ES2376525T3

ES2376525T3 - Pila de accionamiento de gran potencia modular con fluido dieléctrico vaporizable.

Info

Publication number: ES2376525T3
Application number: ES09747753T
Authority: ES
Inventors: Jeremy Howes; David Levett
Original assignee: Parker Hannifin Corp
Current assignee: Parker Hannifin Corp
Priority date: 2008-05-16
Filing date: 2009-05-18
Publication date: 2012-03-14
Anticipated expiration: 2029-05-18
Also published as: US8760855B2; JP2011524081A; JP5457435B2; ATE532401T1; EP2277365B1; EP2277365A1; US8305760B2; US20110013364A1; WO2009140672A1; US20130063897A1

Abstract

Sistema de pila de accionamiento de gran potencia (10) que comprende: una estructura de soporte común (20) que incluye: una fuente de potencia del sistema (112A, 112B), y una pluralidad de receptores (22) situados en lugares predeterminados, en los cuales al menos uno de los receptores tiene al menos dos conectores de receptor (24A, 24B) y los al menos dos conectores de receptor tienen una posición predeterminada en uno de los receptores, y al menos un módulo (30) que incluye: un componente de potencia (40) y al menos dos conectores de módulo (34) que se disponen en una posición predeterminada y se acoplan eléctricamente a al menos una parte del componente de potencia, acoplándose cada conector de módulo a un conector de receptor correspondiente para formar una conexión eléctrica. caracterizado porque la estructura de soporte común incluye un sistema (110) de enfriamiento por fluido dieléctrico, y el módulo incluye un circuito de enfriamiento por fluido dieléctrico asociado al componente de potencia, acoplándose fluidamente los conectores de módulo al circuito de enfriamiento por fluido dieléctrico, en el cual cada conexión eléctrica entre un conector de módulo y su conector de receptor correspondiente es de forma generalmente cilíndrica, formando el interior cilíndrico de la conexión eléctrica una conexión de fluido entre el módulo y la estructura de soporte común, de manera que el fluido está en contacto con el interior de la conexión eléctrica.

Description

Pila de accionamiento de gran potencia modular con fluido dielectrico vaporizable

La invencion descrita en el presente documento se refiere a modulos de electronica de potencia enfriados por un fluido que se pueden conectar juntos para formar una variedad de configuraciones pilas de accionamiento de motor de

5 corriente alterna (CA) o corriente continua (CC) de apilamiento de arrastre riente alterna de electronica de potencia, y mas en general a un sistema y un procedimiento para una pila de accionamiento de motor modular y/o fuentes de alimentacion ininterrumpida que se pueden enchufar y escalar para su uso en varias aplicaciones y en las cuales las conexiones enchufables proporcionan una conexion tanto para la potencia como para el refrigerante.

Los componentes electricos y electronicos (por ejemplo, microprocesadores, transistor bipolar de puerta aislada,

10 semiconductores de potencia, etc.) son la mayoria de las veces enfriados por disipadores de calor enfriados por aire con superficies extendidas, fijados directamente a la superficie a enfriar. Un ventilador o soplador desplaza el aire a traves de las aspas del disipador de calor, eliminando el calor generado por el componente. Aumentando las densidades de potencia, la miniaturizacion de los componentes y reduciendo el empaquetado, a veces no es posible enfriar adecuadamente los componentes electricos y electronicos con disipadores de calor y flujos de aire

15 forzado. Cuando esto ocurre, se deben emplear otros procedimientos para eliminar el calor de los componentes.

