DE1439250C

DE1439250C - High-performance equivalents based on semiconductors for momentary loads

Info

Publication number: DE1439250C
Application number: DE19631439250
Authority: DE
Inventors: Adolf Dr rer nat 8551 Pretzfeld. Schering Hans 1000 Berlin Herlet
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1963-06-25
Filing date: 1963-06-25
Publication date: 1973-02-01

Description

Hochleistungsgleichrichter mit einkristallinem Halbleiterkörper sind gewöhnlich in einem Gehäuse untergebracht, das nicht mehr als ein einziges derartiges Gleichrichterbauelement umschließt. Das ist dadurch begründet, daß ein wirtschaftlicher Dauerbetrieb nur dann gewährleistet ist, wenn für das Gleichrichterbauelement eine verhältnismäßig hohe Stromdichte, fast so hoch wie für metallische Leiter, zugelassen und für eine entsprechend gute Wärmeabfuhr der im Halbleiterkörper entstandenen Verlustwärme an das Gehäuse und an mit diesem verbundene Kühleinrichtungen, wie Rippen, Flüssigkeitskanäle usw., gesorgt wird. Demgegenüber wiid mit der F.rfindung die Aufgabe gelöst, einen Spezialtyp eines Hochleistungsgleichrichters für Momentanbelastung zu schaffen, der mit dem maximal zulässigen Durchlaßstrom nur fallweise jedesmal während einer winzigen Zeitspanne bis zu höchstens einigen Millisekunden Dauer beansprucht wird, während zwischen den einzelnen Beanspruchungsfällen längere Zeiträume bis zu einer Dauer von mehreren Stunden oder sogar Tagen liegen, in denen die Gleichrichter nicht beansprucht werden. Demgemäß betrifft die Erfindung einen Hochleistungsgleichrichter auf Halbleiterbasis für Momentanbelastung. Ein solcher Hochleistungsgleichrichter ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß in einem Gehäuse ein unter Federdruck stehender Stapel von mehreren hintereinandergeschalteten hochsperrenden Gleichrichterbaiielementen mit flachen einkristallinen Halbleiterkörpern, deren Flachseiten vollständig oder überwiegend von flächenhaften Kontaktelektroden bedeckt sind, derart angeordnet ist, daß höchstens eines der Gleichrichterbauelemente mit einem Wärme aus dem fnnenraum des Gehäuses nach außen abführenden Teil des Gehäuses wärmeleitend verbunden ist. Dadurch wird eine wesentliche Vereinfachung erzielt gegenüber bekannten Gleichrichter-Reihenschaltungen, bei denen mehrere vollständige Zellen hintcreinandergesehaltet sind, deren jede ein eigenes Gehäuse mit einem einzigen einkristallinen Halbleiterkörper darin aufweist. High-performance rectifiers with a single-crystal semiconductor body are usually housed in a housing, which encloses no more than a single such rectifier component. That's because of it justifies that economic continuous operation is only guaranteed if for the rectifier component a relatively high current density, almost as high as for metallic conductors, is permitted and for a correspondingly good heat dissipation of the heat losses generated in the semiconductor body the housing and cooling devices connected to it, such as ribs, fluid channels, etc., is taken care of. In contrast, the problem is solved with the invention, a special type of high-performance rectifier for instantaneous load to create the one with the maximum permissible forward current only occasionally each time during a tiny Period of time up to a maximum of a few milliseconds in duration is claimed while between the individual cases of stress for longer periods of time up to a duration of several hours or even Days when the rectifiers are not used. Accordingly, the invention relates to a high performance semiconductor rectifier for instantaneous loads. Such a high power rectifier is characterized according to the invention that in a housing a spring-loaded Standing stack of several high-blocking rectifier elements connected in series with flat monocrystalline semiconductor bodies, the flat sides of which are completely or predominantly of Flat contact electrodes are covered, is arranged such that at most one of the rectifier components with a part of the housing that dissipates heat from the interior of the housing to the outside is thermally connected. As a result, a significant simplification is achieved compared to known ones Rectifier series circuits in which several complete cells are placed one behind the other each of which has its own housing with a single single crystal semiconductor body therein.

