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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Halbleiterbaugruppe für die Gleichrichtereinheit eines Schweißtransformators und eine Gleichrichtereinheit als solche.
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Obwohl die Erfindung nachfolgend im wesentlichen unter Bezugnahme auf Widerstandsschweißsysteme beschrieben ist, ist sie nicht auf eine derartige Anwendung beschränkt.
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Bei bekannten Transformatoranordnungen, insbesondere Schweißtransformatoranordnungen für Widerstandsschweißsysteme, die eine relativ hohe Ausgangsleistung bereitstellen müssen, besteht das Bedürfnis, insbesondere die elektrischen Komponenten des Sekundär- bzw. Ausgangskreises ausreichend zu kühlen. Es ist beispielsweise bekannt, umgeformte Kupferrohre als Sekundärwicklung zu verwenden, wobei während des Betriebs ein Kühlfluid bzw. Kühlmedium durch die Kupferrohre geleitet wird, um die Wicklung ausreichend zu kühlen. Um die schwache mechanische Festigkeit dieser Konstruktion zu verbessern, werden die Kupferrohre üblicherweise an Trägerbauteile wie z. B. die Flächen zum Anschluss der Wicklung angeschweißt. Durch den Schweißvorgang wird dem Material jedoch Wärme zugeführt, was die mechanischen Eigenschaften des Materials negativ beeinflusst und auch zu Oxidation von Bereichen führen kann, die danach aufwendig gereinigt werden müssen.
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Auch im Bereich des Ausgangsgleichrichters von Schweißtransformatoren ist aufgrund des relativ hohen Leistungsverlustes an den Gleichrichterdioden eine ausreichende Kühlung notwendig. Bekannte Lösungen, bei denen die Gleichrichterdioden mittels Kühlkörpern gekühlt werden, weisen den Nachteil auf, dass die Wärmeabfuhr und damit indirekt die Ausgangsleistung der Transformatoranordnung durch die relativ kleinen Kühlflächen eingeschränkt wird. Als Verbesserung wird in der
DE 103 34 354 A1 ein Flüssigkeitskühler für Leistungshalbleiter vorgeschlagen. Hier sind zwei voneinander elektrisch isolierte Kontaktstücke vorhanden, zwischen denen das Leistungshalbleiterelement angeordnet ist. Die Kontaktstücke weisen zu einem Leistungshalbleiterelement hin gerichtete offene Nut auf, welche als Kühlkanal für das Leistungshalbleiterelement dienen. Bei dieser Lösung steht der Leistungshalbleiter mit dem Kühlmedium in unmittelbarem Kontakt, was zu Korrosion führen kann und einen erhöhten Abdichtungsaufwand nach sich zieht. Außerdem können punktuelle Bereiche mit stark erhöhtem Wärmeauftreten (sog. ”hot spots”) nur schlecht gekühlt werden, soweit sie außerhalb des direkten Kontaktbereichs zwischen Halbleiter und Kühlmedium liegen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Halbleiterbaugruppe für die Ausgangsgleichrichtereinheit eines Schweißtransformators anzugeben, die einfacher und effektiver zu kühlen ist. Weiter ist es Aufgabe der Erfindung eine für eine solche Halbleiterbaugruppe geeignete Gleichrichtereinheit zu realisieren.
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Die Aufgabe bezüglich der Halbleiterbaugruppe wird gelöst durch den Gegenstand des Patentanspruches 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
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Die erfindungsgemäße Halbleiterbaugruppe ist zum Betrieb in einer Gleichrichtereinheit für einen Schweißtransformator geeignet. Sie ist vollständig mittels eines Gehäuses gekapselt.
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Das Gehäuse umfasst elektrisch leitende Anschlüsse, wobei die Anschlüsse gegenüber liegend angeordnet sind. Wenigstens zwei separate Hochstromdioden sind zwischen den sich gegenüberliegend angeordneten Anschlüssen eingebracht. Die Anoden der Hochstromdioden sind elektrisch voneinander isoliert und mit jeweils einem Anschluss elektrisch leitend verbunden. Die Katoden sind elektrisch leitend mit einem gemeinsamen Anschluss verbunden.