Un ejemplo de problema particular de enfriamiento es con pila de accionamiento de gran potencia. Las pilas de accionamiento de gran potencia se usan en una gran variedad de aplicaciones. Tales aplicaciones incluyen por ejemplo, accionar un motor, regenerar la energia de un aerogenerador o devolver otras fuentes de energia renovable a la red de distribucion, sistemas de frenado para objetos de gran inercia (por ejemplo grandes ruedas), 20 etc. Una pila de accionamiento de alta potencia convencional es una unidad monolitica que incluye tipicamente controles electronicos, componentes de potencia y componentes de enfriamiento. Los componentes de potencia incluyen generalmente un rectificador de entrada modulo puente de transistor bipolar de puerta aislada, y un conmutador de freno dinamico. Los componentes de potencia se acoplan generalmente a los componentes de enfriamiento, que pueden incluir un disipador de calor y/o un ventilador de enfriamiento. Una variacion en el disefo 25 monolitico, mencionado anteriormente, es dividir la pila de accionamiento de gran potencia en diversas unidades diferentes. En tal caso, el accionamiento se puede dividir en tres unidades separadas (por ejemplo unidad rectificadora de entrada, unidad de freno y unidad inversora). Las unidades se pueden conectar entre si por cables y/o barras colectoras, y se montan en cajas separadas. Un perfeccionamiento adicional a los sistemas anteriores de la tecnica anterior es proporcionar un accionamiento que se divide en diferentes unidades, con los mandos 30 consistentes en dos puntos de conexion electrica comunes (por ejemplo CC+ y CC-). Ademas, tales unidades pueden tambien disponer que estos puntos de conexion se alineen mecanicamente, lo cual permite que las unidades sean modulares y se conecten entre si usando dos barras colectoras rectas, cuando se conectan entre si una pluralidad de unidades de accionamiento. Ademas de los problemas de enfriamiento adecuado, existe n varios otros inconvenientes asociados a tales dispositivos de la tecnica anterior. Por ejemplo, solo hay dos puntos de

35 conexion electrica comunes. Todas las otras conexiones se han de realizar generalmente por conexion directa por cable al dispositivo. Muchos de tales dispositivos no se pueden enchufar y/o insertar amoviblemente, lo cual dificulta la eliminacion, reparacion e instalacion del dispositivo y requiere mucho tiempo.

El documento US-A-2007/258219 divulga un sistema de paquete de accionamiento de gran potencia que incluye una estructura de soporte que tiene un rectificador de entrada y una pluralidad de receptores. Los receptores tienen

40 al menos dos conectores de receptor. Un modulo incluye un componente de potencia y al menos dos conectores de modulo que se conectan al componente de potencia.

La invencion proporciona un sistema de pila de accionamiento de gran potencia como se define en la reivindicacion

1.

La invencion tambien proporciona un procedimiento para enfriar y alimentar un dispositivo de silicio como se define 45 en la reivindicacion 17.

Otras caracteristicas de la invencion se haran evidentes a partir de la siguiente descripcion detallada cuando se considere junto con los dibujos. Asimismo, aunque se ha descrito una caracteristica particular de la invencion anteriormente respecto a solo una o mas de las varias realizaciones ilustradas, tal caracteristica se puede combinar con una u otras mas caracteristicas de las otras realizaciones, como puede ser deseable y ventajoso para cualquier

50 aplicacion dada o particular.

Las realizaciones de esta invencion se describiran ahora en mayor detalle con referencia a los dibujos anexos, en los cuales:

La figura 1 es una vista en perspectiva de un sistema de pila electronica de gran potencia segun aspectos de la invencion.

La figura 2 es una vista esquematica de un sistema ejemplar de pila electronica de gran potencia segun aspectos de la invencion.

La figura 3 muestra una vista en perspectiva de despiece ordenado de un conector combinado electrico y de enfriamiento por fluido; y

La figura 4 muestra una vista en perspectiva en seccion transversal del conector de la figura 3.

La figura 5 es una vista lateral de un conjunto de placa de circuito impreso que usa dispositivos TO-247.

La figura 6 es una vista superior de una disposicion de modulo dual que usa una oblea de silicio unida directamente a placas de enfriamiento bajo tension;

La figura 7 muestra una representacion del enfriamiento dielectrico vaporizable usado con un disco.

La figura 8 muestra otra representacion de enfriamiento dielectrico vaporizable usado con un disco; y

La figura 9 muestra un tipico empaquetado de semiconductores de tipo disco.

