СИЛОВОЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ МОДУЛЬ

Область техники

Изобретение касается области силовой электроники. Оно относится к силовому полупроводниковому модулю в соответствии с ограничительной частью п.1 формулы изобретения.

Уровень техники

В области больших мощностей силовые полупроводниковые модули изготавливаются техникой нажимных контактов. Такие силовые полупроводниковые модули находят применение в качестве мощных выключателей для высоких напряжений до 1000 кВ и силы тока до нескольких килоампер. Ввиду того, что биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT) в том виде, как он применяется в настоящее время в силовых полупроводниковых модулях, способен запирать лишь при напряжении около нескольких киловольт, то в одном мощном выключателе одновременно используется несколько силовых полупроводниковых модулей в виде, по меньшей мере, одного пакета с последовательным соединением. Пакет, содержащий до нескольких десятков силовых полупроводниковых модулей, спрессовывается при усилии до 100 кН.

Традиционный силовой полупроводниковый модуль, как он описан в ЕР 762496, содержит, как правило, несколько расположенных друг возле друга чипов, расположенных вместе с первым главным электродом на базовой плате. Вторые главные электроды чипов контактируют с множеством торцовых контактов. Базовая плата соединена с первым главным выводом, торцовые контакты соединены со вторым главным выводом. Главные выводы могут быть выполнены дискообразными и удерживаться вместе посредством фланцев. Торцовый контакт содержит, например, пружинные элементы, поджимающие отдельные чипы.

Отдельные чипы силовых полупроводниковых модулей объединены в несколько групп, образующих предварительно собранные блоки, так называемые субмодули. При этом чипы соединены между собой параллельно, например, биполярный транзистор с изолированным затвором и диодный чип расположены совместно в одном субмодуле.

Такой силовой полупроводниковый модуль описан в находящейся на стадии рассмотрения заявке на европейский патент №01810539.5 и схематически изображен на фиг.1. Эта фигура разделена на две равные части, причем на левой половине показана половина модуля в предварительно собранном виде и на правой половине - вторая половина этого модуля в окончательно собранном виде в составе пачки из трех модулей.

Модуль с тремя изображенными субмодулями 2 запрессован в базовую плату 12, обладающую высокой электро- и теплопроводностью, которая может представлять собой, например, охлаждаемую плату, омываемую охлаждающей жидкостью.

Уже в предварительном собранном виде субмодули 2, помещаемые сверху в изолированный корпус 5, подпружинены и запрессованы в верхнюю закрывающую плату 11, жестко связанную с изолированным корпусом. Подпружинивание обеспечивается пружинными элементами в отдельных субмодулях и передается на первые главные выводы 3. Вторые главные выводы 4 выступают внизу из изолированного корпуса 5 для обеспечения надежного контакта с базовой платой 12.

В собранном виде вторые главные выводы 4 субмодулей вдавливаются внутрь корпуса модуля прижимным усилием, воздействующим на базовую и верхнюю закрывающую платы. При этом происходит сжатие пружинных элементов, в результате чего на электроды чипов внутри субмодулей воздействует повышенное контактное усилие. В этом случае изолированный корпус не допускает слишком сильного сжатия пружинных элементов для предупреждения слишком большого контактного усилия.

Пакет из силовых полупроводниковых модулей может достигать в длину нескольких метров. Для обеспечения указанного выше прижатия по всей такой длине требуется осуществление дорогостоящих мер. Поэтому отмечается стремление повысить максимальное запирающее напряжение на единицу длины пакета с тем, чтобы можно было обойтись при заданном напряжении небольшим количеством силовых полупроводниковых модулей.

В результате повышения запирающего напряжения отдельных силовых полупроводниковых модулей становится возможным уменьшить высоту пакета и связанные с этим затраты. К сожалению, вряд ли возможно при сегодняшней технологии превысить указанное выше максимальное запирающее напряжение силовых чипов.

