Montaje de circuito excitador para un módulo de semiconductor de potencia.

Una instalación de circuito excitador para módulos de semiconductor de potencia compactos en una topología de puente de 3 fases que constan de lo menos una tarjeta de circuito impreso (7) con componentes activos y también pasivos,

tres transformadores de impulsos (4), (5), (3) para cada una de las dos señales de control y también para cada una de las dos alimentaciones de tensión de los componentes del lado secundario (113), (123), (133), (143), (153), (163), caracterizada porque las líneas del lado primario (9) no cruzan (110), (120), (130), (140) las líneas del lado secundario (8), porque se introducen un primer transformador de impulsos (5) para los dos conmutadores TOP (14), (15) de la primera fase y también de la segunda, un transformador de impulsos (4) para los dos conmutadores BOT (11), (12) de las fases primera y también la segunda y un tercer transformador de impulsos (3) para los conmutadores TOP (16) y también para los conmutadores BOT (13) de la tercera fase, en la que en lugar de transformadores de impulsos (4, 5, 3) también se utilizan otros componentes, tales como acopladores ópticos o desplazadores de nivel para el propósito del ajustes del nivel.

Montaje de un circuito excitador para un módulo de semiconductor de potencia La invención describe una instalación de circuito excitador para un módulo de semiconductor de potencia en la topología de un puente de 3 fases según el preámbulo de la reivindicación 1. Las instalaciones de circuitos excitadores de este tipo para módulos de semiconductor de potencia son de la técnica conocida a partir de la literatura. Con el incremento de las prestaciones de los módulos de semiconductor de potencia así como de la elevación en sus niveles de fiabilidad la optimización de la instalación del circuito excitador utilizada es un requisito previo obligatorio.

En el desarrollo de los módulos de semiconductor de potencia las variantes estructurales compactas forman la técnica anterior moderna; éstas, por ejemplo, combinan un rectificador de puente de 3 fases en un alojamiento sin una placa base. Las estructuras de este tipo son de la técnica conocida, por ejemplo, a partir del documento DE 196 30 173 C. Otros desarrollos actuales conciernen a la reducción de las inductancias parásitas en los módulos de semiconductor de potencia, como, por ejemplo, se presenta en el documento DE 100 37 533 A1. El desarrollo de los conmutadores de potencia introducidos en los módulos de este tipo, los cuales principalmente consisten en un circuito paralelo con una pluralidad de transistores de potencia, tal como por ejemplo IGBT (transistores bipolares de puerta aislada) con diodos de rueda libre conectados en paralelo, se desplaza hacia tensiones de bloqueo más elevadas. En este caso la técnica anterior está formada por transistores bipolares de puerta aislada de clases de tensiones de bloqueo con 600 V, 1200 V, 1700 V y también 3300 V.

Con módulos compactos de este tipo, con prestaciones incrementadas y un requisito de área superficial reducida, los requisitos de los circuitos excitadores requeridos para su control también aumentan.

Una instalación compacta de un módulo de semiconductor de potencia y una instalación de circuito excitador relacionado se pueden conseguir si el último está instalado directamente en el módulo de semiconductor de potencia. Una instalación de este tipo impone al circuito excitador una topología particular para sus conexiones terminales de control al módulo de semiconductor de potencia.

La tarea del circuito excitador consiste en el control de los conmutadores de potencia según un modelo de conmutación que está por ejemplo prescrito mediante un microprocesador, de tal modo que la tensión de salida del módulo de semiconductor de potencia corresponda, en tanto en cuanto sea posible, a una tensión de salida ideal para el propósito particular. Para este propósito la instalación de circuito excitador consiste en una multiplicidad de elementos tanto activos como pasivos.

Un papel importante en la tarea citada está de acuerdo con el ajuste del nivel de las señales de control del conmutador de potencia. Este ajuste del nivel es por regla general necesario para ambos, los conmutadores TOP y también los conmutadores BOT de un circuito de puente de 3 fases, puesto que el potencial de referencia para los conmutadores BOT no es necesariamente idéntico al potencial de referencia de la instalación del circuito excitador.

Esencialmente se utilizan dos tipos de componentes para el ajuste del nivel, por una parte, acopladores ópticos, y por la otra parte transformadores de impulsos. Comparados con los acopladores ópticos, los transformadores de impulsos tienen la ventaja de que también pueden transferir potencia y por lo tanto pueden servir como una alimentación de tensión a los componentes en el lado secundario del ajuste del nivel.

La técnica anterior incluye transformadores de impulsos con dos canales de control para el propósito de la transferencia de dos señales de control, por ejemplo, para cada conmutador TOP y BOT, y también dos canales de alimentación del lado secundario para el propósito de alimentación de la tensión a las cargas del lado secundario. Tales cargas son, por ejemplo, componentes para corregir la forma de la señal de las señales de control que son transferidas. Adicionalmente, los transformadores de este tipo pueden transferir señales, tales como por ejemplo señales de error, desde el lado secundario al lado primario.

Las instalaciones de circuito excitador según la técnica anterior asignan un transformador de impulsos a cada fase de un circuito de puente de 3 fases. Una instalación de circuito excitador de este tipo se muestra en el documento US 6, 049, 475.

Esto necesariamente resulta en topologías en las cuales las trayectorias de las señales del lado primario son cruzadas por las trayectorias de las señales del lado secundario. Cuando se utilizan tarjetas de circuitos impresos convencionales la distancia entre las dos líneas que se cruzan entre sí en tales puntos de cruce es del orden de 1 mm o menos.