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Ein elektrischer Strom kann nur von dem ersten zum dritten Kontakt und/oder von dem zweiten zum dritten Kontakt fließen, nicht aber in umgekehrter Richtung. Da nun beide Hochstromdioden in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind und auch mittels eines gemeinsamen Halbleitermaterials realisiert sein können, kann eine effektivere und gleichmäßigere Kühlung der Hochstromdioden erreicht werden.
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Die Temperaturunterschiede innerhalb einer Gleichrichtereinheit mit einer erfindungsgemäßen Halbleiterbaugruppe, insbesondere an den Kontaktstellen zum Halbleiterbauelement, fallen geringer aus als bei bekannten Lösungen, welche mehrere voneinander separate Halbleiterbaugruppen verwenden.
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Die Anzahl der sogenannten ”hot spots” kann mittels der Erfindung vermindert werden. Unter ”hot spots” versteht man punktuelle Bereiche mit stark erhöhtem Wärmeauftreten, welche nur schlecht gekühlt werden können, soweit sie außerhalb des direkten Kontaktbereichs zwischen Halbleiter und Kühlmedium liegen. Solche ”hot spots” treten beispielsweise bei der mechanischen Kontaktierung der Halbleiterbaugruppe mit den Kontakten der Gleichrichtereinheit auf. Je mehr Kontakte erforderlich sind, desto höher ist das Risiko, dass derartige ”hot spots” auftreten.
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Ein gleichmäßigerer Temperaturverlauf innerhalb der Halbleiterbaugruppe und die Reduzierung der ”hot spots” hat zur Folge, dass sich die Lebensdauer der Anordnung insgesamt erhöht, so dass Wartungs- und Reparaturarbeiten aufgrund von Ausfällen der Halbleiterbaugruppe reduziert werden können. Eine für die Halbleiterbaugruppe hergestellte Gleichrichtereinheit kann außerdem kompakter und mechanisch weniger aufwändig realisiert werden, was die Kosten für eine solche Einheit reduziert.
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Es empfiehlt sich zum Schutz und zum hermetischen Abschluss der Halbleiterbaugruppe zwischen den kontaktseitigen Gehäuseseiten einen isolierenden Werkstoff vorzusehen, welcher die Hochstromdioden umschließt und zusammen mit den beiden sich gegenüberliegenden Gehäuseseiten die Stirnseiten des gemeinsamen Gehäuses bildet. Selbstverständlich wäre es auch möglich weitere zusätzliche Hochstromdioden vorzusehen, um weitere Gleichrichterzweige zu bilden. Das Gehäuse ist vorzugsweise scheibenförmig ausgebildet, wobei die Gehäusehöhe um ein Vielfaches geringer als der Gehäusedurchmesser ist, so dass sich ein flach bauendes Gehäuse ergibt, ähnlich dem Gehäuse einer Knopfzellenbatterie. Vorzugsweise umfasst eine Gehäuseseite eine Ausnehmung. Diese Ausnehmung erlaubt es das Gehäuse innerhalb der Gleichrichtereinheit derart zu arretieren, dass das Gehäuse innerhalb der Gleichrichtereinheit seine Position nicht verändern kann. Insbesondere im industriellen Anwendungsbereich treten häufiger auch Erschütterungen auf, welche zu einer Positionsveränderung des Gehäuses führen könnten.
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Damit die Halbleiterbaugruppe für die Verwendung in Verbindung mit Widerstandsschweißanlagen geeignet ist, werden die Hochstromdioden derart dimensioniert, dass diese jeweils mit Strömen von bis zu 15 kA betrieben werden können.
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Die Gehäuseplatten bestehen vorzugsweise aus einem nicht korrodierenden Material (z. B. versilbertes Kupfer) oder es ist zumindest eine Korrossionsschutzbeschichtung (z. B. Versilberung) vorgesehen. Dies verhindert, dass das Gehäuse beispielsweise bei unmittelbarem Kontakt mit einem Kühlfluid oder bei hoher Luftfeuchtigkeit korrodiert.
