ES2202966T3 - Disposicion de circuito de semiconductores, especialmente convertidor de alta intensidad con baja tension del circuito intermedio. - Google Patents
Disposicion de circuito de semiconductores, especialmente convertidor de alta intensidad con baja tension del circuito intermedio.Info
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Abstract
Disposición de circuito de semiconductores, especialmente convertidor de alta intensidad con baja tensión del circuito intermedio, que contiene: - una placa (ZP) de circuito impreso del circuito intermedio, especialmente una placa de circuito impreso de múltiples capas; - una superficie (KF) de enfriamiento principal separada de la placa (ZP) de circuito impreso del circuito intermedio y paralela a ésta; - componentes (C;L) pasivos del circuito intermedio y componentes (T) de potencia discretos, activos con superficies (TF) de enfriamiento individuales integradas por la parte posterior; - una disposición de los componentes (C;L) pasivos del circuito intermedio y de los componentes (T) de potencia discretos en el espacio (A) de separación entre la placa (ZP) de circuito impreso del circuito intermedio y la superficie (KF) de enfriamiento principal; - una disposición de los componentes (C;L) del circuito intermedio y / o de los componentes (T) de potencia con extremos (P) de contacto dirigidos contra la placa (ZP) de circuito impreso del circuito intermedio y conectados con ésta; - una disposición de los componentes (T) de potencia en el sentido de una superficie (TF) de enfriamiento individual que, en cada caso, forma un ángulo inclinado hacia la superficie (KF) de enfriamiento principal; - una transmisión de calor, como mínimo, entre las superficies (TF) de enfriamiento individuales, por una parte, y la superficie (KF) de enfriamiento principal, por otra parte, por medio de una pieza (WL) termoconductora que está en contacto termoconductor con las superficies (TF) de enfriamiento individuales y la superficie (KF) de enfriamiento principal; - una pieza (AS) de presión con la cual pueden presionarse los componentes (T) de potencia, con sus superficies (TF) de enfriamiento individuales, en la dirección de la presión, perpendicularmente a la superficie (KF) de enfriamiento principal contra la pieza (WL) termoconductora.
Description
Disposición de circuito de semiconductores,
especialmente convertidor de alta intensidad con baja tensión del
circuito intermedio.
La invención se refiere a una disposición de
circuito de semiconductores, especialmente a un convertidor de alta
intensidad con baja tensión del circuito intermedio, según la
reivindicación 1; este tipo de disposiciones de circuito de
semiconductores está previsto especialmente para el empleo en
vehículos entre, como mínimo, un sistema eléctrico de a bordo de
baja tensión basado en baterías, por un lado, y un
generador-estárter como motor de arranque o cargador
para la batería correspondiente, por otro lado. Durante el avance
del vehículo, éstos sirven para ajustar la tensión y la potencia
del generador-estárter, que entonces funciona como
generador, a los correspondientes datos de funcionamiento de la
correspondiente batería a recargar y, al arrancar el
generador-estárter, que entonces funciona como
motor, con ayuda de la batería correspondiente, para garantizar un
momento de giro inicial suficiente con una corriente de arranque
correspondientemente alta.
Como componentes esenciales de una disposición de
circuito de este tipo es válida, especialmente, una cantidad de
semipuentes de semiconductores como componentes de potencia, una
cantidad de componentes de circuito intermedio, especialmente
condensadores, y una cantidad de elementos de control,
especialmente pasos de actuadores.
A partir del documento DE 196 45 636 C1 se conoce
una disposición de circuito de semiconductores para la activación
de un motor eléctrico, en la que una unidad de potencia con
semiconductores eléctricos está dispuesta y conectada en la cara
superior de un substrato DCB y en su plano, que está directamente
en contacto con su cara inferior con la superficie de una unidad de
enfriamiento; una placa portadora se dispone en paralelo y separada
por encima del substrato DCB, estando sujetos y conectados,
especialmente soldados, en su cara superior e inferior
componentes-semiconductores de una unidad de
activación correspondiente. Pasadores de contacto perpendiculares
soldados al substrato DCB sirven para la conexión entre la unidad
de potencia en el substrato DCB, por una parte, y para la unidad de
activación en la placa portadora, por otra parte. Paralelas al
substrato DCB y a la placa portadora discurren barras de corriente
de tensión continua a través de un cuerpo de carcasa hacia fuera, a
los condensadores del circuito intermedio dispuestos allí sobre la
cara superior de la unidad de enfriamiento; las barras de conexión
para el lado de corriente alterna o corriente trifásica de la
disposición de circuito están conducidas hacia fuera de la carcasa,
perpendiculares al substrato DCB y a la placa portadora .
