DE1564613B2 - Diodenhalterung mit zwei plattenfoermigen stromleitern - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine Diodenhalterung mit zwei plattenförmigen Stromleitern, mit einem zwischen diesen untergebrachten, ihre Parallelität und ihren gegenseitigen Abstand gewährleistenden rahmenförmigen Isolierkörper und mit mindestens einer innerhalb der durch die plattenförmigen Stromleiter und den rahmenförmigen Isolierkörper gebildeten Kammer liegenden Halbleiteranordnung, die ein zwischen scheibenförmigen Stromleitern angeordnetes Halbleiterplättchen, einen Preßdruck auf dieses ausübende Federkörper, einen weiteren, die Federkräfte übertragenden Isolierkörper und einen zwischen einem der plattenförmigen Stromleiter und einem letzterem zugewandten scheibenförmigen Stromleiter angeordneten, die Federkörper umgreifenden, nachgiebigen, bügeiförmigen Stromleiter, der die Federkörper elektrisch überbrückt, aufweist.

Bei derartigen Diodencinrichtungen, die insbesondere in Glcichrichteranlagen für Stromstärken in der Größenordnung von hundertcn und tausenden Ampere eingesetzt werden, ist die vom Strom abhängige Verlustleistung, die auf den Spannungsabfall an den Halbleiterplättchen und an in den Nutzstromkreis geschalteten Verbindungselementen zurückzuführen ist, beträchtlich. Die damit verbundene Aufheizung der Halbleiterplättchen und ihrer elektrischen Verbindungselemente begrenzt die Diodenleistung. Beispielsweise hat das Halbleiterplättchen einer Siliziumdiode mit einem Durchmesser von 16 mm einen Nenndauerstrom von 275 A, vorausgesetzt, daß die Temperatur des Halbleiterplättchens unterhalb eines oberen Grenzwertes von 190° C bleibt. Ein Strom im Halbleiterplättchen, bei dem diese obere Grenze auf die Dauer überschritten wird, verursacht eine Zerstörung der Diode und ihrer nachgiebigen Anschlußflächen. Insbesondere schmelzen bei der hohen Temperatur die angrenzenden, beidseitig an dem Halbleiterplättchen anliegenden, scheiben- oder plättchenförmigen Stromleiter, die üblicherweise aus Molybdän bestehen und als Schutzmittel gegen Auftreten von Wärmerissen vorgesehen sind.

Da dabei die der Verlustleistung äquivalente Wärmemenge je Zeiteinheit in sehr kleinen Volumina frei wird, kommt es zu verhältnismäßig erheblichen Temperaturanstiegen. Bei den vorher erwähnten Halbleiterplättchen aus Silizium steigt die Verlustleistung auf 550W, bezogen auf typische Betriebsbedingungen mit etwa 2000 A Scheitelstrom und einem maximalen Spannungsabfall von zwei Volt. Der zusätzlich infolge der geringen Masse der Diode auftretende, sehr schnelle Temperaturanstieg führt zu einer Zerstörung der Diode, wenn nicht Maßnahmen ergriffen werden, die die Betriebstemperatur unter Berücksichtigung der Stromstärke auf einem Wert halten, bei dem die Diode im Dauerbetrieb funktionstüchtig bleibt.

Gleichstromanlagen für sehr hohe Stromstärken in der Größenordnung von einigen zehntausend Ampere, etwa zur Lichtbogenschweißung, werden notwendigerweise mit einer großen Anzahl von Gleichrichterdioden ausgerüstet. Daher sind derartige Gleichrichteranlagen sehr voluminös und sperrig. In den Fällen, in denen die Größenordnung der in Betracht kommenden Ströme den Wert von hunderttausend oder hunderttausenden von Ampere erreicht, ergeben sich technische Schwierigkeiten und ein kostenmäßiger Aufwand, die die Möglichkeit einer Verwirklichung derartiger Anlagen in Frage stellen.

Insbesondere schließen es die erwähnten Schwierigkeiten aus, Siliziumdioden bei den in Betracht kommenden hohen Temperaturen einzusetzen, ohne daß die Betriebssicherheit auf einen nicht zu vertretenden Wert absinkt, selbst wenn man durch Steigerung der Zahl der Dioden versucht, die auftretenden Schwierigkeiten zu überwinden.

