**WARNUNG** Anfang DESC Feld konnte Ende CLMS uberlappen **.
PATENTANSPRÜCHE
1. Kühlbare Leistungshalbleiterventil mit mindestens einem zwischen zwei Kühlelementen (2, 2'; 2', 2") angeordneten Leistungshalbleiterbauelement, welches eine zwischen zwei leitenden Kontaktscheiben (5a, Sb) angeordnete Haiblei- terscheibe in einem aus einem ersten und einem zweiten, jeweils mit einer der Kontaktscheiben (5a, Sb) in Kontakt befindlichen Gehäusedeckel (6a, 6b) aus elektrisch leitendem
Material und einem Umfangsteil bestehenden Gehäuse enthält, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Gehäuse deckeln (6a, 6b) und mit denselben elektrisch leitend verbun den mindestens ein Ableiterelement (11) aus Varistormaterial angeordnet ist.
2. Leistungshalbleiterventil nach Anspruch 1 mit flüssigkeitsgekühlten Kühlelementen (2, 2', 2"), wobei das minde stens eine Leistungshalbleiterbauelement ein im wesentlichen rotationssymmetrischer Thyristor (1, 1') ist mit napfartigen Gehäusedeckeln (6a, 6b) mit jeweils einem kreisringförmigen Aussenteil (7a, 7b), welcher eine zentrale, eine Anschlussscheibe (9a, 9b) aus elektrisch leitendem Material enthaltende Vertiefung (8a, 8b) umgibt, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Ableiterelement (1 l)jeweils zwischen den kreisringförmigen Aussenteilen (7a, 7b) der beiden Gehäusedeckel (6a, 6b) liegt.
3. Leistungshalbleiterventil nach Anspruch 1 mit flüssigkeitsgekühlten Kühlelementen, wobei das mindestens eine
Leistungshalbleiterbauelement eine Leistungsdiode ist mit napfartigen Gehäusedeckeln mit jeweils einem kreisringförmigen Aussenteil, welcher eine zentrale, eine Anschlussscheibe aus elektrisch leitendem Material enthaltende Vertiefung umgibt, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Ableiterelement jeweils zwischen den kreisringförmigen Aussenteilen der beiden Gehäusedeckel liegt.
4. Leistungshalbleiterventil nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Ableiterelement (11) als die Halbleiterscheibe koaxial umgebender Hohlzylinder ausgebildet ist.
5. Leistungshalbleiterventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Umfangsteil des Gehäuses durch das mindestens eine als die Halbleiterscheibe koaxial umgebender Hohlzylinder ausgebildete Ableiterelement (11) gebildet ist.
6. Leistungshalbleitervenil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Ableiterelement (11) mit den Gehäusedeckeln (6a, 6b) mittels von denselben ausgehenden federnden Kontaktelementen (13a, 13b) verbunden ist.
7. Regelbarer Stromrichter mit einem Leistungshalbleiterventil nach Anspruch 2.
Die Erfindung bezieht sich auf ein kühlbares Leistungshalbleiterventil mit mindestens einem zwischen zwei Kühlelementen angeordneten Leistungshalbleiterbauelement, welches eine zwischen zwei leitenden Kontaktscheiben angeordnete Haibleiterscheibe in einem aus einem ersten und einem zweiten, jeweils mit einer der Kontaktscheiben in Kontakt befindlichen Gehäusedeckel aus elektrisch leitendem Material und einem Umfangsteil bestehenden Gehäuse enthält.
Leistungshalbleiterventile sind gewöhnlich mit Thyristoren oder Leistungsdioden aufgebaut und werden vor allem in verschiedenen Arten von regelbaren und nicht regelbaren Stromrichtern wie z.B. Gleichstrom- oder Drehstromstellern mit Phasenanschnittsteuerung usw. eingesetzt.
