DE1193611B

DE1193611B - Einrichtung in einer Stromrichteranlage mit Halbleitergleichrichterelementen zum Schutze gegen starke temperaturbedingte Wechsel-festigkeitsbeanspruchungen

Info

Publication number: DE1193611B
Application number: DES70019A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Karl Seethaler
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1960-08-20
Filing date: 1960-08-20
Publication date: 1965-05-26

Description

Einrichtung in einer Stromrichteranlage mit Halbleitergleichrichterelementen zum Schutze gegen starke temperaturbedingte Wechselfestigkeitsbeanspruchungen Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung in einer Stromrichteranlage mit Halbleitergleichrichterelementen und insbesondere häufigem Lastwechsel, wie auf Fahrzeugen zur Speisung von Gleichstromfahrmotoren, zum Schutz der Halbleiterbauelemente gegen starke temperaturbedingte Wechselfestigkeitsbeanspruchungen an den mechanischen Verbindungsstellen benachbarter Aufbauteile der Halbleitergleichrichterelemente, insbesondere bei einem sich nach sehr tiefen Temperaturen erstreckendem Temperaturintervall.
Hierbei ist insbesondere an solche Halbleiterbauelemente gedacht, die auf der Basis eines Halbleiters aus oder nach Art von Germanium oder Silizium arbeiten, d. h. solche, die in der Lage sind, betriebsmäßig absolut und spezifisch je Flächeneinheit des gleichrichtenden Übergangs, -z. B. pn-Übergang, hohe Nennströme zu führen. An solchen Halbleiterbauelementen ergibt sich aber auch eine spezifisch hohe elektrische Verlustwärme, die in wirksamer Weise abzuführen- ist. An solchen Halbleiterbauelementen ist gewöhnlich bereits auf Grund ihres normalen betrieblichen Einsatzes mit relativ großen Temperaturänderungen zwischen Leerlauf und Vollast zu rechnen. Diese ergeben- aber entsprechende Dehnungsänderungen an den Aufbauelementen des einzelnen Gleichrichterelementes. Es können sich daher an den Verbindungsstellen aneinandergrenzender Aufbauelemente verschiedener thermischer Ausdehnungskoeffizienten gegebenenfalls beachtliche mechanische Spannungen ergeben. Diese wiederum können zu Nachteilen in der Erhaltung der Betriebstüchtigkeit der Halbleiterbauelemente führen, wenn gegen eine solche nachteilige Wirkung nicht durch einen besonderen Aufbau der Halbleiterbauelemente eine entsprechende Vorsorge getroffen wird. Für einen solchen sind dann einander benachbart liegende thermisch beanspruchte Teile möglichst aus Werkstoffen mit nahe benachbarten thermischen Ausdehnungskoeffizienten zu wählen. Ferner kann an solchen Verbindungsstellen benachbarter Aufbauelemente ein entsprechender stufenweiser Übergang über mehrere Körper aus entsprechenden verschiedenen Stoffen benutzt werden, damit ein entsprechender abgestufter Übergang in den thermischen Ausdehnungen zwischen den Endkörpern der Verbindungsstelle geschaffen ist und die jeweilige Verbindungsstelle zwischen zwei Zwischenkörpern dieses Übergangs nur in relativ geringerem Maße mechanisch beansprucht werden kann.
Ist nun ein Halbleiterbauelement in einem Stromrichter eingesetzt, an welchem insbesondere nicht nur mit den durch die entwickelte Stromwärme bedingten Temperaturänderungen, sondern auch noch mit solchen zufolge der Änderungen der Umgebungstemperaturen gerechnet werden muß, indem also ein solcher Gleichrichter insbesondere auch gegebenenfalls sehr niedrigen Umgebungstemperaturen ausgesetzt sein kann, so muß dieses dadurch bestimmte größere Temperaturintervall naturgemäß ebenfalls einwandfrei beherrscht werden, damit es- nicht zu unerwünschten Alterungserscheinungen an der Halbleitergleichrichterzellekommen kann. Es ist hierbei insbesondere an die Temperaturen gedacht, die im Winter in bestimmten Gegenden mit Werten weit unter dem Nullpunkt der Celsiusskala auftreten können. Solche Fälle können insbesondere dann auftreten, wenn ein solcher Stromrichter aus Halbleiterbauelementen auf einem Fahrzeug z. B. zur Speisung des elektrischen Antriebs desselben eingebaut ist.
Zur Lösung der hierdurch vorgezeichneten Aufgabestellung ist bei einer Einrichtung in einer Stromrichteranlage -der eingangs angeführten Art erfindungsgemäß an den Halbleitergleichrichterelementen eine entsprechende unmittelbare oder mittelbare Beheizung vorgesehen, welche bei sehr niedriger Umgebungstemperatur und dem vorübergehenden Wegfall oder starkem Absinken des. über die Halbleitergleichrichterelemente fließenden Verbraucher-Laststromes die Temperatur an den Halbleitergleichrichterelementen nicht unter einem vorbestimmten unteren, oberhalb der Umgebungstemperatur der Anlage liegenden Grenzwert absinken läßt. Der Erfindung liegt dabei der Gedanke zugrunde, daß die betriebsmäßig an den Halbleiterbauelementen eines solchen Stromrichters auftretenden Temperaturänderungen zwischen dem Vollastbetrieb und dem Leerlaufbetrieb, also z. B. während der Speisung des Antriebes des Fahrzeuges und seinem Leerlauf