DE3201296C2 - Transistoranordnung - Google Patents

Transistoranordnung

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Nikolaj Nikolaevič Jurčenko
Nikolaj Serge'evič Komarov
Vladimir Serge'evič Masloboišikov
Georgij Fedorovič Pazeev
Igor Grigorievič Ponomarev
Igor' Olegovič Slesarevsky
Georgij Dmitrievič Kiev Sudilkovsky
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Abstract

Eine Transistoranordnung enthält (N) parallelgeschaltete Transistorelemente (2), deren Kollektoranschlüsse auf einer eine Kollektorelektrode der Transistoranordnung darstellenden wärmeleitenden Platte befestigt sind. Ferner weist die erfindungsgemäße Transistoranordnung eine Basis- und eine Emitterelektrode (3 und 4) mit Außenanschlußfahnen auf. Gemäß der Erfindung wird in den Basis- und Emitterstromkreis jedes Transistorelementes (1) eine Sicherung (5) eingeschaltet. Die Anzahl N der Transistorelemente (1) wird aus einer entsprechenden Bedingung ermittelt. Am erfolgreichsten kann die vorliegende Erfindung bei einer kontaktlosen Kommutierung der Ströme verwendet werden.

Description

- die plattenförmigen Kollektor-, Emitter- und Basiszuleitungen (2, 4, 3) eine rechteckige Form und gleiche Abmessungen aufweisen und mit jeweils einer Isolierstoffzwischenlage (6) kongruent übereinander angeordnet sind, wobei die plattenförmige Emitterzuleitung (4) zwischen der plattenförmigen
Kollektor (2)- und Basiszuleitung (3) liegt, die Anschlußfahnen (2', 4', 30 jeweils an der langen Seite der rechteckförmigen Zuleitungen angeordnet sind,
- die Basis- und Emitterzu'eitungen (4,3) sowie die Isolierstofflagen (6) Offnungen (7) aufweisen, durch welche die Anschlußleiter geführt sind, die die Basis- bzw. Emitteranschlüsse der einzelnen Transistoren mit den Basis- bzw. Emitterzuleitungen (4, 3) der Transistoranordnung verbinden,
- zwischen dem Basis- bzw. Emitteranschluß jedes Transistors (1) und der Basis- bzw. Emitterzuleitung der Transistoranordnung jeweils eine Sicherung (5) angeordnet ist,
und
- die Anzahl N der Transistoren (1) der Transistoranordnung so gewählt ist, daß die innerhalb der vorgesehenen Betriebsdauer nach der statistischen Erwartung noch intakten Transistoren mindestens gleich
einer Anzahl η Transistoren ist, welche für die vorgesehene Betriebsbelastung der Transistoranordnung erforderlich ist.
2. Transistoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei den rechteckförmigen Kollektor-Emitter- und Basiszuleitungen das Verhältnis der längeren Seite zu der kürzeren Seite kleiner als 3 ist.
3. Transistoranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede Sicherung (5) als ein Leiterstück ausgeführt ist, welches den Basis- bzw. Emitterzuleitungen der Transistoranordnung mit jeweils einer auf der gleichen Isolierstoffzwischenlage wie die betreffende Zuleitung liegenden, gegen diese Zuleitung elektrisch isolierten Anschiußfläche (11) elektrisch verbindet, und die Anschlußfläche ihrerseits über den zugehörigen Anschlußleiter mit dem jeweiligen Basis- bzw. Emitteranschluß des zugehörigen Transistors verbunden ist.
4. Transistoranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Transistoranordnung von einer zusätzlichen wärmeleitenden Platte (8) abgedeckt ist, welche von den plattenförmigen Zuleitungen der Transistoranordnung elektrisch isoliert über Abstandshalter (9) am Rande der Anordnung und Abstandshalter (10), welche durch weitere Öffnungen in den Basis- und Emitterzuleitungen geführt sind, mit der plattenför-
migen Kollektorzuleitung (2) der Transistoranordnung wärmeleitend verbunden ist.
5. Transistoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie Überspannungsschutzkreise (12) aufweist, von denen jeder zwischen der Kollektorzuleitung (2) und der Emitterzuleitung (4) der Transistoranordnung angeschlossen ist.
6. Transistoranordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Uberspannungsschulzkreise (12) zwischen der Kollektorzuleitung (2) und der Emitterzuleitung (4) über ein Sicherungselement
(19) angeschlossen ist.
7. Transistoranordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Uberspannungsschutzkreis (12) eine Z-Diode (13) verwendet ist.
8. Transistoranordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Uberspannungsschutzkreis (12) ein Varistor (14) verwendet wird.
9. Transistoranordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Uberspannungsschutzkreis (12) als eine Reihenschaltung eines Kondensators (15) und einer Diode (16) ausgeführt ist, wobei die Transistoranordnung eine zusätzliche Zuleitung (17) mit einer weiteren Außenanschlußfahne aufweist, an welche der Verbindungspunkt des Kondensators (IS) und der Diode (16) angeschlossen ist.
10. Transistoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Transistoranordnung mindestens eine zusätzliche Diode (18) enthält, welche mit einem Anschluß auf der Kollektorzuleitung in der Nähe von deren Anschlußfahne befestigt und mit dem anderen Anschluß an die Emitterzuleitung (4) angeschaltet ist.
11. Transistoranordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der andere Anschluß der Diode
(18) an die Emitterzuleitung (4) über ein Sicherungselement (19) angeschlossen ist.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Transistoranordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruch 1.
Eine solche Transistoranordnung ist aus der DE-OS 22 03 892 bekannt.
Aus der DE-PS 22 03 892 ist eine Transistoranordnung bekannt, die mehrere parallel geschaltete Transistoren enthält, welche auf einer eine Kollektorelektrode der Gcsumtanordnung darstellenden wärmeleitenden Gruntlscheibe angeordnet sind.
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Basis- und Emitteranschlüsse der Transistorelemente werden mit den jeweiligen Zuleitungen der Transistorunordnung durch drahtförmige Anschlußleiter verbunden. Zur Kompensation der Induktivitäten der Anschlußleiter sind in die Anschlußleitungen Kondensatorelemente eingeschaltet.
Beider bekannten Transistoranordnung führt ein Durchbruch einer der Transistoren zum Ausfall der Gesamtanordnung. Demzufolge wird die Zuverlässigkeit der Transistoranordnung mit der Steigerung der Anzahl der Transistoren herabgesetzt.
Die notwendigen Längen der Anschlußleiter bedingen beträchtliche Induktivitäten, welche, um dennoch eine große Übertragungsbandbreite der Anordnung zu gewährleisten, mit Hilfe von Kondensatorelementen kompensiert werden müssen. Weiterhin ist die Kompensation nur in einem mehr oder weniger breiten Bereich um die jeweiligen Resonanzfrequenz wirksam und erfordert eine Reihe von aufwendigen fertigungstechnischen Maßnahmen.
Die aus der DE-OS 22 03 892 bekannte Transistoranordnung ist für Frequenzen oberhalb 200 MHz und Ausgangsleistungen gröüer als etwa 15 Watt, d. h. für Ströme im Ampere-Bereich, vorgesehen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die aus der DE-OS 22 03 892 bekannte Transistoranordnung derart zu modifizieren, daß das durch die gesamte Transistoranordp.ung nachgebildete Bauelement zum Schalten hoher Ströme von etwa hundert Ampere im Bereich von Schaltfrequenzen von mehreren bis einigen 100 kHz (z. B. bei der Verwendung in Umrichtern) geeignet ist und dabei eine geringe Ausfallwahrscheinlichkeit aufweist.
Die obige Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. 2n
Aus der US-PS 32 26 603 ist eine Hochstrom-Gleichrichter-Anordnung bekannt, welche eine Vielzahl elektrisch parallel geschalteter Dioden und eine gleiche Anzahl jeweils in Reihe mit den Dioden geschalteter Sicherungen aufweist. Die Dioden und Sicherungen sind zwischen die Kathoden- und Anodenzuleitungen der Anordnung geschaltet.
Die Sicherungen sind bei der bekannten Anordnung dazu vorgesehen, daß bei Ausfall einzelner Dioden die entsprechende Sicherung durchbrennt und so ein Ausfall bzw. ein Unbrauchbarwerden der ganzen Anordnung vermieden wird. Die Parallelschaltung einer Vielzahl bezüglich der Strombelastung und der Chipfläche kleiner Dioden in einer solchen Anordnung führt zu einer größeren Betriebszuverlässigkeit, als dies mit einer einzigen Leistungsdiode mit entsprechend großer Chipfläche und gleicher Qualität des Halbleitermaterials möglich wäre.
