ES2309627T3 - Dispositivo de contacto para modulos semiconductores de potencia y celdas discoidales semiconductoras. - Google Patents
Dispositivo de contacto para modulos semiconductores de potencia y celdas discoidales semiconductoras. Download PDFInfo
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Abstract
Dispositivo de contacto (400) para establecer el contacto con la terminal de control (610) de un componente semiconductor de potencia (600) en un módulo semiconductor de potencia (800) o en una celda discoidal, estando dispuesto sobre el componente semiconductor de potencia (600) un cuerpo moldeado (700) que en la zona de la terminal de control (610) presenta una cavidad pasante (710) y esta cavidad (710) presenta a su vez un estribo (720), constando el dispositivo de contacto (400) de un muelle de contacto (100) con una prolongación (110) en forma de clavija situada en el extremo del muelle que proporciona el contacto con la terminal de control (610), y con una conexión directa o a través de una pieza metálica moldeada (200) a un cable de conexión (500) para la conexión externa al otro extremo del muelle, constando también de un manguito aislante (300) con un muelle de contacto (100) situado en su interior, presentando dicho manguito aislante (300) al menos un pico de retención (360) que junto con el estribo (720) del cuerpo moldeado (700) conforma una unión por resorte y retención, estando el manguito aislante (300) compuesto de dos piezas y estando ambas piezas (302, 304) dispuestas entre sí por medio de una unión de resorte y retención y presentando la segunda pieza (310) del manguito aislante (300) orientada hacia la terminal de control (610) una forma tal que el muelle de contacto (100) queda protegido contra caídas en la dirección de la terminal de control (610).
Description
Dispositivo de contacto para módulos
semiconductores de potencia y celdas discoidales
semiconductoras.
Se describe un dispositivo de contacto para la
terminal de control de componentes semiconductores de potencia en
celdas discoidales y módulos semiconductores de potencia. Dichos
dispositivos de contacto forman parte de celdas discoidales como,
por ejemplo, las que se dan a conocer en Heumann, "Grundlagen der
Leistungselektronik", Teubner Verlag, 6.ª edición , ISBN
3-519-06110-4,
página 27 (edición en español: "Fundamentos de la electrónica de
potencia") y preferentemente de módulos semiconductores de
potencia de contacto por presión, como los que se describen en la
patente DE-19.651.632.
Los módulos semiconductores de potencia de
contacto por presión como los que, por ejemplo, se mencionan en
DE-19.651.632-A1 están indicados
para situaciones muy exigentes en cuanto a capacidad de transporte
de la corriente y a fiabilidad. Por lo tanto, tanto la terminal de
control como las conexiones de potencia desempeñan un papel
fundamental. Las uniones de contacto por presión de las conexiones
de potencia se conocen suficientemente como técnica de unión gracias
a la fabricación de módulos semiconductores, y han demostrado en
múltiples ocasiones su efectividad. Sin embargo, en el caso de la
unión de contacto para las terminales de control existen diferentes
variantes con costes de producción más o menos elevados, lo cual no
se traduce necesariamente en una fiabilidad considerablemente
mayor.
Un método conocido para unir la terminal de
control del componente semiconductor de potencia consiste en una
soldadura con material fundente. Asimismo, también se conocen
distintos tipos de contactos por presión a muelle, que tienen en
común el hecho de que su fabricación es compleja y, a menudo, sólo
realizable a mano y/o de fiabilidad insuficiente. Por ejemplo, en el
documento US-4.263.607 se da a conocer un
dispositivo de contacto por presión a muelle en el que un alambre de
conexión está provisto de una pieza metálica moldeada en forma de
semiesfera que sirve para hacer contacto con la terminal de control.
En este caso, la presión sobre la pieza metálica moldeada se ejerce
mediante un muelle que está colocado de forma concéntrica alrededor
de una parte del alambre de conexión y que se apoya contra la pieza
metálica moldeada de forma semiesférica y un estribo,
estableciéndose así el contacto eléctrico.
