Brevet FR2623661A1 — publié le 19890526

Dispositif de refroidissement des de fortcomposants de forte puissance du réseau de protection d'un semi-conducteur refroidi par vaporisation La présente invention concerne un dispositif de refroidissement des composants de forte puissance du réseau de protection d'un semi-conducteur refroidi par vaporisation d'un liquide réfrigérant électriquement isolant, tel par exemple qu un hydrocarbure fluoré. Il est décrit, dans la demande de brevet français de la demanderesse n0 86 13881 déposée le 6 octobre 1986 "Dispositif de refroidissement par vaporisation pour semi-conducteurs de puissance", un dispositif comprenant des éléments formant chacun un récipient de vaporisation en contact thermique avec une face d'un semi-conducteur, et des éléments formant condenseur disposés individuellement au-dessus de chaque récipient et de surface externe formant surface de chaleur avec un fluide plus froid que les vapeurs du réfrigérant, un condenseur et un récipient étant mis en communication par un élément de jonction en matériau électriquement isolant et de coefficient de dilatation thermique voisin de celui du récipient et du condenseur, ceux-ci étant métalliques et constitués par le même métal.Les semi-conducteurs sont montés en sandwich avec les récipients et 11 ensemble est placé dans un caisson étanche, les condenseurs étant situés audessus dudit caisson. Le réseau de protection de chaque semi-conducteur, comprenant principalement des résistances et un condensateur, est branché entre anode et cathode du semi-conducteur et monté à proximité de celui-ci, dans le caisson étanche. Les résistances étant des éléments à forte dissipation, ce type de disposition conduit à une augmentation des calories dissipées dans le caisson, ce qui oblige a prévoir une évacuation des calories soit en créant un réseau de ventilation dans le caisson avec un échangeur airair, soit en augmentant les surfaces des parois en contact thermique avec l'extérieur du caisson. Ces solutions impliquent une augmentation de la masse et du coût du dispositif de refroidissement. La présente invention a pour but de réduiré les pertes dans le caisson, et d'éviter ainsi le recours à des moyens d'évacua tion des calories dissipées par les composants des réseaux de protection. L'invention a pour objet un dispositif de refroidissement des composants de forte puissance du réseau de protection d'un semi-conducteur refroidi par vaporisation, comprenant au moins un élément métallique formant récipient de vaporisation pour un liquide réfrigérant électriquement isolant, à vaporiser, en contact thermique indirect avec au moins une face de semi-conducteur, au moins un élément de condensation des vapeurs du liquide de réfrigérant en communication avec ledit récipient, caractérisé en ce que les composants de forte puissance sont disposés à l'intérieur dudit dispositif. Il répond en outre de préférence à au moins l'une des caractéristiques suivantes - un, ou plusieurs, éléments conducteurs isolés électriquement des éléments évaporateur, condenseur et éventuellement tubulaires de liaisons réalise une sortie électrique de courant, - les composants de forte puissance à dissiper, disposés à l'intérieur du dispositif de refroidissement sont connectés à un ou plusieurs conducteurs de sortie, - la ou les sorties des conducteurs sont réalisées de manière étanche, - les composants sont disposés en phase liquide du réfrigérant, - les composants sont disposés dans le récipient évaporateur. L'invention permet de diminuer l'encombrement, la masse, et le court des résistances du fait qu'elles sont dimensionnées pour un refroidissement en phase liquide d'un réfrigérant, au lieu d'un refroidissement par convection naturelle à l'intérieur du caisson. Il est décrit ci-après, à titre d'exemple et en référence aux figures du dessin annexé, un dispositif de refroidissement de composants de forte puissance selon l'invention. - La figure 1 représente en élévation avec coupe partielle un dispositif de refroidissement d'un semi-conducteur. - La figure 2 représente en élévation avec coupe partielle un dispositif de refroidissement de composants de forte puissance de l'invention. La figure 1 représente un dispositif de refroidissement d'un semi-conducteur, connu par la demande de brevet français 86 13881 précitée et utilisé dans l'invention. flans la figure 1, l'élément 1 formant récipient de vaporisation du fluide frigorifique 3, en aluminium, est relié à l'elément tubulaire de condensation 2, également en aluminium, par l'élément intermédiaire 4, de forme tubulaire, en matière céramique brasée sur l'embout d'extrémité 18 du récipient de vaporisation et sur ltextrémité 19 de l'élément tubulaire de condensation. Le récipient de vaporisation 1 est maintenu en contact avec une face du semiconducteur de puissance 11 par pression entre deux flasques d'extrémité 5A, 5B situés de part et d'autre des récipients de vaporisation. Les deux flasques sont reliés par des tirants 6 assemblés par des écrous 7 et forment un ensemble indeformable. La pression de contact nécessaire pour établir un bon contact électrique et thermique est obtenue par vissage de la vis de pression 8 sur le flasque 5B, qui vient comprimer un ensemble de rondelles élastiques 9. Des cales isolantes 10 disposées sur les faces externes des récipients de vaporisation assurent l'isolation électrique de l'ensemble formé par le semi-conducteur et les récipients de vaporisation.L'ensemble ainsi constitué est suspendu à une platine 12 qui assure la séparation physique entre l'enceinte 13 entourant les éléments à maintenir dans une ambiance propre et le flux d'air de refroidissement des tubes de condensation insufflé au contact de ces tubes, dont