ES2289978T3 - Convertidor con contacto a presion. - Google Patents

Abstract

Convertidor que comprende un controlador (10), como mínimo un cuerpo envolvente (8) con una placa de presión (9) fijada a dicho cuerpo o integral con el mismo, para la aplicación de una presión constante, así como un elemento de presión (12) que transmite dicha presión para establecer contacto térmicamente conductor sobre una placa de base eléctricamente aislante (14), comprendiendo configuraciones de circuitos semiconductores de potencia realizados sobre la misma, dispuestos sobre un cuerpo de refrigeración, y también conexiones de corriente (11) para la conexión eléctricamente conductiva con las superficies de contacto de la placa base (14), caracterizado porque la placa de presión (9) está realizada en un material combinado que consiste en una pieza metálica postiza (2) con un recubrimiento de material plástico (1), presentando dicha placa de presión (9) con respecto a la pieza metálica postiza (2) unos pasos aislados (4), y el controlador (10) está dispuesto directamente sobrela placa de presión (9).

Description

Convertidor con contacto a presión.

La presente invención se refiere a un dispositivo semiconductor de potencia, en especial en forma de convertidores de corriente de la clase de potencia, según la parte introductoria de la reivindicación 1, que, en su realización, son apropiados, como mínimo parcialmente, para construcciones de contactos a presión. Las conexiones de contactos a presión son conocidas como técnica de conexión desde hace mucho tiempo por la tecnología de fabricación de módulos semiconductores o bien interruptores semiconductores.

La seguridad de los contactos de construcciones de contactos a presión es de importante significación en el funcionamiento a largo plazo, o con cambios de carga, para la seguridad funcional del dispositivo interruptor. Todas las conexiones externas deben formar en todo momento, de modo garantizado, un contacto seguro en caso de cambios térmicos y cambios de carga eléctrica, con respecto a sus puntos de contacto internos. En contactos de forma conjugada, mediante la desactivación de los esfuerzos de presión, se genera una alteración funcional del conjunto del dispositivo en tiempo real. Para conseguir un mayor tiempo de vida útil, se han aplicado múltiples esfuerzos, tal como se describe en la literatura técnica conocida. Se sigue persiguiendo el objetivo de una vida útil ilimitada.

La tecnología de los contactos a presión ha sido, con la limitación de la necesidad de hermetización con respecto a la atmósfera, objeto repetido de las investigaciones que se han descrito por la consecución de todas las condiciones para una técnica practicable.

En el documento DE 35 08 456 A1 se describe una construcción del contacto a presión y su procedimiento para la fabricación de módulos semiconductores de potencia. Mediante tornillos ajustados, se utiliza el esfuerzo tensor interno existente para la compresión de la cerámica aislante o bien del semiconductor de potencia sobre la superficie de refrigeración. La reducción del esfuerzo tensor del cuerpo envolvente, como elemento del dispositivo de presión, tiene un efecto contrario a una larga vida útil del módulo construido, ya que en éste no se ha previsto ningún otro tipo de almacenamiento de energía de compresión.

En el documento DE 41 22 428 A1 se incluye como elemento de almacenamiento de presión un cojín amortiguador en el dispositivo de interruptor. Este elemento de cojín amortiguador queda dispuesto sobre un elemento de puente que fija las piezas internas del interruptor y ejerce presión sobre las mismas. La estabilidad mecánica del elemento de puente se consigue mediante una placa de presión por encima del elemento de cojín amortiguador, de manera que su dispositivo de tornillo constituye una presión estática con el elemento de refrigeración. Mediante esta combinación triple, se consigue una solución complicada pero que funcionalmente trabaja muy satisfactoriamente, siendo previsible no obstante la degradación del elemento de cojín amortiguador como elemento de almacenamiento de presión en un funcionamiento a largo plazo.

