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PATENTANSPRÜCHE
1. Halbleiterelementstapel, gekennzeichnet durch ein Halbleiterelement und eine Sicherung, die hintereinander auf einem elektrischen Leiter gestapelt sind, Haltemittel zum Festhalten des Haibleiterelementes und der Sicherung auf dem elektrischen Leiter, ein zwischen dem Leiter und dem Halbleiterelement angeordnetes Kühlelement und ein zwischen dem Halbleiter und der Sicherung angeordnetes Kühlelement.
2. Halbleiterelementstapel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlelemente Flüssigkeitskühlelemente sind.
3. Halbleiterelementstapel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stapel umfasst: einen sich vertikal erstreckenden wechselstromseitigen Hauptleiter, einen gleichstromseitigen positiven Hauptleiter und einen gleichstromseitigen negativen Hauptleiter, die sich beidseitig des Wechselstromhauptleiters erstrecken, einen positivseitigen Gleichrichterelementarm, der auf der einen Seite des gleichotromseitigen positiven Hauptleiters angeordnet ist, dass der positivseitige Gleichrichterelementarm ein Kühlelement, ein Halbleitergleichrichterelement, eine Sicherung und einen Verbindungsleiter aufweist, die in der aufgezählten Reihenfolge aneinandergestapelt sind, und einen negativseitigen Gleichrichterelementarm, der in symmetrischer Komponentenanordnung bezüglich des positivseitigen Gleichrichterelementarmes gebildet ist,
dass der negativseitige Gleichrichterelementarrn sich auf der einen Seite des gleichstromseitigen negativen Hauptleiters in Ausrichtung mit dem positivseitigen Gleichrichterelementarm befindet, dass die Verbindungsleiter des positivseitigen Gleichrichterelementarmes und des negativseitigen Gleichrichterelementarmes miteinander und mit dem wechselstromseitigen Hauptleiter verbunden sind.
4. Halbleiterelementstapel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlelemente Flüssigkeitskühlelemente sind.
5. Halbleiterelementstapel nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von positivseitigen Gleichrichterelementarmen parallel auf dem gleichstromseitigen positiven Hauptleiter angeordnet sind, und dass eine Mehrzahl von negativseitigen Gleichrichterelementarmen parallel auf dem gleichstromseitigen negativen Hauptielter angeordnet sind.
Diese Erfindung bezieht sich auf den Aufbau eines Halbleiterstapels, welcher durch Stapeln von Halbleiterelementen, Kühlelementen, Schmelzsicherungen und Leiter hergestellt ist.
Beim Herstellen von mehrphasigen Brückengleichrichtern werden beispielsweise eine Anzahl von Halbleitergleichrichterelementen zwischen den Eingangs- und Ausgangsleitern parallel geschaltet, um die notwendige Strombelastbarkeit zu erreichen.
Zum wirtschaftlichen Zusammensetzen einer Anzahl der oben beschriebenen Halbleiterelemente werden Gleichrichterelemente und die zugehörigen Komponenten in fester Form verwendet.
Wenn beispielsweise, wie in der Fig. 1 gezeigt, ein Dreiphasenbrückengleichrichter 4 durch sechs Halbleitergleichrichterelementstapel gebildet wird, von denen jeder ein Haibleitergleich- richterelement 1 und eine Schmelzsicherung 2 enthält, um einen Gleichstrom an eine Last zu liefern, weist jeder Gleichrichterelementstapel 1 eine feste Struktur auf, wie in den Fig. 2, 3 und 4 gezeigt. Die Fig. 2 ist eine Frontansicht eines bekannten Halbleitergleichrichterelementes, die Fig. 3 ist eine Seitenansicht desselben und die Fig. 4 eine Draufsicht auf dasselbe.
