ES2279243T3 - Modulo de semiconductores de potencia modular. - Google Patents

Modulo de semiconductores de potencia modular. Download PDF

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ES2279243T3 ES04006021T ES04006021T ES2279243T3 ES 2279243 T3 ES2279243 T3 ES 2279243T3 ES 04006021 T ES04006021 T ES 04006021T ES 04006021 T ES04006021 T ES 04006021T ES 2279243 T3 ES2279243 T3 ES 2279243T3
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Yvonne Manz
Aseem Wahi
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Abstract

Módulo de semiconductores de potencia (1) para ser montado en un cuerpo plano compuesto por un gran número de módulos de piezas (10), que a su vez están compuestos por una placa base (20), una carcasa en forma de marco (30) y elementos de conexión (40) para conexiones de carga (42) y conexiones auxiliares (44), con por lo menos un sustrato aislante de electricidad (50) dispuesto dentro de cada carcasa (30) en la placa base (20) correspondiente, que a su vez está compuesto por un cuerpo de material aislante (52) sobre el que se encuentra un gran número de superficies de unión metálicas (54) aisladas entre sí, sobre las que se encuentran componentes de semiconductores de potencia (56) unidos a estas superficies de unión según el circuito, presentado el módulo de semiconductores de potencia exactamente una tapa (70), que une los distintos módulos de piezas y que los fija entre sí (70) y/o estando dispuestos todos los módulos de piezas unos junto a otros por medio de unas conexiones de fijación(34, 36), caracterizado por el hecho de que cada módulo de piezas (10) presenta por lo menos dos entalladuras (22) en forma de agujeros redondos o alargados no rodeados por todos los lados que, a la hora de disponer los módulos de piezas (10) en un módulo de semiconductores de potencia (1) se complementan con los agujeros redondos o alargados de los lados adyacentes entre sí respectivamente.

Description

Módulo de semiconductores de potencia modular.
El invento describe un módulo de semiconductores de potencia modular. En principio, los módulos de semiconductores de potencia de este tipo están compuestos por una carcasa con placa base y por lo menos un sustrato aislante de electricidad dispuesto en la misma. Este sustrato, a su vez, está compuesto por un cuerpo de material aislante sobre el que se encuentra un gran número de superficies de unión metálicas aisladas entre sí, sobre las que se encuentran componentes de semiconductores de potencia unidos a estas superficies de unión según el circuito. Ventajosamente, el sustrato, en su parte inferior, presenta una capa metálica plana, comparable a las superficies de unión.
En principio, los módulos de semiconductores de potencia de este tipo se conocen desde hace mucho tiempo, como se revela por ejemplo en la patente DE 39 37 045 A1. Por la patente DE 100 11 633 A1 se conocen, por ejemplo, distintas configuraciones modernas de semiconductores de potencia de este tipo con una alta potencia en relación con su tamaño constructivo, que constituyen el punto de partida de este invento.
La patente DE 39 37 045 A1 revela por ejemplo un módulo de semiconductores de potencia del tipo mencionado anteriormente, que presenta un circuito semipuente dentro de una carcasa. Una disposición de circuito de este tipo consta de dos disyuntores conectados en línea, y a menudo está configurada como un circuito en serie de transistores de potencia, preferiblemente Transistores Bipolares de Puerta Aislada (IGBTs). En antiparalelo a los respectivos disyuntores hay dispuestos diodos de marcha libre. El módulo de semiconductores de potencia presenta además elementos de conexión para las conexiones de carga de corriente continua y corriente alterna. Para activar los transistores de potencia, así como para realizar otras funciones, los módulos de semiconductores de potencia de este tipo también presentan elementos de conexión auxiliar.
Los módulos de semiconductores de potencia típicos presentan un gran número de uniones roscadas para ser montados en cuerpos planos, por lo general disipadores de calor. Los agujeros para dichas uniones roscadas están dispuestos preferiblemente en las esquinas de los módulos de semiconductores de potencia.