Bei Halbleiterdioden für hohe Stromstärken ist es bereits bekannt, ein Halbleiterplättchen und anliegende Zwischenscheiben zwischen zwei plattenförmigen Stromleitern anzuordnen und dabei durch Federdruck einen guten Wärmekontakt zwischen dem Halbleiterplättchen und einem der plattenförmigen Stromleiter zu erreichen. Die den Druck erzeugenden Federplatten dienen dabei gleichzeitig als elektrische Verbindung zwischen dem Halbleiterplättchen und dem zweiten plattenförmigen Stromleiter, so daß die Federplatten infolge Spannungsabfalls bei Stromfluß insbesondere an den vorhandenen schneidenförmigen Kontaktstellen zusätzlich aufgeheizt werden und durch überhöhte Temperatur ihre Federeigenschaften teilweise oder vollständig verlieren.

Weiter ist es bei derartigen Halbleiterdioden bekannt, Druckfedern, etwa Plattenfedern, durch nachgiebige Stromleiter in Form bandförmiger Bügel zu überbrücken und damit den wesentlichen Anteil des Diodenstromes von den Federkörpern abzuleiten. Diese Anordnung schließt jedoch bei hohen gleichzurichtenden Strömen eine nicht zu vernachlässigende direkte Erwärmung der Federplatten durch Stromfluß über die Umgebungstemperatur nicht aus, insbesondere nicht eine örtliche Erwärmung der die Druck- und damit die Kontaktflächen aufweisenden Federbereiche, da der Übergangswiderstand an der-

artigen Kontaktflächen erfahrungsgemäß bedeutend größer als der dem Querschnitt der Federn entsprechende elektrische Widerstand ist. Damit bleibt auch hier die Gefahr bestehen, daß zunächst die den Andruckflächen benachbarten Bereiche der Federkörper überhitzt werden und damit deren Federkraft nachläßt. Als Folge der Federkraftminderung erhöhen sich alle Kontaktwiderstände, und damit steigen die Gesamtverlustleistung sowie die Temperatur der Druckfedern und auch des Halbleiterplättchens weiter an, so daß schließlich die Diode zerstört wird.

Schließlich sind in ein Gehäuse eingeschlossene Einzeldioden mit vom Stromfluß freien Federplatten zur Erzeugung einer Andruckkraft bekannt. Eine Kontaktfläche ihrer Halbleiterplättchen steht in elektrischer und mechanisch unelastischer Verbindung mit einem Gehäusegrundkörper, die zweite Kontaktfläche in gleicher Weise mit einer ebenen Endfläche eines bolzenförmigen Anschlußleiters. Die Federkräfte werden über eine an dem Grundkörper befestigte Haube auf den bolzenförmigen Anschlußleiter übertragen. Eine Glimmerscheibe zwischen den Tellerfedern und dem Anschlußleiter verhindert einen direkten Kurzschluß der Diode über die Federn und die einen Teil des Diodengehäuses bildende Haube. Ein elastischer Einbau derartiger Dioden zwischen zwei plattenförmigen Stromleitern erscheint jedoch ausgeschlossen, da ihr Diodengrundkörper mit dem Anschlußleiter eine starre, unelastische Einheit bildet.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Belastbarkeit derartiger zwischen plattenförmigen Stromleitern angeordneter Gleichrichterdioden weiter zu erhöhen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei einer Diodenhalterung der eingangs genannten Art der die Federkräfte auf das Halbleiterplättchen mit den anliegenden scheibenförmigen Stromleitern übertragende Isolierkörper derart angeordnet ist, daß ein Stromübergang auf die Federkörper ausgeschlossen ist.

Ein derartig angeordneter Isolierkörper erhöht zwar wegen des fehlenden Nebenschlusses durch die Federkörper geringfügig den Gesamtwiderstand der Anordnung, verhindert aber mit Sicherheit eine unmittelbare Aufheizung der Federkörper durch Stromfluß und insbesondere hohe Stromdichten an Übergangsstellen zwischen einzelnen Teilen der Federkörper und zwischen Federkörperendteilen und an diesen anliegenden Kontaktflächen. Die Beseitigung der Gefahr einer großflächigen oder örtlichen Überhitzung der Federkörper schließt ein Nachlassen der Federkraft bei Grenzbelastung der Dioden vollständig aus und verhindert damit ein zusätzliches Ansteigen der Kontaktwiderstände zwischen stromleitenden Teilen, folglich ein Anwachsen der Verlustleistung und somit eine lawinenartige Kettenreaktion mit gegenseitig verursachter Verminderung der Andruckkraft, Erhöhung der Kontaktwiderstände mit Temperaturanstieg und sehr schneller Zerstörung von Diöden. Somit wird die Diodengrenzbelastung weiter heraufgesetzt, ein sehr wesentlicher Vorteil bei Anordnungen mit einer Mehrzahl parallelgeschalteter, in Kammern nebeneinander untergebrachter Einzeldioden.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung seien an Hand zeichnerisch dargestellter Ausführungsbeispiele beschrieben. In der Zeichnung gibt

