DE10125695A1

DE10125695A1 - Power semiconductor structure for causing a coolant to pass through to cool a power semiconductor element has a cooling element and a push-contact casing containing the power semiconductor element.

Info

Publication number: DE10125695A1
Application number: DE2001125695
Authority: DE
Inventors: Joerg Dorn; Heinrich Kohler; Uwe Kellner-Werdehausen; Elmar Falck; Reiner Barthelmes; Gerhard Schmidt; Hans-Joachim Schulze; Franz-Josef Niedernostheide
Original assignee: EUPEC GmbH
Current assignee: EUPEC GmbH
Priority date: 2001-05-25
Filing date: 2001-05-25
Publication date: 2002-12-05

Abstract

A cooling element (25) fits inside a push-contact casing (30) and between two power semiconductor elements like a thyristor (21) and a diode (22), which are brought into electrical contact by means of one or more copper blocks (28,29) fitted in the push-contact casing.

Description

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet mittels kühlmittelbeauf schlagter Kühlkörpersysteme gekühlter Leistungshalbleiter und betrifft eine Leistungshalbleiteranordnung mit einem druck kontaktierbaren Gehäuse, in dem zumindest ein Leistungshalb leiterelement angeordnet ist, und mit einem Kühlelement, das zur Kühlung des Leistungshalbleiterelements von einem Kühl mittel durchströmbar ist.The invention is in the field of coolants proposed heat sink systems, cooled power semiconductors and relates to a power semiconductor device with a pressure contactable housing in which at least one power half conductor element is arranged, and with a cooling element, the for cooling the power semiconductor element from a cooling is medium flow.

Auf dem Gebiet der Leistungselektronik verbreitete Leistungs halbleiter (beispielsweise Thyristoren oder sogenannte IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)), mit denen betriebsgemäß hohe Ströme geschaltet werden, entwickeln während des Betrie bes außerordentlich hohe Verlustleistungen, die in Form von Verlustwärme auftreten. Um eine einwandfreie Funktion und ho he Lebensdauer derartiger - beispielsweise in Hochspannungs- Gleichspannungsübertragungsanlagen (HGÜ-Anlagen) oder in An trieben eingesetzter - Leistungshalbleiter zu gewährleisten, müssen diese während ihres Betriebes gekühlt werden.Power widespread in the field of power electronics semiconductors (for example thyristors or so-called IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)) with which to operate high currents are developed during operation bes exceptionally high power dissipation in the form of Heat loss occur. To function properly and ho he lifespan of such - for example in high voltage DC transmission systems (HVDC systems) or in An to use power semiconductors, these must be cooled during their operation.

Die DE 198 43 309 A1 offenbart einen Leistungshalbleiter in Form eines Leistungshalbleitermoduls mit einem druckkontak tierbaren Gehäuse, einem Substrat, einem Kontaktstempel und mindestens einem Halbleiterchip mit zwei Hauptelektroden. Ein derartiger Aufbau wird auch als druckkontaktierter Leistungs halbleiter bezeichnet.DE 198 43 309 A1 discloses a power semiconductor in Form of a power semiconductor module with a pressure contact animal housing, a substrate, a contact stamp and at least one semiconductor chip with two main electrodes. On Such a structure is also called pressure-contacted power called semiconductor.

Im Hinblick auf das vorstehend geschilderte Kühlungserforder nis geht aus der DE 44 07 397 A1 eine Leistungshalbleiteran ordnung der eingangs genannten Art hervor. Diese Leistungs halbleiteranordnung ist als Spannverband ausgebildet, in dem abwechselnd Kühldosen und in eigenen, individuellen Druckkon taktgehäusen angeordnete Leistungshalbleiter unter mechani schem Druck zwischen Spannelementen gehalten sind. Die ein zelnen Kühldosen sind mit einem Kühlflüssigkeitsverteilsystem verbunden, das eigentlicher Gegenstand der DE 44 07 397 A1 ist.In view of the cooling requirement outlined above DE 44 07 397 A1 describes a power semiconductor order of the type mentioned above. This performance semiconductor arrangement is designed as a tension bandage in which alternating cooling cans and in their own, individual pressure con Power semiconductors arranged under clock housings under mechani pressure between clamping elements are kept. The one Individual cooling boxes are with a coolant distribution system connected, the actual subject of DE 44 07 397 A1 is.

