Brevet FR2230077A1 — publié le 19741213

L'invention concerne un module semi-conducteur muni d'un refroidisseur en une seule pièce qui est relié à une cellule semiconductrice par l'intermédiaire de pièce de contact. tors de l'utilisation de diodes et de thyristors, il est le plus souvent nécessaire d'éacuer vers l'ambiance la chaleur de perte engendre dans les lémQnts semi-conducteurs par l'inter médiaire de refroidisseurs approprie afin que la températur limite maximale admissible des éléments semi-conducteurs ne soit pas dépasse. Il est connu d'enfermer les éléments semi-conducteurs dans des cellules et de visser celles-ci dans un refroidisseur ou de les fixer d'un côté à un refroidisseur ou de les serrer des deux côtes entre deux moitiés de refroidisseur pour assurer une meilleure évacuation de chaleur. Dans le premier cas, le refroidisseur est d'ordinaire au potentiel électrique de l'élément semi-conducteur, dans les deux autres cas le refroidisseur est le plus souvent isolé électri- quement, mais pas thermiquement, de la cellule semi-conductrice aux endroits de contact avec celle-ci à l'aide de couches intermédiaires appropriées éleotriquement isolantes, par exemple des couches en oxyde d'aluminium. Lorsqu'une cellule semi-conductrice est serrée des deux côtés entre deux moitiés de refroidisseur, ce qui est particulière- ment favorable en ce qui concerne la technique de refroidissement, la cellule sous tension se trouve souvent dans le milieu de refroidissement, par exemple dans l'air. Une isolation électrique de la cellule n'est cependant pas toujours garantie du fait que le milieu de refroidissement se salit, même lorsqu'on dispose des couches intermédiaires électriquement isolantes aux endroits de serrage. Le but de l'invention est de réaliser un refroidisseur d'une seule pièce muni d'un dispositif de serrage approprié pour des cellules semi-sonductrices, pour lequel la chaleur de perte est évacuée des deux optés de la cellule semi-conductrice, celle-ci restant cependant quand même compl#tement isolée du milieu de refroidissement et le refroidisseur pouvant également être isolé électriquement de la cellule semi-conductrice moyennant la mise en oeuvre de moyens simples.Ce problème est résolu conformément à l'invention, partant d'un dispositif du type mentionné au début, par le fait que le refroidisseur a la forme d'une cuvette, dans laquelle deux plans de parois se trouvant l'un en face de l'autre forment entre eux un angle, de préférence un angle aigu, et ont la forme de surfaces d'ap pui pour deux pièces de contact en forme de coin, entre lesquelles est serrée la cellule semi-conductrice. Cette disposition est appropriée aussi bien 'a un refroidissement naturel qutà un refroidissement forcé par un milieu de refroidissement (par exemple de l'air) et garantit pour chacun de ces types de refroidissement une utilisation optimale de ltes.pace de montage offert.De plus, il est possible de fabriquer des unités fonctionnelles formant un tout et commodes, qui sont faciles à interchanger et à réparer, en cas de défaut, moyennant de faibles dépenses, tout en mettant en oeuvre des moyens simples. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description détaille de plusieurs modes de réalisation pris comme exemples non limitatifs et illustrés par le dessin annexé, sur lequel : la figure la est une coupe transversale d'un module semiconducteur équipé de deux éléments semi-conducteurs la figure lb est une vue latérale de la figure la; la figure 2 représente deux modules semi-conducteurs montés dans un coffret d'appareillages, munis d'ailettes de refroidissement horizontales pour refroidissement par air la figure 3 représente une disposition avec des ailettes de refroidissement verticales, et la figure 4 représente la mise en place de trois modules semi-conducteurs disposés les uns au-dessus des autres dans un bottier de refroidissement à l'intérieur d'une armoire d'appareillage. Comme représenté sur la figure la, le refroidisseur 1 muni, à ltextérieur, d'ailettes de refroidissement 25, qui peut par exemple être en aluminium, a la forme d'une cuvette de section transversale trapézoTdale. Les parois intérieures latérales 2, 3 opposées l'une à l'autre forment un angle aigu(, ces parois intérieures 2, 3 étant exécutées pour servir de surfaces dtappui pour deux pièces de contact 4, 5 en forme de coin, entre