DE1614012A1 - Arrangement for dissipating the heat generated in semiconductor elements such as diodes, thyristors and the like - Google Patents

Arrangement for dissipating the heat generated in semiconductor elements such as diodes, thyristors and the like

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DE1614012A1
DE1614012A1 DE19671614012 DE1614012A DE1614012A1 DE 1614012 A1 DE1614012 A1 DE 1614012A1 DE 19671614012 DE19671614012 DE 19671614012 DE 1614012 A DE1614012 A DE 1614012A DE 1614012 A1 DE1614012 A1 DE 1614012A1
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heat sink
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semiconductor elements
thyristors
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Dipl-Ing Guenter Eckermann
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THEODOR KIEPE ELEKTROTECHN FAB
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Description

ELHKTROTEOHNISCHE FABRiK 4 DDSSELDORF-REISHOLZELHKTROTEOHNISCHE FABRiK 4 DDSSELDORF-REISHOLZ

Anordnung, zur Abführung der inOrder to discharge the in

wie Dioden* Thyristoren und dergl* erzeugten Warmelike diodes * thyristors and the like * generated heat

Die trfindung betrifft eine Anordnung zur Abführung der in Halbleiterelementen, wie Dioden» Thyristoren und dergleichen erzeugten SHssnit* bestehend aue einem Wärmespeicher, einem Kühlkörper und einer zwischen diesen angeordneten Isolation« Zur Kühlung von Halbleiterelementen ist es ellgemein tibliohj diese auf au· einer Aluminium-Legierung bestehenden Kühlkörpern zu befestigen, welche an ihrer Unterseite Kühlrippen besitzen* fitit einer derartigen Anordnung ist ee aber nicht möglich, bei kurzzeitiger Überlastung der Halbleiterelemente die momentan auftretende Wärmemenge in kürzester Zeit so abzuführen» daO eine Beschädigung der Halbleiterelement·} die gegen Ubeelaatung empfindlich sind» Vaimierien wird» > .**The invention relates to an arrangement for discharging the in semiconductor elements, like diodes, thyristors and the like produced SHssnit * consisting of one Heat storage, a heat sink and an insulation arranged between these «To cool semiconductor elements it is generally tibliohj this on to attach heat sinks consisting of an aluminum alloy, which to their underside have cooling fins * fitit such an arrangement is ee but not possible if the semiconductor elements are temporarily overloaded to dissipate the currently occurring amount of heat in the shortest possible time »that damage to the semiconductor elements ·} which are sensitive to over-loading» Vaimierien will »> . **

Der ErfirtdiUlB liegt die Aufgebe »ügrunde, «ine einfache und wirksame Anordnung zu schaffen, welche es esewÖQlioht, einzelne Halbleiterelemente großer Strom-•tirke unter;Verwendung viii·· netaliiaehln wärmespeicher» kurzzeitig überlasten zu können und betrifft soiait fin· neu* »e*teilh»fte töiiung einer an sieh be** kannten Aufgabe·The task of giving up lies in a simple and effective arrangement to create which it is worthwhile to briefly overload individual semiconductor elements with high • currents using viii ·· netaliiaehln heat accumulators to be able to and affects soiait fin · new * »e * participation in someone to see knew task

dar lefindkmg mi$4 lift* AnoEdnuftg vorgeechlagen, die dadurch gekennzeichnet ist, d»a die ^ai^^iMjialamei»!· atroM- ttnd wärmeleitend auf metallischen UJürmespeiehem aufgabaut #indt dia unter Zaischenlage einer geeigneten Isolation auf einem. KUhlkörpar befestigt sind und daQ diess U/äipmespeicher yorzugsmeise au* Kupfer bestehen und einen keyroeienefesten Überzug baiapielaweieerepresents lefindkmg mi $ 4 * lift AnoEdnuftg vorgeechlagen, which is characterized in that d »a, the ^ ^^ ai iMjialamei»! · # IND atroM- ttnd thermally conductive aufgabaut on metallic UJürmespeiehem t dia under Zaischenlage a suitable isolation on a. Cooling bodies are attached and that this U / Äipme storage yorzugtsmeise consist of copper and a keyroe-proof coating baiapielaweiee

