ES2367036T3 - Módulo de semiconductor de potencia con medios de protección contra la sobre corriente. - Google Patents

Módulo de semiconductor de potencia con medios de protección contra la sobre corriente. Download PDF

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Abstract

Un módulo de semiconductor de potencia (1) que comprende por lo menos un dispositivo del tipo de fusible (6), en el que el módulo de semiconductor de potencia consiste por lo menos en un alojamiento (3), elementos de conexión de la carga (42, 44, 46) que conducen al exterior, por lo menos un sustrato eléctricamente aislante (5) dispuesto en el interior del alojamiento (3), en el que éste consiste en un cuerpo aislante (54) con una pluralidad de pistas de conexión metálicas mutuamente aisladas (52) de diferente polaridad dispuestas en una primera superficie principal encarada al interior del módulo de semiconductor de potencia, con por lo menos un componente del semiconductor de potencia (70, 72) dispuesto en una de estas pistas de conexión (52) con primeros elementos de conexión (40) que tienen una primera sección transversa de cable con relación a su conexión adecuada del circuito, caracterizado porque el dispositivo del tipo de fusible (6) consta de un segundo elemento de conexión (60) que tiene una segunda sección transversal de cable menor con relación a la primera sección transversal de cable, dispuesta entre dos pistas de conexión (52) o entre una pista de conexión (52) y un elemento de conexión de la carga (42, 44, 46), en el que este segundo elemento de conexión (60), en una sección, está encerrado por un medio de protección contra la explosión (62).

Description

La invención describe un módulo de semiconductor de potencia que consiste en un alojamiento preferiblemente con una placa base para el montaje en un cuerpo de refrigeración y por lo menos un sustrato eléctricamente aislante dispuesto en su interior. Este sustrato, a su vez, consta de un cuerpo aislante con una pluralidad de pistas de conexión metálicas mutuamente aisladas sobre el mismo y con los componentes del semiconductor de potencia dispuestos sobre y conectados a estas pistas de conexión de una manera que adecuada a los requisitos del circuito. Adicionalmente el módulo de semiconductor de potencia comprende elementos de conexión para los contactos de la carga exterior y contactos auxiliares y también elementos de conexión para las conexiones en el interior del módulo de semiconductor de potencia.
Los módulos de semiconductor de potencia los cuales forman la base de esta invención, por ejemplo son conocidos a partir del documento DE 103 16 355 B3. Este documento revela un módulo de semiconductor de potencia formado como una disposición de circuito de medio puente con un primer y un segundo conmutador de potencia. Cada uno de estos conmutadores de potencia está implantado como una conexión en paralelo de transistores de potencia cada uno con un diodo de circulación libre asociado. Los transistores se potencia primero y segundo cada uno con un diodo asociados están dispuestos en su propio sustrato.
Según este documento definido como el estado de la técnica los sustratos de los módulos de semiconductor de potencia de este tipo están implantados como sustratos aislantes que consisten en un cuerpo aislante como material transportador y para el aislamiento eléctrico contra una placa base o un cuerpo de refrigeración. Este cuerpo aislante según el estado de la técnica consiste en una cerámica industrial, por ejemplo óxido de aluminio o nitrito de aluminio. En este cuerpo aislante, en su primera superficie principal encarada al interior del módulo de semiconductor de potencia, están dispuestas pistas de conexión metálicas eléctricamente aisladas mutuamente. Éstas a su vez tienen los componentes del semiconductor de potencia dispuestos en ellas.
Generalmente el cuerpo aislante, en su segunda superficie principal encarada alejada del interior del módulo de semiconductor de potencia, también comprende una capa metálica del mismo material y del mismo grosor que aquella de las pistas de conexión en la primera superficie principal. Con una norma, sin embargo, esta capa no está estructurada en ella misma, puesto que típicamente se utiliza como una conexión para la soldadura a una placa base. Las pistas de conexión así como la capa metálica de la segunda superficie principal preferiblemente consisten en cobre aplicado según el procedimiento de unión directa por cobre (DCB), en donde típicamente el cobre tiene un grosor inferior a 1 mm.
