DE3152040T1 - Semiconductor element stack - Google Patents

Semiconductor element stack

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DE3152040T1 DE813152040T DE3152040T DE3152040T1 DE 3152040 T1 DE3152040 T1 DE 3152040T1 DE 813152040 T DE813152040 T DE 813152040T DE 3152040 T DE3152040 T DE 3152040T DE 3152040 T1 DE3152040 T1 DE 3152040T1
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Description

MITSUBISHI DENKI KABUSHIKI KAISHA
BESCHREIBUNG
TITEL DER ERFINDUNG
HALBLEITERELEMENTENSTAPEL
TECHNISCHER BEREICH
Die Erfindung betrifft den Aufbau eines Halbleiterelementenstapels, der durch Aufeinanderstapeln von Halbleiterelementen, Kühlungsstücken, Schmelzsicherungen und Leitern hergestellt ist.
STAND DER TECHNIK
Bei der Herstellung eines Mehrphasenbrückengleichrichters z. B. wird eine Anzahl von Halbleitergleichrichterelementen zwischen Eingangs- und Ausgangsleiter parallel geschaltet, um die erforderliche Stromführungskapazität zu bekommen. Um eine Anzahl von Halbleiterelementen wirkungsvoll zusammenzubauen, wie oben beschrieben, werden die Halbleiterelementstapel und ihre zugehörigen Bauteile in einer festen Form angeordnet.
Zum Beispiel für den Fall, wo, wie in Fig. 1 gezeigt ist, ein Dreiphasenbrückengleichrichter 4 sich aus sechs HaIbleitergleichrichterelementcnstapeln zusammensetzt, die alle aus· einem Halbleitergleichrichterelement 1 und einer Schmelzsicherung 2 bestehen, um an eine Last einen Ausgangsgleichstrom abzugeben, besitzt jeder Gleichrichterelementenstapel 1 einen Festkörperaufbau, wie in den Figuren 2, 3 und 4 gezeigt. Figur 2 ist eine Vorderansicht eines herkömmlichen Halbleitergleichrichterelementes, Figur 3 eine Ansicht desselben von der rechten Seite und
Figur 4 eine Draufsicht.
35
In den Figuren 2 bis 4 ist mit 11A und 11B ein Paar plattenförmiger Hauptleiter bezeichnet, welche senkrecht auf der rechten Seite hervortreten. Eine Anzahl von Halbleitergleichrichterelementen 12 ist entlang dieser Hauptleiter 11A und 11B angeordnet; das heißt, sie sind zwischen die Hauptleiter 11A und 11B geschaltet und übereinandergestapelt. Es soll nun ein Halbleitergleichrichterelement 12 für sich betrachtet werden. Eine L-förmige Sicherungsträgerleiterplatte ist auf der Vorderseite derart angeordnet, daß sie mit der
IQ rechten Fläche des Hauptleiters 11B verbunden und nach rückwärts gebogen ist, nachdem sie sich nach rechts erstreckt hat. Das untere Ende der Sicherungsbefestigungsleiterplatte 13 ist mit einer stabförmigen Sicherung 14 verbunden, die sich abwärts erstreckt. Das untere Ende der stabförmigen Sicherung ist mit einer L-förmigen Anschlußleiterplatte 15 verbunden, die sich nach vorn erstreckt. Die untere Fläche des Vorderendenabschnitts des Anschlußleiters 15 ist mit einem Stapel verbunden, der aus einem ersten Kühlungsstück 16, einem Halbleitergleichrichterelement 12 un<ä "einem zweiten Kühlungsstück 17 besteht. Die untere Fläche des zweiten Kühlungsstücks 17 ist mit einer L-förmigen Anschlußleiterplatte 18 verbunden. Der rückwärtige Endabschnitt der Platte 18 ist fest mit der linken Fläche des Hauptleiters 11A verbunden.
