DE1439250A1

DE1439250A1 - High performance rectifier on semiconductor basis for momentary load

Info

Publication number: DE1439250A1
Application number: DE19631439250
Authority: DE
Inventors: Herlet Dr Dolf; Hans Schering
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1963-06-25
Filing date: 1963-06-25
Publication date: 1968-11-28
Also published as: DE1439250B2

Description

Hochleistungsgleichrichter auf Halbleiterbasis für Momentanbelastung Hochleistungsgleichrichter mit einkristallinem Halbleiterkörper sind gewöhnlich in einem Gehäuse untergebracht, das nicht mehr als ein einziges derartiges Gleichrichterbauelement umschließt. Das ist dadurch begründet, daß ein wirtschaftlicher Dauerbetrieb nur dann gewährleistet ist, wenn für das Gleichrichterbauelement eine verhältnismäßig hohe Stromdichte, fast so hoch wie für metallische heiter, zugelassen und für eine entsprechend gute Wärmeabfuhr der im Halbleiterkörper entstandenen Verlustwärme an das Gehäuse und an mit diesem verbundene Kühleinrichtungen wie Rippen, Flüssigkeitskanäle usw. gesorgt wird. Demgegenüber wird mit der Erfindung die Aufgabe gelöst, eine Spezialtype eines Hochleistungsgleichrichters für Momentanbelastung zu schaffen, die mit dem maximal zulässigen Durchlaßstrom nur fallweise jedesmal während einer winzigen Zeitspanne bis zu höchstens einigen Millisekunden Dauer beansprucht wird, während zwischen den einzelnen Beanspruchungsfällen längere Zeiträume bis zu einer Dauer von mehreren Stunden oder sogar Tagen liegen, in denen die Gleichrichter nicht beansprucht werden. Demgemäß betrifft die Erfindung einen Hochleistungsgleichrichter auf Halbleiterbasis für Momentanbelastung. Ein solcher Hochleistungsgleichrichter ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß in einem Gehäuse ein unter Federdruck stehender Stapel von mehreren hintereinandergeschalteten hochsperrenden Gleichrichterbauelementen mit flachen einkristallinen Halbleiterkörpern, deren Flachseiten vollständig oder überwiegend von flächenhaften Kontaktelektroden bedeckt sind, derart angeordnet ist, daß höchstens eines der Gleichrichterbauelemente mit einem Wärme aus dem Innenraum des Gehäuses nach außen abführenden Teil des Gehäuses wärmeleitend verbunden ist. Dadurch wird eine wesentliche Vereinfachung erzielt gegenüber bekannten Gleichrichter-Reihenschaltungen, bei denen mehrere vollständige Zellen hintereinandergeschaltet sind, deren jede ein eigenes Gehäuse mit einem einzigen einkristallinen Halbleiterkörper darin aufweist.High-performance rectifier based on semiconductors for instantaneous loads High power rectifiers with a single crystal semiconductor body are common housed in a housing that has no more than a single such rectifier component encloses. This is justified by the fact that an economic continuous operation only is guaranteed if a proportionate for the rectifier component high current density, almost as high as for metallic cheerful, approved and for one Correspondingly good heat dissipation of the heat losses generated in the semiconductor body to the housing and to cooling devices connected to it, such as ribs, fluid channels etc. is taken care of. In contrast, the invention solves the problem, a To create a special type of high-performance rectifier for instantaneous loads, those with the maximum permissible forward current only occasionally each time during a a tiny period of time up to a maximum of a few milliseconds is required, while longer periods of up to one Duration of several hours or even days lie in which the rectifier does not are claimed. Accordingly, the invention relates to a high power rectifier on semiconductor basis for momentary load. Such a high power rectifier is characterized according to the invention that in a housing a spring-loaded Standing stack of several high-blocking rectifier components connected in series with flat monocrystalline semiconductor bodies, the flat sides of which are completely or predominantly from flat contact electrodes are covered, so is arranged that at most one of the rectifier components with a heat from the interior of the housing to the outside of the housing dissipating part of the housing thermally conductive connected is. As a result, a significant simplification is achieved compared to known ones Rectifier series circuits in which several complete cells are connected in series are, each of which has its own housing with a single monocrystalline semiconductor body has therein.

