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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.
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PATENT CLAIMS
1. A semiconductor element stack, characterized by a semiconductor element and a fuse, which are stacked one behind the other on an electrical conductor, holding means for holding the semiconductor element and the fuse on the electrical conductor, a cooling element arranged between the conductor and the semiconductor element and a between the semiconductor and the Fuse arranged cooling element.
2. The semiconductor element stack according to claim 1, characterized in that the cooling elements are liquid cooling elements.
3. The semiconductor element stack as claimed in claim 1, characterized in that the stack comprises: a vertically extending AC-side main conductor, a DC-side positive main conductor and a DC-side negative main conductor which extend on both sides of the AC main conductor, a positive-side rectifier element arm which is on one side of the DC side positive main conductor is arranged that the positive side rectifier element arm has a cooling element, a semiconductor rectifier element, a fuse and a connecting conductor, which are stacked together in the listed order, and a negative side rectifier element arm which is formed in a symmetrical component arrangement with respect to the positive side rectifier element arm,
that the negative-side rectifier element is located on one side of the DC-side negative main conductor in alignment with the positive-side rectifier element arm, that the connecting conductors of the positive-side rectifier element arm and the negative-side rectifier element arm are connected to one another and to the AC-side main conductor.
4. The semiconductor element stack according to claim 3, characterized in that the cooling elements are liquid cooling elements.
5. The semiconductor element stack according to claim 3 or 4, characterized in that a plurality of positive-side rectifier element arms are arranged in parallel on the DC-side positive main conductor, and in that a plurality of negative-side rectifier element arms are arranged in parallel on the DC-side negative main element.
This invention relates to the construction of a semiconductor stack, which is produced by stacking semiconductor elements, cooling elements, fuses and conductors.
When producing multi-phase bridge rectifiers, for example, a number of semiconductor rectifier elements are connected in parallel between the input and output conductors in order to achieve the necessary current carrying capacity.
Rectifier elements and the associated components in solid form are used to economically assemble a number of the semiconductor elements described above.
For example, as shown in FIG. 1, if a three-phase bridge rectifier 4 is constituted by six semiconductor rectifier element stacks, each of which contains a semiconductor rectifier element 1 and a fuse 2 to supply a direct current to a load, each rectifier element stack 1 has a fixed structure as shown in Figs. 2, 3 and 4. Fig. 2 is a front view of a known semiconductor rectifier element, Fig. 3 is a side view of the same, and Fig. 4 is a plan view of the same.
2-4, reference numerals 11A and 11B denote a pair of plate-shaped main conductors which extend perpendicularly from the rear. A number of semiconductor rectifier elements 12 are arranged along these main conductors 1 1A and 1 IB, i.e. they are stacked and connected to the main conductors 1 1A and 1 IB. Let us focus on one of the semiconductor rectifier elements 12. An L-shaped fuse mounting circuit board 13 is arranged on the front side in such a manner that it is connected to the right surface part of the main conductor 11B and is bent back after extending to the right.
The lower end of the fuse mounting circuit board 13 is connected to a rod-shaped fuse 14 which extends downward. The lower end of the rod-shaped fuse is connected to an L-shaped connecting circuit board 15 which extends forward. The lower surface area of the front end part of the connecting circuit board 15 is connected to a stack comprising a first cooling element 16, a semiconductor rectifier element 12 and a second cooling element 17. The lower surface area of the second cooling element 17 is connected to an L-shaped connecting circuit board 13. The rear end part of the connecting circuit board 18 is firmly connected to the left surface area of the main conductor 1 1A.
Regarding each semiconductor rectifier element 12, it can be seen from the above description that a rectifier element stacking unit 19 includes the connection circuit board 18, the cooling element 17, the semiconductor rectifier element 12, the cooling element 16 and the connection circuit board 15, which components are stacked on top of each other in the above arrangement. These stacking units 19 are arranged vertically one above the other and separated from one another by isolators 20 in order to form a rectifier element stack 1. The connection structure of the rectifier stack is shown in FIG. 5.
The fixed connection structure comprises a number of electrical series circuits 22, each of which comprises a fuse 14 and a rectifier element 12, which series circuits are connected in parallel between the main conductors 1 1A and 11B. That is, the connection setup corresponds to the electrical circuit shown in FIG. 6, in which a number of series circuits are connected in parallel between the main conductors 1 1A and 11 B.
In order to form a three-phase bridge with the rectifier element stacks 1, six rectifier element stacks 1 are necessary, as is shown in FIG. 7. Three of the six rectifier element stacks 1 are used as positive side arms of the bridge. These three rectifier element stacks 1 are connected to the three-phase AC input connection leads 24U, 24V and 24W via connecting conductors 23U, 23V and 23W. The remaining three rectifier element stacks 1 are used as negative side arms of the bridge and are connected to three-phase AC input connection leads 24U, 24V and 24W via connecting conductors 25U, 25V and 25W.
