DE2015923A1

DE2015923A1 - Verbindung einer Halbleiteranord nung mit einer Stromquelle

Info

Publication number: DE2015923A1
Application number: DE19702015923
Authority: DE
Inventors: Rüssel Phillip Auburn Koenig Paul William Clyde N Y Lyon (V St A) M
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1969-04-23
Filing date: 1970-04-03
Publication date: 1971-09-23
Also published as: US3573516A; FR2039378A1; GB1317266A; BE749312A; US3754169A

Description

Patentanwälte

Dr.-Ing. Wilhsim ΐν

:j L.sü

6 Frankiiiri a. M. 1

Parksirajße 13 6228

General Electric Company, Scheneetady, Ii.Y. , Y.St.A.

Verbindung einer Halbleiteranordnung mit einer Stromquelle

Die Erfindung betrifft eine Verbindung .einer Halbleiteranordnung mit einer Stromquelle.

Es ist bekannt, an einen Dreiphasen-Wechselstromgenerator, wie er z.B. in Kraftfahrzeugen verwendet wird, beispielsweise eine Gleichrichterbrücke zur Gleichrichtung des vom Wechselstromgenerator erzeugten dreiphasigen Wechselstroms anzuschließen.-Dabei werden üblicherweise der Wechselstromgenerator und die Gleichrichterbrücke unabhängig voneinander gebaut und getrennt montiert. Die Verbindung zwischen Generator und Gleichrichter erfolgt durch elektrisch leitende Drähte. Dies ist eine aufwendige Anordnung, nicht nur hinsichtlich der verwendeten Mittel, weil Generator und Gleichrichter in getrennten Einheiten gebaut und durch zusätzliche Mittel (Leitungen) verbunden werden müssen, sondern auch hinsichtlich des Arbeitsaufwandes bei der Montage, da Gleichrichter und Generator sowie die Verbindungsleitungen getrennt montiert werden müssen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, sowohl den Material- als auch den Arbeitsaufwand bei der Verbindung einer Halbleiteranordnung mit einer Stromquelle zu verringern.

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iuch der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß die Halb- ' leitoranorndung an einem thermisch und elektrisch leitenden Bauteil der Stromquelle befestigt ist, das gleichzeitig als Stromzuleitung und als Kühlkörper für die Halbleiteranordnung dient. ;

Düs thermisch und elektrisch leitende Bauteil kann beispielsweise ein Gehäuseteil der Stromquelle sein. Dies hat den Vorteil, daß der Gehäuseteil mehrfach genutzt wird/ nämlich als Kühlkörper für die Halbleiteranordnung, da eine | Halbleiteranordnung in der Regel gekühlt werden muß, so αa3 ein eigener Kühlkörper entfällt, und als Stromzuleitung für den Speisestrom der Halbleiteranordnung, so daß eine zustäaüche Verbindungsleitung zv/ischen Halbleiteranordnung und Stromquelle, wemder Gehäuseteil geerdet ist, und der Arbeitsaufwand zur Herstellung der Verbindung entfallen.

Sine Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß die Stromquelle ein Wechselstromgenerator ist und das thermisch und elektrisch leitende Bauteil einer unmittelbaren Luftkühlung ausgesetzt ist und der Wechselstromgenerator Ausgangsleitungen zur Abgabe von. Wechselstrom aufweist, daß die Verbindung ferner eine elektrisch leitende Vorrichtung, die von dem thermisch und elektrisch leitenden Bauteil des Wechselstromgenerators beabstandet ist, mit einer ersten Oberfläche, die parallel zu einer zweiten Oberfläche des leitenden Bauteils des Wechselstromgenerators angeordnet ist, und eine zwischen den beiden Oberflächen angeordnete Vorrichtung zur Ausbildung eines getrennten, nur in einer Richtung elektrisch leitenden Stromweges von jeder der Ausgangsleitungen zu jeder der beiden Oberflächen enthält und , äaß diese zwischen den beiden Oberflächen angeordnete Vorrichtung mit jeder der AusvgangsMtungen verbindbare Vorrichtungen zur Aufnahme eines Wechselstroms, zwei Halbleiterbauelemente der Halbleiteranordnung, die durch die Aufnahme vorrichtungen getrennt sind und jeweils 2onen. νοΐΐ ent-.

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gegengesetzten Leitfähigkeitstyp mit einem Gleichrichterübergang dazwischen aufweisen, wobei das eine Halbleiterbauelement mit einer ersten Leitfähigkeitszone in thermischem und ohmschem Kontakt zum leitenden Bauteil des Wechselstromgenerators und das andere Halbleiterbauelement mit einer Leitfähigkeitszone des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps in ohm<-schem Kontakt zur ersten Oberfläche der elektrisch leitenden Vorrichtung angeordnet ist, eine die Halbleiterbauelemente am Umfang umgebende Schutzvorrichtung und eine von mindestens einer der beiden Oberflächen elektrisch isoliert angeordnete Vorrichtung zum Befestigen der elektrisch leitenden Vorrichtung und der zwischen den beiden Oberflächen angeordneten Vorrichtung in Zusammenbaulage an dem leitenden Bauteil des Wechselstromgenerators umfasst.

Die Erfindung und ihre Weiterbildungen werden im folgenden anhand von Zeichnungen einiger Ausführungsbeispiele näher beschrieben, wobei aus der Beschreibung und/oder den Zeichnungen hervorgehende Einzelheiten als erfindungswesentlich angesehen werden.

Fig. 1 ist ein Schaltbild einer Dreiphasen-Wechselstrom-Gleichrichterbrücke*

Pig. 2 eist eine Endansicht eines nach der Erfindung ausgebildeten Wechselstromgenerators mit Gleichrichterbrücke .

Pig. 3 ist eine Seitenansicht einer nach der Erfindung ausgebildeten Gleichrichterbrücke, wobei Teile des an-•geschlossenen oder zugehörigen Wechselstromgenerators-· weggebrochen sind.