Además, los módulos de semiconductor de potencia citados según el estado de la técnica comprenden elementos de conexión de la carga para los dos terminales de corriente continua y por lo menos para un terminal de corriente alterna. Los elementos de conexión de la carga conectan contactos exteriores con las pistas de conexión asociadas en el sustrato.
En el interior los módulos de semiconductor de potencia según el estado de la técnica están aislados hasta y más allá de los elementos de conexión con un compuesto de fundición con una constante dialéctica alta.
Los componentes de semiconductor de potencia modernos, en particular los transistores de potencia, están siendo diseñados, en términos del progreso tecnológico, para una densidad de corriente siempre creciente. Los elementos de conexión típicos entre los componentes del semiconductor de potencia y las pistas de conexión son conexiones de unión y aquí especialmente conexiones de unión por cable. Según el estado de la técnica se registran diversos escenarios de error, cuando se utilizan módulos de semiconductor de potencia, mediante sensores adecuados en el módulo de semiconductor de potencia o en su cableado y se introducen medidas contrarias por medio de electrónica de accionamiento tal como a través de la desconexión de los conmutadores de potencia. Sin embargo, existen también escenarios de error los cuales no son registrados en absoluto o no son registrados completamente. En estos casos se crea una sobre corriente que fluye temporalmente en el interior de los módulos de semiconductor que potencia la cual sobrecarga los cables de unión. Esta sobre corriente conduce al fundido de por lo menos uno de los cables de unión, en donde debido a las inductancias existentes el flujo de corriente se mantiene en forma de un arco. En los módulos de semiconductor de potencia con compuestos de fundición, debido a la insuficiente compresibilidad de ese compuesto de fundición en el intervalo corto de tiempo y debido a la rápida creación resultante en la presión interior, esto frecuentemente conduce a una explosión del módulo de semiconductor de potencia.
La invención se basa en los requisitos para desarrollar adicionalmente un módulo de semiconductor de potencia con un dispositivo protector dispuesto en el interior del módulo de semiconductor de potencia a fin de evitar una destrucción del tipo de explosión del módulo de semiconductor de potencia que resulte a partir de corrientes excesivamente altas.
El dispositivo protector contra corrientes excesivamente altas en el interior del módulo de semiconductor de potencia simplemente se denominará, en lo que sigue a continuación, dispositivo del tipo de fusible.
Este requisito se cumple según la invención mediante las medidas de las características de la reivindicación 1. Formas de realización preferidas se describen en las reivindicaciones subordinadas.
La idea inventiva se basa en un módulo de semiconductor de potencia que preferiblemente comprende una placa base para el montaje en un cuerpo de refrigeración. Este módulo de semiconductor de potencia comprende por lo menos los siguientes componentes: un alojamiento, elementos de conexión para la carga y terminales auxiliares, por lo menos un sustrato con pistas de conexión y por lo menos un componente de semiconductor de potencia.
Los elementos de conexión para los terminales de la carga conducen fuera del alojamiento y son utilizados para conectar eléctricamente los componentes del semiconductor de potencia dispuestos en el interior del alojamiento. El sustrato el cual está formado de modo que esté eléctricamente aislado contra la placa base o un cuerpo de refrigeración consiste, por su parte, en un cuerpo aislante, preferiblemente una cerámica industrial la cual tiene, en su primera superficie principal encarada alejada de la placa base o del cuerpo de refrigeración, una pluralidad de pistas de conexión metálicas eléctricamente aisladas mutuamente dispuesto sobre el mismo. En estas pistas de conexión los componentes del semiconductor de potencia están dispuestos y conectados de una manera adecuada a los requisitos del circuito con una primera sección transversal de cable por medio de los primeros elementos de conexión. Preferiblemente estos primeros elementos de conexión están implantados como conexiones de unión con una pluralidad de cables de unión individuales. Una conexión de unión de este tipo comprende una primera sección transversal de cable la cual está formada por la suma de las áreas de las secciones transversales de todos los cables de unión de esta conexión de unión.
