DE1614445B2

DE1614445B2 - Steuerbares Gleichrichterbauteil

Info

Publication number: DE1614445B2
Application number: DE1614445A
Authority: DE
Inventors: Hans Rudolf Dipl.-Ing. Genf Wallertshauser (Schweiz)
Original assignee: Brown Boveri und Cie AG Switzerland
Current assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Priority date: 1966-03-16
Filing date: 1967-03-10
Publication date: 1974-08-08
Also published as: DE1614445C3; FR1515457A; FR1515458A; DE1614444C2; GB1155236A; DE1614444B1; CH448213A; DE1614445A1; GB1168851A

Description

Die Erfindung betrifft ein steuerbares Gleichrichterbauteil mit mindestens zwei Halbleitergleichrichtern, die mit jeweils einer ihrer Hauptelektroden in Druckkontaktverbindung mit zwei massiven, elektrisch und

thermisch gut leitenden Metallkörpern stehen.

Dabei steht »Halbleitergleichrichter« sowohl für steuerbare als auch*für nicht steuerbare Halbleiter-' bauelemente mit Glejchrichterw'irkung, also sowohl für Thyristoren als auch Dioden.

Ein Gleichrichterbäuteil der vorstehend genannten Art mit vier Halbleiterdioden als Gleichrichtern ist bekannt aus der FR-PS 1 399 802. Das bekannte Bauteil dient zum Aufbau einer mechanisch und elektrisch stabilen Gleichrichterbrückenschaltung. Dabei befindet sich eine Halbleiterdiode stets nur mit einer ihrer Hauptelektroden in Kontakt mit einem massiven Metallkörper, welcher einen thermischen Ausgleich zwischen zwei gleichzeitig leitenden Dioden aber nicht bewirken kann, da auf Grund der besonderen Schaltung (Graetzschaltung) gleichzeitig immer nur zwei an verschiedenen Metallkörpern anliegende Dioden in Vorwärtsrichtung belastet sind. Ein thermischer Ausgleich zwischen den Halbleiterdioden ist aber auch gar nicht

ao von Interesse.

Aus der BE-PS 635 452 ist ein Gleichrichterbauteil bekannt, bei welchem parallelgeschaltete Halbleitergleichrichter sich in Hohlräumen eines Isolierringes befinden, der auf beiden Seiten von massiven Metallstükken, die gleichzeitig als elektrische Zuleitungen dienen, abgedeckt ist. Der thermische Kontakt der Halbleitergleichrichter zu den Metallstücken wird mindestens auf einer Seite durch schlecht wärmeleitende Elemente, wie Spiralfedern u.dgl., bewirkt, so daß auch hier über die Metallstücke ein thermischer Ausgleich zwischen zwei Halbleitergleichrichtern höchstens auf einer Seite stattfinden kann.

Schließlich ist noch aus der CH-PS 338 528 ein Gleichrichterbauteil bekannt, bei welchem Stapel von tablettenförmigen Gleichrichterelementen in Aussparungen eines Isolierrahmens liegen, wobei die Stapel miteinander elektrisch über eine federne Kontaktbrükke verbunden sind. Die Stapel sind in Reihe geschaltet. Auch hier ist ein thermischer Ausgleich von Gleichrichterelement zu Gleichrichterelement über die federne Kontaktbrücke nicht möglich, aber auch nicht von Interesse, da die Stromdichten bei dem bekannten Gleichrichterbauteil zu klein sind, als daß sie eine störende Wärmeentwicklung hervorrufen könnten.

Bei modernen Gleichrichterbauteilen für Wechselstrom werden zur Steuerung der beiden Halbwellen des Wechselstromes in bekannter Weise mindestens zwei Halbleitergleichrichter, von denen mindestens einer steuerbar, d. h. ein Thyristor ist, antiparallel geschaltet. Diese Halbleitergleichrichter werden mit hohen Nennströmen und damit Stromdichten belastet, was aber zu Unsymmetrien der Halbleitergleichrichter infolge ungleicher Temperaturen führen kann, was höchst unerwünschte Gleichstromkomponenten im Wechselstromnetz zur Folge hat. Dem kann man bisher im wesentlichen nur durch aufwendige Beschaltungen entgegenwirken.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein kompaktes, steuerbares Gleichrichterbauteil mit mindestens zwei antiparallelgeschalteten Halbleitergleichrichtern, von denen mindestens eines steuerbar ist, für hohe Nennströme zu schaffen, wobei aufwendige Beschaltungsmaßnahmen zur Vermeidung von thermisch verursachten elektrischen Unsymmetrien der dynamischen Eigenschaften der Halbleitergleichrichter beim Betrieb des steuerbaren Gleichrichterbauteiles vermieden werden.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß bei einem