Pig. 4 ist die Schnittansicht 4-4 nach Pig. 2.

Pig. 5 ist eine Seitenansicht einer abgewandelten Brückenunter anordnung.

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Pig. 6 ist die .Schnittansiclit 6 - 6 nach Pig. 5.

Pig. 7 ist eine; Schnittansicht eines ^Gleichrichters mit der abgewandelten Brückenunteranordnung zusammen mit- einer Wärmesenke, auch Kühlkörper genannt.

Pig. 8 ist eine Schiiittansicht einer anderen abgewandelten Gleichrichterbrucke zusammen mit einer Wärmesenke.

Pig. 9 ist eine Draufsicht auf eine weiteres Ausführungsbeispiel einer Gleichrichterbrücke nach der Erfindung. "■ ■' ■

Pig. 10-.. stellt die; ^rSchnittansiGht 10 - 10 nach Pig. 9 dar.

Die Piguren 11 und 1:2 stellen Seitenansichten nach der

".;"-■-■-■-"■ Erfindung ausgebildeter Halbleiterscheiben dar.

Pig. 13 ist eine Schnittansicht einer Gleichrichterbrücke mit den Halbleiterscheiben und

Pig. 14 stellt die Schnittansicht 14 - 14 nach Pig. 13 dar.

Nach den Piguren1; bis 4 ist ein Dreiphasen-Wechselstromgenerator 100 mit einem Gehäuse^-endverschluß 102 aus Metall versehen, so daß er sowohl thermisch als auch elektrisch leitend ist. Der.Gehäuseendverschluß ist mit mehreren Luftzirkulationsöffnungen 104 versehen. Außen am Gehäuse sind mehrere Kühlrippen 106 vorgesehen. Der Gehäuseendverschluß ist vorzugsweise gegossen, und die Kühlrippen sind während des Gießens einstückig mit dem Gehäuse ausgebildet. Der Gehäuseendverschluß ist mit einer Vertiefung 110 versehen, deren äußere Oberfläche 112 in der Vertiefung liegt. Mitten in der Vertiefung 1ίΟ ist der Gehäuseendverschlußvomit einer. Öffnung versehen,; die mehrere Ansätze 116 aufweist, die ein-■-.,.. 109839/0 96 2

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stückig mit dem Endverschluß ausgebildet sind und nach inner. ragen. Die Ansätze liegen in Umfangsrichtung auseinander, so daß sie Eillen oder Nuten 118 zwischen sich ausbilden. Auch auf der Innenseite des Gehäuseendverschlusses sind Kühlrippen 120 einstückig mit dem Gehäuseendverschluß ausgebildet. Auf der äußeren Oberfläche des Endverschlusees, die Vertiefung am Rande umgebend, ist eine Abdichtfläche 122 vorgesehen.

Eine Gleichrichterbrückenanordnung 108 ist mit einer thermisch und elektrisch leitenden Platte 124 versehen, in der eine ringförmige Vertiefung oder Auflagerfläche 126 eingearbeitet ist. Zwischen der Auflagerfläche und der Abdichtfläche 122 ist ein Dichtring 128 angeordnet. Zwischen der inneren Oberfläche 130 der Platte 124 und der äußeren 112 des vertieften Endverschlusses sind drei gleiche Zellen 132 angeordnet. Jede Zelle besteht aus Halbleiterbauelementen oder Halbleiterplättchen 134 und 136. Jedes Halbleiterplättchen ist aus einem HaIbleiterkristall mit einer ersten Zone 138 des einen Leitfähigkeitstyps und einer zweiten Zone 140 vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp hergestellt. Zwischen den beiden Zonen in jedem Halblei-terkristall ist ein Übergang 142 ausgebildet. Um die zulässige Sperrspannung der Halbleiterkristalle zu erhöhen, sind sie am Umfang in an sich bekannter Weise abgeschrägt. Zum Schutz gegen Verunreinigung sind die Halbleiterkristalle um den Umfang herum mit einer Schutzschicht 144 versehen. Die Schutzschicht besteht aus einem weitgehend . undurchlässigen dielektrischen Material mit einem hohen spezifischen Widerstand und einer hohen dielektrischen Festigkeit. Vorzugsweise ist die Schutzschicht aus Glas gebildet, obwohl Dielektrika, wie Siliconkautschuk, ebenfalls verwendet werden können, wenn auch mit geringerer Wirksamkeit. Die eine größere Oberfläche des Halbleiterbauelements 134 jeder Zelle ist in engem thermisch und elektrisch leitendem Kontakt mit der leitenden Platte 124 angeordnet, während eine zweite größere Oberfläche vom entgegengesetzten Leitfähigkeits-

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typ des Halbleiterplättchens136 jeder Zelle in engem thermisch und elektrisch leitendem Kontakt mit einem Kontaktelement 143' angeordnet ist, bei dem es sich um eine Platte aus einem Metall mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten, der_;: dem des Halbleiterkristalls angenähert ist, z.B. Wolfram oder Molybdän, handelt. Das Kontaktelement bildet eine nieder- · ohmige thermische und elektrische Verbindung zwischen den Halbleiterbauelementen 136 und der äußeren Oberfläche des vertieften Endverschlusses. '■■-.-

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In jeder Zelle ist zwischen den größeren Oberflächen der Ilalbleiterplättchen 134 und 156 ein elektrisch leitender Streifen 146 angeordnet. Ein Teil 148 jedes Streifens ragt nach innen durch die Öffnung in dem Endverschluss des Wechselstromgenerators und bildet Eingangsanschlüsse-für die Gleichrichter-Brückenanordnung, die mit nicht dargestellten Ausgangsleitungen des Wechselstromgenerators zusammenarbeiten. Ein dielektrisches Vergußmaterial 150, z.B. Siliconharz, · Epoxydharz oder Phenolformaldehyd, umgibt die Halbleiter- bauelemente und'einen Teil jedes Streifens I46. Die Kontaktelemente ragen geringfügig aus der Vergußmasse/heraus, um zu gewährleisten, daß sie eng mit der äußeren Oberfläche der Vertiefung in Berührung kommen. ί

