ES2314951T3 - Modulo semiconductor de potencia con mecanismo de contacto. - Google Patents
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Abstract
Módulo semiconductor de potencia (1) con por lo menos un material de base (5), dispuesto sobre éste por lo menos un componente semiconductor de potencia (60), una caja (3) y un elemento de conexión de carga que conduce hacia afuera (4), de modo que el material de base (5) presenta un cuerpo de material aislante (52) y sobre su primera superficie principal dirigida hacia el interior del módulo semiconductor de potencia hay dispuestos circuitos impresos (54) con potencial de carga, de forma que los elementos de conexión de carga (4) están formados como un primer cuerpo moldeado de metal con por lo menos un mecanismo de contacto (40) con la superficie de contacto (42) para la unión eléctrica externa con un dispositivo de conexión (82) de una entrada de corriente (8), y de forma que entre el dispositivo de conexión (82) del conductor externo (8) y los mecanismos de contacto (40) del elemento de conexión de carga (4) está dispuesto un segundo cuerpo moldeado de metal (70), de modo que el giro del segundo cuerpo moldeado de metal (70) sobre su eje vertical no es posible, o muy reducido, de 10 grados como máximo, y donde la unión entre el dispositivo de conexión (82) del conductor externo (8) y el mecanismo de contacto (40) del elemento de conexión de carga (4) está formada mediante un tornillo (90) y el alojamiento de la rosca correspondiente (34) se encuentra en una escotadura (32) de la caja y está distanciada de la cara inferior (44) del mecanismo de contacto (40).
Description
Módulo semiconductor de potencia con mecanismo
de contacto.
El invento describe un módulo semiconductor de
potencia, preferiblemente en una ejecución de contacto de presión,
con componentes semiconductores de potencia con o sin control. Un
primer punto de partida del invento lo conforman los módulos
semiconductores de potencia de contacto de presión, tal como se
divulgan, por ejemplo, en la patente
DE-4.237.632-A1.
Los módulos semiconductores de potencia de este
tipo conforme al estado de la técnica constan de una caja que
contiene por lo menos un material de base electroaislante,
preferiblemente para el montaje directo sobre un elemento
refrigerante. Por su parte, el material de base se compone de un
cuerpo de material aislante, sobre el cual hay dispuestas varias
pistas de unión metálicas aisladas entre sí, y sobre éstas se
encuentran dispuestos componentes semiconductores de potencia
unidos a dichas pistas mediante cableado. Además, los módulos
semiconductores de potencia conocidos presentan elementos de
conexión para conexiones de carga y conexiones auxiliares externas,
así como elementos de unión dispuestos en el interior. Dichos
elementos de unión para uniones por cableado en el interior del
módulo semiconductor de potencia se componen mayoritariamente de
uniones por hilo.
También son conocidos los módulos
semiconductores de potencia conforme a la patente
DE-10/2004-025.609-A1.
En ésta se divulga un módulo semiconductor de potencia en topología
de montaje en puente trifásico, con cinco elementos de conexión de
carga, de los cuales, dos son elementos de conexión de corriente
continua para su entrada en un circuito intermedio y tres son
elementos de conexión de corriente alterna para las tres fases de
salida.
La patente US-3.683.318 divulga
un elemento electrónico con un mecanismo de contacto provisto de un
elemento de conexión de carga, un elemento de contacto externo y un
conector de empalme, el cual está conformado como cuerpo moldeado
de metal de forma laminar, con un brazo curvado dispuesto
lateralmente a la superficie de la base del cuerpo moldeado de
metal y provisto de por lo menos un resorte. Además, la superficie
de contacto de dicho brazo posee una estructura especialmente
diseñada y se encuentra fijado mediante su estructura especial a la
caja del elemento para evitar que se tuerza y garantiza un ajuste y
una fijación seguros de los elementos de contacto externos con el
elemento de conexión de carga.
