BRPI0110569B1

BRPI0110569B1 - Módulo de potência eletrônico

Info

Publication number: BRPI0110569B1
Application number: BRPI0110569-8A
Authority: BR
Inventors: Walter Apfelbacher; Norbert Reichenbach; Heinrich Gerstenkoeper; Ralf Joerke; Elmar Krause; Gerhard Mewissen
Original assignee: Siemens Ag
Priority date: 2000-05-08
Filing date: 2001-04-25
Publication date: 2015-06-30
Also published as: US20040120096A1; EP1281303B1; WO2001087032A1; DE50112691D1; DE10022341A1; BR0110569A; US7027303B2; DE10022341B4; CA2408262A1; CA2408262C; EP1281303A1

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "MÓDULO DE POTÊNCIA ELETRÔNICO". [001] A invenção refere-se a um módulo de potência eletrônico, em particular, para um dispositivo eletrônico de comando de motor para a partida suave de motores, com dois elementos semicondutores, ligados eletricamente de modo antiparalelo, e com, pelo menos, um corpo de resfriamento para a dissipação do calor de perda do elemento semicondutor. [002] Um módulo de potência eletrônico de acordo com o gênero é conhecido como componente de uma unidade eletrônica de potência para a partida suave de motores. A unidade eletrônica de potência, neste caso, abrange um ou vários módulos de potência eletrônicos que precisam estar projetados para cargas instantâneas. O módulo de potência eletrônico presta-se para a condução e a interferência de corrente em uma fase, isto é, dependendo se existe uma rede de uma fase ou trifásica, é necessária uma quantidade correspondente de módulos de potência eletrônicos. [003] Uma unidade eletrônica de potência desse tipo só conduz corrente na fase de arranque do motor, que na fase de operação é assumido por um aparelho de distribuição ligado paralelamente. [004] No caso de partida suave de motores, o valor da corrente é de apenas uma fração da corrente de ligação direta do motor. De modo típico, durante a partida a corrente tem o valor de 25% a 75% da corrente de ligação direta. Com a partida suave, no caso de corrente reduzida, resulta certamente um tempo de partida dilatado do motor em comparação com o tempo na ligação direta. [005] Na fase de partida surgem nos semicondutores dos módulos de potência eletrônicos potências de perda muito altas. Através de combinação apropriada de módulo de potência ou semicondutor de potência e corpo de resfriamento deve ser assegurado que a tempera- tura da camada isolante permitida para o semicondutor não seja ultrapassada, para evitar sua destruição. Em virtude de relações de espaço limitadas no armário de distribuição resulta, além disso, a exigência de minimizar a necessidade de espaço dos módulos de potência eletrônicos. [006] É conhecida uma forma de execução, não documentada por impressão, de um módulo de potência eletrônico, na qual dois tiristores individuais estão ligados de modo antiparalelo e são pressionados entre duas metades de corpo de resfriamento simétricas. Uma das duas metades de corpo de resfriamento está dividida ao meio e as duas partes são ligadas com uma ligação flexível condutora de eletricidade. Isso possibilita uma pressão plana das células de disco de tiristor, mesmo com diferentes alturas de células de disco. As duas metades de corpo de resfriamento dessa parte de potência conhecida, que é projetada tanto para carga instantânea, bem como, para operação contínua, são parte do circuito de corrente e, com isso, acometidas de potencial. [007] A carga instantânea que surge na partida suave causa uma potência de perda muito grande na célula de silício, que imediatamente após o início da carga conduz a um aquecimento da célula de disco. Após cerca de 2 a 5 segundos, surge uma diferença de temperatura constante entre a célula de silício e o corpo de resfriamento, isto é, a célula de disco se encontra termicamente no estado transitório, no qual, então, quase toda a potência de perda é empregada para o a-quecimento do corpo de resfriamento. O resfriamento da parte de potência é feito, nesse caso, com um ventilador. [008] À invenção cabe a tarefa de criar um módulo de potência eletrônico do tipo mencionado acima, com boa dissipação de calor, alta capacidade de armazenamento para o calor fornecido pelos elementos semicondutores na partida suave, com fácil montagem e necessidade de espaço mínima. [009] A tarefa é solucionada por meio de, pelo menos, duas barras condutoras, entre as quais os dois elementos semicondutores são tensionados por meio de um contato por pressão. Essa execução tem a particular vantagem que, as barras condutoras servem não somente para a condução de corrente, mas, no caso de execução de um material com uma alta capacidade térmica, podem servir como armazena-dor intermediário, das quais o calor é transmitido e transportado para os corpos de resfriamento ligados com estas. [0010] Particularmente vantajoso é quando os elementos semicondutores são executados como células semicondutoras, por exemplo, como células de silício. [0011] Se as duas barras forem constituídas de um material com uma capacidade térmica maior que 1,8 Ws/K/cm3, como por exemplo alumínio, então pode ser alcançada, com isso, uma dissipação de calor correspondentemente boa. [0012] Com relação à condução de calor e de corrente, é certamente particularmente vantajoso se as duas barras forem de cobre. [0013] De modo preferencial uma das duas barras de cobre é feita de cobre temperado. Essa barra de cobre pode, então, ser empregada como parte integrante de um dispositivo de compressão para o contato por pressão mencionado acima. [0014] Além disso, comprova-se como particularmente vantajoso, se com a barra de cobre temperado estiver ligado um corpo de resfriamento, uma vez que, nesse caso, pode ser alcançada uma superfície limite com resistência de passagem de calor baixa. [0015] A segunda das duas barras de cobre é constituída, de preferência, de cobre eletrolítico que comparativamente é macio e pode ser conformado. [0016] Se a segunda barra de cobre é reduzida em sua região central, então podem ser compensadas diferenças de espessura pequenas nos elementos semicondutores. [0017] Se o módulo de potência eletrônico for construído junto com dois outros módulos de potência eletrônicos de construção semelhante, formando uma unidade trifásica que é acionada em conexão com uma proteção, então um motor pode ser acionado na fase de partida e na operação contínua. [0018] Um exemplo de execução da invenção será esclarecido com mais detalhes com o auxílio de um desenho. São mostrados: [0019] A Figura 1 é uma vista lateral