DD233891A1 - Kuehlanordnung fuer leistungshalbleiterbauelemente - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kuehlanordnung fuer Stromrichter, deren Leistungshalbleiterbauelemente und die zugehoerigen peripheren Bauelemente in Baugruppen zusammengefasst sind und die Verlustwaerme durch die Kombination von Luft- und Wasserkuehlung abgefuehrt wird. Ziel ist es, den technisch-oekonomischen Aufwand fuer die Kuehlung von Leistungshalbleiterbauelementen zu vermindern und gemaess der Aufgabe die Intensitaet der Kuehlung zu verbessern und die Lebensdauer verschiedener Elemente des Wasserkreislaufes zu erhoehen. Dies geschieht dadurch, dass mit zwei in einem bestimmten Winkel zueinanderstehenden Flaechen ausgebildete Leistungshalbleiterbauelemente und deren periphere Bauelemente aufnehmende Elementetraeger vorgesehen sind, dass diese in einer Ebene zu einem in sich geschlossenen Luftschacht loesbar zusammengesetzt sind, dass durch uebereinanderfuegen mehrerer gleichartiger Ebenen die Laengenausdehnung des Luftschachtes projektierbar ist und dass jeder Elementetraeger auf vorzugsweise nur einer seiner beiden Flaechen saemtliche Bauelemente in den Luftschacht hineinragend aufnimmt. Die Anwendung der Erfindung ist in mit Leistungshalbleiterbauelementen bestueckten Stromrichtern zweckmaessig. Fig. 1

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Kühlanordnung für Stromrichter, deren Leistungshalbleiterbauelemente und die zugehörigen peripheren Bauelemente in Baugruppen zusammengefaßt sind und deren Verlustleistungswärme mittels Kühlflüssigkeit und durch Luft abgeführt wird

Die Anwendung der Erfindung ist in mit Leistungshalbleiterbauelementen bestückten Stromrichtern zweckmäßig.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Leistungshalbleiterbauelemente erwärmen sich im Betrieb. Damit die entstehende Verlustleistungswärme nicht zur Zerstörung der Halbleiterbauelemente führt, müssen diese gekühlt werden. Der Grad ihrer leistungsmäßigen Ausnutzbarkeit hängt von der Intensität der Kühlung ab. Eine intensive Kühlung der Leistungshalbleiterbauelemente kann mit Hilfe einer Wasserkühlung realisiert werden. Dabei müssen in Stromrichteranlagen, die insbesondere mit Scheibenförmigen Leistungshalbleiterbauelementen bestückt sind, häufig mehrere unterschiedliche Potentiale durch den Wasserkreislauf überbrückt werden. Es ist jedoch von großem Nachteil, daß dies neben den unerwünschten elektrolytischen Abtragungen auch zu erheblichen Ausmaßen des Wasserkreislaufes führt, wie beispielsweise größere Schlauchlängen und daraus resultierende elektrische Verluste im Wasserkreislauf. Ferner ist es bei einigen Stromrichteranordnungen, beispielsweise bei Mittelfrequenzumrichtern für induktiv zu erwärmende Werkstücke bekannt, größere Verlustleistungen, die vorrangig in peripheren Bauelementen, wie Beschaltungswiderständen, Stromschienen, Drosseln usw. entstehen, durch intensive Luftkühlung abzuführen. Die Luftkühlung ist jedoch nicht intensiv genug um die Leistungshalbleiterbauelemente bis an ihre Grenzwerte belasten zu können. Es ist nun eine Luftkühlanordnung bekanntgeworden (DE-AS 1439239), bei der durch entsprechende Anordnung der Stromschienen ein Kühlkanal für die Kühlkörper der Halbleiterbauelemente entsteht. Nachteilig bei dieser Anordnung ist vor allem, daß die Halbleiterbauelemente sowie die peripheren Bauelemente nicht in eine intensive Kühlung innerhalb des Kühlkanals eingeschlossen sind, sondern sich außerhalb befinden. Außerdem ist ein weiterer Nachteil darin zu sehen, daß bei Defekt eines Bauelementes zum auswechseln desselben eine Demontage mindestens einer Stromschiene erfolgen muß. Weiterhin sind verschiedene kombinierte Luft-Wasser-Kühlungen bekannt geworden (FR-PS 1289341, CH-PS 403084, DE-AS 1928558, DD-WP 105938), bei denen einige Bauelemente des Stromrichters mittels Wasser und andere mit Luft gekühlt werden. Darüber hinaus ist eine Anordnung bekanntgeworden (DE-AS 2624593), die eine kombinierte Luft-Wasser-Kühlung im Rahmen eines auf- und abrüstbaren Baugruppensystems aufweist mit der bereits eine relativ hohe Kompaktheit der Anordnung und eine Verringerung des Aufwandes an Kühlkreisamaturen, insbesondere an Schlauchlängen erreicht wird. Bei dieser Anordnung ist nachteilig, daß der Luftkühlkörper nur zur Aufnahme von Verlustleistungsspitzen dient. In den bekannten Anordnungen sind die Vorzüge der kombinierten Luft-Wasser-Kühlung nur teilweise in vorteilhafter Weise vereinigt worden, was vor allem den Volumen- und Materialaufwand sowie die Ausnutzung der Kühlluft betrifft. Besonders trifft dies für den Wasserkreislauf zu, wo große Schlauchlängen zur Überbrückung von verschiedene-Potentionalen benötigt werden und Maßnahmen zur Beherrschung der elektrolytischen Abfragung getroffen werden müssen. Weiterhin ist damit auch die Konzeption der Stromrichter entsprechend unübersichtlich, was die bekannten Nachteile hinsichtlich Technologie und Serviceleistungen mit sich bringt.

