CH665730A5 - Anordnung einer gehaeuselosen, in eine siedefluessigkeit einzutauchenden leistungshalbleiterscheibe sowie stapel aus solchen anordnungen. - Google Patents

Description

BESCHREIBUNG Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine solche Anordnung ist durch die DE-OS 2 907 780 bekannt. Danach wird die in einer Siedekühlflüssigkeit, z.B. flüssigem fluorierten Kohlenwasserstoff, zu kühlende Leistungshalbleiterscheibe zwischen zwei zylindrische Wärmeabieiter eingespannt. Dazu sind zwei aussen vieleckig geformte Isolierplatten vorgesehen, die den anoden- und den kathodenseitigen Wärme-ableiter umgeben und jeweils auf einem Sprengring aufliegen, der in eine Ringnut in den jeweiligen Wärmeabieiter eingelegt ist. Die Isolierplatten sind miteinander durch drei Bolzen aus Isoliermaterial verspannt, 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 Wärmeabieiter 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 ver-grössert bzw. der Wärmeleitweg bei gleicher Oberflächengrösse verkürzt werden.

Sofern aus Spannungsgründen mehrere Leistungshalbleiterscheiben hintereinander geschaltet werden müssen und dies zwecks kompakter Bauweise durch Schichtung in Stapeln geschieht, ist die zuvor beschriebene Anordnung nur schlecht geeignet, weil die im Stapel aneinander liegenden Kreisflächen der zylindrischen Wärmeabieiter als Oberfläche für die Siedekühlung nicht zur Verfügung stehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung der eingangs angegebenen 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 durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.

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

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

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet.

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

Es zeigen:

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

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

In Fig. 1 ist ein erfindungsgemäss ausgebildeter Wärmeabieiter dargestellt, der in einer Siedekühlflüssigkeit der Wärmeabfuhr von einer (gestrichelt angedeuteten) Leistungshalbleiterscheibe 1 dient. Der Wärmeabieiter 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 Wärmeabieiters mit gleich hohen (gestrichelt gezeigten) Distanznoppen 8 versehen.

Zur radialen Festlegung der Leistungshalbleiterscheibe 1 sind in den Wärmeabieiter Isolierzapfen 9 eingelassen, die um ihre Längsachse federnd ausgebildet sind und in einer Höhe über dem Wärmeableiter, die der axialen Höhe der Leistungshalbleiterscheibe 1 entspricht, sich zu einem Kopf erweitern (siehe auch Fig. 2 beim Wärmeableiter 3). Damit bilden die

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Isolierzapfen 9 für die Leistungshalbleiterscheibe 1 eine montagefreundliche Snap-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 Wärmeabieiters sind diese Durchgangslöcher und Isolierzapfen 9 zur Snap-Halterung jeweils um 60° zueinander versetzt angeordnet.

Der Wärmeableiter weist zum Anschluss einer Anoden-Ka-thoden-Bedämpfungsschaltung für den Halbleiter an seinem Umfang einen Anschlussbolzen 6 auf.

Fig. 2 zeigt im Schnitt den Einsatz des zuvor beschriebenen Wärmeabieiters — hier mit 3 bezeichnet — innerhalb einer Anordnung, bei der die Halbleiterscheibe 1 zwischea 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 abgegebene konstruktive Ausbildung wie der Wärmeableiter 3 auf, mit der Ausnahme, dass er auf der der Leistüngshalbleiterscheibe 1 zugewandten Seite keine Isolierzapfen trägt.

Diese Anordnung aus Wärmeableiter 2, Leistungshalbleiterscheibe 1 und Wärmeableiter 3 ist zwecks kompakter Bauweise und ggf. zur Beherrschung einer hohen elektrischen Spannung Teil eines Stapels gleicher Anordnungen, 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 miteinander verspannt sind. Die von den Spannelementen gegen die Zugbolzen 7 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 trotz der Übertragung der für eine gute elektrische Kontaktgabe zur 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

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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 Verschattung 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 Wärmeableitern 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-O'S 2 907 780 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 mit mittels eines Kabelschuhs 17 direkt am Wärmeableiter 2 angenietet. Die erforderliche Kontaktkraft für den Steueranschluss stellt sich ein, wenn die Anpresskraft P auf dem Stapel aufgebracht wird.

