DE2912863C2 - Steuereinrichtung für ein Elektrofahrzeug - Google Patents

Description

a) die Metallplatte (9) ist im wesentlichen quadratisch ausgebildet,

b) sowohl der Hauptthyristor (6) als auch die Freilaufdiode (7) sind als flache Halbleitertabletten (6a, 7 a) ohne eigenes Gehäuse ausgeführt, die in direktem, isolationsfreiem Kontakt auf der Metallplatte (9) aufsitzen,

c) der Hauptthyristor (6) und die Freilaufdiode (7) sind jeweils nahe einer Ecke der Metallplatte (9) angeordnet und

d) nahe zumindest einer der verbleibenden Ecken der Metallplatte (9) sind ein Kommutierthyristor (17) und eine invertierende Diode (18) derart montiert, daß der Kommutierthyristor (17), der Hai-ptthyristor (6) und die Freilaufdiode (7) jeweils mit ihren Anoder und die invertierende Diode (18) mit ihrer Kathode mit der Metallplatte (9) isolierfrei ir, Kon'ikt stehen und diese als gemeinsame Elektrode dient.

2. Steuereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleitertabletten mittels einer Druckplatte (13) auf der Metallplatte (9) gehalten sind, wobei beide Platten über Befestigungsschrauben (35) miteinander verbunden sind.

3. Steuereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich einer der Ekken der Metallplatte (9) eine Halbleiterplatte (Sa) einer Gegenstrombremsdiode (8) auf der Metallplatte angeordnet ist.

4. Steuereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Hauptthyristor (6) und die Freilaufdiode (7) im Bereich diagonal gegenüberliegender Ecken der Metallplatte (9) auf derselben angeordnet sind.

5. Steuereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Halbleitertabletten mit mindestens einer elektrischen Baukomponente in Form einer Entstörschaltung, einer Überspannungsschutzschaltung, eines Temperaturmeßelements zur Verhinderung einer Überhitzung oder einer Stromdetektorschaltung verbunden ist und daß mindestens eine dieser elektrischen Baukomponenten auf der Metallplatte (9) in der Nähe mindestens einer Halbleitertablette (6a, 7a, Sa)angebracht ist.

6. Steuereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleitertablctlcn (6;j. 7», Sn) mittels einer Druckplatte (13) iitif der Metallplatte (9) gehalten oder mit isolierendem Kunststoffmaterial (14) vergossen sind und daß auf der Oberseite der Druckplatte (13) bzw. des Verguß-

materials (14) mindestens eine elektrische Zusatzeinrichtung z. B. in Form eines Kommutierungskondensators (29) angebracht ist.

Die Erfindung betrifft eine Steuereinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

ίο Aus der DE-AS 16 55 199 ist eine derartige Steuereinrichtung bekannt, bei der auf dem Kühlkörperelemcnt lediglich ein einziger in Schraubbauform ausgeführter Leistungsthyristor mittig angeordnet ist. Die vom Hauptthyristor erzeugte Wärme wird über das Kühlkörperelement auf das Basisteil übertragen und von dort über Kühlrippen an die Umgebung abgegeben. Zur effektiven Kühlung auch der anderen Leistungs-Halbleiterbauelemente ist herkömmlicherweise jedem dieser Leistungs-Halbleiterbauelemente ein eigener Kühlkörper zugeordnet, der unter Zwischenlage einer Isolierschicht auf dem Basisteil angebracht ist. Aufgrund der Mehrzahl der dann benötigten einzelnen Kühlkörper sind somit für das Basisteil relativ große Abmessungen und dementsprechender großer Materialaufwand erforderlich.

Weiterhin ist aus der DE-OS 26 41 032 eine Modul-Baueinheit für in Kompaktbauweise zusammengesetzte Stromrichter bekannt, bei der auf einer gemeinsamen Platte mehrere als Halbleiterscheiben ausgeführte Halbleiterbauelemente in indirekter, elektrisch isolierender Berührung mit dieser angeordnet sind. Jedes Halbleiterbauelement wird hierbei innerhalb einer jeweils separaten elektrisch isolierenden Zentrierhülse mittels eines Tellerfederstapels gegen eine Trägcrscheibe gedrückt, die sich ihrerseits in Anlage mit einer Kontaktscheibe befindet. Aufgrund der Mehrzahl der zwischen dem zu kühlenden Halbleiterbauelement und der Grundplatte vorhandenen Scheiben ist allerdings der Wärmeübergang zwischen HaIbIe, jcrbauelement und Grundplatte relativ stark behindert, so daß die Kühlung nicht sehr effektiv ist. Darüber hinaus erfordert die Montage der einzelnen Halbleiterbauelemente aufgrund der Vielzahl der zusammenzusetzenden Teile relativ großen Materialaufwand und Zeitbedarf.