In den Fig. 2 bis 4 bezeichnen die Bezugszeichen 11A und 1 lB ein Paar von plattenförmigen Hauptleitern, die sich senkrecht von der Rückseite erstrecken. Eine Anzahl von Halbleitergleichrichterelementen 12 sind entlang diesen Hauptleitern 1 lA und 1 iB angeordnet, d.h., sie sind gestapelt und mit den Hauptleitern 1 lA und 1 lB verbunden. Richten wir unser Augenmerk auf eines der Halbleitergleichrichterelemente 12. Eine L-förmige Sicherungsmontageleiterplatte 13 ist auf der Frontseite in einer solchen Weise angeordnet, dass sie mit dem rechten Oberflächenteil des Hauptleiters 1 1B verbunden ist und zurückgebogen ist, nachdem es sich nach rechts erstreckt.
Das untere Ende der Sicherungsmontageleiterplatte 13 ist mit einer stabförmigen Schmelzsicherung 14 verbunden, die sich nach unten erstreckt. Das untere Ende der stabförmigen Schmelzsicherung ist mit einer L-förmigen Verbindungsleiterplatte 15 verbunden, die sich nach vorn erstreckt. Der untere Flächenbereich des vorderen Endteiles der Verbindungsleiterplatte 15 ist mit einem ein erstes Kühlelement 16, ein Halbleitergleichrichterelement 12 und ein zweites Kühlelement 17 umfassenden Stapel verbunden. Der untere Flächenbereich des zweiten Kühlelementes 17 ist mit einer L-förmigen Verbindungsleiterplatte 13 verbunden. Der hintere Endteil der Verbindungsleiterplatte 18 ist fest mit dem linken Flächenbereich des Hauptleiters 1 1A verbunden.
Mit Rücksicht auf jedes Halbleitergleichrichterelement 12 ist aus der obigen Beschreibung ersichtlich, dass eine Gleichrichterelementstapeleinheit 19 die Verbindungsleiterplatte 18, das Kühlelement 17, das Halbleitergleichrichterelement 12, das Kühlelement 16 und die Verbindungsleiterplatte 15 umfasst, welche Komponenten in der oben angeführten Anordnung aufeinandergestapelt sind. Diese Stapeleinheiten 19 sind vertikal übereinander angeordnet und voneinander durch Isolatoren 20 getrennt, um einen Gleichrichterelementstapel 1 zu bilden. Die Verbindungsstruktur der Gleichrichterstapel list aus der Fig. 5 ersichtlich.
Der feste Verbindungsaufbau umfasst eine Anzahl elektrischer Reihenstromkreise 22, von denen jeder eine Schmelzsicherung 14 und ein Gleichrichterelement 12 umfasst, welche Reihenstromkreise parallel zwischen den Hauptleitern 1 1A und 11B geschaltet sind. Das heisst, der Verbindungsaufbau entspricht dem in der Fig. 6 gezeigten elektrischen Stromkreis, in welchem eine Anzahl von Reihenstromkreisen parallel zwischen den Hauptleitern 1 1A und 11 B geschaltet sind.
Zum Bilden einer Dreiphasenbrücke mit den Gleichrichterelementstapeln 1 sind sechs Gleichrichterelementstapel 1 notwendig, wie dies in der Fig. 7 dargestellt ist. Drei der sechs Gleichrichterelementstapel 1 werden als positive Seitenarme der Brücke verwendet. Diese drei Gleichrichterelementstapel 1 sind über Verbindungsleiter 23U, 23V und 23W mit den Dreiphasenwechselstromeingangsanschlussleitern 24U, 24V bzw. 24W verbunden. Die übrigen drei Gleichrichterelementstapel 1 werden als negative Seitenarme der Brücke verwendet und sind über Verbindungsleiter 25U, 25V und 25W mit Dreiphasenwechselstromeingangsanschlussleitern 24U, 24V bzw. 24W verbunden.