El documento DE 41 31 200 C2 prevé un dispositivo interruptor en el que el dispositivo de aplicación de presión para un contacto a presión está constituido por un elemento de puente, que está dotado de correspondientes zonas elevadas y zonas rebajadas, y que permite constituir las conexiones eléctricas adecuadas y contactos térmicos del dispositivo después de la aplicación de presión. El dispositivo de aplicación de presión está conformado en un material sintético que sufre envejecimiento por el trabajo normal, lo que requiere una construcción muy maciza.

En una solicitud de patente anterior, DE 195 31 496 C1, se prevé un cuerpo envolvente aplicador de presión con labios de presión constituidos de forma similar, de manera que, conjuntamente con el resto de características constructivas, se consigue una distribución regular de presión sobre todas las piezas del módulo que generan pérdidas de calor, con lo que cada una de las piezas individuales es presionada de forma elástica. No obstante, para presiones superficiales muy elevadas, una disposición de resorte en forma de labios de presión no es apropiada. También en este caso, se pueden producir, por envejecimiento, reducciones de la presión por deformación permanente del material sintético, lo cual hace necesaria una realización muy maciza y justifica la limitación que se ha explicado a zonas con presión superficial reducida.

El documento DE 196 30 173 A1 tiene en cuenta las posibles inestabilidades longitudinales de las dos publicaciones que se han indicado, de manera que se constituyen refuerzos en la pieza de presión de material sintético. El elemento de almacenamiento de presión está dispuesto, en este caso, en la zona media para alcanzar desde el centro una distribución regular de la presión.

El documento DE 196 51 632 A1 prevé como elemento constructivo generador de presión un tornillo con capacidad de estiramiento que, para diferentes temperaturas del dispositivo interruptor, produce una presión interna comprendida dentro de los límites tecnológicamente fijados. Este equilibrio dinámico de presión es ventajoso, en especial, para dispositivos interruptores de potencias muy elevadas, pudiéndose esperar una vida útil ilimitada con respecto a una presión constante de todas las piezas constructivas.

La solicitud de patente DE 198 34 800 C1, publicada en 28.10.1999, da a conocer un dispositivo interruptor por semiconductores con un elemento de cerámica aislante y semiconductor, de manera que los elementos de conexión (conexión de carga y auxiliar) están soldados sobre superficies de contacto de la cerámica aislante. Un elemento de presión para efectuar presión del dispositivo interruptor con semiconductores de potencia sobre un cuerpo de refrigeración, está realizado a base de un material combinado basado en un bimetal y un recubrimiento de material sintético. Los elementos de conexión están dispuestos, en este caso, entre un cuerpo envolvente en forma de armazón y el elemento de presión, que actúa como tapa.

La presente invención se propone el objetivo de dar a conocer un convertidor con un controlador y un dispositivo interruptor de fácil realización para elementos interruptores de semiconductores de potencia con un carácter muy compacto y elevada fiabilidad en una realización de contactos a presión con una placa de presión, que garanticen de manera fiable una larga vida útil.

Este objetivo se consigue mediante la presente invención por las características de la parte caracterizante de la reivindicación 1, describiéndose realizaciones auxiliares preferentes en las reivindicaciones dependientes.

Los límites de las densidades de potencia posibles de un dispositivo interruptor de potencia con semiconductores, para un dispositivo convertidor de corriente en una realización de contactos a presión, quedan determinados por una seguridad funcional duradera y regular de los elementos semiconductores de potencia en contacto o bien de las plaquitas modulares construidas con los mismos, con las conexiones de potencia externas. El contacto óhmico de todos los demás elementos de conexión secundarios y una satisfactoria transmisión de las pérdidas de calor generadas durante el funcionamiento hacia elementos de refrigeración son las condiciones principales para una calidad fiable y duradera en la realización de los contactos a presión.

Unos contactos a presión seguros requieren, en cualquier estado funcional, una aplicación de presión que se encuentra siempre dentro de límites predeterminados para evitar, por una parte, contactos eléctricos sobrecalentados y resistencias térmicas en la zona de contacto, o bien, por otra parte, deformaciones debidas a la presión. Además, se hace necesaria la utilización de elementos de almacenamiento de presión.