F i g. 1 schematisch eine innerhalb der erfindungsgemäßen Diodenhalterung vorgesehene Diodenanordnung im Längsschnitt wieder;

F i g. 2 zeigt eine Draufsicht auf die Einrichtung nach F i g. 1;

F i g. 3 gibt die in F i g. 1 im Schnitt dargestellte Anordnung schaubildlich wieder, während in

F i g. 4 die einzelnen Teile einer Siliziumdiode mit gegenseitigem Abstand schaubildlich dargestellt sind;

F i g. 5 zeigt einen Längsschnitt durch eine Diodenhalterung mit einer Anzahl der in F i g. 1 im einzelnen dargestellten Dioden;

F i g. 6 entspricht einer Draufsicht auf die Anordnung nach F i g. 5.

Aus F i g. 1 ist zu ersehen, daß sich ein Halbleiterplättchen 3 zwischen zwei scheibenförmigen Stromleitern befindet, die beispielsweise als Leiterplättchen 4 und 5 mit dem Durchmesser der Halbleiterplättchen 3 ausgebildet sind, wobei als Werkstoff für diese Leiterplättchen 4 und 5 hauptsächlich Molybdän in Betracht kommt, ohne daß andere Werkstoffe ausgeschlossen sind. Vorhanden sind weiter netz-, gitter-, rost- oder siebförmige Metallteile 6 und 7, die beispielsweise als Drahtnetze ausgebildet sein können. Sie bestehen aus guten Stromleitern, beispielsweise aus Metallen wie Kupfer, Silber od. dgl.

Im Falle des Ausführungsbeispieles bestehen die Metallteile 6 und 7 aus Netzen feiner, plattierter Kupferdrähte, wobei hauptsächlich eine Silberplattierung in Betracht kommt. Die Metallteile 6 und 7 berühren die dem Halbleiterplättchen 3 abgewandten Begrenzungsflächen der stromleitenden Leiterplättchen 4 und 5.

Ein am Metallteil 7 anliegender Stromleiter 8, der seinerseits aus Silber, silberplattiertem Kupfer od. dgl. besteht, besitzt eine geriffelte Oberfläche, wie insbesondere der F i g. 2 zu entnehmen ist. Auf diese Weise tritt ausweislich der F i g. 5 eine gute Kontaktbildung an der Berührungsfläche mit dem plattenförmigen Stromleiter 2 ein.

Fig. 1 läßt weiter erkennen, daß zwei weitere Stromleiter 9 und 10 vorhanden sind, deren gesamte Berührungsflächen mit einem nachgiebigen Stromleiter 11 hart-, insbesondere silberverlötet sind. Dieser nachgiebige Stromleiter 11 besitzt rechteckigen Querschnitt und eine bügeiförmige Formgebung, wie aus den F i g. 1 und 3 zu ersehen ist. Der F i g. 5 ist dabei zu entnehmen, daß demgemäß der Stromfluß, der an dem plattenförmigen Stromleiter 2 beginnt, seinen Weg über die Teile 8, 7 und 5 zum Halbleiterplättchen 3 nimmt. Anschließend fließt der Strom über die Teile 4, 6, 10, 11 und 9 zu dem plattenförmigen Stromleiter 1, dessen Anordnung aus F i g. 5 ersichtlich ist.

F i g. 1 zeigt weiter, daß die Diode weitere Elemente in Form mit 12 bis 15 bezeichneter Teile aufweist. Von besonderer Bedeutung sind die Federkörper 12 aus tellerförmigen, mit einer Mittelausnehmung versehenen, also ringförmigen, federnden Platten, die ihrerseits mittels der weiteren, mit 13, 14 und 15 bezeichneten Teile zentriert sind. F i g. 5 läßt dabei erkennen, daß Schraubenbolzen 16 oder auch Schraubenanker od. dgl. vorgesehen sind, um die Federgegenwirkung der Federkörper 12 zu überwinden und die plattenförmigen Stromleiter 1 und 2 auf ein bestimmtes Abstandsmaß im Verhältnis zueinander einzustellen. Die Federgegehwirkung der Federkörper 12 bestimmt dabei für einen gegebenen Ab-

