Brevet FR2341945A1 — publié le 19770916

L'invention se rapporte à un composant à semiconducteurs de puissance du type à cellule à disque, comprenant un boitier isolant à contacts thermiques et électriques sous pression de#la cellule au moyen d'éléments de dissipation et de ressorts ainsi qu'un circuit de refroidissement par liquide dans lequel un dispositif de fixation raccorde des radiateurs en champignons aux deux surfaces principales de la cellule. Les composants à semi-conducteurs de puissance de ce type trouvent une application préférentielle, mais non exclusive aux locomotives électriques. Il faut entendre par l'expression "du type à cellule à disque" ou "cellule à disque",dans le contexte particulier, un disque semi-conducteur ayant été renfermé dans un boîtier isolant avec interposition de plaques de dissipation. Les composants à semi-conducteurs de puissance de ce type sont bien connus (par exemple type CS 500 de la Société BROWN BOVERI & Cie de tZNNHEIM, RFA, ou revue VDI tome 107 (1965), n0 34 -décembre, page 1956). Ce dernier article mentionné décrit par ailleurs une cellule à disque qui est fixée entre des radiateurs en champignons et qui comprend un refroidissement à circulation forcée d'air ou à eau, indépendamment de l'intensité admissible désirée.Les cellules à disque de ce type sont aussi connues sous la désignation de composants à électrode de commande centrale (demande de brevet de la République Fédérale d'Allemagne DT-OS n0 2 24-6 423). L'ouvrage "Silicium-S tromrichter-Handbuch" (manuel des convertisseurs statiques au silicium) de la Société BBC BROWN BOVERI & Cie de BADEN (Suisse), datant de 1971, décrit par ailleurs le refroidissement de thyristors. Des radiateurs métalliques ou à tubes calorifiques fermés peuvent évacuer la chaleur de dissipation, mais celle-ci peut aussi être évacuée à l'environnement par un circuit intermédiaire de refroidissement.Dans ce dernier cas, le liquide de refroidissement transporte la chaleur du radiateur à un échangeur de chaleur qui la cède à l'air ou aussi à de l'eau froide.Ces dispositions peuvent se réaliser avec un faible poids et un faible volume - une exigence permanente de notre époque - en étant refroidies directement à l'air, car alors les coefficients de transmission de chaleur sont notablement plus élevés Une élévation de la résistance à la tension inverse signifie pour un même mode d'exécution du boîtier (trajet d'isolation) des composants à semi-conducteurs une classification dans un groupe d'isolation inférieur, selon la norme VDE 0110. Ceci n'est pas possible dans tous les cas, surtout lorsqu'il s'agit d'installations fortement exposées à l'encrassement. Il faut établir les contacts avec une cellule à disque par l'extérieur, au contraire des cellules à fond plat ou à vis, à connexion électrique propre du cristal (voir par exemple la publication BBC n0 DHS 50 330 D "Das Thyristordatenblatt am Beispiel des BBC-Thyristors CS 8" (feuille de données techniques des thyristors à l'exemple du thyristor BBC CS 8), page du titre). Il faut à cette fin des dispositifs de fixation déployant de grandes forces et ayant de faibles tolérances (voir la revue VDI mentionnée plus haut). Ces dispositifs de fixation doivent être isolants de l'electri- cité, car ils attaquent l'anode et la cathode. Les dispositifs de fixation doivent garantir de plus l'uniformité et la symétrie de la répartition des pressions ainsi que l'absorption des dilatations thermiques longitudinales -conformément aux paramètres à l'intérieur de la cellule à disque elle-même (brevet de la RFA n0 2 039 806) -. Il est par ailleurs connu,dans le domaine de ltetablissement de contacts sous pression, d'utiliser des groupes de ressorts qui assurent la jonction aussi bien électrique que thermique (brevet britannique n0 777 985) ainsi qu'un groupe de ressorts (ressort à lames courbes) qui ne participe pas à la conduction du courant (demande de brevet de la RFA DT-AS n0 1 842 813). It ne s'agit toutefois pas dans ces cas de cellules à disque selon la revue VDI mentionnée plus haut. L'invention a pour objet un composant à semiconducteurs de puissance réalisé selon le principe décrit en préambule, c'est-à-dire du type à cellule à disque (diodes ou thyristors), qui