DE2652348C2

DE2652348C2 -

Info

Publication number: DE2652348C2
Application number: DE2652348A
Authority: DE
Inventors: Patrick De Dipl.-Ing. Station Siggenthal Ch Bruyne; Lutz Dr. Oberrohrdorf Ch Niemeyer
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Current assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Priority date: 1976-10-27
Filing date: 1976-11-17
Publication date: 1990-03-08
Also published as: FR2369773A1; FR2369773B1; GB1552876A; DE2652348A1; US4162514A; DE2661120C2; CH601917A5; JPS6053469B2; JPS5353963A

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung für Halbleiter-Hochleistungsbauelemente gemäß dem Oberbe griff des Anspruchs 1.

Eine solche Anordnung ist z. B. aus der GB-PS 12 77 201 bekannt.

Stand der Technik

Die bekannte Anordnung weist auf der einen Elektroden seite einen ersten Metallring und auf der anderen Elek trodenseite einen weiteren mit einem Flansch versehenen Metallring auf, welche durch eine keramische Kappe von einander isoliert sind. Die Anordnung ist dahingehend ausgelegt, daß das Halbleiterbauelement mit den Elektro den optimal in elektrischem und thermischem Kontakt steht. Auf den Schutz vor Lichtbögen ist dabei nicht ein gegangen worden.

Derartige Anordnungen mit Thyristoren und Dioden als ak tivem Hochleistungsbauelement werden in Stromversorgungs anlagen in großem Umfange verwendet. Da die Tendenz bei modernen Anlagen dahingeht, zur Beherrschung der ständig wachsenden Ströme und Spannungen Halbleiter-Hochlei stungsbauelemente mit entsprechend vergrößerten Abmes sungen zu verwenden, ist bereits vorgeschlagen worden, die Bauelemente in einem 3 Zoll × 1 Zoll großen Preß- Pack-Normgehäuse einzuschließen. Wegen der sehr großen Dauerströme (1000 bis 3000 A), müssen zum Schutz der An lagen jedoch Sicherungen bereitgestellt werden, die einen sehr hohen Ansprechstrom und infolge dessen ein ho hes Explosionsintegral aufweisen. Bei den derzeitig mo dernsten Anlagen liegt der Wert dieses Explosionsinte grals bei sinusförmigem Strom

∫ i ² dt = î ²/2 · T/2,

bei T/2 = Pulsdauer, î = mittlere Stromstärke, für sinusförmige Impulse bei ca. 35 · 10⁶ A₂ sec (z. B. entspricht diesem Wert ein Puls von 83,7 kA/10 msec). An ordnungen in Preß-Pack-Normgehäusen weisen jedoch nur ein Explosionsintegral von ca. 1,5 · 10⁶A² sec, also nur einen Bruchteil des in den derzeit modernsten Anlagen geforderten Wertes auf. Dieser Wert des Explosionsinte grales wird insbesondere dann sehr schnell erreicht oder überschritten, wenn in den Anordnungen für Halbleiter- Hochleistungsbauelemente ein Kurzschlußstrom in Rück wärtsrichtung fließt, so daß der sich hierbei ausbil dende Lichtbogen die Anlage zur Explosion bringt.

Darstellung der Erfindung

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Anordnung für Halbleiter-Hochleistungsbauelemente zu schaffen, deren Explosionsfestigkeit auch bei in Rückwärtsrichtung flie ßenden Kurzschlußströmen in Anlagen mit Dauerströmen bis mindestens 3000 A mit Sicherheit gewährleistet ist, und welche sich darüber hinaus durch einfachen und zweckmä ßigen Aufbau auszeichnet und in wirtschaftlicher Weise herzustellen ist.

Die Aufgabe wird bei einer Anordnung der eingangs genann ten Art durch die Merkmale aus dem Kennzeichen des An spruchs 1 gelöst.