Bekannt sind Halbleiter-Gleichrichterzellen mit , einem Gehäuse, das einen unter Federdruck stehen-■ den Stapel von mehreren hintereinandergeschalteten Gleichrichterbauelementen mit einkristallinen Halbleiterkörpern derart umschließt, daß nur eines der Gleichrichterbauelemente mit einem Wärme aus dein Zelleninneren nach außen abführenden Teil des Zellengehäuses wärmeleitend verbunden ist. Diese bekannten Gleichrichterzellen sind jedoch nur für verhältnismäßig geringe Leistungen geeignet, da ihre Halbleiterkörper bzw. die darauf befindlichen Kontaktelektroden sehr kleine Abmessungen haben. Bei ihnen bietet daher eine ausreichende Kühlung selbst bei Daucrbelastung so wenig Schwierigkeiten, daß sich Erwägungen der oben angegebenen besonderen Art erübrigen.Semiconductor rectifier cells are known with a housing that is under spring pressure the stack of several rectifier components connected in series with monocrystalline semiconductor bodies encloses such that only one of the rectifier components with a heat from your Inside the cell, the part of the cell housing leading away to the outside is connected in a thermally conductive manner. This known rectifier cells are only suitable for relatively low power because their Semiconductor bodies or the contact electrodes located thereon have very small dimensions. at Therefore, sufficient cooling offers them so little difficulty, even under constant load, that considerations of the special kind specified above are superfluous.

In der Zeichnung sind verschiedene Ausführungsbeispiele von verbesserten Hochleistungsgleichrichtern in den Fig. 1 bis 3 veranschaulicht. Fig. 4 enthält das Schaltschema einer Stromunterbrechungs- (^ ψ anordnung, in der ein solcher Hochleistungsgleichrichter mit besonderem Vorteil verwendbar ist.In the drawing, various exemplary embodiments of improved high-performance rectifiers are illustrated in FIGS. 1 to 3. Fig. 4 contains the circuit diagram of a current interruption (^ ψ arrangement in which such a high-performance rectifier can be used with particular advantage.

Nach Fig. 1 sind mehrere, und zwar im vorliegenden Fall acht Halbleiterbauelemente, von denen jedes einen kurzzeitigen, z. B. 10 msec dauernden Spitzenwert des Stromes von 3000 A und einen Spitzenwert der Sperrspannung von 2000 V vertragen möge, übereinandergestapelt und von einem Gehäuse umschlossen. Das Gehäuse besteht aus einer metallenen Grundplatte 3, z. B. aus Kupfer, einer ebensolchen Deckplatte 4 und einem zylinderförmigen keramischen Mittelteil 5. Die Ränder des Mittelteils sind außen metallisiert und über hart angelötete Verbindungsringe 6 und 7 mit der Grundplatte 3 bzw. der Deckplatte 4 fest verbunden. Die Gleichrichterbauelemente stehen unter dem Druck eines Stapels von Tellerfedern 8, die zwischen der Deckplatte 4 und dem Teller 9 b eines Stempels 9 eingespannt sind. Der Schaft des Stempels 9 ist durch zentrale kreisrunde Aussparungen der Tellerfedern 8 hindurchgeführt und in einer Bohrung der Deckplatte 4 mit Gleitsitz axial beweglich angeordnet. Ein gasdichter Abschluß ist mittels eines angelöteten Membrandeckels 10 erzielbar. Zur Befestigung von Anschlußleitungen befinden sich an der Grundplatte 3 und am Schaft des Stempels 9 mit Gewinde versehene Ansätze 3 α bzw. 9 a. According to Fig. 1 are several, in the present case eight semiconductor components, each of which has a short-term, z. B. 10 msec lasting peak value of the current of 3000 A and a peak value of the reverse voltage of 2000 V may tolerate, stacked on top of each other and enclosed by a housing. The housing consists of a metal base plate 3, for. B. made of copper, such a cover plate 4 and a cylindrical ceramic central part 5. The edges of the central part are metallized on the outside and firmly connected to the base plate 3 and the cover plate 4 via brazed connecting rings 6 and 7. The rectifier components are under the pressure of a stack of plate springs 8, which are clamped between the cover plate 4 and the plate 9 b of a stamp 9. The shaft of the punch 9 is passed through central circular recesses in the plate springs 8 and is arranged to be axially movable in a bore in the cover plate 4 with a sliding fit. A gas-tight seal can be achieved by means of a soldered-on membrane cover 10. For the attachment of connecting lines there are on the base plate 3 and on the shaft of the punch 9 provided with threads lugs 3 α and 9 a.