Wie aus der obigen Beschreibung hervorgeht, die für jedes Halbleitergleichrichterelement 12 gilt, ist damit eine Gleichrichterelementenstapeleinheit 19, die aus der Verbindungsleiterplatte 18,dem Kühlstück 17, dem Halbleitergleichrichterelement 12, dem Kühlstück 16 und der Verbindungsleiterplatte 15 besteht, die in der aufgeführten Reihenfolge übereinander aufgestapelt sind, geschaffen. Diese Stapeleinheiten 19 werden in vertikaler Richtung mittels Isolatoren 12 übereinandergestapelt, um so einen Gleichrichterelementenstapel oder eine Gleichrichterelementensäule 1 zu bilden. Der Aufbau der so zusammengesetzten Gleichrichterelementensäule 1 ist in Fig. 5
angedeutet. Dieser Aufbau ist eine feste Konstruktion, in der in elektrischem Sinne eine Anzahl von Reihenschaltungen 22 enthalten ist, die aus einer Sicherung 14 und einem Gleichrichterelement 12 bestehen, welche parallel zwischen den Hauptleitern 11A und 11B liegen. Mit anderen Worten, der Aufbau entspricht einem Schaltbild gemäß Fig. 6, bei dem eine Zahl von Reihenschaltungen parallel zwischen die Hauptleiter 11A und 11B eingefügt ist.
2Q Um mit derart aufgebauten Gleichrichterelementensäulen eine Dreiphasenbrücke herzustellen, werden sechs Gleichrichterelementensäulen 1 benötigt, wie in Fig. 7 dargestellt. Drei der sechs Gleichrichterelementensäulen 1 werden als Gleichrichterelementenarme der positiven Seite verwendet.
Die drei Säulen sind über Anschlußleiter 23U, 23V und 23W mit Dreiphasenwechselstromeingangsklemmenleitern 24U, 24V und 24W verbunden. Die übrigen drei Säulen dienen als Gleichrichterelementenarme der Negativseite und sind über Anschlußleiter 25U, 25V und 25W mit den Dreiphasenwechsel-Stromeingangsanschlußleitern 24U, 24V und 24W verbunden. Die Gleichrichterelementenarme der Positivseite, d. h. die drei Gleichrichterelementensäulen 1,sind mit dem positiven Gleichstromklemmenanschluß 26 verbunden. Die drei Gleichrichterelementenarme der Negativseite, d. h. die drei Gleichrichterelementensäulen 1, sind mit einer negativen Gleichstromanschlußklemme 27 verbunden.
Wie oben beschrieben, sind im Aufbau der herkömmlichen Halbleitergleichrichterelementensäulen 1 das Halbleitergleichrichterelement 12 und seine zugehörigen Komponenten in einer festen Form zwischen einem Paar von Hauptleitern 11A und 1IB aufgestapelt. Deswegen ist es für die Bildung eines Mehrphasenbrückengleichrichters z. B. nötig, die Gleichrichterelementenstapel 1 vorzusehen, deren Zahl gleich der Anzahl der Gleichrichterelementenarme der positiven Seite zuzüglich der Gleichrichterelementenarme
. 3 s 52040 der negativen Seite der Phasen ist (2N Gleichrichterelementensäulen (1) für den Fall eines N-phasigen Brückengleichrichters) . Da zahlreiche Gleichrichterelementensäulen verwendet werden, wie oben beschrieben, müssen viele Verbindungsleiter vorhanden sein, was zur Folge hat, daß die Verdrahtung auf der Wechselstromanschlußseite unvorteilhaft kompliziert wird.
Die Halbleitergleichrichterelemente 12 werden durch die Kühlungsstücke 16 und 17 gekühlt und die Halbleiter 11A und 11B werden mit Flüssigkeit gekühlt. Die Sicherungen 14 und die Leiterplatten 13, 15 und 18 werden durch Luft gekühlt, die in den Gehäusen der geschlossenen Gleichrichtervorrichtungen zirkuliert.