de um módulo de potência eletrônico de acordo com a invenção para carga instantânea, [0020] A Figura 2 é uma outra vista lateral de um módulo de potência eletrônico de acordo com a invenção com corpo de resfriamento ligado. [0021] As Figuras 3, 4, 5 são vistas laterais de módulos de potência eletrônicos com diferentes contatos. [0022] O módulo de potência eletrônico de acordo com a invenção, de acordo com a FIG. 1 apresenta duas barras de cobre 1, 2, entre as quais estão colocadas duas células de silício 3 como elementos semicondutores. As células de silício 3 são executadas como tiristores, e estão dispostas giradas em torno de 180°, de tal modo que resulta uma ligação antiparalela eletronicamente. Ao invés de tiristores podem ser empregados quaisquer outros elementos semicondutores com função comparável. [0023] As barras de cobre 1, 2 preenchem a tarefa de conduzir para longe das células de silício 3 e armazenar, de forma particularmente rápida, as perdas de calor que surgem durante a alta carga instantânea. [0024] Em virtude da alta capacidade térmica específica do volume de cerca de 3,4 Ws/K/cm3 e da alta condutibilidade térmica, o cobre é particularmente bem apropriado como material. A condutibilidade tér- mica muito boa do cobre assegura um transporte rápido do calor de perda da célula de silício 3 e, ao mesmo tempo, leva a uma distribuição e a um aquecimento uniforme do cobre restante, que não se encontra na proximidade imediata da célula de silício 3. Em relação ao alumínio como material para as barras, com o emprego de cobre, as dimensões podem ser reduzidas em torno de um terço, por causa de sua capacidade térmica específica do volume mais alta de cerca de 1,5 vezes. [0025] Em princípio, também outros materiais como cobre são a-propriados, na medida que esses materiais apresentam uma alta con-dutibilidade térmica e uma alta capacidade térmica específica do volume. De forma alternativa, poderia ser empregada, por exemplo, também uma combinação de cobre e um material acumulador de calor latente, por exemplo, um material que troca de fase (PCM). [0026] Cada célula de silício 3 é comprimida de forma plana, através de um dispositivo de compressão 4 especial entre as barras de metal 1 e 2. A compressão das células de silício 3 leva a um contato por pressão da superfície toda entre a célula de silício 3 e as barras de cobre 1 e 2, e tem como consequência uma resistência de passagem elétrica e térmica pequena nas superfícies de contato. [0027] O contato por pressão assegura uma alta resistência de ciclos térmica e, com isso, a durabilidade do módulo de potência eletrônico, o que é necessário por causa da operação exclusiva com carga instantânea. [0028] A barra de cobre 1 inferior na FIG. 1 é constituída de cobre mais duro, a barra de cobre 2 superior, é de cobre eletrolítico macio. Na barra de cobre 1 inferior são feitas roscas 5 para a montagem dos dispositivos de pressão 4. Por meio da escolha do cobre mais duro, uma flexão da barra de cobre 1 inferior em consequência das forças que atuam através do dispositivo de compressão é impedida conside- ravelmente e assegurado um contato plano das células de silício 3. A-lém disso, é evitado um rompimento ou uma fuga das roscas 5. [0029] Na barra de cobre 1 inferior está fixado um corpo de resfriamento 6, por exemplo, através de uma ligação de parafusos (ver FIG. 2), a fim de transportar as perdas de calor que surgem durante a carga instantânea. Por meio do emprego de cobre mais duro, entre a barra de cobre 1 e o corpo de resfriamento 6, é dado um contato consideravelmente plano e, com isso, uma resistência de passagem térmica menor. [0030] A barra de cobre 2 superior é reduzida centralmente, a fim de poder compensar diferenças de espessura pequenas das células de silício 3. Esse efeito, além disso, é apoiado pelo emprego de cobre eletrolítico macio para a barra de cobre 2 superior. Essa medida assegura um contato por pressão da superfície toda entre as células de silício 3 e a barra de cobre 2 superior. Pode ser dispensada, nesse caso, a divisão da barra de cobre 2 superior de acordo com o estado da técnica. Devido à supressão de elementos de ligação elétricos flexíveis entre as partes da barra de cobre existentes no estado da técnica, em contrapartida, a altura de construção do módulo de potência eletrônico de acordo com a invenção pode ser reduzida e o dispêndio de montagem pode ser reduzido. [0031] O corpo de resfriamento 6 de acordo com a FIG. 2 está ligado conduzindo eletricidade, de forma vantajosa, com a barra de cobre 1 inferior. Deste modo são minimizadas resistências de passagem térmicas e é obtido um acoplamento térmico muito bom do corpo de resfriamento 6 no módulo de potência eletrônico. O corpo de resfriamento 6, por conseguinte, com sua capacidade térmica contribui, da mesma forma, para a ampliação da capacidade de carga instantânea. [0032] Uma colocação isolada eletricamente do corpo de resfriamento 6 com, por exemplo, uma folha isolante eletricamente, da mes- ma forma, é possível. Em virtude da resistência de passagem térmica mais alta de cerca de 3 a 5 vezes dessas folhas, comparativamente no caso da colocação direta, a contribuição do corpo de resfriamento 6 para o aumento da capacidade de carga instantânea é reduzida. [0033] A barra de cobre 2 superior é executada pouca coisa mais estreita do que a barra de cobre 1 inferior. Com isso, uma carcaça de material sintético 7 pode ser disposta para a barra de cobre 2 inferior e o dispositivo de compressão 4, sem aumentar a largura de construção do módulo de potência eletrônico. Na carcaça de material sintético 7, logo em seguida, é introduzida uma massa de material sintético a fim de assegurar a resistência à tensão entre as duas barras de cobre 1, 2. As barras de cobre 1, 3 as células semicondutoras 3 e o dispositivo de compressão 4 são fundidas em conjunto para formar um módulo. [0034] O contato elétrico pode ocorrer na barra de cobre 1 inferior no lado frontal. A conexão elétrica na barra de cobre superior, dependendo da situação de montagem, pode ser executada de forma distinta, de acordo com as Figuras 3, 4, 5. Na Figura. 3 ocorre o contato da barra de cobre 2 superior dentro da carcaça 7 por meio de um material plano de cobre 8 curvado em forma de U. Na Figura 4, para isso, é empregada uma peça de barra de cobre moldada 9 na extremidade inferior variável, que é conduzida perpendicularmente para cima. A FIG. 5 mostra uma conexão no lado frontal das duas barras de cobre 1 e 2.