stand die Größe des Preßdruckes, der in jeder Diode auftritt. Der Abstand selbst ist bestimmt durch einen rahmenförmigen Isolierkörper 17, der seinerseits zwischen den plattenförmigen Stromleitern 1 und 2 angeordnet ist. Demgemäß ist durch die in Achsrichtung der Schraubenbolzen 16 gemessene Höhe des Isolierstoffstückes 17 in Verbindung mit der Federgegenwirkung der Federkörper 12 der jeweils zu erzielende Preßdruck auf einen bestimmten Wert einstellbar. Dieser kann nachträglich abgeändert werden, wenn man zwischen den Stromleitern 1 und 2 einerseits und dem Isolierkörper 17 andererseits Beilagen bestimmter Dicke anordnet, wobei hauptsächlich Beilagen aus Isolierstoffen, aber auch mit Isolierstoffen bewehrte Teile in Betracht kommen. Ringdichtungen 18 und 19 geben gemäß F i g. 5 die Möglichkeit, eine Kammer gegen die Atmosphäre abzuschließen, die durch die rahmenförmige Ausbildung des Isolierkörpers 17 in Verbindung mit den Stromleitern 1 und 2 gebildet wird. In der so verwirklichten Kammer sind Dioden angeordnet, die beispielsweise nach den F i g. 1 bis 4 ausgebildet sind, wie dies F i g. 5 veranschaulicht.

Die F i g. 5 und 6 lassen dabei erkennen, daß zur Stromleiterplatte 2 hin eine aus Isolierstoffen bestehende Platte 20 angeordnet sein kann, die hohlzylindrische Ausnehmungen besitzt, in denen die unterhalb der unteren Begrenzungsfläche der bügeiförmigen, nachgiebigen Stromleiter 11 liegenden Diodenteile 3 bis 8 und 10 aufnehmbar sind. Diese Ausnehmungen bestimmen somit die Abstände, welche die einzelnen Dioden im Verhältnis zueinander besitzen. Weitere, aus Isolierstoffen bestehende Stegbrücken 21 stellen die zueinander parallele Lage der Dioden sicher, wobei sie außerdem verhindern, daß es zu Berührungen der nachgiebigen Stromleiter 11 untereinander kommen kann.

Weiter lassen die F i g. 5 und 6 erkennen, daß Ausnehmungen 22 vorhanden sind, die stopfenartige Verschlüsse 23 aufweisen. Dadurch entsteht die Möglichkeit, in die durch die Stromleiter 1 und 2 und den Isolierkörper 17 gebildeten Kammern gute Wärmeleiter einzufüllen, wobei hauptsächlich elektrisch nichtleitende Flüssigkeiten in Betracht kommen. Die Kammern können auch von den guten Wärmeleitern durchströmt sein. Die Platten 1 und 2 weisen die übliche Ausbildung mit Ausnehmungen, Schlitzen, Gewindebohrungen usw. auf, um sie mit den anschließenden, nicht gezeigten Teilen des äußeren Stromkreises stromleitend verbinden zu können. Außerdem sind Anschlüsse 31 für ein Kühlmittel, beispielsweise Wasser, vorhanden, das zur Durchströmung der plattenförmigen Stromleiter 1 und 2 dient. Kühlmittelleitungen zwischen den Anschlüssen 31 sind so angeordnet und ausgebildet, daß eine wirksame Ableitung der erzeugten Wärme erfolgt und es möglich wird, die Stromstärke auf die maximalen Werte zu steigern, die betriebssicher ohne Überschreitung der Betriebstemperaturen, denen die Dioden im Dauerbetrieb ohne Gefahr einer Beschädigung aussetzbar sind, übertragen werden können.

Die Anordnungen nach den Fig. 5 und 6 zeigen Ausführungsmöglichkeiten, die zu einem außerordentlich kompakten Aufbau derartiger Anlagen führen, wobei die Gleichrichterleistung der Anlagen auf jeden gewünschten Wert gebracht werden kann, ohne daß die Schwierigkeiten wie bei dem bisherigen Aufbau derartiger Anlagen entstehen, auf die eingangs hingewiesen wurde.

Die dick gestrichelten Linien der F i g. 5 zeigen den Stromverlauf und den Vorteil, daß es ohne weiteres möglich ist, die Strombelastung der einzelnen Dioden auf annähernd gleichem Wert zu halten, wobei F i g. 6 verdeutlicht, daß keine Schwierigkeit besteht, acht Einzeldioden in einer einzigen Kammer, die praktisch einen Drucktopf darstellt, zu vereinigen.