Los módulos semiconductores de potencia modernos
de este tipo, pese a ser de un tamaño y un peso reducidos y a la
estabilidad mecánica que esto conlleva, presentan una elevada
capacidad de carga eléctrica. Resulta desventajoso que el mecanismo
de contacto de los elementos de conexión de carga de este tipo de
módulos semiconductores de potencia se cargue mucho automáticamente
debido a los dispositivos de conexión adaptados a la corriente
conducida de los conductores externos. Dichas cargas se generan
principalmente al establecer una unión mecánica entre el
dispositivo de conexión del conductor externo con los mecanismos de
contacto de los elementos de conexión de carga. De este modo,
mediante el momento de torsión aplicado se generan cargas que se
anteponen a las uniones de los elementos de conexión de carga con
los circuitos impresos del material de base y podrían dañarlos.
También los momentos de flexión
que aparecen en el servicio, por ejemplo, mediante un cambio de temperatura, pueden cargar mucho dichas uniones.
que aparecen en el servicio, por ejemplo, mediante un cambio de temperatura, pueden cargar mucho dichas uniones.
El invento tiene como objetivo presentar un
módulo semiconductor de potencia tal que los momentos de flexión y
los momentos de torsión sobre los mecanismos de contacto de los
elementos de conexión de carga se reduzcan.
La idea del invento parte de un módulo
semiconductor de potencia, por ejemplo, en ejecución de contacto de
presión, para su disposición sobre un elemento refrigerante con por
lo menos un material de base, por lo menos un componente
semiconductor de potencia, por ejemplo, un transistor bipolar, una
caja y elementos de conexión de carga y de control dirigidos hacia
fuera. El propio material de base presenta un cuerpo de material
aislante y, sobre el primero, en la superficie principal dirigida
hacia el interior del módulo semiconductor de potencia, circuitos
impresos con potencial de carga.
El módulo semiconductor de potencia conforme al
invento presenta también elementos de conexión de carga, cada uno
de ellos conformado como cuerpo moldeado de metal, preferiblemente
en forma de cinta. Estos establecen la unión electroconductiva y
por cableado de un conductor externo a por lo menos un circuito
impreso del material de base, o también directamente a por lo menos
un componente semiconductor de potencia.
Asimismo, cada elemento de conexión de carga
presenta por lo menos un mecanismo de contacto para la conexión
eléctrica externa con un dispositivo de conexión del conductor de la
entrada o la salida de corriente. Así pues, de conformidad con el
invento, se coloca de forma laminar un cuerpo moldeado de metal
entre un dispositivo de conexión del conductor externo y los
mecanismos de contacto del elemento de conexión de carga. El cuerpo
moldeado de metal está colocado de tal modo que no puede girar sobre
su eje vertical, o bien muy poco, 10 grados como máximo.
Los módulos semiconductores de potencia
dispuestos de este modo, debido al cuerpo moldeado de metal
adicional situado entre el mecanismo de contacto de un elemento de
conexión de carga y el dispositivo de conexión del conductor
externo, presentan cargas más reducidas de las uniones internas del
módulo de los elementos de conexión de carga. El cuerpo moldeado de
metal absorbe una parte considerable del momento de torsión durante
la fijación del conductor externo. Durante el servicio, los
momentos de flexión se derivan mediante este cuerpo moldeado de
metal adicional sobre la caja, reduciéndose así también las cargas
de las conexiones dentro del módulo.
La solución del invento se detalla a
continuación mediante los ejemplos de ejecución de las figuras 1 y
2.
La figura 1 muestra una sección parcial de un
módulo semiconductor de potencia conforme al invento;
La figura 2 muestra una imagen tridimensional de
un módulo semiconductor de potencia conforme al invento.
La figura 1 muestra una sección de un módulo
semiconductor de potencia 1 conforme al invento. Dicho módulo posee
una caja 3, que contiene por lo menos un material de base 5. Este a
su vez posee un cuerpo de material aislante 52, preferiblemente
cerámica aislante, por ejemplo, óxido de aluminio o nitrito de
aluminio.