Aus der US-PS 36 51 434 ist eine Transistoranordnung in Streifenleitertechnik zum Betrieb bei sehr hohen Frequenzen (Mikrowellenbereich) bekannt, bei welcher der Transistor auf einer rechteckigen, plattenförmigen Kollektorzuleitung angeordnet ist. Bei der bekannten Anordnung sind weiterhin ebenfalls plattenformige Basis- und Emitterzuleitungen mit einer Isolierstoffzwischenlage über der Kollektrozuleitung angeordnet. Basis- und Emitterzuleitung sowie die Isolierstoffzwischenlage weisen an der Stelle, an welcher der Transistor angeordnet ist, eine Öffnung auf, durch welche drahtförmige Anschlußleiter geführt sind, die die Basis- und Emitteranschlüsse des Transistors mit den Zuleitungen der Anordnung verbinden.
Die Unteransprüche 2 bis 11 kennzeichnen vorteilhafte Weiterbildungen der im Anspruch 1 gekennzeichneten Erfindung.
Damit werden mit der Erfindung insbesondere folgende Vorteile erzielt:
1. Ein Durchbruch eines beliebigen pn-Übergangs führt zum Durchbrennen der jeweiligen Sicherung, welche dabei diesen Übergang von der Transistoranordnung abschaltet. Demzufolge hat ein Ausfall von einzelnen Transistorelementen nicht einen Ausfall der Gesamtanorcinung zur Folge, wodurch die Betriebszuverla'ssigkeit erhöht wird.
2. Mit einer Vergrößerung der Anzahl der Transistorelemente wird die Zuverlässigkeit der gesamten Transistoranordnung nicht herabgesetzt, sondern erhöht.
3. Dadurch, daß die Kollektor-Emitter- und Basiszuleitungen nahe aneinander angeordnet sowie nach Form und Abmessungen identisch ausgeführt sind, werden von jeder Zuleitung erzeugte elektromagnetische Felder kompensiert, was wiederum eine Verringerung der Induktivität der Stromkreise und damit eine Erhöhung der Zuverlässigkeit zur Folge hat.
4. Da die Länge der Anschlußleiter minimal gehalten ist, wird deren Induktivität verringert sowie die Montage der Transistoranordnung vereinfacht. Da gemäß einer bevorzugten Ausführungsform das Verhältnis der langen Seite zur kurzen Seite der rechteckförmigen Kollektor-, Emitter- und Basiszuleitungen kleiner als 3 ist, sind die Leistungsverluste in der Leitern minimal.
5. Durch die zusätzliche wärmeleitende Platte und der diese mit der wärmeableitenden Koüektorzuleitung wärmeleitend verbindenden Abstandshalter wird die Kühloberfläche und die Festigkeit der Transistoranordnung erhöht.
6. Durch Einführung der Überspannungsschutzkreise und deren Verteilung auf der plattenförmigen Kollektorzuleitung der Anordnung wird die Zuverlässigkeit der Transistoranordnung beim Schaltbetrieb erhöht.
7. Durch die Einführung eines Sicherungselements in die Schutzstromkreise wird die Transistoranordnung vor einem Durchschlag der Schutzstromkreise geschützt.
8. Wenn, wie bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel, als Überspannungsschutzkreis eine Reihenschaltung eines Kondensators mit einer Diode verwendet wird, und die so ausgeführte Transistoranordnung eine zusätzliche Elektrode aufweist, an welcher der Zusammenschaltungspunkt des Kondensators mit der Diode jedes Transistorelements angeschlossen ist.
Im weiteren wird die Erfindung anhand von konkreten Ausführungsbeispielen unter Bezugsnahme auf die
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Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt
Fig. I eine Gesamtansicht einer Ausfuhrungsform der Transistoranordnung nach der Erfindung;
Fig. 2 eine im Maßstab vergrößerte Schnittansicht entlang der Linie IMI in Fig. 1;
F i g. 3 eine Teilansicht der Schichtstruktur der Transistoranordnung, in welcher Sicherungen in Form von Lcistungsstücken ausgeführt sind;
F i g. 4 eine Gesamtansicht eines Ausfuhrungsbeispiels der Transistoranordnung, welche auf der plattenförmigen Kollektorzuleitung verteilte Überspannungsschutzkreise aufweist;
Fig. 5 ein elektrisches Schaltbild einer Ausführungsform der Transistoranordnung, in welcher Zener-Dioden und Varistoren als Überspannungsschutzkreise eingesetzt werden;
Fig. 6 ein elektrisches Schaltbild einer Ausfuhrungsform der Transistoranordnung mit einer zusätzlichen Elektrode;
Fig. 7 eine Teilansicht der Transistoranordnung nach Fig. 6;
Fig. 8 ein elektrisches Schaltbild einer Ausführungsform der Transistoranordnung, welches die verteilten Induktivitäten in den Zuleitungen und Anschlußleitern der Transistoranordnung veranschaulicht;
F i g. 9 (a, b, c) drei Grundschaltungen von Gleichspannungs- Impuisregiern, in weichen die Transistoranordnung nach Fig. 6 und 7 eingesetzt wird;
Fig. 10 eine weitere Ausführungsform der Transistoranordnung mit einer Diode zum Schutz vor Sperrströ-
Fig. 11 die Abhängigkeit des relativen Stromweges von dem Seitenverhältnis des Rechteckes und der Anordnung der Anschlußfahnen.