l'écoulement est représenté par la flèche 14, cet air étant chargé de poussières telles que 15. La suspension de l'ensemble dans l'enceinte 13 est assurée par des vis 16 et des rondelles 17. L'élément tubulaire de jonction 4 est relié d'un côté au récipient de vaporisation 1 par l'embout 18 en partie supérieure de ce dernier, et de l'autre côté à l'extrémité inférieure 19 de l'élément tubulaire de condensation 2. Par ailleurs, une collerette 20 disposée sur le pourtour de l'élément tubulaire de jonction est munie d'un joint en élastomère 21 venant prendre appui sur la platine 12, qui assure l'étanchéité de l'enceinte 13 à l'encontre des poussières véhiculées par l'air de réfrigération. Le fond de l'enceinte 13 est fermé par une tôle plane 22 reliée à la platine 12 avec interposition d'un joint 23. Deux câbles représentés par leurs extrémités 24A, 24B, assurent l'alimentation électrique du semi-conducteur sur des méplats 25A, 25B situés en partie basse des récipients de vaporisation. Le tube de condensation 2 comporte une double ailette hélicol- dale repoussée 26, 26A. Son extrémité supérieure est formée par un embout soudé 30 dont la pointe supérieure 31 est fermée par pincement. L'étanchéité peut être parfaite par un point de soudure sur la partie pincée. Le tube 2 est creusé sur son pourtour interne d'une strie intérieure 27 de guidage des gouttes de fluide réfrigérant telles que*29 condensées au contact de la paroi, évitant un reflux direct de celles-ci vers le récipient vaporisateur et permettant d'améliorer encore l'échange de chaleur avec l'air de réfrigération et d'assurer un certain sous-refroidissement du fluide condensé. Lors du remplissage du dispositif en fluide frigorifique, on verse par l'extrémité supérieure de l'embout la quantité nécessaire de fluide. On fait le vide sur le tube et ferme l'embout, en pinçant sa partie supérieure, puis ajoute un point de soudure le cas échéant. La figure 2 représente un dispositif de refroidissement des composants de forte puissance du réseau de protection du semi-conducteur, selon l'invention. Dans cette figure les mêmes références que celles de la figure 1 ont même signification. Dans cette figure 2, un composant à forte puissance 32, tel par exemple qu'une résistance, du réseau de protection du semi-conducteur de puissance 11, est fixé à l'intérieur de l'élément 1 formant récipient de vaporisation ; un composant à faible puissance 38, du réseau de protection est disposé dans l'enceinte 13. Le circuit électrique d'alimentation du réseau de protection est réalisé, à l'intérieur du récipient 1, en mettant en contact une borne 33 du composant à forte puissance 32 avec le récipient 1 en contact avec la cathode du semi-conducteur 11. L'autre borne 34 du composant à forte puissance est reliée à un conducteur 35 qui traverse l'élément de jonction isolant 4 de façon étanche. Deux liaisons électriques 36A et 26B, en câble isolé souple, réalisent les jonctions d'une part entre le conducteur 35 et une borne 37 du composant à faible puissance 38, et d'autre part entre l'autre borne 39 dudit composant à faible puissance et le méplat 25B du récipient en contact avec l'anode du semi-conducteur 11. Le circuit du réseau de protection est ainsi réalisé. Les figures 1 et 2 représentent le cas d'un semi-conducteur de puissance ; bien entendu l'invention s'applique à un assemblage de plusieurs semi-conducteurs en série, les semi-conducteurs extrêmes dudit assemblage ayant pour l'un sa cathode en contact thermique avec un récipient et pour l'autre son anode en contact thermique avec un autre récipient, les semi-conducteurs intermédiaires étant séparés par un récipient commun à deux semi-conducteurs. Chaque réseau de protection d'un semi-conducteur comporte un composant de forte puissance fixé à l'intérieur du récipient en contact thermique avec sa cathode, ledit réseau de protection étant branché, comme dans la figure 2 entre anode et cathode dudit semi-conducteur. Bien que l'invention ait été décrite et représentée avec le composant de forte puissance fixé dans le récipient en contact avec la cathode, il s'agit d'un exemple, et bien entendu ledit composant pourrait être fixé dans le récipient en contact avec l'anode. REVENDICATIONS 1/ Dispositif de refroidissement des composants de forte puissance (32) du réseau de protection d'un semi-conducteur refroidi par vaporisation, comprenant au moins un élément métallique (1) formant récipient de vaporisation pour un liquide réfrigérant (3) électriquement isolant, à vaporiser, en contact thermique indirect avec au moins une face de semi-conducteur (11), au moins un élément (2) de condensation des vapeurs du liquide de réfrigérant en communication avec ledit récipient, caractérisé en ce que les composants de forte puissance sont disposés à l'intérieur dudit dispositif. 2/ Dispositif de refroidissement selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les composants de forte puissance (32) sont reliés à au moins un conducteur (35) de sortie. 3/ Dispositif de refroidissement selon la revendication 2, caractérisé par le fait que chaque conducteur de sortie traverse de manière étanche le dispositif de refroidissement. 4/ Dispositif de refroidissement selon la revendication 1, caractérisé par le fait que chaque conducteur de sortie est isolé électriquement du dispositif de refroidissement. 5/ Dispositif de refroidissement selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les composants de forte puissance (32) sont disposés en phase liquide du réfrigérant, à l'intérieur dudit dispositif de refroidissement. 6/ Dispositif de refroidissement selon la revendication 5, caractérisé en ce que les composants de forte puissance (32) sont disposés dans le récipient (1).