El presente invento tiene por objeto
proporcionar un dispositivo de contacto para la terminal de conexión
de componentes semiconductores de potencia en celdas discoidales y
módulos semiconductores de potencia, el cual pueda aplicarse
universalmente, garantice un contacto eléctrico seguro y duradero y
permita un fácil montaje.
Este objetivo se resuelve según el presente
invento mediante un dispositivo de contacto con las características
enumeradas en la reivindicación 1. En las reivindicaciones
subordinadas se describen formas de realización preferentes.
La idea básica del invento parte de un módulo
semiconductor de potencia, preferentemente en contacto por presión
con uno o varios componentes semiconductores de potencia o una celda
discoidal. En una celda discoidal se sitúa normalmente un único
componente semiconductor, aunque también existen formas especiales
con varios componentes semiconductores de potencia en una
carcasa.
El invento hace referencia a módulos
semiconductores de potencia o a celdas discoidales con al menos un
componente semiconductor de potencia controlado, como un tiristor o
un transistor. Éstos presentan una terminal de control que recibe
señales de control desde fuera del módulo semiconductor de potencia
o de la celda discoidal.
A menudo, los componentes semiconductores
situados en módulos semiconductores de potencia y en celdas
discoidales están unidos por los dos extremos con sendos cuerpos
metálicos planos cuyo coeficiente de dilatación térmica se encuentra
entre el coeficiente de dilatación térmica del componente
semiconductor y el coeficiente de dilatación térmica de un
dispositivo de contacto contiguo de las conexiones de potencia para
reducir la tensión térmica del componente semiconductor. La unión
del componente semiconductor con los cuerpos metálicos planos, que
preferentemente está hecha de molibdeno, puede realizarse siguiendo
distintos procedimientos, por ejemplo, mediante soldadura con
fundente, adhesión o contacto por presión de ambos miembros. El
cuerpo metálico plano normalmente presenta un grosor del orden de
unas décimas de milímetro hasta algunos milímetros.
El dispositivo de contacto según el presente
invento para poner en contacto la terminal de control de al menos un
componente semiconductor de potencia se aplica a la superficie plana
de un cuerpo moldeado que aloja la conexión principal (de potencia)
y la terminal de control, por ejemplo, el cuerpo metálico plano
mencionado anteriormente. Este cuerpo moldeado presenta en la zona
situada por encima de la terminal de control una extensión y esta
extensión, a su vez, presenta un estribo.
El dispositivo de contacto en sí mismo consta de
un muelle de contacto con una prolongación en forma de clavija
situada en el extremo del muelle que hace contacto con la terminal
de control. Además, en el otro extremo del muelle presenta una unión
directa, o establecida por medio de una pieza metálica moldeada, con
un cable de conexión que realiza una unión externa. El muelle de
contacto y la pieza metálica moldeada opcional están dispuestos en
un manguito de material aislante, el cual presenta al menos un pico
de retención que, junto con el estribo del cuerpo moldeado, forma
una unión de resorte y sujeción.
A continuación se detallará la idea del invento
con la ayuda de los ejemplos de realización de las figuras 1 a
5.
La figura 1 muestra una configuración de celda
discoidal según el estado de la técnica;
La figura 2 muestra una sección de una
configuración de un módulo semiconductor de potencia de contacto por
presión según el estado de la técnica;
La figura 3 muestra un dispositivo de contacto
según el presente invento en un módulo semiconductor de
potencia;
La figura 4 muestra una representación detallada
tridimensional de un dispositivo de contacto según el presente
invento;
La figura 5 muestra una representación detallada
tridimensional de un módulo semiconductor de potencia provisto de un
dispositivo de contacto según el presente invento.