Die in den Fig. 1 und 2 dargestellte Ausführung der Transistoranordnung enthält eine Reihe von Transistorelementen 1. Die Kollektorzonen der Transistorelemente 1 werden auf einer eine Kollektorzuleitung der Transistoranordnung darstellenden wärmeleitenden Platte 2 befestigt. Die Befestigung derTransistorelemente auf der Platte 2 erfolgt z. B. durch Löten. Eine Basiszuleitung 3 und eine Emitterzuleitung 4 werden auch plattenförmig ausgeführt. Jedes Transistorelement 1 weist zwei Sicherungen 5 auf, von denen jede zwischen den Basis- oder Emitteranschlüssen der Elemente 1 und der jeweiligen Basis- oder Emitterzuleitung 3 oder 4 der Gesamtanordnung angeschlossen ist. Dabei wird die Anzahl N von Transistorelementen aus einer Bedingung (1) ausgewählt:
N>n-tiT (l)
η = Für die vorgesehene Betriebsbelastung der Transistoranordnung erforderliche Anzahl von Transistorelementen 1,
/. = Ausfallrate eines Transistorelementes unter Berücksichtigung der Zuverlässigkeit von entsprechenden Sicherungen,
T = Betriebsdauer der Transistoranordnung.
Diese Bedingung wurde aus der Gesetzmäßigkeit großer Zahlen abgeleitet, nach der für hinreichend große N
Αΰ gilt:
H = O (2>
m = Anzahl der im Laufe der Zeit T ausgefallenen Transistorelemente;
Λ' = Gesamtanzahl der Transistorelemente;
q = Ausfallwahrscheinlichkeit eines Transistorelementes (unter Berücksichtigung der Zuverlässigkeit von Sicherungen) im Laufe der Zeit T.
Da ein Ausfall eines Elementes und dessen störungsfreie Arbeit entgegengesetzte Ereignisse sind, gilt die Beziehung
ρ = e- ' τ = Wahrscheinlichkeit einer störungsfreien Arbeit des Transistorelementes (unter Berücksichtigung der Zuverlässigkeit von Sicherungen).
Aus Gleichungen (3) und (2) ergibt sich
m = ]_e-,r (4)
jV
Wenn die Anzahl m von ausgefallenen Transistorelementen die Anzahl N-n von redundanten Transistorelementen unterschreitet, arbeitet die Gesamtanordnung störungsfrei. Unter der Bedingung m>N~n fällt die Transistoranordnung aus. Für einen Grenzfall, wenn die Anzahl von ausgefallenen Transistorelementen gleich
32 Ol 296
der Anzahl von redundanten Transistorelementen ist (m = N-n), gilt
^1-C" (5)
5 Durch Auflösung der Gleichung (5) nach N erhält man
N = η ■ e*' (6)
Der Ausdruck (6) gilt für den Fall, in dem die Anzahl m von ausgefallenen Transistorelementen gleich der Anzahl N - η von redundanten Transistorelementen ist, demzufolge eine hohe Zuverlässigkeit der Transistoranordnung unter der Bedingung gewährleistet wird:
N >n ■ e' A (7)
In der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Transistoranordnung führt ein Durchschlageines beliebigen pn-Übergangcs in einem Transistorelement zum Durchbrennen der entsprechenden Sicherung, welche diesen Übergang abschaltet. Demzufolge verursacht ein Ausfall eines Transistorelementes keinen Ausfall der Gesamtanordnung.
