RU206439U1 - Multichip power module - Google Patents

Multichip power module Download PDF

Info

Publication number
RU206439U1
RU206439U1 RU2021115234U RU2021115234U RU206439U1 RU 206439 U1 RU206439 U1 RU 206439U1 RU 2021115234 U RU2021115234 U RU 2021115234U RU 2021115234 U RU2021115234 U RU 2021115234U RU 206439 U1 RU206439 U1 RU 206439U1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
ceramic
board
additional
base
boards
Prior art date
Application number
RU2021115234U
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Игорь Павлович Воронин
Павел Анатольевич Воронин
Сергей Юрьевич Кузин
Original Assignee
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ" (ФГБОУ ВО "НИУ "МЭИ")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ" (ФГБОУ ВО "НИУ "МЭИ") filed Critical федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ" (ФГБОУ ВО "НИУ "МЭИ")
Priority to RU2021115234U priority Critical patent/RU206439U1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU206439U1 publication Critical patent/RU206439U1/en

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Conversion In General (AREA)

Abstract

Полезная модель относится к радиоэлектронной технике, в частности к силовым микросборкам, и направлена на повышение надежности работы устройства за счет устранения проблем статической и динамической неравномерности распределения напряжения между полупроводниковыми ключами многокристальной сборки. Многокристальный силовой модуль, выполненный по трехуровневой схеме 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. На верхнем основании каждой керамической платы сформирована дополнительная контактная площадка. При этом дополнительные контактные площадки на всех шести керамических платах выполнены в виде верхнего металлизированного основания каждой из шести дополнительных керамических плат, которые нижним металлизированным основанием припаяны к верхнему металлизированному основанию одноименной керамической платы. Значения диэлектрической проницаемости дополнительных керамических плат, расположенных на пятой и шестой керамических платах, выбраны большими, чем значения диэлектрической проницаемости дополнительных керамических плат, расположенных на первой, второй, третьей и четвертой керамических платах. Значения сопротивлений изоляции для диэлектриков дополнительных керамических плат, расположенных на первой четвертой керамических платах, выбраны большими, чем значения сопротивления изоляции для диэлектриков дополнительных керамических плат, расположенных на второй и третьей керамических платах. 1 ил.The utility model relates to electronic equipment, in particular to power microassemblies, and is aimed at increasing the reliability of the device by eliminating the problems of static and dynamic uneven voltage distribution between semiconductor switches of a multichip assembly. Multichip power module made according to a three-level scheme with a fixed zero point, containing four crystals of semiconductor switches, four crystals of antiparallel diodes, two crystals of clamping diodes, six ceramic boards with a double-sided metal coating, a base board - a heatsink, three power terminals on the DC side the module and one power outlet on the AC side of the module. An additional contact pad is formed on the top base of each ceramic board. In this case, the additional contact pads on all six ceramic boards are made in the form of an upper metallized base of each of the six additional ceramic boards, which are soldered with the lower metallized base to the upper metallized base of the ceramic board of the same name. The dielectric constant values of the additional ceramic boards located on the fifth and sixth ceramic boards are selected to be larger than the dielectric constant values of the additional ceramic boards located on the first, second, third and fourth ceramic boards. The insulation resistance values for the dielectrics of the additional ceramic boards located on the first fourth ceramic boards are selected to be larger than the values of the insulation resistance for the dielectrics of the additional ceramic boards located on the second and third ceramic boards. 1 ill.

Description

Полезная модель относится к радиоэлектронной технике, в частности к силовым микросборкам, и может быть использована при создании многокристальных модулей на основе керамических подложек.The utility model relates to radio electronic engineering, in particular to power microassemblies, and can be used to create multichip modules based on ceramic substrates.

Известна силовая сборка (патент US №6259616, публ. 10.07.2001, МПК Н02М 7/00), содержащая шесть отдельных силовых модулей: четыре модуля одиночного ключа со встречно-параллельным диодом и два модуля диода, соединенных с помощью силовых шин по схеме трехуровневого полумоста с фиксирующими диодами.Known power assembly (US patent No. 6259616, publ. 10.07.2001, IPC H2M 7/00), containing six separate power modules: four modules of a single key with an anti-parallel diode and two diode modules connected using power buses according to the three-level scheme half-bridge with clamping diodes.