Un aspecto de la presente invencion es proporcionar un aparato y un procedimiento para enfriar y alimentar un dispositivo de silicio, tal como los de una pila modular de accionamiento de gran potencia, proporcionando un sistema de enfriamiento que utiliza refrigerante dielectrico vaporizable y que utiliza al menos una parte del sistema de enfriamiento para proporcionar tambien una conexion electrica a una fuente de potencia de manera que los modulos se puedan insertar y retirar simplemente de un armario cuando se necesita sin necesitar un montaje y desmontaje caro de los modulos o dispositivos de conexion. Una realizacion de tal pila modular de accionamiento de gran potencia 10 se muestra en la figura 1. Tal como se usa en el presente documento, la expresion "gran potencia" significa un circuito que tiene una tension superior a 50 V CA o 120 V CC o una corriente superior a 50 Amps. La pila de accionamiento 10 comprende una estructura o bastidor de soporte comun 20, que se muestra en el presente documento como un armario, que aloja una pluralidad de modulos 30 que se deslizan dentro de los receptores (no mostrados) del armario 20. El armario 20 se puede fabricar en acero o aluminio (o cualquier otro material apropiado) y puede incluir opcionalmente carrilles verticales paralelos o carriles de bastidor para almacenar uno o mas modulos 30. El armario 20 se puede fijar al suelo, a la pared y/o al techo para un soporte adicional. Como el experto en la tecnica apreciara facilmente se puede usar cualquier bastidor apropiado para soportar equipos electronicos sobre el mismo segun la presente invencion. Asimismo, aunque el armario 20 se ilustra para almacenar modulos 30 en una orientacion vertical, se apreciara facilmente que se puede usar una estructura de soporte comun 20 para almacenar los componentes en una posicion horizontal. La pila de accionamiento 10 incluye, ademas, un sistema de enfriamiento 110, mostrandose el condensador 120 del mismo fijado a la parte superior de la pila de accionamiento 10.

Se muestra una vista esquematica de una realizacion de la pila 10 de accionamiento de gran potencia en la figura

2. El armario 20 envuelve un sistema de enfriamiento por fluido dielectrico y una pluralidad de modulos 30. El sistema 110 de enfriamiento por fluido dielectrico comprende una pluralidad de conductos de fluido 112, un condensador 120 (fijado a la parte suprior del armario 20 de una manera que permite que el aire ambiente 122 pase a traves del condensador 120), una bomba 130, y un evaporador de placa de enfriamiento 140 u otro intercambiador de calor, la placa de enfriamiento 140 se monta en un modulo 30 y se posiciona para enfriar un componente de potencia 40, mostrado en el presente documento como un par de transistores bipolares de puerta aislada, enfriando un disipador de calor cerca de l componente de potencia 40, o permitiendo el contacto directo de un fluido dielectrico con el componente de potencia 40. El sistema 110 de enfriamiento por fluido dielectrico puede comprender, ademas, otros componentes tales como un deposito de fluido o un receptor de liquido 150 entre el condensador 120 y la bomba 130, o un separador de vapor (no mostrado) antes de la entrada al condensador 120,

o un filtro (no mostrado), u otros dispositivos segun convenga. En una realizacion de la invencion, el sistema 110 de enfriamiento por fluido dielectrico utiliza un refrigerante dielectrico vaporizable. El refrigerante se bombea a traves del sistema 110 de enfriamiento por fluido dielectrico por la bomba 130 en la direccion mostrada por las flechas adyacentes a los conductos de fluido 112 en la figura 2. Asimismo para proporcionar un paso al fluido dielectrico, los conductos de fluido 112A y 112B se conectan electricamente por los cables 161 y 162 a una fuente de alimentacion CC del sistema de manera que el conducto de fluido 112A es un bus CC y el conducto de fluido 112B se aisla electricamente de la parte del sistema 110 de enfriamiento por fluido dielectrico que incluye el condensador 120 y la bomba 130 por aisladores tubulares no conductores 114.

El modulo 30 se desliza dentro de un receptor de una pluralidad de receptores 22 posicionado en una posicion predeterminada en el armario 20. El receptor 22 tiene al menos dos conectores de receptor 24A, 24B posicionados en una posicion predeterminada. Uno de los conectores de receptor 24A se conecta fluida y electricamente a un suministro de fluido dielectrico a traves del conducto de suministro y el bus CC 112A mientras que otro conector receptor 24B se fija a y se conecta fluida y electricamente a una linea de retorno para el fluido dielectrico a traves

