ES2328124T3 - Procedimiento para la supervision de elementos de semiconductor de potencia. - Google Patents
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Abstract
Un procedimiento para la supervisión de una disposición de circuito que consiste en lo menos dos superficies de contacto eléctricamente separadas mutuamente (10) con la misma funcionalidad o por lo menos dos grupos eléctricamente separados mutuamente de superficies de contacto (10) con la misma funcionalidad, en el que las superficies de contacto de un grupo están eléctricamente conectadas de forma conductora una a otra, estas superficies de contacto (10) están dispuestas en por lo menos un módulo de semiconductor de potencia (1, 27) y cada superficie de contacto eléctricamente separada o cada grupo de superficies de contacto eléctricamente separadas está eléctricamente conectado de forma conductora al punto neutro (22, 31) de por lo menos una conexión de estrella a través de por lo menos un componente activo o pasivo (21, 30) y todas las superficies de contacto eléctricamente separadas o todos los grupos eléctricamente separados de superficies de contacto están conectados eléctricamente de forma conductora a por lo menos una superficie de contacto adicional (16, 19) la cual está dispuesta exteriormente al módulo o a los módulos de semiconductor de potencia y ambos, el punto neutro (22, 31) y las superficies de contacto (16, 19) se conducen exteriormente con el propósito de evaluar el potencial, caracterizado porque, durante el funcionamiento, la diferencia de potencial entre los puntos neutros (22, 31) y la superficie de contacto adicional (16, 19) exterior al módulo de semiconductor de potencia se supervisa y la señal obtenida se utiliza para la detección del fallo de uno o de una pluralidad de conexiones eléctricamente conductoras a un módulo de semiconductor de potencia.
Description
Procedimiento para la supervisión de elementos
de semiconductor de potencia.
La invención describe un procedimiento, para una
disposición de un circuito, para la supervisión del contacto de las
conexiones de soldadura de hilos o bien otras conexiones
eléctricamente conductoras con módulos de semiconductor de
potencia, particularmente en el caso de módulos de semiconductor de
potencia de transistores bipolares de puerta aislada (IGBT -
Insulated Gate Bipolar Transistors) y MOS-FET.
De acuerdo con la técnica anterior, las
conexiones de soldadura de hilos, las conexiones soldadas y también
las bolas de aleación para soldar son conocidas a título de ejemplo
como conexiones eléctricamente conductoras entre sustratos y
módulos de semiconductor de potencia. Garantizan la soldadura de
hilos entre un módulo de semiconductor de potencia y un sustrato,
por ejemplo, una cerámica producida de acuerdo con una conexión
directa de soldadura de hilos de cobre y para la mayor parte un
revestimiento de cobre en ambos lados (para abreviar sustrato DCB -
Direct Cooper Bonding), en el interior de un módulo de semiconductor
de potencia, o pasadores de conexión (conductor soporte para
abreviar) de un alojamiento discreto.
En las figuras 1 y 2 se ilustra la técnica
anterior a título de ejemplo sobre la base de un módulo de
semiconductor de potencia. La figura 1 muestra la construcción
principal de un módulo de semiconductor de potencia en sección
transversal así como las tecnologías de conexión de soldadura de
hilos actuales. Lo que se representa es un módulo de semiconductor
de potencia (1), la primera superficie de cobre (2) del sustrato
DCB, superficie la cual está encarada al módulo de semiconductor de
potencia y está integralmente estructurada, la cerámica
eléctricamente aislante (3), la segunda superficie de cobre (4) del
sustrato DCB, superficie la cual está encarada a una placa base o
disipador de calor, la placa base o el disipador de calor (5), la
conexión soldada (6) entre el módulo de semiconductor de potencia
(1) y la primera superficie de cobre (2), la capa intermedia (7)
entre la segunda superficie de cobre (4) y la placa base o
disipador de calor (5) y una conexión de soldadura de hilos (8)
entre el módulo de semiconductor de potencia y la superficie de
cable (2) del sustrato DCB. Aquí, la capa intermedia (7) tanto es
una conexión de material de aleación para soldar como una capa
conductora del calor enrasada. El contacto trasero del módulo de
semiconductor de potencia (en el lado encarado al sustrato), por
ejemplo el colector en el caso de un transistor bipolar de puerta
aislada (IGBT) como módulo de semiconductor de potencia (1), con la
primera superficie de cobre (2), se puede realizar por medio de una
junta de aleación para soldar (6). Las conexiones delanteras del
módulo de semiconductor de potencia, por ejemplo la puerta y el
emisor de un transistor bipolar de puerta aislada (IGBT),
preferiblemente en cada caso están conectadas a uno o a una
pluralidad de zonas de conexión de la primera superficie de cobre
(2) del sustrato DCB, zonas las cuales están hasta cierto punto
aisladas unas de otras, por medio de conexiones de soldadura de
hilos (8). La corriente que se va a conmutar con la ayuda del
módulo de semiconductor de potencia fluye a través de ambas, la
conexión de aleación para soldar de área grande (6) en la parte
trasera del módulo de semiconductor de potencia y las conexiones de
soldadura de hilos del emisor (8) en la parte delantera del módulo
de semiconductor de potencia. Incluso únicamente una destrucción
parcial de una de las dos tecnologías de soldadura de hilos
inevitablemente conduce a la pérdida de la capacidad de transportar
corriente y por consiguiente al fallo de la tecnología de soldadura
de hilos. El fallo a menudo no está causado por los procesos
eléctricos aquí, sino por procesos adicionales, tales como por
ejemplo, a título de ejemplo, cargas mecánicas o cambios en las
propiedades materiales debidas a tensiones alternativas
térmicas.