Die bekannte Anordnung erfordert ein relativ großes Bauvolu men und erscheint wegen der Wärmeübergangswiderstände zwi schen den Leistungshalbleiterelementen und den Kühldosen nicht optimal; bei hoher abzuführender Verlustwärme muss der Leistungshalbleiter durch Kühlung seiner Ober- und Unterseite gekühlt werden.The known arrangement requires a relatively large volume men and appears between the heat transfer resistances between the power semiconductor elements and the cooling sockets not optimal; in the case of high heat loss to be dissipated, the Power semiconductors by cooling its top and bottom be cooled.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine kompakte Leistungshalbleiteranordnung zu schaffen, die sich durch eine besonders effiziente Kühlbarkeit auszeichnet.The present invention is therefore based on the object to create a compact power semiconductor device that is characterized by a particularly efficient coolability.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Leistungshalb leiteranordnung der eingangs genannten Art gelöst, indem das Kühlelement innerhalb des druckkontaktierbaren Gehäuses ange ordnet ist. Ein wesentlicher Aspekt der vorliegenden Erfin dung besteht damit darin, das Kühlelement, das bevorzugt als wassergekühlter Kühlkörper ausgebildet sein kann, in das Druckkontaktgehäuse des Leistungshalbleiterelementes zu in tegrieren.According to the invention, this object is achieved with a power half conductor arrangement of the type mentioned solved by the Cooling element within the pressure contactable housing is arranged. An essential aspect of the present invention Thus, the cooling element, which is preferred as water-cooled heat sink can be formed in the Pressure contact housing of the power semiconductor element to in tegrieren.

Damit ist die Grenzflächenanzahl zwischen dem Leistungshalb leiterelement bzw. dem eigentlichen wärmeabgebenden Leis tungshalbleiterchip und dem Kühlelement vermindert. Dadurch ergibt sich ein besonders günstiger Wärmewiderstand, so dass die als Wärme auftretende Verlustleistung äußerst effizient abgeführt werden kann. Mit der erfindungsgemäßen Leistungs halbleiteranordnung ist eine außerordentlich kompakte Bauform möglich, so dass sich insgesamt der Platzbedarf der Leis tungshalbleiteranordnung im Vergleich zu bekannten Anordnun gen bei gleichem Wärmeprofil erheblich verringern lässt und eine Einsparung von Kühlelementen zulässt. This is the number of interfaces between the power half conductor element or the actual heat-emitting leis tion semiconductor chip and the cooling element is reduced. Thereby there is a particularly favorable thermal resistance, so that the heat loss that occurs as heat is extremely efficient can be dissipated. With the performance according to the invention Semiconductor arrangement is an extremely compact design possible, so that the overall space requirement of the Leis tion semiconductor device compared to known Anordnun can significantly reduce conditions with the same heat profile and allows saving of cooling elements.

Wird die vorliegende Erfindung zur Verringerung des Bauvolu mens eingesetzt, ist eine besonders kompakte und damit auch besonders leicht zu transportierende und zu montierende Leis tungshalbleiteranordnung geschaffen.The present invention is used to reduce the volume mens is a particularly compact and therefore also Leis particularly easy to transport and assemble tion semiconductor device created.

Bei im wesentlichen unverändertem Bauvolumen lässt sich ent sprechend eine erheblich reduzierte lokale Temperatur, insbe sondere Betriebstemperatur des Leistungshalbleiterelements, realisieren.If the construction volume remains essentially unchanged, speaking a significantly reduced local temperature, esp special operating temperature of the power semiconductor element, realize.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Leis tungshalbleiteranordnung sieht vor, dass mehrere Kühlelemente innerhalb des Gehäuses angeordnet sind. Messungen an einem Prototypaufbau haben dabei gezeigt, dass im Vergleich zu ei nem konventionellen Aufbau mit doppelseitiger Kühlung außer halb des Gehäuses der Wärmewiderstand um den Faktor 2 bis 3 gesenkt werden kann, wenn zwei Kühlkörper in das Gehäuse in tegriert werden.An advantageous development of the Leis according to the invention device semiconductor device provides that several cooling elements are arranged within the housing. Measurements on one Prototype construction has shown that compared to ei conventional construction with double-sided cooling except half of the housing the thermal resistance by a factor of 2 to 3 can be lowered if two heat sinks are in the case be tegrated.

