DE1589847B2

DE1589847B2 - Halbleitergleichrichteranordnung

Info

Publication number: DE1589847B2
Application number: DE19671589847
Authority: DE
Inventors: Frederick Ralph Wallingford . Pa. Sias (V.StA.)
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1966-09-02
Filing date: 1967-09-01
Publication date: 1972-07-20
Also published as: US3471757A; GB1191887A; DE6609863U; SE337432B; DE1589847A1

Description

gluchmaßigc Verteilung des Kontaktdrucks auf alle Kontaktllachen durch Anziehen beispielsweise einer einzigen Mutter am Ende des Verbindunasbolzens: da nur an einer einzigen Ansatzstelle eine Kraft ausgeübt (nur eine einzige Mutter angezogen) zu werden braucht können nicht schon von vornherein unterschiedliche Kräfte ausgeübt werden, und wegen der Symmetrie der Anordnung verteilt sich diese Kraft gleichmäßig auf alle Stapel in genau axialer Richtuna jedes Stapels, so daß diese nicht in sich verbogen" oder verkantet werden. Auch jeder weitere Stapel kann zwischen den Druckstempeln mindestens einen weiteren Halbleitergleichrichter in elektrischem und thermischem Kontakt mit den Druckstempeln aufweisen, und der (bzw. die) Halbleitersleichrichter eines Stapels kann (bzw. können) so auf einfache Weise zu dem oder denen des anderen Stapels elektrisch parallel geschaltet werden, indem die äußeren Enden- der Stapel durch Anschlüsse verbunden werden (die gleichzeitig als Kühlvorrichtungen ausgebildet sein können).

Nach der Erfindung ergibt sich mithin ein großflächiger elektrischer und thermischer Kontakt an den Kontaktstellen der Halbleitergleichrichter, so daß ein nahezu widerstandsloser Strom- und Wärmeübergang gewährleistet ist.

Bei einer anderen bekannten Halbleitergleichrichteranordnung (deutsche Patentschrift 1197 550) sind mehrere Metallringe unter Zwischenlage von ringförmig ausgebildeten Kühlblechen und Isolierringen mit ihren Bohrungen auf einen Verbindungsbolzen gesteckt und an den Enden des so gebildeten Stapels durch auf die Enden des Verbindungsbolzens geschraubte Muttern zusammengehalten. Die Metallnnge sind in ihrer Radialrichtung mit Gewindebohrungen versehen, in die Halbleitergleichrichter, deren Gehäuse mit einem Gewindebolzen versehen ist, von außen her eingeschraubt sind. Das Gehäuse bildet den einen Anschluß des Gleichrichters, wogegen der andere als dünner Draht ausgebildet und von der dem Gewindebolzen gegenüberliegenden Seite her isoliert in das Gehäuse eingeführt ist. Derartige Gleichrichter sind für hohe Stromstärken wenig geeignet, da wegen des einen relativ dünnen Anschlußdrahtes kein beidseitig großflächiger elekirischer und thermischer Kontakt mit dem Gleichnchterkorper möglich ist. Zudem müssen alle Gleichrichter getrennt in die Metallringe eingeschraubt und entsprechend festgezogen sowie gegen ein Herausdrehen auf Grund mechanischer Erschütterungen gesichert sein. Dies stellt einen erheblichen Arbeitsmehraufwand gegenüber der Anordnung nach der Erfindung dar. Schließlich wirkt die Einspannkraft nicht auf die Gleichrichter selbst, sondern nur auf die genannten Ringe.

Bei einer anderen bekannten Halbleitergleichrichteranordnung (deutsche Auslegeschrift 1 210 956) sind zwar mehrere Halbleitertablettenstapel achsparallel um einen mittleren Halterungsbolzen herum angeordnet, doch dient diese Anordnung lediglich zur Halterung der Halbleitertrablettenstapel, ohne daß eine größere Kraft in Axialrichtung der Stapel auf diese ausgeübt wird.

Bei einer weiteren bekannten Halbleitergleichrichteranordnung (deutsches Gebrauchsmuster 1 898 526) sind abwechselnd Metall- und Isolierringe übereinandergestapelt, so daß ihre Bohrungen fluchten, und durch die. Bohrungen ist ein Bolzen gesteckt. Auf den Bolzen wird eine Kraft ausgeübt. Die Ringe sind durch Löten oder Kleben miteinander verbunden. In Axialbohrungen der Isolierringe sind die Gleichrichterkörper angeordnet. Die Gleichrichterkörper werden beispielsweise jeweils durch eine Feder, die sich an dem die betreffende Bohrung auf der einen Seite abschließenden Metallring abstützt, gegen den die Bohrung auf der anderen Seite abschließenden Metallring gedrückt. Diese Federn gewährleisten jedoch keinen gleichen Kontaktdruck bei allen Gleichrichtern, so daß diese bei einer Parallel- oder Reihenschaltung unterschiedlich belastet werden. Diese unterschiedliche Belastung auf Grund unterschiedlicher Kontaktwiderstände kann so weit führen, daß ein Gleichrichter über seine Nennleistung hinaus belastet und zerstört wird. Wenn ein Gleichrichter ausfällt, müssen alle anderen Gleichrichter dessen Leistung übernehmen, so daß auch diese überlastet und zerstört werden können. Eine Weiterbildung der Halbleitergleichrichteranordnung nach der Erfindung besteht darin, daß in mindestens einem der weiteren Stapel zwischen den einander zugewandten Grundflächen der Druckstempel mindestens ein elektrisch isolierendes Distanzstück oder mindestens ein weiterer Halbleitergleichrichter angeordnet ist.

Die Verwendung eines isolierenden Distanzstückes an Stelle eines Halbleitergleichrichters für den Fall, daß man entsprechend der gerade gewählten Halbleitergleichrichter-Schaltungsanordnung mit einer geringereren Anzahl von Halbleitergleichrichtern auskommt, ermöglicht eine angenäherte Nachbildung der mechanischen und thermischen Spannungsverhältnisse, die bei Verwendung eines Halbleitergleichrichters vorliegen, so daß auch ohne diesen Halbleitergleichrichter symmetrische Spannungsverhältnisse vorliegen, die eine gleichmäßige Kontaktierung gewährleisten.

■ Es ist zwar bekannt (französische Patentschrift 1 369 122), bei einem Stapel aus Kühlkörpern, Halbleitergleichrichtern und Druckstempeln, die wie bei der eingangs erwähnten Anordnung zwischen zwei Querstücken mittels zweier Verbindungsbolzen eingespannt sind, ein Einsatzstück vorzusehen, das entsprechend der gewünschten Halbleitergleichrichter-Schaltungsanordnung elektrisch leitend oder isolierend ausgebildet ist, doch wirkt dieses Einsatzstück nicht wie eine Blindzelle zur Symmetrierung von Spannungsverhältnissen.

Eine andere Weiterbildung der Halbleitergleichrichteranordnung nach der Erfindung, bei der die Einspannvorrichtung an beiden Enden des Verbindungsbolzens aufgeschraubte Muttern mit untergelegten Tellerfedern aufweist, über die der Druck der Muttern elastisch übertragen wird, besteht darin, daß der äußere Rand der Tellerfedern die geometrischen Achsen aller Stapel schneidet.

Dadurch wird eine noch gleichmäßigere Aufteilung des Einspanndrucks auf alle Stapel erreicht.

Zur Raum- und Materialeinsparung können die Druckstempel in einem Stapel, der ein Distanzstück enthält, dünner sein als die Druckstempel in einem Stapel mit einem Halbleitergleichrichter.

Die Wärmeableitung wird noch dadurch verbessert, daß sich die Druckstempel in gut wärmeleitendem Kontakt durch gemeinsame Kühlrippen erstrecken. Statt dessen oder zusätzlich kann auch mindestens ein einen Halbleitergleichrichter auf-

weisender Stapel mit wassergekühlten Wärmesenken verbunden sein.

Bei Verwendung mindestens eines steuerbaren Halbleitergleichrichters ist vorzugsweise eine in einem Gehäuse befindliche Steuerschaltung für den oder die Halbleitergleichrichter zwischen den einander zugewandten Grundflächen zweier in einem Stapel unmittelbar benachbarter Druckstempel angeordnet. Die Steuerschaltung kann dabei an Stelle eines Distanzstückes vorgesehen sein. Dies ermöglicht eine besonders kompakte und raumsparende Anordnung.