Недостатком данного технического решения являются относительно большие геометрические размеры сборки из отдельных силовых модулей, что приводит к росту паразитной индуктивности монтажных соединений и ее неравномерному разбросу по четырем контурам коммутации в трехуровневой схеме.The disadvantage of this technical solution is the relatively large geometric dimensions of the assembly of separate power modules, which leads to an increase in the parasitic inductance of wiring connections and its uneven spread over four switching circuits in a three-level circuit.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой полезной модели является многокристальный силовой модуль (патент RU №148258, публ. 27.11.2014, МПК H01L 27/00), выполненный по трехуровневой схеме 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 одноименной керамической платы, при этом сами керамические платы нижним 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 соединено с первым силовым выводом на стороне постоянного тока модуля, верхнее основание шестой керамической платы соединено 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 имеется изолированная 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 с изолированной контактной 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.The closest in technical essence to the proposed utility model is a multichip power module (patent RU No. 148258, publ. 11/27/2014, IPC H01L 27/00), made according to a three-level scheme with a fixed zero point, containing four crystals of semiconductor switches, four crystals opposite - parallel diodes, two dies of clamping diodes, six ceramic boards with a double-sided metal coating, a base board-heat sink, three power terminals on the DC side of the module and one power output on the AC side of the module, in which each crystal is a semiconductor switch with a crystal parallel diode, as well as each crystal of the clamping diode with the lower base is installed on the upper base of the ceramic board of the same name, while the ceramic boards themselves are installed with the lower base on the base plate-heat sink, an additional contact pad is formed on the upper base of each ceramic board, which with the help of p conductive wires is connected to the contact pads on the upper bases of the crystals of keys and diodes located on this board, while the upper base of the first ceramic board is connected to the first power terminal on the DC side of the module, the upper base of the sixth ceramic board is connected to the second power terminal on the DC side of the module, and the additional contact pad of the fourth ceramic board is connected to the third power output on the DC side of the module, on the upper base of the fifth ceramic board there is an insulated contact pad that is connected to the power output on the AC side of the module, the connections between the ceramic boards are made of tape conductive buses, while the additional contact pad of the first ceramic board is connected to the upper base of the second ceramic board, which in turn is connected to the upper base of the fifth ceramic board, the additional contact pad wto the swarm of ceramic board and the upper base of the third ceramic board are connected to the insulated pad of the fifth ceramic board, the additional pad of the third ceramic board is connected to the upper base of the fourth ceramic board, which in turn is connected to the additional pad of the sixth ceramic board, the upper base of which is connected to additional contact pad of the fifth ceramic board.

Недостатком настоящего технического решения является наличие динамических выбросов напряжения на полупроводниковых ключах трехуровневой схемы при коммутации из-за относительно малого значения их выходных емкостей. В данном устройстве невозможен полный разряд внешних конденсаторов, что ведет к увеличению энергии динамических потерь. Другим недостатком прототипа является неравномерность статического распределения напряжения между полупроводниковыми ключами трехуровневой схемы за счет эффекта «зависания» фиксирующих диодов в блокирующем состоянии и невозможностью выполнения ими функции фиксации уровня напряжения из-за разброса токов утечки в кристаллах полупроводниковых ключей.The disadvantage of this technical solution is the presence of dynamic voltage surges on the semiconductor switches of the three-level circuit during switching due to the relatively small value of their output capacitances. In this device, a complete discharge of external capacitors is impossible, which leads to an increase in the energy of dynamic losses. Another disadvantage of the prototype is the unevenness of the static voltage distribution between the semiconductor switches of the three-level circuit due to the effect of "freezing" of the clamping diodes in the blocking state and the impossibility of performing the function of fixing the voltage level due to the spread of leakage currents in the crystals of the semiconductor switches.

Технической задачей предлагаемой полезной модели является устранение проблем статической и динамической неравномерности распределения напряжения между полупроводниковыми ключами многокристальной сборки.The technical task of the proposed utility model is to eliminate the problems of static and dynamic uneven voltage distribution between semiconductor switches of a multichip assembly.

Технический результат заключается в повышении надежности работы устройства.The technical result consists in increasing the reliability of the device.

