DE2035398C3 - Schutzvorrichtung fur ein Halb leiterbauelement - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schutzvorrichtung für ein Halbleiterbauelement mit einem Gehäuse, in dem »ich das Halbleiterbauelement und ein Schalter befinden, der in Reihe mit zwei Elektroden des HaIblciterbauelementes zwischen zwei Anschlußklemmen der Schutzvorrichtung geschaltet ist und, von einem Bimetallelement über Kuppelglieder betätigt, öffnet, fobald sich das Halbleiterbauelement über eine bc-Itimmte Temperatur erwärmt.

Bei einer bekannten Schutzvorrichtung dieser Art (britische Patentschrift 1 138 459) öffnet das Bimetallelement die Kontakte des Schalters, sobald die Temperatur des Halbletterbauelementes einen vorbestimmten Wert überschreitet. Weiterhin ist es bekannt, für Halbleitergleichrichteranlagen einen Überstromschutz (deutsche Auslegeschrift 1 073 103) bzw. für Trockengleichrichter einen Überlastschutz (deutsche Patentschrift 883 471) vorzusehen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine. Schutzvorrichtung der eingangs genannten Gattung unter Wahrung einer geschlossenen Baueinheit für die Gesamtheit der Teile so auszugestalten, daß auf einfache Weise neben einem Temperaturschutz für das Halbleiterbauelement ein Überstromschutz vorgesehen ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß im gleichen Gehäuse zusätzlich eine stmmempfindlichc Einrichtung, bestehend aus dem Kontaktträgerglied des Schalters mit Kontakten sowie einem Bimetallstreifen, vorhanden ist, die den Schal'.er öffnet, wenn der Strom duTh das Kontaktträgerglied einen vorbestimmten Wert ül ersteigt.

Eiif wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die Schutzvorrichtung eine doppelte Sicherheit für das Halbleiterbauelement, nämlich zum

ίο einen eine Temperaturüberwachung und zum anderen eine Überwachung der Stromstärke, gewährleistet.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß nur ein einziger Schalter erforderlich ist.

der sowohl durch das die Temperatur des Halbleiter bauelementes überwachende Bimetallelement als auch die stromempfindliche Einrichtung betätigbar ist.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand der

so Zeichnung beispielsweise beschrieben; in dieser zeigt Fig.] eine Draufsicht auf eine Schutzvorrichtung für ein Halbleiter-Bauelement,

Fig. 2 und" Schnitte entlang Linie 2-2 bzw. 3-3 in Fi g. 1,

F i g. 4 eine Draufsicht auf eine Bimetall-Scheibe, die in den F i g. 1 bis 3 gezeigt ist,

F i g. 5 einen Schnitt entlang Linie 5-5 in F i g. 4,
Fig. 6 eine Draufsicht auf einen Bimetallstreifen, der in den F i g. 1 bis 3 gezeigt ist,

F i g. 7 einen Schnitt entlang Linie 7-7 in F i g. 6,

F i g. 8 einen Schaltplan der in den F i g. 1 bis 3 gezeigten Schutzvorrichtung,

F i g. 9 und 10 Schnitte einer Modifikation eines in den Fig. 1 bis 3 gezeigten Verbindungsgliedes und

Fig. 11 und 12 eine Draufsicht bzw. einen Vertikalschnitt einer Modifikation eines in den Fig.! bis 3 gezeigten Kontaktträgergliedes.

In den Fig. 1 bis3 ist eine Schutzvorrichtung 10 gezeigt, die ein Halbleiterbauelement 12, einen temperatur- und stromabhängigen Schalter 14, der die Temperatur des Halbleiterbauelementes 12 fühlt und sich in Abhängigkeit von der gefühlten Temperatur öffnet und schließt, und ein Gehäuse 16 umfaßt. Das Gehäuse 16 umschließt das Halbleiterbauelement 12 und den Schalter 14 und weist mehrere elektrisch voneinander isolierte Strompfade auf, die von außerhalb des Gehäuse 16 zu dem Halbleiterbauelemeni 12 und dem Schalter 14 führen. Die Schutzvorrichtung bildet ein Schaltelement mit Anschlüssen ar einer Basis 50 und an zwei Anschlußklemmen 5( und 58.

Obgleich das Halbleiterbauelement 12 in der Pra xis aus verschiedenen Typen bestehen kann, ist es be dem dargestellten Ausführungsbeispiel in Form eine:

Silizium-Kristalls bzw, eines Siliziumplättchens vor gesehen, in dem ein Gleichrichter, z. B. eine Zener diode, in einer bekannten Weise ausgebildet ist. E wird angenommen, daß die obere Fläche 18 de

' Halbleiterbauelementes 12 eine Kathode und dl· untere Fläche 20 eine Anode ist.