Darüber hinaus offenbart die Literaturstelle »Der Elektroniker« Nr. 4/70, S. 203 bis 209 ein schultungsmäßiges Konzept einer Steuereinrichtung für Elektrofahrzeuge, bei der offensichtlich als Leistungs-Halbleiterbauelemente Bauelemente in Schraubbauform verwendet sind, wie dies bei herkömmlichen Steuereinrichtungen üblich ist. Bezüglich der Kühlung der l.eistungsüalbleiterbauelemente sind hier keine besonderen Maßnahmen erwähnt.

Ferner sind aus »Siemens-Zeitschrift« 48 (1974).

S. 791 bis 798, Leistungshalbleiter in Scheibenform bekannt, die auch für Chopperschaltungen Verwendung finden können. Hinsichtlich der Anordnung der einzelnen Leistungshalbleiterbauelemente auf einem Kühlkörper derart, daß die Abmessungen des Kühlkörpers bei optimaler Wärmeabführung dennoch möglichst gering gehalten werden können, sind diesen Druckschriften keine Angaben entnehmbar.

Zudem ist aus der DE-OS 24 48 186 eine Schaltungsanordnung bekannt, die z. B. gemäß den Ausführungen Xl und XII in Figur 2 ims zwei Thyristoren besieht, «.lic Scheibcnzellcnforni aufweisen und /wischen zwei Kühlphittcn eingespannt sind.

Halbleiterbauelemente in Scheibenzcllcnform besii-

/cn jedoch im Unterschied zu gehauselosen Halbleiter-Kiblelten jeweils ein eigenes Gehäuse. Dies ergibt sich /. !5. iiucli ;ius dem als Aufsatz »l.eistungshalbleiter in Scheiben form und ihre Anwendungsmöglichkeiten« in der vorstehend schon diskutierten Siemens-Zeitschrift.

Schließlich ist aus der DE-OS 26 24 226 eine Halbleitergleichrichteranordnung bekannt, bei der Halbleiterglcichrichicrelemente unter Zwischenlage jeweils einer eigenen elektrisch leitenden Kontaktscheibe und einer jeweils separaten isolierenden Zwischenscheibe auf einem Basislei! angeordnet sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Steuereinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 derart weiterzubilden, daß bei geringen Abmessungen eine sehr effektive Kühlung erzielbar ist.

Diese Aufgabe wird mit den irn kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 genannten Merkmalen gelöst.

Mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 wird insbesondere folgender Effekt erzielt: Aufgrund der angegebenen Anordnung von Hauptthyristor, Freiiaufdiode und der weiteren Bauelemente sowie der angegebenen Verschaltung führen Kauptthyristor und Freilaufdiode stets abwechselnd ohne Überlappungen den Motorstrom und erzeugen dabei zu jeweils unterschiedlichen Zeiten entsprechende Verlustwärme. Aufgrund der Ausgestaltung von Hauptthyristor und Freilaufdiode als flache gehäuselose Halbleitertabletten und direkter Anbringung dieser Halbleitertabletten auf dem im wesentlichen quadratischen Form aufweisenden Kühlkörper in bestimmter geometrischer Beziehung wird ein äußerst rascher und vollständiger, im wesentlichen verzögerungsfreier Übergang der Verlustwärme vom jeweils stromführenden Bauelement in den gesamten Kühlkörper erzielt. Aufgrund dieses extrem raschen und vollständigen Wärmeübergangs ist die während des

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element erzeugte Verlustwärme bei dessen Abschaltung bereits im wesentlichen vollständig auf den Kühlkörper übertragen, so daß von diesem Halbleiterbauelement während des nachfolgenden Stromführungsinterv;ills des jeweils anderen Halbleiterbauelements nahezu keine Wärme mehr an den Kühlkörper abgegeben wird. Hieraus resultiert, daß der Kühlkörper während der jeweiligen abwechselnden Stromführungsintervalle jeweils vollständig mit seiner gesamten Wärmeaufnahmekapazität lür das jeweils stromführende Halbleiterbauelement zur Verfügung steht, da, wie ausgeführt, vom jeweils anderen, gerade stromlosen Halbleiterbauelement keine Wärme mehr abgegeben wird. Darüber hinaus dient die Metallplatte nun auch als gemeinsame Elektrode für diese beiden Bauelemente sowie für den Kommutierthyristor und die invertierende Diode, so daß einerseits für letztere Bauelemente keine zusätzlichen Kühlmaßnahmen erforderlich sind und andererseits der erforderliche Kontaktierungsaufwand drastisch verringert ist. Die erfindungsgemäße Steuereinrichtung zeichnet sich folglich auch durch geringe Abmessungen und geringes Gewicht bei reduziertem Hersiellungsaufwand aus.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unlciiinsprüchen angegeben.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführiingsbcispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung naher beschrieben. Es zeigt

