Силовой полупроводниковый прибор

Силовой полупроводниковый прибор

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

1.СИЛОВОЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ПРИБОР, содержапщй корпус, заполненный жидкой охлаждающей средой, кремниевую пластину с высокотемпературным р - п-переходом, установленную в изоляционных держателях и погруженную в жидкую охлаждающую среду,, отличающийся тем, что, с целью повьппения эффективности охлаждения и увеличения мощности прибора, держатели выполнены из эластичного материала, кремниевая пластина установлена с возможностью образования двух изолированных между собой секций , заполненных жидкой охлаждающей средой, а в качестве охлаждающей жидкости использовано жидкометаллическое соединение. 2.Прибор по п.1, о т л и ч а ющ и и с я тем, что на противоположные поверхности кремниевой пластины, расположенные в разных секциях, нанесен Z слой меди пористой структуры. л 3.Прибор по п.I, отличающий с я тем, что на внутренней и внешней поверхностях стенок изолированных секций выполнены ребра. J 6

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И OTHPHYMA (21) 3613713/24-21 (22) 29.06.83 (46) 07.02.85. Бюл. 11. (72) А.Т.Туник, В.М.Каликанов и Ю.А.Фомин (71) Мордовский ордена Дружбы народов государственный университет им. Н.П.Огарева (53) 621.396.67.7(088.8) (96) 1,Чебовский О.Г. и др. Силовые полупроводниковые приборы. М., "Энергия", 1975.

2. Авторское свидетельство СССР

Ф 682971, кл.Н 01 L 23/48, 1977 (прототип). (54)(57) 1.СИЛОВОЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ

ПРИБОР, содержащий корпус, заполненный жидкой охлаждающей средой, кремниевую пластину с высокотемпературным р — п-переходом, установленную в изоляционных держателях и погружен4(51) Í 05 К 7 20 Н 01 L 23 48 ную в жидкую охлаждающую среду, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности охлаждения и увеличения мощности прибора, а держатели выполнены из эластичного материала, кремниевая пластина установлена с возможностью образования двух изолированных между собой сек" ций, заполненных жидкой охлаждающей средой, а в качестве охлаждающей жидкости использовано жидкометаллическое соединение.

2. Прибор по п.l, о т л и ч а юшийся тем, что на противоположны поверхности кремниевой пластины, расположенные в разных секциях, нанесен слой меди пористой структуры.

3. Прибор по п.I, о т л и ч а юшийся тем, что на внутренней и внешней поверхностях стенок изолированных секций выполнены ребра. стержней заделаны в массивные медные платы, являющиеся вторичными токосъемами. Прибор помещен в жидкий диэлектрик-фреон для улучшения отвода тепловых потерь от полупроводниковой структуры (2J .

Однако электрический и тепловой контакты с полупроводниковой структурой осуществляются дискретно в отдельных точках, а не по всей площади структуры.

Кроме тога, в тиристорах имеютея локальные области структуры со значительным перегревом по отношению к остальной площади. В данном случае это может привести к выходу из строя прибора, так как один стержень, попавший на эту локальную область, не справится с теплоотводом. Причем теплоотвод в данном приборе (испарительный вариант) предполагается: за счет кипения жидкого диэлектрика— фреона 113 на поверхности кремниевой пластины. Однако в этом случае рост температуры кремниевой пластины, а следовательно, и нагрузочной способности прибора ограничен из-за опасности возникновения кризисных явлений при кипении фреона на поверхности пластины. Кроме того, данной конструкцией предусмотрено, что кремниевая пластина находится в объеме фреона, в который также помещены другие охлаждаемые элементы преобразователя: трансформаторы, дроссели, конденсаторы, резисторы и т. д. Вследствие этого фреон (или его пары) загрязняется. Электроизоляционные свойства его ухудшаются, что может привести к короткому замыканию между анодом и катодом-СПП.

Цель изобретения — повышение эффективности охлаждения и увеличеУказанная цель достигается тем, что в СПП, содержащем корпус, заполненный жидкой охлаждакицей средой, кремниевую пластину с высокотемпературным р-- п-переходом, установлен-" ную в изоляционных держателях и погруженную в жидкую охлаждающую среду, держатели выполнены из эластичного материала, кремниевая пластина установлена с возможностью образования двух изолированных между собой секций, заполненных жидкой охлаждающей средой, а в качестве охлаждающей жидf 1!38961 2

Изобретение относится к силовой полупроводниковой технике и может быть использовано в статистических пре- образователях электрической энергии.

В процессе постоянного роста номинальных токов силовых полупроводниковых приборов (СПП1, а следовательно, и геометрических размеров р-пструктуры все острее становятся проблемы токосъема и теплосъема со ll0 структуры и отвода тепловой мощности потерь от СПП.

Известна конструкция СПП, в которой полупроводниковая структура, представляющая собой кремниевую пластину, 15 содержащую р - п-переход и напаянную на вольфрамовый термокомпенсатор и заключенную в керамический корпус.