del conducto de retorno y el bus CC+ 112B. El modulo 30 tiene al menos dos conectores de modulo 34A, 34B posicionados en una posicion predeterminado de tal manera que los conectores de receptor 24A, 24B acopla los conectores de modulo 34A, 34B, respectivamente, realizando una conexion fluida y una conexion electrica 210 entre el armario 20 y el modulo 30. En una realizacion de la invencion la conexion fluida y electrica 210 se conecta y desconecta meramente desplazando el modulo dentro y fuera del receptor 22 en el cual la conexion 210 es una conexion de ruptura en seco y una conexion sin bloqueo. El modulo 30 se puede fijar al receptor 22 u otra parte del armario 22 cuando el modulo 30 se inserta plenamente dentro del receptor 20 con el fin de fijar el modulo 30 en el armario 20 y mantener la conexion 210.

Cada modulo 30 es muy configurable para tener varios circuitos que utilizan un componente de potencia 40 procedente de uno o mas modulos 30 para llevar a cabo una funcion de gran potencia para ser usada para construir una pila completa de accionamiento CA y/o CC. La pila de accionamiento se puede usar entonces en combinacion con un controlador (no mostrado) para ajustar el par y la velocidad de un motor electrico CA/CC. Los modulos 30 se pueden enchufar juntos como bloques de construccion para formar una gran variedad de pilas de accionamiento CA/CC que se pueden adaptar para satisfacer un requisito exacto del sistema. Se divulgan ejemplos de tales configuraciones en el documento US-A-2007/0258219.

Se muestra una realizacion de la conexion 210 en las figuras 3 y 4. La conexion 210 comprende el conector de receptor 24 y el conector de modulo 34. El conector de receptor 34 comprende un soporte 342 hembra aislado que puede alojar hasta tres conectores. Un tubo de cobre 344 se aisla con un material aislante apropiado 346 y se posiciona a traves del soporte 342. El conector de modulo 34 comprende, ademas, un cuerpo de acoplamiento/contacto hembra conductor 348 que aloja un conjunto de junta de obturador 350 que se acopla conductivamente al cuerpo de contacto/acoplamiento hembra conductor 348 que se acopla conductivamente al miembro 352 de contacto conductor anular electrico. El conector de receptor 24 comprende un soporte 242 macho aislado que puede alojar hasta tres conectores. Un tubo de cobre 244 se aisla con un material aislante apropiado 246 y se posiciona a traves del soporte 242. El conector de receptor 24 comprende, ademas, un cuerpo de contacto/acoplamiento macho conductor 248 que aloja un conjunto de junta de obus de valvula 250. Una parte expuesta del tubo de cobre 244 entra en contacto con el cuerpo de contacto/acoplamiento macho conductor 248.

Como se muestra en la figura 4, el cuerpo 248 de contacto/acoplamiento macho se inserta en el cuerpo 348 de contacto/acoplamiento hembra y se acopla al miembro de contracto 352 conductor anular electrico proporcionando de este modo una conexion electrica a traves de la conexion 210. La conexion 210 tambien proporciona una conexion de fluido de ruptura en seco sin bloqueo. El conjunto 350 de junta de obturador evita que el flujo de fluido a traves del conector de modulo 34 cuando e modulo no esta posicionado en el receptor 20. Asimismo, el conjunto de junta de obus de valvula 250 evita el flujo de fluido a traves del conector de receptor 24 cuando el modulo 30 no esta posicionado en el receptor 20. Cuando el modulo 30 se posiciona en el receptor 20 creando la conexion 210, el conjunto de junta de obus de valvula se acopla al conjunto de obus de valvula, abriendo una conexion de fluido a traves de la conexion 210. La combinacion de conexion de fluido y conexion electrica 210 proporciona enfriamiento para el conector de alta corriente y reduce la dimension y el numero de interconexiones requeridas para un modulo

30. Aunque los componentes de receptor y de modulo se han descrito en terminos de conexiones macho y/o hembra, el experto en la tecnica apreciara facilmente que las conexiones pueden ser intercambiables, es decir, los conectores pueden ser intercambiables. La realizacion mostradas es meramente una conexion de las muchas conexiones posibles y la presente invencion no se limita a la configuracion de la conexion mostrada. Este concepto tambien podria incluir un conector flexible o manguera con este conector de combinacion enchufable en ambos extremos para llevar alta corriente y refrigerante entre los dispositivos que usan ambos. Por ejemplo, entre una alimentacion y un accionamiento por motor o UPS.

