DE19945641A1 - Resistance element for an electrical network and/or an electronic component has a resistance body made of a ceramic interspersed with metal - Google Patents
Resistance element for an electrical network and/or an electronic component has a resistance body made of a ceramic interspersed with metalInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Strombegrenzer. Sie bezieht sich auf ein strombegrenzendes Widerstandselement gemäss Oberbegriff des Patent anspruches 1.The invention relates to the field of current limiters. It relates to a current-limiting resistance element according to the preamble of the patent claim 1.
Strombegrenzende Widerstandselemente sollen bei hohen Nennströmen und/oder Leistungen einen Schutz für ein elektrisches Netz und/oder ein Elektronikbauteil gewähren, wobei im Kurzschlussfall einerseits der Durch lasswert möglichst gering, andererseits die Ansprechcharakteristik jedoch so sein soll, dass keine untragbaren Schaltüberspannungen entstehen und die Möglichkeit eines Selektivschutzes besteht.Current-limiting resistance elements should be used at high nominal currents and / or services provide protection for an electrical network and / or Grant electronic component, whereby in the event of a short circuit, on the one hand, the through the lowest possible value, but on the other hand the response characteristic should be that there are no intolerable switching overvoltages and the There is a possibility of selective protection.
An Strombegrenzer für neuere Generationen von Elektronikbauteilen, insbe sondere für Stromrichter basierend auf IGBT-Technologie, werden zudem erhöhte Anforderungen gestellt, welche durch Strombegrenzer mit Sicherungen oder Schaltern gemäss dem Stand der Technik nicht oder nicht vollständig erfüllt werden können. Derartige Stromrichter zeichnen sich durch kurze Schalt zeiten aus, wobei im Falle eines Kurschlusses ein sehr hoher Kurzschlussstrom fliessen kann, welcher innerhalb von 10-20 µs durchaus einige hundert kA betragen kann.Current limiters for newer generations of electronic components, especially especially for converters based on IGBT technology increased demands made by current limiters with fuses or switches according to the prior art not or not completely can be fulfilled. Such converters are characterized by short switching times, whereby in the event of a short circuit a very high short-circuit current which can flow a few hundred kA within 10-20 µs can be.
Ein strombegrenzendes Widerstandselement ist beispielsweise aus CH-A- 581'377 bekannt. Dieses Widerstandselement besteht aus Vanadium-Sesquioxid (V2O3) mit einem geringen Zusatz eines Metalloxids.A current-limiting resistance element is known, for example, from CH-A-581'377. This resistance element consists of vanadium sesquioxide (V 2 O 3 ) with a small addition of a metal oxide.
EP-A-640'995 offenbart ein weiteres Widerstandselement mit einem PTC-Ver halten, welches aus einem Verbundwerkstoff gefertigt ist. Der Verbundwerkstoff besteht aus einer Polymermatrix, beispielsweise aus Polyäthylen, und zwei Füllstoffkomponenten, gebildet aus elektrisch leitenden Teilchen. Die erste Füllstoffkomponente ist Kohlenstoff, die zweite ein Metall. Die Kohlenstoffteilchen weisen eine wesentlich kleinere mittlere Grösse auf als die Metallteilchen, so dass sie in Lücken zwischen den Metallteilchen angeordnet sind. Kohlenstoffteilchen, welche sich an der Oberfläche des Verbundwerkstoffes befinden, verschmelzen im Kurzschlussfall zu einer strombegrenzenden Oberflächenschicht, was zu einer sprunghaften Widerstandsänderung führt. Der restliche Verbundwerkstoff weist ein wesentlich höheres Sprungverhalten und einen geringeren spezifischen Widerstand auf, so dass er nach einer gewissen Anfangszeit die Oberflächenschicht sowohl thermisch wie auch elektrisch entlastet.EP-A-640'995 discloses another resistance element with a PTC ver hold, which is made of a composite material. The composite material consists of a polymer matrix, for example of polyethylene, and two Filler components formed from electrically conductive particles. The first The filler component is carbon, the second a metal. The Carbon particles have a much smaller average size than that Metal particles so that they are arranged in gaps between the metal particles are. Carbon particles that are on the surface of the composite in the event of a short circuit, merge into a current-limiting one Surface layer, which leads to a sudden change in resistance. The remaining composite material has a much higher bounce and a lower specific resistance so that after a certain In the beginning the surface layer was both thermal and electrical relieved.