Por una parte, se requieren contactos eléctricos seguros en todos los puntos de contacto, debiéndose alcanzar además mediante los elementos de montaje una generación de presión regular, es decir, una distribución satisfactoria de la presión a todos los puntos de contacto a presión. Además, en la utilización de conexiones elásticas, se debe procurar en cada uno de los puntos de contacto un comportamiento dinámico de los puntos de contacto que reciben individualmente presión y de los elementos de contacto en caso de cargas térmicas y eléctricas distintas. Se debe evitar el envejecimiento de los elementos de contacto a presión, lo cual se consigue mediante la construcción prevista en la invención.

Además, se debe solucionar el compromiso entre el comportamiento plástico del cuerpo o elementos puente generadores de presión, realizados a causa de su facilidad de aislamiento eléctrico, a base a materiales sintéticos, en especial en el caso de cargas térmicas variables, y los materiales buenos conductores eléctricos con sus características elásticas. Además, por la utilización necesaria de diferentes materiales como elementos constructivos de los sistemas de presión, se producen dilataciones distintas.

La combinación de dos materiales según el estado de la técnica (metal y plástico) aporta una solución apropiada en la fabricación de dispositivos interruptores encapsulados. En este caso, dicha simple combinación y el procedimiento de recubrimiento por pulverización de los materiales metálicos se consideran, de igual manera, como estado de la técnica, puesto que esta tecnología se refleja de modo amplio en otros muchos productos.

La presente invención prevé el acero como componente metálico que es recubierto con un material plástico. La conformación del acero puede ser muy variable de acuerdo con los objetivos buscados. Una conformación sobre el cuerpo envolvente, o bien sobre el elemento de puente generador de la presión, de tipo plano o parcialmente plano, con aberturas para su cierre enrasado con un material plástico y para la fabricación de pasos aislados para elementos de conexión eléctrica, para un controlador dispuesto sobre la placa de presión, se pueden fabricar de manera económica por técnicas de troquelado y son muy ventajosos para su utilización en dispositivos interruptores de la clase de potencia.

El acero puede recibir para su utilización, de acuerdo con la invención, conformaciones espaciales, de manera que se aumenta la estabilidad superficial y pueden conseguir nudos y salientes para la conexión conjugada estable con el material plástico. Como materiales plásticos se han acreditado principalmente polímeros orgánicos, con una proporción relativamente elevada de materiales de carga, principalmente inorgánicos. En este caso, la elección del material plástico tiene lugar teniendo en cuenta además de los aspectos económicos la capacidad de aislamiento eléctrica y la resistencia mecánica contra acciones externas. El material plástico debe presentar solamente en sus características unas variaciones mínimas de la forma, en especial a causa de la presión.

Mediante la utilización del material combinado objeto de la invención, se asegura que los contactos a presión no sufran sensiblemente fatiga durante la totalidad del tiempo de funcionamiento del dispositivo, debido a cambios de cargas o a una utilización prolongada. En este caso, el acero debe estar realizado en su construcción interna, de manera que, en cambios de carga debidos a la temperatura que se generan por el ablandamiento del material plástico a temperaturas elevadas, se compensan las reducciones de esfuerzos de presión o de tracción.

Los esfuerzos de doblado condicionados a la temperatura se deben disponer dentro de estrechas tolerancias en todos los puntos de contacto a presión, con la necesaria aplicación de presión en todas las circunstancias del funcionamiento, de manera que cada uno de los puntos individuales de contacto establezca contacto de manera segura y que no se produzca la destrucción mecánica del conjunto por las cargas de presión incrementadas en puntos de contacto individuales. Para el equilibrado interno de presiones y para el amortiguamiento de los elementos de presión, se utiliza un elemento amortiguador, tal como es conocido en el estado de la técnica.

La presente invención se explicará en base a las figuras adjuntas.

La figura 1 muestra esquemáticamente una extensión de una placa de presión según la invención.

La figura 2 muestra una variante de utilización para el material de unión según una representación espacial.

La figura 3 muestra una sección del conjunto según la figura 2.