Ein Leistungshalbleiterventil gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs list z.B. aus Korb, F., Leistungshalbleiter und ihre wichtigsten Anwendungen, Vogel-Verlag, Würzburg 1978, 5. 15, Bild 2.2, bekannt. Bei derartigen Leistungshalbleiterventilen fordern die hohen Spannungsspitzen, die wegen der im Stromkreis vorhandenen Induktivitäten bei Schaltvorgängen, insbesondere beim Stromabriss an den einzelnen Leistungshalbleiterbauelementen sonst aufträten, eine Beschal tung derselben, die diese Ausschaltüberspannungen dämpft.
Diese Beschaltung besteht gewöhnlich aus einem parallel zum Leistungshalbleiterbauelement gelegten RC-Glied (s.
z.B. De Bruyne, P., Lawatsch, H., Sperrspannungsverlauf eines RC-beschalteten Halbleiters beim Abschaltvorgang , BBC-Mitteilungen 62/5, 5. 220-224 [ 1975 ] ).
Eine derartige Beschaltung ist verhältnismässig teuer und sehr voluminös, so das nur eine externe Beschaltung möglich ist, was den Platzbedarf des Leistungshalbleiterventils erhöht und seine Montage kompliziert sowie die Übersichtlichkeit der Schaltungsanordnungen, in denen es eingesetzt ist, beeinträchtigt. Zudem entstehen am Widerstand, über den die Kapazität beim Stromabriss aufgeladen und sobald das Leistungshalbleiterbauelement zu leiten beginnt, wieder entladen wird, verhältnismässig hohe Beschaltungsverluste. Die spannungsbegrenzenden Eigenschaften der Beschaltung sind ausserdem stark frequenzabhängig.
Weiterer einschlägiger Stand der Technik ergibt sich aus den Druckschriften US-PS 3 896 480 und FR-PS 1195 186.
Die Erfindung, wie sie im Patentanspruch 1 definiert ist, schafft ein Leistungshalbleiterventil, das kompakt und leicht zu handhaben ist und bei dem ausserdem die Beschaltungsverluste geringer sind und die Grenzspannung, der das jeweilige Leistungshalbleiterbauelement höchstens ausgesetzt wird, genauer definiert ist.
Die durch die Erfindung erreichten Vorteile sind vor allem darin zu sehen, dass durch den Wegfall der externen Beschaltungen Platz eingespart und grössere Handlichkeit erreicht wird. Beim Zusammenbau des Leistungshalbleiterventils können Arbeitsgänge eingespart und damit auch mögliche Fehlerquellen vermieden werden.
Ferner ist durch die genauer definierte Grenzspannung bei Beschaltung der Leistungshalbleiterbauelemente mit Ableiterelementen eine knappere Auslegung des Leistungshalbleiterventils möglich.
Während etwa bei regelbaren Stromrichtern ein Ventil mit RC-Beschaltung auf mindestens 130% der Amplitude der netzfrequenten Sperrspannung ausgelegt werden muss, genügen bei Beschaltung mit Ableiterelementen etwa 110-115%.
Das bedeutet, dass die Zahl der bei gegebener Netzspannung im Leistungshalbleiterventil in Serie zu schaltenden Thyristoren sich verringert, was natürlich zu einer Verbilligung dessel benführt.
Ein weiterer Vorteil ergibt sich daraus, dass, während RC Beschaltungen entweder nicht gekühlt werden und ihre Umgebung durch abgestrahlte Wärme belasten oder, bei starker thermischer Belastung, eine Zwangskühlung erfordern, die Ableiterelemente dank ihrer Integration ins Gehäuse des Leistungshalbleiterbauelements bei erfindungsgemässen Leistungshalbleiterventilen durch die Kühlelemente, zwischen denen die Leistungshalbleiterbauelemente angeordnet sind, mitgekühlt werden.
Im folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich einen Ausführungsweg darstellenden Zeichnung näher erläutert.
Die Figur zeigt eine Seitenansicht eines zwei rotationssymmetrische Thyristoren enthaltenden erfindungsgemässen Leistungshalbleiterventils, wobei einer der Thyristoren längs seiner Achse geschnitten dargestellt ist.
