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Einrichtung in einer Stromrichteranlage mit Halbleitergleichrichterelementen
zum Schutze gegen starke temperaturbedingte Wechselfestigkeitsbeanspruchungen Die
Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung in einer Stromrichteranlage mit Halbleitergleichrichterelementen
und insbesondere häufigem Lastwechsel, wie auf Fahrzeugen zur Speisung von Gleichstromfahrmotoren,
zum Schutz der Halbleiterbauelemente gegen starke temperaturbedingte Wechselfestigkeitsbeanspruchungen
an den mechanischen Verbindungsstellen benachbarter Aufbauteile der Halbleitergleichrichterelemente,
insbesondere bei einem sich nach sehr tiefen Temperaturen erstreckendem Temperaturintervall.
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Hierbei ist insbesondere an solche Halbleiterbauelemente gedacht,
die auf der Basis eines Halbleiters aus oder nach Art von Germanium oder Silizium
arbeiten, d. h. solche, die in der Lage sind, betriebsmäßig absolut und spezifisch
je Flächeneinheit des gleichrichtenden Übergangs, -z. B. pn-Übergang, hohe Nennströme
zu führen. An solchen Halbleiterbauelementen ergibt sich aber auch eine spezifisch
hohe elektrische Verlustwärme, die in wirksamer Weise abzuführen- ist. An solchen
Halbleiterbauelementen ist gewöhnlich bereits auf Grund ihres normalen betrieblichen
Einsatzes mit relativ großen Temperaturänderungen zwischen Leerlauf und Vollast
zu rechnen. Diese ergeben- aber entsprechende Dehnungsänderungen an den Aufbauelementen
des einzelnen Gleichrichterelementes. Es können sich daher an den Verbindungsstellen
aneinandergrenzender Aufbauelemente verschiedener thermischer Ausdehnungskoeffizienten
gegebenenfalls beachtliche mechanische Spannungen ergeben. Diese wiederum können
zu Nachteilen in der Erhaltung der Betriebstüchtigkeit der Halbleiterbauelemente
führen, wenn gegen eine solche nachteilige Wirkung nicht durch einen besonderen
Aufbau der Halbleiterbauelemente eine entsprechende Vorsorge getroffen wird. Für
einen solchen sind dann einander benachbart liegende thermisch beanspruchte Teile
möglichst aus Werkstoffen mit nahe benachbarten thermischen Ausdehnungskoeffizienten
zu wählen. Ferner kann an solchen Verbindungsstellen benachbarter Aufbauelemente
ein entsprechender stufenweiser Übergang über mehrere Körper aus entsprechenden
verschiedenen Stoffen benutzt werden, damit ein entsprechender abgestufter Übergang
in den thermischen Ausdehnungen zwischen den Endkörpern der Verbindungsstelle geschaffen
ist und die jeweilige Verbindungsstelle zwischen zwei Zwischenkörpern dieses Übergangs
nur in relativ geringerem Maße mechanisch beansprucht werden kann.
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Ist nun ein Halbleiterbauelement in einem Stromrichter eingesetzt,
an welchem insbesondere nicht nur mit den durch die entwickelte Stromwärme bedingten
Temperaturänderungen, sondern auch noch mit solchen zufolge der Änderungen der Umgebungstemperaturen
gerechnet werden muß, indem also ein solcher Gleichrichter insbesondere auch gegebenenfalls
sehr niedrigen Umgebungstemperaturen ausgesetzt sein kann, so muß dieses dadurch
bestimmte größere Temperaturintervall naturgemäß ebenfalls einwandfrei beherrscht
werden, damit es- nicht zu unerwünschten Alterungserscheinungen an der Halbleitergleichrichterzellekommen
kann. Es ist hierbei insbesondere an die Temperaturen gedacht, die im Winter in
bestimmten Gegenden mit Werten weit unter dem Nullpunkt der Celsiusskala auftreten
können. Solche Fälle können insbesondere dann auftreten, wenn ein solcher Stromrichter
aus Halbleiterbauelementen auf einem Fahrzeug z. B. zur Speisung des elektrischen
Antriebs desselben eingebaut ist.
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Zur Lösung der hierdurch vorgezeichneten Aufgabestellung ist bei einer
Einrichtung in einer Stromrichteranlage -der eingangs angeführten Art erfindungsgemäß
an den Halbleitergleichrichterelementen eine entsprechende unmittelbare oder mittelbare
Beheizung vorgesehen, welche bei sehr niedriger Umgebungstemperatur und dem vorübergehenden
Wegfall oder starkem Absinken des. über die Halbleitergleichrichterelemente fließenden
Verbraucher-Laststromes die Temperatur an den Halbleitergleichrichterelementen nicht
unter einem vorbestimmten unteren, oberhalb der Umgebungstemperatur der Anlage liegenden
Grenzwert absinken läßt.
Der Erfindung liegt dabei der Gedanke zugrunde,
daß die betriebsmäßig an den Halbleiterbauelementen eines solchen Stromrichters
auftretenden Temperaturänderungen zwischen dem Vollastbetrieb und dem Leerlaufbetrieb,
also z. B. während der Speisung des Antriebes des Fahrzeuges und seinem Leerlauf
bzw. bei Fahrzeug-Stillstand sich dadurch herabsetzen lassen, daß während des Einsatzes
des Stromrichters einer Absenkung der Temperatur an den Halbleiterbauelementen auf
die niedrigen in Rechnung zu stellenden Temperaturwerte vorgebeugt wird, indem die
einzelnen Halbleiterbauelemente, auch wenn ihre laststromwärmeabhängige Beheizung
entfällt oder stark absinkt, trotzdem auf einem gewissen Mindesttemperaturwert gehalten
werden. Das an den Halbleiterbauelementen z. B. eines Fahrzeug-Stromrichters mit
großer Häufigkeit durchlaufende und die mechanische Beanspruchung der Halbleiterbauelemente
bestimmende Temperaturintervall ist dann wesentlich kleiner, als es sonst der Fall
wäre, und damit braucht auch das einzelne Halbleiterbauelement nur für geringere
temperaturbestimmte Wechselfestigkeitsbeanspruchungen gebaut bzw. bemessen zu werden,
als es sonst bei Nichtanwendung der grundsätzlichen Erfindung der Fall wäre.
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Diese betriebsmäßige Begrenzung des Absinkens der Temperatur der Halbleiterbauelemente
auf einem sehr niedrigen Temperaturwert entsprechend der Umgebungstemperatur kann
im Rahmen der grundsätzlichen Erfindung auf verschiedenen Lösungswegen erreicht
werden.
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So kann beispielsweise der Stromrichter derart aufgebaut werden, daß
abhängig von dem Absinken oder dem Herunterschalten des über die eigentlichen Verbraucher
fließenden Laststromes durch selbsttätiges Einschalten einer Hilfsbelastung des
Stromrichters doch ein gewisser Grundlaststrom über die Halbleiterbauelemente und
dadurch ein bestimmter Stromwärmeleistungsanfall an diesen aufrechterhalten wird,
gegebenenfalls in Verbindung mit einem Vergleich der Temperatur an den Halbleiterbauelementen
bzw. eingeschlossenen Halbleiterelementen und der absoluten jeweilig herrschenden
Umgebungstemperatur.
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Nach einem anderen Lösungsweg kann eine besondere Beheizung der einzelnen
Halbleiterbauelemente stattfinden, sobald der Laststrom wegfällt oder stark absinkt,
z. B. auch über das sonst zu ihrer Kühlung dienende strömende Mittel.
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Schließlich kann auch die normalerweise an den Halbleiterbauelementen
benutzte Kühlung abgesenkt werden, sobald der Belastungsstrom über den Stromrichter
unter einen vorbestimmten Grenzwert absinkt, so daß also die Gleichrichterelemente
nur noch entsprechend schwächer gekühlt sind und bereits bei einem geringen über
sie fließenden Belastungsstrom trotzdem noch durch die an ihnen anfallende Joulesche
bzw. elektrische Verlustwärme auf einem solchen Temperaturwert gehalten werden,
daß der erwünschte untere Temperaturgrenzwert nicht unterschritten wird. Diese Beheizung
der Gleichrichterelemente, ihre Grundbelastung oder ihre Kühlung werden - wie bereits
erwähnt - naturgemäß zweckmäßig im Wege eines Vergleichs mit der Außentemperatur
in Wirkung gesetzt, um eine möglichst vollkommene Arbeitsweise der Anlage im Sinne
der erfindungsgemäßen Zielsetzung zu erreichen. Im Rahmen der Erfindung können auch
mehrere der angegebenen Lösungswege gemeinsam benutzt werden.
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Bekannt war ein Transistor-Temperaturregler für Transistorkreise zur
erwünschten Aufrechterhaltung der Temperaturen der Transistoren auf oder über einer
Mindesttemperatur bei der überwachung der Veränderung verschiedener Transistorparameter,
in welchem ein Transistorkreis benutzt wird zur Regelung der Temperatur anderer
Transistoren, um diese Temperatur auf oder oberhalb eines Mindestwertes zu halten.
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Zur näheren Erläuterung der Erfindung an Hand eines Ausführungsbeispieles
wird nunmehr auf die Zeichnung Bezug genommen.
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In dieser bezeichnet 1 einen Kühlkanal, in welchem eine Reihe von
Halbleitergleichrichterelementen 2 untergebracht sind, über welche ein oder mehrere
nicht besonders dargestellte Verbraucher gespeist werden. Für die Kühlung der Gleichrichterelemente
2 wird durch einen von dem Motor 3 angetriebenen Lüfter 4 in dem Kühlkanal
ein entsprechender Luftstrom erzeugt. Am unteren Ende dieses Kühlkanals ist eine
einstellbare Klappe 5 vorgesehen, durch welche die Menge der zuströmenden Kühlluft
regelbar ist. An dem untersten der Gleichrichterelemente 2 ist eine Temperaturmeßeinrichtung
6 vorgesehen. Ferner ist noch eine Temperaturmeßeinrichtung 7 vorgesehen, durch
welche die Temperatur der umgebenden Luft bzw. der Außenluft gemessen wird. Die
von den beiden Temperaturmeßorganen gelieferten elektrischen Meßwerte werden in
einer Einrichtung 8 verglichen und abhängig von dem sich ergebenden Vergleichswert
werden über nur ihrer Wirkungslinie 9 bzw. 10 nach angedeutete übertragungseinrichtungen
entweder die Klappe 5 zur Regelung des Kühlluftstromes oder/und der Lüfter 4 in
seiner Wirkung durch Veränderung der elektrischen Speisung des Elektromotors 3 in
der erwünschten Weise angepaßt. Der Vergleich in der Einrichtung 8 wird derart vorgenommen,
daß die Temperatur der Gleichrichter stets nur bis auf einen bestimmten Wert oberhalb
der von dem Organ 7 gemessenen Temperatur absinken kann.