WO2016071538A1 - Ensamblaje de un stack de electrónica de potencia - Google Patents

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WO2016071538A1
WO2016071538A1 PCT/ES2014/000188 ES2014000188W WO2016071538A1 WO 2016071538 A1 WO2016071538 A1 WO 2016071538A1 ES 2014000188 W ES2014000188 W ES 2014000188W WO 2016071538 A1 WO2016071538 A1 WO 2016071538A1
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WO
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assembly
power electronics
radiator element
electronics stack
semiconductor module
Prior art date
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PCT/ES2014/000188
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English (en)
French (fr)
Inventor
David UGENA GONZÁLES
Daniel CASTAGNOLA WECKESSER
José Manuel TENA CEREZO
Higinio LOGROSÁN DIAZ
Original Assignee
Wynnertech, S.L.
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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K7/00—Constructional details common to different types of electric apparatus
    • H05K7/20—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating

Definitions

  • the present invention relates to an assembly of a power electronics stack that has the advantage of having direct cooling of the semiconductor modules it houses, that is, said semiconductor modules are cooled by direct contact between a cooling fluid circulating through an element radiator and the aforementioned semiconductor modules.
  • the field of application for this invention is the converters of power electronics, from alternating current to alternating current, direct current to direct current, alternating current to direct current and vice versa.
  • radiators with forced convection were used that were cheap, robust, but inefficient when the loss power is high.
  • the water-cooled radiators were passed through channels, where the heat-carrying fluid is channeled through closed ducts on which the elements to be cooled are fixed.
  • this type of radiators is much more complex, since radiators of this type require an auxiliary system of pumps to move the fluid and air-water radiators with forced ventilation to evacuate heat, these systems are much more efficient than air cooled radiators.
  • the temperature difference between assembled elements is inevitable and at the same time undesirable in power electronics refrigeration systems, since a high temperature difference between them limits the capacity of the assembly to the temperature of the hottest element and not to the assembly of the elements.
  • the object of the present invention is about the assembly of a power electronics stack comprising at least one radiator element through which a cooling fluid circulates, where the radiator element comprises at least one housing, at least one fixing base in at least a housing, at least one semiconductor module fixed on at least one fixing base, at least one driver element, fixed on at least one semiconductor module, at least one capacitor, a bus that links the components of the assembly, where at least one housing of the radiator element comprises at least one fluid passageway through which the cooling fluid passes through a plurality of perforations housed in the fixing base towards a channel that emerges between the fixing base and the semiconductor module, said coolant contacting directly with at least one semiconductor module.
  • the radiator element of the assembly of a power electronics stack comprises a first manifold and a second manifold so that the refrigerant fluid passes from the first manifold to the second manifold by contacting and cooling the semiconductor module.
  • the cooling fluid of the assembly of a power electronics stack object of the invention directly cools the semiconductor modules, passing from the first collector to the second collector in parallel through the channels that arise between the different fixing bases and semiconductor modules that form the power electronics stack, maintaining the same direction of flow through both collectors and ensuring that between the semiconductor module at a higher temperature and the semiconductor module at a lower temperature there is a temperature difference less than or equal to 3 degrees Celsius.
  • the radiator element of the assembly of a power electronics stack object of the invention comprises a quick connector for charging the refrigerant fluid inside both the first collector and the second collector.
  • the assembly of a power electronics stack comprises for each semiconductor module the fixing base, said independent fixing base being for each semiconductor module, independent of the semiconductor modules from each other, first o-rings between the radiator element and the fixing base which ensure the tightness in the union of the fixing base with the radiator element, and second O-rings that ensures the tightness of the joints between the semiconductor modules and the fixing base.
  • the channel that emerges between the fixing base and the semiconductor module is less than 1 mm thick, and is designed to obtain the lowest thermal resistance between each semiconductor module and the cooling fluid.
  • the assembly fixing bases of a power electronics stack object of the invention comprise a plurality of perforations that are located in correspondence with the fluid passage holes of the radiator element.
  • the driver is fixed to each semiconductor module by at least one screw and to the radiator element by means of a fixing plate, such that the fixing plate is fixed by one end by at least one screw to the radiator element and at the other end by means of a screw to the driver.
  • the assembly bus of a power electronics stack object of the invention joins the electrical components of the assembly, and is a multilayer configuration bus with parallel layers, consisting of conductive plates and insulating plates.
  • the conductive plates of the bus are made of material to choose between aluminum and copper, and the insulating plates are made of kevlar, so that the bus manufactured with these materials has a parasitic inductance as small as possible.
  • the assembly of a power electronics stack supports semiconductor modules to choose between modules of 130 mm and 190 mm, and up to 6.5 kV.
  • the radiator element of the assembly of a power electronics stack object of the invention is made of aluminum by extrusion, reducing manufacturing costs.
  • the assembly bus of a power electronics stack object of the invention comprises connectors for connection with an additional power electronics stack assembly allowing the parallel connection of two or more power electronics stack assemblies.