Kerner wird die Anzahl von Transistorelementen in der Transistoranordnung derart ausgewählt, daß durch eine Erhöhung dieser Anzahl die Zuverlässigkeit der Transistoranordnung nicht herabgesetzt, sondern erhöht wird. Beispielsweise werden in einer insbesondere zur Kommutierung der Ströme in Größenordnung von 100 A bestimmten Transistoranordnung auf einen Strom von 2 A bemessene Transistorelemente verwendet, wobei die Ausfallrate eines Transistorelementes unter Berücksichtigung der Zuverlässigkeit von zwei Sicherungen 10~5 l/h und die Betriebsdauer der Transistoranordnung 104 h betragen. In diesem Falle ist die funktionsmäßig erforderliche Anzahl der Transistorelemente gleich 50.
Aus der angeführten Bedingung ergibt sich für die Gesamtanzahl der Transistorelemente in der Transistoranordnung:
N>n- e'; = 50-e10 MtH = 55,25
30
Durch Abrunden nach oben erhält man
/V>56
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 Wahrscheinlichkeiterhöht wird. Beispielsweise beträgt die Wahrscheinlichkeit einer störungsfreien Arbeit der vorliegenden Transistoranordnung 0,71 bei Verwendung von 6 Reserveelementen (N = 56), 0,9 bei Verwendung von 8 Rescrvcelcmenten (n = 58) und 0,95 bei Verwendung von 10 Reserveelementen (TV = 60).
Eine wichtige Besonderheit der vorgeschlagenen technischen Lösung besteht darin, daß die Zuverlässigkeit nicht nur durch Erhöhung des Redundanzgrades, sondern auch durch die Erhöhung der Gesamtanzahl der Transisiorelcmente bei einem konstanten Redundanzgrad erhöht wird. Wenn in einer derartigen Transistoranordnung kleinere, z. B. auf einen Strom von i A bemessene Transisiorelemente eingesetzt werden, beträgt die Anzahl der Grundelemente 100. Dabei wird bei Verwendung von 12 Reservetransistorelementen (N = 112) eine Wahrscheinlichkeit der störungsfreien Arbeit der Transistoranordnung von 0,73, bei Verwendung von 16 Reserveelementen (N = 116) -0,95 und bei Verwendung von 20 Reserveelementen (N = 120) -0,995 erreicht.
Somit gewährleistet die vorgeschlagene Bedingung eine Erhöhung der Zuverlässigkeit der Transistoranordnung durch eine Vergrößerung der Gesamtanzahl von Transistorelementen bei entsprechenden Verkleinerung der Belastbarkeit, d. h. auch der Größe, der einzelnen Transistorelemente. Unter Anwendung dieser Bedingung können praktisch ausfallfreie Transistoranordnungen bei einem relativ kleinen Redundanzgrad (von höchstens 0,1 bis 0,2) aufgebaut werden.
Die Kollcktortuleitung sowie die Zuleitungen 3 und 4 sind in parallelen Ebenen angeordnet und durch Isolierzwischenlagen 6 voneinander abgetrennt, indem eine Schichtstruktur gebildet wird (Fig. 2 und 3). Dabei werden die Basis- und Emitterelektrode 3 und 4 identisch nach Form und Abmessungen ausgeführt.
Weil die Ströme der Kollektor- und Basiszuleitung in gleicher Richtung fließen und deren Summe dem entgegengerichteten Strom der Emitterzuleitung gleich ist, wird durch die Aufstellung der Zuleitungen in verschiedenen Ebenen eine bifilare Leitung gebildet, deren Induktivität mit einer praktisch hinreichenden Genauigkeit durch die Beziehung bestimmt wird:
60
L = :i„ — (8)
μ,, = magnetische Permeabilität der Isolierzwischenlagen;
S = Abstand zwischen den Platten;
iv = Breite der Platten;
/ - Lange der Platten.
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Aus der Beziehung (8) folgt, daß die Induktivität desto kleiner wird, je kleiner die Plattenlänge / und das Verhältnis S/w sind.
Demzufolge wird in der Ausführungsform der Transistoranordnung die Induktivität der Stromkreise durch eine nahe Anordnung der stromleitenden Platten herabgesetzt.
Mit Hilfe von in den Plattenzuleitungen sowie in Isolierzwischenlagen 6 ausgeführten Öffnungen 7 können die Elektroden der Transistorelemente 1 mit den jeweiligen plattenförmigen Zuleitungen der Transistoranordnung auf dem kürzesten Wege verbunden werden, wodurch die Induktivität in den Stromkreisen derTransistoranordnung verringert sowie deren Montage vereinfacht wird.
