BRPI0924756B1 - módulo semicondutor de energia tendo paredes laterais isolantes dispostas em camadas - Google Patents

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Zenkner Andreas
Blösch Christoph
Malipaard Dirk
Billmann Markus
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Fraunhofer Ges Forschung
Siemens Ag
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Description

(54) Título: MÓDULO SEMICONDUTOR DE ENERGIA TENDO PAREDES LATERAIS ISOLANTES DISPOSTAS EM CAMADAS (51) lnt.CI.: H05K 7/14; H01L 23/00; H01L 23/10; H01L 25/07; H05K 7/20 (73) Titular(es): FRAUNHOFER-GESELLSCHAFT ZUR FOERDERUNG DER ANGEWANDTEN FORSCHUNG E.V.
(72) Inventor(es): MARKUS BILLMANN; CHRISTOPH BLÕSCH; DIRK MALIPAARD; ANDREAS ZENKNER (85) Data do Início da Fase Nacional: 13/09/2011
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Relatório Descritivo da Patente de Invenção para MÓDULO SEMICONDUTOR DE ENERGIA TENDO PAREDES LATERAIS ISOLANTES DISPOSTAS EM CAMADAS.
A presente invenção refere-se a um módulo semicondutor de energia, tendo pelo menos duas unidades semicondutoras de energia interligadas, compreendendo semicondutores de energia comutáveis, um alojamento de módulo no qual as unidades semicondutoras de energia são dispostas e que tem uma parede lateral eletricamente isolante, e pelo menos uma barra de conexão, que se estende pela parede lateral e é conectada a pelo menos uma das unidades semicondutoras de energia.
Esse módulo semicondutor de energia já foi descrito, por exemplo, no WO 2008/031372. O módulo semicondutor de energia descrito nele tem duas unidades semicondutoras de energia. Cada unidade semicondutora de energia tem uma multiplicidade de circuitos integrados semicondutores de energia, tais como, por exemplo, IGBTs, GTOs ou similares, que são conectados entre si e são dispostos nos seus próprios alojamentos de unidades. Cada unidade semicondutora de energia forma um anodo e um catodo e uma conexão de controle. O fluxo de corrente entre o anodo e o catodo pode ser interrompido ou permitido, com a ajuda de sinais de controle adequados na conexão de controle. Pelo menos duas das ditas unidades semicondutoras de energia são dispostas em um alojamento de módulo separado, que serve para proporcionar proteção contra explosão. A rota de corrente das unidades semicondutoras de energia é alimentada à parte externa por meio de uma disposição de barra conveniente, que passa pelas paredes do alojamento de módulo.
O objetivo da invenção é proporcionar um módulo semicondutor de energia, do tipo mencionado na introdução, que tem uma alta resistência à explosão e é particularmente de produção econômica.
A invenção atinge esse objetivo pelo fato de que a parede lateral é construída como uma pilha de elementos parciais isolantes, projetados como uma peça única, em que as áreas de contato dos elementos parciais se apoiam entre si.
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De acordo com a invenção, as unidades semicondutoras de energia, que têm pelo menos semicondutores de energia comutáveis, tais como, por exemplo, IGBTs, GTOs, tiristores ou similares, são dispostas em um alojamento de módulo à prova de explosão. Ao mesmo tempo, também como uma conexão de anodo e catodo, as unidades semicondutoras de energia comutáveis têm também uma conexão de controle, para comutar o fluxo de corrente por um anodo e um catodo do semicondutor de energia controlável. Pelo menos uma barra de conexão, que passa pela parede lateral isolante do alojamento de módulo, é proporcionada para alimentar a rota de corrente pelas unidades semicondutoras de energia fora do alojamento de módulo.
No campo de distribuição de energia, por exemplo, em transmissão de corrente contínua de alta tensão (transmissão HVDC) ou nos denominados Sistemas de Transmissão de CA Flexível-Flexible AC Transmission Systems (FACTS), é usual transformar altas tensões alternadas em tensões contínuas ou vice-versa. Embora, em geral, uma multiplicidade de módulos semicondutores de energia, de acordo com a invenção, sejam conectados em série para esse fim, uma alta tensão é transmitida por cada um dos módulos semicondutores de energia, a despeito da conexão em série. Particularmente, no caso de uma falha, essa alta tensão pode provocar uma destruição explosiva das unidades semicondutoras de energia. O alojamento de módulo é usado para fins de segurança, de modo que os gases de explosão, que escapam do alojamento de módulo, no caso de uma explosão, possam ficar contidos com segurança ou dissipados. Desse modo, pode-se evitar dano a outros módulos semicondutores de energia.