The positive side arms of the bridge, i.e. the three rectifier element stacks 1 are connected to a positive DC connection conductor 26. The negative side arms of the bridge, i.e. the three other rectifier element stacks 1 are connected to a negative DC connection conductor 27.
In the construction of the known semiconductor rectifier element stack 1 described above, the semiconductor rectifier element 12 and its associated components are stacked in a fixed form between the two main conductors 1 1A and 1 1B.
Therefore, to form a multi-phase bridge rectifier, it is necessary, for example, that the number of rectifier element stacks is equal to the sum of the number of positive side arms of the bridge and the number of negative side arms of the bridge (2N rectifier element stack 1 in the case of an N-phase bridge rectifier). Since, as stated above, many rectifier element stacks are used, many connecting conductors are necessary, which has an unfavorable effect on the conductor arrangement on the AC connection side and leads to difficulties.
The semiconductor rectifier elements 12 are by the
Cooling elements 16 and 17 are cooled and the main conductors 1A and IB are cooled with a liquid. The fuses 14 and the circuit boards 13, 13 and 18 are cooled with air, which circulates in the space of the closed rectifier device.
Because the semiconductor rectifier elements 12 and the main conductors 11A and 11B are cooled as described above, little heat is given off to the circulating air. On the other hand, since the fuses 14 and the circuit boards 13, 15 and 18 as described above by the. circulating air are cooled, the heat loss is essentially absorbed by the circulating air, whereby the temperature of the circulating air in the closed rectifier device increases. Accordingly, it is necessary to provide an auxiliary cooling unit with a large cooling capacity for cooling the circulating air.
It is an object of the invention to provide a semiconductor element stack which is simple in construction and for the production of bridge circuits of high power.
Another object of the invention is to provide a semiconductor element stack in which only a little of the heat loss is released into the circulating air.
Another object of the invention is to provide a new semiconductor element stack structure which allows the number of rectifier element stacks to be reduced to half the number according to the prior art when producing a multiphase power converter, as a result of which the number of connecting conductors on the AC side can be greatly reduced .
The above objects of the invention can be achieved by a semiconductor element stack comprising: a semiconductor element, a fuse, a cooling element arranged between the semiconductor element and a conductor forming an electrical path, and a cooling element arranged between the semiconductor element and the fuse, wherein the semiconductor element, the fuse and the cooling elements are stacked on the conductor, and also holding means for attaching the semiconductor element, the fuse and the cooling elements to the conductor.
The invention is explained in more detail below with reference to the drawing, for example.
Fig. Is a connection diagram illustrating a three-phase bridge rectifier in which semiconductor rectifier elements are used, to which the technical concept of the invention is applicable.
2, 3 and 3 are a front view, a side view and a top view, respectively, of a known semiconductor rectifier element stack.
5 and 6 are a diagrammatic representation of the connection scheme and an equivalent circuit of a known semiconductor rectifier element stack.
FIG. 7 shows a connection diagram of a three-phase bridge rectifier, which is produced from semiconductor rectifier element stacks according to FIGS. 2 to 4.
8 and 9 show exemplary embodiments according to the invention. In particular, FIGS. 8 and 9 show a front view and a side view of the exemplary embodiment.
FIG. 10 shows a block diagram of the example according to FIG.
8th.
11 and 12 are front views and a top view of another exemplary embodiment of a semiconductor rectifier element stack according to the invention.
13 and 14 show a perspective view and a connection diagram of an equivalent circuit of the stack according to FIGS. 11 and 12.
15 shows a connection diagram of a three-phase bridge rectifier, which is produced by means of semiconductor rectifier element stacks according to FIGS. 11 and 12.
An embodiment of the invention is shown in FIGS. 8 and 9. Fig. 8 shows a front view of the embodiment and Fig. 9 is a side view of the same.
In FIGS. 8 and 9, reference numeral 101 designates a main conductor forming an electrical path, reference numeral 102 a fuse, reference numeral 103 a semiconductor element, reference numeral 104 a liquid cooling element arranged between the main conductor 101 and the semiconductor element 103, reference numeral 105 a between the liquid cooling element arranged to the semiconductor element 103 and the fuse 102, the reference numeral 106 an conductor serving as a connection for the fuse 102 and the reference numeral 107 an insulator arranged between the conductor 106 and a leaf spring 109a. Furthermore, in FIGS. 8 and 9, reference numeral 109b designates two bolts which have a threaded part and are screwed into threaded holes 108 and main conductor 101.
The leaf spring 109a is provided with holes at both ends into which the other end part of the bolts 109b is inserted. Reference numeral 109c denotes nuts which are screwed onto the threaded other end of the bolts 109b.
10 shows the block diagram of the exemplary embodiments according to FIGS. 8 and 9. If this exemplary embodiment is used as the arm of a three-phase bridge rectifier circuit, a rectifier device can be formed.