Bekannt sind Halbleiter-Gleichrichterzellen mit einem Gehäuse, das einen unter,Federdruck stehenden Stapel von mehreren hintereinandergeschalteten Gleichrichterbauelementen mit einkristallinen Halbleiterkörpern derart umschließt, daß nur eines der Gleichrichterbauelemente mit einem Wärme aus dem Zelleninneren nach außen abführenden Teil des Zellengehäuses wärmeleitend verbunden ist. Diese bekannten Gleichrichterzellen sind jedoch nur für verhältnismäßiggeringe Leistungen geeignet, da ihre Halbleiterkörper bzw. die darauf befindlichen Kontaktelektroden sehr kleine Abmessungen haben. Bei ihnen bietet daher eine ausreichende Kühlung selbst bei Dauerbelastung so wenig Schwierigkeiten, daß sich Erwägungen der oben angegebenen besonderen Art erübrigen.Semiconductor rectifier cells are known with a housing that a spring-loaded stack of several one behind the other Encloses rectifier components with monocrystalline semiconductor bodies in such a way that that only one of the rectifier components with a heat from the cell interior is connected to the outside dissipating part of the cell housing in a thermally conductive manner. These known rectifier cells are only available for relatively low power suitable because their semiconductor bodies or the contact electrodes on them have very small dimensions. They therefore offer sufficient cooling so few difficulties, even under constant load, that considerations of the above specified special type superfluous.

In der Zeichnung sind verschiedene Ausführungsbeispiele von verbesserten Hochleistungsgleichrichtern in den Fig. 1 bis-3 veranschaulicht. Fig. 4 enthält das Schaltschema einer Stromunterbrechungsanordnung, in der ein solcher Hochleistungsgleichrichter mit besonderem Vorteil verwendbar ist.In the drawing are various embodiments of improved High power rectifiers illustrated in Figures 1-3. Fig. 4 contains the circuit diagram of a current interruption arrangement in which such a high-performance rectifier can be used with particular advantage.

Nach Fig. 1 sind mehrere, und zwar im vorliegenden Fall acht, Halb- .leiterbaueleinente, von denen jedes einen kurzzeitigen, z.B.According to Fig. 1, several, in the present case eight, half .Ladder components, each of which has a short-term, e.g.