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Die Erfindung liefert ebenfalls die Lösung zur Realisierung einer Gleichrichtereinheit für einen Schweißtransformator mit einer Vorrichtung zur Aufnahme einer Halbleiterbaugruppe. Vorzugsweise handelt es sich um eine Halbleiterbaugruppe gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.
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Die Vorrichtung ist mit einem ersten und mit einem zweiten Kontakt zur Herstellung einer elektrisch leitenden Verbindung mit den Anschlusskontakten der Anoden der Halbleiterbaugruppe versehen. Zusätzlich ist die Vorrichtung mit einem dritten Kontakt zur Herstellung einer elektrisch leitenden Verbindung mit dem Anschlusskontakt der Kathoden der Halbleiterbaugruppe versehen. Der erste und der zweite Kontakt sind jeweils auf einer ersten Kontakthalterung und der dritte Kontakt ist auf einer zweiten Kontakthalterung angeordnet. Beide Kontakthalterungen sind dabei gegenüberliegend angeordnet.
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Die Gleichrichtereinheit ist somit geeignet die bereits weiter oben beschriebene Halbleiterbaugruppe aufzunehmen, so dass von dem ersten zum dritten sowie gleichzeitig von dem zweiten zum dritten Kontakt ein elektrischer Strom geleitet werden kann, nicht aber in entgegen gesetzter Richtung. Damit ergibt sich eine Gleichrichtereinheit, welche mittels nur drei Kontakten zur Anbindung zweier Hochstromdioden an einen Mittelfrequenztransformator auskommt. Die reduzierte Anzahl der Kontakte reduziert auch die Anzahl der Temperaturübergänge und damit auch die Anzahl der „hot spots”. Der Temperaturverlauf innerhalb der Gleichrichtereinheit wird harmonisiert. Temperaturbedingten mechanischen Spannungen wird vorgebeugt, was auch die Qualität des Kontaktes erhöht.
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Besonders bevorzugt umfasst die Gleichrichtereinheit Kühlkanäle, wobei die Kühlkanäle vorzugsweise in unmittelbarer Nähe der Kontakte und/oder innerhalb der Kontakte verlaufen. Das Kühlfluid könnte auch in unmittelbaren Kontakt mit dem Gehäuse der Halbleiterbaugruppe gebracht werden.
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Mittels der Verwendung von sogenannten Kühlkontaktplatten zwischen dem Anschlusskontakten am Gehäuse der Halbleiterbaugruppe und den Kontakten der Gleichrichtereinheit könnte vermieden werden, dass das Gehäuse der Halbleiterbaugruppe unmittelbar mit dem Kühlfluid in Verbindung steht.
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Die Kühlkontaktplatte wird dann vom Kühlfluid gekühlt und trägt dazu bei, das Gehäuse der Halbleiterbaugruppe insbesondere vor Korrosion zu schützen und darüber hinaus eine gleichmäßige Kühlung des Halbleiterbauelements zu gewährleisten. Ein bevorzugtes Kontaktplatten material ist beispielsweise Kupfer oder Aluminium, welches eine hohe Wärmeleitfähigkeit besitzt. Somit können insbesondere ”hot spots” noch effektiver gekühlt werden. Die Kontaktplatte wirkt zugleich als Stromleitungskontakt und als Kühlfläche. Da kein direkter Kontakt zwischen dem Gehäuse des Halbleiterbauelementes und dem Kühlfluid besteht, kann die Abdichtung vereinfacht werden, da insbesondere bei einem Defekt nur das Halbleiterbauelement zwischen den Kontaktplatten ausgewechselt werden muss und kein Zugriff auf das Dichtungsmaterial nötig ist. Es bietet sich an, das Kühlfluid durch Kühlkanäle auf der dem Gehäuse der Halbleiterbaugruppe abgewandten Seite der Kontaktplatte zu führen, wobei die Fläche zwischen dem Kühlfluid und der Kontaktplatte im Bereich des Halbleiterbauelements möglichst groß sein sollte. Gleichzeitig sollte die Ausgestaltung und Anordnung der Kanäle einen möglichst geringen Einfluss auf die Gleichmäßigkeit der Stromdichte durch die Halbleiterbaugruppe nehmen. Weiterhin sollte bei der Ausgestaltung der Kanäle darauf geachtet werden, einen möglichst geringen Druckabfall beim Durchfluss des Kühlfluids durch die Kanäle zu erreichen, was beispielsweise durch einen möglichst großen Kanalquerschnitt und durch Parallelzweige möglich ist.