Aus DE-U-91 00 865 ist ferner ein flüssigkeitsgekühltes Widerstandselement bekannt, welches aus einem elektrisch isolierenden Trägerkörper aus Keramik und einem bandförmigen Widerstandsmaterial aus einer Kupfer-Nickel- Legierung besteht. Dabei ist das Widerstandsmaterial so um eine Stirnseite des Trägerkörpers gelegt, dass Flachseiten des Trägerkörpers bedeckt sind. Durch Schlitze im Widerstandsmaterial lasse sich die Wärmeableitung zu einem Flüssigkeitskörper erhöhen, so dass sich eine hohe Verlustleistung abführen lasse.From DE-U-91 00 865 is also a liquid-cooled resistance element known, which consists of an electrically insulating carrier body made of ceramic and a band-shaped resistance material made of a copper-nickel Alloy. The resistance material is so around an end face of the Placed support body that flat sides of the support body are covered. By Slits in the resistance material let the heat dissipation to one Increase the liquid body so that a high power loss dissipates let.
Die strombegrenzenden Widerstandselemente gemäss dem Stand der Technik weisen einen relativ komplizierten Aufbau auf und/oder sind aus teuren Materialien gefertigt. Zudem sind sie aufgrund ihrer relativ langen Ansprechszeiten nur beschränkt einsetzbar.The current-limiting resistance elements according to the prior art have a relatively complicated structure and / or are expensive Made of materials. In addition, they are due to their relatively long Response times can only be used to a limited extent.
Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, ein strombegrenzendes Widerstands element der eingangs genannten Art zu schaffen, welches einfach aufgebaut ist und sich durch eine schnelle und dauerhafte Strombegrenzung auch bei hohen Nennströmen auszeichnet.It is therefore an object of the invention to provide a current-limiting resistor to create element of the type mentioned, which is simple and through a fast and permanent current limitation even at high Distinguished nominal currents.
Diese Aufgabe löst ein strombegrenzendes Widerstandselement mit den Merk malen des Patentanspruches 1.This task is solved by a current-limiting resistance element with the Merk paint the claim 1.
Das erfindungsgemässe Widerstandselement weist einen PTC-Widerstands körper auf, welcher aus einer mit Metall durchsetzten Keramik besteht.The resistance element according to the invention has a PTC resistor body, which consists of a ceramic interspersed with metal.
Dadurch lässt sich ein schnelles Widerstandselement schaffen. Dabei bestimmen zwei Faktoren die Geschwindigkeit: die temperaturabhängige Änderung des Widerstandskörpers und die Masse, welche erwärmt wird. Die Geschwindigkeit hängt insbesondere vom Metallanteil im Widerstandselement ab, welcher hierfür möglichst gering sein sollte. Andererseits muss dieser genügend gross sein, um eine gute Wärmeabfuhr zu gewährleisten. Durch die Durchsetzung einer Keramik mit Metall lassen sich diese zwei Forderungen entkoppeln und die zwei Faktoren, welche für eine erfolgreiche Strombegrenzung wesentlich sind, lassen sich praktisch getrennt einstellen. Das Metall erhitzt sich in einer Anfangsphase mindestens annähernd adiabatisch und ermöglicht so eine sprunghafte Widerstandsänderung. Durch die Einbettung des Metalls in die Matrix ist in einer Folgephase gewährleistet, dass aufgenommene Wärme innerhalb kürzester Zeit an die Keramik weitergeleitet und somit die maximale Temperatur des Widerstandselementes limitiert wird.This enables a fast resistance element to be created. Determine it two factors the speed: the temperature dependent change of the Resistor body and the mass that is heated. The speed depends in particular on the metal content in the resistance element, which is used for this should be as low as possible. On the other hand, it must be large enough to to ensure good heat dissipation. By enforcing a Ceramic with metal can decouple these two requirements and the two Factors that are essential for a successful current limitation adjust practically separately. The metal heats up in an initial phase at least approximately adiabatic and thus enables a leaping Change in resistance. By embedding the metal in the matrix is in a subsequent phase ensures that heat absorbed within a very short time Time passed to the ceramic and thus the maximum temperature of the Resistance element is limited.
