RU217893U1

RU217893U1 - POWER SEMICONDUCTOR MODULE

Info

Publication number: RU217893U1
Application number: RU2022134053U
Authority: RU
Inventors: Денис Олегович Малый; Владимир Викторович Веревкин; Дмитрий Сергеевич Решетов; Анастасия Петровна Незнамова
Original assignee: Акционерное общество "ПРОТОН-ЭЛЕКТРОТЕКС"
Filing date: 2022-12-22
Publication date: 2023-04-24

Abstract

Полезная модель относится к области силовой электроники и может найти применение в конструкции силовых полупроводниковых приборов.The utility model relates to the field of power electronics and can be used in the design of power semiconductor devices.

Технический результат заключается в уменьшении паразитной индуктивности конструкции силового полупроводникового модуля.The technical result is to reduce the parasitic inductance of the design of the power semiconductor module.

Силовой полупроводниковый модуль содержит корпус, основание, четыре субстрата, каждый из которых содержит металлизированную подложку, кристаллы транзисторов и диодов с металлизацией поверхности, силовые терминалы DC+, DC- и АС, и проволочные соединения полупроводниковых кристаллов с подложкой, проволочные соединения субстратов между собой и с силовыми терминалами, узел управления полупроводниковыми элементами. Силовой полупроводниковый модуль выполнен по электрической схеме «полумост», каждый из ключей которого организован на топологии двух субстратов, соединенных пайкой с основанием модуля, на металлизированных подложках расположены полупроводниковые элементы, одной стороной соединенные с металлизацией подложки методом пайки, а другой стороной - методом ультразвуковой сварки проволокой. Узел управления включает в себя проводники затвора и эмиттера от подложек до внешних выводов управления силового полупроводникового модуля. Силовые терминалы DC+, DC- и АС соединены с металлизацией подложек методом ультразвуковой сварки и закреплены в корпусе силового полупроводникового модуля. И силовые терминалы DC+, DC- между собой и проводники затвора и эмиттера от подложек до внешних выводов управления между собой расположены бифилярно на всей своей протяженности, а проволочные соединения между субстратами расположены перпендикулярно границе контактной области.The power semiconductor module contains a housing, a base, four substrates, each of which contains a metallized substrate, transistor and diode crystals with surface metallization, DC+, DC- and AC power terminals, and wire connections of semiconductor chips to the substrate, wire connections of substrates to each other and to power terminals, semiconductor element control unit. The power semiconductor module is made according to the "half-bridge" electrical circuit, each of the keys of which is organized on the topology of two substrates connected by soldering to the base of the module, semiconductor elements are located on the metallized substrates, one side connected to the substrate metallization by soldering, and the other side - by ultrasonic welding wire. The control unit includes gate and emitter conductors from the substrates to the external control terminals of the power semiconductor module. The power terminals DC+, DC- and AC are connected to the metallization of the substrates by ultrasonic welding and fixed in the body of the power semiconductor module. And the power terminals DC+, DC- between themselves and the gate and emitter conductors from the substrates to the external control pins are arranged bifilarly along their entire length, and the wire connections between the substrates are located perpendicular to the boundary of the contact area.

Description

Полезная модель относится к области силовой электроники и может найти применение в конструкции силовых полупроводниковых приборов, представляющих собой, в соответствии с ГОСТ 30617-98, совокупность по меньшей мере двух полупроводниковых структур, средств электрического и механического соединений, и элементов системы охлаждения, соединенных между собой по определенной электрической схеме в единую конструкцию, предназначенную для применения в полупроводниковых преобразователях электроэнергии, а также в других цепях постоянного и переменного токов различных силовых электротехнических установок.The utility model relates to the field of power electronics and can be used in the design of power semiconductor devices, which, in accordance with GOST 30617-98, are a combination of at least two semiconductor structures, means of electrical and mechanical connections, and cooling system elements interconnected according to a certain electrical circuit into a single design intended for use in semiconductor power converters, as well as in other DC and AC circuits of various power electrical installations.

