DE3900512A1 - Halbleiterbauelement fuer ein schaltnetzteil - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Halbleiterschalter für ein Schaltnetzteil zur Stromversorgung von starke Ströme aufnehmenden Verbrauchern, insbesondere elektrischen Schweiß­ geräten, bei dem eine Halbleiterelektrode (Kollektor, Kathode), flächig unter Zwischenschaltung einer Isolierplatte an einer metallischen Trägerplatte befestigt ist, wobei die Isolier­ platte eine mit der Halbleiterelektrode verbundene Kontakt­ schicht trägt.

Durch das Ein- und Ausschalten des bzw. der Halbleiterschal­ ter in einem derartigen Schaltnetzteil entsteht an diesen eine hochfrequente Rechteckspannung, die einen über unvermeidbare parasitäre Kapazitäten fließenden Hochfrequenzstrom zur Folge hat, der über einen am Schaltnetzteil angebrachten Schutzerde­ kontakt in das Netz gelangt, wo er unerwünschte Hochfrequenz­ störungen hervorrufen kann. Um solche Störungen zu vermeiden, kann man gemäß einer auf Seite 166 des Buches "Schaltnetzteile, expert verlag 7031 Grafenau 1" beschriebenen Schaltung den Hochfrequenz führen­ den Teil des Schaltnetzteils, also insbesondere seine Halblei­ terbauelemente, in einer metallischen Abschirmung unterbringen.

Mit Rücksicht auf die sonstigen Bauteile des Schaltnetz­ teils bedingt eine solche Abschirmung einen erheblichen Aufwand, sie führt außerdem zu einer gewissen Unzugänglich­ keit der in ihr untergebrachten Bauelemente und einer ver­ schlechterten Wärmeableitung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, in einfacher Weise die Hochfrequenzstörströme vom Netz fernzuhalten. Erfindungs­ gemäß geschieht dies dadurch, daß zwischen die Isolierplatte und die Trägerplatte ein Laminat aus einer weiteren Isolierplatte und einer elektrisch herausgeführten Metallschicht derart gelegt ist, daß die Metallschicht zwischen den Isolierplatten liegt und ihre Herausführung an das Gleichpotential am Halbleiterbau­ element angeschlossen ist, wobei der durch die Halbleiterelek­ trode und die Metallschicht gebildete Kondensator am Halblei­ terbauelement entstehende hochfrequente Störströme kurzschließt.

Auf Grund der Einschaltung des Laminats, bestehend aus der weiteren Iso­ lierschicht und der Metallschicht vor der Trägerplatte und dem Anschluß der Metallschicht an ein Gleichpotential wird er­ reicht, daß die durch die Rechtecksteuerung am Halbleiter­ bauelement entstehenden hochfrequenten Störströme von der Trägerplatte ferngehalten und über den durch die Metallschicht und die Halbleiterelektrode gebildeten Kondensator mittels Kurzschluß praktisch an der Quelle beseitigt wird, so daß diese Störströme nicht ins Netz gelangen können. Dabei wird dieser Kondensator auf konstruktiv elegante Weise in das Halbleiterbauelement integriert, wodurch sich kürzest mög­ liche Leitungslängen und damit eine besondere Wirksamkeit des Kurzschlusses ergeben.

Im Sinne einer kompakten Ausführung des Halbleiterbauelementes gestaltet man diese zweckmäßig so, daß die Isolierschicht und die Isolierplatten beidseitig metallisiert und durch Verlöten mit der jeweils benachbarten Schicht verbunden sind.

In den Figuren zeigt

Fig. 1 ein bekanntes Schaltnetzteil,

Fig. 2 den konstruktiven Aufbau des Halbleiter­ bauelementes, und zwar als Halbleiter­ schalter aus dem Schaltnetzteil gemäß Fig. 1.

Der in Fig. 1 dargestellten Schaltung wird eine Drei-Phasen- Netzspannung üblicher Spannungshöhe (z. B. 380 V) über die drei Klemmen 1, 2, 3 zugeführt, die von den Gleichrichtern 4 gleichgerichtet und von dem Kondensator 5 geglättet wird. Die am Kondensator 5 stehende Spannung wird über die Leitungen 6, 7 den Halbleiterschaltern 8 und 9 zugeführt, die mittels des Taktsteuergerätes 10 durchgeschaltet werden. Das Takt­ steuergerät 10 erhält über den Anschluß 33 eine in diesem Zusammenhang nicht interessierende Steuerspannung zum Starten und Stoppen des Schalternetzteils und zur Regelung seines Tastverhältnisses, womit das Schaltnetzteil an den jeweiligen Strombedarf angepaßt wird. Das Taktsteuer­ gerät 10 gibt über die Leitungen 11 und 12 periodisch Takt­ impulse von z. B. 20 kHz an die Treiberschaltungen 13 und 14 ab, von denen die Halbleiterschalter 8 und 9 in bekann­ ter Weise entsprechend gesteuert werden. Die Treiberschal­ tungen 13 und 14 sind über die Übertrager 15 und 32 an die Leitungen 11 und 12 angekoppelt. Die Steuerung der Halbleiterschalter 8 und 9 erfolgt so, daß diese gleichzei­ tig durchgeschaltet werden, so daß sich vom Kondensator 5 ausgehend ein Stromkreis über die Leitung 6, den Halb­ leiterschalter 8 und die Leitung 16 zur Primärwicklung 21 des Transformators 17 ausbildet, der sich über die Leitung 18 und den Halbleiterschalter 9 zur Leitung 7 fortsetzt, womit vom Kondensator 5 zum Transformator 17 über die bei­ den Halbleiterschalter 8 und 9 ein durchgehender Stromkreis geschlossen ist. Während der folgenden Sperrphase der Halb­ leiterschalter 8 und 9 bildet sich unter der Wirkung der im Transformator 17 gespeicherten Energie folgender Strom­ kreis aus: Von der Primärwicklung 21 des Transformators 17 über die Leitung 18 zur Diode 19 und über die Leitung 6 zum Kondensator 5, andererseits über die Leitung 16 zur Diode 20 und über die Leitung 7 zum Kondensator 5, womit wiederum ein geschlossener Stromkreis geschaffen ist.