Claims

1. Módulo de potência eletrônico, em particular, para um aparelho eletrônico de comando de motor para a partida suave de motores, com dois elementos semicondutores (3) ligados eletricamente de modo antiparalelo, e com, pelo menos, um corpo de resfriamento (6), para a dissipação do calor de perda dos elementos semicondutores (3), caracterizado por, pelo menos, duas barras condutoras (1, 2) entre as quais os dois elementos semicondutores (3) estão tensionados a-través de um contato por pressão.

2. Módulo de potência eletrônico de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que os elementos semicondutores são executados como células semicondutoras (3).

3. Módulo de potência eletrônico de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que as duas barras (1, 2) são constituídas de um material com uma capacidade térmica maior que 1,8 Ws/K/cm3.

4. Módulo de potência eletrônico de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que as duas barras (1, 2) são constituídas de cobre.

5. Módulo de potência eletrônico de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que uma das duas barras de cobre (1, 2) é constituída de cobre temperado.

6. Módulo de potência eletrônico de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que um corpo de resfriamento (6) está ligado com a barra de cobre (1) temperada.

7. Módulo de potência eletrônico de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que a barra de cobre (1) temperada está ligada eletricamente condutiva com o corpo de resfriamento (6).

8. Módulo de potência eletrônico de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que entre a barra de cobre (1) tem- perada e o corpo de resfriamento (6) existe uma folha isolante.

9. Módulo de potência eletrônico de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que a outra barra de cobre (2) é constituída de cobre eletrolítico.

10. Módulo de potência eletrônico de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que a segunda barra de cobre (2) é reduzida em sua região central.

11. Módulo de potência eletrônico de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por um dispositivo de compressão para a introdução de uma pressão mecânica, com a qual os elementos semicondutores (3) são tensionados.

12. Módulo de potência eletrônico de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que as barras (1, 2), os elementos semicondutores (3) e o dispositivo de compressão (4) são fundidos entre si para formar uma unidade.