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BESCHREIBUNG
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Die vorliegende erfindung bezieht sich auf eine Transistoranordnunq
nach dem Oberbeqriff des Patentanspruchs 1.
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Am erfolgreichsten kann die vorliegende Erfindung zum kontaktlosen
Stromumschalten in Gleichspannungswandlern, kontaktlosen Relais und Ieistungsschaltern,
Reglern, Stabilisatoren, Verstärkern usw. eingesetzt werden.
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Für vielfältige ß'inriohtungen der Halbleiter-Gleichrichtertechnik,
welche in einem Frequenzbereich von einigen Hertz bis zu mehreren hundert Kilohertz
arbeiten, wird ein billiger und zuverlässiger Le ist ungstrans istor benötigt.
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Derartige Transistoren werden nach zwei Grundprinzipien aufgebaut.
Ein Leiatungrstransistor kann aus einem Einkristall mit einer vergrößerten Fläche
des pn-Übergaxiges hergestellt werden. Mit Vergrößerung der Fläche des pn-Vberganues
steigt aber die Ungleiohmäßigkeit der Stromverteilung des Transistors in dieser
Fläche, wodurch die Zuverlässigkeit sowie die Frequenzoharakteristiken des Transistors
beeinträchtigt werden.
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Diese Schwierigkeften können durch Einsatz von hochqualitativen Stoffen
sowie durch Vervollkommnung der Herstellungstechnologie von Transistoren teilweise
überwunden werden.Dies führt aber zu einer erheblichen Kostenerhöhung. Ferner können
derartige Leistungstransistoren für Ströme von höchstens 300 bis 500 A aufgebaut
werden.
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Leistungstransistoren können auch als eine Parallelanordnung einer
Anzahl von Trans istorelementen ausgeführt werden, welche in einer Baueinheit vereinigt
sind. Die bekannten es, Methoden erlauben/die Stromverteilung zwischen den einzelnen
Transistorelementen
zu verringern. Ferner werden Frequenzcharakteristiken der Transistoranordnung verbessert.
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Es ist eine Transistoranordnung bekannt DEIPS 2203892), die N parallel
qeschaltete Transistorelemente. enthält, welche auf einer eine Kollektorelektrode
der Gesamtanordnung darstellenden wärmeleitenden Grundscheibe angeordnet sind.
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Basis- und Emitteranschlüsse der Transistorelemente erden mit den
jeweiligen Elektroden der Transistoranordnung durch Zuleitungen mit verteilten Induktivitäten
verbunden.
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Die Anschlußfahnen aufweisenden Elektroden der Transistoranordnung
sind auf einem wärmeleitenden elektrisch isolierender Halterungsbauteil in einer
Ebene und in unmittelbarer Nähe voneinander angeordnet. Zur Kompensation von Induktivitäten
der Zuleitungen ist in den Stromkreis jedes Transistorelementez zwischen der Basis-
und Emitterzone ein Kondensatorelement eingeschaltet.
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Bei der oben beschriebenen baulichen Gestaltung der üblichen Transistoranordnung
führt ein Durchbruch eines beliebigen '2ransistorelementes zum Ausfall der Gesamt
anordnung.
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Demzufolge wird die Zuverlässigkeit der Transistoranordnung mit von
der Steigerung der Anzahl/deren Transistorelementenherabgesetzt Die in einer Ebene
angeordneten Elektroden der bekannten Transistoranordnung weisen eine erhebliche
Induktivität auf, wodurch Uberspannungsspitzen an Transistorelementen bei Kommutierung
von großen Strömen auftretz, was eine Verringerung der Zuverlässigkeit der ~#ransistoranordnung
zur Folge hat.
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Die notwendigen Längen von internen Zuleitungen zum Verbinden der
Anschlüsse von Transistorelementen mit Elektroden der Transistoranordnung werden
so groß bemessen, daß sie
eine beträchtliche Induktivität einführen;
wodurch die Zuverlässigkeit der Transistoranordnung ebenfalls beeinträchtigt wird.
Eine Kompensation der Induktivität mit Hilfe von Kondensatorelementen ist nur im
Bereich der Rezonanzfrequenzen wirksam und erfordert eine Reihe von komplizierten
fert igungstechnischen MaHnahmen.
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In der üblichen T:ransistoranordnung wird zur Wärmeabfuhr nur die
Oberfläche der wärmeleitenden Grundscheibe, welche die Kollektorelektrode der Transistoranordnung
darstellt, verwendet. Eine derartige einseitige Wärme abfuhr führt zu einem relativ
großen Wärmewiderstand der besagten Transistoranordnung.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Traneistoranordnung
zu schaffen, bei der mehrere Transistorelemente parallel geschaltet sind, deren
bauliche Gestaltung eine Erhöhung der Zuverlässigkeit der Gesamtanordnung bei Vergrößerung
der Anzahl von Transistorelementen gewährleistet.