Die beschriebene Anordnung besitzt zusammengefaßt folgende Vorteile: Mit dem einen auf Zug beanspruchten Verbindungsbolzen, der in der Mitte zwischen mehreren parallelen Stapeln von Druckstempeln angeordnet ist, wird auf die Stapel ein gleichförmiger Axialdruck übertragen, ohne daß eine komplizierte oder genaue Einstellung notwendig ist. Die Tellerfedern ermöglichen es, daß der auf jeden Stapel übertragene Druck genau in Axialrichtung der Stapel auf diese ausgeübt wird, so daß eine ungleichförmige oder exzentrische Einspannung der Halbleitergleichrichter zwischen den Druckstempeln vermieden oder zumindest stark reduziert wird. Obwohl die Anordnung verhältnismäßig einfach herzustellen ist, ist sie mechanisch unempfindlich und stabil, so daß ein gleichförmiger, unveränderbar hoher Druck auf den oder die Halbleitergleichrichter ausgeübt wird, auch wenn die Anordnung grob behandelt, in Querrichtung beansprucht oder extremen Temperaturschwankungen ausgesetzt wird. Die Ausübung eines gleichförmigen, hohen Kontaktdrucks auf nahezu die gesamte Fläche jedes oder aller Halbleitergleichrichter ist von besonderer Wichtigkeit, wenn man durch die einzelnen Halbleitergleichrichter sehr starke Ströme leiten will.

Auf Grund der zusätzlichen Einrichtung zur Wärmeableitung kann jeder Halbleitergleichrichter ebenfalls einen höheren Strom führen. Wenn noch höhere Ströme erwünscht sind, dann können mehrere gleichartige Halbleitergleichrichter innerhalb der gleichen Anordnung parallel geschaltet werden. Zwei parallelgeschaltete Thyristoren können auch invers gepolt werden, so daß ein Wechselstromschalter entsteht. Weiterhin können innerhalb einer Anordnung auch zwei oder mehrere in Serie geschaltete Halbleitergleichrichter untergebracht sein, indem man mindestens zwei weitere Druckstempel vorsieht, die bezüglich der Druckstempel eines der Stapel beabstandet und axial ausgerichtet sind. Mit Hilfe einer solchen Ausführungsform können die Betriebsspannungen der Anordnung erhöht oder andere Halbleiterbauelemente in verschiedener Weise kombiniert werden. Vorzugsweise sind die Druckstempel innerhalb eines Stapels aus Kupfer hergestellt. Mit einer nach der Erfindung ausgebildeten Halbleitergleichrichteranordnung lassen sich beispielsweise folgende Nennwerte erreichen:

1. Eine Hochstromdiode, die vier Halbleitergleichrichter in Parallelschaltung enthält, ist bei Druckluftkühlung mit 2500 A (mittlerer Strom in Durchlaßrichtung) und 220 V (Sperrspannung) betreibbar.

2. Ein Hochspannungsthyristor mit zwei Halbleitergleichrichtern in Reihenschaltung kann mit 420 A (mittlerer Strom in Durchlaßrichtung) und 3600 V (Spitzensperrspannung) betrieben werden.

3. Ein wassergekühlter Wechselstromschalter mit zwei antiparallelgeschalteten Halbleitergleichrichtern ist mit 1200 A (mittlerer Strom in Durchlaßrichtung) und 1800 V (Spitzensperrspannung) betreibbar.

Die Halbleitergleichrichteranordnung nach der Erfindung wird nun auch an Hand der Zeichnungen ausführlich beschrieben.

F i g. 1 ist eine Draufsicht auf eine Halbleitergleichrichteranordnung nach der Erfindung;

F i g. 1 a ist eine schematische Darstellung der Anordnung nach der Fig. 1, die sowohl elektrische als auch mechanische Einzelheiten zeigt;

F i g. 2 ist ein Schnitt längs der Linie 2-2 der Fi<r 1·

F i g. 3 ist eine Seitenansicht der in der F i g. 1 gezeigten Anordnung;

Fig. 4 ist eine Seitenansicht eines anderen Ausführungsbeispiels der Halbleitergleichrichteranordnung nach der Erfindung mit zwei in Serie geschalteten Halbleiterbauelementen;

F i g. 4 a ist eine schematische Darstellung der Anordnung nach der Fig. 4, in der sowohl elektrische als auch mechanische Einzelheiten gezeigt sind;

F i g. 5 ist. ,eine Draufsicht auf eine dritte Ausführungsform der Halbleitergleichrichteranordnung nach der Erfindung mit vier parallelgeschalteten Halbleiterbauelementen;

Fi g. 5 a ist eine schematische Darstellung der Anordnung nach der Fig. 5, in der sowohl elektrische als auch mechanische Einzelheiten gezeigt sind;

Fig. 6 ist ein Schnitt längs der Linie 6-6 der Fi σ 5·

F i g. 7 ist eine Draufsicht auf ein viertes Ausführungsbeispiel der Halbleitergleichrichteranordnung nach der Erfindung, wobei zwei antiparallelgeschaltete Halbleitergleichrichter in einer gemeinsamen wassergekühlten Anordnung untergebracht sind;

F i g. 7 a ist eine schematische Darstellung der in der F i g. 7 gezeigten Anordnung, wobei sowohl elektrische als auch mechanische Einzelheiten gezeigt sind;

F i g. 8 ist ein Teilschnitt längs der Linie 8-8 der Fig. 7;

F i g. 9 ist eine Seitenansicht der in der F i g. 7 dargestellten Anordnung;

F i g. 10 a bis 10 e sind schematische Darstellungen verschiedener anderer Ausführungsformen der Halbleitergleichrichteranordnung nach der Erfindung, wobei sowohl elektrische als auch mechanische Einzelheiten gezeigt sind.

Im folgenden wird zunächst die in den F i g. 1,1 a, 2 und 3 dargestellte Ausführungsform der Halbleitergleichrichteranordnung nach der Erfindung beschrieben. Bei dieser Anordnung ist nur ein Halbleitergleichrichter 11 für hohe Ströme vorgesehen. Das in der Fig. 2 im Schnitt dargestellte Halbleiterbauelement 11 enthält einen scheibenförmigen Halbleiterkörper 12 zwischen den ebenen Grundflächen 13 und 14 zweier tassenförmiger Elektroden, deren Ränder an den beiden Enden einer Keramikhülse 15 befestigt sind, so daß ein hermetisch abgedichtetes Gehäuse für den Halbleiterkörper 12 entsteht. Die Seitenwände der tassenförmigen Elektroden bestehen aus einem duktilen Metall, z. B. Kupfer. Die Grund-

flachen .13 und 14 dienen als Haupteleklroden des Halbleitergleichrichters, die im folgenden mit Anode bzw. Katode bezeichnet sind. Der scheibenförmige Halbleiterkörper 12 enthält eine dünne, relativ großllächige Scheibe aus Halbleitermaterial, z. B. Silicium, mit Metallflächen, die vorzugsweise äußerst eben und parallel zueinander sind. Der Durchmesser einer Halbleiterscheibe beträgt z. B. 31,8 mm. Der Durchmesser der tassenförmigen Elektroden des Halbleiterbauelementes ist etwa gleich groß. Im Halbleiterkörper 12 ist mindestens ein gleichrichtender PN-Übergang ausgebildet, der parallel zu den Endflächen liegt. Das in den Fig. 1 bis 3 dargestellte Halbleiterbauelement ist ein Thyristor (steuerbarer Gleichrichter), dessen Halbleiterkörper vier Zonen aus abwechselnd P- und N-leitendem Silicium besitzt, von denen die eine an ihrem Rand eine Steuerelektrode aufweist. Zum Anschluß einer äußeren Zuleitung an diese Steuerelektrode enthält die Keramikhülse 15 eine ringförmige Anschlußklemme 16.

Das Halbleiterbauelement 11 liegt mechanisch zwischen und elektrisch in Serie mit zwei ausgerichteten Druckstempeln 20 und 21, die sowohl als elektrische Leiter als auch als Wärmeleiter dienen und daher aus einem hochleitenden Metall, vorzugsweise Kupfer, bestehen. Sie besitzen eine runde Querschnittsfläche, deren Durchmesser normalerweise größer als der Durchmesser der Halbleiterscheibe 12 ist. Die einander gegenüberliegenden Endabschnitte dieser Kupferstempel sind abgeschrägt, so daß sie in die tassenförmigen Elektroden des Halbleiterbauelementes 11 passen. Ihre Enden sind als ebene Kontaktflächen 22 bzw. 23 ausgebildet. Die einander zugewandten Kontaktflächen 22 und 23 liegen senkrecht zur gemeinsamen Längsachse oder Mittellinie 24 der Kupferstempel 20 und 21 und im wesentlichen parallel zu den äußeren Kontaktflächen der Anode 13 und der Katode 14, mit denen sie in Berührung stehen. Außerdem sind sie im wesentlichen der Form dieser äußeren Kontaktflächen angepaßt. Infolgedessen bilden die Kontaktfläche 22 und die Anode 13 sowie die Kontaktfläche 23 und die Katode großflächige Kontakte.