ίο Die mit der Erfindung erreichbare, außerordentlich große Steigerung des Leistungsvermögens derartiger Anlagen ergibt sich aus folgender Zusammenstellung:

Die Dioden nach F i g. 5 sind als Siliziumdioden

mit einem Plättchendurchmesser von 25 mm ausgebildet. Wie bereits bemerkt, können acht derartige Dioden in einem Drucktopf geeigneter Ausbildung untergebracht werden. Das führt dazu, daß bei einer Stromstärke von 2000 Ampere, die unbedenklich auf einen Spitzenwert von 5000 Ampere gesteigert werden kann, eine Temperaturbelastung der in den Fi g. 5 und 6 gezeigten Einrichtung von höchstens 125° C auftritt. Dabei sind die Abmessungen der Diodenaufnahmekammer verhältnismäßig gering. Sie betragen 107 mm in der Breite, 107 mm in der Länge und 38 mm in der Höhe. Ein derartiger Drucktopf ist betriebssicher bis zu einer Stromstärkendauerbelastung von 16 000 Ampere, wobei Spitzenwerte bis zu 40 000 Ampere auftreten können, ohne daß Schaden feststellbar sind. Vereinigt man sechs der Diodenan-Ordnungen nach Fig.5, so ist es demgemäß möglich, die auf die Dauer aufnehmbare Stromstärkenbelastung einer derartigen Zusammenstellung auf den Wert von 100 000 Ampere zu steigern, wobei Spitzenwerte von 250 000 Ampere ohne Schaden auftreten können. Dabei ist man nicht auf die Verwendung von aus Silizium bestehenden Halbleiterplättchen angewiesen. Dagegen wäre es mit Siliziumdioden der bisherigen Anordnung äußerst schwierig, man kann ohne Übertreibung sagen, unmöglich, die Stromstärkenbelastung derartig kleiner Einheiten auf die genannten Werte zu bringen, selbst wenn man sich einer sehr großen Anzahl von Dioden bedienen und bei ihrer Unterbringung mit Abständen arbeiten würde, die um ein Mehrfaches größer sind als die Abstände, die den Dioden bei einer erfindungsgemäß verwirklichten Diodenhalterung gegeben werden können.

Durch die außerordentlich gedrängte Anordnung, zu der die Erfindung führt, werden weitere Vorteile erzielt, indem es möglich wird, unmittelbar bauliche Vereinigungen mit einem Transformator durchzuführen, der den hier in Betracht kommenden Halbleitergleichrichtern vorgeschaltet ist. Damit wird die Länge der Stromleitungen minimal, so daß die bei den genannten Stromstärken nicht unerheblichen Stromleitungsverluste auf ein Mindestmaß reduziert werden. Damit steigert sich der Gesamtwirkungsgrad der Anlage auf Werte, die bisher unerreichbar waren.

Durch den Preßdruck auf alle stromführenden Teile und die Anwendung stromloser Federkörper ist dafür gesorgt, daß die in Kontakt stehenden Berührungsflächen unter einem gleichbleibenden, gute Stromübergangsverhältnisse gewährleistenden und auf Dauer erhaltenen Kontaktdruck stehen; das gilt sowohl für die Stromübergänge an den Begrenzungsflächen der Halbleiterplättchen als auch für alle weiteren Kontaktstellen, die in der dargestellten Weise einem Kontaktdruck ausgesetzt werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Diodenhalterung mit zwei plattenförmigen Stromleitern, mit einem zwischen diesen untergebrachten, ihre Parallelität und ihren gegenseitigen Abstand gewährleistenden rahmenförmigen Isolierkörper und mit mindestens einer innerhalb der durch die plattenförmigen Stromleiter und den rahmenförmigen Isolierkörper gebildeten Kammer liegenden Halbleiteranordnung, die ein zwischen scheibenförmigen Stromleitern angeordnetes Halbleiterplättchen, einen Preßdruck auf dieses ausübende Federkörper, einen weiteren, die Federkräfte übertragenden Isolierkörper und einen zwischen einem der plattenförmigen Stromleiter und einem letzterem zugewandten scheibenförmigen Stromleiter angeordneten, die Federkörper umgreifenden, nachgiebigen, bügeiförmigen Stromleiter, der die Federkörper elektrisch überbrückt, aufweist, da durch gekennzeichnet, daß der die Federkräfte auf das Halbleiterplättchen (3) mit den anliegenden scheibenförmigen Stromleitern (4, 5, 6, 7, 8, 10) übertragende Isolierkörper (14, 15) derart angeordnet ist, daß ein Stromübergang auf die Federkörper (12) ausgeschlossen ist.