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Die gestellte Aufgabe wird dadurch gelöst, daß in einer Transistoranordnung,
enthaltend N parallel geschaltete Transistorelemente, welche auf einer eine Kollektorelektrode
der Trans istoranordnung darstellenden wärmele itenden Scheibe angeordnet sind,
in welcher Basis- und E#aitteransohlüsse der Transistorelemente jeweils mit plattenförmigen
Basis- und Emitterelektroden der Transistoranordnung elektrisch verbunden sind und
alle genannten Elektroden eine äußere Anschlußfahne aufweist, erfindun#sgemäß jedes
Transistor element zwei Sicherungen aufweist, von denen jede zwischen
dem
Basis- bzw. Eüiitteranschltiß dieses Transistorelementes und der jeweiligen Elektrode
der Transistoranordnung angeschlossen ist, wobei die Anzahl von ransistorelementen
aus der Bedingung ausgewählt wird: W # n.e # T mit n = funktionsmäßig erforderliche
Anzahl von Transistorelementen, i = Ausfallrate eines Transistorele#entes unter
Berücksichtigung der Zuverlässigkeit von entsprechenden Sicherungen, T = Betriebsdauer
der Trans ist oranordnung.
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Bei einer derartigen Ausführung der Transistoranordnung führt ein
Durchbruch eines beliebigen pn-Uberganges zum Durchbrennen der jeweiligen Sicherung,
welche dabei diesen Ubergang von der Trans Lstoranordnunes abschaltet. Demzufolge
hat ein Ausfall von einzelnen Transistorelementen nicht einen Ausfall der Gesamtanordnung
zur Folge, wodurch die Zuverlässigkeit deren Arbeit erhöht wird.
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Bei der vorgeschlagenen baulichen Gestaltung wird mit einer Vergrößerung
der Anzahl von Transistorelementen die Zuverlässigkeit der gesamten Transistoranordnung
nicht herabgesetzt, sondern erhöht.
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Zeckma~ßigerweise werden die Elektroden der Transistoranordnung in
parallelen Ebenen angeordnet und durch Isolierzwischenlagen voneinander abgetrennt,
indem eine Schichtstruktur gebildet wird, wobei die Basis- und die Emitterelektrode
nach Form und Abmessungen identisch ausgeführt werden.
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Dadurch,daß die Elektroden nahe aneinander angeordnet sowie nach
Form und Abmessungen identisch ausgeführt sind, werden von jeder Elektrode erzeugte
elektroaiagnetische
Felder kompensiert, was seinerseits eine Verringerung
der Induktivität von Stromkreisen der Transistoranordnun# und damit eine Erhöhung
von deren Zuverlässigkeit zur Folge hat.
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Es ist wünschenswert, d# in lsolierzwischenlagen sowie in der Basis-
und Emitterelektrode Öffnungen für Anschlüsse der Transistorelemente ausgeführt
sind. Mit Hilfe von diesen in Isolierzwischenlagen und entsprechenden Elektroden
ausgeführten Öffnungen kann die Länge von internen Zuleitungen minimal gehalten
werden, wodurch die Induktivität verringert sowie die#ontage der Transistoranordnung
vereinfacht wird.
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Die Emitterelektrode kann zwischen der Kollektor- und der Basiselektrode
angeordnet werden.
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Bei einer derartigen Anordnung können die Platten mit entgegengesetzten
Stromrichtungen maximal angenähert werden, wodurch eine minimale Induktivität der
Stromkreise der ransistoranordnung gewährleistet wird.
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Um den Stromweg und damit die Induktivität und die leistungsverluste
in den Stromkreisen der Transistoranordnung zu verringern, ist es zweckmäßig, daß
die plattenförmigen Elektroden in Form eines Rechteokes ausgef(ihrt werden, an dessen
langen Seiten äußere AnschluZfahnen befestigt sind.
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Die Leistungsverluste in Stromkreisen der Transistoranordnung werden
minimal gehalten, wenn in einem derartigen Rechteck das Verhältnis der langen Seite
zu der kurzen Seite kleiner als 3 ist.
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Jede Isolierzwischenlage kann von den Elektroden isolierte stromleitende
Flächen aufweisen, von denen an jede ein entsprechender Anschluß des Transistorelementes
angeschaltet wird, dabei wird jede Sicherung als eine die beste stromleitende
Fläche
mit der entsprechenden Elektrode der Transistoranordnung verbindende abgepaßt e
Zuleitung ausgeführt.
