DE2038070C3 - Halbleiter-Hochspannungsgleichrichter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Halbleiter-Hochspannungsgleichrichter, bei dem eine Anzahl ungekapselter Gleichrichterelemente in durchgehenden, in ihrer Flächenamdehnung den Gleichrichterelementen angepaßten Aussparungen eines Isolierstoffträgerkörpers angeordnet, über Kontaktbauteile elektrisch verschaltet und in einem Gehäuse eingeschlossen sind.

Es sind Halbleiter-Hochspannungsgleichrichter bekannt, bei denen einzelne in Glasröhrchen gekapselte Gleichrichterelemente auf einer Kunststoffleiste aufgereiht sind und diese Baueinheit in einem Kunststoffrohr vergossen ist (DT-AS 11 30 077).

Ferner ist es bekannt, aus gekapselten und auf Kühlbleche montierten Gleichrichterelementen unter Verwendung geeigneter Montageteile eine Hochspannungsgleichrichtereinheit aufzubauen (DT-PS Π 04 619).

Weiterhin ist es bekannt, gekapselte Gleichrichterelemente auf einer Seite einer mit Durchbohrungen versehenen Halterungsplatte aus Kunststoff so anzuordnen, daß die Anschlußdrähte durch die Bohrungen hindurchgefiihrt werden und auf der Rückseite zu einer elektrischen Reihenschaltung verbunden sind (DT-PS 04 069).

Außerdem sind Anordnungen bekannt, bei welchen ungekapselte scheibenförmige Gleichrichterelemente in einem Keramikrohr gestapelt und mit Hilfe von an dessen beiden Enden angeordneten Spiralfedern fest zusammengehalten und gleichzeitig kontaktiert sind (DT-PS Kl 93 018 und DT-PS 11 26 517).

Die mit gekapselten Gleichrichterelementen aufge-

bauten Anordnungen erfordern einen großen Platzbedarf und einen hohen Aufwand an Material und Fertigungszeit Ein Stapelaufbau mit ungekapselten Gleichrichterelementen zeigt im allgemeinen ungünstige Wärmeableitungsverhältnisse und, dadurch bedingt, nur geringe Überlastungsfähigkeit sowie häufig Schwierigkeiten zur Erzielung einer einwandfreien Kontaktgabe.

Bei einer weiteren bekannten Anordnung ist eine Anzahl von ineinander parallelen Gleichrichterelementestapeln geringer Höhe zwischen zwei Leisten eingespannt, jeder Gleichrichterstapel ist mit Hilfe einer Druckfeder gehaltert, und die Kontaktierung sowie die elektrische Verschaltung der Stapel ist durch untergelegte Bleche hergestellt. Diese bekannte Anordnung entspricht jedoch im Hinblick auf Wirtschaftlichkei'. und erzielbare Betriebsspannungen nicht in allen Fällen den gestellten Anforderungen (DT-PS8 37 421).

Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, einen Halbleiter-Hochspannungsgleichrichter mit ungekapselten Gleichrichterelementen zu schaffen, der gegenüber bekannten Anordnungen rationeller herstellbar ist und verbesserte thermische und elektrische Eigenschaften aufweist.