10 msee dauernden, Spitzenwert des Stromes von 3000 A und einen Spitzenwert der Sperrspannung von 2000 V vertragen möge, übereinandergestapelt und von einem Gehäuse umschlossen. Das Gehäuse besteht aus einer metallenen Grundplatte 3, z.B. aus Kupfer, einer ebensolchen Deckplatte 4 und einem zylinderförmigen, keramischen Mittelteil 5.. Die Ränder des Mittelteiles sind außen metallisiert und über hart angelötete Verbindungsringe 6 und 7 mit der Grundplatte 3 bzw. der Deckplatte 4 fest verbunden. Die Gleichrichterbauelemente stehen unter dem Druck eines Stapels von Tellerfedern 8, die zwischen der Deckplatte 4 und dem Teller 9b eines Stempels 9.eingespannt sind. Der Schaft des Stempels 9 ist durch zentrale kreisrunde Aussparungen der Tellerfedern 8 hindurchgeführt und in einer Bohrung der Deckplatte 4 mit Gleitsitz axial beweglich angeordnet.'Ein gasdichter Abschluß ist mittels eines angelöteten Membrandeckels 10 erzielbar. 'Zur Befestigung von Ansehlußleitungen befinden sich an der Grundplatte 3 und am Schaft des Stempels 9 mit Gewinde versehene Ansätze 3a bzw. 9a. In Fig. 2 sind Einze-i_he-«ten aus Fig. 1 in vergrößertem Malstab dargestellt. Danach können die Gleichrichterbauelemente 2 z.B. wie folgt aufgebaut sein: Ein scheibenförmiger, hochohmiger Siliziumeinkristall 11 vom p-Typ mit einem Durchmesser von 20 mm und einer Dicke von 0,3 mm, dessen oberer Teil zwecks Erhöhung der Überschlagspannung auf e_.nen kleineren Durchmesser von beispielsweise 14 mm abgesetzt ist, hat auf der Oberse_te eine Goldelektrode 11a, hergestellt durch Einlegieren einer Goldfolie mit einem Antimongehalt von ca. 0,5 Je:vic@@tsprozent, wodurch eine hochdotierte n-leitende Rekristallisationsschicht und ein pn-Übergang zwischen dieser und der schwach dotierten p-leitenden Mittelzone entstanden sind. Auf der Unterseite ist die Silizumscheibe mit einer einlegierten Aluminiumelektrode 11b und einer zugleich mit anlegierten Molybdän-Trägerplatte 12 von z.B. 0,5 mm Dicke versehen. Die oberen und die unteren Begrenzungsflächen der Gleichrichterbauelemente 2 sind eben geläppt. Zwischen je zwei Bauelementen 2 ist eine Silberfolie 13 eingefügt. Zwischen dem untersten Gleichrichterbauelement und einem Ansatz 3b der Grundplatte 3, dessen obere Auflagefläche versilbert sein kann und gleichfalls eben geläppt ist, befindet sich eine Silberfolie 14. Die Silberfolien 13 und 14-seien z.B. 0,03 mm dick. Zwischen dem obersten Gleichrichterbauelement und dem Stempelteller 9b ist eine Molybdänscheibe 15 von beispielsweise 0,3 mm Dickg angeordnet, die auf ihrer Unterseite mit. einer 0,01 mm dicken Silberauflage 15a versehen ist. Ihre Ober- und Unterseite sind eben geläppt.10 msee, peak value of the current of 3000 A and a peak value the reverse voltage of 2000 V, stacked on top of each other and from one Enclosed housing. The housing consists of a metal base plate 3, e.g. made of copper, such a cover plate 4 and a cylindrical, ceramic Middle part 5 .. The edges of the middle part are metallized on the outside and hard Connection rings 6 and 7 soldered to the base plate 3 and the cover plate 4, respectively firmly connected. The rectifier components are under the pressure of a stack of disc springs 8 between the cover plate 4 and the plate 9b of a stamp 9. are clamped. The shaft of the punch 9 is through central circular recesses the disc springs 8 passed through and in a bore of the cover plate 4 with a sliding fit axially movable. A gas-tight seal is soldered on by means of a Membrane cover 10 achievable. '' There are lugs provided with threads on the base plate 3 and on the shaft of the punch 9 3a and 9a, respectively. In FIG. 2, items from FIG. 1 are shown on an enlarged scale. Thereafter, the rectifier components 2 can be constructed as follows, for example: On disk-shaped, high-resistance silicon single crystal 11 of the p-type with a diameter of 20 mm and a thickness of 0.3 mm, the upper part of which to increase the flashover voltage is offset on e_.nen smaller diameter of, for example, 14 mm, has on the top a gold electrode 11a, produced by alloying a gold foil with an antimony content of approx. 0.5 each: vic @@ tsprozent, whereby one highly doped n-conducting recrystallization layer and a pn junction between it and the weakly doped p-conducting central zone. On the bottom is the silicon disk with an alloyed aluminum electrode 11b and one at the same time provided with alloyed molybdenum carrier plate 12, e.g. 0.5 mm thick. The top and the lower boundary surfaces of the rectifier components 2 are lapped flat. A silver foil 13 is inserted between every two components 2. Between the lowest rectifier component and an approach 3b of the base plate 3, whose upper bearing surface can be silver-plated and is also lapped flat a silver foil 14. The silver foils 13 and 14 are e.g. 0.03 mm thick. Between the top rectifier component and the ram plate 9b is a molybdenum disk 15 of 0.3 mm thick, for example, arranged on its underside with. one 0.01 mm thick silver plating 15a is provided. Their top and bottom are flat lapped.