In einer bevorzugten Ausführungsform besteht der PTC-Widerstandskörper aus einem Metall-Matrix-Komposit (MMC), in welchem Metallpartikel in eine Keramikmatrix eingebettet sind.In a preferred embodiment, the PTC resistance body consists of a metal matrix composite (MMC), in which metal particles in a Ceramic matrix are embedded.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform besteht der Widerstandskörper aus zu einer kompakten Masse zusammengepressten metallbeschichteten Keramikteilchen.In another preferred embodiment, the resistance body is made made of pressed metal-coated to a compact mass Ceramic particles.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen gehen aus den abhängigen Patent ansprüchen hervor.Further advantageous embodiments are based on the dependent patent claims.
Im folgenden wird der Erfindungsgegenstand anhand von bevorzugten Ausfüh rungsbeispielen, welche in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt sind, näher erläutert. Es zeigen:In the following the subject matter of the invention is based on preferred embodiments Example, which are shown in the accompanying drawings explained. Show it:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemässen strombegrenzenden Widerstandselementes in einer ersten Ausführungsform und Fig. 1 is a schematic representation of a current limiting resistor element according to the invention in a first embodiment and
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemässen strombegrenzenden Widerstandselementes in einer zweiten Ausführungsform. Fig. 2 is a schematic representation of a current-limiting resistance element according to the invention in a second embodiment.
Das erfindungsgemässe Widerstandselement besteht, wie in Fig. 1 dargestellt ist, im wesentlichen aus einem Widerstandskörper 1 und zwei Elektroden 2, 3. Die Elektroden befinden sich auf zwei gegenüberliegenden, vorzugsweise plan parallel verlaufenden Oberflächen des Widerstandskörpers 1 und sind vorzugs weise kupferhaltig sowie massiv ausgebildet.As shown in FIG. 1, the resistance element according to the invention essentially consists of a resistance body 1 and two electrodes 2 , 3 . The electrodes are located on two opposite, preferably planar, parallel surfaces of the resistance body 1 and are preferably copper-containing and solid.
Der Widerstandskörper 1 weist ein PTC-Verhalten auf. Er besteht erfindungs gemäss aus einer Keramik, welche von Metall durchsetzt ist. In dieser Ausführungsform ist der Widerstandskörper aus einem Metall-Matrix-Komposit (MMC) gebildet, das heisst, er besteht im wesentlichen aus einer Keramikmatrix 10 und darin eingelagerten Metallpartikeln 11. Die Herstellung des Komposits erfolgt auf bekannte Art und Weise, vorzugsweise wird aus einer geeigneten Keramik eine poröse Preform hergestellt und anschliessend mit flüssigem Metall infiltriert. Die Infiltration erfolgt beispielsweise durch externe Druckbeaufschlagung oder durch Ausnützung von Kapillarkräften. Üblicherweise ist die Verteilung der Metallpartikel 11 in der Keramikmatrix 10 zufällig.The resistance body 1 has a PTC behavior. According to the invention, it consists of a ceramic which is interspersed with metal. In this embodiment, the resistance body is formed from a metal matrix composite (MMC), that is to say it essentially consists of a ceramic matrix 10 and metal particles 11 embedded therein. The composite is produced in a known manner, preferably a porous preform is produced from a suitable ceramic and then infiltrated with liquid metal. The infiltration takes place, for example, by external pressurization or by using capillary forces. The distribution of the metal particles 11 in the ceramic matrix 10 is usually random.
Materialien und Korngrösse werden so gewählt, dass ein Metall-Matrix- Komposit entsteht, welches sich als strombegrenzender Widerstandskörper eignet. Vorzugsweise weist der Widerstandskörper deshalb einen Keramikanteil von 80-98%, vorzugsweise 96% auf, wobei die Korngrösse der Keramik vorzugsweise mindestens annähernd 100 µm beträgt. Die mittlere Grösse und Anzahl der Metallpartikel 11 im Komposit sind in einer bevorzugten Ausführungsform so gewählt, dass sie sich während mindestens 10 µs adiabatisch erhitzen. Die mittlere Grösse der Metallpartikel 11 beträgt vorzugsweise 1-10 µm. Materials and grain size are selected so that a metal matrix composite is created which is suitable as a current-limiting resistance body. The resistance body therefore preferably has a ceramic content of 80-98%, preferably 96%, the grain size of the ceramic preferably being at least approximately 100 μm. In a preferred embodiment, the average size and number of metal particles 11 in the composite are selected such that they heat up adiabatically for at least 10 μs. The average size of the metal particles 11 is preferably 1-10 microns.