En la figura 1, se ha mostrado esquemáticamente una sección de una placa de presión (9) según la invención. Se aplica un material plástico (1) conocido en electrónica, que presenta las características requeridas en este sector, según un procedimiento de pulverización para el recubrimiento de un ánima metálica (2). En este caso, el material plástico (1) puede estar constituido por diferentes componentes orgánicos, con o sin material de carga. Como material plástico, es especialmente apropiado el polibutilén tereftalato (con nombre comercial Crastin), polifeniléter (con nombre comercial Noril), sulfuro de polifenilo (con nombre comercial Ryton) o poliamida (con el nombre comercial Ultramid). El material plástico (1) puede presentar, en la cara dirigida hacia los elementos internos, botones de presión para la transmisión de presión.

El material de carga del material plástico (1) depende de las características deseadas después del recubrimiento por pulverización del ánima metálica (2). Con una proporción de 0% hasta 50% del material de carga según el peso total, se consiguen características de la construcción del cuerpo envolvente o de los elementos de puente para dispositivos interruptores de semiconductores de potencia que son muy satisfactoriamente reproducibles. Es determinante para la definición de las mezclas las exigencias de resistencia a la deformación, resistencia al doblado, estabilidad frente a la presión y dureza.

El ánima metálica (2) es fabricada, según los casos individuales de utilización, con amplias variaciones. Todas las formas de realización consisten en conformaciones superficiales de una chapa plana de partida con nudos, elementos laminares, o conformaciones tridimensionales por troquelado que posibilitan un recubrimiento fiable y estable con el material plástico (1). La geometría del ánima metálica puede ser dividida en dos grupos principales. Por una parte, los que presentan una disposición completamente plana sobre todas las dimensiones y, por otra parte, los dotados de una disposición parcialmente espacial sobre la anchura del material plástico. No se pueden mostrar las múltiples realizaciones que se pueden conseguir.

El ánima metálica (1) puede estar realizada a base de diferentes materiales con diferentes coeficientes de dilatación térmica. Se puede utilizar de forma relativamente económica y con tecnología experimentada el acero. Tanto en lo que respecta a la dureza como también en el grosor del material, se pueden conseguir de manera reproducible las exigencias requeridas. La anchura ampliamente variable y reproducible facilita, para todos los ejemplos de utilización considerados, ánimas metálicas que pueden ser fabricadas con dimensiones exactas para las piezas de presión o para las construcciones de los cuerpos.

El material plástico (1) comprende, según la invención, varias realizaciones distintas. Mediante casquillos (3), son posibles disposiciones posteriores de tornillos con otras piezas del interruptor colocadas sobre los mismos. Mediante pasos (4) aislados con respecto al elemento metálico (2), se pueden hacer pasar clavijas de contacto aisladas a través de la placa de presión (9). Para incrementar los tramos aislados, se puede producir por embutición, en ambos lados, casquillos alargados (5) de material plástico. De manera similar, se pueden realizar en una o ambas caras unos nudos o salientes (6) de material plástico para conseguir en el montaje posterior disposiciones geométricas definidas con puntos de presión individuales. Como ampliación de esto, se pueden realizar ganchos de retención (7) para conseguir un posicionado fácil y geométricamente exacto.

La figura 2 muestra una variante de utilización del material combinado, según una vista en perspectiva. Se ha mostrado esquemáticamente el funcionamiento conjunto de los elementos constructivos individuales en una unidad funcional. Se ha mostrado un convertidor trifásico en su disposición externa, que comprende tres módulos ajustados entre sí. El convertidor propiamente dicho está protegido mediante el cuerpo envolvente (8) contra acciones externas de tipo mecánico y climático. Las conexiones de alimentación o bien conexiones de corriente de carga (11) están dispuestas lateralmente.