Из уровня техники известен полупроводниковый модуль, раскрытый в публикации WO 98/12748, в которой отдельные полупроводниковые чипы расположены в модуле. Чипы электрически соединены по одной из своих сторон главных электродов с охлаждающей платой. По другой стороне главных электродов чипы электрически изолированы от второй охлаждающей платы. Через электрическое соединение, выведенное наружу в виде электрического терминала, чипы соединены параллельно друг другу. Такой модуль должен обеспечивать эффективное двухстороннее охлаждение отдельных чипов. Чтобы повысить запирающее напряжение, потребовалась бы последовательное включение нескольких раскрытых в WO 98/12748 модулей, что привело бы к увеличению конструктивной высоты.

Краткое изложение сущности изобретения

Поэтому задачей настоящего изобретения является создание силового полупроводникового модуля указанного выше типа, обладающего более высоким запирающим напряжением на единицу монтажной высоты.

Согласно изобретению указанная задача решается посредством силового полупроводникового модуля, признаки которого указаны в п.1 формулы изобретения.

Силовой полупроводниковый модуль, согласно изобретению, содержит между двумя электрическими главными выводами, расположенными на противолежащих, преимущественно параллельных главных поверхностях модуля, по меньшей мере, два субмодуля. Субмодули имеют два электрических главных вывода, которые расположены каждый на одной из двух противолежащих, преимущественно параллельных главных поверхностях субмодулей. Субмодули содержат каждый, по меньшей мере, один чип с двумя главными электродами, соединенными электрически с главными выводами субмодуля. Субмодули расположены друг возле друга и прижаты к верхней закрывающей плате одной из обеих главных поверхностей. По меньшей мере, два субмодуля соединены между собой последовательно.

Благодаря последовательному соединению двух и более расположенных рядом субмодулей становится возможным увеличить по сравнению с традиционными силовыми полупроводниковыми модулями запирающее напряжение в два и более раза.

В результате снижаются длина и стоимость одного пакета, так как при одном и том же запирающем напряжении требуется меньше компонентов, в частности охлаждающих элементов.

Монтажная высота силового полупроводникового модуля увеличивается по сравнению с обычными силовыми полупроводниковыми модулями лишь незначительно. Однако такое дополнительное увеличение способствует механической прочности модуля, что особенно благоприятно при наличии длинных пакетов.

Кроме того, становится возможным применять при одинаковом или повышенном запирающем напряжении - по сравнению с обычными силовыми полупроводниковыми модулями - более эффективные чипы с пониженным запирающим напряжением. Ввиду того, что такие чипы с уменьшенным на половину запирающим напряжением вызывают вместе меньше потерь, чем отдельный чип с полным запирающим напряжением, то в традиционных пачках при тех же габаритах потери могут быть уменьшены благодаря силовым полупроводниковым модулям согласно изобретению.

В первом варианте выполнения силового полупроводникового модуля первый главный вывод, по меньшей мере, первого субмодуля электрически соединен с верхней закрывающей платой. Между вторым главным выводом, по меньшей мере, первого субмодуля и расположенной напротив верхней закрывающей платы главной поверхностью модуля расположен первый электроизоляционный слой, а между первым главным выводом, по меньшей мере, второго субмодуля и верхней закрывающей платой находится второй электроизоляционный слой. Второй главный вывод, по меньшей мере, второго субмодуля электрически соединен с вторым главным выводом модуля. Второй главный вывод, по меньшей мере, первого субмодуля электрически подключен к первому главному выводу, по меньшей мере, второго субмодуля через соединение.

Субмодули соединены электрически последовательно, в результате чего в силовом полупроводниковом модуле с полупроводниками "биполярные транзисторы с изолированным затвором" обеспечивается в два раза более высокое запирающее напряжение.

Во втором варианте выполнения силового полупроводникового модуля между первым главным выводом, по меньшей мере, первого субмодуля и противолежащей верхней закрывающей плате главной поверхностью модуля расположен первый электроизоляционный слой. Первый главный вывод, по меньшей мере, первого субмодуля электрически соединен через первое соединение с верхней закрывающей платой. Между вторым главным выводом, по меньшей мере, первого субмодуля и верхней закрывающей платой, а также между первым главным выводом, по меньшей мере, второго субмодуля и верхней закрывающей платой расположен второй электроизоляционный слой. Второй главный вывод, по меньшей мере, второго субмодуля электрически соединен со вторым главным выводом модуля. Второй главный вывод, по меньшей мере, первого субмодуля электрически соединен через второе соединение с первым главным выводом, по меньшей мере, второго субмодуля.

