Derartige Leistungselektronikbaugruppen sind z. B. in Form von Halbbrückenanordnungen zur Bildung von Wechselrichtern fur die unterschiedlichsten Anwendungsbereiche, z. B. zur Speisung von Drehfeldmaschinen, Permanentmagnetmotoren und dergl. im Einsatz (siehe z. B. DE-A-40 27 969).

Allerdings besteht hier das Problem, daß die Leistungsdichte, d. h. die abgegebene Leistung bezogen auf das Volumen der An- ordnung bei den herkömmlichen Anordnungen relativ gering ist.

Außerdem ist das Gewicht der herkömmlichen Anordnungen rela- tiv hoch.

Aus der US-PS 5,132,896 ist eine Wechselrichteranordnung be- kannt, die zur Verringerung der Wirkung verteilter Indukti- vitäten der Leiter, die zum Verbinden der Kondensatoren und der Halbleiterschalter verwendet werden, plattenförmige Zu- leitungen mit großer Fläche aufweist. Dadurch werden große Dämpfungskondensatoren zur Kompensation der Leitungsinduk- tivitäten vermieden. Außerdem kann durch die großflächige Ge- staltung der plattenförmigen Zuleitungen die Wärmeabstrahlung verbessert werden. Des weiteren sind die plattenförmigen Zu- leitungen so gestaltet, daß die Größe und die Richtung des Stromflusses durch die plattenförmigen Zuleitungen die Wir- kung der verteilten Induktivitäten minimieren.

Allerdings dienen bei dieser Wechselrichteranordnung die größflächigen Zuleitungen lediglich der Minderung von Stör- induktivitäten und sind als Zuleitungen zu großen Elektrolyt- kondensatoren eingesetzt.

Aus der EP 586 793 Bl ist eine Halbbrückenanordnung bekannt, die demgegenüber eine erheblich verbesserte Leistungsdichte hat. Dabei ist der eingangs beschriebene Halbleiterschalter in einer Halbbrückenanordnung angeordnet, die dahingehend weitergebildet ist, daß die Kondensatoranordnung durch wenig- stens einen Flächenkondensator an einer mehrere derartiger Halbleiterschalter tragenden Platine und/oder durch wenig- stens einen als Hohlwickel geformten Wickelkondensator gebil- det ist, wobei die Halbleiterschalter in dem als Hohlwickel gebildeten Wickelkondensator angeordnet sind und eine Fluid- kühlung in dem Hohlwickel vorgesehen ist. Auf den Inhalt die- ser Druckschrift wird hiermit ausdrücklich Bezug genommen.

Ausgehend hiervon betrifft die Erfindung Weiterentwicklungen dieser bekannten Anordnung, die dazu dienen die Leistungs- dichte weiter zu steigern, die Anwendungsbereiche dieser An- ordnung zu vergrößern und die Herstellung und den Betrieb dieser Anordnung kostengünstiger, einfach und sicherer zu ma- chen.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist der Halbleiterschalter in einem druckfesten Behälter angeordnet, der teilweise mit einer Inertflüssigkeit gefüllt ist, um im Betrieb eine Fluid- kühlung des Halbleiterschalters zu bewirken, ist das Innere des Behälters mit einem Kühlkreislauf gekoppelt, wobei wenig- stens eine Dampfleitung von dem Behälter zu einem Kühler führt, und wenigstens eine Flüssigkeitsleitung von dem Kühler zu dem Behälter führt, wobei die Flüssigkeitsleitung zumin- dest abschnittsweise im Innern der Dampfleitung angeordnet ist und von einer Anschlußstelle an den Behälter in das Inne-

re des Behälters so weit verlängert ist, daß ihr freies Ende unterhalb des Füssigkeitsspiegels der Kühlflüssigkeit mündet.

Damit ist der druckfeste Behälter für die Verbindungen mit dem Kühlkreislauf nur einmal mit einem Durchbruch oder einer Öffnung zu versehen. Außerdem ist der Platzbedarf für die Leitungen zu/von dem Kühler verringert.

Bevorzugt ist die Anordnung derart weitergebildet, daß die Dampfleitung kühlerseitig an einem Verteilerraum mündet, und die Flüssigkeitsleitung kühlerseitig an einem Sammelraum mün- det, wobei zwischen dem Verteilerraum und dem Kühlerraum we- nigstens eine Kühlleitung angeordnet ist, an deren Innenwand Dampf aus der Dampfleitung kondensiert und als Flüssigkeit in den Sammelraum fließt.

