DE4439202C2 - Gleichrichteranordnung, vorzugsweise für Drehstromgeneratoren, mit Hartverguß - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Gleichrichteranordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Gleichrichteranordnungen der gattungsgemäßen Art sind gemäß DE 44 21 358 A1 beschrieben oder aus der US 4,604,643 A bekannt. So besitzen beispielsweise Gleichrichteranordnungen für Dreh­ stromgeneratoren für Kraftfahrzeuge aus Diodenchips gebildete Leistungsdioden, die auf Kühlkörpern (Konstruktionsteilen) angeordnet sind. Bei einer Vollweggleichrichtung eines dreiphasigen Wechsel­ stromes sind hierbei jeweils drei Minusdioden auf einem Minuskühlkörper und drei Plusdioden auf einem Pluskühlkörper angeordnet. Es ist bekannt, die Leistungsdioden, die den zwischen zwei Anschlüssen angeordneten Diodenchip aufweisen, auf den Kühl­ körpern aufzulöten und diese anschließend mit einem Weichverguß aus Isolierstoff zu vergießen. In der DE 44 21 358 A1 ist herausgestellt, dass der Weichverguß bei einer Federkontaktierung, insb. wenn dieser zusätzliche elastische Bereiche umfaßt, besonders vorteil­ haft ist. Hierbei ist nachteilig, daß der Weichverguß nur eine ge­ ringe thermische Belastbarkeit besitzt, so daß durch das Entstehen von Verlustwärme während des Betreibens der Gleichrichteranordnung die ther­ mische Belastbarkeitsgrenze des Weichvergusses überschritten werden kann. Dadurch können Verunrei­ nigungen zu den Halbleiterchips vordringen und deren Funktion verändern. Außerdem treten hier durch thermisch bedingte unterschiedliche Längen­ ausdehnungen zwischen den Halbleiterchipsen und dem Kühlkörper mechanische Spannungen auf, die in den Lötschichten abgebaut werden; wobei es zu einer Er­ müdung der Lotschichten der Leistungsdioden und da­ durch zu einer Beeinträchtigung deren Betriebs­ verhaltens beziehungsweise zu Frühausfällen kommen kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine höhere thermische Be­ lastbarkeit der Gleichrichteranordnung zu erreichen.

Dadurch, daß der Diodenchip mit den Anschlüs­ sen und wenigstens einer der Anschlüsse gleichzei­ tig mit dem Konstruktionsteil, wenigstens in dessen Anschlußbereich, in einem Hartverguß eingebettet sind, kann eine Ermüdung der Lotschichten des Di­ odenaufbaus vor allem der Lotschichten zwischen dem Diodenchip und den Anschlüssen und da wenigstens einen Anschluß und dem vorzugsweise als Kühlkörper dienenden Konstruktionsteil deutlich reduziert wer­ den. Hierdurch wird eine längere Lebensdauer der Gleichrichteranordnung bei einer thermischen Be­ lastung erreicht, beziehungsweise es ist eine hö­ here thermische Belastung der Gleichrichteranord­ nung möglich. Durch die höhere thermische Belastbarkeit bei wenigstens gleicher Lebensdauer, wie bei den bekannten Gleichrichteranordnungen, ergeben sich verringerte Anforderungen an eine Kühlung der Gleichrichteranordnung, so daß hier ein vereinfach­ ter Aufbau möglich ist.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus übrigen in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.

Die Erfindung wird nachfolgend in einem Aus­ führungsbeispiel an Hand der zugehörigen Zeich­ nungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Schnittdarstellung durch eine Gleich­ richteranordnung im Bereich einer Diode;

Fig. 2 eine Schnittdarstellung durch eine Diode;

Fig. 3 eine Draufsicht auf einen Kühlkörper;

Fig. 3a eine Schnittdarstellung durch den Kühlkörper nach B-B aus Fig. 3;

Fig. 4 eine Draufsicht auf eine komplett montier­ te Gleichrichteranordnung mit einem Hart­ verguß und

Fig. 5 eine weitere Schnittdarstellung durch die Gleichrichteranordnung nach A-A aus Fig. 4.