Sobre la primera superficie principal dirigida
hacia el interior del módulo semiconductor de potencia 1, el
material de base 5 presenta un recubrimiento metálico estructurado.
La secciones individuales de este recubrimiento metálico,
preferiblemente formado por un recubrimiento de cobre, forman a su
vez los circuitos impresos 54 del módulo semiconductor de potencia.
La segunda superficie principal del material de base 5 presenta
conforme al estado de la técnica un recubrimiento de cobre no
estructurado 56.
Sobre los circuitos impresos 54 del material de
base 5 se encuentran dispuestos componentes semiconductores de
potencia con o sin control 60, como por ejemplo, los IGBT (Insulated
Gate Bipolar Transistor), provistos de diodos de rodada libre
conectados en antiparalelo, o bien transistores de efecto de campo
de SOM. Éstos se encuentran conectados por cableado con otros
circuitos impresos 54, por ejemplo, mediante uniones por hilo
62.
El elemento de conexión de carga representado 40
sirve para la unión externa de la conexión electrónica de
alimentación en el interior del módulo semiconductor de potencia 1.
Para ello, el elemento de conexión de carga 40 es un cuerpo
moldeado de metal en forma de cinta. Aquí el elemento de conexión de
carga 40 está unido por soldadura a tope al circuito impreso
correspondiente 54 del material de base 5. A continuación, el
elemento de conexión de carga lo introduce en la caja sin entrar en
contacto directo con las piezas de las paredes de la caja. El
mecanismo de contacto 40 del elemento de conexión de carga 4 está
situado por lo menos parcialmente sobre uno de los sectores
asignados de la caja. Preferiblemente, los elementos de conexión
auxiliar existentes no se representan en este dibujo seccional a
efectos de simplificación.
Las conexiones externas del módulo semiconductor
de potencia se realizan mediante por lo menos un conductor externo
8 por cada elemento de conexión de carga 40, de modo que el
conductor 8 tiene asignado por lo menos un dispositivo de conexión
82. El conductor 8 presenta asimismo, por ejemplo, un hilo terminal
80 o una barra colectora mediante un cuerpo moldeado de metal de
forma laminar. De conformidad con el invento, entre el dispositivo
de conexión 82 del conductor externo 8 y los mecanismos de contacto
40 del elemento de conexión de carga 4 se coloca un cuerpo moldeado
de metal adicional 70. Este cuerpo moldeado de metal 70 sobresale
por encima de la superficie de contacto 42 de los mecanismos de
contacto 40 del elemento de conexión de carga 4 por lo menos en una
dirección lateral, preferiblemente hacia el interior del módulo.
Esta pieza 72 que sobresale por encima de la superficie de contacto
del cuerpo moldeado de metal 70 puede apoyarse sobre una parte de
la caja 3.
Se prefiere especialmente que el cuerpo moldeado
de metal 70 presente un grosor mayor al de los mecanismos de
contacto 40 del elemento de conexión de carga 4. Para la disposición
del cuerpo moldeado de metal 70 sobre la caja, resulta también
ventajoso que el cuerpo moldeado de metal 70 se encuentre
parcialmente empotrado en una armadura de plástico 76. En este
acondicionamiento, el cuerpo moldeado de metal 70 se apoya a través
de la armadura de plástico 76 sobre varias piezas 30 de la caja
3.
Para la unión del dispositivo de conexión 82 del
conductor externo 8 y el mecanismo de contacto 40 del elemento de
conexión de carga 4, se ha previsto un tornillo 90, y el alojamiento
de la rosca 34 correspondiente a éste se encuentra dispuesto en una
escotadura 32 de la caja 3. Para conseguir mantener una aplicación
de fuerzas sobre la conexión de carga lo más reducida posible, este
alojamiento de la rosca se encuentra distanciado de la parte
inferior 44 del sistema de contacto 40. Para la colocación de dicho
tornillo 90, tanto el cuerpo moldeado de metal 70 como el mecanismo
de contacto 40 presenta escotaduras alineadas 46 y 74 con la
escotadura 32 de la caja 3.