Por ejemplo, por la patente DE 100 11 633 A1 se conoce otro módulo de semiconductores de potencia, que presenta tres circuitos semipuente, es decir, un circuito de puente completo de 3 fases, dentro de una carcasa. Las configuraciones de los circuitos semipuente están dispuestas en tres partes de la carcasa. En este caso, las respectivas configuraciones de los circuitos también corresponden al estado de la técnica descrito anteriormente.
Un inconveniente de la configuración de módulos de semiconductores de potencia con un circuito semipuente por carcasa, véase la patente DE 39 37 045 A1, es que al construir circuitos de puente completo de 3 fases a partir de estos módulos individuales, cada módulo debe fijarse por separado al disipador de calor. De este modo, tampoco resulta posible sustituir un módulo de semiconductores de potencia con un circuito de puente completo de 3 fases, ver DE 100 11 633 A1, por los módulos individuales mencionados anteriormente con un simple cambio, ya que las posibilidades de fijación no son idénticas.
Por otra parte, un circuito de puente completo de 3 fases dentro de una carcasa resulta desventajoso, puesto que en este caso, los fallos comprobados durante la fabricación dentro de un circuito semipuente representan un defecto de todo el módulo. También es desventajoso el hecho de que para otras configuraciones de circuito, por ejemplo un puente en H, son necesarias otras carcasas con, en este caso, por ejemplo, 2 circuitos semipuente, y por lo tanto no es posible una fabricación racional con un número reducido de componentes estructurales.
Por la patente EP 0.828.341 A2 se conoce un módulo de semiconductores de potencia que presenta un gran número de sustratos individuales en una carcasa. Estos módulos de semiconductores de potencia están unidos a unidades funcionales por barras conductoras fuera de los módulos. Gracias a la patente EP 1.263.045 A1 se conocen módulos de piezas de un módulo de semiconductores de alta potencia que presentan una carcasa propia y que están unidos a un módulo completo con barras conductoras.
Gracias a la patente US 2002/027283 A1 también se conoce la unión de módulos de piezas a un módulo completo.
La patente JP 2000/156575 A revela una disposición para yuxtaponer un gran número de módulos de semiconductores de potencia. Para ello, se colocan elementos de acoplamiento en los agujeros enroscables de los distintos módulos, y de este modo éstos se posicionan unos junto a otros. Los módulos de piezas se unen entre sí por ejemplo con una placa excitadora.
El presente invento tiene como objetivo presentar un módulo de semiconductores de potencia, que presenta una estructura modular a partir de un gran número de módulos de piezas similares.
Dicho objetivo se consigue con un módulo de semiconductores de potencia de acuerdo con la reivindicación 1, y en las reivindicaciones subordinadas pueden encontrarse configuraciones especiales.
La idea fundamental del invento se basa en un módulo de semiconductores de potencia con placa base para ser montado en un cuerpo plano, preferiblemente un disipador de calor, de acuerdo con el estado de la técnica mencionado, compuesto por una carcasa en forma de marco con por lo menos un sustrato aislante de electricidad dispuesto dentro de la misma. Este sustrato, a su vez, está compuesto por un cuerpo de material aislante con un gran número de superficies de unión metálicas aisladas entre sí que se encuentran sobre su primera superficie principal, así como preferiblemente por una capa metálica plana dispuesta sobre su segunda superficie principal. En las superficies de unión de la primera superficie principal, y unidas a estas superficies de unión según el circuito, está dispuesto un gran número de componentes de semiconductores de potencia.
El módulo de semiconductores de potencia de acuerdo con el invento está compuesto por un gran número de módulos de piezas del tipo mencionado anteriormente. Cada módulo de piezas presenta elementos de conexión de carga y de conexión auxiliar, estando configuradas las conexiones de carga preferiblemente como una conexión positiva, una negativa y por lo menos una de corriente alterna respectivamente. Las conexiones auxiliares sirven para activar los componentes de los semiconductores de potencia, así como por ejemplo como conexiones de control o para empalmar componentes sensoriales dispuestos en el módulo de semiconductores de potencia.
