Elektrische Sicherungsanordnung mit einem Metallschaumstoff und Verfahren zum Unterbrechen eines elektrischen Stromes durch die Sicherungsanordnung

Die Erfindung betrifft eine elektrische Sicherungsanordnung.

Sicherungsanordnungen sind aus dem Stand der Technik bekannt. Sie dienen zu einer Unterbrechung eines elektrischen Kontaktes im Fehlerfall, wie zum Beispiel bei einem Kurzschluss.

Beispielsweise beschreibt die DE 20 2012 000 571 Ul ein elektrisches Sicherungselement mit einem bei Kurzschluss eine elektrische Verbindung unterbrechenden Schmelzleiter.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Sicherungsanordnung vorzuschlagen, die einfach und zuverlässig ist. Die Aufgabe wird durch eine erfindungsgemäße Sicherungsanord ^¬ nung gelöst, bei der zwischen zwei übereinander angeordneten Kontaktstücken sich ein Metallschaumstoff befindet.

Der Metallschaumstoff weist in seinem Inneren Poren auf, so dass sein Volumen gegenüber einem Metall-Vollmaterial vergrö ^¬ ßert ist. Diese Eigenschaft kann dazu genutzt werden, eine Trennung eines elektrischen Kontaktes zwischen den beiden Kontaktstücken in einem Bedarfsfall durch eine Volumenverringerung des Metallschaumstoffes zu bewirken. Ein solcher Be- darfsfall ist beispielsweise dann gegeben, wenn die erfin ^¬ dungsgemäße Sicherungsanordnung durch einen vergleichsweise hohen Strom belastet ist. In diesem Falle kann der Metallschaum beispielsweise zum Schmelzen gebracht werden. Da der Metallschaumstoff eine vergleichsweise gute elektrische Leit- fähigkeit aufweist, kann bei einer normalen Strombelastung der Strom über die Kontaktstücke und den Metallschaumstoff fließen . Somit ist eine einfache und zuverlässige Sicherungsanordnung bereitgestellt .

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Sicherungsanord- nung ergibt sich daraus, dass der Metallschaumstoff aufgrund seiner Porosität eine höhere Nachgiebigkeit im Vergleich zu einem Vollmaterial besitzt. Dadurch kann der Metallschaumstoff als eine Kontaktfeder beispielsweise fertigungsbedingte Maßtoleranzen der Sicherungsanordnung ausgleichen.

Als Metallschaumstoffe sind beispielsweise Schäume auf der Basis von Stahl, Aluminium oder Titanoxid denkbar. Der Metallschaumstoff kann mittels eines dem Fachmann bekannten pulvermetallurgischen Verfahrens hergestellt sein. Bei diesem Verfahren wird ein Metallpulver (zum Beispiel Aluminiumpulver) mit einem ein Gas abspaltenden Treibmittel (zum Beispiel Titanhydrid) gemischt. Das Pulvergemisch wird anschließend verdichtet und in einem Wärmebehandlungsprozess aufgeschäumt. Denkbar ist die Herstellung des Metallschaumstoffes mittels eines dem Fachmann ebenfalls bekannten schmelzmetallurgischen Verfahrens. Verfahren zur Herstellung eines Metallschaumstof ^¬ fes sind beispielsweise in der Druckschrift DE 10 2006 031 213 B3 beschrieben. Bei den bekannten Verfahren kann die Anzahl von im Metallschaum entstehenden Poren sowie deren Größe und damit auch die Elastizitätseigenschaften des Metallschaumstoffes nahezu beliebig gewählt werden. Die Elastizi ^¬ tätseigenschaften können dabei beispielsweise durch den Elastizitätsmodul gekennzeichnet sein. Mit steigendem Volumenan ^¬ teil von Poren sinkt dementsprechend der Elastizitätsmodul des Metallschaumstoffes und damit dessen Steifigkeit.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung bildet der Metallschaumstoff einen - beispielsweise quaderförmigen - Metallschaumkörper aus. Der Metallschaumkörper ist zwischen den beiden Kontaktstücken angeordnet, so dass bei seinem

