DE4317215A1 - Hochspannungsbauelement - Google Patents

Description

TECHNISCHES GEBIET

Bei der Erfindung wird ausgegangen von einem Hochspannungsbauelement nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

STAND DER TECHNIK

Mit dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 nimmt die Erfindung auf einen Stand der Technik Bezug, wie er aus dem von E. Philippow herausgegebenen Taschenbuch Elektrotechnik, Band 6, VEB Verlag Technik Berlin, 1982, S. 320-328, bekannt ist. Dort wird darauf hingewiesen, daß zur Erhöhung der Überschlagspannung auf einen luftspaltfreien Übergang zwischen Elektrode und Isolierkörper sowie auf glatte Grenzflächen in Feldrichtung ohne Querspalte geachtet werden soll. Durch umhüllte Elektroden und/oder durch vorgeschobene bzw. eingezogene Elektroden kann die Feldstärke an der Grenzfläche in Luft am Übergang Elektrode - Grenzfläche vermindert werden. Bei einer Isolatorkette ist es bekannt, vgl. dort Bild 2.107, eine ringförmige Steuerelektrode am spannungsseitigen Ende vorzusehen.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Die Erfindung, wie sie im Patentanspruch 1 definiert ist, löst die Aufgabe, ein Hochspannungsbauelement der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, daß mit einfachen Maßnahmen eine hohe Überschlagspannung am Übergang Isolator - Elektrode erreicht werden kann.

Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, daß Hochspannungsbauelemente mit relativ dünnen Isolatorschichten von 0,6 mm Dicke eine Isolationsspannung von 9,5 kV bei 50 Hz 1 min lang ohne Durchschlag aushalten, wie es für Leistungshalbleiter mit einer Betriebsspannung von 4,5 kV erforderlich ist. Mit einfachen Maßnahmen kann die Spannungsfestigkeit vom Leistungshalbleitermodulen erhöht werden.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbei­ spielen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 Potentiallinien an einem Isolator-Metall- Übergang,

Fig. 2 einen Isolator-Metall-Übergang mit Koronaring,

Fig. 3 einen Isolator-Metall-Übergang mit einer bügelförmigen Potentialbarriere,

Fig. 4 einen Isolator-Metall-Übergang mit einer deckelförmigen Potentialbarriere oder einer metallisierten Kappe,

Fig. 5 eine Isolatorplatte mit Metallbasisschicht in Draufsicht,

Fig. 6 einen Metallrahmen mit Bauelementauflagen zur Auflage auf die Metallbasisschicht gemäß Fig. 5 in Draufsicht,

Fig. 7 eine Prinzipdarstellung eines Leistungshalbleitermoduls im Querschnitt, ohne Gehäuse,

Fig. 8 eine Prinzipdarstellung zum Aufbringen einer Metallschicht als Koronaring auf isolierendes Material und

Fig. 9 einen Isolator-Metall-Übergang mit einer nichtmetallischen Schicht als Potentialbarriere.

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

Fig. 1 zeigt Äquipotentiallinien (P) im Übergangsbereich von einer abschnittsweise im Querschnitt dargestellten Keramikscheibe bzw. Isolatorplatte (1) und zwei diese Isolatorplatte (1) abschnittsweise bedeckenden Metallscheiben bzw. Elektroden (2). Daraus geht hervor, daß die größte Dichte der Äquipotentiallinien (P) im Bereich der Kante liegt, an welcher Isolatorplatte (1), Elektrode (2) und Luft, bzw. Gas oder Vakuum, d. h. 3 Materialien (abgesehen vom Vakuum) mit unterschiedlicher Dielektrizitätskonstante zusammentreffen. An dieser Kante können bei hohen elektrischen Spannungen Poren oder Mikrorisse in der Isolatorplatte (1) entstehen, wenn keine besonderen Vorkehrungen getroffen werden.

Die nicht maßstabsgerechte Fig. 2 zeigt im Querschnitt eine 0,6 mm-1 mm dicke Isolatorplatte (1) aus Keramik, z. B. aus Al₂O₃ oder AlN, mit einer 2 mm dicken Elektrode (2) aus Kupfer und darauf eine mit der Elektrode (2) elektrisch verbundene Potentialbarriere bzw. einen Koronaring (3) aus Metall, vorzugsweise aus einer Eisen-Nickellegierung, der die Elektrode (2) umfangseitig überragt, mit Abstand zur Isolatorplatte (1). Durch diese Anordnung verringert sich die Dichte der Äquipotentiallinien (P) im Nahbereich der kritischen 3Bereichskante. Beschädigungen in der Isolatorplatte (1) treten bei Spannungen bis zu 10 kV nicht mehr auf. Ein nicht dargestelltes elektrisches Bauelement kann innerhalb dieses Koronaringes (3) mit der Elektrode (2) kontaktiert sein. Der Koronaring (3) kann z. B. an die Elektrode (2) gelötet oder geklebt sein.

Die ebenfalls nicht maßstabsgerechten Fig. 3 und 4 zeigen abschnittsweise eine Isolatorplatte (1) mit einer Elektrode (2) und mit im Vergleich zum Koronaring (3) anderen Potentialbarrieren (5, 8). Bei Fig. 3 ist die Potentialbarriere (5) ein Metallbügel oder ein Metallband, das die Isolatorplatte (1) umfangseitig 0,2 mm bis 10 mm, vorzugsweise 2 mm, überragt, mit Abstand zur Isolatorplatte (1). Diese Potentialbarriere (5) ist einerseits an einer 1. Metallverbindungsstelle bzw. Löt-, Schweiß- oder Klebstelle (4) mit der Elektrode (2) elektrisch verbunden und andererseits über eine 2. Metallverbindungsstelle (6) und über eine elektrische Leitung an einer Metallverbindungsstelle (7) ebenfalls mit der Elektrode (2).

Bei Fig. 4 besteht die Potentialbarriere aus einer Metallkappe oder einer metallisierten Kappe bzw. Koronakappe (8), vorzugsweise aus Aluminium oder Zink, die im Preßsitz auf die Elektrode (2) aufsetzbar bzw. aufsteckbar ist.

Fig. 5 zeigt in Draufsicht eine Isolatorplatte (1) mit einer aufgedampften oder durch Ionenzerstäubung aufgebrachten Metallbasisschicht (2a), welche einen Randbereich der Isolatorplatte (1) freiläßt.

Auf diese Metallbasisschicht (2a) wird ein gestanzter Metallrahmen (9) z. B. aus Blei oder einer Zinnlegierung aufgelegt, der elektrische Verbindungselemente (9a) zu mehreren Bauelementauflagen bzw. Metallnetzen oder Metallgittern (10) aufweist, vgl. Fig. 6.

Fig. 7 zeigt schematisch ein Leistungshalbleitermodul im Querschnitt, ohne Gehäuse. Auf einer Isolatorplatte (1) sind beidseitig separate Metallbasisschichten (2a) mit daran randseitig elektrisch verbundenen Potentialführungselementen bzw. Potentialbarrieren (11) aus Draht, Band oder Folie angebracht. Die Potentialbarrieren (11) können z. B. metallische Federleisten sein, welche an einer nicht dargestellten Leiste bzw. Modulwand befestigt sind und federnd auf der Metallbasisschicht (2a) aufliegen. Auf der Metallbasisschicht (2a) liegen Metallgitter (10) auf, die durch elektrische Verbindungselemente (9a) verbunden sind. Auf jedem Metallgitter (10) ist in elektrischem Kontakt ein elektrisches Bauelement, wie z. B. ein Widerstand, Kondensator oder Halbleiter (12), angeordnet, das über elektrische Leitungen (14) mit einer elektrischen Zuleitung bzw. Sammelschiene (13) in Verbindung steht.

Fig. 8 zeigt im Querschnitt eine Isolatorplatte (1) mit einer darauf angeordneten Elektrode (2), zu der randseitig bis zu den Gehäusewänden (20) eine Isolationsschicht (15) aus Glas oder Kunststoff aufgebracht ist. Durch eine ringförmige Aussparung in einer Blende bzw. Abdeckung (19) wird Metalldampf (18) oder von einer Ionenzerstäubung herrührendes Metall auf den Übergangsbereich von Elektrode (2) und Isolationsschicht (15) als Metallbelag bzw. Koronaring (16) aufgebracht. Zur Vermeidung von Teilentladungen am Rand des Koronaringes (16) ist ein Ring (17) aus einem Metall oder einer elektrisch leitenden, z. B. metallisierten Polymerverbindung, wie z. B. aus Silicon, als zusätzliche Potentialbarriere vorgesehen.

Fig. 9 zeigt im Querschnitt eine Isolatorplatte (1) mit einer Elektrode (2), welche randseitig eine Isolationsschicht (15) überlappt, wobei die Isolationsschicht (15) als Potentialbarriere wirkt. Mit (12) ist wieder ein Halbleiter bezeichnet, der, wie bei Fig. 8, im zentralen Bereich der Elektrode (2) angeordnet ist.

Es versteht sich, daß die Potentialbarrieren (11) unterschiedliche Gestalt haben können und anders als vorstehend angegeben elektrisch kontaktiert sein können.

Bezugszeichenliste

1 Isolatorplatte, Keramikscheibe
2 Elektrode, Metallscheibe, Metallring
2a Metallbasisschicht
3 Koronaring, Potentialbarriere
4, 6, 7 Metallverbindungsstellen, Lötstellen
5 Metallbügel, Metallband, Potentialbarriere
8 Metallkappe, Koronakappe
9 Metallrahmen
9a elektrische Verbindungselemente von 9
10 Metallgitter, Metallnetz, Bauelementauflage
11 Potentialführungselement, Potentialbarriere
12 elektrisches Bauelement, Halbleiter, Widerstand
13 elektrische Zuleitung, Sammelschiene
14 elektrische Leitungen
15 Isolationsschicht, Glas, Kunststoff
16 Metallbelag, Koronaring
17 Ring, Potentialbarriere
18 Metall, Metalldampf
19 Blende, Abdeckung
20 Gehäusewände
P Äquipotentiallinien

Claims (8)

1. Hochspannungsbauelement

• a) mit mindestens einer Isolatorplatte (1) und
• b) mit mindestens einer darauf angebrachten Elektrode (2),
  dadurch gekennzeichnet,
• c) daß mindestens eine Potentialbarriere (3, 5, 8, 11, 15-17) vorgesehen ist,
• d) die mit der Elektrode (2) verbunden ist und
• e) randseitig über die Elektrode (2) hinausragt.

2. Hochspannungsbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Potentialbarriere (15) aus einem nichtmetallischen Werkstoff besteht und am Rand der Elektrode (2) zwischen dieser und der Isolatorplatte (1) angeordnet ist.

3. Hochspannungsbauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (2) die Potentialbarriere (15) randseitig überlappt.

4. Hochspannungsbauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Koronaring (16) mit der Elektrode (2) elektrisch in Verbindung steht und randseitig auf eine Potentialbarriere (15) aus einem nichtmetallischen Werkstoff übergreift, welche zwischen Elektrode (2) und Isolatorplatte (1) angeordnet ist.

5. Hochspannungsbauelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß am randseitigen Übergang von dem Koronaring (16) zu der Potentialbarriere (15) aus einem nichtmetallischen Werkstoff ein Ring (17) aus Metall oder aus einer elektrisch leitenden Polymerverbindung angeordnet ist.

6. Hochspannungsbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

• a) daß die mindestens eine Potentialbarriere (3, 5, 8, 11, 16) elektrisch mit der Elektrode (2) verbunden und
• b) von der Isolatorplatte (1) beabstandet ist.

7. Hochspannungsbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,

• a) daß die Potentialbarriere (3, 5, 8, 11, 15-17) 0,2 mm-10 mm,
• b) insbesondere 1 mm-2 mm über den Außenrand der Elektrode (2) hinausragt.

8. Hochspannungsbauelement nach einem der Ansprüche 1, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Potentialbarriere (3, 5, 8, 11)

• a) ein Koronaring (3) oder
• b) ein Metallbügel (5) oder
• c) eine Koronakappe (8) oder
• d) eine Federleiste (11) ist.