AT391775B - Stapelbare anordnung einer gehaeuselosen, in eine siedekuehlfluessigkeit getauchten leistungshalbleiterscheibe - Google Patents

Description

Nr. 391 775

Die Erfindung bezieht sich anf eine stapelbare Anordnung einer gehäuselosen, in eine Siedekühlflüssigkeit getauchten Leistungshalbleiterscheibe, die zwischen zwei dem anoden- und dem kathodenseitigen Anschluß dienenden Wärmeableitem durch drei axial verlaufende Kunststoffhalter radial festgelegt und mittels isolierter Zugbolzen axial verspannt ist. Eine solche Anordnung ist durch die DE-OS 29 07 780 bekannt. Danach wird die in einer Siedekühlflüssigkeit, z. B. flüssigem fluorierten Kohlenwasserstoff, zu kühlende Leistungshalbleiterscheibe zwischen zwei zylindrische Wärmeäbleiter eingespannt. Dazu sind zwei außen viereckig geformte Isolierplatten vorgesehen, die den anoden- und den kathodenseitigen Wärmeäbleiter umgeben und jeweils auf einem Sprengring aufliegen, der in eine Ringnut in den jeweiligen Wärmeäbleiter eingelegt ist. Die Isolierplatten sind miteinander durch drei Bolzen aus Isoliermaterial varspannt, die die Halbleiterscheibe berühren und in drei Kerben der Isolierplatten einrasten, die je 120° gegeneinander versetzt sind.

Die bekannte Anordnung ist gut als Einzelelement zur Siedekühlung einer Leistungshalbleiterscheibe einzusetzen, wobei die Wärmeäbleiter kupferne Metallblöcke sind. Schwierigkeiten treten auf, wenn aus Kosten-und/oder Gewichtsgründen statt des Kupfers Aluminium eingesetzt werden soll. Für die gleiche Siedekühlleistung muß die Oberfläche dann entsprechend vergrößert bzw. der Wärmeleitweg bei gleicher Oberflächengröße verkürzt werden.

Sofem aus Spannungsgründen mehrere Leistungshalbleiterscheiben hintereinandergeschaltet werden müssen und dies zwecks kompakter Bauweise durch Schichtung in Stapeln geschieht, ist die zuvor beschriebene Anordnung nur schlecht geeignet, weil die im Stapel aneinanderliegenden Kreisflächen der zylindrischen Wärmeäbleiter als Oberfläche für die Siedekühlung nicht zur Verfügung stehen. Es besteht dann auch die Gefahr, daß sich auf der an sich zu kühlenden, aber für die Wärmeabfuhr zu kleinen Oberfläche ein geschlossener Dampffilm bildet, der die Oberfläche wärmeisolierend von der Siedekühlflüssigkeit trennt (sogenanntes Filmsieden).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß viele dieser Elemente zu Stapeln zusammengepreßt werden können, dabei trotzdem eine ausreichende Oberfläche der Wärmeableitkörper zur Siedekühlung ohne Filmsieden zur Verfügung gestellt wird und gleichzeitig eine kompakte und einfache Montage erreicht wird.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Wärmeäbleiter auf der der Leistungshalbleiterscheibe abgewandten Seite mit Distanznoppen versehen sind, über die die Spannkraft der Zugbolzen auf die Leistungshalbleiterscheibe übertragen wird, die Distanznoppen in das zur Siedekühlung erforderliche Sieden gewährleistenden Abständen voneinander angeordnet sind, die Distanznoppen derart angeordnet sind, daß sie in einem Stapel zur Übertragung der Spannkraft übereinander zu liegen kommen, und die Kunststoffhalter als in einen der Wärmeäbleiter eingelassene Isolierzapfen ausgebildet sind, die für die Leistungshalbleiterscheibe eine Einrast-Halterung bilden.

Infolge der Distanznoppen an der der Leistungshalbleiterscheibe abgewandten Seite jedes Wärmeableiters wird die Oberfläche, die für die Siedekühlung jeweils zur Verfügung gestellt wird, entsprechend groß gehalten.

Vorteilhafterweise gelangt rechtzeitig die Siedekühlflüssigkeit besonders dicht an die zu kühlende Wärmequelle, also die Leistungshalbleiterscheibe. Der Einsatz von Wärmeableitem aus Aluminium ist damit trotz der gegenüber Kupfer benötigten größeren Oberfläche möglich, ohne daß eine kompakte Bauweise der Stapel verhindert wird.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der stapelbaren Anordnung nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeäbleiter in Form eines gleichseitigen, die Leistungshalbleiterscheibe jeweils voll überdeckenden Dreiecks ausgebildet sind, in dessen drei Eckbereichen jeweils ein Durchgangsloch zur Führung der Zugbolzen vorgesehen ist. Damit wird eine möglichst große Fläche für die Siedekühlung geschaffen und gleichzeitig eine gute Führung für die Zugbolzen durch die Wärmeäbleiter hindurch geschaffen.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der stapelbaren Anordnung nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierzapfen in der Ebene des einen Wärmeableiters jeweils um 60° versetzt zu den Durchgangslöchem zur Führung der Zugbolzen angebracht sind. Dieses ergibt eine platzsparende und übersichtliche Anordnung sowohl der Isolierzapfen als auch der Zugbolzen.