Schmelzen eine elektrische Isolierung zwischen den Kontaktstücken entsteht. Die elektrische Isolierung kann beispiels- weise durch einen Luftspalt zwischen den Kontaktstücken erzielt sein. Der Luftspalt zwischen den Kontaktstücken kann durch eine Volumenverringerung des Metallschaumkörpers ent ^¬ stehen. Die Volumenverringerung tritt insbesondere als eine Folge des Schmelzens des Metallschaumkörpers auf. Sind die beiden Kontaktstücke übereinander angeordnet, so verlagert sich das Metall des schmelzenden Metallschaumkörpers bei ^¬ spielsweise aufgrund der Schwerkraft in Richtung desjenigen der Kontaktstücke, das unten angeordnet ist, wobei ein Luft- räum beziehungsweise Luftspalt zwischen den Kontaktstücken entsteht. Dieser Luftspalt kann für einen für eine Unterbre ^¬ chung des elektrischen Kontaktes ausreichend hohen elektrischen Widerstand beziehungsweise für eine elektrische Isolie ^¬ rung der Kontaktstücke sorgen. Bei einer solchen räumlichen Anordnung der Kontaktstücke zueinander ist auch eine andere, beispielsweise magnetische, Krafteinwirkung auf den schmel ^¬ zenden Metallschaumkörper denkbar.

Geeigneterweise ist der der Metallschaumkörper Bestandteil eines der Kontaktstücke. Das heißt, dass der Metallschaumkör ^¬ per mit einem der Kontaktstücke fest verbunden ist, so dass er kein eigenständiges Bauteil darstellt. Auf diese Weise kann der Aufbau der Sicherungsanordnung weiter vereinfacht werden. Insbesondere kann es in diesem Zusammenhang zweckmä- ßig sein, wenn der Metallschaumkörper innerhalb des Kontaktstückes stromführend ist.

Bevorzugt ist der Metallschaumkörper derart ausgebildet, dass er bei einem einen vorbestimmten Stromschwellenwert über- schreitenden Strom durch die Sicherungsanordnung schmilzt. In diesem Fall wird die Sicherungsanordnung insbesondere in einem Kurzschluss-Fall aktiviert. Der Kurzschluss-Strom durch die Sicherungsanordnung verursacht hohe thermische Verluste. Dies wiederum hat einen Anstieg der Temperatur in der Siche- rungsanordnung zur Folge. Der Metallschaumstoff des Metall ^¬ schaumkörpers sollte geeigneterweise derart gewählt sein, dass die Schmelztemperatur des Metallschaumkörpers dem Strom- Schwellenwert entspricht: Dann schmilzt der Metallschaumkör ^¬ per bei Strömen oberhalb des Stromschwellenwertes. Auf diese Weise ist eine elektrische Isolierung der Kontakte bei einem den Stromschwellenwert überschreitenden Kurzschluss-Strom er- reicht.

Abweichend davon kann das Schmelzen des Metallschaumkörpers auch auf einem anderen Weg erfolgen, zum Beispiel durch eine gezielte Erhitzung des Metallschaumes mittels eines strom- durchflossenen Heizelements.

Die erfindungsgemäße Sicherungsanordnung kann besonders vor ^¬ teilhaft in einer elektrischen Einrichtung mit wenigstens einem Halbleiterelement zwischen den übereinander angeordneten Kontaktstücken eingesetzt beziehungsweise verwendet werden, wobei dem Halbleiterelement unter Ausbildung einer elektrischen Reihenschaltung der Metallschaumkörper zugeordnet ist und die Reihenschaltung durch Schmelzen des Metallschaumkörpers auftrennbar ist.

Eine dafür geeignete elektrische Einrichtung ist beispiels ^¬ weise aus der Druckschrift EP 1 403 923 AI bekannt. Dort ist ein Halbleitermodul beschrieben, das mehrere in einem Gehäuse parallel angeordnete Halbleiterchips umfasst. Jeder Halblei- terchip ist auf einer unteren leitenden Platte angeordnet und elektrisch mit der unteren und einer oberen leitenden Platte verbunden, die jeweils einen Teil des Gehäuses ausbilden. Zwischen dem Halbleiterchip und der oberen leitenden Platte befindet sich ein Kontaktbolzen, der den elektrischen Kontakt zwischen dem Halbleiterchip und der oberen leitenden Platte herstellt .

In einem Normalbetrieb verteilt sich der durch die elektrische Einrichtung fließender Strom auf die parallel geschalte- ten Halbleiterchips. Die dabei entstehende Wärme kann durch ein Kühlsystem ausreichend abgeführt werden. Bei einem Fehlerfall kann in einem der Halbleiterchips ein Kurzschluss entstehen, so dass der elektrische Widerstand durch den be ^¬ troffenen Halbleiterchip wesentlich kleiner als der elektrische Widerstand durch die übrigen Halbleiterchips ist. Dies hat zur Folge, dass der gesamte oder beinahe der gesamte Strom durch die Einrichtung unter Umständen durch den fehlerhaften Halbleiterchip fließt. Diese hohe Stromkonzentration auf der verhältnismäßig kleinen Querschnittfläche des fehler ^¬ haften Halbleiterchips führt zu Übertemperaturen. Diese kön ^¬ nen zu einer Beschädigung oder Zerstörung der Halbleiterchips oder auch des gesamten Gehäuses und damit zu einem Ausfall der gesamten elektrischen Einrichtung führen.

