DE2661120C2

DE2661120C2 -

Info

Publication number: DE2661120C2
Application number: DE2661120A
Authority: DE
Inventors: Patrick Dipl.-Ing. Station Siggenthal Ch De Bruyne; Lutz Dr. Birr 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: 1990-07-12
Anticipated expiration: 1996-11-18
Also published as: FR2369773A1; FR2369773B1; GB1552876A; DE2652348A1; US4162514A; CH601917A5; DE2652348C2; JPS6053469B2; JPS5353963A

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung für Hochleistungsbauelemente gemäß dem Oberbegriff des An spruchs 1. Eine solche Anordnung ist z. B. aus der US-PS 35 81 160 bekannt.

Stand der Technik

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 = ²/₂ · ^T/₂,

wobei ^T/₂ = Pulsdauer, = 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 · 10⁶ A² 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.

Entsteht ein Lichtbogen am Rand der Halbleiterscheibe kann er leicht auf die dünnen Verbindungsstücke zwischen Isolator und Elektrode übergreifen, die Verbindungsstücke durchschweißen und eine nach außen tretende Explosion hervorrufen, welche benachbarte Teile der Anlage gefähr det.

Um die Explosionsfestigkeit einer solchen Anordnung zu erhöhen, ist nun in der eingangs genannten Druckschrift vorgeschlagen worden, oberhalb und unterhalb des Gehäuses eine mechanisch gestützte Abdichtung aus O-Ringen vorzu sehen, die nach einem Durchschweißen der Verbindungs stücke den Austritt der Lichtbogengase an die Umgebung verhindert.

Nicht berücksichtigt wird bei dieser Lösung jedoch der Fall, daß der Isolator für sich alleine genommen dem durch einen Lichtbogen entstehenden Druck nicht stand hält.

Darstellung der Erfindung

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine An ordnung anzugeben, die auch bei Gefährdung des Isolators selbst einen Schaden in der Umgebung sicher abwendet.

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

Ausgangspunkt dieser Maßnahmen ist die Erkenntnis, daß bei einem am Rande 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 erfindungsgemäßen Maßnahmen wird ein Schaden in der Umgebung durch übermäßige Belastung des Gehäuses vermieden.

Ein erstes bevorzugtes Ausführungsbeispiel der erfin dungsmäßen Anordnung zeichnet sich dadurch aus, daß die Mittel zumindest einen Verstärkungskörper umfassen, der das Gehäuse in radialer Richtung abstützt.

Ein zweites bevorzugtes Ausführungsbeispiel ist dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel einen Explosionsschutz umfassen, der das Gehäuse umgibt und der so bemessen ist, daß der zwischen Gehäuse und Explosionsschutz einge schlossene Raum wesentlich größer als der vom Gehäuse umschlossene Raum ist.

Weitere Ausführungsbeispiele ergeben sich aus den Un teransprüchen.

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;

Fig. 2 einen Schnitt durch eine Anordnung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung; und

Fig. 3 Schnitte durch weitere, besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Anordnung nach der Erfin dung.

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 17 kA/10 msec entsprechend einem Wert des Explosions integrals von ca. 1,5 · 10⁶ A² 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 Eisenmagnetfeldes schleifenförmig aufweitet, wobei seine Fußpunkte 7, 7′ auseinanderwandern, auf die aus Kovar bestehenden Verbindungsstücke 4, 4′ gelangen und diese durchschweißen. Die durch den Bogen zugeführte Wärmeenergie führt bereits bei einem Wert des Explosions integrales von 1,5 · 10⁶ A² sec zu einem Druckaufbau, der das Gehäuse mechanisch und/oder durch Thermoschockwirkung explosionsartig zerstört.

Durch die in Fig. 2 und 3 dargestellten Anordnung für Halbleiter-Hochleistungsbauelemente werden diese uner wünschten Effekte vermieden bzw. ganz erheblich redu ziert.

In den Fig. 2 und 3 sind gleiche Teile mit denselben Be zugsziffern versehen wie in Fig. 1. Zusätzlich sind in Fig. 2 an die Kontaktstücke seitlich angrenzende und diese ringförmig 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 Beschichtun gen der Verbindungsstücke 4, 4′ bzw. des Isolators 3 be zeichnet. Bezugsziffer 12 bezieht sich auf einen Verstär kungskörper aus Kunststoff, in den glasfaserverstärkte Gießharzringe oder Stahlringeinlagen 13 eingelagert sind.

Die erfindungsgemäße Anordnung nach Fig. 2 unterscheidet sich gegenüber der Anordnung nach Fig. 1 vor allem durch die Verstärkungsringe mit den eingelagerten glasfaserver stärkten Gießharzringen oder Stahlringeinlagen 13.

Durch die beiden Stromleiter 8, 8′ werden zunächst die Lichtbogenfußpunkte 7, 7′ auf den beiden Leitern festge halten und können nicht über die Kontaktstücke 1, 1′, 1 a, 1 a′ auf die beiden Verbindungsstücke 4, 4′ abwandern. Der Abstand dieser beiden ringförmigen Stromleiter 8, 8′ zur Innenwand des Isolators 3 ist mit ca. 1 mm so klein ge wählt, 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.