La figura 1 muestra una sección parcial de una
celda discoidal (950) según el estado de la técnica. Ésta presenta
un cuerpo de material aislante (954), fabricado preferentemente de
cerámica. Este cuerpo de material aislante (954) conforma la carcasa
de la celda discoidal (950), su cubierta superior e inferior (956,
952) están configuradas como cuerpo metálico moldeado. En el
interior de la celda discoidal (950) se aloja un componente
semiconductor de potencia (600).
En esta configuración de la celda discoidal
(950), el cuerpo metálico moldeado (956) presenta una extensión
(958). En esta extensión (958) se dispone el dispositivo de contacto
de puerta. Éste tiene forma de elemento de alambre elástico (962)
con una cubierta aislante. El aislamiento cubre exclusivamente la
pieza del elemento de alambre (962) que puede entrar en contacto con
el cuerpo metálico moldeado (956). El primer extremo del elemento de
alambre (962) está situado en una cavidad del cuerpo de material
aislante (956) provista de un manguito metálico (964) y, por tanto,
está unido eléctricamente a éste. El segundo extremo (960) del
elemento de alambre (962) está situado sobre la conexión de puerta
del componente semiconductor de potencia (600). Gracias a la
disposición en el manguito metálico (964) y a la forma del elemento
de alambre (962) se obtiene un mecanismo de muelle con entrada de la
fuerza por el segundo extremo (960) del elemento de alambre (962)
en la dirección del componente semiconductor de potencia (600).
El inconveniente de esta configuración de la
celda discoidal (950) es que el cuerpo metálico moldeado (956) debe
presentar una cavidad (958) de recorrido radial hacia fuera para
alojar el elemento de alambre (962). Este tipo de configuración no
presenta una fabricación eficiente desde el punto de vista de los
costes, y ni siquiera es posible automatizar el montaje del
dispositivo de contacto.
La figura 2 muestra una sección de una
configuración de un módulo semiconductor de potencia de contacto por
presión (900) según el estado de la técnica. Se representa una placa
base metálica (902), una carcasa de plástico (908) y una cubierta de
plástico (910). Sobre la placa base (902) se dispone, tras una capa
aislante, un primer cuerpo metálico moldeado (904), sobre éste se
dispone un componente semiconductor de potencia (600) y encima un
segundo cuerpo metálico moldeado (908). Este segundo cuerpo metálico
moldeado (908) recibe presión mediante un dispositivo de contacto
por presión (906), de tal manera que presiona el componente
semiconductor (600) contra el primer cuerpo moldeado (904) y éste
último contra la placa base (902). De este modo, se garantiza un
contacto eléctrico seguro del componente semiconductor (600) con los
dos cuerpos moldeados (904, 908) y, adicionalmente, el contacto
térmico con la placa base (902). Los dos cuerpos metálicos moldeados
(904, 908) sirven para establecer el contacto con las conexiones
principales (conexiones de potencia).
La terminal de control (610) del componente
semiconductor de potencia (600) se conecta mediante un dispositivo
de contacto. Este dispositivo de contacto está compuesto de un
elemento de alambre metálico (914) que está fijado en un dispositivo
de sujeción (912) de la carcasa. Desde este dispositivo de sujeción
(912) parte una unión de alambre aislada eléctricamente (916) hacia
una conexión externa. El segundo cuerpo metálico moldeado (908)
presenta un rebajo (920) en cuyo recorrido se dispone el elemento de
alambre (914) y en ese lugar se establece el contacto con la
terminal de control (610). El elemento de alambre (914), así como su
dispositivo de sujeción (912), están configurados de tal manera que
el elemento de alambre (914) crea una fuerza elástica dirigida
hacia el componente semiconductor de potencia (600). De este modo,
la terminal de control del módulo semiconductor de potencia (900)
también se ejecuta mediante la técnica de contacto por presión.
El inconveniente de esta configuración del
dispositivo de contacto es que debido a la cavidad (920) del segundo
cuerpo moldeado (908) la entrada de presión sobre el componente
semiconductor de potencia (600) no se produce con simetría radial.