La figura 2 muestra, a título de ejemplo, una
posible estructuración de un sustrato DCB (9) de acuerdo con la
técnica anterior con las conexiones de soldadura de hilos necesarias
y dos módulos de semiconductor de potencia conectados en paralelo
(1) soldados sobre una superficie conductora común (15), en donde
esta superficie conduce la corriente principal del módulo (esto es
el colector en el caso de un transistor bipolar de puerta aislada
(IGBT). Las conexiones de los módulos de semiconductor de potencia
en el lado encarado alejado del sustrato tienen lugar por medio de
superficies de contacto en la superficie del sustrato. Éstas están
también designadas como adaptadores de soldadura de hilos los
cuales tienen diferentes funciones. Por una parte, conducen la
corriente principal y constituyen el nodo de referencia para el
circuito de control. En el caso de un transistor bipolar de puerta
aislada (IGBT), éstos están designados como adaptadores de soldadura
de hilos del emisor (10). Por otra parte, sirven para controlar el
módulo de semiconductor de potencia, designado como un adaptador de
la puerta (11) a título de ejemplo en el caso de un transistor
bipolar de puerta aislada (IGBT). Las conexiones a las superficies
de cobre aisladas (16, 18, 19) del sustrato DCB están realizadas por
medio de conexiones de soldadura de hilos (12, 13, 14). Las
conexiones de soldadura de hilos de modo similar poseen diferentes
funciones en este caso. Las conexiones de soldadura de hilos
requeridas para conducir la corriente principal están designados
como conexiones de soldadura de hilos del emisor (14), las
conexiones de soldadura de hilos requeridas para el control como
las conexiones de soldadura de hilos de la puerta (12) y las
conexiones al nodo de referencia como una conexión auxiliar de
soldadura de hilos del emisor (13). La conexión auxiliar de
soldadura de hilos del emisor (13) puede, a título de ejemplo, estar
construido como una extensión de una conexión de soldadura de hilos
del emisor (14), en donde, en comparación con una conexión de
soldadura de hilos del emisor (14), la conexión auxiliar de
soldadura de hilos del emisor (13) posee la característica
distintiva de que no tiene una corriente principal que fluye a
través del mismo. Por lo tanto, los efectos degenerativos en el
circuito de control debido al flujo de corriente en el circuito
principal se hacen mínimos. Cuando se conecta una pluralidad de
transistores bipolares de puerta aislada (IGBT) en paralelo también
se acostumbra a recoger el potencial auxiliar en la barra colectora
del emisor (16) y administrada con la conexión auxiliar de soldadura
de hilos.
Las conexiones de soldadura de hilos de la
puerta (12) conectan los adaptadores de soldadura de hilos de la
puerta (11) a las resistencias en serie de la puerta (17) las cuales
están dispuestas en la barra colectora de la puerta (18). De
acuerdo con la técnica anterior, las resistencias de la puerta (17)
también pueden estar integradas dentro del módulo de semiconductor
de potencia, entonces los adaptadores de soldadura de hilos de la
puerta (11) están conectados directamente a la barra colectora de la
puerta (18).
La desconexión de una conexión de soldadura de
hilos del emisor (14) produce una interrupción del flujo de
corriente a través de la conexión de soldadura de hilos
desconectado. Por consiguiente, la corriente se divide entre las
restantes conexiones de soldadura de hilos del emisor. Esto conduce
a una carga creciente y una probabilidad incrementada de fallo de
las conexiones de soldadura de hilos del emisor hasta el momento
intactas (14). Como resultado, conexiones de soldadura de hilos del
emisor adicionales (14) se desconectan, hasta que deje de existir
conexión alguna desde la barra colectora del emisor (16) hasta los
adaptadores de soldadura de hilos del emisor (10) del módulo de
semiconductor de potencia.
En módulos de semiconductor de potencia de
comportamiento superior, una pluralidad de módulos de semiconductor
de potencia están generalmente conectados en paralelo. En el caso de
fallo de todos las conexiones de soldadura de hilos del emisor de
una pastilla, lo cual generalmente ocurre entonces es un fallo
inmediato del módulo. En el caso de que el módulo no falle
inmediatamente, la carga de los módulos de semiconductor de potencia
todavía intactos aumenta, lo cual a su vez reduce sus vidas útiles.
