SU1064356A1

SU1064356A1 - Semiconductor module

Info

Publication number: SU1064356A1
Application number: SU823480082A
Authority: SU
Inventors: Марк Иосифович Абрамович; Виктор Евсеевич Либер; Анатолий Алексеевич Сакович
Original assignee: Всесоюзный Электротехнический Институт Им.В.И.Ленина
Priority date: 1982-08-09
Filing date: 1982-08-09
Publication date: 1983-12-30

Abstract

1. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ МОДУ содержаи1Ий корпус, полупроводниковую структуру, соединенную с электрическими выводами посредством мн гостержневого токоподвода, и предохранитель с плавкими элементами, отличающийс тем, что, с целью уменьшени расхода электро энергии, массы и габаритов, повышени быстродействи и обеспечени термодиис1мической стойкости, предохранитель расположен в указанном корпусе и выполнен с чи.с ом плавких элементов, равным числу стержней токоподвода , каждый стержень соединен с электрическим выводом через один плавкий элемент и обраэованнгш такий образом цепочка изолирована на участке от полупроводниковой структуры до электрического вывода. 2. Модуль по п. 1, отличающийс тем, что, с целью исключени расхода серебра и упрощени конструкции, плавкие элементы выполнены из того же материгша, что и стержни токоподвода, например из алкни1ини , и Ксикдый стержень объе-. динен с одним плавким элементом.1. A SEMI-CONDUCTOR MODE containing a case, a semiconductor structure connected to the electrical leads by means of a multiple main current lead, and a fuse with fusible elements, characterized in that, in order to reduce the power consumption, mass and dimensions, improve speed and ensure thermal dissipation resistance in the specified case and is made with a number of fusible elements equal to the number of rods of the electrical power supply, each rod is connected to an electrical output through one p The element and the surrounding circuit are isolated from the semiconductor structure to the electrical output. 2. Module according to claim 1, characterized in that, in order to eliminate silver consumption and simplify the design, the fusible elements are made of the same material as the rods of the electrical power supply, for example, aluminum, and the Xycdium rod. dinene with one fusible element.