Silber besitzen^ Nich eineir «fiteren Vorschlag der Erfindung ist dar KUhI-fper ao auagebildetr daß er als gemeinsame Grundplatte für mehrere Uärme- »peicher mit Halblsiterelamanten dient» ErfindungegemäO entspricht die GröSe dar Isolation zwischen jede» iärmaepeicher und dem für alle lüärmaapaicher gemeinsamen Kühlkörper der Auflagefläche des Jeuieiligen UJärmespaichera.Silver has ^ Not eineir "fiteren proposal of the invention is kuhi-FPER ao auagebildet r that as a common base plate for several Uärme-" PEICHER "ErfindungegemäO used with Halblsiterelamanten corresponds to the GröSe constitutes insulation between each" iärmaepeicher and the lüärmaapaicher for all common heatsink the contact surface of the Jeuieiligen UJärmespaichera.

009813/0979 .009813/0979.

ORIÖINALORIOINAL

1614DT2-1614DT2-

Ein metallischer Wärmespeicher, auf welchem ein B5i«8w*ltii3*elament 'stromleitsnd befestigt ist, muß eine gute elektrische Leitfähigkeit besitzen· Außerdem wird von einem Wärmespeicher verlangt, daß er eine gute Wärmeleitfähigkeit besitzt urrd möglichst uiel Wärme aufnehmen kann. Cs kommt aber auch darauf an, die entstehende Wärme schnell wegführen zu können. Kupfer hat bekanntlich eine Wichte von 8,93 (kg/dm ), eins spezifische Ii arm β von 0,093 (Cal/kg°C) und eine Wärmeleitfähigkeit •von 320 (Cal/m*h*°C}v Das aus der Wichte und der spezifischen Wärme ge» bildete Produkt, welches ein Blaß für daa Wärmespeichervermögen ist, beträgt 0,83 (Cal/°C dm3). Aluminium hat sine Wichte von 2,7 (kg/dm3}* eine spezifische Wärme von 0,216 (Cal/kg°C) und eine Wärmeleitfähigkeit von 181 (Cal/m*h*°C); das Wärmespsichervermögen beträgt 0,585 (Cal/°C dm ), lit elco wesentlich schlechter al· da· von Kupfer» und zudem ist. auch die Wärmeleitfähigkeit von Aluminium schlechter als die von Kupfir« Aus den vorstehenden Werten ist ersichtlich, daß sich Kupfer besondif· gut als Wärmespeicher eignet, zumal, da seine elektrische Leitfähigkeit 1,£j-fach besser als dia von Aluminium ist« Unter Berücksichtigung der obigen für Kupfer angegebenen Werts kann man das Volumen dee Wärmespeichere für eine bestimmte im Halbleiterelement auftretende und momentan abzuführende Wärme» menge berechnen, wenn die technischen Oaten des Halblaiterelsmantes und t)ie Zeitdsuet der"' intermittierend auftretenden Übf^lastung bekannt sind«A metallic heat accumulator, on which a B5i «8w * ltii3 * elament 'is attached to conduct electricity, must have good electrical conductivity. In addition, a heat accumulator is required that it has good thermal conductivity and can absorb as much heat as possible. But Cs also depends on being able to dissipate the resulting heat quickly. As is known, copper has a specific weight of 8.93 (kg / dm), a specific Ii arm β of 0.093 (Cal / kg ° C) and a thermal conductivity of 320 (Cal / m * h * ° C} v that from the specific weight The product formed by the specific heat, which is pale for its heat storage capacity, is 0.83 (Cal / ° C dm 3 ). Aluminum has a specific heat of 2.7 (kg / dm 3 ) * a specific heat of 0.216 (Cal / kg ° C) and a thermal conductivity of 181 (Cal / m * h * ° C); the heat retention capacity is 0.585 (Cal / ° C dm), lit elco is significantly worse than that of copper »and, moreover, is. The thermal conductivity of aluminum is also worse than that of copper. From the above values it can be seen that copper is particularly suitable as a heat storage medium, especially since its electrical conductivity is 1.5 times better than that of aluminum The above value for copper can be used to calculate the volume of heat accumulators for a certain amount of heat that occurs in the semiconductor element and is currently to be dissipated e "Calculate the amount of heat if the technical details of the half-literary mantle and the time of the" intermittent congestion are known " Hierbei kann man beispielsweise eine Diode und eilmn fftyristfrfel, eile beide das gleiche Spannungepotential haben, in den. gleichen Wärmespeicher einsetzen, wenn dieser demantsprechend bemessen Ϊ*Λ» Dia im wärmespeicherHere, for example, a diode and a fftyristfrfel, both of which have the same voltage potential, can be inserted into the. Use the same heat storage tank if it is dimensioned accordingly Ϊ * Λ » Slide in the heat storage tank gespBioherte Wärme tritt durch die Isolation, die beisPialew|£ie a^s Ölim-sensed heat passes through the insulation, which at P ialew | £ ie as oil im-