Como una consecuencia adicional, las conexiones de soldadura de
hilos se desconectan de los módulos de semiconductor de potencia
adicionales hasta que ocurre la destrucción de todos los módulos de
semiconductor de potencia debido a la sobrecarga eléctrica o
térmica.
De acuerdo con la técnica anterior, son
conocidos los indicadores de fallo para los módulos de potencia con
fines de diagnóstico y para un reconocimiento temprano del fallo.
Por lo tanto, una junta de aleación para soldar de la pastilla la
cual se separa, así como las conexiones de soldadura de hilos los
cuales se desconectan produciendo un incremento en el voltaje
directo del semiconductor de potencia en el estado de conectado o
una elevación de la resistencia térmica. Estas variables sin embargo
no son accesibles durante el funcionamiento.
En el documento US 2001/0019169 A1, las
resistencias están conectadas en el interior del módulo entre
conexiones principales las cuales son conducidas hacia fuera
separadamente, a fin de verificar el contacto eléctrico entre el
pasador de conexión y un contacto de soldadura de hilos de un módulo
de potencia por medio de las relaciones de resistencia
resultantes.
En el documento US 2002/0024135 A1, diversas
conexiones cruzadas se describen entre módulos de semiconductor de
potencia conectados en paralelo, a fin de, a través de diferentes
acoplamientos por medio de inductancias diferentes, conseguir una
alta simetría cuando se conectan los módulos de potencia conectados
en paralelo y por último evitar vibraciones. Las conexiones
cruzadas se realizan directamente por medio de conexiones de
soldadura de hilos entre los módulos así como indirectamente a
través de superficies de soldadura de hilos en el conductor soporte
o un sustrato. Las conexiones de soldadura de hilos así como las
superficies de soldadura de hilos en este caso realizan diversas
inductancias entre los componentes desde un punto de vista
eléctrico. Todas las medidas tienen como propósito un mejor
acoplamiento de los componentes conectados en paralelo en el
interior del módulo, a fin de evitar oscilaciones cuando se
desconecte.
También son conocidos procedimientos, a título
de ejemplo, a partir del documento EP 0 752 593 A2, los cuales
conducen una tensión de corriente alterna de una cierta frecuencia a
través de una conexión de soldadura de hilos y determinan las
soldaduras de hilos defectuosas a partir de una medición y un
análisis de las ondas armónicas resultantes. Estos procedimientos
hasta ahora, sin embargo, han sido únicamente posibles como
mediciones especiales fuera de funcionamiento.
Adicionalmente, son conocidos dispositivos para
detectar el desacoplamiento de una conexión de soldadura de hilos
sobre la base de una evaluación mecánica. En ese caso, se mide la
adherencia de las conexiones de soldadura de hilos por medio de
fuerzas de resorte. Un incremento en la fiabilidad únicamente se
puede conseguir con un alto grado de desembolso técnico, elevados
costes y el espacio requerido para ello, sin embargo. Incluso este
procedimiento, al igual que todos los procedimientos mencionados
hasta ahora, es únicamente conocido como una instalación de
laboratorio.
El objeto de la presente invención es presentar
un procedimiento para una disposición de circuito, a fin de
detectar, durante el funcionamiento, el fallo del contacto de las
conexiones eléctricamente conductoras, especialmente conexiones de
soldadura de hilos, de una superficie de contacto de un módulo de
semiconductor o un grupo de superficies de contacto eléctricamente
conectadas de forma conductora de un módulo de semiconductor a una
superficie de contacto adicional exterior al elemento de
semiconductor, por ejemplo en el sustrato, fallo de contacto el
cual ocurre por medio de la interrupción parcial o completa de esta
conexión eléctricamente conductora.
Este objeto se consigue por medio de las medidas
de acuerdo con la característica de la reivindicación 1.
Configuraciones ventajosas adicionales se mencionan en las
reivindicaciones subordinadas.
La idea inventiva fundamental proviene de una
disposición de circuito que consiste en por lo menos un módulo de
semiconductor de potencia y por lo menos dos superficies de contacto
eléctricamente separadas mutuamente con la misma funcionalidad o
grupos eléctricamente separados de superficies de contacto con la
misma funcionalidad. Cada módulo de semiconductor de potencia tiene
por lo menos una superficie de contacto de este tipo. Un grupo de
superficies de contacto se debe entender que significa una
pluralidad de superficies de contacto las cuales están directamente
conectadas eléctricamente de forma conductora una a otra y están
dispuestas en el mismo módulo de semiconductor de potencia. Además,
la disposición de circuito tiene por lo menos un punto neutro. Cada
superficie de contacto o cada grupo de superficies de contacto
eléctricamente separadas está conectado a este punto neutro a
través de por lo menos un componente activo o pasivo.