bzw. bei Fahrzeug-Stillstand sich dadurch herabsetzen lassen, daß während des Einsatzes des Stromrichters einer Absenkung der Temperatur an den Halbleiterbauelementen auf die niedrigen in Rechnung zu stellenden Temperaturwerte vorgebeugt wird, indem die einzelnen Halbleiterbauelemente, auch wenn ihre laststromwärmeabhängige Beheizung entfällt oder stark absinkt, trotzdem auf einem gewissen Mindesttemperaturwert gehalten werden. Das an den Halbleiterbauelementen z. B. eines Fahrzeug-Stromrichters mit großer Häufigkeit durchlaufende und die mechanische Beanspruchung der Halbleiterbauelemente bestimmende Temperaturintervall ist dann wesentlich kleiner, als es sonst der Fall wäre, und damit braucht auch das einzelne Halbleiterbauelement nur für geringere temperaturbestimmte Wechselfestigkeitsbeanspruchungen gebaut bzw. bemessen zu werden, als es sonst bei Nichtanwendung der grundsätzlichen Erfindung der Fall wäre.
Diese betriebsmäßige Begrenzung des Absinkens der Temperatur der Halbleiterbauelemente auf einem sehr niedrigen Temperaturwert entsprechend der Umgebungstemperatur kann im Rahmen der grundsätzlichen Erfindung auf verschiedenen Lösungswegen erreicht werden.
So kann beispielsweise der Stromrichter derart aufgebaut werden, daß abhängig von dem Absinken oder dem Herunterschalten des über die eigentlichen Verbraucher fließenden Laststromes durch selbsttätiges Einschalten einer Hilfsbelastung des Stromrichters doch ein gewisser Grundlaststrom über die Halbleiterbauelemente und dadurch ein bestimmter Stromwärmeleistungsanfall an diesen aufrechterhalten wird, gegebenenfalls in Verbindung mit einem Vergleich der Temperatur an den Halbleiterbauelementen bzw. eingeschlossenen Halbleiterelementen und der absoluten jeweilig herrschenden Umgebungstemperatur.
Nach einem anderen Lösungsweg kann eine besondere Beheizung der einzelnen Halbleiterbauelemente stattfinden, sobald der Laststrom wegfällt oder stark absinkt, z. B. auch über das sonst zu ihrer Kühlung dienende strömende Mittel.
Schließlich kann auch die normalerweise an den Halbleiterbauelementen benutzte Kühlung abgesenkt werden, sobald der Belastungsstrom über den Stromrichter unter einen vorbestimmten Grenzwert absinkt, so daß also die Gleichrichterelemente nur noch entsprechend schwächer gekühlt sind und bereits bei einem geringen über sie fließenden Belastungsstrom trotzdem noch durch die an ihnen anfallende Joulesche bzw. elektrische Verlustwärme auf einem solchen Temperaturwert gehalten werden, daß der erwünschte untere Temperaturgrenzwert nicht unterschritten wird. Diese Beheizung der Gleichrichterelemente, ihre Grundbelastung oder ihre Kühlung werden - wie bereits erwähnt - naturgemäß zweckmäßig im Wege eines Vergleichs mit der Außentemperatur in Wirkung gesetzt, um eine möglichst vollkommene Arbeitsweise der Anlage im Sinne der erfindungsgemäßen Zielsetzung zu erreichen. Im Rahmen der Erfindung können auch mehrere der angegebenen Lösungswege gemeinsam benutzt werden.
Bekannt war ein Transistor-Temperaturregler für Transistorkreise zur erwünschten Aufrechterhaltung der Temperaturen der Transistoren auf oder über einer Mindesttemperatur bei der überwachung der Veränderung verschiedener Transistorparameter, in welchem ein Transistorkreis benutzt wird zur Regelung der Temperatur anderer Transistoren, um diese Temperatur auf oder oberhalb eines Mindestwertes zu halten.
Zur näheren Erläuterung der Erfindung an Hand eines Ausführungsbeispieles wird nunmehr auf die Zeichnung Bezug genommen.
In dieser bezeichnet 1 einen Kühlkanal, in welchem eine Reihe von Halbleitergleichrichterelementen 2 untergebracht sind, über welche ein oder mehrere nicht besonders dargestellte Verbraucher gespeist werden. Für die Kühlung der Gleichrichterelemente 2 wird durch einen von dem Motor 3 angetriebenen Lüfter 4 in dem Kühlkanal ein entsprechender Luftstrom erzeugt. Am unteren Ende dieses Kühlkanals ist eine einstellbare Klappe 5 vorgesehen, durch welche die Menge der zuströmenden Kühlluft regelbar ist. An dem untersten der Gleichrichterelemente 2 ist eine Temperaturmeßeinrichtung 6 vorgesehen. Ferner ist noch eine Temperaturmeßeinrichtung 7 vorgesehen, durch welche die Temperatur der umgebenden Luft bzw. der Außenluft gemessen wird. Die von den beiden Temperaturmeßorganen gelieferten elektrischen Meßwerte werden in einer Einrichtung 8 verglichen und abhängig von dem sich ergebenden Vergleichswert werden über nur ihrer Wirkungslinie 9 bzw. 10 nach angedeutete übertragungseinrichtungen entweder die Klappe 5 zur Regelung des Kühlluftstromes oder/und der Lüfter 4 in seiner Wirkung durch Veränderung der elektrischen Speisung des Elektromotors 3 in der erwünschten Weise angepaßt. Der Vergleich in der Einrichtung 8 wird derart vorgenommen, daß die Temperatur der Gleichrichter stets nur bis auf einen bestimmten Wert oberhalb der von dem Organ 7 gemessenen Temperatur absinken kann.