Die positiven Seitenarme der Brücke, d.h. die drei Gleichrichterelementstapel 1, sind mit einem positiven Gleichstromanschlussleiter 26 verbunden. Die negativen Seitenarme der Brücke, d.h. die drei anderen Gleichrichterelementstapel 1, sind mit einem negativen Gleichstromanschlussleiter 27 verbunden.
Bei dem oben beschriebenen Aufbau des bekannten Halbleitergleichrichterelementstapels 1 sind das Halbleitergleichrichterelement 12 und seine zugehörigen Komponenten in einer festen Form zwischen den zwei Hauptleitern 1 1A und 1 1B gestapelt.
Deshalb ist es zum Bilden eines Mehrphasenbrückengleichrichters beispielsweise notwendig, dass die Anzahl der Gleichrichterelementstapel gleich der Summe der Anzahl der positiven Seitenarme der Brücke und der Anzahl der negativen Seitenarme der Brücke ist (2N Gleichrichterelementstapel 1 im Falle eines N-phasigen Brückengleichrichters). Da wie oben angegeben, viele Gleichrichterelementstapel verwendet werden, sind viele Verbindungsleiter notwendig, was sich unvorteilhaft auf die Leiteranordnung auf der Wechselstromanschlussseite auswirkt und zu Schwierigkeiten führt.
Die Halbleitergleichrichterelemente 12 werden durch die
Kühlelemente 16 und 17 gekühlt und die Hauptleiter 1 lA und 1 IB werden mit einer Flüssigkeit gekühlt. Die Schmelzsicherun- gen 14 und de Leiterplatten 13, 13 und 18 werden mit Luft gekühlt, die in dem Raum der geschlossenen Gleicbrichtervorrich- tung zirkuliert.
Weil die Halbleitergleichrichterelemente 12 und die Hauptleiter 11A und 11B wie oben beschrieben gekühlt werden, wird nur wenig Wärme an die zirkulierende Luft abgegeben. Da andererseits die Schmelzsicherungen 14 und die Leiterplatten 13, 15 und 18 wie oben beschrieben durch die. zirkulierende Luft gekühlt werden, wird die Verlustwärme im wesentlichen durch die zirkulierende Luft aufgenommen, wodurch die Temperatur der zirkulierenden Luft in der geschlossenen Gleichrichtervorrichtung ansteigt. Dementsprechend ist es notwendig, eine Hilfskühlungseinheit mit einem grossen Kühlungsvermögen zum Kühlen der zirkulierenden Luft vorzusehen.
Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Halbleiterelementstapel zu schaffen, der einfach im Aufbau und zur Herstellung von Brückenschaltungen hoher Leistung geeignet ist.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist einen Halbleiterelementstapel zu schaffen, in welchem von der entstehenden Verlustwärme nur wenig an die zirkulierende Luft abgegeben wird.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist, einen neuen Halbleiterelementstapelaufbau zu schaffen, der gestattet, beim Herstellen eines mehrphasigen Leistungsumsetzers die Anzahl der Gleichrichterelementstapel auf die Hälfte der Anzahl gemäss dem Stand der Technik zu reduzieren, wodurch die Anzahl der Verbindungsleiter auf der Wechselstromseite stark reduziert werden kann.
Die oben genannten Aufgaben der Erfindung können gelöst werden durch einen Halbleiterelementstapel, der umfasst: ein Halbleiterelement, eine Schmelzsicherung, ein zwischen das Halbleiterelement und einen einen elektrischen Pfad bildenden Leiter angeordnetes Kühlelement und ein zwischen dem Halbleiterelement und der Schmelzsicherung angeordnetes Kühlelement, wobei das Halbleiterelement, die Schmelzsicherung und die Kühlelemente auf dem Leiter gestapelt sind, und ferner Hal- temittel zum Befestigen des Halbleiterelementes, der Schmelzsicherung und der Kühlelemente am Leiter.
Die Erfindung ist nachstehend mit Bezugnahme auf die Zeichnung beispielsweise näher erläutert.