est refroidi efficacement par liquide et qui est constitué en élément prêt à être raccordé électriquement et thermiquement et ayant une grande capacité d'isolation. Selon une particularité essentielle de l'invention, l'élément discoide du radiateur en champignon comporte des canaux de circulation du fluide de refroidissement qui sont paralleles à son axe diamétral et perpendiculaires à cet axe et il est tourné vers la surface principale de la cellule à disque et d'autres boîtiers isolants, sensiblement similaires et comportant une arrivée et un départ du liquide, enveloppent la cellule ainsi que son boîtier isolant et les radiateurs, une tige de l'un des radiateurs en champignons traversant le fond de chacun de ces autres boîtiers isolants et un ressort Belleville étant placé entre ce fond et le radiateur, le dispositif de fixation des boîtiers étant par ailleurs pratiquement intégrés dans ceux-ci. Lesdits autres boîtiers isolants peuvent être conformés en boisseaux et chacun peut être en une pièce (selon un mode de réalisation essentiellement en deux parties) ou, en variante, peuvent être conformés dans leur ensemble en élément tubulaire central à deux fonds (mode d'exécution en trois parties), ou encore peuvent se composer chacun d'un élément tubulaire et d'un fond (mode de réalisation en quatre parties). La partie discoide du radiateur peut avantageusement comporter le long de son bord une surépaisseur sur la face latérale de laquelle deux anneaux élastiques d'étanchéité, logés dans des gorges, sont disposés face à l'autre boîtier isolant, de part et d'autre d'une part de l'arrivée et d'autre part du départ du liquide . Le liquide circule donc dans ces canaux, à l'intérieur du radiateur, le long de l'une des surfaces principales, puis dans les deux boîtiers isolants pour refluer par ces canaux du radiateur de l'autre surface principale de la cellule à disque. Ces chambres à liquide sont donc avantageusement fermées de manière étanche d'une part du côté de la cellule elle-même et d'autre part du côté du volume interne de l'autre boîtier. Le fond de chaque autre boîtier isolant comporte de préférence une autre gorge dans laquelle est logé un joint d'étanchéité qui entoure la tige du radiateur afin d'empêcher la sortie de fuites du liquide. Le fond de chaque autre boîtier comporte avantageusement sur le côté extérieur des ailettes ou nervures qui prolongent les trajets de dissipation. Des rondelles de compensation peuvent avantageusement être placées entre radiateur et ressort Belleville. Leur épaisseur peut être adoptée de manière à compenser les tolérances d'épaisseur des cellules à disque de manière qu'à l'assemblage des autres boîtiers isolants, les forces de contact entrent dans les faibles plages nécessaires de tolérance. Quatre vis de serrage, par exemple, assemblent les boîtiers isolants de matière plastique et compriment les ressorts Belleville par l'intermédiaire de plaques d'armature en acier noyées dans la matière plastique. Ces pièces sont de préférence antimagnétiques. Un pied comportant des trous de passage du fluide réfrigérant est avantageusement appliqué sous pression contre chaque autre boîtier isolant, coaxialement à l'axe de la tige des radiateurs en champignon avec interposition de joints élastiques d'étanchéité. Il s'agit avantageusement d'une barre de support monobloc placée sur les orifices d'arrivée et de départ du boîtier isolant contre lequel elle est appliquée avec interposition de joints élastiques. Dans le cas d'un thyristor, l'un des boîtiers isolants comporte deux traversées étanches destinées aux connexions de commande (cathode auxiliaire et gâchette) et reliées par des conducteurs souples aux semi-conducteurs. Les deux boîtiers isolants ne diffèrent que par ces traversées. Dans un mode de réalisation à boîtiers isolants en deux parties se composant d'une pièce tubulaire et d'un fond, une membrane d'étanchéité, fixée par vulcanisation sur la partie discolde du radiateur, peut avantageusement être bridée entre la partie tubulaire et le fond de chacun de ces boîtiers. Il en est de même pour un boîtier isolant d'ensemble en trois parties. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemples nullement limitatifs et sur lesquels: la figure 1 est une coupe axiale partielle d'un module se composant d'une cellule à disque et d'un circuit de refroidissement; la figure 2 est une vue en plan avec coupe transversale partielle selon la ligne A-A de la figure 1; la figure 3 est une élévation partielle d'un radia teur; la figure 4 est une coupe partielle selon la ligne B-B de la figure 2; la figure 5 est une coupe partielle selon la ligne C-C de la figure 2; la figure 6 est une coupe partielle analogue à celle de la figure I et représente une variante à boîtier isolant subdivisé; et la figure 7 est une coupe similaire d'une variante de réalisation du module de la figure 6. La figure I représente une cellule à disque 1, par exemple un thyristor en disque (ou à disques scellés), comprenant un boîtier isolant 1 ainsi que des circuits isolants possibles pour cet exemple de réalisation, sous forme d'ailettes 3. La cathode 5 de la cellule est en face de l'anode 4 et munie d'une connexion auxiliaire 6. Une fiche 7 (non repré sentée, voir figure 5) peut connecter l'électrode de commande. Deux radiateurs similaires en champignons 10 sont appliqués contre l'anode 4 et la cathode 5. La partie discoïde Il de chaque radiateur comporte des canaux 12 de circulation du fluide réfrigérant parallèles à un axe diamétral. Deux anneaux élastiques 15 sont logés dans des gorges 14 de la surface circonférentielle d'une surépaisseur périphérique 13 de chaque disque des radiateurs. Chaque radiateur 10 comprend par ailleurs une tige centrale 16 comportant un taraudage 17 et un congé 18. Deux boîtiers isolants 20 et 21 en boisseaux enveloppent cet ensemble. Ils diffèrent par deux traversées 22 que le boîtier isolant inférieur 21 comporte pour les connexions de commande du thyristor. Le même outil de moulage peut toutefois permettre la réalisation des deux parties du boîtier. Deux boîtiers isolants identiques 20 sont utilisés dans le cas d'une diode. Une plaque d'armature 23 noyée au moulage dans chaque boîtier 20, 21 est destinée à absorber la force de contact exercée par un ressort Belleville 24 et par l'intermédiaire de rondelles 25 de compensation, des fonds 26 des boîtiers et de vis de serrage 27. Le liquide arrive et repart par des trous 28 et 28'. La circulation du liquide peut bien entendu être inversée. Une garniture élastique annulaire 29 entoure chacun de ces trous 28 et 28' sur la surface coaxiale à l'axe de la tige des radiateurs. Des canaux annulaires 31 excentrés par rapport au diamètre interne 30 des boîtiers isolants 20 et 21 raccordent les trous 28 et 28' aux canaux de circulation du fluide réfrigérant. Des canaux annulaires semblables 32 se trouvent de l'autre côté des canaux 12 de circulation de ce fluide. Un canal 33 de circulation du fluide réfrigérant est aussi réalisé de ce côté dans les boîtiers isolants 20 et 21 coaxialement à l'axe de la tige des radiateurs. Un joint annulaire élastique 34 entourant le canal 33 est logé dans une gorge 35 à la surface de jonction des deux boîtiers isolants 20 et 21. Un pied 36 de fixation du module par des trous 37 est fixé sur chaque boîtier isolant 20. Chaque pied se fixe sur une barre de support monobloc dans laquelle circule le liquide et qui est destinée à plusieurs composants. Les anneaux mentionnés 29 assurent l'étanchéité des trous 28 et 28' dans la zone de raccord du module sur la barre de support. Le fond des boîtiers isolants 20 et 21 comporte des ailettes 38 de prolongement des trajets de dissipation. Lorsque le radiateur 10 ne comporte aucune gorge 14 ni aucun joint d'étanchéité 15, le fond 26 de l'autre boîtier isolant 20 ou 21 comporte une autre gorge 39 dans laquelle est alors placé un joint d'étanchéité 40. Le joint d'étanchéité 34 du canal 33 est remplacé dans ce cas par un joint annulaire 41 logé dans une gorge circonférentielle 42 des bords des boîtiers appliqués l'un contre l'autre (figure 2). Ces gorges passent alors par celles du canal 35 qui se trouvent sensiblement sur le même périmètre. Des conducteurs flexibles 43 (figure 5) connectent électriquement les bornes de commande 6 et 7 du thyristor 1 et les traversées 22 du boîtier. Ces conducteurs sont munis du côté du thyristor de douilles 44 dans lesquelles les traversées 22 sont soudées. Des