Die Erfindung soll im folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1 eine Draufsicht auf einen Wärmeäbleiter innerhalb eines Stapels von Anordnungen nach der Erfindung und

Fig. 2 einen Schnitt durch eine stapelbare Anordnung nach der Erfindung innerhalb eines Stapels gleicher Anordnung.

In Fig. 1 ist ein erfindungsgemäß ausgebildeter Wärmeäbleiter dargestellt, der in einer Siedekühlflüssigkeit der Wärmeabfuhr von einer (strichliert angedeuteten) Leistungshalbleiterscheibe (1) dient. Der Wärmeäbleiter ist auf der der Leistungshalbleiterscheibe (1) zugekehrten Seite plan ausgebildet. Zur Bereitstellung einer ausreichend großen Oberfläche für die Siedekühlung ist die der Leistungshalbleiterscheibe (1) abgekehrte Seite des Wärmeableiters mit gleich hohen Distanznoppen (8) versehen.

Zur radialen Festlegung der Leistungshalbleiterscheibe (1) sind in den Wärmeäbleiter Isolierzapfen (9) eingelassen, die um ihre Längsachse federnd ausgebildet sind und in einer Höhe über dem Wärmeäbleiter, die der axialen Höhe der Leistungshalbleiterscheibe (1) entspricht sich zu einem Kopf erweitern (s. auch Fig. 2 beim -2-

Claims (3)