Fig. list ein Verbindungsschema, das einen Dreiphasenbrückengleichrichter darstellt, in welchem Halbleitergleichrichterelemente verwendet werden, bei denen das technische Konzept der Erfindung anwendbar ist.
Fig. 2, 3 und 3 sind eine Frontansicht, eine Seitenansicht bzw. eine Draufsicht auf einen bekannten Halbleitergleichrichterelementstapel.
Fig. 5 und 6 sind eine schaubildliche Darstellung des Verbindungsschemas bzw. eines äquivalenten Stromkreises eines bekannten Halbleitergleichrichterelementstapels.
Fig. 7 zeigt ein Verbindungsschema eines Dreiphasenbrükkengleichrichters, welcher aus Halbleitergleichrichterelementstapein gemäss den Fig. 2 bis 4 hergestellt ist.
Fig. 8 und 9 zeigen Ausführungsbeispiele gemäss der Erfindung. Insbesondere zeigen die Fig. 8 und 9 eine Frontansicht bzw. eine Seitenansicht des Ausführungsbeispieles.
Fig. 10 zeigt ein Blockschema des Beispieles gemäss der Fig.
8.
Fig. 11 und 12 sind Frontansichten bzw. eine Draufsicht auf ein anderes Ausführungsbeispiel eines Halbleitergleichrichterelementstapels gemäss der Erfindung.
Fig. 13 und 14 zeigen eine schaubildliche Ansicht bzw. ein Verbindungsdiagramm eines äquivalenten Stromkreises des Stapels gemäss den Fig. 11 und 12.
Fig. 15 zeigt ein Verbindungsschema eines Dreiphasenbrükkengleichrichters, welcher mittels Halbleitergleichrichterelementstapeln gemäss den Fig. 11 und 12 hergestellt ist.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Fig. 8 und 9 dargestellt. Die Fig. 8 zeigt eine Frontansicht des Ausführungsbeispieles und die Fig. 9 ist eine Seitenansicht desselben.
In den Fig. 8 und 9 bezeichnet das Bezugszeichen 101 einen einen elektrischen Weg bildenden Hauptleiter, das Bezugszeichen 102 eine Schmelzsicherung, das Bezugszeichen 103 ein Halbleiterelement, das Bezugszeichen 104 ein zwischen dem Hauptleiter 101 und dem Halbleiterelement 103 angeordnetes Flüssigkeitskühlelement, das Bezugszeichen 105 ein zwischen dem Halbleiterelement 103 und der Schmelzsicherung 102 angeordnetes Flüssigkeitskühlelement, das Bezugszeichen 106 einen als Anschluss für die Schmelzsicherung 102 dienenden Leiter und das Bezugszeichen 107 einen zwischen dem Leiter 106 und einer Blattfeder 109a angeordneten Isolator. Weiter bezeichnet in den Fig. 8 und 9 das Bezugszeichen 109b zwei mit einem Gewinde versehenen Teil aufweisenden Bolzen, die in Gewindelöcher 108 und Hauptleiter 101 eingeschraubt sind.
Die Blattfeder 109a ist an beiden Enden mit Löchern versehen, in welche der andere Endteil der Bolzen 109b eingeführt ist. Das Bezugszeichen 109c bezeichnet Muttern, die auf das mit Gewinde versehene andere Ende der Bolzen 109b aufgeschraubt sind.
Die Fig. 10 zeigt das Blockschema der Ausführungsbeispiele gemäss den Fig. 8 und 9. Wenn dieses Ausführungsbeispiel als Arm eines Dreiphasenbrückengleichrichterstromkreises verwendet wird, kann eine Gleichrichtervorrichtung gebildet werden.