La discusion anterior va dirigida al sistema 10. Sin embargo, la introduccion de la conexion combinada electrica y de fluido proporciona ventajas adicionales en los modulos 30 y componentes de potencia 40 en general. Centrandonos ahora en los componentes de potencia 40 de los modulos 30, si se usa un disipador de calor para llevar tanto el refrigerante como la corriente a y desde los dispositivos de silicio de potencia 40 proporciona una oportunidad de mejorar el empaquetado y el enfriamiento de los dispositivos semiconductores de potencia 40.�ay varias zonas de dispositivos convencionales semiconductores de potencia que este tipo de sistema de fluido dielectrico de vapor podria potencialmente mejorar.

Una zona potencial de mejora es un modulo tipico de silicio de potencia. Las dos barreras que constituyen lo esencial de la impedancia termica entre la oblea de silicio y el disipador de calor son el aislador entre el dispositivo de silicio bajo tension y la palca base y a continuacion la junta mecanica entre la placa base y el disipador de calor. La colocacion de la oblea de silicio se puede realizar directamente sobre un disipador de calor bajo e tension, la impedancia termica total se puede reducir considerablemente.

Otra zona de mejora potencial es en las aplicaciones que tienen cargas ciclicas elevadas. La diferencia en el coeficiente de expansion termica entre los diferentes materiales puede causar tensiones mecanicas en el

dispositivo y a durante un largo periodo de tiempo producira degradacion y fallos eventuales. �ebido al cambio de fase en el fluido de enfriamiento dielectrico vaporizable dentro de la placa de enfriamiento, los cambios en la temperatura de la placa base causados por los cambios de carga de calor en el modulo de potencia se minimizan. Ademas, si la oblea de silicio de potencia se une directamente a un disipador de calor bajo tension, el numero de interfaces mecanicas entre el silicio y su placa base se puede reducir. �inalmente, si el disipador de calor esta hecho con un material tal como un ALSiC, que tiene propiedades mecanicas mejoradas respecto del cobre para una estabilidad a largo plazo, se puede aplicar mas y mayores ciclos de temperatura antes del fallo mecanico. Otra zona de mejora potencial es el uso del o de los disipadores de calor como conductores de corriente. Este uso permite reducir el numero de interconexiones mecanicas con los dispositivos semiconductores de potencia y el numero de hilos de union.

Otra zona de mejora potencial se refiere a que cuando los dispositivos semiconductores de potencia conmutan, la velocidad de cambio inducira corrientes en cualquier plano local de puesta a tierra por acoplamiento capacitivo. Estas corrientes de frecuencia elevada no son deseables porque pueden causar interferencias electromagneticas en sistemas electronicos cercanos, por ejemplo dispositivos de comunicacion u ordenadores. Los modulos con placa base conectada a tierra generan tipicamente una gran cantidad de corriente debido a la estrecha proximidad y la gran area superficial de la placa base del modulo en el potencial de tierra compartido con los dispositivos de conmutacion La capacidad del refrigerante para funcionar en un potencial electrico flotante respecto a tierra puede reducir las corrientes de conmutacion de alta frecuencia acopladas capacitivamente que fluyen a tierra o el chasis de montaje del equipo que es referenciado a tierra, por ejemplo el chasis de un vehiculo hibrido o aeronave. Esto reduce las emisiones CEM.

�ay que resaltar tambien que el refrigerante no tiene iones para llevar una carga que elimine la posibilidad de corrientes de fuga que fluyen en el refrigerante, lo cual puede causar fallo de circuito, calentamiento adicional y corrosion electroquimica de las conexiones.

Cuando un dispositivo de potencia conmuta, hay una velocidad muy alta de cambio entre los dispositivos y sus condensadores de suministro o amortiguadores. Si hay cualquier inductancia en este circuito de corriente se produce una punta de tension a traves del dispositivo semiconductor que puede producir un fallo. El montaje del dispositivo en un disipador de calor bajo tension permite la reduccion de esta inductancia. Esto se consigue empleando una construccion de placas paralelas que anulan los capos magneticos opuestos generados por el flujo de corriente.