1. Nr. 391 775 Wärmeableiter (3)). Damit bilden die Isolierzapfen (9) für die Leistungshalbleiterscheibe (1) eine montagefreundliche Einiast-Halterung. Der Wärmeableiter ist in Form eines gleichseitigen, die Leistungshalbleiterscheibe (1) voll überdeckenden Dreiecks ausgebildet, in dessen Eckbereichen jeweils ein Durchgangsloch zur Führung eines (in seiner Funktion bei der Erläuterung der Fig. 2 näher beschriebenen) elektrisch isolierten Zugbolzens (7) vorgesehen ist. In der Ebene des Wärmeableiters sind diese Durchgangslöcher und Isolierzapfen (9) zur Einrast-Halterung jeweils um 60° zueinander versetzt angeordnet. Der Wärmeableiter weist zum Anschluß einer Anoden-Kathoden-Bedämpfungsschaltung für die Leistungshalbleiterscheibe (1) an seinem Umfang einen Anschlußbolzen (6) auf. Fig. 2 zeigt im Schnitt den Einsatz des zuvor beschriebenen Wärmeableiters - hier mit (3) bezeichnet -innerhalb einer Anordnung, bei der die Leistungshalbleiterscheibe (1) zwischen dem erwähnten, ihr als anodenseitiger Anschluß dienenden Wärmeableiter (3) und einem weiteren, hier als kathodenseitiger Anschluß dienenden Wärmeableiter (2) eingespannt ist. Der Wärmeableiter (2) weist die gleiche zuvor angegebene konstruktive Ausbildung wie der Wärmeableiter (3) auf, mit der Ausnahme, daß er auf der der Leistungshalbleiterscheibe (1) zugewandten Seite keine Isolierzapfen trägt. Die Anordnung aus Wärmeableiter (2), Leistungshalbleiterscheibe (1) und Wärmeableiter (3) ist zwecks kompakter Bauweise und gegebenenfalls zur Beherrschung einer hohen elektrischen Spannung teil eines Stapels gleicher Anordnung, die über die in Fig. 1 gezeigten, isolierten Zugbolzen (7) und gemeinsame an den beiden Enden des Stapels vorgesehene (nicht gezeigte) Spannelemente miteinander verspannt sind. Die von den Spannelementen gegen die Zugbolzen aufgebrachte Anpreßkraft ist mit (P) angedeutet, die über die Distanznoppen (nicht näher bezeichneter) Wärmeableiter benachbarter Anordnungen und die Distanznoppen (8) der Wärmeableiter (2) bzw. (3) auf die Leistungshalbleiterscheibe (1) wirkt. Zwischen den Distanznoppen (8) bleibt dabei Hotz der Übertragung der für eine gute elektrische Kontaktgabe der Leistungshalbleiterscheibe (1) notwendigen Anpreßkraft (P) Raum und Oberfläche für den Siedekühlprozeß. Jeder der Wärmeableiter (2, 3) weist, wie aus Fig. 1 erkennbar ist, zumindest zwei, an verschiedenen Schenkeln des gleichseitigen Dreiecks seines Umfangs angebrachte Potentialanschlußbolzen (4) bzw. (5) auf, so daß innerhalb eines Stapels durch einfache, direkte Verbindung die einzelnen anoden- bzw. kathodenpotentialbehafteten Wärmeableiter (2, 3) zu einer gewünschten elektrischen Schaltung (z. B. einer Brückenschaltung) zusammengeschaltet werden können. Stoßen infolge dieser Verschaltung Wärmeableiter unterschiedlichen Potentials zusammen, so sind zur Vermeidung eines Kurzschlusses zwischen deren aneinandergrenzende Distanznoppen Isolierscheiben (10) eingefügt. Die Leistungshalbleiterscheiben (1), die also ohne Gehäuse zwischen zwei Wärmeableitem (2, 3) eingespannt sind, können Dioden oder aber auch steuerbare Halbleiter-Bauelemente (z. B. Thyristoren) sein. Für den letzteren Fall sind drei Isolierzapfen (9) im anodenseitigen Wärmeableiter (3) eingepreßt, während der Steueranschluß für die zentrale Steuerelektrode der Leistungshalbleiterscheibe (1) über den kathodenseitigen Wärmeableiter (2) vorgenommen wird. Zu diesem Zweck befindet sich im kathodenseitigen Wärmeableiter (2) für den Steueranschluß eine zentral angeordnete Isolierbuchse (11) mit einem Kontaktstift (12) und mehreren gegeneinander geschichteten Spannscheiben (13). Eine derartige Kontaktgabe ist an sich aus der eingangs erwähnten DE-OS 29 07 780 bekannt. Die montierten Teile sind bei der in der Zeichnung gezeigten Anordnung mit einer Sicherungsscheibe (14) gegen das Herausfallen gesichert. Das hindurchragende Ende des Kontaktstifts • (12) ist als Lötanschluß (18) für eine Steueranschlußleitung (15), die durch den Raum zwischen den Distanznoppen (8) geführt ist, ausgebildet. Das Kathodenpotential für eine zweite Steuerleitung (16) wird mittels eines Kabelschuhs (17) direkt am Wärmeleiter (2) angenietet. Die erforderliche Kontaktkraft für den Steueranschluß stellt sich ein, wenn die Anpreßkraft (P) auf den Stapel aufgebracht wird. Insgesamt ist mit dieser Anordnung mithin eine Verringerung des Bauvolumens bei gleichzeitiger Minderung der Verlustleistung und damit der Betriebskosten zu erreichen, wobei zusätzlich für die einzelnen Leistungshalbleiterscheiben die Kosten für ein getrenntes Gehäuse eingespart werden. PATENTANSPRÜCHE 1. Stapelbare Anordnung einer gehäuselosen, in eine Siedeflüssigkeit getauchten Leistungshalbleiterscheibe, die zwischen zwei dem anoden- und dem kathodenseitigen Anschluß dienenden Wärmeableitem durch drei axial verlaufende Kunststoffhalter radial festgelegt und mittels isolierter Zugbolzen axial verspannt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeableiter (2,3) auf der der Leistungshalbleiterscheibe (1) abgewandten Seite -3- Nr. 391775 mit Distanznoppen (8) versehen sind, über die die Spannkraft (P) der Zugbolzen (7) auf die Leistungshalbleiterscheibe (1) übertragen wird, die Distanznoppen (8) in das zur Siedekühlung erforderliche Sieden gewährleistenden Abständen voneinander angeordnet sind, die Distanznoppen (8) derart angeordnet sind, daß sie in einem Stapel zur Übertragung der Spannkraft (P) übereinander zu liegen kommen, und die 5 Kunststoffhalter als in einen der Wärmeableiter (2 bzw. 3) eingelassene Isolierzapfen (9) ausgebildet sind, die für die Leistungshalbleiterscheibe (1) eine Einrast-Halterung bilden.
2. 2. Stapelbare Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeableiter (2,3) in Form eines gleichseitigen, die Leistungshalbleiterscheibe (1) jeweils voll überdeckenden Dreiecks ausgebildet sind, in 10 dessen drei Eckbereichen jeweils ein Durchgangsloch zur Führung der Zugbolzen (7) vorgesehen ist.
3. 3. Stapelbare Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierzapfen (9) in der Ebene des einen Wärmeableiters (2 bzw. 3) jeweils um 60° versetzt zu den Durchgangslöchem zur Führung der Zugbolzen (7) angebracht sind. 15 20 Hiezu 2 Blatt Zeichnungen -4-