Известен силовой полупроводниковый модуль, состоящий из корпуса, основания в виде металлического фланца, изолирующей подложки, токовыводов и полупроводниковых элементов, причем изолирующая подложка с напаянными токовыводами расположена на металлическом фланце, а полупроводниковые элементы установлены на изолирующей подложке и соединены с токовыводами [Патент на изобретение RU 2089013С1, «Полупроводниковый модуль», опубликовано 27.08.1997 г.]. Недостатком известного устройства является высокая паразитная индуктивность модуля, обусловленная конструкцией токовыводов, представляющих собой П-образные скобы, расположенные навстречу друг другу. Образованный в результате виток имеет практически максимально возможную индуктивность по сравнению с другими вариантами расположения силовых токовыводов.A power semiconductor module is known, consisting of a housing, a base in the form of a metal flange, an insulating substrate, current leads and semiconductor elements, moreover, the insulating substrate with soldered current leads is located on the metal flange, and the semiconductor elements are installed on the insulating substrate and connected to the current leads [Patent for invention RU 2089013C1, "Semiconductor module", published 08/27/1997]. A disadvantage of the known device is the high parasitic inductance of the module, due to the design of the current leads, which are U-shaped brackets located towards each other. The resulting coil has almost the maximum possible inductance compared to other options for the location of the power current outputs.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому техническому результату к заявляемому силовому полупроводниковому модулю является силовой полупроводниковый модуль, состоящий из корпуса, основания, по меньшей мере одной подложки, по меньшей мере одного силового терминала DC+, DC- и АС, кристаллов IGBT, MOSFET или других полупроводниковых транзисторов и диодов с металлизацией поверхности, проволочных соединений полупроводниковых элементов с подложкой и подложек между собой, где силовой полупроводниковый модуль выполнен по электрической схеме «полумост», организованной на топологии по меньшей мере одной подложки, соединенной электрически и механически с основанием, на которой расположены полупроводниковые элементы, электрически и механически соединенные с подложкой, силовые терминалы DC+, DC- и АС, по меньшей мере один из которых соединен с подложкой [Международная заявка на изобретение №WO2018096147A1 «Силовой полупроводниковый модуль», опубликована 31.05.2018 г.]. Модуль содержит четыре подложки, на каждой из которых расположены два кристалла транзисторов и два кристалла диодов. Кристаллы электрически и механически соединены между собой и с металлизацией подложки. Силовые терминалы DC+, DC- и АС подключены по меньшей мере к одной подложке в центральной части модуля на расстоянии не менее 6 мм от полупроводниковых элементов.The closest in technical essence and achieved technical result to the claimed power semiconductor module is a power semiconductor module, consisting of a housing, a base, at least one substrate, at least one DC+, DC- and AC power terminal, IGBT, MOSFET or other crystals. semiconductor transistors and diodes with surface metallization, wire connections of semiconductor elements with a substrate and substrates between themselves, where the power semiconductor module is made according to the electrical circuit "half-bridge", organized on the topology of at least one substrate connected electrically and mechanically to the base, on which semiconductor elements electrically and mechanically connected to the substrate, power terminals DC+, DC- and AC, at least one of which is connected to the substrate [International application for invention No. WO2018096147A1 "Power semiconductor module", published on 05/31/2018]. The module contains four substrates, on each of which there are two transistor crystals and two diode crystals. The crystals are electrically and mechanically connected to each other and to the metallization of the substrate. Power terminals DC+, DC- and AC are connected to at least one substrate in the central part of the module at a distance of at least 6 mm from the semiconductor elements.