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Es empfiehlt sich, dass wenigstens eine Kontaktplatte mittels einer Federkraft auf das Halbleiterbauelement gedrückt wird. Damit ist für das Halbleiterbauelement eine vorgebbare schwebende Einspannung erzielbar, wodurch die erforderlichen Einspannungskräfte für die Halbleiterbaugruppe, die aufgrund der temperaturbedingten Ausdehnung möglichst geringfügig schwanken sollen, gewährleistet werden sollen. Auch muss ein möglichst gleichmäßiger Druck auf die Anschlusskontakte am Gehäuse der Halbleiterbaugruppe gewährleistet werden, um einen geringeren Widerstand zwischen den Anschlusskontakten der Halbleiterbaugruppe und den Kontakten der Gleichrichtereinheit oder den Kontaktplatten zu gewährleisten. Zusätzlich kann somit eine möglichst gleichmäßige Stromdichte innerhalb der Halbleiterbaugruppe sowie eine gleichmäßige, flächige Kühlung des Halbleiterbauelements erreicht werden.
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Die erfindungsgemäße Gleichrichtereinheit weist vorzugsweise zumindest einen kontaktseitigen Vorsprung auf, welcher der Arretierung der erfindungsgemäßen Halbleiterbaugruppe innerhalb der Gleichrichtereinheit dient. Es wird diesbezüglich auf die Beschreibung weiter oben verwiesen.
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Vorzugsweise ist von der Gleichrichtereinheit ein Mittel umfasst, mittels dessen der Abstand der sich gegenüberliegenden Kontakthalterungen veränderbar ist. Dies erleichtert das Einlegen bzw. Herausnehmen der Halbleiterbaugruppe in die bzw. aus der Gleichrichtereinheit und ermöglicht eine geführte Kontaktierung.
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Die Gleichrichtereinheit ist mit einem elektronischen Schaltkreis verbunden, mittels dessen Pulsströme von bis zu 50 kA, vorzugsweise 5 kA bis 50 kA bei einer Pulsbreite von bis zu 500 ms, vorzugsweise 10 ms bis 500 ms, erzeugbar sind, um die Anwendung für das Widerstandsschweißen zu ermöglichen.
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Die Erfindung ermöglicht auch die Realisierung eines kompakten Mittelfrequenztransformators für eine Widerstandsschweißvorrichtung, welcher die zuvor beschriebene Gleichrichtereinheit umfasst. Mittels eines solchen Mittelfrequenztransformators ist vorzugsweise eine Widerstandsschweißvorrichtung realisierbar, bei der der den Kathoden zugewandte Kontakt mit zumindest einer Schweißelektrode einer Schweißzange elektrisch verbunden ist und diese mit einem pulsierenden Schweißstrom versorgt.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch erläuterten Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Es werden einige mögliche Ausführungsformen der Erfindung nur beispielhaft beschrieben. Diese Beispiele sollen den Erfindungsgedanken in keiner Weise auf eine dieser Ausführungen beschränken. Sie dienen lediglich zur Veranschaulichung der erfindungsgemäßen Idee.
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1 zeigt schematisch die Anbindung der erfindungsgemäßen Halbleiterbaugruppe an einen Schweißtransformator.
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2 zeigt das Blockschaltbild einer Widerstandsschweißvorrichtung unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Halbleiterbaugruppe.
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3 zeigt grob schematisch vereinfacht die kontaktseitigen Komponenten einer erfindungsgemäßen Gleichrichtereinheit.
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Das in 1 gezeigte Bauelement 12 umfasst die erfindungsgemäße Halbleiterbaugruppe, welche das zentrale Bauelement für die Gleichrichtereinheit eines Schweißtransformators repräsentiert. Das Bauelement umfasst ein Gehäuse, welches die erfindungsgemäße Halbleiterbaugruppe 12 vollständig umschließt.
