DE1564694B2 - High voltage rectifier arrangement - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Gleichrichteranordnung für hohe Spannung mit in Reihe geschalteten Halbleiterzellen mit einkristallinem Halbleiterkörper, insbesondere Thyristoren, die jeweils in einem im wesentlichen scheibenförmigen Gehäuse angeordnet sind, das an einem Kühlkörper anliegt, der von einem rückkühlbaren Kühlmittel durchströmt ist, wobei jeweils mehrere Halbleiterzellen abwechselnd mit je einem Kühlkörper zu einer säulenförmigen Baueinheit gestapelt sind.The invention relates to a rectifier arrangement for high voltage with series-connected semiconductor cells with monocrystalline semiconductor bodies, in particular thyristors, each in a substantially disk-shaped housing are arranged, which rests on a heat sink through which a recoolable coolant flows is, with a plurality of semiconductor cells alternating each with a heat sink to form a columnar Assembly are stacked.
Ungesteuerte Siliziumgleichrichter und Thyristoren für hohe Ströme von beispielsweise 1000 A und mehr können bekanntlich in einem im wesentlichen scheibenförmigen Gehäuse angeordnet werden. Die Verlustwärme solcher Halbleiterzellen kann von den beiden Flachseiten des Gehäuses jeweils an einen Kühlkörper aus einem gut wärmeleitenden Material, insbesondere Kupfer, abgegeben werden. Der Luftkühlung (österreichische Patentschrift 245 681) solcher Halbleiterzellen großer Leistung sind durch verschiedene Faktoren, insbesondere durch die Baugröße der Kühlkörper und der erforderlichen Ventilatoren sowie durch die Luftverschmutzung in den Betrieben vieler Anwender, Grenzen gesetzt. Die Flüssigkeitskühlung (belgische Patentschrift 676 688) solcher Halbleiterzellen führt hingegen zu einer verhältnismäßig kleinen Baugröße und einer verbesserten Kühlwirkung der Kühlkörper und ermöglicht damit die Abführung größerer Verlustleistung von einer Halbleiterzelle.Uncontrolled silicon rectifiers and thyristors for high currents of, for example, 1000 A and more can, as is known, be arranged in a substantially disk-shaped housing. The heat loss Such semiconductor cells can each be connected to a heat sink from the two flat sides of the housing made of a material that conducts heat well, in particular copper. The air cooling (Austrian patent specification 245 681) such high performance semiconductor cells are by various Factors, in particular due to the size of the heat sink and the required fans as well due to the air pollution in the factories of many users, limits are set. The liquid cooling (Belgian patent 676 688) of such semiconductor cells, however, leads to a relatively small size and an improved cooling effect of the heat sink and thus enables the dissipation of greater power loss from a semiconductor cell.
Würde man jede Halbleiterzelle mit zwei Kühlkörpern versehen, würde sich für Stromrichteranlagen mit einer größeren Anzahl solcher Halbleiterzellen ein entsprechend großer Raumbedarf und u. U. eine verhältnismäßig schwierige konstruktive Gestaltung ergeben. Diese Schwierigkeiten würden sich besonders in Stromrichteranlagen für hohe Spannung mit einer Reihenschaltung einer größeren Anzahl von Halbleiterzellen bemerkbar machen, falls jede einzelne Halbleiterzelle mit den zugehörigen Kühlkörpern eine Baueinheit bilden und somit auch jeweils mit einer Spannvorrichtung zur Erzeugung des notwendigen Anpreßdruckes versehen sein würde.If each semiconductor cell were to be provided with two heat sinks, power converter systems would be beneficial with a larger number of such semiconductor cells a correspondingly large space requirement and possibly a result in relatively difficult structural design. These difficulties would be particularly difficult in converter systems for high voltage with a series connection of a larger number of Make semiconductor cells noticeable if every single semiconductor cell with the associated heat sinks Form a unit and thus each with a clamping device for generating the necessary contact pressure would be provided.
Um diesen Schwierigkeiten zu begegnen, werden bekanntermaßen jeweils mehrere Halbleiterzellen abwechselnd mit je einem Kühlkörper zu einer säulenförmigen Baueinheit gestapelt, die durch eine Spannvorrichtung zusammengehalten ist (belgische Patentschrift 676 688, österreichische Patentschrift 245 681).In order to counter these difficulties, a plurality of semiconductor cells are known to alternate each with a heat sink stacked to form a columnar structural unit, which is secured by a clamping device is held together (Belgian patent specification 676 688, Austrian patent specification 245 681).