Además, la disposición de circuito tiene una
superficie más de contacto exterior a los módulos de semiconductor
de potencia, por ejemplo en el sustrato, superficie de contacto la
cual está conectada a las superficies de contacto de los módulos de
semiconductor de potencia, esto por ejemplo puede ser la barra
colectora del emisor.
El procedimiento de acuerdo con la invención
para la supervisión de una interrupción de una conexión entre una
superficie de contacto o un grupo de superficies de contacto en
módulos de semiconductor de potencia y una superficie de contacto
adicional exterior al módulo de semiconductor se basa en la
detección de una diferencia de potencial entre los puntos de
estrella y la superficie de contacto exterior al módulo de
semiconductor.
El procedimiento para la supervisión de una
disposición de circuito anteriormente mencionada tiene lugar, a
título de ejemplo, por medio de un circuito de supervisión y
consiste, entre otras cosas, en comparadores, en donde la señal
obtenida se utiliza para detectar el fallo de una o de una
pluralidad de conexiones eléctricamente conductoras a un módulo de
semiconductor de potencia. Aquí, la disposición de circuito para
supervisar la conexión del emisor está únicamente activa cuando el
módulo de semiconductor de potencia asignado está conectado. De
forma similar o alternativamente, la disposición de circuito para
supervisar la conexión de detección está únicamente activa cuando
el módulo de semiconductor de potencia asignado está
desconectado.
Configuraciones especiales de las soluciones
inventivas se explican utilizando las figuras 3 a 15.
La figura 3 muestra una disposición de circuito
para la aplicación del procedimiento de acuerdo con la
invención.
La figura 4 muestra la red eléctrica de la
disposición de circuito de acuerdo con la figura 3 sin un fallo del
contacto.
La figura 5 muestra la red eléctrica de la
disposición de circuito de acuerdo con la figura 3 con un fallo del
contacto.
La figura 6 muestra las características de
corriente y de voltaje en la red de acuerdo con la figura 4 para un
ciclo de conexión y desconexión de un transistor bipolar de puerta
aislada (IGBT).
La figura 7 muestra las características de
corriente y de voltaje en la red de acuerdo con la figura 5 para un
ciclo de conexión y desconexión de un transistor bipolar de puerta
aislada (IGBT).
La figura 8 muestra la red eléctrica de una
disposición de circuito para cuatro módulos de semiconductores de
potencia en dos grupos.
La figura 9 muestra un módulo de semiconductor
de potencia (IGBT) con una construcción celular de acuerdo con la
técnica anterior.
La figura 10 muestra una disposición de circuito
como una parte del módulo de semiconductor de potencia.
La figura 11 muestra una disposición de
circuito, en el que también se supervisan conexiones adicionales al
punto neutro.
La figura 12 muestra una disposición de circuito
para cuatro módulos de semiconductor de potencia en dos grupos.
La figura 13 muestra la construcción de una
disposición de circuito para la detección del fallo de las
conexiones eléctricas de acuerdo con la figura 12.
La figura 14 muestra un gráfico de la detección
de una desconexión de la conexión de soldadura de hilos del
emisor.
La figura 15 muestra un gráfico de la detección
de una desconexión de la conexión de soldadura de hilos de
detección.
Las figuras 3 a 8 muestran disposiciones del
circuito para la solución inventiva sobre la base de un módulo de
semiconductor de potencia comparable a aquellos de las figuras 1 y
2. Aquí, los grupos de superficies de contacto de la reivindicación
1 corresponden a los adaptadores de las soldaduras de hilos del
emisor para cada uno de los módulos individuales de semiconductor
de potencia de transistor bipolar de puerta aislada (IGBT). La
barra colectora del emisor corresponde a la superficie de contacto
adicional exterior al módulo de semiconductor.
La figura 3 muestra una disposición de circuito
la cual está cambiada con respecto a aquella de la figura 2. Con
este propósito, una zona de soldadura directa de hilos el cobre
adicional (22) estaba dispuesta en el sustrato DCB (9). Cada
transistor bipolar de puerta aislada (IGBT) está conectado a esta
zona de soldadura directa de hilos adicional (22) por medio de una
conexión de soldadura de hilos del emisor adicional (20) y a través
de una resistencia (21). Estas resistencias (21) están dispuestas en
este caso sobre la superficie de cobre (22) la cual está aislada de
las otras superficies de cobre. La superficie de cobre (22)
constituye de ese modo el punto neutro de una conexión en estrella
y está conectada a un circuito de evaluación.
La figura 4 muestra la red eléctrica de la
disposición de circuito de acuerdo con la figura 3 sin un fallo del
contacto de una conexión de soldadura de hilos. Debido a la conexión
óhmica baja del emisor de los transistores bipolares de puerta
aislada (IGBT) al punto neutro, esto es en el caso estático, es
decir en el período en el cual el transistor bipolar de puerta
aislada (IGBT) no cambia su estado de conmutación, no existe una
diferencia de potencial significante entre la barra colectora del
emisor (16), la conexión auxiliar (19) y el punto neutro de la red
de resistencias (22).