Недостатком известного силового полупроводникового модуля является завышенная паразитная индуктивность конструкции модуля, а именно совокупная паразитная индуктивность силовых цепей, образованных терминалами DC+, DC- и проволочными соединениями между подложками, а также паразитная индуктивность цепей управления затвор-эмиттер.A disadvantage of the known power semiconductor module is the overestimated parasitic inductance of the module design, namely the total parasitic inductance of the power circuits formed by the DC+, DC- terminals and wire connections between the substrates, as well as the parasitic inductance of the gate-emitter control circuits.

Завышенная паразитная индуктивность силовых терминалов обусловлена тем, что силовые шины DC+ и DC- проложены бифилярно только на половине своей длины. Завышенная индуктивность проволочных соединений между подложками обусловлена тем, что при выбранной топологии подложек проволочные соединения проложены под углом около 45° к границе контактной области и, следовательно, имеют большую длину, чем при соединении по кратчайшему пути в направлении, перпендикулярному к границе контактной области. Завышенная паразитная индуктивность цепей управления затвор-эмиттер, в свою очередь, связана с небифилярностью конструкции проводников управления.The increased parasitic inductance of the power terminals is due to the fact that the DC+ and DC- power busbars are bifilar only halfway through. The overestimated inductance of the wire connections between the substrates is due to the fact that, with the chosen topology of the substrates, the wire connections are laid at an angle of about 45° to the boundary of the contact area and, therefore, have a greater length than when connecting along the shortest path in the direction perpendicular to the boundary of the contact area. The overestimated parasitic inductance of the gate-emitter control circuits, in turn, is associated with the non-bifilar design of the control conductors.

В основу полезной модели поставлена задача усовершенствовать конструкцию силового полупроводникового модуля путем нового выполнения конструктивных элементов.The utility model is based on the task of improving the design of a power semiconductor module through a new implementation of structural elements.

Технической проблемой, решение которой обеспечивается при использовании заявляемой полезной модели, является уменьшение паразитной индуктивности силовых терминалов DC+, DC-, уменьшение паразитной индуктивности проволочных соединений подложек и уменьшение паразитной индуктивности цепей управления затвор-эмиттер.The technical problem, the solution of which is provided when using the claimed utility model, is to reduce the parasitic inductance of the DC+, DC- power terminals, to reduce the parasitic inductance of the wire connections of the substrates and to reduce the parasitic inductance of the gate-emitter control circuits.

Технический результат заявленной полезной модели заключается в уменьшении паразитной индуктивности силовых и управляющих цепей конструкции силового полупроводникового модуля.The technical result of the claimed utility model is to reduce the parasitic inductance of the power and control circuits of the design of the power semiconductor module.

Технический результат достигается тем, что силовой полупроводниковый модуль, содержащий корпус, основание, четыре металлизированные подложки, силовые терминалы DC+, DC- и АС, кристаллы транзисторов и диодов, проволочные соединения кристаллов между собой и с подложкой, проволочные соединения подложек между собой, узел управления полупроводниковыми элементами, который содержит печатную плату, проволочные соединения подложек с платой и внешние выводы управления, причем силовой полупроводниковый модуль выполнен по электрической схеме «полумост», каждый из ключей которого организован на топологии двух соединенных с основанием модуля металлизированных подложек, на которых расположены полупроводниковые элементы, электрически и механически соединенные с металлизацией подложек, узел управления модуля включает в себя цепи затвора и эмиттера от подложек до внешних выводов управления силового полупроводникового модуля и содержит печатную плату с присоединенными к ней внешними выводами управления, электрически соединенную с подложками с помощью проволочных соединений, силовые терминалы DC+, DC- и АС, соединены с металлизацией подложек и закреплены в корпусе силового полупроводникового модуля, согласно полезной модели, силовые терминалы DC+ и DC- расположены между собой бифилярно на всей своей протяженности, топология подложек выполнена таким образом, что проволочные соединения между подложками расположены по кратчайшему пути перпендикулярно границе контактной области, проводники затвора и эмиттера на печатной плате узла управления расположены между собой бифилярно, а проволочные соединения платы с подложками организованы в виде низкоиндуктивной двухпроводной линии.The technical result is achieved by the fact that a power semiconductor module containing a housing, a base, four metallized substrates, DC+, DC- and AC power terminals, transistor and diode crystals, wire connections of the crystals to each other and to the substrate, wire connections of the substrates to each other, a control unit semiconductor elements, which contains a printed circuit board, wire connections of the substrates with the board and external control leads, moreover, the power semiconductor module is made according to the "half-bridge" electrical circuit, each of the keys of which is organized on the topology of two metallized substrates connected to the base of the module, on which semiconductor elements are located , electrically and mechanically connected to the metallization of the substrates, the module control unit includes the gate and emitter circuits from the substrates to the external control terminals of the power semiconductor module and contains a printed circuit board with external control terminals connected to it, electrically connected to the substrates using wire connections, power the DC+, DC- and AC terminals are connected to the metallization of the substrates and fixed in the housing of the power semiconductor module, according to the utility model, the DC+ and DC- power terminals are arranged bifilarly along their entire length, the topology of the substrates is designed in such a way that the wire connections between the substrates are located along the shortest path perpendicular to the boundary of the contact area, the gate and emitter conductors on the printed circuit board of the control unit are arranged bifilarly among themselves, and the wire connections of the board with the substrates are organized in the form of a low-inductance two-wire line.