msr besteht, in den Kühlkörper ein, welcher mit Rippert^tiicee^ei| -1^1. W^msr exists, in the heat sink, which with Rippert ^ tiicee ^ ei | -1 ^ 1 . W ^

6ha den Hauptanteil der Wärme an die Umgebung abführen||?wiai^|n dem wärme-* «ibgebendsn Halbleiterelement und dem Wärmespeicher tri1:| ein femperaturiprung auf, welcher einen sehrifflXerf Übertritt der vom Durchgjtin9*»trora erzeugten Wärme in den vorzugsweise aus Kupfer bestehenden Wärmespeicher bewirkt« Da die Fläche der Isolation zwischen deA Wärmespeicher und dem Kühl— körper der Auflagefläche des Wärmespeichers entspricht, besteht für dia vom Wärmespeicher in den Kühlkörper abfließende Wärme eine große Übergangs» fläche mit kleinem Temperaturgefälle, da die TemperaturgefMlIe umgekehrt6ha dissipate the main part of the heat to the environment ||? Wiai ^ | n the heat- * «Ibgebendsn semiconductor element and the heat storage tri1: | a temperature control, which causes a very ifflXerf transfer of the heat generated by the passage into the heat storage, which is preferably made of copper. body corresponds to the contact surface of the heat accumulator, there is a large transition for the heat flowing away from the heat accumulator into the heat sink » Area with a small temperature gradient, as the temperature gradient is reversed

9813/0979 -?-9813/0979 -? -

16H01216H012

proportional den Auflageflachen sind* Daraus folgt, daß die Wärme dee f are proportional to the contact areas * It follows that the heat dee f

UJärmespeiciiei-e gleichmäßig an den Kühlkörper abgegeben tuird,UJärmespeiciiei-e is given evenly to the heat sink,

1 * 1 *

Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, daß der Kühlkörper als Grundplatte zur Befestigung weiterer Geräte, uiie Drosseln, Kondensataren, Uliderstände, Elektromagnatschütze und dergleichen'verwendet u/ird, d,h« daß der Kühlkörper als Aufbauplatte für eine ganze Schaltkombination dient, was den Vorteil bringt, daO eine besondere Aufbau« platte für die zusätzlichen Geräte nicht erforderlich ist und eine reichlich besessene Gesamtkühlflache zur Verfügung steht. Nach der Erfindung ist der Kühlkörper durch Stehbolzen mit der GehHueerUckuand, ·. die beispielsweise aus Stahlblech besteht, verbunden und an seiner Vorderseite durch eine abnehmbare Schutzkappe entsprechend den anzuwendenden Schutzvorschriften in-an sieb bekannter Illeise abgedeckt·Another feature of the invention is that the heat sink used as a base plate for attaching other devices, such as chokes, condensers, resistors, magnetic contactors and the like u / ird, i.e. that the heat sink serves as a mounting plate for an entire switch combination, which has the advantage that a special structure plate is not required for the additional devices and an abundant total cooling surface is available. According to the invention, the heat sink is by stud bolts with the GehHueerUckuand, ·. which consists, for example, of sheet steel, connected and covered on its front by a removable protective cap in accordance with the applicable protective regulations in-an on the known Illeise ·

Einzelheiten der Erfindung gehen aus der Zeichnung her\/or, uielche ein AusfUhrungebeispiel darstellt, Ee zeigen:Details of the invention can be found in the drawing, including some Execution example shows, Ee show:

Fig. 1 einen Schnitt durch den Wärmespeicher und den.Fig. 1 is a section through the heat accumulator and the. Kühlkörper mit der dazwischen befindlichen IsolationfHeat sink with the insulation in between

Fig, 2 eine Teileneicht des Kühlkörpers mit Geräten . bei abgenommener Schutzkappe)Fig. 2 is a partial view of the heat sink with devices. with the protective cap removed)

Fig*.3 einen Schnitt durch den Kühlkörper mit Schutzkappe nach der Linie I - I der Fig. 2,FIG. 3 shows a section through the heat sink with protective cap along the line I - I of FIG. 2,

Teil 1 ist der vorzugsweise aus Kupfer bestehende Wärmespeicher, auf dem ein Halbleiterelement 2 beispielsweise mit einer Schraubverbindung' befestigt 1st» fllit 1' ist eine Gewindebohrung für den Kabelanschluß bezeichnet. Teil 3 ist der Kühlkörper mit seinen Kühlrippen 3·, Teil 4 ist die Isolation zwischen dem'Wärmespeicher und dem Kühlkörper« Hierbei entspricht die flächenmaßige Größe der Isolation der Größe der Auflagefläche des Wärmespeicher* auf dem Kühlkörper, wobei die Isolation eine nininale Stärke besitzt und vorzugsweise aus Glimmer besteht, 8o daß sich ein guter Wärmeübergang vom Wärmespeicher zu dem Kühlkörper ergibt. Der Wärmespeicher ist mit beispielsweise vier Schrauben 5 unterPart 1 is the heat accumulator, which is preferably made of copper to which a semiconductor element 2 is fastened, for example with a screw connection, 'fllit 1' is a threaded hole for the cable connection designated. Part 3 is the heat sink with its cooling fins 3, part 4 is the insulation between the heat accumulator and the heat sink has a minimum thickness and preferably consists of mica, 8o that there is good heat transfer from the heat accumulator to the heat sink results. The heat accumulator is, for example, four screws 5 below

009813/0979 4 009813/0979 4

ORIGINAL INSPECTEDORIGINAL INSPECTED

SiW von je -«ine? !önlierhüte« "und eina* lsoiie^soheibo auf dem -SiW of ever - «one? ! önlierhüte «" and eina * lsoiie ^ soheibo on the -

biilemtiqi ~ m<j>ni '■>f&tsQ.-Siihx-miben "S_ uKiah "die isolation 4 durch« dringen« biilemtiqi ~ m <j> ni '■> f & tsQ.-Siihx-miben "S _ uKiah " the isolation 4 through «penetrate«

. ; tu *r·-0 A. ; tu * r -0 A

führen fc-*j i.n -· ?^d ·».,. -!*e» bx · *«:'* öia tut fieso --tltung oitf»«* Steuerung dien ν!ι «.;. «j ■'. .. ν·,*';, ..ν .^_ i'^jeeei-iivV-,.^- HoehohsaisAdirafcilnde und Elektr?*· '* magiif<tf«.5,i*s .·;, . .--ai*^ ί» ν/» κηίsprechend dimenei*6ier**n Kühlkörper angeordnet» wih '%* Fi.y# 2 und 3 zeigen· Der Kühlkörper mit den auf die β»» angeordneten Geräten 1st mit einer GehäueerUcictttend S9 die beispielsweise aus Stahlblech besteht, duroh vier Stehbolzen ? unter Ztoisohenlege. Von kim standshaltern S mit dem Kühlkörper 3 verbunden* Ale GehMuaOrüokwMnd k«nn im Bedarfsfall die Zwischenwand eines.Fahrzsugee oder Krane» benutzt demzufolge dann eine besonder* GehMuearück*end entfällt*lead fc- * j in - · ? ^ d · ».,. -! * e »bx · *«: '* öia tut fieso --tltung oitf »« * Control dien ν! ι «.;. «J ■ '. .. ν ·, * ';, ..ν. ^ _ i' ^ jeeei-iivV - ,. ^ - HoehohsaisAdirafcilnde und Elektr? * · '* magiif <tf «.5, i * s . · ;, . - ai * ^ ί »ν /» κηί according to dimenei * 6ier ** n heat sinks arranged »wih '% * Fi.y # 2 and 3 show · The heat sink with the devices arranged on the β» »is with a housing Ucictttend S 9 which is made of sheet steel, for example, with four stud bolts? under Ztoisohenlege. Connected by kim stand holders S to the heat sink 3