Die Erfindung geht von der eingangs genannten Gleichrichteranordnung aus, die aus der belgischen Patentschrift 676 688 bekannt ist. Die einzelnen Kühlkörper werden dort von einem Kühlmittel durchströmt. Sie besitzen jeweils einen größeren Hohlraum, in den eine Zuleitung und eine Ableitung für das Kühlmittel führt. Werden die einzelnen Kühlkörper nacheinander von dem Kühlmittel durchflossen, so stellt sich ein Temperaturgradient zwischen den aufeinanderfolgenden Kühlkörpern der säulenförmigen Baueinheit ein. Eine gleichmäßige Kühlung aller Halbleiterzellen ist dadurch nicht gewährleistet. Überdies sind größere Hohlräume in den Kühlkörpern für einen guten Wärmetransport zwischen Kühlkörper und durchströmendem Kühlmittel hinderlich.The invention is based on the rectifier arrangement mentioned at the outset, which is derived from the Belgian Patent 676,688 is known. The individual heat sinks are there by a coolant flows through. They each have a larger cavity in which a supply line and a discharge line for the coolant leads. If the coolant flows through the individual heat sinks one after the other, this creates a temperature gradient between the successive heat sinks of the columnar Unit a. Uniform cooling of all semiconductor cells is therefore not guaranteed. In addition, there are larger cavities in the heat sinks for good heat transfer between the heat sinks and coolant flowing through it.
Aufgabe der Erfindung ist es, die bekannte Gleichrichteranordnung so auszugestalten, daß für eine verbesserte und gleichmäßige Kühlung aller Halbleiterzellen gesorgt ist.The object of the invention is to design the known rectifier arrangement so that for an improved and uniform cooling of all semiconductor cells is ensured.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die inneren Kühlkörper der Baueinheit jeweils zwei einander parallelgeschaltete Kanalsysteme aufweisen und daß die Kühlkreisläufe der einzelnen Kühlkörper mittels elektrisch isolierender Rohrleitungen einander parallel geschaltet sind.According to the invention, this object is achieved in that the inner heat sinks of the structural unit have two channel systems connected in parallel and that the cooling circuits of the individual Heat sinks are connected in parallel to one another by means of electrically insulating pipes.
Durch die Parallelschaltung der beiden Kanalsysteme in jedem inneren Kühlkörper ist sichergestellt, daß die beiden benachbarten Halbleiterzellen gleichmäßig gekühlt werden. Und durch die pneumatische Parallelschaltung sämtlicher Kühlkörper wird erreicht, daß alle Kühlkörper vom Kühlmittel derselben Temperatur beströmt werden.The parallel connection of the two duct systems in each inner heat sink ensures that that the two neighboring semiconductor cells are evenly cooled. And through the pneumatic one Parallel connection of all heat sinks is achieved that all heat sinks from the same coolant Temperature are flowed.
Aus der deutschen Patentschrift 1 164 572 ist es bereits bekannt, zu einer Säule zusammengefaßte, von mindestens einem Rohr getragene Gleichrichterelemente durch ein Kühlmittel, das aus Rohröffnungen austritt, gleichzeitig zu beströmen. Nach Fig. 4 dieser Druckschrift kann ein Kreislauf des Kühlmittels vorgesehen sein. Dazu sind ein Zuleitungs- und ein Ableitungsrohr an in einigem Abstand voneinander angeordnete dosenförmige Kühlkörper, die je ein Gleichrichterelement tragen, parallel angeschlossen. — Eine wärmekontaktschlüssige Stapelung von Gleichrichterelementen und Kühlkörpern ist hierbei ebenso wenig vorgesehen wie je zwei parallelgeschaltete Kanalsysteme innerhalb der Kühlkörper.From the German patent specification 1 164 572 it is already known to combine to form a column, Rectifier elements carried by at least one pipe by a coolant exiting pipe openings emerges to flow at the same time. According to Fig. 4 of this document, a circuit of the coolant be provided. For this purpose, a supply pipe and a discharge pipe are at some distance from each other arranged can-shaped heat sinks, each carrying a rectifier element, connected in parallel. - A thermal contact-locking stacking of rectifier elements and heat sinks is here just as little provided as two parallel channel systems within the heat sinks.