El módulo de semiconductor de potencia, en su interior, comprende por lo menos un dispositivo del tipo de fusible, en el que este dispositivo del tipo de fusible consiste en un segundo elemento de conexión que comprende una segunda sección transversal de cable menor con relación a la primera. El dispositivo del tipo de fusible está dispuesto entre dos pistas de conexión o entre una pista de conexión y un elemento de conexión de la carga. Adicionalmente este segundo elemento de conexión, en una sección, está completamente encerrado por un medio de protección contra la explosión. Este medio de protección contra la explosión permite que se forme un arco de una manera controlada sin que resulte en un incremento muy rápido de la presión en el medio de protección contra la explosión que termine en una explosión.
La solución inventiva se explicará ahora con referencia a las figuras 1 a 3.
La figura 1 muestra una tipología de circuito de un módulo de semiconductor de potencia según el estado de la técnica.
La figura 2 muestra una tipología de circuito de un módulo de semiconductor de potencia según la invención.
La figura 3 muestra la configuración de un módulo de semiconductor de potencia según la invención.
La figura 1 muestra una tipología de circuito de un módulo de semiconductor de potencia (1) según el estado de la técnica. Lo que es conocido es un circuito de medio puente el cual es el módulo básico para muchas tipologías de circuitos electrónicos de potencia. Un primer conmutador de potencia superior (70) está conectado en serie con un segundo conmutador de potencia inferior (72). El primer conmutador de potencia (70) está conectado con el terminal positivo (42) de un circuito intermedio de corriente continua. El segundo conmutador de potencia (72) está conectado con el terminal negativo (46) del circuito intermedio de corriente continua. La toma central del circuito forma la salida de corriente alterna (44) del circuito de medio puente.
Los conmutadores de potencia (70, 72) están diseñados como una disposición de por lo menos un transistor de potencia (70a, 72a) y por lo menos un diodo de potencia (70b, 72b) conectado en anti paralelo al mismo.
La figura 2 muestra una tipología de circuito de un módulo de semiconductor de potencia (1) según la invención. La tipología de circuito ilustrada es también el circuito de medio puente. Pero la idea inventiva puede ser utilizada en cualquier otra tipología de circuito. Según la invención el módulo de semiconductor de potencia (1) basado en este circuito ha sido adicionalmente desarrollado para que por lo menos uno, en este caso tres, dispositivos del tipo de fusible (6 a/b/c) estén conectados en el interior del circuito.
Un diseño ventajoso es la disposición de un dispositivo del tipo de fusible (6b) entre la toma central y el terminal de corriente alterna (44).
En un diseño ventajoso adicional cada fusible (6a, 6c) está dispuesto entre el respectivo terminal de corriente continua (42, 46) y el conmutador de potencia asociado (70, 72).
La disposición de los tres dispositivos del tipo de fusible (6 a/b/c) en el interior de un módulo de semiconductor de potencia (1) es la más cara, pero también la configuración más segura de la invención. La disposición de únicamente un dispositivo del tipo de fusible (6 a/b/c) no puede proteger contra todos los escenarios de fallo posibles, pero representa un compromiso significativo entre gasto y beneficio.
La figura 3 muestra un módulo de semiconductor de potencia (1) según la invención. Éste comprende una placa base (2), sobre la cual el alojamiento (3) así como el sustrato (5) están dispuestos. El sustrato (5) consiste en un cuerpo aislante (54) así como revestimientos interiores metálicos dispuestos en ambas superficies principales. El revestimiento interior metálico (53) encarado a la placa base (2) está diseñado en dos dimensiones y no está estructurado en sí mismo. El revestimiento interior (53) y la placa base (2) están fijados uno a otro por medio de una conexión de soldadura entre ellos. Por el contrario el revestimiento interior encarado hacia el interior del módulo de semiconductor de potencia está estructurado en sí mismo comprendiendo de esta manera las pistas de conexión
(52) del sustrato (5).
