DE1079205B - Starkstrom-Gleichrichter - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Starkstrom-Gleichrichter, bei dem das Gehäuse aus zwei gegeneinander elektrisch isolierten Gehäuseteilen besteht, die mit der einen pn-übergang aufweisenden Halbleiteranordnung elektrisch leitend verbunden sind, und bei dem der eine Gehäuseteil aus einem leitenden Bolzen besteht, auf dem die eine Seite des pn-Überganges elektrisch leitend angebracht ist.

Wie dem Fachmann bekannt, unterliegen die elektrischen Eigenschaften von Halbleitergleichrichtern, die einen pn-übergang aufweisen, auf Grund der in ihnen erzeugten Wärme einigen Veränderungen. Diese Veränderungen stellen ein ernstliches Problem dar, wenn der Halbleitergleichrichter große Strommengen, beispielsweise von der Ordnung 50 A mit einer Spitzensperrspannung von etwa 300 V bewältigen muß. Die unter diesen Umständen abzuführende Wärme wäre von der Ordnung 50 W in Durchlaßrichtung und von der Ordnung 3 bis 5 W in Sperrichtung. Zusätzlich zu der Wärmeabfuhr, vom Halbleiterübergang muß das Gerät elastisch montiert sein, so daß es äußeren Druck, Stoß, Vibration und plötzlichen Temperaturänderungen widerstehen kann. Das Gerät muß außerdem von atmosphärischen Verunreinigungen frei sein und vor diesen geschützt werden. Die vorliegende Ausbildung eines solchen Halbleitergleichrichters ist geeignet, diese Schwierigkeiten zu überwinden.

Es war aus der Technik der Hochfrequenzdioden bekannt, einen Spitzenkontakt auf die Oberfläche eines Halbleiterkörpers federnd aufzusetzen. Auch war es bekannt, bei Gleichrichtern zwecks Kompensation der Wärmeausdehnung das Gehäuse nachgiebig auszubilden sowie diese Gleichrichter mit Gewinden zur Befestigung an einem Träger zu versetzen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Halbleitergleichrichter mit pn-übergang mit Mitteln zur wirksamen Ableitung' der Wärme vom pn-übergang, zu versehen, und weiterhin, eine neue und verbesserte Halbleiter - Gleichrichtereinheit für hohe Ströme zu schaffen, die dicht eingebaut und derart montiert ist, daß der pn-übergang vor mechanischen Beschädigungen und Feuchtigkeit geschützt ist und das Maß des äußeren Druckes auf den Halbleiterkörper auf ein Minimum, herabgesetzt ist.
. Der Starkstrom-Gleichrichter nach der Erfindung, bei dem das. Gehäuse aus zwei gegeneinander elektrisch isolierten Gehäuseteilen besteht, die mit der einen pn-übergang aufweisenden Halbleiteranordnung elektrisch leitend verbunden sind, und bei dem der eine Gehäuseteil aus einem leitenden Bolzen besteht, auf dem die eine Seite des pn-Überganges elektrisch leitend angebracht ist, unterscheidet sich von den bisher bekannten dadurch, daß der andere Ge-

Anmelder:

General Electric Company,
Schenectady, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter: Dr.-Ing. AvjS'chmidt, Patentanwalt,
Berlin-Charlottenburg 9, Württembergallee 8

Beanspruchte Priorität:
V. St v. Amerika vom 22. März 1956

William Frederick Lootens, South Syracuse, N. Y.

(V. StA.),
ist als Erfinder genannt worden

häuseteil aus drei elektrisch leitenden Einzelteilen besteht, deren erster an der. Isolation befestigt ist, deren zweiter in Form eines Federbügels eine elastische, elektrisch leitende Verbindung zwischen der anderen Seite des pn-Überganges und dem ersten Teilstück herstellt und deren dritter in Verbindung mit dem ersten das Gehäuse abschließt und als Teil der äußeren Zuleitung dient. Die sich ergebende Konstruktion ist einfach, stellt jedoch ein Gerät dar, das große Ströme mit einem hohen Sperrspannungsverhältnis bewältigen kann.

Diese und weitere Vorteile der vorliegenden Anwendung gehen aus der folgenden Beschreibung in Zusammenhang mit den Zeichnungen von Ausführungsbeispielen der Erfindung hervor.