In Fig. 2 sind Einzelheiten aus Fig. I in vergrößertem Maßstab dargestellt. Danach können die Gleichrichterbauelemente 2 z. B. wie folgt aufgebaut sein: Ein .scheibenförmiger hochohmiger Siliziumeinkristall 11 vom p-Typ mit einem Durchmesser von 20 mm und einer Dicke von 0,3 mm, dessen oberer Teil zwecks Erhöhung der Überschlagspannung auf einen kleineren Durchmesser von beispielsweise 14 mm abgesetzt ist, hat auf der Oberseite eine Goldelektrode 11 a, hergestellt durch Einlegieren einer Goldfolie mit einem Antimongehalt von etwa 0,5 Gewichtsprozent, wodurch eine hochdotierte n-leitende Rekristallisationsschicht und ein pn-übergang zwischen dieser und der schwach dotierten p-leitenden Mittelzone entstanden sind. Auf der Unterseite ist die Siliziumscheibe mit einer einlegierten Aluminiumelektrode 11 b und einer zugleich mit anlegierten Molybdän-Trägerplatte 12 von z. B. 0,5 mm DickeIn Fig. 2 details from Fig. I are shown on an enlarged scale. Thereafter, the rectifier components 2 z. B. be constructed as follows: A. Disk-shaped high-resistance silicon monocrystal 11 of the p-type with a diameter of 20 mm and a thickness of 0.3 mm, the upper part of which is offset to increase the flashover voltage to a smaller diameter of, for example 14 mm, has a gold electrode 11a on the top , made by alloying a gold foil with an antimony content of about 0.5 percent by weight, which creates a highly doped n-conducting recrystallization layer and a pn junction between this and the lightly doped p-conducting central zone. On the underside is the silicon wafer with an alloyed aluminum electrode 11 b and a molybdenum carrier plate 12 of z. B. 0.5 mm thickness

versehen. Die oberen und die unteren Begrenzungsflächen der Gleichrichterbauelemente 2 sind eben geläppt. Zwischen je zwei Bauelementen 2 ist eine Silberfolie 13 eingefügt. Zwischen dem untersten Gleichrichterbauelement und einem Ansatz 3 b der Grundplatte 3, dessen obere Auflagefläche versilbert sein kann und gleichfalls eben geläppt ist, befindet sich eine Silberfolie 14. Die Silberfolien 13 und 14 seien z. B. 0,03 mm dick. Zwischen dem obersten Gleichrichterbauelement und dem Stempelteller 9 b ist eine Molybdänscheibe 15 von beispielsweise 0,3 mm Dicke angeordnet, die auf ihrer Unterseite mit einer 0,01 mm dicken Silberauflage 15 α versehen ist. Ihre Ober- und Unterseite sind eben geläppt.Mistake. The upper and lower boundary surfaces of the rectifier components 2 are lapped flat. A silver foil 13 is inserted between every two components 2. Between the lowermost rectifier component and an approach 3 b of the base plate 3, the upper bearing surface of which can be silver-plated and also lapped flat, is a silver foil 14. The silver foils 13 and 14 are, for. B. 0.03 mm thick. Between the top rectifier component and the plunger plate 9 b , a molybdenum disk 15, for example 0.3 mm thick, is arranged, which is provided on its underside with a 0.01 mm thick silver coating 15 α. Their top and bottom are lapped flat.