Los elementos de conexión, aquí representados por un terminal de corriente continua (42) de polaridad positiva y un terminal de corriente alterna (44), están formados por cuerpos de metal los cuales en extremo están conectados mediante una conexión de soldadura a la pista de conexión asociada y en el otro extremo comprenden una ranura para una conexión atornillada.
En estas pistas de conexión (52) están dispuestos los componentes del semiconductor de potencia (70, 72) representados aquí por un diodo de potencia (70b). Los elementos de conexión eléctrica están formados por los terminales de potencia (42, 44) y los terminales auxiliares no explícitamente ilustrados. La conexión adecuada al circuito de los componentes del semiconductor de potencia (70, 72), aquí el diodo de potencia (70b) según la tipología del circuito de la figura 2 con las pistas de conexión (52), está implantada como una conexión de unión (40). Esta conexión de unión típicamente comprende diez cables de unión individuales con un diámetro de 300 µm cada uno, resultando en una primera sección transversal de cable de conexión a este componente del semiconductor de potencia de aproximadamente 0,71 mm².
También se ilustran dos formas de realización del dispositivo del tipo de fusible (6) del módulo de semiconductor de potencia (1). La primera configuración comprende una conexión de unión (60) entre la pista conductora (52) del terminal positivo y la pista conductora (52) del diodo de potencia (70b) dispuesto en la misma en el lado del cátodo. Esta conexión de unión (60) se implanta utilizando cinco cables unión con un diámetro de 300 µm cada uno. De ese modo se obtiene una segunda sección transversal de cable, la cual es el 50% de la primera sección transversal de cable. Es especialmente ventajoso que esta segunda sección transversal de cable esté entre el 40% y el 60% de la primera sección transversal de cable. Esta segunda sección transversal de cable marcadamente menor es suficiente, puesto que para un flujo de corriente de tiempo corto, una denominada sobre corriente momentánea, la sección transversal de cable es el único factor determinante. En comparación con ello, la configuración de las conexiones de unión con los componentes del semiconductor de potencia se determina mediante factores adicionales tales como típicamente la corriente de distribución en el componente del semiconductor de potencia. Por lo tanto estas conexiones típicamente están diseñadas con una sección transversal de cable marcadamente mayor pero que sería necesaria para transportar una sobre corriente momentánea.
Los cables de unión que forman este segundo elemento de conexión (60), aparte de su respectiva superficie de contacto con la pista conductora asociada (52), están encerrados mediante oxido de silicio (62) que forma el medio de protección contra la explosión. Este dióxido de silicio (62) ventajosamente tiene un tamaño de grano entre 50 µm y 2 mm. El óxido de silicio está presente aquí como una sustancia individual (62a) o como una mezcla (62b) con una concentración de óxido de silicio mínima del 90%.
Es particularmente preferible que se añada un agente aglutinante al óxido de silicio (62b). Como resultado el óxido de silicio (62b) no necesariamente tiene que estar cubierto porque, en una forma combinada, encierra los cables de unión (60) y d esta manera está fijo en su posición en el módulo de semiconductor de potencia (1).
Los cables de unión (60) con el medio de protección contra la explosión (62) están rodeados por una disposición del tipo de bastidor (32) la cual está implantada aquí como una pieza de alojamiento y está dispuesta en el sustrato (5) por medio de una unión con adhesivo. De esta manera se evita el contacto entre el medio de protección contra la explosión (62) y el compuesto de fundición, preferiblemente un caucho de silicona (80). Adicionalmente el alojamiento (3) comprende una ranura adecuada (30) en su parte superior para rellenar el módulo de semiconductor de potencia con el medio de protección contra la explosión (62).
La segunda configuración ilustrada muestra un dispositivo de limitación del tipo de bastidor (64), preferiblemente fabricado de un material plástico, el cual está encolado al sustrato (5). En el interior de este dispositivo de limitación
(64) están dispuestos la conexión de unión y el medio de protección contra la explosión (60). Si esto no incluye un aditivo en forma de un agente aglutinante, se provee un medio de cierre (66), típicamente una resina epoxi, a fin de fijar el medio de protección contra la explosión (60a) en la posición pretendida.