Bevorzugt können auch mehrere Leitungshalbleiterelemente in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sein und vorteilhafter weise sandwichartig ein Kühlelement zwischen sich enthalten. Besonders bevorzugt ist eine derartige Anordnung bei soge nannten Tandemschaltungen: Bei Leistungshalbleiterbauelemen ten mit sehr hoher Sperrfähigkeit (beispielsweise 10 kV Thy ristoren) kann bei hohen Frequenzen die Gesamtverlustleistung dadurch verringert werden, dass statt eines symmetrisch sper renden Thyristors eine sogenannte Tandemanordnung aus zwei in Reihe geschalteten separaten Bauelementen, nämlich einem a symmetrischen Thyristor und einer Diode, vorgesehen wird. Ein Vorteil des Tandemkonzepts besteht darin, dass die Freiwerde zeit und die Speicherladung unabhängig voneinander einge stellt werden können. Um eine möglichst effektive Kühlung bei derart in Reihe geschalteten Bauelementen zu realisieren, sieht eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung vor, dass das Kühlelement zwischen zwei Leistungshalbleiterelementen (beispielsweise einem asymmetrischen Thyristor und einer Dio de als getrennte Bauelemente) angeordnet ist.A plurality of line semiconductor elements can also preferably be provided in be arranged in a common housing and more advantageous as a sandwich contain a cooling element between them. Such an arrangement is particularly preferred for so-called called tandem circuits: For power semiconductor devices ten with very high blocking capacity (for example 10 kV Thy ristors) can reduce the total power loss at high frequencies be reduced by the fact that instead of a symmetrical lock renden thyristors a so-called tandem arrangement of two in Series connected separate components, namely an a symmetrical thyristor and a diode, is provided. On The advantage of the tandem concept is that it frees you up time and the storage charge are switched on independently can be put. To ensure the most effective cooling to implement such components connected in series, A preferred embodiment of the invention provides that the cooling element between two power semiconductor elements (for example an asymmetrical thyristor and a dio de is arranged as separate components).

Dabei können die beiden Bauelemente sowohl anodenseitig als auch kathodenseitig effektiv gekühlt werden. Damit lässt sich eine noch stärkere Strombelastbarkeit der Bauelemente errei chen. Dies ist insbesondere vorteilhaft bei einer Stoßstrom belastung, bei der damit die sich einstellenden Temperaturen der Leistungshalbleiterelemente deutlich gesenkt und somit der maximal zulässige Stoßstrom erheblich erhöht werden kann. In dem sogenannten Tandemprinzip mit zwei getrennten Halblei terbauelementen - die gegenüber einem symmetrischen Thyristor wesentlich dünner ausgebildet sein können - kann somit der Vorteil einer geringeren Wärmeentwicklung in den einzelnen Halbleiterbauelementen besonders gut ausgenutzt werden.The two components can both on the anode side can also be effectively cooled on the cathode side. With that you can achieve an even higher current carrying capacity of the components chen. This is particularly advantageous in the case of a surge current load at which the resulting temperatures of the power semiconductor elements significantly reduced and thus the maximum permissible surge current can be increased significantly. In the so-called tandem principle with two separate half leads terbauelemente - compared to a symmetrical thyristor can be formed much thinner - can therefore Advantage of less heat development in the individual Semiconductor components are used particularly well.