El refrigerante bombeado es muy conveniente para enfriar las barras colectoras y los dispositivos que funcionan a un potencial electrico elevado respecto a tierra ya que es un dielectrico efectivo. Esto permite que el mismo circuito de fluido enfrie numerosos dispositivos en serie que funcionan a diferentes potenciales electricos. Asimismo, debido a la naturaleza del cambio de fase del sistema, el refrigerante tiene un cambio p muy pequefo de temperatura de ebullicion ya que pasa por los disipadores de calor en serie, lo cual permite mantener multiples dispositivos a la misma temperatura operativa. Tambien es seguro ya que una fuga de refrigerante no causa averia electrica a traves de ninguna barrera aislante de alta tension.

El empaquetado semiconductor de potencia cae dentro de tres grupos principales. 1) Los dispositivos discretos son paquetes de plastico moldeados de baja potencia para montaje de placa de circuito impreso con placas de montaje aisladas o no aisladas. 2) Los modulos son dispositivos de media potencia con montaje de silicio de un solo lado y construccion de hilos de union. Los dispositivos se montan en una placa base asilada y se encierran en un alojamiento de plastico. 3) Los dispositivos de disco o capsula son aplicaciones de gran potencia y usan una construccion de disco de doble cara con placas base no aisladas sujetas juntas para proporcionar una buena conductividad termica y electrica. Se mostrara que los procedimientos para aplicar enfriamiento dielectrico vaporizable a cada tipo de paquete proporcionan muchas de las ventajas mencionadas anteriormente que se pueden aplicar.

�ispositivos discretos: Se usa una placa de enfriamiento en combinacion con componentes de caja bajo tension montados en placa de circuito impreso tal como paquetes TO-247 donde todo el conjunto de potencia que incluye disipadores de calor es sueldan por onda para un modulo de potencia economicamente muy rentable como se muestra en la figura 5. El disipador de calor 402, 404 de placa base se muestran con dispositivos 440 de transistor bipolar de puerta aislada fijado con un circuito de fluido que entra en el disipador de calor 402 y que sale del disipador de calor 404 con un condensador amortiguador 406 montado entre los dispositivos que estan todos soldados a la placa de circuito impreso 408. El conjunto puede ser muy compacto y de el se derivan muchas de las ventajas mencionadas anteriormente.

Modulos: En la construccion tipica de estos dispositivos, la oblea de silicio se suelda a un aislador que a su vez se suelda a una placa base de cobre. Las conexiones electricas entre los dispositivos se realizan mediante cintas de cobre sobre el aislador o por hilos de union. La figura 6 muestra una disposicion de modulos 530, utilizando en su disefo disipadores 512 de calor basados en fluido dielectrico vaporizable. Esta disposicion 530 es para un modulo

tipico de transistor bipolar de puerta aislada dual con diodos de retorno correspondientes. El conjunto usa dos disipadores de calor 502, 504 que funcionan al potencial del transistor bipolar de puerta aislada fijado 506 y los dispositivos de diodos 508. EL fluido entra en el disipador de calor 502 como se muestra con la flecha 516 y sale como se muestra con la flecha 518. Esto permite un modulo muy compacto y de ello se pueden derivar muchos de los beneficios mencionados anteriormente. Se puede observar que la construccion de placas paralelas y la localizacion de los puntos de conexion de potencia proporcionan una via de inductancia muy baja a los condensadores amortiguadores. Cabe sefalar que el tubo entre los disipadores de calor 502 y 504 esta aislado electricamente como se muestra en 510.

�ispositivos de tipo disco: �ay varias ventajas potenciales en la aplicacion de este sistema de enfriamiento a los dispositivos de tipo disco. La construccion tipica de un dispositivo de tipo disco se muestra en la figura 9. El disco semiconductor 940 y el aislador anular 908 se colocan dentro de una caja sellada exterior 902 y sujeta entre dos discos de cobre 904, 906 que transfieren calor y corriente a las caras exteriores del dispositivo. El dispositivo ensamblado 910 (no mostrado en su estado ensamblado) se encapsula y rellena con un gas inerte. Los disipadores de calor se montan entonces en cualquiera de los dos lados de la capsula y se emplea un mecanismo de grapa especial para proporcionar una fuerza correcta y regular al conjunto para garantizar una buena transferencia de calor y corriente.