Description

, Изобретение относитс к преобразовательной технике и предназначено дл использовани в полупроводниковых преобразовательных устройствах . Известен полупроводниковый модуль , содержащий полупроводниковый прибор и блок защиты по управл ющему электроду Cl. Однако данный модуль нельз выпо нить, на неуправл емых полупроводниковых приборах, он не может быть и пользован в цепи посто нного тока, не обеспечивает отключение прибора в случае его повреждени и не ограничивает амплитуду аварийного тока Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности вл етс полупроводниковый модуль, содержащий плавкий предохранитель и полупроводниковый прибор C2J с многостержневым токоподводом к его полупроводниковой структуре, например , как описано в 3. Недостатка известных модулей вл ютс значительные потери мощности и необходимость расхода серебра- дефицитного и дорогосто щего материала. Это св зано с тем, что дпй предохранител Модул требует с малое соотношение между полным джоулевым интегралом отключени J t И его номинальным током . по сра нению с соотношением, допускаемым дл другого электротехнического оборудовани . Уменьшение отношени ОТКА достигаетс путем выполне-:ни плавкого элемента предохранител сложной конфигурации, применением серебра и повышением в нем плотност тока. Известные модули характеризуютс относительно большими габаритами и массой. Это определ етс тем, что полупроводниковый прибор и предохранитель выполнены в отдельных кор пусах и имеют внешнее соединение. Кроме того, увеличение номинального тока и напр жени предохранител достигаетс путем соответственно параллельного и последовательного соединени предохранителей базовой конструкции. Кроме того, известные модули характеризуютс недостаточным быстродействием , вследствие чего допустимое число параллельно работающих модулей не менее трех, так как числе параллельно работающих Модуле m 3 не обеспечиваетс селективное отключение поврежденного прибора в св зи с тем, что аварийный ток может превысить значение, привод щее к начёшу расплавлени плавкого элемента предохранител в модуле с неповрежденным прибором. В схеме прео ра,зовательного устройства через поврежденный модуль протекает полный аварийный ток, Я1вл ющийс дл его прибора обратным током, а дл остальных модулей аварийный ток вл етс пр мым и делитс по параллельно соединенным модул м равномерно,, т.е. ток одного модул составл ет-l/ni часть от полного тока..ПРИ этом дл селективного отключени поврежденного прибора необходимо, чтобы где 32-i . „д - -преддуговой интеграл плавлени предохранител . У современных быстродействующих предохранителей откл ,g., J f . селективность отключени предохранителем при не обеспечиваетс . При m , 3 и определенной величине рабочего тока модул аварийный ток через поврежденный модуль может превысить ток термодинамической стой кости его прибора либо предохранител . Цель изобретени - уменьшение рас хода электроэнергии, массы и габаритов , повышение быстродействи и обес печение термодинамической стойкости. Поставленна цель достигаетс тем, что в полупроводниковом модуле , содержащем корпус, полупроводниковую структуру, соединенную с электрическими выводами многостержневым токоподводом, и предохранитель с плавкими элементами, предохранитель расположен в указанном корпусе и выполнен с числом плавких элементов, равным числу стержней токоподвода, каждый стержень соединен с электричесгким выводом через один плавкий элемент и образованна таким образом цепочка изолирована на участке от полупроводниковой структуры до электрического вывода . Кроме того, плавкие элементы выполнены из того же материала, чтЪ и стержни токойодвода, например.из алюмини , и каждый стержень объединен с одним плавким элементом. На фиг. 1 изображен предлагаемый модуль с многостержневым токоподводом к двум сторонам полупроводниковой структуры, общий вид в разрезе; на фиг. 2 - то же, к одной стороне полупроводниковой структуры; на фиг. 3 - последовательность перегорани плавких элементов предохранител .The invention relates to converter technology and is intended for use in semiconductor conversion devices. A semiconductor module is known, which contains a semiconductor device and a protection unit on a control electrode Cl. However, this module could not be executed on unmanaged semiconductor devices, it cannot be used in the DC circuit, it does not shut down the device if it is damaged, and does not limit the amplitude of the emergency current. The semiconductor module is closest to the proposed technical entity containing a fuse and a C2J semiconductor device with a multi-rod lead to its semiconductor structure, for example, as described in 3. The disadvantages of the known modules are Yelnia power loss and the need for flow silver- scarce and expensive material. This is due to the fact that the dpu fuse module requires a small ratio between the total joule disconnect integral j t and its rated current. compared to the ratio allowed for other electrical equipment. A decrease in the OTKE ratio is achieved by performing a fuse element of a complex configuration, using silver and increasing the current density in it. The known modules are characterized by relatively large dimensions and weight. This is determined by the fact that the semiconductor device and the fuse are made in separate enclosures and have an external connection. In addition, an increase in the rated current and voltage of the fuse is achieved by respectively parallel and series connection of the fuses of the basic design. In addition, the known modules are characterized by insufficient speed, as a result of which the permissible number of modules working in parallel is at least three, since the number of modules running in parallel, Module M 3, does not provide a selective disconnection of a damaged device due to the fact that the emergency current may melting the fusible element of the fuse in the module with an intact device. In the scheme of the presetting device, a full emergency current flows through the damaged module, which is connected to its device by reverse current, and for the other modules, the emergency current is direct and is divided along parallel connected modules evenly, i.e. the current of one module is -l / ni part of the total current. In order to selectively disconnect the damaged device, it is necessary that where 32-i. The d - pre-arc integral of the fuse. Modern high-speed fuses off, g., J f. fuse disconnect selectivity is not provided. At m, 3 and a certain value of the operating current of the module, the emergency current through the damaged module may exceed the current of the thermodynamic stability of its device or fuse. The purpose of the invention is to reduce the consumption of electricity, mass and dimensions, increase speed and ensure thermodynamic stability. The goal is achieved by the fact that in a semiconductor module comprising a housing, a semiconductor structure connected to electrical leads of a multi-rod current lead, and a fuse with fusible elements, the fuse is located in the specified housing and is made with a number of melting elements equal to the number of rods of the electrical lead, each rod is connected to electrical output through one fusible element and thus formed chain is isolated in the area from the semiconductor structure to the electric output In addition, the fusible elements are made of the same material as the current supply rods, for example, of aluminum, and each rod is combined with one fusible element. FIG. 1 shows the proposed module with a multi-rod power supply to the two sides of the semiconductor structure, a general view in section; in fig. 2 - the same, to one side of the semiconductor structure; in fig. 3 - sequence of fuse fuse elements.