Eine besonders effektive Kühlung und zuverlässige Kontaktie rung ist gemäß einer bevorzugten Fortbildung der Erfindung dadurch realisierbar, dass das oder die Leistungshalbleiter element(e) über einen oder mehrere in dem Gehäuse angeordnete Kupferblöcke elektrisch kontaktiert sind.A particularly effective cooling and reliable contact tion is according to a preferred development of the invention can be realized in that the power semiconductor or semiconductors element (s) via one or more arranged in the housing Copper blocks are electrically contacted.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand einer Zeichnung näher erläutert; es zeigen:Exemplary embodiments of the invention are described below a drawing explained in more detail; show it:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsge mäßen Leistungshalbleiteranordnung im Querschnitt, Fig. 1 shows a first embodiment of a erfindungsge MAESSEN power semiconductor device in cross-section,

Fig. 2 eine Variante der Ausführung nach Fig. 1 im Quer schnitt, Fig. 2 shows a variant of the embodiment of FIG. 1 in cross-section,

Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsge mäßen Leistungshalbleiteranordnung im Querschnitt, Fig. 3 shows a further embodiment of the erfindungsge MAESSEN power semiconductor device in cross-section,

Fig. 4 die Ergebnisse einer simulierten Temperaturvertei lung bei einer herkömmlichen symmetrischen licht zündbaren Thyristorstruktur in einem Druckkontakt gehäuse und Fig. 4 shows the results of a simulated Temperaturvertei development in a conventional symmetrical light ignitable thyristor structure in a pressure contact housing and

Fig. 5 eine entsprechende Simulation für einen asymmetri schen Thyristor und eine in Serie geschaltete Dio de, wobei zusätzlich zu einer äußeren Kühlung ein wassergekühlter Kühlkörper zwischen den beiden Halbleiterbauelementen eingebaut ist. Fig. 5 shows a corresponding simulation for an asymmetric thyristor and a series-connected Dio de, in addition to an external cooling, a water-cooled heat sink is installed between the two semiconductor components.

Die in der Fig. 1 gezeigte Leistungshalbleiteranordnung um fasst ein Druckkontaktgehäuse 1. In dem Gehäuse 1 ist ein Leistungshalbleiterelement 2 angeordnet, dass beispielsweise als Thyristorstruktur ausgebildet sein kann. Zwischen der Ge häuseoberseite 4 und dem Leistungshalbleiterbauelement 2 ist ein Kupferstempel 5 vorgesehen, mit dem das Leistungshalblei terbauelement 2 elektrisch und thermisch kontaktiert ist. Die Unterseite 6 des Leistungshalbleiterbauelements 2 ist in thermischem Kontakt mit einem Kühlelement 10. Das Kühlelement 10 ist in das druckkontaktierbare Gehäuse 1 integriert und kann beispielsweise in an sich bekannter Weise als wasser durchflossener Kühlkörper gemäß der DE 198 31 282 A1 ausge bildet sein. Zur Kühlmittelbeaufschlagung bzw. zum Abfluss des Kühlmittels sind Anschlussstutzen 12 und 14 vorgesehen. Damit kann das großflächige Halbleiterbauelement 2, dessen Durchmesser üblicherweise zwischen 25 und 125 mm liegt, ein seitig sehr effizient gekühlt werden.The power semiconductor arrangement shown in FIG. 1 comprises a pressure contact housing 1 . A power semiconductor element 2 is arranged in the housing 1 and can be designed, for example, as a thyristor structure. Between the Ge housing top 4 and the power semiconductor component 2 , a copper stamp 5 is provided with which the power semiconductor component 2 is contacted electrically and thermally. The underside 6 of the power semiconductor component 2 is in thermal contact with a cooling element 10 . The cooling element 10 is integrated in the pressure-contactable housing 1 and can be formed, for example, in a manner known per se as a water-flowing heat sink according to DE 198 31 282 A1. Connection pieces 12 and 14 are provided for the application of coolant or for the discharge of the coolant. The large-area semiconductor component 2 , the diameter of which is usually between 25 and 125 mm, can thus be cooled very efficiently on one side.

Die Anordnung gemäß der Fig. 1 zeichnet sich durch einen sehr günstigen thermischen Widerstand aus.The arrangement according to FIG. 1 is characterized by a very favorable thermal resistance.