Fig. I ein Schaltbild einer Ausführungsform der Schaltungsanordnung der Steuereinrichtung für ein Elektrofahrzeug,

Fig. 2 und 3 eine Draufsicht bzw. einen Aufriß der Anordnung von Halbleiterbauelementen bei einer ersten Ausfuhrungsform dcrSteuereinrichiung,

Fig.4 und 5 einen Aufriß bzw. eine Draufsicht der ersten Ausführungsform der Steuereinrichtung. F i g. 6 und 7 eine Draufsicht bzw. einen Aufriß einer Anordnung von Halbleiterbauelementen bei einer zweiten Ausführungsform der Steuereinrichtung,

Fig.8 eine Draufsicht einer Anordnung von Halbleiterbauelementen bei einer dritten Ausführungsform der ίο Steuereinrichtung und

Fig.9 und 10 Diagramme, die den Verlauf von Strömen an verschiedenen Punkten der Schaltungsanordnung gemäß Fi g. 1 veranschaulichen.

In den Fig. 1 bis 5. in denen eine erste Ausführungsform der Steuereinrichtung dargestellt ist. bezeichnet die Bezugszahl 1 den Anker eines Gleichstrommotors zum Antrieb eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs, die Bezugszahl 2 eine Feldwicklung des Motors, die Bezugszahlen 3 und 4 elektromagnetische Schalter, die Bezugszahl 5 eine als Stromquelle fü: Jas Fahrzeug dienende Batterie und die Bezugszahl δ fiin Haibieiier-Hauptbauelement, insbesondere einen Hauptthyristor mit einem Nennstrom von ungefähr 200 A. Die Bezugszahl 7 bezeichnet eine Freilaufdiode, während mit der Bezugs^ahl 8 eine Gegenstrombremsdiode bezeichnet ist. Die Bauelemente 6, 7 und 8 stellen Hochleistungs-Halbleiterbauelemente dar, die jeweils im wesentlichen lediglich aus einer in geeigneter Weise ausgebildeten Halbleiter-Tablette bestehen und mit Befestigungsklammern bzw. Spannbügeln oder durch Hart- bzw. Weichlöten direkt an einer Metallplatte 9 befestigt sind, die als gemeinsame Elektrode wirkt und nachstehend als Kühlkörper bezeichnet wird. In Fig. 3 bezeichnet die Bezugszahl 6a eine Halbleitertablette eines der Halbleiterbauelemente, während die Bezugszahl 6b ein metallisches Unterlegstück bzw. Abstandsstück bezeichnet. Die Metallplatte 9 dient ferner als Kühlorgan zur Aufnahme der von den Halbleitertabletten abgegebenen Wärme und besteht aus Kupfer oder Aluminium. Der Zwischenraum zwischen der Freilaufdiode 7 und der Gegenstrombremsdiode 8 ist hierbei kleiner gehalten als der Zwischenraum zwischen dem Hauptthyristor 6 und der Freilaufdiode 7.

Die Bezugszahlen 10, 11 und 12 bezeichnen Verbindungsanschlüsse darstellende Stäbe, insbesondere Kupferstäbe, die jeweils mit einem Ende mit einem der Halbleitertabletten der Hochleistungs-Halbleiterbauelemente 6,7 bzw. 8 verbunden sind, während ihr anderes Ende L-Form aufweist und zur Außenseite einer Abdeckeinrichtung bzw. eines Gehäuses 13 geführt ist. Das Gehäuse 13 besteht insbesondere aus einer Eisenplatte zum Schutz der Hilbleitertabletten 6a, 7a und Sa und c'^ckt die Halbleitertabletten 6a, 7a und 8a ab. In den Zwischenraum zwischen dem Gehäuse 13 und der Metallplatte 9 ist e.ii Kunstharz bzw. Kunststoff 14 als Vergußmasse zur Kapselung und zum mechanischen Schutz der Halbleitertabletten 6a, 7a und 8a eingefüllt. Die Bezugszahlen 15 und 16 bezeichnen in dem Gehäuse 13 vorgesehene Gewindebohrungen zur Montage von Kondensatoren, Die Bezugszahl 17 bezeichnet einen Kommutierthyristor mit einem Nennstrom von ungefähr 3OA, während die Bezugszahl 18 eine invertierende Diode bezeichnet. Die Halbleiterbauelemente 17 und 18 stellen handelsübliche Bauelemente mit kleiner Leistung dar, d. h.. sie bestehen jeweils aus einer Halbleitertablette, die von einem aus Keramik oder dgl. bestehenden dicht abschließenden Gehäuse 19 umgeben ist. wobei unterhalb des Gehäuses 19 ein Gewindebol-

ζεπ 20 yngeordhet ist. Die Halbleiterbauelemente 17 und 18 werden somit an der Metallplatte 9 durch Einschrauben der Gewindebolzen 20 in entsprechende Gewindelöcher der Metallplatte 9 befestigt.

