DE1564371B2 - Gleichrichter aus einer Vielzahl von Halbleiterdioden - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Gleichrichter aus einer Vielzahl von Halbleiterdioden für Kraftfahrzeuggeneratoren.

Einphasen- und Dreiphasen-Halbleitergleichrichter dieser Art, bei denen die Gleichrichter insbesondere in Brückenschaltungen verschaltei sind, sind bekannt (belgische Patentschrift 663 890). Um Polungsfehlern und Anschlußschwierigkeiten aus dem Wege zu gehen, werden beim bekannten Gleichrichter Anschlußelektroden zwischen zwei aus elektrisch isolierendem Material bestehenden Platten gehalten, die ihrerseits Ausnehmungen aufweisen, in die von der Außenseite her Halbleiterdioden einsetzbar sind, die so mit den Anschlußelektroden in elektrischem Kontakt stehen. Diese Anschlußelektroden sind flache Scheiben, an deren einer Seite die Anodenelektroden der einen Hälfte der Halbleiterdioden und auf deren anderer Seite die Kathodenelektroden der anderen Hälfte der Halbleiterdioden abgestützt sind.

Auch andere Gleichrichter aus einer Vielzahl von Halbleiterdioden arbeiten mit massiven metallischen Abstands- und Kontaktstücken als Träger (deutsches Gebrauchsmuster 1 898 526, französische Patentschrift 1 284 882).

Es ist auch schon vorgeschlagen worden (deutsche Auslegeschrift 1 270 184), für die Kontaktierung von Halbleiterbauelementen einen U-förmig gebogenen Teil zu verwenden. Dieser stellt aber lediglich einen Federkontakt dar, dessen elastische Eigenschaften auf bekannte Weise zur Herstellung eines guten elektrischen Kontakts benützt werden.

Bei vielen Verwendungsarten- von Gleichrichtern aus einer Vielzahl von Halbleiterdioden aus starren Teilen treten dann Schwierigkeiten auf, wenn der Gleichrichter gelegentlich mechanischen Stoßen ausgesetzt wird, wie das beispielsweise für die Gleichrichter gilt, die in Kraftfahrzeugen zusammen mit der Lichtmaschine der Stromversorgung dienen. Kontaktfehler dürfen aber auch bei mechanischen Stoßbelastungen nicht zur Funktionsunfähigkeit des

Gleichrichters führen.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Gleichrichter einfacher Bauart mit möglichst wenig Einzelteilen und geringem Platzbedarf gegen Stoßbelastungen zu sichern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die außen liegenden Oberflächen der Anoden- und Kathodenelektroden der Dioden parallel zueinander angeordnet sind, daß die eine Hälfte

ίο der Halbleiterdioden mit einer Oberfläche eines ersten Wärmeabieiters über die außen liegenden Oberflächen ihrer Anoden verlötet ist und die andere Hälfte der Halbleiterdioden mit einer Oberfläche eines zweiten Wärmeabieiters über die außen liegenden Oberflächen ihrer Kathoden, daß die Wärmeableiter mit ihren die Lötverbindungen aufweisenden Seiten einander zugekehrt einander gegenüber und voneinander isoliert angeordnet sind und daß zwischen die nicht mit den Wärmeableitern verlöteten Elektroden der Halbleiterdioden jeweils U-förmig gebogene elastische Verbindungsplatten aus leitfähigem Material eingesetzt und mit den Elektroden verlötet sind, die die Halbleiterdioden in Richtung auf die Wärmeableiter druckbeaufschlagen.

Die U-förmig gebogene elastische Verbindungsplatte ist wirkungsvoll in der Lage, mechanische Stoßbelastungen aufzunehmen und auszugleichen, wobei eine ständige Funktion des Gleichrichters wirkungsvoll sichergestellt ist. Gleichzeitig werden die Halbleiterdioden durch die U-förmig gebogene elastische Verbindungsplatte jeweils in .Richtung auf die Wärmeableiter druckbeaufschlagt, wodurch für eine gute Wärmeableitung durch guten Wärmeübergangskontakt gesorgt wird. Überdies können die U-förmig gebogenen elastischen Verbindungsplatten, die aus leitfähigem Material bestehen und mit den anliegenden Elektroden der Halbleiterdioden verlötet sind, als Wechselstromeingangsklemmen dienen, so daß die Anzahl der erforderlichen Teile durch den Schutz gegen mechanische Stöße nicht erhöht wird. Wenige Einzelteile reichen vielmehr aus, was die Herstellung vereinfacht und verbilligt, sowie einen geringen Platzbedarf zur Folge hat.

