DE1564780B2 - Hochspannungsgleichrichter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Hochspannungsgleichrichter mit einem Trägerkörper aus gut wärmeleitender Oxydkeramik, der Aussparungen aufweist, in denen miteinander kontaktierte Halbleiterbauelemente angeordnet sind.

Infolge ihrer hohen spezifischen Spannungs- und Strombelastbarkeit sowie durch geringen Platzbedarf und durch Wartungsfreiheit sind Halbleiterbauelemente für den Bau von Hochspannungsgleichrichtern besonders geeignet.

Die Strombelastbarkeit eines Hochspannungsgleichrichters wird ganz wesentlich von der in den einzelnen Halbleiterbauelementen im Betrieb auftretenden Verlustleistungswärme und von den Möglichkeiten ihrer Ableitung bestimmt. Der zulässige Durchlaßstrom sinkt mit zunehmender Verlustleistungswärme. Die Strombelastbarkeit kann somit erhöht werden, wenn durch geeignete Ausbildung des Hochspannungsgleichrichlers und/oder geeignete Anordnung der einzelnen Halbleiterbauelemente eine gute Ableitung der auftretenden Verlustleistungswärme erzielt wird.

Es sind Hochspannungsgleichrichter bekannt, bei denen in Glasröhrchen gekapselte Einzeldioden auf einer Kunststoffleiste aufgereiht und zu einer Baueinheit zusammengefaßt in einem Isolierstoffrohr vergossen sind (DT-AS 11 30 077).

Weiterhin ist eine Ausführungsform bekannt, bei der ungekapselte, scheibenförmige Halbleiterbauelemente in einem Keramikrohr gestapelt und an beiden Stapelenden mittels Spiralfedern mit den entsprechenden Anschlußelektroden des Keramikrohres kontaktiert sind.

Dann ist es bekannt, gekapselte Einzeldioden auf einer Halterungsplatte aus Kunststoff in der Weise anzuordnen, daß die Anschlußdrähte jeder Diode durch entsprechende Bohrungen hindurchgeführt und auf der Rückseite der Platte zu einer Reihenschaltung verbunden sind.

Ferner wurde vorgeschlagen, besonders ausgebildete, ungekapselte Halbleiterbauelemente kleiner Leistung entweder mit ihren drahtförmigen Stromführungsleitern oder unmittelbar mit einer Kontakticrungsfläche auf metallisierte Abschnitte eines Isolierstoffträgerkörpers aufzubringen, der in ein entsprechendes Keramikgehäuse eingebracht ist.

Die bekannten Anordnungen mit gekapselten Einzeldioden erfordern einen großen Aufwand an Material und Fertigungszeit und weisen eine zum Bau von Hochspannungsgleichrichtern ungünstige Baugröße auf. Im Stapel angeordnete, ungekapselte Einzeldioden zeigen im allgemeinen nachteilige Wärmeableitungs-Verhältnisse und sind infolgedessen nur gering oder nicht überlastungsfähig. Es können ferner bei der Kontaktgabe Schwierigkeiten auftreten.

Die Anordnung ungekapselter Einzeldioden auf einem Isolierstoffträgerkörper weist fertigungstechnisch wohl gewisse Vorzüge auf, zeigt jedoch den Nachteil, daß die in den einzelnen Dioden entstehende Verlustleistungswärme nur über das elektrisch isolierende, schlecht wärmeleitende Einbettungsmittel an die Gehäusewandung abgegeben wird, so daß die vorgeschlagenen Ausführungsformen keine optimale Stromüberlastbarkeit erzielen lassen.

Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, einen Halbleiter-Hochspannungsgleichrichter zu schaffen, bei welchem die Halbleiterbauelemente mit möglichst einfächer Ausführungsform in im Vergleich zu bekannten Hochspannungsgleichrichteranordnungen wirtschaftlicherer Weise eingebaut und elektrisch verschaltet werden können, und bei welchem das thermische Betriebsverhalten und damit die Strombelastbarkeit verbessert wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in den Aussparungen jeweils ein Halbleiterbauelement angeordnet ist und daß der Trägerkörper

zur elektrischen Verbindung der Halbleiterbauelemente miteinander mit Metallbelägen versehen ist, die auf die die Halbleiterbauelemente kontaktierenden Innenseiten der Aussparungen ausgedehnt sind.