Dies bestätigen Messungen an einer gemäß Fig. 2 ausgestalte ten Anordnung. Bei dieser Anordnung ist innerhalb des druck kontaktierbaren Gehäuses 1 ebenfalls der Kupferstempel 5 vor gesehen, dessen Oberseite mit der Gehäuseoberseite 4 in ther mischem Kontakt steht und dessen Unterseite im thermischen Kontakt mit dem Leistungshalbleiterbauelement 2 ist. Das in tegrierte Kühlelement 10 ist hinsichtlich der Anschlussstut zen gegenüber dem in der Fig. 1 gezeigten Element modifi ziert und weist einen Einlaufstutzen 16 und einen Auslass stutzen 18 auf. Das über den Stutzen 16 eintretende Kühlmit tel - beispielsweise Wasser - dient dem Wärmeabtransport von der Unterseite des Leistungshalbleiterbauelements 2 und tritt am Stutzen 18 aus. Demgemäss befindet sich der Bereich 19 mit der höchsten lokalen Temperatur im Austrittsbereich des Stut zens 18.This is confirmed by measurements on an arrangement shown in FIG. 2. In this arrangement, the copper stamp 5 is also seen in the pressure contactable housing 1 , the top of which is in thermal contact with the housing top 4 and the bottom is in thermal contact with the power semiconductor component 2 . The integrated cooling element 10 is modified with respect to the connection nozzle compared to the element shown in FIG. 1 and has an inlet nozzle 16 and an outlet nozzle 18 . The entering Kühlmit tel - for example water - is used for heat dissipation from the underside of the power semiconductor device 2 and exits the nozzle 18 through the nozzle 16 . Accordingly, the area 19 with the highest local temperature is located in the outlet area of the nozzle 18 .

Der in der Fig. 2 gezeigte wassergekühlte Kühlkörper ist zy lindrisch und hat einen Durchmesser von 75 mm und eine Höhe von 18 mm. Der Kühlkörper 10 ist wie vorbeschrieben in das Gehäuse 1 integriert. Zur Ermittlung des thermischen Wider standes ist der Messpunkt 20 mit der höchsten lokalen Tempe ratur ermittelt worden. Verglichen mit einem konventionellen Aufbau mit doppelseitiger Kühlung außerhalb des Druckkontakt gehäuses konnte bei diesem Aufbau eine Verminderung des Wär mewiderstandes um den Faktor 2 bis 3 nachgewiesen werden. Ur sächlich dafür ist insbesondere die Verringerung der Zahl der Grenzflächen zwischen dem zu kühlenden Leistungshalbleiter bauelement und dem eigentlichen Kühlelement. Damit ergibt sich in vorteilhafter Weise eine erhebliche Einsparung an Platzbedarf und eine entsprechende Kosteneinsparung. Insge samt erhält man eine sehr kompakte, zu handhabende und ein fach zu montierende Anordnung.The water-cooled heat sink shown in FIG. 2 is cylindrical and has a diameter of 75 mm and a height of 18 mm. The heat sink 10 is integrated in the housing 1 as described above. To determine the thermal resistance, the measuring point 20 has been determined with the highest local temperature. Compared to a conventional design with double-sided cooling outside the pressure contact housing, a reduction in thermal resistance by a factor of 2 to 3 could be demonstrated with this design. The reason for this is in particular the reduction in the number of interfaces between the power semiconductor component to be cooled and the actual cooling element. This advantageously results in a considerable saving in space and a corresponding cost saving. Overall, you get a very compact, easy to handle and easy to assemble arrangement.

