RU225966U1

RU225966U1 - Power semiconductor module

Info

Publication number: RU225966U1
Application number: RU2024102747U
Authority: RU
Inventors: Александр Сергеевич Вишняков; Игорь Алексеевич Артамонов
Original assignee: Акционерное общество "ПРОТОН-ЭЛЕКТРОТЕКС", АО "ПРОТОН-ЭЛЕКТРОТЕКС"
Filing date: 2024-02-02
Publication date: 2024-05-15

Abstract

Полезная модель относится к области силовой электроники и может быть использована в конструкции силовых полупроводниковых приборов. Технический результат заключается в устранении влияния разницы переходных характеристик кристаллов силового полупроводникового модуля. Силовой полупроводниковый модуль содержит корпус, основание, основные и вспомогательные металлизированные подложки, силовые выводы, выводы управления, кристаллы биполярных транзисторов с изолированным затвором, кристаллы диодов, резисторы, проволочные соединения между кристаллами биполярных транзисторов с изолированным затвором и кристаллами диодов, между кристаллами диодов и основными металлизированными подложкам, между основными и вспомогательными металлизированными подложками. Кристаллы биполярных транзисторов с изолированным затвором, кристаллы диодов, резисторы, основные и вспомогательные металлизированные подложки и основание жестко соединены друг с другом, силовые выводы присоединены к основным металлизированным подложкам, а выводы управления присоединены к вспомогательным металлизированным подложкам, проволочные соединения образуют с кристаллами биполярных транзисторов с изолированным затвором и кристаллами диодов и с основными и вспомогательными металлизированными подложками электрическую схему модуля, при этом резисторы размещены на основных металлизированных подложках, причем к каждому биполярному транзистору с изолированным затвором подсоединен отдельный резистор. The utility model relates to the field of power electronics and can be used in the design of power semiconductor devices. The technical result consists in eliminating the influence of the difference in the transient characteristics of the crystals of the power semiconductor module. The power semiconductor module contains a housing, a base, main and auxiliary metallized substrates, power terminals, control terminals, insulated gate bipolar transistor crystals, diode crystals, resistors, wire connections between insulated gate bipolar transistor crystals and diode crystals, between diode crystals and main metallized substrates, between the main and auxiliary metallized substrates. Insulated gate bipolar transistor crystals, diode crystals, resistors, main and auxiliary metallized substrates and the base are rigidly connected to each other, power terminals are connected to the main metallized substrates, and control terminals are connected to auxiliary metallized substrates, wire connections are formed with bipolar transistor crystals with insulated gate and diode crystals and with main and auxiliary metallized substrates, the electrical circuit of the module, with resistors placed on the main metallized substrates, and a separate resistor is connected to each insulated gate bipolar transistor.

Description

Полезная модель относится к области силовой электроники и может быть использована 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.