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Durch Einführung von stromleitenden Flächen und die vorgeschlagene
Ausführung der Sicherunbenwerden die Integrationsdichte erhöht sowie Abmessungen
und Gewicht der Transistor anordnung herabgesetzt.
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In die erfindungsgemäße Transistoranordnung kann eine zusätzliche
wärmeleitende Platte ein#efuhrt werden, welche von der Schichtstruktur isoliert
und mit der wärmeleitenden Grundplatte durch am Rande der Schichtstruktur angeordnete
Ständer sowie Ständer, welche durch die in dieser Struktur ausgeführte Offnungen
verlaufen, verbunden wird.
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Mit Hilfe der zusätzlichen wärmeleitenden Platte und der diese mit
der wärmeleitenden Grundplatte verbinden Ständer wird die Kühloberfläche der Transistoranordnung
wesentlich erweitert und die Festigkeit der Gesamtanordnung erhöht.
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Zwischen der Kollektor und Emitterelektrode der erfindung gewaßen
Trans ist oranordnung können mindestens zwei auf der Fläche der Anordnung der Transistorelemente
verteilte Uberspannungsschutzkreise angeschaltet werden.
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Durch Einführen der Uberspannungsschutzkreise und deren Verteilung
nach der Fläche der Anordnung von Transistorelementen wird die Zuverlässigkeit der
Transistoranordnung beim Schaltbetrieb erhöht.
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Dabei können die genannten Schutzstromkreise ein Sicherungselement
aufweisen.
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Dadurch wird die '2ransistoranordnung von einem zufälligen Durchschlag
der besagten Schutzstromkreise geschützt.
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Als besagter Stromkreis kann eine Zener-Diode verwendet werden.
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In diesem Fall können die Transistorelemente von einem möglichen
Durchschlag beim Sperren der Transistoranordnung geschützt werden.
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Um einen effektiven Schutz der Transistorelemente bei Kommutierung
von großen Strömen und bei relativ großen Induktivitäten in den Elektrodenstromkreisen
zu erzielen, kann ein Varistor als Uherspannunqsschutzkreis eingesetzt werden.
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Als Uberspannungs0#tzkreis kann auch eine Reihenschaltung eines Kondensators
und einer Diode verwendet werden. In diesem Fall kann die erfindungsge#äße Transistoranordnung
eine zusätzliche Elektrode aufweisen, an welche der Zusammenschaltungspunkt von
dem Kondensator und der Diode jedes Transistorelementes angeschlossen wird.
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Durch eine derartige Ausführung des Uberspannungeschutzkreises und
Verwendung einer zusätzlichen Elektrode wird nicht nur die Zuverlässigkeit, sondern
auch der Gütefaktor (Q) der Transistoranordnung erhöht.
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Um einen Schutz von den Sperrströmen zu gewährleisten und die in
der Last induktiv ität gespeicherte Energie wiederzugewinnen, ist es zweckmäßig,
daß die erfindungsgemäße Transistoranordnung mindestens eine zusätzliche Diode enthält,
von derein Anschluß auf der Kollektorelektrode in der Nähe der Kollektor-Anschlußfahne
befestigt und ein anderer Anschluß an die Emitterelektrode angeschlossen ist.
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In einer weiteren Ausführungsform kann der andere Anschluß der besagten
Diode über ein Sicherungselement an die Emitterelektrode angeschlossen werden.
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Dadurch kann die Transistoranordnung vor einem zufälligen Durchschlag
der besagten Dioden geschützt werden.
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Im weiteren wird die Erfindung anhand von konkreten Ausführun#sbeispie1en
unter Bezugsnaäme auf die beiliegenden Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt Fig.
1 eine Gesamtansicht der erfindunt,sgem~aßen Transistor anordnung; Fig. 2 eine im
Maßstab vergrößerte Schnittansicht entlang der Linie II-II in Fig. 1; Fig. 3 eine
Teilansicht der Schichtstruktur der erfindungsgemäßen Transistoranordnung, in welcher
Sicherungen in Form von angepaßten Zuleitungen ausgeführt sind; Fig. 4 eine Gesamtansicht
einer erfindungagemiZen Transistoranordnung, welche auf der Aufstellungsfläohe der
Transistorelemente verteilte Überspannungsschutzkreise aufweist; Fig. 5 ein elektrisches
Schaltbild einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Transistoranordnung, in welcher
Zener-Dioden und Varistoren als Überspannungsschutzkreise eingesetzt werden; Fig.