Da die Halbleitergleichrichterelemente 12 und die Hauptanschlußleiter 11A und 11B in der beschriebenen Weise gekühlt werden, wird von ihnen kaum Wärme an die zirkulierende Luft abgegeben. Andererseits werden die Sicherungen 14 und die Leiterplatten 13, 15 und 18 in der beschriebenen Weise durch die zirkulierende Luft gekühlt; d. h., die Ausbreitung der Wärme von ihnen erfolgt im wesentlichen durch die zirkulierende Luft, wodurch deren Temperatur in einem geschlossenen Gleichrichter ansteigt. Man braucht deshalb eine Hilfskühleinrichtung mit einer großen Kapazität, um die zirkulierende Luft zu kühlen.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
ziel der Erfindung ist es, eine Halbleiterelementensäule zu schaffen, die im Aufbau einfach ist und sich für die Herstellung eines Leistungswandlers mit Brückenaufbau eignet.
Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, eine Halbleiterelementensäule zu schaffen, bei der in der Säule entstehende Wärme kaum an die1 zirkulierende Luft abgegeben wird.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung eines neuen Halbleiterelementensäulenaufbaus, bei dem bei der Herstellung eines Mehrphasenleistungswandlers die Zahl der Gleichrichterelementensäulen auf die halbe Zahl der bisher benötigten Säulen verringert werden kann und bei der die Zahl der Verbindungsleiter auf der Wechselstromanschlußseite in starkem Maß vermindert werden kann.
Die obengenannten Aufgaben und Ziele der Erfindung können dadurch gelöst bzw. erreicht werden, daß eine Halbleiterelementensäule geschaffen wird, die folgendes aufweist: Ein Halbleiterelement; eine Sicherung; ein zwischen das Halbleiterelement und einen Leiter eingefügtes Kühlstück, das einen elektrischen Leitungspfad darstellt; und ein zwischen das Halbleiterelement und die Sicherung eingefügtes Kühlstück, wobei das Halbleiterelement, die Sicherung und die Kühlstücke auf dem Leiter übereinandergestapelt sind, und welche ferner Haltemittel aufweist, um das Halbleiterelement, die Sicherung und die Kühlstücke am Leiter fest anzubringen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
Fig. 1 ist ein Schaltbild eines Dreiphasenbrückengleichrichters unter Verwendung von Halbleitergleichrichterelementen, in welchem das technische Konzept der Erfindung einsetzbar ist. Figuren 2, 3 und 4 sind Vorderansicht, Ansicht von der rechten Seite und Draufsicht einer herkömmlichen Halbleitergleichrichterelementensäule. Figuren 5 und 6 sind perspektivische Ansicht bzw. Schaltbild einer Ersatzschaltung einer herkömmlichen Halbleitergleichrichterelementensäule. Figur 7 ist das Schaltbild eines Dreiphasenbrückengleichrichters, der mit Halbleitergleichrichterelementensäulon gemäß den Figuren 2 bis 4 aufgebaut ist. Figuren 8 und 9 zeigen ein Ausführung^- beispiel der Erfindung. Genauer gesagt sind die Figuren 8 und 9 Vorderansicht bzw. Seitenansicht des Ausführungs-
31^2040 beispiels. Figur 10 ist ein Schaltbild von Figur 8, Figuren
11 und 12 sind Vorderansicht bzw. Draufsicht eines weiteren Beispiels der Halbleitergleichrichterelementensäule gemäß der Erfindung. Figuren 13 und 14 sind perspektivische Ansicht und Schaltbild einer Ersatzschaltung der Säule aus den Figuren 11 und 12. Figur 15 ist das Schaltbild einer Dreiphasenbrückengleichrichterschaltung, die mit den HaIbleitergleichrichterelementensäulen aus den Figuren 11 und
12 hergestellt ist.
