ES2346849T3 - Dispositivo electronico de potencia. - Google Patents
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Abstract
Dispositivo electrónico de potencia que comprende placas de soporte (3) que presentan una cara que recibe uno o más componentes de potencia (31) y una cara opuesta en contacto con un fluido termodisipador para el enfriamiento por conducción de dichos componentes de potencia (31), caracterizado porque a al menos una placa de soporte (3) está asociada otra placa de soporte (3) dispuesta enfrente y provista de componentes de potencia (31) similares, y porque los componentes de potencia (31) de las dos placas de soporte (3) enfrentadas están dispuestos cara a cara e inmediatos unos a otros.
Description
Dispositivo electrónico de potencia.
La invención se refiere a un dispositivo
electrónico de potencia y más especialmente a un dispositivo que
comprende pulgas de potencia fijadas en placas de soporte, estando
estas últimas enfriadas por un fluido termodisipador. El
dispositivo electrónico de potencia según la invención se aplica, en
particular, a los dispositivos electrónicos utilizados en los
circuitos de distribución de energía del ámbito ferroviario, de tipo
convertidor, para los cuales los valores de corriente y de tensión
entregados son particularmente importantes.
De manera habitual, es conocido enfriar un
componente electrónico de potencia acoplándolo a un intercambiador
de calor e insertando entre estos dos elementos una placa de
cerámica que aísla eléctricamente el intercambiador del componente.
Así, el documento FR 2.775.416 divulga un dispositivo electrónico de
potencia que comprende pulgas de potencia fijadas en una cara de
una placa de soporte, comprendiendo la otra cara de la placa un
intercambiador de calor. Se conoce igualmente por este documento
asociar las placas de soporte por pares disponiéndolas por una y
otra parte de un circuito de enfriamiento, estando entonces los
intercambiadores de calor dispuestos enfrentados.
Tal dispositivo electrónico de potencia presenta
no obstante el inconveniente de generar bucles de conmutación a
fuertes inductancias parásitas y por lo tanto fuertes tensiones en
las conmutaciones, lo que obliga a sobredimensionar los componentes
de potencia para que resistan estas sobretensiones. Por supuesto,
tal sobredimensionado de los componentes de potencia presenta el
inconveniente de implicar un sobrecoste de fabricación y una
aparatosidad más importante de los componentes de potencia.
El objetivo de la presente invención es proponer
un dispositivo electrónico de potencia que permita paliar los
inconvenientes de la técnica anterior mencionados en lo que
antecede.
A tal efecto, la invención tiene por objeto un
dispositivo electrónico de potencia que comprende placas de soporte
que presentan una cara que recibe uno o más componentes de potencia
y una cara opuesta en contacto con un fluido termodisipador para el
enfriamiento por conducción de los componentes de potencia,
caracterizado porque a al menos una placa de soporte está asociada
otra placa de soporte dispuesta enfrente y provista de componentes
de potencia similares, y porque los componentes de potencia de las
dos placas de soporte enfrentadas están dispuestos cara a cara e
inmediatos unos a otros.