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Das Gehäuse umfasst elektrisch leitende Anschlüsse, wobei die Anschlüsse teilweise auch gegenüber liegend angeordnet sind. Wenigstens zwei separate Hochstromdioden sind zwischen den sich gegenüberliegend angeordneten Anschlüssen angeordnet. Die Anoden der Hochstromdioden sind elektrisch voneinander isoliert und mit jeweils einem Anschluss am Gehäuse elektrisch leitend verbunden. Die Kathoden der Hochstromdioden sind elektrisch leitend mit einem gemeinsamen Anschluss verbunden. Die Anoden der Hochstromdioden sind hier im Bild sekundärseitig mit der Wicklung eines Mittelfrequenzschweißtransformators 11 elektrisch leitend verbunden. Die Kathoden der Hochstromdioden bilden einen ersten Anschluss +, 13 für eine erste Schweißelektrode. Die Wicklung des Mittelfrequenztransformators ist Sekundärseitig mit einem Mittelabgriff versehen. Dieser Mittelabgriff bildet einen zweiten Anschluss –, 13 für eine zweite Schweißelektrode. Primärseitig ist die in 1 gezeigte Anordnung mit einem Wechselstromanschluss U, V und mit einem Anschluss für Erdungszwecke (PE) versehen. Die Gesamtanordnung, bestehend aus Mittelfrequenztransformator 11, Bauelement 12 und Schweißelektrodenanschlüssen 13, kann kompakt in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht werden, welches idealerweise unmittelbar an einer Schweißzange angeordnet ist. Vom Bauelement umfasst sind ebenfalls Strommessspulen und Temperatursensoren, sowie Mittel zur Messung der Spannungen an den Hochstromdioden.
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Es ist besonders bevorzugt, wenn das Halbleiterbauelement als scheibenförmige Gleichrichterdiode ausgebildet ist. Insbesondere bei Gleichrichterdioden, an denen üblicherweise, insbesondere bei Schweißanwendungen, eine relativ hohe Leistung abfällt, ist eine effektivere Kühlung nötig, die bei der beschriebenen Ausgestaltung erreicht wird.
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Es ist besonders bevorzugt, wenn die Hauptstromrichtung von der Sekundärwicklung zur Halbleiterbaugruppe im wesentlichen senkrecht auf der Haupterstreckungsebene des scheibenförmigen Gehäuses steht. In diesem Fall kann die Halbleiterbaugruppe direkt mit der Sekundärwicklung bzw. einem entsprechenden Trägerbauteil verbunden werden, wodurch teure Stromverbindungen, wie z. B. ein Lamellenband, eingespart werden können. Weiterhin wird durch diese Ausgestaltung der notwendige Bauraum reduziert. Die Transformatoranordnung kann kleiner ausfallen und preiswerter hergestellt werden.
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Die in 2 gezeigte Widerstandsschweißvorrichtung umfasst einen Mittelfrequenzinverter 31 und ein Frontend 30, welches die erfindungsgemäße Halbleiterbaugruppe umfasst.
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Der Mittelfrequenzinverter 31 ist zum Betrieb an einem 3-Phasennetz 21, L1, L2, L3 mit 50/60 Hz – Netzfrequenz geeignet. Er umfasst eine interne Spannungsversorgung 22, welche unmittelbar am 3-Phasennetz U1, V1, W1 angeschlossen ist. Die Spannungsversorgung 22 dient zur Energieversorgung der von der Widerstandsschweißvorrichtung umfassten Recheneinheit 23 und der von der von der Widerstandsschweißvorrichtung umfassten Transistor-Invertereinheit 26, welche mittels des Zwischenkreisspeichers 25 und einer Diodengleichrichterbrücke 24 direkt ebenfalls an das 3-Phasennetz U1, V1, W1 angeschlossen ist und von der Recheneinheit 23 ansteuerbar ist. Die Transistor-Invertereinheit 26 erzeugt eine Netzspannung U2, V2 zur Versorgung des Frontends 30 mit einer Netzfrequenz im Mittelfrequenzbereich. Die Recheneinheit 23 steuert die Transistor-Invertereinheit 26 derart an, dass diese Pulsströme von 5 kA bis 50 kA bei einer Pulsbreite von 10 ms bis 500 ms erzeugt.