In der Figur ist ein Leistungshalbleiterventil dargestellt, welches zwei in Serie geschaltete Thyristoren 1, 1' enthält sowie drei flüssigkeits-, z.B. wassergekühlte Kühldosen 2, 2',
2", welche zugleich der Stromführung dienen. Die Thyristoren 1, 1' enthalten in ihrem grundsätzlichen Aufbau jeweils eine Thyristorscheibe 3 mit einem Steuerelektrodenanschluss 4, welche zwischen zwei Kontaktscheiben 5a, 5b, z.B. aus Molybdänsilber, liegt. An die Kontaktscheiben 5a, 5b schliessen an beiden Seiten napfartige Gehäusedeckel 6a, 6b, z.B.
aus Stahlblech, an mit jeweils kreisringförmigen Aussenteilen 7a, 7b, welche zentrale Vertiefungen 8a, 8b umgeben, in denen jeweils Anschlussscheiben 9a, 9b, etwa aus Kupfer, angeordnet sind. Die Kühldosen 2, 2', 2" bestehen aus sowohl Elektrizität wie auch Wärme gut leitendem Material, z.B. Aluminium, und weisen für die Zu- bzw. Ableitung der Kühlflüssigkeit Anschlüsse 10a, 10 b auf.
Erfindungsgemäss weist jeder der Thyristoren 1, 1' ein Ableiterelement 11 aus Varistormaterial, vorzugsweise einer gesinterten Mischung von Metalloxyden mit hohem Anteil von Zinkoxyd, auf. Das Ableiterelement 11 ist vorzugsweise im wesentlichen als Hohlzylinder ausgebildet, welcher die Thyristorscheibe 3 umgibt und zwischen den kreisringförmigen Aussenteilen 7a, 7b der Gehäusedeckel 6a, 6b liegt. Es könnte jedoch auch aus mehreren Teilen zusammengesetzt sein. Durch die rotationssymmetrische Anordnung ist eine gleichmässige Belastung des Ableiterelements 11 gewährleistet.
An der Aussenseite ist das Ableiterelement 11 mit einem Schutzbelag 12 überzogen, da es gleichzeitig den Umfangsteil des Gehäuses bildet. Dieser Aufbau hat gegenüber einer Konstruktion mit das Ableiterelement 11 aussen umgebendem Gehäuse den Vorteil der Kosten- und Platzersparnis, ausserdem wird Wärmeabstrahlung des Ableiterelements 11 nach aussen nicht behindert.
Der elektrische Kontakt zwischen den Gehäusedeckeln 6a, 6b und dem Ableiterelement 11 wird durch federnde Kontaktelemente 13a, 13b hergestellt. Da dieselben mit einem gewissen Anpressdruck an den Kontaktflächen des Ableiterelements 11 anliegen, gewährleisten sie eine gute elektrische wie auch wärmeleitende Verbindung zu den kreisringförmigen Aussenteilen 7a, 7b der Gehäusedeckel 6a, 6b und den zu beiden Seiten des Thyristors anschliessenden Kühldosen.
Bei Verwendung eines mit Thyristoren aufgebauten erfin- dungsgemässen Leistungshalbleiterventils in einem regelbaren Stromrichter - die bei weitem häufigste Verwendungsart für derartige Ventile - ergibt sich als Vorteil des integrierten Aufbaus mit gemeinsamer Kühlung der Thyristorscheibe 3 und der Beschaltung, d.h. des Ableiterelements 11, dass die Kühlung nur auf die maximale gemeinsame Wärmeabgabe beider Elemente abgestimmt zu sein braucht. Diese liegt aber tiefer als die Summe der maximalen Wärmeabgaben der einzelnen Elemente, nach der die Kühlung bei nicht integriertem Aufbau dimensioniert sein müsste. So nimmt etwa bei Phasenanschnittsteuerung mit steigendem Zündwinkel die Wärmeabgabe des Ableiterelements 11 zu, dafür die der Thyristorscheibe 3 ab.