Это достигается тем, что в известном 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 соответствующей керамической платы, при этом сами керамические платы нижним 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 имеется изолированная 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 с изолированной контактной 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, при этом дополнительные контактные площадки на всех шести керамических платах представляют собой верхнее металлизированное основание каждой из шести дополнительных керамических плат, которые нижним металлизированным основанием припаяны к верхнему металлизированному основанию одноименной керамической платы, при этом значения диэлектрической проницаемости дополнительных керамических плат, расположенных на пятой и шестой керамических платах, выбраны большими, чем значения диэлектрической проницаемости дополнительных керамических плат, расположенных на первой, второй, третьей и четвертой керамических платах, а значения сопротивлений изоляции для диэлектриков дополнительных керамических плат, расположенных на первой и четвертой керамических платах, выбраны большими, чем значения сопротивления изоляции для диэлектриков дополнительных керамических плат, расположенных на второй и третьей керамических платах.This is achieved by the fact that in the well-known multichip power module, made according to a three-level circuit with a fixed zero point, containing four crystals of semiconductor switches, four crystals of anti-parallel diodes, two crystals of locking diodes, six ceramic boards with a double-sided metal coating, the base board is a heat sink , three power terminals on the DC side of the module and one power terminal on the AC side of the module, in which each semiconductor switch crystal with an anti-parallel diode crystal, as well as each clamping diode crystal is mounted on the lower base on the upper base of the corresponding ceramic board, while the ceramic boards themselves are installed with the lower base on the base board - heatsink, an additional contact pad is formed on the upper base of each ceramic board, which is connected with the help of conductive wires to the contact pads on the upper bases of the glue crystals whose and diodes located on this board, while the upper base of the first ceramic board is connected to the first power terminal on the DC side of the module, the upper base of the sixth ceramic board is connected to the second power terminal on the DC side of the module, and an additional contact pad of the fourth ceramic board is connected to the third power terminal on the DC side of the module, on the upper base of the fifth ceramic board there is an insulated contact pad, which is connected to the power terminal on the AC side of the module, the connections between the ceramic boards are made by tape conductive buses, while an additional contact pad of the first ceramic board connected to the upper base of the second ceramic board, which in turn is connected to the upper base of the fifth ceramic board, an additional contact pad of the second ceramic board and the upper base of the third ceramic board are connected to the insulating By this contact pad of the fifth ceramic board, an additional contact pad of the third ceramic board is connected to the upper base of the fourth ceramic board, which in turn is connected to an additional contact pad of the sixth ceramic board, the upper base of which is connected to an additional contact pad of the fifth ceramic board, while additional contacts the pads on all six ceramic boards represent the upper metallized base of each of the six additional ceramic boards, which are soldered with the lower metallized base to the upper metallized base of the ceramic board of the same name, while the dielectric constant values of the additional ceramic boards located on the fifth and sixth ceramic boards are selected large than the values of the dielectric constant of the additional ceramic boards located on the first, second, third and fourth ceramic boards, and the values of the const Insulation rotations for dielectrics of additional ceramic boards located on the first and fourth ceramic boards are selected to be larger than the values of insulation resistance for dielectrics of additional ceramic boards located on the second and third ceramic boards.

Сущность предлагаемой полезной модели поясняется чертежом, на котором изображен многокристальный силовой модуль.The essence of the proposed utility model is illustrated by a drawing, which shows a multichip power module.

Многокристальный силовой модуль содержит четыре кристалла полупроводниковых ключей (позиции 1, 2, 3 и 4), четыре кристалла встречно-параллельных диодов (позиции 5, 6, 7 и 8), два кристалла фиксирующих диодов (позиции 9 и 10), шесть керамических плат (позиции 11, 12, 13, 14, 15 и 16) с двусторонним металлическим покрытием, базовую плату - теплоотвод 17, три силовых вывода на стороне постоянного тока модуля (позиции 18, 19 и 20) и один силовой вывод на стороне переменного тока модуля 21.The multichip power module contains four crystals of semiconductor switches (positions 1, 2, 3 and 4), four crystals of anti-parallel diodes (positions 5, 6, 7 and 8), two crystals of clamping diodes (positions 9 and 10), six ceramic boards (keys 11, 12, 13, 14, 15 and 16) with double-sided metal coating, base board - heatsink 17, three power leads on the DC side of the module (keys 18, 19 and 20) and one power outlet on the AC side of the module 21.