Die Kühlleitungen können auch zwangsgekühlt sein. Dazu kann beim Einsatz der erfindungsgemäßen Anordnung in einem Kraft- fahrzeug der Fahrtwind und/oder ein Gebläse dienen. Alterna- tiv dazu kann auch eine Flüssigkeitskühlung als Wärmesenke für die Kühlleitungen dienen.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist an dem Verteilerraum über eine Drosselstelle ein Ausgleichsbehälter angeschlossen.

Gemäß der Erfindung ist der Halbleiterschalter in einem druckfesten, im wesentlichen zylindrischen Behälter angeord- net, der teilweise mit einer Inertflüssigkeit gefüllt ist, um im Betrieb eine Fluidkühlung des Halbleiterschalters zu be- wirken ; weist der zylindrische Behälter einen seine Wandung schneidenden Flansch auf, der zur Aufnahme eines Anschlusses eines Kühlers eingerichtet ist, wobei der Anschluß mit dem Flansch durch Verschraubungen verbunden ist, und sind an den Verschraubungen jeweils Federelemente vorgesehen, die den An- schluß federnd gegen den Flansch vorspannen.

Da der Druck im Innern des Behälters im Betrieb der Anordnung ansteigt, wenn die Verlustwärme der Halbleiterschalter die Inertflüssigkeit zum Sieden bringt, muß durch geeignete Maß- nahmen eine Sicherung gegen Bersten des Behälters bereitge- stellt werden. Üblicherweise eingesetzte Berstscheiben sind sehr teuer und benötigen Einzeltypprüfungen.

Die Erfindung stellt damit eine Anordnung bereit, die sehr einfach montierbar ist. Da der Anschluß für den Kühler nicht an den Behälter angeschweißt werden muß, sondern montiert werden kann, fallen aufwendige Schweißarbeiten weg. Falls die Anordnung bisher aus Aluminium hergestellt wurde, fällt auch die teure und praktisch kaum durchführbare Aluminium- Schweißnahtprüfung weg. Außerdem können die einzelnen Kompo- nenten vor ihrer Montage geprüft werden. Weiterhin ist eine Oberflächenbehandlung der einzelnen Komponenten einfacher möglich. Ein weiterer Vorteil ist der im Vergleich zu Berst- scheiben wesentlich größere Öffnungsquerschnitt im Fall eines Überdrucks, da praktisch der gesamte Anschluß von dem Flansch abhebt. Außerdem verschließt die Federkraft der Federanord- nung den Behälter wieder, sobald der Druck im Innern des Be- hälters unter den vorbestimmten Wert fällt.

Vorzugsweise sind die Federelemente durch wenigstens eine Tellerfeder oder ein Tellerfederpaket gebildet. Diese Federn sind sehr preiswert und ihre Kraft/Wegkennlinie ist sehr prä- zise einstellbar.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die Verschraubun- gen durch Schraubenbolzen gebildet, die im Schaftbereich durch die Federelemente umgeben sind.

Erfindungsgemäß sind die Federelemente so dimensioniert und durch Einschrauben der Verschraubungen so vorgespannt, daß bei einem vorbestimmten Fluiddruck im Innern des Behälters der Anschluß von dem Flansch freikommt.

Bevorzugt ist zwischen dem Flansch und dem Anschluß ein Dich- telement angeordnet.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist der Halblei- terschalter in einem druckfesten Behälter angeordnet, der teilweise mit einer Inertflüssigkeit gefüllt ist, um im Be- trieb eine Fluidkühlung des Halbleiterschalters zu bewirken ; ist das Innere des Behälters mit einem Kühlkreislauf gekop- pelt, wobei ein Auslaß zur Atmosphäre hin in dem Kühlkreis- lauf vorgesehen ist, der durch eine Filteranordnung ver- schlossen ist, die für Luft durchlässig und für Dampf aus der Inertflüssigkeit undurchlässig ist.

Durch diese Anordnung ist es möglich, die Befüllung der An- ordnung mit Inertflüssigkeit einfach durchzuführen : Bei die- sem Vorgang in den Behälter miteingeschlossene Luft, die im Betrieb die Funktion eines K (ondensationsk) ühlers beeinträch- tigen könnte, wird während des Betriebes durch die Filteran- ordnung hindurch aus dem Behälter getrieben.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Filteranordnung durch ein Molekularfilter, vorzugsweise durch eine Kunst- stoff-Folie gebildet.

Außerdem ist auf der dem Innern des Behälters zugewandten Seite und/oder der dem Innern des Behälters abgewandten Seite der Filteranordnung ein Stabilisator angeordnet.

Zusätzlich kann auf der dem Innern des Behälters abgewandten Seite der Filteranordnung eine Ventilanordnung angeordnet sein.

