DE19805820A1 - Semiconductor clamped stack for high power rectifier - Google Patents
Semiconductor clamped stack for high power rectifierInfo
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Leistungshalbleitertechnik. Sie betrifft einen Halbleiter- Spannstapel, insbesondere für Hochleistungs-Stromrichter, in welchem eine Mehrzahl von Halbleiterbauelementen zusammen mit wassergekühlten Kühldosen alternierend in einem Stapel angeordnet und mittels mehrerer parallel zur Stapelachse ver laufender Zugstangen und zugehörigen Spannvorrichtungen in Richtung der Stapelachse verspannt sind, und wobei Mittel vorgesehen sind, mittels derer Kühlwasser dem Halbleiter- Spannstapel zugeführt, entlang dem Stapel auf die einzelnen Kühldosen verteilt, nach Durchlaufen der Kühldosen wieder ge sammelt und vom Halbleiter-Spannstapel weggeführt wird.The present invention relates to the field of Power semiconductor technology. It concerns a semiconductor Clamping stacks, especially for high-performance converters, in which a plurality of semiconductor devices together with water-cooled cooling boxes alternately in a stack arranged and ver by means of several parallel to the stacking axis running tie rods and associated fixtures in Are braced in the direction of the stacking axis, and wherein means are provided, by means of which cooling water the semiconductor Tension stacks fed along the stack to the individual Cooling cans distributed, ge again after passing through the cooling cans collects and is led away from the semiconductor clamping stack.
Ein solcher Halbleiter-Spannstapel ist z. B. aus der Druck schrift P. Steimer, H. Grüning et al. "Serienschaltung von GTO-Thyristoren für Frequenzumrichter hoher Leistung", ABB Technik 5 (1996) S. 14-20 (insb. Bild 7 und 8), bekannt. Such a semiconductor clamping stack is e.g. B. from the print P. Steimer, H. Grüning et al. "Series connection of GTO thyristors for frequency converters of high power", ABB Review 5 (1996) pp. 14-20 (esp. Fig . 7 and 8), known.
Bei bekannten wassergekühlten Stromrichtern hoher Leistung wird eine Mehrzahl von in einem sog. "Preßpack"-Gehäuse un tergebrachten Leistungshalbleitern in einer Serienschaltung alternierend mit wasserdurchflossenen Kühldosen zu einem Sta pel vereint und mit hohem Preßdruck verspannt, damit die notwendigen elektrischen und thermischen Eigenschaften er reicht werden. Für das Verspannen sind mechanische Verspann einrichtungen vorgesehen, die meist Zugstangen, d. h. auf Zug belastete Stangen aus Stahl oder GFK umfassen. Für die Zu fuhr, Verteilung und Abfuhr des Kühlwasser für die im Stapel befindlichen Kühldosen werden parallel zu und seitlich am Spannstapel sog. Kühlwasser-Sammelrohre geführt, von denen aus Verteilungsschläuche zu den einzelnen Kühldosen abgehen. Die separaten Kühlwasser-Sammelrohre erfordern nicht nur ei nen erhöhten Montageaufwand, sondern nehmen auch erheblichen Platz ein, was gerade bei der Forderung nach kompakten Strom richtereinheiten zu Schwierigkeiten führt.With known water-cooled high-performance power converters a plurality of un in a so-called "press pack" housing used power semiconductors in a series connection alternating with water-filled cooling cans to a sta pel united and clamped with high pressure so that the necessary electrical and thermal properties he be enough. Mechanical bracing is used for bracing facilities provided, mostly pull rods, d. H. on train include loaded steel or GRP rods. For the zu drove, distribution and removal of cooling water for those in the stack cooling sockets located are parallel to and laterally on Clamping stack guided so-called cooling water manifolds, of which go out of distribution hoses to the individual cooling boxes. The separate cooling water manifolds not only require egg nen increased installation effort, but also take considerable Place one thing, especially when it comes to compact electricity judges create difficulties.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Halbleiter-Spann stapel für wassergekühlte Leistungshalbleiterbauelemente zu schaffen, welcher sich durch einen deutlich vereinfachten und kompakteren Aufbau auszeichnet.It is therefore an object of the invention to provide a semiconductor clamping device stack for water-cooled power semiconductor components create, which is characterized by a significantly simplified and characterized by a more compact structure.