Según modos particulares de realización, el
dispositivo electrónico de potencia puede incluir una o varias de
las características siguientes tomadas aisladamente o según todas
las combinaciones técnicamente posibles:
- a cada placa de soporte está asociada otra
placa de soporte dispuesta enfrente y provista de componentes de
potencia similares, estando los componentes de potencia de las
placas de soporte enfrentadas dispuestos cara a cara e inmediatos
unos a otros;
- las placas de soporte están repartidas sobre
dos bastidores hechos en material eléctricamente aislante,
comprendiendo cada uno de los bastidores aberturas cuyo perímetro
forma un asiento de recepción de las placas de soporte, presentando
los dos bastidores una forma que permite su asociación unos contra
otros con las placas de soporte de los dos bastidores enfrentadas,
soportando sobre su cara libre los dos bastidores juntados una caja
de enfriamiento que incluye un volumen de circulación del fluido
termodisipador y medios de suministro y de evacuación del fluido
termodisipador;
- los dos bastidores son idénticos;
- cada placa de soporte está alimentada de
corriente por al menos un emisor y un colector que sobresalen
respectivamente sobre dos bordes opuestos de la placa de soporte de
modo que el emisor que alimenta una placa de soporte esté dispuesto
sobre el mismo borde y cerca del colector que alimenta la placa de
soporte dispuesta enfrente;
- los bastidores soportan los emisores, los
colectores y un circuito de gobierno de los componentes de
potencia;
- las placas de soporte reciben cada una dos
componentes IGBT que presentan un emisor común dispuesto entre los
dos componentes IGBT y que salen lateralmente sobre un lado del
bastidor, comprendiendo cada uno de los componentes IGBT un
colector independiente que sale lateralmente sobre el otro lado del
bastidor;
- una banda en material conductor de calor, tal
como cobre o aluminio, está soldada sin fusión o soldada a gas
sobre la cara de las placas de soporte en contacto con el fluido
termodisipador, comprendiendo la banda pliegues que constituyen
microcanales que favorecen el intercambio térmico con el fluido;
- los bastidores y las cajas están hechos
mediante moldeado en material plástico y están ensamblados unos
sobre otros por encolado o con ayuda de una junta de
estanqueidad;
- las placas de soporte están hechas mediante el
ensamblaje de un material eléctricamente aislante pero conductor de
calor, tal como nitruro de aluminio, y de un material compuesto (o
composite) conductor del calor que tiene un coeficiente de
dilatación acorde con el del material eléctricamente aislante, tal
como un composite de aluminio y carburo de silicio, soportando
dicho material eléctricamente aislante los componentes de potencia
y estando dicho composite en contacto con el fluido
termodisipador.
Se comprenderán mejor los objetivos, aspectos y
ventajas de la presente invención, tras la descripción dada a
continuación de un modo de realización de la invención, presentado a
modo de ejemplo no limitativo, refiriéndose a los dibujos anexados,
en las cuales:
- la figura 1 es una vista en despiece ordenado,
en perspectiva, de un modo de realización del dispositivo
electrónico de potencia según la invención;
- la figura 2 es una vista en perspectiva que
muestra el ensamblaje de las placas de soporte sobre uno de los
bastidores del dispositivo de la figura 1;
- la figura 3 es una vista a escala ampliada, en
perspectiva, del dispositivo de la figura 1 cuando están
ensamblados los dos bastidores y la caja inferior;
- la figura 4 es una vista similar a la figura 3
cuando están ensamblados todos los elementos.
Para facilitar la lectura del dibujo, solamente
se han representado los elementos necesarios para la comprensión de
la invención.
La figura 1 representa un dispositivo
electrónico de potencia para convertidor que comprende dos
bastidores 1 de forma general rectangular que pueden juntarse uno
contra otro por una de sus caras y recibir una caja de enfriamiento
2 por la otra cara. Los bastidores 1 son prácticamente idénticos y
están hechos en un material moldeable, eléctricamente aislante, por
ejemplo en resina moldeable por inyección, de tipo óxido de
polifenileno (PO).
De acuerdo con la figura 2, cada bastidor 1
comprende tres aberturas 11 que reciben, cada una, una placa de
soporte 3 en nitruro de aluminio metalizado sobre la cual se sueldan
dos componentes de potencia 31 de tipo transistor bipolar de
rejilla aislada, llamados IGBT. Las placas de soporte 3 comprenden
también una banda de cobre 5 soldada sobre la cara opuesta a la
cara que recibe los componentes IGBT 31, comprendiendo estas bandas
de cobre 5 pliegues que constituyen microcanales visibles en las
figuras 1 y 3.
Las placas de soporte 3 se mantienen apoyadas
sobre la periferia interior de las aberturas 11 por encolado con
interposición eventualmente de una junta de estanqueidad, no
representada en las figuras, con el fin de garantizar la perfecta
estanqueidad de la conexión. En una variante de realización no
representada, la estanqueidad entre las placas de soporte 3 y el
bastidor 1 puede estar garantizada también por una cooperación más
íntima entre la placa de soporte 3 y el perímetro de la abertura 11
que la recibe, por ejemplo moldeando el bastidor 1 sobre las placas
de soporte 3.