Die Anode und Katode des Halbleiterbauelementes 11 und die entsprechenden Kupferstempel 20 und 21 sind dadurch elektrisch gekoppelt, daß die sich berührenden Kontaktflächen unter hohem Druck zusammengepreßt sind. Dies wird dadurch erreicht, daß die Kupferstempel in axialer Richtung zusammengedrückt werden. Kein Lot- oder anderes Mittel wird zum Verbinden dieser Teile verwendet, i. h., die Kupferstempel können vom Halbleiterbauelement vollständig getrennt werden. Trotzdem erhält man an den Kontakten dieser Teile eine gute -'lektrische und thermische Leitfähigkeit, indem man lie Kupferstempel einem hohen Axialdruck, z. B. )00 kg, aussetzt und diesen Druck sehr gleichmäßig iber eine große Fläche verteilt.

Um eine gleichförmige Verteilung des Kontakt-Irucks zu gewährleisten, sind parallel zu den Cupferstempeln 20 und 21 zwei weitere Sätze 26, 27 '.nd 28, 29 (Fig. 3) von beabstandeten, axial aufinander ausgerichteten metallischen Druckstempeln orgesehen. Die Stempel 26 bis 29 bestehen vorzugsweise aus zylindrischen Eisen- oder Stahlstäben, 'eren Durchmesser merklich kleiner als die Durchnesser der Kupferstempel 20 und 21 sind. Die einnder zugewandten Enden der ausgerichteten Stahlstempel sind als ebene Endflächen ausgebildet, die normal zur Achse dieser Stempel liegen.

Wie in den Fig. 2 und 3 dargestellt ist, sind die Stempel jedes der zusätzlichen Stapel durch ein Distanzstück 30 mechanisch verbunden, das zwischen deren einander zugewandten Enden liegt und mit diesen ausgerichtet ist. Jedes Distanzstück 30 besitzt die Form eines Rades mit einem relativ dicken Flanschteil und einem festen Steg 31, dessen Durchmesser etwa gleich dem Durchmesser der anliegenden Stempel ist. Der Steg des Distanzstückes 30 ist axial zwischen den Endflächen 32 und 33 der Stahlstempel 26 und 27 eingeklemmt, solange auf diese Stempel ein Axialdruck ausgeübt wird.

Jedes Abstandsstück 30 besteht aus einem starren, elektrisch isolierend wirkenden Material, z. B. aus Keramik oder aus glasgebundenem Glimmer (Handelsname »Mycalex«). Die Kombination aus einem Distanzstück und den angrenzenden Stempeln bildet eine stabile Säule, die mechanisch (aber nicht elektrisch) parallel zu dem Satz aus Kupferstempeln 20 und 21 angeordnet ist. Das gleiche Ergebnis könnte erzielt werden, wenn man das isolierende Distanzstück am Ende eines einzigen langen Stahlstempels anordnen oder zusätzlich zu den gezeigten Teilen weitere aufeinander ausgerichtete Distanzstücke und Stempel vorsehen würde. Die gezeigte Kombination wird jedoch vorgezogen,· da durch sie das Zusammensetzen und Auswechseln der einzelnen Teile der Gleichrichteranordnung erleichtert wird. Durch den dicken Flansch des Distanzstückes 30 wird sichergestellt, daß zwischen den gegenüberliegenden Enden der Stahlstempel geeignete, aus Luft (Durchschlagsstrecke) und Oberfläche (Kriechweg) bestehende Zwischenräume aufrechterhalten sind. Es werden außerdem Distanzstücke mit geeignet dünnen Stegen verwendet, so daß die ebenen, parallelen Endflächen 32 und 33 der Stahlstempel 26 und 27 einen Abstand voneinander haben, der dem Spalt zwischen den gegenüberliegenden Kontaktflächen 22 und 23 der Kupferstempel 20 und 21 entspricht, und so daß die Endfläche 32 koplanar mit der Kontaktfläche 22 bzw. die Endfläche 33 koplanar mit der Kontaktfläche 23 sein kann. Das Distanzstück 30 hat daher die Wirkung einer Blindzelle, da sie zwar dem Halbleiterbauelement 11 ähnlich ist, jedoch anstatt aus einem in eine Richtung leitenden Leiter aus einem Isolator besteht. Wenn keine Isolierung notwendig wäre, könnte ein Distanzstück aus Metall verwendet werden.

Wie aus der Zeichnung hervorgeht, sind die drei zueinander parallelen Sätze von Stempeln 20,21 bzw. 26, 27 bzw. 28, 29 in einem symmetrischen Muster angeordnet. Alle Stempel werden mit Hilfe eines einzigen auf Zug beanspruchten Bauteils einem Axialdruck unterworfen. Der auf Zug beanspruchte Bauteil besteht aus einem langen Verbindungsbolzen 34 aus Stahl, der parallel zu den Stapeln von aufeinander ausgerichteten Stempeln angeordnet ist. Entsprechend den Fig. 2 und 3 ist eine auf das eine Ende dieses Verbindungsbolzens aufgeschraubte Mutter 35 mechanisch mit den zugehörigen Enden 20 a, 26 α und 28 α der Stempel 20, 26 und 28 und eine auf das andere Ende des Verbindungsbolzens 34 aufgeschraubte Mutter 36 mechanisch mit den entgegengesetzten Enden 21 a, 27 α und 29 α der Stempel 21,27 und 29 verbunden. Infolgedessen werden die Stempel jedes Stapels oder Satzes beim

.Anziehen der Müllern 35 und 36 in axialer Richtung zusammengedrückt und das Halbleiterbauclement 11 und die Dislanzstücke 30 fest zwischen den Stempeln eingespannt. Damit auf alle drei Satze von Stempeln der gleiche Druck wirkt, ist die Längsachse des Verbindungsbolzens bezüglich der Achsen der entsprechenden Sätze in der Mitte angeordnet.

In dem beschriebenen Ausführungsbeispiel enthält die Verbindung zwischen jedem Ende des Verbindungsbolzens 34 und den zugehörigen Stempeln der drei Sätze eine Tellerfeder 37 (nach Belleville). Gemäß der Fig. 2 besitzt jede Tellerfeder 37 eine Krone 38, die über die zugehörige Mutter 35/36 mit dem Verbindungsbolzen verbunden ist, während der Rand 39 jeder Tellerfeder über den axialen Mittelpunkten der Enden der Stempel liegt. Auf diese Weise ist der auf den Satz aus Kupferstempeln 20 und 21 ausgeübte Druck auf die Achse zentriert, so daß keinerlei Momente auftreten, die ein Verkippen oder Verkanten der Stempel zur Folge haben und die gleichförmige Verteilung des Drucks über die gesamte Oberfläche der Kontaktflächen 22 und 23 beeinflussen könnten. Das gleiche Ergebnis könnte auch auf andere Weise erzielt werden, wenn man nämlich z. B. auf jedem Stempel einzelne Tellerfedern (s. Be-Schreibung zu Fig. 6) oder eine Kugel-Feder-Verbindung verwendet, die längs der Achse eines Stempels wirksam ist.

Damit ein Kurzschluß der Kupferstempel 20 und 21 über den Verbindungsbolzen 34 verhindert wird, ist dieser von. einer Isolierhülse 40 umgeben, und zwischen mindestens einer der Tellerfedern 37 und jedem mit dieser in Berührung befindlichen Stempelende ist eine Schicht aus einem elektrisch isolierenden Material vorgesehen, die vorzugsweise aus einem Isolierring 41 aus glasgebundenem Glimmer besteht, durch dessen Mittelöffnung der Verbindungsbolzen ragt. Nahe seines Randes ist der Isolierring 41 in gleichen Abständen mit drei in axialer Richtung verlaufenden Vorsprüngen 42 versehen, deren Durchmesser gleich dem Durchmesser der Stahlstempel 26 bis 29 sind. Die Vorsprünge 42 sind außerdem in axialer Richtung über den angrenzenden Stempeln angeordnet, wie aus der Fig. 2 hervorgeht. In den Kupferstempeln 20 und 21 sind Stahleinsätze 44 von gleichem Durchmesser vorgesehen, die über die Enden 20 α und 21 α hinausragen. Auf jeden der drei Vorsprünge 42 des Isolierringes 41 ist eine harte Metallkappe 45 aufgesetzt, gegen deren äußere ebene Oberfläche der Rand 39 der Tellerfeder 37 drückt.