Mediante la ya explicada placa de presión (9), se efectúa la compresión de las conexiones principales de corriente (11) sobre los puntos de contacto del conjunto interno del convertidor. La presión superficial necesaria se puede conseguir para valores reducidos mediante los salientes, para presiones superficiales medias y elevadas se puede conseguir mediante uniones por tornillos. Todas las conexiones de contactos habituales, para el control del convertidor y para las mediciones del mismo, se realizan mediante los casquillos ya descritos (3, 4, 5) en los puntos de contacto ya constituidos del convertidor. Sobre la placa de presión (9) se puede colocar el controlador (10) del convertidor de manera directa. Los casquillos (3, 4, 5) y también los botones (6) son fabricados por troquelado para conseguir una colocación y contacto exactos del controlador (10).

La figura 3 muestra una sección del conjunto según la figura 2. Se ha mostrado el cuerpo (8) del convertidor con los correspondientes elementos de presión (12) y casquillos (13) para la realización de las conexiones auxiliares correspondientes, habiéndose dispuesto por encima, representados por su perfil y en líneas de trazos, la placa de presión (9) y el controlador (10).

Las estructuras de interruptores del convertidor en el cuerpo envolvente (8) están constituidas por elementos semiconductores de potencia, en especial de conmutadores tales como IGBT o MOSFET en conexión parcial en paralelo, que pueden mostrar en conexión antiparalela conjuntamente con semipuentes con diodos de funcionamiento libre, convertidores de entrada o convertidores de salida para convertidores de potencia. Los elementos constructivos de potencia son colocados por acoplamiento de material a material mediante soldadura o enrasados sobre los campos correspondientes de una placa de aislamiento (14) y colocados uno bajo de otro de acuerdo con la conexión.

Mediante la elección de cerámicas adecuadas como placa de aislamiento (14), es posible conseguir un transporte calorífico apropiado hacia dispositivos de refrigeración a posicionar por encima. El cuerpo envolvente facilita, dentro de su volumen, sitio suficiente para sensores (15), tales como los que se utilizan para la evaluación de los parámetros funcionales del convertidor de manera muy ventajosa. Para la fijación de las conexiones de carga y de su unión a conectores de potencia externos, se han realizado en el cuerpo envolvente (8) los correspondientes rebajes (16) para la fijación de las uniones roscadas correspondientes.

Entre la placa de presión (9) y el cuerpo (8), se ha colocado en los lugares con carga de presión dinámica un dispositivo (17) de almacenamiento de presión, por ejemplo, en forma de una goma de siliconas. El tope ya descrito (7) procura una disposición exacta de los elementos constructivos entre sí.

Claims (5)

1. Convertidor que comprende un controlador (10), como mínimo un cuerpo envolvente (8) con una placa de presión (9) fijada a dicho cuerpo o integral con el mismo, para la aplicación de una presión constante, así como un elemento de presión (12) que transmite dicha presión para establecer contacto térmicamente conductor sobre una placa de base eléctricamente aislante (14), comprendiendo configuraciones de circuitos semiconductores de potencia realizados sobre la misma, dispuestos sobre un cuerpo de refrigeración, y también conexiones de corriente (11) para la conexión eléctricamente conductiva con las superficies de contacto de la placa base (14), caracterizado porque la placa de presión (9) está realizada en un material combinado que consiste en una pieza metálica postiza (2) con un recubrimiento de material plástico (1), presentando dicha placa de presión (9) con respecto a la pieza metálica postiza (2) unos pasos aislados (4), y el controlador (10) está dispuesto directamente sobre la placa de presión (9).

2. Convertidor, según la reivindicación 1, caracterizado porque la pieza metálica postiza (2) llena superficies parciales de la extensión plana de la placa de presión (9) y comprende formaciones en el área superficial, tales como elevaciones, botones, escalones o perfiles y/o aberturas de diferente geometría.

3. Convertidor, según la reivindicación 1, caracterizado porque el material plástico (1) es un polímero orgánico sin material de carga o con material de carga inorgánico con un contenido que llega a 50% de la masa total.

4. Convertidor, según la reivindicación 3, caracterizado porque el material plástico (3) está constituido por polibutilén tereftalato, polifeniléter, sulfuro de polifenilo o poliamida.

5. Convertidor, según la reivindicación 2, caracterizado porque la pieza metálica postiza (2) está realizada en una aleación de acero.