ES2224088T3 - Rele semiconductor de potencia con contacto de presion. - Google Patents
Rele semiconductor de potencia con contacto de presion.Info
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Abstract
Relé semiconductor comprendiendo un sustrato cerámico (10) con una superficie (14) estructurada recubierta de metal, componentes semiconductores (16) dispuestos de forma adecuada para la conexión, a una carcasa (22, 24) de varias piezas con escotaduras (240) para la fijación sobre un cuerpo base o de refrigeración, superficies de contacto (142) del sustrato (10) a los elementos de conexión de potencia (34) que lleva a los elementos de contacto (40), de otras superficies de contacto (144) del sustrato a elementos de conexión (36) que llevan a un elemento de conexión auxiliar (334, 36) a un dispositivo de mando (50), estando realizados estos elementos de conexión (34, 36) elásticos en una sección parcial, estos elementos de conexión (34, 36) están contactados mediante pasos y/o escotadura (224, 226) del primer cuerpo (22) y/o otro cuerpo parcial (24) de la carcasa con el sustrato y estos elementos de conexión (34, 36) así como los elementos de contacto están fijados en su posición por una primera pieza de la carcasa, unidos entre sí, mediante una conexión (22) y otra conexión (24) elásticas.
Description
Relé semiconductor de potencia con contacto de
presión.
La presente invención describe la estructura de
un relé semiconductor como alternativa de coste ventajoso y potente
a los componentes electromecánicos del estado actual de la técnica
descrito muchas veces. Los relés de semiconductores se utilizan
para la maniobra definida de una conexión de mando de una carga de
corriente alterna. La estructura de principio de tales relés
semiconductores de interruptores en conexión antiparalela es desde
hace mucho tiempo conocida.
La estructura interna de un relé semiconductor se
conoce, por ejemplo, por el documento DE 43 13 882 C1. La estructura
mecánica, según el estado actual de la técnica presenta un
sustrato, generalmente con placa base. Sobre este sustrato se han
dispuesto y unidos los interruptores de semiconductores con un
circuito adecuado. Además, los semiconductores, según el estado de
la técnica, presenta un dispositivo de mando para la excitación del
interruptor semiconductor. El dispositivo de mando, así como el
sustrato o los interruptores semiconductores que se encuentran en
él están unido entre sí mediante conexiones rígidas soldadas. Los
elementos de contacto para la conexión de los conductores de
corriente externos a conectar están asimismo unidos mediante
elementos de conexión soldados con el sustrato o los interruptores
semiconductores.
Es desventajoso en el estado actual de la técnica
que el proceso de fabricación comprende una pluralidad de procesos
de soldadura individuales de conexiones rígidas y de este modo no
es fácilmente accesibles toda la estructura a una fabricación
racional. Es desventajoso, además, que los contacto soldados con
uniones rígidas se limitan en su duración, especialmente con un gran
número de cambios de temperatura.
La presente invención tiene por objetivo proponer
un relé semiconductor, que comprende, un sustrato con componentes
semiconductores dispuestos en él, una carcasa, así como elementos
de conexión y elementos de contacto, sustituyendo las conexiones
rígidas de la técnica de soldadura a los elementos de conexión
mediante alternativas duraderas, que permiten un contactado
eléctrico seguro durante toda la vida, así como un contactado
térmico seguro con un cuerpo base o de refrigeración y que es
accesible a un procedimiento de fabricación simple que se puede
automatizar.
El objetivo se consigue mediante las medidas de
la reivindicación 1. Otras configuraciones ventajosas se citan en
las subreivindicaciones.
La idea base de la invención es proponer un relé
semiconductor, con contactos de presión, con un cuerpo base o de
refrigeración, formado de un sustrato cerámico (10), una carcasa de
varias piezas y los elementos de contacto y de conexión dispuestas
allí y de un dispositivo de mando para la excitación de los
componentes semiconductores.