Bei besonders hohen Werten von Druck und Temperatur der durch den Lichtbogen erhitzten Gase wird jedoch der Iso lator 3 übermäßig belastet. Um in diesem Fall einen Schaden in der Umgebung der Anordnung zu vermeiden, sind nach der Erfindung außerhalb des Gehäuses Mittel zur Ex plosionsfestigkeit vorgesehen, die das Gehäuse radial um geben.

In dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 umfassen diese Mittel einen Verstärkungskörper 12 aus Kunststoff wie Po lyvinylchlorid oder Polymethacrylsäureester, der das Ge häuse 5 in radialer Richtung abstützt und gegebenenfalls durch glasfaserverstärkte Gießharzringe oder Stahlring einlagen 13 verstärkt ist. Dieser Verstärkungskörper 12 wird am besten eingegossen, um einen guten Kontakt mit dem Isolator 3 zu gewährleisten. Der Isolator 3 kann in diesem Fall glatt bleiben, da die für den Kriechweg not wenigen Rillen außen auf dem Kunststoffkörper ange bracht werden.

Weitere Ausführungsbeispiele von Anordnungen nach der Er findung sind der Fig. 3 zu entnehmen. In dieser Figur ist mit 14 ein das Gehäuse 5 umgebender Explosionsschutz, der die durch die Explosion freigesetzten heißen Gase und weggeschleuderten Bruchstücke auffängt und von den An lagenteilen fernhält, bezeichnet. Der Explosionsschutz besteht vorzugsweise aus Gießharz oder Silikonkautschuk. Der zwischen dem Explosionsschutz 14 und dem Gehäuse 5 eingeschlossene Raum 15 ist wesentlich größer als der vom Gehäuse 5 umschlossene Raum 16. Bei einer Explosion des Isolators 3 des Gehäuses 5 wegen zu hohen Druckes und zu hoher Temperatur der im Gehäuse 5 eingeschlossenen Gase, können diese in den Raum 15 expandieren, wodurch eine erhebliche Druckabsenkung erreicht und eine Zerstö rung der Anlage durch die heißen Lichtbogengase vermieden wird.

Nach Fig. 3b ist der Explosionsschutz 14 zusätzlich mit Verstärkungsringen 17 zur Aufnahme radialer Kräfte verse hen. Nach Fig. 3c ist er zwecks einfacher Montierbarkeit aus zwei stirnseitig ineinandergreifenden Teilen 18, 18′ zusammengesetzt. In der Ausführungsform nach Fig. 3d kön nen zusätzlich noch Strömungswiderstände 19, 19′ und Dichtlippen 20 vorgesehen werden, welche die Funktion ei nes Überdruckventils ausüben. Im Explosionsfall verformen sich die Dichtlippen 20 in der gestrichelt eingezeichne ten Weise und lassen die gekühlten und somit unschädli chen Explosionsgase in der eingezeichneten Richtung aus treten.

Claims

1. Anordnung für Halbleiter-Hochleistungsbauelemente mit mindestens einem zwischen zwei Elektroden einge schlossenen Halbleiter-Hochleistungsbauelement in einem Gehäuse, das aus einem von dem Halbleiter-Hochleistungsbauelement radial beabstandeten Isola tor und dünnen Verbindungsstücken, die mit dem Isolator und mit den Elektroden dicht verbunden sind, besteht, und wobei außerhalb des Gehäuses Mittel zur Erhöhung der Ex plosionsfestigkeit vorgesehen sind, dadurch gekenn zeichnet, daß die Mittel das Gehäuse (5) in radi aler Richtung umgeben.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel einen Verstärkungskörper (12) umfassen, der das Gehäuse (5) zumindest in radialer Rich tung abstützt.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärkungskörper (12) aus Kunststoff wie Polyvinylchlorid oder Polymethacrylsäureester be steht und gegebenenfalls durch glasfaserverstärkte Gießharzringe oder Stahlringeinlagen (13) verstärkt ist.

4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel einen Explosionsschutz (14) umfas sen, der das Gehäuse (5) zumindest in radialer Richtung umgibt und der so bemessen ist, daß der zwischen Gehäuse (5) und Explosions schutz (14) eingeschlossene Raum (15) wesentlich größer als der vom Gehäuse (5) umschlossene Raum (16) ist.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Explosionsschutz (14) aus Kunststoff, vor zugsweise Gießharz oder Silikonkautschuk, besteht und mit Verstärkungsrippen (17) zur Aufnahme der ra dialen Kräfte versteift ist.

6. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Explosionsschutz (13) aus zwei stirnseitig ineinandergreifenden Teilen (18, 18′) besteht, die zum Abbau des Überdruckes mit Strömungswiderständen (19, 19′) und Dichtlippen (20) versehen sind.