Причинно-следственная связь между совокупностью существенных признаков технического решения и достигаемым техническим результатом заключается в следующем.The causal relationship between the set of essential features of the technical solution and the achieved technical result is as follows.

Новое выполнение конструктивных элементов заявляемого силового полупроводникового модуля, а именно то, что:A new implementation of the structural elements of the claimed power semiconductor module, namely that:

силовые терминалы DC+, DC- выполнены бифилярно на всей своей протяженности;power terminals DC+, DC- are bifilar throughout their length;

топология подложек выполнена таким образом, что проволочные соединения между подложками расположены по кратчайшему пути перпендикулярно границе контактной области;the topology of the substrates is designed in such a way that the wire connections between the substrates are located along the shortest path perpendicular to the boundary of the contact area;

проводники затвора и эмиттера на печатной плате узла управления расположены между собой бифилярно;the gate and emitter conductors on the printed circuit board of the control unit are arranged bifilarly with each other;

проволочные соединения цепей эмиттера и затвора платы узла управления с подложками организованы в виде низкоиндуктивной двухпроводной линии на всей своей протяженностиwire connections of the emitter and gate circuits of the control unit board with the substrates are organized in the form of a low-inductance two-wire line along its entire length

в совокупности с известными признаками технического решения обеспечивает уменьшение паразитной индуктивности силовых цепей и уменьшение паразитной индуктивности цепей узла управления затвор-эмиттер, и, следовательно, снижает паразитную индуктивность конструкции силового полупроводникового модуля.in combination with the known features of the technical solution, it provides a decrease in the parasitic inductance of power circuits and a decrease in the parasitic inductance of the circuits of the gate-emitter control unit, and, therefore, reduces the parasitic inductance of the design of the power semiconductor module.

Это объясняется тем, что шины DC+ и DC- выполнены бифилярно, а именно, конфигурация шины DC+ полностью совпадает с конфигурацией шины DC- на всей их длине от места соединения шин с подложкой до силовых выводов, и расстояние между шинами много меньше их ширины. Индуктивность системы бифилярных пластин с длиной

, шириной w и расстоянием между пластинами h определяется соотношением (1) (Калантаров П.Л., Цейтлин Л.А. Расчет индуктивностей. Ленинград: Энергоатомиздат, 1986)This is explained by the fact that the DC+ and DC- buses are bifilar, namely, the configuration of the DC+ bus completely coincides with the configuration of the DC- bus along their entire length from the junction of the busbars with the substrate to the power leads, and the distance between the buses is much less than their width. The inductance of a system of bifilar plates with a length

