PT1026743E - Conversor com contacto de pressão - Google Patents

Description

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DESCRIÇÃO "CONVERSOR COM CONTACTO DE PRESSÃO" A presente invenção diz respeito uma configuração de circuito de semicondutores de potência, nomeadamente em forma de conversores de corrente da classe de potência em conformidade com o conceito principal da reivindicação 1, que, na sua execução, é apropriada, pelo menos em parte, para o estabelecimento de contactos de pressão.

Como técnica de ligação, as ligações por contacto de pressão são bem conhecidas da tecnologia de fabrico de módulos ou circuitos de semicondutores. A segurança de contacto para o estabelecimento da pressão é de importância decisiva para a segurança de funcionamento da configuração de circuito, seja a operação feita com carga permanente ou carga cíclica.

Todas as ligações externas devem garantir, a todo o momento, um contacto seguro aos locais de contactos internos de todos os conectores da configuração de 2 circuito, mesmo com cargas térmicas e eléctricas alternantes.

Quando se trata de contactos com ligação mecânica efectiva, o esmorecimento das forças de pressão provocam uma falha funcional de toda a configuração em tempo real.

Para obter uma vida útil mais longa, a literatura dá a conhecer muitos esforços em relação a esta problemática.

Estão a envidar-se esforços para conseguir uma vida útil ilimitada.

Devido à necessidade de a condição hermética em relação à atmosfera, a tecnologia do contacto de pressão tem sido muitas vezes objecto da investigação descrita, com a criação de todas as condições para uma técnica susceptível de por em prática.

Na Patente Alemã N.° DE 35 08 456 Al é descrito o estabelecimento de um contacto de pressão e seu método para o fabrico de módulos de semicondutores de potência.

Com aparafusamentos ajustados, a força de tensão interior 3 existente no corpo é usada para que a cerâmica de isolamento ou os semicondutores exerçam uma pressão sobre a superfície de refrigeração. 0 abrandamento da força de tensão do corpo como elemento do estabelecimento de pressão é adverso a uma longa vida útil dos módulos assim configurados, uma vez que aqui não está previsto mais nenhum acumulador de energia de pressão.

Na Patente Alemã N.° DE 41 22 428 Al é integrado na configuração do circuito um elemento de almofada que funciona como acumulador de pressão.

Este elemento de almofada está assente num elemento de ponte que fixa as peças internas do circuito e exerce uma pressão sobre elas. A estabilidade mecânica do elemento de ponte é conseguida por uma placa de pressão que se encontra por cima do elemento de almofada, em que o seu aparafusamento ao elemento de refrigeração faz com que seja obtida uma pressão estática.

Com esta combinação tripla é conseguida uma solução 4 complicada mas que funciona muito bem. É imaginável a longo prazo um abrandamento do elemento de almofada como acumulador de pressão. A Patente Alemã N.° DE 41 31 200 C2 apresenta uma configuração do circuito em que um dispositivo de aperto para um contacto de pressão é constituído por um elemento de ponte que é equipado com as respectivas protuberâncias e cavidades e que permite criar as ligações eléctricas e os contactos térmicos dos componentes, conforme o circuito, após submetido à pressão. O dispositivo de aperto é constituído por um plástico que ao longo do funcionamento está sujeito ao envelhecimento, sendo necessária, por isso, uma estrutura muito maciça.

Num pedido anterior da patente Alemã N°. DE 195 31 496 Cl é apresentado um corpo de pressão com lábios de pressão iguais, que proporcionam uma distribuição uniforme da pressão sobre todos os componentes do módulo que produzem calor perdido, desde que se observem as restantes instruções de construção, sendo cada componente individual sujeito a uma compressão tipo mola. 5

No entanto, para pressões superficiais muito elevadas este tipo de elasticidade com lábios de pressão não é adequado.

Também aqui, o envelhecimento pode provocar uma redução da pressão devido à visco-elasticidade do plástico, o que obriga a uma execução muito maciça e explica a limitação mencionada a áreas com uma pressão superficial mais reduzida. A Patente Alemã N.° DE 196 30 173 Al tem em consideração as possíveis instabilidades a longo prazo das duas publicações acima mencionadas, uma vez que a peça de pressão de plástico apresenta reforços. O acumulador de pressão está aqui numa posição central, a fim de conseguir uma distribuição uniforme da pressão a partir do centro. A Patente Alemã N.° DE 196 51 632 Al propõe como elemento de estabelecimento da pressão um parafuso de dilatação que perante as diversas temperaturas da configuração de circuito proporciona uma pressão interior dentro dos limites tecnologicamente estabelecidos. 6

Este ajuste de pressão dinâmico tem vantagens, nomeadamente para as configurações de circuito de potências muito elevadas, sendo de esperar uma vida útil ilimitada no referente a uma pressão constante de todos os componentes. A Patente Alemã N°. DE 198 34 800 Cl, publicada a 28 de Outubro de 1999, apresenta uma configuração de circuito de semicondutores de potência com um isolamento cerâmico e componentes semicondutores, havendo adaptadores (conectores de carga e auxiliares) soldados nas superfícies de contacto do isolamento cerâmico.