Mediante el documento US 5 060 112 A se conoce
una disposición de circuito de semiconductores con una placa de
circuito impreso dotada por ambos lados de componentes activos y
pasivos y con una superficie de enfriamiento principal dispuesta por
debajo de ésta, en paralelo y separada, con lo que los componentes
de potencia con sus superficies de enfriamiento dispuestos en el
espacio intermedio entre la placa de circuito impreso y la
superficie de enfriamiento se presionan contra paredes
perpendiculares de una pieza termoconductora que está en contacto
con la superficie de enfriamiento, mediante piezas de presión
introducidas lateralmente, paralelas a la superficie de enfriamiento
principal por medio de elementos elásticos.
Según la tarea de la presenta invención, con una
estructura simple en cuanto a la técnica de fabricación debe
conseguirse un convertidor de alta intensidad, de baja inductancia
y resistente a los cambios de temperatura, especialmente un
convertidor de alta intensidad con baja tensión del circuito
intermedio, con la máxima capacidad de compactación.
La solución de esta tarea llega, según la
invención, mediante una disposición de circuito de semiconductores
según la reivindicación 1; las configuraciones ventajosas de la
invención son, en cada caso, objeto de las reivindicaciones
dependientes.
Los componentes de potencia previstos según la
invención se conocen, por ejemplo, como Single Mosfet con
"Silicon chip on Direct-Copper Bond aluminium
nitride substrate" de la empresa IXYS.
El empleo de componentes de potencia discretos
activos con superficies de enfriamiento individuales integradas en
la parte posterior y su disposición formando un ángulo hacia el
lado opuesto en el espacio de separación entre la placa de circuito
impreso del circuito intermedio, por una parte, y la superficie de
enfriamiento principal, por otra parte, permite, con una buena
posibilidad de enfriamiento, también el montaje con baja
inductancia de los componentes del circuito intermedio dentro del
espacio de separación con, al mismo tiempo, respecto a la
fabricación y al servicio, una ventajosa posibilidad de conexión de
los componentes de potencia, así como también de los componentes del
circuito intermedio con la placa de circuito impreso del circuito
intermedio que delimita el espacio de separación. Para la
evacuación térmica sencilla y, a pesar de ello, eficaz entre las
superficies de enfriamiento individuales de los componentes de
potencia discretos, están dispuestas piezas termoconductoras que
pueden montarse perpendicularmente a la superficie de enfriamiento
principal entre, por un lado, la cara inferior de las superficies
de enfriamiento individuales de los componentes de potencia que
muestran sus patas de contacto hacia arriba contra la placa de
circuito impreso del circuito intermedio y, por otro lado, la
superficie de enfriamiento principal con instalación directa e
indirecta. Para mejorar la transmisión térmica y, al mismo tiempo,
la fijación resistente a las vibraciones de los componentes de
potencia, están previstas piezas de presión con las que los
componentes de potencia pueden presionarse también en el montaje
axial de la estructura, en la dirección de la presión,
perpendicularmente a la superficie de enfriamiento principal con sus
superficies de enfriamiento individuales contra la pieza
termoconductora.
En la disposición en hileras de componentes de
potencia discretos prevista de forma conveniente, preferiblemente
con hileras que se disponen enfrentadas en forma de V, está
prevista una pieza termoconductora correspondiente en forma de
bloque con una cuba de recepción en forma de V por la parte
superior, de manera que, en cada caso, pueden alojarse
simultáneamente dos disposiciones en hileras enfrentadas entre sí.
Entonces, de forma conveniente, una pieza de presión en forma de
bloque con punta en forma de V se ensambla desde arriba en el lado
abierto en forma de V de los componentes de potencia dispuestos en
hileras unos respecto a otros. Una capa intermedia elástica, por
ejemplo, una capa intermedia de elastómeros sirve para compensar de
forma sencilla las tolerancias entre la superficie de instalación
de la pieza de presión y las superficies de instalación de los
componentes de potencia.