Модуль на фиг. 1 имеет полупровоА никовую структуру 1 и многостержневой токоподвод из двух частей 2 и 3. Стержни токоподвода одними концами контактируют с полупроводниковой структурой 1 на отдельных участках, а другими - с двум группами плавких элементов 4 и 5, причем каждый стержень контактирует -с одним плавким элементом, имеющим места 6 сужени . Противоположные концы плавких элементов соединены с электрическими выводами 7 и 8. Корпус имеет резервуар 9, заполненный диэлектрической теплоотвод щей жидкостью 10, например фреоном, и изол тор 11, заполненный диэлектрической дугогас щей средой 12 например песком или фреоном, изолирук дей каждый плавкий элемент. Каждый стержень токоподвода изолирован изол цией 13 и 14. Плавкие элементы фиксируютс , проход через отверсти пластин.15 и 16The module in FIG. 1 has a semi-conductor structure 1 and a multi-rod current lead of two parts 2 and 3. The current lead rods contact one end with the semiconductor structure 1 in separate areas, and the other with two groups of fusible elements 4 and 5, each rod contacting one fusible element having a seat of 6 contractions. The opposite ends of the fusible elements are connected to electrical leads 7 and 8. The housing has a reservoir 9 filled with dielectric heat sink liquid 10, for example, freon, and an insulator 11 filled with dielectric arc medium 12 such as sand or freon, isolating each fusible element. Each terminal of the electrical power supply is isolated by insulating 13 and 14. The fusible elements are fixed, the passage through the holes of the plates. 15 and 16

Модуль на фиг. 2 имеет полупроводниковую структуру 1 и многостержневой токОподвод 2. Стержни токоподвода одними концами контактируют с полупроводниковой структурой на отдельных участках, а другими - с группой плавких элементов 4, причём каждый стержень контактирует с одним плавким элементом, имеющим места 6 сужени . Противоположные концы плавких элементов соединены с электрическим выводом 7. Корпус модул имеет изол тор 11, заполненный диэлектрической дугогас щей средой 12, изолирующей каждый плавкий элемент, который фиксируетс , проход через отверсти пластин 15 и 16, В модуле имеетс также медное основание 17 и термокомпенсатор 18.The module in FIG. 2 has a semiconductor structure 1 and a multi-rod current. Power supply 2. The ends of the electrical lead contact with the semiconductor structure in separate areas, and the other with a group of fusible elements 4, each rod in contact with one fusible element having 6 constrictions. The opposite ends of the fusible elements are connected to the electrical outlet 7. The module case has an insulator 11 filled with dielectric arc-absorbing medium 12, insulating each fusible element that is fixed, the passage through the holes of the plates 15 and 16. In the module there is also a copper base 17 and a thermal compensator 18 .

Рабочий ток протекает одновременно по всем плавким элементам 4 и 5.. Аварийный ток, вызванный внешней , причиной, такжебудет протекать по всем плавким элементам одновременно. При пробое полупроводниковой струк-. туры 1, который, как правило, происходит в одной небольи ой области,ава:рийный ток начнет протекать по первой группе плавких элементов и соединенных с ними стержней токоподвода , непосредственно примыкающих к этой области..При этом ток в остальг ных стержн х и плавких элементах относительно мал из-за сравнительно большего сопротивлени полупроводниковой структуры в поперечном . направлении неповрежденной части и им вначалё можно пренебречь. НараСтающий аварийный ток быстро расплавл ет первую небольшую группу элементов и переходит на вторую группу , прикыкающую к первой, расплавл ет ее, переходит на третью группу, непосредственно примыкающую ко второй , расплавл ет ее -и т.д. до техOperating current flows simultaneously through all fusible elements 4 and 5. Emergency current caused by an external cause will also flow through all fusible elements at the same time. During the breakdown of the semiconductor structure. Tours 1, which, as a rule, occurs in one small area, the emergency current will begin to flow through the first group of fusible elements and current lead rods connected to them, directly adjacent to this area. At the same time, the current in the remaining rods and fusible cells are relatively small due to the relatively large resistance of the semiconductor structure in the transverse. the direction of the intact part and it can be neglected in the beginning. An increasing emergency current quickly melts the first small group of elements and transfers to the second group, which is attached to the first group, melts it, transfers to the third group directly adjacent to the second group, melts it, etc. up to those