Der Schalter 14 umfaßt ein Verbindungsglied 22 das mit dem Halbleiterbauelement 12 über eini Trennschicht 24 verbunden ist, so daß es sich in war meübertragender Verbindung mit der oberen Fläch 18 und auf dem gleichen elektrischen Potential wi diese befindet. Das Verbindungsglied 22 und di Trennschicht 24 müssen deshalb Leiter sowohl fü Wärme als auch für Strom sein. Das Verbindungs

glied 22 besteht aus Kupfer, und die Trennschicht 24. du das Halbleiterbauelement 12 gegen die Spannungen schützt, die durch die thermische Ausdehnung J■.■- Verbindungsgliedes 22 aus Kupfer relativ /u der ;;;j:niischen Ausdehnung des Halhleiterbauelementes i: aus Silizium erzeugt werden, besteht aus Molyb- ;.;-,. da Violybdän näherungsweise den gleichen th'er- :■ -dien Ausdehnungskoeffizienten wie"silizium auf-■••■_:-t. Da die in Berührung mit der Trennschicht 24 ,. 'icnde Oberfläche des Verbindungsgliedes 22 sehr ..'.■■■■m ausgeführt is·, so daß die thermisch erzeugten K-.ifte auf ein Minimum her;' -Liesetzt sind, kann"die : :m>chicht 24 dick genug ausgeführt werden, um , -.e thermischen Ausdehnungsspannungen zu ab-

:!>ieren. Die Spannung an der oberen" Fläche 18 .!Ui Grund der thermischen Ausdehnung des Verbindungsgliedes 22 wird somit auf einem Minimum gehalten.

Der Schalter 14 umfaßt ebenso ei., mit einer öffnung versehenes Trägerglied 26, das mit dem Verbindungsglied 22 einen Zwischenraum bildet, und ein ;eniperaturempfindliches Glied in der Form einer Bimetall-Scheibe 28, die in den F i g. 4 und 5 im einzelnen gezeigt ist und die Temperatur des Halbleiterhauelementes 12 durch das Verbindungsglied 22 und die Trennschicht 24 fühlt. Die Bimeaill-Scheibe 28 ist so aufgebaut, daß sie eine in Fig. 5 in durchgezogenen Linien gezeigte Anfangsposition einnimmt. wenn sie sich auf einer Temperatur unter einem be- >ummten Wert befindet, und eine in F i g. 5 in durchbrochenen Linien dargestellte, durchgebogene Position einnimmt, wenn sie sich auf einer Temperatur über dem bestimmten Wert befindet. In der britischen Patentschrift 1 138 459 wird ebenfalls eine derartige Bimetall-Scheibe beschrieben.

Dei Schalter 14 umfaßt einen Kolben 30, der in einer Öffnung 32 in dem Trägerglied 26 so angeordnet ist, daß er durch die Scheibe 2f* verschoben werden kann, und die Kontaktanordnung 34. Die Kontaktanordnung 34 umfaßt einen Satz von Kontakten 36 und 38, ein Kontaktträgerglied 40 zur Lagerung des oberen Kontaktes 36 und einen Abstandshalter 42. der das Kontaktträgerglied 40 lagert und gegenüber dem mit einer Öffnung versehenen Trägerglied 26 elektrisch isoliert.

Weiterhin umfaßt der Schalter 14 ein zweites temperpturcmpfindliches. Glied in der Form eines Bimetallstreifens 44, das in wärmeleitendem Kontakt mit dem Kontaktträgerglied 40 mittels Nieten 46 in dem Abstandshalter 42 gehalten wird. Der in den Fig.6 und 7 im einzelnen gezeigte Bimetallstreifen 44 ist so aufgebaut, daß er eine in F i g. 7 in durchgezogenen Linien gezeigte Anfangsposition einnimmt, wenn er sich auf einer Temperatur unter einem bestimmten Wert befindet, und eine in F i g. 7 in strichpunktierten Linien gezeigte durchgebogene Position einnimmt, wenn er sich auf einer Temperatur über dem bestimmten Wert befindet. Die in dem Kontaktträgerglied 40 durch dort hindurchfließenden Strom erzeugte Wanne gelangt durch Leitung in den Bimetallstreifen 44.