In Fig. 1 ist eine Schnittdarstellung durch eine allgemein mit 10 bezeichnete Gleichrichteranordnung gezeigt. Die Schnittdarstellung entspricht der in Fig. 4 angedeuteten Linie B-B. Die Gleichrich­ teranordnung 10 besitzt einen Minuskühlkörper 12 und einen Pluskühlkörper 14, beispielsweise aus Aluminium. Der Pluskühlkörper 14 ist hierbei auf dem Minuskühlkörper 12 elektrisch isoliert, jedoch thermisch leitend angeordnet. Eine Verbindung zwi­ schen der Minuskühlkörper 12 und dem Pluskühlkörper 14 kann beispielsweise durch Verkleben erfolgen. Auf dem Pluskühlkörper 14 ist wenigstens eine Plus­ diode 16 angeordnet. Die Gleichrichteranordnung 10 besitzt bei einer Vollweggleichrichtung beispiels­ weise eines dreiphasigen Wechselstromes, der von einem Drehstromgenerator erzeugt wird, insgesamt drei Leistungs-Plusdioden 16 und drei Leistungs- Minusdioden 18 (Fig. 5).

Der Aufbau der Dioden soll an Hand der in Fig. 1 gezeigten Leistungs-Plusdiode 16 erläutert werden, wobei dieser für sämtliche Leistungs-Dioden der Gleichrichteranordnung 10 identisch ist. Im wei­ teren erfolgt die Erläuterung an Hand der in Fig. 1 und 2 dargestellten Plusdiode 16, wobei dies für die weiteren Plusdioden 16 und die Minusdioden 18 ebenfalls gilt.

Die Plusdiode 16 besitzt einen Diodenchip 20, der zwischen zwei Anschlüssen 22 beziehungsweise 24 angeordnet ist. Der Diodenchip 20 ist mit den Anschlüssen 22 und 24 jeweils über ein höher schmelzendes Weichlot 26 verlötet. Das Weichlot 26 ist hierbei ganzflächig zwischen dem Diodenchip 20 und den Anschlüssen 22 beziehungsweise 24 angeord­ net. Die Anschlüsse 22 und 24 bestehen jeweils aus einem vernickelten Kupferplättchen, zwischen denen der Diodenchip 20 somit sandwichartig angeordnet ist. Der Anschluß 24 bildet einen sogenannten Kopfanschluß, über den eine elektrische Verbindung der Plusdiode 16 mit den Phasen U, V und W des nicht dargestellten Drehstromgenerators erfolgt. Die Ankopplung der Plusdiode 16 erfolgt über eine beispielsweise als Stanzgitter 28 ausgeführte Ver­ schaltung 30. Das Stanzgitter 28 weist hierzu ein spiralig verlaufendes Federelement 32 auf, das eine Vorspannung besitzt, so daß das Federelement 32 gegen den Anschluß 24 drückt und zum Beispiel mittels Laserlöten oder Laserschweißen mit dem An­ schluß 24 kontaktiert wird. Das Stanzgitter 28 besteht hierzu aus einem elektrisch leitfähigen Material mit den zur Ausbildung des Federelementes 32 notwendigen mechanischen Eigenschaften. Das Stanzgitter 28 kann beispielsweise aus höherwer­ tigen Bronzen bestehen.

Der Anschluß 22 der Plusdiode 16 ist über ein niedrigschmelzendes Weichlot 34 auf dem Pluskühl­ körper 14 aufgelötet. Der Pluskühlkörper 14 besitzt hierzu im Bereich des Anschlusses 24 eine lötfähige Beschichtung 36, die beispielsweise aus einer lokal aufgebrachten Kupferschicht bestehen kann.