  • the assembly of a power electronics stack object of the invention comprises a frame that houses at least one condenser and also comprises temperature probes that measure the temperature of the refrigerant fluid.
  • Each semiconductor module element of the assembly of a power electronics stack object of the invention comprises a temperature probe that measures the temperature of the semiconductor module itself.
  • Figure 1 shows a perspective and exploded view of the assembly of a power electronics stack with direct cooling object of the invention.
  • Figure 2 is a perspective view of the radiator element of the assembly of a power electronics stack object of the invention.
  • FIG. 3 is a perspective and exploded view of the radiator element with the fixing bases, semiconductor modules and o-rings between them.
  • Figure 4a is a side view of the elements of Figure 3 exploding.
  • Figure 4b is a side view of the connection of the elements shown in Figure 3 connected.
  • Figure 4c is a side sectional view of the connection of the elements shown in Figure 3 connected to each other.
  • Figure 5a is a perspective view of the radiator element with the condensers already connected through the frame.
  • Figure 5b is a front view of the elements shown in Figure 5a.
  • Figure 6a is a perspective view of the radiator element with all its elements connected except for the frame.
  • Figure 6b is a side view of the elements shown in Figure 6a.
  • Figure 6c is a top plan view of the elements shown in Figures 6a and 6b.
  • the object of the invention arises, which is an assembly of a power electronics stack with direct cooling by means of a radiator element (1) on which the modules are placed semiconductors (2) so that there is a direct contact between said semiconductor modules (2) and a cooling fluid circulating through the radiator element (1).
  • the radiator element (1) of the assembly of a power electronics stack object of the invention comprises a first manifold (3) and a second manifold (4) associated in a single piece.
  • the radiator element (1) comprises a plurality of housings (5), in which, by means of connecting screws (12), fixing bases (7) are fixed on which the semiconductor modules (2) are fixed.
  • the radiator element (1) comprises fluid passage openings (6) whose purpose is to communicate the first manifold (3) and the second manifold (4) with the semiconductor modules ( 2).
  • the fixing bases (7) comprise a plurality of perforations (8) that are located in correspondence with the fluid passage openings (6) of the radiator element (1).
  • first dull seals (9) are placed in the fluid passage openings (6) of the radiator element (1) to ensure the tightness in the joint of the fixing base (7) with the radiator element (1), and additionally a second O-ring (10) is placed that ensures the tightness of the joints between the semiconductor modules (2) and the fixing base (7) creating a channel of fluid circulation between each semiconductor module (2) and the fixing base (7) attached to the radiator element (1).
  • the channels that arise between the fixing base (7) and the semiconductor module (2) are designed so as to guarantee maximum heat transfer between the semiconductor modules (2) and the cooling fluid that contacts the said semiconductor modules ( 2). To obtain that maximum heat transfer it is necessary to do circulate the cooling fluid as quickly as possible; in contrast to the velocity and the section of the channel the effect of the pressure appears, which increases as the flow rate of the cooling fluid increases and decreases as the section of the duct increases, that is, to obtain high flow rates through small sections of the duct the pressure is high, which makes large and expensive pumps necessary.
  • the fluid circulation channel that arises between the fixing base (7) and the semiconductor module (2) has been designed to have a height always less than 1 mm ; the length will be defined by the semiconductor module model (2) that is installed.
  • This configuration allows working with flow rates of 100 l / min at a pressure of 2 bars, which is a compromise solution for the choice of cost-competitive pumps.
  • a thermal resistance 5 times lower than conventional liquid cooling systems and 10 times lower than air cooling systems is achieved.
  • six semiconductor modules (2) can be connected to the radiator element (1).
  • a flow configuration has been chosen by the first manifold (3) and the second manifold (4) in the same direction, i.e. , the cold refrigerant fluid enters through one end of the first manifold (3) to contact the semiconductor module (2) where the refrigerant fluid acquires temperature, and subsequently the heated fluid exits through the second manifold (4) at the opposite end of the entry.
  • the temperature difference between the different semiconductor modules (2) connected to the radiator element (1) in the assembly of a power electronics stack object of the invention is limited to a maximum of 3 degrees.
  • the configuration adopted for the sense of the fluid by the collectors in the same direction in the power electronics stack object of the invention offers better results than other possible combinations (such as the configuration in the opposite direction), since it causes the pressure between the first manifold (3) and the second manifold (4) to balance naturally, allowing the velocities through the channels to equalize resulting in the equilibrium between the temperatures of the different semiconductor modules (2 ).
  • the radiator element (1) of the assembly of a power electronics stack object of the invention is designed so that semiconductor modules (2) with standard encapsulation IHM 130 mm, IHMB 130 mm, IHM 190 mm and IHMB 190 mm, of voltages up to 6.5 kV, I feel these semiconductor modules (2) known in the state of the art.
  • the radiator element (1) comprises a quick connect (13) for charging the cooling fluid inside both the first manifold (3) and the second manifold (4).
  • the radiator element (1) is made of aluminum, by extrusion and the fluid passageways (6) are made by a machining process.