In dem so aufgebauten Gleichrichterelementstapel wird die von der Schmelzsicherung 102 erzeugte Wärme vom Kühlelement 5 auf der einen Seite der Schmelzsicherung aufgenommen, das Halbleiterelement 103 wird durch die Kühlelemente 104 und 105 gekühlt, die an beiden Seiten desselben angeordnet sind, und der Hauptleiter 101 wird durch das Kühlelement 104 gekühlt, das auf einer Seite des Haibleiterelementes 103 zum Kühlen des letzteren angeordnet ist. Deshalb wird die im Stapel erzeugte Wärme nur spärlich auf die zirkulierende Luft übertragen.
Der oben beschriebene Halbleiterelementstapel gemäss der Erfindung ist einfach im Aufbau. Dieser Aufbau ist zum Bilden einer Einphasen- oder Mehrphasenbrücke für einen Leistungsumsetzer geeignet. Weil die Schmelzsicherung, das Halbleiterelement und der Leiter durch die Flüssigkeitskühlelemente gekühlt wird, wird nur wenig von der erzeugten Wärme an die zirkulierende Luft abgegeben. Daher kann das Kühivermögen der Hilfskühleinheit zum Kühlen der zirkulierenden Luft reduziert werden oder es kann auf die Hilfskühleinheit verzichtet werden.
Die Fig. 11 und 12 zeigen eine Frontansicht bzw. eine Draufsicht auf ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Dieses Ausführungsbeispiel ist insbesondere für mehrphasige Brücken für Leistungsumsetzer geeignet. In den Fig. 11 und 12 bezeichnet das Bezugszeichen 31 einen Halbleitergleichrichterelementstapel, der aus einem positiven Seitenarm 32A und einem negativen Seitenarm 32B der Brücke besteht, welche an beiden Seiten einer Anordnung aus drei plattenförmigen Hauptleitern 33A, 34 und 33B besteht, welche sich in senkrechter Richtung erstrecken. Der mittlere Hauptleiter 34 ist ein wechselstromseitiger Hauptleiter und der linke Hauptleiter 34A und der rechte Hauptleiter 33B sind ein gleichstromseitiger positiver Leiter bzw. ein gleichstromseitiger Negativleiter.
Der positive Seitenarm 32A der Brücke besitzt ein erstes Kühlelement 35A auf der linken Seitenfläche des gleichstromseitigen positiven Hauptleiters 33A. Ein Halbleitergleichrichterelement 36A, ein zweites Kühlelement 37A, eine Schmelzsicherung 38A und ein Verbindungsleiter 39, welche in dieser Reihenfolge hintereinander angeordnet sind, sind auf der linken Seite des Kühlelementes 35A vorgesehen. Eine Blattfeder 41A liegt an einem Isolator 40A an, der auf der Aussenseite des Verbindungsleiters 39 angeordnet ist. Das untere und obere Ende der Blattfeder 41A ist mittels Muttern 46A an den linken Endteilen von Bolzen 45 befestigt, die sich von den Hauptleitern 33A, 34 und 33B aus auf die linke Seite erstrecken. Der positive Seitenarm 32A der Brücke ist am gleichstromseitigen positiven Hauptleiter 33A befestigt.
Der negative Seitenarm 32B der Brücke ist bezüglich des po- sitiven Seitenarmes 32A der Brücke symmetrisch angeordnet.
Insbesondere sind ein Kühlelement 35B, ein Halbleitergleichrichterelement 36B, ein Kühlelement 37B, eine Schmelzsicherung 38B, ein Verbindungsleiter 39 und ein Isolator 40B in dieser Reihenfolge an dem gleichstromseitigen negativen Hauptleiter 33B angeordnet. Eine Blattfeder 41B ist mit Hilfe von Schrauben 46B an den rechten Endteilen von Bolzen 45 befestigt, die sich von den Hauptleitern 33A, 34 und 33B auf die rechte Seite erstrecken. Der negative Seitenarm 32B der Brücke ist somit mit der Gleichstromseite des negativen Hauptleiters 33B fest verbunden.