** WARNING ** beginning of DESC field could overlap end of CLMS **.
PATENT CLAIMS
1. Coolable power semiconductor valve with at least one power semiconductor component arranged between two cooling elements (2, 2 '; 2', 2 "), which has a semiconductor disc arranged between two conductive contact disks (5a, Sb) in a one of a first and a second, each with one of the contact disks (5a, Sb) in contact with the housing cover (6a, 6b) made of electrically conductive
Material and a peripheral part existing housing, characterized in that between the housing cover (6a, 6b) and with the same electrically conductive verbun the at least one arrester element (11) made of varistor material is arranged.
2. Power semiconductor valve according to claim 1 with liquid-cooled cooling elements (2, 2 ', 2 "), the at least one power semiconductor component being a substantially rotationally symmetrical thyristor (1, 1') with cup-like housing covers (6a, 6b), each with an annular outer part (7a, 7b), which surrounds a central recess (8a, 8b) containing a connecting disk (9a, 9b) made of electrically conductive material, characterized in that the at least one arrester element (1 l) is in each case between the annular outer parts (7a, 7b) of the two housing covers (6a, 6b).
3. Power semiconductor valve according to claim 1 with liquid-cooled cooling elements, wherein the at least one
Power semiconductor component is a power diode with cup-like housing covers, each with an annular outer part, which surrounds a central recess containing a connecting disk made of electrically conductive material, characterized in that the at least one arrester element lies between the annular outer parts of the two housing covers.
4. Power semiconductor valve according to claim 2 or 3, characterized in that the at least one diverter element (11) is designed as a hollow cylinder coaxially surrounding the semiconductor wafer.
5. The power semiconductor valve as claimed in claim 4, characterized in that the peripheral part of the housing is formed by the at least one drain element (11) formed as a hollow cylinder which coaxially surrounds the semiconductor wafer.
6. Power semiconductor valve according to one of claims 1 to 5, characterized in that the at least one arrester element (11) is connected to the housing covers (6a, 6b) by means of resilient contact elements (13a, 13b) extending from the same.
7. Adjustable converter with a power semiconductor valve according to claim 2.
The invention relates to a coolable power semiconductor valve with at least one power semiconductor component which is arranged between two cooling elements and which has a semiconductor wafer arranged between two conductive contact disks in a housing cover made of electrically conductive material and a peripheral part and which is in contact with one of the contact disks and a peripheral part contains existing housing.
Power semiconductor valves are usually built with thyristors or power diodes and are mainly used in various types of adjustable and non-adjustable power converters, e.g. DC or three-phase controllers with phase control etc. are used.
A power semiconductor valve according to the preamble of the claim lists e.g. from Korb, F., power semiconductors and their most important applications, Vogel-Verlag, Würzburg 1978, 5. 15, Figure 2.2, known. In such power semiconductor valves, the high voltage peaks that otherwise occur because of the inductances present in the circuit during switching operations, in particular when the power semiconductor components are disconnected, require the same circuitry that dampens these switch-off overvoltages.
This circuit usually consists of an RC element placed parallel to the power semiconductor component (see
e.g. De Bruyne, P., Lawatsch, H., Reverse voltage curve of an RC-connected semiconductor during the switch-off process, BBC messages 62/5, 5. 220-224 [1975]).
Such a circuit is relatively expensive and very voluminous, so that only external circuitry is possible, which increases the space requirement of the power semiconductor valve and complicates its assembly and affects the clarity of the circuit arrangements in which it is used. In addition, there are comparatively high wiring losses at the resistor, via which the capacitance is charged when the current is cut off and is discharged as soon as the power semiconductor component begins to conduct. The voltage-limiting properties of the circuitry are also heavily frequency-dependent.
Further relevant prior art results from the publications US-PS 3 896 480 and FR-PS 1195 186.