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BESTE ART ZUR DURCHFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Figuren 8 und 9 dargestellt. Fig. 8 ist eine Vorderansicht der Ausführungsform, Fig. 9 deren Seitenansicht. Mit 101 ist in den Figuren 8 und 9 ein Hauptleiter bezeichnet, der einen elektrischen Pfad darstellt; 102 kennzeichnet eine Sicherung; 103 ein Halbleiterelement; 104 ein Flüssigkeitskühlstück, das zwischen den Hauptleiter 101 und das HaIbleiterelement 103 eingefügt ist; 105 ein Flüssigkeitskühlstück zwischen Halbleiterelement 103 und Sicherung 102; 106 einen als Anschluß der Sicherung 102 dienenden Leiter; und 107 ein zwischen den Leiter 106 und eine Blattfeder 109a eingefügter Isolator. Ferner bezeichnet 109b in den Figuren 8 und 9 ein Paar von Bolzen mit Gewindeabschnitten, die in Gewindelöcher 108 im Hauptleiter 101 eingeschraubt sind. Die Blattfeder 109a besitzt Durchgangslöcher in beiden Endbereichen, in die die anderen Enden der Bolzen 109b eingesetzt sind. Muttern 109c sind auf die freien Gewindeenden der Bolzen 109b aufgeschraubt.
Figur 10 stellt das Schaltbild der Figuren 8 und 9 dar. Wenn es für jeden Arm einer Dreiphasenbrückengleichrichterschaltung verwendet wird, kann eine Gleichrichtervorrichtung gebildet werden.
In der so aufgebauten Gleichrichterelementensäule wird die in der Sicherung 102 entstehende Wärme durch das Kühlstück 105 auf der einen Seite der Sicherung abgeleitet, das Halbleiterelement 103 wird durch die Kühlstücke
c 104 und 105 zu beiden Seiten gekühlt, und der Hauptleiter 101 wird durch das Kühlstück 104 gekühlt, das auf der einen Seite des Halbleiterelementes 103 zu dessen Kühlung angeordnet ist. Somit wird kaum Wärme, die in der Säule entsteht, an die zirkulierende Luft abgegeben.
Die obenbeschriebene Halbleiterelementensäule gemäß der Erfindung hat einen einfachen Aufbau. Dieser Aufbau eignet sich für die Herstellung eines einphasigen oder eines mehrphasigen Brückenleistungsumsetzers. Da die Sicherung, das Halbleiterelement und der Leiter durch die Flüssigkeitskühlstücke gekühlt sind, wird darin entstehende Wärme kaum an die zirkulierende Luft übertragen. Damit kann die Leistungsfähigkeit der Hilfskühleinheit zum Kühlen der zirkulierenden Luft herabgesetzt oder die Hilfskühleinheit überhaupt weggelassen werden.
Die Figuren 11 und 12 sind Vorder- bzw. Draufsicht eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung. Dieses Ausführungsbeispiel eignet sich besonders für einen mehrphasi- gen Brückenleistungsumsetzer. In den Figuren 11 und 12 bezeichnet 31 ganz allgemein eine Halbleitergleichrichterelementensäule, die aus einem Gleichrichterelementenarm 32A der positiven Seite und einem Gleichrichterelementenarm 32B der negativen Seite besteht, die zu beiden Seiten einer Anordnung vorgesehen sind, die aus drei plattenförmigen Hauptleitern 33A, 34 und 33B besteht, welche vertikal verlaufen. Der mittlere Hauptleiter 34 ist ein Ilauptlcitor der Wechselstromseite, und der linke bzw. rechte Hauptleiter 33A bzw. 33B sind der Plus- bzw.
Minusleiter der Gleichstromseite.