Das in den F t g. 1 bis 3 gezeigte Gehäuse 16 kann irgendeinen bekannten Aufbau aufweisen; es umfaßt jedoch in der dargestellten Ausführungsform einen Deckel 48 und eine Basis 50. Die Basis 50 weist einen Gewindestift 52 auf, der das Anbringen der gesamten Schutzvorrichtung 10 an einer nicht gezeigten Struktur erleichtert. Das Gehäuse 16 ist aus einem elektrisch und thermisch leitenden Material wie Kupfer hergestellt, um die Abführung von Wärme von dem Halbleiterbauelement 12 zu erleichtern und um einen Sirompfad von der Basis 50 durch eine zweite Trennschicht 54 zu der unteren Fläche 20 des Halbleiterbauelementes 12 vorzusehen. Die Trennschicht 54. die nachfolgend als untere Trennschicht 54 bezeuhnet wird, "hat eine ähnliche Funktion wie die Trennschicht 24. d\. nachfolgend als obere Trenn-

schicht 24 bezeichnet wird. Das heißt, sie schützt das Halbleiterbauelement 12 gegen Spannungen, die durch die thermische Ausdehnung der Basis 50 erzeugt werden. Die Basis 50 ist beachtlich dicker als die in Berührung mit der oberen Trennschicht 24 stehende Oberfläche des Verbindungsgliedes 22 ausgeführt, um einen Wärmeübergang zu erleichtern. Sie erzeugt somit stärkere thermische Ausdehnungsspannungen als das Verbindungsglied 22. Die untere Trennschicht 54 ist dicker ausgeführt, um diesen Effekt zu kompensieren; sie besteht aus Wolfram, dessen thermische Eigenschaften ähnlich d.^nen von Molybdän sind, das jedoch leichter in einer dicken Schicht ausgeführt werden kann.

Zusätzlich zu dem durch die Basis 50 zu der unteren Fläche 20 des Halbleiterbauelementes 12 hergestellten Strompfade sehen e^n Paar von Anschlußklemmen 56 und 58 Strompfade zu den entsprechenden Kontakten 36 und 38 vor. Wie in den F i g. 1 und 2 gezeigt, ist die Anschlußklemme 56 elektrisch mit dem oberen Kontakt 36 über ein Drahtkabel 60. ein leitendes Band 62 und das Kontaktträgerglied 40 verbunden. Die Anschlußklemme 58 ist elektrisch mit dem unteren Kontakt 38 über ein Drahtkabel 64 und das mit einer Öffnung versehene Trägerglied 26 verbunden. Die Anschlußklemmen 55 und 58 sind elektrisch gegenüber dem Gehäuse 16 mittels eines Paares von Isolatoren 66 und 67 (F i g. 3) isoliert.

In der dargestellten Ausführungsform, in der das Halbleiterbauelement 12 eine Zenerdiode ist, ist die Basis 50 normalerweise geerdet, so daß sie als eine gemeinsame Klemme sowohl für einen Eingangs- als auch einen Ausgangskreis dient. Beispielsweise kann an die Anschlußklemme 56 eine nicht geregelte Eingangsspannung angelegt werden, so daß an der Aus-

gangsklemme der Anschlußklemme 58 eine geregelte AuFgangsspannung vorhanden ist, wenn der Schalter 14 sich in seiner normalerweise geschlossenen Position bzw. seiner Ruhestellung befindet. Der Schalter 14 wird automatisch geöffnet, um das Halbleiterbauelement 12 gegen Überströme und Übertemperaturen zu schützen, wie nachfolgend iu Verbindung mit der Benutzung der Schutzvorrichtung 10 als eine Drei-Klemmen-Einrichtung erläutert wird.

Wenn Strom durch das Halbleiterbauelement 12 fließt, wird es innerlich erhitzt, wobei die erzeugte Wärme mittels Leitung durch die untere Trennschicht 54 und die Basis 50 zu einem nicht gezeigten Kühlkörper abgeführt wird. Zusätzlich wird Wärme von dem Halbleiterbauelement 12 durch die obere Trennschicht 24 und das Verbindungsglied 22 zu der Bimetall-Scheibe 28 geleitet. Solange die Temperatur der Bimetall-Scheibe 28 sich unter einem bestimmten Wert befindet, verbleibt die Bimetall-Scheibe 28 in ihrer Anfangsposition.