Кристалл каждого полупроводникового ключа 1, 2, 3, 4 содержит нижнее металлизированное основание (коллектор, сток) и верхнее основание с металлизированной контактной площадкой (эмиттер, исток). Кристалл каждого диода 5, 6, 7. 8, 9, 10 содержит нижнее металлизированное основание (катод) и верхнее основание с металлизированной контактной площадкой (анод).The crystal of each semiconductor switch 1, 2, 3, 4 contains a lower metallized base (collector, drain) and an upper base with a metallized contact area (emitter, source). The crystal of each diode 5, 6, 7. 8, 9, 10 contains a lower metallized base (cathode) and an upper base with a metallized contact area (anode).

Каждый кристалл полупроводникового ключа 1, 2, 3, 4 с соответствующим кристаллом встречно-параллельного диода 5, 6, 7, 8, а также каждый кристалл фиксирующего диода 9 и 10 нижним основанием установлены на верхнем основании 22 шести отдельных керамических плат 11, 12, 13, 14, 15 и 16 при этом сами керамические платы И, 12, 13, 14, 15 и 16 нижнем основанием установлены на общей базовой плате - теплоотводе 17.Each crystal of a semiconductor switch 1, 2, 3, 4 with a corresponding crystal of an anti-parallel diode 5, 6, 7, 8, as well as each crystal of a clamping diode 9 and 10, are mounted with a lower base on the upper base 22 of six separate ceramic boards 11, 12, 13, 14, 15 and 16, while the ceramic boards And, 12, 13, 14, 15 and 16 themselves are installed with the lower base on a common base board - heat sink 17.

На верхнем основании 22 каждой керамической платы 11, 12, 13, 14, 15 и 16 сформирована дополнительная контактная площадка 23, которая при помощи проводящих проволок 24 соединена с контактными площадками на верхних основаниях кристаллов ключей и диодов, расположенных на данной плате. Верхнее основание 22 первой керамической платы 11 соединено с первым силовым выводом 18 на стороне постоянного тока модуля. Верхнее основание 22 шестой керамической платы 16 соединено со вторым силовым выводом 19 на стороне постоянного тока модуля. Дополнительная контактная площадка 23 четвертой керамической платы 14 соединена с третьим силовым выводом 20 на стороне постоянного тока модуля. На верхнем основании пятой керамической платы 15 имеется изолированная контактная площадка 25, которая соединена с силовым выводом 21 на стороне переменного тока модуля.An additional contact pad 23 is formed on the upper base 22 of each ceramic board 11, 12, 13, 14, 15 and 16, which is connected by means of conductive wires 24 to the contact pads on the upper bases of the crystals of keys and diodes located on this board. The upper base 22 of the first ceramic board 11 is connected to the first power terminal 18 on the DC side of the module. The upper base 22 of the sixth ceramic board 16 is connected to the second power terminal 19 on the DC side of the module. An additional contact pad 23 of the fourth ceramic board 14 is connected to the third power terminal 20 on the DC side of the module. On the upper base of the fifth ceramic board 15, there is an insulated contact pad 25 which is connected to a power terminal 21 on the AC side of the module.