Die Gleichrichteranordnung 10 besitzt weiterhin eine Vergießform 38 aus Kunststoff, die sich auf einem Rand 40 des Minuskühlkörpers 12 abstützt. Zur Ausbildung des Randes 40 ist der Pluskühlkörper 14 in seiner Breite geringfügig schmaler ausgebildet als der Minuskühlkörper 12. In die Vergießform 38 wird ein Isolierstoff-Hartverguß 42 eingebracht, der somit die Verschaltung 30, die Plusdiode 16 und den Pluskühlkörper 12 umschließt beziehungsweise einbettet. Der Hartverguß 42 kann beispielsweise ein auf Epoxyharzbasis aufgebauter Kunststoff sein. Der Hartverguß 42 füllt hierbei innerhalb der Vergießform 38 sämtliche Hohlräume aus und dringt so beispielsweise auch zwischen die Anschlüsse 22 und 24 der Plusdiode 16, so daß der Diodenchip 20 vollkommen eingegossen ist. Durch den Hartverguß der gesamten Anordnung werden insbesondere die Weichlote 26 zwischen dem Diodenchip 20 und den Anschlüssen 22 beziehungsweise 24 und das Weichlot 34 zwischen dem Anschluß 22 und dem Pluskühlkörper 14 vollkommen eingebettet. Diese sind somit vor äußeren Einflüssen, insbesondere einer elektroly­ tischen Korrosion, geschützt. Da der Hartverguß 42 eine hohe thermische Belastbarkeit besitzt, hält dieser einer thermischen Belastung der Gleichrich­ teranordnung 10 besonders gut stand. Die thermische Belastung entsteht durch eine Verlustwärme in den Dioden der Gleichrichteranordnung 10, die bei dem gezeigten Beispiel in Fig. 1 von der Plusdiode 16 auf den Pluskühlkörper 14 abgeleitet wird. Der Pluskühlkörper 14 gibt die Wärme durch das groß­ flächige Anliegen an den Minuskühlkörper 12 ab. Der Wärmeübergang zwischen dem Pluskühlkörper 14 und dem Minuskühlkörper 10 wird durch eine zwischen diesen angeordnete Wärmeleitkleberschicht 44 be­ günstigt. Zur elektrischen Isolation des Pluskühl­ körpers 14 von dem Minuskühlkörper 12 kann einer oder beide Kühlkörper an ihren zugewandten Seiten eine Isolierschicht 46, beispielsweise Aluminium­ oxid Al₂O₃ aufweisen. Der Minuskühlkörper 12 ist mit einer Wärmesenke, vorzugsweise mit dem Lager­ schild des Drehstromgenerators, verbunden und/oder mit einem Kühlluftstrom beaufschlagbar. Somit er­ folgt eine Abführung der entstehenden Verlustwärme aus der Gleichrichteranordnung 10 hinaus.

Durch die hohe thermische Belastbarkeit des Hart­ vergusses 42 erfährt dieser während einer wechseln­ den Erwärmung und Abkühlung im wesentlichen keine plastische Verformung, so daß eine Belastung der Weichlote 26 beziehungsweise 34 verhindert wird. Hierdurch wird eine Ermüdung der Weichlote 26 beziehungsweise 34 während des Betriebes der Gleichrichteranordnung 10 deutlich reduziert, so daß entweder eine längere Lebensdauer der Gleich­ richteranordnung 10 oder eine gleichbleibende Le­ bensdauer bei einer höheren thermischen Belastung der Gleichrichteranordnung 10 gegeben ist.

In der Fig. 2 ist eine Diode, beispielsweise eine Plusdiode 16, in einer Schnittdarstellung darge­ stellt. Gleiche Teile wie in Fig. 1 sind mit glei­ chen Bezugszeichen versehen und nicht nochmals erläutert. In der vergrößerten Darstellung wird deutlich, daß in den Bereichen, in denen die An­ schlüsse 22 beziehungsweise 24 den Diodenchip 20 überkragen, diese Vertiefungen 48 aufweisen. Die Vertiefungen 48 sind beispielsweise als den Diodenchip 20 umlaufende Rinnen 50 ausgebildet, die an den sich gegenüberliegenden Seiten der An­ schlüsse 22 und 24 verlaufen. Die Rinnen 50 dienen zur Aufnahme von Hartverguß 42, so daß nach Aus­ härten des Hartvergusses 42 eine absolute Ab­ dichtung des Diodenchips 20 und der Weichlote 26 erfolgt und andererseits eine mechanische Haltekraft auf die Anschlüsse 22 und 24 einwirkt. Es ist gegebenenfalls auch zweckmäßig, den zwischen den Anschlüssen 22 und 24 liegenden Chip zunächst noch mit einem Lack oder Weichverguß zu schützen, bevor die Dioden 16 beziehungsweise 18 im Hartverguß 42 gekapselt werden. Im Bedarfsfall kann der Kopfver­ schluß auch als Kopfdraht ausgeführt sein.