In der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise veranschaulicht, und zwar zeigt

F i g. 1 eine bekannte Halbleiterdiode für Kraftfahrzeuggeneratoren,

F i g. 2 ein Schaltschema eines einen Dreiphasengleichrichter verwendenden Ladestromkreises,

F i g. 3 eine Draufsicht auf eine bekannte Einheit von auf einem Wärmeableiter angeordneten Halbleiterdioden, die den in F i g. 2 veranschaulichten Dreiphasengleichrichter bilden,

F i g. 4 eine Seitenansicht der in F i g. 3 dargestellten Einheit,

F i g. 5 eine Schnittansicht einer Halbleiterdiode für Kraftfahrzeuggeneratoren,

F i g. 6 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Gleichrichters für Kraftfahrzeuggeneratoren,

Fig. 7 eine Vorderansicht der Einheit gemäß F i g. 6 und

F i g. 8 in größerem Maßstab eine Teilansicht eines Gleichrichters für Kraftfahrzeuggeneratoren gemäß der Erfindung.

F i g. 1 zeigt einen Schnitt durch eine bekannte Halbleiterdiode für Kraftfahrzeuggeneratoren, in der Bezugszeichen 1 ein becherförmiges Gehäuse bezeich-

net, das aus Kupfer einer Dicke von 2,4 mm durch Pressen hergestellt ist.

Auf dem Boden des Diodengehäuses sind eine scheibenförmige Schicht 5 aus Lötmetall, ein Siliziumplättchen 4 mit durch Diffundieren von Bor oder Phosphor hergestelltem pn-übergang, eine zweite scheibenförmige Schicht 5 aus Lötmetall und schließlich ein Kupferblock 6, der die während des Betriebs der Diode erzeugten flüchtigen Wärmeimpulse absorbiert und gleichzeitig als Ausgang für eine Elektrodenleitung 3 verwendet wird, in der genannten Reihenfolge übereinandergeschichtet. Daraufhin wird das ganze Diodengehäuse erhitzt, um das Siliziumplättchen 4 mit dem Metallgehäuse 1 und dem Kupferblock 6 durch die scheibenförmigen Schichten 5 aus Lötmetall zu verlöten.

Dann wird eine Abdeckung in Form einer isolierenden Glasplatte 7, die an ihrem Umfang von einem Metallring 2, beispielsweise aus Eisen, umgeben ist und die in der Mitte von einer nach außen führenden Leitung 3 durchsetzt ist, mit dem Flansch des Diodengehäuses 1 elektrisch verschweißt, um eine Kapsel zu bilden, wodurch eine herkömmliche Halbleiterdiode für Kraftfahrzeuggeneratoren gebildet wird.

Bei einer solchen bekannten Diode für Kraftfahrzeuggeneratoren ist die Abdeckung 2 immer erforderlich, um das Diodengehäuse luftdicht zu halten und dadurch die Verschlechterung der Elemente zu verhindern. Da die Abdeckung gasdicht sein muß und von einem Leitungsdraht durchsetzt sein muß, ist die Anzahl der zum Herstellen erforderlichen Verfahrensschritte groß.

" Da das Einsetzen der Halbleiterdiode in den Wärmeableiter durch Einpressen geschieht, muß auch das Gehäuse der Diode aus einem Material bestehen, das dick genug ist, der mechanischen Beanspruchung zu widerstehen.

Da ferner die bekannten Halbleiterdioden für Kraftfahrzeuggeneratoren durch Einsetzen unter Druck hergestellt werden, muß das Diodengehäuse ziemlich groß sein und der Kontaktbereich zwischen dem Wärmeableiter und dem Diodengehäuse muß groß sein, um die Verteilung der während des Betriebs der Diode erzeugten Wärme zu erleichtern, und demnach ist die Diode selbst ziemlich groß.

Eine solche große Halbleiterdiode für Kraftfahrzeuggeneratoren ist unvorteilhaft, weil sie in einen engen Raum im Kraftfahrzeuggenerator eingebaut werden muß, so daß der Generator selbst oft groß sein muß.

Um einen Gleichstrom zum Laden einer Kraftfahrzeugbatterie und für die elektrischen Stromkreise eines Kraftfahrzeugs durch Gleichrichten eines Ausgangsstroms eines Wechselstromgenerators zu erhalten, der mit dem Motor direkt gekoppelt ist, wurde bisher ein Dreiphasengleichrichter verwendet, dessen Schaltschema in F i g. 2 dargestellt ist.