La alimentación de corriente de potencia de los
componentes IGBT 31 de cada placa de soporte 3 se efectúa por medio
de emisores 12 y de colectores 13 integrados en el bastidor 1 y que
salen respectivamente sobre dos bordes opuestos del bastidor 1. Los
emisores 12 están constituidos, a nivel de cada abertura 11, por un
órgano conductor que atraviesa de manera central la abertura 11 y
que sirve de emisor común a los dos componentes IGBT 31 llevados
por la placa de soporte 3. Los emisores 12 comprenden, en un
extremo, una tira de conexión que sale lateralmente de un lado del
bastidor 1 y que permite la conexión a un conector exterior, no
representado. Los colectores 13 están constituidos, a nivel de cada
abertura 11, por dos órganos conductores colocados sobre el borde
de la abertura 11 opuesto al que recibe la tira de conexión del
emisor 12. Los colectores 13 están dispuestos por una y otra parte
del extremo del emisor 12 y se prolongan fuera del bastidor 1
mediante una tira de conexión.
La alimentación de corriente de gobierno de los
componentes IGBT 31 se efectúa por medio de un circuito impreso 4
aplicado sobre el bastidor 1 y que garantiza la conexión de las
rejillas de los componentes IGBT. El circuito impreso 4,
representado en la figura 1, comprende conectores 41 dispuestos
perpendicularmente al plano del bastidor 1 y que permiten la
conexión con hilos, no representados, que garantizan el gobierno de
los componentes IGBT.
Los dos bastidores 1 presentan formas
complementarias que permiten su ensamblaje uno contra otro de tal
modo que las placas de soporte 3 de los bastidores 1 estén
dispuestas enfrentadas y que los componentes IGBT 31 llevados por
cada placa de soporte 3 de un bastidor 1 estén dispuestos enfrente e
inmediatos a componentes IGBT 31 idénticos llevados por una placa
de soporte 3 del otro bastidor 1. De acuerdo con la figura 3, los
dos bastidores 1, una vez juntados, forman un conjunto compacto en
el cual solamente los microcanales de las bandas de cobre 5
soldadas sobre las placas de soporte 3 resaltan de cada abertura
11.
Los microcanales de las placas de soporte 3
están alimentados de fluido termodisipador mediante las dos cajas 2
que están aplicadas sobre los bastidores 1, comprendiendo las cajas
2 una cara lateral plana provista de un borde que viene a coincidir
con el perímetro del bastidor 1, estando interpuesta una junta de
estanqueidad, no representada, entre la caja 2 y el bastidor 1.
De acuerdo con las figuras 1 y 4, las dos cajas
2 poseen una forma globalmente alargada e integran dos canales que
se extienden longitudinalmente al bastidor 1 y que comprenden un
extremo provisto de una abertura 22 que permite la alimentación y
la evacuación de fluido termodisipador. Ventajosamente, las cajas 2
están hechas por moldeado en un material polimérico, por ejemplo de
tipo polieterimida (PEI).
Tal dispositivo electrónico de potencia presenta
la ventaja de tener inductancias parásitas muy pequeñas gracias al
acercamiento de los componentes de potencia llevados por cada placa
de soporte a componentes de potencia idénticos llevados por una
placa de soporte dispuesta enfrente, lo que permite reducir
considerablemente las sobretensiones en las conmutaciones. Tal
dispositivo permite por lo tanto, para una misma potencia de uso,
la utilización de componentes que resisten sobretensiones menos
importantes y por lo tanto menos costosos, y también explotar al
máximo parte de las posibilidades de mejora del enfriamiento.
El dispositivo según la invención presenta
también la ventaja de disponer los emisores de los componentes de
potencia llevados por una placa de soporte cerca de los colectores
de los componentes de potencia llevados por la placa de soporte
dispuesta enfrente, lo que permite anular prácticamente las
inductancias parásitas generadas por estos últimos.
Por otra parte, la realización de un
intercambiador de calor con ayuda de una banda de cobre que
comprende pliegues que forman microcanales y aplicada por soldadura
sobre una placa de cerámica de tipo normal permite garantizar un
excelente enfriamiento de los componentes de potencia por un coste
de fabricación muy bajo.
Por supuesto, la invención no está limitada de
ninguna manera al modo de realización descrito e ilustrado que no
se ha dado más que a modo de ejemplo.
Así, en una variante de realización del
dispositivo electrónico según la invención, la banda de cobre que
comprende pliegues se podrá hacer en otro material conductor de
calor tal como el aluminio.
Así, en una variante de realización, las placas
de soporte se podrán hacer en material compuesto constituido de una
capa metálica en contacto con el fluido termodisipador y de una fina
capa aislante que soportará los componentes de potencia.