, the width w and the distance between the plates h is determined by the relation (1) (Kalantarov P.L., Zeitlin L.A. Calculation of inductances. Leningrad: Energoatomizdat, 1986)

В предлагаемом силовом полупроводниковом модуле длина шин DC+ и DC- равна 60 мм, ширина составляет около 70 мм и расстояние между шинами по всей их длине равно 1,5 мм. Паразитная индуктивность шин DC+ и DC-предлагаемого силового полупроводникового модуля, по расчетам, составляет менее 7 нГн.In the proposed power semiconductor module, the length of the DC+ and DC- busbars is 60 mm, the width is about 70 mm, and the distance between the busbars along their entire length is 1.5 mm. The parasitic inductance of the DC+ busbars and DC-proposed power semiconductor module is calculated to be less than 7 nH.

Топология каждой из четырех подложек предлагаемого силового полупроводникового модуля выполнена таким образом, что металлизация цепи АС расположена на половине нижнего ключа полумоста совместно с металлизацией цепи DC-. Такая топология обеспечила расположение проволочных соединений между подложками по кратчайшему пути перпендикулярно границе контактной области. Поэтому данные проволочные соединения имеют минимально возможную длину и максимально возможное количество проводников, что в результате также приводит к уменьшению паразитной индуктивности силовой цепи.The topology of each of the four substrates of the proposed power semiconductor module is made in such a way that the AC circuit metallization is located on half of the lower key of the half-bridge together with the DC- circuit metallization. This topology ensured the location of wire connections between the substrates along the shortest path perpendicular to the boundary of the contact area. Therefore, these wire connections have the minimum possible length and the maximum possible number of conductors, which also leads to a decrease in the parasitic inductance of the power circuit.

По результатам расчета, подтвержденным экспериментальными данными, индуктивность силовых цепей, а именно совокупная индуктивность системы шин DC+, DC- и проволочных соединений между подложками составляет примерно 8 нГн, что является практически минимально достижимой величиной. Минимизация паразитной индуктивности силовой цепи модуля обеспечивает снижение уровня перенапряжений при работе модуля в схеме преобразователя и улучшение эксплуатационных характеристик преобразовательного устройства.According to the results of the calculation, confirmed by experimental data, the inductance of the power circuits, namely the total inductance of the busbar system DC+, DC- and wire connections between the substrates, is approximately 8 nH, which is practically the minimum achievable value. Minimization of the parasitic inductance of the power circuit of the module provides a reduction in the level of overvoltages when the module operates in the converter circuit and improves the performance of the converter device.

Проводники затвора и эмиттера на печатной плате узла управления расположены между собой бифилярно, причем проводник цепи затвора, расположенный с одной стороны печатной платы, повторяет конфигурацию проводника цепи эмиттера, расположенного с другой стороны печатной платы, и расстояние между проводниками много меньше их ширины и равно толщине печатной платы. Проволочные соединения печатной платы с металлизацией подложки выполнены в виде низкоиндуктивной двухпроводной линии, а именно проволочные проводники параллельны на всем своем протяжении, причем расстояние между проводниками много меньше их длины. Таким образом достигается уменьшение совокупной паразитной индуктивности цепей затвор-эмиттер узла управления, что, в свою очередь, приводит к увеличению скорости нарастания тока затвора и, следовательно, уменьшению коммутационных потерь при работе силового полупроводникового модуля.The gate and emitter conductors on the printed circuit board of the control unit are located bifilarly with each other, and the gate circuit conductor located on one side of the printed circuit board repeats the configuration of the emitter circuit conductor located on the other side of the printed circuit board, and the distance between the conductors is much less than their width and equal to the thickness circuit board. The wire connections of the printed circuit board with the substrate metallization are made in the form of a low-inductance two-wire line, namely, the wire conductors are parallel throughout their entire length, and the distance between the conductors is much less than their length. Thus, a reduction in the total parasitic inductance of the gate-emitter circuits of the control unit is achieved, which, in turn, leads to an increase in the rate of rise of the gate current and, consequently, a decrease in switching losses during operation of the power semiconductor module.