Die Tellerfedern 8 werden vorteilhaft so stark gewählt, daß die Gleichrichterbauelemente mit einem Flächendruck von ca. 100 kg/cm 2 bis zu einigen hundert kg/cm 2 zusammengepreßt werden. Auf diese Weise werden zwischen den einzelnen Gleichrichterbauelementen 2 des Stempels sowie auch zwischen dem Stapel und dem Anschlußteilen 3 und 9 hochwertige Druckkontaktverbindungen erzielt, die sowohl den elektrischen Strom als auch-die Wärme gut leiten, ohne daß zu ihrer Herstellung ein Z®t- oder Schweißvorgang erforderlich war. Fig. 3 zeigt einen anderen Aufbau eines Hochleistungsgleichrichters, bei dem oberhalb jedes Gleichrichterbauelementes zur Verlängerung des äußeren Überschlagweges eine Molybdänscheibe 15 vorgesehen ist. Durch einen Temperprozeß mit einer Temperatur von ca. 250°C bei betriebsmäßigem Druck kann erreicht werden, daB die Kontaktflächen zwischen beiden, von denen nach der obigen Schilderung die eine überwiegend aus Gold und die andere aus Silber besteht, im Verlauf vq.u zwei bis drei Stunden durch Diffusion fest miteinander verwachsen, so daß eine unlösbare Dauerverbindung entsteht. Die Temperung kann beispielsweise vor dem Einbau des Stapels in das Gehäuse ausgeführt werden. Die Molybdänscheiben 15 vergrößern die Wärmekapazität des Stapels. Das Gehäuse hat einen zylindrischen Körper 16, z.B. aus Stahl, der an einem Ende mit Innengewinde versehen ist und am anderen Ende einen stirnseitigen Innenflansch 16a aufweist. In die Bohrung dieses Plansches ist ein Kupferstempel 17 eingesetzt, der mit einem elektrisch isolierenden Mantel 17a teilweise umkleidet ist. Die Innenwandung-des Gehäuses ist mit einem elektrisch isolierenden Futter 18 ausgekleidet, das von unten in den Gehäusekörper 16 eingeschoben wird und an seinem oberen Ende innen abgesetzt ist, derart, daß es sich mit dem Isoliermantel 17a überlappt. Die Stärke der Isolation (z.B. Polytetrafluoräthylen, Hartgummi o.dgl.) und die Breite der Überlappung richten sich nach der Anzahl der Halbleiterbauelemente bzw. nach der `Höhe der Spannung, mit der die Gleichrichter im Betrieb beansprucht werden. Das unterste Gleichrichterbauelement des Stapels ruht auf dem Teller eines zweiten Stempels 19, auf dessen Schaft ein Stapel von Tellerfedern 8 mit zentralen kreisrunden Ausnehmungen aufgereiht ist. Die Anzahl der Tellerfedern-richtet sich nach der Anzahl der Druckkontaktverbindungen bzw. der Gleichrichterbauelemente 2. Es empfiehlt sich, etwa ebenso viele Tellerfedern wie Gleichrichterbauelemente vorzusehen, mindestens jedoch drei. Der-Federstapel . ist zwischen zwei Stahlscheiben 21, 22 angeordnet. Das Gegenlager für den-Federstapel bildet ein stählerner Versehlußdeckel 20, der in das Innengewinde des Gehäusekörpers 16 mit einem dazu passenden Außengewinde eingeschraubt ist. Diese Schraubverbindung ermöglicht eine Einstellung des Federdruckes an dem fertigen Gleichrichter. Zum Verstellen des Gewindes ist die Außenfläche des Deckels mit mehreren Versenkungen versehen, in die ein passender Schraubenschlüssel eingesetzt werden kann. In einer Zentralbohrung des Verschlußdeckels 20 ist der Schaft des Druckstempels 19 mit Gleitsitz axial beweglich angeordnet.The plate springs 8 are advantageously chosen to be so strong that the rectifier components are pressed together with a surface pressure of approximately 100 kg / cm 2 up to a few hundred kg / cm 2. In this way, high quality pressure contact connections are achieved between the individual rectifier components 2 of the stamp as well as between the stack and the connecting parts 3 and 9, which conduct both the electrical current and the heat well without the need for a Z®t- or Welding process was required. 3 shows another construction of a high-performance rectifier, in which a molybdenum disk 15 is provided above each rectifier component to lengthen the external flashover path. By means of a tempering process at a temperature of approx. 250 ° C at normal operating pressure, it can be achieved that the contact surfaces between the two, of which, according to the description above, one predominantly consists of gold and the other of silver, in the course of vq.u two to three hours by diffusion firmly fused together, so that an indissoluble permanent connection is created. The tempering can be carried out, for example, before the stack is installed in the housing. The molybdenum disks 15 increase the heat capacity of the stack. The housing has a cylindrical body 16, for example made of steel, which is provided at one end with an internal thread and at the other end has an end-face internal flange 16a. A copper stamp 17, which is partially covered with an electrically insulating jacket 17a, is inserted into the bore of this plansches. The inner wall of the housing is lined with an electrically insulating lining 18 which is pushed into the housing body 16 from below and is offset on the inside at its upper end in such a way that it overlaps with the insulating jacket 17a. The strength of the insulation (e.g. polytetrafluoroethylene, hard rubber or the like) and the width of the overlap depend on the number of semiconductor components or the level of voltage with which the rectifiers are stressed during operation. The lowermost rectifier component of the stack rests on the plate of a second stamp 19, on the shaft of which a stack of plate springs 8 with central circular recesses is lined up. The number of disc springs depends on the number of pressure contact connections or rectifier components 2. It is advisable to provide about as many disc springs as rectifier components, but at least three. The-feather-stack. is arranged between two steel disks 21, 22. The counter-bearing for the spring stack forms a steel locking cover 20 which is screwed into the internal thread of the housing body 16 with a matching external thread. This screw connection enables the spring pressure to be set on the finished rectifier. To adjust the thread, the outer surface of the cover is provided with several countersinks into which a suitable wrench can be inserted. In a central bore of the closure cover 20, the shaft of the pressure ram 19 is arranged axially movably with a sliding fit.