Die Gehäuserüekwand besitzt nach Fig, 2 etwa in Höhe dir tintereft StehboJ,)t»n Bohrungen 9 für die erforderlichen Kabeldurchführungir?! DltPitfeftftrta. gerichteten und im luftstrom liegenden Kühlrippen 3* deV Kühlfeiip«ri Sind W' der Stelle, wo sich die Stehbolzen 7 und Bohrungen £ für dia Kabelduetfft*· führungen befinden, unterbrochen. An der Vorderaeifci ist def. Kühlkörper durch eine beispielsweise aus Stahlblech bestehende und abnehmbar« Schutz« kappe IO mit zwei Verschlüssen abgedeckt, wobei dl* Schutzkappe beispielsweise unter/ Zwischenlage von Gummiprofilen 10* auf dem Kühlkörper abdichtend aufliegt· mit 11 sind Geräte bezeichnet, die direkt auf data Kühlkörper angeordnet werden, wie beispielsweise Kondensatoren und Elektromagnet«* schütze« Die Ausführung der Schutzkappe mit dem Dichtungsmaterial, den Verschlüssen und den hierzu gehörenden Einzelteilen sowie die Ausbildung der Kabeldurchführungen richtet eich nach den jeweils anzuwendenden Schutz;» Vorschriften, dia von Fall zu Fall verschieden sein können„ A|&b v^rstshefitt : ermähnten AflaBnähmen, weiche die Ausführung der Schutzkapipe tihd daran A^bdieTW * tung im einzelnen betreffen, sind an sich bekannt} für eis wird in dieser Anmeldung kein Elementenschutz beansprucht·The rear wall of the housing has, according to FIG Holes 9 for the necessary cable entryir ?! DltPitfeftftrta. directed cooling fins lying in the air flow 3 * deV Kühlfeiip «ri are W ' the place where the stud bolts 7 and holes £ for the cable duct * guides are interrupted. At the Vorderaeifci is def. Heat sink by a removable "protection" made of sheet steel, for example cap IO covered with two closures, with the dl * protective cap, for example, under / intermediate layer of rubber profiles 10 * on the heat sink with a seal · 11 denotes devices that are directly on data heat sinks arranged, such as capacitors and electromagnets «* protect «The design of the protective cap with the sealing material, the Closures and the individual parts belonging to them as well as the training the cable bushings are based on the protection to be applied in each case; " Rules that can vary from case to case "A | & b v ^ rstshefitt: warned AflaBnähmen, soft the execution of the protective cap tihd on it A ^ bdieTW * processing in detail are known per se} for ice is in this application does not claim any element protection

98,13/09 7998.13 / 09 79

*?a*i Halblö^sts&FingnfesiB hates ufsipg . r-. - actesJi osiv*.'©äi;un und ?u öpeiohom örrf >inr-^KToJ^e <3*u*? a * i Halblö ^ sts & FingnfesiB hates ufsipg. r-. - actesJi osiv *. '© äi; un and ? u öpeiohom örrf> inr- ^ K ToJ ^ e <3 * u

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iocinsirr h;r Sf*n ynd Otcsess^^M^n o^itiö'-ftsfäJn Sösi!© 2« oinan gaejlosetw .' ;.- (jiocinsirr h; r Sf * n ynd Otcsess ^^ M ^ no ^ itiö'-ftsfäJn Sösi! © 2 «oinan gaejlosetw. '; .- (j

009813/0979009813/0979

Claims (1)