Fig. 3 zeigt eine im sogenannten Tandemprinzip aufgebaute Leistungshalbleiteranordnung. Diese kann beispielsweise Ver wendung finden bei Leistungshalbleiteranordnungen für sehr hohe Sperrfähigkeit (beispielsweise 10 kV Thyristoren) und un terscheidet sich von den Konzepten eines symmetrisch sperren den Thyristors dadurch, dass ein asymmetrischer Thyristor 21 und eine Diode 22 elektrisch in Reihe geschaltet sind. Zwi schen den beiden Leistungshalbleiterelementen 21 und 22 ist ein Kühlelement 25 in Form einer Wasserkühlung mit einem Ein lassstutzen 26 und einem Auslassstutzen 27 für das Kühlmittel angeordnet. Die Leistungshalbleiterelemente 21, 22 sind über je einen Kupferblock 28, 29 elektrisch kontaktiert. Die Kup ferblöcke 28, 29 sind ebenfalls in dem gemeinsamen Gehäuse 30, vorzugsweise einem druckkontaktierbaren Gehäuse, angeord nete. Der sandwichartige Aufbau von Thyristor 21, Kühlelement 25 und Diode 22 innerhalb des Gehäuses 30 ermöglicht anoden seitig bzw. kathodenseitig eine sehr effektive Kühlung der beiden Leistungshalbleiterelemente. Dadurch lässt sich insge samt eine stärkere Strombelastbarkeit der Anordnung realisie ren. Die sich damit einstellende geringere Bauelementetempe ratur ist insbesondere für Stoßstrombelastungen vorteilhaft, weil dabei der maximal zulässige Stoßstrom merklich erhöht werden kann. Dazu trägt auch bei, dass bei der Tandemanord nung die beiden getrennten Leistungshalbleiterelemente ver glichen mit einem symmetrischen Thyristor erheblich dünner sind. Fig. 3 shows a so-called tandem principle built up in the power semiconductor device. This can be used, for example, in power semiconductor arrangements for very high blocking capability (for example 10 kV thyristors) and differs from the concepts of symmetrically blocking the thyristor in that an asymmetrical thyristor 21 and a diode 22 are electrically connected in series. Between the two power semiconductor elements 21 and 22 , a cooling element 25 is arranged in the form of water cooling with an inlet port 26 and an outlet port 27 for the coolant. The power semiconductor elements 21 , 22 are each electrically contacted via a copper block 28 , 29 . The copper ferblocks 28 , 29 are also in the common housing 30 , preferably a pressure-contactable housing, angeord Nete. The sandwich-like structure of thyristor 21 , cooling element 25 and diode 22 within the housing 30 enables a very effective cooling of the two power semiconductor elements on the anode side or cathode side. Overall, a stronger current carrying capacity of the arrangement can thus be realized. The resulting lower component temperature is particularly advantageous for surge current loads because the maximum permissible surge current can be increased markedly. This also contributes to the fact that in the tandem arrangement the two separate power semiconductor elements are considerably thinner compared to a symmetrical thyristor.

Zur weiteren Illustration sind in den Fig. 4 und 5 Ergeb nisse von Temperatursimulationen dargestellt.For further illustration, results of temperature simulations are shown in FIGS . 4 and 5.

Fig. 4 zeigt im radialen Querschnitt eine Simulation für ei ne herkömmliche symmetrische lichtzündbare Thyristorstruktur, deren Radius r sich von r = 0 mm bis r = 45 mm erstreckt. Die sich beispielsweise unter typischen HGÜ-Anlagenbedingungen ergebende simulierte Temperaturverteilung [in °C] ist durch unterschiedliche Schattierungen dargestellt. Fig. 4 shows in radial cross section a simulation for egg ne conventional symmetrical light-ignitable thyristor structure, the radius r extends from r = 0 mm to r = 45 mm. The simulated temperature distribution [in ° C] that results, for example, under typical HVDC system conditions is represented by different shades.