Asimismo, resulta desventajoso que los dispositivos de contacto
deban tener distintas formas en función de las distintas clases de
módulo semiconductor de potencia (900) y los distintos diámetros
correspondientes del componente semiconductor de potencia (600). Por
otro lado, el coste de montaje del dispositivo de contacto no
permite una fabricación económica.
Otro inconveniente de las configuraciones de los
dispositivos de contacto para celdas discoidales según la figura 1 y
para módulos semiconductores de potencia según la figura 2 es que el
brazo del muelle, es decir, la extensión lateral entre la montura
(964, 912) y el punto de contacto, es decir, la terminal de control
(610) del componente semiconductor de potencia (600), es muy grande.
En esta configuración del elemento de alambre elástico (962, 914) la
seguridad del contacto se ve perjudicada, ya que la homogeneidad de
la fuerza elástica sólo puede conseguirse con un gasto considerable
mediante la producción de diversas celdas discoidales o módulos
semiconductores de potencia.
La figura 3 muestra un dispositivo de contacto
según el presente invento en un módulo semiconductor de potencia. Se
representa un componente semiconductor de potencia (600) con una
terminal de control (610) dispuesta centralmente sobre la primera
superficie principal de aquél, así como una conexión de potencia
primera y segunda (620) dispuestas sobre las dos superficies
principales opuestas del componente semiconductor de potencia (600).
Sobre la primera superficie principal del componente semiconductor
de potencia (600) se coloca un cuerpo metálico moldeado (700),
formado por la superposición en forma de sándwich de dos subcuerpos
moldeados. Este cuerpo moldeado (700) presenta una cavidad central
redonda (710) que está provista de un reborde (720).
El dispositivo de contacto en sí mismo está
compuesto de un manguito de material aislante (300), fabricado con
un material termoplástico o, preferentemente, duroplástico, un
elemento de muelle (100) y una pieza metálica moldeada en forma de
clavija (200). El manguito de plástico (300) sirve para aislar
eléctricamente la señal de control procedente de la conexión de
potencia, que se crea mediante el cuerpo metálico moldeado (700). El
manguito de plástico (300) presenta dos picos de retención (360).
Los picos de retención (360) forman una unión de resorte y sujeción
con el reborde (720) del cuerpo metálico moldeado (700), el cual
sirve de estribo. De este modo, el montaje del dispositivo de
contacto en el cuerpo metálico moldeado (700) resulta sencillo.
En el interior del manguito de plástico (300) se
sitúa el muelle de contacto (100), que tiene forma de muelle de
barrilete. En el lado orientado hacia el componente semiconductor de
potencia (600) éste presenta una prolongación con forma de clavija
dispuesta centralmente con respecto al eje del muelle provista de un
extremo con una configuración variada. Puede adquirir, por ejemplo,
forma roma, abombada o de arco, tal como aparece en la figura. La
prolongación (110) atraviesa el manguito de plástico (300) y está
configurada de tal modo que el elemento de muelle (100) está
protegido contra caídas en la dirección de la terminal de control
(610). La prolongación (110) sirve para establecer el contacto con
la terminal de control (610) del componente semiconductor de
potencia (600). La sección elástica del muelle de contacto (100)
sirve para proporcionar una presión constante durante toda la vida
útil de la celda discoidal o del módulo semiconductor de potencia y,
por tanto, para establecer un contacto seguro con la terminal de
control (610).
La pieza metálica moldeada (200), que también se
encuentra en el interior del manguito de plástico (300), sirve para
unir eléctricamente el muelle de contacto (100) con la terminal de
control externa de la celda discoidal o el componente semiconductor
de potencia. Para ello, la pieza metálica moldeada (200) presenta
una primera espiga (210) que sirve para introducir la pieza metálica
moldeada (200) y para llegar a la zona interna del muelle de
contacto (100). Además, existen otras dos espigas (230) en ángulo
recto con respecto a la primera espiga (210) que conforman un tope
para el muelle de contacto (100) y, por lo tanto, sirven para
generar presión.