Известен силовой полупроводниковый модуль, состоящий из основания, корпуса, жестко соединенного с основанием, изолирующих металлизированных подложек, расположенных на основании внутри корпуса, причем на изолирующих металлизированных подложках расположены полупроводниковые кристаллы, защитный резистор, силовые и вспомогательные выводы [Патент на изобретение CN 110400794 А, «Компоновка силового полупроводникового модуля», опубликовано 01.11.2019 г.]. Недостатком известного устройства является то, что несколько полупроводниковых кристаллов на каждом субстрате подключены только через один защитный резистор, что может привести к разной токовой нагрузке на данных кристаллах при включении устройства. Таким образом часть кристаллов может быть перегружена, что негативно скажется на надежности устройства.A power semiconductor module is known, consisting of a base, a housing rigidly connected to the base, insulating metallized substrates located on the base inside the housing, and semiconductor crystals, a protective resistor, power and auxiliary terminals are located on the insulating metallized substrates [Patent for invention CN 110400794 A, “Power Semiconductor Module Layout”, published 11/01/2019]. A disadvantage of the known device is that several semiconductor crystals on each substrate are connected through only one protective resistor, which can lead to different current loads on these crystals when the device is turned on. Thus, some of the crystals may be overloaded, which will negatively affect the reliability of the device.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому техническому результату к заявляемому силовому полупроводниковому модулю является силовой полупроводниковый модуль, состоящий из основания, изолирующих металлизированных подложек, кристаллов IGBT (биполярный транзистор с изолированным затвором) и кристаллов диода, соединенных алюминиевой проволокой между собой и изолирующими металлизированными подложками, выводов основных электродов, через которые протекает ток коллектор-эмиттер, печатной платы, соединительных выводов, с помощью которых печатная плата соединена с изолирующими металлизированными подложками, внешних управляющих электродов, через которые подаются сигналы управления, корпуса, соединенного с основанием [Патент на изобретение JP 2009021345 А, «Силовой полупроводниковый модуль», 29.01.2009 г.]. Модуль содержит пятнадцать изолирующих металлизированных подложек, расположенных на основании, причем на шести подложках расположены по три кристалла транзистора и три кристалла диода, (коллекторные подложки), на три подложки приходит алюминиевая проволока, которая соединяет кристаллы транзистора и диода (эмиттерные подложки), остальные шесть подложек (затворные положки) служат для соединения печатной платы управления с затворами транзисторов, расположенных на коллекторных подложках.The closest in technical essence and achieved technical result to the claimed power semiconductor module is a power semiconductor module consisting of a base, insulating metallized substrates, IGBT crystals (insulated gate bipolar transistor) and diode crystals connected by aluminum wire to each other and insulating metallized substrates, terminals of the main electrodes through which the collector-emitter current flows, a printed circuit board, connecting terminals through which the printed circuit board is connected to insulating metallized substrates, external control electrodes through which control signals are supplied, a housing connected to the base [Invention Patent JP 2009021345 A, “Power semiconductor module”, 01/29/2009]. The module contains fifteen insulating metallized substrates located on the base, and on six substrates there are three transistor crystals and three diode crystals (collector substrates), on three substrates comes an aluminum wire that connects the transistor and diode crystals (emitter substrates), the remaining six substrates (gate pads) are used to connect the control printed circuit board to the gates of transistors located on the collector substrates.

Недостатком известного силового полупроводникового модуля является сложная конструкция, которая содержит большое количество соединенных с основанием при помощи пайки изолирующих металлизированных подложек, печатную плату и соединительные выводы для нее. Печатная плата используется для организации цепи управления. Данная конструкция имеет невысокую надежность из-за большого количества соединений, которые могут выйти из строя во время термоциклирования модуля.The disadvantage of the known power semiconductor module is its complex design, which contains a large number of insulating metallized substrates connected to the base by soldering, a printed circuit board and connecting pins for it. A printed circuit board is used to organize the control circuit. This design has low reliability due to the large number of connections that can fail during thermal cycling of the module.

Технической проблемой, решение которой обеспечивается при использовании заявляемой полезной модели, является увеличение надежности силового полупроводникового модуля.The technical problem, the solution of which is provided by using the claimed utility model, is increasing the reliability of the power semiconductor module.

Технический результат заявленной полезной модели заключается в устранении влияния разницы переходных характеристик кристаллов силового полупроводникового модуля.The technical result of the claimed utility model is to eliminate the influence of the difference in the transient characteristics of the crystals of the power semiconductor module.