Um elemento de pressão para forçar a configuração de circuito de semicondutores de potência a exercer uma pressão sobre um corpo de refrigeração é constituído por um material compósito constituído por um bimetal com um revestimento de plástico.

Os adaptadores encontram-se entre um corpo tipo quadro e o elemento de pressão que serve de tampa. A presente invenção tem por objectivo apresentar um conversor com um controlador e uma configuração de circuito fácil de realizar para elementos semicondutores 7 de potência de alta densidade, com elevada fiabilidade no referente à execução do contacto de pressão por uma placa de pressão que seguramente garante uma longa vida útil.

Este objectivo é atingido na invenção através das medidas da parte caracterizante da reivindicação 1; aperfeiçoamentos preferenciais são descritos nas reivindicações dependentes.

Os limites da possível densidade de potência de uma configuração de circuito de semicondutores de potência para conversores de corrente executados com contacto de pressão foram e são determinados pela segurança funcional duradoura e uniforme dos componentes semicondutores de potência em contacto ou das lâminas modulares daí construídas, com os conectores de corrente forte exteriores. 0 contacto óhmico de todos os elementos de ligação secundários e um bom transporte de saida das perdas térmicas produzidas durante o funcionamento a elementos de refrigeração são as condições essenciais para uma qualidade fiável a longo prazo na execução com contacto de pressão.

Os contactos de pressão seguros requerem, em cada estado de funcionamento, uma força de aperto definida que deve ser mantida sempre dentro dos limites predefinidos, a fim de evitar resistências transitórias eléctricas e térmicas excessivas, por um lado, e deformações de pressão, por outro.

Por isso, a utilização de acumuladores de pressão é indispensável.

Por um lado, são necessários contactos electricamente seguros em todos os locais de contacto.

Assim, os elementos de montagem devem permitir um estabelecimento uniforme da pressão, portanto, uma boa distribuição da pressão entre todos os locais de contacto de pressão.

Por outro lado, sendo utilizadas ligações elásticas, em cada um dos locais de contacto é preciso que se verifique um comportamento dinâmico dos vários locais de contacto sujeitos à pressão e dos elementos de contacto de pressão, na presença das várias cargas térmicas e eléctricas diferentes. 9 0 envelhecimento dos elementos de contacto de pressão deve ser evitado, o que é realizado pela construção em conformidade com a invenção.

Além disso, é preciso encontrar uma solução para a contradição entre o comportamento plástico dos corpos ou elementos de ponte que exercem a pressão e que devido à sua capacidade de isolamento eléctrico são fabricados de plástico e os materiais electricamente condutores com as suas propriedades elásticas, nomeadamente em caso de carga térmica variável.

Devido ao facto de ser necessário usar materiais diferentes para os componentes do sistema de pressão, verificam-se, para além disso, dilatações diferentes. A combinação entre dois materiais conhecidos na actual situação técnica (metal e plástico) oferece uma solução definida na utilização para o fabrico de configurações de circuito encapsuladas.

Nesse aspecto, a combinação simples e o método de revestimento de materiais metálicos também são tidos em consideração na evolução técnica mais recente, pois esta tecnologia reflecte-se em larga escala em muitos 10 produtos . A presente invenção usa como componente metálico o aço que é revestido com plástico. A modelação do aço é variável, dependendo da função.

Uma forma plana ou parcialmente plana, no que se refere ao corpo ou ao elemento de ponte que exerce a pressão, com aberturas para um revestimento ajustado com plástico e para o fabrico de passagens isoladas de elementos de ligação eléctricos até a um controlador instalado na placa de pressão pode ser obtida de forma económica, do ponto de vista das técnicas de corte, e apresenta grandes vantagens para a utilização em configurações de circuito da classe de potência.

No âmbito da invenção, o aço pode ser dotado de protuberâncias espaciais que aumentam a estabilidade superficial.

Além disso, é equipado com altos e ressaltos para conseguir uma ligação mecânica efectiva estável ao plástico.

Como plástico deram boas provas na prática os polímeros 11 orgânicos com uma percentagem relativamente alta de materiais de carga maioritariamente inorgânicos. A escolha do plástico é feita, considerando além dos aspectos económicos também a capacidade de isolamento eléctrico e de resistência mecânica contra influências externas.