Der Thyristor 32 ist auf der Kathodenseite über eine 700 µm dicke Silberronde und einen ca. 22 mm dicken Kupferblock e lektrisch und thermisch kontaktiert. Aussparungen 33 auf der Kathodenseite im Zentralbereich 34 erlauben einen Lichtzu tritt, um den Thyristor zu zünden. In den Aussparungen 33 be findet sich eine Amplifying-Gate-Struktur, die die Zündung des Thyristors einleitet, aber zum Ladungstransport keinen wesentlichen Beitrag leistet. Anodenseitig befinden sich zwi schen dem Thyristor und dem nicht näher dargestellten unteren Gehäusedeckel eine 3 mm dicke Molybdänplatte und ein ca. 18 mm dicker Kupferblock. Wie schematisch dargestellt, beträgt der Innenradius der Thyristorfläche ca. 8 mm und der Außenradius 45 mm. Bei der Simulation ist angenommen worden, dass die e lektrischen Verluste im aktiven Bereich des Thyristors eine homogene Aufheizung der Thyristorstruktur mit einer Wärme leistung von 7 kW bewirken. Die Temperatur am oberen Rand des kathodenseitigen Kupferblockes und am unteren Rand des ano denseitigen Kupferblockes ist auf 55°C fixiert worden. Unter diesen Bedingungen stellt sich eine Maximaltemperatur MX von über 90°C im mittleren Bereich ein.The thyristor 32 is electrically and thermally contacted on the cathode side via a 700 μm thick silver blank and an approximately 22 mm thick copper block. Recesses 33 on the cathode side in the central area 34 allow light to enter in order to ignite the thyristor. In the recesses 33 there is an amplifying gate structure which initiates the ignition of the thyristor, but makes no significant contribution to the charge transport. On the anode side, there is a 3 mm thick molybdenum plate and an approx. 18 mm thick copper block between the thyristor and the lower housing cover (not shown). As shown schematically, the inner radius of the thyristor surface is approximately 8 mm and the outer radius is 45 mm. During the simulation it was assumed that the electrical losses in the active area of the thyristor result in a homogeneous heating of the thyristor structure with a heat output of 7 kW. The temperature at the top of the cathode-side copper block and at the bottom of the ano-side copper block has been fixed at 55 ° C. Under these conditions, a maximum temperature MX of over 90 ° C is reached in the middle.

Im Vergleich dazu zeigt Fig. 5 eine entsprechende Simulation für einen asymmetrischen Thyristor und eine in Serie geschal tete Diode, wie sie in Fig. 3 bereits erläutert worden ist. Insoweit werden in Fig. 5 die Elemente, die den in Fig. 3 gezeigten Elementen entsprechen, mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.In comparison, FIG. 5 shows a corresponding simulation for an asymmetrical thyristor and a diode connected in series, as has already been explained in FIG. 3. In this respect, the elements in FIG. 5 which correspond to the elements shown in FIG. 3 are designated with the same reference symbols.

Zusätzlich zu einer äußeren Kühlung ist der wassergekühlte Kühlkörper 25 (vgl. Fig. 3) zwischen den asymmetrischen Thy ristor 21 und die in Serie geschaltete Diode 22 angeordnet. Der in Fig. 4 dargestellte kathodenseitige und der anoden seitige Kontaktaufbau ist auch für die Kontaktierung des a symmetrischen Thyristors übernommen worden. Bei der Simulati on wurde von der vereinfachten Annahme ausgegangen, dass die Dicke des asymmetrischen Thyristors und der Diode jeweils die Hälfte der Dicke des symmetrischen Thyristors entspricht. Ferner ist die erzeugte Verlustleistung bzw. die daraus re sultierende Wärmeleistung von 7 kW zwischen Thyristor und Dio de im Verhältnis 2 zu 1 aufgeteilt. Die aktive Fläche des a symmetrischen Thyristors ist gleich der Fläche für den sym metrischen Thyristor (Fig. 4) gewählt worden. Für die Diode ist angenommen worden, dass sich der Laststrom und damit die generierte Verlustwärme homogen über den Radiusbereich von r = 0 mm bis r = 45 mm erstreckt.In addition to external cooling, the water-cooled heat sink 25 (see FIG. 3) is arranged between the asymmetrical thyristor 21 and the diode 22 connected in series. The cathode-side and the anode-side contact construction shown in FIG. 4 has also been adopted for contacting the a symmetrical thyristor. The simulation was based on the simplified assumption that the thickness of the asymmetrical thyristor and the diode each correspond to half the thickness of the symmetrical thyristor. Furthermore, the power loss generated or the resulting re heat output of 7 kW between thyristor and Dio de is divided in a ratio of 2 to 1. The active area of the symmetrical thyristor has been chosen equal to the area for the symmetrical thyristor ( Fig. 4). It has been assumed for the diode that the load current and thus the generated heat loss extends homogeneously over the radius range from r = 0 mm to r = 45 mm.