La figura 5 muestra la red eléctrica de la
disposición de circuito de acuerdo con la figura 3 con un fallo del
contacto de todos las conexiones de soldadura de hilos del emisor de
un transistor bipolar de puerta aislada (IGBT). Por lo tanto, no
existe conexión directa desde los adaptadores de soldadura de hilos
del emisor (10) de este transistor bipolar de puerta aislada (IGBT)
(1a) a la barra colectora del emisor (16). Una conexión conductora
a la barra colectora del emisor (16) existe exclusivamente a través
de la conexión adicional de soldadura de hilos del emisor (20) de
este transistor bipolar de puerta aislada (IGBT) (1a), a través de
la red de resistencias la cual está formada a partir de las
resistencias (21) en la superficie de cobre aislada (22), de la
conexión adicional de soldadura de hilos del emisor (20) del otro
transistor bipolar de puerta aislada (IGBT) (1b) así como las
conexiones de soldadura de hilos del emisor del último (14). El
emisor del transistor bipolar de puerta aislada (IGBT) (1a)
descubre que sus conexiones de soldadura de hilos se han separado
por medio de una retroalimentación degenerativa de corriente a
través de la red de resistencias de las resistencias (21) en la
superficie de cobre aislada (22). Esta retroalimentación
degenerativa por otra parte limita la corriente a través del
transistor bipolar de puerta aislada (IGBT) que falla, pero también
conduce a una caída del voltaje debido a las resistencias (21).
Puede tener lugar una detección porque se evalúa
la diferencia de potencial entre el punto neutro (22) y la barra
colectora del emisor (16) o la conexión auxiliar (19).
La figura 6 muestra las características de
corriente y de voltaje en la red de acuerdo con la figura 4 para un
ciclo de conexión y desconexión de un transistor bipolar de puerta
aislada (IGBT). Lo que se representa son las características
temporales de la corriente a través de dos transistores bipolares de
puerta aislada (IGBT) (23), el voltaje sobre los transistores
bipolares de puerta aislada (IGBT) (24), el voltaje en la puerta de
los transistores bipolares de puerta aislada (IGBT) (25) así como el
voltaje en el punto neutro (26). En este caso, la corriente de
carga (23) aumenta hasta aproximadamente 20A desde cero al inicio
hasta que se desconectan los transistores bipolares de puerta
aislada (IGBT). Aparte de impulsos cortos durante los flancos de
conmutación (40, 41), el voltaje (26) en el punto neutro (22) es muy
bajo.
La figura 7 muestra las características de
corriente y voltaje en la red de acuerdo con la figura 5 para un
ciclo de conexión y desconexión de un transistor bipolar de puerta
aislada (IGBT). Lo que se puede ver en comparación con la figura 6
es la diferente característica del voltaje (26) en el punto neutro
durante el intervalo de tiempo entero descrito. Por ejemplo, el
voltaje incrementa hasta valores de 900 mV (42) en el estado
conmutado aquí. Incluso durante el tiempo de retraso de la
desconexión, se puede ver (43) un incremento muy claro del voltaje
en el punto neutro (26).
Cuanto mayor es el número de transistores
bipolares de puerta aislada (IGBT) conectados en paralelo, menor, y
por tanto más difícil de evaluar, se hace la señal eléctrica en el
punto neutro (22). Esto se puede mejorar porque la señal obtenida
es alimentada a un circuito integrador el cual conduce a un
incremento en la fiabilidad de funcionamiento y por lo tanto cierta
detección.
Además, la conexión en estrella se puede formar
con diodos. Entonces, la señal en el punto neutro es independiente
del número de componentes colocados en paralelo. En este caso, será
ventajoso detectar un flujo de corriente desde el punto neutro al
circuito de evaluación.
La figura 8 muestra la red eléctrica de una
disposición de circuito para cuatro módulos de potencia en dos
grupos, en el que una pluralidad, aquí dos, de conexiones en
estrella están construidas para cuatro módulos de potencia (1a, 1b,
1c, 1d). La ramificación de la señal puede tener lugar por una parte
de forma análoga a la figura 5 entre los puntos A y C o B y D. En
el caso de una construcción simétrica también es ventajoso detectar
y evaluar la señal entre los puntos A y B.
Las configuraciones mencionadas hasta ahora de
la disposición de circuito para el procedimiento inventivo tienen
las ventajas de que no se requieren cambios ningunos en los módulos
de semiconductor de potencia, sino que únicamente se requieren
ligeros cambios en el diseño y en la tecnología de las soldaduras de
hilos así como un circuito de evaluación relativamente simple, el
cual, por ejemplo, es un componente auxiliar del circuito de control
y de supervisión del módulo de semiconductor de potencia.