6 ein elektrisches Schaltbild einer Ausführun#sform der erfindungsgemaßen Transistoranordnung
mit einer zusätzlichen Elektrode; Fig. 7 eine Teilansicht der erfindungsgemäf#en
Transistoranordnung nach Fig. 6; Fig. 8 ein elektrisches Schaltbild einer Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Transistors,welches die verteiltenInduktivitäten in Stromkreisen
der Transistoranordnung veranschaulicht;
Big. 9 (a, b, c) drei
Grundschaltungen von Gleichspannungs-Impulsreglern, in welchen die erfindungsgemäße
Transistoranordnung nach Fig. 6 und 7 eingesetzt wird; Fig. 10 eine weitere Ausführungsform
der erfindungsgemässen Transistoranordnung mit einer Diode zum Schutz vor Sperrströmen;
Fig. 11 die Abhängigkeit des relativen Stromweges von dem Seitenverhältnis des Rechteckes
und der Anordnung der Anscnl ußfahnen.
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Die erfindungsgemäße Transistoranordnung (Fig.l und 2) enthält eine
Reihe von Transistorelementen 1. Die Kollektorzonen der Transistorelemente 1 werden
auf einer eine Kollekt orelektrode der Trans ist oranordnung darstellenden wärmeleitenden
Platte 2 befestigt. Die Befestigung der Transistorelemente auf der Platte 2 erfolgt
z.B. durch Löten. Eine Basiselektrode 3 und eine Emitterelektrode 4 werden auch
plattenförmig ausgeführt. Gemäß der Erfindung enthält jedes Transistorelement 1
zwei Sicherungen 5, von denen jede zwischen den Basis- oder Emitteranschlüssen der
Elemente 1 und der jeweiligen Basis- oder Emitterlelektrode 3 oder 4 der Gesamtanordnung
angeschlossen ist. Dabei wird die Anzahl N von Transistorelementen aus einer Bedingung
(1) ausgewählt: N ¢ n . 6 t mit n = funktionsmäßig erforderliche Anzahl von Transistorelementen
1, # = Ausfallrate eines Transistoreleinentes unter Berücksichtiguns der Zuverlässigkeit
von entsprechenden Sicherungen,
T = Betriebsdauer der Transistoranordnung.
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Diese Bedingung wurde aus der Gesetzmäßigkeit großer Zahlen abgeleitet,
nacll der für hinreichend große N gilt: m q, (2) mit m = Anzahl der im Laufe der
Zeit T ausgefallenen Transistorelemente; N = Gesamtanzahl der Transißtorelemente,
q = Ausfallwahrsoheinlichkeit eines Transistorelementes im Laufe der Zeit T.
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Da ein Ausfall eines Elementes und dessen störungsfreie Arbeit entgegengesetzte
Ereignisse sind, gilt die Beziehung q=1-p (3) mit p = e# #T = Wahrscheinlichkeit
einer störungafreien Arbeit des Transistorelementes (unter Beru..cksichtigung der
Zuverlässigkeit von Sicherungen).
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Aus Gleichungen (3) und (2) ergibt sich
Wenn die Anzahl m von ausgefallenen Transistorelementen die Anzahl N - n von redundanten
Transistorelementen unterschreitet, arbeitet die Gesamtanordnung störungsfrei. Unter
der Bedingung m r N - n fällt die Transistoranordnung aus.
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Für einen Grenzfall, wenn die Anzahl von ausgefallenen Transistorelementen
gleich der Anzanl von redundanten Transistorelementen ist (m = N - n), gilt
Durch Auflösung der Gleichung (5) nach N erhält man
N =n.e XT (6)
Der Ausdruck (6) gilt für den Fall, in dem die Anzahl m von ausgefallenen Transistorelementen
gleich der Anzahl N - n von redundanten Transistorelementen ist, denzufolge eine
hohe Zuverlässigkeit der Transistoranordnung unter der Bedingung gewährleistet wird:
N # n . e # T (7) In der erfindungsgemäßen Transistoranordnung führt ein Durchschlag
eines beliebigen pn-Uberganges in einem Transistorelement zum Durchbrennen der entsprechenden
Sicherung, welche diesen Übergang abschaltet. Demzufolge verursacht ein Ausfall
eines Trans ist orelementes keinen Ausfall der Gesamtanordnung.
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Ferner wird die Anzahl von Transistorelementen in der erfindungsgemäßen
Transistoranordnung derart ausgewählt, daß durch eine Erhöhung dieser Anzahl die
Zuverlässigkeit der Transistoranordnung nicht herabgesetzt, sondern erhöht wird.