  • the assembly of a power electronics stack object of the invention comprises temperature control probes (14a, 14b) in the radiator element (1) that measure the fluid inlet and outlet temperature.
  • the fixing bases (7) are detachable independently next to the semiconductor modules (2) allowing the replacement of each semiconductor module (2) if necessary . This makes it possible to facilitate and reduce maintenance and repair work, reducing the time required for the replacement of semiconductor modules, minimizing the inconvenience caused by having the equipment out of service for long periods of time.
  • Each semiconductor module (2) of the assembly of a power electronics stack object of the invention is fixed to the fixing base (7) by 6 screws. And in turn, each assembly formed by a semiconductor module (2) and the fixing base (7) that supports it is fixed to the radiator element (1) by 6 screws, with the connection thus exposed, mechanical independence is achieved between the different semiconductor modules (2).
  • Each semiconductor module (2) of the assembly of a power stack object of the invention comprises a temperature probe (21) that is fixed to each semiconductor module (2) by one of the six screws with which the semiconductor module (2) it is fixed to the fixing base (7).
  • the assembly of a power electronics stack comprises at least one driver (15) that is configured as a PCB that allows the semiconductor module (2) to operate, that is to say a signal conditioner, since from the control system They send optical signals that the driver conditions and transforms into electrical signals that are what the semiconductor module (2) needs to operate.
  • a driver that is configured as a PCB that allows the semiconductor module (2) to operate, that is to say a signal conditioner, since from the control system They send optical signals that the driver conditions and transforms into electrical signals that are what the semiconductor module (2) needs to operate.
  • the driver (15) is fixed to a fixing plate (11) by means of a screw, and the plate is fixed to the radiator element (1) by two screws.
  • the assembly of a power electronics stack object of the invention comprises a bus (17) that joins together the electrical components of the assembly; said bus (17) is of a multilayer configuration with parallel layers, formed by conductive plates (8) and insulating plates (9).
  • Figure 1 shows the configuration of the parallel layers with a configuration that is: insulating plate (19) - conductive plate (18) - double insulating plate (19) - conductive plate (18) - insulating plate (19).
  • the conductive plates (18) are made of material to choose between aluminum and copper, according to the need for the current density of the final application of the assembly of a power electronics stack.
  • the insulating plates (19), in the preferred embodiment of the invention, are made of kevlar, which is a material that has a low electrical conductivity, whereby the thickness of this material can be very small, reducing the area between the conductive plates (18). In this way the parasitic inductance between the electrical components is as small as possible and the stress due to overvoltage in the semiconductor modules (2) is reduced.
  • the bus (7) comprises connectors (not shown in the figures) for the connection with other assemblies of power electronics stacks allowing to parallel multiple assemblies of power electronics stacks, thus obtaining three-phase bridge configurations of 2 levels and 3 voltage levels, configuration in parallel of three-phase bridges, or a "Back to Back" type configuration in 2 or 3 voltage levels.
  • the power electronics stack comprises a frame (20) which, in the preferred embodiment of the invention, houses a plurality of capacitors (16), such that the frame (20) is located in the radiator element (1) in the opposite side on which said radiator element (1) incorporates the housings (5) for the semiconductor modules (2).
  • This assembly is applicable in a multitude of industries as expressed in the heading Background of the invention, all of them in which power electronics become important.

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  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
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Abstract

Ensamblaje de un stack de electrónica de potencia que comprende al menos un elemento radiador (1 ) por donde circula un fluido refrigerante y que comprende al menos un alojamiento (5), al menos una base de fijación (7) en al menos un alojamiento (5), al menos un módulo semiconductor (2) fijado en al menos una base de fijación (7), al menos un elemento driver (15), fijado sobre al menos un módulo semiconductor (2), al menos un condensador (16) y un bus (17), donde el al menos un alojamiento (5) del elemento radiador (1 ) comprende al menos un hueco de paso de fluido (6) por donde pasa el fluido refrigerante a través de una pluralidad de perforaciones (8) de la base de fijación (7) hacia un canal que surge entre la base de fijación (7) y el módulo semiconductor (2) contactando dicho fluido refrigerante directamente con al menos un módulo semiconductor (2).

Description

ENSAMBLAJE DE UN STACK DE ELECTRÓNICA DE POTENCIA
DESCRIPCIÓN
Objeto de la invención
La presente invención se refiere a un ensamblaje de un stack de electrónica de potencia que presenta la ventaja de tener refrigeración directa de los módulos semiconductores que alberga, esto es que dichos módulos semiconductores se refrigeran por contacto directo entre un fluido refrigerante que circula por un elemento radiador y los citados módulos semiconductores.
Antecedentes de la invención y problema técnico a resolver
El campo de aplicación para esta invención son los convertidores de electrónica de potencia, de corriente alterna a corriente alterna, corriente continua a corriente continua, corriente alterna a corriente continua y viceversa. Incluyendo en el montaje los módulos semiconductores, condensadores, bus de conexión eléctrica entre los diferentes elementos y radiador. Esta configuración permite obtener un montaje compacto, con un alto rendimiento, permitiendo mejorar los costes de fabricación.
