RU2677253C2 - Подмодуль полумостовой силового полупроводникового модуля - Google Patents
Подмодуль полумостовой силового полупроводникового модуля Download PDFInfo
- Publication number
- RU2677253C2 RU2677253C2 RU2017122438A RU2017122438A RU2677253C2 RU 2677253 C2 RU2677253 C2 RU 2677253C2 RU 2017122438 A RU2017122438 A RU 2017122438A RU 2017122438 A RU2017122438 A RU 2017122438A RU 2677253 C2 RU2677253 C2 RU 2677253C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- power
- submodule
- polygons
- rows
- current
- Prior art date
Links
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 title claims abstract description 40
- 239000004020 conductor Substances 0.000 claims abstract description 16
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims abstract description 14
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 10
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims abstract description 3
- 238000009413 insulation Methods 0.000 claims description 4
- 239000007787 solid Substances 0.000 abstract description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 8
- 230000003071 parasitic effect Effects 0.000 description 8
- 210000001520 comb Anatomy 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 description 2
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 1
- 238000010292 electrical insulation Methods 0.000 description 1
- 230000008030 elimination Effects 0.000 description 1
- 238000003379 elimination reaction Methods 0.000 description 1
- 230000006698 induction Effects 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L25/00—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Inverter Devices (AREA)
- Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)
Abstract
Изобретение относится к силовым полупроводниковым модулям и может использоваться в преобразовательной технике. Сущность изобретения заключается в том, что подмодуль полумостовой силового полупроводникового модуля содержит электроизоляционную теплопроводящую подложку с двумя токоведущими слоями: нижним слоем, который выполнен сплошным силовым полигоном и является частью одного из DC-тоководов, и верхним слоем, который разделен на силовые полигоны АС и DC+, на которых расположены параллельные ряды силовых полупроводниковых элементов, образующие плечи полумоста; два силовых полигона, электрически связанных с нижним силовым токоведущим слоем и расположенных вдоль упомянутых полигонов, при этом полигоны АС и DC+, на которых расположены параллельные ряды силовых полупроводниковых элементов, расположены в непосредственной близости друг от друга; два упомянутых силовых полигона, электрически связанных с нижним силовым токоведущим слоем, расположены за пределами рядов кристаллов подмодуля; выход АС подмодуля подсоединен к полигону АС между рядами силовых полупроводниковых элементов; а необходимые для образования полумостовой схемы соединения между полигонами и(или) полупроводниковыми элементами выполнены гибкими тоководами, ширина которых обеспечивает максимальное покрытие ими ширины тоководов подмодуля. Технический результат – повышение надежности полупроводникового силового модуля. 1 ил.
Description
Изобретение относится к силовым полупроводниковым модулям и может использоваться в преобразовательной технике.
Основной проблемой, которую решают производители полупроводниковых модулей (подмодулей) со схемой полумоста (транзисторного, транзисторно-диодного, диодного), является снижение «выбросов» напряжения на транзисторах (после их запирания) или на диодах (после восстановления из непроводящего состояния) за пределы напряжения DC-конденсатора. Эти выбросы возникают вследствие наличия паразитных индуктивностей контура DC, образуемого как внутренними тоководами самого подмодуля: DC+, DC- и тоководами, соединяющими полупроводниковые элементы плеч молумоста между собой, так и внешними тоководами, соединяющими внутренние тоководы модуля DC+ и DC- с буферным DC-конденсатором. Например, в транзисторном полумосте при запирании нижнего ключа, через который от токовода АС к тоководу DC- протекает ток внешней индуктивной цепи, скорость роста напряжения на запираемом ключе вначале ограничивается собственной емкостью полупроводниковых элементов и конструктивными емкостями модуля. После достижения напряжением на запираемом ключе уровня напряжения DC полумоста открывается диод в верхнем плече полумоста, который перенаправляет внешний ток АС через токовод DC+ в DC-конденсатор. При этом в диоде ток должен увеличиться скачком на величину, равную внешнему току АС. Но упомянутая паразитная индуктивность препятствует этому процессу: для разгона в ней тока требуется наличие на ней определенного напряжения, равного ЭДС самоиндукции, которое и будет вышеупомянутым «выбросом напряжения».
Оценим допустимую величину паразитной индуктивности Ln упомянутого контура полумоста для модулей IGBT. Возьмем допустимую величину «выброса напряжения» равной 200 В.