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Beispielsweise werden in einer insbesondere zur Kommutierung der Ströme
in Größenordnung von 100 A bestimmten Transistor~ anordnung auf einen Strom von
2 A bemessene Transistorelemente verwendet, wobei die Ausfallrate eines Transistorelementes
unter Berücksichtigung der Zuverlässigkeit von zwei Sioherungen 10 5 l/h und die
Betriebsdauer der Transistoranordnung 104 h betragen. In diesem Falle ist die funktionsmäßig
erforderliche Anzahl der Transistorelemente gleich 50.
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Aus der angeführten Bedingung ergibt sich für die Gesamt anzahl der
Transistorelemente in der Transist oranordnunij: N # n . e #T = 50.e lO- 5 104 =
55,25
Durch Abrunden nach oben erhält man N I 56.
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Aus der Zuverlässigkeitstheorie ist es bekannt, daß die Wahrscheinlichkeit
der störungsfreien Arbeit eines derartigen Systems durch die Binomialverteilung
beschrieben wird, wobei durch eine Vergrößerung des Redundanzgrades (Verhältnis
der Anzahl von Reserveelementen zu der Anzahl der Grundelemente) diese Wahrscheinlichkeit
erhöht wird. Beispielsweise beträgt die Wahrscheinlichkeit einer störungsfreien
Arbeit der vorliegenden Transistoranordnung 0,71 bei Verwendung von 6 Reserveelementen(N
1 56), 0,9 bei Verwendung von 8 Reserveeleiaent# (n = 58) und 0,95 bei Verwendung
von 10 ReserveelemenQn (N = 60).
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Eine wichtige Besonderheit der vorgeschlagenen technischen Lösung
besteht darin, daß die Zuverlässigkeit nicht nur durch Erhöhung des dedundaazgradee,
sondern auch durch die Erhöhung der Gesamtanzahl der Transistorelemente bei einen
konstanten Redundanzgrad erhöht wird. Wenn in einer derartigen Transistoranordnung
kleinere, z.B. auf einen Strom von 1 A bemessene Transistoreleaente eingesetzt werden,
beträgt die Anzahl der OrundelernentelOO. Dabei wird bei Verwendung von 12 Reservetransistorelementen
(N = 112) eine Wahrscheinlichkeit der störungsfreien Arbeit der i'Tansistoranordnung
von 0,73, bei Verwendung von 16 Reserveelemente(N = 116) -- 0,95 und bei Verwendung
von 20 Reserveelementen (N r 120) - 0,995 erreicht.
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Somit gewährleistet die vorgeschlagene Bedingung eine Erhöhung der
Zuverlässigkeit der Transistoranordnung durch
eine Vergrößerung
der Gesaetanzill von Transistorelementen bei deren entsprechenden "Zerkleinerung".
Unter Anwendung dieser Bedingung können praktisch ausfallfreie Transistoranordnungen
bei einem relativ kleinen Redundanzgrad (von höchstens 0,1 bis 0,2) aufgebaut werden.
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Gemäß der Erfindung werden die Kollektorelektrode sowie Elektroden
3 und 4 in parallelen Ebenen angeordnet und durch Isolierzwischenlagen 6 voneinander
abgetrennt, indem eine Sohichtstruktur gebildet wird (Fig. 2 und 3). Dabei werden
die Basie- und Emitterelektrode 3 und 4 identisch naoh Form und Abmessungen ausgeführt.
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Weil die Ströme der Kollektor- und Basiselektrode in gleicher Richtung
fließen und deren Summe dem entgegengerichteten Strom der Emitterelektrode gleich
ist, wird durch die Aufstellung der Elektroden in verschiedenen Ebenen eine bifilare
Leitung gebildet, deren Induktivität mit einer praktisch hinreichenden Genauigkeit
durch die Beziehung bestimmt wird:
mit #@ = magnetische Permeabilität der Isolierzwischen-1 agen; S = Abstand zwischen
den Platten; w = Breite der Platten; 1 = Länge der Platten.
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Aus der Beziehung (8) folgt, daß die Induktivität desto kleiner wird,
je kleiner die Plattenlanbe 1 und das Verhältnis S/w sind.
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Demzufolge wird in der erfindungsgemäßen Transistoranordnung
die
Induktivität der Stromkreise durch eine nahe Anordnung der itromleitenden Platten
herabgesetzt.
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Mit Hilfe von in Plattenelektroden sowie in Isolierzwischenlagen
6 ausgeführten Öffnungen 7 können die Anschlüsse der Transistorelemente 1 mit den
jeweiligen Plattenelektroden auf dem kürzesten Wege verbunden werden, wodurch die
Induktivität in den Stromkreisen der Transistoranordnung verringert sowie deren
Montage vereinfacht wird.