En una realizacion como se muestra en la figura 7, las placas de enfriamiento por fluido dielectrico vaporizable 702 se posicionan sobre uno de los dos lados del dispositivo 910 y se sujetan juntas mediante grapas 704. El fluido refrigerante entra el disipador de calor de placa base en 706 y sale en 708. Esta configuracion proporciona varias ventajas respecto del enfriamiento por aire ambiente en terminos de dimension y peso. Asimismo, puesto que las caras del dispositivo estan a un potencial electrico elevado, el agua solo puede usarse como refrigerante si es muy pura y esta libre de iones. En este estado el agua puede ser corrosiva.- Un refrigerante dielectrico es por naturaleza libre de iones y no es corrosivo. Esto proporciona un modulo muy compacto y de ello se pueden derivar varios beneficios mencionados anteriormente.

En otra realizacion como se muestra en la figura 8, el refrigerante fluye en 806 y 808 directamente dentro y fuera de los discos de cobre de soporte 906� mostrados como los disipadores de calor que rodean el disco de potencia de silicio 940 y se sujetan entre si mediante una grapa 804. Los tubos de enfriamiento se podrian usar para llevar tanto la corriente como el refrigerante al y desde el dispositivo 940. Esto eliminaria dos interfaces termicas y de corriente y se podria reducir la dimension del conjunto. Sin embargo no se eliminaria la necesidad del mecanismo de sujecion. Esto permite un modulo muy compacto.

En otra realizacion, el refrigerante se posiciona en contacto directo con la superficie del disco semiconductor y el mecanismo de sujecion se podria eliminar. El documento US-5132777 divulga un sistema para conectar el disco semiconductor a los miembros de transporte de corriente del dispositivo semiconductor que usa pequefos filamentos de contacto soldados. Esto evita el problema de conexion de dos materiales que tienen diferentes coeficientes de expansion termica. Las placas de enfriamiento se pueden unir directamente a ambos lados del disco. La idea de la conexion de un modulo de tipo disco se puede combinar con el concepto presentado aqui del uso de enfriamiento dielectrico vaporizable y usar las conexiones de refrigerante para llevar tambien corriente al y desde el modulo para disefar un dispositivo que eliminaria cuatro interfaces termicas y de corriente en comparacion con la solucion tradicional de empaquetado y la necesidad de sistema de sujecion caro y propenso a errores.

Aunque se muestran principalmente para una pila de accionamiento de gran potencia, los aspectos de la presente invencion incluyen otras posibles aplicaciones. Una posible aplicacion para este concepto seria para vehiculos electricos hibridos. La fuente de refrigerante fluido dielectrico vaporizable se podria aprovechar en el bucle de fluido de acondicionamiento de aire existente o compartir un intercambiador de calor con el bucle de fluido de acondicionamiento de aire existente. En un vehiculo, el refrigerante se podria bombear a traves de la fuente de alimentacion de bateria o celula de combustible CC, a traves de la electronica de accionamiento de motor, a traves los bobinados de motor y volver entonces a la fuente. Esto se podria conseguir con conectores enchufables haciendo que su mantenimiento sea muy sencillo.

Claims

REIVINDICACIONES

1.- Sistema de pila de accionamiento de gran potencia (10) que comprende:

una estructura de soporte comun (20) que incluye:

una fuente de potencia del sistema (112A, 112B), y una pluralidad de receptores (22) situados en lugares predeterminados, en los cuales al menos uno de los receptores tiene al menos dos conectores de receptor (24A, 24B) y los al menos dos conectores de receptor tienen una posicion predeterminada en uno de los receptores, y al menos un modulo (30) que incluye:

un componente de potencia (40) y

al menos dos conectores de modulo (34) que se disponen en una posicion predeterminada y se acoplan electricamente a al menos una parte del componente de potencia, acoplandose cada conector de modulo a un conector de receptor correspondiente para formar una conexion electrica.

