具有金属泡沫材料的电气保险装置和用于通过电气保险装置中断电流的方法与流程

本发明涉及一种电气保险装置。

保险装置由现有技术已知。保险装置用于在故障情况下、例如在短路时中断导电接触。

例如de202012000571u1描述了一种电气保险元件，其具有在短路时中断导电连接的熔丝。

本发明所要解决的技术问题在于，建议一种简单和可靠的保险装置。

该技术问题通过按照本发明的保险装置解决，其中在两个叠置的接触件之间具有金属泡沫材料。

金属泡沫材料在其内部具有孔，因此其体积相对于金属实心材料增大。这种特性可以用于在必要情况下通过减小金属泡沫材料的体积断开两个接触件之间的导电接触。这种必要情况例如出现在按照本发明的保险装置受到相对较高的电流负载时。在这种情况下，例如可以使金属泡沫熔化。因为金属泡沫材料具有相对较好的导电性能，所以在正常的电流负载时电流可以流过接触件和金属泡沫材料。

由此提供一种简单和可靠的保险装置。

按照本发明的保险装置的另一优点在于，金属泡沫材料由于其多孔性具有比实心材料更高的柔性。由此，金属泡沫材料可以作为接触弹簧补偿保险装置的例如由于制造产生的尺寸公差。

作为金属泡沫材料例如可以考虑基于钢、铝或者钛氧化物的泡沫。金属泡沫材料可以借助本领域技术人员已知的粉末冶金方法制造。在所述方法中，将金属粉末(例如铝粉)与分离气体的发泡剂(例如钛混合物)混合。接着将粉末混合物压缩并且在热处理工艺中起泡。可以考虑借助同样对于本领域技术人员已知的熔化冶金方法制造金属泡沫材料。用于制造金属泡沫材料的方法例如在专利文献de102006031213b3中描述。在已知的方法中，几乎可以任意地选择形成于金属泡沫中的孔的数量以及其尺寸并且因此也几乎可以任意地选择金属泡沫材料的弹性性能。在此，弹性性能例如可以通过弹性模量表示。随着孔的体积比的升高，金属泡沫材料的弹性模量并且因此其刚性相应地降低。

按照本发明的一种优选实施形式，金属泡沫材料形成例如立方体形的金属泡沫体。金属泡沫体布置在两个接触件之间，因此在其熔化时在接触件之间形成电绝缘结构。所述电绝缘结构例如可以通过接触件之间的空气缝隙实现。接触件之间的空气缝隙可以通过金属泡沫体的体积减小形成。体积的减小尤其作为金属泡沫体熔化的结果出现。如果将两个接触件叠置，则熔化的金属泡沫体的金属例如由于重力朝向布置在下方的接触件移动，其中，在接触件之间形成空气间隙或者空气缝隙。所述空气缝隙可以用于形成对于中断导电接触足够高的电阻或者接触件的电绝缘结构。在接触件彼此的这种空间布置中，也可以考虑在熔化的金属泡沫体上实施其它力的作用，例如磁力作用。

以适当的方式，金属泡沫体是接触件之一的组成部分。也就是金属泡沫体与接触件之一固定相连，因此金属泡沫体不是独立的构件。以此方式可以进一步简化保险装置的结构。与之相关地尤其可能相宜的是，金属泡沫体在接触件内部是导电的。

优选地，金属泡沫体设计为，使得所述金属泡沫体在流过保险装置的电流超过预设的电流阈值时熔化。在这种情况下，保险装置尤其在短路情况下被激活。经过保险装置的短路电流引起较高的热损。这又导致保险装置中的温度升高。金属泡沫体的金属泡沫材料以适当的方式这样选择，使得金属泡沫体的熔点相应于电流阈值：由此在电流高于电流阈值时金属泡沫体熔化。以此方式在超过电流阈值的短路电流中实现了触头的电绝缘。

与之不同，金属泡沫体能够以另一方式实现熔化，例如通过借助导电的加热元件有针对性地加热金属泡沫。

按照本发明的保险装置可以特别有利地使用在具有至少一个处于叠置的接触件之间的半导体元件的电气装置中，其中，金属泡沫体配置给半导体元件而形成串联电路并且通过金属泡沫体的熔化能够使串联电路断开。

