DE2448186A1 - Kuehleranordnung fuer zwei oder mehrere halbleiterventile - Google Patents

Description

• Kühleranordnung für zwei oder mehrere Halbielterventile Kühleranordnung für zwei oder mehrere Haibleiterventile mit mehreren zeitlich veränderlich, ungleich belasteten Ventilen, wobei Verlustleistungen bis zur maximalen Verlustleistung eines Ventiles oder einer Ventilgruppe nacheinander in verschiedenen Ventilen bzw. Ventilgruppen auftreten, und zwar entweder bei Umpoleinrichtungn in Gleiehstromkreisen oder bei wechselstromgespeisten Schaltungen mit Lastwechsel nach einer Zeit, die größer ist als eine Periode der Betriebsfrequenz.
• Die Strombelastbarkeit von Halbleiterventilen im speziellen von Thyristoren, ist dadurch eingeschränkt, daß die entstehende Ver- Itistwärme mit einem verfügbaren begrenzten- Temperaturgefälle abgeführt werden muß. Für die zulässige Stromhöhe sind der Spannungsabfall in Durchlaßrichtung der bei gegebenem Strom die Höhe der Verlustleistung bestimmt, und die durch den äußeren Aufbau gegebene Güte der Wärmeabfuhr entscheidend. Durch die Technik der Druckkontaktierung bei der Scheibenzellenbauform ist ein thermisch einwandfreier, temperaturwechselfester Aufbau bis zu praktisch unbegrenzten Flächengrößen möglich, jedoch wird bei größerer Fläche die Verlustwärmeabfuhr schwieriger. Der Durchlaßstrom steigt zwar bei gegebener Spannung flächenproportional, aus thermischen Gründen wird bei größeren Flächen die Verlustwärmeabfuhr aus dem Siliziumscheibchen jedoch schwieriger.
• Thyristoren gibt es als Leistungsthyristoren bei netzgeführten Stromrichtern und als schnelle Thyristoren für Anwendungen mit erzwungener Kommutierung, z.B. Wechselrichterschaltungen.
• Die zulässige Belastung von Thyristoren ist durch Erreichen der maximal zulässigen Kristalltemperatur bestimmt. Um höhere Belastungswerte zu erreichen müssen Möglichkeiten für intensiveres Kühlen gefunden werden.
• Für Halbleiterventile die aufgrund ihres Schalt zustandes nicht ständig Verlustwärme abgeben, sind die normal vorhandenen Kühlerkapazitäten nicht voll genützt und daher auch tolums- und tewichtsmäßig überdimensioniert.
• Wäre es technisch realisierbar, alle Ventile ohne Rücksicht auf elektrische Potentiale auf einer gemeinsamen Kühleinheit unterzubringen, so könnte für jede beliebige Schaltung unter Ausnützung des Gleichzeitigkeitsfaktors der Einzelverlustleistungen ein optimal geringes Kühlvolumen erzielt werden.
• Besonders bei Lastwechsel einzelner Ventile in Zeitabständen, die in der Größenordnung der Kühlkörperzeitkonstante und darüber liegen, ist eine Ersparnis an Kühlvolumen möglich.
• Eine nicht befriedigende und nur zum geringen Teil anwendbare Lösung der Mehrfachausnützung Von Kühlkörpern wird in der österreichischen Patentschrift Nr. 360.860 für das einschränkende Gebiet der Schraubventile angegeben. Besonders bei Schraubthyristoren, die nur in einer Polarität, wobei die Anode am Gehäuseboden liegt, handelsüblich sind, können nur Elektroden einer bestimmten Polarität auf einen gemeinsamen Kühlkörper aufgeschraubt werden. Schaltungen, bei denen Ventilelektroden verschiedener Polarität auf gleichem Potential liegen, und deren Ventile auf dem gleichen Kühlkörper sitzen, können mit Hilfe der o.a.Lösung nicht realisiert werden.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Kühlkörpereinheiten für die Verlustwärmeaufnahme von zwei oder mehreren Halbleiterventilen unter Berücksichtigung eines Gleichzeitigkeitsfaktors der in Betrieb befindlichen Ventile zu finden, wobei keine Einschränkungen hinsichtlich der Polarität der Ventile vorliegen.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß als Halbleiterventile Scheibenzellen mit als Elektroden ausgebildeten Stirnflächen vorgesehen sind, die mit ihren Stirnflächen an Gegenflächen plattenförmiger Kühlkörper, die zugleich der Stromzu- oder -ableitung dienen, anliegen und über diese sowohl den Wärmeübergang als auch den elektrischen Kontakt herstellen, wobei die Kühleinheiten für die Summe der möglichen gleichzeitig auftretenden Verlustleistung der zugehörigen Ventile bemessen sind.
• Um solche Kühlkörper, die jeweils für bestimmte Schaltungen zusammenzusetzen sind, auf einfache Weise mit einem günstigen Wirkungsgrad der Verlustwärmeabfuhr zur Verfügung zu halden, sind jene Halbleiterventile auf einem gemeinsamen Kühlkörper oder einer aus mehreren Kühlkörpern aufgebauten Kühleinheit angeordnet die ihr Leistungsmaximum zu verschiedenen Zeiten aufweisen.
• Weiters sind für sternförmig zusammengeschaltete Ventilelektroden eine gemeinsame Kühleinheit vorgesehen und für parallel zusammengeschaltete Ventilelektroden zwei jeweils gemeinsame Kühleinheiten oder eine gemeinsame und je eine individuelle Kühleinheit vorgesehen.
• Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen Fig. 1 die schematische Darstellung der mit Scheibenthyristoren ermöglichten Kühleranordnungen für zwei Thyristoren.
• Fig. 2 die konstruktiven Ausführungsformen in vereinfachter Darstellung.
• Fig. 3 die Schaltung eines Umkehrstromrichters bei kreisstromfreiem Betrieb.
• Fig. 4 die schematische Darstellung einer Kühleranordnung nach der Schaltung in Fig. 3.
• Aus Fig. 1 sind Ausführungsformen I...VII für Kühleranordnungen für zwei Haibleiterventile ersichtlich. Die Thyristoren sind hier unterschiedaos mit Th und die Kühler mit K bezeichnet. Da die Scheibenthyristoren eine Dickentoleranz aufweisen und aus elektrischen und thermischen Gründen eine innige Berührung von Elektrodenfläche und Kühlkontaktfläche gefordert ist, können, wie die Ausführungsformen III und IV zeigen, Wärmeübergangsbrücken vorgesehen sein.
• In Fig. 2 sind konstruktive Ausführungsformen, für die Kühlung von zwei Thyristoren durch gemeinsame Kühleinheiten dargestellt, wobei die Ausführungsform XI einen gemeinsamen Kühlkörper mit Wärmeübergangsbrücke zeigt.
• In Fig. 3 wird ein Umkehrstromrichter bei kreisstromfreiem Betrieb mit direkter Gegenparallelschaltung von Brücken angespeist über eine gemeinsame Transformatorenwicklung R, S, T, gezeigt. Zum-Sperren oder Einschalten der einen oder anderen Stromrichtung ist eine nicht näher gezeigte Kommandostufe KO mit Stromreglerkreisen, Drehzahlregler für den Strom-Sollwert, Spannangsnachführung für den Stromeinsatz ohne Stoß oder Wartezeit vorgesehen.
• In Fig. 4 ist eine schematische Darstellung als Beispiel für eine Kühleranordnung der Thyristoren Th1 ... Th6 und Th1, ...Th6, aus der Schaltung Fig. 3 mit gemeinsamen Kühlereinheiten K gezeigt. Da die Scheibenthyristoren.#einen sehr geringen thermischen Widerstand aufweisen, wird ein Teil der Verlustwärme auch über die jeweils nicht belasteten Thyristoren Th an deren Kühler K abgegeben.
• Beispielhaft wird in Fig 4 links die mittlere Kühleinheit K1 für nur zwei Thyristoren Th1 und Th2 bzw. Th1, und Th2, ausgeführt.
• Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß gemeinsame Kühlereinheiten für scheibenförmige Halbleiterventile, die nicht gleichzeitig in Betrieb sind, ohne Rücksicht auf die Ventilpolarität verwendet werden und so wechselweise die Verlustwärme auch von Kühlereinheiten für Halbleiterventile, die zeitweise nicht in Betrieb sind, aufgenommen wird.
• Dadurch wird die Kühl fläche und das Kühlvolumen für die Verlustwärmeaufnahme der räumlich kleinen Wärmequellen vergrößert. Durch diese Maßnahmen wird entweder die Strombelastbarkeit der tIalbleiterventile hinaufgesetzt oder es wird Kühlvolumen und Kühlergewicht eingespart. Weitere Vorteile bieten die allgemeinen von der Polarität unabhängigen, nur durch die elektrische Schaltung festgelegten Zusammenbaumöglichkeiten von Kühleinheiten und scheibenförmigen Halbleiterventilen zu gemeinsamen Kühleranordnungen.