Die Aufgabe wird bei einem Halbleiter-Spannstapel der ein gangs genannten Art dadurch gelöst, daß zumindest eine der Zugstangen als Rohr ausgebildet und zum Verteilen oder Sam meln des Kühlwassers verwendet wird. Durch die erfindungsge mäße Verlegung der Wasserführung in eine oder mehrere Zug stangen kann auf separate Kühlwasser-Sammelrohre verzichtet werden. Hierdurch werden Material, Platz und Montagekosten gespart.The task becomes the one with a semiconductor clamping stack gangs mentioned solved in that at least one of the Drawbars designed as a tube and for distribution or Sam cooling water is used. By the fiction moderate routing of water in one or more trains rods can be dispensed with separate cooling water manifolds become. This will material, space and assembly costs saved.
Eine erste bevorzugte Ausführungsform des Spannstapels nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß zwei Zugstan gen als Rohre ausgebildet sind, und daß die eine Zugstange zum Verteilen des Kühlwassers und die andere Zugstange zum Sammeln des Kühlwassers verwendet wird. Durch die vollstän dige Verlegung der Kühlwasserführung in die Spannstäbe erge ben sich weitere Vereinfachungen und Platzersparnisse.A first preferred embodiment of the tensioning stack according to the invention is characterized in that two Zugstan gene are designed as tubes, and that the one tie rod to distribute the cooling water and the other tie rod to Collecting the cooling water is used. By the complete Laying the cooling water duct in the tension rods there are further simplifications and space savings.
Die als Rohre ausgebildeten Zugstangen lassen sich besonders einfach herstellen und montieren, wenn gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung die zum Verteilen bzw. Sammeln des Kühlwassers verwendeten Zugstangen in Rich tung der Stapelachse hintereinander eine der Anzahl der Kühl dosen entsprechende Anzahl von Verteillöchern aufweisen, an welche die Kühldosen angeschlossen sind, wenn zum Anschließen der Kühldosen in die Verteillöcher jeweils Einschraubnip pel eingeschraubt sind, und wenn von den Einschraubnippeln zu den Kühldosen jeweils Zuleitungsschläuche führen, welche mit Überwurfmuttern an den Einschraubnippeln fixiert sind.The drawbars, which are designed as tubes, are particularly versatile easy to manufacture and assemble if according to a second preferred embodiment of the invention to distribute or collecting the cooling water used tie rods in Rich the stacking axis one behind the other the number of cooling cans have a corresponding number of distribution holes which cooling sockets are connected when connecting of the cooling sockets into the distribution holes pel are screwed in, and if from the screw-in nipples too guide the cooling sockets with the supply hoses Union nuts are fixed to the screw-in nipples.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist da durch gekennzeichnet, daß die Kühlwasser-führenden Zugstan gen aus Aluminium, insbesondere im Spritzgußverfahren, her gestellt sind, und daß die Einschraubnippel aus Edelstahl bestehen. Die Herstellung der Zugstangen aus Aluminium ist preisgünstig. Die Einschraubnippel aus Edelstahl sind resi stent gegen die durch die Potentialunterschiede der einzelnen Halbleiter getriebenen Elektrolyseströme und die damit ver bundene Korrosion. Another preferred embodiment of the invention is there characterized in that the cooling water-leading Zugstan conditions made of aluminum, especially by injection molding are made, and that the screw-in nipple made of stainless steel consist. The tie rods are made of aluminum inexpensive. The stainless steel screw-in nipples are resi stent against by the potential differences of the individual Semiconductor driven electrolysis currents and the ver bound corrosion.
Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen An sprüchen.Further embodiments result from the dependent An sayings.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispie len im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigenIn the following, the invention is intended to be based on exemplary embodiments len are explained in connection with the drawing. Show it
Fig. 1 in der Seitenansicht ein bevorzugtes Ausführungs beispiel eines Halbleiter-Spannstapels nach der Erfindung; Figure 1 is a side view of a preferred embodiment of a semiconductor clamping stack according to the invention.
Fig. 2 den Stapel aus Fig. 1 in der Ansicht von oben; und FIG. 2 shows the stack from FIG. 1 in a view from above; and
Fig. 3 eine einzelne als Rohr ausgebildete Zugstange ei nes Stapels nach Fig. 1 bzw. 2. Fig. 3 shows a single tube formed as a pull rod ei nes stack of FIG. 1 and 2 respectively.