caracterizado porque la estructura de soporte comun incluye un sistema (110) de enfriamiento por fluido dielectrico, y el modulo incluye un circuito de enfriamiento por fluido dielectrico asociado al componente de potencia, acoplandose fluidamente los conectores de modulo al circuito de enfriamiento por fluido dielectrico,

en el cual cada conexion electrica entre un conector de modulo y su conector de receptor correspondiente es de forma generalmente cilindrica, formando el interior cilindrico de la conexion electrica una conexion de fluido entre el modulo y la estructura de soporte comun, de manera que el fluido esta en contacto con el interior de la conexion electrica.
2.- El sistema segun la reivindicacion 1, en el cual el sistema (110) de enfriamiento por fluido dielectrico y el circuito de enfriamiento por fluido dielectrico utilizan un refrigerante dielectrico vaporizable.
3.- Sistema segun la reivindicacion 2, que incluye, ademas, una pluralidad de modulos (30).
4.- Sistema segun la reivindicacion 3, en el cual la pluralidad de modulos (30) se apilan juntos y se fijan a la estructura (20) de soporte comun.
5.- Sistema segun la reivindicacion 4, en el cual la estructura (20) de soporte comun es un bastidor o un armario.
6.- Sistema segun la reivindicacion 2, en el cual el sistema (110) de enfriamiento por fluido dielectrico comprende una pluralidad de conductos (112) de fluido, un condensador (120), una bomba (130), y un evaporador (140), estando el evaporador posicionado sobre el al menos un modulo (30).
7.- Sistema segun la reivindicacion 2, en el cual la conexion electrica y la conexion de fluido formadas por cada conector de modulo (34) que se acopla a un conector de receptor (24A, 24B) correspondiente es una conexion de ruptura de ruptura en seco, y es preferiblemente una conexion sin bloqueo.
8.- Sistema segun la reivindicacion 1, en el cual los conectores de modulo y los conectores de receptor forman una conexion macho-hembra.
9.- sistema segun la reivindicacion 8, en el cual la conexion macho-hembra se forma al menos en parte como un tubo hueco, siendo al menos una parte del tubo conductora a lo largo de su longitud y proporcionando los tubos un paso de fluido cuando se inserta la parte macho en el tubo.
10. Sistema segun la reivindicacion 1, en el cual el modulo comprende, ademas, una placa de enfriamiento (702) que funciona a la potencia de un componente de potencia (910) unido directamente a la placa de enfriamiento.
11.- Sistema segun la reivindicacion 1, en el cual al menos partes del circuito de enfriamiento por fluido dielectrico de modulo asociado al componente de potencia se usan como barras colectoras portadoras de corriente.
12.- Sistema segun la reivindicacion 1, en el cual el componente de potencia del al menos un modulo es un disco

(940) u oblea de silicio.
13.- Sistema segun la reivindicacion 12, en el cual el al menos un modulo que comprende, ademas, un disipador de calor (904, 906) en ambos lados del disco (940) u oblea de silicio, en el cual el circuito de enfriamiento por fluido dielectrico de modulo pasa a traves de los dos disipadores de calor, proporcionando tambien al menos una parte del circuito de enfriamiento por fluido dielectrico de modulo una conexion electrica al disco u oblea de silicio de potencia.
14.- Sistema segun la reivindicacion 1, en el cual el fluido dielectrico del circuito de enfriamiento por fluido dielectrico de modulo esta en contacto directo con al menos una parte del disco (940) u oblea de silicio del modulo (30), proporcionado al menos una parte del circuito de enfriamiento por fluido dielectrico de modulo tambien una conexion electrica al disco u oblea de silicio de potencia.
15.- Procedimiento para enfriar y alimentar un dispositivo de silicio que comprende las etapas de

5 proporcionar un dispositivo de silicio de potencia,

proporcionar una fuente de potencia, y

enfriar el dispositivo de silicio de potencia proporcionando un sistema de enfriamiento que utiliza un refrigerante dielectrico vaporizable, comprendiendo el sistema una pluralidad de conductos de fluido, una bomba, un condensador, y una placa de enfriamiento, en el cual la placa de enfriamiento se posiciona para enfriar el

10 dispositivo de silicio de potencia favoreciendo la vaporizacion de refrigerante liquido que pasa a traves de la placa de enfriamiento,

caracterizado porque el procedimiento incluye la etapa de alimentar el dispositivo de silicio conectando electricamente la fuente de potencia al dispositivo de silicio de potencia que utiliza al menos una parte del conducto de fluido.