Claims (4)

1. Patentansprüche

   Kühleranordnung für zwei oder mehrere Halbleiterventile mit mehreren zeitlich veränderlich, ungleich belasteten Ventilen, wobei Verlustleistungen bis zur maximalen Verlustleistung eines Ventiles oder einer Ventilgruppe nacheinander in verschiedenen Ventilen bzw. Ventilgruppen auftreten,und zwar entweder bei Umpoleinrichtungen in Gleichstromkreisen oder bei wechselstromgespeisten Schaltungen mit Lastwechsel nach einer Zeit, die größer ist als eine Periode der Betriebsfrequenz, dadurch gekennzeichnet, daß als Halbleiterventile Scheibenzellen mit als Elektroden ausgebildeten Stirnflächen vorgesehen sind, die mit ihren Stirnflächen an Gegenflächen plattenförmiger Kühlkörper, die zugleich der Stromzu- oder -ableitung dienen, anliegen und über diese sowohl den Wärmeübergang als auch den elektrischen Kontakt herstellen, wobei die Kühleinheiten für die Summe der möglichen, gleichzeitig auftretenden Verlustleistung der zugehörigen Ventile bemessen sind.
2. 2. Kühleranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß insbesondere jene Haibleiterventile auf einem gemeinsamen Kühlkörper oder einer aus mehreren Kühlkörpern aufgebauten Kühleinheit angeordnet sind, die ihr Leistungsmaximum zu verschiedenen Zeiten aufwe#isen.
3. 3. Kühleranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für sternförmig zusammengeschaltete Ventilelektroden eine gemeinsame Kühleinheit vorgesehen ist.
4. 4. Kühleranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für parallel zusammengeschaltete Ventilelektroden zwei JC weils gemeinsame Kühleinheiten oder eine gemeinsame und e eine individuelle Kühleinheit vorgesehen sind.