In der deutschen Auslegeschrift 10 41599 ist eine Anordnung mit einer Vielzahl von Halbleitergleichrichterelementen beschrieben, die in einem oder mehreren zylindrischen oder prismatischen Hohlräumen eines Gehäuses axial aufgereiht und in wenigstens einer säulenförmigen Anordnung elektrisch zu einem Hoch-Spannungsgleichrichter verschaltet sind. Zwischen jeweils zwei aufeinanderfolgenden Gleichrichterelementen ist ein metallisches Abstandsstück eingebracht. Beispielsweise weist ein Keramikkörper zylindrische Kanäle und in diesen jeweils eine Reihenschaltung von Bauelementen auf, die aus einer Halbleitergleichrichtertablette. und einem vergleichsweise großen Kühlbauteij bestehen. Das Kühlbauteil soll in güter Passung zwecks verbesserter Wärmeableitung im Elementenkanal angeordnet sein. Damit ist aber kein optimaler Wärmeübergang gewährleistet, und außerdem steht die Notwendigkeit der Anordnung von Elementestapeln der Vorschrift eingepaßter Kühlbauteile entgegen, so daß bei diesen bekannten Bauformen eine ausreichende Ableitung der Verlustwärme der Gleichrichtertabletten nicht gewährleistet ist. Dieser Nachteil wird durch die Einbringung von Elementestapeln noch verstärkt. . . .

Weiterhin ist aus der US-Patentschrift 29 80 828 ein Hochspannungsgleichrichternetzwerk bekannt. Dabei weist ein gestreckter Trägerkörper aus Kunststoff mit kreuzförmigem Querschnitt an seinen Längskanten Aussparungen zur Aufnahme und Halterung von Gleichrichterdioden auf, die über Leiterteile gegenseitig verbunden sind. Es sind gekapselte Bauelemente 35-vorgesehen und auch ausschließlich verwendbar. Diese bekannte Anordnung führt nicht zur Lösung der gestellten Aufgabe.

An Hand der in den F i g. 1 bis 6 aufgezeigten Ausführungsbeispiele werden Aufbau und Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Anordnung dargestellt und erläutert. Für gleiche Teile sind in allen Figuren gleiche Bezeichnungen gewählt.

F i g. 1 zeigt in Vorderansicht und F i g. 2 perspektivisch den Aufbau eines Hochspannungsgleichrichters gemäß der Erfindung;

F i g. 3 stellt ebenfalls perspektivisch eine andere Ausführungsform der in F i g. 2 gezeigten Anordnung dar;

F i g. 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine vorteilhafte Anordnung von Halbleiterbauelementen zur Erzielung eines Hochspannungsgleichrichters; in

F i g. 5 ist ein Ausschnitt der in F i g. 1 dargestellten Anordnung aufgezeigt, in dem die Anordnung und Kontaktierung eines Halbleiterbauelements dargestellt ; ist;

; F i g. 6 zeigt eine weitere Ausführungsform für eine

\ vorteilhafte Ausbildung des für die Anordnung vorge- ; sehenen Trägerkörpers.