lesquelles est serrée une cellule semi-conductrice 6. De ce fait, la cellule semi-conductrice 6 se trouve dans l'espace intérieur protégé du refroidisseur en forme de cuvette. Pour obtenir un montage simple à l'aide de peu de pièces détachées, il est avantageux de relier entre elles les pièces de contact en forme de coin 4, 5 par l'intermédiaire d'une pie ce d1assemblage 7 et d'introduire une vis 8 de l'extérieur par le fond 9 du refroidisseur 1 en forme de cuvette et de visser avec la pièce d'assemblage 7. De ce fait, on a réalisé un dispositif de serrage accessible de l'extérieur, pour lequel les deux pièces de contact 4, 5 en forme de coin constituées d'une matière électriquement et thermiquement conductrice peuvent entre pressées de la même manière aussi bien qu'uniformément contre les parois intérieures du refroidisseur 1 aussi bien que contre les surfaces de contact de la cellule semi-conductrice 6 à l'aide d'une vis centrale par l'intermédiaire de la pièce d'assemblage isolante 7.Un ressort 10 sur la vis de serrage 8 veille, de manière connue, à ce que la force de serrage engendrant la pression de contact nécessaire reste dans les limites exigées également lors de dilatations thermiques des différentes pièces. Des couches intermédiaires simples 11 constituées d'une matière présentant une bonne isolation électrique mais thermiquement conductrice, par exemple en oxyde d'aluminium, veillent à ce que le refroidisseur 1 reste hors tension. Dans le cas où le refroidisseur doit être mis à un potentiel électrique, du point de vue du branchement du circuit, on peut se passer d'une des deux couches intermédiaires 11. Grâce à une calotte sphérique 19 mobile introduite dans une des pièces de contact en forme de coin, il est garanti que les surfaces de serrage et de contact des pièces de contact 4, 5 en forme de coin, peuvent entre adaptées au parallélisme des plans des cellules semi-conductrices 6. Grâce au dispositif de serrage conforme à l'invention, on assure, des deux côtés de la cellule semi-conductrice 6, à l'aide seulement d'une vis de serrage centrale, la pression de contact nécessaire pour une résistance électrique et thermique de transition optimale et la pression nécessaire sur les deux pa rois intérieures 2, 3 du refroidisseur 1 pour un transfert de chaleur suffisant* Le ressort 10 et la teste de la vis 8 sont, de façon pratique, noyés dans le refroidisseur et recouverts d'un capuchon 12. Ce capuchon 12, qui peut entre embossé ou vissé, assure la protection de la vis de serrage 8 et le ressort 10 contre des influences extérieures comme la poussière; l'humidité, lwendomma- gement mécanique ou agents semblables. La pression de contact nécessaire peut également être engendrée par des moyens exerçant une force de pression à partir de l'ouverture de la cuvette sur les pièces de contact en forme de coin. L'espace intérieur du refroidisseur 1 en forme de cuvette est avantageusement fermé par un couvercle 13 isolant vissé. Ce couvercle 13 porte en même temps les éléments de circuit nécessaires, par exemple lorsque l'élément semi-conducteur est un thyristor, également le transformateur de gâchette 14 ide préférence de forme surmoulée) et également si c'est nécessaire une fiche 15 pour courant de commande. Dans l'arrangement conforme å l'invention, en plus des ailettes de refroidissement 25, des résistances 16 du circuit appelé '2circuit RC" du semi-conducteur, qui peuvent également posséder une puissance de perte nominale appréciable, sont disposées sur la face extérieure du refroidisseur en forme de cuvette. Ces résistances sont enfermées, de manière connue, dans des boR- tiers électriquement isolants et conducteurs de la chaleur et sont vissées de l'extérieur dans les parois du refroidisseur 1. De cette manière, les résistances 16 délivrent leur chaleur directement au fluide de refroidissement et/ou au refroidisseur 1, sans charger thermiquement d'autres parties. Les raccordements de courant fort pour la cellule semiconductrice 6 sont formés par les prolongements 17 et 18 des pièces de contact 4, 5 en forme de coin, qui parviennent à 11exté- rieur au travers du couvercle 13 exécuté sous forme d'une plaque isolante. On dispose, de manière avantageuse, dans le plan de la cellule semi-conductrice 6, une fourche isolante 20 entourant celle-ci latéralement, fourche dont le manche passe au travers