In Fig. 1 ist in der Seitenansicht ein bevorzugtes Ausfüh rungsbeispiel eines Halbleiter-Spannstapels nach der Erfin dung wiedergegeben. Der Halbleiter-Spannstapel 10 ist Teil eines Stromrichters und umfaßt eine Mehrzahl von in Serie liegenden Halbleiterbauelementen, von denen stellvertretend drei mit Bezugszeichen 11, 12 und 13 versehen sind. Die Halb leiterbauelemente 11, 12, 13 sind jeweils in einem bekannten sog. "Preßpack"-Gehäuse untergebracht, welches zylindrisch ist und an den Stirnseiten zur elektrischen und thermischen Ankopplung mit ebenen, kreisrunden Elektroden (Anoden, Katho den) versehen ist. Zwischen den Halbleiterbauelementen 11, 12, 13 sind jeweils Kühldosen 14, 15 angeordnet, die während des Betriebes von Kühlwasser durchflossen werden. Zu- und Ab fuhr des Kühlwassers erfolgen bei jeder Kühldose über dünne biegsame Zuleitungsschläuche 26, 27, die mit einem Ende an der jeweiligen Kühldose und mit dem anderen Ende an der be nachbarten Zugstange 16 bzw. 17 angeschlossen sind.In Fig. 1, a preferred embodiment of a semiconductor clamping stack according to the invention is shown in the side view. The semiconductor clamping stack 10 is part of a converter and comprises a plurality of semiconductor components lying in series, three of which are provided with reference numerals 11 , 12 and 13 . The semiconductor components 11 , 12 , 13 are each housed in a known so-called "press pack" housing, which is cylindrical and is provided on the end faces for electrical and thermal coupling with flat, circular electrodes (anodes, cathodes). Between the semiconductor components 11 , 12 , 13 cooling sockets 14 , 15 are arranged, through which cooling water flows during operation. Supply and discharge of the cooling water take place in each cooling box via thin flexible supply hoses 26 , 27 which are connected at one end to the respective cooling box and at the other end to the adjacent pull rod 16 and 17 , respectively.
Die Zugstangen 16, 17 sind erfindungsgemäß nicht als Stangen aus Vollmaterial ausgebildet, sondern als Rohre, in denen das Kühlwasser für die Kühldosen 11, 12, 13 zu den einzelnen Kühldosen hin- und von den Kühldosen wieder weggeführt wird. Die Ausbildung der Zugstangen 16, 17 als Kühlwasserrohre läßt sich anhand der Darstellung einer einzelnen Zugstange 17 in Fig. 3 erläutern. Die Zugstange 17 ist vorzugsweise aus Aluminium in einem Spritzgußverfahren hergestellt. Sie ist auf beiden Seiten offen und ist an beiden Enden auf dem Außen umfang mit einem Gewinde 39 bzw. 40 versehen. Unter Ein satz entsprechender Muttern 34, 38 kann so die für den Stapel aus Fig. 1 notwendige Zugspannung erzeugt werden. Das eine Ende der Zugstange 17 weist ein Innengewinde auf und ist durch eine eingeschraubte Verschlußschraube 36 verschlossen. Eine entsprechende Verschlußschraube 35 verschließt das eine Ende der anderen Zugstange 16 (Fig. 1). Am anderen Ende der Zugstange 17 ist ein Schlauchanschluß 32 vorgesehen, an welchen beispielsweise ein Wasserschlauch 19 anschließbar ist. Ein entsprechender Schlauchanschluß 31 für einen Was serschlauch 18 ist an der Zugstange 16 angeordnet (Fig. 1).The tie rods 16 , 17 are not designed according to the invention as rods made of solid material, but as tubes in which the cooling water for the cooling boxes 11 , 12 , 13 is led to the individual cooling boxes and away from the cooling boxes again. The design of the tie rods 16 , 17 as cooling water pipes can be explained on the basis of the illustration of an individual tie rod 17 in FIG. 3. The pull rod 17 is preferably made of aluminum in an injection molding process. It is open on both sides and is provided at both ends on the outer circumference with a thread 39 or 40 . With a set of corresponding nuts 34 , 38 , the necessary tension for the stack from FIG. 1 can be generated. One end of the pull rod 17 has an internal thread and is closed by a screwed-in screw plug 36 . A corresponding screw plug 35 closes one end of the other tie rod 16 ( FIG. 1). At the other end of the pull rod 17 , a hose connection 32 is provided, to which, for example, a water hose 19 can be connected. A corresponding hose connection 31 for a What serschlauch 18 is arranged on the pull rod 16 ( Fig. 1).