Die vorstehend beschriebene Anordnung von Halbleiterbauelementen. d.h.. die (in den F i g. 2 und 3 im einzelnen dargestellte) Stromversorgungseinheit 25. wird in der nachstehend näher beschriebenen Weise montiert, wobei auf die F i g. 4 und 5 Bezug genommen wird, die den Gesamtaufbau der Zerhackereinrichtung veranschaulichen. In den F i g. 4 und 5 bezeichnet die Bezugszahl 26 eine Metallplatte, die die Grundplatte der Zerhackereinrichtung bildet und aus einer Aluminiumplaite oder einer Kupferplatte mit guten Wärmeableiteigenschaften besteht. Die Bezugszahl 27 bezeichnet eine elektrisch isolierende Dünnschicht aus einem dünnen Glimmerplättchen. einem dünnen Keramikplättchen, einem Klebemittel usw. , die derart dünn ausgeführt ist, daß die Metallplatte 2t> und die Metaiipiatte 9 elektrisch voneinander isoliert sind, gleichzeitig jedoch der Warmeübergang von der Metallplatte 9 zur Metallplatte 26 nicht behindert wird.

Die Bezugszahl 28 bezeichnet eine Kommutierungsdrossel, während die Bezugszahl 29 einen Kommutierungskondensator, die Bezugszahl 30 einen Transformator zur Strominversion und die Bezugszahlen 31 und 32 Elektroden bildende Kupferstäbe bezeichnen.

Da die Wirkungsweise der den vorstehend beschriebenen Aufbau aufweisenden Zerhackereinrichtung in seiner Gesamtheit an sich bekannt ist, wird hier nicht näher darauf eingegangen. Der Hauptthyristor 6 ist mit dem Anker 1 und der Feldwicklung 2 des den Antriebsmotor für das Elektrofahrzeug bildenden Gleichstrommotors sowie der Gleichstromquelle 5 in Reihe geschaltet, wodurch ein Hauptstromkreis zum Ein- und Ausschalten eines über den Motor fließenden elektrischen c._rri;T.». „„kjM«· .,vJr-H Dif Frf !!.-!ufHifiHf" 7 ·■:! Η«·η Mr»-

tor parallel geschaltet und dient zur Zuführung eines geglätteten elektrischen Stromes zu dem Motor während der Sperrperioden des Hauptthyristors 6. Außerdem ist die Gegenstrombremsdiode 8 dem Motor parallel geschalte! und dient zum Kurzschließen des Ankers 1 im Gegensirombremsbetrieb (Umkehrbremsung) des Fahrzeugs.

Da die- Hochleistungs-Halbleiterbauelemente 6, 7 und 8 bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform im wesentlichen lediglich in Form von Halbleitertabletten auf der Metallplatte 9 angebracht sind, können die Höhenabmessungen der Hochleistungs-Bauelemente 6, 7 und 8 klein gehalten werden. Da außerdem auch die Horizontalabmessungen der Hochleistungs-Halbleiterbaueiemente 6, 7 und 8 klein gehalten werden können, was zu einer Verringerung des gegenseitigen Abstandes der Hochleistungs-Halbleiterbauelemente 6, 7 und 8 führt, ergibt sich eine erhebliche Volumenverringerung der gesamten Anordnung 25 der Halbleiterbauelemente. Außerdem benötigen die Hochleistungs-Halbleiterbauelemente 6, 7 und s in Form von Halbleiter-Tabletten keinerlei Zubehörteile wie Gewindebolzen, Gehäuse usw.. wodurch sich ihre Herstellungskosten verringern.

Ferner können durch Abflachung einer Oberfläche 13a des die Hochleistungs-Halbleiterbauelemente 6, 7 und 8 bedeckenden Gehäuses 13 zusätzliche elektrische Bauelemente, wie z. B. der Kommutierungskor.densator 29 usw.. auf der abgeflachten Oberfläche 13a montiert werden. Andererseits werden im Gegensatz zu den Iedielich aus Halbleiter-Tabletten bestehenden Hochleistungs-Halbleiterbauclemenien 6, 7 und 8 die handelsüblichen Halbleiterbauelemente 17 und 18 mn geringer Leistung verwendet, die jeweils mit dem Gehäuse 19 und dem Gewindebolzen 20 ausgestattet sind. Der Grund hierfür ist darin zu sehen, daß die von den Halbleiterbauelementen 17 und 18 geführten Ströme im Vergleich mit denjenigen der Hochleistungs-Halbleiterbauelemente 6, 7 und 8 äußerst klein sind, so daß eine direkte Anbringung der Halbleiterbauelemente 17 und 18 in Form von lediglich aus Halbleiter-Tabletten bestehenden Bauelementen auf der Metallplatte 9 weniger Vorteile erbringt.

