-
Gleichrichterelement und daraus gebildetes Gleichrichter-
-
system Stand der Technik Die Erfindung geht aus von einem Gleichrichterelement
und einem daraus gebildeten Gleichrichtersystem nach der Gattung des Hauptanspruchs.
Aus Halbleiterdioden bestehende Gleichrichterelemente bzw. vollständige Gleichrichtersysteme
sind in vielfältiger Form bekannt; beispielsweise die üblichen Grätz-Brückenschaltungen
oder auch Gleichrichterbrücken, wie sie bei üblicherweise im Kraftfahrzeugbau oder
bei sonstigen mobilen Einheiten verwendeten elektrischen Gleichstromgeneratoren
angewendet werden. Es ist bekannt, daß bei solchen Drehstromgeneratoren zum Teil
erhebliche Stromstärken gleichgerichtet werden müssen, denn
die
Bordnetzspannung eines Kraftfahrzeugs ist üblicherweise wegen der vorhandenen Batterie,
die lediglich Gleichstromenergie speichern kann, auf Gleichstrom abgestellt. Zur
Gleichrichtung des von einem Drehstromgenerator abgegebenen dreiphasigen Wechselstroms
werden üblicherweise sechs Leistungsdioden und gegebenenfalls hiervon getrennt für
die Erzeugung des Erregerstroms noch drei Erregerdioden verwendet, wobei jede der
sechs Leistungsdioden bei sehr hohem Strombedarf auch aus der Parallelschaltung
einer gewünschten Anzahl von weiteren Dioden bestehen kann.
-
Da diese Halbleiterdioden nur bis zu bestimmten Temperaturen aufgeheizt
werden dürfen, muß die Verlustwärme mit Sicherheit abgeführt werden, so daß die
Dioden üblicherweise in sog.
-
Kühlkörpern eingebaut sind, die so an einergeeignetenStelle, beispielsweise
einem Lagerschild des Drehstromgenerators angeordnet und an diesem befestigt sind,
daß sich die Kühlkörper in den vom Drehstromgenerator erzeugten KUhlluftstrom oder
in einem Fremdkühlluftstrom befinden. Bei größeren Drehstromgeneratoren kann auch
ein aus drei Kühlkörpern bestehendes Gleichrichtersystem vorgesehen sein, bei dem
je drei Dioden, eine Plus-, eine Minus- und die Erregerdiode in drei Gruppen zusammengefaßt
sind und jeder Gruppe ein Kühlkörper zugeordnet ist. Die Kühlkörper können zusätzlich
mit Kühlrippen versehen sein.
-
Entscheidend ist bei der herkömmlichen Gleichrichterbauweise, daß
die einzelnen Ventile üblicherweise mit einem einzigen Kühlkörper durch Einpressen,
Einlöten oder Andrücken verbunden werden. Im Betrieb des Gleichrichters wird dann
die anfallende Verlustwärme einseitig über dieses Kühlblech abgeführt. Die Bauform
einer solchen Leistungsdiode ist dabei von vornherein auf die Betriebsweise mit
einseitiger Wärmeabfuhr eingerichtet, d.h. eine solche bekannte Leistungsdiode
verfügt
über ein äußeres Gehäuse, welches eine Rändelung zur Halterung im Preßsitz (Einpreßdiode)
aufweist und einen isoliert zum Gehäuse vorhandenen Anschlußdraht oder Kopfdraht
für die Herstellung der zweiten elektrischen Anschlußverbindung. Eine solche Einpreßdiode
sitzt in einer entsprechend dimensionierten Bohrung im zugeordneten Kühlbiech, wobei
der in der Regel dünne Anschlußdraht insofern problematisch ist, als die wechselstromseitig
anzuschließende Generatorwicklung meist aus stärkeren Drähten besteht, deren Verbindung
mit der Diode durch Schweißen oder Löten Probleme aufwirft.
-
Außerdem kann die im Betrieb auftretende Schüttelbeanspruchung hier
zu Drahtbrüchen oder zu einem Auftrennen der Kontakte führen.
-
Es besteht Bedarf nach einem schüttelfesten montagefreundlichen Gleichrichterelement,
welches eine einwandfreie Kühlung sicherstellt und den kompakten Aufbau von Gleichrichtersystemen
hoher Leistung ermöglicht.
-
Vorteile der Erfindung Das erfindungsgemäße Gleichrichterelement und
ein daraus gebildetes Gleichrichtersystem mit den kennzeichnenden Merkmalen des
Hauptanspruchs hat den Vorteil, daß auch bei Drehstromgeneratoren mit sehr hoher
Leistungsabgabe eine ausgeglichene Kühlwirkung für die einzelnen Halbleiterdioden
sichergestellt ist; außerdem lassen sich auf der Basis eines solchen Gleichrichterelements
hergestellte Gleichrichtersysteme raumsparend aufbauen, wobei eine Optimierung der
thermischen Verhältnisse erzielt wird.
-
Durch die massiven Blechanschlüsse auf beiden Seiten des Ventils ergibt
sich eine beidseitige Wärmeabfuhr sowie gleichzeitig die Herstellung fester elektrischer
Verbindungen von Ständerwicklung und Gleichrichter einerseits und von Gleichrichter
zu den Plus- oder Minus ans chlüssen andererseits.
-
Außerdem erlaubt das erfindungsgemäße Gleichrichterelement die Parallelschaltung
mehrerer Dioden, so daß verschiedene elektrische Funktionen erhalten werden können;
beispielsweise die wechselspannungsseitige Zusammenschaltung von Last- und Erregerkreis
bei Drehstromgeneratoren.
-
Vorteilhaft ist weiterhin, daß durch die verbesserte Wärmeabfuhr eine
gegenseitige Aufheizung der vorhandenen Last-und Erregerdioden vermieden wird und
auch Stoffe mit geringerer Wärmeleitfähigkeit, die aber andere Vorteile bieten,
zum Einsatz kommen können, wie beispielsweise Stahl für die Kühlkörper.
-
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte
Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Gleichrichterelements
und eines daraus hergestellten Gleichrichtersystems möglich. Besonders vorteilhaft
ist, daß durch die Wahl bestimmter Mindestabstände zwischen den Kühlblechen, die
sich durch die Art der Herstellung des Gleichrichterelementes vorgeben lassen, der
Aufbau kompakter Gleichrichter möglich ist. Es ist auch möglich, anstelle üblicher
vollständig gekapselter Halbleiterdioden für den Aufbau der Gleichrichterelemente
lediglich einzelne Halbleiterkristalle zu verwenden, die dann zum Schutz und zur
Isolierung vorteilhafterweise mit einer Kunststoffummantelung versehen werden. In
diesem Fall leber nehmen die beidseitigen Kühlbleche gleichzeitig tragende
und
lagernde Funktionen für die Dioden und werden somit Teil des Gesamtelements.
-
Zeichnung Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung
dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen die
Figuren 1a bis 1d unterschiedliche Formen von Gleichrichterelementen, jeweils bestehend
aus drei Kühlblechen und zwei, zwischen diesen angeordneten Halbleiterdioden, die
Figuren 2 bis 4 Ausführungsformen von auf der Basis der in den Figuren 1a bis 1d
dargestellten Gleichrichterelemente aufgebauten kompletten Gleichrichtersysteme,
Fig. 5a ein für die Verwendung bei einem Drehstromgenerator geeignetes Gleichrichtersystem,
welches auch die erforderlichen Erregerdioden umfaßt, in einer Seitenansicht, die
Fig. 5b das Gleichrichtersystem der Fig. 5a in Draufsicht und die Fig. 5c dieses
Gleichrichtersystem in einer Ansicht von vorn, die Fig. 6 zeigt schließlich eine
mögliche elektrische Schaltungsausführung eines Drehstromgenerators mit Ständerwicklung
in Sternschaltung und zugeordneten Leistungs- und Erregerdioden sowie Erregerwicklung
mit Regler.
-
Beschreibung der Ausführungsbeispiele Der Grundgedanke vorliegender
Erfindung besteht darin, vorgefertigte Gleichrichterelemente, jeweils gebildet aus
zwei einander zugeordneten und bevorzugt in einer gleichen Ebene angeordneten Halbleiterdioden.
una drei Kühlblechen, zustellen, wobei ein mittleres Kühlblech beidseitig von Anlage-,
Kontakt- oder Preßflächen der beiden Halbleiterdioden
kontaktiert
ist und wobei auf der Basis eines solchen Gleichrichterelements komplette Gleichrichtersysteme
oder Gleichrichterbrücken in kompakter Ausführung mit hervorragenden Kühleigenschaften
hergestellt werden können.
-
Der Darstellung der Fig. 1a läßt sich ein erstes Gleichrichterelement
1 der beschriebenen Art entnehmen, bestehend aus zwei Dioden 5a und 5b, die zwischen
drei Kühlbiechen 6a, 6b und 6c angeordnet sind. Jede Diode 5a, 5b ist bevorzugt
symmetrisch ausgebildet und verfügt über zwei, einander gegenüberliegende und bevorzugt
gleiche Anlage- oder Kontaktflächen 7a, 7b, die mit den zugewandten Flächen der
zugeordneten Kühlbleche 6a, 6b, 6c verbunden sind. Diese Verbindung der seitensymmetrisch
ausgebildeten Dioden 5a, 5b kann durch Löten, durch einen Preßsitz, durch einfache
Anlagekontaktierung oder auf andere geeignete Weise erfolgen, jedoch so, daß gleichzeitig
die beiden elektrischen Anschlußverbindungen für die jeweilige Diode hergestellt
und eine gute wärmeübertragende Anlagefläche sichergestellt ist.
-
Man erzielt so eine beidseitige Wärmeabfuhr bei jeder Diode, wobei
die dem jeweiligen mittleren Kühlblech 6b zugewandten Diodenseiten im Betrieb dann
jeweils über das gleiche elektrische Potential verfügen.
-
Bevorzugt sind die Dioden 5a, 5b daher in einem eigenen Gehäuse angeordnet,
welches aber im Gegensatz zu den bisher bekannten Dioden nicht als ein großflächiges
unteres, die Verbindung zu einem Kühlkörper sicherstellenden Gehäuseteil und einem
Kopfdraht besteht, sondern über beidseitige Anlage-oder Kontaktflächen verfügt.
Bei den Dioden 5a, 5b der Fig. 1a verfügt das Diodengehäuse jeweils über einen mittleren
verdickten Bereich 8, an dem sich beidseitig verjüngte Anschluß- und Kontaktbereiche
9a, 9b anschließen. Durch die
Bauhöhe der Dioden 5a, 5b ergibt
sich gleichzeitig ein ausreichender Abstand der Kühlbleche, um Kriechwege zu vermeiden.
Der eigentliche Aufbau der Halbleiterdiode innerhalb des Gehäuses 5a, Sb ist beliebig;
sichergestellt sein muß lediglich, daß das Diodengehäuse so ausgebildet ist, daß
auf jeden Fall die beidseitigen Anlageflächen 7a, 7b elektrisch zueinander isoliert
sind, da mindestens diese Anlagefl#chen auch mit jeweils einem der beiden Halbleiterdiodenanschlüsse
in Verbindung stehen.
-
Bei der Ausführungsform der Fig. 1b werden Dioden 10a, 10b von vergleichsweise
kleinem kompaktem Aufbau verwendet, die über eine einheitliche Gehäuseform verfügen.
Um hier den erforderlichen Mindestabstand zwischen den Kühlblechen 6a', 6b', 6c'
herzustellen, ist in das mittlere Kühlblech 6b' ein Kontaktniet 11 eingezogen, der
beidseitig nach außen einen solchen Abstand sichert, daß der Kriechwege ausschließende
übliche Küh lb le chabs tand entsprechend der Darstellung der Fig. la sichergestellt
ist. Der Kontaktniet dient dann gleichzeitig der Herstellung der elektrischen Kontakte
der beiden anliegenden Diodenflächen sowie der Wärmeübertragung auf das mittlere
Kühlblech 6b'.
-
Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. lc sind die Dioden 12a, 12b in
etwa so ausgebildet wie beim Ausführungsbeispiel der Fig. lb; sie verfügen aber
beidseitig über für den erforderlichen Mindestabstand sorgende gelötete Kontakte
13a, 13b, wobei diese Lötstellen auch hier die elektrischen Verbindungen und die
Wärmeübertragung sicherstellen.
-
Schließlich ist es möglich, die Form der Kühlbleche 1Sa, 15b, 15c
bei dem Gleichrichterelement 4 der Fig. 1d so auszubilden, daß die beiden äußeren
Kühlbleche 15a, 15c im Bereich der auch hier wieder vergleichsweise schmalen Halbleiterdiodenformen
14a,
14b jeweils eine Ausstülpung 15d, 15e aufweisen, die für den nötigen Abstand der
Kühlbleche zueinander sorgt und mit einem unteren flächigen Teil an den zugewandten
Flächen der Halbleiterdioden anliegt. Diese Ausstülpung kann durch einen Ziehvorgang
hergestellt sein, so daß sich ein sog. gezogener Kontakt ergibt.
-
Es versteht sich, daß eine Vielzahl weiterer Ausführungsformen von
Gleichrichterelementen denkbar ist, die, wie die Gleichrichterelemente 1, 2, 3,
4 der Figuren la, lb, 1c, 1d alle auf dem gleichen Grundgedanken beruhen. So ist
es möglich, daß beidseitige Vorsprünge der Halbleiterdioden in Ausnehmungen oder
Bohrungen zugewandter Seiten der Kthlbleche eingreifen und dort verlötet sind oder
im Preßsitz gehalten sind; es ist auch möglich, die Kühlbleche durch geeignete Mittel,
beispielsweise elektrisch nicht leitende Bänder miteinander zu verspannen und die
Dioden so im Preßsitz zu halten.
-
Die Figuren 2 bis 4 geben aus der Zuordnung von mindestens zwei der
in den Figuren la bis ld gezeigten Gleichrichterelemente gebildete komplette Gleichrichtersysteme
an, wobei die einfachste Form entsprechend Fig. 2 darin besteht, daß auf einer Trägerunterlage
16 mindestens zwei, vorzugsweise -aber drei Gleichrichterelemente 17a, 17b, 17c-angeordnet
und befestigt sind. Die Trägerunterlage 16 kann Durchbrechungen 16a, 16b, 16c aufweisen,
durch welche die Kühlluft zu den an ihr befestigten Gleichrichterelementen strömen
und diese kühlen kann. Die solcherart angeordneten Gleichrichterelemente 17a, 17b,
17c können elektrisch beliebig miteinander verschaltet und verbraucherseitig mit
den Plus-und Minus anschlüssen sowie eingangsseitig mit den Wechselstrom- bzw. Drehstromanschlüssen
verbunden werden; so ist durch die Zusammenschaltung der Gleichrichterelemente 17a,
17b
der Aufbau eines Gnætz-Gleichrichters möglich, wenn jeweils die beiden äußeren Kühlbleche
18a und 18c sowie 19a und 19c jedes Gleichrichterelementsmiteinander verbunden und
an die beiden nicht miteinander verbundenen inneren Kühlbieche 18b und 19b die speisende
Wechselspannung angeschlossen wird. Es versteht sich, daß die Gleichrichterdioden
für den Aufbau eines solchen Gnxtz-Gleichrichters entsprechend gepolt sind.
-
Für den Anwendungsfall der Gleichrichtung von Drehstrom, wie er bei
Drehstromgeneratoren im Kraftfahrzeugbereich üblicherweise vorkommt, kann die Verbindung
der Kühlbleche und damit gleichzeitig auch die elektrischen Verbindungen so hergestellt
werden, wie in der Darstellung der Fig. 3 gezeigt; die äußeren Kühlbleche sind jeweils
unter Bildung durchlaufender Kühlblechschienen 20a und 20b miteinander verbunden
und bilden gleichzeitig den ausgangsseitigen Plus- und Minus-Anschluß, während die
drei Phasen der Wechselspannung an die drei zueinander isoliert gehaltenen inneren
Kühlbleche 21, 22 und 23 angelegt sind; es versteht sich, daß als Dioden die beliebigsten
Ausführungsformen entsprechend der Darstellung der Gleichrichterelemente in Figuren
la bis ld gewählt werden können.
-
Zum Aufbau eines kompletten Gleichrichtersystems in einer noch kompakteren,
dennoch aber kühlintensiveren Form ist das Ausführungsbeispiel der Fig. 4 geeignet,
bei dem die Gleichrichterelemente der Fig. ld Verwendung finden, wobei eine zusätzliche
Krümmung oder Welligkeit der einzelnen Kühlelemente noch ergänzend in Betracht gezogen
werden kann. Durch die Krümmungen ergeben sich größere Kühlflächen und die Möglichkeit,
in versetzter Weise die einzelnen Gleichrichterelemente 4a, 4b und 4c ineinander
verschachtelt anzuordnen. Elektrische Verbindungen können in beliebiger
Weise
hergestellt werden.
-
Die Figuren 5a bis 5c zeigen in verschiedenen Ansichten ein kompaktes
Gleichrichtersystem, wie es unmittelbar bei einem Drehstromgenerator Anwendung finden
kann; äußere, miteinander verbundene Kühlbleche in Form von Stromschie nen 24 und
25 für die Bildung des Lastanschlusses B- und B+ sind jeweils mit den Anoden bzw.
Kathoden der sechs Leistungsdioden 26, 28, 30 bzw. 27, 29, 31 verbunden,-wobei die
Dioden 26, 28 und 30 die Minusdioden der Schaltung und die Dioden 27, 29 und 31
die Plusdioden der Schaltung darstellen, wie dies auch in Form eines elektrischen
Schaltungsbildes in der Fig. 6 gezeigt ist. In Fig. 6 erkennt man auch die Verbindung
der mittleren, zueinander elektrisch isolierten Kühlbleche 32, 33 und 34, die beidseitig
von Dioden, und zwar jeweils# von der Anode und jeweils von der Kathode einer der
anliegenden Dioden kontaktiert sind, mit den zugeordneten, die drei Phasen des Drehstroms
erzeugenden Ständerwicklungen 35, 36 und 37. Da mit diesen drei Phasen gleichzeitig
auch noch die mit 38, 39 und 40 in Fig. 6 bezeichneten Erregerwicklungen verbunden
sind, können diese an die gleichen inneren Kühlbleche 32, 33 und 34,wie in Fig.
5 gezeigt, mit ihrem einen Anschluß angeschlossen werden, während die anderen Diodenseiten
zur Bildung des zum Regler führenden Anschlusses D+ über einen Verbindungsdraht
41 miteinander verbunden sein können. In der Darstellung der Fig. 6 ist der Regler
noch mit 42 und die von ihm gespeiste Erregerwicklung mit 43 bezeichnet. Man erkennt,
daß durch entsprechende Wahl der gleichstromseitigen Kühlbleche (s. Fig. 3) bestimmte
Schaltungen, beispielsweise Brückenschaltungen ohne zusätzliche Verbindungen realisiert
werden können; durch die Wahl bestimmter Mindestabstände zwischen den Kühlblechen
lassen sich so sehr kompakte Gleichrichter aufbauen, die ein besonders bevorzugtes
Anwendungsgebiet bei Drehstromgeneratoren für Kraftfahrzeuge finden.
-
Weiter vorn ist schon erwähnt worden, daß für den Aufbau der Gleichrichterelemente
auch anstelle vollständig in einem Gehäuse eingekapselter Dioden einzelne Kristallanordnungen
verwendet werden können, die dann zur Isolierung von einer Kunststoffkapsel eingeschlossen
sind. In diesem Fall ist es sinnvoll, die zugeordneten Kontakt- und Anschiußbereiche
auf den Kühlelementen sofort als Träger-und Teilgehäusebereiche auszubilden; gegebenenfalls
Teile der Dioden sofort auf den Kühlblechen aufzubauen und diese dann entsprechend
miteinander zu verbinden.