El sustrato es de un cuerpo base cerámico, con
una superficie recubierta de metal estructurada y dispuesta
adecuada para la conexión y en parte con otros componentes
semiconductores unidos con las otras piezas de la superficie
recubierta de metal y ventajosamente otros componentes, por ejemplo,
un sensor de temperatura.
La conexión eléctrica entre las superficies de
contacto, las piezas de la superficie recubierta de metal del
sustrato, y el elemento de contacto para la conexión de los
conductores de corriente a conectar o el dispositivo de mando, se
consigue mediante elementos de conexión, que están realizados
elásticos con una sección parcial.
La carcasa comprende varios cuerpos parciales
rígidos, que a su vez están formados de plástico aislante
eléctrico. Un primer cuerpo parcial presenta en su lado inferior
una escotadura para el alojamiento del sustrato. Además, presentan
escotaduras y/o pasos para los elementos de empalme. En su lado
superior se han dispuesto elementos de unión, por ejemplo,
salientes de encaje, dispuestos para la conexión a su vez, por
ejemplo, en su cara superior una escotadura para el dispositivo de
mando, así como pasos para los elementos de conexión para su
contactado. Mediante la conexión de los dos cuerpos parciales de la
carcasa, se fijan los elementos de presión de contacto en su
posición.
La carcasa presenta, además, escotadura para la
conexión del conductor de corriente a conectar con los elementos de
contacto correspondientes así como para la fijación que realiza el
contactado a presión de un cuerpo base o de refrigeración.
El contactado eléctrico seguro de todos los
elementos de conexión con las superficies de contacto del sustrato,
los elementos de contacto y el dispositivo de mando se produce sólo
por la unión de la carcasa con un cuerpo base o de refrigeración.
Para ello, se ejerce presión sobre los elementos de conexión
realizados elásticos y gracias a su fuerza de muelle se produce el
contactado eléctrico seguro, así como el contactado térmico con el
cuerpo base o de refrigeración.
La idea base de la invención, se puede modificar
pudiendo por lo menos un elemento de conexión configurado elástico
en una zona parcial con el sustrato en unión de material, por
ejemplo, mediante soldadura.
Es ventajoso en esta configuración que, mediante
la configuración elástica en una zona parcial, se evitan los
problemas conocidos de las conexiones rígidas, por ejemplo, de la
durabilidad con un gran número de cambios de temperatura.
También con esta configuración, se produce el
contactado eléctrico seguro de todos los elementos de conexión no
soldados con las superficies de contacto del sustrato, de todos los
elementos de conexión con los elementos de contacto y del
dispositivo de mando sólo mediante la unión de la carcasa con un
cuerpo base o de refrigeración.
Mediante las figuras 1 a 4 se explicarán
especiales configuraciones de las soluciones según la invención.
La figura 1 muestra un sustrato de un relé
semiconductor.
La figura 2 muestra un primer cuerpo parcial de
una carcasa.
La figura 3 muestra otro cuerpo parcial de una
carcasa.
La figura 4 muestra un dibujo de un relé
semiconductor desmontado según la invención.
La figura 1 muestra un sustrato (10) de un relé
semiconductor, que comprende un cuerpo base cerámico (12) de óxido
de aluminio o de nitruro de aluminio, superficies (14) recubiertas
de cobre dispuestas encima. Dispuesta sobre éstas superficies se
encuentran los interruptores de potencia, en este caso dos
tiristores (16) en conexión antiparalela. Estos tiristores están
unidos con la superficie recubierta de cobre asignadas a ellos
mediante soldadura. Las conexiones con otras superficies
recubiertas de cobre se realiza mediante uniones por alambre (18).