Was die Wärmeableitung der Halbleiterbauelemente 6, 7,8,17 und 18 anbelangt, so wird die von den Halbleiter-Tabletten 6a, 7a und 8a der Hochleistungs-Halbleiterbauelemente 6, 7 und 8 abgegebene Wärme direkt auf die Metallplatte 9 übertragen, von der die Wärme über die elektrisch isolierende Dünnschicht 27 zur Metaiipiaite 26 augcicüci Wird. DiC lediglich eine geringe Leistung aufweisenden Halbleiterbauelemente 17 und 18 sind dagegen jeweils mit dem Gehäuse 19 und dem Gewindebolzen 20 ausgestattet, wodurch sie im Vergleich zu den Hochleistungs-Halbleiterbauelementen 6, 7 und 8 schlechtere Wärmeableiteigcnschaften aufweisen, da die Wärme über das Gehäuse !9 und den Gewindebolzen 20 zur Metallplatte 9 abgeführt wird. Hierdurch treten jedoch keine Problerne auf, da die Halbleiterbauelemente 17 und 18 lediglich geringe Ströme führen.

Die Schaltungsanordnung der vorstehend beschriebenen ersten Aus'ührungsform der Steuereinrichtung ist in der in F i g. 1 dargestellten Weise aufgebaut. Da die Anoden der Hochleistungs-Halbleiterbauelemente 6, 7 und 8 mit der als gemeinsame Elektrode wirkenden (durch gestrichelte Abschnitte dargestellten) einzigen Metallplatte 9 verbunden sind, läßt sich im Vergleich zu dem. Fa!!, bei dem die Halbleiterbauelemente 6. 7 und 8 jeweils unabhängig voneinander mit einer Metallplatic versehen sind, ein vereinfachter Aufbau und eine Vergrößerung des Wärmeabführungsbereiches erzielen.

Obwohl bei der vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsform der Kommutierungskondcnsator 29 auf dem abgeflachten Gehäuse 13 angebracht ist, können anstelle des Kondensators 29 auch beliebige andere Zusatzbauelemente einschließlich des Transformators 30. der Kommutierungsdrossel 28 und einer Torsteuereinrichtung dort angebracht werden.

Nachstehend wird näher auf die Wärmeablcitwirkung der Metallplatte 9 und die Art der Wärmeerzeugung durch die Halbleiter-Tabletten 6a, Ta und 8a bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform eingegangen.

Bei dem Thyristor-Zerhacker für den Gleichstrom-Fahrzeugantriebsmotor 1 ist die Last induktiv, so daß die über den Hauptthyristor 6 und die Freilaufdiodc 7 fließenden Ströme jeweils den unter (b) bzw. (c) gemäß F i g. 9 dargestellten Verlauf aufweisen. Hierbei ändert sich ein Laststrom, d. h. der in Fig.! durch den Pfeil / bezeichnete Strom, in der unter (a) in F i g. 9 dargestellten Weise. Die von den über den Hauptthyristor 6 und die Freilaufdiode 7 fließenden Strömen erzeugte Wärme weist im wesentlichen die gleichen zeitabhängigen Änderungen wie der über das Halbleiterbauelement 6 bzw. die Freilaufdiode 7 fließende Strom auf. Die von dem Hauptthyristor 6 und der Freilaufdiode 7 jeweils abgegebenen Wärme ändert sich daher zeitabhängig im wesentlichen in der gleichen Weise wie die unter (b) und (c) in Fig.9 jeweils dargestellten Stromverläufe. Der

l.iiststrom /ändert sich hierbei häufig in Abhängigkeit von dem Gewicht des Fahrzeugs, den Straßenbedingungen (Steigungen und Gefälle usw.). der Betätigung eines l';ihrpcd;ils durch den Fahrer usw. Die in F i g. IO unter (a), (b) und (c) dargestellten Stromverläufe veranschaulichcn einen weiteren Fall, bei dem der über den Gleichstrommotor 1 fließende Laststrom /sich zeitabhängig in andersartiger Weise als im vorstehend beschriebenen l'all ändert, so daß die Wärmeerzeugung durch den I lauptthyristor 6 den unter (b) in F i g. 10 dargestellten Verlauf annimmt, während die Wärmeerzeugung durch die Freilaufdiode 7 den unter (c) in Fi g. 10 dargestellten Verlauf aufweist.