Quanto às propriedades do plástico, este só pode apresentar deformações mínimas provocadas, sobretudo, pela pressão.

Utilizando o material compósito apresentado na invenção fica assegurado que o contacto de pressão não dá origem a uma fadiga significativa em caso de carga permanente ou ciclica ao longo de todo o tempo de serviço desta configuração. A estrutura interna do aço deve apresentar-se de forma que perante as cargas térmicas alternantes as forças de tracção ou pressão, que abrandam devido ao amolecimento do plástico em caso de temperaturas mais elevadas, sejam compensadas.

As forças de flexão originadas pela temperatura devem ser 12 definidas dentro de estreitas gamas de tolerância em todos os locais de contacto de pressão, com a pressão de aperto necessária em todos os estados de serviço, de modo que cada um dos locais de contacto esteja em contacto com segurança e que não se verifique uma destruição mecânica da configuração provocada por cargas de pressão excessivas em alguns locais de contacto.

Para a compensação interna da pressão e para o amortecimento dos elementos de pressão é usado um elemento de almofada correspondente à descrição da situação técnica actual. A ideia da invenção será exemplificada a seguir com a ajuda de desenhos em que: FIG 1 apresenta o esquema de um corte transversal através de uma placa de pressão em conformidade com a invenção, FIG 2 mostra uma variante de utilização para o material compósito numa representação tridimensional, 13 13 FIG 3 representa um corte transversal através da configuração mostrada na FIG 1. A FIG 1 mostra o esquema de um corte transversal através de uma placa de pressão (9) em conformidade com a invenção.

Um plástico (1) conhecido na electrónica, com as propriedades exigidas neste ramo, é usado para o revestimento de uma alma metálica (2), através do método de injecção. 0 plástico (1) pode ser constituído por diversos compostos orgânicos, com ou sem material de carga.

Como plástico é adequado, de forma excelente, o polibutileno tereftalato (com o nome comercial Crastin), o éter de polifenileno (com o nome comercial Noryl), o sulfureto de polifenileno (com o nome comercial Ryton) ou a poliamida (com o nome comercial Ultramid).

No lado virado para a estrutura interior, o plástico (1) pode apresentar nós de pressão para a transmissão da pressão. 14 0 material de carga no plástico (1) depende das propriedades desejadas depois do revestimento da alma metálica (2) .

Com 0% a 50% de material de carga no peso total são obtidas propriedades com uma reprodutibilidade excelente na construção de corpos ou elementos de ponte para configurações de circuito de semicondutores de potência.

Decisivas para a definição das misturas são as exigências no referente à resistência à deformação, flexão e pressão e à dureza. A alma metálica (2) é fabricada com uma grande variedade de larguras, de acordo com os diversos casos de aplicação.

Comum a todas as formas de execução é a configuração da superfície da chapa que, de resto, é plana, apresentando nós, elevações ou reentrâncias de corte tridimensionais que permitem um revestimento fiável e estável com o plástico (1). A geometria da alma metálica pode ser dividida em dois grupos principais. 15

Por um lado, o grupo com uma extensão sobre toda a superfície, referente às dimensões totais e, por outro, o grupo com uma extensão tridimensional parcial, referente à dimensão de expansão do plástico. A grande variedade que daí resulta não pode ser representada em toda a sua extensão. A alma metálica (2) pode ser construída a partir de diversos materiais com diversos coeficientes de dilatação térmica.

Relativamente económico é o aço que também oferece uma tecnologia comprovada.

Tanto no referente à dureza como também à espessura de material, a exigências podem ser satisfeitas de forma reprodutível. A grande variedade reprodutível oferece para todos os exemplos de execução calculados almas metálicas fabricáveis com precisão para as peças de pressão ou estruturas de corpo.

De acordo com a invenção, o plástico (1) é dotado de 16 protuberâncias de vários tipos.

Casquilhos (3) permitem posteriores aparafusamentos a outros componentes do circuito que sejam colocados por cima.

Mediante passagens (4) isoladas em relação ao interior metálico (2), os pinos de contacto podem atravessar a placa de pressão (9) de forma isolada.

Para aumentar os trajectos de isolamento pode haver, nos dois lados, casquilhos (5) prolongados de plástico.

Da mesma forma, devem ser formados, nos dois lados, nós (6) de plástico, a fim de poderem ser realizadas durante a posterior montagem configurações geométricas definidas com vários pontos de pressão.