При одинаковой ориентации в модуле субмодули подключены встречно-последовательно. В результате с помощью полупроводников "биполярные транзисторы с изолированным затвором" создается отключаемый четырехквадрантный силовой полупроводниковый модуль, который применяется, например, в качестве выключателя переменного тока в матричных преобразователях тока.

Другие примеры осуществления изобретения и преимущества следуют из зависимых пунктов формулы изобретения.

Краткое описание чертежей

Ниже изобретение поясняется более подробно с помощью примеров его осуществления со ссылкой на чертежи, на которых:

фиг.1 - разрез по силовому полупроводниковому модулю из уровня техники в предварительно собранном состоянии (левая половина фигуры) и в окончательно собранном состоянии (правая половина фигуры);

фиг.2 - разрез по первому варианту выполнения силового полупроводникового модуля согласно изобретению с двумя последовательно соединенными субмодулями;

фиг.3 - разрез по силовому полупроводниковому модулю на фиг.2 с двумя встречно-последовательно подключенными субмодулями;

фиг.4 - схема силового полупроводникового модуля на фиг.2;

фиг.5 - схема силового полупроводникового модуля на фиг.3;

фиг.6 - разрез по силовому полупроводниковому модулю на фиг.3 в сборке.

Позиции и их значения на чертежах приведены в их перечне. В принципе на фигурах одинаковые элементы обозначены одинаковыми позициями.

Способ осуществления изобретения

На фиг.2 и 3 представлены два варианта выполнения силового полупроводникового модуля согласно изобретению. Модуль включает электропроводящую верхнюю закрывающую плату 11, электроизолированный корпус 5, жестко связанный с верхней закрывающей платой, и несколько субмодулей 21, 22.

Верхняя закрывающая плата 11 выполнена из металла с хорошей электро- и теплопроводимостью, например, из меди или алюминия. Она образует первый электрический главный вывод E₂₁ модуля, который электрически соединен в пачке, например, с главным выводом располагающегося над ним модуля.

Корпус 5 выполнен из электроизоляционного, механически и термически нагружаемого материала, например эпокси. Корпус содержит боковые стенки, на которые приходится основная доля усилия прижатия, воздействующего в пакете на модуль, а также донную часть. Верхняя закрывающая плата и донная часть корпуса образуют две противолежащие, преимущественно параллельные главные поверхности модуля. В донной части корпуса выполнены отверстия 51, через которые из корпуса пропущен второй главный электрический вывод модуля С₂₂.

Внутри модуля расположены друг возле друга два известных сами по себе силовых полупроводниковых модуля 21, 22. Как правило, субмодули содержат, как показано на фиг.1, несколько чипов, которые с первым главным электродом (анодом, эмиттером) расположены рядом на базовой плате и параллельно соединены. Вторые главные электроды (катод, коллектор) чипов контактируют с торцовыми контактами. Торцовые контакты соединены с одним первым главным выводом 3 субмодуля, базовая плата соединена с одним вторым главным выводом 4 субмодуля. Главные выводы субмодулей могут быть выполнены дискообразными и удерживаться вместе с помощью фланцев. Торцовый контакт содержит, например, пружинные элементы, поджимающие отдельные чипы. Другие (управляющие, затворные) выводы чипов для контактирования выведены из субмодуля сбоку или с одной из сторон главных выводов 3 или 4.

Оба субмодуля запрессованы между обеими главными поверхностями модуля, в частности, между верхней закрывающей платой 11 и не показанной, подведенной снизу к модулю базовой платой. Базовая плата, выполненная, например, в виде охлаждаемой платы, омываемой охлаждающей жидкостью, обладает хорошей электро- и теплопроводимостыо.

Модуль содержит расположенные сбоку выводы, выполненные из корпуса модуля, в зависимости от типа силовых полупроводниковых приборов это могут быть управляющие выводы G₂₁, G₂₂, а также выводы E₂₁ и С₂₁/Е₂₂, связанные с соответствующими главными выводами субмодулей.