iel der Erfindung

iel der Erfindung ist es, den technisch-ökonomischen Aufwand für die Kühlung von Leistungshalbleiterbauelementen und eren zugehöriger peripheren Bauelemente, insbesondere für Stromrichteranlagen, zu vermindern.

arlegung des Wesens der Erfindung

>er Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Intensität der kombinierten Kühlung zu verbessern und die Lebensdauer erschiedener Elemente des Wasserkreislaufes zu erhöhen. Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß mit zwei in einem estimmten Winkel zueinanderstehenden Flächen ausgebildete Leistungshalbleiterbauelemente und deren periphere auelemente aufnehmende Elementeträger vorgesehen sind, daß diese in einer Ebene zu einem in sich geschlossenen uftschacht lösbar zusammengesetzt sind, daß durch übereinanderfügen mehrerer gleichartiger Ebenen die Längenausdehnung es Luftschachtes projektierbar ist und daß jeder Elementarträger auf vorzugsweise nur einer seiner beiden Flächen sämtliche lauelemente in den Luftschacht hineinragend aufnimmt.

ι weiterer Ausbildung der Erfindung ist dann noch vorgesehen, daß jedes Leistungshalbleiterbauelement am (/echselspannungspotential jeweils mit einem Flüssigkeitskühlkörper und am Gleichspannungspotential mit einem uftkühlkörper, der direkt auf der einen Fläche des Elementeträgers gut wärmeleitend angeordnet ist, zusammengespannt ist nd daß am Flüssigkeitskühlkörper befindliche Flüssigkeitsanschlüsse gleichzeitig als Stromanschlüsse für von Kühlflüssigkeit lurchflossene Wechselstromschienen vorgesehen daß Luft- und Kriechstrecken zwischen benachbarten Elementeträgern durch äolierprofil unwirksam gemacht sind und daß die elektrisch leitenden Flüssigkeitsanschlüsse inwendig mit einer Schutzschicht usgekleidetsind. ._

lusführungsbeispiel

mhand eines zeichnerischen Ausführungsbeispiels soll die Erfindung näher erläutert werden. Es stellen dar: ig. 1: Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Baugruppe