Конструкция силового полупроводникового модуля поясняется иллюстрациями, на которых приведены топология подложки предлагаемого силового полупроводникового модуля (фиг. 1), конструкция узла управления (фиг. 2) и предлагаемый силовой полупроводниковый модуль с разнесенными частями (фиг. 3).The design of the power semiconductor module is illustrated by illustrations, which show the topology of the substrate of the proposed power semiconductor module (Fig. 1), the design of the control unit (Fig. 2) and the proposed power semiconductor module with spaced parts (Fig. 3).

На фиг. 1 показана топология подложек 1.1 - 1.4 предлагаемого силового полупроводникового модуля на основании 2. Каждая подложка 1.1 - 1.4 содержит металлизацию слоя DC+ - 3, DC- - 4, или АС - 5 с соответствующими точками присоединения терминалов, на которой расположены полупроводниковые элементы - транзисторы 6 и диоды 7, которые соединены между собой и металлизацией подложки методом ультразвуковой сварки проволокой 8. Подложки соединены между собой методом ультразвуковой сварки проволокой, причем проволочные соединения 9 расположены по кратчайшему пути перпендикулярно границе контактной области.In FIG. Figure 1 shows the topology of substrates 1.1 - 1.4 of the proposed power semiconductor module on base 2. Each substrate 1.1 - 1.4 contains a metallization layer DC + - 3, DC - - 4, or AC - 5 with the corresponding points of connection of the terminals, on which semiconductor elements - transistors 6 are located and diodes 7, which are interconnected and the substrate is metallized by ultrasonic welding with wire 8. The substrates are interconnected by ultrasonic welding with wire, and wire connections 9 are located along the shortest path perpendicular to the boundary of the contact area.

На фиг. 2 показана конструкция узла управления предлагаемого силового полупроводникового модуля. Узел управления состоит из двусторонней печатной платы 10, внешних выводов управления 11 и проволочных соединений 12. Проводники цепей управления каждого ключа 13.1 - 13.2 и 14.1 - 14.2 расположены на печатной плате между собой бифилярно, причем проводник цепи затвора, расположенный с одной стороны печатной платы, точно повторяет конфигурацию проводника цепи эмиттера, расположенного с другой стороны печатной платы, и расстояние между проводниками много меньше их ширины и равно толщине печатной платы. Проволочные соединения печатной платы с подложками 12 выполнены в виде низкоиндуктивной двухпроводной линии, а именно проволочные проводники параллельны на всем своем протяжении, причем расстояние между проводниками много меньше их длины.In FIG. 2 shows the design of the control unit of the proposed power semiconductor module. The control unit consists of a double-sided printed circuit board 10, external control leads 11 and wire connections 12. The control circuit conductors of each key 13.1 - 13.2 and 14.1 - 14.2 are bifilarly located on the printed circuit board, and the gate circuit conductor, located on one side of the printed circuit board, exactly repeats the configuration of the emitter circuit conductor located on the other side of the printed circuit board, and the distance between the conductors is much less than their width and equal to the thickness of the printed circuit board. The wire connections of the printed circuit board with the substrates 12 are made in the form of a low-inductance two-wire line, namely, the wire conductors are parallel throughout their entire length, and the distance between the conductors is much less than their length.

На фиг. 3 показан предлагаемый силовой полупроводниковый модуль с разнесенными частями. Силовой полупроводниковый модуль содержит подложки 1.1 - 1.4 на основании 2, корпус 15, проволочные соединения 9, соединяющие подложки между собой, шины DC+, DC- и АС, 16, двухстороннюю печатную плату 10 и внешние выводы управления 11, проволочные соединения 12, соединяющие проводники печатной платы и металлизацию подложек.In FIG. 3 shows the proposed power semiconductor module with spaced parts. The power semiconductor module contains substrates 1.1 - 1.4 on base 2, housing 15, wire connections 9 connecting the substrates to each other, DC +, DC- and AC buses 16, a double-sided printed circuit board 10 and external control leads 11, wire connections 12 connecting conductors printed circuit board and substrate metallization.