rainures 45 allant des traversées 42 au bord des boîtiers sont destinées à permettre de monter le radiateur 10 après soudage des conducteurs 43. Ceux-ci sont d'abord placés dans ces rainures jusqu'à ce que le radiateur 10 ainsi que les rondelles de compensation 25 et le ressort Belleville 24 soient montés. Des raccords 44 permettent ensuite d'enficher les conducteurs 43 sur les bornes de commande, le thyristor pouvant alors ensuite être mis en place et les boîtiers isolants 20 et 21 pouvant être assemblés. La circulation du liquide passe par le trou 28, la gorge annulaire 31, les canaux supérieurs 12 de circulation, la gorge annulaire 32, le canal vertical 33, la gorge annulaire inférieure 32, les canaux inférieurs de circulation, la gorge annulaire inférieure 31 et le trou 28'. Deux radiateurs 110 en champignons sont aussi appliqués contre l'anode 104 et la cathode 105 de l'exemple de réalisation de la figure 6. La partie discoïde 111 de ces radiateurs comporte aussi des canaux 112 de circulation du fluide réfrigérant. La connexion électrique est assurée par une tige centrée 116 comportant un taraudage 117 et un congé 118. Le boîtier 160 se compose d'un ou de deux éléments tubulaires 160' et de fonds 160". La partie tubulaire 160' comporte deux raccords hydrauliques 161 et 162. Ceux-ci sont munis de joints d'étanchéité 129 et comportent des trous 128 et 128', de manière analogue au mode de réalisation de la figure 1. Les trous 128 et 128' se prolongent par des canaux annulaires en croissants 131. Un canal annulaire 132 situé du côté opposé du canal 112 de circulation, de la même manière que dans le mode de réalisation de la figure 1, se raccorde à un canal ovale 133 coaxial à l'axe de la tige du radiateur. Les canaux de circulation 112 de la partie discorde 111 du radiateur 110 placé sur l'autre surface principale de la cellule en disque se raccordent de la même manière à des canaux annulaires (non représentés). Le trou 128' se trouve dans le raccord 162 de la sortie. Des membranes 156 assurent l'étanchéité vis à vis de l'extérieur. Elles sont fixées par vulcanisation dans un tournage 155 de la partie discorde 111 du radiateur 110 et sont fixées par bridage entre la partie tubulaire 160' et le fond 160" de l'autre boîtier isolant 160. Celui-ci comporte à cette fin des tournages 171 et des fraisages 173. Les membranes 156 passent aussi encore sur le canal ovale133 de circulation du fluide de refroidissement, de sorte que ce dernier est aussi fermé de manière étanche vis à vis de l'intérieur et de l'extérieur. Les fonds 160" sont réalisés de la même manière que les fonds des boîtiers en boisseaux 20 et 21 de la figure 1. Les contacts sont aussi réalisés de la même manière que dans le mode de réalisation de la figure 1. La variante de réalisation de la figure 7 diffère de la précédente par la suppression des tournages 155, des membranes 156 ainsi que des tournages et fraisages 171 et 173. Par contre, la partie tubulaire 160' de l'autre boîtier comporte deux trous 180 -à proximité de chacune des faces extrêmes- disposés latéralement par rapport au canal ovale 133 de circulation du fluide de refroidissement. Après assemblage du module, une matière thermoplastique alvéolaire molle 183 est injectée par ces trous 180, cette matière durcissant par la suite en assurant ainsi l'étanchéité sans toutefois entraver les allongements thermiques du composant à semiconducteurs et du circuit de refroidissement. REVENDICATIONS 1. Composant à semi-conducteurs de puissance du type à cellule à disque, comprenant un boîtier isolant à contacts électriques et thermiques sous compression de la cellule au moyen d'éléments de dissipation et de ressorts, ainsi qu'un circuit de refroidissement par liquide, un dispositif de fixation raccordant des radiateurs en champignons aux deux surfaces principales de ladite cellule à disque, composant caractérisé en ce que la partie discorde (11, 111) de chaque radiateur en champignon (10, 110) est tournée vers la surface principale de la cellule à disque (1, 101) et comporte des canaux de circulation du fluide de refroidissement qui sont parallèles à son axe diamétral et perpendiculaires à ce dernier et d'autres boîtiers isolants sensiblement semblables (20 et 