Die elektrische Reihenschaltung, die durch das eine Kontakt ^¬ stück, den Metallschaumkörper, das Halbleiterelement und das andere Kontaktstück gebildet ist, ist bei der Verwendung der erfindungsgemäßen Sicherungsanordnung in einer elektrischen Einrichtung dieser Art bevorzugt dadurch auftrennbar, dass beim Schmelzen des Metallschaumkörpers zwischen dem Halblei ^¬ terelement und einem der Kontaktstücke ein elektrisch isolie- render Spalt entsteht. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass der ansonsten durch das fehlerhafte Halbleiterelement fließende Kurzschlussstrom unterbrochen wird und sich auf andere Strompfade, beispielsweise weitere, funktionsfähige Halbleiterelemente, verteilt, wobei die Funktionalität der elektrischen Einrichtung bei geeigneter Bemessung in den anderen Strompfaden gewahrt bleiben kann. Dadurch muss der Fehler in einem der Halbelemente nicht zu einer Beschädigung beziehungsweise zu einem Ausfall der elektrischen Einrichtung führen .

Aufgrund seiner Porosität besitzt der Metallschaumkörper da ^¬ rüber hinaus kontrollierbare elastische Eigenschaften, ähn ^¬ lich einer Druckfeder. Diese können vorteilhaft dazu genutzt werden, um stets eine optimale Anpresskraft auf das Halblei- terelement zu gewährleisten. Das Halbleiterelement kann beispielsweise eine Diode oder ein schaltbarer Halbleiter, wie ein Thyristor oder auch ein IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) sein. Es kann zweckmäßig sein, wenn der Metallschaumkörper in einem Zeitbereich schmilzt, der einer Schaltzeit des schaltbaren Halbleiters entspricht .

Zweckmäßigerweise umfasst die elektrische Einrichtung ferner ein Gehäuse, wobei die beiden Kontaktstücke jeweils einen Teil des Gehäuses ausbilden. Auf diese Weise können mehrere der elektrischen Einrichtungen einfach und kostengünstig, beispielsweise durch aufeinanderstapeln, miteinander elektrisch verbunden werden. Die Anzahl von separaten, aus dem Gehäuse führenden Klemmen beziehungsweise Anschlüssen kann vor- teilhaft verringert werden. Die Kontaktstücke dienen in die ^¬ sem Fall als elektrische Kontakte zu anderen elektrischen Vorrichtungen .

Bevorzugt weist die elektrische Einrichtung mehrere Halblei- terelemente auf, wobei die Halbleiterelemente zwischen den

Kontaktstücken parallel angeordnet sind und jedem Halbleiterelement unter Bildung einer Reihenschaltung ein Metallschaumkörper zugeordnet ist, wobei jede Reihenschaltung durch

Schmelzen des ihm zugeordneten Metallschaumkörper auftrennbar ist.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Metallschaumkörper derart ausgebildet sind, dass sie bei einem Kurzschluss durch die Halbleiterelemente zum Schmelzen gebracht werden. Durch eine geeignete Wahl des Metallschaumes kann erreicht werden, dass die Metallschaumkörper bei einem Strom durch die jeweilige Reihenschaltung schmelzen, der einen vorbestimmten

Schwellenwert überschreitet. Damit ist in jeder Reihenschal ^¬ tung eine Schutzeinrichtung bereitgestellt, die die Reihen- Schaltung bei einem bestimmten Kurzschlussstrom auftrennt.

Dies ist insbesondere möglich, wenn der Metallschaumkörper in seiner Form und Zusammensetzung an den Zusammenhang zwischen dem Strom durch die jeweilige Reihenschaltung und der dort entstehenden, durch den Durchlasswiderstand der Reihenschal ^¬ tung bewirkten Temperatur angepasst ist. Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung bildet die elektrische Einrichtung einen Spannverband. Das heißt, dass die Kontaktstücke, die Metallschaumkörper und die Halbleiterelemente miteinander mechanisch verspannt sind. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Unterbrechen eines elektrischen Stromes durch eine elektrische Sicherungs ^¬ anordnung mit zwei übereinander angeordneten Kontaktstücken.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfah- ren dieser Art vorzuschlagen, das einfach und kostengünstig ist .