In the rectifier element stack thus constructed, the heat generated by the fuse 102 is absorbed by the cooling element 5 on one side of the fuse, the semiconductor element 103 is cooled by the cooling elements 104 and 105 arranged on both sides thereof, and the main conductor 101 by cooled the cooling element 104, which is arranged on one side of the semiconductor element 103 for cooling the latter. The heat generated in the stack is therefore only sparsely transferred to the circulating air.
The semiconductor element stack according to the invention described above is simple in construction. This structure is suitable for forming a single-phase or multi-phase bridge for a power converter. Because the fuse, the semiconductor element and the conductor are cooled by the liquid cooling elements, little of the heat generated is released into the circulating air. Therefore, the cooling ability of the auxiliary cooling unit for cooling the circulating air can be reduced, or the auxiliary cooling unit can be omitted.
11 and 12 show a front view and a plan view of a second embodiment of the invention.
This embodiment is particularly suitable for multi-phase bridges for power converters. 11 and 12, reference numeral 31 denotes a semiconductor rectifier element stack, which consists of a positive side arm 32A and a negative side arm 32B of the bridge, which on both sides of an arrangement of three plate-shaped main conductors 33A, 34 and 33B, which is in a vertical direction Extend direction. The middle main conductor 34 is an AC side conductor and the left main conductor 34A and the right main conductor 33B are a DC side positive conductor and a DC side negative conductor, respectively.
The bridge positive side arm 32A has a first cooling element 35A on the left side surface of the DC positive main conductor 33A. A semiconductor rectifier element 36A, a second cooling element 37A, a fuse 38A and a connecting conductor 39, which are arranged one behind the other in this order, are provided on the left side of the cooling element 35A. A leaf spring 41A abuts an insulator 40A, which is arranged on the outside of the connecting conductor 39. The lower and upper ends of the leaf spring 41A are fixed by nuts 46A to the left end parts of bolts 45 which extend from the main conductors 33A, 34 and 33B to the left side. The positive side arm 32A of the bridge is attached to the DC positive main conductor 33A.
The negative side arm 32B of the bridge is arranged symmetrically with respect to the positive side arm 32A of the bridge.
In particular, a cooling element 35B, a semiconductor rectifier element 36B, a cooling element 37B, a fuse 38B, a connecting conductor 39 and an insulator 40B are arranged in this order on the DC negative main conductor 33B. A leaf spring 41B is fastened to the right end portions of bolts 45 by bolts 46B which extend from the main conductors 33A, 34 and 33B to the right side. The negative side arm 32B of the bridge is thus firmly connected to the direct current side of the negative main conductor 33B.
Each bolt 45 is a straight bolt that extends horizontally through the main conductors 33A, 34 and 33B.
In particular, it can be seen from FIG. 12 that the connecting conductor 39 is an E-shaped circuit board which extends behind the positive side arm 32A of the bridge and the negative side arm 32B of the bridge and connects the fuses 38A and 38B to the AC main conductor 34. 11 and 12, reference numerals 48A and 48B denote isolators.
The semiconductor rectifier element stack 31 thus assembled has a fixed structure in which, as shown in Fig. 13, which corresponds to Fig. 5, a number of positive side arms 32A of the bridge are stacked between the vertically extending one in the central position AC-side main conductor 34 and DC-side main conductor 33A are arranged on the left side of the main conductor 34, and a number of negative side arms 32B of the bridge of the stack form are arranged between the AC-side main conductor 34 and the DC-side negative main conductor 33B on the right side of the main conductor 34. This arrangement is equivalent to the electrical circuit shown in FIG. 4, which figure of FIG.
6 corresponds. That is, the bridge positive side arms 32A and the bridge negative side arms 32B are connected to the AC main 34 and a DC output is formed by the DC positive main 33A and the DC negative main 33B.
As shown in FIG. 15, a three-phase bridge rectifier can be formed by only three rectifier element stacks 31, for example. In the AC conductor arrangement, the mutual main conductors 34 of the rectifier element stacks can be used as connecting conductors as they are, i.e., it is not necessary to provide additional connection conductors. Therefore, an N-phase bridge rectifier can be formed with only N-rectifier element stacks 31, and it is not necessary to provide additional connecting conductors when manufacturing a multi-phase bridge rectifier.
It can be seen from the above that in the semiconductor rectifier element stack according to the invention the positive side arm of the bridge and the negative side arm of the bridge are fixed on both sides of the main lines in such a way that the side arms are arranged symmetrically with respect to the main conductors. Therefore, when manufacturing a semiconductor converter, e.g. of a multi-phase bridge rectifier, the number of semiconductor rectifier element stacks can be reduced by half compared to the number that was necessary in the previously known type. Furthermore, it is no longer necessary to provide connecting conductors on the AC side. Therefore, multi-phase bridge rectifiers of small size and with a simplified structure can be easily manufactured.
This invention is widely applicable to power converters using semiconductor elements such as single-phase or multi-phase bridge rectifiers, inverters and cyclo-converters.