Die Tellerfedern 8 werden vorteilhaft so stark gewählt, daß die Gleichrichterbauelemente mit einem Flächendruck von etwa 100 kg/cm² bis zu einigen 100 kg/cm² zusammengepreßt werden. Auf diese Weise werden zwischen den einzelnen Gleichrichterbauelementen 2 des Stempels sowie auch zwischen dem Stapel und den Anschlußteilen 3 und 9 hochwertige Druckkontaktverbindungen erzielt, die sowohl den elektrischen Strom als auch die Wärme gut leiten, ohne daß zu ihrer Herstellung ein Lot- oder Schweißvorgang erforderlich war.The plate springs 8 are advantageously chosen to be so strong that the rectifier components are pressed together with a surface pressure of about 100 kg / cm ² up to a few 100 kg / cm ² . In this way, high quality pressure contact connections are achieved between the individual rectifier components 2 of the stamp as well as between the stack and the connection parts 3 and 9, which conduct both the electrical current and the heat well, without soldering or welding being necessary for their manufacture .

F i g. 3 zeigt einen anderen Aufbau eines Hochleistungsgleichrichters, bei dem oberhalb jedes Gleichrichterbauelementes zur Verlängerung des äußeren Überschlagweges eine Molybdänscheibe 15 vorgesehen ist. Durch einen Temperprozeß mit einer Temperatur von etwa 250° C bei betriebsmäßigem Druck kann erreicht werden, daß die Kontaktflächen zwischen beiden, von denen nach der obigen Schilderung die eine überwiegend aus Gold und die andere aus Silber besteht, im Verlauf von 2 bis 3 Stunden durch Diffusion fest miteinander verwachsen, so daß eine unlösbare Dauerverbindung entsteht. Die Temperung kann beispielsweise vor dem Einbau des Stapels in das Gehäuse ausgeführt werden. Die Molybdänscheiben 15 vergrößern die Wärmekapazitat des Stapels. Das Gehäuse hat einen zylindrischen Körper 16, z. B. aus Stahl, der an einem Ende mit Innengewinde versehen ist und am anderen Ende einen stirnseitigen Innenflansch 16 α aufweist. In die Bohrung dieses Flansches ist ein Kupferstempel 17 eingesetzt, der mit einem elektrisch isolierenden Mantel 17 a teilweise umkleidet ist. Die Innenwandung des Gehäuses ist mit einem elektrisch isolierenden Futter 18 ausgekleidet, das von unten in den Gehäusekörper 16 eingeschoben wird und an seinem oberen Ende innen abgesetzt ist, derart, daß es sich mit dem Isoliermantel 17 a überlappt. Die Stärke der Isolation (z. B. Polytetrafluoräthylen, Hartgummi od. dgl.) und die Breite der Überlappung richten sich nach der Anzahl der Halbleiterbauelemente bzw. nach der Höhe der Spannung, mit der die Gleichrichter im Betrieb beansprucht werden.F i g. 3 shows another construction of a high-performance rectifier, in which a molybdenum disk 15 is provided above each rectifier component to lengthen the external flashover path. By means of a tempering process at a temperature of about 250 ° C. at normal operating pressure, the contact surfaces between the two, of which, according to the description above, one predominantly consists of gold and the other of silver, pass through in the course of 2 to 3 hours Diffusion firmly fused together, so that an indissoluble permanent connection is created. The tempering can be carried out, for example, before the stack is installed in the housing. The molybdenum disks 15 increase the heat capacity of the stack. The housing has a cylindrical body 16, e.g. B. made of steel, which is provided at one end with an internal thread and at the other end has a front inner flange 16 α . In the bore of this flange, a copper stamp 17 is used, which is partially covered with an electrically insulating jacket 17 a. The inner wall of the housing is lined with an electrically insulating lining 18, which is inserted from below into the housing body 16 and is offset on the inside at its upper end, such that it overlaps with the insulating jacket 17 a. The strength of the insulation (e.g. polytetrafluoroethylene, hard rubber or the like) and the width of the overlap depend on the number of semiconductor components or the level of voltage with which the rectifiers are stressed during operation.