В первом варианте выполнения силового полупроводникового модуля согласно изобретению, изображенном на фиг.2, первый субмодуль 21 примыкает своим первым главным выводом 3 первого субмодуля 21 непосредственно к верхней закрывающей плате 11 модуля и электрически соединен с ней. Вторым главным выводом 4 первого субмодуля 21 расположен первый субмодуль 21 на изолирующей несущей плате 6, состоящей в основном из слоя 61 из электроизоляционного и хорошо проводящего тепло материала. Изолирующая несущая плата 6 содержит преимущественно керамическую подложку с керамическим слоем, на который с обеих сторон нанесены медные слои. Медные слои обеспечивают надежные тепловые контакты и способствуют прочности платы.

Второй субмодуль 22 примыкает первым главным выводом 3 также к верхней закрывающей плате 11 модуля, но электрически изолирован от нее слоем 62 из электроизоляционного материала с высокой теплопроводностью. Вторым главным выводом 4 второго субмодуля 22 расположен второй субмодуль 22 в одном из отверстий 51 в донной части корпуса 5 таким образом, что второй главный вывод 4 образует при размещении модуля на базовой или охлаждаемой плате второй главный вывод С₂₂ модуля или вместе с изолирующей несущей платой 6 - главную поверхность модуля, противолежащую верхней закрывающей плате 11.

Изолирующая несущая плата 6 и второй субмодуль 22 расположены в отверстиях с возможностью перемещения. Если модуль располагают на базовой или охлаждаемой плате и соответственно нагружают его усилием прижатия, то изолирующую несущую плату 6 и второй субмодуль 22 размещают внутри корпуса модуля и прижимают к верхней закрывающей плате 11. Диапазон движений ограничивается изолирующим корпусом, в частности, стенками. Для предупреждения выпадения изолирующей несущей платы 6 и субмодуля 22 из корпуса модуля, в случае расположения модуля не на базовой или охлаждаемой плате, в зоне отверстий предусмотрены предохранительные средства. Ими могут служить, например, упоры на корпусе, соответственно ограничивающие свободу движения изолирующей несущей платы и субмодуля.

Оба субмодуля изображенного на фиг.2 первого варианта выполнения силового полупроводникового модуля согласно изобретению имеют электрическое последовательное соединение. Субмодули снабжены, например, одним или несколькими биполярными транзисторами с изолированным затвором и параллельно соединенным безынерционным диодом, в результате чего образуется схема подключения модуля, показанная на фиг.4.

Оба главных электрода субмодулей, которые соответствующим образом отделены от прилегающей главной поверхности модуля изоляционным слоем, и второй главный электрод 4 первого субмодуля 21, а также первый главный электрод 3 второго субмодуля 22 соединены электрически между собой.

На изолирующей несущей плате 6, между изоляционным слоем 61 и вторым главным выводом 4 первого субмодуля 21, расположен первый электропроводящий слой 71 межсоединений. При этом им является, например, упомянутый выше медный слой на керамической подложке или нанесенный на этот медный слой дополнительный металлический слой. Второй главный вывод 4 субмодуля 21 жестко связан со слоем 71 межсоединений, например, либо пайкой, либо с помощью низкотемпературного связывающего материала (LTB), либо нанесением слоя теплопроводящей пасты с последующим прижатием.

На противоположенной стороне, в зоне первого главного вывода 3 второго субмодуля 22, между изоляционным слоем 62 и первым главным выводом 3 второго субмодуля 22 расположен второй электропроводящий слой 72 межсоединений.

Оба слоя 71 и 72 межсоединений электрически соединены между собой посредством соединительного элемента 8. Соединительный элемент 8 выполнен аналогично, например, обоим субмодулям 21 и 22 и включает в себя базовую плату, а также один или несколько торцовых контактов с пружинными элементами. Таким образом обеспечивается возможность сжатия соединительного элемента 8, как и субмодулей, между соответствующими контактными поверхностями. Соединительный элемент 8, не содержащий, как правило, электронных элементов, может быть заменен обычным субмодулем с чипами или другими электронными элементами. Соединительный элемент 8 расположен или закреплен - аналогично первому субмодулю - на изолирующей несущей плате.