Gleichrichterbauteil der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß die Halbleitergleichrichter in demselben Gehäuse angeordnet sind, das sich zwischen den zwei massiven Metallkörpern befindet, und daß mindestens ein Halbleitergleichrichter steuerbar ist und mindestens zwei Halbleitergleichrichter antiparallel geschaltet sind derart, daß sie mit ihren Hauptelektroden entgegengesetzter Polarität auf der einen Seite in unmittelbarer Druckkontaktverbindung mit dem einen Metallkörper, und mit ihren Hauptelektroden entgegengesetzter Polarität auf der anderen Seite in unmittelbarer Druckkontaktverbindung mit dem anderen Metallkörper stehen. Damit liegen die Halbleitergleich- ^! richter zwischen zwei thermischen und elektrischen Brücken. Da die Halbleitergleichrichter zudem im gleichen Gehäuse untergebracht sind, befinden sie sich ! auch stets in der gleichen Gasatmosphäre, was wichtig j wegen der Oberflächenkriechströme ist. Durch die ] thermische Brücke wird erreicht, daß alle Halbleitergleichrichter die gleiche Temperatur aufweisen und dadurch auch die gleichen Charakteristiken besitzen, die ja bekanntlich stark temperaturabhängig sind.
Da der thermische Ausdehnungskoeffizient des Jr Halbleiterkristalles von denjenigen der Anoden- und Kathodenmetalle verschieden ist, verwendet die Erfindung Druckkontakte. Der Kontaktdruck wird von außen her auf das Gehäuse ausgeübt, wodurch gleichzeitig ein guter thermischer und elektrischer Kontakt erreicht wird.

' Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung erge-

ben sich aus den nachstehend an Hand von Zeichnungen erläuterten Ausführungen. Dabei zeigen die F i g. 1 bis 5 verschiedene Ausführungsformen der Erfindung.

Die F i g. 1 zeigt zwei Thyristoren 1 und 11 in Antiparallelschaltung, während in der F i g. 2 ein Thyristor 11 mit einer Diode 1 antiparallel angeordnet ist. F i g. 3 zeigt zwei antiparallelgeschaltete Thyristoren 1 und 11, welche vermittelst einer einzigen Steuerklemme von außen her gesteuert werden können.

Die Zeichnungen stellen zwar je nur zwei Halbleitergleichrichter dar, die Erfindung kann jedoch ohne weiteres auf eine größere Anzahl solcher Elemente angewandt werden.

Die beiden Thyristoren 1 und 11 in F i g. 1 weisen vier Schichten p-n-p-n sowie eine Anode 2 bzw. 22 und eine Kathode 3 bzw. 33 auf. Die Steuerelektroden 8 bzw. 88 sind vermittels dichter Durchführungsisolatoren mit den äußeren Steuerklemmen 10 bzw. 100 verbunden.

Das Gehäuse besteht aus zwei metallischen Wandungen 4 bzw. 44 und einem Isolator 5, welche Teile vorzugsweise luftdicht oder vakuumdicht miteinander verbunden sind. Die beiden massiven Metallkörper 6 bzw. 66 weisen sehr große Querschnitte und eine sehr gute thermische Leitfähigkeit auf, sie können beispielsweise aus Aluminium oder Kupfer bestehen. Sie bilden die thermische Brücke. Vermittels nicht gezeichneter isolierter Bolzen und Muttern werden sie sehr stark gegen das Gehäuse und gegen die beiden Thyristoren 1 bzw. 11 gedrückt. Die beiden Metallkörper 6 bzw. 66 bewirken daher eine sehr gute Temperaturverteilung zwischen den beiden Thyristoren. Die Erfindung gestattet, die beiden Thyristoren einander sehr stark anzunähern, wodurch deren Temperaturen gleich werden, was nicht der Fall ist, wenn die Thyristoren in verschiedenen Gehäusen untergebracht sind.

F i g. 2 stellt als Variante einen Thyristor 11 in Antiparallelschaltung mit einer aus drei Schichten p-n-n + bestehenden Diode 1 dar. Die Gehäusewandungen 4,44 weisen hier metallische Verdickungen 7, 77 großen Querschnitts und hoher thermischer Leitfähigkeit auf, um die thermische Brücke zwischen jeweils der Anode und der Kathode der Halbleitergleichrichter 1 und 11 zu verbessern. Die Tatsache, daß die in den beiden

ίο Gleichrichtern entstehende Wärme über zwei genau gleiche Wege 7-6 bzw. 77-66 nach außen abgeführt wird, ist ebenfalls ein großer Vorteil der Erfindung. Die Metallkörper 6 bzw. 66 besitzen nicht dargestellte Kühlrippen und werden vermittels Öl, Wasser oder Luft gekühlt.

Die F i g. 3 zeigt eine andere bemerkenswerte Ausführungsform, bei welcher im Innern des Gehäuses 4, 44 besondere Metallteile 7', 77' großen Querschnitts und hoher thermischer Leitfähigkeit zwecks weiterer

2o, Verbesserung der thermischen Brücke vorgesehen sind. Die Steuerelektroden 8 und 88 sind über kleine Widerstände 9 bzw. 99 über einen einzigen Einführungsisolator mit einer einzigen äußeren Klemme verbunden. Man hat damit ein symmetrisches, steuerbares Gleich-

a5 richterbauteil für Wechselstrom mit nur einer einzigen Steuerklemme. Die Zündung des Thyristors 1 vollzieht sich vermittels der Steuerelektrode zwischen den kathodenseitigen Schichten p-n, während die Zündung des Thyristors 2 vermittelst der Zündelektrode 88 sich zwischen den Schichten n-p vollzieht.