En el sector industrial y energético es bien conocida la utilización de convertidores electrónicos de potencia para el control de velocidad y par de motores eléctricos, así como, para el control de potencia y corriente en sistemas conectados a la red eléctrica, como los generadores eólicos y los inversores fotovoltaicos para la generación de potencia, tanto activa como reactiva o los STATCOM (static synchronous compensator) para la generación de potencia reactiva en sistemas de corriente alterna o para el control de potencia y corriente en sistemas eléctricos de corriente continua, como son los rectificadores y sistemas de transmisión de energía HVDC (high-voltage direct current) o sistemas de control de baterías y pilas de combustible.
En la actualidad están creciendo cada vez más en importancia los vehículos híbridos e incluso vehículos que funcionan exclusivamente gracias a la electricidad en los que tanto el tamaño como el peso de los componentes, así como la temperatura a la que funcionan adquiere una importancia vital.
Todos los sistemas en esencia, tienen en común la utilización de módulos de electrónica de alta potencia, como los diodos y los IGBT, así como elementos de almacenamiento de energía como condensadores. Todos estos elementos generan gran cantidad de calor debido a las pérdidas de energía durante su funcionamiento. Este calor ha de ser evacuado por un sistema de refrigeración eficiente que mantenga controlada la temperatura de todos los componentes por debajo de la temperatura límite de funcionamiento.
En el pasado se utilizaban radiadores refrigerados por aire con convección forzada que eran baratos, robustos pero poco eficientes cuando la potencia de pérdidas es elevada. Con el tiempo se pasó a los radiadores refrigerados por agua a través de canales, donde el fluido portador del calor es canalizado por unos conductos cerrados sobre los que se fijan los elementos a refrigerar. Aunque esta tipología de radiadores es mucho más compleja, puesto que los radiadores de esta tipología requieren un sistema auxiliar de bombas para mover el fluido y de radiadores de aire-agua con ventilación forzada para evacuar el calor, estos sistemas son mucho más eficientes que los radiadores refrigerados por aire.
La diferencia de temperatura entre elementos ensamblados es inevitable y a la vez no deseable en los sistemas de refrigeración de electrónica de potencia, puesto que una diferencia de temperatura elevada entre ellos, limita la capacidad del conjunto a la temperatura del elemento más caliente y no al conjunto de los elementos.
En esta patente se ha desarrollado un radiador de refrigeración directa, donde el fluido portador del calor está en contacto directo con el elemento a refrigerar, permitiendo una transferencia de calor más eficiente, debido a la baja resistencia térmica entre el elemento a refrigerar y el fluido refrigerante, y fácilmente controlable. Mediante este tipo de refrigeración se puede reducir el tamaño de los equipos. Esto permite reducir el peso de los equipos aumentado la densidad específica energética además de reducir el coste por unidad de energía.
Descripción de la invención
El objeto de la presente invención trata sobre el ensamblaje de un stack de electrónica de potencia que comprende al menos un elemento radiador por donde circula un fluido refrigerante, donde el elemento radiador comprende al menos un alojamiento, al menos una base de fijación en al menos un alojamiento, al menos un módulo semiconductor fijado en al menos una base de fijación, al menos un elemento driver, fijado sobre al menos un módulo semiconductor, al menos un condensador, un bus que une los componentes eléctricos del ensamblaje, donde al menos un alojamiento del elemento radiador comprende al menos un hueco de paso de fluido por donde pasa el fluido refrigerante a través de una pluralidad de perforaciones alojadas en la base de fijación hacia un canal que surge entre la base de fijación y el módulo semiconductor, contactando dicho fluido refrigerante directamente con al menos un módulo semiconductor.
El elemento radiador del ensamblaje de un stack de electrónica de potencia comprende un primer colector y un segundo colector de modo que el fluido refrigerante pasa del primer colector al segundo colector contactando y refrigerando el módulo semiconductor.
El fluido refrigerante del ensamblaje de un stack de electrónica de potencia objeto de la invención refrigera de manera directa los módulos semiconductores, pasando del primer colector al segundo colector de forma paralela por los canales que surgen entre las diferentes bases de fijación y módulos semiconductores que forman el stack de electrónica de potencia, manteniéndose la misma dirección del flujo por ambos colectores y asegurándose que entre el módulo semiconductor a mayor temperatura y el módulo semiconductor a menor temperatura haya una diferencia de temperatura menor o igual a 3 grados centígrados.
El elemento radiador del ensamblaje de un stack de electrónica de potencia objeto de la invención comprende un conector rápido para la carga del fluido refrigerante en el interior tanto del primer colector como del segundo colector.
El ensamblaje de un stack de electrónica de potencia comprende para cada módulo semiconductor la base de fijación, siendo dicha base de fijación independiente para cada módulo semiconductor independizando los módulos semiconductores unos de otros, unas primeras juntas tóricas entre el elemento radiador y la base de fijación que aseguran la estanqueidad en la unión de la base de fijación con el elemento radiador, y unas segundas juntas tóricas que asegura la estanqueidad de las uniones entre los módulos semiconductores y la base de fijación.