Para garantir uma produção econômica desses módulos semicondutores de energia, de acordo com a invenção, propõe-se projetar a parede lateral isolante do módulo semicondutor de energia, pelo qual uma pluralidade de barras de conexão para fazer contato com as unidades semicondutoras de energia, localizadas na parte interna do alojamento de módulo, se estende de uma pluralidade de elementos parciais, que são empilhados entre si pelas partes de topo. Os próprios elementos parciais são feitos de um
3/8 material eletricamente isolante. Quando o módulo semicondutor de energia de acordo com a invenção está em operação, os elementos parciais empilhados se apoiam entre si, de modo que juntas lisas, que facilitam significativamente a remoção da ou das barras de conexão do alojamento de módulo, são definidas entre eles.
De acordo com a invenção, por exemplo, primeiro um elemento parcial, seguido por uma barra de conexão, depois um outro elemento parcial, depois uma outra barra de conexão, que devem ser montados de uma maneira isolada a partir da dita primeira barra, e, finalmente, um outro elemento parcial pode ser empilhado na parte de topo de um outro. A barra de conexão é conectada às unidades semicondutoras de energia necessárias. Quando o módulo semicondutor de energia está em operação, a rota de corrente, que está a um alto potencial, portanto, a conduz, por meio de uma barra de conexão, para o alojamento de módulo, por meio das unidades semicondutoras de energia dispostas nele e dele de volta para fora do módulo semicondutor de energia, por meio de uma outra barra de conexão.
De acordo com uma concretização preferida da invenção, os elementos parciais são projetados para serem fechados circunferencialmente. Isso proporciona uma resistência à explosão ainda mais alta, em que os custos de produção ainda se mantêm baixos.
Os elementos parciais podem ser produzidos como elementos parciais fechados ou em forma de anel, independentemente do resto do alojamento de módulo. Isso evita métodos de união elaborados no conjunto da parede lateral.
Vantajosamente, os elementos parciais têm pelo menos uma nervura de reforço. No caso de, por exemplo, um elemento parcial circunferencialmente fechado em forma de anel, a nervura de reforço se estende entre duas paredes limites opostas. Convenientemente, os segmentos parciais e, se aplicável, a(s) nervura(s) de reforço limita(m) as cavidades ou partes de uma cavidade, nas quais as unidades semicondutoras de energia são dispostas, no estado montado do módulo semicondutor de energia.
Vantajosamente, pelo menos uma das barras de conexão se es4/8 tende pela parede lateral, entre dois elementos parciais. Em outras palavras, cada barra de conexão se estende por uma junta lisa.
De acordo com um aperfeiçoamento conveniente a esse respeito, um dos elementos parciais tem um corte na sua área de contato, pelo qual se estende a barra de conexão. O conjunto do módulo semicondutor de energia é ainda mais simplificado com a ajuda desse corte. O elemento parcial com o corte pode ser primeiramente conectado ao resto do módulo semicondutor de energia e a barra então ajustada.
Convenientemente, os cortes e a barra de conexão, que se estende por eles, são projetados com uma forma complementar entre si. O projeto de forma complementar impede convenientemente o escapamento de gases de explosão, no caso de uma falha. A parede lateral envolve cada barra de conexão para proporcionar um selo. Desse modo, o dano de explosão pode ser minimizado ainda mais.
Vantajosamente, os elementos parciais são feitos de um plástico reforçado com fibra. Em consequência do reforço de fibra, o plástico é particularmente resistente à explosão. Os plásticos reforçados com fibra são muito bem conhecidos, de modo que não é necessário entrar mais detalhadamente nas suas composições químicas. Em particular, os plásticos reforçados com fibra de vidro são considerados.
Vantajosamente, cada unidade semicondutora de energia tem circuitos integrados semicondutores de energia, e um alojamento de unidade, no qual os circuitos integrados semicondutores de energia são dispostos. Essas unidades semicondutoras de energia estão disponíveis no mercado e podem ser obtidas de forma particularmente econômica. Isso reduz, portanto, ainda mais os custos do módulo semicondutor de energia de acordo com a invenção.
De acordo com um aperfeiçoamento conveniente a esse respeito, os circuitos integrados semicondutores de energia são conectados entre si por meio de fios de ligação. Através da conexão deles com a ajuda de fios de ligação, os custos são ainda mais reduzidos.
De acordo com uma concretização preferida da invenção, a pa5/8 rede lateral isolante se estende entre uma placa de base e uma placa de cobertura, em que a placa de base e/ou a placa de cobertura é/são projetada(s) como uma placa de resfriamento. Em outras palavras, a placa de base ou a placa de cobertura é feita de um material com alta condutividade térmica, por exemplo, um metal, tal como alumínio ou similares.
