DE3718598A1

DE3718598A1 - Halbleiteranordnung

Info

Publication number: DE3718598A1
Application number: DE19873718598
Authority: DE
Inventors: Mituo Ohdate
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1986-06-04
Filing date: 1987-06-03
Publication date: 1987-12-10
Also published as: US4893173A; DE3718598C2

Description

Die Erfindung betrifft eine Halbleiteranordnung, insbesondere eine Halbleiteranordnung mit flacher Basis oder in Stiftbauart mit einer niedrigen Induktivität.

Fig. 1 zeigt den Aufbau einer herkömmlichen Halbleiteranordnung, die in diesem Falle eine Diode in Stiftbauart ist. Diese Diode in Stift- oder Zapfenbauart hat einen mit Stiften oder Zapfen versehenen Diodenträger 1, der eine sechseckige Basis 1 a, be stehend aus Kupfer, ein im allgemeinen zylindrisches Eisenge häuse 1 b und einen Gewindezapfen 1 c aufweist, der ebenfalls aus Kupfer besteht. Die Basis 1 a und der Gewindezapfen 1 c sind in einem Stück ausgebildet, während das Gehäuse 1 b an der Oberseite des Gehäuses 1 a durch Hartlöten befestigt ist. Ein längs des Umfanges verlaufender Flansch 1 d ist an der Außenseite des Gehäuses 1 b ausgebildet. Das Gehäuse 1 b nimmt eine Diode 2 auf, die auf der Basis 1 a aufliegt und in elektrischem Kontakt mit dieser steht. Die Diode 2 trägt ei nen Kathodenstift 3, der eine kreisförmige Basis 3 a und ein Stiftteil 3 b aufweist, das sich von der Basis 3 a senkrecht nach oben erstreckt. Die Basis 3 a des Kathodenstiftes 3 trägt einen elektrisch isolierenden Keramikring 4, der sei nerseits eine Stahltellerfeder 5 trägt. Das Stiftteil 3 b des Kathodenstiftes 3 geht durch die Löcher in den Zentren des Ringes 4 und der Tellerfeder 5 hindurch.

Das Gehäuse 1 b ist mit einer Kappe 6 abgedeckt, die eine ringförmige, elektrisch isolierende Keramikstirnwand 6 a, ein Kupferverbindungsrohr 6 b, das an der Innenseite des Loches im Zentrum der Stirnwand 6 a befestigt ist, und ein zylindrisches Unterteil 6 c aufweist, das aus Eisen besteht und das Gehäuse 1 b des mit Stift oder Zapfen versehenen Trägers 1 umgibt. Die Keramik-Stirnwand 6 a ist am Verbindungsrohr 6 b und dem zylindrischen Unterteil 6 c durch Hartlöten befe stigt. Das untere Ende des zylindrischen Unterteiles 6 c ist an den Flansch 1 d des Gehäuses 1 b längs seines gesamten Umfanges angeschweißt, um eine luftdichte Dichtung zu bil den. Das Stiftteil 3 b des Kathodenstiftes 3 ist mit dem Verbindungsrohr 6 b an einen Anschluß 7 angeschlossen. Der Anschluß 7 besteht aus Kupferlitze.

Die herkömmliche Diode in Stift- oder Zapfenbauart gemäß Fig. 1 wird in der nachstehend beschriebenen Weise zusam mengebaut. Zunächst wird eine Diode 2 in das Gehäuse 1 b des mit Zapfen versehenen Trägers 1 eingesetzt und flach auf die Oberseite der Basis 1 a aufgelegt. Danach werden der elektrisch isolierende Ring 4 und die Tellerfeder 5 über dem Stiftteil 3 b des Kathodenstiftes 3 angeordnet, wobei der Ring 4 sandwichartig zwischen der Oberseite der Basis 3 a und der Tellerfeder 5 angeordnet ist. Der Kathodenstift 3 wird dann in das Gehäuse 1 b eingesetzt und die Basis 3 a des Kathodenstiftes 3 wird auf der Basis 1 a des mit Stift oder Zapfen versehenen Trägers 1 mit der Diode 2 zwischen ihnen angeordnet. Der Durchmesser des elektrisch isolie renden Ringes 4 ist im wesentlichen der gleiche wie der Innendurchmesser des Gehäuses 1 b, so daß dann, wenn der Ring 4 in das Gehäuse 1 b eingesetzt ist, der Kathodenstift 3 automatisch an der Oberseite der Diode 2 zentriert wird.