ig. 2: Anordnung der erfindungsgemäßen Baugruppen als Luftschacht in Draufsicht ι der Fig. 1 ist das Prinzip einer erfindungsgemäßen Baugruppe 11 dargestellt. Ein Elementeträger 1 weist zwei rechtwinklig ueinander befindliche Flächen 1 a und 1 b auf, von denen die Fläche 1 a alle zu dieser Baugruppe gehörenden Bauelemente lufnimmt. Ein Kühlrippen aufweisender Luftkühlkörper 6 ist mit seiner einen gesamten Kontaktfläche auf der Fläche 1 a ingeordnet. An seiner gesamten Kontaktfläche liegt ein Leistungshalbleiterbauelement 7 mit seinem Gleichspannungspotential m. Eine Kontaktfläche eines Flüssigkeitskörpers 8 ist dem Wechselspannungspotential des Leistungshalbleiterbauelementes 7 ugeordnet. Der notwendige Kontaktdruck zwischen Fläche 1 a , Elementträger 1, Luftkühlkörper 6, .eistungshalbleiterbauelement 7 und Flüssigkeitskühlkörper 8 wird durch eine an und für sich bekannte Spannvorrichtung irreicht, die Spannbolzen 2, Joche 3, Spannmuttern 4 und Kraftspeicher 5 aufweist und am Elementeträger 1, elektrisch isoliert, 'erankert ist. Der Flüssigkeitskörper 8 weist für die Zu- und Abführung der Kühlflüssigkeit zwei Flüssigkeitsanschlüsse 9 an ilektrisch gut leitendem Material auf, da sie gleichzeitig dem Anschluß an eine Wechsepannung dienen. Die Innenwände der ^:lüssigkeitsanschlüsse 9 sind mit einer Schutzschicht ansgekleidet. Weiterhin sind auf der Fläche 1 a des Elementeträgers 1, hier 'ereinfacht als Blackbox dargestellt, periphere Bauelemente 10 angeordnet, die der Steuerung und Überwachung der Baugruppe 1 dienen, wie beispielsweise TSE-Bauelemente, Impulsübertrager usw.

η Fig.2 ist die Anordnung der Baugruppen 11 in einem Schrankgehäuse 17 in der Draufsicht dargestellt. Es sind jeweils vier Saugruppen 11 in einer Ebene lösbar zusammengefügt, wobei die Baugruppen 11 so angeordnet sind, daß alle darauf )efindlichen Bauelemente nach innen in einen so entstandenen Luftschacht 14 hineinragen. Die Flüssigkeitsanschlüsse 9 sind nit innerhalb des Luftschachtes 14 verlaufenden Wechselstromschienen 13 verschraubt, die ebenfalls flüssigkeitsgekühlt sind. Da nur alle Wechselspannungsführenden Teile mit Flüssigkeit gekühlt werden, kann hierdurch die elektrolytische Abtragung vorteilhaft beherrscht werden. Durch die Verwendung der Flüssigkeitsanschlüsse 9 als elektrische Verbindung der Baugruppen 11 zum Wechselspannungspotential wird Schlauchmaterial gespart und außerdem eine übersichtliche Bauweise erreicht. Die :ur Kühlung erforderliche Flüssigkeitsmenge hat in den Flüssigkeitsanschlüssen 9 eine hohe Fließgeschwindigkeit zur Folge, die Dei Verwendung von Kupfer zur Erosionskorrosion führt. Um die Lebensdauer der Flüssigkeitsanschlüsse 9 zu erhöhen, sind Jeren Innenwände mit einer hinsichtlich der Erosionskorrosion widerstandsfähigen Schutzschicht ausgekleidet, wie z. B. Ojnststoff oder einer metallischen Beschichtung. Innerhalb des Flüssigkeitskühlkörpers 8 kann die Erosionskorrosion durch eine Dereits vorgeschlagene Kanalführung stark reduziert werden. Der durch die Anordnung der Baugruppen 11 in ärfindungsgemäßer Art und Weisein jeder Ebene entstehende Luftschacht 14, wird durch die Übereinanderordnung mehrerer Baugruppenebenen in seiner Längenausdehnung projektierbar. Die durch den Luftschacht 14 strömende Kühlluft erreicht alle Bauelemente der Baugruppen 11 und kann, wie üblich durch einen Ventilator noch forciert werden. Die entstehenden Luft- und Kriechstrecken zwischen den Baugruppen 11 werden mit einem Isolierprofil 15 abgedichtet, welches sich vorzugsweise bei den waagerechten Luft- und Kriechstrecken leicht eindrücken und entfernen läßt, wobei es zweckmäßig ist, die senkrecht verlaufenden Isolierprofile 15 als tragfähige Elemente auszubilden. Der Luftkühlkörper 6 dient im Zusammenwirken mit der Fläche 1 a des Elementeträgers 1 als Luftkühleinrichtung für das Leistungshalbleiterbauelement 7 und gleichzeitig über entsprechende Verbindungen als elektrischer Anschluß der Baugruppe 11 an außerhalb des Luftschachtes 14, aber innerhalb des Schrankgehäuses 17 befindliche Gleichstromschienen 16, die darüber hinaus auch noch tragende Funktionen ausüben. Die Luftkühlung aller mit Gleichspannung beaufschlagter Bauteile läßt im Gegensatz zur Flüssigkeitskühlung keine elektrolytische Abtragung auftreten. Durch Anordnung von Anzeigebauelementen 12 in der Fläche 1 a des Elementeträgers 1 der Baugruppe 11 ist eine von außen sichtbare Signalisierung von Betriebs- und/oder Fehlerzuständen möglich. Bei der Anordnung der Baugruppen 11 als Luftschacht 14 können elektrisch parallel geschaltete Baugruppen auf einen gemeinsamen Elementeträger 1 montiert werden, was eine weitere Vereinfachung der Konstruktion zuläßt. Bei Stromrichtern mit mehr als zwei Wechselspannungspotentialen (z. B. Gleichrichter) können zum Aufbau des Luftschachtes 14 Baugruppen eingesetzt werden, bei denen die Flächen 1 a und 1 b der Elementeträger 1 entsprechend abgewinkelt sind und somit auch mehr als vier Baugruppen 11 in einer Ebene zu einer regelmäßigen geometrischen Figur zusammengefügt werden können, z. B. zu einem Sechseck.