Particularmente, cuando se utilizan transistores bipolares de puerta aislada de clases de tensión de bloqueo de más de 600 V son necesarios tiempos de conmutación cortos para que los conmutadores de potencia generen señales de salida del módulo de semiconductor de potencia de alta calidad. Esta conmutación rápida corresponde a alteraciones rápidas en la tensión (dU/dt alta) en las líneas de control.

Unas alteraciones rápidas de este tipo en la tensión pueden conducir a interferencias en los puntos de los nodos, esto es a tensiones de interferencia en la otra línea. Estas tensiones de interferencia pueden conducir a funcionamientos defectuosos en el funcionamiento del módulo de semiconductor de potencia o incluso a su fallo.

Además las tensiones elevadas en el lado secundario conducen a problemas con la coordinación del aislamiento. Esto se entiende que significa efectos tales como descargas parciales en el volumen y en la superficie de la tarjeta de circuito impreso. Información adicional en el tema se puede encontrar en el capítulo 1 del documento de König, Rao, "Teilentladungen in Betriebs-mitteln der Energietechnik (Descargas parciales en equipo de ingeniería de potencia) ", editorial VDE-Verlag 1993 ISBN 3-8007-1764-6", en el documento DIN EN 50178 (VDE 0160) y también en el documento DE 100 63 714 A1 con respecto a los efectos en los componentes de los semiconductores de potencia.

El objeto que subyace en la invención es aquél de presentar una instalación de circuito para una instalación de circuito excitador para el propósito del control de un módulo de semiconductor de potencia en la topología de un puente de 3 fases con una inmunidad incrementada a la tensión de interferencia, así como una coordinación del aislamiento de alta calidad con una separación de la tensión segura y un alto nivel de fiabilidad.

El objeto se consigue de forma inventiva por medio de las características de la parte caracterizante de la reivindicación 1. Formas de realización preferidas se describen en las reivindicaciones subordinadas.

Los módulos de semiconductor de potencia compactos en una topología de puente de 3 fases tienen características de diseño particulares ya que, por ejemplo, están diseñados para inductancias parásitas particularmente bajas. Los módulos de semiconductor de potencia con conexiones terminales de potencia y de control que son conducidas fuera en el lado encarado alejado de la placa base, generalmente un sustrato de cerámica, son de la técnica anterior. Como está prescrito por la estructura interior de estos módulos de semiconductor de potencia, las conexiones terminales de corriente continua están colocadas en uno de los dos lados longitudinales, mientras las tres conexiones terminales de corriente alterna están colocadas en el lado longitudinal opuesto. La mayoría de las conexiones terminales de control de forma similar están colocadas en los lados longitudinales del módulo de semiconductor de potencia. En este caso éstas típicamente adoptan la forma de conexiones de puerta y también las conexiones terminales auxiliares del emisor. En esta topología estructural las conexiones terminales de control de los conmutadores BOT están colocadas en un lado, mientras aquellas de los conmutadores TOP están colocadas en el lado opuesto.

La tarjeta de circuito impreso de la instalación de circuito excitador está colocada directamente por encima de estas conexiones terminales de control en el módulo de semiconductor de potencia. Con esta instalación se pueden conseguir conexiones cortas entre el módulo de semiconductor de potencia y la instalación de circuito excitador.... [Seguir leyendo]

1. Una instalación de circuito excitador para módulos de semiconductor de potencia compactos en una topología de puente de 3 fases que constan de lo menos una tarjeta de circuito impreso (7) con componentes activos 5 y también pasivos, tres transformadores de impulsos (4) , (5) , (3) para cada una de las dos señales de control y también para cada una de las dos alimentaciones de tensión de los componentes del lado secundario (113) , (123) , (133) , (143) , (153) , (163) , caracterizada porque las líneas del lado primario (9) no cruzan (110) , (120) , (130) , (140) las líneas del lado secundario (8) , porque se introducen un primer transformador de impulsos (5) para los dos conmutadores TOP (14) , (15) de la primera fase y también de la segunda, un transformador de impulsos (4) para los dos conmutadores BOT (11) , (12) de las fases primera y también la segunda y un tercer transformador de impulsos (3) para los conmutadores TOP (16) y también para los conmutadores BOT (13) de la tercera fase, en la que en lugar de transformadores de impulsos (4, 5, 3) también se utilizan otros componentes, tales como acopladores ópticos o desplazadores de nivel para el propósito del ajustes del nivel.

2. La instalación de circuito excitador según la reivindicación 1 caracterizada porque la distancia de separación entre las líneas del lado primario (9) y las líneas del lado secundario (8) es por lo menos 10 mm.

3. La instalación de circuito excitador según la reivindicación 1 caracterizada porque los conmutadores de potencia (11) , (12) , (13) , (14) , (15) , (16) son circuitos paralelos de por lo menos un transistor bipolar de puerta 20 aislada IGBT con por lo menos un diodo de rueda libre.

4. La instalación de circuito excitador según la reivindicación 1 caracterizada porque la tarjeta de circuito impreso (7) está instalada directamente por encima del módulo de semiconductor de potencia.

5. La instalación de circuito excitador según la reivindicación 1 caracterizada porque los transformadores de impulsos (4) , (5) , (3) están instalados cerca de los componentes del lado secundario y también las conexiones de control (111, 112, 121, 122, 131, 132, 141, 142, 151, 152, 161, 162) del módulo de semiconductor de potencia.