21, 160) et comportant une arrivée et un départ du liquide enveloppent la cellule à disque (1 , 101) et son boîtier isolant (2) ainsi que les radiateurs (10, 110), une tige (16, 116) d'un radiateur traversant chaque fond(26, 160") desdits autres boîtiers isolants (20 et 21, 160) et un ressort Belleville (24, 124) étant placé entre chacun de ces fonds (26, 160") et le radiateur correspondant (10, 110), le dispositif de fixation desdits autres boîtiers isolants (20 et 21, 160) étant essentiellement incorporé dans ceux-ci. 2. Composant à semi-conducteurs de puissance selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits autres boîtiers isolants (20 et 21) sont en boisseaux et chacun d'eux est en une pièce. 3. Composant à semi-conducteurs de puissance selon la revendication 1, caractérisé en ce que les autres boîtiers isolants (160) sont en boisseaux et en deux parties dont un élément tubulaire (160') et un fond (160"). 4. Composant à semi-conducteurs de puissance selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit autre boîtier isolant est en trois parties dont une partie tubulaire (160') et deux fonds (160"). 5. Composant à semi-conducteurs de puissance selon la revendication 1, caractérisé en ce que la partie discoide (11) de chaque radiateur comporte à la périphérie une surépaisseur (11') sur la surface circonférentielle (11") de laquelle deux anneaux élastiques (15) -logés dans des gorges (14) assurent l'étanchéité vis à vis dudit autre boîtier isolant (20 ou 21) de part et d'autre d'une part de l'arrivée et d'autre part du départ du liquide. 6. Composant à semi-conducteurs de puissance selon la revendication 1, caractérisé en ce que le fond (26) de chaque autre boîtier isolant (20 et 21) comporte une autre gorge dans laquelle se trouve un joint d'étanchéité (39) qui entoure la tige (16) du radiateur correspondant. 7. Composant à semi-conducteurs de puissance selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que chaque fond (26, 160") comporte du côté extérieur des ailettes (38, 138) de prolongement des trajets de dissipation. 8. Composant à semi-conducteurs de puissance selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que des rondelles de compensation (25, 125) sont disposées entre chaque radiateur (10, 110) et le ressort Belleville correspondant (24, 124). 9. Composant à semi-cShducteurs de puissance selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le dispositif de fixation se compose de plaques d'armature (23, 123) noyées au moulage dans lesdits autres boîtiers isolants (20 et 21, 160) et de vis de serrage (27,127) qui traversent les fonds de ces boîtiers (26, 160") et ces pièces sont antimagnétiques. 10. Composant à semi-conducteurs de puissance selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'un pied (36, 136) comportant des trous de passage du fluide réfrigérant (28, 28', 128, 128') est appliqué avec compression et-avec interposition de joints d'étanchéité contre chacun desdits autres boîtiers isolants (20 et 21, 160) coaxialement à l'axe de la tige des radiateurs. 11. Composant à semi-conducteurs de puissance selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'une barre monobloc par laquelle passe le liquide réfrigérant supporte ledit pied (36, 136). 12. Composant à semi-conducteurs de puissance selon l'une quelconque des revendications 1 à Il ,caractérisé en ce que, lorsqu'il s'agit d'un thyristor en disque ou à disques scellés, l'un desdits autres boîtiers isolants (20 et 21, 160) comporte deux traversées (22, 122) destinées aux connexions (6, 7, 106, 107) aux bornes de commande du thyristor 13. Composant à semi-conducteurs de puissance selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce qu'une membrane d'étanchéité (156) fixée par vulcanisation sur la partie discoide (111) du radiateur (110) est fixée par bridage entre la partie tubulaire (160') et le fond (160") de chacun desdits autres boîtiers isolants (160). 14. Composant à semi-conducteurs de puissance selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que l'espace compris entre la partie discoide (111) de chaque radiateur (110) et le fond (160") de chaque autre boîtier isolant (160) est rempli de matière alvéolaire thermoplastique molle (183).