Fig. 3 zeigt eine Draufsicht auf den Pluskühlkör­ per 14. Der Pluskühlkörper 14 verläuft hierbei kreisbogenförmig und ist in seiner Form einem La­ gerschild eines nicht dargestellten Drehstromgene­ rators angepaßt. Der Pluskühlkörper 14 besitzt wei­ terhin eine Kontur, die sein Aufbringen auf den Minuskühlkörper 12 gestattet, ohne daß die auf dem Minuskühlkörper 12 angeordneten Minusdioden 18 be­ rührt werden. Hierzu besitzt der Pluskühlkörper 14 Ausnehmungen 52, die die Minusdioden 18 auf dem Minuskühlkörper 12 umgreifen. Der Pluskühlkörper 14 selber besitzt lokale Stellen mit der Beschichtung 36, an denen später jeweils eine der Plusdioden 16 angeordnet werden. Insgesamt sind vier Plusdioden vorgesehen, wobei drei Leistungs-Plusdioden 16 den Phasen U, V, W des Drehstromgenerators und eine vierte Plusdiode einem Sternpunkt der Wicklungen des Drehstromgenerators zuschaltbar sind. Auf die allgemeine Wirkungsweise einer Gleichrichtung des dreiphasigen Wechselstromes soll hier - da allge­ mein bekannt - nicht weiter eingegangen werden.

In der Fig. 3a ist eine Schnittdarstellung ent­ sprechend der Linie B-B aus Fig. 3 durch den Pluskühlkörper 14 gezeigt. Dabei wird deutlich, daß der Pluskühlkörper 14 einen plattenähnlichen Aufbau aus Aluminium besitzt. Auf dem Pluskühlkörper 14 sind bereichsweise die Beschichtungen 36 aufge­ bracht. Die hier an Hand des Pluskühlkörpers 14 gezeigten Beschichtungen 36 im Bereich der später anzuordnenden Plusdioden 16 sind auf einem nicht detailliert dargestellten Minuskühlkörper 12 eben­ falls im Bereich der dort später aufzubringenden Minusdioden 18 vorgesehen.

Fig. 4 zeigt eine Draufsicht auf eine fertig kom­ plettierte Gleichrichteranordnung 10. Die Gleich­ richteranordnung 10 besitzt insgesamt vier Minus­ dioden 18 und vier Plusdioden 16. Diese sind je­ weils auf dem Minuskühlkörper 12 beziehungsweise dem Pluskühlkörper 14 angeordnet. Oberhalb der Plusdioden 16 und der Minusdioden 18 ist das Stanz­ gitter 28 der Verschaltung 30 angeordnet. Das Stanzgitter 28 besitzt jeweils für jede der Minus­ dioden 18 beziehungsweise der Plusdioden 16 ein Federelement 32, über das die Dioden kontaktiert sind. Die gesamte Anordnung ist innerhalb der Ver­ gießform 38 mit dem hier durchsichtig dargestellten Hartverguß 42 vergossen. Somit ist die Gleichrich­ teranordnung 10 insgesamt sehr kompakt und vor äußeren Einflüssen geschützt aufgebaut. Mechanische und thermische Beanspruchungen der Gleichrichter­ anordnung 10 werden von dem Hartverguß 42 im wesentlichen abgefangen und verhindern somit ein Ermüden der zu Fig. 1 und 2 erläuterten Lot­ verbindungen.

In der Fig. 5 ist eine weitere Schnittdarstellung durch die Gleichrichteranordnung 10 entlang der Linie A-A aus Fig. 4 gezeigt. Diese Schnitt­ darstellung ist im Bereich einer Minusdiode 18 gelegt, wobei für den grundsätzlichen Aufbau das bereits zu Fig. 1 Erläuterte gilt, so daß trotz der hier gezeigten Minusdiode 18 gleiche Teile wie in den vorhergehenden Figuren mit gleichen Bezugs­ zeichen versehen sind. Die Minusdiode 18 besitzt wiederum den Aufbau aus einem Diodenchip 20 und den Anschlüssen 22 beziehungsweise 24. Der Anschluß 22 ist hier direkt auf dem Minuskühlkörper 12 auf­ gelötet, wobei wiederum die lokale Beschichtung 36 vorgesehen ist. Der Pluskühlkörper 14 besitzt die Ausnehmung 52, so daß die Minusdiode 18 in der Aus­ nehmung 52 quasi versenkt angeordnet ist. Der Hart­ verguß 42 bettet ebenfalls die Minusdiode 18 mit ihrem Diodenchip 20 und die Verbindung zwischen dem Anschluß 22 und dem Minuskühlkörper 12 ein.

Claims (10)

1. Gleichrichteranordnung, vorzugsweise für Dreh­ stromgeneratoren, mit wenigstens einer Diode, die mit einem Konstruktionsteil thermisch und elek­ trisch leitend verbunden ist, wobei die Diode als Diodenchip zwischen zwei Anschlüssen angeordnet ist, von denen einer mit dem Konstruktionsteil kon­ taktiert ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Diodenchip (20) auf dem Konstruktionsteil (Kühl­ körper 12, 14) mit seinen Anschlüssen (22, 24) in einem Hartverguß (42) eingebettet ist.

2. Gleichrichteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hartverguß (42) ein hart aushärtender Kunststoff, insbesondere ein Kunst­ stoff auf Epoxyharzbasis ist.

3. Gleichrichteranordnung nach einem der vorherge­ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Diodenchip (20) mittels jeweils eines Lots (26) mit den Anschlüssen (22, 24) kontaktiert ist.

4. Gleichrichteranordnung nach einem der vorherge­ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlüsse (22, 24) von Kupferplättchen gebildet sind und daß die Lote (26) höherschmelzende Weich­ lote sind.

5. Gleichrichteranordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupferplättchen den Dioden­ chip (20) mit einem Rand überkragen und an ihrer dem Diodenchip (20) zugewandten Seite im Bereich des Randes jeweils eine umlaufende Rinne (50) als Vertiefung (48) zur Aufnahme des Hartvergusses (42) aufweisen.

6. Gleichrichteranordnung nach einem der vorherge­ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß we­ nigstens ein Anschluß (22) über ein niedrigschmel­ zendes Weichlot (36) auf dem Konstruktionsteil (Kühlkörper 12, 14) elektrisch und thermisch lei­ tend angeordnet ist.

7. Gleichrichteranordnung nach einem der vorherge­ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Konstruktionsteil (Kühlkörper 12, 14) wenigstens im Bereich des Anschlusses (22) eine lötfähige Be­ schichtung (36), vorzugsweise aus Kupfer, aufweist.

8. Gleichrichteranordnung nach einem der vorherge­ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Hartverguß (42) eine auf das Konstruktionsteil (12, 14) aufgesetzte Gießform (38) aus Isolierstoff aus­ füllt, die den Diodenchip (20), die Weichlote (26, 34), die Beschichtung (36), die Anschlüsse (22, 24) und die jeweiligen Bereiche einer Verschaltung (30) der Diode (16, 18) umschließt.

9. Gleichrichteranordnung nach einem der vorherge­ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Konstruktionsteil (12, 14) ein plattenförmiger Kühlkörper aus Metall, vorzugsweise aus Aluminium, ist.

10. Gleichrichteranordnung nach einem der vorherge­ henden Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Konstruktionsteil (12, 14) als Lagerschild eines Generators, vorzugsweise eines Drehstromge­ nerators für Kraftfahrzeuge, ausgebildet ist.