De acuerdo con el invento, cada módulo de piezas presenta por lo menos dos entalladuras en forma de agujeros redondos o alargados no rodeadas por todos los lados que, a la hora de disponer los módulos de piezas en un módulo de semiconductores de potencia complementan a los agujeros redondos o alargados en los lados adyacentes entre sí respectivamente.
Ventajosamente, los módulos de piezas son unidos por medio de elementos de fijación a un módulo de semiconductores de potencia. Como elemento de fijación son adecuados, por ejemplo, una tapa que cubre todos los módulos de piezas y/o conexiones en la zona de la carcasa en forma de marco y/o en la zona de las placas base.
Lo ventajoso de esta configuración de un módulo de semiconductores de potencia es que: gracias a su división en módulos de piezas, puede ser cambiado de forma individual en caso de avería; gracias a los módulos de piezas similares, pueden fabricarse distintos módulos de semiconductores de potencia con un reducido número de piezas y; a pesar de la configuración a partir de módulos de piezas individuales, el módulo de semiconductores de potencia es compatible con el estado de la técnica, por ejemplo con un circuito de puente completo de 3 fases; gracias a la configuración adecuada de las entalladuras, dos módulos de piezas pueden fijarse a un disipador de calor por medio de un tornillo "conjunto" respectivamente.
El invento se describe con más detalle por medio de ejemplos de realización junto con las figuras de la 1 a la 7.
La figura 1 muestra un módulo de semiconductores de potencia de acuerdo con el invento en una vista en planta;
La figura 2 muestra la disposición de tres módulos de piezas en un módulo de semiconductores de potencia de acuerdo con el invento;
La figura 3 muestra un detalle de un módulo de semiconductores de potencia de acuerdo con el invento en vista en planta (a) y en vista lateral (b);
La figura 4 muestra otra configuración de un módulo de semiconductores de potencia de acuerdo con el invento con una conexión rápida de enclavamiento de la tapa;
La figura 5 muestra un corte de otra configuración de un módulo de semiconductores de potencia de acuerdo con el invento con una conexión rápida de enclavamiento de los módulos de piezas;
La figura 6 muestra un módulo de semiconductores de potencia de acuerdo con el invento con una unión de los módulos de piezas de acuerdo con la figura 5;
La figura 7 muestra un módulo de semiconductores de potencia de acuerdo con el invento con una tapa que cubre tres módulos de piezas.
La figura 1 muestra un módulo de piezas de un módulo de semiconductores de potencia de acuerdo con el invento en una vista en planta. Se representa un módulo de piezas (10) compuesto por una placa base (20) para ser montado en un disipador de calor. Para ello, esta placa base (20) presenta una entalladura (22) abierta en forma de agujero alargado en sus esquinas respectivamente. Estas entalladuras están dispuestas en la zona de los bordes de tal modo que sus aperturas están dispuestas en los lados de la placa base que están asignados a otro módulo de piezas (10) del módulo de semiconductores de potencia (véase la figura 2).
El módulo de piezas está compuesto además por una carcasa en forma de marco (30) y dos sustratos aislantes de electricidad (50). El sustrato correspondiente, a su vez, está compuesto por un cuerpo de material aislante (52) con un gran número de superficies de unión metálicas (54) aisladas entre sí que se encuentran sobre su primera superficie principal apartada de la placa base. En su segunda superficie principal asignada al disipador de calor, el sustrato presenta una metalización plana similar a las superficies de unión de la primera superficie principal. En las superficies de unión (54), y unidas a éstas por medio de una conexión por alambre (58) según el circuito, están dispuestos componentes de semiconductores de potencia (56). Para el contacto eléctrico, el módulo de piezas (10) presenta elementos de conexión (40) para las conexiones de carga (42) y las conexiones auxiliares (44). Las superficies de unión (54) de los sustratos (50) están unidas entre sí y a los elementos de conexión (40) mediante conexiones por alambre (62, 64, 46, 48). De forma alternativa, por supuesto también son posibles conexiones soldadas.