Über die Teile 148 der Streifen ist ein Versehlußk'öppler 152 im Paßsitz gesteckt, der an seinem Umfang mehrere radial nach außen stehende liasen oder Ansätze 154 aufweist. Die Ansätze 154 sind schmaler als die Nuten 118 breit sind, so daß sie leicht durch die Nuten hindurchgehen. In der Mitte ist der Versehlußkoppler mit einer Gewindehülse 156 versehen. Die Gewindehülse ist mit einer etwas größeren Bohrung 158 in der Platte und dem Vergußmaterial ausgerichtet.Durch die Bohrung geht eine Befestigungsschraube 160 hindurch, die in die Gewindehülse geschraubt ist. Die Befestigungsschraube 160 drückt gleichzeitig eine Ausgangsleitung 162·fest an die Platte. Die Gleichrichterbrückenanordnung und der Wechselstromgenerstor-■ -W -. 109839/0962

Endverschluß lassen sich leicht herstellen und zusammensetzen. Der Wechselstromgenerator-Endverschluß mit den .Kühlrippen, der Vertiefung und Öffnung läßt sich, in einfacher Weise durch an sich bekannte Metallgießverfahren herstellen. Die Platte 124, das Halbleiterbauelement 134, der Streifen 146, das Halbleiterbauelement 136 und das Kontaktelement 145 können durch Verlöten der benachbarten Bauelemente zu einer Zelle schichtartig miteinander verbunden werden. Danach oder stattdessen kann das Vergußmaterial 150 um die Bauelemente herumgegossen werden. Die Mittelbohrung 158 ,in der Platte und dem Vergußmaterial braucht durch die Gußform nicht berücksichtigt zu sein, da die Mittelbohrung nach dem Vergießen hergestellt werden kann. Der Verschlußkoppler 152 kann getrennt gegossen und danach über die Enden der Streifen gesteckt werden. Der Verschlußkoppler 152 braucht nicht ständig über die Streifen gesteckt zu sein. Als Alternative kann der Verschlußkoppler auch einstückig mit dem Vergußmaterial hergestellt sein. Die Ansätze 154 des Verschlußkopplers können verstärkt sein. So können beispielsweise an der Gewindehülse 156 Verstärkungsstifte befestigt sein.

Ein sehr wesentlicher Vorteil der Gleichrichterbrücken-, und Wechselstromgenerator-Anordnung besteht darin, das die Gleichrichteranordnung an dem Wechselstromgenerator angeschlossen werden kann, nach dem sie ansonsten vollständig zusammengesetzt ist. Dazu brauchen lediglich die Ansätze des Verschlußkopplers durch die Nuten in der Öffnung des'Endverschlusses hindurchgeführt zu werden, nachdem die Ausgangsleitungen des Wechselstromgenerators mit den Streifen der Gleichrichteranordnung verbunden worden öind. Wenn dann die Gleichrichteranordnung leicht gedreht wird, so daß die Ansätze der Gleichrichteranordnung hinter den Ansätzen des Wechselstromgenerator-Endverschlusses liegen, und die Schraube : ■ 160 hineingesteckt und angezogen wird, ist die Gleichrichxeranordnung vollständig betriebsbereit. Wenn der Verschlußkoppler von der Innenseite des Endverschlusses des Wechselstromgenerators

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her angebracht werden kann, z.B.. dadurch, daß die Gleich-· riehteranordnung an dem Endverschluß angebracht wird, bevor der Endverschluß am Wechselstromgenerator befestigt wird, brauchen keine Nuten in der Öffnung des Endverschlusses vorgesehen zu sein, - und der VerschlußkoppTer kann anstelle von Ansätzen mit einem ringförmigen Plansch versehen .sein. Durch Anziehen einer einzigen Schraube-läßt sich dann sowohl die Gleichrichterbrückenanordnung an dem Endverschluß befestigen als auch die Ausgangsleitung anschließen, über die der gleichgerichtete Strom abgegeben wird. Der Ver-* ^ schlußkoppler 152 und die Vergußmasse 150-können jedoch" * gleichzeitig beibereits an dem Endverschluß befestigter Gleichrichterbrückenanordnung gegeossen werden. In diesem Palle dient die Schraube 160 nur zur Befestigung der Ausgangsleitung, weil die Gleichrichterbrückenanordnung ständig am Wechselstromgenerator-Endverschluß befestigt ist.

Die elektrischen"Eigenschaften der Gleichrichterbrückenanordnung ergeben sich aus der in Pig. 1 dargestellten Schaltungsanordnung. Die HaIbleiterplattehen 134 und 136 jeder Zelle wirken als Gleichrichter. Die leitenden Streifen 146 führen den Zellen zwischen den Plättchen 134 und 136 einen dreiphasigen Wechselstrom zu. Je nach der Polarität (j der an jede Zelle angelegten Spannung,'fließt der Strom entweder über das Plättchen 134 und die Platte 124 zur Ausgangsleitung 162 oder über das Plättchen 136 und den·Endverschluß 102 nach Masse, da daß Wechselstromgeneratorgehäuse in üblicher Weise geerdet ist. Die Gleichriehterbrückenanordnungkann auch einphasig betrieben werden oder; ausgebildet sein, indem einfach die Verbindung zu einem · ;der Eingahgsanschlüsse, die durch die Streifenteile 148 ge- !bildet sind, oder eine Zelle vollständig weggelassen wird..^: Pur Hochsßannungöbetrieb können mejhrere Gleichrichter in ^f "'"■ Reihe geschaltet werden, indem einfach die Anzahl der Halb-, leiterplättchen in jeder Zelle verdoppelt oder, verdreifacht ·. wird, -"■-- . " ".:."■-.. ' \ .- - " ' :