Als Vorteil der Erfindung wird es angesehen, daß man bei gleichmäßiger Kühlung aller Halbleiterzellen mit einem einzigen Kühlsystem auch bei einer größeren Anzahl von Halbleiterzellen auskommt.It is considered an advantage of the invention that, with uniform cooling of all semiconductor cells with a single cooling system even with a large number of semiconductor cells.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen.To further explain the invention, reference is made to the drawing.
Fig. 1 zeigt eine Gleichrichteranlage mit einer Vielzahl von Halbleiterzellen in Brückenschaltung, bei der die einzelnen Halbleiterzellen zwischen Kühlkörpern eingespannt sind. In Fig. 2 ist ein Ausführungsbeispiel einer Gleichrichteranordnung mit in Reihe geschalteten Halbleiterzellen als konstruktive Baueinheit veranschaulicht.Fig. 1 shows a rectifier system with a large number of semiconductor cells in a bridge circuit, in which the individual semiconductor cells are clamped between heat sinks. In Fig. 2 is an embodiment a rectifier arrangement with series-connected semiconductor cells as constructive Assembly illustrated.
In Fig. 1 ist eine Gleichrichteranlage mit einer Anzahl von Halbleiterzellen in Drehstrom-Brücken-In Fig. 1 is a rectifier system with a number of semiconductor cells in three-phase bridge
,chaltung dargestellt. Die Wechselspannungsanxhlußleitungen R, S und T sind jeweils mit einem Kühlkörper 2, der für die Kühlung der Halbleiterzelen5 vorgesehen ist, elektrisch leitend verbunden. Die Gleichstromleitungen sind ebenfalls jeweils an ;inem Kühlkörper 3 angeschlossen. Jeder Brücken- <weig soll eine Reihenschaltung einer größeren An-'.ahl von Halbleiterzellen 5 enthalten, von denen in Tig. 1 nur jeweils zwei dargestellt sind. Jede Reiienschaltung ist mittels je eines der Kühlkörper 2 ao ind3 beidseitig abgeschlossen. Zwischen den beiachbarten Halbleiterzellen 5 eines jeden Brücken-/.weigs ist jeweils ein weiterer Kühlkörper 4 angeordnet. , circuit shown. The AC voltage connection lines R, S and T are each connected in an electrically conductive manner to a heat sink 2, which is provided for cooling the semiconductor cells 5. The direct current lines are also each connected to a heat sink 3. Each bridge should contain a series connection of a larger number of semiconductor cells 5, of which in T ig. 1 only two are shown. Each series connection is completed on both sides by means of one of the heat sinks 2 ao ind3. A further heat sink 4 is arranged between the adjacent semiconductor cells 5 of each bridge / weig.
Nach Fig. 2 ist eine größere Zahl von scheibenörmigen Halbleiterzellen 5, insbesondere Thyristoren, vorgesehen. Diese sind jeweils abwechselnd mit ;inem Kühlkörper 4 aufeinandergestapelt. Die Kühlkörper 4, die von einem flüssigen oder gasförmigen •Cühlmittel durchströmt werden, sind mit jeweils zwei ■Canalsystemen, bestehend aus je zwei Kühlkanälen 8 ind9, versehen und als Doppelkühlkörper ausgebillet. Jeweils der Anfang und das Ende der beiden vanalsysteme sind miteinander verbunden, so daß lie beiden Kanalsysteme einander parallel geschaltet »ind. Anfang und Ende der Kühlkanäle 8 und 9 sind eweils an einen Anschlußstutzen 11 bzw. 12 angechlossen. Die Kühlkanäle 8, 9 können beispielsweise 11 der Form einer doppelten Spirale ausgebildet oder luch parallel zueinander angeordnet sein.According to Fig. 2, a larger number of disk-shaped Semiconductor cells 5, in particular thyristors, are provided. These are each alternating with ; in a heat sink 4 stacked on top of one another. The heat sinks 4 through which a liquid or gaseous coolant • flows are each with two ■ Channel systems, each consisting of two cooling channels 8 ind9, and designed as a double heat sink. The beginning and the end of the two vanal systems are connected to one another, so that let both sewer systems connected in parallel »ind. The beginning and end of the cooling channels 8 and 9 are each connected to a connection piece 11 or 12, respectively. The cooling channels 8, 9 can, for example 11 in the form of a double spiral or be arranged parallel to one another.