Технический результат достигается тем, что силовой полупроводниковый модуль, содержащий корпус, основание, основные и вспомогательные металлизированные подложки, силовые выводы, выводы управления, кристаллы биполярных транзисторов с изолированным затвором, кристаллы диодов, резисторы, проволочные соединения между кристаллами биполярных транзисторов с изолированным затвором и кристаллами диодов и основными металлизированными подложкам, между основными и вспомогательными металлизированными подложками, согласно полезной модели кристаллы биполярных транзисторов с изолированным затвором, кристаллы диодов, резисторы, основные и вспомогательные металлизированные подложки и основание жестко соединены друг с другом, силовые выводы присоединены к основным металлизированным подложкам, а выводы управления присоединены к вспомогательным металлизированным подложкам, проволочные соединения образуют с кристаллами биполярных транзисторов с изолированным затвором и кристаллами диодов и с основными и вспомогательными металлизированными подложками электрическую схему модуля, при этом резисторы размещены на основных металлизированных подложках, причем к каждому биполярному транзистору с изолированным затвором подсоединен отдельный резистор.The technical result is achieved by the fact that a power semiconductor module containing a housing, a base, main and auxiliary metallized substrates, power terminals, control terminals, insulated gate bipolar transistor crystals, diode crystals, resistors, wire connections between insulated gate bipolar transistor crystals and crystals diodes and main metallized substrates, between the main and auxiliary metallized substrates, according to the utility model, insulated gate bipolar transistor crystals, diode crystals, resistors, main and auxiliary metallized substrates and the base are rigidly connected to each other, power leads are connected to the main metallized substrates, and control pins are connected to auxiliary metallized substrates, wire connections form, with the crystals of insulated gate bipolar transistors and diode crystals and with the main and auxiliary metallized substrates, the electrical circuit of the module, while the resistors are placed on the main metallized substrates, and to each insulated gate bipolar transistor is connected separate resistor.

Наличие отдельного резистора в цепи затвора (затворный резистор) каждого биполярного транзистора с изолированным затвором позволяет устранить влияние разницы переходных характеристик кристаллов, тем самым позволяя осуществлять равномерную токовую нагрузку кристаллов во время включения и выключения модуля, тем самым увеличивая надежность модуля.Having a separate resistor in the gate circuit (gate resistor) of each insulated gate bipolar transistor eliminates the effects of differences in crystal transient characteristics, thereby allowing uniform current loading of the crystals during module turn-on and turn-off, thereby increasing module reliability.

Расположение затворных резисторов непосредственно на основных металлизированных подложках позволяет отказаться от использования печатной платы, дополнительных металлизированных подложек для расположения затворных резисторов, дополнительных выводов, соединяющих печатную плату с дополнительными металлизированными подложками, что позволяет упростить конструкцию силового полупроводникового модуля. Обычно соединение металлизированной платы с основанием и печатной платы с дополнительными выводами производится при помощи пайки. Паянное соединение разрушается во время термоциклирования за счет разницы коэффициентов теплового расширения применяемых материалов. Поэтому уменьшение количества таких соединений в представленном модуле позволяет увеличить надежность модуля.The location of the gate resistors directly on the main metallized substrates eliminates the use of a printed circuit board, additional metallized substrates for the location of gate resistors, and additional pins connecting the printed circuit board to additional metallized substrates, which simplifies the design of the power semiconductor module. Typically, the connection of a metallized board with a base and a printed circuit board with additional leads is made by soldering. The soldered joint is destroyed during thermal cycling due to the difference in the coefficients of thermal expansion of the materials used. Therefore, reducing the number of such connections in the presented module allows increasing the reliability of the module.

Сущность предложенного решения и его технический результат поясняются следующими иллюстрациями.The essence of the proposed solution and its technical result are illustrated by the following illustrations.

На фиг.1 показан силовой полупроводниковый модуль в соответствии с принятым решением (вид сверху).Figure 1 shows a power semiconductor module in accordance with the adopted solution (top view).

На фиг.2 показан силовой полупроводниковый модуль в соответствии с принятым решением (вид сбоку).Figure 2 shows a power semiconductor module in accordance with the adopted solution (side view).