Eine weitere Verminderung der Induktivität der Stromkreise wird in der Transistoranordnung durch eine Anordnung der plattenförmigen Zuleitungen in der Schichtstruktur in folgender Reihenfolge gewährleistet: Kollektorzuleitung, Emitterzuleitung, Basiszuleitung, d. h. die Emitterzuleitung 4 wird zwischen der Kollektorzuleitung und der Basiszuleitung angeordnet. Durch eine derartige Anordnung wird eine maximale Annäherung der Platten mit entgegengesetzten Stromrichtungen und damit eine minimale Induktivität derStromkrei.se erreicht.
In einer weiteren Ausführungsform enthält die Transistoranordnung eine zusätzliche, von der Kollektor-, Basis- und Emitterzuleitung elektrisch isolierte, wärmeleitende Piatte 8, welche mit der wärmeleitenden über am Rande der Schichtstruktur angeordnete Abstandshalter 9 sowie Abstandshalter 10, welche durch weitere Öffnungen in den Basis- und Emitterzuleitungen geführt sind mit der plattenförmigen Kollektorzuleitung (2) der Transistoranordnung wärmeleitend verbunden ist.
Mit der Einführung der Platte 8 wird die Kühloberfläche der Transistoranordnung wesentlich vergrößert. Der Wärmewiderstand der Transistoranordnung wird herabgesetzt und die Belastbarkeit erhöht. Ferner steigt auch die Festigkeit der Anordnung.
Die Isolierzwischenlage 6 weist von den Zuleitungen isolierte, stromleitende Anschlußflächen 11 auf, welche jeweils mit einem entsprechenden Anschluß eines Transistorelementes 1 überdrahtförmige Anschlußleiter vcrbunden sind (Fig. 3). Dabei sind die Sicherungen 5 in Form von Leitungsstücken, welche die besagten Anschlußflächen 11 mit den jeweiligen Zuleitungen der Transistoranordnung verbinden, ausgeführt.
Bei einer derartigen Ausführung werden die Integrationsdichte erhöht sowie Gewicht und Abmessungen der Transistoranordnung herabgesetzt.
Für die Eigenschaften einer Transistoranordnung spielt die Länge der Zuleitungen, welche die Anschlüsse der Transistorelemente mit den Anschlußfahnen der Anordnung verbinden, eine große Rolle. Die Länge dieser Zuleitungen hängt von der baulichen Gestaltung der Transistoranordnung sowie von der Lage der Anschlußfahne ab.
Im weiteren wird, um eine Anordnung mit Leitung wegen minimaler Länge aufzufinden, eine Transistoranordnung betrachtet, bei welcher auf einer rechteckigen Grundplatte r Transislorelemente befestigt sind.
Dabei wird angenommen, daß jedes Transistorelement auf dieser Platte eine quadratische Fläche mit der Seite α einnimmt und dessen Anschlüsse durch diskret ausgeführte Zuleitungen unterschiedlicher Länge mit den Anschlußfahnen verbunden sind. Dabei sollen die Zuleitungen parallel zu den Seiten des Rechteckes verlaufen, und die Anschlußfahnen an einer der Seiten befestigt sein. Die Stromdichte ist in allen Leitern gleich angenommen.
Wenn auf einer Seite des Rechteckes 5 Elemente und auf der anderen Seite KS Elemente angeordnet werden, beträgt die gesamte Anzahl der Transistorelemente auf der Platte
r = KS2 (9)
K Koeffizient, welcher das Seitenverhältnis des Rechteckes bestimmt.
Unter der Voraussetzung, daß die Anschlußfahne an der KS Elemente aufweisenden Seite 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 (KS-X) Elemente liegen, wird die gesamte Länge (L) der Zuleitungen auf der Platte durch den Ausdruck bestimmt:
L=S Στ(2'~1) + 5 Στ(2^"1) + Κ Στ'2«'"1' = -^= IrVF(K+ \) + 2x(XV7- r/K~)\ l λ l / L J
LS-x SS
τ(2'~1) + 5 Στ(2^"1) + Κ Στ'2«'"1' = -^=
i'\ l j--\ λ ,,= 1 l 2-/K
(10) Differenziert man die Gleichung nach K und X und setzt die Ableitungen gleich Null, so ergibt sich
1L = 2X-V7k~ = 0 (11)
BX
— = r(K- I)-2J = 0 (12)
dK
Durch Auflösung der Gleichungen (4) und (5) nach K und X unter Berücksichtigung der Gleichung (2) enthält man
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=S,K = 2 (13)
ύ. h. clic minimale Länge der Zuleitungen wird in einem Rechteck mit einem Seitenverhältnis von 2 und bei Anordnung der Anschlußfahne in der Mitte der langen Seite gewährleistet.