De forma ventajosa, se han previsto en este sustrato otros
superficies para el alojamiento de, por ejemplo, sensores, como un
sensor de temperatura para el control de la temperatura del
interruptor de potencia. En las superficies recubiertos de cobre
(14) se han dejado zonas libres (142, 144) para la unión conductora
eléctrica en otros elementos de conexión a describir. Las zonas
(142) se utilizan como puntos de contacto para los elementos de
conexión de potencia, las zonas (144) como puntos de contactos para
los elementos auxiliares de conexión, como por ejemplo, el mando de
las puertas de tiristores (16) o para tomar los datos de los
sensores. De forma ventajosa el reverso del sustrato está dotado
asimismo de un recubrimiento de cobre, generalmente en toda la
superficie.
La figura 2 muestra un primer cuerpo parcial (22)
de una carcasa, tanto en representación tridimensional (figura 2a)
como también en sección longitudinal (figura 2b) por el centro del
cuerpo parcial, por la línea A-A. Este primer
cuerpo parcial presenta en su lado inferior una escotadura (228)
para el alojamiento del sustrato (10). El sustrato está fijado en
la superficie del sustrato mediante una sustancia adherente, que al
mismo tiempo, se puede aplicar en el interior del cuerpo parcial
sobre la superficie del sustrato y se utiliza allí como aislante
eléctrico de los componentes. Como material apropiado han resultado
para ello el caucho de silicona. El cuerpo parcial (22), presenta
además, orificios y/o escotaduras (224, 226), que se utilizan para
el alojamiento de elementos mecánicos de conexión (34, 36), así
como elementos de contacto (40). Las escotaduras (224) dotadas de
orificios se han dispuesto de tal manera que los orificios se
encuentra directamente en la continuación de una perpendicular
imaginaria, procedente de los puntos de contacto (42) a los
elementos de conexión de potencia sobre el sustrato (10). Los
orificios (226) se han dispuesto de la misma manera, por encima de
los puntos de contacto (44), de las conexiones auxiliares del
sustrato (10).
El primer cuerpo parcial (22) presenta en su lado
superior, además, cuatro salientes de encaje (222) para la conexión
con otro cuerpo parcial (24), encajando los salientes de encaje en
los correspondiente contrasoportes del otro cuerpo parcial.
La figura 3 muestra otro cuerpo parcial (24) de
una carcasa, tanto en representación tridimensional (figura 3a)
como también en sección longitudinal (figura 3b), por el centro del
cuerpo parcial por la línea A-A. Este otro cuerpo
parcial presenta en su lado superior una escotadura (252) para el
alojamiento del dispositivo de mando (50), véase más adelante. Los
salientes de encaje (250) se utilizan para la fijación de esta
unidad de mando (50) en la escotadura (252).
El cuerpo parcial (24) presenta, además,
orificios y/o escotaduras (246, 248), que se utilizan para el
alojamiento de elementos metálicos de conexión (34, 36) así como
elementos de contacto (40), véase más adelante. Los orificios (248)
se han dispuesto de tal manera que se encuentran en la prolongación
de los orificios (226) de primer cuerpo parcial (22) y terminan en
la escotadura (252). La escotadura (246) se utiliza para el
alojamiento de elementos de contacto (40), la escotadura (242) para
la alimentación de un conductor de corriente al elemento de
conexión así como la escotadura (244) para el mando de los elementos
de contacto.
Las escotadura (240) se utiliza para la fijación
de la carcasa sobre un cuerpo base o de refrigeración y de este
modo a la introducción de presión en la carcasa después del montaje
del primer y segundo cuerpo parcial. Con este montaje, encajan los
salientes de encaje (222) del primer cuerpo parcial en
contrasoporte dispuestos correspondientemente del segundo cuerpo
parcial.
La figura 4 muestra un dibujo de un relé
semiconductor, desmontado, así como de sus componentes más
importantes. El relé semiconductor está formado de un sustrato
(10), el primer cuerpo parcial (22) de la carcasa, elementos de
conexión de potencia (34) y auxiliares (36), elementos de contacto
(40), otro cuerpo parcial (24) de la carcasa así como de un
dispositivo de mando (50). La carcasa, así como el sustrato se han
descrito ya exhaustivamente mediante las figuras 1 a 3.