Die Tellerfedern 37 dienen nicht nur im Sinne mechanischer Hebel zum Übertragen eines Drucks vom Verbindungsbolzen 34 auf die entsprechenden Stempel der Anordnung, sondern sorgen auch zusätzlich für die erwünschte Elastizität der Einspannvorrichtung. Durch diese Eigenschaft wird die Anfangseinstellung der Einspannvorrichtung beschleunigt und werden später dimensionelle Änderungen der Anordnung (z. B. auf Grund von Temperaturschwankungen oder Alterserscheinungen) ausgeglichen, ohne daß der Kontaktdruck merklich nachläßt. Es werden Tellerfedern bevorzugt, deren mögliche Belastung etwa 2,5mal so groß wie die tatsächliche Belastung ist, so daß sie nach dem Einbauen in die Halbleitergleichrichteranordnung nur teilweise durchgedrückt sind. Da sie somit nicht flachgedrückt werden, werden die entsprechenden Metallkappen 45 jeweils nur von ihren Rändern 39 berührt. Der Außcndurchmcsser der Tcllerfedern ist derart gewählt, daß die sich ergebende Berührungslinie die Achsen aller drei Stapel oder Sätze von Stempeln 20, 21 bzw. 26, 27 bzw. 28, 29 schneidet.

Zum elektrischen Verbinden des Halbleiterbauelemcntes 11 mit einer äußeren elektrischen Schaltung und zum mechanischen Befestigen der gesamten Anordnung sind die Kupferstempel 20 und 21 mit geeigneten Anschlußelementen ausgerüstet. Gemäß den Fig. 1 bis 3 enthalten die Anschlußelemente zwei leitende Anschlußklemmen 46 und 47, die vorzugsweise aus L-förmigen Kupferstäben oder Kupferleitungen bestehen, die beispielsweise durch Hartlötung od. dgl. an den äußeren Enden 20 α und 21 a der Kupferstempel befestigt sind. Zur Erhöhung der Festigkeit und Steifigkeit ist die Anschlußklemme 46 auch an den äußeren Enden 26 α und 28 α je eines Stempels der beiden Sätze von Stahlstempeln und die Anschlußklemme 47 in ähnlicher Weise an den äußeren Enden 27 α und 29 α der anderen Stempel dieser Sätze befestigt. In jeder Anschlußklemme ist eine Mittelöffnung vorgesehen, durch die der Verbindungsbolzen 34 ragt, der an dieser Stelle von der Isolierhülse 40 und einem hülsenartigen Ansatz an einem der Isolierringe 41 umgeben ist. In dem diese Öffnung bildenden Rand ist eine exzentrische Kerbe 48 vorgesehen, in die ein Keil 43 eingreift, der vom hülsenartigen, 'Ansatz am Isolierring 41 radial nach außen ragt. Hierdurch ist die Winkelstellung des Isolieringes 41 festgelegt bzw. sind die Vorsprünge 42 auf die zugehörigen Sätze von Stempeln ausgerichtet. In den äußeren Enden der Anschlußklemmen 46 und 47 sind Löcher 49 vorgesehen, mit deren Hilfe die Anordnung an (nicht gezeigte) elektrisch leitende Stützkörper angeschraubt werden kann.

Die beschriebene, gleichförmig wirkende Einspannvorrichtung zum Einspannen eines Halbleiterkörpers 11 unter Druck, wobei die Kontaktflächen 22 und 23 zweier Kupferstempel 20 und 21 fest gegen die äußeren Kontaktflächen der Anode 13 bzw. der Katode 14 des Halbleiterbauelementes gedrückt sind, besitzt insbesondere die folgenden vier Vorteile:

Die Anordnung ist erstens in mechanischer Hinsicht sehr stabil. Auch bei großen Temperaturschwankungen werden über viele Betriebsjahre hinweg die auf das Halbleiterbauelement wirkenden hohen Betriebsdrücke aufrechterhalten. Durch die aus drei Sätzen von Stempeln bestehende Einspannvorrichtung werden ein unerwünschtes Durchbiegen der ausgerichteten Kupferstempel 20 und 21 und eine Zerstörung der gegeneinandergedrückten Kontaktflächen auch dann vermieden oder auf ein Minimum herabgesetzt, wenn die Anordnung grob behandelt oder beim Einbauen in seitlicher Richtung beansprucht oder belastet wird.

Die beschriebene Anordnung ist zweitens einfach herzustellen. Um sicherzustellen, daß der erforderliche hohe Kontaktdruck über eine große Fläche des für hohe Ströme ausgelegten Halbleiterbauelementes gleichförmig verteilt wird, ist nur eine einzige unkomplizierte Einstellung notwendig, nämlich das Festziehen einer der Muttern 35/36 auf dem Verbindungsbolzen 34. Der als Folge davon auf den Satz von Kupferstempeln 20, 21 ausgeübte Druck ist in axialer Richtung zentriert, so daß ein paralleler, gleichförmiger Kontakt im Bereich der gesamten Fläche der aneinandergrenzenden Kontaktflächen ge-

589 847

mri^; ^ ^TcIlc*f^r» ³⁷.^d _H ^ure,^h u.,sch -gespannt sind. Um jedoch

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. Um jedoch zu vermeiden, der ersten Kühlrippe 50 α, die sich auf Anoden-

potential befindet, ein ausreichender Oberlläehenabstand (Kriechweg) sichergestellt ist.

Die gestrichelten Linien in der Fig. 3 deuten an. wie die Seiten der Prallwand 56 längs den Vorder- und Rückseiten der Kühlrippengruppen verlängert und umgebogen sein könnten, um an Stelle der in der Fig. 1 sichtbaren äußeren Wände 55 einen in sich selbst abgeschlossenen Luftkanal für den Durchstrom der Kühlluft zu bilden. Das gleiche Ergebnis könnte man auch dadurch erzielen, daß man die vorderen und hinteren Enden der einzelnen Kühlrippen der Gruppen 50 und 51 umbiegt.

Das Halbleiterbauelement 11 und die beiden dazu parallelliegenden, isolierenden Distanzstücke 30 sind auf diese Weise unter Druck zwischen zwei Teilanordnungen eingespannt, die mittels des in der Mitte liegenden Verbindungsbolzens 34 trennbar zusammengehalten werden. Jede Teilanordnung enthält in einem Stück einen Kupferstempel, zwei dazu parallele Stahlstempel, eine mit allen drei Stempeln verbundene Anschlußklemme und eine Gruppe von beabstandeten Kühlrippen, die von den Kupferstempeln radial nach außen ragen. Nach dem Zusammenbau jeder Teilanordnung, aber vor dem Vereinigen mit der dazugehörigen Teilanordnung werden die koplanaren Oberflächen 22 und 32 bzw. 23 und 33, die sich an den inneren Enden der entsprechenden Stempel befinden, vorzugsweise geschliffen und geläppt, so daß sie genau eben und senkrecht zur Achse 24 der Kupferstempel sind. In ähnlicher Weise werden die äußeren Enden 26 α und 28 α bzw. 27 α und 29 α der Stahlstempel und die äußeren ebenen Oberflächen der Stahleinsätze 44 der Kupferstempel in einer gemeinsamen, zur Achse 24 senkrechten Ebene geschliffen. Nach dem endgültigen Zusammenbau wird der erforderliche Axialdruck dadurch auf den Satz von Kupferstempeln 20 und 21 übertragen, zwischen denen die Hauptelektroden des Halbleiterbauelementes 11 zusammengedrückt sind, indem man eine der Muttern 35, 36 so lange anzieht, bis der Verbindungsbolzen durch eine dreimal so große Kraft gespannt ist. Ein Drittel dieser Spannung wird mittels der Tellerfeder 37 auf jeden der drei parallelen Sätze von Stempeln übertragen. Die angegebene Belastung ist praktisch dann gegeben, wenn man die fingerfest angezogene Mutter um weitere IVe Drehungen anzieht.

In den Fi g. 4 und 4 a ist eine zweite Ausführungsform der Erfindung gezeigt, wobei zwei Halbleitergleichrichter 11 (Thyristoren) innerhalb einer gemeinsamen Anordnung in Serie geschaltet sind. Da viele Teile dieser Anordnung gleich entsprechenden Teilen der an Hand der F i g. 1 bis 3 beschriebenen Ausführungsform sind, sind diese Teile auch mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Auch die Ausführungsform nach den F i g. 4 und 4 a enthält zwei aus einem Stück bestehende Teil anordnungen, zwischen denen zusätzlich eine mittlere oder dritte Teilanordnung angeordnet ist.

Die mittlere Teilanordnung enthält einen dicken Kupferstempel 61, zwei dazu parallele Stahlstempel 62 und 63 von gleicher Länge und eine Gruppe 64 von beabstandeten, dünnen Kühlrippen aus Metall, die am Kupferstempel 61 befestigt sind. Die erste und letzte Kühlrippe 64 α und 64 b an den Enden der Gruppe 64 sind größer als die übrigen und zur Bildung einer aus einem Stück bestehenden Teilanordnung mit den Stahlstempeln 62 und 63 verlötet.