Соединения между керамическими платами выполнены ленточными проводящими шинами 26, при этом дополнительная контактная площадка 23 первой керамической платы 11 соединена с верхним основанием 22 второй керамической платы 12, которая в свою очередь соединена с верхним основанием 22 пятой керамической платы 15, дополнительная контактная площадка 23 второй керамической платы 12 и верхнее основание 22 третьей керамической платы 13 соединены с изолированной контактной площадкой 25 пятой керамической платы 15, дополнительная контактная площадка 23 третьей керамической платы 13 соединена с верхним основанием 22 четвертой керамической платы 14, которая в свою очередь соединена с дополнительной контактной площадкой 23 шестой керамической платы 16, верхнее основание 22 которой соединено с дополнительной контактной площадкой 23 пятой керамической платы 15. Дополнительные контактные площадки 23 на всех шести керамических платах 11, 12, 13, 14, 15 и 16 представляют собой верхнее металлизированное основание каждой из шести дополнительных керамических плат 27, которые нижним металлизированным основанием припаяны к верхнему металлизированному основанию 22 соответствующей керамической платы 11, 12, 13, 14, 15 и 16.The connections between the ceramic boards are made by tape conductive buses 26, while an additional contact pad 23 of the first ceramic board 11 is connected to the upper base 22 of the second ceramic board 12, which in turn is connected to the upper base 22 of the fifth ceramic board 15, an additional contact pad 23 of the second ceramic boards 12 and the upper base 22 of the third ceramic board 13 are connected to an insulated contact pad 25 of the fifth ceramic board 15, an additional contact pad 23 of the third ceramic board 13 is connected to the upper base 22 of the fourth ceramic board 14, which in turn is connected to an additional contact pad 23 of the sixth ceramic board 16, the upper base 22 of which is connected to an additional contact pad 23 of the fifth ceramic board 15. The additional contact pads 23 on all six ceramic boards 11, 12, 13, 14, 15 and 16 represent the upper metallized base each of the six additional ceramic boards 27, which are soldered with the lower metallized base to the upper metallized base 22 of the corresponding ceramic boards 11, 12, 13, 14, 15 and 16.

Значения диэлектрической проницаемости дополнительных керамических плат 27, расположенных на пятой 15 и шестой 16 керамических платах, выбраны большими, чем значения диэлектрической проницаемости дополнительных керамических плат, расположенных на первой 11, второй 12, третьей 13 и четвертой 14 керамических платах.The values of the dielectric constant of the additional ceramic boards 27 located on the fifth 15 and sixth 16 ceramic boards are selected to be larger than the values of the dielectric constant of the additional ceramic boards located on the first 11, second 12, third 13 and fourth 14 ceramic boards.

Значения сопротивлений изоляции для диэлектриков дополнительных керамических плат 27, расположенных на первой 11 и четвертой 14 керамических платах, выбраны большими, чем значения сопротивления изоляции для диэлектриков дополнительных керамических плат 27, расположенных на второй 12 и третьей 13 керамических платах.The values of the insulation resistances for the dielectrics of the additional ceramic boards 27 located on the first 11 and fourth 14 ceramic boards are selected to be larger than the values of the insulation resistance for the dielectrics of the additional ceramic boards 27 located on the second 12 and third 13 ceramic boards.

Многокристальный силовой модуль работает следующим образом.The multichip power module works as follows.

Работа многокристального 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 из них в процессе коммутации участвуют по два полупроводниковых элемента, 1-9 и 4-10, 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, 9-2-7-8 и 10-3-5-6, 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 1, 2, 3, 4 модуля.The work of a multichip power module, manufactured according to a three-level scheme, consists in sequential switching of the phase current between the corresponding key elements. When the load is inductive, the phase current in the output circuit of the module is sinusoidal and lags behind the voltage in phase. As a result, during the period of the output frequency, four switching circuits are sequentially implemented in the three-level circuit. In two of them, two semiconductor elements, 1-9 and 4-10, are involved in the switching process, respectively. These loops cover a relatively small area and are called “short” switching loops. In the other two circuits, four semiconductor elements are involved in the switching process, 9-2-7-8 and 10-3-5-6, respectively. These loops cover approximately twice the area and are called "long" switching loops. One of the most important problems in the development of three-level circuits is the problem of asymmetry of the switching circuits, which leads to a significant increase in the parasitic inductance of wiring connections in the "long" circuits of the power module. In this case, there is a danger of increased overvoltage on semiconductor crystals 1, 2, 3, 4 of the module.

В предлагаемом силовом модуле применено решение, основанное на создании дополнительных контактных площадок 23 на керамических платах 11, 12, 13, 14, 15, 16 модуля, наиболее близко расположенных к полупроводниковым кристаллам. За счет этого длина проволочных алюминиевых соединений 24 кристалла с промежуточной контактной площадкой 23 предельно минимизирована, а их паразитная индуктивность снижена до значений порядка 1,5 нГн. При этом дальнейший токоотвод выполнен с применением ленточных проводящих шин 26, индуктивность которых составляет не более 2 нГн.In the proposed power module, a solution is applied based on the creation of additional contact pads 23 on the ceramic boards 11, 12, 13, 14, 15, 16 of the module, which are most closely located to the semiconductor crystals. Due to this, the length of the wire aluminum connections 24 of the crystal with the intermediate contact area 23 is minimized as much as possible, and their parasitic inductance is reduced to values of the order of 1.5 nH. In this case, the further down conductor is made using tape conductive buses 26, the inductance of which is not more than 2 nH.