Los módulos de semiconductor de potencia de
acuerdo con la técnica anterior, tales como por ejemplo transistores
bipolares de potencia, transistores bipolares de puerta aislada
(IGBT), transistores de potencia MOS y tiristores son
abrumadoramente de construcción celular. La construcción celular en
este caso se debe entender que significa que zonas de adulteración
o estructuras parciales con la misma función eléctrica en cada caso
están construidas por lo menos en grupos de dos como disposiciones
espacialmente separadas en el interior del módulo de semiconductor
de potencia. En el caso de un transistor bipolar, esto, a título de
ejemplo, pueden ser zonas de adulteración del emisor, las cuales se
multiplican dispuestas en la zona de adulteración básica como tiras,
cuadriláteros, hexágonos, etc. En el caso de un transistor bipolar
de puerta aislada (IGBT), la estructura MOS entera, a título de
ejemplo, está construida multiplicándose en el interior de la zona
del sustrato.
Lo que es característico para todas las
estructuras es que los electrodos principales y de control de los
elementos celulares están conectados entre sí por medio de
conexiones eléctricamente conductoras. En el caso de un transistor
bipolar de puerta aislada (IGBT), todas las zonas del emisor o en
bloque, las zonas del colector y las puertas están conectadas, por
ejemplo, por medio de una capa de metalización respectiva sobre el
transistor bipolar de puerta aislada (IGBT). Si no es éste el caso,
la conexión tiene lugar por medio de conexiones de soldadura de
hilos.
La figura 9 muestra un módulo de semiconductor
de potencia (IGBT) (1) con una construcción celular de acuerdo con
la técnica anterior en vista en planta. Lo que se representa
esquemáticamente es la zona de metalización del emisor (28), las
celdas del transistor bipolar de puerta aislada (IGBT) (29), los
adaptadores de soldadura de hilos del emisor (10) y el adaptador de
soldadura de hilos de la puerta (11).
La figura 10 muestra una disposición de
circuito, en la que las superficies de contacto corresponden a los
dos adaptadores de soldadura de hilos del emisor de este transistor
bipolar de puerta aislada (IGBT). Una superficie de contacto
adicional opcional en el IGBT corresponde al punto neutro, el cual
está conectado al circuito de evaluación. Los adaptadores de
soldadura de hilos del emisor, como ha sido descrito antes en este
documento, están conectados a la barra colectora del emisor como una
superficie de contacto adicional exterior al módulo de
semiconductor.
El transistor bipolar de puerta aislada (IGBT)
(27) tiene una zona de metalización del emisor (28a, 28b) la cual
ha sido cambiada en la forma. La zona de metalización del emisor
para este propósito está dividida en dos subregiones separadas
eléctricamente mutuamente de la metalización del emisor (28a, 28b).
Una división en más de dos subregiones es igualmente posible de una
manera correspondiente. Únicamente una cierta parte de las filas
del transistor bipolar de puerta aislada (IGBT) (29) está conectada
a cada subregión de la metalización del emisor (28a, 28b).
En esta configuración de la disposición de
circuito, la pérdida de contacto de cada uno de los adaptadores de
las soldaduras de hilos del emisor eléctricamente separadas pueden
ser detectadas con una disposición de acuerdo con la figura 3.
Ventajas adicionales resultan cuando los
componentes electrónicos activos o pasivos de la conexión en
estrella se integran en el módulo de semiconductor de potencia. Por
ejemplo, en el caso de un transistor bipolar de puerta aislada
(IGBT), las resistencias (30) o los diodos se pueden realizar por
medio de zonas adulteradas con polisilicona. Cada subregión de
metalización del emisor (28a, 28b) se conecta entonces a una
superficie de contacto adicional además (31) en el transistor
bipolar de puerta aislada (IGBT) a través de un componente
electrónico integrado activo o pasivo (30) en cada caso, cuya
superficie de contacto está eléctricamente separada de las zonas de
metalización restantes del transistor bipolar de puerta aislada
(IGBT). De forma análoga a la metodología de la figura 3, la
superficie de contacto adicional (31) se conecta entonces al
circuito de evaluación. El desacoplamiento de las conexiones de
soldadura de hilos de un adaptador de soldadura de hilos del emisor
conduce, de forma análoga a la figura 5, a caídas del voltaje
debidas a las resistencias (30) en el transistor bipolar de puerta
aislada (IGBT). La detección, por ejemplo, puede tener lugar a su
vez porque se evalúa la diferencia de potencial entre la superficie
de contacto adicional (31) y la barra colectora del emisor (16) o
la conexión auxiliar (19).
La figura 11 muestra una disposición adicional
para dos módulos de semiconductor de potencia, por ejemplo para
transistores bipolares de puerta aislada (IGBT). La función correcta
de las conexiones de soldadura de hilos del emisor adicionales (20)
y la conexión de soldadura de hilos auxiliar (13) se puede
determinar aquí porque se determina el valor de la resistencia
entre los puntos A y C con un circuito de medición correspondiente
(33, 34).
