода полумоста, расположенных параллельно рядам полупроводниковых элементов, причем вывод АС подмодуля подсоединен по всей своей ширине к полигону АС, а выводы DC+ и DC-подмодуля расположены друг от друга на расстоянии, равном толщине необходимой изоляции, введена дополнительная подложка с токоведущим слоем, расположенная на полигоне АС вдоль и между рядами силовых полупроводниковых элементов, причем токоведущий слой разделен на силовые полигоны: второй DC+ и DC- так, что полигон DC- расположен вдоль и в непосредственной близости от ряда силовых полупроводниковых элементов нижнего плеча полумоста, к полигонам: второй DC+ и DC- по всей своей ширине подсоединены соответствующие силовые выводы DC+ и DC-подмодуля, вывод АС подмодуля подсоединен к полигону АС за пределами рядов кристаллов подмодуля, а необходимые для образования полумостовой схемы соединения между полигонами и(или) полупроводниковыми элементами выполнены гибкими тоководами, ширина которых обеспечивает максимальное покрытие ими ширины тоководов подмодуля.

Сущность заявленного изобретения поясняется чертежом, на котором схематично показан вертикальный разрез одного из вариантов полумостового подмодуля, выполненный в поперечном направлении к рядам полупроводниковых элементов.

Токоведущий слой электроизолирующей теплопроводящей подложки 1 разделен на токоведущие полигоны 2 и 3, на которых соответственно размещены ряды кристаллов транзисторов 4 верхнего плеча и 5 нижнего плеча полумоста, а также дополнительная электроизолирующая подложка 6, токоведущий слой которой разделен на токоведущие полигоны 7 и 8, к которым подсоединены, соответственно, выводы полумоста 9 (DC+) и 10 (DC-). С помощью перемычек 11, 12 и 13 выполнены соединения между элементами и полигонами, требуемые для построения схемы полумоста. Вывод 14 представляет собой АС-токовод полумоста.

Перемычки 11 и 12 образуют единственное пререкрестие тоководов (в виде «гребенки»). Тем самым количество перекрестий по сравнению с прототипом уменьшается с трех до одного.

Оценим дополнительную индуктивность одного перекрестия. Его можно осуществить в виде «гребенки» с шагом Н, равным шагу расположения полупроводниковых кристаллов в ряду, т.е. Н≈14 мм. Тогда при величине зазора между зубцами «гребенки» 3 мм (определяется требованием к электропрочности), ширина зубца будет: (14 мм / 2 зубца) - 3 мм = 4 мм.

Оценка индуктивности одного зубца шириной b≈4 мм и длиной при h≈2 мм по формуле (1) дает значение около 9 нГ.

Пренебрегая взаимоиндукцией между соседними зубцами при числе зубцов на каждом тоководе, равном 100 мм / 14 мм/шаг ≈ 7 зубцов, и учитывая, что на каждой гребенке пересекаются два токовода: прямой и обратный, получим по формуле (1) индуктивность тоководов на участке одной гребенки:

L_{ГРЕБЕНКИ}≈(8 нГ / 7 зубцов) * 2_{ТОКОВОДА} ≈ 2 нГ.

Если бы вместо перекрестья тоководов была бы полосковая линия с теми же параметрами: b=100 мм, и h≈1 мм, то ее индуктивность была бы около 0,2 нГ. Таким образом, устранение только одного перекрестия при сохранении прежней длины контура питания уменьшает индуктивность контура питания на 2 нГ - 0,2 нГ = 1,8 нГ. В нашем случае устраняются два перекрестья, что дает снижение паразитной индуктивности примерно на 3,6 нГ, что сопоставимо с ранее посчитанной предельной величиной, составляющей 5 нГ.

Пересчет на «выброс» напряжения на полупроводниковом элементе для дает значение:

что является значительной частью допустимого полного запаса, приблизительно равного 200 В.

Таким образом, заявляемое изобретение позволяет снизить выбросы напряжения на силовых полупроводниковых элементах полумостового подмодуля силового полупроводникового модуля, возникающие вследствие наличия паразитных индуктивностей в тоководах полумостового подмодуля.

Источники информации

1. www.semikron.com/dl/service-support/downloads/download/semikron-datasheet-skm600gb12t4-22892098

2. www.wolfspeed.com/downloads/dl/file/id/167/product/10/c2m0080120d.pdf

3. www.wolfspeed.com/downloads/dl/file/id/967/product/204/cas325m12hm2.pdf

4. en.tdk.eu/inf/20/20/db/fc_2009/MKP_B32651_658.pdf

5. П.Л. Калантаров, Л.А. Цейтлин. Расчет индуктивностей. 1986.

6. Патент US 7,791,208 В2, Power semiconductor arrangement, Infineon Technologies AG, 2010, Priority 2007, Fig.8c.