El canal que surge entre la base de fijación y el módulo semiconductor tiene un espesor menor a 1 mm, y está diseñado para obtener la menor resistencia térmica entre cada módulo semiconductor y el fluido refrigerante. Las bases de fijación del ensamblaje de un stack de electrónica de potencia objeto de la invención comprenden una pluralidad de perforaciones que se sitúan en correspondencia con los huecos de paso de fluido del elemento radiador.
En el ensamblaje de un stack de electrónica de potencia objeto de la invención el driver se fija a cada módulo semiconductor mediante al menos un tornillo y al elemento radiador por medio de una placa de fijación, tal que la placa de fijación se fija por un extremo mediante al menos un tornillo al elemento radiador y por el otro extremo mediante un tornillo al driver.
El bus del ensamblaje de un stack de electrónica de potencia objeto de la invención une los componentes eléctricos del ensamblaje, y es un bus de configuración multicapa con capas paralelas, formada por placas conductoras y placas aislantes.
Las placas conductoras del bus están fabricadas de material a elegir entre aluminio y cobre, y las placas aislantes están fabricadas en kevlar, de modo que el bus fabricado con estos materiales presenta una ¡nductancia parásita lo más pequeña posible.
El ensamblaje de un stack de electrónica de potencia admite módulos semiconductores a elegir entre módulos de 130 mm y 190 mm, y de hasta 6,5 kV.
El elemento radiador del ensamblaje de un stack de electrónica de potencia objeto de la invención está fabricado en aluminio mediante extrusión, reduciendo los costes de fabricación.
El bus del ensamblaje de un stack de electrónica de potencia objeto de la invención comprende unos conectores para la conexión con un ensamblaje de stack de electrónica de potencia adicional permitiendo la conexión en paralelo de dos o más ensamblajes de stack de electrónica de potencia.
El ensamblaje de un stack de electrónica de potencia objeto de la invención comprende un bastidor que aloja al menos un condensador y también comprende unas sondas de temperatura que miden la temperatura del fluido refrigerante.
Cada elemento módulo semiconductor del ensamblaje de un stack de electrónica de potencia objeto de la invención comprende una sonda de temperatura que mide la temperatura del propio módulo semiconductor. Descripción de las figuras
Para completar la descripción se acompaña a esta memoria descriptiva, como parte integrante de la misma, un conjunto de dibujos en donde se ha representado lo siguiente:
La figura 1 muestra una vista en perspectiva y en explosión del ensamblaje de un stack de electrónica de potencia con refrigeración directa objeto de la invención.
La figura 2 es una vista en perspectiva del elemento radiador del ensamblaje de un stack de electrónica de potencia objeto de la invención.
La figura 3 es una vista en perspectiva y en explosión del elemento radiador con las bases de fijación, los módulos semiconductores y las juntas tóricas entre ellos.
La figura 4a es una vista lateral de los elementos de la figura 3 en explosión.
La figura 4b es una vista lateral de la conexión de los elementos mostrados en la figura 3 conectados.
La figura 4c es una vista en sección lateral de la conexión de los elementos mostrados en la figura 3 conectados entre sí.
La figura 5a es una vista en perspectiva del elemento radiador con los condensadores ya conectados a través del bastidor.
La figura 5b es una vista frontal de los elementos mostrados en la figura 5a.
La figura 6a es una vista en perspectiva del elemento radiador con todos sus elementos conectados a excepción del bastidor.
La figura 6b es una vista lateral de los elementos mostrados en la figura 6a.
La figura 6c es una vista en planta desde arriba de los elementos mostrados en las figuras 6a y 6b.
Realización preferente de la invención Para superar el problema técnico planteado en un epígrafe anterior de esta memoria descriptiva, surge el objeto de la invención, que es un ensamblaje de un stack de electrónica de potencia con refrigeración directa mediante un elemento radiador (1 ) sobre el que se colocan los módulos semiconductores (2) de modo que se produce un contacto directo entre los citados módulos semiconductores (2) y un fluido refrigerante que circula por el elemento radiador (1 ).
El elemento radiador (1 ) del ensamblaje de un stack de electrónica de potencia objeto de la invención comprende un primer colector (3) y un segundo colector (4) asociados en una única pieza.
El elemento radiador (1 ) comprende una pluralidad de alojamientos (5), en los que, mediante unos tornillos de unión (12), se fijan unas bases de fijación (7) sobre las que se fijan los módulos semiconductores (2).
En el interior de la pluralidad de alojamientos (5) el elemento radiador (1 ) comprende unos huecos de paso de fluido (6) que tienen como objeto comunicar el primer colector (3) y el segundo colector (4) con los módulos semiconductores (2). Las bases de fijación (7) comprenden una pluralidad de perforaciones (8) que se sitúan en correspondencia con los huecos de paso de fluido (6) del elemento radiador (1 ). Mediante este ensamblaje el fluido refrigerante que circula por los colectores (3,4) contacta de manera directa con los módulos semiconductores (2) en su circulación por el elemento radiador (1 ) refrigerando dichos módulos semiconductores (2).