Aus den Diagrammen ist somit ersichtlich, daß unabhängig von der Art der Änderungen des Laststromes / die von der Freilaufdiode 7 erzeugte Wärmemenge bei einem Anstieg der von dem Hauptthyristor 6 erzeugten Wärmemenge abfällt, während umgekehrt die von dem I lauptthyristor b erzeugte Wärmemenge bei einem Anstieg der von der Freilaufdiode 7 erzeugten Wärmemenge abfällt. In bezug auf die Wärmeerzeugung durch diese beiden Halbleiterbauelemente besteht somit eine gegenseitige komplementäre Beziehung.

Da bei dieser Ausführungsform weiterhin der Hauptthyristor 6 und die Freilaufdiode 7 in Form von Halbleiter-Tablctten 6a und 7a auf dem Kühlkörper 9 angebracht sind und keine Befestigung der Halbleiter-Tabletten 6.7 und 7a an dem Kühlkörper 9 über Gehäuse und Gewindebolzen wie bei diesbezüglichen Einrichtungen des Standes der Technik vorgenommen ist, ist die thermische Impedanz bzw. der Wärmewiderstand der Wärmeabieiterstrecke von der Halbleiter-Tablette 6.7 des Hauptthyristors 6 zu der Metallplatte 9 im wesentlichen gleich dem Wärmewiderstand der Wärmeableitstrecke von der Halbleiter-Tablette 7a der Freilaufdiode 7 zu der Metallplatte 9. Da zwischen den Halbleiior-Tab!citcn 6a und Ts und der MctaHHatte 9 keine Zwischenclemente angeordnet sind, sind beide thermischen Impedanzen bzw. Wärmewiderstandswerte äußerst niedrig. Da somit die von der Halbleiter-Tablette 6,7 und der Halbleiter-Tablette 7a jeweils erzeugte Wärme in komplementärer Weise rasch auf die Metallplatte 9 überführt wird und die Wärmewiderstände im wesentlichen gleich sind, ist sowohl bei der auf die Metallplatte 9 überführten Wärmemenge als auch der über die Melullplattc 9 abgeleiteten Wärmemenge eine Komplementärbe/iehung gegeben. Wenn sich der Gleichstrommotor 1 daher z. B. in einem Betriebszustand befindet, bei dem der Hauptthyristor 6 eine große Wärmemenge abgibt, die in der Metallplatte 9 gespeichert und sodann abgeleitet wird, ist die von der Freilaufdiode 7 erzeugte Wärmemenge gering. Hierdurch können die Halbleiter-Tabletten 6a und 7a des Hauptihyristors 6 bzw. der Frcilaufdiode 7 auf relativ niedrigen Temperaturwerten gehalten werden, wobei die Metallplatte 9 dennoch ein geringes Volumen aufweist.

Wurden demgegenüber ein Hauptthyristor und eine Freilaufdiode, die jeweils mit einem Gewindebolzen des üblicherweise bei Zerhackern dieser Art verwendeten Typs versehen sind, in einen gemeinsamen Kühlkörper eingeschraubt werden, so würde die Differenz der Nennströme zwischen dem Hauptthyristor und der Freilaufdiode zu unterschiedlichen Abmessungen ihrer Gewindebolzen und der auf den Gewindebolzen angeordneten und die Halbleiter-Tabletten usw. umgebenden Gehäuse führen, was zur Folge hätte, daß die jeweiligen Wärmewiderstände nicht den gleichen Wert aufweisen, sondern beträchtlich voneinander abweichen.

Darüber hinaus hüllen die Wärmewiderstände relativ hohe Werte. Dins würde dazu führen, daß auch dann, wenn die Wärmeerzeugung durch den Haiiptthyristor und die Freilaufdiode auf komplementäre Weise stattfinden würde, keine ideale Komplementärbeziehung zwischen der auf den gemeinsamen Kühlkörper übertragenen Wärmemenge und der von dem Kühlkörper abgeleiteten Wärmemenge hergestellt werden könnte. was dazu führen würde, daß eine unerwünschte lokale Wärmespeicherung in den Gehäusen bzw. des Hauptthyristors und der Freilaufdiodc mit einem darauf beruhenden beträchtlichen Temperaturanstieg der Halbleiter-Tabletten auftreten würde.

Demgegenüber trägt die Anbringung der Freilaufdiode 7 und des Hauptthyristors 6 auf der Metallplatte 9 lediglich in Form von Halbleiter-Tabletten 7a und 6a, d. h., die Anbringung der Halbleiterbauelemente in offener, freiliegender Form ohne Gewindebolzen und Gehäuse, zu einer Verringerung des Voiuiiieiis der metallplatte 9 sowie zu niedrigeren Temperaturen der Halbleiter-Tabletten 6a und 7a bei.