对此适合的电气装置例如由专利文献ep1403923a1已知。在所述专利文献中描述了一种半导体模块，其包括多个并列或平行地布置在壳体中的半导体芯片。每个半导体芯片布置在下部导板上并且与下部导板和上部导板导电地连接，所述下部导板和上部导板分别形成壳体的一部分。在半导体芯片与上部导板之间具有接触螺栓，其在半导体芯片与上部导板之间建立导电接触。

在正常运行中，流过电气装置的电流分布到并联的半导体芯片上。在此形成的热可以通过冷却系统充分地排出。在故障情况下，可能在半导体芯片之一中形成短路，因此通过相关的半导体芯片的电阻明显小于通过其余的半导体芯片的电阻。这导致全部的或者几乎全部的流经所述装置的电流主要流过故障的半导体芯片。在故障的半导体芯片的相对较小的横截面上的较高电流密度导致温度过高。这可能导致半导体芯片或者整个壳体损坏或者损毁并且由此导致整个电气装置失灵。

当在这种类型的电气装置中使用按照本发明的保险装置时，由接触件、金属泡沫体、半导体元件和另一接触件构成的串联电路优选可以通过以下方式中断，即在处于半导体元件与接触件之一之间的金属泡沫体熔化时形成电绝缘的缝隙。以此方式可以使原本流过故障的半导体元件的短路电流中断并且分布到其它的电流路径上，例如其它能运行的半导体元件上，其中，电气装置的功能性在适当设计其它电流路径尺寸的情况下可以保持不变。由此，在半导体元件之一中的故障不一定导致电气装置的损坏或者失灵。

此外，金属泡沫体由于其多孔性具有可控制的弹性性能，类似于压力弹簧。这可以有利地用于持续地确保作用在半导体元件上的最佳压力。

半导体元件可以例如是二极管或者可通断的半导体，如晶闸管或者绝缘栅双极晶体管(igbt:insulatedgatebipolartransistor)。可能相宜的是，金属泡沫体在相当于可通断的半导体的接通时间的时间范围内熔化。

相宜地，电气装置还包括壳体，其中，两个接触件分别形成所述壳体的一部分。以此方式可以将多个电气装置简单地并且成本低廉地例如通过叠在一起导电地相互连接。由壳体引出的单独的夹子或者接头的数量可以有利地得到减少。接触件在这种情况下用作与其它电气装置的导电触头。

所述装置优选包括多个半导体元件，其中，所述多个半导体元件并列或平行地布置在接触件之间并且为每个半导体元件配置金属泡沫体而分别形成串联电路，其中，每个串联电路能够通过相配置的金属泡沫体的熔化被断开。

特别有利的是，金属泡沫体设计为，使得所述金属泡沫体在通过半导体元件短路时熔化。通过适当地选择金属泡沫可以使金属泡沫体在通过相应串联电路的电流超过预设的阈值时熔化。由此可以在每个串联电路中提供保护装置，其在一定的短路电流时断开串联电路。这尤其在以下情况下是可行的，即金属泡沫体的形状和组成与通过各相应串联电路的电流和在该处形成的、由于该串联电路的导通电阻产生的温度之间的关联相适配。

按照本发明的另一实施形式，电气装置形成夹紧结合体(spannverband)。也就是接触件、金属泡沫体和半导体元件相互机械地夹紧。

本发明还涉及一种用于通过具有两个叠置的接触件的电气保险装置中断电流的方法。

本发明的另一技术问题在于，提供一种这样的方法，其简单且成本低廉。

所述技术问题通过一种方法解决，其中在电流值高于预设的电流阈值时，使布置在接触件之间的金属泡沫材料熔化。

有利地，通过流经接触件的电流使金属泡沫材料熔化。然而也可以考虑在出现预设的条件时，例如借助测量装置确定的适当测量值超过/低于预设的阈值时，通过外部作用使金属泡沫材料熔化。