Para la activación de un relé semiconductor no se
puede renunciar a un dispositivo de mando (50), ya que éste
convierte los comandos existentes como señales pequeñas en impulsos
de excitación para el interruptor de semiconductor (16). Este
dispositivo de mando puede realizar, además, otras tareas, por
ejemplo, el control de temperatura del interruptor semiconductor.
Para esta excitación o control debe haber conexiones conductoras
eléctricas entre el dispositivo de mando (50) y el sustrato (10).
Para ello se utilizan los elementos de conexión auxiliares (36)
realizados elásticos en una sección parcial. Estos elementos de
conexión auxiliares van desde el sustrato (10) o desde la
superficie de contacto (44) previstas hasta la cara posterior del
dispositivo de mando (50). Se conducen estos elementos de conexión
auxiliares mediante las aberturas (226 ó 252) del primer cuerpo
(22) o de otro cuerpo parcial de la carcasa.
Para la conexión del conductor de corriente
externo con el interruptor de semiconductor el relé semiconductor
presenta elementos de contacto (40), así como estos elementos de
conexión de potencia (34) que se unen con el sustrato. Los
elementos de contacto se han realizado como bornes según el estado
de la técnica, con un tornillo de borne para el contactado
eléctrico seguro. La carcasa presenta para ello escotaduras (242,
244). Mediante las escotaduras (242) se alimentan los conductores
de corriente, y mediante los tornillos de borne, que se manejan
desde las escotadura (244), se fijan en los elementos de
contacto.
La conexión eléctrica conductora entre los
elementos de contacto (40) y el interruptor semiconductor (16),
dispuesto sobre el sustrato (10), se produce mediante el elemento
de conexión de potencia (34), configurado elástico en una sección
parcial. Para ello se fija una lengüeta del elemento de conexión de
potencia junto con el conductor de corriente en el elemento de
contacto (40) mediante el tornillo de borne correspondiente. El
contacto con el interruptor de semiconductor correspondiente se
produce mediante dos lengüetas realizadas elásticas de elementos de
conexión de potencia, así como de los puntos de contacto (42) del
sustrato.
El montaje del componente semiconductor empieza
con la unión adherente del sustrato (10) con el primer cuerpo
parcial (22) de la carcasa. Con ello, no se realiza ninguna unión
rígida, sino elástica de sus dos piezas, que sirve exclusivamente
para una fijación. Como material para esta conexión es adecuado,
por ejemplo, un caucho de silicona elástico.
A continuación, se equipa el primer cuerpo
parcial (22) de la carcasa con elementos de conexión auxiliares
(36) de potencia (34) y de contacto (40). Estos se disponen en las
en los pasos o escotaduras (224, 226) previstos para ello. Los
elementos de conexión de potencia (34) se pueden unir adicionalmente
con los puntos de contacto (22), por ejemplo, mediante un
procedimiento de soldadura por inducción por unión de material. En
general se precisa otra operación de relleno de los componentes
(16) del sustrato con un material elástico eléctricamente aislante,
preferentemente un caucho de silicona, similar o idéntico al de la
unión del sustrato con el primer cuerpo parcial de la carcasa.
Mediante la unión del primer cuerpo parcial (22)
con el otro cuerpo parcial (24) de la carcasa con salientes de
encaje (222) y su contrasoporte se fijan los elementos de conexión
(34, 36) y el elemento de contacto (40) en su posición. Después de
la fijación de la unida de mando (50) mediante los salientes de
encaje (250) se ha terminado el montaje del relé semiconductor.
Debido a éstas simples operaciones de fabricación, especialmente
flexible, el relé semiconductor a una fabricación automatizada.
Este estado de fabricación no existe sin la unión de soldadura
opcional anteriormente citada ninguna conexión eléctrica segura
entre el sustrato y el elemento de contacto o unidad de mando.