The invention, as defined in claim 1, creates a power semiconductor valve that is compact and easy to handle and in which the wiring losses are also lower and the limit voltage to which the respective power semiconductor component is exposed is more precisely defined.
The advantages achieved by the invention can be seen in the fact that space is saved and greater manageability is achieved by eliminating the external circuits. When assembling the power semiconductor valve, operations can be saved and possible sources of error avoided.
Furthermore, due to the more precisely defined limit voltage when the power semiconductor components are connected to arrester elements, a tighter design of the power semiconductor valve is possible.
While, for example, in the case of controllable converters, a valve with an RC circuit must be designed for at least 130% of the amplitude of the line-frequency blocking voltage, around 110-115% is sufficient for circuitry with arrester elements.
This means that the number of thyristors to be connected in series in the power semiconductor valve at a given mains voltage is reduced, which of course leads to a reduction in the cost.
Another advantage results from the fact that while RC circuits are either not cooled and expose their surroundings to radiated heat or, in the case of strong thermal stress, require forced cooling, the arrester elements are integrated into the housing of the power semiconductor component in the case of power semiconductor valves according to the invention by the cooling elements, between which the power semiconductor components are arranged, are also cooled.
The invention is explained in more detail below with reference to a drawing which shows only one embodiment.
The figure shows a side view of a power semiconductor valve according to the invention containing two rotationally symmetrical thyristors, one of the thyristors being shown cut along its axis.
In the figure, a power semiconductor valve is shown, which contains two thyristors 1, 1 'connected in series and three liquid, e.g. water-cooled cooling boxes 2, 2 ',
The basic structure of the thyristors 1, 1 'each contain a thyristor disk 3 with a control electrode connection 4, which is located between two contact disks 5a, 5b, for example made of molybdenum silver. Connect the contact disks 5a, 5b Cup-like housing covers 6a, 6b on both sides, for example
made of sheet steel, on each with annular outer parts 7a, 7b, which surround central recesses 8a, 8b, in each of which connection disks 9a, 9b, for example made of copper, are arranged. The cooling boxes 2, 2 ', 2 "consist of both electricity and heat-conducting material, e.g. aluminum, and have connections 10a, 10b for the supply and discharge of the cooling liquid.
According to the invention, each of the thyristors 1, 1 'has a conductor element 11 made of varistor material, preferably a sintered mixture of metal oxides with a high proportion of zinc oxide. The arrester element 11 is preferably essentially in the form of a hollow cylinder which surrounds the thyristor disk 3 and lies between the annular outer parts 7a, 7b of the housing cover 6a, 6b. However, it could also be composed of several parts. The rotationally symmetrical arrangement ensures a uniform load on the arrester element 11.
On the outside, the arrester element 11 is covered with a protective covering 12, since it simultaneously forms the peripheral part of the housing. This structure has the advantage of saving costs and space compared to a construction with the housing surrounding the arrester element 11, moreover, heat radiation of the arrester element 11 to the outside is not impeded.
The electrical contact between the housing covers 6a, 6b and the arrester element 11 is produced by resilient contact elements 13a, 13b. Since they are in contact with the contact surfaces of the conductor element 11 with a certain contact pressure, they ensure a good electrical and heat-conducting connection to the annular outer parts 7a, 7b of the housing covers 6a, 6b and the cooling sockets adjoining on both sides of the thyristor.
When using a power semiconductor valve according to the invention constructed with thyristors in a controllable converter - by far the most common type of use for such valves - there is the advantage of the integrated structure with common cooling of the thyristor disk 3 and the wiring, i.e. of the arrester element 11, that the cooling only has to be matched to the maximum joint heat emission of both elements. However, this is lower than the sum of the maximum heat emissions of the individual elements, according to which the cooling would have to be dimensioned if the structure was not integrated. For example, in the case of phase angle control with increasing ignition angle, the heat dissipation of the arrester element 11 increases, but that of the thyristor disk 3 decreases.