Claims (5)

1. Erfindungsanspruch:

   1. Kühlanordnung für Stromrichter, deren Leistungshalbleiterbauelemente und die zugehörige peripheren Bauelemente in Baugruppen zusammengefaßt sind und deren Verlustleistungswärme mittels Kühlflüssigkeit und durch Luft abgeführt wird, gekennzeichnet dadurch, daß mit zwei in einem bestimmten Winkel zueinanderstehenden Flächen (7a; 7 b) ausgebildete Leistungshalbleiterbauelemente (1) und deren peripheren Bauelemente (10) aufnehmende Elementeträger (7) vorgesehen sind, daß diese in einer Ebene zu einem in sich geschlossenen Luftschacht (14) lösbar zusammengesetzt sind, daß durch übereinanderfügen mehrerer gleichartiger Ebenen die Längenausdehnung des Luftschachtes (14) projektierbar ist und daß jeder Elementeträger (7) auf vorzugsweise nur einer seiner beiden Flächen (7 a; 7 b;) sämtliche Bauelemente in den Luftschacht (14) hineinragend aufnimmt.
2. 2. Kühlanordnung gemäß Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß jedes Leistungshalbleiterbauelement (1) am Wechselspannungspotential jeweils mit einem Flüssigkeitskühlkörper (8) und am Gleichspannungspotential mit einem Luftkühlkörper (6), der direkt auf der einen Flächen (7a) des Elementeträgers (7) gut wärmeleitend angeordnet ist, zusammengespannt ist.
3. 3. Kühlanordnung nach den Punkten 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß am Flüssigkeitskühlkörper (8) befindliche Flüssigkeitsanschlüsse (9) gleichzeitig als Stromanschlüsse für von Kühlflüssigkeit durchflossene Wechselstromschienen (13) vorgesehen sind.
4. 4. Kühlanordnung nach Punkt !,gekennzeichnet dadurch, daß Luft-und Kriechstrecken zwischen benachbarten Elementeträgern (7) durch Isolierprofilen (15) unwirksam gemacht sind.
5. 5. Kühlanordnung nach Punkt 3, gekennzeichnet dadurch, daß die elektrisch leitenden Flüssigkeitsanschlüsse (9) inwendig mit einer Schutzschicht ausgekleidet sind.

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