Während der Durchlässigkeitsphase der Halbleiterschalter 8 und 9 ergibt sich auf der Sekundärseite 22 des Transformators 17 ein Strom über die Leitung 23, den Gleichrichter 24, die Leitung 25, die Speicherdrossel 26 zur Klemme 27 des Ver­ brauchers V, von diesem über die Klemme 28 zur Leitung 29 zurück zur Sekundärseite 22 des Transformators 17. Während der Sperrphase der Halbleiterschalter 8 und 9 entlädt sich die Speicherdrossel 26 in einem Stromkreis über die Klemmen 27 und 28 und die Leitung 29 zum Freilaufgleichrichter 30 und zurück über die Leitung 25 zur Speicherdrossel 26. Damit fließt über den an die Klemmen 27 und 28 angeschlossenen Verbraucher V ein Gleichstrom mit einer geringen Restwel­ ligkeit. Die Gleichrichter 24 und 30 bilden dabei den Ausgangsgleichrichter.

Auf Grund der Rechtecksteuerung der Halbleiterschalter 8 und 9 fällt an diesen eine Rechteckspannung ab, die hochfrequente Komponenten enthält. Diese hochfrequenten Komponenten äußern sich als hochfrequente Störströme, die auf Grund der Po­ tentialverhältnisse im Schaltnetzteil sich über parasitäre Kapazitäten zu geerdeten Konstruktionselementen und damit über Erde ins Netz geleitet werden. Das Netz wird auf diese Weise mit hochfrequenten Störströmen verseucht, wenn diese hochfrequenten Störströme nicht durch besondere Maßnahmen vom Netz ferngehalten werden.

Ein solcher Weg für hochfrequente Ströme ist für herkömmliche Halbleiter­ bauelemente in Fig. 1 dargestellt, und zwar als Abzweig 34 am Halbleiter­ schalter 9, der über den parasitären Kondensator 35 nach Erde führt. Da nun die Stromversorgung im Falle des Schaltnetzteils gemäß Fig. 1 aus einer Drei-Phasen-Netzspannung besteht, deren Sternpunkt 36 in üblicher Weise ebenfalls an Erde liegt, ergibt sich für den über die Abzweigung 34 abfließenden hochfrequenten Stör­ strom ein geschlossener Stromkreis. Die physikalische Gesetz­ mäßigkeit, gemäß der über den parasitären Kondensator 35 ein hochfrequenter Strom fließt, ist das Gesetz

Auf Grund des rechteckförmigen Durchschaltens der Transistoren 8 und 9 ergeben sich entsprechende Rechteckspannungen auch an den in der Schaltung enthaltenen Dioden, so daß auch diese Bauelemente Quellen hochfrequenter Störströme bilden.

In Fig. 1 ist die schaltungstechnische Eliminierung dieser Störströme im Zusammenhang mit den Halbleiterschaltern 8 und 9 und den Dioden 19 und 20 dargestellt. Es handelt sich dabei um die Kondensatoren 37, 38, die die Halbleiterschalter 8 und 9 überbrücken, und die Kondensatoren 39 und 40, die die Dioden 19 und 20 überbrücken. Diese überbrückenden Konden­ satoren sind jeweils mit ihrer einen Seite an die Leitung 6 bzw. 7 gelegt, welche Leitungen jeweils an einer der Pole der aus den Gleichrichtern 4 bestehenden Gleichrichterschal­ tung liegen und damit Gleichspannungspotential führen. Dieses Gleichspannungspotential sorgt dafür, daß hier keine hoch­ frequente Wechselspannung entsteht und daher von ihr auch kein hochfrequenter Störstrom über irgendwelche weiteren parasitären Kapazitäten nach Erde bzw. einem Massenanschluß abfließen kann.

Die konstruktive Realisierung dieser Überbrückung mit Konden­ satoren ist in Fig. 2 dargestellt, und zwar an Hand des Halbleiterschalters 9.

Der in Fig. 2 dargestellte Halbleiterschalter ist nach Art eines Transistors 41 aufgebaut, der aus Basis 43, Emitter 42 und Kollektor 44 besteht. An diese Bestandteile des Transistors 41 sind in üblicher Weise Elektroden 51, 52, 53 für die weitere Ver­ drahtung angeschlossen. Bei dem Anschluß für den Kollektor 44 handelt es sich um eine auf der Isolierplatte 46 angebrachte Metallisierung 45, mit der die der Emitter 42 abgewandte Seite des Kollektors 44 flächig verbunden ist. An die Isolier­ platte 46 schließt sich die Metallschicht 47 an, der die Isolierplatte 48 folgt. Diese sitzt flächig auf der aus Me­ tall bestehenden Trägerplatte 49 auf.

Diese Anordnung von flächig aufeinander aufliegenden Schich­ ten bzw. Platten ist durch Verlöten fest verbunden, und zwar dadurch, daß die Isolierplatten 46 und 48 Metallüberzüge auf­ weisen, die dann durch Verlöten mit den jeweils benachbarten Schichten bzw. dem Kollektor 44 des Transistors 41 verbunden sind.

Zwischen der Metallisierung 45, die die Elektrode des Kollek­ tors 44 bildet, und der Metallschicht 47 ergibt sich auf Grund der dazwischenliegenden Isolierplatte 46 eine Kapazität, die mit gestrichelten Linien als Kondensator 37 in Fig. 1 und 2 eingezeichnet ist. Damit nun dieser Kondensator 37 schaltungs­ technisch seine an Hand der Fig. 1 erläuterte Wirkung entfal­ ten kann, wird seine eine Seite, hier die Metallschicht 47, an das Gleichpotential am Halbleiterschalter 9 angeschlos­ sen, hier am Emitter 42. Dies ist in der Fig. 2 durch die Lei­ tung 50, die Brücke 54 und die Elektrode 52 dargestellt.

Fig. 2 zeigt deutlich, daß sich auf Grund der konstruktiven Gestaltung des Transistors 41 ein den Transistor 41 (entspre­ chend die Halbleiterschaltung 18 in Fig. 1) über kurze Ver­ bindungen überbrückender Kondensator 38 entsprechend 37 realisieren läßt, der den oben beschriebenen Kurzschluß für die hochfrequenten Störströme bildet und der als Schirmung des Transistors 41 gegenüber der Trägerplatte 49 wirkt, die mit Schutzerde verbunden ist.

In gleicher Weise lassen sich die in der Schaltung gemäß Fig. 1 verwendeten Dioden, also insbesondere die Dioden 19 und 20, realisieren, bei denen dann lediglich in der Anordnung gemäß Fig. 2 der Transistor 41 durch eine aus Halb­ leitermaterial aufgebaute Diode zu ersetzen ist. Es fällt dabei lediglich die Basis 43 weg, der sonstige konstruktive Aufbau und sein innerer Zusammenhalt ist dabei der gleiche wie im Zusammenhang mit Fig. 1 beschrieben.

Es sei noch darauf hingewiesen, daß es sich bei dem erfin­ dungsgemäß gestalteten Halbleiterbauelement um eine Mehrzahl von Halbleiterschaltern bzw. Dioden handeln kann, die auf einer gemeinsamen Trägerplatte angebracht sind. Dabei werden dann zweckmäßig auch die beiden Isolierplatten und die dazwi­ schenliegende Metallschicht als sich über alle Halbleiterele­ mente erstreckende Schichten bzw. Platten ausgeführt, womit ein üblicherweise als Modul bezeichnetes größeres Bauelement entsteht.

Claims (2)

1. Halbleiterbauelement für ein mit Rechteckspannung ge­ steuertes Schaltnetzteil zur Stromversorgung von starke Ströme aufnehmenden Verbrauchern, insbesondere elektrischen Schweiß­ geräten, bei dem eine Halbleiterelektrode (Kollektor, Kathode), flächig unter Zwischenschaltung einer Isolierplatte an einer metallischen Trägerplatte befestigt ist, wobei die Isolier­ platte eine mit der Halbleiterelektrode verbundene Kontakt­ schicht trägt, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Isolierplatte (46) und die Trägerplatte (49) ein Laminat aus einer weiteren Isolierplatte (48) und einer elektrisch herausgeführten Metallschicht (47) derart gelegt ist, daß die Metallschicht (47) zwischen den Isolierplatten (46, 48) liegt und ihre Herausführung (50) an das Gleichpoten­ tial am Halbleiterbauelement (41) angeschlossen ist, wobei der durch die Halbleiterelektrode (44) und die Metallschicht (47) gebildete Kondensator (37) am Halbleiterbauelement (41) ent­ stehende hochfrequente Störströme kurzschließt.

2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierplatten beid­ seitig metallisiert und durch Verlöten mit der jeweils benach­ barten Schicht verbunden sind.