Die Montage des Stapels kann weitgehend ohne die schmutzempfindlichen Leistungshalbleiterscheiben erfolgen. Diese werden letztlich eingesetzt bzw. ausgewechselt, ohne die Komponenten zu entstapeln und ohne die flexiblen elektrischen Verbindungen lösen zu müssen. Hierzu ist der axiale Kraftschluss (Kraft P) des Stapels nur so weit zu lösen, dass die jeweiligen Wärmeableiter 10 bis 15 mm auseinander geschoben werden können.

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.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

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1. Anordnung einer gehäuselosen, in eine Siedekühlflüssigkeit einzutauchenden Leistungshalbleiterscheibe, die zwischen zwei dem anoden- und dem kathodenseitigen Anschluss dienenden Wärmeableitern durch drei axial verlaufende Kunststoffhalter radial festgelegt und mittels isolierter Zugbolzen axial verspannt ist, dadurch gekennzeichnet, dass

- die Wärmeabieiter (2, 3) auf der der Leistungshalbleiterscheibe (1) abgewandten Seite mit Distanznoppen (8) versehen sind, über die die Spannkraft (P) der Zugbolzen (7) auf die Leistungshalbleiterscheibe (1) übertragen wird und

- die Kunststoffhalter als in einen der Wärmeabieiter (2 bzw. 3) eingelassene Isolierzapfen (9) ausgebildet sind, die für die Leistungshalbleiterscheibe (1) eine Einrast-Halterung bilden.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierzapfen (9) um ihre Längsachse federnd ausgebildet sind und in einer Höhe über dem Wärmeabieiter (2 bzw. 3), die der axialen Höhe der Leistungshalbleiterscheibe (1) entspricht, sich zu einem Kopf erweitern.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass je Wärmeabieiter (2, 3) an dessen Umfang ein Anschlussbolzen (6) für eine Anoden-Kathoden-Bedämpfungs-schaltung vorgesehen ist.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeabieiter (2, 3) in Form eines gleichseitigen, die Leistungshalbleiterscheibe (1) jeweils voll überdeckenden Dreiecks ausgebildet sind, in dessen drei Eckbereichen jeweils ein Durchgangsloch zur Führung der Zugbolzen (7) vorgesehen ist.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierzapfen (9) in der Ebene des einen Wärmeablei-ters (2 bzw. 3) jeweils um 60° versetzt zu den Durchgangslöchern zur Führung der Zugbolzen (7) angebracht sind.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Leistungshalbleiterscheibe als Thyristor mit zentraler Steuerelektrode ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierzapfen (9) in den anodenseitigen Wärmeabieiter (3) einge-presst sind und durch den kathodenseitigen Wärmeabieiter (2) eine zentral angeordnete Isolierbuchse (11) geführt ist, die einen mit einer Sicherungsscheibe (14) gegen das Herausfallen gesicherten Kontaktstift (12) für den zentralen Steueranschluss des Thyristors und mehrere gegeneinander gerichtete, den Kontaktstift (12) gegen die Leistungshalbleiterscheibe (1) drückende Spannscheiben (13) enthält, wobei die Steueranschlussleitung (15) für den Thyristor durch den Raum zwischen den Distanznoppen (8) des kathodenseitigen Wärmeabieiters (2) geführt und am distanznoppenseitigen Ende des Kontaktstiftes (12) befestigt ist.

7. Stapel bestehend aus mehreren Anordnungen nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnungen als Elemente des Stapels über die Zugbolzen (7) und gemeinsame, an den beiden Enden des Stapels vorgesehene Spannelemente verspannt sind und bei denen zwischen aneinan-dergrenzenden Distanznoppen (8) von Wärmeableitern (2, 3) unterschiedlichen Potentials Isolierscheiben (10) eingefügt sind.

8. Stapel nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass je Wärmeabieiter (2, 3) im Stapel zumindest zwei am Umfang versetzte Anoden- bzw. Kathoden-Potentialanschlussbolzen (4, 5) vorgesehen sind.