Claims (10)
1. Dispositivo electrónico de potencia que
comprende placas de soporte (3) que presentan una cara que recibe
uno o más componentes de potencia (31) y una cara opuesta en
contacto con un fluido termodisipador para el enfriamiento por
conducción de dichos componentes de potencia (31),
caracterizado porque a al menos una placa de soporte (3)
está asociada otra placa de soporte (3) dispuesta enfrente y
provista de componentes de potencia (31) similares, y porque los
componentes de potencia (31) de las dos placas de soporte (3)
enfrentadas están dispuestos cara a cara e inmediatos unos a
otros.
2. Dispositivo electrónico de potencia según la
reivindicación 1, caracterizado porque a cada placa de
soporte (3) está asociada otra placa de soporte (3) dispuesta
enfrente y provista de componentes de potencia (31) similares,
estando los componentes de potencia (31) de las placas de soporte
(3) enfrentadas dispuestos frente a frente e inmediatos unos a
otros.
3. Dispositivo electrónico de potencia según una
cualquiera de la reivindicación 1 a 2, caracterizado porque
dichas placas de soporte (3) están distribuidas sobre dos bastidores
(1) hechos en material eléctricamente aislante, comprendiendo cada
uno de los bastidores (1) aberturas (11) cuyo perímetro forma un
asiento de recepción de dichas placas de soporte (3), presentando
dichos dos bastidores (1) una forma que permite la asociación de
los dos bastidores (1) uno contra otro con las placas de soporte (3)
de los dos bastidores (1) enfrentadas, soportando sobre su cara
libre los dos bastidores (1) juntados una caja de enfriamiento (2)
que incluye un volumen de circulación del fluido termodisipador y
medios (22) de suministro y de evacuación de dicho fluido.
4. Dispositivo electrónico de potencia según la
reivindicación 3, caracterizado porque dichos dos bastidores
(1) son idénticos.
5. Dispositivo electrónico de potencia según una
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado
porque cada placa de soporte (3) está alimentada de corriente por
al menos un emisor (12) y un colector (13) que sobresalen
respectivamente sobre dos bordes opuestos de la placa de soporte (3)
de modo que el emisor (12) que alimenta una placa de soporte (3)
esté dispuesto sobre el mismo borde y cerca del colector (13) que
alimenta la placa de soporte (3) dispuesta enfrente.
6. Dispositivo electrónico de potencia según las
reivindicaciones 3 y 5, caracterizado porque dichos
bastidores (1) soportan dichos emisores (12), dichos colectores
(13) y un circuito de gobierno (4) de los componentes de potencia
(31).
7. Dispositivo electrónico de potencia según una
cualquiera de las reivindicaciones 5 a 6, caracterizado
porque dichas placas de soporte (3) reciben, cada una, dos
componentes IGBT (31) que presentan un emisor (12) común dispuesto
entre los dos componentes IGBT (31) y que sale lateralmente sobre un
lado del bastidor (1), comprendiendo cada uno de dichos componentes
IGBT (31) un colector (13) independiente que sale lateralmente sobre
el otro lado del bastidor (1).
8. Dispositivo electrónico de potencia según una
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado
porque una banda (5) en material conductor de calor, tal como de
cobre o de aluminio, está soldada sin fusión o soldada a gas sobre
la cara de las placas de soporte (3) en contacto con el fluido
termodisipador, comprendiendo dicha banda (5) pliegues que
constituyen microcanales que favorecen el intercambio térmico con
dicho fluido.
9. Dispositivo electrónico de potencia según una
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado
porque dichos bastidores (1) y cajas (2) están hechos mediante
moldeado en material plástico y están ensamblados unos sobre otros
por encolado o con ayuda de una junta de estanqueidad.
10. Dispositivo electrónico de potencia según
una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado
porque dichas placas de soporte (3) están hechas mediante el
ensamblaje de un material eléctricamente aislante pero conductor de
calor, tal como nitruro de aluminio, y de un material compuesto (o
composite) conductor del calor que tiene un coeficiente de
dilatación acorde con el del material eléctricamente aislante, tal
como un composite de aluminio y carburo de silicio, soportando
dicho material eléctricamente aislante los componentes de potencia
y estando dicho composite en contacto con el fluido
termodisipador.
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