В краевой зоне изолирующей несущей платы 6 предусмотрены выступы 63, выполненные из электроизолирующего материала. Они, с одной стороны, взаимодействуют с упорами на участках 50 корпуса и, с другой стороны, препятствуют утечкам тока по поверхности или пробоям вдоль смежных участков корпуса. Кроме того, вместе с элементами 64 позиционирования, расположенными между первым субмодулем 21 и соединительным элементом 8, они обеспечивают правильное позиционирование субмодуля 21 и соединительного элемента 8 по отношению к изолирующей несущей плате 6 и остальной части модуля.

Со стороны эмиттера, т.е. в зоне первых главных выводов 3, на субмодулях 21 и 22 размещены управляющие выводы. Эти выводы соединены внутри субмодулей с соответствующими управляющими электродами чипов. Управляющие выводы G₂₁ и G₂₂ выведены из корпуса модуля с помощью соединительных проводов и могут контактировать вместе с выводом Е₂₁ эмиттера первого субмодуля или с комбинированным выводом С₂₁/Е₂₂ с выводом коллектора первого субмодуля и с выводом эмиттера второго субмодуля, которые также с помощью соединительных проводов выведены из корпуса.

Во включенном состоянии ток протекает от второго главного вывода модуля, коллекторного вывода C₂₂, через второй субмодуль по эмиттерному выводу Е₂₂ второго субмодуля, второму слою 72 межсоединений, соединительному элементу 8, первому слою 71 межсоединений и коллекторному выводу C₂₁ первого субмодуля 21, через первый субмодуль к первому главному выводу модуля, верхней закрывающей плате 11 или эмиттерному выводу E₂₁ первого субмодуля.

В состоянии запирания половина величины запирающего тока протекает соответственно через один из обоих субмодулей.

Во втором варианте выполнения силового полупроводникового модуля согласно изобретению, представленному на фиг.3, оба субмодуля электрически соединены встречно-последовательно. Т.е. первый субмодуль 21 соединен с верхней закрывающей платой 11 или первым главным выводом модуля через второй главный вывод 4 и первый главный вывод 3 первого субмодуля 21 соединен с первым главным выводом 3 второго субмодуля 22. В результате оснащения биполярным транзистором с изолированным затвором и параллельным безынерционным диодом снова достигается в модуле схема подключения, показанная на фиг.5.

В то время как второй субмодуль 22 сохраняется неизменным по своему расположению и электрическому подключению по отношению к первому варианту выполнения, первый субмодуль 21 во втором варианте выполнения, хотя и расположен одинаково, однако, электрически соединен с обратным полюсом.

Первый субмодуль 21, хотя и прилегает первым главным выводом 3 первого субмодуля 21 к верхней закрывающей плате 11 модуля, но соединен с ней при отсутствии электропроводности. Между первым главным выводом 3 первого субмодуля 21 и верхней закрывающей платой расположен изоляционный слой 62. Этот слой 62 удлинен и расположен между вторым субмодулем 22 и верхней закрывающей платой 11. Оба первых главных вывода 3 обоих субмодулей 21, 22 электрически соединены между собой через слой 72 межсоединений. При этом слой межсоединений расположен между главными выводами 3 и изоляционным слоем 62.

Первый субмодуль 21 своим вторым главным выводом 4 снова расположен на изолирующей несущей плате 6. Второй главный вывод 4 первого субмодуля 21 электрически соединен с верхней закрывающей платой 11 через слой 71 межсоединений, расположенный на изолирующей несущей плате 6, и соединительный элемент 8. В изображенном предпочтительном варианте выполнения соединительный элемент 8 проходит через центральное отверстие в изоляционном слое 62 и слое 72 межсоединений и подведен к верхней закрывающей плате 11.

Ввиду того, что оба субмодуля 21 и 22 имеют одинаковую монтажную высоту, слой 72 межсоединений в зоне первого главного вывода 3 второго субмодуля 22 выполнен с толщиной, превышающей толщину в зоне первого главного вывода 3 первого субмодуля 21 на толщину изолирующей несущей платы 6, при необходимости вместе с расположенным на ней слоем 71 межсоединений.