Für die Keramikmatrix 10 eignen sich insbesondere Siliziumkarbit (SiC), Magnesiumoxid (MgO), Bornitrit (BN), Siliziumnitrit (SiN), Aluminiumoxid (AlO) oder Kombinationen davon.Silicon carbide (SiC), magnesium oxide (MgO), boron nitride (BN), silicon nitrite (SiN), aluminum oxide (AlO) or combinations thereof are particularly suitable for the ceramic matrix 10 .
Die Metallpartikel 11 bestehen vorzugsweise aus Metallen mit einem Schmelz punkt höher als 600°C, damit die Metallpartikel während der Strombegrenzung nicht zu schnell schmelzen. Geeignet sind insbesondere Aluminium (Al), Magnesium (Mg), Gold (Au), Silber (Ag), Kupfer (Cu), Nickel (Ni), Eisen (Fe) oder Kombinationen davon.The metal particles 11 are preferably made of metals with a melting point higher than 600 ° C, so that the metal particles do not melt too quickly during the current limitation. Aluminum (Al), magnesium (Mg), gold (Au), silver (Ag), copper (Cu), nickel (Ni), iron (Fe) or combinations thereof are particularly suitable.
In Fig. 2 ist eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemässen Widerstandselementes dargestellt. In diesem Fall ist der Widerstandskörper aus metallbeschichteten Keramikteilchen 12 hergestellt, welche bei der Herstellung zu einer kompakten Masse zusammengepresst worden sind. Vorzugsweise werden hierfür kugelförmige Keramikteilchen 12 verwendet. Typische Durchmesser der Keramikteilchen 12 betragen mindestens annähernd 100 µm, der Metallschicht 13 mindestens annähernd 2 µm. Der Keramikanteil im Widerstanskörper beträgt wiederum 80-98%, vorzugsweise 96%, wobei der Metallanteil so gewählt ist, dass es sich während mindestens 10 µs adiabatisch erhitzt. Keramik und Metall bestehen vorzugsweise aus den oben angegebenen Materialien.In FIG. 2, a second embodiment of the inventive resistance element is shown. In this case, the resistance body is made of metal-coated ceramic particles 12 which have been pressed together to form a compact mass during manufacture. Spherical ceramic particles 12 are preferably used for this. Typical diameters of the ceramic particles 12 are at least approximately 100 μm, and the metal layer 13 is at least approximately 2 μm. The ceramic portion in the resistance body is again 80-98%, preferably 96%, the metal portion being selected so that it heats up adiabatically for at least 10 µs. Ceramic and metal are preferably made of the above materials.
Das erfindungsgemässe Widerstandselement weist eine hohe Nennstromtrag fähigkeit auf und ermöglicht, eingesetzt in einem Strombegrenzer, eine rasche und dauerhafte Begrenzung von Kurzschlussströmen. Es ist insbesondere geeignet, um in einem Strombegrenzer für IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) eingesetzt zu werden. The resistance element according to the invention has a high nominal current carrying capacity ability on and used in a current limiter enables rapid and permanent limitation of short-circuit currents. It is special suitable for use in a current limiter for IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) to be used.
11
Widerstandskörper
Resistance body
1010th
Keramikmatrix
Ceramic matrix
1111
Metallpartikel
Metal particles
1212th
Keramik
Ceramics
1313
Metallschicht
Metal layer
22nd
erste Elektrode
first electrode
33rd
zweite Elektrode
second electrode
Claims (10)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE1999145641 DE19945641A1 (en) | 1999-09-23 | 1999-09-23 | Resistance element for an electrical network and/or an electronic component has a resistance body made of a ceramic interspersed with metal |
Applications Claiming Priority (1)
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| DE1999145641 DE19945641A1 (en) | 1999-09-23 | 1999-09-23 | Resistance element for an electrical network and/or an electronic component has a resistance body made of a ceramic interspersed with metal |
Publications (1)
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|---|---|
| DE19945641A1 true DE19945641A1 (en) | 2001-04-05 |
Family
ID=7923062
Family Applications (1)
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|---|---|---|---|
| DE1999145641 Withdrawn DE19945641A1 (en) | 1999-09-23 | 1999-09-23 | Resistance element for an electrical network and/or an electronic component has a resistance body made of a ceramic interspersed with metal |
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|---|---|
| DE (1) | DE19945641A1 (en) |
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