Para realizar la unión con el cable de conexión
(500), que presenta un manguito de enchufe (510), la pieza metálica
moldeada (200) está dotada de una segunda espiga (220) con forma de
enchufe. De esta forma se realiza la unión con una conexión
externa.
De manera alternativa y más económica, se prevé
una realización del dispositivo de contacto que presenta una
configuración del manguito de plástico (300) tal que éste mismo
presenta un estribo para el elemento de muelle y que el extremo del
muelle más alejado del componente semiconductor de potencia está
unido directamente al cable de conexión (500) mediante unión de
soldadura directa o soldadura con fundente.
La figura 4 muestra una representación detallada
tridimensional de un dispositivo de contacto (400) según el presente
invento. Se representa el manguito de plástico (300), el muelle de
contacto (100) y la pieza metálica moldeada (200). El manguito de
plástico (300) en este caso está formado por dos piezas. Un primer
submanguito (302) constituye la parte del manguito de plástico (300)
que está orientada hacia el componente semiconductor de potencia
(600). Está realizada de tal modo que el muelle de contacto (100)
provisto de un extremo romo está protegido contra caídas en
dirección a la terminal de control (610) y a este efecto presenta
una cavidad (310) que es unos 0,2 mm mayor que el diámetro de la
prolongación (110) con forma de clavija del muelle de contacto.
Además, el primer submanguito (302) presenta un reborde de sujeción
(320), así como dos cavidades (330) en el borde superior cuyas
funciones se describen más abajo.
También se representa un segundo submanguito
(304) con cuatro picos de retención (360), estando dichos picos
orientados hacia fuera, para unir por resorte y sujeción la pieza
metálica moldeada (véase la figura 3, 700) por el estribo
correspondiente (compárese con la figura 2, 710). El segundo
submanguito (304) presenta asimismo otros cuatro picos de retención
(350) dispuestos con los picos hacia dentro y que se apoyan en el
reborde de retención (320) del primer submanguito (302). Mediante
esta unión de resorte y sujeción, se fijan los dos submanguitos
(302, 304) entre sí.
En el caso de la fijación de los dos
submanguitos (302, 304) mencionados para crear un único manguito de
plástico (300) se fijan también el muelle de contacto (100) y la
pieza metálica moldeada (200) descrita anteriormente en el interior
del manguito de plástico (300). Ésta es la finalidad de las dos
cavidades (330) del borde superior del primer submanguito (302). En
este primer submanguito (302) está dispuesto el muelle de contacto
(100), atravesando la prolongación (110) con forma de clavija a
través de la cavidad (310) inferior y, por tanto, fijando el muelle
de contacto (100) hacia abajo. En el extremo superior del muelle, la
pieza metálica moldeada (200) sobresale con la primera espiga (210)
hacia el interior del muelle de contacto (100). Las otras dos
espigas (230) situadas en ángulo recto con respecto a la primera
espiga (210) están dispuestas en las cavidades (330) del primer
submanguito (302) y fijadas ahí por la unión de los dos submanguitos
(302, 304). De este modo, se obtiene una unidad de montaje formada
por el muelle de contacto (100), la pieza metálica moldeada (200) y
las dos piezas (302, 304) del manguito de plástico (300).
La figura 5 muestra una representación detallada
tridimensional de un módulo semiconductor de potencia (800) provisto
de un dispositivo de contacto (400) según el presente invento. Se
representa un módulo semiconductor de potencia (800) con dos
tiristores (600) montados con técnica de contacto por presión. Sobre
una placa base (802) se disponen convenientemente: material de
aislamiento para aislar eléctricamente las piezas transmisoras de la
corriente del módulo semiconductor de potencia (800) de la placa
base (802); los dos tiristores (600) con los elementos de unión
eléctrica (812) adecuados; dos cuerpos moldeados (700) para alojar
el dispositivo de contacto y para aplicar la presión desde un
dispositivo de contacto por presión (808) similar al descrito en la
figura 2 y una carcasa (804) con una cubierta (810).