Claims

Patentansprüche: 1. Einrichtung in einer Stromrichteranlage mit Halbleitergleichrichterelementen für häufigen Lastwechsel, wie auf Fahrzeugen zur Speisung von Gleichstromfahrmotoren, zum Schutze der Halbleiterbauelemente gegen starke temperaturbedingte Wechselfestigkeitsbeanspruchungen an den mechanischen Verbindungsstellen benachbarter Aufbauteile der Halbleitergleichrichterelemente, insbesondere bei einem sich nach tiefen Temperaturen zu erstreckenden Betriebsintervall, dadurch gekennzeichnet, daß an den Halbleitergleichrichterelementen eine entsprechende unmittelbare oder mittelbare Beheizung vorgesehen ist, welche bei sehr niedriger Umgebungstemperatur und dem vorübergehenden Wegfall oder starkem Absinken des über die Halbleitergleichrichterelemente fließenden Verbraucher-Laststromes die Temperatur an den Halbleitergleichrichterelementennicht unter einem vorbestimmten unteren, oberhalb der Umgebungstemperatur der Anlage liegenden Grenzwert absinken läßt. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß abhängig vom Absinken des über den Verbraucher fließenden Laststromes über die Halbleiterbauelemente ein Strom zur Speisung einer Hilfsbelastung entnommen wird. 3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß abhängig vom Absinken des über den Verbraucher fließenden Laststromes eine zusätzliche Beheizung der Halbleiterbauelemente eingeschaltet wird. 4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß abhängig vom Absinken des über den Verbraucher fließenden Laststromes die Intensität der Kühlung der Halbleiterbauelemente herabgesetzt wird. 5. Einrichtung nach den Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterbauelemente über ein sonst zu ihrer Kühlung dienendes Mittel mittelbar oder unmittelbar beheizt werden. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Auslegeschriften Nr. 1086 350, 1005 644, 1118 364; USA: Patentschrift Nr. 2 932 714.