Entre el elemento radiador (1 ) y la base de fijación (7) se colocan unas primeras juntas toncas (9), en los huecos de paso de fluido (6) del elemento radiador (1 ) para asegurar la estanqueidad en la unión de la base de fijación (7) con el elemento radiador (1 ), y adicionalmente se coloca una segunda junta tórica (10) que asegura la estanqueidad de las uniones entre los módulos semiconductores (2) y la base de fijación (7) creándose un canal de circulación de fluido entre cada módulo semiconductor (2) y la base de fijación (7) unida al elemento radiador (1 ).
Los canales que surgen entre la base de fijación (7) y el módulo semiconductor (2) están diseñados de manera que se garantiza la máxima transferencia de calor entre los módulos semiconductores (2) y el fluido refrigerante que contacta con los citados módulos semiconductores (2). Para obtener esa máxima transferencia de calor es necesario hacer circular el fluido refrigerante lo más rápido posible; en contraposición con la velocidad y la sección del canal aparece el efecto de la presión, que aumenta al aumentar el caudal del fluido refrigerante y disminuye al aumentar la sección del conducto, es decir, para obtener caudales altos por secciones pequeñas de conducto la presión es elevada, lo que hace necesarias bombas grandes y costosas.
En el ensamblaje de un stack de electrónica de potencia objeto de la invención el canal de circulación de fluido que surge entre la base de fijación (7) y el módulo semiconductor (2) se ha diseñado para que tenga una altura siempre menor de 1 mm; la longitud la definirá el modelo de módulo semiconductor (2) que se instale. Esta configuración permite trabajar con caudales de 100 l/min a presión de 2 bares, lo cual es una solución de compromiso para la elección de bombas competitivas en cuanto al coste. Con el ensamblaje de un stack de electrónica de potencia objeto de la invención se consigue una resistencia térmica 5 veces menor que los sistemas de convencionales de refrigeración líquida y 10 veces menor que los sistemas de refrigeración por aire.
En la realización preferente de la invención del ensamblaje de un stack de electrónica de potencia, se pueden conectar seis módulos semiconductores (2) al elemento radiador (1 ).
Dado que en un ensamblaje de un stack de electrónica de potencia la capacidad del citado ensamblaje viene limitada por la temperatura máxima a la que se encuentra uno de los módulos semiconductores (2), para minimizar la diferencia de temperatura entre los módulos semiconductores (2) conectados al elemento radiador (1), en el ensamblaje de un stack de electrónica de potencia objeto de la invención se ha elegido una configuración de flujo por el primer colector (3) y el segundo colector (4) en la misma dirección, es decir, el fluido refrigerante frío entra por un extremo del primer colector (3) a contactar con el módulo semiconductor (2) donde el fluido refrigerante adquiere temperatura, y posteriormente el fluido calentado sale por el segundo colector (4) por el extremo opuesto al de entrada. Mediante esta configuración de flujo la diferencia de temperatura entre los diferentes módulos semiconductores (2) conectados al elemento radiador (1 ) en el ensamblaje de un stack de electrónica de potencia objeto de la invención, se limita a un máximo de 3 grados.
La configuración adoptada para el sentido del fluido por los colectores en la misma dirección en el stack de electrónica de potencia objeto de la invención, ofrece mejores resultados que otras combinaciones posibles (como la configuración en sentido opuesto), puesto que hace que la presión entre el primer colector (3) y el segundo colector (4) se equilibre de forma natural, permitiendo que las velocidades por los canales se igualen dando como resultado el equilibrio entre las temperaturas de los diferentes módulos semiconductores (2).
El elemento radiador (1 ) del ensamblaje de un stack de electrónica de potencia objeto de la invención está diseñado para que se monten módulos semiconductores (2) con encapsulado estándar IHM 130 mm, IHMB 130 mm, IHM 190 mm e IHMB 190 mm, de tensiones de hasta 6,5 kV, siento estos módulos semiconductores (2) conocidos en el estado de la técnica.
El elemento radiador (1 ) comprende un conectar rápido (13) para la carga del fluido refrigerante en el interior tanto del primer colector (3) como del segundo colector (4).
En la realización preferente de la invención el elemento radiador (1 ) está fabricado en aluminio, mediante extrusión y los huecos de paso del fluido (6) se realizan mediante un proceso de mecanizado.
El ensamblaje de un stack de electrónica de potencia objeto de la invención comprende unas sondas de control de la temperatura (14a, 14b) en el elemento radiador (1 ) que miden la temperatura de entrada y salida de fluido.