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Eine weitere Verminderung der Induktivität der Stromkreise wird in
der erfindungsgemäßen Transistoranordnung durch eine Aufstellung der Plattenelektroden
in der Schichtstrukturin folgender Reihenfolge gewährleitet: Kollektorelektrode
Emitterelektrode, Basiselektrode, d. h. die Emitterelektrode 4 wird zwischen der
Kollektorelektrode und der Basiselektrode angeordnet. Durch eine derartige Anordnung
wird eine maximale Annäherung der Platten mit entgegen setzten Stromriohtungen und
damit eine minimale Induktivität der Stromkreise erreicht.
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In einer weiteren Ausführungsform enthält die erfindungsgemäße Transistoranordnung
eine zusätzliche, von der Schichtstruktur isolierte, wärmeleitende Platte 8, welche
mit der wärmeleitenden Grundplatte 1 durch am Rande der Sohiohtstruktur angeordnete
Ständer 9 sowie Ständer 10, welche durch die in dieser Struktur ausgeführten oeffnungen
verlaufen, verbunden ist.
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Mit der Einführung der Platte 8 wird die Kühloberfläche der Transistoranordnung
wesentlich erweitert. Die Wärmewiderstand der Transistoranordnung wird herabgesetzt
und die
Belastbarkeit erhöht. Ferner steigt auch die Festigkeit
der Anordnung.
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Gemäß der Erfindung weist die Isolierzwischenlage 6 (Fig. 3) von
den Elektroden isolierte stromleitende Flächen 11 auf, von denen an jede ein entsprechender
Anschluß eines Transistorelementes 1 angeschaltet wird. Dabei werden die Sicherungen
3 in Form von abgepaßten Zuleitungen, welche die besagten Flächen 11 mit den jeweiligen
Elektroden der Transistoranordnung verbinden, ausgeführt.
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Bei einer derartigen Ausführung werden die Integrationsdichte erhöht
sowie Gewicht und Abmessungen der Transistoranordnung herabgesetzt.
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Bei der Herstellung einer Transistoranordnung spielt die Länge von
Zuleitungen, welche die Anschlüsse von Transistorelementen mit den Anschlußfahnen
verbinden, eine große Rolle. Die Länge dieser Zuleituagen hängt von der baulichen
Gestaltung der Transistoranordnung sowie von der Lage der Anschlußfahne ab.
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Im weiteren wird eine am meisten verbreitete Transistorausführungsform
betrachtet, bei welchem auf einer rechteckigen Grundplatte r Transistoreleinente
befestigt sind.
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Nehmen wir an, daß jedes Transistorelement auf dieser Platte eine
quadratische Fläche mit der Seite a einnimmt und dessen Elektroden durch Zuleitungen
unterschiedlicher Länge mit den Änschlußfahnen verbunden sind. Dabei verlaufen die
Zuleitungen parallel zu den Seiten des ßechteckesz und die Anschlußfahnen werden
an einer der Seiten befestigt.
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Die Stromdichte in allen Leitern ist gleich.
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Wenn auf eLner Seite des Rechtecks S Elemente und auf der anderen
Seite KS Elemente angeordnet werden, beträgt die gesamte Anzahl der Transistorelemente
auf der Platte r KS2 (9) E = Koeffizient, welcher das Seitenverhältnis des Rechteckes
bestimmt.
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Unter der Voraussetzung, daß die Anschlußfahne an der KS Elemente
aufweisenden beite des Rechteckes angeordnet ist, wobei zwischen einem äußersten
Punkt dieser Seite und der Anschlußfahne X Elemente und zwischen der Anschlußfahne
und dem anderen äußersten Punkt dieser Seite (K5-X) Elemente liegen, wird die gesamte
Länge (L) von Verbindungsleitungen auf der Platte durch den Ausdruck bestimmt:
Differenziert man die Gleichung nach K und X und setzt die Ableitungen gleich Null,
so ergibt sich
Durch Auflösung der Gleichungen (4) und (5) nach K und X unter Berücksichtigung
der Gleichung (2) enthält man
d.h. die minimale Länge der Verbindungsleitungen wird in einem Rechteck mit einem
Seitenverhältnis von 2 und bei Anordnung der Anschlußfahne in der Mitte der langen
kelte gewährle
istet.
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Setzt man (13) in die Gleichung (10) ein, so ergibt sich für die
minimale Länge der Verbindungsleitungen
Aus (10) und (14) enthält man einen Ausdruck für die relative Länge der Verbindungsleitungen
In Fig. 11 ist ein Kurvenbild gemäß der Gleichung (15) gezeigt, welches die Abhangigkeit
der relativen Länge der Verbindungsleitungen von dem Seitenverhältnis des Rechteckes
für verschiedene Stellungen der Anschlußfahne (X = O,X = = 0,25 ES, X = 0,5 KS)
veranschaulicht.