Según una configuración de la invención, para
aumentar adicionalmente la ventajosamente alta resistencia a las
vibraciones, especialmente en el empleo en un vehículo, está
prevista también una segunda capa intermedia especialmente
entrefundida y, de forma adecuada, al mismo tiempo buena conductora
del calor, que se fija por ambos lados, entre los extremos libres
opuestos a la placa de circuito impreso del circuito intermedio, de
los componentes del circuito intermedio, por un lado, y la
superficie de enfriamiento principal enfrentada o una placa de
fijación unida con ésta, por otro lado.
A continuación se explica detalladamente en el
dibujo la invención así como otras configuraciones ventajosas de la
invención según las características de las reivindicaciones
dependientes mediante un ejemplo de realización, mostrando con
ello:
La figura 1, una vista superior de una
disposición de circuito de semiconductores con piezas aún no
montadas como la cubierta superior de la carcasa, una placa de
circuito impreso de control y una placa de circuito impreso del
circuito intermedio;
la figura 2, la disposición de circuito de
semiconductores según la figura 1 en la trayectoria de corte
II-II y con piezas ya montadas como la cubierta
superior de la carcasa, una placa de circuito impreso de control y
una placa de circuito impreso del circuito intermedio;
la figura 3, la disposición de circuito de
semiconductores según la figura 1 en la trayectoria de corte
III-III y con piezas ya montadas como la cubierta
superior de la carcasa, una placa de circuito impreso de control y
una placa de circuito impreso del circuito intermedio;
la figura 4, una ampliación de un corte a partir
de la figura 3 en el área de las disposiciones en hileras de los
componentes de potencia fijadas mutuamente en forma de V.
En una carcasa GE con una cubierta D1 de cierre
superior y una cubierta D2 de cierre inferior que está en contacto
con una superficie KF de enfriamiento principal de un dispositivo K
de enfriamiento, están dispuestos, en un espacio A de separación
entre la cubierta D2 de cierre inferior y la placa ZP de circuito
impreso del circuito intermedio dispuesta separada y esencialmente
paralela a ésta, especialmente una placa de circuito impreso de
múltiples capas, componentes C;L del circuito intermedio en forma
de condensadores C del circuito intermedio e inductancias L del
circuito intermedio así como componentes T de potencia en forma de
transistores discretos con, en cada caso, superficies TF de
enfriamiento individuales integradas aisladas eléctricamente por la
parte posterior.
En el sentido de una gran capacidad de
compactación y, con ello, aprovechamiento óptimo del espacio de
separación para la colocación de los componentes C;L del circuito
intermedio así como de los componentes T de potencia, los
componentes T de potencia (como puede observarse especialmente en
la ampliación del corte según la figura 4) están formando un ángulo
opuesto a la superficie KF de enfriamiento principal o a una placa
de fijación que se dispone para la buena evacuación térmica, por
ejemplo, en forma de la cubierta D2 de cierre inferior, elevadas,
especialmente, en cada caso, en disposiciones en hileras en forma
de V y paralelas entre sí con la abertura de las patas dirigida a la
placa ZP de circuito impreso del circuito intermedio.
De forma ventajosa para la fabricación así como
para la asistencia de servicio, los componentes C;L del circuito
intermedio así como los componentes T de potencia están dispuestos
de tal manera que pueden conectarse con sus extremos P de contacto,
en forma de los denominados pines, directamente con la placa ZP de
circuito impreso del circuito intermedio, especialmente mediante
soldadura por inmersión o soldadura por ola de estaño de los
extremos P de contacto introducidos a través de la placa ZP de
circuito impreso del circuito intermedio hasta las pistas de
contacto correspondientes en su superficie. En otro plano está
dispuesta, preferiblemente paralela y por encima respecto a la placa
ZP de circuito impreso del circuito intermedio, una placa SP de
circuito impreso de excitación. La placa ZP de circuito impreso del
circuito intermedio de este tipo que puede dotarse de los
componentes C;L del circuito intermedio y de los componentes T de
potencia, se fabrica, de forma conveniente, como unidad de montaje
previo y luego se monta y fija en la carcasa GE.
Para la fijación de los componentes T de potencia
y, al mismo tiempo, para la buena evacuación térmica entre las
superficies TF de enfriamiento individuales de los componentes T de
potencia, por un lado, y la superficie KF de enfriamiento principal
del dispositivo K de enfriamiento, por otro lado, sirven piezas WL
termoconductoras, que, de forma conveniente comprenden en cada caso
dos hileras de componentes T de potencia dispuestas en forma de V a
modo de bloque con una de las puntas de la disposición en forma de
V adaptada al alojamiento en forma de cuba.