Das durch den Wasserschlauch 19 in die Zugstange 17 einströ mende Kühlwasser wird aus der Zugstange 17 über eine der An zahl der Kühldosen entsprechende Anzahl von Anschlüssen 41 mit Verteillöchern 44 abgegeben, die in einer Reihe hinter einander und voneinander beabstandet in der Zugstange 17 an gebracht sind. Der Abstand der Verteillöcher 44 ist dabei vorzugsweise so gewählt, daß die einzelnen Verteillöcher 44 innerhalb der Stapelanordnung jeweils auf der Höhe der zuge hörigen Kühldose liegen. Zum lösbaren Anschluß der Zulei tungsschläuche 26, 27 sind in die Verteillöcher 44 Ein schraubnippel 43 eingeschraubt, an welchen die Zuleitungs schläuche 26, 27 mittels Überwurfmuttern 42 fixiert werden können. Die Einschraubnippel 43 sind vorzugsweise aus Edel stahl, weil dieser resistent ist gegen die Elektrolyseströme, die - getrieben durch die Potentialunterschiede an den Halb leiterbauelementen - sonst zu einer Korrosion führen würden. Die Zugstange 16, 17 selbst wird, wenn der Halbleiter-Spann stapel 10 beispielsweise Teil eines 3-Punkt-Wechselrichters ist, durch eine einfache elektrische Verbindung auf "Mittel punkts"-Potential gehalten. Dadurch entfallen die im Stand der Technik bei Kühlwasser-Sammelrohren aus Kunststoff not wendigen Potentialsteuerelektroden.The inflowing through the water hose 19 into the pull rod 17 cooling water is discharged from the pull rod 17 via a number of cooling sockets corresponding to the number of connections 41 with distribution holes 44 , which are placed in a row one behind the other and spaced apart in the pull rod 17 . The distance between the distribution holes 44 is preferably selected so that the individual distribution holes 44 are each within the stack arrangement at the level of the associated cooling box. For releasable connection of the supply lines 26 , 27 are screwed into the distribution holes 44, a screw nipple 43 , to which the supply hoses 26 , 27 can be fixed by means of union nuts 42 . The screw-in nipples 43 are preferably made of stainless steel, because it is resistant to the electrolysis currents which - driven by the potential differences on the semiconductor components - would otherwise lead to corrosion. The pull rod 16 , 17 itself, when the semiconductor clamping stack 10 is part of a 3-point inverter, for example, is held at a "center point" potential by a simple electrical connection. This eliminates the potential control electrodes necessary in the prior art for cooling water collecting pipes made of plastic.
Die mechanische Funktion der Zugstangen 16, 17 ist aus den Fig. 1 und 2 ersichtlich. Der Stapel aus Halbleiterbauelemen ten 11, 12, 13 und Kühldosen 14, 15 wird mittels zentralen Spannelementen 23, 25 zwischen zwei U-förmigen Spannprofilen 22, 24 eingespannt, die über die mit Muttern 33, 34, 38 ver sehenen Zugstangen 16, 17 miteinander in Verbindung stehen und durch Anziehen der Muttern 33, 34, 38 einen entsprechen den Preßdruck auf den Stapel ausüben. Stapelachse und Zug stangen 16, 17 verlaufen dabei parallel zueinander und liegen in derselben Ebene. Die Kühldosen 14, 15 stützen sich seit lich auf den Zugstangen 16, 17 ab. An den Kühldosen 14, 15 können weiterhin Führungselemente 45 zur Führung und Fixie rung der Zuleitungsschläuche 26, 27 angeformt sein. Die Aus bildung der Zugstangen 16, 17 als Rohre mit einem gegenüber Vollstangen größeren Außendurchmesser hat aufgrund der da mit erreichten höheren Stabilität einen besonderen Vorteil: Die Stapelanordnung mit den schweren Halbleiterbauelementen 11, 12, 13 und Kühldosen 14, 15 kann horizontal montiert wer den, ohne daß zusätzliche Maßnahmen getroffen werden müs sen.The mechanical function of the tie rods 16 , 17 can be seen from FIGS. 1 and 2. The stack of semiconductor components 11 , 12 , 13 and cooling sockets 14 , 15 is clamped by means of central clamping elements 23 , 25 between two U-shaped clamping profiles 22 , 24 , the tie rods 16 , 17 provided with nuts 33 , 34 , 38 ver together stand in connection and by tightening the nuts 33 , 34 , 38 apply a corresponding pressure to the stack. Stack axis and train rods 16 , 17 run parallel to each other and lie in the same plane. The cooling boxes 14 , 15 are supported since Lich on the tie rods 16 , 17 . Guide elements 45 for guiding and fixing the supply hoses 26 , 27 can also be integrally formed on the cooling sockets 14 , 15 . From the formation of the tie rods 16 , 17 as tubes with a larger outer diameter compared to solid rods has a particular advantage due to the higher stability achieved: The stack arrangement with the heavy semiconductor components 11 , 12 , 13 and cooling sockets 14 , 15 can be mounted horizontally, without additional measures having to be taken.