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Bekanntlich erzeugen Halbleiterbauelemente bei Stromdurchganij Wärme. Y/enn nicht dafür gesorgt wird, daß die Wärme von den Halbleiterbauelementen ebenso schnell abgeleitet wird, wie sie erzeugt wird, können sie durch Überhitzung zerstört werden. In der dargestellten Form wirken die leitende Platte 124- und der Endverschluß 102 als Wärmesenken oder Kühlkörper für die Halbleiterplättchen, da jedes Halbleiterplättchen mit einer größeren Oberfläche versehen ist, die mit der einen Platte in gutem elektrisch und thermisch leitendem Kontakt steht. Die übrigen größeren Oberflächen der Halbleiterplättchen stehen mit den leitenden Streifen 146 in Kontakt, wodurch sich ein zusätzlicher, wenn auch weniger wirksamer, Wärmeableitpfad ergibt. Der größere Teil der erzeugten Wärme wird von der Gleichrichterbrückenanordnung über den Wechselstrom-Generator-Endverschluß abgeleitet. Dadurch brauchen keine Kühlrippen als Teil der -Gleichrichterbrückenanordnung vorgesehen zu sein, obwohl diese Kühlrippen vorhanden sein können, wenn dies gewünscht wird. Gegenüber bekannten Gleichrichterbrückenanordnungen unterscheidet sich die Anordnung nach der Erfindung dadurch, daß sie nicht selbst mit Kühlrippen versehen zu sein braucht noch der Ort der Brücke so gewählt zu werden braucht, daß auf die Gleichrichterbrückenanordnung ein Luftstrom direkt auftrifft.

Ein wesentliches Merkmal der Erfindung besteht darin, .daß die von der Gleichrichterbrückenanordnung erzeugte Wärme im wesentlichen durch das Gehäuse des Wechselstromgenerators abgeleitet wird. Dies hat den Vorteil, daß die Gleichrichterbrückenanordnung nicht durch einen auf die Gleichrichteranordnung gerichteten Luftstrom gekühlt zu werden braucht» Die Menge des Staubs, die sich andernfalls auf der Brückenanordnung ansammelt, wird dadurch erheblich verringert. Dies hat den weiteren Vorteil, daß die Verunreinigungsschutzmaßnehmen für die Halbleiterkristalle der Halbleiterplättchen verringert werden können, ohne da 13 dadurch die Zuvorlässigkeit geringer wird. Oder enders ausgedrückt, trots vor-

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ringertem Verunreinigungsschutz läßt sich der gleiche Zuverlässigkeitsgrad erzielen. So" ist es z.B. möglich, die ' Vergußmasse wegzulassen oder eine Vergußmasse mit geringerer Undurchlässigkeit für Staub als bislang zu verwenden» Der Dichtring kann weggelassen werden oder durch einen nicht ■"-.-· dichtenden elektrisch isolierenden Abstandshalter ersetzt werden. Auch die die Halbleiterbauelemente unmittelbar umgebende Schutzschicht kann we-ggelassen werden. Zweckmäßigerweise wird jedoch entweder der Dichtring oder die' Glasschutzschicht oder die Vergußmasse beibehalten, um die Halbleiterbauelemente zu. schützen. Bei dem hier dargestellten bevor- Jj zugten Ausführungsbeispiel ist die Gleichrichterbrückenanordnung wesentlich besser gegen eine Verunreinigung der Halbleiterkristalle, aus denen die Halbleiterplättchen bestehen, als bislang bekannte Gleichrichteranordnungen geschützt . "■■'-.

Zur Erläuterung der Vielgestaltigkeit der Erfindung ist in den Figuren 5 und 6 eine Gleichrichterbrückenunteranordnung 200 dargestellt. Die Unteranordnung enthält ein dielektrisches Substrat 202 mit winkelraäßig auseinanderliegeifien Ansätzen 204, die jeweils mit einer öffnung 206 versehen sind. Ein

ringförmiges Metallauge'208 ist in jeder Öffnung 206 ein- *

gepasst und mit einem umgebördelten Rand 210 an jedem Ende ' versehen, der auf einem leitenden Streifen 212 aufliegt, bei dem es sich um einen auf dem Substrat "aufgedruekten"jYIetallbelag handeln kann. Die mit jedem Äuge in Verbindung stehenden leitenden Streifen liegen einander auf größeren Oberflächen des Substrats gegenüber. An jedem Streifen ist an einer Stelle, die von der Öffnung entfernt liegt, mit der er verbunden 1st, ein Halbleiterbauelement 214 befestigt. Die Halbleiterbauelemente sind jeweils mit mindestens einem gleichrichtendem :, Übergang versehen. Die einer größeren Oberfläche des Substrats benachbarten Halbleiterbauelemente sind mit einer IT-leitenden ,Oberfläche einem leitenden Streifen am nächsten benachbart angeordnet, und die der entgegengesetz.ten größeren Oberfläche benachbarten HalbleiterbauelemfniB sind so angeordnet_fdaß sie den

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leitenden Streifen rait einer P-leitenden Oberfläche am nächsten benachbart sind. Die Halbleiterbauelemente können in'an sich bekannter Weise an die leitenden Streifen gelötet sein. Über den Halbleiterbauelementen sind Kontaktplatten 216, so daß sie die verbleibende größere Oberfläche der Halbleiterbauelemente, die die Streifen nicht kontaktieren, vorzugsweise an den Halbleiterbauelementen angelötet* Ein dielektrisches Schutzmaterial, z.B. Silicvonkautsehuk oder Glas, dichtet den von den Streifen und Kontaktplatten freigelassenen Rand der Halbleiterbauelemente ab. Jedes Halbleiterbauelement bildet zusammen mit seiner zu- £ gehörigen dielektrischen Schutzschicht und Kontaktplatte ein Halbleiterplättchen 219. In der Qleichrichterunteranordnung ist ferner eine mittlere Öffnung 220 ausgebildet.