Als nächstes wird die Tellerfeder 5 mit einer geeigneten Preßvorrichtung zusammengedrückt, und während sich die Tel lerfeder 5 in einem zusammengedrückten Zustand befindet, werden die oberen Enden des Gehäuses 1 b plastisch nach innen verformt, so daß verhindert wird, daß die Tellerfe der 5 aus ihrer Position in einen entspannten Zustand zu rückkehrt. Infolgedessen übt die Tellerfeder 5 eine nach unten gerichtete Kraft auf den Ring 4 aus, der die Basis 3 a des Kathodenstiftes 3 fest gegen die Diode und die Diode 2 fest gegen die Basis 1 a des Trägers 1 drückt.

Die Kappe 6 wird dann über dem Träger 1 angeordnet, wobei der Kathodenstift 3 sich in das Zentrum des Verbindungsroh res 6 b erstreckt. Das untere Ende des zylindrischen Unter teiles 6 c der Kappe 6 und der Flansch 1 a des Gehäuses 1 b werden aneinander angeschweißt, um eine luftdichte Dich tung zu bilden. Zuletzt wird eine Leitung 7 in das obere Ende des Verbindungsrohres 6 b eingesetzt, und das Verbin dungsrohr 6 b wird durch das Anlegen eines äußeren Druckes zusammengequetscht, um eine gute mechanische und elektri sche Verbindung zwischen dem Stiftteil 3 b, den Wänden des Verbindungsrohres 6 b und der Leitung 7 zu erzeugen.

Die oben beschriebene herkömmliche Halbleiteranordnung hat den Nachteil, daß das Stiftteil 3 b des Kathodenstiftes 3 lang und schlank ist und von einem magnetischen Material in Form der Tellerfeder 5 umgeben ist. Sie hat somit eine hohe Induktivität wenn Strom hindurchfließt. Wegen der Struktur des Verbindungsrohres 6 b muß außerdem die Leitung 7 schlank sein, was zu einer hohen Induktivität führt.

Wenn eine solche Halbleiteranordnung als Teil eines Dämpfers für einen Steuerelektroden-Abschaltthyristor verwendet wird, so ist aufgrund der hohen Induktivität der Anord nung die Überschwingspannung zum Abschaltzeitpunkt hoch, und der steuerbare Strom des Steuerelektroden-Abschalt thyristors ist klein.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Halbleiteranord nung anzugeben, die eine niedrige Induktivität aufweist.

Gemäß der Erfindung wird eine Halbleiteranordnung geschaf fen, die an eine Leitung mit großem Durchmesser anschließ bar ist. In vorteilhafter Weise ist dabei die Halbleiteran ordnung gemäß der Erfindung kompakt ausgebildet.

Die Induktivität der erfindungsgemäßen Halbleiteranordnung wird durch die Verwendung einer Kathode verringert, die kürzer ist und einen größeren Durchmesser hat als ein her kömmlicher Kathodenstift. Eine Druckeinrichtung in Form einer Tellerfeder, die die Kathode gegen ein Halbleiterele ment drückt, besteht aus einem nichtmagnetischen Material, wie z.B. rostfreiem Stahl, um die Induktivität der Anord nung weiter zu verringern. Die Kathode hat ein Gewindeloch, das in seiner Oberseite ausgebildet ist, in das eine Leitung einschraubbar ist. Diese Art der Verbindung ermöglicht es, daß der Durchmesser der Leitung größer ist als der einer Leitung für eine herkömmliche Halbleiteranordnung, so daß die Induktivität weiter verringert wird.