. 31*2040 Der Gleichrichterelementenarm 32A der positiven Seite besitzt ein erstes Kühlstück-35A auf er linken Fläche des gleichstromseitigen Plus-Hauptleiters 33A. Auf der linken Seite dieses Kühlstückes 35A folgen übereinandergestapelt ein Halbleitergleichrichterelement 36A, ein zweites Kühlstück 37A, eine Sicherung 38A und ein Anschlußleiter 39. Auf die Außenseite des Anschlußleiters 39 ist unter Zwischenlage eines Isolators 4OA eine Blattfeder 41A angefügt. Das obere und das untere Ende der Blattfeder 41A sind mit Muttern 46A an den linken Enden von Bolzen 45 befestigt, die von den Hauptleitern 33A, 34 und 33B nach links verlaufen. Somit ist der Gleichrichterelementenarm 32A der positiven Seite fest mit dem Plus-Hauptleiter 3 3A der Gleichstromseite verbunden.
Der Gleichrichterelementenarm 32B der negativen Seite ist symmetrisch zum Gleichrichterelementenarm 32A der positiven Seite aufgebaut und angebracht. Auf dem Minus-Hauptleiter 33B der Gleichstromseite sind der Reihe nach ein Kühlstück SSB", ein Halbleitergleichrichterelement 36B, ein Kühlstück 37B, eine Sicherung 38B, ein Anschlußleiter 39 und ein Isolator 4OB aufeinandergefügt. Mit Muttern 4 6B ist eine Blattfeder 41B auf den rechten Enden der Bolzen 45 befestigt, die sich durch die Hauptleiter 33A, 34 und 33B nach rechts erstrecken. Somit ist der Gleichrichterelementenarm 32B der Negativseite fest mit dem Minus-Hauptleiter 33B der Gleichstromseite verbunden.
Die Bolzen 4 5 sind gerade Bolzen, die sich horizontal durch die Hauptleiter 33A, 34 und 33B erstrecken.
Der Anschlußleiter 39 ist, was besonders aus Fig. 9 deutlich wird, eine E-förmige Leiterplatte, die hinter dem Gleichrichterelementenarm 32A der Positivseite und dem Gleichrichterelementenarm 32B der Negativseite verläuft und die Sicherungen 38A und 38B mit dem wechselstromseitigen Hauptleiter 34 verbindet. Die Bezugsziffern 48A und 48B in den Figuren 11 und 12 bezeichnen Isolatoren.
31^2040 Die Halbleitergleichrichterelementensäule 31 besitzt einen festen Aufbau, in welchem, wie aus Fig. 13 im Vergleich zu Fig. 5 ersichtlich, eine Anzahl von Gleichrichterelementenarmen 3 2A der Positivseite in einer Säulen- oder Stapelform zwischen dem Hauptleiter 34 der Wechselstromseite, der in einer zentralen Position vertikal verläuft, und dem Plus-Hauptleiter 33A der Gleichstromseite links vom Hauptschalter 34 angeordnet ist, während eine Anzahl von Gleichrichterelementenarmen 32B der Negativseite in Säulen- oder Stapelform zwischen dem Hauptleiter 34 der Wechselstromseite und dem Minus-Hauptleiter 33B der Gleichstromseite auf der linken Seite des Hauptleiters 34 angeordnet ist.Diese Anordnung gleicht der elektrischen Schaltung in Fig. 14, die mit der Fig. 6 vergleichbar ist.
Das heißt, die Gleichrichterelementenarme 32A der Positivseite und die Gleichrichterelementenarme 32B der Negativseite sind mit dem Hauptleiter 34 der Wechselstromseite verbunden, und der Gleichstromausgang wird über den Plus-Hauptleiter 33A der Gleichstromseite und den Minus-Hauptleiter 3 3B der Gleichstromseite gebildet.
Ein Dreiphasenbrückengleichrichter z. B. kann mit nur drei derart aufgebauten Gleichrichterelementensäulen 31 hergestellt werden, wie in Fig. 15 gezeigt. In der wechselstromseitigen Leiteranordnung können die Hauptleiter 34 der Wechselstromseite der Gleichrichterelementensäulen so wie sie sind als Anschlußleiter verwendet werden. Es ist also nicht erforderlich, zusätzliche Anschlußleite.r vorzusehen. Somit kann ein N-phasiger Brückengleich-
^O richter mit N Gleichrichterelementenbrücken 31 hergestellt werden, und bei der Herstellung eines Mehrphasenbrückengleichrichters ist es nicht nötig, zusätzliche Anschlußleiter vorzusehen.