In Fig. 2 ist mit Bezugszeichen 101 ein Dreiphasenwechselstromgenerator für Kraftfahrzeuge, mit 102 eine Kraftfahrzeugbatterie und mit 103 und 103' Halbleiterdioden bezeichnet. Es ist zu bemerken, daß Zubehörteile, z. B. ein Ausschaltrelais, in der Zeichnung weggelassen sind. F i g. 3 zeigt ein Beispiel einer bekannten Anordnung von Halbleiterdioden, aus denen der genannte Dreiphasengleichrichter zusammengesetzt ist.

In F i g. 3 bezeichnen 104, 104' Metallwärmeableiter mit guter Wärmeleitfähigkeit, z. B. Kupferwärmeableiter, auf denen jeweils drei Kraftfahrzeuggeneratordioden 103 und 103' angeordnet sind. Gemäß einem bekannten Verfahren werden die Dioden am äußeren Umfang gerändelt und durch Druck in ein Loch im Wärmeableiter eingesetzt. Wenn jedoch eine bessere Wärmeleitfähigkeit erzielt werden soll, ist es besser, ein Verfahren zu verwenden, bei dem der Boden des Metallgehäuses, der eine der Elektroden der Halbleiterdiode bildet, am Wärmeableiter 104 durch Verlöten befestigt wird, wie in F i g. 4 veranschaulicht. Auf diese Weise wird durch Verwendung eines Paares Gleichrichtervorrichtungen, von denen jede aus drei Halbleiterdioden besteht, die auf einem Wärmeableiter angeordnet sind, und durch Anordnen der erforderlichen elektrischen Verbindungen hierzu ein Dreiphasengleichrichter hergestellt. Die auf dem ersten Wärmeableiter 104 vorgesehenen drei Halbleiterdioden 103 durchlaufen nämlich die Halbperiode¹ der Dreiphasenausgangsspannung des Kraftfahrzeuggenerators, wobei die Phasen jeweils um 120° in bezug zueinander versetzt sind, durchlaufen jedoch nicht die folgende Halbperiode. Andererseits arbeiten die drei Halbleiterdioden 103', die auf dem Wärmeableiter 104' angeordnet sind, entgegengesetzt zu den Dioden 103. Eine solche Dreiphasengleichrichtereinheit wird herkömmlicherweise durch Aufsetzen von Halbleiterdioden auf zwei kreisbogenförmigen Wärmeableitern hergestellt, wie in F i g. 3 dargestellt. Beim Einbau der Einheit in den Kraftfahrzeuggenerator werden die beiden Ableiter kreisförmig angeordnet. Eine solche Anordnung ist jedoch nicht vorteilhaft, wenn man in Betracht zieht, daß der Raum voll ausgenutzt werden soll.

Zum besseren Verständnis der Erfindung wird diese nun an Hand der F i g. 5 bis 7 beschrieben.

In F i g. 5 bezeichnet 8 ein schalenförmiges Diodengehäuse aus Kupfer von etwa 0,4 mm Dicke. Bei einem Vergleich der Dicke und der Größe dieses Gehäuses mit denen eines bekannten Diodengehäuses, wie in F i g. 1 dargestellt, ist festzustellen, daß die Dicke des Gehäusematerials von 2,4 mm auf 0,4 mm, das heißt, auf ein Sechstel, die Gehäusehöhe von 9,2 mm auf 2,3 mm, das heißt, auf ein Viertel, und der äußere Durchmesser des Gehäuses von 15,7 mm auf 8,6 mm, das heißt, auf etwa die Hälfte verringert ist und daß demnach das Diodengehäuse beträchtlich kleiner ist.

An Stelle eines bekannten Verfahrens zum Einsetzen einer Diode in einen Wärmeableiter unter Druck, wird der Boden des Diodengehäuses mittels eines eutektischen Lötmittels mit einem Schmelzpunkt von etwa 180° C mit dem Wärmeableiter direkt verbunden und ein Aufbau verwendet, bei dem eine Abdeckung wie bei einer bekannten Halbleiterdiode für Kraftfahrzeuggeneratoren zum gasdichten Verschließen nicht erforderlich ist.