Ausgangspunkt dieser Maßnahmen ist die Erkenntnis, daß bei einem am Ende defekten Halbleiter-Hochleistungsbau element bevorzugt Lichtbogenbildung eintritt. An einem gezielt am Rande zerschlagenen Halbleiter-Hochleistungs bauelement, welches in einem Preß-Pack-Normgehäuse ein gebaut war, wurde nun festgestellt, daß der Strom zunächst an der defekten Stelle fließt. Hierdurch schmilzt und verdampft das Silizium des Bauelements. Es bildet sich ein Lichtbogen, der sich unter der Einwirkung seines Eigenmagnetfeldes schleifenförmig aufzuweiten ver sucht, wobei seine Fußpunkte auseinanderwandern. Dieser Lichtbogen kann nun auf die Verbindungsstücke des Gehäu ses wandern und diese durchschweißen sowie durch seine abgegebene Wärmeenergie den Druck in der Anordnung explo sionsartig ansteigen lassen, so daß das Gehäuse mecha nisch und/oder durch Thermoschock zerstört wird.

Durch die erfindungsgemäße Maßnahmen kann der Druck aufbau im Gehäuse der Anordnung niedrig gehalten werden, da die ringförmigen Stromleiter die Lichtbogenlänge be schränken und ein Abwandern der Lichtbogenfußpunkte auf die Verbindungsstücke verhindern, und damit die thermi sche Energiezufuhr im Gehäuseinneren erheblich herabset zen, insbesondere aber auch deswegen, da sie als Kühlflä che für die entstandenen heißen Bogengase wirken. Die Spalte zwischen den ringförmigen Stromleitern und der In nenwand des Isolators gestatten einen Druckausgleich in den bogenfreien Teil des Gehäuses und tragen somit eben falls zur Druckerniedrigung bei.

Ferner ist es zweckmäßig, die Innenwand der Verbindungs stücke des Gehäuses mit einer thermisch und elektrisch isolierenden ersten Beschichtung, und gegebenenfalls die Innenwand des Isolators mit einer thermisch isolierenden zweiten Beschichtung zu versehen. Hierdurch wird die Ex plosionsfestigkeit der Anordnung ganz erheblich erhöht, da durch die Beschichtung der Verbindungsstücke die Lichtbogenfußpunktsbildung erschwert und außerdem ein Schutz dieser Teile, und gegebenenfalls des Isolators, vor den heißen Lichtbogengasen bewirkt wird.

Es empfiehlt sich, als Materialien für den Isolator Kera mik, die Verbindungsstücke eine die Elemente Nickel, Ko balt, Eisen und gegebenenfalls Mangan umfassende, zu ei ner flexiblen Platte verarbeitete Legierung, die Strom leiter Kupfer, die erste Beschichtung Kunststoff mit ho her Verdampfungsenergie und die zweite Beschichtung Te flon vorzusehen, da durch die Verwendung dieser Materia lien der Wert des Explosionsintegrales ganz erheblich heraufgesetzt wird.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform kann das Gehäuse die Form eines Zylinders von etwa 7 bis 8 cm Durchmesser und 2 bis 3 cm Höhe aufweisen, die Stromleiter rechtecki ges Profil von etwa 2 mm Breite und ca. 4 mm Länge besit zen, mit ihrer Längsseite parallel zur Kontaktfläche des Halbleiter-Hochleistungsbauelementes und mit ihrer äuße ren Breitseite ca. 1 mm vom Isolator entfernt angeordnet sein und die erste Beschichtung mindestens 0,3 mm dick sein. Eine derartige Anordnung ist vor allem wegen der zweiten Beschichtung gegen die thermische Schockwirkung der heißen Lichtbogengase hervorragend geschützt.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des Erfindungs gegenstandes vereinfacht wiedergegeben. Es zeigt

Fig. 1 einen Schnitt durch eine Anordnung für Halblei ter-Hochleistungsbauelemente in einem Preß- Pack-Normgehäuse nach dem Stand der Technik, bei der sich ein Lichtbogen unter der Einwir kung seines Eigenmagnetfeldes schleifenförmig aufweitet; und

Fig. 2 einen Schnitt durch eine Anordnung nach der Er findung.