Im Schaltschema der Fig. 4 bezeichnet S die Hauptunterbrechungsstelle eines Leistungsschalters für Hochspannung, der in einem Leitungszug 1-L1 liegt. Die Hauptunterbrechungsstelle S ist überbrückt durch einen Nebenstromzweig,.der die Reihenschaltung eines Hochleistungsgleichrichters G der oben beschriebenen Bauart und eines Hilfsunterbrechers H enthält. Der Hauptschalter S kann zwecks Unterbrechung eines den Leitungszug 1-L1 durchfließenden Strom während einer in Durchlaßriehtung des Gleichrichters G gerichteten Stromhalbwelle ohne nennenswerte Beanspruchung geöffnet werden. In der darauffolgenden Halbperiode kann auch durch den Nebenstromzweig kein Strom fließen, weil der Gleichrichter G in dieser Richtung sperrt. Infolgedessen kann in dieser Zeit der Hilfsunterbrecher H ohne nennenswerte Beanspruchung geöffnet werden. Will man eine gewisse Beanspruchung des Hauptsohalters beim Öffnen desselben zulassen und dafür die Beanspruchung des Gleichrichters G herabsetzen, so kann man zu diesem Zweck im Nebenstromzwefg einen Widerstand R in Reihenschaltung vorsehen. Schaltet man zur Hauptunterbrechungsstelle S einen zweiten Nebenstromzweig H1, G, und gegebenenfalls R, mit entgegengesetzter Durchlaßrichtung des_Gleichrichters G, parallel, so kann der Schalter S in einem beliebigen Zeitpunkt unter erleichterten Bedingungen geöffnet werden. Danach können die Hilfsschalter H und H, jeweils während der Sperrzeiten der mit ihnen in Reihe liegenden Gleichrichter G, G, geöffnet werden.In the circuit diagram of FIG. 4, S denotes the main interruption point a circuit breaker for high voltage, which is located in a cable 1-L1. The main interruption point S is bridged by a secondary branch the series connection of a high-performance rectifier G of the type described above and an auxiliary breaker H. The main switch S can for the purpose of interruption a current flowing through the line 1-L1 during one in the passage direction of the rectifier G directed current half-wave without significant stress be opened. In the following half-period, the secondary branch can also be used no current flow because the rectifier G blocks in this direction. Consequently During this time, the auxiliary interrupter H can be used without any significant stress opened will. If you want a certain amount of stress on the main so-holder when opening it allow and reduce the stress on the rectifier G, so you can for this purpose, provide a resistor R connected in series in the secondary branch. If you connect a second branch H1, G, to the main interruption point S, and optionally R, with the opposite direction of passage of the rectifier G, in parallel, the switch S can be relieved at any point in time Conditions to be opened. Then the auxiliary switches H and H can be used during the blocking times of the rectifiers G, G, lying in series with them, are opened.