Bei der Anordnung von F i g. 4 ist ebenfalls nur eine einzige Steuerklemme 10 nötig. Diese ist mit der Primärwicklung 12 eines Impulstransformators verbunden, dessen Sekundärwicklungen 13 bzw. 14 über Dioden 15 bzw. 16 und kleine Widerstände 9 bzw. 99 mit den Steuerelektroden 8 bzw. 88 verbunden sind. Die Widerstände und Dioden können auch fehlen.

In der F i g. 5 sind die beiden massiven Metallkörper 6 bzw. 66, welche die thermische Brücke und die Kühlelemente darstellen, mit den Gehäusewandungen verschmolzen. Der Isolator 5 kann z. B. aus Silikonen oder synthetischen organischen Stoffen bestehen. Es ist wohl bekannt, wie man eine dichte Verbindung zwischen dem Isolator und den beiden Metallkörpern 6 bzw. 66 herstellen kann. Die Steuerelektroden 8 bzw. 88 sind über zwei Drähte, welche dicht den Isolator 5 durchqueren, mit den Steuerklemmen 10 bzw. 100 verbunden. Sind drei Thyristoren oder Dioden mit Thyristoren in demselben Gehäuse unterzubringen, so wird man diese in den Ecken eines Dreiecks anordnen. Eine größere Anzahl wird man vorteilhaft längs einer Geraden anordnen.

Die Erfindung kann besonders für zwei verschiedene Zwecke ausgebildet werden: Variiert man den Steuerwinkel der Thyristoren stetig, so erreicht man eine kontinuierliche Regelung des Wechselstromes. Oder man verwendet das steuerbare Gleichrichterbauteil als Wechselstromschalter ohne Schaltkontakte. Man kann dann z. B. die Kontakte eines Stufenschalters ersetzen und damit den Abbrand beim Schalten der Leistung vermeiden. Ein wichtiger Vorteil der Erfindung besteht somit darin, daß man für jede Phase nur ein einzelnes Bauelement mit einer einzigen Steuerelektrode benötigt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Steuerbares Gleichrichterbauteil mit mindestens zwei Halbleitergleichrichtern, die mit jeweils einer ihrer Hauptelektroden in Druckkontaktverbindung mit zwei massiven, elektrisch und thermisch gut leitenden Metallkörpern stehen, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleitergleichrichter (1, U) in demselben Gehäuse angeordnet sind, das sich zwischen den zwei massiven Metallkörpern (6, 66) befindet, und daß mindestens ein Halbleitergleichrichter steuerbar ist und mindestens zwei Halbleitergleichrichter antiparallel geschaltet sind derart, daß sie mit ihren Hauptelektroden entgegengesetzter Polarität (2, 33; 3, 22) auf der einen Seite in unmittelbarer Druckkontaktverbindung mit dem einen Metallkörper (6), und mit ihren Hauptelektroden entgegengesetzter Polarität (3, 22^2, 33) auf der anderen Seite in unmittelbarer Druckkontaktverbindung mit dem anderen Metallkörper (66) stehen.

2. Gleichrichterbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden massiven Metallkörper (6, 66) sich außerhalb des Gehäuses (4, 44) befinden (F i g. 1,2,3).

3. Gleichrichterbauteil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gehäusewandung (4, 44) zwischen den Hauptelektroden (2, 22, 3, 33) der Halbleitergleichrichter (1, 11) und den massiven Metallkörpern (6, 66) metallische Verdickungen (7, 77) großen Querschnitts und hoher technischer Leitfähigkeit aufweist (F i g. 2).

4. Gleichrichterbauteil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Gehäusewandung (4, 44) und den Hauptelektroden (2, 22, 3, 33) der Halbleitergleichrichter (1, 11) Metallteile (7', 77') großen Querschnitts und hoher thermischer Leitfähigkeit vorgesehen sind (F i g. 3).

5. Gleichrichterbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden" massiven Metallkörper (6, 66) einen Teil des Gehäuses (6, 66, 5) bilden.

6. Gleichrichterbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektroden (8, 88) der steuerbaren Halbleitergleichrichter mit Hilfe eines im Innern des Gehäuses angeordneten Transformators (12,13,14) magnetisch gekoppelt sind.

7. Gleichrichterbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuerelektrode mit einer Anode und eine zweite Steuerelektrode mit einer Kathode elektrisch verbunden sind.

8. Gleichrichterbauteil nach Anspruch 1 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Steuerelektroden (8, 88) elektrisch miteinander verbunden sind.

9. Gleichrichterbauteil nach den Ansprüchen 1, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektroden über Widerstände miteinander verbunden sind.