DE1057241B

DE1057241B - Gleichrichteranordnung mit Halbleiterelement

Info

Publication number: DE1057241B
Application number: DES46672A
Authority: DE
Inventors: Hans Nagorsen
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1955-12-12
Filing date: 1955-12-12
Publication date: 1959-05-14

Description

Gleichrichteranordnung mit Halbleiterelement Die Erfindung bezieht sich auf eine Gleichrichteranordnung mit einem Halbleiterelement, insbesondere mit p-n-Übergang. Bei solchen Anordnungen ist es wichtig, daß einerseits ein guter Wärmeübergang zwischen dem Halbleiterelement bzw. seinen Elektroden und seinen Trägern für die Abführung der an dem Gleichrichterelement anfallenden elektrischen Verlustwärme als auch gleichzeitig ein guter elektrischer Stromübergang stattfindet. Hierbei muß aber in Rechnung gestellt werden, daß bei der hohen elektrischen Belastung des Gleichrichterelementes eine verschiedene Wärmeausdehnung der verschiedenen an dem Aufbau der Gleichrichteranordnung beteiligten Körper stattfinden wird, wobei aber keine unzulässige mechanische Beanspruchung des relativ empfindlichen Halbleiterelementes stattfinden darf, damit dieses keinen Schaden leidet.
Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß das Halbleiterelement über die eine Elektrode unmittelbar an einem gleichzeitig für die Abfuhr der am Gleichrichterelement anfallenden elektrischen Verlustwärme bemessenen ruhenden Anschlußkontakt befestigt ist, während die elektrische Verbindung an der anderen Elektrode des Halbleiterelementes zu dem anderen ruhenden Anschlußkontakt, der ebenfalls für eine gute Abfuhr der elektrischen Verlustwärme des Gleichrichterelementes bemessen ist, aus einer Vielzahl von V-förmigen, ineinanderliegenden Teilen besteht, welche zwischen dem Halbleiterelement und dem Anschlußkörper räumlich angeordnet sind und über ihre freien Schenkelenden entweder unmittelbar oder mittelbar einerseits mit dem ruhenden Anschlußkörper und andererseits mit dem Halbleiterelement verbunden sind bei einer solchen Bemessung nach Querschnitt und Zahl, daß sie gleichzeitig gute Wärmeleitbrücken für die Wärmeabfuhr der elektrischen Verlustwärme von dem Halbleiterelement bilden.
Es ist bereits bei elektrischen Maschinen bekanntgeworden, zwischen den Anschlußstellen der Wicklung und dem Kollektor jeweils stromleitende Verbindungen aus dünnen Blechlamellen zu benutzen, welche in ihrer Form so gebogen sind, daß die Fliehkraft keine nennenswerte Formveränderung derselben bewirken kann, wobei die Blechlamellen mit ihren Enden in massive Körper eingesetzt sind, die ihrerseits mit der zugehörigen Kollektorlamelle bzw. dem elektrischen Anschluß der Wicklung durch eine Verschraubung verbunden sind. Diese Anordnung wurde gewählt, -um am umlaufenden Teil der elektrischen Maschine hohe Umdrehungszahlen und entweder eine gelenkige Verbindung zwischen dem Kollektor und dem Ankerkörper bei federnder Lagerung der Ankerwelle oder eine von der Ankerwelle unabhängige eigene Lagerung für den Kollektor der Maschine benutzen zu können. Hierbei war nicht die Aufgabestellung in Betracht gezogen, von welcher bei der Entwicklung des Erfindungsgegenstandes für ruhende Gleichrichteranordnungen ausgegangen ist, bei denen es das Ziel ist, bei thermischen Dehnungen des Gleichrichterelementes zufolge der anfallenden elektrischen Verlustwärme eine mechanische Beanspruchung des Gleichrichterelementes auszuschließen und gleichzeitig trotz dieser benutzten mechanischen Entkopplung der Teile für eine gute Wärmeabfuhr der an dem Gleichrichterelement anfallenden elektrischen Verlustwärme an den für Kühlzwecke ausgebildeten ruhenden Anschlußkontakt zu sorgen.
Diese vorliegende Verbindung kann in verschiedener Weise durchgeführt werden. So können beispielsweise an einem oder beiden der Körper kleine Schlitze vorgesehen sein, in welche die Enden der V-Form eingeführt und dann gegebenenfalls verstemmt und zusätzlich oder allein durch eine Verlötung mechanisch befestigt werden. Es ist aber andererseits auch möglich, unmittelbar eine Lötverbindung mittels Weichlot oder Hartlot zwischen den Enden der V-Formen und den entsprechenden Teilen des elektrischen Geräteteiles bzw. den hochbelasteten Teil und dem ruhenden Anschlußkörper, der gleichzeitig Kühlkörper sein kann, vorzunehmen. Zu einem besonderen einfachen Aufbau gelangt man, wenn man die V-förmigen Teile insgesamt, die die elektrische Verbindung in Form paralleler Zweige zwischen den beiden Körpern bilden, nicht zunächst als selbständige Einzelkörper herstellt, sondern ihre Vielzahl unmittelbar aus einem zunächst fortlaufenden Band formt. Als geeigneter Werkstoff für ein solches Band können z. B. die Werkstoffe Kupfer oder Silber benutzt werden, die sich also einerseits durch eine hohe elektrische Leitfähigkeit und andererseits gleichzeitig durch eine gute Wärmeleitfähigkeit auszuzeichnen. Aus dem durchgehenden Band werden dann durch einen entsprechenden Faltprozeß die V-Formen hergestellt, die sich nach Art einer Ziehharmonika ineinanderfügen. Damit im Falle eines Verlötungsprozesses zwischen den freien Schenkeln der V-Formen und den entsprechenden Gegenkörpern kein nachteiliges Einfließen von Lötmaterial zwischen diejenigen Schenkelteile der V-Formen stattfindet, welche betriebsmäßig freie mechanische Beweglichkeit haben sollen, können diese Teile der V-Form mit einem entsprechenden Schutzüberzug versehen sein, so daß sie bei der Lötung keine Bindung mit eventuell einfließendem Material eingehen. Ein solcher geeigneter Überzug kann gebildet werden z. B. bei Kupfer durch Erzeugung einer geeigneten Oxydschicht. Wird ein solches Band durchgehend hergestellt, so ist es dann sinngemäß erforderlich, die zu verlötenden Flächen entsprechend von der Schutzschicht zu befreien, was z. B. durch ein einfaches Überschleifen dieser Stellen durchgeführt werden kann.
Ein Ausführungsbeispiel für die Anwendung der Erfindung veranschaulichen die Zeichnungen.
In Fig. 1 bezeichnet 1 eine Halteeinrichtung für ein Gleichrichterelement 2. Dieses besteht aus der Halbleiterplatte 2 a mit den beiden Elektroden 2 b und 2 c. Zum Beispiel durch eine geeignete Legierungsbildung zwischen der einen Elektrode und der Halbleiterschicht ist ein entsprechender p-n-Übergang geschaffen, welcher für die Gleichrichtung bestimmend ist. 3 bezeichnet einen weiteren ruhenden Haltekörper. Zwischen diesem Haltekörper 3 und dem Gleichrichterelement 2 ist ein Teil 4 eingefügt. Dieser besteht aus zwei plattenförmigen Teilen 4 a und 4b, zwischen welchen V-förmige Blechkörper 4 c vorgesehen sind, die an den freien Schenkelenden der V-Form mit den Platten 4 a bzw. 4 b mechanisch verbunden sind, z. B. durch eine Lötverbindung. An die Haltekörper 1 und 3 kann gleichzeitig die elektrische Spannungsquelle angeschlossen sein, die ihren Strom über das Gleichrichterelement 2 schickt. Betriebsmäßig ist es notwendig, daß von dem Gleichrichterelement die an ihm entstehende Verlustwärme in wirksamer Weise abgeführt wird. Diese Funktion wird gleichzeitig von den Haltekörpern 1 und 3 übernommen. Der Wärmeübergang zwischen dem Haltekörper 1 und dem Gleichrichterelement 2 läßt sich in verhältnismäßig einfacher Weise durchführen, weil das Gleichrichterelement mit der einen Elektrode auf dem Haltekörper aufliegt bzw. festliegt. Zwischen dem Gleichrichterelement und dem Haltekörper 3 muß aber dafür Sorge getragen werden, daß nicht aus thermischen Gründen eine mechanische Beanspruchung des Gleichrichterelementes stattfinden kann. Dieser Effekt wird durch den Körper 4 erreicht, der durch seinen Aufbau aus V-förmigen Teilen erstens eine große Anzahl von Wegen für den Übergang des elektrischen Stromes zwischen dem Gleichrichterelement und dem Haltekörper 3 schafft, gleichzeitig aber auch, und das ist das Wesentliche, für einen guten Wärmeübergang von dem Gleichrichterelement 2 an den Haltekörper 3 sorgt, wobei aber keine mechanische Beanspruchung des Gleichrichterelementes 2 eintreten kann. weil die V-Formen eine solche Elastizität aufweisen, daß eine genügende freie relative Beweglichkeit zwischen dem Gleichrichterelement und dem Haltekörper 3 gewährleistet ist. Um eine genügende Elastizität bzw. Nachgiebigkeit zu erreichen, welche in Form des Körpers 4 gebildet wird, empfiehlt es sich, ein möglichst dünnwandiges Blech für die Bildung der V-Formen zu benutzen. So hat sich beispielsweise eine Blechstärke von etwa 0,05 mm als sehr wirksam sowohl für die Herstellung der elektrischen Verbindung und der Wärmeleitverbindung als auch für die Bildung der mechanischen Entkopplung zwischen dem Haltekörper 3 und dem Gleichrichterelement 2 erwiesen.
In Fig. 1 ist eine solche Ausführung angenommen, bei welcher die V-förmigen Teile an ihren Enden mit den beiden Platten über eine Lötverbindung verbunden sind, wobei in diesem Fall lauter einzelne an sich selbständige V-förmige Elemente 4 c benutzt sind.
In Fig. 2 ist schematisch veranschaulicht, wie sich die Vielzahl der V-förmigen Elemente unmittelbar aus einem fortlaufenden Band herstellen läßt. Dieses fortlaufende Band hat zunächst gestreckte Form, wie es am linken Ende der Figur zu erkennen ist. Es wird dann nach rechts zu in eine geknickte Form übergeführt, wie sie der Summe der Schenkellängen einer V-Form entspricht. Nachdem die entsprechenden Knicke gebildet sind für die Schenkelenden der V-Form, wird auf dem weiteren Verlauf dieses Band mit einem mittleren Knick versehen, welcher den Scheitel der V-Form bildet, und dann werden die entstandenen vorgeformten V-Formen derart ineinandergeschoben, daß sich ein System ergibt, wie es am rechten Ende der Fig.2 zu erkennen ist. Es liegen also in diesem Falle ineinandergreifende V-Formen vor, die an sich noch ein durchgehendes Band bilden. Nachdem ein Körper aus einer entsprechenden Anzahl von V-Formen gewonnen ist, werden die freien Schenkelenden der V-Formen für ihre mechanische Verbindung mit den beiden Platten 4a bzw. 4b z. B. durch einen Lötprozeß oder Schweißprozeß vorbereitet, wonach dann nach Herstellung dieser Verbindung eine entsprechende Montage dieses gesamten Teiles 4 stattfinden kann. Die mechanische Verbindung zwischen dem Teil 4 und dem Teil 3 bzw. einer Elektrode 2 c an dem Gleichrichterelement nach Fig. 1 kann durch einen Lötprozeß vorgenommen werden.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: 1. Gleichrichteranordnung mit Halbleiterelement, insbesondere mit p-n-Übergang, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterelement über die eine Elektrode unmittelbar an einem gleichzeitig für die Abfuhr der am Gleichrichterelement anfallenden elektrischen Verlustwärme bemessenen ruhenden Anschlußkontakt befestigt ist, während die elektrische Verbindung von der anderen Elektrode des Halbleiterelementes zu dem anderen ruhenden Anschlußkontakt, der ebenfalls für eine gute Abfuhr der elektrischen Verlustwärme des Gleichrichterelementes bemessen ist, aus einer Vielzahl von V-förmigen, ineinanderliegenden Teilen besteht, welche zwischen dem Halbleiterelement und dem Anschlußkörper räumlich angeordnet sind und über ihre freien Schenkelenden entweder unmittelbar oder mittelbar einerseits mit dem ruhenden Anschlußkörper und andererseits mit dem Halbleiterelement verbunden sind bei einer solchen Bemessung nach Querschnitt und Zahl, daß sie gleichzeitig gute Wärmeleitbrücken für die Wärmeabfuhr der elektrischen Verlustwärme von dem Halbleiterelement bilden.
2. Gleichrichteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die V-förmigen Körper an denjenigen Teilen, über welche sie keine mechanische Verbindung mit den anderen Körpern eingehen, mit einem solchen Schutzüberzug versehen sind, daß zwischen sie einfließendes Lot keine Haftverbindung mit ihnen eingehen kann.
3. Gleichrichteranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die V-förmigen Körper an ihren freien Schenkelenden mit den anderen Körpern, zwischen denen sie die Verbindung herstellen, einen mechanischen Eingriff eingehen und durch eine Stauchverbindung oder eine Lötverbindung mit diesem mechanisch verbunden sind.
4. Gleichrichteranordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahl der an der Bildung der elektrisch leitenden Verbindung beteiligten V-Formen unmittelbar aus einem gestreckten Band durch entsprechendes Biegen bzw. Knicken derselben in Form eines Ziehharmonikabalges geformt sind.
5. Gleichrichteranordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die V-förmigen Körper aus einem Material guter elektrischer Leitfähigkeit und guter Wärmeleitfähigkeit bestehen und zunächst an ihren Schenkelenden mit besonderen Blockstücken verbunden sind, die ihrerseits an einer Elektrode des Gerätes bzw. an einem ruhenden Anschluß angelötet werden bzw. befestigt werden.
6. Gleichrichteranordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialstärke der V-förmigen Körper unter 0,1 mm, vorzugsweise bei 0,05 mm, liegt. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 195 544.