Eine Halbleiteranordnung gemäß der Erfindung weist folgen de Komponenten auf: Eine elektrisch leitende Basis mit ei ner flachen Oberseite, die als erste Elektrode dient; ein zylindrisches Gehäuse, das an der Oberseite der Basis in luftdichter Weise befestigt ist; ein Halbleiterelement, das im Innenraum des Gehäuses angeordnet ist und auf der Oberseite der Basis in elektrischem Kontakt mit dieser sitzt; eine zweite Elektrode, deren Höhe grob in der Größen ordnung ihres Durchmessers liegt und die auf der Oberseite des Halbleiterelementes im Innenraum des Gehäuses sitzt und in elektrischem Kontakt mit dem Halbleiterelement steht und eine flache Oberseite besitzt, in der ein Gewindeloch für eine elektrische Leitung mit einem Gewindeende ausge bildet ist; eine Druckeinrichtung, um die zweite Elektrode gegen das Halbleiterelement zu drücken; und eine Kappe mit einem Loch in der Mitte seiner Oberseite, wobei der Innen umfang des Loches mit der zweiten Elektrode in luftdichter Weise verbunden ist und der Umfang des Unterteiles der Kappe mit dem zylindrischen Gehäuse in luftdichter Weise verbunden ist.

Eine Halbleiteranordnung gemäß der Erfindung kann eine An ordnung mit flacher Basis oder eine Anordnung in Stift- oder Zapfenbauart sein. Im ersten Falle ist die Basis mit flachem Boden ausgebildet und hat in seiner Unterseite ein Gewindeloch, mit dem es an eine Schaltung anschließbar ist. Im zweiten Falle ist die Basis mit einem Gewindezapfen versehen, der an ihrer Unterseite ausgebildet ist.

Die Erfindung wird nachstehend, auch hinsichtlich weite rer Merkmale und Vorteile, anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die beilie gende Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in

Fig. 1 eine Seitenansicht im Schnitt, teilweise mit Wegbrechungen, einer herkömmlichen Halblei teranordnung in Zapfenbauart;

Fig. 2 eine Seitenansicht im Schnitt einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Halb leiteranordnung in Zapfenbauart; und in

Fig. 3 eine Seitenansicht im Schnitt einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Halb leiteranordnung mit flacher Basis.

Im folgenden werden durchgehend gleiche Bezugszeichen für gleiche oder entsprechende Komponenten verwendet. Dabei wird zunächst auf Fig. 2 Bezug genommen, die eine erste Ausführungsform einer Dioden-Anordnung in Zapfenbauart zeigt.

Eine derartige Diode in Zapfenbauart hat einen herkömmli chen Diodenträger 1, der mit Zapfen versehen ist und der eine sechseckige Kupferbasis 1 a mit flacher Oberseite, ein Eisengehäuse 1 b, das an der Oberseite der Basis 1 a durch Hartlöten befestigt ist, um eine luftdichte Verbin dung zu bilden, einen Gewindezapfen 1 c aus Kupfer, der an der Unterseite der Basis 1 a integral ausgebildet ist, so wie einen Eisenflansch 1 d auf, der an der Außenfläche des Gehäuses 1 b ausgebildet ist.

Das Gehäuse 1 b umgibt ein Halbleiterelement in Form einer Diode 2, obwohl auch eine andere Art von Halbleiterelement ebensogut verwendet werden kann, wie z.B. ein Thyristor oder ein Triac. Die Diode 2 ist von der Basis 1 a getragen und steht in gutem elektrischen Kontakt mit dieser. Die Basis 1 a dient als erste Elektrode für die Diode 2. Die Diode 2 ist sandwichartig zwischen der Basis 1 a und einer zweiten Elektrode in Form einer Kupferkathode 13 angeord net, deren Unterseite in gutem elektrischen Kontakt mit der Diode 2 steht. Die Kathode 13 hat eine im allgemeinen zylindrische Gestalt, sie ist aber viel kürzer als der her kömmliche Kathodenstift 3 gemäß Fig. 1, wobei ihre Höhe grob in der Größenordnung ihres Durchmessers liegt. Ein flacher vorstehender Rand 13 a ist um den unteren Umfang der Kathode 13 ausgebildet, während ein Gewindeloch 13 b im Zentrum seiner Oberseite ausgebildet ist. Eine nicht dargestellte Leitung mit einem Gewindeende kann mit der Ka thode 13 verbunden werden, indem man sie in dieses Gewinde loch 13 b hineinschraubt. Ein Eisenbund 13 c ist über das obere Ende der Kathode 13 gesetzt und daran durch Hartlö ten befestigt.