Outras concretizações e vantagens convenientes da invenção são o tema da descrição apresentada a seguir de concretizações exemplificativas da invenção, com referência às figuras do desenho, em que as mesmas referências se referem a componentes de ação similar, e em que:
a figura 1 mostra uma concretização exemplificativa do módulo semicondutor de energia de acordo com a invenção; e a figura 2 mostra o módulo semicondutor de energia de acordo com a figura 1, durante a montagem.
A figura 1 mostra uma concretização exemplificativa do módulo semicondutor de energia, de acordo com a invenção, em uma vista em perspectiva. O módulo semicondutor de energia 1 tem uma placa de base de fundo 2 e uma placa de cobertura de topo 3, que são ambas feitas de um material metálico, nesse caso, alumínio. A placa de base 2 e a placa de cobertura 3 ficam em contato termicamente condutor com as unidades semicondutoras de energia, que não são visíveis na figura 1, de modo que agem como placas de resfriamento devido à alta condutividade térmica. Para aperfeiçoar o desempenho de resfriamento das placas de resfriamento 2, 3, ficam em contato termicamente condutor entre si, por meio de pontes térmicas em forma de U 4.
Os suportes plásticos 5, nos quais, sucessivamente, as unidades de controle 6, 7 e 8 são dispostas, são proporcionados na placa de cobertura
3. As unidades de controle 6, 7 e 8 proporcionam sinais de controle para as unidades semicondutoras de energia, que são dispostas na parte interna do módulo semicondutor de energia 1, de modo que possam ser especificamente comutados de um estado de bloqueio, no qual um fluxo de corrente, pela unidade semicondutora de energia comutada, é interrompido, a um estado condutor, no qual um fluxo de corrente, pela respectiva unidade semicondu6/8 tora de energia, é permitido. No estado condutor, a corrente escoa de um anodo da respectiva unidade semicondutora de energia para o seu cátodo.
No caso de unidades semicondutoras de energia, que possam ser desligadas, tais como IBGTs, GTOs ou similares, essas podem ser comutadas do estado condutor para o estado de bloqueio, com a ajuda do sinal de controle. No caso de unidades semicondutoras de energia com semicondutores de energia, que podem ser desligados, as unidades semicondutoras de energia têm, em cada caso, um diodo de roda livre que é conectado antiparalelamente com o respectivo semicondutor de energia, que pode ser desligado.
Dentro do escopo da invenção, as unidades semicondutoras de energia do módulo semicondutor de energia 1 podem ser conectadas entre si e às barras de conexão 9, 10, 11 e 12, por meio do(s) seu(s) anodo e/ou cátodo, de qualquer modo. Ao mesmo tempo, as unidades semicondutoras de energia do módulo semicondutor de energia 1 podem ser controladas, por exemplo, de modo que uma corrente escoe entre as barras de conexão 9 e 10 que estão sem alimentação, seja habilitada ou interrompida.
Uma parede lateral 13, que é feita de um material eletricamente isolante, por exemplo, um plástico reforçado com fibra de vidro, se estende entre a placa de base 2 e a placa de cobertura 3. A placa de base 2, a placa de cobertura 3 e a parede lateral 12 formam, portanto, um alojamento de módulo, que, no caso de uma explosão das unidades semicondutoras de energia, age como uma proteção para os módulos semicondutores de energia remanescentes e/ou para o pessoal operacional.
Dentro do escopo da invenção, a parede lateral 13 não é projetada em uma peça, mas estruturada em camadas. Compreende uma pluralidade de elementos parciais 14, 15 e 16, que são empilhados entre si nas partes de topo em áreas de contato que se apoiam entre si, proporcionando, desse modo, um limite para as juntas lisas 17 e 18. A estrutura empilhada da parede lateral 13 permite que a parede lateral 13 seja facilmente montada, pois os elementos parciais 14, 15 e 16 e as barras de conexão 9, 10, 11 e 12, que passam pela parede lateral 13, podem ser montados em qualquer ordem.
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A figura 2 mostra uma representação do módulo semicondutor de energia 1, durante montagem. Pode-se notar que o elemento parcial 14 e as duas unidades semicondutoras de energia 19 e 20 são conectados à placa de base 2. Uma barra de conexão de CC angular 21, que é igualmente conectada às unidades semicondutoras de energia 19 e 20, pode ser também vista. Duas outras unidades semicondutoras de energia, que não são visíveis na figura 2, são montadas na placa de cobertura 13, em que as barras de conexão 9, 10, 11, 12 e 21 são proporcionadas para fazer contato com as unidades semicondutoras de energia 19, 20 do lado de fora. No todo, o módulo semicondutor de energia 1 tem quatro unidades semicondutoras de energia 19 e 20, que, na concretização exemplificativa mostrada, são conectadas como uma ponte integral, ou, em outras palavras, como uma ponte em H, entre si e a um capacitor, que não é mostrado na figura 2. Por comutação adequada das unidades semicondutoras de energia, a tensão Uc conduzida pelo capacitor, uma tensão zero ou a tensão do capacitor inversa -Uc podem ser, portanto, comutadas para a saída de dois polos da respectiva unidade semicondutora de energia.
