-
Kühlanordnüng für flache Scheibenzellen-Halbleiterbauelemente Die
Erfindung betrifft eine Kühlanordnung für flache Scheibenzellen-Halbleiterbauelemente
mit mindestens zwei Kühlbausteinen, von denen jeder aus einem Scheibenzellen-Halbleiterbauelement
besteht, an dessen beiden Flachseiten Je eine elektrisch und thermisch gut leitende
Kontaktscheibe anliegt, welche über eine elektrisch isolierende, jedoch gut wärmeleitende
Zwischenlage mit einem Kühlkörper wärmeleitend verbunden ist, der von einer Künlflüssigkeit
durchströmt ist.
-
Kühlbausteine der genannten Art sind bekannt, s.B. aus der deutschen
Offenlegungsschrift 1 564 590. Das Halbleiterbauelement, z.B. ein Thyristor, ist
in einem scheibenförmigen Gehäuse angeordnet. Die Anode und Kathode des Halbleiterbauelements
sind Jeweils mit einer Gehäuseflachseite elektrisch leitend verbunden. Das Scheibenzellen-Halbleiterbauelement
ist zwischen zwei zwei flüssigkeitsgekühlten Kühikörpern angeordnet und steht mit
diesen über Je eine elektrisch gut leitende Kontaktscheibe und eine Zwischenlage
aus elektrisch isolierendem, Jedoch gut wärmeleitendem Material in thermischem Kontakt.
-
Als Material für die Zwischenlage wird bevorzugt Oxidkeramik, insbesondere
Beryllium- oder Aluminiumoxid, verwendet. Die beiden mit hohem Druck gegen das Scheibenzellen-Halbleiterbauelement
gepreßten Kühlkörper sind an einen Kühlkreislauf mit einer strömenden Kühlflüssigkeit
angeschlossen und durch eine Rohrleitung miteinander verbunden. Der kühlbaustein
wird durch eine Druckverspannung zusammengehalten. Ein ähnlich aufgebaut er Kühlbaustein
mit Luftkühlung ist aus der USA-Patentschrift
2 907 935 bekannt.
-
Aus der deutschen Offenlegungsechrift 1 564 694 ist es beispielsweise
bekannt, mehrere Scheibenzellen-Halbleitergleich richter Jeweils abwechselnd mit
einem Kühlkörper zu einer säulenförmigen Kühlstapelanordnung zusammenzufassen. Die
Kühlkörper sind von einer Kühlflüssigkeit durchströmt, und die Kühlkreisläufe der
einzelnen Kühlkörper können einander parallel geschaltet sein. Eine Einspannvorrichtung
für mindestens zwei solcher Kühlsta'pelanordnungen ist z.B. aus der deutschen Auslegeschrift
1 614 640 bekannt.
-
Bei der Kühlung solcher Kühlstapelanordnungen mit einer Kühlflüssigkeit
als Kühlmittel treten jedoch einige Schwierigkeiten auf. Die Kühlkörper liegen bei
Betrieb der Scheibenzellen-Halbleiterbauelemente auf verschiedenem elektrischem
Potential. Die Kühlflüssigkeit ist daher einen elektrischen Feld ausgesetzt. Wird
als Kühlflüssigkeit z.B. Wasser oder ein anderes dissoziierendes flüssiges Kühlmittel
verwendet, so wird sich dieses elektrolytisch zersetzen. Die entstehenden Gasblasen
setzen dem Kühlflüssigkeitsstrom einen beträchtlichen Strömungssiderstand entgegen,
welcher bei der Dimensionierung der Kühlpumpe beachtet werden muß. Da sich die Kühlflüssigkeit
zersetzt, muß sie nach einiger Zeit entweder aufbereitet oder durch neue Kühlflüssigkeit
ersetzt werden. Die elektrolytische Zersetzung der Kühlflüssigkeit kann ferner zu
Korrosionsechäden innerhalb der Kühlleitungen und der Kühlkörper führen. Weiterhin
muß darauf geachtet werden, daß die Kühlmittelanschlüsse an den Kühlkörpern besonders
dicht ausgeführt sind. Andernfalls kann austretende Kühlflüssigke#t das Scheibenzellen-Halbleiterbauelement
elektrisch kurzschließen.
-
Aus all diesen Gründen möchte man bei der Flüssigkeitskühlung von
Kühlstapelanordnungen, die insbesondere auf den Gebiet der Leistungselektronik verwendete
Dioden oder Thyristoren enthalten, mit der Kühlflüssigkeit potential-frei arbeiten.