Der vorstehende Rand 13 a der Kathode 13 trägt einen her kömmlichen elektrisch isolierenden Keramikring 4, und der Ring 4 trägt eine Tellerfeder 15, die aus einem nichtmag netischem Material besteht, wie z.B. aus rostfreiem Stahl SUS 304. Die Kathode 13 geht durch die Löcher in den Zen tren des Ringes 4 und der Tellerfeder 15 hindurch. Die Außendurchmesser des Ringes 4 und der Tellerfeder 15 sind im wesentlichen gleich dem Innendurchmesser des Gehäuses 1 b.

Die Innenseite oder der Innenraum der Halbleiteranordnung ist mit einer Kappe 16 abgedichtet, die ein ringförmiges, elektrisch isolierendes Mittelteil 16 a aus Keramik, ein ringförmiges Oberteil 16 b aus Eisen, das an das Mittel teil 16 a angelötet ist, und ein zylindrisches Unterteil 16 c aus Eisen auf, das ebenfalls an das Mittelteil 16 a mit einer Hartlötung angelötet ist. Das Oberteil 16 b der Kappe 16 ist längs des Umfanges des Loches in seinem Zen trum an den Eisenring 13 c der Kathode 13 angeschweißt, während das untere Ende des Unterteiles 16 c längs seines gesamten Umfanges an den Flansch 1 d des Gehäuses 1 b an geschweißt ist. Die Schweißungen werden so durchgeführt, daß luftdichte Verbindungen hergestellt werden.

Das Verfahren der Montage der Diode vom Zapfentyp gemäß Fig. 2 ist ähnlich wie das bei dem Zusammenbau einer her kömmlichen Diode vom Zapfentyp gemäß Fig. 1. Zunächst wird eine Diode 2 in das Gehäuse 1 b des mit Zapfen versehenen Trägers 1 eingesetzt und flach auf der Basis 1 a angeordnet. Als nächstes werden der elektrisch isolierende Ring 4 und die Tellerfeder 15 über der Kathode 13 angeordnet, und die Kathode 13 wird in das Gehäuse 1 b eingesetzt, wobei seine Unterseite auf der Diode 2 aufliegt. Die Tellerfeder 15 wird von oben mit einer geeigneten Preßvorrichtung zusam mengedrückt, und während die Tellerfeder 15 sich in einem zusammengedrückten Zustand befindet, werden die oberen Enden des Gehäuses 1 b plastisch nach innen verformt, um die Tellerfeder 15 in einem zusammengedrückten Zustand zu halten.

Infolgedessen drückt die Tellerfeder 15 die Kathode 13 fest gegen die Diode 2, und die Diode 2 drückt fest gegen die Basis 1 a des Trägers 1. Die Kappe 16 wird dann über dem Gehäuse 1 b angeordnet und an den Bund oder Ring 13 c der Kathode 13 sowie an den Flansch 1 d des Gehäuses 1 b angeschweißt, um luftdichte Schweißungen zu bilden und die Diode 2 innerhalb der Anordnung hermetisch abzudich ten. Eine nicht dargestellte Leitung mit einem Gewinde ende wird dann in das Gewindeloch 13 b der Kathode 13 ein geschraubt.

Eine Diode vom Zapfentyp gemäß der Erfindung ist wesent lich kürzer als eine herkömmliche Diode vom Zapfentyp ge mäß Fig. 1. Beispielsweise beträgt bei einer Diode der 400 Ampere Klasse die Höhe vom Boden der Diode 2 bis zur Oberseite der Kappe 6 einer herkömmlichen Diode vom Zapfen typ 80 mm, während die Höhe für eine Diode der erfindungs gemäßen Zapfenbauart nur 25 mm beträgt. Außerdem ist der Durchmesser des Stiftteiles 3 a des Kathodenstiftes 3 gemäß Fig. 1 im allgemeinen nur 10 mm, während der minimale Durchmesser der Kathode 13 der Ausführungsform gemäß Fig. 2 einen Wert von 20 mm hat.