La figura 2 muestra una vista en planta de la disposición de tres módulos de piezas (10), según la figura 1, en un módulo de semiconductores de potencia (1) de acuerdo con el invento. Los módulos de piezas (10) están dispuestos unos junto a otros en sus costados. En este caso, de las entalladuras (22, figura 1) abiertas en forma de agujeros alargados resultan agujeros alargados formados respectivamente en la mitad de estas entalladuras en los puntos de contacto de los módulos de piezas (10). Estos agujeros alargados (24), como las entalladuras (22) que quedan en las partes estrechas del módulo de semiconductores de potencia, sirven para fijar el módulo de semiconductores de potencia (1) a un disipador de calor.
La figura 3 muestra un detalle de un módulo de semiconductores de potencia de acuerdo con el invento en vista en planta (a) y en vista lateral (b). En este caso se representan la carcasa (30) y uno de los agujeros alargados (24), ya descritos en la figura 2, que se forma en la zona de junta (26) de dos módulos de piezas (10). Además se representa un agujero redondo (72) de la tapa (70). Esta tapa (70) recubre ambos módulos de piezas (10) y los fija a un disipador de calor por medio de un tornillo (80). La tapa (70) presenta además una superficie de tope que descansa sobre las piezas (28) de la placa base (20) vaciadas por la carcasa (30).
La figura 4 muestra otra configuración de un módulo de semiconductores de potencia de acuerdo con el invento con una conexión rápida de enclavamiento de la tapa. Cada una de las carcasas (30) dispuestas en una placa base (20) de los módulos de piezas (10) presenta un gran número de pestañas de encaje (32). Estas pestañas de encaje forman una conexión rápida de enclavamiento con los contrafuertes asignados de la tapa (70). De este modo, al montar la tapa (70), a partir de los módulos de piezas (10) individuales se crea un módulo de semiconductores de potencia modular con módulos de piezas fijados entre sí.
De forma alternativa, por supuesto, la tapa (70) puede presentar las pestañas de encaje y la carcasa (30) los contrafuertes asignados.
La figura 5 muestra un corte de otra configuración de un módulo de semiconductores de potencia de acuerdo con el invento con una conexión rápida de enclavamiento de los módulos de piezas (10). Se ofrecen distintas variantes, también combinables entre sí, de la conexión de fijación de los módulos de piezas unos junto a otros. La placa base, la carcasa y/o las tapas pueden presentar dichas conexiones de fijación. Por ejemplo, en este caso se muestra una conexión rápida de enclavamiento de fijación de la carcasa (30). Cada carcasa presenta, en un lado asignado a otro módulo de piezas, por lo menos una, y preferiblemente dos, pestañas de encaje (34). La pestaña de encaje (34) de la carcasa de pieza (10) forma una conexión de fijación con el contrafuerte de la otra carcasa de pieza (10). De este modo, todo el módulo de semiconductores de potencia se crea a partir de un gran número de módulos de piezas individuales. En esta configuración, las placas base (20) de los módulos de piezas presentan medios agujeros (22) opuestos entre sí. En el montaje, éstos forman un agujero redondo (24) para fijar el módulo de semiconductores de potencia a un disipador de calor.
Una alternativa para unir módulos de piezas (10) individuales adyacentes es un raíl, preferiblemente metálico, dispuesto en los costados respectivos del módulo de semiconductores de potencia, que cubre las superficies vaciadas (28, figura 3) por la carcasa y que en este caso presenta superficies de tope. Este elemento, que fija los módulos de piezas a un módulo de semiconductores de potencia, presenta agujeros redondos para uniones roscadas con el disipador de calor. Estos agujeros redondos están dispuestos, preferiblemente, alineados con todas las entalladuras (22), así como con los agujeros redondos o alargados (24) formados a partir de las mismas en el lado correspondiente.