На фиг.1 и фиг.2 изображен силовой полупроводниковый модуль, состоящий из основания 1, к которому припаяны основные металлизированные подложки 2 и вспомогательные металлизированные подложки 3. К основным металлизированным подложкам 2 припаяны кристаллы биполярных транзисторов с изолированным затвором 7, кристаллы диодов 8, затворные резисторы 4, причем количество затворных резисторов равно количеству кристаллов биполярных транзисторов с изолированным затвором 7. Каждый затворный резистор 4 соединен с затвором отдельного кристалла биполярного транзистора с изолированным затвором 7. Также к основным металлизированным подложкам 2 присоединены силовые выводы коллектора 5.1 и силовые выводы эмиттера 5.2 при помощи ультразвуковой сварки. К вспомогательным металлизированным подложкам 3 присоединены выводы управления 6: вывод затвора 6.1, вспомогательный вывод эмиттера 6.2 и вспомогательный вывод коллектора 6.3 при помощи ультразвуковой сварки. Проволока 9, присоединенная при помощи ультразвуковой сварки, соединяет кристаллы биполярных транзисторов с изолированным затвором 7, кристаллы диодов 8, основные металлизированные подложки 2 и вспомогательные металлизированные подложки 3 между собой, формируя внутреннюю электрическую схему силового полупроводникового модуля. Корпус 10 присоединен к основанию 1. Внутренняя полость корпуса 10 залита кремнийорганическим гелем 11.Figures 1 and 2 show a power semiconductor module consisting of a base 1 to which the main metallized substrates 2 and auxiliary metallized substrates 3 are soldered. Bipolar transistor crystals with an insulated gate 7, diode crystals 8, and gate diodes are soldered to the main metallized substrates 2. resistors 4, and the number of gate resistors is equal to the number of crystals of bipolar transistors with an insulated gate 7. Each gate resistor 4 is connected to the gate of a separate crystal of a bipolar transistor with an insulated gate 7. Also connected to the main metallized substrates 2 are the power terminals of the collector 5.1 and the power terminals of the emitter 5.2 at using ultrasonic welding. Control terminals 6 are connected to the auxiliary metallized substrates 3: gate terminal 6.1, auxiliary emitter terminal 6.2 and auxiliary collector terminal 6.3 using ultrasonic welding. Wire 9, connected by ultrasonic welding, connects bipolar transistor crystals with insulated gate 7, diode crystals 8, main metallized substrates 2 and auxiliary metallized substrates 3 to each other, forming the internal electrical circuit of the power semiconductor module. Housing 10 is attached to base 1. The internal cavity of housing 10 is filled with silicone gel 11.

Предлагаемый силовой полупроводниковый модуль по сравнению с прототипом и известными техническими решениями имеет следующие преимущества:The proposed power semiconductor module compared to the prototype and known technical solutions has the following advantages:

Наличие затворных резисторов для каждого биполярного транзистора с изолированным затвором позволяет добиться равномерной токовой нагрузки между транзисторами модуля, тем самым увеличив надежность силового полупроводникового модуля;The presence of gate resistors for each bipolar transistor with an insulated gate makes it possible to achieve a uniform current load between the transistors of the module, thereby increasing the reliability of the power semiconductor module;

Расположение затворных резисторов непосредственно на основной металлизированной подложке позволяет увеличить надежность силового полупроводникового модуля, за счет отсутствия в конструкции силового полупроводникового модуля дополнительных деталей таких как печатная плата, соединительные вывода, дополнительные металлизированные подложки, на которых расположены затворные резисторы, и соединений, получаемых при их наличии.The location of the gate resistors directly on the main metallized substrate allows you to increase the reliability of the power semiconductor module, due to the absence in the design of the power semiconductor module of additional parts such as a printed circuit board, connecting pins, additional metallized substrates on which the gate resistors are located, and connections obtained in their presence .

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

Claims

A power semiconductor module comprising a housing, a base, main and auxiliary metallized substrates, power terminals, control terminals, insulated gate bipolar transistor crystals, diode crystals, resistors, wire connections between the insulated gate bipolar transistor crystals and diode crystals and main metallized substrates, between the main and auxiliary metallized substrates, characterized in that the crystals of bipolar transistors with an insulated gate, diode crystals, resistors, the main and auxiliary metallized substrates and the base are rigidly connected to each other, the power terminals are connected to the main metallized substrates, and the control terminals are connected to the auxiliary ones metallized substrates, wire connections form with the crystals of insulated gate bipolar transistors and diode crystals and with the main and auxiliary metallized substrates the electrical circuit of the module, while resistors are placed on the main metallized substrates, and a separate resistor is connected to each insulated gate bipolar transistor.