Дополнительные контактные площадки 23 на всех шести керамических платах 11, 12, 13, 14, 15, 16 являются верхним металлизированным основанием каждой из шести дополнительных керамических плат 27, которые нижним металлизированным основанием припаяны к верхнему металлизированному основанию 22 соответствующей керамической платы. При этом дополнительные керамические платы 27, по сути, являются керамическими конденсаторами плоской конструкции, емкости которых суммируется с выходной емкостью присоединенных к ним соответствующих кристаллов полупроводниковых ключей 1, 2, 3, 4 и диодов 5, 6, 7, 8, 9, 10. Таким образом, значения выходных емкостей полупроводниковых компонентов линейно увеличиваются в зависимости от площади основания дополнительных керамических плат 27 и диэлектрической проницаемости их изоляционных слоев, что позволяет существенно снижать динамические выбросы напряжения между полупроводниковыми ключами трехуровневой схемы.The additional contact pads 23 on all six ceramic boards 11, 12, 13, 14, 15, 16 are the upper metallized base of each of the six additional ceramic boards 27, which are soldered to the upper metallized base 22 of the corresponding ceramic board with a lower metallized base. In this case, additional ceramic boards 27, in fact, are ceramic capacitors of a flat design, the capacitance of which is added to the output capacitance of the corresponding crystals of semiconductor switches 1, 2, 3, 4 and diodes 5, 6, 7, 8, 9, 10 connected to them. Thus, the values of the output capacitances of the semiconductor components increase linearly depending on the base area of the additional ceramic boards 27 and the dielectric constant of their insulating layers, which makes it possible to significantly reduce the dynamic voltage surges between the semiconductor switches of the three-level circuit.

За счет более высокого значения диэлектрической проницаемости дополнительных керамических плат 27, расположенных на пятой 15 и шестой 16 керамических платах, выходные емкости кристаллов фиксирующих диодов 9 и 10 становятся больше, чем выходные емкости внутренних полупроводниковых ключей 2 и 3 с соответствующими встречно-параллельными диодами 6 и 7 в трехуровневой схеме, что обеспечивает возможность их полного разряда обратным током нагрузки в режиме мягкой коммутации.Due to the higher dielectric constant of the additional ceramic boards 27 located on the fifth 15 and sixth 16 ceramic boards, the output capacitances of the crystals of the clamping diodes 9 and 10 become larger than the output capacitances of the internal semiconductor switches 2 and 3 with the corresponding anti-parallel diodes 6 and 7 in a three-level circuit, which provides the possibility of their complete discharge by the reverse load current in the soft switching mode.

В представленном решении сопротивления изоляции диэлектриков дополнительных керамических плат 27 оказываются параллельно подключенными к сопротивлениям изоляции кристаллов соответствующих полупроводниковых ключей 1, 2, 3, 4 и диодов 5, 6, 7, 8, 9, 10.In the presented solution, the insulation resistances of dielectrics of additional ceramic boards 27 are connected in parallel to the insulation resistances of crystals of the corresponding semiconductor switches 1, 2, 3, 4 and diodes 5, 6, 7, 8, 9, 10.