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Aus konstruktionsmäßigen Gründen sowie wegen einer bequemen Handhabung
einer rechteckigen Transistoreinheit wird unter Berücksichtigung der angeführten
Abhängigkeit bei X = 0,5 das Verhältnis der langen zweite des Rechteckes zu der
kurzen Seite des Rechtecks kleiner als 3 ausgewählt. Dakönnen durch die Länge der
Verbindungsleitungen und demzufolge die Leistungsverluste in den Stronkreiswn der
Transistoranordnung herabgesetzt werden.
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In der erfindungsgemäßen Transistoranordnung kann eine Reihe von
Baugruppen anders #s im betrachteten Beispiel ausgeführt werden. Die Form der Transistoreinheit,
die Abmessungen und die Konfiguration der Montagelöcher, die Anordnung der Anschlußfahnen
können in Obereinstimmung mit dem Aufbau einer Einrichtung, in welcher diese Transistoranordnung
eingesetzt wird,
beliebig ausgewählt werden.
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Infolge einer Induktivität in den Außenstromkreisen sowie in den
Elektrodenkreisen der Transistoranordnung treten bei einem schnellen Sperren der
Transistoranordnung im Verlaufe der Stromwendung zwischen der Kollektor- und Emitterelektrode
Überspannungen auf, deren Polarität mit der Polarität der Versorgungspannung übereinstimmt.
Zur Erhöhung der Zuverlässigkeit der ~1#ans istoranordnung beim Schaltbetrieb werden
zwischen der Emitter- und Kollektorelecktrode eingeschaltete und auf der Montagefläche
der Transistorelemente verteilte #berspannun#schutzkreise 12 eingeführt (Fig. 4,
5, 6 und 7).
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Als derartige ÜberspannunGsschutzkreise 12 können Zener-Dioden 13
(Fig. 5), Varistoren 14 oder eine Reihenschaltung eines Kondensators 15 (Fig. 6
und 7) und einer Diode 16 verwendet werden. Im letzten Fall wird in die erfindungsgemäße
Transistoranordnung eine zusätzliche Elektrode 17 mit einer Außenanschlußfahne eingeführt.
An die Elektrode 17 wird der Verbindungspunkt des Kondensators 15 und der Diode
16 jedes der besagten Uberapannungaschutzkreisen 12 angeschlossen.
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Wenn die Uberspannung den Anspreehwert des Stromkreises 12 (Fig.
4, 5, 6 und 7) erreicht (z.B. die #tabilisierungsspannung einer Z-Diode oder eines
Varistors), beginnt der früher durch die geöffneten Transistorelemente 1 fließende
Strom durch die besagten Stromkreise 12 zu fließen, und die Spannung zwischen der
Kollektor- und Emitterelektrode steigt nicht weiter. Die Ansprechspannung der genannten
Oberspandie nungsschutzkreise 12 wird kleiner ala/maximal zulässige Spannung der
Transistorelemente ausgewählt, was einen eventuellen
Durchschlag
eines Transistorelementes beim Sperren der Transistoranordnung verhindert.
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Durch die Verteilung der Stromkreise 12 nach der Fläche der Kollektorelektrode
können die Uberspannungen an allen Trans istoreiementen gleichmäßig herabgesetzt
werden, was seinerseits zur Erhöhung der Zuverlässigkeit der Transistoranordnung
beiträgt.
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Die Anwendung von einen niedrigen dynamischen Widerstand und eine
hohe zulässige Verlustleistung aufweisenden Varistoren als Uberspaxinungsschutzkreise
12 gewährleistet einen aktiven Schutz der Transistorelemente bei Kommutierung von
großen Strömen und beim Vorhandensein von relativ großen Induktivitäten in den Elektrodenkreisen.
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Unter Verwendung von Dioden und Varistoren als Uberspannungsschutzkreise
wird die in Induktivitäten der Elektrodenkreisen gespeicherte Energie durch Z-Dioden
und Varistoren gestreut. In einigen Fällen (bei hohen Frequenzen und bei großen
Schaltströmen) sind diese Energieverluste erheblich, wodurch Q des Transistors beeinträchtigt
wird. Wenn als Überspannungsschutzkreise die Reihenschaltungen eines Kondensators
und einer Diode eingesetzt werden und der Verbindungspunkt des Kondensators und
der Diode jedes der Transistorelemente an eine zusätzliche Elektrode angeschlossen
wird, dann wird die nicht nur/ ZuverLässigkeit , sondern auch Q der Transistoranordnung
erhöht.