El dispositivo de contacto (400) según el
presente invento es aquí una unidad de montaje dentro del conjunto
del módulo semiconductor de potencia (800). Para ello, los
dispositivos de contacto correspondientes (400) se aplican en los
cuerpos moldeados (700) correspondientes y se engranan en los
rebordes de sujeción (720). Estos cuerpos moldeados (700) están
hechos de material duroplástico, ya que sólo sirven para conducir la
presión a través del dispositivo de contacto por presión (808) y no
funcionan como conexión eléctrica; en este caso, las conexiones de
carga (812) se han realizado como grilletes metálicos de conexión.
La unión eléctrica del dispositivo de contacto (400) con el exterior
de nuevo se realiza mediante un cable (500) con un manguito de
enchufe (510) conectado. Para ello, el manguito de enchufe (510)
está dispuesto sobre la segunda espiga (220, compárese con la figura
3) con forma de enchufe del dispositivo de contacto (400).
Claims (6)
1. Dispositivo de contacto (400) para establecer
el contacto con la terminal de control (610) de un componente
semiconductor de potencia (600) en un módulo semiconductor de
potencia (800) o en una celda discoidal, estando dispuesto sobre el
componente semiconductor de potencia (600) un cuerpo moldeado (700)
que en la zona de la terminal de control (610) presenta una cavidad
pasante (710) y esta cavidad (710) presenta a su vez un estribo
(720), constando el dispositivo de contacto (400) de un muelle de
contacto (100) con una prolongación (110) en forma de clavija
situada en el extremo del muelle que proporciona el contacto con la
terminal de control (610), y con una conexión directa o a través de
una pieza metálica moldeada (200) a un cable de conexión (500) para
la conexión externa al otro extremo del muelle, constando también de
un manguito aislante (300) con un muelle de contacto (100) situado
en su interior, presentando dicho manguito aislante (300) al menos
un pico de retención (360) que junto con el estribo (720) del
cuerpo moldeado (700) conforma una unión por resorte y retención,
estando el manguito aislante (300) compuesto de dos piezas y estando
ambas piezas (302, 304) dispuestas entre sí por medio de una unión
de resorte y retención y presentando la segunda pieza (310) del
manguito aislante (300) orientada hacia la terminal de control (610)
una forma tal que el muelle de contacto (100) queda protegido contra
caídas en la dirección de la terminal de control (610).
2. Dispositivo de contacto según la
reivindicación 1 caracterizado por el hecho de que el muelle
de contacto (100) tiene forma de barrilete.
3. Dispositivo de contacto según la
reivindicación 1 caracterizado por el hecho de que la pieza
metálica moldeada (200) presenta una primera espiga (210) que
penetra en la zona interior del muelle de contacto (100) y presenta
una segunda espiga (220) que tiene forma de enchufe y que está
conectada al cable de conexión (500), que presenta un manguito de
enchufe (510), mediante una unión de enchufe formada a partir de
dicha configuración.
4. Dispositivo de contacto según la
reivindicación 1 caracterizado por el hecho de que la pieza
metálica moldeada (200) presenta otras espigas (230) dispuestas en
ángulo recto con respecto a la primera (210) y segunda (220) espiga,
y la pieza metálica moldeada (200) queda sujeta mediante esta otra
espiga (230) a las dos piezas (301, 302) del manguito aislante
(300).
5. Dispositivo de contacto según la
reivindicación 1 caracterizado por el hecho de que el muelle
de contacto (100) está unido al cable de conexión (500) mediante
unión por soldadura directa o soldadura con fundente.
6. Dispositivo de contacto según la
reivindicación 1 caracterizado por el hecho de que el cuerpo
moldeado (700) consta de una o varias piezas, está fabricado de un
material metálico y establece el contacto eléctrico de una conexión
de potencia (620) del componente semiconductor de potencia
(600).
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