j Der in F i g. 1 dargestellte Trägerkörper 1 mit bei-

j spielsweise rechteckigem Querschnitt weist an einer j Längsseite nutenförmige, senkrecht zur Längsachse an- : geordnete und vorzugsweise über die ganze Breite der ! Längsseite verlaufende Aussparungen 2 auf, die zur Aufnahme von je einem ungekapselten, scheibenförmi- : gen und vorbereiteten Halbleiterbauelement 5 dienen. Breite und Tiefe der Aussparungen 2 werden durch die Fläche der Kontaktelektrode und durch die Dicke des beispielsweise an mindestens einer Seite eine vorzugsweise aus Molybdän bestehende Kontaktplatte aufweisenden Halbleiterbauelements 5.bestimmt. Zur Erzielung einer elektrischen Reihenschaltung der in den Aussparungen 2 angeordneten Halbleiterbauelemente 5 sind auf der die Aussparungen aufweisenden Längsseite des Trägerkörpers. 1 streifenförmige Abschnitte mit einem Metallbelag 4 versehen, der jeweils auf die beiden einander zugewandten Seitenflächen zweier benachbarter Aussparungen 2 ausgedehnt ist und in einem geeigneten Längsschnitt durch den Trägerkörper einen U-förmig ausgebildeten Belag darstellt. Die Breite des somit jeweils noch zwei Seitenflächen von Aussparungen 2 einschließenden Metallbelags 4 richtet sich nach der Kontaktierungsfläche eines Halbleiterbauelements 5 und die Länge des Abschnitts des Metallbelags, der in eine Aussparung verläuft, nach der Tiefe, bis zu welcher das Halbleiterbauelement in eine Aussparung eingeführt ist. Die jeweils zur Stirnfläche des Trägerkörpers 1 gewandte Seitenfläche der beiden äußersten Aussparungen ist mit der auf der Stirnfläche aufgebrachten und zur weitereil Kontaktierung der Anordnung dienenden Metallisierung 3 ebenfalls durch einen beispielsweise streifenförmigen Metallbelag verbunden. Der Querschnitt der Metallbeläge wird durch die zulässige Strombelastbarkeit der Gleichrichteranordnung bestimmt. Zur Erzielung einer optimalen Ableitung der in den Halbleiterbauelementen 5 entstehenden Verlustleistungswärme besteht der Trägerkörper aus einer gut wärmeleitenden Oxydkeramik, beispielsweise aus Aluminium-Oxyd. Die Ableitung der Verlustleistungswärme erfolgt dann vor allem in axialer Richtung durch den Trägerkörper zu den an seinen beiden Enden kontaktierten und zur Stromleitung dienenden Metallteilen. - . .

Der Steg zwischen zwei benachbarten Aussparungen 2 ist beliebig breit, vorzugsweise jedoch gleich oder größer als die Breite der Aussparungen 2. Die Längenausdehnung des Trägerkörpers 1 wird dann nur noch durch die für den Hochspannungsgleichrichter vorgegebene Betriebssperrspannung bzw. durch die Anzahl der.Halbleiterbauelemente festgelegt.

. Der .Trägerkörper 1 kann in ein entsprechendes Gehäuse eingeführt oder aber ohne Gehäuse zusammen mit anderen Bauelementen in geeigneter Weise in einem Kühlmittel, beispielsweise unter ,01. angeordnet werden. Zur Erhöhung der Strombelastbarkeit mit Hilfe eines Kühlmittels kann der Trägerkörper auf derjenigen Längsseite, die den Aussparungen 2 gegenüberliegt, eine beispielsweise parallel zur Längsachse angeordnete, beliebig ausgebildete Nut aufweisen. Durch Anordnung mehrerer parallel verlaufender Nuten kann diejenige Oberfläche des Trägerkörpers, welche keine Aussparungen trägt, zur Verbesserung des Temperaturverhaltens noch weiter vergrößert werden.

Eine Weiterbildung des Ausführungsbeispiels gemäß F i g. 1 besteht darin, daß nicht nur an einer Längsseite, sondern an zwei einander gegenüberliegenden Längsseiten des Trägerkörpers 1 Aussparungen 2 jeweils auf gleicher Ebene oder gegeneinander versetzt angeordnet sind. Diese Ausbildung kann, wenn die an den Stirnseiten des Trägerkörpers vorgesehene Metallisierung 3, die zur Kontaktierung der Anordnung dient, in zwei in entsprechendem Abstand voneinander angeordnete und mit den jeweiligen äußeren Aussparungen verbundene Flächen aufgeteilt ist, für zwei getrennte Gleichrichterschaltungen dienen oder zwei Zweige einer ge-

wünschten Gleichrichterschaltung darstellen.

F i g. 2 zeigt eine andere Weiterbildung des in F i g. 1 dargestellten Hochspanriungsgleichrichters. Der Trägerkörper 1 mit rechteckigem Querschnitt weist auf einer Längsseite eine Anzahl von als schlitzförmige Sacklöcher 6 ausgebildeten Aussparungen auf, in die jeweils ein scheibenförmiges Halbleiterbauelement 5 eingebracht und durch feste Verbindung mit den streifenförmigen Metallbelägen 4 mit weiteren Halbleiterbauelementen 5 elektrisch in gewünschter Weise zusammengeschaltet ist.