In Mg. 7 ist ein typisches Anwendungsbeispiel der Gleichrichter-Unteranordnung 200 dargestellt. Ein thermisch und elektrisch leitendes Bauteil 222, bei dem es sich um ein Wechselstromgenerator-Gehäuse handeln kann, ist mit mindestens einer Kühlrippe 224 versehen. Das leitende Bauteil ist mit einem Gewinde-Sackloch 226 versehen. In dieses ist eine Schraube 228 geschraubt, die mit einer daran befestigten Mutter 230 versehen ist. Die feste Mutter drückt gegen eine _ sandwichartige Anordnung, die aus dem dielektrischen Substrat ™ und zwei seitlich dazu angeordneten Dichtringen 232 und 234 besteht. Die feste Mutter und die Schraube haltern die Gleichrichter-Unteranordnung derart, daß die äußere Oberfläche der Halbleiterplättchen, die einer größeren Oberfläche benachbart ist, in thermisch und elektrisch leitendem Kontakt gegen die innere Oberfläche des leitenden Bauteils 222 drückt. Zur Unterstützung des dielektrischen Schutzmittels, das zum Schutz der Halbleiterbauelemente gegen Verunreinigungen mit der Unteranordnung verbunden ist, ist ein Dichtring 236 mit O-fÖrmigem Querschnitt zwischen der Unteranordnung und der . inneren Oberfläche des leitenden Bauteils angeordnet.

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Ein ringförmiges Gehäuse 238» das mit einer isolierenden Durchführung 240 in einer ir it ti er en Öffnung versehen ist, ist auf die Schraube gesteckt und so ausgebildet, daß es. die feste Mutter umfasst und einen leitenden Plansch 242 - aufweist, der mit den Halbleiterplättchen der gleichrichter-TJnteranordnung elektrisch leitend in Berührung steht. An dem Plansch ist eine Ausgangsleitung 244 angeschweißt. Auf der Schraube 228 sitzt ferner eine drehbare Mutter 246, die ■ das ringförmige Gehäuse gegen die Gleichrichter-Unteranordnung drückt. Die Wechselstromeingangsleitungen 248 für die/Gleich-· richterbrückenanordnung stecken in den Augen 208 der Unteranordnung. Ein Dichtring 250 mit' O-förmigem Querschnitt ist zwischen der Gleichrichter-Unteranordnung und dem ringförmigen .Gehäuse angeordnet. Obwohl sich der Aufbau der abgewandelten : Gleichrichterbrückenanordnung nach Pig."? erheblich von dem der Anordnung nach den Figuren 2 bis 4 unterscheidet, sind doch die Wirkungsweise und Vorteile ähnlich. .

Pig. 8 stellt ein weiteres vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der Erfindung dar. Ein elektrisch leitendes Bauteil 300, bei dem es sich um einen Wechselstromgenerator-Gehäuseteil handeln kann, ist mit mehreren Öffnungen 302 und einer Gewindebohrung 304 versehen. Eine Gleiehrichterbrüakenan-Ordnung 306 ist mit einer elektrisch und thermisch leitenden Platte 308 versehen, die auf einer größeren Oberfläche mit Kühlrippen 310 versehen ist. Mehrere mehrschichtige Zellen 312stehen mit der gegenüberliegenden größeren Oberfläche der Platte 308 in Verbindung.·Die Anzahl und Anordnung der Zellen kann·die gleiche wie die bei der Gleichrichterbrückenanordnung 108 sein. Das die Zellen umgebende Vergußmaterial 314 ist ähnlich geformt wie bei der Brückenanordnung; 1 d.8v. Der Aufbau der Brückenanordnung 108 und der Aufbau der Brücken anordnung 306 weichen jedoch insofern stärker, voneinander ab, als die Brückenanordnung 306 nicht mit einer elektrisch "und ' thermisch leitenden Platte zwischen den Zellen und dem angrenzenden Befestigungsbauteil versehen ist. Bei der Brücken--

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anordnung 306 drücken die Zellen daher direkt auf die Oberfläche des Bauteils 300. Um die freiliegende größere Oberfläche der Halbleiterplättchen in den Zellen zu schützen, die gegen das leitende Bauteil drücken, kann ein dünner metallisierter Überzug auf dieser größeren Oberfläche der Halbleiterplättchen aufgebracht sein, Stattdessen kann auch eine Kontaktplatte in dem jede Zelle abdeckenden Vergußmaterial eingebettet sein.

Eine andere Abweichung von der Gleichrichterbrüekenanordnung 108 besteht darin, daß das Vergußmaterial mit einem ringförmigem Ansatz 316 versehen ist, der über die Platte 308 hinausragt. Eine Schraube 318 ist durch eine Bohrung 320 in dem Vergußmaterial gesteckt und in die Gewindebohrung geschraubt. Ein konischer Dichtring 322, eine elektrische Ausgangsleitung 324 und ein isolierender Dichtring 326 sind zwischen dem Kopf der Schraube 318 und der Platte 308 angeordnet, so daß die elektrische Ausgangsleitung mit der Platte 308-leitend verbunden ist. Der Ansatz 316 und der konische Dichtring sind so dimensioniert, das sich die gewünschte Druckkraft ergibt, um die Gleichrichterbrückenanordnung mit der Oberfläche des leitenden Bauteils 300 in Berührunguzu halten.