Numa forma mais desenvolvida, podem ser formados ganchos de fixação (7), a fim de poder ser realizado um posicionamento fácil e geometricamente preciso. A FIG 2 mostra uma variante de aplicação para o material compósito numa representação tridimensional. 17

Trata-se de um esquema que representa a interacção dos vários componentes, de modo a ser obtida uma unidade funcional. É representado um conversor trifásico na sua configuração exterior, constituído por três módulos ajustáveis entre si. 0 conversor propriamente dito está protegido mecânica e climaticamente contra influências exteriores por um corpo

Os conectores de alimentação ou de corrente de carga (11) encontram-se do lado.

Com a ajuda da placa de pressão (9) já acima descrita os conectores de corrente principal (11) são forçados a exercer uma pressão sobre os locais de contacto de pressão da estrutura interna do conversor.

Com valores baixos, a pressão superficial necessária pode ser conseguida pelos nós, e com uma pressão superficial média e elevada por aparafusamentos.

Todos os restantes conectores de contacto para a 18 activação e as medições de controlo do conversor passam através dos casquilhos (3), (4), (5) já acima descritos para chegar aos locais de contacto correspondentemente configurados do conversor. 0 controlador (10) do conversor pode ser posicionado directamente na placa de pressão (9).

Os casquilhos (3), (4), (5) e também os nós (6) foram fabricados numa posição precisa e com vista a um contacto exacto do controlador (10) . A FIG 3 representa um corte transversal através da configuração constante na FIG 2.

Representado é o corpo (8) do conversor com os respectivos elementos de pressão (12) e casquilhos (13) para a passagem dos respectivos conectores auxiliares.

Por cima encontram-se a placa de pressão (9) e o controlador (10), dos quais aqui só se vêem os contornos.

As configurações de circuito do conversor dentro do corpo (8) são constituídas por elementos semicondutores de potência, nomeadamente, comutadores, como IGBT ou MOSFET 19 num possível circuito parcialmente paralelo que num circuito antiparalelo juntamente com díodos de recuperação de auto-indução podem representar meias-pontes, rectificadores de entrada ou rectificadores de saída para conversores de potência.

Os módulos de potência são aplicados nos respectivos campos de uma placa isoladora (14) com ligação ajustada ou firme por soldadura e de modo a poderem interagir.

Na escolha de uma cerâmica apropriada para a placa isoladora (14) deve ser considerada a possibilidade de uma boa saída do calor para o sistema de refrigeração a colocar por baixo. 0 corpo oferece dentro do seu volume espaço para sensores (15) como os que são usados com vantagem para a captação dos parâmetros de serviço do conversor.

Para a fixação dos conectores de carga e a sua ligação aos conectores exteriores para a força motriz encontram-se dentro do corpo (8) as respectivas protuberâncias (16) que servem para a fixação de parafusos.

Entre a placa de pressão (9) e o corpo (8) encontra-se 20 nos locais de uma carga de pressão dinâmica, a título de exemplo, um acumulador de pressão (17) em forma de uma borracha de silicone. A fixação (7) já descrita proporciona uma posição exacta dos componentes entre si. LISBOA, 1 de OUTUBRO de 2007

Claims (5)

1 REIVINDICAÇÕES 1. Conversor constituído por um controlador (10), pelo menos um corpo (8) com uma placa de pressão (9) aplicada em cima ou integrada, para o estabelecimento de uma pressão constante a ser exercida sobre um elemento de pressão (12) que, por sua vez, transmite esta pressão a um contacto termicamente condutor de uma placa base electricamente isolante (14), com uma configuração de circuito de semicondutores de potência posicionada num corpo de refrigeração, e a conectores de corrente (11), a fim de ser obtida uma ligação electricamente condutora às superfícies de contacto da placa base (14), caracterizado por a placa de pressão (9) ser constituída por um material compósito com um interior metálico (2) e um revestimento de plástico (1), por a mencionada placa de pressão (9) apresentar em relação ao interior metálico (2) passagens isoladas (4) e o controlador (1) se encontrar directamente na placa de pressão (9) .

2. Conversor de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o interior metálico (2) preencher 2 superfícies parciais da extensão plana da placa de pressão (9) e apresentar protuberâncias na superfície, tais como elevações, nós, barras ou perfis e/ou entalhes de diversas geometrias.

3. Conversor de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o plástico (1) ser um polímero orgânico sem material de carga ou com materiais de carga inorgânicos até 50% da massa total.

4. Conversor de acordo com a reivindicação 3, caracterizado por o plástico (1) ser polibutileno tereftalato, éter de polifenileno, sulfureto de polifenileno ou poliamida.

5. Conversor de acordo com a reivindicação 2, caracterizado por o interior metálico (2) ser constituído por uma liga de metal. LISBOA, 1 de OUTUBRO de 2007