Проблема неравномерности статического распределения напряжения между полупроводниковыми ключами 1, 2, 3, 4 для трехуровневой схемы решена за счет выбора соответствующих сопротивлений изоляции для диэлектриков дополнительных керамических плат 27, расположенных на первой 11, второй 12, третей 13 и четвертой 14 керамических платах. Значения сопротивлений изоляции для диэлектриков дополнительных керамических плат 27, расположенных на первой 11 и четвертой 14 керамических платах, выбираются больше, чем значения сопротивления изоляции для диэлектриков дополнительных керамических плат 27, расположенных на второй 12 и третьей 13 керамических платах. Тогда токи утечки в выходной цепи внешних полупроводниковых ключей 1 и 4 с соответствующими встречно-параллельными диодами 5 и 8 будут всегда меньше, чем токи утечки в выходной цепи внутренних полупроводниковых ключей 2 и 3 с соответствующими встречно параллельными диодами 6 и 7. При этом действие эффекта «зависания» фиксирующих диодов 9 и 10 в блокирующем состоянии полностью исключается.The problem of uneven static voltage distribution between semiconductor switches 1, 2, 3, 4 for a three-level circuit is solved by choosing appropriate insulation resistances for dielectrics of additional ceramic boards 27 located on the first 11, second 12, third 13 and fourth 14 ceramic boards. The values of insulation resistances for dielectrics of additional ceramic boards 27 located on the first 11 and fourth 14 ceramic boards are selected to be greater than the values of insulation resistance for dielectrics of additional ceramic boards 27 located on the second 12 and third 13 ceramic boards. Then the leakage currents in the output circuit of the external semiconductor switches 1 and 4 with the corresponding antiparallel diodes 5 and 8 will always be less than the leakage currents in the output circuit of the internal semiconductor switches 2 and 3 with the corresponding counterparallel diodes 6 and 7. In this case, the effect of the effect "Freezing" of the clamping diodes 9 and 10 in the blocking state is completely excluded.

Использование полезной модели позволяет устранить проблемы статической и динамической неравномерности распределения напряжения между полупроводниковыми ключами многокристальной сборки и, как следствие, повысить надежность работы устройства.The use of the utility model makes it possible to eliminate the problems of static and dynamic uneven voltage distribution between semiconductor switches of a multichip assembly and, as a consequence, to increase the reliability of the device.

Claims (1)

Многокристальный силовой модуль, выполненный по трехуровневой схеме 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 соответствующей керамической платы, при этом сами керамические платы нижним 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 соединено с первым силовым выводом на стороне постоянного тока модуля, верхнее основание шестой керамической платы соединено 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 имеется изолированная 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 с изолированной контактной 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, отличающийся тем, что дополнительные контактные площадки на всех шести керамических платах выполнены в виде верхнего металлизированного основания каждой из шести дополнительных керамических плат, которые нижним металлизированным основанием припаяны к верхнему металлизированному основанию одноименной керамической платы, при этом значения диэлектрической проницаемости дополнительных керамических плат, расположенных на пятой и шестой керамических платах, выбраны большими, чем значения диэлектрической проницаемости дополнительных керамических плат, расположенных на первой, второй, третьей и четвертой керамических платах, а значения сопротивлений изоляции для диэлектриков дополнительных керамических плат, расположенных на первой и четвертой керамических платах, выбраны большими, чем значения сопротивления изоляции для диэлектриков дополнительных керамических плат, расположенных на второй и третьей керамических платах.Multichip power module made according to a three-level scheme with a fixed zero point, containing four crystals of semiconductor switches, four crystals of antiparallel diodes, two crystals of clamping diodes, six ceramic boards with a double-sided metal coating, a base board - a heatsink, three power terminals on the DC side of the module and one power terminal on the AC side of the module, in which each semiconductor switch crystal with an anti-parallel diode crystal, as well as each clamping diode crystal, are mounted on the upper base of the corresponding ceramic board with the lower base, while the ceramic boards themselves are mounted on the lower base. base board - heatsink, an additional contact pad is formed on the upper base of each ceramic board, which is connected with conductive wires to the contact pads on the upper bases of the crystals of keys and diodes located on this board, while the upper base of the first ceramic board is connected to the first power terminal on the DC side of the module, the upper base of the sixth ceramic board is connected to the second power terminal on the DC side of the module, and an additional contact pad of the fourth ceramic board is connected to the third power terminal on the side direct current of the module, on the upper base of the fifth ceramic board there is an insulated contact pad, which is connected to the power terminal on the AC side of the module, the connections between the ceramic boards are made by ribbon conductive buses, while the additional contact pad of the first ceramic board is connected to the upper base of the second ceramic board , which in turn is connected to the upper base of the fifth ceramic board, an additional contact pad of the second ceramic board and the upper base of the third ceramic board are connected to the insulated pad of the fifth ceramic microcircuit board, an additional contact pad of the third ceramic board is connected to the upper base of the fourth ceramic board, which in turn is connected to an additional contact pad of the sixth ceramic board, the upper base of which is connected to an additional contact pad of the fifth ceramic board, characterized in that the additional contact pads on all six ceramic boards are made in the form of an upper metallized base of each of six additional ceramic boards, which are soldered with the lower metallized base to the upper metallized base of the ceramic board of the same name, while the values of the dielectric constant of additional ceramic boards located on the fifth and sixth ceramic boards are selected large, than the values of the dielectric constant of the additional ceramic boards located on the first, second, third and fourth ceramic boards, and the values of the insulation resistance for dielectrics of additional ceramic boards located on the first and fourth ceramic boards are selected larger than the values of the insulation resistance for dielectrics of additional ceramic boards located on the second and third ceramic boards.
RU2021115234U 2021-05-27 2021-05-27 Multichip power module RU206439U1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2021115234U RU206439U1 (en) 2021-05-27 2021-05-27 Multichip power module