Am Boden des schalenförmigen Diodengehäuses 8 sind eine scheibenförmige Schicht 5 einer Lötlegierung aus Blei, Indium und Silber mit einem Schmelzpunkt von etwa 280° C, eine dünne Platte 9 aus Kupfer, die Wärmeimpulse absorbiert, eine zweite scheibenförmige Schicht 11 des Lötmittels, ein SiIiziumplättchen 4, in dem durch Diffundieren von Bor oder Phosphor ein pn-übergang ausgebildet ist und dessen Flächen mit einem Überzug von SiO₂ versehen sind, eine dritte scheibenförmige Schicht 12 des Lötmittels und schließlich ein aus einem Kupferplättchen 13 bestehender und eine der Klemmen der Diode

bildender Abschluß, der die Wärmeimpulse absorbiert, in der beschriebenen Reihenfolge übereinandergeschichtet. Die zweite und dritte Lötmittelschicht sind ebenso wie die erste aus einem Lötmittel hergestellt, das einen Schmelzpunkt von etwa 280° C aufweist.

Daraufhin wird das Diodengehäuse in einem Heizofen mit inerter Atmosphäre auf etwa 400° C erhitzt, um alle genannten Teile gleichzeitig mit der ersten bis dritten Lötmittelschicht zu verlöten.

Bei einer solchen Halbleiterdiode nach F i g. 5 für Kraftfahrzeuggeneratoren wird eine Elektrodenleitung wie bei bekannten Vorrichtungen nicht verwendet, sondern statt dessen wird eine Plattenklemme 13 aus Kupfer verwendet. Das Aufsetzen der Halb- ¹S leiterdiode für Kraftfahrzeuggeneratoren auf dem Wärmeableiter und die elektrische Verbindung zur Herstellung eines Gleichrichters werden durch Verlöten des äußeren Bodens des Metallgehäuses 8 mit dem Wärmeableiter und durch Aufbringen einer Ver- z° bindungsplatte parallel zum Wärmeableiter auf der Klemme 13 bewirkt.

Wenn nun die obere Fläche des Abschlußmetallplättchens 13 nicht höher liegt als die obere Seite S des Diodengehäuses, kann zwischen dem Metallgehäuse 8, das eine der Elektrodenklemmen bildet, und der Metallplättchenelektrode 13, die die andere Elektrodenklemme bildet, nach Herstellen der elektrischen Verbindung ein Kurzschluß entstehen. Deshalb ist es wichtig, sicherzustellen, daß nach dem Verlöten aller Teile im Innern des Diodengehäuses die obere Fläche der übereinandergelegten Schichten, das heißt, die obere Fläche der Metallplättchenelektrode 13 höher liegt als die oberste Fläche S des Diodengehäuses.

Ferner ist es beim Herstellen der Halbleiterdiode ratsam, ein weiches Lötmittel zu verwenden, um eine Zerstörung des Elements durch Hitzeermüdung zu verhindern. Im Hinblick darauf wird das genannte gemischte Lötmittel verwendet.

Nach Fertigstellung der Halbleiterdiode werden die Spalten im Diodengehäuse mit einem hitzebeständigen isolierenden Füllstoff 10, beispielsweise Epoxyharz, gefüllt. Nach dem Verhärten widersteht das Epoxyharz einer Hitze von 250° C.

Beim Füllen des Gehäuses mit dem Füllstoff 10 muß darauf geachtet werden, daß die Flächen des Abschlußmetallplättchens 13 nicht mit dem Füllstoff bedeckt werden und daß das Halbleiterplättchen 4 vollständig abgedeckt ist. Der Grund hierfür ist folgender. Wenn der Füllstoff die Flächen des Abschlußmetallplättchens 13 bedeckt, kann keine vollständige elektrische Verbindung erzielt werden, wenn die Halbleiterdiode für Kraftfahrzeuggeneratoren in einen Stromkreis eingeschaltet wird, und wenn der Füllstoff das Halbleiterplättchen 4 nicht vollständig abdeckt, kann das Element beschädigt werden, da der SiO₂-FiIm, mit dem das Element 4 überzogen ist, sehr dünn ist.

Schließlich werden die Außenflächen des mit den erforderlichen Substanzen gefüllten Diodengehäuses zur Fertigstellung der Diode mit Zinn überzogen.

F i g. 6 zeigt einen Gleichrichter mit Halbleiterdioden nach F i g. 5 für Kraftfahrzeuggeneratoren nach der Erfindung.

In dieser Figur bezeichnen 105 und 105' Wärmeableiter aus einem Material mit guter Wärmeleitfähigkeit, beispielsweise Kupfer, und 106 eine Eingangsklemme für einen von einem Kraftfahrzeuggenerator erzeugten Dreiphasenwechselstrom.

F i g. 7 zeigt eine Vorderansicht des Gleichrichters nach F i g. 6, aus der der Aufbau der Einheit und die Art des Einsetzens der Dioden ersichtlich ist.