Na figura 2, pode-se ainda notar que o elemento parcial 14 é projetado para ser fechado circunferencialmente, isto é, na forma de um anel, em que uma nervura de reforço 22 se estende entre dois lados opostos. Duas cavidades, nas quais uma unidade semicondutora de energia 19 ou 20 é respectivamente disposta em todos os casos, são formadas entre a nervura de reforço 22 e as paredes externas do elemento parcial 14. Além do mais, pode-se notar que o elemento parcial 14 tem cortes 23, 24 e 25, que são projetados com uma forma complementar às respectivas barras de conexão 10, 12 e 21. Esse projeto de forma complementar impede pelo menos o escapamento de gases quentes, que se encontram no interior do módulo semicondutor de energia 1, no caso de uma explosão.
Para prender mecanicamente a placa de cobertura 3 na placa de base 2, e, portanto, os elementos parciais 14, 15 e 16, como mostrado na figura 2, cada elemento parcial 14, 15 e 16 tem uma pluralidade de furos de fixação 26, pelos quais se estendem parafusos de fixação rosqueados, no
8/8 estado montado do módulo semicondutor de energia 1. O aparafusamento dos parafusos de fixação na placa de cobertura 3 e na placa de base 2 proporciona um módulo semicondutor de energia 1, que é econômico e resistente à explosão.
1/2

Claims (11)

  1. REIVINDICAÇÕES
    1. Módulo semicondutor de energia (1) tendo pelo menos duas unidades semicondutoras de energia (19, 20) interligadas, compreendendo semicondutores de energia comutáveis, um alojamento de módulo (2, 3, 13), no qual as unidades semicondutoras de energia (19, 20) são dispostas e que têm uma parede lateral eletricamente isolante (13), e pelo menos uma barra de conexão (9, 10, 11, 12, 21), que se estende pela parede lateral (13) e é conectada a pelo menos uma das unidades semicondutoras de energia (19,
    20) , caracterizado pelo fato de que a parede lateral isolante (13) é construída como uma pilha de elementos parciais isolantes (14, 15, 16), projetados como peça única, em que as áreas de contato dos elementos parciais (14) se apoiam entre si.
  2. 2. Módulo semicondutor de energia (1) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que os elementos parciais (14, 15, 16) são projetados para serem circunferencialmente fechados.
  3. 3. Módulo semicondutor de energia (1) de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que os elementos parciais (14, 15, 16) têm pelo menos uma nervura de reforço (22).
  4. 4. Módulo semicondutor de energia (1) de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que pelo menos uma das barras de conexão (9, 10, 11, 12, 21) se estende pela parede lateral (13) entre dois elementos parciais (14, 15, 16).
  5. 5. Módulo semicondutor de energia (1) de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que pelo menos um dos elementos parciais (14, 15 e 16) tem um corte (23, 24, 25) na sua área de contato, pelo qual uma das barras de conexão (9, 10, 11, 12,
    21) se estende.
  6. 6. Módulo semicondutor de energia (1) de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que o corte (23, 24, 25) e a barra de conexão (9, 10, 11, 12, 21), que se estende por ele, são projetados com uma forma complementar entre si.
  7. 7. Módulo semicondutor de energia (1) de acordo com qualquer
    2/2 uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que os elementos parciais (14, 15, 16) são feitos de um plástico reforçado com fibra.
  8. 8. Módulo semicondutor de energia (1) de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que cada uni5 dade semicondutora de energia (19, 20) tem circuitos integrados semicondutores de energia, e um alojamento de unidade, no qual os circuitos integrados semicondutores de energia são dispostos.
  9. 9. Módulo semicondutor de energia (1) de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que os circuitos integrados semiconduto10 res de energia são conectados entre si por meio de fios de ligação.
  10. 10. Módulo semicondutor de energia (1) de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que a parede lateral isolante (13) se estende entre uma placa de base (2) e uma placa de cobertura (3), em que a placa de base (2) e/ou a placa de cobertura (3)
  11. 15 é/são projetada(s) como uma placa de resfriamento.
    1/1
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