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2021115234U RU206439U1 (en) 2021-05-27 2021-05-27 Multichip power module

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU206439U1 true RU206439U1 (en) 2021-09-13

Family

ID=77746242

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2021115234U RU206439U1 (en) 2021-05-27 2021-05-27 Multichip power module

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU206439U1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2804595C1 (en) * 2023-05-03 2023-10-02 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)" Method for manufacturing microelectronic unit

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH04290258A (en) * 1991-03-19 1992-10-14 Nec Corp Multichip module
EP0558984A2 (en) * 1992-03-06 1993-09-08 International Business Machines Corporation Hybrid ceramic thin-film module structure
RU153627U1 (en) * 2015-01-12 2015-07-27 Закрытое акционерное общество "Орбита" POWER MODULE
RU184560U1 (en) * 2018-05-16 2018-10-30 Публичное акционерное общество "Научно-производственное объединение "ЭНЕРГОМОДУЛЬ" POWER SEMICONDUCTOR MODULE

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH04290258A (en) * 1991-03-19 1992-10-14 Nec Corp Multichip module
EP0558984A2 (en) * 1992-03-06 1993-09-08 International Business Machines Corporation Hybrid ceramic thin-film module structure
RU153627U1 (en) * 2015-01-12 2015-07-27 Закрытое акционерное общество "Орбита" POWER MODULE
RU184560U1 (en) * 2018-05-16 2018-10-30 Публичное акционерное общество "Научно-производственное объединение "ЭНЕРГОМОДУЛЬ" POWER SEMICONDUCTOR MODULE

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2804595C1 (en) * 2023-05-03 2023-10-02 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)" Method for manufacturing microelectronic unit

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10123443B2 (en) Semiconductor device
US8934277B2 (en) Semiconductor system with at least one three-level electric power inverter circuit
JP4277169B2 (en) Power semiconductor module
US9871465B2 (en) Semiconductor device including positive, negative and intermediate potential conductor plates
US10811958B2 (en) Water-cooling power supply module
US9967991B2 (en) Semiconductor device and busbar
US11532557B2 (en) Planar power module with spatially interleaved structure
JP2022062235A (en) Package structure for power devices
US12003188B2 (en) Modular parallel half-bridge integrated assembly with annular layout
KR20140126668A (en) 3-level power converter half-bridge
US8675379B2 (en) Power converting apparatus having improved electro-thermal characteristics
CN113875006A (en) Three-level power module
US10873267B2 (en) Three-phase switching unit
JP2005216876A (en) Power semiconductor module
Kou et al. Applying GaN HEMTs in conventional housing-type power modules
US5617293A (en) Bridge module
RU206439U1 (en) Multichip power module
CN112436737B (en) Laminated busbar structure suitable for parallel and modular application of discrete devices
CN111277150B (en) Laminated busbar structure with low parasitic inductance and suitable for device parallel connection
RU148258U1 (en) MULTI-CRYSTAL POWER MODULE
JP2002171768A (en) Power converter
CN221177521U (en) Electronic power device capable of changing topology
Takayanagi et al. 3.3 kV power module for electric distribution equipment with SiC trench-gate MOSFET
CN114867273B (en) Power electronic unit
CN220087140U (en) Three-level power module