Claims (10)

  1. REIVINDICACIONES
    1.
    Un módulo de semiconductor de potencia (1) que comprende por lo menos un dispositivo del tipo de fusible (6), en el que el módulo de semiconductor de potencia consiste por lo menos en un alojamiento (3), elementos de conexión de la carga (42, 44, 46) que conducen al exterior, por lo menos un sustrato eléctricamente aislante (5) dispuesto en el interior del alojamiento (3), en el que éste consiste en un cuerpo aislante (54) con una pluralidad de pistas de conexión metálicas mutuamente aisladas (52) de diferente polaridad dispuestas en una primera superficie principal encarada al interior del módulo de semiconductor de potencia, con por lo menos un componente del semiconductor de potencia (70, 72) dispuesto en una de estas pistas de conexión (52) con primeros elementos de conexión (40) que tienen una primera sección transversa de cable con relación a su conexión adecuada del circuito, caracterizado porque el dispositivo del tipo de fusible (6) consta de un segundo elemento de conexión (60) que tiene una segunda sección transversal de cable menor con relación a la primera sección transversal de cable, dispuesta entre dos pistas de conexión (52) o entre una pista de conexión (52) y un elemento de conexión de la carga (42, 44, 46), en el que este segundo elemento de conexión (60), en una sección, está encerrado por un medio de protección contra la explosión (62).
  2. 2.
    El módulo de semiconductor de potencia (1) según la reivindicación 1 en el que el primer elemento de conexión (40) o el segundo elemento de conexión (60) está formado como una conexión de unión con una pluralidad de cables de unión individuales de la misma clase.
  3. 3.
    El módulo de semiconductor de potencia (1) según la reivindicación 1 en el que el ex segundo elemento de conexión (60) o el medio de protección contra la explosión (62) del dispositivo del tipo de fusible está encerrado por una pieza del alojamiento en forma de bastidor (32) o por un dispositivo de limitación del tipo de bastidor (64).
  4. 4.
    El módulo de semiconductor de potencia (1) según la reivindicación 3 en el que la pieza del alojamiento del tipo de bastidor (32) o el dispositivo de limitación del tipo de bastidor (64) del dispositivo del tipo de fusible (6) comprende un dispositivo de cierre (66) en el lado encarado alejado del sustrato (5) por encima del medio de protección contra la explosión (62).
  5. 5.
    El módulo de semiconductor de potencia (1) según la reivindicación 3 en el que la pieza del alojamiento del tipo de bastidor (32) o el dispositivo de limitación del tipo de bastidor (64) el dispositivo del tipo de fusible (6) está conectado con el sustrato (5) por medio de una unión de adhesivo.
  6. 6.
    El módulo de semiconductor de potencia (1) según la reivindicación 3 en el alojamiento (3) comprende una ranura (30) en el área de la pieza del alojamiento del tipo de bastidor (32).
  7. 7.
    El módulo de semiconductor de potencia (1) según la reivindicación 1 en el que más del 90% del medio de protección contra la explosión (62) consiste en dióxido de silicio con un tamaño del grano del medio de protección contra la explosión entre 50 µm y 2 mm.
  8. 8.
    El módulo de semiconductor de potencia (1) según la reivindicación 7 en el que se añade un agente aglutinante al medio de protección contra la explosión (62).
  9. 9.
    El módulo de semiconductor de potencia (1) según la reivindicación 1 en el que la segunda sección de cable de segundo elemento de conexión (60) está entre el 40% y el 60% de la primera sección transversal de cable del primer elemento de conexión (40).
  10. 10.
    El módulo de semiconductor de potencia (1) según la reivindicación 1 en el que el módulo de semiconductor de potencia (1) forma un circuito de medio puente y el dispositivo del tipo de fusible (6 a/b/c) está dispuesto entre por lo menos un terminal de carga (42, 44, 46) y un componente de semiconductor de potencia (70, 72).
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