Fig. 1 stellt eine Draufsicht auf einen Halbleitergleichrichter, für hohe Ströme dar;

Fig. 2 stellt eine Draufsicht, im Querschnitt, eines anderen Ausführungsbeispieles dar.

In Fig. 1 ist ein Halbleitergleichrichter mit pn-Übergang dargestellt, der in einer dichten, in sich abgeschlossenen Einheit montiert ist, die mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet ist. In dieser Ausführungsform besteht der Halbleitergleichrichter aus einem einkristallinen Stückchen 11 aus- stark n-leitendem Silizium, in welchem durch Legieren und Diffusion eine Akzeptorverunreinigung, wie z.B. Aluminium, auf der Seite 12 des Stückchens ein pn-übergang gebildet wurde. Silizium wird mit Vorzug-benutzt, da es besser für, einen Betrieb bei hohen Temperaturen geeignet ist. Jedoch können auch andere halbleitende

909 769/424

3 4

Materialien, wie ζ. B. Germanium, verwandt werden. ein guter Wärmeleiter und ein guter elektrischer Lei-Es können auch andere Gleichrichter mit pn-übergang ter ist. Der Kupferbolzen 16 ist an seinem unteren verwendet werden. Die andere Seite 13 des Stückchens Ende mit einem Gewinde versehen und kann in eine 11 weist eine Auflage aus Gold oder einem anderen Wärmeableitungsvorrichtung geschraubt werden. Das geeigneten Material auf, so daß mit dieser ein Ohm- 5 Gewinde19 ist konisch, damit es mit der Hitzeableischer Kontakt gegeben ist. Wie der Fachmann er- tungsvorrichtung beim Einschrauben mit Hilfe der kennt, können die Seiten 12 und 13 zur Änderung der Sechskantmutter 18 guten Kontakt gibt. Durch die Polarität des Gerätes 10 ausgetauscht werden. Die Verwendung eines konischen Gewindes 19 kann ein Platte 14 wird auf die eine Seite des Stückchens 11 besserer thermischer Kontakt zwischen der Wärme- und die Platte 15 auf die andere Seite desselben mon- io ableitungsvorrichtung und dem Bolzen 16 erreicht tiert. Die Platten 14 und 15 bestehen vorzugsweise werden, als dies mit einem geraden Gewinde und aus Molybdän, da Molybdän und Silizium ahn- einem Absatz auf dem Bolzen 16 der Fall wäre,
liehe Temperaturausdehnungskoeffizienten aufweisen. Damit ein einheitliches Gerät entsteht, wird der Durch Verwendung von Plätten mit ähnlichen Aus- Kupferbolzen 16 an das Gehäuseelement 25, welches dehnungskoeffizienten wird das Siliziumstückchen vor 15 den anderen elektrischen Pol des Gleichrichtergerätes äußeren Drücken geschützt, die durch Temperatur- 10 darstellt, isoliert befestigt. Ein Ring 20 aus Keraunterschiede erzeugt werden, wenn das Gerät herge- mik oder einem anderen geeigneten Isolationsmaterial stellt oder in einer Betriebsschaltung verwendet wird. wird für diesen Zweck verwendet. Keramisches Mate-Die gesamte Siliziumdiode, die aus den eben erwähn- rial wird bevorzugt, da es ein guter Isolator ist, hohen ten Elementen besteht, wird auf einer Kupferbasis 20 Temperaturen widersteht und dabei mechanisch fest montiert, die durch den Kupferbolzen 16 dargestellt bleibt. Jedoch könnte der Ring aus Keramikmaterial 20 wird. Der Bolzen 16 weist einen ringförmigen Rand nicht direkt auf den Kupferbolzen 16 befestigt werden, 17 am oberen Ende, eine hexagonale Mutter 18 im da der Temperaturausdehnungskoeffizienten zwischen Mittelteil und ein konisches Gewinde 19 im unteren Kupfer und Keramik weitgehend unterschiedlich ist. Teil auf. Der Bolzen 16 wird unter Zwischenfügung 25 Der Ring aus Keramikmaterial 20 wird durch den eines.ringförmigen keramischen Isolators 20 und eines Bügel 22, der jeden Unterschied in den Ausdehnungsringförmigen Bügels 22 mit einem Ring 25 aus Stahl " koeffizienten des Ringes 20 und des Bolzens 16 aus- oder anderem geeignetem Material verbunden, der gleicht, an den Kupferbolzen 16 befestigt. Um die einen Teil des Gehäuses für die Einheit 10 bildet. Der Spannungen auf der Keramik weiter zu reduzieren, Bügel 22 ist so konstruiert, daß er auf dem Rand 17 30 sind die Glieder 22 und 25 so gebildet, daß ein Teil des Bolzens 16 und auf dem ringförmigen Rand 21 eines jeden als elastische Verbindung zwischen der der Keramik 20 zu liegen kommt. Der Bügel 22 hat '-"" Keramik und seinem Träger dient. Eine öffnung oder einen ähnlichen Temperaturausdehnungskoeffizienten ein Kanal 30 wird zwischen der Keramik 20 und dem wie die Keramik 20 und kann aus kalt gewalztem Bolzen 16 frei gelassen, so daß ein längerer Kriech-Stahl oder aus modifizierten Eisen-Nickel-Kobalt- 35 pfad für den Strom geschaffen wird, der um die äuße-Legierungen bestehen mit einem Ausdehnungskoeffi- ren Extremitäten der Keramik 20 zum Bügel 22 reicht, zienten, der dem von Keramikmaterialien vergleich- Dieser Pfad wird durch Staub gebildet, der sich auf bar ist. Die Keramik 20 kann an den Stahlring 25 und der Keramik ansammelt, und wenn er in starker Konden Bügel 22 befestigt werden, indem auf einer metal- zentration auftritt, ergibt sich ein Kurzschlußpfad lisierten Oberfläche der Keramik mit Silber hartge- 40 für den Strom. Wäre die Keramik 20 direkt an den lötet wird; die metallisierte Oberfläche auf der Kera- Bolzen 16 gebunden, dann würde dieser Pfad beträchtmik wird durch Aufmetallisieren einer im wesent- lieh verkürzt werden, wodurch eine kürzere Entferlichen aus Molybdän und Mangan bestehenden Legie- nung für den Leckstrom vom Kupferbolzen 16 zum rung in einem dem Fachmann an sich bekannten Ver- Gehäuse 25 gegeben wäre.