пор, пока не будет расплайлена послен группа. Одновременно увеличиваетс область первоначального пробо структуры. Например, при пробое полупроводниковой структуры 1 по фаске в точке А (.фиг. 3/ и при токоподводе , содержащем М 52 стержн , вначале расплавитс один плаВгкий элемент, группы I, затем три плавких элемента группы 11, затем четыре группы III, затем четыре груп пы IV, затем шесть группы V, затем семь группы VI, затем восемь группы VII, затЪм восемь группы VIII, затем семь группы IX и наконец три г группы X. Таким образом, в случае пробо полупроводниковой структуры происходит поочередное расплавление групп плавких элементов полнцм аварийным током и при этом резко уменьшаетс врем их плавлени tnji а также , максимальный ток Эдлп отключаемый предохранителем . .until a group has been spawned. At the same time, the initial sample area of the structure is enlarged. For example, during the breakdown of a semiconductor structure 1 by a chamfer at point A (Fig. 3 / and with a current lead containing M 52 rods, one smooth element, group I, then three fusible elements of group 11, then four groups III, then four group IV, then six group V, then seven group VI, then eight group VII, then eight group VIII, then seven group IX and finally three g of group X. Thus, in the case of a breakdown of the semiconductor structure, alternate melting of groups of fusible elements occurs emergency current and at the same time r The melting time of their melting tnji is also reduced, and also, the maximum current of the Adlp is cut off by the fuse.

Степень вли ни поочередного расплавлени плавких элементов может быть показана следующим образом.The degree of influence of alternately melting fusible elements can be shown as follows.

Энерги , необходима дл нагрег ва единицы объема плавкого элеменравна .The energy required for the heating unit per unit volume of fusible elemental.

до расплавлени , кbefore melting, to

-5 .-five .

(11(eleven

WW

плpl

и { - мгновенное значениеand {- instant value

деde

аварийного тока, t, и t ц - врем начала протекани аварийного тока и врем до образовани дуги;emergency current, t, and t c are the time at which the emergency current begins to flow and the time to arc formation;

f - сопротивление единицы объема плавкого элемента .f is the resistance per unit volume of the fusible element.

;- «J,Прин в ia; - “J, Prien in ia

, получимget

dtdt

Дл .одной группы из п параллельно работёцощих. плавких элементов с сечением каждого 5 можно записать:For one group of n working in parallel. fusible elements with a cross section of each 5 can be written:

1п, . 1n.

(Я(I

(Щ- п5 Э(Shch-p5 E

ЪпЧ WHpc w

ПАPA

(Ь)(B)

+ i+ i

(п|(n |

H(n|H (n |

(-)(-)