Zur Erzielung gewünschter Gleichrichterschaltungen können zwei oder mehr Seiten des Trägerkörpers 1 Aussparungen aufweisen, wobei die Anschlußkontaktierung der Gleichrichterschaltungen zweckmäßigerweise jeweils an den Enden der Längsseiten des Trägerkörpers vorgesehen sind

Außerdem kann der Trägerkörper 1 in der Weise ausgebildet sein, daß auf einer Seite zwei oder mehr Reihen von Aussparungen 2, 6 angeordnet sind, wobei die gegenseitige Anordnung der Aussparungen entweder zur Erzielung einer gewünschten Gleichrichterschaltung jeweils in parallelen Reihen und/oder Zeilen oder versetzt möglich ist

Gemäß F i g. 3 können zur weiteren Verbesserung der Ableitung der Verlustleistungswärme die schlitzförmigen Sacklöcher 6 auch mit ihrer Längsrichtung parallel zur Längsachse des Trägerkörpers 1 angeordnet sein. Die Metallbeläge 4 zur Herstellung einer elektrischen Reihenschaltung der Halbleiterbauelemente 5 verlaufen dann im Wechsel zu beiden Seiten der Sacklochreihe. Die Anordnung mehrerer Sacklochreihen auf verschiedenen Seiten des Trägerkörpers ist dabei in vielfältiger Weise möglich. Der Trägerkörper kann zusätzlich eine zentrale, durchgehende Bohrung 7 beliebiger Ausbildung aufweisen, um die Verwendung eines geeigneten Kühlmittels und damit die Verbesserung des Temperaturverhaltens der Anordnung zu ermöglichen.

Ein anderes Ausführungsbeispiel des Hochspannungsgleichrichters gemäß der Erfindung ist in F i g. 4 dargestellt. Der Trägerkörper 1 ist zylindrisch ausgebildet und weist an seiner Mantelfläche eine oder mehrere Reihen von Aussparungen 2 auf, die bei vorteilhafter Baugröße dazu dienen, die eingebrachten Halbleiter-45 bauelemente 5 zueinander parallel oder zur Erzielung einer höheren Betriebssperrspannung in einer mäanderförmigen Anordnung in Reihe zu schalten. Die Metallbeläge 4 sind in entsprechender Weise angeordnet. Zur forcierten Kühlung ist der Trägerkörper 1 mit einer durchgehenden Mittelbohrung 7 versehen, durch die ein Kühlmittel geführt wird. In F i g. 5 ist eine Aussparung 2 im Schnitt vergrößert dargestellt, in der ein Halbleiterbauelement angeordnet ist. Die Aussparung ist an ihrer einen Seitenfläche, auf die das Halbleiterbauelement 5 flächenhaft aufgebracht, beispielsweise aufgelötet ist, mit einem geeigneten Metallbelag 4 versehen. Die Dicke dieses Belages und seine Breite richten sich im wesentlichen nach der Strombelastbarkeit des Halbleiterbauelements. Das Halbleiterbauelement kann mit oder ohne, vorzugsweise aus Molybdän bestehender Kontaktplatte aufgelötet sein. Die andere Kontaktelektrode des Halbleiterbauelements weist einen Stromführungsleiter 8 auf, der bügeiförmig ausgebildet ist und beispielsweise parallel zur Seitenfläche der Aussparung 2 verläuft Das Ende 9 des Stromführungsleiters 8 ist abgewinkelt, verläuft vorzugsweise parallel zur Außenseite des Trägerkörpers und ist an vorbestimmter Stelle mit dem zur nachfolgenden Aussparung verlaufenden Metallbelag fest verbunden.