Die in Fig. 5 dargestellte Simulation lässt erkennen, dass die Maximaltemperatur in den Leistungshalbleiterbauelementen bei ca. 70°C liegt, wobei auch hier die Temperatur der Kühl flächen mit 55°C angenommen wurde. Auf dieser Temperatur lie gen wie auch bei der Fig. 4 zugrundeliegenden Simulation der obere Rand des kathodenseitigen Kupferblockes und der untere Rand des anodenseitigen Kupferblockes. Ebenfalls sind für die beiden Kontaktflächen des integrierten Kühlelementes 25 Tem peraturen von 55°C angenommen worden.The simulation shown in FIG. 5 reveals that the maximum temperature in the power semiconductor components is approximately 70 ° C., the temperature of the cooling surfaces here also being assumed to be 55 ° C. At this temperature, as in the simulation on which FIG. 4 is based, the upper edge of the cathode-side copper block and the lower edge of the anode-side copper block lie. 25 Tem temperatures of 55 ° C have also been assumed for the two contact surfaces of the integrated cooling element.

Mit der erfindungsgemäßen Anordnung lässt sich also entweder die Bauelementetemperatur erheblich senken und damit deren Leistungsbereich erheblich erhöhen oder ein erheblicher Teil der Kühlvorrichtungen und damit des Raumbedarfs einsparen. Bei geeigneter Dimensionierung ist auch der Einbau mehrerer Kühlkörper und Leistungshalbleiterbauelemente in ein gemein sames Druckkontaktgehäuse möglich. Bevorzugt werden dabei un ter Zwischenlage von n Kühlelementen (n + 1) Leistungshalb leiterelemente vorgesehen. With the arrangement according to the invention, therefore, either significantly lower the component temperature and thus their Increase performance range significantly or a significant portion the cooling devices and thus save space. With suitable dimensions, the installation of several is also Heat sink and power semiconductor components in one common complete pressure contact housing possible. Un are preferred ter interleaving of n cooling elements (n + 1) ladder elements provided.

LIST OF REFERENCE NUMBERS

11

Druckkontaktgehäuse
Pressure contact housing

22

Leistungshalbleiterelement
Power semiconductor element

44

Gehäuseoberseite
Housing top

55

Kupferstempel
copper temple

66

Unterseite
bottom

1010

Kühlelement
cooling element

1212

Anschlussstutzen
spigot

1414

Anschlussstutzen
spigot

1616

Einlaufstutzen
flowguide

1818

Auslassstutzen
outlet

1919

Bereich
Area

2020

Messpunkt
measuring point

2121

Thyristor
thyristor

2222

Diode
diode

2525

Kühlelement
cooling element

2626

Einlassstutzen
inlet port

2727

Auslassstutzen
outlet

2828

Kupferblock
copper block

2929

Kupferblock
copper block

3030

Gehäuse
casing

3232

Thyristor
thyristor

3333

Aussparungen
recesses

3535

Zentralbereich
MX Maximaltemperatur
r Radius
Central area
MX maximum temperature
r radius

Claims

1. Power semiconductor arrangement
with a pressure contactable housing ( 1 ), in which at least one power semiconductor element ( 2 ) is arranged, and
having a cooling element ( 10 ) which can be flowed through by a coolant for cooling the power semiconductor element ( 2 ),
characterized by
that the cooling element ( 10 ) is arranged within the pressure-contactable housing ( 1 ).

2. Power semiconductor arrangement according to claim 1, characterized in that a plurality of cooling elements ( 10 ) are arranged within the housing.

3. Power semiconductor arrangement according to claim 1, characterized in that the cooling element ( 25 ) between two power semiconductor elements ( 21 , 22 ) is arranged.

4. Power semiconductor arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the or the power semiconductor element (s) ( 21 , 22 ) via one or more in the pressure-contactable housing ( 30 ) arranged copper blocks ( 28 , 29 ) are electrically contacted.