Setzt man (13) in die Gleichung (10) ein, so ergibt sich für die minimale Länge der Zuleitungen
L111111 = ar
/f (14)
Aus (10) und (14) enthält man einen Ausdruck für die relative Länge der Zuleitungen
i_-2"l/— + K+ (15)
κ Ιλ 1 ir T JTkT
In I·' ig. Il ist ein Kurvenbild gemäß der Gleichung (15) gezeigt, welches die Abhängigkeit der relativen Länge der Zuleitungen von dem Seitenverhältnis des Rechteckes fur verschiedene Stellungen der Anschlußfahne (,V ■--■ 0, X -= 0,25 KS, X = 0,5 KS) veranschaulicht.
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 Seite des Rechteckes zu der kurzen Seite des Rechteckes kleiner als 3 ausgewählt. Dadurch können die Länge der Zuleitungen und demzufolge die Leistungsverluste in den Leitern der Transistoranordnung herabgesetzt werden.
Infolge einer Induktivität in den Außenstromkreisen sowie in den Elektrodenkreisen derTransistoranordnung treten bei einem schnellen Sperren der Transistoranordnung im Verlaufe der Stromwendung zwischen der Kollektor- und Emitterelektrode Überspannungen auf, deren Polarität mit der Polarität der Versorgungsspannung übereinstimmt. Zur Erhöhung der Zuverlässigkeit der Transistoranordnung beim Schaltbetrieb werden zwisehen der Emitter- und Kollektorzuleitung eingeschaltete und auf der plattenförmigen Kollektorzuleitung verteilte Übcr.spannungsschutzkreise 12 eingeführt (Fig. 4, 5, 6 und 7).
Als derartige Überspannungsschutzkreise 12 können Zener-Dioden 13 (Fig. 5), Varistoren 14 oder eine Reihenschaltung eines Kondensators 15 (F i g. 6 und 7) und einer Diode 16 verwendet werden. Im letzten Fall wird in die Transistoranordnung eine zusätzliche Zuleitung 17 mit einer weiteren Außenanscnlußfahne eingeführt. An die Elektrode 17 wird der Verbindungspunkt des Kondensators 15 und der Diode 16 jedes der besagten Überspannungsschutzkreise 12 angeschlossen.
Wenn die Überspannung den Ansprechwert des Stromkreises 12 (Fig. 4, 5,6 und 7) erreicht (z. B. die Durchbruchspannung einer Z-Diode oder eines Varistors), beginnt der früher durch die geöffneten Transistorelemente 1 lließcnde Strom durch die besagten Stromkreise 12 zu fließen, und die Spannung zwischen der Kollektor- und limiitereicktrode steigt nicht weiter. Die Ansprechspannung der genannten Überspannungsschutzkreise 12 wird kleiner als die maximal zulässige Spannung der Transistorelemente ausgewählt, was einen eventuellen Durchschlag eines Transis'orelementes beim Sperren der Transistoranordnung verhindert.
Durch, die Verteilung der Stromkreise 12 auf der plattenförmigen Kollektorzuleitung können die Überspannungen an allen Transistorelementen gleichmäßig herabgesetzt werden, was seinerseits zur Erhöhung der Zuverlässigkeit der Transistoranordnung beiträgt.
Die Anwendung von einen niedrigen dynamischen Widerstand und eine hohe zulässige Verlustleistung aufweisenden Varistoren als Überspannungsschutzkreise 12 gewährleistet einen aktiven Schutz der Transistorclcmente bei Kommutierung von großen Strömen und beim Vorhandensein von relativ großen Induktivitäten in den Elektrodenkreisen.
Bei Verwendung von Z-Dioden und Varistoren als Überspannungsschutzkreise wird die in Induktivitäten der Elektrodenkreisen gespeicherte Energie auf Z-Dioden und Varistoren verteilt. In einigen Fällen (bei hohen Frequenzen und bei großen Schaltströmen) sind diese Energieverluste erheblich. Günstiger ist, wenn als Überspannungsschulzkreise 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.
Beim Sperren der Transistoranordnung mit besagten Überspannungsschutzkreisen 12 (Fig. 8) wird die gesamte in Induktivitäten der Elektrodenkreise vorhandene Energie in Kondensatoren der Überspannungsschutzkreise gespeichert, wodurch die Überspannung 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 F.influl.i auf das Schaltverhalten der Transistoranordnung ausübt, weil die Schutzstromkreise in einem Gleichstromkreis vereinigt werden.