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren gelöst, bei dem ein zwischen den Kontaktstücken angeordneter Metallschaumstoff bei einem Stromwert oberhalb eines vorbestimmten Stromschwellenwertes zum Schmelzen gebracht wird.

Vorteilhat wird der Metallschaumstoff durch den Strom über die Kontaktstücke zum Schmelzen gebracht. Es ist jedoch auch denkbar, dass der Metallschaumstoff durch eine äußere Einwir ^¬ kung zum Schmelzen gebracht wird, wenn eine vorgegebene Be ^¬ dingung eintritt, beispielsweise das Überschrei ^¬ ten/Unterschreiten eines vorbestimmten Schwellwertes durch einen geeigneten, mittels einer Messvorrichtung ermittelten Messwert.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Figuren 1 - 4 näher erläutert.

Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfin- dungsgemäßen Sicherungsanordnung in schemati- scher Darstellung. Figur 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfin ^¬ dungsgemäßen Sicherungsanordnung in einer elektrischen Einrichtung in schematischer Stellung .

Figur 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Metall ^¬ schaumkörpers der Sicherungsanordnung aus Figur 2 in schematischer Darstellung.

Figur 4 zeigt eine weitere schematische Darstellung der elektrischen Einrichtung der Figur 2.

Im Einzelnen ist in Figur 1 eine Skizze einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sicherungsanordnung 100 dargestellt. Die Sicherungsanordnung 100 umfasst ein erstes Kontaktstück 101 und ein zweites Kontaktstück 102, die übereinander angeordnet sind. Zwischen den Kontaktstücken 101, 102 befindet sich ein Metallschaumstoff 103. Die Sicherungsanordnung ist Bestandteil eines durch die beiden Stromleitungen 104, 105 angedeuteten Stromkreises. Bei dem Stromkreis kann es sich beispielsweise um ein elektrisches Bauelement handeln.

Während eines Normalbetriebes der Sicherungsanordnung 100 fließt der Strom über die Stromleitung 104, das erste Kontaktstück 101, den Metallschaumstoff 103, das zweite Kontakt ^¬ stück 102 und die Stromleitung 105. Im Falle eines Kurzschlusses durch die Sicherungsanordnung 100 bewirkt der Kurzschlussstrom insbesondere eine starke Erwärmung der beiden Kontaktstücke 101, 102 und des Metallschaumstoffes 103. Wird ein bestimmter Wert des Kurzschlussstromes überschritten, und damit auch die durch den Widerstand der Sicherungsanordnung 100 der entsprechende Temperaturwert, so schmilzt der Metall ^¬ schaumstoff 103, wobei sich sein Volumen verringert. Dadurch entsteht zwischen den beiden Kontaktstücken 101, 102 ein isolierender Spalt. Die durch die Kontaktstücke 101, 102 und den Metallschaumstoff gebildete Reihenschaltung wird damit aufge- trennt. Der Stromfluss durch die Sicherungsanordnung 100 wird unterbrochen .

Gemäß einer Variante der Erfindung wird der geschmolzene Me- tallschaumstoff 103 aus dem Raumbereich zwischen den Kontakt ^¬ stücken 101, 102 herausgeführt (oder fließt selbständig her ^¬ aus), so dass der besagte isolierende Spalt entsteht.

In Figur 2 ist der Querschnitt durch eine Ausführungsform ei- ner erfindungsgemäßen elektrischen Sicherungsanordnung 100 in einer Einrichtung 1 dargestellt. In dem in Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die elektrische Einrichtung 1 durch ein Halbleitermodul realisiert. Das Halbleitermodul 1 weist ein Gehäuse 2 auf, wobei eine obere leitende Platte 3 einen Teil des Gehäuses 2 ausbildet. Eine untere leitende

Platte 4 bildet ebenfalls einen Teil des Gehäuses 2 aus, näm ^¬ lich die Bodenwandung des Gehäuses 2. Die obere leitende Platte 3 und die untere leitende Platte 4 bilden die beiden Kontaktstücke der Sicherungsanordnung 100.