Ein geeignetes Verriegelungs- und Steuersystem ist in Fig. 4 schematisch angedeutet. Danach sind, solange der Hauptschalter S geschlossen ist (Stellung b), die Hilfsschalter H und Hi in geschlossenem Zustand gesperrt, was durch ein unter Federdruck stehendes mechanisches Gest4nge B symbolisch veranschaulicht ist. Durch Öffnen des Hauptschalters S bis in die Stellung a werden die Hilfsschalter entsperrt, jedoch wird der Hilfsschalter des stromübernehmenden Nebenweges durch eine von diesem Strom erregte Haltespule weiterhin geschlossen gehalten, während der Hilfsschalter des anderen Nebenwege der gerade gesperrt ist, durch eine der Haltespule entgegenwirkende Kraft geöffnet wird, die in der Zeichnung nicht mit dargestellt ist. Beim Schließen des Hauptschalters S bleibe das Gestänge B zunächst in einer Raststellung stehen. Diese Möglichkeit ist in dem Schema durch ein Langloch angedeutet. Die Hilfsschalter H und H1 bleiben infolgedessen geöffnet, bis der Hauptschalter S wieder in seine Endstellung B gelangt. Erst dann wird das Gestänge B aus seiner Raststellung gelöst, so daß es unter der Wirkung des erwähnten Federzuges die Hilfsschalter H und Hi schließt und geschlossen hält.A suitable locking and control system is indicated schematically in FIG. Thereafter, as long as the main switch S is closed (position b), the auxiliary switches H and Hi are locked in the closed state, which is symbolically illustrated by a mechanical linkage B under spring pressure. The auxiliary switches are unlocked by opening the main switch S to position a, but the auxiliary switch of the current-taking bypass is kept closed by a holding coil excited by this current, while the auxiliary switch of the other bypass, which is currently blocked, is kept closed by a force counteracting the holding coil is opened, which is not shown in the drawing. When the main switch S is closed, the linkage B initially remains in a detent position. This possibility is indicated in the diagram by an elongated hole. As a result, the auxiliary switches H and H 1 remain open until the main switch S returns to its end position B. Only then is the linkage B released from its detent position so that it closes the auxiliary switches H and Hi under the action of the mentioned spring tension and keeps them closed.

Claims

Claims 1. High-performance rectifiers based on semiconductors for momentary load, characterized in that a spring pressure in a housing Standing stack of several high-blocking rectifier components connected in series with flat monocrystalline semiconductor bodies, the flat sides of which are completely or are predominantly covered by planar contact electrodes, arranged in such a way is that at most one of the rectifier components with a heat from the interior of the housing to the outside dissipating part of the housing is connected in a thermally conductive manner.

2. High power rectifier according to claim 1, characterized in that each Equivalent component has a molybdenum disk on both flat sides, and that the two molybdenum washers have different diameters.

3. The use a high-power rectifier according to claim 1 or 2 in one of the main interruption point of a high-voltage circuit breaker bridging bypass branch in which an auxiliary interrupter is connected in series with the rectifier.