Die Erfindung besteht bei einem Halbleiter-Hoch-Spannungsgleichrichter der eingangs erwähnten Art darin, daß der Isolierstoffträgerkörper leistenförmig ausgebildet und mit wenigstens einer Reihe von Ausspaningen vergehen ist, daß zur Kontaktierung und Verschaltung der in den Aussparungen angeordneten Gleichrichicrelemente Kontaktieren aus Isolierstoff vorgesehen sind, die mit den Aussparungen übereinstimmend angeordnete und diesen angepaßt ausgebildete öffnungen aufweisen und an der Innenfläche sowie in der Umgebung der Öffnungen metallisiert sind, daß auf mindestens eine Kontaktleiste getrennte metallische Leiterbahnen aufgebracht sind, welche jeweils diejenigen benachbarten Öffnungen, die den zur Herstellung der notwendigen Reihenschaltung zu verbindenden Kontaktseiten jeweils zweier aufeinanderfolgender Gleichrichterelemente zugeordnet sind, sowie Anfang und/oder Ende der Reihenschaltung mit am Kontaktleistenende angeordneten und als Leitungsanschluß dienenden Metallisierungen verbinden, daß an beiden Seiten des Isolierstoffträgerkörpers jeweil^r eine Kontaktleiste so angelegt ist. daß die Metallisierung jeder öffnung an einem Gleichrichterelement anliegt und die Leiterbahnen die elektrischen Verbindungen der in entsprechender Orientierung angeordneten Gleichrichterelemente im Verlauf der Reihenschaltung bilden. und daß der aus Isolierstoffträgerkörper uno Kontaktleisten bestehende Aufbau an beiden Enden mit Hufe eines aufgesteckten, metallischen Kontaktstücks zusammengespannt und an allen Kontaktstellen verlötet ist.

Anhand der in den Fig. 1 bis 4 dargestellten Ausführungsbeispiele werden Aufbau und Wirkungsweise des Gegenstandes der Erfindung aufgezeigt und erläutert. Für gleiche Teile sind in allen Figuren jeweils gleiche Bezeichnungen gewählt.

Fig. la zeigt in Draufsicht und Fig. Ib im Schnitt einen Isolierstoffträgerkörper zur Aufreihung von tablcttenförmigen Gleichrichterelementen. Fig. 2a in Draufsicht und Fig. 2b im Schnitt ein streifenförmiges Kontaktbauteil zur Kontaktierung der aufgereihten Elemente. In Fig. 3 ist der aus Trägerkörper und an dessen beiden Seilen angeordneten Kontaktbautoilen bestehende Aufbau des Gegenstandes der Erfindung dargestellt, und Fig. 4 zeigt im Schnitt eine andere Ausführungsform für einen isolierstoffträgerkörper zur Aufnahme von Gleichrichterelementen.

Der in Fig. la dargestellte leistenförmige isolierstoffträgerkörper 1 mit beispielsweise rechteckigem Querschnitt weist in der Längsachse angeordnete, kreisförmige Aussparungen 2 zur Aufnahme einer für die jeweilige Reihenschaltung vorgesehenen Anzahl von kontaktierfähigen Gleichricbterelementen 4 auf. Für den gegenseitigen Abstand der Aussparungen 2 ist der ausreichende Isolationsabstand zwischen den jeweils benachbarten und auf unterschiedlichem Potential liegenden Kontaktseiten aufeinanderfolgender Gleichrichterelemente maßgebend. Die Flächenausdeh nung der Aussparungen 2 ist derjenigen der vorzugsweise aus einer Halbleiterscheibe und an deren beiden Seiten befestigten Kontaktronden bestehenden Gleich richterelemente 4 in der Weise angepaßt, daß diese, beispielsweise an ihrer Mantelfläche mit einem Schutzlack abgedeckt, mit Haftsitz eingefügt werden können.

Die Länge des Isolierstoffträgerkörpers 1 ist von der räumlichen Aufteilung der vorgesehenen Anzahl Aussparungen 2 abhängig. Seine Dicke wird durch die Dicke der vorgesehenen Gleichrichterelemente sowie durch fertigungstechnische Gesichtspunkte bestimmt.

Der Isolierstoffträgerkörper I besteht aus elektrisch isolierendem Material, beispielsweise aus Keramik oder Kunststoff. Das Material wird durch die jeweils an das thermische Verhalten, die Kriechstromfestigkeit und die Spannungsbelastbarkeit gestellten Forderungen bestimmt. Bei Verwendung von Keramik hat sich Oxidkeramik als vorteilhaft erwiesen. Bei Verwendung von Kunststoffen kommen insbesondere Epoxidharze oder Melaminharze in Betracht. Letztere können zur Verbesserung ihrer elektrischen und thermischen Eigenschaften noch glasfaserverstärkt sein. Weiterhin kann der Kunststoff zur Erhöhung der Kriechstromfestigkeit noch lackiert sein und zusätzlich zwischen benachbarten Aussparungen jeweils eine quer verlaufende Rippe oder Rille aufweisen.

Fig. Ib zeigt im Schnitt die Anordnung eines in eine Aussparung 2 des Isolierstoffträgerkörpers 1 eingefügten Gleichrichterelements 4, das gemäß der Darstellung auf beiden Seiten herausragt. Es ist vorzugsweise mittels Haftsitz fixiert, der zur Halterung des Gleichrichterelements beim Kontaktieren ausreicht, so daß die miteinander zu verbindenden Kontaktseiten benachbarter Gleichrichterelemente mit Hilfe einer stegförmigen Leiterbahn in vorteilhafter Weise elektrisch in Reihe geschaltet werden können.

Dazu dient das in F1 g. 2a dargestellte, streifenförmig ausgebildete und weiterhin als Kontaktleiste 11 bezeichnete Kontaktbauteil. Die Kontaktleiste 11 weist öffnungen 12 auf, deren Fläche vorzugsweise kleiner ist als diejenige der Aussparungen 2 des Isolierstofftragerkörpers, und die nach Anzahl und Anordnung mit dessen Aussparungen 2 jeweils zentrisch übereinstimmen, wenn Isolierstoffträgerkörper und Kontaktleiste 11 deckungsgleich aufeinanderliegen. An der Innenfläche der öffnungen 12 sowie wenigstens in deren Umgebung ist die Kontaktleiste 11 jeweils beispielsweise nach Art der Kaschierung von Leiterplatten für gedruckte Schaltungen metallisiert. Außerdem weist sie an einem Ende ihrer einen Seite zur Herstellung eines äußeren Leitungsanschlusses für die Reihenschaltung eine Metallisierung 14 und eine von dieser zur benachbarten ersten öffnung 12 verlaufende, streifenförmige Leiterbahn 13 auf. Zur Reihenschaltung von jeweils zwei benachbarten Gleichrichterelementen sind die Metalli-

sierungen der entsprechend zugeordneten öffnungen

12 jeweils durch eine Leiterbahn 13 miteinander verbunden. Die Ausdehnung der Metallisierungen in der Umgebung der öffnungen 12 entspricht angenähert der Flächenausdehnung der vorgesehenen Gleichrichterelemente. Die Dicke der aus gut lötfähigem Material, vorzugsweise aus Kupfer, bestehenden Leiterbahnen 13 ist unkritisch, da sie bei der zur Kontaktierung und elektrischen Verschaltung der Gleichrichterelemente 4 voigesehenen Tauchlötung noch eine Lotbeschichtung erhalten. Die Kontaktleiste 11 kann ebenfalls aus Keramik bestehen, ist vorzugsweise jedoch aus einem Kunststoff, insbesondere aus einem zur Herstellung von Leiterplatten verwendbaren Material, angefertigt.

In Fig. 2b ist die Kontaktleiste 11 im Schnitt durch eine öffnung 12 dargestellt. Die vorgesehene Metallisierung auf einer Seite der Kontaktleiste greift über die Innenfläche der öffnungen auf die andere Seite durch. Dabei verbleibt eine im Vergleich zur Flächenausdehnung der Gleichrichterelemente kleinere öffnung, die bei der vorzugsweise durch Eintauchen in ein Lötbad erfolgenden Lotkontaktierung einen Kanal für das Lot zur Kontaktfläche des jeweiligen Gleichrichterelements darstellt.

Fig. 3 zeigt im Schnitt einen aus Isolierstoffträgerkörper 1 und an dessen beiden Seiten angeordneten Kontaktleisten 11 bestehenden Aufbau des Gegenstandes der Erfindung. Die Längsausdehnung ist beliebig und durch Unterbrechung der Längskanten angezeigt. In den Isolierstoffträgerkörper 1 sind Gleichrichterelemente 4 in abwechselnd unterschiedlicher und durch ein Dreieck angedeuteter elektrischer Orientierung eingebracht. Zu ihrer Kontaktierung ist auf beiden Seiten des Isolierstoffträgerkörpers je eine Kontaktleiste 11 flächenhaft angepaßt so angelegt, daß die Leiterbahnen

13 auf der dem Isolierstoffträgerkörper abgewandten Seite liegen, und daß die Öffnungen 12 mit ihrer Metallisierung flächenhaft an den Kontaktseiten der Gleichrichterelemente 4 anliegen und zentrisch mit diesen übereinstimmen. Die in Fig.2a dargestellte Ausführungsform des Kontaktstreifens ist auf der rechten Seite des Isolierstoffträgerkörpers 1 angeordnet. Die Ausbildung der Kontaktleisten 11 und die Anordnung der Metallisierungen 14 und der Leiterbahnen 13 richten sich nach Anzahl und Anordnung der Gleichrichterelemente. Bei ungerader Anzahl sind beide Kontaktstreifen gleich ausgebildei und zur Querachse des Isolierstoffträgerkörpers spiegelsymmetrisch angeordnet, so daß den ersten äußeren Leitungsanschluß der Reihenschaltung beispielsweise die Metallisierung

14 der rechtsseitig am Isolierstoffträgerkörper angeordneten Kontaktleiste 11 und den weiteren äußeren Leitungsanschluß die am gegenüberliegenden Ende der linksseitig angeordneten Kontaktleiste befindliche Metallisierung 14 bildet Die bei einer solchen Anordnung gegebene Seitenvertauschbarkeit der Kontaktleisten 11 stellt einen weiteren Vorteil des Erfindungsgegenstandes dar. Bei gerader Anzahl der Gieichrichterelemente weist dagegen eine der beiden Kontaktleisten an jedem Ende eine Metallisierung 14 und zwischenliegende Leiterbahnen 13 auf, während die andere Kontaktleiste nur mit Leiterbahnen 13 versehen ist.

Ober die Endabschnitte des gestreckten Aufbaus gemäß der Darstellung in Fig.3 ist jeweils ein beispielsweise U-förmig oder becherförmig ausgebildetes Kontaktstück 21 gesteckt das den Isolierstoffträgerkörper 1 und die Kontaktleisten 11 zur Durchführung eines Lötprozesses geeignet zusammenspannt und bei der fertigen Anordnung jeweils einen Pol der Reihenschaltung mit einem metallischen Bauteil am zugeordneten Ende des Gehäuses verbindet. Die Schenkelenden des Kontaktstücks können zum leichteren Aufstecken nach außen gebogen sein.

Die Kontaktleisten können ferner in der Weise ausgebildet und angeordnet sein, daß die Leiterbahner 13 auf der dem Isolierstoffträgerkörper zugewandten Seite und die Metallisierungen 14 auf der dem Isolierstoffträgerkörper abgewandten Seile liegen.

Weiterhin können die Kontaktleisten auch in der Weise ausgestaltet sein, daß durch Ausfüllung der öffnungen 12 mit Lotmetall stiftförmige Kontaktteile gegeben sind, die auf den Kontaktseiten der Gleichrichterelemente aufliegen, und daß mit Hilfe eines lötfähigen Überzuges auf den Gleichrichterelemcn'eii und auf den Metallisierungen durch eine Wärmebehandlung, welcher der aus Isolierstoffträgerkörper und Kontaktleisten gebildete Aufbau unterworfen wird, eine feste Verbindung an allen Kontaktstellen des Aufbaus gewährleistet ist.

Vorteilhafte Weiterbildungen des Gegenstandes der Erfindung bestehen darin, daß die Aussparungen 2 des Isolierstoffträgerkörpers 1 in Reihen und Spalten mil oder ohne Versetzung angeordnet sind.

Eine andere Weiterbildung ist gemäß der Darstellung in F i g. 4 dadurch gegeben, daß ein Isolierstoffträgerkörper 31 auf einander gegenüberliegenden Seiten Aussparungen 32 dergestalt aufweist, daß jeweils eine Aussparung der einen Seite mit der gegenüberliegenden Aussparung der anderen Seite zur räumlichen und elektrischen Reihenschaltung zweier Gleichrichterelemente dienen. Die Aussparungen 32 sind über eine Durchbohrung 33 miteinander verbunden. Zur Befestigung der Gleichrichterelemente und zu ihrer gegenseitigen galvanischen Verbindung sind die dafür vorgesehe nen Flächen der Aussparungen 32 und die Durchbohrung 33 mit einer zusammenhängenden Metallisierung (34, 35) versehen. Die äußeren Kontaktseiten je zweier benachbarter Gleichrichterelemente der gleichen Trägerkörperseite sind mit Hilfe einer angelegten Kontaktleiste kontaktiert und verschaltet.

Ein weiteres vorteilhaftes Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes ist in der Weise ausgestaltet daß der Isolierstoffträgerkörper gleichzeitig als Kontaktleiste vorgesehen und ausgebildet ist.

Zur richtigen gegenseitigen Zuordnung der streifenförmigen Bauteile können dieselben Markierungen beispielsweise Kerben, aufweisen, die an übereinstimmenden Kanten angebracht sind.

Der Gegenstand der Erfindung ermöglicht ir einfacher Weise auch die Ausbildung von Hochspannungsgleichrichtern in beliebiger Satzschaltung. Zui Erzielung einer Dreiphasen-Sternschaltung kann dei Isolierstoffträgerkörper 1 drei zueinander parallele Reihen von Aussparungen 2, 32 aufweisen. Entspre chend kann jede Trägerkörperseite mit einer oder drei angepaßt ausgebildeten Kontaktleisten 11 belegt sein so daß drei voneinander unabhängige, geeignet elektrisch zu verbindende Reihenschaltungen gegeber sind.

Zur Herstellung von Gleichrichteranordnungen gemäß der Erfindung wird ein Isolierstoffträgerkörper 1 mit Gleichrichterelementen 4 bestückt Anschließend wird an jeder Seite eine angepaßt ausgebildet« Kontaktleiste flächenhaft so angelegt daß die Metallisierung der öffnungen 12 mit den Kontaktseiten dei jeweils zugeordneten Gleichrichterelemente überein-

stimmt. Die zu einem leistenförmigen Aufbau gestapelten Bauteile werden durch Aufstecken eines Kontaktstücks 21 an jedem Ende zusammengehalten. Durch Eintauchen des Aufbaus in ein Lötbad weiden gleichzeitig alle Gleichrichterelemente mit ihren zugeordneten Leiterbahnen 13 kontaktiert und zusätzlich mit dem Kontaktstück fest verbunden. Nach der elektrischen Prüfung wird der erfindungsgemäße Aufbau in bekannter Weise gekapselt.

Eine wirtschaftlichere Herstellung wird dadurc erzielt, daß Isolierstoffträgerkörper und Kontaktleiste in größeren Längen vorgefertigt sind und im Verlai ihrer Länge jeweils übereinstimmend mit Markierunge zur Zerteilung verschen, in der vorbeschriebenen Weis zusammengebaut und kontaktiert werden, und da anschließend eine Zerteilung in der durch die gewünscl te Schaltung bestimmten Baulänge erfolgt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (10)

Patentansprüche:

1. Halbleiter-Hochspannungsgleichrichter, bei dem eine Anzahl ungekapselter Gleichrichterelemente in durchgehenden, in ihrer Flächenausdehnung den Gleichrichterelementen angepaßten Aussparungen eines Isolierstoffirägerkörpers angeordnet, über Kontaktbauteile elektrisch verschaltet und in einem Gehäuse eingeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolierstoffträgerkörper (1) leistenförmig ausgebildet und mit wenigstens einer Reihe von Aussparungen (2) versehen ist, daß zur Kontaktierung und Verschaltung der in den Aussparungen (2) angeordneten Gleichrichterelemente (4) Kontaktleisten (11) aus Isolierstoff vorgesehen sind, die mit den Aussparungen (2) übereinstimmend angeordnete und diesen angepaßt ausgebildete Öffnungen (12) aufweisen und an der Innenfläche sowie in der Umgebung der Öffnungen metallisiert sind, daß auf mindestens einer Kontaktleiste getrennte metallische Leiterbahnen (13) aufgebracht sind, welche jeweils diejenigen benachbarten öflnungen (12), die den zur Herstellung der notwendigen Reihenschaltung zu verbindenden Kontaktseiten jeweils zweier aufeinanderfolgender Gleichrichterelemente (4) zugeordnet sind, sowie Anfang und/oder Ende der Reihenschaltung mit am Kontaktleistenende angeordneten und als Leitungsanschluß dienenden Metallisierungen (14) verbinden, daß an beiden Seiten des Isolierstoffträgerkörpers (1) jeweils eine Kontaktleiste (11) so angelegt ist, daß die Metallisierung jeder Öffnung (12) an einem Gleiehrichterelemem (4) anliegt und die Leiterbahnen (13) die elektrischen Verbindungen der in entsprechender Orientierung angeordneten Gleichrichterelemente im Verlauf der Reihenschaltung bilden und daß der aus Isolierstoffträgerkörper (1) und Kontaktleisten (11) bestehende Aufbau an beiden Enden mit Hilfe eines aufgesteckten, metallischen Kontaktstücks (21) zusammengespannt und an allen Kontaktstellen verlötet ist.

2. Halbleiter-Hochspannungsgleichrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aussparungen (2) des Isolierstoffträgerkörpers (1) in Reihen und Spalten mit oder ohne Versetzung angeordnet sind.

3. Halbleiter-Hochspannungsgleichrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf einander gegenüberliegenden Seiten eines Isolierstoffträgerkörpers (31) Aussparungen (32) in der Weise angebracht sind, daß jeweils eine Aussparung der einen Seite mit der gegenüberliegenden Aussparung der anderen Seite zur räumlichen und elektrischen Reihenschaltung zweier Gleichrichterelementc dienen, über eine Durchbohrung (33) miteinander verbunder, und zur Befestigung der Gleichrichterelemente (4) und ihrer gegenseitigen galvanischen Verbindung geeignet metallisiert sind (34,35).

4. Halbleiter-Hochspannungsgleichrichter nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolierstoffträgerkörper (1, 31) aus Keramik oder Kunststoff besteht.

5. Halbleiter-Hochspannungsgleichrichter nach Anspruch 1 oder einem der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Reihenschaltung einer ungeraden Anzahl von Gleichrichterelementen beide Kontaktleisten (11) übereinstimmend mit Leiterbahnen (13) und an einem Ende mit einer als Leitungsanschluß dienenden Metallisierung (14) versehen sind.

6. Halbleiter-Hochspannungsgleichrichter nach Anspruch 1 oder einem der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Reihenschaltung einer geraden Anzahl von Gleichrichterelementen eine Kontaktleiste lediglich Leiterbahnen (13) zur Verbindung benachbarter Kontaktseiten zweier aufeinanderfolgender Gleichrichterelemente und die andere Kontaktleiste Leiterbahnen (13) und an beiden Enden jeweils als Leitungsanschluß dienende Metallisierungen (14) aufweist.

7. Halbleiter-Hochspannungsgleichrichier nach Anspruch 1 oder einem der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktleisten (11) aus Keramik oder Kunststoff bestehen.

8. Halbleiter-Hochspannungsgleichrichter nach Anspruch I oder einem der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolierstoffträgerkörper gleichzeitig als Kontaktleiste vorgesehen und ausgebildet ist.

9 Halbleiter-Hochspannungsgieichrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das auf den aus Isolierstoffträgerkörper (1) und Kontaktleiste(n)(U)bestehenden Aufbau aufgesteckte, metallische Kontaktstück (21) U-förmig ausgebildet ist und aus einem elastischen Material besteht.

10. Halbleiter-Hochspannungsgleichrichter nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß das auf den aus, Isolierstoffträgerkörper (1) und Kontaktleiste(n)(H) bestehenden Aufbau aufgesteckte, metallische Kontaktstück (21) becherförmig ausgebildet ist.