Somit ist die Induktivität der Kathode 13 selbst wesent lich kleiner als die eines herkömmlichen Kathodenstiftes 3. Die Induktivität der Anordnung wird weiterhin verringert durch die Verwendung einer nichtmagnetischen Tellerfeder 15 anstelle einer herkömmlichen magnetischen Tellerfeder 5. Wenn dementsprechend eine erfindungsgemäße Diode in Zapfen bauart als Teil eines Dämpfers für einen Steuerelektroden- Abschaltthyristor verwendet wird, wird die Überschwingspan nung zum Zeitpunkt des Abschaltens verringert und der steuerbare Strom des Thyristors kann vergrößert werden.

Da außerdem die Kathode 13 mit einer Leitung über ein Ge windeloch 13 b verbunden ist, kann der Durchmesser der Lei ter vergrößert werden, was zu einer weiteren Verringerung der Induktivität des Dämpfungsgliedes führt.

Eine erfindungsgemäße Halbleiteranordnung hat den weiteren Vorteil, daß sie wesentlich kompakter ist als eine her kömmliche Anordnung, und zwar aufgrund der reduzierten Höhe der Kathode 13.

Fig. 3 zeigt eine zweite Ausführungsform der Erfindung in Form einer Diode mit flacher Basis. Bei dieser Ausfüh rungsform ist der mit Zapfen versehene Träger 1 der obigen Ausführungsform ersetzt durch einen Träger 21 mit flachem Boden. Der Träger 21 hat eine scheibenförmige Kupferbasis, die den Boden des Trägers 21 bildet und als erste Elektrode dient. Ein Eisengehäuse 21 b, das identisch ist mit dem Eisengehäuse 1 b gemäß Fig. 2, ist an der Oberseite der Basis 21 a durch Hartlöten befestigt. Das Gehäuse 21 b hat einen Eisenflansch 21 c, der an seiner Außenfläche ausge bildet ist und der sich um seinen gesamten Umfang er streckt. Die Basis 21 a hat ein Gewindeloch 21 d, das in seiner Bodenfläche ausgebildet ist, sowie ein Außengewin de 21 e, das an seinem Außenumfang ausgebildet ist. Mit dem Gewindeloch 21 d und dem Außengewinde 21 e kann die Ba sis 21 a mit einem geeigneten elektrischen Verbindungsteil verbunden werden.

Das Gehäuse 21 b des Trägers 21 nimmt eine Diode 2, eine zweite Elektrode in Form einer Kupferkathode 23, einen elektrisch isolierenden Keramikring 4 und eine nichtmag netische Tellerfeder 15 auf, die übereinander in der glei chen Weise wie bei der vorher beschriebenen Ausführungs form angeordnet sind. Diese Bauteile werden mit einer Kappe 16 abgedeckt, die den gleichen Aufbau hat wie die Kappe 16 gemäß Fig. 2. Die Kathode 23 unterscheidet sich bei der Ausführungsform etwas von der Kathode 13 der vor herigen Ausführungsform.

Die Kathode 23 hat einen längs des Umfanges verlaufenden flachen vorstehenden Rand 23 a, der den elektrisch isolie renden Ring 4 und die Tellerfeder 15 trägt, sowie einen Eisenring oder Eisenbund 23 b, der an den Außenumfang der Kathode 23 mit Hartlötung angelötet ist und an das Ober teil 16 b der Kappe 16 angeschweißt ist. Im Gegensatz zur Kathode 13 gemäß Fig. 2 steht jedoch das Oberteil der Kathode 23 bei dieser Ausführungsform über die Oberseite der Kappe 16 vor. Ein Gewindeloch 23 c ist im Zentrum sei ner Oberseite ausgebildet und ein Außengewinde 23 d ist an seinem Außenumfang ausgebildet. Mit dem Gewindeloch 23 c und dem Außengewinde 23 d kann eine Leitung mit einem Ge windeende mit der Kathode 23 verbunden werden.