Damit können Ansteuerleitungen kürzer und somit weniger störanfällig gestaltet werden. Außerdem ist die ohnehin durch den Behälter gewährleistete HF-Abschirmung sowohl hinsicht- lich Immissionen als auch Emissionen auch für die Ansteuer- schaltung mit der Rechnereinheit nutzbar.

Weiterhin können genormte Signale für die Sollwertvorgaben (z. B. CAN-BUS) eingesetzt werden um die Anordnung anzusteu- ern.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist der Halbleiter- schalter in einem druckfesten Behälter angeordnet, der teil- weise mit einer Inertflüssigkeit gefüllt ist, um im Betrieb eine Fluidkühlung der Halbleiterschalter zu bewirken ; weist daß der Halbleiterschalter keine Ummantelung aus Kunststoff oder Keramik auf und ist vollständig in der Inertflüssigkeit eingetaucht.

Dies ermöglicht eine erheblich höhere Leistungsdichte und da- mit eine kompaktere und damit preiswertere Bauweise der Ge- samtanordnung. In der Inertflüssigkeit sind die Halbleiter im Innern des Behälters hervorragend gekühlt und gegen die Umge- bungsatmosphäre geschützt.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist der Halbleiter- schalter in einem druckfesten Behälter angeordnet, der teil- weise mit einer Inertflüssigkeit gefüllt ist, um im Betrieb eine Fluidkühlung des Halbleiterschalters zu bewirken ; und sind Leistungssignale führende oder stromversorgende Leitun- gen im Innern des Behälters so verlegt, daß sie im wesent- lichen vollständig in der Inertflüssigkeit eingetaucht sind.

Dies ermöglicht ebenfalls eine erheblich höhere Leistungs- dichte und damit eine kompaktere und damit preiswertere Bau- weise der Gesamtanordnung. Wegen der Inertflüssigkeit sind die Leitungen im Innern des Behälters hervorragend gekühlt und gegen die Umgebungsatmosphäre geschützt. Außerdem iso- liert die Inertflüssigkeit die Leitungen gegeneinander. Ge- genüber herkömmlichen Anordnungen können die Leitungen erheb- lich mit erheblich dünneren Querschnitten dimensioniert wer- den. z. B. ist eine Verringerung des Querschnitts in der Weise möglich, so daß Leitungen mit bis zum 200 Ampere/mm2 Dauerbe-

lastung betrieben werden können, während bei einem Dauerbe- trieb dieser Leitungen in Luftatmosphäre nur eine Stromdichte von 15 Ampere/mm2 möglich wäre.

Weitere Eigenschaften, Merkmale und alternative Ausgestaltun- gen der Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert, in denen derzeit bevorzugte Ausfüh- rungsformen des Erfindungsgegenstandes veranschaulicht sind.

Fig. 1 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung eines ersten Aspektes der Erfindung.

Fig. 2 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung eines zweiten Aspektes der Erfindung.

Fig. 3 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung eines dritten Aspektes der Erfindung.

Die erfindungswesentlichen Aspekte sind beispielhaft in einer Halbbrückenanordnung verwirklicht, wobei als ein mögliches Anwendungsbeispiel für eine solche Halbbrückenanordnung ein einphasiger Wechselrichter dienen kann, der mit zwei identi- schen Halbbrückenanordnungen aufgebaut ist. Lediglich zur Er- läuterung wird daher nachstehend der prinzipielle Aufbau ei- ner solchen Anordnung erläutert.

Die Halbbrückenanordnung weist parallel geschaltete Paare MOSFETs auf, die als Halbleiterschalter wirken. Jeweils zwei der MOSFETs sind in Serie geschaltet, so daß jeweils der er- ste MOSFET jedes Paares mit seinem Source-Anschluß auf einem hohen Spannungspotential VSS liegt, und jeder zweite MOSFET jedes Paares mit seinem Drain-Anschluß auf einem niedrigen Spannungspotential VDD liegt. Dabei ist zur Bildung eines Ausgangsanschlusses der Drain-Anschluß jedes der ersten MOS- FETs mit dem Source-Anschluß jedes der zweiten MOSFETs ver- bunden. Jeweils eine Ansteuereinrichtung für die Gruppe der ersten MOSFETs bzw. der Gruppe der zweiten MOSFETs ist mit

den parallel geschalteten Steuereingängen jeder Gruppe der ersten und zweiten N-Kanal MOSFETs verbunden.

Zwischen dem hohen und dem niedrigen Spannungspotential VSS und Vpp ist ein Kondensator angeordnet, der als Stützkon- densator wirkt. Die Kondensatoranordnung ist zum einen durch einen Flächenkondensator an einer die MOSFETs tragenden Pla- tine gebildet. Zum anderen ist die Kondensatoranordnung durch einen als Hohlwickel geformten Wickelkondensator gebildet.