Im Gehäuse 2 sind als Halbleiterchips ausgebildete Halblei ^¬ terelemente 5, 6 und 7 parallel nebeneinander angeordnet. Zwischen der unteren leitenden Platte 4 beziehungsweise dem Halbleiterchip 5 und der oberen leitenden Platte 3 ist ein Metallschaumkörper 8 angeordnet. Die obere leitende Platte 3 der Metallschaumkörper 8 der Halbleiterchip 5 sowie die untere leitende Platte 4 bilden eine elektrische Reihenschaltung. Dementsprechend bilden auch die weiteren Halbleiterchips 6 und 7 jeweils mit ihnen zugeordnete Metallschaumkörpern 9 be- ziehungsweise 10 zwei weitere Reihenschaltungen aus. In einem Normalfall beziehungsweise Betriebszustand, der in Figur 2 dargestellt ist, fließt Strom durch das Halbleitermodul 1, indem er sich auf die drei Reihenschaltungen verteilt. Es ist in diesem Zusammenhang anzumerken, dass weitere Halbleiter- chips in dem Halbleitermodul 1 vorgesehen sein können, die jedoch in der in Figur 2 gezeigten Querschnittsdarstellung nicht sichtbar sind. Figur 3 zeigt den Metallschaumkörper 8 des Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Einrichtung aus Figur 2 in sche- matischer Darstellung. Die Metallschaumkörper 9 und 10 aus Figur 2 sind zum Metallschaumkörper 8 gleichartig aufgebaut. In dem in Figur 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Metallschaukörper 8 quaderförmig ausgebildet. Je nach Anwendung beziehungsweise je nach Halbleitergeometrie sind anderen Formen, beispielsweise Zylinder-, Scheiben- oder Kegelformen des Metallschaumkörpers ebenfalls denkbar. Der Metallschaum ^¬ körper besteht aus einem Metallschaum. Der Metallschaum entsteht durch ein Aufschäumen eines Metallpulvers durch ein geeignetes Treibmittel. Dadurch ist der Metallschaumkörper 8 insbesondere mit Poren 11 versehen. Die Größe und die Anzahl der Poren 11 bestimmt das Elastizitätsverhalten des Metallschaumkörpers 8. Die elektrischen Eigenschaften des Metall ^¬ schaumkörpers 8 sind ebenfalls durch die Anzahl, Größe der Poren 11 sowie durch die Form des Metallschaumkörpers 8 be- einflusst .

Figur 4 zeigt das Halbleitermodul 1 der Figur 2, bei dem der Metallschaumkörper 10 in einem geschmolzenen Zustand ist. Gleiche und gleichartige Teile in den Figuren 2 bis 4 sind dabei mit gleichen Bezugszeichen versehen. In dem in Figur 4 dargestellten Ausführungsbeispiel wird von einem Fehler im

Halbleiterchip 7 ausgegangen, wobei der Ablauf bei Fehlern in den übrigen Halbleiterchips 8 beziehungsweise 9 entsprechend ist. Bei einem derartigen Fehler entsteht ein Kurzschluss im Strompfad durch den Halbleiterchip 7. Die dabei entstehenden hohen Temperaturen führen zu einem Schmelzen des Metallschaumkörpers 10. Der Metallschaumkörper 10 verringert dabei sein Volumen. Das schmelzende Metall des Metallschaumkörpers 10 bildet einen tropfenförmigen Feststoff, der unter der eigenen Gewichtskraft nach unten, das heißt, in Richtung zum Halbleiterchip 7 sinkt. Auf diese Weise entsteht zwischen dem Halbleiterchip 7 und dem der oberen leitenden Platte 3 ein elektrisch isolierender Spalt 12. Die durch die obere leiten- de Platte 3 dem Metallschaumkörper 10, den Halbleiterchip 7 und die untere leitende Platte 4 gebildete Reihenschaltung wird somit aufgetrennt. Der Stromfluss durch den Halbleiter ^¬ chip 7 wird unterbrochen. Der Strom durch das Halbleitermodul 1 verteilt sich in diesem Fall auf die beiden anderen Strompfade, die in diesem Fall durch die jeweiligen Reihenschal ^¬ tungen mit dem Halbleiterchip 5 beziehungsweise dem Halblei ^¬ terchip 6 gebildet sind. Die Funktionalität des gesamten Halbleitermoduls 1 kann somit aufrecht erhalten werden, auch in einem Kurzschlussfall im Halbleitermodul 1.

Bezugs zeichenliste

1 Halbleitermodul

2 Gehäuse

3 obere leitende Platte

4 untere leitende Platte

5, 6, 7 Halbleiterchips

8, 9, 10 Metallschaumkörper

11 Poren

12 Spalt

100 Sicherungsanordnung

101, 102 Kontaktstück

103 Metallschäumstoff

104, 105 Stromleitung