In Fig. 9 (a, b, c) sind drei Grundschaltungen von Gleichspannungs-Impulsreglern gezeigt, in welchen durch die Verwendung von besagten Überspannungsschutzkreisen die in Kondensatoren gespeicherte Energie an den Eingang der Einrichtung (Tiefenregler in Fig. 9a), an den Ausgang der Einrichtung (Höhenregler in Fig. 9b) und in einen Hilfsstromkreis zwischen dem Eingang und dem Ausgang der Einrichtung (indirekter Regler in l; i g. 9c) übertragen wird. Damit gewährleistet die vorgeschlagene technische Lösung nicht nur eine Herabset-
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zung der Überspannungen an Transistorelementen, sondern auch eine effektive Ausnutzung der gespeicherten Energie.
Beim Einsatz der erf.ndungsgemäßen Transistoranordnung in einem Gleichspannungsumformer (die Stromrichtenechnik ist eine der größten Anwendungsgebiete einer Transistoranordnung nach der vorliegenden Erfindung), welcher mit einer induktiven Wirkbelastung betrieben wird, fließen Sperrströme durch die Transistoreiemente. Beim Umschalten der Transistoranordnung wird die Stromrichtung in der Belastung nicht geändert, so daß dieser Belastungsstrom durch die Transistoranordnung in der Sperrichtung fließt. 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.
Zum Schutz vor den Sperrströmen sowie zur Rückgewinnung der in der Belastungsinduktivität gespeicherten Energie schlägt die vorliegende Erfindung vor, daß in die Transistoranordnung mindestens eine Diode 18 eingeführt wird (Fig. 10), welche mit einem Anschlußauf der Kollektorzuleitung in der Nähe deren Anschlußfahne befestigt und mit einem anderen Anschluß an die Emitterzuleitung 4 angeschlossen ist.
Durch die Einführung von Dioden 18 und deren Anordnung zwischen der Kollektor- und Emitterzuleitung wird die Transistoranordnung vor den Sperrströmen geschützt. Auf der Kollektorzuleitung können gehäuselose Dioden unter Herstellung eines direkten elektrischen Kontaktes mit der Kollektorzuleitung angeordnet werden, so daß die in Reihe mit der Diode eingeschaltete Zuleitungsinduktivität sowie Gewicht und Abmessung von Einrichtungen, in welchen die Transistoranordnung eingesetzt wird, vermindert werden.
:o Durch die in Reihe mit den Überspannungsschutzkreisen und Dioden eingeschalteten Sicherungselemenlc 19 (Fig. 5 und 6) wird die Transistoranordnung vor einem zufälligen Durchschlag der Elemente der besagten Stromkreise und Dioden geschützt. Bei einem Durchschlag brennnt das entsprechende Sicherungselement 19 durch, wobei das ausgefallene Element von der Transistoranordnung abgeschaltet wird. Demzufolge tragen die besagten Sicherungen zu einer weiteren Erhöhung der Zuverlässigkeit der erfindungsgemäßen Transistoranordnung bei.
Die vorgeschlagene technische Lösung gewährleistet eine praktisch störungsfreie Funktion der Transistoren Ordnung unter Verwendung von Transistorelementen mit einer begrenzten Zuverlässigkeit, so daß für einer beliebigen Strom bemessenen, billige und hochzuverlässige Transistoranordnungen aufgebaut werden können welche eine breite Verwendung in verschiedenen Einrichtungen der Stromrichtertechnik finden.
Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

32 Ol 296 Patentansprüche:
1. Transistoranordnung mit W parallel geschalteten Transistoren, welche in Form von Haibleiterplättchen auf einem plattenförmigen, die jeweiligen Kollektorelektroden der einzelnen Transistoren und gleichzeitig
die Kollektorzuleitung der Transistoranordnung darstellenden, wärmeableitenden, metallischen Leiter
angeordnet sind, wobei Basis- und Emitteranschlüsse der Transistoren jeweils über drahtförmige Anschlußleiter mit plattenförmigen Basis- und Emitterzuleitungen der Transistoranordnung elektrisch verbunden sind und diese Zuleitungen wie die Kollektorzuleitung der Transistoranordnung mit entsprechenden Anschlußfahnen zum äußeren Anschluß der Transistoranordnung verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß
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