Wie aus der obigen Beschreibung hervorgeht, wird gemäß der Erfindung die Halbleitergleichrichterelementensäule durch festes Anbringen .des positivseitigen Gleichrichter-
elementenarms und des negativseitigen Gleichrichterelementenarms zu beiden Seiten des Hauptleiters in solcher Weise hergestellt, daß die Arme zum Hauptleiter symmetrisch angeordnet sind. Damit kann die Zahl der Halbleitergleich- richterelementensäulen bei der Herstellung eines Halbleiterumsetzers wie eines Mehrphasenbrückengleichrichters auf die Hälfte der nach der herkömmlichen Methode erforderlichen verringert werden. Außerdem brauchen auf der Wechselstromseite keine zusätzlichen Anschlußleiter vorgesehen zu werden, so daß ein Mehrphasenbrückengleichrichter von geringen Abmessungen und einfachem Aufbau leicht hergestellt werden kann.
GEWERBLICHE ANWENDBARKEIT
Die Erfindung ist besonders stark bei Leistungsumsetzern anwendbar, die Halbleiterelemente verwenden, wie etwa Ein- oder Mehrphasenbrückengleichrichter, Wechselrichter oder Steuerumrichter.

Claims (1)

  1. PATENTANSPRÜCHE
    Halbleiterelementensäule, gekennzeichnet durch: Ein Halbleiterelement und eine Sicherung, die übereinander auf einem Leiter, einen elektrischen Pfad bildend, angeordnet sind; Haltemittel zum festen Anbringen des Halbleiterelementes und der Sicherung auf dem Leiter; ein zwischen den Leiter und das Halteelement eingefügtes Kühlstück; und ein zwischen den Halbleiter und die Sicherung eingefügtes Kühlstück.
    2. Halbleiterelementensäule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlstück ein Flüssigkeitskühlstück ist.
    3. Halbleiterelementensäule, gekennzeichnet durch
    folgende Merkmale der Säule: Einen vertikal verlaufenden, wechselstromseitigen Hauptleiter; einen Plus-Hauptleiter der Gleichstromseite und einen Minus-Hauptleiter der Gleichstromseite, die zu beiden Seiten des wechselstromseitigen Hauptleiters verlaufen; einen Gleichrichterelementenarm der Positivseite auf einer Seite des Plus-' Hauptleiters der Gleichstromseite, der ein Kühlstück, ein Halbleitergleichrichterelement, eine Sicherung und einen Verbindungsleiter in der aufgeführten Reihenfolge aufeinandergesetzt aufweist; und einen Gleichrichterelementenarm der Negativseite, der in der Teilezusammensetzung symmetrisch zum Gleichrichterelementenarm der Positivseite ausgebildet ist, wobei der Gleichrichterelementenarm der Negativseite auf einer Seite des Minus-Hauptleiters der Gleichstromseite, zum Gleichrichterelementenarm der Positivseite ausgerichtet, angeordnet ist und die Verbindungsleiter des Gleichrichterelementenarms der Positivseite und des Gleichrichterelementenarms der Negativseite miteinander und mit dem Hauptleiter der Wechselstromseite verbunden sind.
    31^2040 4·. Halbleiterelementensäule nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlstücke Flüssigkeitskühlstücke sind.
    5. Halbleiterelementensäule nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anzahl von Gleichrichterelementenarmen der Positivseite parallel zueinander am Plus-Hauptleiter der Gleichstromseite und eine Anzahl von Gleichrichterelementenarmen der Negativseite parallel am Minus-Hauptleiter der Gleichstromseite angebracht sind.
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