Симметричное расположение точек подключения силовых терминалов DC+ 3 и DC- 4 на подложках 1.1 - 1.4 на позволяет организовать соединение подложек между собой методом ультразвуковой сварки проволокой по кратчайшему пути перпендикулярно границе контактной области.The symmetrical location of the points of connection of power terminals DC + 3 and DC- 4 on the substrates 1.1 - 1.4 on allows organizing the connection of the substrates to each other by ultrasonic welding with wire along the shortest path perpendicular to the contact area boundary.

Расположение проводников затвора и эмиттера в непосредственной близости как на топологии подложек 1.1 - 1.4, так и на двухсторонней печатной плате 10 позволяет выполнить соединения подложек и печатной платы с помощью низкоиндуктивной двухпроводной линии, где проволочные проводники 12 параллельны на всем своем протяжении, причем расстояние между проводниками много меньше их длины, и тем самым обеспечить наименьшую индуктивность этой цепи.The location of the gate and emitter conductors in close proximity both on the topology of the substrates 1.1 - 1.4, and on the double-sided printed circuit board 10 allows you to connect the substrates and the printed circuit board using a low-inductance two-wire line, where the wire conductors 12 are parallel throughout their entire length, and the distance between the conductors much less than their length, and thus ensure the smallest inductance of this circuit.

Переключение ключей силового полупроводникового модуля сопровождается значительными перенапряжениями, возникающими в силовой цепи при изменении протекающего тока, и определяемыми соотношением (2).Switching the keys of a power semiconductor module is accompanied by significant overvoltages that occur in the power circuit when the flowing current changes, and are determined by relation (2).

L_(DC) - индуктивность силовой цепи модуля; I_C - ток коллектора;

- время спада тока коллектора.L _(DC) - inductance of the power circuit of the module; I _C - collector current;

- collector current decay time.

Указанные перенапряжения могут приводить к необратимому выходу прибора из строя вследствие электрического пробоя. Для ограничения уровня перенапряжений разработчик вынужден снижать скорость переключения ключей, что, в свою очередь, существенно повышает его потери, снижает КПД, надежность и эксплуатационные характеристики преобразователя в целом.These overvoltages can lead to irreversible failure of the device due to electrical breakdown. To limit the overvoltage level, the developer is forced to reduce the switching speed of the switches, which, in turn, significantly increases its losses, reduces the efficiency, reliability, and performance characteristics of the converter as a whole.

Предлагаемая конструкция силового полупроводникового модуля позволяет снизить индуктивность силовых цепей на 20% - с 10 нГн до 8 нГн в сравнении с прототипом [Международная заявка на изобретение №WO2018096147A1 «Силовой полупроводниковый модуль», опубликована 31.05.2018 г.]. Соответственно, пропорционально индуктивности снижается уровень перенапряжений при коммутации ключей. Совокупность низкой индуктивности силового и управляющего контуров предлагаемого модуля позволяет применять в его составе быстродействующие SiC MOSFET кристаллы.The proposed design of the power semiconductor module allows to reduce the inductance of power circuits by 20% - from 10 nH to 8 nH in comparison with the prototype [International application for invention No. WO2018096147A1 "Power semiconductor module", published on May 31, 2018]. Accordingly, in proportion to the inductance, the level of overvoltages decreases when switching keys. The combination of low inductance of the power and control circuits of the proposed module makes it possible to use high-speed SiC MOSFET crystals in its composition.