Según otra configuración de la invención, los
componentes T de potencia se presionan contra la pieza WL
termoconductora mediante una pieza AS de presión; convenientemente,
de forma similar a las piezas WL termoconductoras anteriormente
descritas, están previstas a su vez piezas AS de presión en forma
de bloque que ejercen presión, en cada caso, sobre dos hileras de
componentes T de potencia dispuestas en forma de V y, para ello,
pueden introducirse con una punta en forma de V en la abertura de
los lados de la disposición en hileras en forma de V y presionarse
contra la cara superior de los componentes T de potencia. Para
compensar las tolerancias, entre las superficies de presión de las
piezas AS de presión, por un lado, y la parte superior de los
componentes T de potencia, por otro lado, está prevista una primera
capa ZW1 intermedia elástica, especialmente una capa intermedia de
elastómeros.
La fijación mutua de la placa ZP de circuito
impreso del circuito intermedio con los componentes C;L del
circuito intermedio que están en contacto con ésta y los componentes
T de potencia con su presión simultánea sobre las piezas AS de
presión y las piezas WL termoconductoras en la cubierta D2 de
cierre inferior tiene lugar, según una configuración de la
invención, mediante tornillos S, que están en contacto con su
cabeza de tornillo con la placa ZP de circuito impreso del circuito
intermedio, a través de la cual sobresalen las piezas de presión y
la pieza WL termoconductora entre los componentes T de potencia y
pueden atornillarse (de forma no mostrada aquí detalladamente) en la
cubierta D2 de cierre inferior de la carcasa; de forma alternativa
a ello, también puede realizarse un atornillado de los tornillos S
con la pieza WL temoconductora que, a su vez, puede fijarse a la
cubierta D2 de cierre inferior de la carcasa mediante otros medios
de fijación con, al mismo tiempo, buena conducción térmica. Para la
fijación especialmente resistente a las vibraciones de los
componentes C;L del circuito intermedio condicionado por
tolerancias respecto a la cubierta D2 de cierre inferior está
previsto, según otra configuración de la invención, en casos dados,
una segunda capa ZW2 intermedia termoconductora, especialmente una
capa intermedia fundida, entre los extremos libres inferiores de
los componentes C;L del circuito intermedio y la cubierta D2 de
cierre inferior.
La placa SP de circuito impreso de excitación
dispuesta en otro plano, por encima de la placa ZP de circuito
impreso del circuito intermedio, está unida aquí con los componentes
de potencia que se van a actuar de la placa ZP de circuito impreso
del circuito intermedio, por medio de un cable plano FK. Para una
posibilidad de conexión especialmente sencilla y que sólo requiere
de corto tramo de cableado de la parte de corriente alterna o de la
parte de corriente trifásica de un generador del estárter
alimentado, por ejemplo, aquí, por la disposición de circuito de
semiconductores según la invención, en un vehículo o en la parte de
corriente continua de una o varias baterías de la parte del
vehículo, están previstas conexiones U, V, W correspondientes de
corriente alterna o de corriente trifásica del generador del
estárter, por un lado, y conexiones BATT1, BATT2, GND de corriente
continua, por otro lado, como puede observarse especialmente en la
figura 2, en un bloque KV de unión de contactos en uno de los lados
de la carcasa GE. En el otro lado de la carcasa GE está previsto un
enchufe SS de señales conectado dentro de la carcasa GE con la
placa SP de circuito impreso de excitación para la alimentación de
señales de excitación externas o para sacar magnitudes de señales
internas.
La disposición de circuito de semiconductores
según la invención garantiza, con la más sencilla técnica de
fabricación, especialmente respecto a una ventajosa disposición de
baja inductancia de los componentes individuales de las piezas y su
contacto entre sí, con baja tensión del circuito intermedio para un
convertidor de alta intensidad, una evacuación térmica suficiente a
pesar de la posible forma constructiva compacta especialmente
ventajosa para el empleo en un vehículo.