Wege zur Ausführung der Erfindung

Gemäß Fig. 1 ist zwischen den beiden aus Kupferscheiben 1, 1′ und Molybdänscheiben 1 a, 1 a′ bestehenden Kontaktan schlüssen ein Halbleiter-Hochleistungsbauelement (Diode oder Thyristor) 2 angeordnet. Dieses Bauelement 2 befin det sich in einem aus einem Isolator 3 und flexiblen Ver bindungsstücken 4, 4′ bestehenden zylinderförmigen Ge häuse 5 von ca. 3 Zoll Durchmesser und 1 Zoll Höhe. Die Verbindungsstücke 4, 4′ sind aus einer die Elemente Nickel, Kobalt, Eisen und gegebenenfalls Mangan umfassen den Legierung, etwa Kovar. Mit 6 sind die verschiedenen Phasen eines Lichtbogens mit den Fußpunkten 7, 7′ be zeichnet.

Das Bauelement 2 weist eine gezielt am Rand eingeschla gene Fehlstelle auf und wird in Rückwärtsrichtung mit si nusförmigen 10 msec-Pulsen belastet. Bereits bei Pulsen von 18 kA/10 msec entsprechend einem Wert des Explosions integrals von ca. 1,5 · 10⁶A² sec fließt an der defek ten Stelle ein Strom, welcher das Silizium schmilzt und verdampft. Dadurch entsteht zwischen den beiden Kontakt stücken ein Lichtbogen 6, der sich unter der Einwirkung seines Eigenmagnetfeldes schleifenförmig aufweitet, wobei seine Fußpunkte 7, 7′ auseinanderwandern, auf die aus Kovar bestehenden Verbindungsstücke 4, 4′ gelangen und diese durchschweißen. Die durch den Bogen geführte Wärmeenergie führt bereits bei einem Wert des Explosions integrales von 1,5 · 1⁶A² sec zu einem Druckaufbau, der das Gehäuse mechanisch und/oder durch Thermoschockwirkung explosionsartig zerstört.

Durch die in Fig. 2 dargestellte Anordnung für Halbleiter- Hochleistungsbauelemente werden diese unerwünschten Ef fekte vermieden bzw. ganz erheblich reduziert.

In der Fig. 2 sind gleiche Teile mit denselben Bezugszif fern versehen wie in Fig. 1. Zusätzlich sind in Fig. 2 an die Kontaktstücke seitlich angrenzende und diese ringför mig umgebende, von der Innenwand des Isolators 3 nur durch schmale Spalte 9, 9′ getrennte Stromleiter 8, 8′ dargestellt. Mit 10, 10′ und 11 sind die Beschichtungen der Verbindungsstücke 4, 4′ bzw. des Isolators 3 bezeich net. Bezugsziffer 12 bezieht sich auf einen Verstärkungs körper aus Kunststoff, in den glasfaserverstärkte Gießharzringe oder Stahlringeinlagen 13 eingelagert sind.

Die erfindungsgemäße Anordnung nach Fig. 2 unterscheidet sich also gegenüber der Anordnung nach Fig. 1 im wesentli chen durch die beiden Stromleiter 8, 8′, die zwischen den Stromleitern und dem Keramikisolator befindlichen Spalten 9, 9′ und die Beschichtungen 10, 10′, 11.

Die Stromleiter 8, 8′ sind aus Kupfer, besitzen rechteckiges Profil von ca. 2 mm Breite und ca. 4 mm Länge, sind mit ihrer Längsseite parallel zur Kontakt fläche des Halbleiter-Bauelementes 2 und mit ihrer äuße ren Breitseite ca. 1 mm vom Isolator 3 entfernt angeord net. Durch die beiden Stromleiter 8, 8′ werden die Licht bogenfußpunkte 7, 7′ auf den beiden Leitern festgehalten und können nicht über die Kontaktstücke 1, 1′, 1 a, 1 a′ auf die beiden Verbindungsstücke 4, 4′ abwandern. Der Ab stand dieser beiden ringförmigen Stromleiter 8, 8′ zur Innenwand des Isolators 3 ist mit ca. 1 mm so klein gewählt, daß der Lichtbogen keine Schleife in die Spalte 9, 9′ hinein bilden kann. Die Beschichtung 10, 10′ der Verbindungsstücke 4, 4′ erschwert die Lichtbogenfuß punktsbildung und verhindert den Zutritt der heißen Lichtbogengase, da sie der thermischen Einwirkung des Lichtbogens 7 durch Verdampfung entgegenwirken. Als gün stig haben sich Kunststoffe mit hoher Verdampfungsener gie, wie Sylgard, in einer Schichtdicke von mehr als 0,3 mm herausgestellt. Die Beschichtung kann durch Aufsprü hen, Aufkleben von Folien oder durch Ausgießen aufge bracht werden.