Wenn die Temperatur der Bimetall-Scheibe 28 den bestimmten Wert übersteigt, schnappt die Bimetall-Scheibe 28 über, so daß ihr Mittelpunkt durch die von ihrem Umfang definierte Ebene hindurchgeht, und

de die in Fig.5 in durchbrochenen Linien darge- bestimmten Temperatur zu kriechen. Während dieser stellte, durchgebogene Position einnimmt. Wenn die Hystcrcsiscffekt nicht erforderlich ist, ist er nützlich, Bimetall-Scheibe umschnappt, kommt ihr Umfang in da er eine Zeitverzögerung vorsieht, um eine Abfüh-Bcrührung mit dem Verbindungsglied 22, und ihr rung der Wärme von dem Halbleiterbauelement 12 Mittelteil treibt den Kolben 30 gegen das Kontakt- 5 durch die Basis 50 zu gestatten. Die Bimetall-Scheibe trägerglied 40, das den oberen Kontakt 36 von dem 28 oszilliert zwischen der Anfangsposition und der unteren Kontakt 38 trennt. Durch das Umschnappen durchgebogenen Position so lange, wie die Temperader Bimetall-Scheibe 28 wird somit die Spannung tür des Halbicitcrbauelementes 12 sich über dem bevon dem Halbleiterbauelement 12 weggenommen, stimmten Wert befindet, und die Eigenschaften der wenn dessen Temperatur einen als zulässig angesehc- io Bimetall-Scheibe 28 beeinflussen lediglich die Oszilnen Wert überschreitet. lationsfrequenz und das Ansprechen der Bimetall-Die Arbeitsweise der Bimetall-Scheibe 28 kann Scheibe 28 auf die Temperatur des Halbleiterbaueledurch die Konstruktion des Verbindungsgliedes 22 mentes 12.

und des Kontaktträgcrgliedcs 40 geändert werden, Nach den Fig. 11 und 12 kann das Kontaktträgerwic in den Fig.9 bis 12 gezeigt. Beispielsweise sieht 15 glied 40 mit einem besonderen Querschnitt hergeein Verbindungsglied 22, das die in F i g. 9 darge- stellt sein, der einen vorbestimmten elektrischen stellte Querschnittskonfiguration aufweist, eine grö- Widerstand aufweist. Auf Grund des Widerstands gcßerc Verschiebung des Kolbens 30 vor, wenn die Bi- genüber dem Stromfluß dort hindurch wird Wärmemetall-Scheibe 28 die durchgebogene Position an- energie in dem Kontaktträgerglied 40 erzeugt und nimmt, da der Umfang der Bimetall-Scheibe 28 von ao verteilt. Die verteilte Energie verursacht ein Ansteigen einer Kreislippe 68 gelagert wird. Wenn das Verbin- der Temperatur des Kontaktträgergliedes 40, auf dungsglied 22 die in Fig. 10 dargestellte Quer- Grund dessen der Bimetallstreifen 44 durch Leitung Schnittskonfiguration aufweist, befindet sich ein grö- en-ärmt wird. Die Temperatur des Bimetallstreifcns ßcrer Teil der Bimetall-Scheibe 28 in wärmeleiten- 44 kann somit durch Veränderung des Querschnitts dem Kontakt mit dem Verbindungsglied 22, auf »5 des Kontaktträgergliedes 40 gesteuert werden. Wäh-Grund dessen die Empfindlichkeit der Bimetall- rend der Bimetallstreifen M so aufgebaut ist, daß er Scheibe 28 gegenüber der Temperatur des Halb- von einer in F i g. 7 in durchgezogenen Linien gezeigleiterbauelementes 12 gesteigert ist. Das in den ten Anfangsposition bei einer bestimmten Tempera-Fig. 11 und 12 gezeigte Kontaktträgerglied 40 weist tür in die in Fig.7 in durchbrochenen Linien geein Federglied 69 auf, das darin ausgebildet ist, um 30 zeigte, durchgebogene Position umschnappt, ist seine den Kolben 30 so herunterzudrücken, daß das in Temperatur eine Funktion des Stromes durch das Kontaktbleiben der Bimetall-Scheibe 28 mit dem Kontaktträgerglied 40. Der Bimetallstreifen 44 ist so-Vcrbindungsglied 22 gewährleistet ist. Die Bimetall- mit derart aufgebaut, daß er bei einer Temperatur Scheibe 28 fühlt auf Grund dessen die Temperatur umschnappt, die proportional zu einem vorbestimmdes Halbleiterbauelementes 12 unabhängig davon, ob 35 ten Strom durch das Kontaktträgerglied 40 ist. Obsich die Schutzvorrichtung 10 in der in den F i g. 1 gleich das Umschnappen des Bimetallstreifens 44 bis 3 gezeigten aufrechten Position befindet oder nicht. auch von der Umgebungstemperatur der Schutzvor-Wenn sich die Bimetall-Scheibe 28 in der durchge- richtung 10 beeinflußt ist, kann der Effekt der Umbogenen Position befindet, fühlt sie sehr wenig von gebungstemperatur aus zwei Gründen außer acht geder Temperatur des Halbleiterbauelementes 12, da 40 lassen werden, erstens weil der Effekt der Umgenur ihr Umfang Kontakt mit dem Verbindungsglied bungstemperatur relativ klein im Vergleich mit der 22 hat. Die Bimetall-Scheibe 28 bleibt somit in der inneren Aufheizung des Kontaktträgergliedes 40 ist durchgebogenen Position so lange, wie ihre Tempe- und zweitens weil das Halbleiterbauelement 12 bei ratur sich über dem bestimmten Wert befindet, und niedrigen Temperaturen einen größeren Strom als bei nimmt dann die Anfangsposition wieder ein. Wenn 45 hohen Temperaturen aushalten kann. D-bei ist seine die Bimetall-Scheibe 28 ihre Anfangsposition wieder Strombemessung lediglich so eingestellt, daß es gegen einnimmt, werden die Kontakte 36 und 38 geschlos- Überströme bei normalen Umgebungstemperaturen sen, und das Halbleiterbauelement 12 steht wieder geschützt ist