Der zusätzliche Kupferstempel 61. ist mit Abstand zwischen den Kupfcrsteinpeln 20 und 2L der ersten beiden Teilanordnungen und in axialer Ausrichtung mit diesen angeordnet, so daß er mit diesen beiden Kupferslempeln einen Satz von drei aufeinander ausgerichteten Druckkörpern bildet. Ähnlich ist der Stahlstempel 62 mit Abstand und in einer Linie mit den Stahlstempeln 26 und 27 und der Stahlstempel 63 mit Abstand und in einer Linie mit den Stahlstempeln 28 und 29 angeordnet, so daß zwei zueinander parallele Sätze von aufeinander ausgerichteten Stahlstempeln entstehen, die je drei Stempel enthalten.

Das obere Ende des mittleren Kupferstempels 61 der F i g. 4 ist abgeschrägt und mit einer ebenen Kontaktfläche versehen, die senkrecht zur gemeinsamen Achse des Satzes aus den drei Kupferstempeln 20, 61, 21 liegt. Diese Kontaktfläche ist genauso wie die Kontaktfläche 22 des Kupferstempels 20 ausgebildet. Das andere Ende des Kupferstempels 61 ist ebenfalls abgeschrägt und am Ende mit einer ebenen Kontaktfläche versehen, die senkrecht zur gemeinsamen Achse liegt und genauso wie die Kontaktfläche 23 des Kupferstempels 21 ausgebildet ist. Zwischen den beiden Kupferstempeln 20 und 61 ist ein Halbleiterbauelement angeordnet, dessen Anode leitend mit der Kontaktfläche 22 und dessen Katode leitend mit der gegenüberliegenden Kontaktfläche des Kupferstempels 61 verbunden ist. Zwischen den beiden Kupferstempeln 21 und 61 ist ein zweites Halbleiterbauelement 11 angeordnet, dessen Katode leitend mit der Kontaktfläche 23 und dessen Anode leitend mit der gegenüberliegenden Kontaktfläche des Kupferstempels 61 verbunden ist. Auf diese Weise ergibt sich ein Stapel aus zwei Halbleiterbauelemen- j ten 11, die elektrisch mit den Kupferstempeln 20 | und 21 und daher auch mit den Anschlußklemmen > 46 und 47 der Anordnung in Serie geschaltet sind. Die Spitzenspannung in Rückwärtsrichtung einer solchen Anordnung ist relativ hoch und beträgt beispielsweise 3600 Volt. Wenn ein äußerer elektrischer : Anschluß mit der Verbindungsstelle der beiden i Halbleiterbauelemente erwünscht ist, dann kann eine ^: der Kühlrippen der mittleren Gruppe 64, z. B. die Kühlrippe 64 c, verlängert werden.

Die Zwischenräume zwischen den einander zugewandten Enden der aufeinander ausgerichteten Stahlstempel bzw. der beiden Sätze 26, 62, 27 und 28, 63, 29 sind jeweils mit starren Distanzstücken 30 ' ausgefüllt. Die beiden Stahlstempel an den Enden dieser beiden Sätze sind daher jeweils durch zwei Distanzstücke und einen mittleren Stahlstempel 62 bzw. 63 verbunden. In der Mitte zwischen den Sätzen aus Kupfer- und Stahlstempeln und parallel zu ihnen erstreckt sich ein längerer Verbindungsbolzen 65, dessen beide Enden mit Hilfe von Muttern 35 und 36, Isolierringen 41 und dazwischenliegenden Tellerfedern mit den zugehörigen Stempeln verbunden sind, wodurch alle Stempel in axialer Richtung zusammengedrückt und die Halbleiterbauelemente 11 bzw. die Distanzstücke 30 fest, aber lösbar zwischen ihnen eingespannt werden. Die mechanische Verbindung zwischen der Mutter 35 und dem mittleren Kupferstempel 61 wird bei dieser Anordnung durch den Stempel 20 und das eine Halbleiterbauelement , 11 hergestellt. Um ein Driften des elektrischen Potentials des Verbindungsbolzens 65 zu vermeiden, j kann dieser mittels einer (nicht gezeigten) leitenden

ι ο υ c; ο ^r ι

Klammer mil dom minieren Kuplerstempe! 61 elektrisch verbunden werden.

Gemäß der Fig. 4 enthält die Anordnung zwischen den beiden Gruppen von Kühlrippen 50 und 64 bzw. 51 und 64 je eine Prallwand 56. Außerdem sind koaxiale Anschlüsse, 58 für die Steuerleitungen der Thyristoren 11 vorgesehen. Im übrigen besitzt die gesamte Anordnung die gleichen Merkmale und Vorteile, die in Verbindung mit dem ersten Ausfuhrungsbeispiel beschrieben sind. Das zweite Ausführungsbeispiel kann dadurch modifiziert werden, daß man weitere mittlere Teilanordnungen hinzufügt und einen Stapel aus mindestens drei in Serie liegenden Halbleiterbauelementen bildet.

Eine dritte Ausführungsform der Erfindung ist in den Fig. 5, 5 a und 6 dargestellt. In der hier gezeigten Anordnung sind vier Halbleiterdioden 71 parallel zueinander angeordnet. Jedes Halbleiterbauelement 71 enthält gemäß der Fig. 6 einen scheibenförmigen Halbleiterkörper 72, der zwischen ao den ebenen Böden 73 und 74 zweier tassenförmiger Elektroden angeordnet ist, deren Ränder an entgegengesetzten Enden einer Keramikhülse 75 befestigt sind, so daß ein aus einem Stück bestehendes, hermetisch abgedichtetes Gehäuse für den Halbleiterkorper 72 entsteht. Im Inneren des Halbleiterkörpers 72 ist ein einziger großflächiger PN-Übergang ausgebildet, der zu den entgegengesetzten Endflächen im allgemeinen parallel verläuft. Die Böden 73 und 74 der tassenförmigen Elektroden dienen als Hauptelektroden bzw. als Anode und Katode des HaIbleiterbauelementes.

Jedes Halbleiterbauelement liegt mechanisch zwischen und elektrisch in Serie mit je zwei aufeinander ausgerichteten Druckkörpern oder Kupferstempeln 76 und 77, die gleichzeitig als Strom- und als Wärmeleiter dienen. Die Kupferstempel 76 und 77 besitzen einen kreisrunden Querschnitt und einen Durchmesser, der vorzugsweise größer als der des Halbleiterkörpers 72 ist. Die einander zugewandten Enden der Kupferstempel sind abgeschrägt, so daß sie in die tassenförmigen Elektroden des Halbleiterbauelementes 71 passen, und besitzen am Ende einander zugewandte Kontaktflächen 78 und 79. Die Kontaktflächen 78 und 79 sind zueinander parallel und besitzen im wesentlichen die gleiche Form wie die äußeren Kontaktflächen der Anode 73 und der Katode 74.

Zum Einspannen der vier Halbleiterbauelemente 71 sind vier parallele Sätze von axial aufeinander ausgerichteten Kupferstempeln 76 und 77 vorgesehen Gemäß der Fig. 5 sind diese vier Sätze in einem symmetnschen Muster angeordnet. Alle Kupferstempel werden mit Hilfe eines einzigen auf Zug beanspruchten Bauteils in axialer Richtung zusammengedruckt Dieser Bauteil enthält einen Verbindungsbolzen 80 aus Stahl, der parallel zu den Sätzen von Kupferstempeln in deren Mitte angeordnet ist. Die beiden Enden des Verbindungsbolzens sind mit Hilfe zweier Muttern 81 und 82 mit den zugehörigen Kupferstempeln 76 und 77 jedes Satzes mechanisch verbunden Die Verbindungsglieder zwischen den Muttern 81 und 82 und den zugehörigen Kupferstempeln enthalten in der gleichen Reihenfolge einen ^assenformigen Metallring 83, eine relativ große Tellerfeder 84, einen Isolierring 85 aus glasgebundenem Glimmer od. dgl., eine von vier feineren Tellerfedern 86, von denen je eine auf

einem Kupferslenipel ruht, und einen von vier Stalilringcn 87.

Wie aus der Fi g. 6 hervorgeht, besitzen die tassenförmigen Metallringc 83 in der Mitte eine Vertiefung, in der eine Mutter 81 oder 82 angeordnet ist. Die Vertiefungen sind zur Verbesserung des Aussehens mit satt aufsitzenden Metallkappen 88 abgedeckt. Der Außendurchmesser jeder großen Tellerfeder 84 ist etwa gleich dem Durchmesser desjenigen Kreises, der die Achsen aller vier Sätze von Kupferstempeln schneidet. Infolgedessen liegen ihre Ränder über den axialen Mittelpunkten dieser Sätze. Beim Zusammenbau werden diese Tellerfedern 84 flachgedrückt, und im Bedarfsfall können beide oder kann auch nur eine weggelassen werden. Mit dem Isolierring 85 und einer den Verbindungsbolzen 80 umgebenden Isolierhülse 89 werden Kurzschlüsse der Kupferstempel 76 und 77 über den Verbindungsbolzen vermieden.

Die einzelnen Tellerfedern 86 sorgen für die erwünschte Elastizität der Einspannvorrichtung. Jede Tellerfeder 86 liegt auf einem axialen Vorsprung verringerten Durchmessers am äußeren Ende des zugehörigen Kupferstempels, während seine Krone gegen einen Stahlring 87 drückt. Der Rand der Tellerfeder 86 liegt in einer passenden Ausnehmung, die — wie gezeigt ■—■ an der Innenseite des Isolierringes 85 ausgebildet ist. Durch diese Anordnung werden mit Hilfe des gemeinsamen, auf Zug beanspruchten Verbindungsbolzens 80 im wesentlichen gleich große Axialdrücke auf jeden der vier Sätze von Kupferstempeln 76, 77 übertragen.

Damit die vier Halbleiterbauelemente 71 in Parallelschaltung an eine äußere, für hohe Ströme ausgelegte Schaltungsanordnung angeschlossen werden können, sind gemäß den F i g. 5 und 6 an den Kupferstempeln 76 und 77 nahe ihren inneren Enden zwei flache, rechteckige Anschlußklemmen 90 und 91 durch Hartlötung od. dgl. befestigt. An den äußeren Enden dieser Anschlußklemmen sind Löcher vorgesehen, damit sie mit geeigneten (nicht gezeigten), elektrisch leitenden Stützkörpern verschraubt werden können. Um die Wärmeableitung von den verschiedenen Kupferstempeln 76 und 77 zu fördern, sind diese mit zwei Gruppen 92 und 93 von beabstandeten Kühlrippen aus Metall ausgerüstet. Die Kühlrippen jeder Gruppe sind durch Abstandsringe 94 voneinander getrennt und durch Hartlötung od. dgl. an den Kupferstempeln befestigt. Der Durchmesser des äußeren Endes jedes Kupferstempels kann im Bedarfsfall mit zunehmendem axialem Abstand gegenüber einer Anschlußklemme 90, 91 fortschreitend verringert werden. Gemäß einer anderen Ausführungsform können die Kühlrippen in jeder Gruppe parallel zu den Achsen der Kupferstempel angeordnet und mit der zugehörigen Anschlußklemme verbunden sein, in welchem Falle die Kupferstempel zu bloßen Stutzen verkürzt sein könnten, die aus den einander zugewandten Oberflächen der Anschlußklemmen 90 und 91 herausragen.

Bei Druckluftkühlung kann die in den Fig. 5 und 6 dargestellte Halbleitergleichrichteranordnung fortlaufend 2500 Ampere (mittlerer Vorwärtsstrom) führen. Im übrigen besitzt diese für hohe Ströme geeignete Anordnung auch diejenigen Vorteile, die in Verbindung mit dem zuerst beschriebenen Ausführungsbeispiel ausgeführt sind. Hinzu kommen jedoch noch zwei weitere Vorteile.

Erstens wird mittels eines einzigen Verbindungs-

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bol/.cns innerhalb einer relaiiv kompakten, für hohe Ströme geeigneten Anordnung ein hoher Kontaktdruck gleichförmig und normal zu jedem einer Vielzahl einzelner Halbleitergleichrichter übertragen. Eine nahezu gleiche Aufteilung des Kontaktdrucks ist außerordentlich wichtig, wenn bei parallelgeschalteten Halbleiterbauelementen eine ausgeglichene Stromverteilung erreicht werden soll.

Die beschriebene Anordnung ist zweitens außergewöhnlich vielseitig, da mit Hilfe einer relativ kleinen Anzahl von Grundkomponenten sehr viele verschiedene Schaltungsanordnungen zusammengesetzt werden können. Bei den drei bereits beschriebenen und bei den später noch zu beschreibenden Ausführungsbeispielen werden Thyristoren und/ oder Dioden aus nur zwei handelsüblichen, genormten, in Serienprodukten hergestellten Gruppen von Halbleiterbauelementen verwendet.

In den Fi g. 7, 7 a, 8 und 9 sind zwei weitere Ausführungsformen der Erfindung gezeigt. Hierbei sind zwei antiparallelgeschaltete Thyristoren gemeinsam in einer wassergekühlten Anordnung untergebracht, die als Wechselstromschalter für 1200 Ampere (Effektivwert) verwendet werden kann. Die Halbleitergleichrichter sind wiederum mit 11 bezeichnet. Wie aus der Fig. 7a hervorgeht, ist das eine Halbleiterbauelement 11 mechanisch zwischen und elektrisch in Serie mit zwei axial aufeinander ausgerichteten Kupferstempeln 100 und 101 und das andere Halbleiterbauelement 11 mechanisch zwischen und elektrisch in Serie mit zwei weiteren axial aufeinander ausgerichteten Kupferstempeln 102 und 103 angeordnet. Diese beiden Sätze von aufeinander ausgerichteten Kupferstempeln liegen zueinander und zu einem dritten Satz von aufeinander ausgerichteten Stahlstempeln 104 und 105 parallel, zwischen denen ein starres Distanzstück 30 angeordnet ist.

In Übereinstimmung mit den F i g. 7 und 9 sind die drei Sätze von Stempeln 100,101 bzw. 102,103 bzw. 104,105 in Art eines Dreibeins symmetrisch zueinander angeordnet. Alle drei Sätze von Stempeln werden in axialer Richtung zusammengedrückt, so daß die Kupferstempel fest gegen die Hauptelektroden 13 und 14 der zugehörigen Halbleiterbauelemente 11 gepreßt sind, und zwar mit Hilfe einer Einspannvorrichtung, die ein einziges auf Zug beanspruchtes Bauteil, vorzugsweise einen mit Isoliermaterial ummantelten Verbindungsbolzen 106 aus Stahl, enthält, der in der Mitte zwischen und parallel zu den drei Sätzen angeordnet ist. Das eine Ende des Verbindungsbolzens 106 ist mittels einer Mutter 36, einer Tellerfeder 37 und eines Isolierringes 41 mit den äußeren Enden der Stempel 101,103 und 105 verbunden. In ähnlicher Weise ist das andere Ende des Verbindungsbolzens mit den Stempeln 100,102 und 104 verbunden, außer daß hier der Isolierring 41 fehlt. Infolgedessen befinden sich der Verbindungsbolzen 106 und die beiden Muttern 35 und 36 auf dem gleichen elektrischen Potential wie die Kupferstempel 100 und 102.

Die bei den in den Fig. 7 bis 9 gezeigten Ausführungsbeispielen verwendeten Teile der Einspannvorrichtung zum Übertragen eines gleichförmigen Drucks sind die gleichen wie die, die auch in den Ausführungsbeispielen nach den F i g. 1 bis 3 verwendet sind. In den Ausführungsbeispielen der Fig. 7 bis 9 sind jedoch zwei Halbleiterbauelemente 11 parallel geschaltet. Die Anschlußelemente zum Verbinden der Halbleiterbauelemente mit einer äußeren elektrischen Schaltungsanordnung und zum mechanischen Befestigen der gesamten Anordnung enthalten zwei hohle Wärmesenken 107 und 108 aus einem elektrisch leitenden Material, vorzugsweise Kupfer. Die äußeren Enden der Kupfcrstempel 100 und 102 verlaufen durch die Wärmesenke 107. Ein aus dieser herausragender Arm 107 A dient als Anschlußklemme für diese beiden Stempel. Die äußeren Enden der Kupferstempel 101 und 103 verlaufen durch die andere Wärmesenke 108. Ein aus dieser herausragender Arm 108 dient als Anschlußklemme für diese beiden Kupferstempel.