Die beiden Flachseiten der Kühlkörper 4 sind jeweils mit einem Kegelstumpf 13 versehen, der in eine .ntsprechende Vertiefung der Halbleiterzelle 5 hin-.■inragt und zugleich als Zentrierung dient. Die beilen äußeren Kühlkörper 6 haben jeweils nur auf .■iner Flachseite einen entsprechenden KegelstumpfThe two flat sides of the heat sink 4 are each provided with a truncated cone 13 which projects into a corresponding depression in the semiconductor cell 5 and at the same time serves as a centering. The attached outer heat sinks 6 each only have . ■ a corresponding truncated cone on the flat side
14. An der gegenüberliegenden Flachseite der beiden Kühlkörper 6, die nur mit einem einzigen Kühlkanalsystem 16 versehen sind, ist ein elektrischer Anschlußleiter 18 aufgelegt, der zweckmäßigerweise als Scheibe ausgebildet und mit einer Anschlußfahne 19 versehen ist, mit deren Bohrung 20 eine Schraubverbindung hergestellt werden kann. Auf den Anschlußleiter 18 ist ein vorzugsweise scheibenförmiger Isolierkörper 22 aufgelegt, der einen Druckkörper 23 trägt, auf den mittels einer Schraube 24 eine geeignete Anpreßkraft P in Achsrichtung der säulenförmigen Baueinheit ausgeübt werden kann. Die Schraube 24 gehört zu einer Spannvorrichtung, die außerdem aus zwei scheibenförmigen Anschlußteilen 26 sowie drei Schrauben 27 mit Muttern 28 bestehen soll. Die Schraube 24 ist in eine entsprechende Gewindebohrung des Anschlußteils 26 eingeschraubt.14. On the opposite flat side of the two heat sinks 6, which are only provided with a single cooling channel system 16, an electrical connection conductor 18 is placed, which is expediently designed as a disk and is provided with a connection lug 19, with the bore 20 of which a screw connection can be made . A preferably disk-shaped insulating body 22 is placed on the connecting conductor 18 and carries a pressure body 23 on which a suitable pressing force P can be exerted in the axial direction of the columnar structural unit by means of a screw 24. The screw 24 belongs to a tensioning device, which should also consist of two disk-shaped connecting parts 26 and three screws 27 with nuts 28. The screw 24 is screwed into a corresponding threaded hole in the connecting part 26.
Die Steuerleitungen der Halbleiterzellen 5 mit den erforderlichen Anschlußklemmen sind in F i g. 2 angedeutet, aber nicht näher bezeichnet. In gleicher len, insbesondere Thyristoren, auch als Scheibenzel-Weise können an Stelle der gesteuerten Halbleiterzellen ausgebildete ungesteuerte Gleichrichterzellen jeweils abwechselnd mit einem Kühlkörper als Gleichrichtersäule angeordnet werden.The control lines of the semiconductor cells 5 with the required connection terminals are shown in FIG. 2 indicated, but not specified. In the same len, especially thyristors, also as Scheibenzel way can each formed uncontrolled rectifier cells instead of the controlled semiconductor cells be arranged alternately with a heat sink as a rectifier column.
In Gleichrichteranlagen für sehr hohe Spannungen, beispielsweise zur Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung, kann die gesamte elektrische Reihenschaltung der Halbleiterzellen eines Brückenzweiges auch in mehrere der dargestellten Baueinheiten aufgeteilt werden.In rectifier systems for very high voltages, e.g. for high-voltage direct current transmission, can do the entire electrical series connection of the semiconductor cells of a bridge arm can also be divided into several of the structural units shown.
Die Kanalsysteme 8, 9 und 16 der einzelnen Kühlkörper 4 bzw. 6 werden jeweils parallel zueinander mittels elektrisch isolierender Rohrleitungen an ein Kühlsystem angeschlossen, wie es in Fig. 2 angedeutet ist.The channel systems 8, 9 and 16 of the individual heat sinks 4 and 6 are each parallel to one another connected to a cooling system by means of electrically insulating pipes, as indicated in FIG is.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings
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