Abführung de? in '■!clb.leiteiJtfliJösntan» uiiö Bioden, Thy rials«1 und Q0^Qle>,r'tten etz&jniefs Uiärrae}.'baateheniJ atse einem Wrsrmeapelehsiii eisest K-ü-h/körper s?sid sines "Söisciifon e^ü.seri- befindlichen Isolation, dadurch fje~ k-.-.:*n":.:foiQhnt-.i,s dsS ί'ΐ-ί. i-lalb-loitra'tilinsetiffie {*■ ί istfow»- und &ätmel&ttenu tau?. i-ß&ti.aiscS-isn Wärraaepcioisetf? (1-'i- -Ciifijebaut BiiVa, cü-έ untrer 2wi«>f3
ί3.1ίίΏϊ- i'aolafclof! (4) a-jf einem Kühlkörper - (3) befestigt sind* .Discharge de? in '■! clb.leiteiJtfliJösntan "uiiö Bioden, Thy rials" 1 and Q0 ^ Qle>, r'tten etz & jniefs Uiärrae } .'baateheniJ atse a Wrsrmeapelehsiii eisest K-ü-h / body s? sid sines "Söisciifon e ^ ü .seri- existing insulation, thereby fje ~ k-.-.:*n":.:foiQhnt-.i, s dsS ί'ΐ-ί. i-lalb-loitra'tilinsetiffie {* ■ ί istfow »- and & ätmel & ttenu tau? . i-ß & ti.aiscS-isn Wärraaepcioisetf? (1-'i- -Ciifijebauts BiiVa, cü-έ under 2wi «> f3
ί3.1ίίΏϊ- i'aolafclof! (4) a-jf a heat sink - (3) are attached *. nach finspsöch 1S dsdi. coh gBkennzalchneti ciaü die WS?^ .-i aus-Kypfat fae«.-?:.C'^en- unö s.i, after finspsöch 1 S dsdi. coh gBkennzalendungi ciaü die WS? ^.-i aus-Kypfat fae «.-?:. C '^ en- unö si, aus Silber isesmade of silver ises Pmordnung naGh ilnsprueh 1j dadurch «jeker·"?,·?: icftn&tj Φίβ d3j? fCühlr&ffper (3) εο ausgebildet istt daß es s3.ii ^e^eineem--- ^^üfiäpiatte für siehrsrePmorder naGh ilnsprueh 1j thereby «jeker ·"?, · ?: icftn & tj Φίβ d3j? FCühlr & ffper (3) εο is formed t that it s3.ii ^ e ^ a --- ^^ üfiäpiatte for siehrsre s- mit Halbleiterelatnanfcen tfügnt»"s- connected with semiconductor lattice »" 4, Anordnung nach föfisp^aeh 1 bis 5f Jedurc*; gekennzeichnet, daß die Größe" der Isolsiion" zwischen jedem 3!?ärmesp«?iche9 ('is J '--,'αί «lam- füf alls BärmeBpetchsr gemeinsamen Kühlkörper (3) der ßa-flag^flache tiea jeweiligen Wärmespeicher« entsprichto4, arrangement according to föfisp ^ aeh 1 to 5 f Jedurc *; in that the size "of the Isolsiion" between each 3 ärmesp "iche9 ( 'is J' -? 'αί" LAM five' alls BärmeBpetchsr common heat sink (3) of the SSA-flag ^ flat tiea respective heat storage "entsprichto 5. Anordnung nach Anspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet 9 daß der Kühlkörper (3) als Grundplatte zur Befestigung weiterer Geräte» »ie Drosseln, Kondensatoren, Widerstände, Elektromagnetschütze und dergleichen dient,5. Arrangement according to claim 1 and 4, characterized in 9 that the heat sink (3) serves as a base plate for attaching other devices »» ie chokes, capacitors, resistors, electromagnetic contactors and the like, 6* Anordnung nach Anspruch 1, 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühl» körper (3) durch Stehbolzen (7) mit einer Gehäuserückwand (ö)» beispielsweise aus Stahlblech; verbunden und an seiner Vorderseite durch eine abnehmbare Schutzkappe (10) entsprechend d&n anzuwendenden Sohutzuorschriftsn in an sich bekannter iileise abgedeckt ist»6 * Arrangement according to claims 1, 4 and 5, characterized in that the cooling body (3) is made of sheet steel by means of stud bolts (7) with a rear housing wall (ö), for example; is connected and corresponding to d n applied Sohutzuorschriftsn in known iileise covered on its front side by a removable protective cap (10) " BAD■■ ORIGINAL..BATH ■■ ORIGINAL .. ö § 0 1 3 / η 9 7 Sö § 0 1 3 / η 9 7 p
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