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Das Frontend 30 umfasst einen Schweißtransformator 27, welcher primärseitig U, V an die von der Invertereinheit 26 erzeugte Netzspannung U2, V2 angeschlossen ist. Sekundärseitig versorgt der Schweißtransformator 27 die Gleichrichtereinheit 28. Die Anordnung umfasst auch eine Schweißzange mit zwei Schweißelektroden 29a, b, wobei die Kathoden der erfindungsgemäßen Halbleiterbaugruppe mit einer der beiden Schweißelektroden 29a, b elektrisch leitend verbunden sind und wobei die jeweils andere Schweißelektrode mit dem sekundärseitigen Mittelabgriff des Mittelfrequenzschweißtransformators verbunden ist.
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Ein Teil der Komponenten der erfindungsgemäßen Gleichrichtereinheit ist in 3 grob schematisch und stark vereinfacht gezeigt. Diese Komponenten dienen in erster Linie zur Aufnahme und zur Kontaktierung der erfindungsgemäßen Halbleiterbaugruppe 36.
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Die Komponenten bestehen aus einem ersten 35 und einem zweiten 34 Kontakt zur Herstellung einer elektrisch leitenden Verbindung zu den Anoden der Halbleiterbaugruppe 36. Die Komponenten bestehen weiter aus einem dritten Kontakt 32 zur Herstellung einer elektrisch leitenden Verbindung mit den Kathoden der Halbleiterbaugruppe 36. Der erste 35 und der zweite 34 Kontakt ist auf einer ersten Kontakthalterung 45 und der dritte Kontakt 32 auf einer zweiten Kontakthalterung 31 angeordnet. Beide Kontakthalterungen 45, 31 sind sich gegenüberliegend angeordnet und voneinander beabstandet. Zwischen den Kontakten ist die erfindungsgemäße Halbleiterbaugruppe 36 mit ihren Anschlusskontakten 37a, b, 38 angedeutet.
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Die Kontakthalterungen 45, 31 und/oder die Kontakte 35, 34, 32 umfassen Kühlkanäle 46, welche vorzugsweise in unmittelbarer Nähe der Kontakte 35, 34, 32 und/oder innerhalb der Kontakte 35, 34, 32 verlaufen und beispielsweise mittels Bohrungen realisiert sein können. Vorteile einer Kühlung wurden bereits erläutert. Zum Anschluss an einen externen Kühlkreislauf sind an der Gleichrichtereinheit auch entsprechende Anschlüsse vorgesehen (nicht gezeigt).
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Die Kontakthalterungen 45, 31 der erfindungsgemäßen Gleichrichtereinheit umfasst zumindest einen kontaktseitigen Vorsprung 44 zur Arretierung der Halbleiterbaugruppe 36. Ebenso umfasst die erfindungsgemäße Halbleiterbaugruppe 36 zumindest an einer Gehäuseseite eine Ausnehmung 43, in welche die Arretierung, vorzugsweise in Form eines Vorsprunges, eingreifen kann. Dies bewirkt eine Arretierung der Halbleiterbaugruppe zumindest parallel zur Ebene der Kontakthalterungen 45, 31, unabhängig von der Anordnung der Gleichrichtereinheit innerhalb der horizontalen oder vertikalen räumlichen Ebene.
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Zusätzlich ist ein Mittel umfasst, mittels dessen der Abstand der sich gegenüberliegenden Kontakthalterungen 45, 31 stufenlos veränderbar ist (nicht gezeigt) ist, so dass die erfindungsgemäße Halbleiterbaugruppe 36 auch senkrecht zu den Ebenen der Kontakthalterungen 45, 31 arretierbar ist. Vor allem bei Montage der erfindungsgemäßen Gleichrichtereinheit an einem Schweißroboter hat dies den Vorteil, dass die Halbleiterbaugruppe 36 unabhängig von der räumliche Lage der Gleichrichtereinheit stets fest in der Gleichrichtereinheit arretiert ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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