Jeder Bolzen 45 ist ein gerader Bolzen, der sich horizontal durch die Hauptleiter 33A, 34 und 33B erstreckt.
Insbesondere aus der Fig. 12 ist ersichtlich, dass der Verbindungsleiter 39 eine E-förmige Leiterplatte ist, die sich hinter dem positiven Seitenarm 32A der Brücke und dem negativen Seitenarm 32B der Brücke erstreckt und die Schmelzsicherungen 38A und 38B mit dem wechselstromseitigen Hauptleiter 34 verbindet. In den Fig. 11 und 12 bezeichnen die Bezugszeichen 48A und 48B Isolatoren.
Der auf diese Weise zusammengestellte Halbleitergleichrichterelementstapel 31 weist eine feste Struktur auf, in welcher, wie in der Fig. 13, welche der Fig. 5 entspricht, gezeigt, eine Anzahl von positiven Seitenarmen 32A der Brücke in Stapelform zwischen dem sich in zentraler Stellung vertikal erstreckenden wechselstromseitigen Hauptleiter 34 und dem gleichstromseitigen Hauptstromleiter 33A auf der linken Seite des Hauptleiters 34 angeordnet sind, und eine Anzahl negative Seitenarme 32B der Brücke der Stapelform zwischen dem wechselstromseiten Hauptleiter 34 und dem gleichstromseitigen negativen Hauptleiter 33B auf der rechten Seite des Hauptleiters 34 angeordnet sind. Diese Anordnung ist äquivalent zum in der Fig. 4 gezeigten elektrischen Stromkreis, welche Figur der Fig.
6 entspricht. Das heisst, die positiven Seitenarme 32A der Brücke und die negativen Seitenarme 32B der Brücke sind mit dem wechselstromseitigen Hauptleiter 34 verbunden und ein Gleichstromausgang wird durch den gleichstromseitigen positiven Hauptleiter 33A und den gleichstromseitigen negativen Hauptleiter 33 B gebildet.
Wie in der Fig. 15 gezeigt, kann ein Dreiphasenbrückengleichrichter beispielsweise durch nur drei Gleichrichterelementstapel 31 gebildet werden. In der wechselstromseitigen Leiteranordnung können die wechselseitigen Hauptleiter 34 der Gleich richterelementstapel, so wie sie sind, als Anschlussleiter verwendet werden, d.h., es ist nicht notwendig, zusätzliche Verbindungsleiter vorzusehen. Deshalb kann ein N-phasiger Brückengleichrichter mit nur N-Gleichrichterelementstapeln 31 gebildet werden und bei der Herstellung eines Mehrphasenbrückengleichrichters ist es nicht notwendig, zusätzliche Verbindungsleiter vorzusehen.
Aus dem oben beschriebenen ist ersichtlich, dass bei dem erfindungsgemässen Halbleitergleichrichterelementstapel der positive Seitenarm der Brücke und der negative Seitenarm der Brücke beidseitig der Hauptleitungen fest in einer solchen Weise angeordnet sind, dass die Seitenarme symmetrisch bezüglich der Hauptleiter angeordnet sind. Deshalb kann beim Herstellen eines Halbeiterumsetzers, z.B. eines mehrphasigen Brückengleichrichters, die Anzahl der Halbleitergleichrichterelementstapel auf die Hälfte reduziert werden verglichen mit der Anzahl, die bei der bisher bekannten Art notwendig waren. Weiter ist es nicht mehr nötig, auf der Wechselstromseite Verbindungsleiter vorzusehen. Deshalb können Mehrphasenbrückengleichrichter kleiner Grösse und mit vereinfachtem Aufbau auf einfache Weise hergestellt werden.
Diese Erfindung ist umfassend anwendbar für Leistungsumsetzer, die Halbleiterelemente verwenden, wie einphasige oder mehrphasige Brückengleichrichter, Inverter und Cyclo-Umsetzer.