Следовательно, ток коллектора-эмиттера протекает соответственно от обоих главных выводов C₂₁ и C₂₂ модуля либо через соединительный элемент 8 по слою 71 межсоединений и второму главному выводу 4 первого субмодуля 21 и через первый субмодуль 21 к первому главному выводу 3 эмиттерных выводов E₂₁, либо через второй субмодуль 22 к соответствующему эмиттерному выводу E₂₂. Эмиттерные выводы E₂₁ и Е₂₂, соединенные электрически между собой слоем 72 межсоединений, выведены из корпуса модуля с помощью соединительных проводов для наружнего контактирования вместе с соответствующими управляющими выводами G₂₁ и G₂₂. Вместо обоих эмиттерных выводов из корпуса может быть выведен также только один.

Как показано на фиг.2 и 3, оба вывода обоих субмодулей, выведенные из корпуса, расположены соответственно с противоположных сторон модуля. В предпочтительном варианте выполнения силового полупроводникового модуля согласно изобретению все выводы расположены со стороны модуля, в результате чего упрощается наружное контактирование модуля через эти выводы. Кроме того, соединительные провода внутри корпуса модуля расположены соответственно по одну сторону.

В особо предпочтительном варианте выполнения силового полупроводникового модуля согласно изобретению соединительные провода вместе со вторым слоем 72 межсоединений и верхней закрывающей платой 11 сформированы в верхнее закрывающее устройство 10 заливкой электроизолирующего материала. Предпочтительно, чтобы электроизолирующий материал обладал хорошей теплопроводностью, температурной стойкостью до 160°С, стойкостью к давлению до 30 бар, стойкостью к ползучести, способностью не образовывать раковины при разливке и иметь соответствующий меди коэффициент теплового расширения. Материалом с такими свойствами является, например, эпокси. При изготовлении верхнего закрывающего устройства 10 эпокси либо заливают в соответствующую форму с расположенными в ней электропроводящими элементами, либо наносят напылением.

Как отдельные элементы силового полупроводникового модуля согласно изобретению компонуются при сборке, показано на фиг.6.

В корпус с отверстиями 51 вставляется на первой монтажной операции изолирующая несущая плата 6. Она удерживается с помощью упоров на участках 50 корпуса в зоне отверстий 51. В краевой зоне изолирующей платы 6 расположены изолирующие затворы 63, которые, как видно из фигуры, взаимодействуют с соответствующими упорами на участках 50 корпуса.

На следующей монтажной операции субмодули 21 и 22, а также соединительный элемент 8 вводят в корпус. Первый субмодуль 21 и соединительный элемент 8 закрепляют на изолирующей несущей плате 6, а второй субмодуль 22 вставляют в предусмотренное для него отверстие 51. Второй субмодуль 22 также предохраняется от выпадения с помощью соответствующих упоров на участках 50 корпуса. Для точного позиционирования первого субмодуля 21 и соединительного элемента 8 на изолирующей несущей плате 6 на последней предусмотрены элементы 64 позиционирования. Изолирующие затворы 63 служат также для позиционирования.

В качестве альтернативы первый субмодуль 21 и соединительный элемент 8 устанавливают на изолирующей несущей плате 6 и при необходимости закрепляют перед тем, как изолирующую несущую плату помещают в корпус.

На следующей монтажной операции верхнее закрывающее устройство 10 устанавливают на корпус. Слои межсоединений и соединительные провода, встроенные в верхнее закрывающее устройство, благодаря точному позиционированию субмодулей 21, 22 соединяют с соответствующими контактными выводами субмодулей 21, 22. Благодаря усилию прижатия к крышке корпуса достигается необходимое контактное прижатие для контактных выводов субмодулей с нажимным контактированием. Для улучшения электрического и теплового перехода между поверхностями контактов нажимного действия может наносится соответствующая теплопроводящая паста.

Упомянутое последовательное или встречно-последовательное соединение чипов может также обеспечиваться соответствующим реверсированием (поворотом) субмодулей или расположенных в субмодуле чипов. Например, в результате реверсирования первого субмодуля (перевернутый субмодуль) в упомянутом выше первом варианте выполнения можно обеспечить встречно-последовательное соединение в соответствии со схемой на фиг.5. Таким образом можно получить простым поворотом соответствующего субмодуля вместе с корпусом выключатель с повышенным запирающим напряжением или упомянутый выше выключатель переменного тока.

В смысле изобретения общее понятие "последовательное соединение" означает также последовательное соединение двух компонентов с противоположной полярностью (встречно-последовательное соединение).