Claims (9)
1. Disposición de circuito de semiconductores,
especialmente convertidor de alta intensidad con baja tensión del
circuito intermedio, que contiene:
- -
- una placa (ZP) de circuito impreso del circuito intermedio, especialmente una placa de circuito impreso de múltiples capas;
- -
- una superficie (KF) de enfriamiento principal separada de la placa (ZP) de circuito impreso del circuito intermedio y paralela a ésta;
- -
- componentes (C;L) pasivos del circuito intermedio y componentes (T) de potencia discretos, activos con superficies (TF) de enfriamiento individuales integradas por la parte posterior;
- -
- una disposición de los componentes (C;L) pasivos del circuito intermedio y de los componentes (T) de potencia discretos en el espacio (A) de separación entre la placa (ZP) de circuito impreso del circuito intermedio y la superficie (KF) de enfriamiento principal;
- -
- una disposición de los componentes (C;L) del circuito intermedio y/o de los componentes (T) de potencia con extremos (P) de contacto dirigidos contra la placa (ZP) de circuito impreso del circuito intermedio y conectados con ésta;
- -
- una disposición de los componentes (T) de potencia en el sentido de una superficie (TF) de enfriamiento individual que, en cada caso, forma un ángulo inclinado hacia la superficie (KF) de enfriamiento principal;
- -
- una transmisión de calor, como mínimo, entre las superficies (TF) de enfriamiento individuales, por una parte, y la superficie (KF) de enfriamiento principal, por otra parte, por medio de una pieza (WL) termoconductora que está en contacto termoconductor con las superficies (TF) de enfriamiento individuales y la superficie (KF) de enfriamiento principal;
- -
- una pieza (AS) de presión con la cual pueden presionarse los componentes (T) de potencia, con sus superficies (TF) de enfriamiento individuales, en la dirección de la presión, perpendicularmente a la superficie (KF) de enfriamiento principal contra la pieza (WL) termoconductora.
2. Disposición de circuito de semiconductores
según la reivindicación 1, que contiene:
- -
- una conexión eléctrica de los componentes (C;L) del circuito intermedio y/o de los componentes (T) de potencia con la placa (ZP) de circuito impreso del circuito intermedio en su superficie opuesta al espacio (A) de separación.
3. Disposición de circuito de semiconductores
según las reivindicaciones 1 y/o 2, que contiene:
- -
- una disposición de la placa (ZP) de circuito impreso del circuito intermedio por encima de la superficie (KF) de enfriamiento principal.
4. Disposición de circuito de semiconductores
según, como mínimo, una de las reivindicaciones
1-3, que contiene:
- -
- una disposición, alternativa, en forma de hileras de los componentes (C;L) del circuito intermedio, por un lado, o de los componentes (T) de potencia, por otro lado, en el espacio (A) de separación entre la placa (ZP) de circuito impreso del circuito intermedio o la superficie (KF) de enfriamiento principal.
5. Disposición de circuito de semiconductores
según, como mínimo, una de las reivindicaciones
1-4, que contiene:
- -
- una disposición de, en cada caso, dos hileras dispuestas en forma de V una respecto a la otra de componentes (T) de potencia con, en cada caso, la parte delantera dirigida a la placa (ZP) de circuito impreso del circuito intermedio aunque formando un ángulo hacia el lado opuesto a ésta y la superficie (TF) de enfriamiento individual posterior dirigida a la superficie (KF) de enfriamiento principal y formando un ángulo que se dirige hacia ésta.
6. Disposición de circuito de semiconductores
según, como mínimo, una de las reivindicaciones 4 ó 5, que
contiene:
- -
- una disposición en hilera en cada caso para todos los componentes (T) de potencia de la pieza (WL) termoconductora y/o la pieza (AS) de presión comunes.
7. Disposición de circuito de semiconductores
según, como mínimo, una de las reivindicaciones
3-6, que contiene:
- -
- una primera capa (ZW1) intermedia compensadora de la tolerancia, especialmente una capa elástica de elastómeros, entre las superficies de presión opuestas de la pieza (AS) de presión, por un lado, y los componentes (T) de potencia, por otro lado.
8. Disposición de circuito de semiconductores
según, como mínimo, una de las reivindicaciones
1-7, que contiene:
- -
- una segunda capa (ZW2) intermedia que se fija mutuamente o termoconductora, especialmente entrefundida, entre los componentes (L;C) del circuito intermedio, por un lado, y la superficie (KF) principal de enfriamiento, por otro lado.
9. Disposición de circuito de semiconductores
según, como mínimo, una de las reivindicaciones
1-8, que contiene:
- -
- una placa (SP) de circuito impreso de control con una unidad de excitación que está unida funcionalmente con los componentes (T) de potencia, separada de la cara de la placa (ZP) de circuito impreso del circuito intermedio opuesta al espacio de separación.
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|---|---|---|---|
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| ES2202966T3 true ES2202966T3 (es) | 2004-04-01 |
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