En el ensamblaje de un stack de electrónica de potencia objeto de la invención las bases de fijación (7) son desmontables de manera independiente junto a los módulos semiconductores (2) permitiendo el reemplazo de cada módulo semiconductor (2) en caso de que sea necesario. Esto permite facilitar y reducir las labores de mantenimiento y reparación, reduciendo el tiempo necesario para el reemplazo de módulos semiconductores, minimizando los inconvenientes derivados por tener el equipo fuera de servicio durante periodos largos de tiempo.
Cada módulo semiconductor (2) del ensamblaje de un stack de electrónica de potencia objeto de la invención, se fija a la base de fijación (7) mediante 6 tornillos. Y a su vez cada conjunto formado por un módulo semiconductor (2) y la base de fijación (7) que lo sustenta se fija al elemento radiador (1 ) mediante 6 tornillos, con la conexión así expuesta se consigue la independencia mecánica entre los distintos módulos semiconductores (2). Cada módulo semiconductor (2) del ensamblaje de un stack de potencia objeto de la invención comprende una sonda de temperatura (21 ) que se fija a cada módulo semiconductor (2) mediante uno de los seis tornillos con los que el modulo semiconductor (2) se fija a la base de fijación (7).
El ensamblaje de un stack de electrónica de potencia comprende al menos un driver (15) que está configurado como una placa PCB que permite operar el módulo semiconductor (2), es decir es un acondicionador de señal, ya que desde el sistema de control se envían señales ópticas que el driver acondiciona y transforma en señales eléctricas que son las que el módulo semiconductor (2) necesita para operar.
El driver (15) se fija a una placa de fijación (11 ) mediante un tornillo, y la placa se fija al elemento radiador (1 ) mediante dos tornillos.
El ensamblaje de un stack de electrónica de potencia objeto de la invención comprende un bus (17) que une entre sí los componentes eléctricos del ensamblaje; dicho bus (17) es de configuración multicapa con capas paralelas, formada por unas placas conductoras ( 8) y unas placas aislantes ( 9). En la figura 1 se puede observar la configuración de las capas paralelas con una configuración que es: placa aislante (19) - placa conductora (18) - placa doble aislante (19) - placa conductora (18) - placa aislante (19).
Las placas conductoras (18) están fabricadas de material a elegir entre aluminio y cobre, según la necesidad de la densidad de corriente de la aplicación final del ensamblaje de un stack de electrónica de potencia.
Las placas aislantes (19), en la realización preferente de la invención, están fabricadas en kevlar, que es un material que presenta una baja conductividad eléctrica, por lo que el espesor de este material puede ser muy pequeño, reduciendo el área que queda entre las placas conductoras (18). De este modo la inductancia parásita entre los componentes eléctricos es lo más pequeña posible y se reduce el estrés por sobretensión en los módulos semiconductores (2).
El bus ( 7) comprende unos conectores (no representados en las figuras) para la conexión con otros ensamblajes de stacks de electrónica de potencia permitiendo poner en paralelo múltiples ensamblajes de stacks de electrónica de potencia, obteniendo de esta manera configuraciones en puente trifásico de 2 niveles y 3 niveles de tensión, configuración en paralelo de puentes trifásicos, o una configuración tipo "Back to Back" en 2 o en 3 niveles de tensión.
Finalmente el stack de electrónica de potencia comprende un bastidor (20) que, en la realización preferente de la invención, aloja una pluralidad de condensadores (16), tal que el bastidor (20) se sitúa en el elemento radiador (1 ) en el lado opuesto en el que el citado elemento radiador (1) incorpora los alojamientos (5) para los módulos semiconductores (2).
En este epígrafe se ha descrito una realización preferente de la invención; a partir de lo aquí descrito se podrán desarrollar otras realizaciones, por tanto el alcance real de la invención lo confiere las reivindicaciones que se muestran al final de este documento.
Aplicación industrial
Este ensamblaje es de aplicación en multitud de industrias tal y como se ha expresado en el epígrafe Antecedentes de la invención, todos ellos en los que la electrónica de potencia adquiere importancia.
En la descripción anteriormente realizada se han empleado las siguientes referencias numéricas:
1. elemento radiador,
2. módulo semiconductor,
3. primer colector,
4. segundo colector,
5. alojamiento,
6. huecos de paso de fluido,
7. base de fijación,
8. perforaciones,
9. primera juntas tórica,
0. segunda junta tórica,
11. placa de fijación,
12. tomillo de fijación,
13. conector rápido,
14a, 14b. sondas de temperatura del fluido,
15. driver,
16. condensador, 17. bus,
18. placa conductora,
19. placa aislante,
20. bastidor, y
21. sondas de temperatura del módulo semiconductor

Claims

REIVINDICACIONES
1. Ensamblaje de un stack de electrónica de potencia caracterizado porque comprende
- al menos un elemento radiador (1 ) por donde circula un fluido refrigerante, donde el elemento radiador (1 ) comprende al menos un alojamiento (5),
- al menos una base de fijación (7) en al menos un alojamiento (5),
- al menos un módulo semiconductor (2) fijado a al menos una base de fijación (7),
- al menos un elemento driver (15), fijado sobre al menos un módulo semiconductor (2),
- al menos un condensador (16),
- un bus ( 7) que une los componentes eléctricos del ensamblaje, donde, el al menos un, alojamiento (5) del elemento radiador (1 ) comprende al menos un huecos (6) por donde pasa el fluido refrigerante hacia un canal que surge entre la base de fijación (7) y el módulo semiconductor (2) contactando dicho fluido refrigerante directamente con al menos un módulo semiconductor (2).