Скорость спада тока для одного кристалла IGBT среднего быстродействия на ток 100 А равна 
. Тогда для модуля на 600 А, т.е. с ключами из 6-и кристаллов:
Приблизительно такое значение индуктивности (15 нГ) и имеют, например, серийные модули SKM600GB126D [1] в корпусе SEMITRANS-3.
Переход на более высокие рабочие частоты преобразования и повышение КПД требует применения более быстродействующих транзисторов, что влечет необходимость разработки менее индуктивных корпусов. Для более быстродействующих силовых SiC транзисторов на 1200 В C2M0080120D [2] время спада тока менее 20 нс, поэтому для коммутируемого тока 600 А модулем из таких кристаллов, имеем:
Это подтверждает последняя разработка ф.Cree - низкопрофильный модуль CAS325M12HM2 [3] - он имеет индуктивность около 5 нГ.
В эту оценку индуктивности входят в качестве слагаемого и паразитная индуктивность вешних буферных конденсаторов между внешними DC-тоководами и индуктивность внешних DC-тоководов. Например, для конденсатора B32656S (ф.Epcos) емкостью 2,2 мкФ (1250 В) [4] имеем величину суммы упомянутых паразитных индуктивностей 1 нГ. Параллельное соединение таких конденсаторов снизит паразитную индуктивность до долей нГ. Поэтому необходимо отметить, что необходимость в постановке буферных DC-конденсаторов внутрь модуля непосредственно на подложку с целью минимизации упомянутых паразитных индуктивностей практически отпадает (исключение составляет случай, когда длительности фронтов - менее единиц не, а коммутируемые токи - более десятков А).
Таким образом, для обеспечения гарантированного безопасного режима работы современных модулей на сотни Ампер суммарная величина паразитных индуктивностей DC-контура внутри модуля не должна превышать (2÷3) нГ.
Тоководы упомянутого контура полумоста современных низкоиндуктивных подмодулей выполнены полосковыми так, что их длина в разы меньше ширины. Например, низкопрофильный серийный силовой полумостовой модуль CAS325M12HM2 характеризуется расположением полупроводниковых элементов параллельными рядами при параллельном их соединении внутри каждого ряда. Ток протекает в поперечном направлении к этим рядам по сплошным токоведущим полигонам подложки. Сужение линий тока происходит только в областях токопроводящих перемычек, соединяющих кристаллы полупроводниковых элементов с полигонами. Однако выводы DC-тоководов разнесены по разные стороны от рядов полупроводниковых элементов, что существенно увеличивает площадь петли упомянутого контура и препятствует получению минимально возможной паразитной индуктивности даже при максимальном приближении буферного DC конденсатора к модулю.
Действительно, индуктивность контура, ограничиваемого двумя полосковыми плоскопараллельными тоководами шириной b и длиной 
, расположенными друг над другом с зазором h, определяется в приближении (h<<b) формулой [5]:
Для рассмотренного модуля CAS325M12HM2 имеем: h≈10 мм, b≈100 мм, 
. Тогда получаем L≈6 нГ, что достаточно близко к заявленному (5 нГ). Одним из путей снижения паразитной индуктивности контура является снижение толщины DC контура до h≈1 мм, ограничиваемого технологическими и физическими факторами. В этом случае основной вклад в суммарную индуктивность уже будут вносить неоднородности тоководов, например, токопроводящие перемычки. Они обычно выполняются шлейфом, состоящим из проволочек или полосок. Суммарная ширина этих шлейфов в каждом ряду в несколько раз меньше ширины b сплошного токовода, особенно при выполнении перекрестий тоководов в виде «гребенок». Поэтому при суммарной длине этих участков примерно 20 мм и длине 
, имеем ощутимый вклад в паразитную индуктивность DC контура.
Таким образом, при оценке величины паразитной индуктивности DC контура подмодуля необходимо учитывать не только соотношение габаритных размеров этого контура, но и неоднородности тоководов.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа [6, fig3a], является полумостовой силовой полупроводниковый модуль, содержащий электроизоляционную теплопроводящую подложку с двумя силовыми токоведущими слоями: нижним слоем, который выполнен сплошным полигоном и является частью токовода DC+ полумоста, и верхним слоем, который разделен на полигоны, на двух из которых расположены параллельные ряды силовых полупроводниковых элементов, образующие плечи полумоста, а между упомянутыми рядами находится полигон, который соединен электропроводящими переходками с нижним слоем; три максимально широких полосковых силовых вывода, расположенных параллельно рядам полупроводниковых элементов и подсоединенных по всей ширине вывода к соответствующим полигонам, причем выводы DC+ и DC- максимально сближены до толщины необходимой изоляции и находятся за пределами рядов кристалллов подмодуля со стороны верхнего плеча полумоста, а силовой вывод АС полумоста находится на краю модуля со стороны нижнего плеча полумоста.