Zum Herstellen eines Wechselstromschalters sind die beiden Halbleiterbauelemente 11 gemäß der F i g. 7 A invers gepolt, indem die Anschlußklemme

107 A über den Kupferstempel 100 mit der Anode

13 des ersten Halbleiterbauelementes und über den Kupferstempel 102 mit der Katode 14 des anderen Halbleiterbauelementes und die Anschlußklemme

108 α über den Kupferstempel 101 mit der Katode

14 des ersten Halbleiterbauelementes und über den Kupferstempel 103 mit der Anode 13 des anderen Halbleiterbauelementes verbunden ist. Damit zwischen den entsprechenden Kupferstempeln und den invers gepolten Halbleiterbauelementen 11 ein guter ; elektrischer und thermischer Kontakt besteht, sind die einander, zugewandten Enden der Kupferstempel 100 und 101 in derselben Weise wie die einander zugewandten Enden der Kupferstempel 20 und 21 im Ausführungsbeispiel nach der Fig. 2 ausgebildet, während das innere Ende des Kupferstempels 102 genau wie das des Kupferstempels 101 und das innere Ende des Kupferstempels 103 genau wie das des Kupferstempels 100 ausgebildet ist. Die koaxialn Anschlüsse 58 für die Steuerleitungen zu den Steuerelektroden 16 der Halbleiterbauelemente 11 sind auf Isolierplatten 109 befestigt, die in Übereinstimmung mit der F i g. 9 an den Wärmesenken 107 und 108 i befestigt sind. j

Um einen möglichst hohen Strom durch den : Wechselstromschalter zu erhalten, wird die Wärme j dadurch von den Kupferstempeln 100 bis 103 und damit von den Halbleiterbauelementen 11 abgeleitet, daß man durch die beiden hohlen Wärmesenken 107 und 108 Wasser strömen läßt. Jede Wärmesenke enthält eine Einlaßöffnung 110 für Kühlwasser, eine spiralförmige Leitung 111, die einen der Kupferstempel zweimal umschlingt, eine Leitung 112 zu einer weiteren spiralförmigen Leitung, die den anderen in der gleichen Wärmesenke befindlichen Kupferstempel zweimal umschlingt, und eine Auslaßöffnung 113. Wie aus der F i g. 8 hervorgeht, enthält die spiralförmige Leitung 111 vorzugsweise zwei ringförmige Nuten, die in verschiedenen Höhen im Mantel des Kupferstempels ausgebildet sind, eine Öffnung zum vertikalen Verbinden zwischen den beiden Nuten und zwei Stöpsel 114, mit denen die Nuten jeweils auf entgegengesetzten Seiten dieser Öffnung verschlossen werden. Der Durchmesser jedes Kupferstempels nimmt mit zunehmendem axialem Abstand vom Halbleiterbauelement 11 fortschreitend ab, damit dem Kühlwasser im heißeren Bereich der Stempel eine größere Oberfläche ausgesetzt ist.

Zur Ableitung der Wärme von den Kupferstempeln können auch andere Einrichtungen verwendet werden. Im Bedarfsfall können die Kupferstempel beispielsweise kurze Stutzen sein, die aus massiven.

wassergekühlten Wiimicsenken heniusiagcn, die selbst zwischen diesen Stempeln und ilen Tellerfedern 37 eingespannt sind.

Die Vielseitigkeit der beschriebenen Anordnungen wird noch deutlicher, wenn man an Hand der i-· Fig. 10 a bis 1Oe verschiedene Kombinationsmöglichkeiten betrachtet.

In der Fig. 10a sind ein Thyristor 11 und eine Rückkopplungsdiode 71 antiparallel zwischen zwei Anschlußklemmen 115 und 116 geschaltet. Bei einer derartigen Anordnung ist der Thyristor 11 unter Druck zwischen zwei aufeinander ausgerichteten Kupferstempeln 117 und 118 angeordnet, wobei seine Anode mit dem Kupferstempel 117 und seine Katode mit dem Kupferstempel 118 in Berührung steht. Die Diode 71 ist dagegen unter Druck zwischen zwei aufeinander ausgerichteten Kupferstempeln 119 und 120 angeordnet, wobei ihre Katode mit dem Kupferstempel 119 und ihre Anode mit dem Kupferstempel 120 in Berührung steht. Die Anschlußklemme 115 ist dabei an den Kupferstempeln 117 und 119 und die Anschlußklemme 116 an den Kupferstempeln 118 und 120 befestigt. In Übereinstimmung mit der Fig. 10 a ist parallel zu den beiden Sätzen von Kupferstempeln 117,118 und 119,120 ein weiterer Satz von aufeinander ausgerichteten Druckkörpern 121 und- 122 angeordnet, zwischen denen ein starres Abstandsstück 30 eingespannt ist. Die drei Sätze werden mit Hilfe eines in der Mitte angeordneten, auf Zug beanspruchten Bauteils, mit dessen Ende sie mechanisch verbunden sind, in axialer Richtung zusammengedrückt. Der auf Zug beanspruchte Bauteil ist in dieser schematischen Darstellung, in der sowohl elektrische als auch mechanische Einzelheiten dargestellt sind, nicht gezeigt.

Bei einer Abwandlung des Ausführungsbeispiels nach der Fi g. 10 a könnten die beiden Kupferstempel 119 und 120 einem aus drei oder mehreren aufeinander ausgerichteten Kupferstempeln bestehenden Satz angehören, in dem zwei in Serie liegende Rückkopplungsdioden 71 angeordnet sind, wobei an dem mittleren Kupferstempel dieses Satzes eine Anschlußklemme angebracht sein könnte, damit die Verbindungsstelle zwischen den beiden Dioden an eine äußere elektrische Schaltungsanordnung anschließbar ist.

In dem Ausführungsbeispiel nach der Fig. 10b sind drei voneinander getrennte Halbleiterbauelemente 11 zwischen den einander zugewandten Enden von in Achsrichtung zusammengedrückten Kupferstempeln 123,124 angeordnet, die zu einem von drei parallelen Sätzen gehören. Daher liegen alle Halbleiterbauelemente elektrisch parallel zwischen zwei Anschlußklemmen 125 bzw. 126, die mit den ersten Stempeln 123 bzw. mit den zweiten Stempeln 124 jedes Satzes verbunden sind. Diese für hohe Ströme geeignete Anordnung kann koaxial gemacht werden, indem man den (nicht gezeigten) auf Zug beanspruchten Bauteil als Teil der elektrischen Zuleitungen verwendet. Zu diesem Zweck könnte dieser Bauteil aus einem geeigneten, elektrisch leitenden Material bestehen. In der Verbindung zwischen seinem unteren Ende und den Kupferstempeln 24 würde dann keine elektrische Isolierung vorgesehen sein, wie es beispielsweise in den Ausführungsbeispielen der Fig. 7 bis 9 der Fall ist. Das obere j Ende des auf Zug beanspruchten Bauteils dient dann • als Anschlußklemme 126.

Die Anordnuni; nach der Fig. 10c ist wie die nach der F i g. 7 a ein Wechselstromschalter, der jedoch gleichzeitig mit einer Steuerschaltung für die beiden Thyristoren 11 ausgerüstet ist. Die Steuerschaltung ist in einem Gehäuse 127 untergebracht, welches an Stelle eines Distanzstückes 30 zwischen den einander zugewandten Enden eines Satzes von axial ausgerichteten Stempeln 128 und 129 angeordnet ist. Die Stempel 128 bzw. 129 sind dabei an diejenigen Anschlußklemmen 130 bzw. 131 angeschlossen, zwischen die die beiden Thyristoren invers parallel geschaltet sind, so daß diese Stempel den zugehörigen Thyristoren als Bezugspunkte für die Steuersignale dienen können. Dabei kann weiterhin die Potentialdiflerenz zwischen den beiden Stempeln 128 und 129, die dann besteht, wenn keiner der Thyristoren leitend ist, als Speisespannung für die Steuerschaltung verwendet werden. Die Steuerschaltung ist über Steuerleitungen 132 und 133 mit den Steuerelektroden der entsprechenden Thyristoren 11 verbunden. Der Betrieb der Steuerschaltung kann mittels geeignet angekoppelter Einrichtungen gesteuert oder überwacht werden.

In der Fig. 1Od ist eine Anordnung gezeigt, in der sechs Halbleiterbauelemente 71 zu einem Dreiphasen-Gleichrichter verbunden sind. Diese Anordnung enthält drei parallele Sätze aus je drei axial aufeinander ausgerichteten Stempeln 134,135 und 136, zwischen deren'einander zugewandten Enden die Halbleiterbauelemente 71 eingespannt sind. Die Anschlußelemente enthalten eine Anschlußklemme 137« für Gleichstrom, die mit dem ersten Stempel 134 jedes Satzes und daher mit den Katoden der drei Halbleiterbauelemente 71 verbunden ist, eine zweite Anschlußklemme 137 b für Gleichstrom, die mit den dritten Stempeln 136 jedes Satzes und damit mit den Anoden der anderen drei Halbleiterbauelemente 71 verbunden ist, sowie je eine Anschlußklemme 138 a, 138 b, 138 c für Wechselstrom, die jeweils mit einem mittleren Stempel 135 jedes Satzes verbunden ist.