Vdt/ Дл L групп последовательно плавл ющихс элементов общее вре плавлени Из выражени 16 дл случа , да все плавкие элементы в количе ве п П2+... расплавл ютс од временно, получим Последнее имеет место, когда полупроводникова структура моду не повреждена и по нему протекае аварийный ток в пр мом направлен вызванный внешней причиной. Тако же врем плавлени будет иметь стандартный предохранитель с общ сечением плавкого элемента М5 изготовленного из того же матер ла. Из (7J| и (8 получим t- Г1 Так как ( 1) и (2) /d т d -/ип dt пл то ...4 П 1 1U ;п I м A.rXll. Например, при , п 1, п 3, ,п 6,п 7,п п 8.,п 7 и п (фиг.З). Потери мощности в плавких-эле тах модул по сравнению с потер мощности в стандартном предохра ле с теми же значени ми „л 1пд уменьшаютс в 2,5-3 раза из (8) видно, что дл получени стандартного предохранител t 2 раза меньше необходимо уменьшить сечение SN плавкого элемента в 2,82 раза. При этом во столько же раз возрастет плотность тока и потери мощности. В современных предохранител х потери мощности на 1 А эффективного тока составл ют 0,15 Вт а, например, в предохранителе на 800 А равны 120 Вт, В плавких элементах соответствующего модул с полупроводниковой структурой диода В-500 они составл ют около 40 Бт„ Учитыва , что допустимые потери дл такой структуры составл ют 850 Вт вли нием потерь в плавких элементах, выдел ющихс в значительном объеме с дугогас щей средой,можно пренебречь. Помещение предохранител в один корпус с полупроводниковой структурой прибора и соединение последней с электрическими выводами через цепочки из последовательно соединенных стержн токоподвода и плавкой вставки позвол ет уменьшить расход электроэнергии на потери в предохранителе модул и тем самым увеличить КПД преобразовательных устройств за счет уменьшени плотности тока в предохранителе. Например, в модуле ria 500 А при /N 52 и выполнении плавких вставок из меди мощность потерь снижаетс в 3 раза по сравнению с потер ми в предохранителе ПП57 на 800 А к диоду на средний ток 500 А. Одновременно Ь1сключаетс потребление 42. г серебра, Умень1аение массы и габаритов и упрощение конструкции достигаетс исключением внешних контактов, применением общего корпуса, а также исключением внутренних контактов между стержн ми токоподвода и плавкими элементами При выполнении их из одного материала. Кроме того, в предлагаемом модуле увеличиваетс быстродействие и обеспечиваетс селективна работа защиты при любом числе m , включа m 1 и 2,, Это следует из того, что даже прин в З -ЬОТКА (144 получим 32/ioTM/ пл ® меньше 1Т|2 12.Обеспечение термодинамической стойкости достигаетс тем, что, начина с момента возникновени аварийнего тока и расплавлени первой группы плавких вставок, первоначально мала область повреждени полупрбводниковой структуры быстро увеличиваетс за счет последовательно перевода аварийного тока на вторую третью и т.д. группы. При этом умень шаетс концентраци потерь энергии в области полупроводниковой структуры . Кроме ToroV .значительна дол энергии потерь переноситс из области полупроводниковой структуры 1 в дугогас щую среду 12,.Vdt / For L groups of successively melting elements, the total melting time From expression 16 for the case, and all fusible elements in the quantity n n2 + ... are melted at the same time, we obtain the last, when the semiconductor structure is intact and leaks emergency current in direct direction caused by external cause. At the same time, the melting time will have a standard fuse with a total cross section of a fusible element M5 made of the same material. From (7J | and (8) we get t-Г1 Since (1) and (2) / d t d - / p dt pt ... 4 P 1 1U; p I m A.rXll. For example, with, p 1, p 3, p 6, p 7, p p 8., p 7 and p (Fig. 3). The power losses in the fusible-moduli of the module compared to the power loss in the standard fuse with the same values l 1pd decreases 2.5-3 times from (8) it can be seen that to obtain a standard fuse t 2 times less, the cross section SN of the fusible element must be reduced by 2.82 times, while the current density and power loss will increase as much. In modern fuses, the 1 A power loss of the effective current is 0.15 W and, for example, in the 800 A fuse are equal to 120 W, In the fusible elements of the corresponding module with the semiconductor structure of the diode B-500, they are about 40 BT. Considering that the allowable losses for such a structure are 850 W The loss of fusible elements released in a considerable volume with an arc-suppressing medium can be neglected. The fuse is placed in one case with the semiconductor structure of the device and connected to the latter with electrical leads through chains of series-connected current rods dvoda fuselink and reduces the power consumption for losses in the fuse unit and thereby increase the efficiency of converting devices by reducing the current density in the fuse. For example, in the ria 500 A module with / N 52 and the execution of copper fusible inserts, the power loss is reduced by 3 times as compared with the loss of the PP57 fuse for 800 A to the diode by an average current of 500 A. At the same time, L1 consumes 42. g of silver, Reducing the mass and dimensions and simplifying the design is achieved by eliminating external contacts, using a common case, and also excluding internal contacts between the current lead rods and fusible elements when they are made of the same material. In addition, in the proposed module, the speed increases and selective protection is provided for any number m, including m 1 and 2, This follows from the fact that even having accepted a CUT (144 we get 32 / ioTM / pl® less than 1Т | 2 12. The provision of thermodynamic resistance is achieved by the fact that, starting from the moment of the emergence of the emergency current and the melting of the first group of fusible inserts, the initially small area of damage to the semibromodic structure quickly increases due to the successive transition of the emergency current to the second third and so on. . Group. When this ability shaets concentration in the semiconductor structure of energy loss. Also ToroV .znachitelna proportion of energy loss is transferred from the area 1 of a semiconductor structure in dugogas conductive medium 12 ,.

Claims

1. SEMICONDUCTOR MODULE comprising a housing, a semiconductor structure connected to electrical terminals by a multi-rod current supply, and a fuse with fuse elements, characterized in that, in order to reduce the consumption of electric energy, mass and dimensions, increase speed and ensure thermodynamic resistance, a fuse located in the specified housing and is made with the number of fusible elements equal to the number of current supply rods, each rod is connected to the electrical output through one melt This element and the chain formed in this way are isolated from the semiconductor structure to the electrical terminal.

2. The module according to claim 1, characterized in that, with the exception of the consumption of silver in the structure, the fuses are made of the same material as the current lead rods, for example, aluminum, and each rod is combined with one fusible element.

And the goal is to simplify

Y \\\\\ y \ UL Λ Hiuu υώ and J ur ffl mm Ill