Una conexión eléctrica segura de todos los puntos
de contacto se garantiza sólo mediante el montaje a presión en un
cuerpo base o de refrigeración. Mediante los tornillos guiados a
través de las escotadura (240), se fija el relé semiconductor en un
cuerpo base o de refrigeración. Con ello se introduce a través de
la carcasa una presión que a su vez origina un contactado térmico
seguro del sustrato en el cuerpo base o de refrigeración, que por
otra parte ejerce una presión sobre el elemento de potencia de
conexión de tal manera que se alcanza un contactado eléctrico seguro
de éste con el sustrato. Para ello, la configuración elástica en
una sección parcial del elemento de tensión de potencia es una
condición necesaria. Ésta permite una fuerza de apriete permanente
sobre las superficies de contacto (142), independientemente de la
dilatación térmica de la carcasa o de otro efecto influyente sobre
toda la vida del relé semiconductor.
Con una unidad de mando ya montada, se ejerce
presión asimismo mediante la fijación de la carcasa sobre el cuerpo
base o de refrigeración los elementos de conexión auxiliares (36).
Mediante su configuración elástica en una sección parcial, se
alcanza de este modo un contactado eléctrico seguro entre las
superficies de contacto (144) del sustrato y de la unidad de mando.
La configuración elástica, en combinación con el contactado a
presión, llevan a una duración del relé semiconductor segura y
debido a la fuerza de presión permanente a un contactado
cualitativamente constante.
Claims (8)
1. Relé semiconductor comprendiendo un sustrato
cerámico (10) con una superficie (14) estructurada recubierta de
metal, componentes semiconductores (16) dispuestos de forma
adecuada para la conexión, a una carcasa (22, 24) de varias piezas
con escotaduras (240) para la fijación sobre un cuerpo base o de
refrigeración, superficies de contacto (142) del sustrato (10) a los
elementos de conexión de potencia (34) que lleva a los elementos de
contacto (40), de otras superficies de contacto (144) del sustrato
a elementos de conexión (36) que llevan a un elemento de conexión
auxiliar (334, 36) a un dispositivo de mando (50), estando
realizados estos elementos de conexión (34, 36) elásticos en una
sección parcial, estos elementos de conexión (34, 36) están
contactados mediante pasos y/o escotadura (224, 226) del primer
cuerpo (22) y/o otro cuerpo parcial (24) de la carcasa con el
sustrato y estos elementos de conexión (34, 36) así como los
elementos de contacto están fijados en su posición por una primera
pieza de la carcasa, unidos entre sí, mediante una conexión (22) y
otra conexión (24) elásticas.
2. Relé semiconductor, según la reivindicación 1,
caracterizado porque el dispositivo de mando (50) está fijado
mediante salientes de encaje (250) en una escotadura (222) de la
otra pieza de la carcasa (24).
3. Relé semiconductor, según la reivindicación 1,
caracterizado porque el sustrato (10) está fijado mediante
un material adherente en una escotadura (228) del primer cuerpo
parcial (22) de la carcasa.
4. Relé semiconductor, según la reivindicación 1,
caracterizado porque el material adherente es un caucho de
silicona, que aísla los componentes semiconductores (16)
eléctricamente uno de otro.
5. Relé semiconductor, según la reivindicación 1,
caracterizado porque los elementos de conexión de potencia
(34) están unidos en unión de material con superficies de contacto
(142) del sustrato (10).
6. Relé semiconductor, según la reivindicación 1,
caracterizado porque el sustrato (10) es de óxido de
aluminio o de nitruro de aluminio.
7. Relé semiconductor, según la reivindicación 1,
siendo los elementos semiconductor tiristores y sensores.
8. Relé semiconductor, según la reivindicación 1,
estando unidos los componentes semiconductores por unión de
material con el recubrimiento metálico (14) del sustrato (10) y por
lo menos presenta en parte uniones de hilo metálico (18) hacia los
otros recubrimientos metálicos.
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