Ein Dreiphasen-Brückengleichrichter kann nach Art der Fig. 1Oe zusammengesetzt werden. Diese Anordnung nach der Fig. 1Oe enthält zwei beabstandete, axial aufeinander ausgerichtete Kupferstempel 141 und 142, zwischen denen weitere auf sie ausgerichtete Kupferstempel 143,144,145,146 und

147 angeordnet sind. Jeweils zwischen zwei zusammengehörenden Kupferstempeln sind Halbleiterbauelemente 71 angeordnet. Dem Satz von Kupferstempeln 141 bis 147 liegen zwei entsprechende Sätze von aufeinander ausgerichteten Stahlstempeln parallel, die durch eine Vielzahl von isolierenden Distanzstücken 30 verbunden sind. Alle Stempel werden mit Hilfe eines (nicht gezeigten) in der Mitte angeordneten langen Verbindungsbolzens in axialer Richtung zusammengedrückt. Die Anschlußelemente für diese Anordnung enthalten eine Anschlußklemme

148 α für Gleichstrom, die mit dem ersten und fünften Kupferstempel 141 und 146 und daher mit den Katoden dreier Halbleiterbauelemente 71 verbunden ist, eine zweite Anschlußklemme 148 b für Gleichstrom, die mit dem dritten und siebten Kupferstempel 144 und 142 und daher mit den Anoden der anderen drei Halbleiterbauelemente 71 verbunden ist, sowie drei weitere Anschlußklemmen 149 a, 149 b und 149 c für Wechselstrom, die mit dem zweiten, vierten und sechsten Kupferstempel 143,145 und verbunden sind.

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Außer den hier beschriebenen Ausfülirungsformen gibt es noch viele andere Kombinationsmöglichkeiten. Beispielsweise können zwei Kupferstempel und ein Stalilstempel zu einem Satz von aufeinander ausgerichteten Metallstempeln kombiniert werden, wo

bei zwischen den beiden Kupferstempcln ein Halbleiterbauelement und zwischen dem Stahlstempel und dem angrenzenden Kupferstcmpel ein Distanzstück angeordnet ist und dieser angrenzende Kupferstempel geeignete Anschlußelemente aufweist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

1 2 den einander zugewandten Grundflächen zweier Patentansprüche- 'n emem Stapel unmittelbar benachbarter Druck- y" stempel (128,129) angeordnet ist.

1. Halbleitergleichrichteranordnung mit einem 5

Stapel aus mindestens zwei axial aufeinander ausgerichteten metallischen Druckstempeln, zwischen deren einander zugewandten, senkrecht zur Die Erfindung betrifft eine Halbleitergleichrichtergemeinsamen Achse liegenden Grundflächen je anordnung mit einem Stapel aus mindestens zwei ein in einem abgeschlossenen scheibenförmigen io axial aufeinander ausgerichteten metallischen Druck-Gehäuse untergebrachter Halbleitergleichrichter stempeln, zwischen deren einander zugewandten, derart eingespannt ist, daß die genannten Grund- senkrecht zur gemeinsamen Achse liegenden Grundflächen der Druekstempel jeweils an den die flächen je ein in einem abgeschlossenen scheiben-Grundflächen des Gleichrichtergehäuses bilden- förmigen Gehäuse untergebrachter Halbleitergleichden Hauptelektrodenanschlußkörpern des Halb- 15 richter derart eingespannt ist, daß die genannten leitergleichrichters anliegen und mit diesen einen Grundflächen der Druekstempel jeweils an den die großflächigen Kontakt bilden, und mit einer Ein- Grundflächen des Gleichrichtergehäuses bildenden spannvorrichtung zum Übertragen eines Axial- Hauptelektrodenanschlußkörpern des Halbleiterdrucks auf die Druekstempel, die einen zu dem gleichrichters anliegen und mit diesen einen groß-Stapel achsparallel angeordneten, auf Zug be- 20 flächigen Kontakt bilden, und mit einer Einspannanspruchten Verbindungsbolzen enthält, da- vorrichtung zum Übertragen eines Axialdrucks auf durch gekennzeichnet, daß sie minde- die Druekstempel, die einen zu dem Stapel achsstens zwei weitere achsparallele Stapel mit jeweils parallel angeordneten, auf Zug beanspruchten Vermindestens zwei metallischen Druckstempeln bindungsbolzen enthält.

(z. B. 26, 27; 28, 29) aufweist und daß der Ver- 25 Bei dieser (aus der belgischen Patentschrift bindungsbolzen (z. B. 34) zentrisch zur Achse des 620 870) bekannten Anordnung weist die Einspanndurch die Stapel gebildeten regelmäßigen Prismas vorrichtung zum Übertragen des Axialdrucks auf die angeordnet ist. Druekstempel vorzugsweise vier achsparallele Ver-

2. Halbleitergleichrichteranordnung nach An- bindungsbolzen auf, zwischen denen der Druckspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in minde- 30 stempel- und Halbleitergleichrichterstapel ebenfalls stens einem der weiteren Stapel zwischen den ein- achsparallel zu diesen angeordnet ist und deren ander zugewandten Grundflächen der Druck- Enden über jeweils ein Querstück mit Bohrungen, stempel (z. B. 26, 27; 28, 29) mindestens ein elek- durch die jeweils ein Ende der Verbindungsbolzen irisch isolierendes Distanzstück (30) oder minde- ragt, mit den zugehörigen Stapelenden mechanisch stens ein weiterer Halbleitergleichrichter ange- 35 verbunden sind. Auf die Enden der Verbindungsordnet ist. bolzen geschraubte Muttern üben eine Druckkraft

3. Halbleitergleichrichteranordnung nach An- auf die Querstücke aus, die von diesen auf die Stapel Spruch 1 oder 2, bei der die Einspannvorrichtung übertragen wird.

an beiden Enden des Verbindungsbolzens auf- Bei Verwendung von zwei oder mehreren Vergeschraubte Muttern mit untergelegten Teller- 40 bindungsbolzen mit Muttern ist es schwierig, alle federn aufweist, über die der Druck der Muttern Muttern so gleichmäßig anzuziehen, daß sie die elastisch übertragen wird, dadurch gekennzeich- gleiche Druckkraft ausüben. Dies kann zu einer Vernet, daß der äußere Rand der Tellerfedern (z. B. kantung der Querstücke führen, so daß keine gleich-37) die geometrischen Achsen aller Stapel mäßig verteilte Druckkraft und damit auch keine schneidet. 45 großflächige Kontaktierung zustande kommt. Diese

4. Halbleitergleichrichteranordnung nach einem ist wichtig für eine gute Wärmeableitung von den der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn- Halbleitergleichrichtern einerseits und einen mögzeichnet, daß die Druekstempel (z. B. 26, 27; 28, liehst großflächigen und widerstandslosen Strom-29) in einem Stapel, der ein Distanzstück (30) durchgang andererseits, wenn hohe Betriebsströme enthält, dünner sind als die Druekstempel (z. B. 50 verlangt werden.

20, 21) in einem Stapel mit einem Halbleiter- Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde,

gleichrichter (11). mit nur einem einzigen Verbindungsbolzen auszu-

5. Halbleitergleichrichteranordnung nach einem kommen und auf alle Halbleitergleichrichter die j der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn- gleiche, gleichmäßig auf die Kontaktflächen verteilte j zeichnet, daß sich die Druekstempel (z. B. 20, 21; 55 Druckkraft auszuüben, so daß ein großflächiger, j 26 bis 29) in gut wärmeleitendem Kontakt durch inniger Kontakt zwischen den Druckstempeln und | gemeinsame Kühlrippen (50, 51) erstrecken. Halbleitergleichrichtern sichergestellt ist. |

6. Halbleitergleichrichteranordnung nach einem Nach der Erfindung wird diese Aufgabe bei einer i der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn- Halbleitergleichrichteranordnung der eingangs er- j zeichnet, daß mindestens ein einen Halbleiter- 60 wähnten Art dadurch gelöst, daß sie mindestens zwei | gleichrichter (11) aufweisender Stapel mit wasser- weitere achsparallele Stapel mit jeweils mindestens j gekühlten Wärmesenken (107,108) verbunden ist. zwei metallischen Druckstempeln aufweist und daß I

7. Halbleitergleichrichteranordnung nach einem der Verbindungsbolzen zentrisch zur Achse des j der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn- durch die Stapel gebildeten regelmäßigen Prismas j zeichnet, daß bei Verwendung mindestens eines 65 angeordnet ist.

steuerbaren Halbleitergleichrichters (11) eine in Diese symmetrische Anordnung mehrerer Stapel

einem Gehäuse (127) befindliche Steuerschaltung mit nur einem einzigen Verbindungsbolzen in der für den oder die Halbleitergleichrichter zwischen Mitte ermöglicht die gleichzeitige Ausübung und