Das unterste Gleichrichterbauelement des Stapels ruht auf dem Teller eines zweiten Stempels 19, auf dessen Schaft ein Stapel von Tellerfedern 8 mit zentralen kreisrunden Ausnehmungen aufgereiht ist. Die Anzahl der Tellerfedern richtet sich nach der Anzahl der Druckkontaktverbindungen bzw. der Gleichrichterbauelemente 2. Es empfiehlt sich, etwa ebenso viele Tellerfedern wie Gleichrichterbauelemente vorzusehen, mindestens jedoch drei. Der Federstapel ist zwischen zwei Stahlscheiben 21, 22 angeordnet. Das Gegenlager für den Federstapel bildet ein stählerner Verschlußdeckel 20, der in das Innengewinde des Gehäusekörpers 16 mit einem dazu passenden Außengewinde eingeschraubt ist. Diese Schraubverbindung ermöglicht eine Einstellung des Federdruckes an dem fertigen Gleichrichter. Zum Verstellen des Gewindes ist die Außenfläche des Deckels mit mehreren Versenkungen versehen, in die ein passender Schraubenschlüssel eingesetzt werden kann. In einer Zentralbohrung des Verschlußdeckels 20 ist der Schaft des Druckstempels 19 mit Gleitsitz axial beweglich angeordnet.The lowermost rectifier component of the stack rests on the plate of a second stamp 19 the shaft of which is a stack of disc springs 8 lined up with central circular recesses. the The number of disc springs depends on the number of pressure contact connections or the rectifier components 2. It is advisable to provide about as many disc springs as rectifier components, but at least three. The spring stack is arranged between two steel disks 21, 22. The Counter bearing for the spring stack forms a steel cap 20, which is in the internal thread of the Housing body 16 is screwed in with a matching external thread. This screw connection enables the spring pressure to be set on the finished rectifier. For adjusting the thread the outer surface of the lid is provided with several indentations into which a matching Wrench can be used. In a central bore of the closure cover 20 is the Shank of the plunger 19 with a sliding fit arranged to be axially movable.

Im Schaltschema der F i g. 4 bezeichnet S die Hauptunterbrechungsstelle eines Leistungsschalters für Hochspannung, der in einem Leitungszug L-L₁ liegt. Die Hauptunterbrechungsstelle 5 ist überbrückt durch einen Nebenstromzweig, der die Reihenschaltung eines Hochleistungsgleichrichters G der oben beschriebenen Bauart und eines Hilfsunterbrechers H enthält. Der Hauptschalter S kann zwecks Unterbrechung eines den Leitungszug L-L₁ durchfließenden Stromes während einer in Durchlaßrichtung des Gleichrichters G gerichteten Stromhalbwelle ohne nennenswerte Beanspruchung geöffnet werden. In der darauffolgenden Halbperiode kann auch durch den Nebenstromzweig kein Strom fließen, weil der Gleichrichter G in dieser Richtung sperrt. Infolgedessen kann in dieser Zeit der Hilfsunterbrecher H ohne nennenswerte Beanspruchung geöffnet werden. Will man eine gewisse Beanspruchung des Hauptschalters beim Öffnen desselben zulassen und dafür die Beanspruchung des Gleichrichters G herabsetzen, so kann man zu diesem Zweck im Nebenstromzweig einen Widerstand R in Reihenschaltung vorsehen.In the circuit diagram of FIG. 4, S denotes the main interruption point of a circuit breaker for high voltage, which is located in a line LL ₁ . The main interruption point 5 is bridged by a secondary branch which contains the series connection of a high-performance rectifier G of the type described above and an auxiliary interrupter H. The main switch S can be opened for the purpose of interrupting a current flowing through the line LL ₁ during a current half-wave directed in the forward direction of the rectifier G without any significant stress. In the following half-cycle, no current can flow through the bypass branch either, because the rectifier G blocks in this direction. As a result, the auxiliary interrupter H can be opened without significant stress during this time. If you want to allow a certain stress on the main switch when it is opened and to reduce the stress on the rectifier G , a resistor R can be provided in series for this purpose in the bypass branch.