Недостатком такой конфигурации является невозможность выполнения соединений полупроводниковых элементов и тоководов в полумост без перекрестья. Это оставляет нереализованным потенциал снижения паразитных индуктивностей.
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является повышение надежности полупроводникового силового модуля.
Техническим результатом заявленного изобретения является снижение выбросов напряжения на полупроводниковых элементах силового полумостового подмодуля, возникающих вследствие наличия паразитной индуктивности в DC контуре полумоста.
Технический результат достигается тем, что в подмодуле полумостовом силового полупроводникового модуля, содержащем электроизоляционную теплопроводящую подложку с двумя токоведущими слоями: нижним слоем, который выполнен сплошным силовым полигоном и является частью одного из DC-тоководов, и верхним слоем, который разделен на силовые полигоны АС и DC+, на которых расположены параллельные ряды силовых полупроводниковых элементов, образующие плечи полумоста; два силовых полигона, электрически связанных с нижним силовым токоведущим слоем и расположенных вдоль упомянутых полигонов, причем один из них расположен за пределами рядов кристаллов подмодуля; три максимально широких полосковых силовых вывода AC, DC+ и DC- подмодуля, расположенных параллельно рядам полупроводниковых элементов и подсоединенных по всей своей ширине к соответствующим полигонам, причем выводы DC+ и DC- подмодуля подсоединены к соответствующим полигонам, находящимся за пределами рядов кристаллов подмодуля, и находятся друг от друга на расстоянии, равном толщине необходимой изоляции, новизна заключается в том, что ликвидируются перекрестья тоководов подмодуля за счет того, что полигоны АС и DC+, на которых расположены параллельные ряды силовых полупроводниковых элементов, расположены в непосредственной близости друг от друга; два упомянутых силовых полигона, электрически связанных с нижним силовым токоведущим слоем, расположены за пределами рядов кристаллов подмодуля; вывод АС подмодуля подсоединен к полигону АС между рядами силовых полупроводниковых элементов; а необходимые для образования полумостовой схемы соединения между полигонами и(или) полупроводниковыми элементами выполнены гибкими тоководами, ширина которых обеспечивает максимальное покрытие ими ширины тоководов подмодуля.
Сущность заявленного изобретения поясняется чертежом, на котором показан вертикальный разрез одного из вариантов «полумостовой» секции модуля, выполненный в поперечном направлении к рядам полупроводниковых элементов.
Нижний токоведущий слой керамической подложки 1 представляет собой сплошной полигон 2, несущий один из потенциалов DC+ или DC- (в данном случае DC-). По краям подложки 1 полигон 2 выведен на верхний токоведущий слой на полигоны 3 и 4. На полигонах 5 и 6 верхнего токоведущего слоя расположены кристаллы полупроводниковых элементов 7 (VT-L) и 8 (VT-H). Токопроводящие перемычки 9 и 10 соединяют кристаллы 7 и 8 с соответствующими полигонами 4 и 5. Выводы DC+ и DC-11 и 12 подсоединены к соответствующим полигонам 3 и 6 и максимально прижаты друг к другу на толщину необходимой изоляций. Вывод 13 точки АС полумоста выходит с полигона 5 между рядами полупроводниковых элементов 7 и 8.
Таким образом, все токоведущие элементы (1÷10) контура полумоста и тоководы 11 и 12 образуют конструкцию, не имеющую пересечений тоководов и геометрически близки к двум последовательно соединенным двухпроводным двухуровневым полосковым линиям. И как следствие - минимальную индуктивность: действительно, суммарная индуктивность упомянутых линий для h≈1 мм, b≈100 мм, 
где 50 мм - длина линии на подложке, а 10 мм - длина линии от подложки до выхода модуля (длина тоководов 11 и 12), будет 0,8 нГ (см. формулу 1).