La figura 2 muestra una imagen tridimensional de
un módulo semiconductor de potencia 1 conforme al invento en
contacto de presión. Se muestra la caja 3 con un equipo a presión
100 atornillado 102 y las escotaduras 104 incluidas en éste para la
ejecución de los elementos de conexión auxiliar en forma de resortes
helicoidales.
El módulo semiconductor de potencia 1 presenta
en una primera cara un elemento de conexión de corriente alterna, y
en la cara opuesta, dos elementos de conexión de corriente continua
de polaridad distinta. Por encima del mecanismo de contacto 40 de
estos elementos de conexión de carga hay dispuesto un cuerpo
moldeado de metal 70 conforme al invento empotrado en una armadura
de plástico 76, de modo que los cuerpos moldeados de metal 70
correspondientes a los elementos de conexión de corriente continua
se encuentran empotrados en la misma armadura de plástico 76. Estas
armaduras de plástico 76 están atornilladas a la caja 3 del módulo
semiconductor de potencia 1, impidiendo así el giro sobre el eje
vertical (eje del tornillo, véase la figura 1), incluso al
atornillar un conductor externo.
Claims (5)
1. Módulo semiconductor de potencia (1) con por
lo menos un material de base (5), dispuesto sobre éste por lo menos
un componente semiconductor de potencia (60), una caja (3) y un
elemento de conexión de carga que conduce hacia afuera (4), de modo
que el material de base (5) presenta un cuerpo de material aislante
(52) y sobre su primera superficie principal dirigida hacia el
interior del módulo semiconductor de potencia hay dispuestos
circuitos impresos (54) con potencial de carga, de forma que los
elementos de conexión de carga (4) están formados como un primer
cuerpo moldeado de metal con por lo menos un mecanismo de contacto
(40) con la superficie de contacto (42) para la unión eléctrica
externa con un dispositivo de conexión (82) de una entrada de
corriente (8), y de forma que entre el dispositivo de conexión (82)
del conductor externo (8) y los mecanismos de contacto (40) del
elemento de conexión de carga (4) está dispuesto un segundo cuerpo
moldeado de metal (70), de modo que el giro del segundo cuerpo
moldeado de metal (70) sobre su eje vertical no es posible, o muy
reducido, de 10 grados como máximo, y donde la unión entre el
dispositivo de conexión (82) del conductor externo (8) y el
mecanismo de contacto (40) del elemento de conexión de carga (4)
está formada mediante un tornillo (90) y el alojamiento de la rosca
correspondiente (34) se encuentra en una escotadura (32) de la caja
y está distanciada de la cara inferior (44) del mecanismo de
contacto (40).
2. Módulo semiconductor de potencia (1) conforme
a la reivindicación 1, donde el cuerpo moldeado de metal (70)
sobresale por encima de la superficie de contacto (42) de los
mecanismos de contacto (40) del elemento de conexión de carga (4)
en por lo menos una dirección lateral.
3. Módulo semiconductor de potencia (1) conforme
a la reivindicación 2, donde la parte (72) del cuerpo moldeado de
metal (70) que sobresale por encima de la superficie de contacto
(42) de los mecanismos de contacto (40) del elemento de conexión de
carga (4) se apoya sobre una parte (30) de la caja (3).
4. Módulo semiconductor de potencia (1) conforme
a la reivindicación 1, donde el cuerpo moldeado de metal (70)
presenta un grosor mayor al de los mecanismos de contacto (40) del
elemento de conexión de carga (4).
5. Módulo semiconductor de potencia (1) conforme
a la reivindicación 1, donde el cuerpo moldeado de metal (70) se
encuentra parcialmente empotrado en una armadura de plástico
(76).
Applications Claiming Priority (2)
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