Как видно из вышеизложенного, в заявляемом силовом полупроводниковом модуле обеспечивается бифилярное расположение силовых терминалов DC+, DC- на всей их протяженности, проволочные соединения между подложками расположены перпендикулярно границе контактной области по кратчайшему пути, проводники затвора и эмиттера на печатной плате узла управления также расположены бифилярно на всей своей протяженности, а соединения печатной платы и подложек выполнены в виде низкоиндуктивной двухпроводной линии, что в совокупности обеспечивает минимальную паразитную индуктивность силового полупроводникового модуля.As can be seen from the above, in the inventive power semiconductor module, a bifilar arrangement of power terminals DC +, DC - is provided throughout their length, wire connections between the substrates are located perpendicular to the border of the contact area along the shortest path, the gate and emitter conductors on the printed circuit board of the control unit are also located bifilar on its entire length, and the connections of the printed circuit board and substrates are made in the form of a low-inductance two-wire line, which together ensures the minimum parasitic inductance of the power semiconductor module.

Заявляемый силовой полупроводниковый модуль может быть реализован на известном технологическом оборудовании с помощью известных материалов и средств, что подтверждает его промышленную пригодность.The inventive power semiconductor module can be implemented on known technological equipment using known materials and means, which confirms its industrial suitability.

Claims

Силовой полупроводниковый модуль, содержащий корпус, основание, четыре металлизированные подложки, силовые терминалы DC+, DC- и АС, кристаллы транзисторов и диодов, проволочные соединения кристаллов между собой и с подложкой, проволочные соединения подложек между собой, узел управления полупроводниковыми элементами, который содержит печатную плату, проволочные соединения подложек с платой и внешние выводы управления, причем силовой полупроводниковый модуль выполнен по электрической схеме «полумост», каждый из ключей которого организован на топологии двух соединенных с основанием модуля металлизированных подложек, на которых расположены полупроводниковые элементы, электрически и механически соединенные с металлизацией подложек, узел управления модуля включает в себя цепи затвора и эмиттера от подложек до внешних выводов управления силового полупроводникового модуля и состоит из печатной платы с присоединенными к ней внешними выводами управления, электрически соединенную с подложками с помощью проволочных соединений, силовые терминалы DC+, DC- и АС соединены с металлизацией подложек и закреплены в корпусе силового полупроводникового модуля, согласно полезной модели, силовые терминалы DC+ и DC- расположены между собой бифилярно на всей своей протяженности, топология подложек выполнена таким образом, что проволочные соединения между подложками расположены по кратчайшему пути перпендикулярно границе контактной области, проводники затвора и эмиттера на печатной плате узла управления расположены между собой бифилярно, а проволочные соединения платы с подложками организованы в виде низкоиндуктивной двухпроводной линии.A power semiconductor module containing a housing, a base, four metallized substrates, DC+, DC- and AC power terminals, transistor and diode crystals, wire connections of the crystals between themselves and with the substrate, wire connections between the substrates, a semiconductor element control unit that contains a printed circuit board. board, wire connections of the substrates with the board and external control leads, moreover, the power semiconductor module is made according to the "half-bridge" electrical circuit, each of the keys of which is organized on the topology of two metallized substrates connected to the base of the module, on which semiconductor elements are located, electrically and mechanically connected to substrate metallization, the module control unit includes the gate and emitter circuits from the substrates to the external control terminals of the power semiconductor module and consists of a printed circuit board with external control terminals attached to it, electrically connected to the substrates using wire connections, power terminals DC+, DC- and AC are connected to the metallization of the substrates and fixed in the housing of the power semiconductor module, according to the utility model, the DC+ and DC- power terminals are arranged bifilarly among themselves along their entire length, the topology of the substrates is designed in such a way that the wire connections between the substrates are located along the shortest path perpendicular to the boundary of the contact area, the gate and emitter conductors on the printed circuit board of the control unit are arranged bifilarly among themselves, and the wire connections of the board with the substrates are organized in the form of a low-inductance two-wire line.