Оценим индуктивность одного перекрестья. Перекрестье можно осуществить в виде «гребенки» с шагом Н, равным шагу расположения полупроводниковых кристаллов в ряду, то есть около Н≈14 мм. Тогда при величине зазора между зубцами 3 мм (определяется требованием к электроизоляции), ширина зубца будет: (14 мм / 2зубца) - 3 мм = 4 мм.
Оценка индуктивности одного зубца по формуле (1) для h≈2 мм, b≈4 мм, 
дает значение около 9 нГ. Если оценивать индуктивность по модели одиночного проводника:
то получим значение 7 нГ. Таким образом, наилучшая оценка будет 8 нГ.
Если даже по минимуму оценить индуктивность «гребенки», то можно пренебречь взаимоиндукцией зубцов, усиливающую индуктивность, то получим: число зубцов на каждом тоководе равно 100 мм / 14 мм/шаг ≈ 7 зубцов, тогда:
Lгребенки ≈ (8 нГ / 7зубцов) × 2 токовода ≈ 2 нГ
Тогда ликвидация перекрестий (например, в виде «гребенки») тоководов DC контура полумоста дает снижение паразитной индуктивности DC контура полумоста как минимум на 2нГ, что для 
дает снижение выбросов напряжения на:
что является значительной частью допустимого полного запаса, приблизительно равного 200 В.
Таким образом, заявляемое изобретение позволяет снизить выбросы напряжения на полупроводниковых элементах полумостового подмодуля силового полупроводникового модуля, возникающие вследствие наличия паразитной индуктивности в DC контуре полумоста.
Источники информации
1. www.semikron.com/dl/service-support/downloads/download/semikron-datasheet-skm600gb12t4-22892098
2. www.wolfspeed.com/downloads/dl/file/id/167/product/10/c2m0080120d.pdf
3. www.wolfspeed.com/downloads/dl/file/id/967/product/204/cas325m12hm2.pdf
4. en.tdk.eu/inf/20/20/db/fc_2009/MKP_B32651_658.pdf
5. П.Л. Калантаров, Л.А. Цейтлин «Расчет индуктивностей». 1986,
6. патент US 7,791,208 В2, Power semiconductor arrangement, Infineon Technologies AG, 2010, Priority 2007, Fig. 3a
Claims (1)
- Подмодуль полумостовой силового полупроводникового модуля, содержащий электроизоляционную теплопроводящую подложку с двумя токоведущими слоями: нижним слоем, который выполнен сплошным силовым полигоном и является частью одного из DC-тоководов, и верхним слоем, который разделен на силовые полигоны АС и DC+, на которых расположены параллельные ряды силовых полупроводниковых элементов, образующие плечи полумоста; два силовых полигона, электрически связанных с нижним силовым токоведущим слоем и расположенных вдоль упомянутых полигонов, причем один из них расположен за пределами рядов кристаллов подмодуля; три максимально широких полосковых силовых вывода AC, DC+ и DC- подмодуля, расположенных параллельно рядам полупроводниковых элементов и подсоединенных по всей своей ширине к соответствующим полигонам, причем выводы DC+ и DC- подмодуля подсоединены к соответствующим полигонам, находящимся за пределами рядов кристаллов подмодуля, и находятся друг от друга на расстоянии, равном толщине необходимой изоляции, отличающийся тем, что полигоны АС и DC+, на которых расположены параллельные ряды силовых полупроводниковых элементов, расположены в непосредственной близости друг от друга; два упомянутых силовых полигона, электрически связанных с нижним силовым токоведущим слоем, расположены за пределами рядов кристаллов подмодуля; вывод АС подмодуля подсоединен к полигону АС между рядами силовых полупроводниковых элементов; а необходимые для образования полумостовой схемы соединения между полигонами и(или) полупроводниковыми элементами выполнены гибкими тоководами, ширина которых обеспечивает максимальное покрытие ими ширины тоководов подмодуля.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017122438A RU2677253C2 (ru) | 2017-06-26 | 2017-06-26 | Подмодуль полумостовой силового полупроводникового модуля |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017122438A RU2677253C2 (ru) | 2017-06-26 | 2017-06-26 | Подмодуль полумостовой силового полупроводникового модуля |