以下根据图1至图4进一步阐述本发明。在附图中：

图1以示意图示出按照本发明的保险装置的一个实施例；

图2以示意图示出按照本发明的保险装置在电气装置中的一个实施例；

图3以示意图示出图2中的保险装置的金属泡沫体的一个实施例；

图4示出图2的电气装置的另一示意图。

在图1中详细地显示了按照本发明的保险装置100的一个实施形式的草图。保险装置100包括相互叠置的第一接触件101和第二接触件102。在接触件101、102之间具有金属泡沫材料103。保险装置是通过两个电导线104、105表示的电路的组成部分。电路例如可以是电气构件。

在保险装置100的正常运行中，电流流过电导线104、第一接触件101、金属泡沫材料103、第二接触件102和电导线105。在通过保险装置100短路时，短路电流尤其使两个接触件101、102和金属泡沫材料103剧烈变热。如果超过了短路电流的确定值并且由此使通过保险装置100的电阻产生的温度也超过了相应的温度值，则金属泡沫材料103熔化，其体积减小。由此在两个接触件101、102之间形成绝缘的缝隙。通过接触件101、102和金属泡沫材料形成的串联电路由此断开。通过保险装置100的电流中断。

按照本发明的一种变型方案，将熔化的金属泡沫材料103从接触件101、102之间的空间区域中引出(或者自动地流出)，由此形成所述绝缘的缝隙。

在图2中示出剖切处于装置1中的按照本发明的电气保险装置100的一种实施形式得到的横截面。在图2所示的实施例中，电气装置1通过半导体模块实现。半导体模块1具有壳体2，其中，上部导板3形成壳体2的一部分。下部导板4同样形成壳体2的一部分，也就是壳体2的底部壁。上部导板3和下部导板4形成保险装置100的两个接触件。

在壳体2中平行地并排布置有设计为半导体芯片的半导体元件5、6和7。在下部导板4或者半导体芯片5与上部导板3之间布置有金属泡沫体8。上部导板3、金属泡沫体8、半导体芯片5以及下部导板4形成串联电路。相应的，其它半导体芯片6和7分别与配属于其的金属泡沫体9或者10形成另外两个串联电路。在图2所示的正常情况或者说运行状态中，电流以分布到三个串联电路上的方式流过半导体模块1。与之关联地需要注意，可以在半导体模块1中设置其它半导体芯片，但是它们在图2所示的横截面视图中不可见。

图3以示意图示出图2中的按照本发明的装置的实施例的金属泡沫体8。图2中的金属泡沫体9和10与金属泡沫体8相同方式地构造。在图3所示的实施例中，金属泡沫体8设计为立方体形。根据应用或者根据半导体几何形状同样可以考虑金属泡沫体的其它形状，例如圆柱形、盘形或者锥形。金属泡沫体由金属泡沫构成。金属泡沫体通过利用适当的起泡剂使金属粉末起泡产生。由此，金属泡沫体8尤其具有孔11。孔11的尺寸和数量确定了金属泡沫体8的弹性性能。金属泡沫体8的导电性能同样受到孔11的数量、尺寸以及金属泡沫体8的形状影响。

图4示出图2的半导体模块1，其中，金属泡沫体10处于熔化的状态。图2至图4中的相同和相同类型的部件在此配设有相同的附图标记。在图4所示的实施例中，在半导体芯片7中存在故障，其中，在其余的半导体芯片8或者9中出现故障时的流程也是相应的。在出现这种故障时，在通过半导体芯片7的电流路径中形成短路。在此形成的高温导致金属泡沫体10熔化。金属泡沫体10的体积减小。金属泡沫体10的熔化的金属形成液滴状的固体，其在自身重力作用下向下地，也就是朝向半导体芯片7地下沉。以此方式在半导体芯片7与上部导板3之间形成电绝缘的缝隙12。通过上部导板3、金属泡沫体10、半导体芯片7和下部导板4形成的串联电路由此断开。通过半导体芯片7的电流中断。通过半导体模块1的电流在这种情况下分布到另外两个电流路径上，它们在这种情况下由具有半导体芯片5或者半导体芯片6的相应串联电路构成。由此在半导体模块1中出现短路情况时也可以保持整个半导体模块1的功能性。

附图标记清单

1半导体模块

2壳体

3上部导板

4下部导板

5、6、7半导体芯片

8、9、10金属泡沫体

11孔

12缝隙

100保险装置

101、102接触件

103金属泡沫材料

104、105电流导引装置