du couvercle 13 par une fente 21. Grâce à cette fourche ainsi montée, la cellule semi-conductrice 6 peut entre échangée par la fente 21 après desserrage de la vis de serrage 8 sans que toute l'unité ne doive être démontée. La fourche 20 est montée sur le couvercle 13, de manière flottante, c'est-k-dire légèrement déplaçable, de sorte qu'elle ne gêne pas la phase de serrage pour la cellule semi-conductrice 6. Grâce au refroidisseur l conforme à l'invention et aux composants y afférents, on peut réaliser des modules doubles, en les plaçant les uns à cOté des autres - comme représenté a la figure lb - ou également des modules multiples qui possèdent, dans chaque unité, des places de montage pour deux ou plusieurs cellules semi-conductrices. Un ou plusieurs modules semi-conducteurs, comme montré b la figure la, peuvent Qtre introduits dans les ouvertures de montage, qui se trouvent dans les parois de coffrets ou d'armoires d'appareillages 22 et être fixés par des vis de fixation 24 ou des moyens de fermeture rapides, de façon àQtre étanches, grâce à l'intercalation d'un joint d'étanchéité 23 entourant l'ouverture. Les modules conformes à l'invention permettent aussi bien une mise en oeuvre pour le refroidissement naturel que pour le refroidissement forcé. Lors du refroidissement naturel, les ailettes de refroidi s- sement 25 peuvent être disposées aussi bien horizontalement (figure 2) que verticalement (figure 3) selon les conditions de refroidissement correspondantes. Pour le refroidissement forcé représenté sur la figure 4, trois modules semi-conducteurs sont introduits dans les ouvertures de deux parois latérales 29 d'un bottier de refroidissement 28. Dans ce cas, la section transversale trapézoidale du refroidisseur 1 permet un arrangement compact à l'intérieur du bottier de refroidissement 28, au travers duquel est poussé ou aspiré un fluide de refroidissement et ainsi permet une utilisation meilleure, du point de vue thermique, de la section transversale du boftier de refroidissement 28. Pour ce type de montage, le joint d'étanchéité 23 entourant l'ouverture se trouve sur le côté extérieur du refroidisseur 1. Le bottier de refroidissement 28 possède, sur sa paroi supérieure et inférieure, des pièces isolantes 30 par l'intermédiaire desquelles il est relié au coffret d'appareillages 22. De ce fait, on obtient l'avantage suivant: lorsqu'on dimensionne les pièces isolantes 30 pour la m8me tension série que les pièces isolantes des modules semi-conducteurs, l'unité formée par le bottier de refroidissement 28 et le coffret d'appareillages 22 peut fonctionner sous une tension de régime qui est deux fois plus grande que la tension de dimensionnement d'isolation (tension série) des modules semi-conducteurs. REVENDICATIONS 1. Module semi-conducteur muni d'un refroidisseur en une seule pièce, qui est relié b une cellule semi-conductrice par l'intermédiaire de pièces de contact, caractérisé en ce que le refroidisseur a la forme d'une cuvette dans laquelle deux plans de paroi opposés l'un à l'autre forment entre eux un angle, de préférence un angle aigu, et ont la forme de surfaces d'appui pour deux pièces de contact en forme de coin entre lesquelles est serrée la cellule semi-conductrice. 2. Module semi-conducteur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les pièces de contact#en forme de coin sont reliées entre elles par une pièce d'assemblage isolante et en ce qu'une vis est introduite de l'extérieur par le fond du refroidisseur en forme de cuvette et est vissée avec la pièce d'assemblage après intercalation d'un ressort. 3. Module semi-conducteur suivant l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le refroidisseur en forme de cuvette est pourvu d'un couvercle. 4. Module semi-conducteur suivant la revendication 3, caractérisé en ce que ledit couvercle porte les composants nécessaires à la transformation du courant de commande. 5. Module semi-conducteur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'une fourche isolante entourant latéralement la cellule semi-conductrice est disposée dans le plan de celle-ci, son manche passant dans ledit couvercle par une fente. 6. Module semi-conducteur suivant l'une quelconque des revendications 1 k 5, caractérisé en ce que des résistances composant les circuits RC pour la cellule semi-conductrice sont vissées à l'extérieur dans le refroidisseur.