La figura 12 muestra una disposición de circuito
para cuatro módulos de semiconductor de potencia, por ejemplo para
transistores bipolares de puerta aislada (IGBT), con dos conexiones
en estrella, utilizando una disposición de circuito con la cual es
igualmente posible supervisar la presencia de una conexión
conductora desde el punto neutro (22) de las conexiones en estrella
hasta las superficies de contacto de los módulos de semiconductor
de potencia y para la evaluación de circuito. VG designa la señal de
control de la puerta desde el circuito excitador aquí.
La detección aquí es posible de una manera muy
simple, ya que se puede aplicar el principio del puente de
medición. El puente de medición está formado por dos resistencias en
el punto K (32a, 32b) y los dos grupos de resistencias conectadas
en paralelo (21) en los emisores de los transistores bipolares de
puerta aislada (IGBT). Una señal eléctrica, por ejemplo un voltaje,
se aplica entre los puntos K y C. Tanto el fallo de las conexiones
de soldadura de hilos del emisor (14) como de las conexiones de
soldadura de hilos adicionales (20) y la conexión entre el punto
neutro (22) y el circuito de evaluación conduce a una pérdida del
equilibrio del puente, la cual puede ser detectada como una señal
eléctrica entre los puntos A y B, por ejemplo. De forma análoga, la
pérdida de la conexión de soldadura de hilos auxiliar del emisor
(13) también puede ser supervisada si es conducida fuera
separadamente como en la figura 11.
La figura 13 muestra la construcción de una
disposición de circuito (100) para la detección del fallo de las
conexiones eléctricas de acuerdo con la figura 12. Las entradas de
la disposición de circuito están designadas de acuerdo con los
puntos de contacto de la figura 12. La disposición de circuito (100)
consiste en una unidad de procesamiento de error (110), una memoria
de error (120), una interfaz de entrada (130) con capacidad de
reinicialización, una red de resistencias (160) y una unidad de
control (140) para controlar una fuente de corriente (CS) así como
una pluralidad de comparadores (150). La disposición de circuito
tiene tres salidas de señal de error (W1, W2, W3), una unidad de
suministro de energía (VD), un capacitador conectado exteriormente
(CTCS) así como entradas para el voltaje de control de la puerta
(VG), el punto de contacto (C) de la barra colectora del emisor y
los puntos de contacto (A, B) a los cables de detección (20).
El procedimiento de la detección del fallo de un
emisor o una conexión de detección se describe en lo que sigue a
continuación. Con este propósito, dos de los cuatro comparadores se
conectan a los puntos de contacto (A) y (B), en donde la conexión
del segundo comparador tiene simetría especular con el primero. El
tercer comparador se conecta a los puntos de contacto (A) y (C) y
el cuarto se conecta a los puntos de contacto (B) y (C). Por lo
tanto, es posible la supervisión individual de cada una de las
conexiones anteriormente mencionadas.
La supervisión de una conexión del emisor
únicamente realiza la detección si el correspondiente transistor
bipolar de puerta aislada (IGBT) está en el estado de conducción,
esto se asegura mediante la unidad de control (140). Únicamente
actúa la supervisión después del proceso de conexión del transistor
bipolar de puerta aislada (IGBT). La variable de control necesaria
aquí está formada por el voltaje de control de la puerta el cual
está presente en la entrada (VG).
En contraste con esto, la supervisión de una
conexión de detección únicamente realiza la detección en el estado
de no-conducción de un transistor bipolar de puerta
aislada (IGBT), la información sobre esto se obtiene igualmente a
partir de la entrada (VG). Para la supervisión, la fuente de
corriente (CS) se conecta mediante la unidad de control (140). Su
conexión con las resistencias (160) de la disposición de circuito
(100) así como las resistencias (21, figura 12) crea un circuito de
puente de Wheatstone. La señal de salida de este puente de
Wheatstone es cero en tanto en cuanto no está presente error alguno,
se desvía de cero en el caso de la presencia de una interrupción en
el contacto de la conexión de detección (20). A fin de mantener baja
la pérdida de potencia a través de este procedimiento, la
supervisión de las conexiones de detección no se lleva a cabo
después de cada desconexión. Se puede establecer el número de
períodos de conmutación después de los cuales se verifica la
conexión de detección. El capacitador (CTCS) sirve para el ajuste
del ancho del impulso en la cual es activa la fuente de corriente
(CS). El ancho del impulso alternativamente también se puede
establecer permanentemente. Códigos de error específicos se pueden
asignar a los diversos errores posibles por medio de una
pluralidad, aquí tres, de salidas de error (W1, W2, W3).
La figura 14 muestra un gráfico de la detección
de una desconexión de la conexión de soldadura de hilos del emisor.
Con el inicio de la conexión del transistor bipolar de puerta
aislada (IGBT), la señal de error es reinicializada a BAJA (201).
La supervisión empieza en un periodo definido de tiempo después de
la conexión del transistor bipolar de puerta aislada (IGBT), para
el cual se evalúa el voltaje de control de la puerta (VG). La
interrupción de una conexión del emisor (202) es detectada y
visualizada por medio de la elevación de todos los niveles de las
señales de salida (W1, W2, W3) de BAJA a ALTA. Este error se
codifica por lo tanto como "111".
La figura 15 muestra un gráfico de la detección
de una desconexión de una conexión de soldadura de hilos de
detección. La supervisión empieza después de un número establecido,
240 aquí (P240), de períodos de conmutación. Después de la
desconexión, la fuente de corriente (CS) se activa, véase la
correspondiente curva de voltaje (VCTCS). Una conexión de detección
interrumpida por ejemplo se detecta y se visualiza por medio del
cambio de la señal de salida (W1) de BAJA a ALTA. Este error se
codifica por lo tanto como "100".
Claims (6)
1. Un procedimiento para la supervisión de una
disposición de circuito que consiste en lo menos dos superficies de
contacto eléctricamente separadas mutuamente (10) con la misma
funcionalidad o por lo menos dos grupos eléctricamente separados
mutuamente de superficies de contacto (10) con la misma
funcionalidad, en el que las superficies de contacto de un grupo
están eléctricamente conectadas de forma conductora una a otra,
estas superficies de contacto (10) están dispuestas en por lo menos
un módulo de semiconductor de potencia (1, 27) y cada superficie de
contacto eléctricamente separada o cada grupo de superficies de
contacto eléctricamente separadas está eléctricamente conectado de
forma conductora al punto neutro (22, 31) de por lo menos una
conexión de estrella a través de por lo menos un componente activo
o pasivo (21, 30) y todas las superficies de contacto
eléctricamente separadas o todos los grupos eléctricamente separados
de superficies de contacto están conectados eléctricamente de forma
conductora a por lo menos una superficie de contacto adicional (16,
19) la cual está dispuesta exteriormente al módulo o a los módulos
de semiconductor de potencia y ambos, el punto neutro (22, 31) y
las superficies de contacto (16, 19) se conducen exteriormente con
el propósito de evaluar el potencial, caracterizado porque,
durante el funcionamiento, la diferencia de potencial entre los
puntos neutros (22, 31) y la superficie de contacto adicional (16,
19) exterior al módulo de semiconductor de potencia se supervisa y
la señal obtenida se utiliza para la detección del fallo de uno o de
una pluralidad de conexiones eléctricamente conductoras a un módulo
de semiconductor de potencia.
2. Procedimiento según la reivindicación 1
caracterizado porque la diferencia de potencial entre los
puntos neutros (22, 31) y la superficie de contacto adicional (16,
19) exterior al módulo de semiconductor de potencia se supervisa
por medio de un circuito de supervisión (100) constituido por
comparadores (150) y la señal (202) obtenida se utiliza para la
detección del fallo de uno o de una pluralidad de conexiones
eléctricamente conductoras (14, 20) a un módulo de semiconductor de
potencia, en el que la disposición de circuito para la supervisión
de una conexión del emisor (14) únicamente está activa después de la
conexión del módulo de semiconductor de potencia asignado y la
disposición de circuito para la supervisión de una conexión de
detección (20) únicamente está activa después de la desconexión del
módulo de semiconductor de potencia asignado.
3. Procedimiento según la reivindicación 2
caracterizado porque las conexiones de detección (20) se
supervisan por medio de un circuito de puente de Wheatstone, el
cual está alimentado por medio de una fuente de corriente (CS) y
una señal de salida de este circuito de puente, la cual no es igual
a cero después de la formación de un valor umbral, constituye una
señal de error.
4. Procedimiento según la reivindicación 2
caracterizado porque la supervisión de las conexiones de
detección (20) se lleva a cabo en cada caso únicamente después de
una pluralidad de períodos de conmutación del módulo de
semiconductor de potencia.
5. Procedimiento según la reivindicación 1
caracterizado porque el módulo o los módulos de semiconductor
de potencia (27) son transistores bipolares de puerta aislada
(IGBT) o transistores MOSFET, cada uno con por lo menos dos
superficies de contacto eléctricamente separadas mutuamente (10) y
estas superficies de contacto están asignadas a grupos interiores
de celdas de transistor (29) y estas superficies de contacto están
conectadas a un punto neutro (31), el cual está dispuesto en el
transistor (27), por medio de por lo menos un componente activo o
pasivo (30) integrado dentro del transistor (27).
6. Procedimiento según la reivindicación 1
caracterizado porque una pluralidad de conexiones de estrella
junto con componentes adicionales pasivos o activos forman un
circuito de puente de resistencia que comprende resistencias (21,
32).
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