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Beim Sperren der erfindungsgemäßen Transistoranordnung mit besagten
Uberspaxinungsschutzkreisen 12 (Fig.8) wird die gesamte in Induktivitäten der Elektrodenkreise
vorhandene Energie in Kondensatoren der Uberspannungsschutzkreise gespeichert,
wodurch
die Oberspannungen an transistorelementen herabgesetzt werden. Diese Energie kann
zum Eingang bzw. Ausgang der Einrichtung weitergeleitet oder zur Versorgung von
Hilfsstromkreisen der Einrichtung verwendet werden, wobei die Induktivität in den
Stromkreisen der zusätzlichen Elektrode keinen Einfluß auf das Schaltverhalten der
ransistoranordnun ausübt, weil die Schutzstromkreise in einem Gleichstromkreis vereinigt
werden.
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In Fig. 9 (a, b, c) sind drei Grundschaltungen von Gleichspannungs-Impulsreglern
gezeigt, in welchen durch die Verwendung von besagten tJberspannungssciiutzkreisen
die in Kondensatoren gespeicherte Energie an den Eingang der Einrichtung (Tiefenregler
in Fig. 9 a), an den Ausgang der Einrichtung (Höhenregler in Fig.9 b) und in einen
Hilfsstromkreis zwischen dem Eingang und dem Ausgang der Einrichtung (indirekter
Regler in Fig. 9 c) übertragen wird. Damit gewährleistet die vorgeschlagene technische
Lösung nicht nur eine Herabsetzung der Überspannungen an Transistorelementen, sondern
auch eine effektive Ausnutzung der gespeicherten Energie, wodurch die Zuverlässigkeit
und Q der Transistoranordnung erhöht werden.
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Beim Einsatz der erfind ungsgemäßen Transistoranordnung in einem
Gleichspannungsumforrner (und die Stroiarichtertechnik ist eine der größten Anwendungsgebiete
der vorliegenden Erfindung), welcher mit einer induktiven Wirkbelastung betrieben
wird, fließen Sperrströme durch die Transistorelemente. Beim Umschalten der Transistoranordnung
wird die Stromrichtung in der Belastung nicht geändert, so dalj dieser Belastungsstrom
durch
die Transistoranordnung in der Sperrichtund fließt.
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Der Verstärkungsfaktor der Transistoranordnung in inverser Schaltung
beträgt nur einen Bruchteil von dem Verstärkungsfaktor bei direkter Schaltung; demzufolge
kann der Sperrstrom einen Übergang der Transistoranordnung in den Arbeitsbereich
und damit deren Ausfall verursachen kann.
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Zum Schutz vor den Sperrströmen sowie zur Rückgewinnung der in der
Belastungsinduktivität gespeicherten Energie schlägt die vorliegende Erfindung vor,
daß in die erfindungsgemäß Transistoranordnung mindestens eine Diode 18 eingeführt
wird (Fig. 10), welche mit einem Anschluß auf der Kollektore#ektrode in der Nähe
deren Anschlußfabne befestigt und mit einem anderen Anschluß an die Emitterelektrode
4 angeschlossen ist.
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Durch die Einführung von Dioden 18 und deren Anordnung zwischen der
Kollektor- und Emitterelektrode wird die Transistoranordnung vor den Sperrströmen
geschützt. Auf der Kollektorelektrode können gehäuselose Dioden unter Herstellung
eines direkten elektrischen,Kontaktes mit der Kollektorelektrode angeordnet werden,
so daß die in Reihe mit der Diode eingeschaltete Zuleit ungsinduktiv ität sowie
Gewicht und Abmessungen von Einrichtungen, in welchen die Transistoran ordnung eingesetzt
wird, vermindert werden.
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Durch die in Reihe mit den Uberspannungsschutzkreisen und Dioden
eingeschalteten Sicherungselemente 19 (Fig. 5 und 6) wird die Transistoranordnung
vor einem zufälligen Durchschlag der Elemente der besagten Stromkreise und Dioden
geschützt.
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Bei einem Durchschlag brennt das entsprechende Sicherungselement
19
durch, wobei das ausgefallene Element von der Transistoranordnung abgesobaltet wird.
Demzufolge tragen die besagten Sicherungen zu einer weiteren Erhöhung der Suverlässis
keit der erfindungsgemäßen Transistoranordnung bei.
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Die vorgeachlagene technische Lösung gewährleistet eine praktisch
störungsfreie Funktion der Transistoranordnung unter Verwendung von Transistorelementen
mit einer begrenzten Zuverlässigkeft,' so daß für einen beliebigen Strom bemessene,
billige und hochzuv erläss ige Trans istoranordnungen aufgebaut werden können, welche
eine breite Verwendung in verschiedenen Einrichtungen der Stromrichtertechnik finden.