Publications (3)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2017122438A RU2017122438A (ru) | 2018-12-26 |
| RU2017122438A3 RU2017122438A3 (ru) | 2018-12-26 |
| RU2677253C2 true RU2677253C2 (ru) | 2019-01-16 |
Family
ID=64752971
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2017122438A RU2677253C2 (ru) | 2017-06-26 | 2017-06-26 | Подмодуль полумостовой силового полупроводникового модуля |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2677253C2 (ru) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2089013C1 (ru) * | 1995-03-03 | 1997-08-27 | Акционерное общество закрытого типа Русское общество прикладной электроники "РОПЭ" | Полупроводниковый модуль |
| US7791208B2 (en) * | 2007-09-27 | 2010-09-07 | Infineon Technologies Ag | Power semiconductor arrangement |
| US20150130071A1 (en) * | 2013-11-12 | 2015-05-14 | Infineon Technologies Ag | Semiconductor Package Comprising a Transistor Chip Module and a Driver Chip Module and a Method for Fabricating the Same |
| US20160240470A1 (en) * | 2011-12-07 | 2016-08-18 | Transphorm Inc. | Semiconductor modules and methods of forming the same |
| RU2600125C2 (ru) * | 2012-06-28 | 2016-10-20 | Сименс Акциенгезелльшафт | Преобразователь и способ его эксплуатации для преобразования напряжений |
-
2017
- 2017-06-26 RU RU2017122438A patent/RU2677253C2/ru active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2089013C1 (ru) * | 1995-03-03 | 1997-08-27 | Акционерное общество закрытого типа Русское общество прикладной электроники "РОПЭ" | Полупроводниковый модуль |
| US7791208B2 (en) * | 2007-09-27 | 2010-09-07 | Infineon Technologies Ag | Power semiconductor arrangement |
| US20160240470A1 (en) * | 2011-12-07 | 2016-08-18 | Transphorm Inc. | Semiconductor modules and methods of forming the same |
| RU2600125C2 (ru) * | 2012-06-28 | 2016-10-20 | Сименс Акциенгезелльшафт | Преобразователь и способ его эксплуатации для преобразования напряжений |
| US20150130071A1 (en) * | 2013-11-12 | 2015-05-14 | Infineon Technologies Ag | Semiconductor Package Comprising a Transistor Chip Module and a Driver Chip Module and a Method for Fabricating the Same |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2017122438A (ru) | 2018-12-26 |
| RU2017122438A3 (ru) | 2018-12-26 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US9685879B2 (en) | Power semiconductor module and power conversion device | |
| Hoene et al. | Packaging very fast switching semiconductors | |
| JP6158210B2 (ja) | 半導体モジュール及びその製造方法 | |
| US8228113B2 (en) | Power semiconductor module and method for operating a power semiconductor module | |
| JP4277169B2 (ja) | 電力用半導体モジュール | |
| CN107851661B (zh) | 功率转换器的物理拓扑结构 | |
| CN111415916A (zh) | 半导体装置以及半导体封装 | |
| RU2656302C1 (ru) | Подмодуль полумостовой силового полупроводникового модуля | |
| CN102939650A (zh) | 半导体装置 | |
| JP5595617B2 (ja) | 電力変換装置 | |
| US20220302075A1 (en) | Power semiconductor module | |
| RU2677253C2 (ru) | Подмодуль полумостовой силового полупроводникового модуля | |
| JP5792323B2 (ja) | ２つの型の電荷キャリアを制御するサイリスタ | |
| DE102010038731B3 (de) | Submodul und Leistungshalbleitermodul | |
| JP4170763B2 (ja) | 電流をスイッチングする回路に対する回路構造 | |
| CN213880658U (zh) | 一种功率模块 | |
| US9668350B2 (en) | Semiconductor module with low inductance load connections | |
| RU217893U1 (ru) | Силовой полупроводниковый модуль | |
| US5455529A (en) | Circuit assembly for power semiconductors | |
| JPH0541474A (ja) | 半導体装置 | |
| US20220068777A1 (en) | Low-inductance connecting device for connecting a semiconductor module and an intermediate circuit capacitor | |
| RU206439U1 (ru) | Многокристальный силовой модуль | |
| JP2005197433A (ja) | 電力用半導体モジュール | |
| KR20030004149A (ko) | 일체형 다층 버스 플레이트를 갖는 인버터 스택 장치 | |
| RU148258U1 (ru) | Многокристальный силовой модуль |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PC41 | Official registration of the transfer of exclusive right |
Effective date: 20200116 |