Токосъем осуществляется за счет медных оснований, прижатых к полупровод- 2б никовой структуре с обеих сторон че- . рез систему прокладок. Отвод тепла осуществляется путем двухстороннего воздушного, жидкостного или испарительного охлаждения fl) . 25

Однако ля сжатия прибора .с охладителем и токосъемными шинами с целью получения надежного теплового и электрического контактов, необходимо осевое усилие в пределах 2000050000 Н, что приводит к увеличению массотабаритных параметров прижимного устройства и прибора в целом. Наличие в приборе термокомпенсаторов, иедных оснований, большого числа контактов ведет к возрастанию теплового сопротивления между полупроводниковой структурой и окружающей средой.

Кроме того, использование специальных медных или алюминиевых охладите- 4 лей приводит к резкому увеличению массы и габаритов приборов, расхода дефицитных цветных металлов. ,I

Наиболее близким к предлагаемом» является СПП, содержащий кремниевую 45 пластину с р — п-переходом с прикрепленной к .ней по крайней мере с одной стороны упрочняющей пластиной из материала, имеющего коэффициент термического расширения (КТР), близкий к

KTP кремния, эластичные стержни, выполняющие функцию токосъемов с переменным сечением, контактируют с полупроводниковой структурой в отдельных точках, причем области контактов этих стержней с противоположными сторонами структуры расположены одна против другой. Свободные концы эластичных

1138961 4

10!

35

-45

Составитель С.Дудкин

Редактор А.Мотыль Техред А.Бабинец Корректор Л.Пилипенко

Заказ 10708/45 Тираж 794 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д, 4/5 филиал ППП "Патент", г.Ужгород, ул.Проектная, 4 кости использовано жидкометаллическое соединение.

Кроме того, на противоположные поверхности кремниевой пластины, расположенные в разных секциях, нанесен слой меди пористой структуры.

Причем на внутренней и внешней поверхностях стенок изолированных секций выполнены ребра.

На чертеже изображен СПП, общий вид.

Прибор состоит из монокристаллической полупроводниковой структуры— кремниевой пластины 1, содержащей р — п-переход с высокой предельно допустимой температурой, например

190 С. Поверхность пластины с анодной и катодной сторон имеет пористое медное покрытие 2, полученное, например, методом плазменного напыления. Пластина закреплена в эластичном держателе 3, выполненном из самовулканизирующегося кремнийорганического компаунда КЛТ-30. К держателю с двух сторон прикреплены автономные герметичные секции 4, выполненные из меди и имеющие внутреннее и внешнее оребрение. Емкости заполнены жидким металлическим соединением 5 с температурой кипения 150 С таким образом, ° чтобы анодная и катодная поверхности-полностью омывались им. Верхние полости 6 автономных герметичных емкостей, свободные от жидкости, предназначены для конденсации паров кипящего металлического соединения. Токосъем осуществляется электрической цепью жидкость — медный корпус — токосъемная шина 7. Прибор монтируется на изоляционной панели 8 и размещается в объеме преобразовательного агрегата, который заполнен вторичным промежуточным легкокипящим теплоносителем 9, например фреоном

113.

В рабочем режиме СПП поверхность кремниевой пластины имеет температуру, близкую к температуре р-и-перехода, 190 С. Бромат ниодима закипает о на этой поверхности, при этом темпераО турный напор достигает величины 40 С, достаточной для развитого пузырЬкового кипения с удельными тепловыми потоками от поверхности пластины к кипящей жидкости (2-5) ° 10 Вт/м . Пары

7 кипящего металлического соединения конденсируются на внутренних ребристых поверхностях автономных герметичных еасостей,как верхних свободных от жидкости полостях, так и в самом объеме кипящей жидкости. Температура поверхности конденсирования поддерживается равной 85 С тем, что на внешней ребристой со специальной геометрией оребрения поверхности секций организуется режим развитого пузырькового кипения фреона 113.

Предлагаемая конструкция силового полупроводникового высокотемпературного прибора позволяет отвести мощ" ность тепловых потерь 5000-10000 Вт, получить при этом предельный ток высокотемпературного прибора, 3000—

5ОООА. Повышение интенсивности теплоотвода достигается тем, что при кипении жидкометаллического соединения на поверхности кремниевой пластины теплоотдача с последней составляет (2-5I 10 Вт/м2 (в существующих аналогичных нспарительных системах охлаждения при кипении фреона или воды теплоотдача не более 10 - 10 Вт/м у .

6 21

Отвод тепла интенсивнее — мощность прибора выше. Повьппение интенсивности токосъема достигается тем, что в процессе работы жидкометаллическое соединение,.через которое происходит токосъем, контактирует практически со всей поверхностью кремниевой пластины. Улучшение тепло- и токосъемов приводит к более стабильной работе предлагаемого прибора в целом, т.е. повышается его надежность.