Durch diese Maßnahmen kann der Druckaufbau im Gehäuse äußerst niedrig gehalten werden, da die ringförmigen Stromleiter die Bogenlänge beschränken und damit die thermische Energiezufuhr verringern und zusätzlich noch als Kühlflächen für die entstandenen heißen Lichtbogen gase wirken. Die Spalte 9, 9′ erlauben einen Druckaus gleich in den bogenfreien Teil des Gehäuses 5 und tragen damit ebenfalls zur Druckerniedrigung bei. Die thermische Schockwirkung der heißen Lichtbogengase auf den Isolator 3 wird durch die Beschichtung 11 reduziert. Diese Beschichtung besteht ebenfalls wie die Beschichtung 10, 10′ aus einem schwer verdampfbaren Kunststoff etwa Sylgard oder Teflon, und ist in entsprechender Schicht dicke aufgetragen.

Bei besonders hohen Werten von Druck und Temperatur der durch den Lichtbogen in der erfindungsgemäßen Anordnung erhitzten Gase ist es mitunter zweckmäßig, daß das Ge häuse 5 zumindest in radialer Richtung durch einen Ver stärkungskörper 12 aus Kunststoff wie Polyvinylchlorid oder Polymethacrylsäureester, abgestützt und gegebenen falls durch glasfaserverstärkte Gießharzringe oder Stahlringeinlagen 13 verstärkt ist. Dieser Verstärkungs körper 12 wird am besten eingegossen, um einen guten Kon takt mit der Keramik zu gewährleisten. Die Keramik kann in diesem Fall glatt bleiben, da die für den Kriechweg notwendigen Rillen außen auf dem Kunststoffkörper ange bracht werden.

Claims

1. Anordnung für Halbleiter-Hochleistungsbauelemente mit mindestens einem zwischen zwei Elektroden einge schlossenen Halbleiter-Hochleistungsbauelement, das in einem Gehäuse radial beabstandet von einem Isola tor umgeben ist, der über dünne Verbindungsstücke dicht mit den Elektroden verbunden ist und wobei seitlich an die Elektroden angrenzende, ringförmige, die Elektroden umschließende Stromleiter angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erhöhung der Explosionsfestigkeit bei Bildung eines Lichtbogens (6) die Stromleiter (8, 8′) zur Aufnahme der Licht bogenfußpunkte (7, 7′) ausgebildet und nur durch schmale Spalte (9, 9′) von der Innenwand des Isola tors (3) getrennt sind.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenwand der Verbindungsstücke (4, 4′) des Gehäuses (5) mit einer thermisch und elektrisch iso lierenden ersten Beschichtung (10, 10′) versehen ist.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenwand des Isolators (3) mit einer ther misch isolierenden zweiten Beschichtung (11) verse hen ist.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Materialien für den Isolator (3) Keramik, die Verbindungsstücke (4, 4′) eine die Elemente Ni, Co, Fe und gegebenenfalls Mn umfassende, zu einer flexiblen Platte verarbeitete Legierung, die Strom leiter (8, 8′) Kupfer, die erste Beschichtung (10, 10′) Kunststoff mit hoher Verdampfungsenergie und die zweite Beschichtung (11) Teflon vorgesehen sind.

5. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (5) die Form eines Zylinders von etwa 7-8 cm Durchmesser und 2-3 cm Höhe auf weist, die Stromleiter (8, 8′) rechteckiges Profil von ca. 2 mm Breite und ca. 4 mm Länge besitzen, mit ihrer Längsseite parallel zur Kontaktfläche des Halbleiter-Bauelements (2) und mit ihrer äußeren Breite ca. 1 mm vom Isolator (3) entfernt angeordnet sind, und daß die erste Beschichtung (10, 10′) min destens 0,3 mm dick ist.