In F i g. 6 ist eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des Trägerkörpers 1 dargestellt. Die Halbleiterbauelemente 5 werden dabei vorzugsweise auf derjenigen Seitenfläche der sägezahnförmigen Aussparungen aufgebracht, die zur Stirnfläche des Trägerkörpers parallel verlaufen. Die zur Verbindung von zwei jeweils aufeinander folgenden Halbleiterbauelementen dienenden Metallbeläge 4 sind über die Kanten 10 geführt Für eine vorteilhafte Anbringung des oberen Stromführungsleiters 8 kann die Seitenfläche der dem nachfolgenden Halbleiterbauelement zugeordneten Aussparung 2 in gewünschtem Abstand von der Kante 10 eine geeignete Bohrung aufweisen, in weiche der Metallbelag verläuft und in welche der Stromführungsleiter 8 eingeführt und eingelötet ist.

Für den Aufbau eines Hochspannungsgleichrichters gemäß der Erfindung wird der Trägerkörper 1 in geeigneter Weise mit vorbereiteten, beispielsweise bereits einen oberen Stromführungsleiter 8 aufweisenden Halbleiterbauelementen 5 bestückt, werden die Stromführungsleiter an die vorgesehenen Stellen der Metallbeläge 4 angeordnet und die elektrischen Verbindungen von Halbleiterbauelementen und Metallbelägen in einem geeigneten Ofen durch Löten gleichzeitig durchgeführt

Die Vorteile der erfindungsgemäßen Anordnung bestehen darin, daß durch unmittelbare Befestigung ungekapselter Halbleiterkörper auf einem entsprechend bemessenen, thermisch gut leitenden, elektrisch isolierenden Trägerkörper optimale Ableitung der Verlustwärme der Halbleiterbauelemente gegeben ist, und daß durch angepaßte Ausbildung des Trägerkörpers die Anordnung der Halbleiterbauelemente verfahrenstechnisch besonders einfach und ihre Befestigung gleichzeitig zu mehreren erzielbar ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Hochspannungsgleichrichter mit einem Trägerkörper aus gut wärmeleitender Oxydkeramik, der Aussparungen aufweist, in denen miteinander kontaktierte Halbleiterbauelemente angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß in den Aussparungen (2) jeweils ein Halbleiterbauelement (5) angeordnet ist und daß der Trägerkörper (1) zur elektrischen Verbindung der Halbleiterbauelemente (5) miteinander mit Metallbelägen (4) versehen ist, die auf die die Halbleiterbauelemente (5) kontaktierenden Innenseiten der Aussparungen (2) ausgedehnt sind.

2. Hochspannungsgleichrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerkörper (1) gestreckt ausgebildet ist und einen regel- oder unregelmäßigen vieleckigen, ovalen oder runden Querschnitt aufweist.

3. Hochspannungsgleichrichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Längsseite oder ein Teil der Oberfläche des gestreckten Trägerkörpers (1) zur Aufnahme von Halbleiterbauelementen (5) Aussparungen (2) aufweist, die in gegenseitigem Abstand zueinander parallel und in Reihe angeordnet sind.

4. Hochspannungsgleichrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerkörper (1) in seiner Längsrichtung zwei oder mehr im Abstand zueinander angeordnete Reihen von Aussparungen (2) aufweist.

5. Hochspannungsgleichrichter nach den Ansprüchen 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerkörper (1) zylinderförmig ausgebildet ist und an seiner Mantelfläche längs und/oder quer angeordnete nutenförmige Aussparungen (2) aufweist.

6. Hochspannungsgleichrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Aussparungen (2) zur Aufnahme der Halbleiterbauelemente (5) als schlitzförmige Sacklöcher (6) ausgebildet sind.

7. Hochspannungsgleichrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Aussparungen (2) zur Aufnahme der Halbleiterbauelemente (5) sägezahnförmig ausgebildet sind.

8. Hochspannungsgleichrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der mit Aussparungen (2) für die Aufnahme von Halbleiterbauelementen (5) vorgesehene Trägerkörper (1) eine oder mehrere durchgehende Bohrungen (7) aufweist, die Kanäle für Kühlmittel darstellen.

9. Hochspannungsgleichrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der mit Aussparungen (2) für die Aufnahme von Halbleiterbauelementen (5) versehene Trägerkörper zur verstärkten Kühlung geeignet ausgebildete Rippen oder Stege aufweist.