Schaltet man zur Hauptunterbrechungsstelle S einen zweiten Nebenstromzweig H₁, G₁ und gegebenenfalls R₁ mit entgegengesetzter Durchlaßrichtung des Gleichrichters G₁ parallel, so kann der Schalter S in einem beliebigen Zeitpunkt unter erleichterten Bedingungen geöffnet werden. Danach können die Hilfsschalter H und H₁ jeweils während der Sperrzeiten der mit ihnen in Reihe liegenden Gleichrichter G, G₁ geöffnet werden.Is switched to the main interrupt point S a second bypass branch H _1, G ₁ and optionally R ₁ with opposite forward of the rectifier G ₁ in parallel, so the switch S can be opened under easier conditions at any one time. The auxiliary switches H and H ₁ can then be opened during the blocking times of the rectifiers G, G ₁ in series with them.

Ein geeignetes Verriegelungs- und Steuersystem ist in F i g. 4 schematisch angedeutet. Danach sind, solange der Hauptschalter S geschlossen ist (Stellung b), die Hilfsschalter H und H₁ in geschlossenem Zustand gesperrt, was durch ein unter Federdruck stehendes mechanisches Gestänge B symbolisch veranschaulicht ist. Durch Öffnen des Hauptschalters S bis in die Stellung α werden die Hilfsschalter entsperrt, jedoch wird der Hilfsschalter des stromübernehmenden Nebenweges durch eine von diesem Strom erregte Haltespule weiterhin geschlossen gehalten, während der Hilfsschalter des anderen Nebenweges, der gerade gesperrt ist, durch eine der Haltespule entgegenwirkende Kraft geöffnet wird, die in der Zeichnung nicht mit dargestellt ist.A suitable locking and control system is shown in FIG. 4 indicated schematically. Thereafter, as long as the main switch S is closed (position b), the auxiliary switches H and H _{1 are} locked in the closed state, which is symbolically illustrated by a mechanical linkage B under spring pressure. By opening the main switch S to the position α , the auxiliary switches are unlocked, but the auxiliary switch of the current-taking bypass is kept closed by a holding coil excited by this current, while the auxiliary switch of the other bypass, which is currently blocked, is counteracted by a holding coil Force is opened, which is not shown in the drawing.

Beim Schließen des Hauptschalters 5 bleibt das Gestänge B zunächst in einer Raststellung stehen. Diese Möglichkeit ist in dem Schema durch ein Langloch angedeutet. Die Hilfsschalter H und H₁ bleiben infolgedessen geöffnet, bis der Hauptschalter S wieder in seine Endstellung B gelangt. Erst dann wird das Gestänge B aus seiner Raststellung gelöst, so daß es unter der Wirkung des erwähnten Federzuges die Hilfsschalter H und H₁ schließt und geschlossen hält.When the main switch 5 is closed, the linkage B initially remains in a detent position. This possibility is indicated in the diagram by an elongated hole. As a result, the auxiliary switches H and H ₁ remain open until the main switch S returns to its end position B. Only then is the linkage B released from its detent position, so that it closes the auxiliary switches H and H ₁ and keeps them closed under the action of the mentioned spring tension.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

Patent claims:

1. High-performance rectifier based on semiconductors for instantaneous loads, characterized in that that in a housing is a spring-loaded stack of several high-locking devices connected one behind the other Rectifier components with flat monocrystalline Semiconductor bodies, the flat sides of which are completely or predominantly made up of flat contact electrodes are covered, is arranged such that at most one of the rectifier components is connected in a thermally conductive manner to a part of the housing which dissipates heat to the outside from the interior of the housing.

2. High-power rectifier according to claim 1, characterized in that each rectifier component has a molybdenum disk on both flat sides and that the two molybdenum disks have different diameters.

3. The use of a high power rectifier according to claim 1 or 2 in a die Main interruption point of a high-voltage circuit breaker bridging secondary branch, in which an auxiliary breaker is connected in series with the rectifier.