2. Ensamblaje de un stack de electrónica de potencia según la reivindicación 1 caracterizado porque el elemento radiador (1 ) comprende un primer colector (3) y un segundo colector (4) de modo que el fluido refrigerante pasa del primer colector (3) al segundo colector (4) por el canal que surge entre la base de fijación (7) y el módulo semiconductor (2) contactando y refrigerando el módulo semiconductor (2).
3. Ensamblaje de un stack de electrónica de potencia según la reivindicación 2 caracterizado porque el fluido refrigerante que pasa por el primer colector (3) y el segundo colector (4) lo hace en la misma dirección, refrigerando de modo directo los módulos semiconductores (2).
4. Ensamblaje de un stack de electrónica de potencia según las reivindicaciones anteriores caracterizado porque el elemento radiador (1 ) comprende un conector rápido (13) para la carga del fluido refrigerante en el interior tanto del primer colector (3) como del segundo colector (4).
5. Ensamblaje de un stack de electrónica de potencia según las reivindicaciones anteriores caracterizado porque, para cada módulo semiconductor (2) comprende: - la base de fijación (7) siendo dicha base de fijación (7) independiente para cada módulo semiconductor (2), independizando los módulos semiconductores unos de otros,
- una primeras juntas toncas (9) entre el elemento radiador (1 ) y la base de fijación (7) que aseguran una estanqueidad en la unión de la base de fijación (7) con el elemento radiador (1 ),
- unas segundas juntas tóricas (10) que asegura la estanqueidad de las uniones entre los módulos semiconductores (2) y la base de fijación (7),
donde el canal que surge entre la base de fijación (7) y el módulo semiconductor (2) tiene un espesor menor a 1 mm, y está diseñado para obtener la menor resistencia térmica entre cada módulo semiconductor (2) y el fluido refrigerante.
6. Ensamblaje de un stack de electrónica de potencia según la reivindicación 5 caracterizado porque las bases de fijación (7) comprenden una pluralidad de perforaciones (8) que se sitúan en correspondencia con los huecos de paso de fluido (6) del elemento radiador (1 ).
7. Ensamblaje de un stack de electrónica de potencia según las reivindicaciones anteriores caracterizado porque el driver (15) se fija:
- a cada módulo de potencia (2) mediante al menos un tornillos y
- al elemento radiador (1 ) por medio de una placa de fijación (11 ), tal que la placa se fija por un extremo mediante al menos un tornillo al elemento radiador (1 ) y por el otro extremo mediante un tornillo al driver (15).
8. Ensamblaje de un stack de electrónica de potencia según las reivindicaciones anteriores caracterizado porque el bus (17) que une los componentes eléctricos del ensamblaje es un bus (17) de configuración multicapa con capas paralelas, formada por placas conductoras (18) y placas aislantes (19).
9. Ensamblaje de un stack de electrónica de potencia según la reivindicación 8 caracterizado porque:
- las placas conductoras (18) están fabricadas de material a elegir entre aluminio y cobre, y
- las placas aislantes (19) están fabricadas en kevlar,
donde el bus (17) fabricado con estos materiales presenta una inductancia parásita lo más pequeña posible.
10. Ensamblaje de un stack de electrónica de potencia según las reivindicaciones anteriores caracterizado porque admite módulos semiconductores a elegir entre módulos de 130 mm y 190 mm, y de hasta 6.5 kV.
11. Ensamblaje de un stack de electrónica de potencia según las reivindicaciones anteriores caracterizado porque el elemento radiador (1 ) está fabricado en aluminio mediante extrusión, reduciendo los costes de fabricación.
12. Ensamblaje de un stack de electrónica de potencia según las reivindicaciones anteriores caracterizado porque el bus comprende unos conectores para la conexión con un ensamblaje de stack de electrónica de potencia adicional para poner en paralelo ensamblajes de stack de electrónica de potencia.
13. Ensamblaje de un stack de electrónica de potencia según las reivindicaciones anteriores caracterizado porque comprende un bastidor (20) que aloja al menos un condensador (16).
14. Ensamblaje de un stack de electrónica de potencia según las reivindicaciones anteriores caracterizado porque comprende unas sondas de temperatura (14a, 14b) en el elemento radiador (1 ) que miden la temperatura del fluido refrigerante.
15. Ensamblaje de un stack de electrónica de potencia según las reivindicaciones anteriores caracterizado porque comprende unas sondas de temperatura de los módulos semiconductores (21 ) fijadas a los módulos semiconductores (2) mediante al menos un tornillo que miden la temperatura de los propios módulos semiconductores (2).
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