-
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Kühlanordnung
für flache Scheibenzellen-Halbleiterbauelemente anzugeben, bei welcher die Kühlflüssigkeit
puWential-frei
geführt werden kann.
-
Die Erfindung geht aus von der Überlegung, daß zur Lösung dieser Aufgabe
die eingangs genannte Kühlanordnung herangezogen werden kann. Die Erfindung besteht
bei dieser Kühlanordnung darin, daß zwei oder mehr Kühlbausteine wärmekontaktschlüssig
aneinander gepreßt sind, wobei die jeweils aneinander angrenzenden Kühlkörper zu
einem einzigen Kühlkörper zusammengefaßt sind, und daß je zwei Kontaktscheiben durch
einen Strombügel miteinander elektrisch verbunden sind.
-
Gegenüber einer reinen Reihenanordnung von zwei oder mehr der bekannten
Kühlbausteine besitzt diese Kühlanordnung den Vorteil, daß an den Stoßstellen von
zwei Kühlbausteinen Jeweils ein Kühlkörper eingespart werden kann. Mit dieser Kühlanordnung
ist man frei von Problemen der Kühlflüssigkeitsaufbereitung, die sich aus elektrischen
Isolations- sowie aus Korrosisonsschutzforderungen ergeben. Die durch den Strombügel
miteinander verbundenen Kontaktscheiben liegen auf derselben elektrischen Potential.
Sie sind durch die beiden Zwischenlagen von dem dazwischen angeordneten Kühlkörper
elektrisch getrennt. Somit kann das elektrische Potential dieses Kühlkörpers beliebig
gewählt werden. Der Kühlkörper kann also auch geerdet werden.
-
Gemaß einer Weiterbildung der Kühlanordnung ist daher vorgesehen,
daß an den Kühlkörpern eine elektrische Erdleitung befestigt ist. Sind die Kühlkörper
durch Kühileitungen aus Metall verbunden, so können auch diese geerdet sein.
-
Der Strombügel kann als eine starre Stromschiene ausgebildet werden.
Um jedoch der thermischen Ausdehnung der Kühlanordnung bei Betrieb der Scheibenzellen-Halbleiterbauelemente
Rechnung zu tragen, kann der Strombügel auch-federnd oder flexibel ausgebildet sein.
Damit der Kühlkörper bei Verschmutzung auf einfache Weise ausgetauscht werden kann,
ist es zweckmäßig, den Strombügel an den Kontaktscheiben lösbar zu befestigen.
-
Um zu einer leicht auseinandernehmbaren Kühlanordnung zu gelangen,
ist es weiterhin zweckmäßig, daß der Strombügel an
der einen Seite
und die an den Kühlkörpern angebrachten Kühlmittelanschlüsse an der gegenüberliegenden
Seite der Stapel angeordnet sind.
-
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der beigefügten Figuren
naher erläutert. Es zeigen: Figur 1 eine Kühlanordnung für zwei elektrisch parallel
geschaltete Scheibenzellen-Dioden, und Figur 2 eine Kühlanordnung für eine Anzahl
elektrisch in Reihe geschalteter Scheibenzellen-Thyristoren.
-
Die in Figur 1 dargestellte Kühlanordnung enthält zwei flache Scheibenzellen-Halbleiterbauelemente
2 und 3, und zwar Scheibenzellen-Leistungsdioden. Diese entwickeln im Betrieb eine
beträchtliche Verlustwärme, die von der Kühlanordnung abgeführt wird. Die Kühlanordnung
umfaßt weiterhin drei flüssigkeitsgekühlte zylindrische Kühlkörper 4 bis 6 aus Metall,
insbesondere aus Kupfer oder Aluminium, an welche Jeweils eine Erdleitung 7, 8 bzw.
9 angeschlössen ist, ferner vier elektrisch isolierende, aber thermisch gut leitende
Zwischenlagen 10 bis 13 z.B. aus Berylliumoxid oder Glimmer, sowie vier elektrisch
und thermisch gut leitende Kontaktscheiben 14 bis 17, die z.B. aus Kupfer gefertigt
sind.
-
Die Kontaktscheiben 14, 15 und 16, 17 sind Jeweils an einer der beiden
Flachseiten der Scheibenzellen-Halbleiterbauelemente 2 bzw. 3 angeordnet. Die Kontaktscheiben
14 bis 17 tragen je eine der elektrisch isolierenden Zwischenlagen 10 bis 13. Diese
sorgen für eine elektrische Abtrennung der anliegenden Kühlkörper 4, 5 und 6 von
den Scheibenzellen-Halbleiterbauelementen 2 bzw. 3. Die beiden außen angeordneten
Kühlkörper 4 und 6 kühlen das Jeweils benachbarte Scheibenzellen-Halbleiterbauelement
2 bzw. 3, während der mittlere Kühlkörper 5 für die gleichzeitige Kühlung beider
Scheibenzellen-Halbleiterbauelemente 2, 3 vorgesehen ist.
-
Die Kühlkörper 4 bis 6 sind durch Kühlleitungen 18 und 19, die z.B.
aus Kunststoff bestehen können, miteinander verbunden. Am Kühlkörper 4 ist eine
Einlaßkühlleitung 20 und
am Kühlkörper 6 eine Auslaßkühlleitung
21 vorgesehen. Die Kühlkörper 4 bis 6 werden nacheinander in Richtung der Pfeile
22 von einer Kühlflüssigkeit, z.B. von Wasser, durchströmt.
-
Natürlich kann auch eine strömungsmäßige Parallelschaltung der Kühlkörper
4 bis 6 in einem Kühlflüssigkeitskreislauf vorgesehen sein.
-
Eine (nicht dargestellte) Einspannvorrichtung, die aus einem Einspannåoch
bestehen kann, übt in Richtung der Pfeile 23, welche mit der Richtung der Stapelachse
I-I zusammenfällt, auf die Kühlkörper 4 und 6 einen beträchtlichen Kontaktdruck
aus. Dadurch werden die einzelnen Teile der Kühlanordnung mit ihren Flachseiten
wärmekontaktscnlüssig aneinander gepreßt.
-
Die beiden Kontaktscheiben 15 und 16, welche dem mittleren Kühlkörper
5 zugewandt sind, sind durch einen oder mehrere Strombügel 24 miteinanaes elsktrisch
leitend verbunden. Dieser Strombügel 24 ist mit einer Anschlußklemme 25 versehen.
Entsprechend sind die beiden anderen Kontaktscheiben 14 und 17 durch eine Verbindungsleitung
26 miteinander verbunden, die gleichfalls mit einer AnschluBklemmq 27 versehen ist.
Die beiden Scheibenzellen-Halbleiterbauelemente 2 und 3 sind in der Kühlanordnung
so angeordnet, daß sie bezüglich der Anschlußklemmen 25 und 27 elektrisch parallel
geschaltet sind.
-
Die Kühlleitungen 18 bis 27 sind dabei auf der einen, der Strombügel
24 ist auf der anderen Seite der Stapelfachs 1-1 angeordnet.
-
Bei der dargestellten Kühlanordnung ist ein freier Wärmefluß von den
Scheibenzellen-Halbleiterbauelementen 2 und 3 über die wärmekontaktschlüssig angelegten
Kontaktscheiben und die ebenfalls wärmekontaktschlüssig angepreßten Zwischenlagen
zu den Kühlkörpern 4 und 5 bzw. 5 und 6 möglich. Die von den Scheibenzellen-Ealbleiterbauelementen
2 und 3 im Betrieb entwickelte Verlustwärme wird also zunächst durch Wärmeleitung
~;md anschließend durch Wärmetransport in der strömenden KWhlflüssigkeit abgeführt.
-
Infolge der Verwendung der Zwischenlagen 10 bis 13 und des Strombügels
24 können alle Kühlkörper 4 bis 6 oder alle Kühlleitungen 18 bis 21,, sofern diese
aus Metall bestehen, trotz eines nennenswerten Spannungsabfalls zwischen den Kontaktscheiben
14 und 15 sowie 16 und 17 auf dasselbe elektrische Potential gelegt, insbesondere
geerdet werden.
-
Die Flüssigkeitskühl'ung erfolgt also potentialfrei. Infolge.
-
dessen kann sich zwischen den Kühlkörpern 4 und 5 sowie 5 und 6 und
innerhalb der strömenden Kühlflüssigkeit kein elektrisches Feld ausbilden, welches
sonst zur Dissoziation der Kühlflüssigkeit und damit zu einer störenden Gasblasenentwicklung
führen würde.
-
Aus Figur 2 geht hervor, daß sich auch bei elektrischer Serienschaltung
einer größeren Anzahl vqn Scheibenzellen-Halbleiterbauelementen 30 bis 34, im vorliegenden
Fall von Scheibenzellen-Thyristoren in einer Stromrichterschaltung mit hoher Speisespannung,
z.B. von 10 000 Volt, eine potentialfreie Versorgung der Kühlkörper 35 bis 48 mit
Kühlflüssigkeit erreichen läßt.
-
Jedes der Scheibenzellen-Halbleiterbauelemente 30 bis 34 ist wiederum
zwischen zwei der elektrisch leitfähig-en Kontaktscheiben 41 bis 50 eingespannt,
welche mit einer der elektrisch isolierenden, aber thermisch gut leitenden Zwischenlagen
51 bis 60 belegt sind, welche ihrerseits wiederum mit ihrer anderen Flachseite an
einem der Kühlkörper 35 bis 40 anliegen. Die gestapelten Teile der Kühlanordnung
werden wiederum durch eine (nicht gezeigte) Einspannvorrichtung wärmekontaktschlüssig
zusammengehalten, welche in Richtung der Pfeile 61 und damit in Richtung der Stapelachse
II-II Druck ausübt.
-
Die beiden am weitesten außen liegenden Kontaktscheiben 41 und 50
sind mit elektrischen Anschlußklenen 62 bzw. 63 versehen, an welche eine Gleich-
oder Wechselspannung angelegt sein kann. Die beiden Kontaktscheiben 42 und 43, welche
den Kütilkörper 36 einschließen, sind durch einen Strombügel 64 miteinander verbunden,
der außen an der gestapelton
Kühlanordnung vorbei führt. Entsprechend
sind Strombügel 65 bis 67 zur Überbrückung der Kühl körper 37 bis 39 vorgesehen,
so daß sich bei gleichzeitig gezündeten Scheibenzellen-Halbleiterbauelementen 30
bis 34 ein elektrischer Stromweg von der Anschlußklemme 62 über die Kontaktecheibe
41, das Scheibenzellen-Halbleiterbauelement 30, die Kontaktscheibe 42, den Strombügel
64, die Köntaktscheibe 43, das Scheibenzellen-Halbleiterbauelement 31, die Kontaktscheibe
44, den Strombügel 65, .... bis zur Anschlußklemme#63 ergibt.
-
In der dargestellten Kühlanordnung sind die beiden Strombügel 64 und
67 federnd und die beiden Strombügel 65 und 66 flexibel ausgeführt. Beide Ausführungen
besitzen den Vorteil, daß thermische Spannungen nicht zur Zerstörung führen- können.
Die Strombügel 64 bis 67 sind vorzugsweise jeveilssenigstens an einem Ende lösbar
an der entsprechenden Kontaktscheibe 42 bis 49 befestigt. Dadurch lassen sich nach
Lösen der Einspannvorrichtung auf einfache Weise defekte Scheibenzellen-Halbleiterbauelemente,
Isolierscheiben oder verstopfte Kühlkörper auswechseln. Wegen der Flexibilität der
Strombügel kann der Austauch auch ohne Lösung eines der beiden Enden des Strombügels
von der Kontaktscheibe erfolgen. Zwei Kontaktscheiben mit Strombügel können dann
als Einheit dem Stapel entnommen werden.
-
Die Zufuhr und Ableitung der Kühlflüssigkeit erfolgt wiederum von
der anderen Seite der Stapelachse 11-11. Die Xühlleitungen 68 bis 74, die in Richtung
der Pfeile 75 von der Kühlflüssigkeit durchströmt werden, bestehen bei der dargestellten
Kühlanordnung ebenso wie die Kühlkörper 35 bis 40 aus Metall.
-
Sie sind bei 76 geerdet. Dadurch liegen die Kühlkörper 35 bis 40 ebenso
wie bei der Ausführungsform gemäß Figur 1 wiederum alle auf demselben elektrischen
Potential. Die genannten Nachteile können sich also auch bei der in Figur 2 gezeigten
Kühlanordnung nicht einstellen. Die einzelnen Elemente des Stapels können Ausnehmungen
enthalten derart, daß der Stapel durch das Ineinanderfügen der einzelnen Elemente
in diese Ausnehmungen genau axial ausgerichtet ist.
-
9 Patentansprüche 2 Figuren