Nachstehend wird eine zweite Ausführungsform der Steuereinrichtung unter Bezugnahme auf die F i g. 6 und 7 näher beschrieben. In diesen Figuren bezeichnet die Bezugszahl 13 die insbesondere aus einer Eisenplatte bestehende Abdeckung, wobei Hochleistungs-Halbleiterbauelemente 6, 7 und 8 in Tablettenform zusammen mit Federelementen zwischen der Eisenplatte 13 und der Metallplatte 9 festgehalten werden. Mehrere Schrauben 35 sind zwischen der Eisenplatte 13 und der Metallplatte 9 derart angeordnet, daß bei einem Festziehen der Schrauben 35 die Eisenplatte 13 zum Andrücken der Hochleistungs-Halbleiterbauelemente 6, 7 und 8 in Richtung der Metallplatte 9 gedruckt wird.

Die Bezugszahl 36 bezeichnet eine Überspannungsschutzschaltung, die im einzelnen aus Widerständen und Kondensatoren besteht und zwischen der Eisenplatte 13 und der Metallplatte 9 angeordnet ist.

Dieser Aufbau der zweiten Ausführungsform der Steuereinrichtung bringt auch die Anordnung der Überspannungsschutzschaltung 36 zwischen den Hochleistungs-Halbleiterbauelementen 6, 7 und 8 auf der Metallplatte 9 den Vorteil mit sich, daß die Länge der Verbindungsdrähte zwischen der Überspannungsschutzschaltung 36 und den Halbleiterbauelementen 6, 7,8,17 und 18 verringert und dadurch die Induktivität der Verbindungsdrähte herabgesetzt ist, was wiederum eine bessere Überspannungsschutzwirkung gewährleistet. Obwohl die zweite Ausführungsform in bezug auf die Verwendung der Überspannungsschutzschaltung 36 als zusätzliche elektrische Baukomponente beschrieben worden ist, können auch beliebige andere zusätzliche elektrische Baukomponenten, wie z. B. ein Temperaturmeßelement zur Verhinderung einer Überhitzung vorgesehen werden, wobei in diesem Falle die Umgebungstemperaturen der Halbleiterbauelemente 6, 7 und 8 genau erfaßt werden können. Wenn anstelle der Überspannungsschutzschaltung 36 eine zwischen die Steuerelektrode und die Kathode des Thyristors geschaltete Entstörschaltung vorgesehen wird, können in ähnlicher Weise jegliche Störungen aufgrund unerwünschter Induktivitäten beseitigt werden. Außerdem können andere elektrische Zusatzbaukomponenten, wie z. B. eine Stromdetektorschaltung mit einem magnetischen Meßfühler, derein Hal!-Generatore!ement,ein magnetisches Widerstandselement usw. aufweist. Verwendung finden.

Nachstehend wird eine dritte Ausführungsform der Steuereinrichtung unter Bezugnahme auf Fig. 8 näher

beschrieben. In F i g. 8 bezeichnen die Bezugszahl 6 den Hauptthyristor, die Bezugszahl 7 die Freilaufdiode und die Bezugszahl 8 die Gegenstrombremsdiode. Die Ausführungsform gemäß F i g. 8 unterscheidet sich von derjenigen gemäß Fig. 6 lediglich dahingehend, daß die Positionen der Freilaufdiode 7 und der Gegenstrombremsdiode 8 gegeneinander ausgeiauscht sind. Hierdurch sind bei dieser Ausführungsform der Hauptthyristor 6 und die Freilaufdiode 7 entlang einer Diagonallinie auf der Metallplatte 9 angeordnet und dadurch ausreichend voneinander getrennt, so daß die beiden Bauelemente, die während des Betriebs des Fahrzeugs ständig Wärme abgeben, in einem gewissen Abstand voneinander gehalten werden, wodurch eine Wärmekonzentration in der Metallplatte 9 verhindert und die Wärmeableitwirkung verbessert werden kann.

in diesem Zusammenhang ist anzumerken, daß die Gegenstrombremsdiode lediglich während einer Gegenstrombremsung Wärme erzeugt.