Die Wirkungsweise der Gleichrichterbrückenanordnung 306 ist im wesentlichen gleich der der Gleichrichterbrückenanordnung 108. Ihr Aufbau bietet jedoch einige wesentliche Vorteile. Die Brückenanordnung 306 läßt sich leicht an der äußeren Oberfläche eines Wechselstromgenerator-Gehäuses befestigen, naclr-dem der Wechselstromgenerator ansonsten vollständig zusammengebaut ist. Dadurch daß die Gleichrichterbrückenanordnung von außen her befestigt wird, läßt sich die Schraube 318 schnell und bequem anbringen. Der Ansatz 316 hat den Vorteil, daß die Schraube 318 blockiert v/ird, bevor eine zu hohe Druckkraft auf die Brückenanorinung ausgeübt wird. Die Brückenanordnung 306 ist wesentlich billiger

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als die Brückenanordnung 108, weil die zwischen den Zellen und der Oberfläche des Wechselstromgenerator-Gehäuses angeordnete Platte wegfällt. '

In den Figuren 9 und 10 ist ein anderes bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer Gleichrichterbrückenanordnung 400 dargestellt. Nach Fig. 10 ist die Gleiehrichterbrückenanordnung auf einem thermisch und elektrisch leitenden Bauteil 402 mit mehreren Kühlrippen 404 befestigt. Das leitende Bauteil ist mit einer Öffnung versehen, in der eine isolierende Durchführungs- ^ buchse 406 mit einem Plansch 408 im Paßsitz eingesetzt ist. Eine Schraube 410 ist mit einer Ausgangsleitung 412 leitend verbunden und gegenüber dem Bauteil 402 durch die Durchfuhr ungsbuchse isoliert und in eine Platte 414 der Gleiehrichterbrückenanordnung geschraubt, so daß sie mit dieser leitend verbunden ist. Die Platte 414 ist ferner mit einer Öffnung versehen. Mehrere sandwichartige Zellen 418 sind zwischen dem leitenden Bauteil 402 und der Platte 414 angeordnet. Die Zellen gleichen im wesentlichen denen der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele, nur das die zwischen den Halbleiterbauelementen jeder Zelle liegenden Streifen etwas anders ausgebildet sind. Die Streifen 420a, 420b_yund 420c sind jeweils etwas anders ausgebildet, da die Öffnung 416 in der Platte, ä

■ - . - ■-"■'" durch die die Streifen hindurchgehen, nicht so angeordnet ist_:, daß eine symmetrische Anordnung um die mittlere Schraube herum möglich ist, wie bei den vorherigen Ausführungsbeispielen. Der Streifen 420bverläuft zwischen der Öffnung und der Zelle in gekrümmter SOrra, um zu verhindern, daß er die Schraube berührt. Alle Zellen und Streifen, mit Außnahme der äußeren Streifenteile, sind in Vergußmaterial 422 eingebettet. Das Vergußmaterial 422 geht durch die Öffnung 416 hindurch, um die Streifen gegenüber der Platte zu isolieren. .

Die Wirkungsweise der Gleiehrichterbrückenanordnung 400 ent— 'spricht im wesentlichen der der vorhergehenden Ausführungs- ".' beispiele. Auch diese Gleiehrichterbrückenanordnung und die

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Ausgangsleitung 412 lassen sich in einem einzigen Arbeitsgang durch die Schraube 410 zusammenbauen, anschließen und/oder befestigen. Auch die Wärme wird von der Gleichrichterbrückenanordnung im wesentlichen über das leitenden Bauteil 402 abgeleitet.

Die Figuren 11 bis 14 stellen ein kompakteres Ausführungsbeispiel der Erfindung dar. Die Gleichrichterbrückenanordnung 500 ist durch Schrauben 504 thermisch und elektrisch leitend an einem Bauteil 502 befestigt. Ein wesentliches Unterscheidungsmerkmal dieser Gleichrichterbrückenanordnung 500 besteht darin, daß die Anzahl der Halbleiterbauelemente gegenüber den anderen Brückenanordnungen von sechs auf zwei verringert ist. Die Brückenanordnung enthält ebene Halbleiterscheiben 506 und 508. Die Scheibe 506 besteht im wesentlichen aus P-leitendem Halbleitermaterial, in dem drei radial angeordnete N-leitende Zonen 510 ausgebildet sind. Jede der N-leitenden Zonen liegt zur inneren größeren Oberfläche der Halbleiterscheibe benachbart, d.h. derjenigen größeren Oberfläche, die der Scheibe 508 am nächsten liegt. Die Halbleiterscheibe 508 besteht im wesentlichen aus N-leitendem Halbleitermaterial, in dem drei radial angeordnete P-leitende Zonen 512 ausgebildet sind. Die Zonen 510 und 512 haben eine ähnliche geometrische Form und sind in der zusammengesetzten Brückenanordnung aufeinander ausgerichtet. Zwischen den auseinander—liegenden, parallelen inneren Oberflächen der Halbleiterscheiben sind drei getrennte Kontaktbauteile 514 angeordnet. Die geometrische Form der Kontaktbauteile ist so gewählt, daß sie jeweils einen niederohmigen elektrischen Kontakt zwischen einer N-leitenden Zone und einer darauf ausgerichteten P-leitenden Zone der Halbleiterscheiben 506 und 508 bilden. Alle Kontaktbauteile weisen einen sich einstückig daran ansetzenden Anschluß 516 zum Anschließen an eine dreiphasige Wechselstromquelle auf.

Die Anschlüsse ragen in radialer Richtung durch einen gläsernen Schutzring 518 hindurch nach außen, der die Scheiben gegen Ver-

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anreinigungen schützt. Es sei darauf hingewiesen, daß nur ein einziger Schutzring zum Schutz "beider ScheiTDen erforderlich ist, wogegen "bei den übrigen Gleichrichterbrückenanordnungen sechs getrennte gläserne Schutzschichten dem gleichen Zweck dienen. Ferner überzieht und schützt eine dünne thermische und elektrisch leitende Schicht. 520 die äußere größere Ober- : fläche der Halbleiterscheibe 508. Wenn,man die G-leichrichterbrüekenanordnung einstückig mit dem Bauteil 502 ausbilden will, kann diese Schicht weggelassen werden. Obwohl zwischen den seitlich auseinander-liegenden Kontakt bauteilen 514 ein ,. Luftspalt dargestellt ist, ist es zweckmäßig, diesen Luft- % spalt bei Hochspannungsbetrieb mit einem. Dielektrikum, wie Glas, zu füllen.

Um die äußere größere Oberfläche der Halbleiterscheibe 506 elektrisch zu kontaktieren, ist ein elektrisch leitendes Bauteil 522 vorgesehen. Zwischen diesem leitenden Bauteil 522 und der elektrischen Ausgangsleitung 524 besteht eine niederohmige elektrische Verbindung. Zum Zusammenhalten^ und Befestigen der. Brückenanordnung ist eine isolierende Platte 526 vorgesehen. Bei der Platte kann, es sich beispielsweise um ein verstärktes Harzbauteil handeln, in den das leitende : ■'■_ Bauteil 522 und die Ausgangsleitung eingegossen ist, statt- A dessen kann das leitende Bauteil 522 auch aus dickerem Metall hergestellt sein und die isolierende Platte 526 weggelassen werden. Bei dieser Ausführung könnet isolierende Durchführungsbuchsen verwendet werden, um die Schrauben gegenüber den leitenden Bauteilen 522 elektrisch jsu isolieren. Es sei . : darauf hingewiesen, daß die Platten 520 und 522, Scheiben 506 /. und 508, der Glas-Schutzring 518 und die Kontaktbauteile 514 als Unteranordnungseinheit ausgebildet werden können, die, alle elektrischen Punktionen einer GIeichrichterbrüekenanordnung' ausführt. ' -

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Die Wirkungsweise der Gleichrichterbrückenanordnung 500 ist etwa gleich der der vorhergehenden Gleichrichterbrückenancrdnungen. Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß der Aufbau der Gleichrichterbrückenanordnung bei" Verringerung der Gesamtzahl der zur Durchführung der Gleichrichtung erforderlichen Bauelemente wesentlich einfacher ist.

Obwohl hier der Zusammenbau der Gleichrichterbrückenanordnung speziell mit einem YTechselstromgenerator angegeben ist, liegt es ebenso im Rahmen, der Erfindung, die ·Brückenanordnung durch andere thermisch und elektrisch leitende Bauelemente zu haltern, die nicht nur als elektrischer leiter, sondern auch als Kühlkörper für die Brückenanordnung dienen.

ReZ/Lo

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Claims

2015323

Patent ansprüche

(1 .)Verbindung einer Halbleiteranordnung mit einer Stromquelle, dadurch g e k e η η ζ e. i c h η e t , · daß die Halbleiteranordnung (108; 200; 306; 400; 500) an einem thermisch und elektrisch, leitenden Sauteil (102; 222; 300; 414; 502) der Stromquelle befestigt ist, daß gleichzeitig als Stromzuleitung und als Kühlkörper für die Halbleiteranordnung dient. I
2. Verbindung nach Anspruch 1 ,

dadurch gekennzeichnet, daß die Stromquelle ein Wechselstromgenerator (100) ist und das thermisch und elektrisch leitende Bauteil einer unmittelbaren Luftkühlung ausgesetzt ist und der Wechselstromgenerator Ausgangsleitungen zur Abgabe von Viechseistrom aufweist, daß ;^r die Verbindung ferner eine elektrisch leitende Vorrichtung (124; 238; 308; 402), die von dem thermisch und elektrisch leitenden Bauteil des Wechselstromgenerators beabstandet ist, mit einer ersten Oberfläche-(130), die parallel zu einer zweiten Oberfläche (112) des leitenden Bauteils des Wechselstromgenerators angeordnet ist, und eine zwischen den beiden Oberflächen (112, 130) angeordnete Vorrichtung zur Ausbildung eines getrennten, nur in einer Sichtung elektrisch leitenden Stromweges von jeder der Ausgangsleitungen zu jeder der beiden Oberflächen (112, 130) enthält und daß diese zwischen den beiden Oberflächen angeordnete Vorrichtung mit jeder der Ausgangsleitungen verbindbare Vorrichtungen (146, 148; 206t-212) zur Aufnahme eines Wechselstroms, zwei Halbleiterbauelemente (134, 136; 214) der Halbleiteranordnung, die durch die Aufnahmevorrichtungen getrennt sind und jeweils Zonen (138, 140) vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp mit einem Gleichrichter Übergang (142) dazwischen aufweisen, wobei das eine Halbleiterbauelement mit einer ersten Leitfähigkeitszone in thermischem und ohmschem Kontakt zum leitenden Bauteil des Wechselstrom-

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Generators und das andere Halbleiterbauelement mit einer Leitfähigkeitszone des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps in ohnp-schem Kontakt zur ersten Oberfläche der elektrisch leitenden Vorrichtung angeordnet ist, eine die Halbleiterbauelemente am Umfang umgebende Schutzvorrichtung (128; 144, 150; 250, 236; 314; 422; 518) und eine von mindestens einer der beiden Oberflächen elektrisch isoliert angeordnete Vorrichtung (160; 228, 230, 246; 318; 410; 504) zum Befestigen der elektrisch leitenden Vorrichtung und der Zwischen den beiden Oberflächen angeordneten Vorrichtung in Zusammenhaulage an dem leitenden Bauteil des Wechselstromgenerators umfasst.
3. Verbindung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,

daß das thermisch und elektrisch leitende, luftgekühlte Bauteil des Wechselstromgenerators mit Kühlrippen (106, 120; 224) versehen ist.
4. Verbindung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,

daß die elektrisch leitende Vorrichtung eine elektrisch und thermisch leitende Platte (308) enthält, daß in das thermisch und elektrisch leitende Bauteil (300) des Wechselstromgenerators eine Schraube (318) geschraubt ist, die die Platte (308) durch Druck mit der zwischen den Beiden Oberflächen angeordneten .Vorrichtung in Verbindung bringt, daß eine elektrische Ausgpngsleitungu(324) ebenfalls durch die Schraube (318) durch Druck mit der Platte (308) in elektrisch leitende Berührung gebracht wird und daß die Schraube (318) von der Platte (308) und der elektrischen Ausgangsieitung (324) durch eine isoliervorrichtung (326) getrennt ist.
5. Verbindung nach Anspruch 2, ^d a d u r ciih gekennzeichnet , daß 4ie Schutzvorrichtung ein dielektrisches Material (144,150) enthält, das die Halbleiterbauelemente am Umfang umgibt,

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6. Verbindung nach Anspruch 2, . d a d ü r c h gekennzeichnet, daß die Schutzvorrichtung eine dielektrische Gla.sschicht (144, 51.8) enthält, die den gleichrichtenden Übergang jedes der Halbleiterbauelemente am Umfang umgibt.
7. Verbindung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,.

daß die elektrisch leitende Vorrichtung mit Kühlrippen (310} 404;) versehen ist. , ,

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8. Verbindung nach Anspruch 2, ^ dadurch gekennzeichnet , daß die zwischen den beiden Oberflächen angeordnete Vorrichtung ein die Halbleiterbauelemente halterndes dielektrisches Bauteil (150$ 202; 314;· 422) enthält./ ■
9. Verbindung nach.Anspruch 2,

dadurch g e k e η η ζ e ij c h η e .t , ~ daß die Schutzvorrichtung eine ringförmige Diohtvorrlchtung, (128; 236, 250; 518) enthält. Γ
10. Verbindung nach Anspruch 2, ;■ .;

dadurch · g e k e η η ζ e χ c h η e t , ; ^Λ - '. . | daß das thermisch und elektrisch leitende Bauteil eine Vertiefung (110) enthält, die die erste: Oberfläche (112) aufweist - und 4iezwischen den beiden Qberflachen liegende I Vorrichtung - mit der Schutzvorrichtuiaig aufnimmt, \ die zum . ι

Schutz gegen Verunreinigungen dient,|

und daß zwischen der

elektrisch leitenden Vorrichtung un3 dem thermisch und elektrisch leitenden Bauteil am Umfang der Vertiefung eine die elektriech leitende Vorrichtung ν und das thermisch und elektrisch leitende Bauteil trennende Dichtuijgsvorrichtung. (128) angeordnet ist, die einen zusätzlichen'(Schutz der Ha'lbleiterbauteile bietet. . ^!

ORIGINAL

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11. Verbindung nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet,

daß das thermisch und elektrisch leitende Bauteil eine durchgehende Öffnung (114) enthält, durch die ein Teil (148) jeder der Aufnahmevorrichtungen (146, 148) verläuft, und daß die Aufnahmevorrichtungen (146, 148) gegeneinander und gegenüber dem thermisch und elektrisch leitenden Bauteil (102) durch eine Isoliervorrichtung (152) isoliert sind.
12. Verbindung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiteranordnung (200) ein dielektrisches Substrat (202) mit zwei einander gegenüberliegendem, größeren Oberflächen und mehreren auseinanderliegenden Leitern (206), die durch das Substrat hindurch von der einejti Oberfläche zur anderen verlaufen, mehrere an jeder größeren^ Oberfläche des Substrats befestigte, elektrisch leitende Streifen (212) und Halbleiterplättchen (219) enthält, die über jeweils einen

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der Streifen mit einem der Leiter verbunden s|jid und von denen jedes Hal-bleiterplättchen ein Halbleiterbauelement fe £214) mit Zonen vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp

.und einem dazwischen ausgebildeten Übergang (2fi8) aufweist, ,daß jedes Halbleiterbauelement vorjeiner elektrisch leitenden

Kontaktvorrichtung (216) bedeckt und auf seine% Umfang von ■4 einer dielektrischen Schutzvorrichtung umgeben* ist, die zusammen mit der Kontaktvorrichtung und dem Streifen eine [Abdichtung des Halbleiterbauelements bewirkt, $aß die .auf ., entgegengesetzten Oberflächen des Substrats angeordneten Halbleiterbauelemente durch Zonen vom entgegengesetzten Leit- <j fähigkeitstyp mit den leitenden Streifen kontaktiert sind -? und daß an die Leiter Wechselstromzuführleitungen (248) an- ■; schließbar sind.

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13. Verbindung nach Anspruch 1,

dadurch;: g e k e η η ζ e i c h n' e t , daß die Halbleiteranordnung (500) zwei parallele, aus-* einanderliegeride Halbleiterscheiben (506, 508) mit jeweils einer inneren und einer äußeren größeren ebenen Oberfläche enthält], daß die eine Halbleiterscheibe(506) p-leitend ist und seitlich auseinandervliegende η-leitende Zone (510) an der inneren Oberfläche aufweist,' die jeweils getrennte, gleichrichtende Übergänge mit der p-leitenden Scheibe bilden, . | daß die andere: Halbleiterscheibe (508) n-leitend-; ist und seitlich auseikanderiiegende, p-leitende Zonen (512) an '. -ihrer inneren !Oberfläche aufweist, die jeweils getrennte, gleichrichtencfe Übergänge mit der η-leitenden Scheibe bilden und auf die η-leitenden Zonen der anderen Halbleiter- ■ scheibe ausgerichtet sind, daß zwischen "den Halbleiter- '".-■-' scheiben elektrisch leitende Vorrichtungen (514; 516) angeordnet sind,; die getrennt sind und jeweils zwei der auf-; einander ausgerichteten n- und .p-leitenden Zonen kontaktieren^ um ihnen einen Wechselstrom zuzuführen, daß die äußeren Oberflächen der Halbleiterscheiben durch thermisch und elektrisch leitende Vorrichtungen (520, 522) kontaktiert sind und daß die Halbleiterscheiben am Umfang zum Schutz " gegen Verunreinigungen durch eine Schutzvorrichtung (518) dicht umgeben !sind. ..·..- .;

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