ES2328124T3 - Procedimiento para la supervision de elementos de semiconductor de potencia. - Google Patents

Procedimiento para la supervision de elementos de semiconductor de potencia. Download PDF

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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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