Obwohl bei der ersten, zweiten und dritten Ausführungsform die Hochleistungs-Halbleiterbauelemente 6, 7 und 8 die Gegenstrombremsdiode 8 einschließen, werden einige Elektrofahrzeuge ohne Gegenstrombremsdiode betrieben, so daß in diesem Falle die Steuereinrichtung lediglich die verbleibenden Bauelemente, d. h., die Hochleistungs-Halbleiterbauelemente 6 und 7, umfaßt. Darüber hinaus sind die erste, zweite und dritte Ausführungsform in Verbindung mit der aus Metall bestehenden Abdeckung bzw. einem metallischen Gehäuse 13 beschrieben worden, jedoch kann die Abdeckung bzw. das Gehäuse 13 auch aus einem Kunstharz oder Kunststoff bestehen. Außerdem können die die Hochleistungs-Halbleiterbauelemente 6, 7 und 8 bildenden Halbleiter-Tabletten 6a, 7 a und 8a sowie Teile der Verbindungsanschlüsse 10, 11 und 12 auch mit einem solchen Kunstharz bzw. Kunststoff vergossen werden. In diesem Fälle übernimmt die Gußmasse bzw. der Kunststoff die Funktion des Gehäuses 13.

Ferner ist vorstehend ausgeführt, daß die Verbindungsanschlüsse 10, 11 und 12 jeweils aus einem Kupferstab bestehen, jedoch können auch elektrische Drähte, flexible geflochtene Drähte oder eine Schichtanordnung aus einer Anzahl dünner Kupferplatten verwendet werden, so daß die Bildung von schädlichen Spannungen aufgrund thermischer Verformungen in den Halbleiter-Tabletten 6a, 7a und 8a verhindert werden kann. Natürlich besteht auch die Möglichkeit, das Gehäuse 13 derart zu vergrößern, daß auch die eine geringe Leistung aufweisenden Halbleiterbauelemente 17 und 18 umschlossen werden. Ferner können einige elektrische Zusatzbauteile, wie der Transformator 30 und die Kommutierungsdrossel 28, in Abhängigkeit von der Art des Elektrofahrzeugs entfallen. Weiterhin sind bei der ersten, zweiten und dritten Ausführungsform die mit Gewindebolzen 20 versehenen handelsüblichen Halbleiterbauelemente 17 und 18 geringer Leistung im Vergleich zu den im wesentlichen Tablettenform aufweisenden Hochleistungs-Halbleiterbauelementen 6, 7 und 8 in unterschiedlicher Weise montiert. Diese Anordnung weist den Vorteil auf, daß bei Herstellungsänderungen zwischen mit einer solchen Schaltungsanordnung versehenen Produkten, die eine Änderung der Nennströme der Halbleiterbauelemente 17 und 18 beinhalten, eine solche Änderung durch einfaches Auswechseln der irrt Gewindebolzen versehenen und damit leicht austauschbaren Halbleiterbauelemente kleiner Leistung, durchgeführt werden kann, was in bezug auf die Herstellung einertVielzahl von Zerhacker-Bautypen sehr zweckmäßig ist.

Die vorstehend verwendete Bezeichnung »Halbleiter-Tablette« umfaßt nicht nur Silizium-Planchen und andere Halbleiterbausubstrate selbst, sondern auch solehe, die mit Zusatzplatten aus Molybdän, Wolfram usw. zum Schutz der Halbleitcrplatten vor thermischen Spannungen versehen sind.

Ferner kann ein Transistor oder ein GTO-Thyrislor als Halbleiter-Hauptbauelement anstelle eines Thyristors Verwendung finden. In diesem Falle sind die Halbleiterbauelemente geringer Leistung, eine Kommuticrungsdrossel, ein Kommutierungskondensator und ein eine Strominversion herbeiführender Transformator nicht ständig erforderlich, jedoch besteht die Notwendigkeit der Verwendung eines zusätzlichen elektrischen Bauelementes zur Steuerung des Halbleiter-Hauptbau elementes, d. h., eines Bauelementes, das der Basis de· Transistors oder der Steuerelektrode des GTO-Thyristors ein Steuersignal zufüin ί

Der vorstehend verwendete Begriff »Gehäuse« bezeichnet das Äquivalent eines aus keramischL'in Isoliermaterial usw. bestehenden Behälters, der zum Umschließen und hermetischen Abdichten einer Kupferbasis und einer auf der Kupferbasis angeordneten Halbleiter-Tablette bei handelsüblichen Thyristoren mit einem Gewindeanschlußbolzen oder dgl. verwendet wird.

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Steuereinrichtung fur ein Elektrofahrzeug, mit einem Basisteil (26), auf dem unter Zwischenlage einer Isolierzwischenschicht (27) ein ebenes Kühlkörperelement in Form einer Metallplatte (9) angebracht ist, die einen Hauptthyristor (6) zum Zerhakken des durch den Elektrofahrzeug-Gleichstrommotor fließenden Stroms trägt, und einer dem Gleichstrommotor parallel geschalteten Freilaufdiode (7), die beim Abschalten des Hauptthyristors den Freilaufstrom führt und beim Wiederdurchschalten des Hauptthyristors stromlos wird, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: