DE3342102C2 - Aufbau stapelbarer, gehäuseloser Leistungshalbleiter zur Siedekühlung - Google Patents

Abstract

Bei einer Anordnung einer gehäuselosen, in eine Siedekühlflüssigkeit getauchten Leistungshalbleiterscheibe (1), die zwischen zwei dem anoden- und dem kathodenseitigen Anschluß dienenden Wärmeableitern (2, 3) durch drei axial verlaufende Kunststoffhalter radial festgelegt und mittels isolierter Zugbolzen (7) axial verspannt ist, soll erreicht werden, daß viele dieser Elemente zu Stapeln zusammengepreßt werden können und trotzdem eine ausreichende Oberfläche der Wärmeableitkörper (2, 3) zur Siedekühlung ohne Filmsieden zur Verfügung gestellt wird. Dazu sind die Wärmeableiter (2, 3) auf der der Leistungshalbleiterscheibe (1) abgewandten Seite mit Distanznoppen (8) versehen, über die die Spannkraft (P) der Zugbolzen (7) auf die Leistungshalbleiterscheibe übertragen wird. Die Kunststoffhalter sind als in einen der Wärmeableiter (2 bzw. 3) eingelassene Isolierzapfen (9) ausgebildet, die für die Leistungshalbleiterscheibe (1) eine Snap-Halterung bilden, so daß sich gleichzeitig eine kompakte und einfache Montage ergibt.

Description

werden. Es zeigt

F i g. 1 eine Draufsicht auf einen Wärmeableiter innerhalb eines Stapels von Anordnungen nach der Erfindung,

F i g. 2 einen Schnitt durch eine Anordnung nach der Erfindung innerhalb eines Stapels gleicher Anordnung.

In F i g. 1 ist ein nach einem Ausführungsbeispiel ausgebildeter Wärmeableiter dargestellt der in einer Siedekühlflüssigkeit der Wärmeabfuhr von einer (gestrichelt angedeuteten) Leistungshalbleiterscheibe t dient. Der Wärmeableiter ist auf der der Leistungshalbleiterscheibe 1 zugekehrten Seite plan ausgebildet Zur Bereitstellung einer ausreichend großen Oberfläche für die Siedekühlung ist die der Leistungshalbleiterscheibe 1 abgekehrte Seite des Wärmeabieiters mit gleich hohen (gestrichelt gezeigten) Distanznoppen 8 versehen.

Zur radialen Festlegung der Leistungshalbleiterscheibe t sind in den Wärmeableiter Isolierzapfen 9 eingelassen, die um ihre Längsachse federnd ausgebildet sind und in einer Höhe über dem Wärmeableiter, die der axialen Höhe der Leitungshalbleiterscheibe 1 entspricht, sich zu einem Kopf erweitern (siehe auch F i g. 2 beim Wärmeableiter 3). Damit bilden die Isolierzapfen 9 für die Leistungshalbleiterscheibe 1 eine montagefreundliche Snap-Halterung.

Der Wärmeableiter ist in Form eines gleichseitigen, die Leistungshalbleiterscheibe 1 voll überdeckenden Dreiecks ausgebildet, in dessen Eckbereichen jeweils ein Durchgangsloch zur Führung eines (in seiner Funktion bei der Erläuterung der F i g. 2 näher beschriebenen) elektrisch isolierten Zugbolzens 7 vorgesehen ist. In der Ebene des Wärmeabieiters sind diese Durchgangslöcher und Isolierzapfen 9 zur Snap-Halterung jeweils um 60° zueinander versetzt angeordnet.

Der Wärmeableiter weist zum Anschluß einer Anoden-Kathoden-Bedämpfungsschaltung für den Halbleiter an seinem Umfang einen Anschlußbolzen 6 auf.

F i g. 2 zeigt im Schnitt den Einsatz des zuvor beschriebenen Wärmeabieiters — hier mit 3 bezeichnet — innerhalb einer Anordnung, bei der die Halbleiterscheibe 1 zwischen dem erwähnten, ihr als anodenseitiger Anschluß dienenden Wärmeableiter 3 und einem weiteren, hier als kathodenseitiger Anschluß dienenden Wärmeableiter 2 eingespannt ist Der Wärmeableiter 2 weist die gleiche zuvor abgegebene konstruktive Ausbildung wie der Wärmeableiter 3 auf, mit der Ausnahme, daß er auf der der Leistungshalbleiterscheibe 1 zugewandten Seite keine Isolierzapfen trägt.

Diese Anordnung aus Wärmeableiter 2, Leistungshalbleiterscheibe 1 und Wärmeableiter 3 ist zwecks kompakter Bauweise und ggf. zur Beherrschung einer hohen elektrischen Spannung Teil eines Stapels gleicher Anordnungen, die über die in F i g. 1 gezeigten, isolierten Zugbolzen 7 und gemeinsame an den beiden Enden des Stapels vorgesehene (nicht gezeigte) Spannelemente miteinander verspannt sind. Die von den Spannelementen gegen die Zugbolzen 7 aufgebrachte Anpreßkraft ist mit P angedeutet, die über die Distanznoppen (nicht näher bezeichneter) Wärmeableiter benachbarter Anordnungen und die Distanznoppen 8 der Wärmeableiter 2 bzw. 3 auf die Leistungshalbleiterscheibe 1 wirkt. Zwischen den Distanznoppen 8 bleibt dabei trotz der Übertragung der für eine gute elektrische Kontaktgabe zur Leistungshalbleiterscheibe 1 notwendigen Anpreßkraft P Raum und Oberfläche für den Siedekühlprozeß.

Jeder der Wärmeableiter 2, 3 weist, wie aus Fig. 1 erkennbar ist, zumindest zwei, an verschiedenen Schenkeln des gleichseitigen Dreiecks seines Umfangs angebrachte Potentialanschlußbolzen 4 bzw. 5 auf, so daß innerhalb eines Stapels durch einfache, direkte Verbindung die einzelnen anöden- bzw. kathodenpotentialbehafteten Wärmeableiter 2,3 zu einer gewünschten elektrischen Schaltung (z. B. einer Brückenschaltung) zusammengeschaltet werden können. Stoßen infolge dieser Verschaltung Wärmeableiter unterschiedlichen Potentials zusammen, so sind zur Vermeidung eines Kurzschlusses zwischen deren aneinandergrenzende Distanznoppen Isolierscheiben 10 eingefügt

Die Leistungshalbleiterscheiben 1, die also ohne Gehäuse zwischen zwei Wärmeableitern 2, 3 eingespannt sind, können Dioden oder aber auch steuerbare Halbleiter-Bauelemente (z. B. Thyristoren) sein. Für den letzteren Fall sind drei Isolierzapfen 9 im anodenseitigen Wärmeableiter 3 eingepreßt, während der Steueranschluß für die zentrale Steuerelektrode der Leistungshalbleiterscheibe 1 über den kathodenseitigen Wärmeableiter 2 vorgenommen wird. Zu diesem Zweck befindet sich im kathodenseitigen Wärmeableiter 2 für den Steueranschluß eine zentral angeordnete Isolierbuchse 11 mit einem Kontaktstift 12 und mehreren gegeneinander geschichteten Spannscheiben 13. Eine derartige Kontaktgabe ist an sich aus der eingangs erwähnten DE-OS 29 07 780 bekannt Die montierten Teile sind bei der in der Zeichnung gezeigten Anordnung mit einer Sicherungsscheibe 14 gegen das Herausfallen gesichert. Das hindurchragende Ende des Kontaktstifts 12 ist als Lötanschluß 18 für eine Steueranschlußleitung 15, die durch den Raum zwischen den Distanznoppen 8 geführt ist, ausgebildet. Das Kathodenpotential für eine zweite Steuerleitung 16 wird mittels eines Kabelschuhs 17 direkt am Wärmeleiter 2 angenietet. Die erforderliche Kontaktkraft für den Steueranschluß stellt sich ein, wenn die Anpreßkraft P auf dem Stapel aufgebracht wird.

Die Montage des Stapels kann weitgehend ohne die schmutzempfindlichen Leistungshalbleiterscheiben erfolgen. Diese werden letztlich eingesetzt bzw. ausgewechselt, ohne die Komponenten zu entstapeln und ohne die flexiblen elektrischen Verbindungen lösen zu müssen. Hierzu ist der axiale Kraftschluß (Kraft P) des Stapels nur so weit zu lösen, daß die jeweiligen Wärmeableiter 10 bis 15 mm auseinander geschoben werden können.

Insgesamt ist mit dieser Anordnung mithin eine Verringerung des Bauvolumens bei gleichzeitiger Minderung der Verlustleistung und damit der Betriebskosten zu erreichen, wobei zusätzlich für die einzelnen Leistungshalbleiterscheiben die Kosten für ein getrenntes Gehäuse eingespart werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

1 2 gegen die Leistungshalbleiterscheibe (1) drückende Patentansprüche: Spannscheiben (13) enthält, wobei die Steueran schlußleitung (15) für den Thyristor durch den Raum

1. Anordnung einer gehäuselosen, in eine Siede- zwischen den Distanznoppen (8) des kathodenseitikühlflüssigkeit getauchten Leistungshalbleiterschei- 5 gen Wärmeabieiters (2) geführt und am distanznopbe, die zwischen zwei dem anöden- und dem katho- penseitigen Ende des Kontaktstifts (12) befestigt ist denseitigen Anschluß dienenden Wärmeableitern

durch drei axial verlaufende Kunststoffhalter radial

festgelegt und mittels isolierter Zugbolzen axial ver-

spanntist, dadurch gekennzeichnet, daß io

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung ge-

— die Wärmeableiter (2,3) auf der der Leistungs- maß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
halbleiterscheibe (1) abgewandten Seite mit Di- Eine solche Anordnung ist durch die DE-OS 29 07 780 Stanznoppen (8) versehen sind, über die die bekannt Danach wird die in einer Siedekühlflüssigkeit, Spannkraft (P) der Zugbolzen (7) auf die Lei- 15 z. B. flüssigem fluorierten Kohlenwasserstoff, zu kühlenstungshalbleiterscheibe (1) übertragen wird und de Leistungshalbleiterscheibe zwischen zwei zylindri-

— die Kunststoffhalter als in einen der Wärmeab- sehe Wärmeableiter eingespannt Dazu sind zwei außen leiter (2 bzw. 3) eingelassene Isolierzapfen (9) vieleckig geformte Isolierplatten vorgesehen, die den ausgebildet sind, die für die Leistungshalbleiter- anöden- und den kathodenseitigen Wärmeableiter umscheibe (1) eine Snap-Halterung bilden. 20 geben und jeweils -auf einem Sprengring aufliegen, der

in eine Ringnut in den jeweiligen Wärmeableiter einge-

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn- legt ist Die Isolierplatten sind miteinander durch drei zeichnet, daß die Isolierzapfen (9) um ihre Längsach- Bolzen aus Isoliermaterial verspannt, die die Halbleiterse federnd ausgebildet sind und in einer Höhe über scheibe berühren und in drei Kerben der Isolierplatten dem Wärmeableiter (2 bzw. 3), die der axialen Höhe 25 einrasten, die je 120° gegeneinander versetzt sind.

der Leistungshalbleiterscheibe (1) entspricht sich zu Die bekannte Anordnung ist gut als Einzelelement

einem Kopf erweitern. zur Siedekühlung einer Leistungshalbleiterscheibe ein-

3. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, zusetzen, wobei die Wärmeableiter kupferne Metalldadurch gekennzeichnet, daß je Wärmeableiter (2,3) blöcke sind. Schwierigkeiten treten auf, wenn aus Koan dessen Umfang ein Anschlußbolzen (6) für eine 30 sten- und/oder Gewichtsgründen statt des Kupfers Alu-Anoden-Kathoden-Bedämpfungsschaltung vorgese- minium eingesetzt werden soll. Für die gleiche Siedehen ist kühlleistung muß die Oberfläche dann entsprechend

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, vergrößert bzw. der Wärmeleitweg bei gleicher Oberdadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeableiter (2, flächengröße verkürzt werden.

3) in Form eines gleichseitigen, die Leistungshalblei- 35 Sofern aus Spannungsgründen mehrere Leistungs-

terscheibe (1) jeweils voll überdeckenden Dreiecks halbleiterscheiben hintereinander geschaltet werden

ausgebildet sind, in dessen drei Eckbereichen jeweils müssen und dies zwecks kompakter Bauweise durch

ein Durchgangsloch zur Führung der Zugbolzen (7) Schichtung in Stapeln geschieht ist die zuvor beschrie-

vorgesehen ist bene Anordnung nur schlecht geeignet, weil die im Sta-

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekenn- 40 pel aneinander liegenden Kreisflächen der zylindrischen zeichnet, daß die Isolierzapfen (9) in der Ebene des Wärmeableiter als Oberfläche für die Siedekühlung einen Wärmeabieiters (2 bzw. 3) jeweils um 60° ver- nicht zur Verfügung stehen.

setzt zu den Durchgangslöchern zur Führung der Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine An-

Zugbolzen (7) angebracht sind. Ordnung der eingangs angegebenen Art so auszugestal-

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, 45 ten, daß viele dieser Elemente zu Stapeln zusammengegekennzeichnet als Element eines Stapels gleicher preßt werden können, dabei trotzdem eine ausreichen-Anordnungen, die über die Zugbolzen (7) und ge- de Oberfläche der Wärmeableitkörper zur Siedekühmeinsame, an den beiden Enden des Stapels vorge- lung ohne Filmsieden zur Verfügung gestellt wird und sehene Spannelemente verspannt sind und bei denen gleichzeitig eine kompakte und einfache Montage erzwischen aneinandergrenzende Distanznoppen (8) so reicht wird.

von Wärmeableitern (2,3) unterschiedlichen Poten- Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die

tials Isolierscheiben (10) eingefügt sind. im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekenn- Infolge der Distanznoppen an der der Leistungshalbzeichnet, daß je Wärmeableiter (2,3) im Stapel zu- leiterscheibe abgewandten Seite jedes Wärmeabieiters mindest zwei am Umfang versetzte Anoden- bzw. 55 wird die Oberfläche, die für die Siedekühlung jeweils Kathoden-Potentialanschlußbolzen (4, 5) vorgese- zur Verfügung gestellt wird, entsprechend groß gehalhen sind. ten.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 Vorteilhafterweise gelangt gleichzeitig die Siedekühlfür eine als Thyristor mit zentraler Steuerelektrode flüssigkeit besonders dicht an die zu kühlende Wärmeausgebildete Leistungshalbleiterscheibe, dadurch 60 quelle, also die Leistungshalbleiterscheibe. Der Einsatz gekennzeichnet, daß die Isolierzapfen (9) in den an- von Wärmeableitern aus Aluminium ist damit trotz der odenseitigen Wärmeableiter (3) eingepreßt sind und gegenüber Kupfer benötigten größeren Oberfläche durch den kathodenseitigen Wärmeableiter (2) eine möglich, ohne daß eine kompakte Bauweise der Stapel zentral angeordnete Isolierbuchse (11) geführt ist, verhindert wird.

die einen mit einer Sicherungsscheibe (14) gegen das 65 Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in

Herausfallen gesicherten Kontaktstift (12) für den den Unteransprüchen gekennzeichnet,

zentralen Steueranschluß des Thyristors und mehre- Die Erfindung soll im folgenden anhand eines in der

re gegeneinander gerichtete, den Kontaktstift (12) Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert