DE1978283U - Integrierte gleichrichter-schaltungsanordnung. - Google Patents

Description

!A. 584 282*12.10.87

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Whelm Beicfcel

Jcftiri/Main-l

Paricsiraße 13

Eigenes Zeichen: 5511 -

General Electric Company, Schenectady, Ή.Y./V.St.A.

Integrierte Gleiclirichter-Schaltungsanordnung

Die Neuerung ."betrifft eine integrierte Gleichrichter-Schaltungsanordnung mit zumindest zwei Halbleiterelementen, wovon das erste aus einem Halbleitermaterial mit N-Leitung und einer in einer Oberfläche angebrachten Zone mit P-Leitung und das zweite aus einem Halbleitermaterial mit P-Leitung und einer in einer Oberfläche angebrachten Zone mit N-Leitung besteht.

Geläufige Gleichrichterschaltungen, bei denen einzelne Gleichrichterdioden verwendet werden, können in IPorm einer Dreiphasenbrücke z.B. zur Verwendung in der Autoindustrie in Verbindung mit Wechselstromgeneratoren oder in Form einer Einphasenbrücke aufgebaut sein, welche allgemein Verwendung findet, wenn ein Einphasen-Wechselstrom zweiweg-gleichgerichtet werden soll. Um die Herstellungskosten zu verringern und den Aufbau solcher

Schaltungen zu vereinfachen, soll eine integrierte Gleichrichter-Schaltungsanordnung geschaffen werden, die in einem einzigen Ge- - häuse oder einer einzigen Aufbaueinheit untergebracht werden kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Neuerung vor, daß ein Halbleitermaterialkörper eines jeden Halbleiterelement es einen PIT "Übergang aufweist und der Halbleiterkörper sowie die Zonen mit P-Leitung und IT-Leitung mit Kontakten versehen sind, daß jede Zone vom einen Leitfähigkeitstyp mit einer entsprechenden Zone des anderen Leitfähigkeitstyps verbunden ist und jede dieser Verbindungen mit einem Anschluß des Halbleiterelementes verbunden ist, um dadurch eine Gleichrichter-Schaltungaanordnung zu schaffen,

Diese Neuerung bietet den Vorteil , daß zum Aufbau von Gleichrichter-Schaltungsanordnungen nicht mehr Gleichrichter in Einzelfassung zusammengeschaltet werden müssen, sondern die gewünschten -Schaltungsanordnungen in einer integrierten Form hergestellt werden können, wobei die einzelnen Gleichrichterelemente in einem einzigen Gehäuse untergebracht werden können, wodurch sich die Herstellungskosten solcher Gleichrichter-Schaltungsanordnungen erheblich verringern lassen. . .■

Eine beispielsweise Ausführungsform der Neuerung ist in der Zeichnung dargestellt; es zeigen:

Fig.1 das schematische Schaltbild einer Dreiphasen-Gleichrichterbrücke;

Pig.2 einen Schnitt durch eine integrierte Gleichrichteranordnung in Form einer Dreiphasen-Gleichrichterbrücke gemäß der Neuerung;

Fig.3 eine Draufsicht auf die Anordnung gemäß Fig.2;

Fig. 4 und 5 Schnitte längs der Linien 4-4 und 5-5 <3.er Fig. 3, wobei jeder dieser Schnitte ein anderes Halbleiterelement der Anordnung nach den Fig.2 und 3 darstellt;

Fig.6 den schematischen Schaitungsaufbau einer Einphasen-Gleichrichterbrücke;

Fig.7 und 8 Schnitte durch zwei verschiedene Gehäuse, welche für die Montage von integrierten Gleichrichter-Schal tungs anordnungen nach den Fig.2 bis 5 besonders geeignet sind.

In Fig. 1 ist eine übliche Dreiphasenbrücke schematisch dargestellt,, welche als integrierte Gleichrichter-Schaltungsanordnung für den in den Fig.2 bis 5 dargestellten Aufbau Verwendung findet. Die Dreiphasen-Wechselstromquelle wird an die drei Anschlüsse 10, 11 und 12 gemäß Fig.1 angelegt. An den beiden Anschlüssen 13 und 14 liegt das negative und positive Potential des an einen Verbraucherkreis abgegebenen Gleichstroms an.

Die Brücke ist aus'drei - Diodenpaaren 15 und 16, 17 "und 18, 19 und 20 aufgebaut. Die Diodenpaare sind derart in Serie geschaltet,

und liegen zwischen dem negativen und positiven Gleichstromanschluß 13 und 14·-in der Weise, daß der Strom in herkömmlicher Weise vom negativen Anschluß 13 durch die Dioden und die Wechselstromquelle zum positiven Anschluß 14 fließt. Jeder der Anschlüsse 10, 11 und 12 für den Wechselstrom liegt an dem Verbindungspunkt von je zwei Dioden eines Paares, d.h. der Anschluß 10 liegt zwischen den Dioden 15 und 16, der Anschluß 11 zwischen den Dioden 17 und 18 und der Anschluß 12 zwischen den Dioden 19 und 20. Auf diese Weise entsteht ein Dreiphasen-Brückengleichrichter.

Die integrierte Gleichrichter-Schaltungsanordnung für einen Dreiphasen-Brückengleichrichter gemäß Pig.1 ist in einer bevorzugten Ausführungsform in den Fig.2 bis 5 dargestellt. In den Figuren sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen. Der Träger für die Schaltungsanordnung besteht aus einer Scheibe 22 eines isolierenden Materials, welches gleichzeitig einen Sockel für das am Ende aufzubringende Gehäuse bildet. Bei einer bevorzugten Ausführungsform besteht der Sockel 22 aus Berylliumoxyd, da dieses eine sehr gute thermische Leitfähigkeit, vorzügliche elektrische Isölationseigenschaften und einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist. Diese Eigenschaften vertragen sich im Bereich der üblichen Betriebstemperaturen sehr gut mit .den Siliciumelementen. Wie aus Fig.2 klar hervorgeht, durchlaufen die negativen und positiven Anschlüsse 13 und 14 den Sockel 22 und stehen mit metallisierten Bereichen 23 und 24 am Sockel 22 in Kontaktverbindung.

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Kir die einzelnen Gleichricliterdioden des Dreiphasen-Brückenglei ehrienters gemäß 5¹Ig. 1 finden zwei getrennte im allgemeinen rechteckige Halbleiterstücke 25 und 26 Verwendung. Wie aus der Darstellung hervorgeht, besteht das eine Halbleiterstück 25 aus einem Halbleitermaterial mit N-Leitung. Die -verschiedenen Gleichrichter der Schaltung gemäß Mg.1, die in gleicher Richtung gepolt sind (Dioden 16, 18 und 20) sind in dem Halbleiterstück 25 mit BT-Leitung in integrierter Weise aufgebaut, indem Zonen 27, 28 und 29 mit P-Leitung von der einen Oberfläche des Halbleiterstückes 25 aus vorgesehen sind, so daß drei getrennte Gleichrichtereinheiten mit ge einem PH-Übergang entstehen. Das Halbleiterstück 25 mit U-Leitung wird auf dem metallisierten Bereich 24 auf der Oberfläche des Sockels montiert. Dieser Bereich ist seinerseits mit dem positiven Anschluß 14 des Elements verbunden.

Um die andere Reihe entsprechend gepolter Gleichrichter zu schaffen,, d.h. die Diodengleichrichter 15, 17 und 19 gemäß Fig.1 wird ein Halbleiterstück 26 mit P-Leitung vorgesehen, in welchem- Zonen 30, 31 und 32 mit !"-Leitung ausgebildet sind, die den PN-Übergang der einzelnen Gleichrichter gemäß I?ig.1 bilden. Dieses Halbleiterstück 26 mit P-Leitung ist direkt mit dem metallisierten Bereich 23 auf der Oberfläche des Sockels 22 verbunden. Durch diese elektrische Verbindung entsteht die negative Elektrode, welche mit dem negativen Anschluß 13 cles Elements verbunden ist.

Es sei darauf hingewiesen, daß jedes der Halbleiterstücke 25 und 26; aus einem Halbleitermaterial hergestellt ist, das gegenüber - dem- anderen eine entgegengesetzte Leitfähigkeit aufweist. In diese Halbleiterstücke sind jeweils voneinander isolierte Zonen entgegengesetzter Leitfähigkeit eindiffundiert, wodurch die einzelnen Gleichrichterdioden entstehen. Diese gegeneinander isolierten Zonen können in verschiedenster Veise z.B. durch Diffusion einer zusammenhängenden Schicht gebildet werden, die an bestimmten Stellen-durch Ätzen unterteilt wird, wodurch die drei, gegeneinander isolierten oberen Bereiche im Halbleiterstück entstehen.

Zur Herstellung der elektrischen Anschlüsse zwischen den einzelnen Halbleiterpaaren 15, 16; 17, 18; 19,20 und zur gleichzeitigen Herstellung der verschiedenen Stromanschlüsse 10, 11 und 12 des Elementes werden einzelne Drahtleitungen 33, 34 und 35 durch entlang der einen Seite des Halbleiterstückes verlaufende Öffnungen im Sockel 22 geführt und über die beiden Halbleiterstücke in der Weise gebogen, daß ein Abschnitt des Drahtes in geeigneter Veise z.B. durch Ultraschallschweißung mit entsprechenden Bereichen der oberen Oberfläche der beiden Halbleiterstücke verbunden werden kann. Zum Beispiel ist der Draht 33 mit der Zone 27 mit P-Leitung des Halbleiterstückes 25 und mit der Zone 30 mit !-Leitung des Halbleiterstückes 26 verbunden, wodurch die.. Serienschaltung des "Diodenpaares aus den "Diodengleichrichtern 15 und 16 gemäß ELg.1 entsteht. Entsprechend ist der Draht 34 mit der Zone 31 mit P-Leitung des Halbleiterstückes 26 verbunden, wodurch die Halbleiter-

dioden 17 "und 18 entstehen, und der Draht 35 mit der Zone 28 mit; P-Leitung des Halbleiterstückes 25 und der Zone 32 mit IT-Leitung des Halbleiterstückes 26 verbunden wird, wodurch die Halbleiterdioden 19 und 20 entstehen.

Somit entsteht bei Verwendung von nur zwei Halbleiterstücken und 26 und drei Wechselstromanschlüssen sowie zwei Gleichstromanschlüssen eine integrierte Gleichrichter-Schaltanordnung für einen Dreiphasen-Brückengleichrichter.

Die ixt und Weise, in welcher die Neuerung für eine integrierte Gleichrichter-Schaltanordnung in Einphasenausführung verwendet werden kann, ist in Fig.6 dargestellt. Es werden entsprechende Bezugszeichen, wie in Fig.1, für entsprechende Teile in Fig.6 verwendet. Jedoch ist nur der Teil der Anordnung gemäß Fig.T dargestellt, der für einen Einphasen—Brückengleichrichter benötigt wird. Dieser besteht aus den Wechselstromanschlüssen und 11, den beiden Diodenpaaren 15 und 16 sowie 17 und 18 und den Gleichstromanschlüssen 13 für den negativen Anschluß und für den positiven Anschluß, da nur diese Teile für einen Einphasen- Brückengleichrichter aus zwei in den Halbleiterstücken 25 und 26 angebrachten Zonen benötigt werden.

In Fig.7 ist eine integrierte Gleichrichter-Schaltanordnung dargestellt, die in einem auf einem wärmeableitenden Stück angebrachten Gehäuse montiert ist. Der Sockel und die Anordnung sind

mit denselben Bezugszeichen wie in den Fig. 2 bis 5 "versehen. Der Sockel ist luftdicht in ein topfförmiges Gehäuse 36 eingesetzt, welches aus einem Material wie Kupfer oder Aluminium hergestellt sein kann. Das topfförmige Gehäuse ist mit einem Gewinde 37 auf dem äußeren Umfang versehen, so daß es in das wärmeableitende Materialstück 40, wie in der I¹Xg.? dargestellt, eingeschraubt werden kann. Es ist offensichtlich, daß auch andere Aufbaumöglichkeiten verwendet werden können, bei denen die Halbleitermaterialstücke mit Hilfe einer entsprechenden Technik gegen Korrosion geschützt werden können oder z.B. mit einem Material wie Glas überzogen werden, so daß auf das topfförmige Gehäuse verzichtet werden- kann.

In Fig.8 ist ein weiterer Aufbau einer Ausführungsform gemäß der Erfindung dargestellt. Auch hier sind entsprechende Teile mit den bereits in den Fig.2 bis 5 verwendeten entsprechenden Bezugszeichen versehen. Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß weder die WechselStromanschlüsse noch die Gleichstromanschlüsse durch den Sockel 22 verlaufen. Bei der dargestellten Ausführungsform verlaufen die leitungen von den Halbleiterstücken nach oben und werden mit einer Epoxyd-Vergußmasse 38 zusammen mit dem Halbleiterstück eingegossen und damit abgedichtet. Der Sockel 22 ist seinerseits an dem wärmeableitenden Material 39 in einer beliebigen Weise, z.B. Löten,oder mit Hilfe einer wärmeleitenden Klebemasse, befestigt.

Auf diese Weise werden durch, die- Heuerung bei der Herstellung und Verwendung von Einphasen- und Dreiphasen-Brückengleiehrichterri im -Vergleich mit "bisher üblichen und bei der Verwendung einzelner Dioden notwendigen Arbeitsgängen sowohl bei der Herstellung als auch bei der Verdrahtung Arbeitsgänge und Teile eingespart. Außerdem werden die mit der Wärmeableitung verbundenen Probleme verringert. Die Herstellung der Halbleiterstücke für den integrierten Brückengleichrichter mit zwei oder drei Dioden kann in derselben Zeit erfolgen, in welcher bisher eine einzige Diode hergestellt wurde. Selbstverständlich kann die beschriebene Konzeption auch für andere Gleichrichterschaltungen verwendet werden, z.B. für solche mit einer Mittelanzapfung bzw. einer Dreiphasen-Halbweggleichrichtung.

Schut zansprüche

Claims (1)

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   Schutzansprüche

   1. Integrierte Gleichrichter-Schaltungsanordnung mit zumindest zwei Halbleiterelementen, wovon das erste aus einem Halbleitermaterial mit IT-Leitung und einer in einer Oberfläche angebrachten Zone mit P-Leitung und das zweite aus einem. Halbleitermaterial mit P-Leitung und einer in einer Oberfläche angebrachten Zone mit H-Lei~ tung besteht, dadurch gekennzeichnet , daß eine Elektrode mit dem ersten Halbleitermaterialstück mit U-Leitung und eine zweite Elektrode mit dem zweiten Halbleitermaterialstück mit P-Leitung verbunden ist, daß einzelne Elektroden jeweils mit der. Zone mit Η-Leitung des ersten Halbleitermaterialstücks und einer entsprechenden Zone mit P-Leitung des zweiten Halbleitermaterialstücks verbunden sind, wodurch Halbleiterschaltungen zwischen den einzelnen Elektroden und Jeweils der ersten und .zweiten Elektrode entstehen. -

   2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch ge ken η ζ eich-η et , daß die Halbleiterstücke auf einem isolierenden Sockel -angeordnet sind.

   5. Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet , daß die erste und zweite Elektrode sowie die einzelnen Elektroden durch den isolierenden Sockel verlaufen. '

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   4-. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste-Halbleiterstück eine !-Leitung und die drei gegeneinander isolierten in diesem Halbleiterstück Torgesehenen Zonen P-Leitung aufweisen, daß das zweite Halbleiterstück eine P-Leitung und die drei gegeneinander isolierten darin vorgesehenen Zonen !-Leitung aufweisen,und daß drei weitere einzelne Elektroden vorgesehen sind, die mit jeder Zone mit H-Leitung auf dem ersten Halbleiterstück und entsprechenden Zonen mit P-Leitung auf dem zweiten Halbleiterstück verbunden sind und einen Dreiphasen-Brückengleichrichter bilden.

   5- Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η .-ζ e i c h η e t , daß das erste Halbleiterstück mit !-Leitung zwei gegeneinander isolierte Zonen mit P-Leitung aufweist, daß das zweite Halbleiterstück mit P-Leitung zwei gegeneinander isolierte Zonen mit N-Leitung aufweist, und daß zwei einzelne Elektroden vorgesehen sind, die mit der Zone mit !"-Leitung des ersten Halbleiterstückes und mit einer entsprechenden Zone mit P-Leitung des zweiten Halbleiterstückes verbunden sind, und dadurch einen Einphasen-Brückengleichrichter bilden.

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