Der flache und kompakte Halbleiter-Spannstapel 10 erlaubt es gemäß Fig. 2, die Anschlüsse ungehindert zu beiden Seiten des Stapels herauszuführen. Zur einen Seite sind die für hohe Ströme ausgelegten elektrischen Anschlüsse 29, 30 der Kühldo sen 14, 15 herausgeführt. Zur anderen Seite ragen aus dem Stapel die Ansteuereinheiten 28 heraus, die für die Ansteue rung der verschiedenen steuerbaren Halbleiterbauelemente im Stapel benötigt werden.The flat and compact semiconductor clamping stack 10 , according to FIG. 2, allows the connections to be led out unhindered on both sides of the stack. On the one hand, the electrical connections 29 , 30 of the Kühldo sen 14 , 15 designed for high currents are led out. On the other hand, the control units 28 protrude from the stack, which are required for the control of the various controllable semiconductor components in the stack.
Insgesamt ergibt sich mit der Erfindung ein Halbleiter-Spann stapel, der sich durch einen vereinfachten und platzsparenden Aufbau auszeichnet, verkürzte Zuleitungsschläuche mit ent sprechend verringerten Strömungswiderstand zuläßt, und eine erhöhte mechanische Stabilität aufweist. Darüber hinaus wird das Auswechseln von defekten Halbleiterbauelementen verein facht, weil keine Verrohrung und keine Schläuchlein im Wege sind. Overall, the invention results in a semiconductor clamping stack, which is characterized by a simplified and space-saving Structure distinguished, shortened supply hoses with ent permitting reduced flow resistance, and a has increased mechanical stability. Beyond that the replacement of defective semiconductor components folds because no piping and no hoses in the way are.
1010th
Halbleiter-Spannstapel
Semiconductor clamping stack
1111
, ,
1212th
, ,
1313
Halbleiterbauelement
Semiconductor device
1414
, ,
1515
Kühldose
Cooling box
1616
, ,
1717th
Zugstange
pull bar
1818th
, ,
1919th
Wasserschlauch
Water hose
2020th
, ,
2121
Spannvorrichtung
Jig
2222
, ,
2424th
Spannprofil
Clamping profile
2323
, ,
2525th
Spannelement
Clamping element
2626
, ,
2727
Zuleitungsschlauch (Kühldose)
Supply hose (cooling box)
2828
Ansteuereinheit
Control unit
2929
, ,
3030th
elektrischer Anschluß (Kühldose)
electrical connection (cooling box)
3131
, ,
3232
Schlauchanschluß
Hose connection
3333
, ,
3434
, ,
3737
, ,
3838
Mutter
mother
3535
, ,
3636
Verschlußschraube
Screw
3939
, ,
4040
Gewinde
thread
4141
Anschluß (Zuleitungsschlauch)
Connection (supply hose)
4242
Überwurfmutter
Cap nut
4343
Einschraubnippel
Screw-in nipple
4444
Verteilloch
Distribution hole
4545
Führungselement (für Zuleitungsschlauch)
Guide element (for supply hose)
Claims (8)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE19805820A DE19805820A1 (en) | 1998-02-13 | 1998-02-13 | Semiconductor clamped stack for high power rectifier |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE19805820A DE19805820A1 (en) | 1998-02-13 | 1998-02-13 | Semiconductor clamped stack for high power rectifier |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE19805820A1 true DE19805820A1 (en) | 1999-08-19 |
Family
ID=7857547
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE19805820A Withdrawn DE19805820A1 (en) | 1998-02-13 | 1998-02-13 | Semiconductor clamped stack for high power rectifier |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE19805820A1 (en) |
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