unter Spannung. Wenn sich das Halbleiterbauele- Wenn der Bimetallstreifen 44 von seiner Anfangs-

ment 12 auf eine Temperatur unter den bestimmten 50 position in die durchgebogene Position umschnappt

Wert abgekühlt hat, bleibt die Bimetall-Scheibe 28 in trifft er an einen Anschlag 70 des Kontaktträgerglie-

ihrer Anfangsposition. Wenn nicht, schnappt die Bi- des 40, wobei er das Kontaktträgerglied 40 anhebt

metall-Scheibe 28 wieder in ihre durchgebogene Po- so daß die Kontakte 36 und 38 getrennt werden. Dei

sition, um wieder die Spannung von dem Halbleiter- Bimetallstreifen 44 hält die Kontakte 36 und 38 ge

bauelement 12 wegzunehmen. 55 trennt, bis seine Temperatur für ein Zurückschnap-

In der Praxis weist die Arbeitsweise der Birne- pen in die Anfangsposition genügend fällt Wenn dei

tall-Scheibe 28 eine Hysteresis auf, d. h., sie beginnt Strom in dem Kontaktträgerglied 40 erneut den Bi

aus der Anfangsposition zu der durchgebogenen Po- metallstreifen 44 über die bestimmte Temperatu:

sition bei einer Temperatur zu kriechen gerade unter aufheizt, öffnet er die Kontakte 36 und 38 erneut

der bestimmten Temperatur und schnappt dann bei 60 und seine Oszillation dauert fort, bis der Strom siel

der bestimmten Temperatur um. In gleicher Weise unter dem vorbestimmten Wert befindet. Das Halb

beginnt sie von der durchgebogenen Position zu der leiterbauelement 12 ist somit auch gegen Überström

Anfangsposition bei Temperaturen in der Nähe der geschützt

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Schutzvorrichtung, für ein Halbleiterbauelemcnt mit einem Gehäuse, in dem sich das HaIbleiterbauelemi.'iu und ein Schalter befinden, der in Reihe mit zwei Klektroden des Halbleiterhauelementes zwischen zwei Anschlußklemmen der Schutzvorrichtung geschaltet ist und, von einem Bimetallelement über Kuppelglieder betätigt, offnet. Mihald sich das Halbleiterbauelement über eine bestimmte Temperatur erwärmt, d
durch gekennzeichnet, daß im gleichen Gehäuse zusätzlich eine stromempfindliche Hinrichtung (40. 44). bestehend aus dem Kontakttraii.erg.lied (40) des Schalters (14) mit Kontakten (36, 38i sowie einem Bimetallstreifen (44), vorhanden i:,t, die den Schalter (14) öffnet, wenn der Strom durch das Kontaktträgerglied (40) einen vorbestimmten Wert übersteigt.

2. Schutzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kontaktträgerglied (40) an dem von seinem Kontakt (36) abgelegenen Ende mit einer (56) der zwei Anschlußklemmen (50, 56) verbunden ist und einen vo'bestimmten elektrischen Widerstand aufweist.

3. Schutzvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch ge' cnnzeichnet, daß das als Feder ausgebildete Kontaktträgerglied (40) an seinem festgelegten Ende (46) mit dem Bimetallstreifen (44) fest verbunden ist und ar seinem beweglichen, den Kontakt (36) tragenden Ende einen Anschlag (70) für das freie Ende des Bimetallstreifens (44) aufweist.

4. Schutzvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3. dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Kontakt (38) des Schalters (14) einerseits mit dem Halbleiterbauelement (12) und andererseits mit einer dritten Anschlußklemme (58) elektrisch verbunden ist.