In dieser Figur bezeichnen die Bezugszeichen 103 und 103' die in F i g. 5 dargestellten Halbleiterdioden für Kraftfahrzeuggeneratoren.

Diese dünnen Dioden 103 und 103' sind an den Metallwärmeableitern durch ein Lötmittel mit verhältnismäßig niedrigem Schmelzpunkt, z. B. einem' aus 60 °/o Zinn und 40 % Blei bestehenden Lötmittel befestigt. Am oberen Wärmeableiter 105 wird die obere Fläche der Kathode der oberen Elektrode mit einem Lötmittel bei 215° C befestigt und der die Anode der Elektrode der Halbleiterdiode 103' bildende Boden des Diodengehäuses wird in gleicher Weise am unteren Wärmeableiter 105' mit einem Lötmittel bei 215° C befestigt.

Daraufhin werden die beiden mit den Halbleiterdioden versehenen Wärmeableiter 105 und 105' elektrisch isoliert und mit einem elektrisch isolierenden Zylinder 107, beispielsweise aus Hartgummi, und einer isolierenden Unterlegscheibe 108 Fläche auf Fläche befestigt. Dementsprechend liegt der Boden des Metallgehäuses für die Diode 103, das heißt, die Anode, der die Kathode der Diode 103' bildenden Metallelektrode gegenüber. Daraufhin wird eine elastische Metallplatte 106, z. B. aus Phosphorbronze, in eine federnde Form gebracht, wie in F i g. 8 dargestellt, und mit einem Lötmittel so eingesetzt, daß sie eine Eingangsklemme für den vom Kraftfahrzeuggenerator erzeugten Ausgangswechselstrom bildet, wodurch ein Dreiphasengleichrichter geschaffen wird.

Die in federnde Form gebrachte Metallplatte besitzt den Vorteil, einen mechanischen Stoß aufzufangen, wenn der Dreiphasengleichrichter einem mechanischen Impuls unterworfen wird.

Um den mechanischen Impuls aufzufangen, wird bei bekannten Vorrichtungen eine Pufferfeder zwischen das Gleichrichterelement in der Diode und den äußeren Leitungsdraht eingebaut. Gemäß der Erfindung kann der Aufbau der Diode jedoch im Vergleich hierzu vereinfacht werden und die Anzahl der Verbindungsdrähte kann verringert werden. Bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform ist die auf den Wärmeableiter aufzubringende Halbleiterdiode viel dünner ausgebildet. Daher ist selbst die gesamte Einheit eines Paares Fläche auf Fläche zueinander angeordneter Wärmeableiter zum Doppelweggleichrichten, wie auf der Zeichnung dargestellt, nicht höher als der einfache Wärmeableiter für die Halbweggleichrichtung, der mit drei herkömmlichen Halbleiterdioden für Kraftfahrzeuggeneratoren versehen ist. Dementsprechend ist diese Einheit im Hinblick auf den Raum in einem Kraftfahrzeuggenerator, in den die Einheit eingebaut werden soll, sehr vorteilhaft.

Obwohl in der beschriebenen Ausführungsform eine Kreisbogenform für den Wärmeableiter verwendet wird, unterliegt die Form des Wärmeabieiters keiner Beschränkung. Beispielsweise kann ein geradliniger oder ringförmiger Wärmeableiter verwendet werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Gleichrichter aus einer Vielzahl von Halbleiterdioden für Kraftfahrzeuggeneratoren, dadurch gekennzeichnet, daß die außen liegenden Oberflächen der Anoden- und Kathodenelektroden der Dioden (103, 103') parallel zueinander angeordnet sind, daß die eine Hälfte der Halbleiterdioden (103') mit einer Oberfläche eines ersten Wärmeabieiters (105') über die außen liegenden Oberflächen ihrer Anoden verlötet ist und die andere Hälfte der Halbleiterdioden (103) mit einer Oberfläche eines zweiten Wärmeableiters (105) über die außen liegenden Oberflächen ihrer Kathoden, daß die Wärmeableiter (105, 105') mit ihren die Lötverbindungen aufweisenden Seiten einander zugekehrt einander gegenüber und voneinander isoliert angeordnet sind und daß zwischen die nicht mit den Wärmeableitern verlöteten Elektroden der Halbleiterdioden (103, 103') jeweils U-förmig gebogene elastische Verbindungsplatten (106) aus leitfähigem Material eingesetzt und mit den Elektroden verlötet sind, die die Halbleiterdioden in Richtung auf die Wärmeableiter (105, 105') druckbeaufschlagen.