La figura 6 muestra un módulo de semiconductores de potencia de acuerdo con el invento con una unión de los módulos de piezas de acuerdo con la figura 5. Ambos agujeros redondos (24), así como el medio agujero (22), sirven para fijar (ver figura 7) a un disipador de calor. Este módulo de semiconductores de potencia presenta una tapa (no representada) por cada módulo de piezas respectivamente, puesto que en este caso la unión de fijación ya se proporciona por medio de la conexión rápida de enclavamiento de la carcasa (30).
La figura 7 muestra un módulo de semiconductores de potencia (1) de acuerdo con el invento con una tapa (70) que cubre los tres módulos de piezas (10). En sus correspondientes esquinas, la tapa (70) presenta continuaciones (74) que sobresalen de la placa base y que se extienden hasta el disipador de calor para garantizar una conexión roscada segura a un disipador de calor gracias a los agujeros redondos (72a) de la tapa (70), así como los medios agujeros (22, ver figura 6). En esta configuración del módulo de semiconductores de potencia (1), las conexiones auxiliares (44) no están dispuestas en las partes estrechas de los módulos de piezas (10), sino a lo largo de sus costados.

Claims (6)

1. Módulo de semiconductores de potencia (1) para ser montado en un cuerpo plano compuesto por un gran número de módulos de piezas (10), que a su vez están compuestos por una placa base (20), una carcasa en forma de marco (30) y elementos de conexión (40) para conexiones de carga (42) y conexiones auxiliares (44), con por lo menos un sustrato aislante de electricidad (50) dispuesto dentro de cada carcasa (30) en la placa base (20) correspondiente, que a su vez está compuesto por un cuerpo de material aislante (52) sobre el que se encuentra un gran número de superficies de unión metálicas (54) aisladas entre sí, sobre las que se encuentran componentes de semiconductores de potencia (56) unidos a estas superficies de unión según el circuito, presentado el módulo de semiconductores de potencia exactamente una tapa (70), que une los distintos módulos de piezas y que los fija entre sí (70) y/o estando dispuestos todos los módulos de piezas unos junto a otros por medio de unas conexiones de fijación (34, 36), caracterizado por el hecho de que cada módulo de piezas (10) presenta por lo menos dos entalladuras (22) en forma de agujeros redondos o alargados no rodeados por todos los lados que, a la hora de disponer los módulos de piezas (10) en un módulo de semiconductores de potencia (1) se complementan con los agujeros redondos o alargados de los lados adyacentes entre sí respectivamente.
2. Módulo de semiconductores de potencia de acuerdo con la reivindicación 1, estando unida la tapa (70) a los módulos de piezas (10) por medio de conexiones rápidas de enclavamiento, presentando la carcasa (30) pestañas de encaje (32) y la tapa (70) contrafuertes asignados a éstas.
3. Módulo de semiconductores de potencia de acuerdo con la reivindicación 1, presentando la tapa (70) orificios en forma de agujeros redondos (72) para recibir tornillos (80), que están dispuestos en la zona de junta (26) de los módulos de piezas (10) alineados con las entalladuras (22) que crean agujeros redondos o alargados en la misma.
4. Módulo de semiconductores de potencia de acuerdo con la reivindicación 1, presentando cada módulo de piezas (10) en un lado limítrofe a otros módulos de piezas por lo menos una pestaña de encaje (34), y en el lado limítrofe opuesto por lo menos un contrafuerte (36) asignado a esta pestaña de
encaje.
5. Módulo de semiconductores de potencia de acuerdo con la reivindicación 4, estando configurada la conexión de fijación como una conexión rápida de enclavamiento (34, 36) de todos los módulos de piezas adyacentes entre sí.
6. Módulo de semiconductores de potencia de acuerdo con la reivindicación 1, estando configurada la conexión de fijación como un raíl que cubre todas las entalladuras (22) y los agujeros redondos o alargados (24) del lado correspondiente que se forman a partir de las mismas.
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