Die Kathode 23 hat im wesentlichen die gleichen Abmessun gen wie die Kathode 13, die bei der vorherigen Ausführungs form verwendet wird, und dementsprechend hat sie eine we sentlich niedrigere Induktivität als ein herkömmlicher Kathodenstift 3. Eine Kathode 23 dieser Bauart kann eben falls als Halbleiteranordnung der Zapfenbauart gemäß Fig. 2 verwendet werden. Der Zusammenbau der Ausführungs form gemäß Fig. 3 ist identisch wie bei der vorherigen Ausführungsform, und es können die gleichen Wirkungen mit dieser Ausführungsform erzielt werden. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird daher ausdrücklich auf die obigen Darlegungen Bezug genommen.

Claims

1. Halbleiteranordnung, gekennzeichnet durch

- eine elektrisch leitende Basis (1 a, 21 a), die eine flache Oberseite hat und als erste Elektrode dient;
- ein zylindrisches Gehäuse (1 b, 21 b) dessen unteres Ende an der Oberseite der Basis (1 a, 21 a) in luftdichter Weise be festigt ist und von der Basis (1 a, 21 a) nach oben vorsteht;
- ein Halbleiterelement (2), das im Innenraum des Gehäuses (1 b, 21 b) angeordnet ist und auf der Oberseite der Basis (1 a, 21 a) in elektrischem Kontakt mit dieser sitzt;
- eine zweite Elektrode (13, 23), deren Höhe grob in der Größenordnung ihres Durchmessers liegt und die auf der Oberseite des Halbleiterelementes (2) im Innenraum des Gehäuses (1 b, 21 b) in elektrischem Kontakt mit dem Halbleiterelement (2) sitzt, wobei die zweite Elektrode (13, 23) eine flache Oberseite aufweist, in der ein Gewindeloch (13 b, 23 c) ausgebildet ist, in welches eine elektrische Leitung einschraubbar ist;
- eine Druckeinrichtung (15), die die zweite Elektrode (13, 23) gegen das Halbleiterelement (2) andrückt; und
- eine Kappe (16) mit einem Loch in der Mitte seiner Oberseite, wobei der Innenumfang des Loches in der Kappe (16) mit der zweiten Elektrode (13, 23) in luft dichter Weise verbunden ist und der Umfang des Unter teiles (16 c) der Kappe (16) mit dem zylindrischen Ge häuse (1 b, 21 b) in luftdichter Weise verbunden ist.

2. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das obere Ende der zweiten Elektrode (23) zylin drisch ist und ein Gewinde auf seinem Außenumfang aufweist.

3. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis (1 a) einen Gewindezapfen (1 c) aufweist, der an ihrer Unterseite ausgebildet ist.

4. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis (21 a) eine flache Unterseite aufweist und daß ein Gewindeloch (21 d) für ein elektrisches Verbin dungsteil im Zentrum ihrer Unterseite ausgebildet ist.

5. Halbleiteranordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis (21 a) scheibenförmig ist und an ihrem Außenumfang ein Gewinde (21 e) aufweist.

6. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Elektrode (13, 23) einen vorstehenden Rand (13 a, 23 a) aufweist, der in ihrem unteren Bereich ausgebildet ist;
daß die Druckeinrichtung (15) eine Tellerfeder aufweist, die aus einem nichtmagnetischen Material besteht und die über die zweite Elektrode (13, 23) paßt und auf dem vor stehenden Rand (13 a, 23 a) innerhalb des Gehäuses (1 b, 21 b) sitzt;
und daß das obere Ende des Gehäuses (1 b, 21 b) nach innen gebogen ist, um die Tellerfeder (15) in einem zusammen gedrückten Zustand zu halten, so daß die Tellerfeder (15) die zweite Elektrode (13, 23) gegen das Halbleiterelement (2) andrückt.