fahren erzeugt (USA.-Patentschrift 2 667 432). Ein 45 Um den Kupferbolzen 16, wie erwähnt, an die Ke-

elastischer Kontaktfederbügel 23 ist an der Platte 14 ramik 20 zu befestigen, ohne eine unnötige Spannung

und dem Ring 25 befestigt. auf der Keramik zu erzeugen, wird der Bügel 22, der

Es wird festgestellt, daß die Einheit, wie beschrie- annähernd den gleichen Ausdehnungskoeffizienten wie ben, vor dem Verschließen elektrisch geprüft werden die Keramik 20 hat, verwendet. Der Bügel 22 wird kann. Nach der Prüfung kann die Einheit 10 mit 50 lang gemacht, damit er die Ausdehnung auffängt und einem topfförmigen Gehäuseglied 27 aus Stahl oder damit eine Lockerung am Mittel- oder Verbindungsanderem geeignetem Material verschlossen werden, teil gegeben ist. Dieser Bügel unterbindet Bruch in welches geflanschte Randstücke 28 aufweist, die an der Keramik 20 weitgehend, weil nur ein sehr geringer die geflanschten Randstücke 26 des Ringes 25 befestigt Druck auf die Keramik übertragen wird,
werden. Ein Kragenstück 33 wird auf den Topf 27 55 Da die elektrischen Eigenschaften der Halbleiter montiert und nimmt ein biegsames Kabel 34 auf, das bei Druck Veränderungen unterworfen sind, ist es einen Polschuh 35 besitzt. Der Topf 27 ist außerdem wünschenswert, soweit wie möglich Druck von mit einer Luftröhre 29 versehen, die zur Feststellung äußeren Verbindungen auf das Siliziumstückchen 11 von Lecks in der verschlossenen Einheit oder zur auszuschalten. Dies ist bereits teilweise durch VerKontrolle der Umgebungsbedingungen im verschlösse- 60 wendung der Molybdänplatten 14 und 15 geschehen, nen Gebiet benutzt werden kann. Ist dies durchge- die einen ähnlichen Ausdehnungskoeffizienten aufführt, dann kann die Röhre abgeklemmt und ver- weisen wie das Halbleitermaterial. Der Kupferstreifen schlossen werden. 23 trägt ebenfalls dazu bei, daß kein äußerer Druck

Wie bereits erwähnt, ist die Einheit 10 zur Bewäl- auf die Siliziumplatte 11 ausgeübt wird; indem er

tigung hoher Ströme vorgesehen; damit nun das 65 eine äußerst elastische elektrische Verbindung mit

Gerät entsprechend arbeitet und eine gute Gleichrich- diesem bildet. Der Kupferstreifen 23 ist dünn und

tung für hohe Stromverhältnisse liefert, ist es erfor- leicht, so daß auf den Siliziumübergang keine Span-

derlich, daß die Wärme vom pn-übergang abgeleitet nung ausgeübt wird. ■ . .

wird. Für diesen Zweck ist der Bolzen 16 vorgesehen. Die Kombination von Kupfer&treifen 23, Ring 25

Er besteht vorzugsweise aus Kupfer, da Kupfer 70 und Bolzen 16, der durch den Bügel 22 und die Ke-

ramik20 an den Ring 25 befestigt ist, zwischen welche ein pn-Übergang montiert ist, stellt eine vollkommene Einheit dar, die geprüft werden kann. Dies gestattete es, Geräte auszusondern, die zum Betrieb nach den erforderlichen Bedingungen nicht geeignet waren, bevor sie verschlossen werden.

Um eine Verunreinigung durch die Umgebungsbedingungen zu verhindern, kann das Gerät dann mit Hilfe eines topfförmigen Gehäuses 27 vollkommen abgeschlossen werden. Das biegsame Kabel 34, welches daran befestigt ist, hebt alle Spannungen durch thermischen oder mechanischen Stoß auf.

Die in Fig. 2 dargestellte Modifikation weist eine zylinderförmige Keramik 36 an Stelle der stufenförmigen Keramik 20 von Fig. 1 auf. Dies ergibt eine wirtschaftlichere Konstruktionsart, da die Notwendigkeit der stufenweisen Zusammenstellung ausgeschaltet ist. Damit die zylinderförmige Keramik 36 an einen durch den Ring 25 dargestellten Teil des Gehäuses befestigt werden kann, ist der Ring· 25 mit einem geflanschten Randstück 37 versehen, das an die Keramik 36 befestigt wird.

Der vorliegende Siliziumgleichrichter für hohe Ströme stellt ein stabiles wirksames Gerät dar, welches unter ungünstigen Bedingungen zufriedenstellend arbeitet. Es ergibt sich eine verschlossene, in sich abgeschlossene Einheit, die eine atmosphärische Verunreinigung des pn-Überganges ausschließt. Das Gerät setzt weiterhin äußere und innere Drücke auf ein Mindestmaß herab, welche auf den pn-Übergang ausgeübt werden können und die Betriebscharakteristiken negativ beeinflussen könnten. Zusätzlich ist die Einheit 10 so konstruiert, daß sie große Wärmemengen vom Halbleiterübergang ableitet, was eine absolute Notwendigkeit ist, wenn das Gerät bei hohen Strömen und hohen Sperrspannungsverhältnissen betrieben wird.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Starkstrom-Gleichrichter, bei dem das Gehäuse aus zwei gegeneinander elektrisch isolierten Gehäuseteilen besteht, die mit der einen pn-Übergang aufweisenden Halbleiteranordnung elektrisch leitend verbunden sind, und bei dem der eine Gehäuseteil aus einem leitenden Bolzen besteht, auf dem die eine Seite des pn-Überganges elektrisch leitend angebracht ist, dadurch gekennzeichnet, daß der andere Gehäuseteil aus drei elektrisch leitenden Einzelteilen besteht, deren erster an der Isolation befestigt ist, deren zweiter in Form eines Federbügels eine elastische, elektrisch leitende Verbindung zwischen der anderen Seite des pn-Überganges und dem ersten Teilstück herstellt und deren dritter in Verbindung mit dem ersten das Gehäuse abschließt und als Teil der äußeren Zuleitung dient.

2. Starkstrom-Gleichrichter, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Bolzen ein vorzugsweise konisches Gewinde angebracht ist.

3. Starkstrom-Gleichrichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierung aus einem Keramikring besteht.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentanmeldung Si§6178VIIIc/21g (bekanntgemacht am 8. 1. 1953); * fc f USA.-Patentschrift Nr. 2 713 133;
französische Patentschrift Nr. 1 108 663;
»Electronics«, Bd. 28 (1955), April, S. 146 bis 149.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

© 909 7«/424 3.60