MÓDULO DE SEMICONDUCTOR DE POTENCIA CON MEDIOS DE PROTECCIÓN CONTRA LA SOBRE CORRIENTE.

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).

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... [Seguir leyendo]

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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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).