Der Hohlwickel ist im wesentlichen zylinderförmig gestaltet und besteht aus mehreren Lagen von Kupferschichten und je- weils einer Isolierschicht. Im Innern des als Hohlwickel aus- gebildeten Wickelkondensators sind mehrere Platinen mit ein- zelnen Halbleiteranordnungen übereinandergeschichtet. Der Hohlwickel ist an einem Ende fluiddicht mit einer konvexen Abdeckkappe verschlossen, während er sich am anderen Ende flaschenförmig verjüngt, um in einem Ansatzstutzen auszulau- fen, an dem die Anschlüsse für die Versorgungsspannungen, die Ausgangsleitungen, und die Steuerleitungen nach außen treten.

Der Hohlwickel bildet einen Behälter 10, der bis etwa 15 bar druckfest ausgebildet ist. Das Innere des Hohlwickels ist mit einem flüssigen Fluorkohlenwasserstoff gefüllt, wobei die Flüssigkeit die Halbleiterschalter 12 bedeckt. Dabei ist ein freier Raum zwischen dem Flüssigkeitsspiegel 14 (siehe z. B.

Fig. 3) und der Innenwand des Behälters 10, so daß eine gas- förmige Phase des Fluorkohlenwasserstoffs aus der flüssigen Phase austreten kann. Der Gasdruck in dem Hohlwickel ist ent- sprechend der Gasdruckkurve des Fluorkohlenwasserstoffs zwi- schen 50 mbar und 3 bar so eingestellt, daß bereits bei ge- ringfügiger Erwärmung der MOSFETs im Betrieb die flüssige Phase der Fluorkohlenwasserstoffs zu sieden beginnt. So ist erreichbar, daß die Temperaturdifferenz zwischen den Halblei- terschaltern und der den Hohlwickel umgebenden Atmosphäre le- diglich etwa 10°C beträgt.

Die Gasphase der Inertflüssigkeit wird von außen durch eine an den Behälter angeschlossene Konvektionskühlung oder durch Gebläsekühlung gekühlt (siehe z. B. Fig. 1). Dabei kondensiert die Gasphase des Fluorkohlenwasserstoffs an der von außen ge- kühlten Innenwand der Kühlleitungen und wird in flüssiger Form über eine Flüssigkeitsleitung wieder dem flüssigen Flu- orkohlenwasserstoff im Innern des Behälters zugeführt, der die MOSFETs umgibt.

In Fig. 1 ist der mit Inertflüssigkeit gefüllte Behälter 10 gezeigt, dessen Inneres mit einem Kühlkreislauf gekoppelt ist. Dabei führt eine Dampfleitung 40 von dem Behälter 10 zu einem Kühler 42, und eine Flüssigkeitsleitung 44 von dem Küh- ler 42 zu dem Behälter 10. Die Flüssigkeitsleitung 44 ist ab- schnittsweise im Innern der Dampfleitung 40 angeordnet und von einer Anschlußstelle 46 an den Behälter 10 in das Innere des Behälters 10 so weit verlängert, daß ihr freies Ende un- terhalb des Füssigkeitsspiegels der Inertflüssigkeit mündet.

Die Dampfleitung 40 mündet kühlerseitig an einem Verteiler- raum 50 und die Flüssigkeitsleitung mündet kühlerseitig an einem Sammelraum. Alternativ dazu kann die Dampfleitung 40 auch am Sammelraum 52 münden. In diesem Fall steigt der Dampf in den Kühlleitungen 50 nach oben und die Flüssigkeit in den Kühlleitungen 50 nach unten. Zwischen dem Verteilerraum 50 und dem Sammelraum 52 sind mehrere parallel verlaufenden Kühlleitungen 56 angeordnet, an deren Innenwand Dampf aus der Dampfleitung 40 kondensiert und als Flüssigkeit in den Sam- melraum 52 und von dort in den Behälter 10 fließt.

An dem Verteilerraum 50 ist über eine Drosselstelle 60 ein Ausgleichsbehälter 62 angeschlossen.

Wie in Fig. 2 veranschaulicht, hat der zylindrische Behälter 10 einen seine Wandung längs der Mantelfläche schneidenden, in der Draufsicht rechteckigen Flansch 70, der zur Aufnahme eines entsprechend gestalteten und bemessenen Anschlusses 72 eines Kühlers (wie z. B. in Fig. 1 gezeigt) eingerichtet ist.

Der Anschluß 72 ist mit dem Flansch 70 durch Verschraubungen 74 verbunden. Dabei sind an den Verschraubungen 74 jeweils Federelemente 76 vorgesehen, die den Anschluß 72 federnd ge- gen den Flansch 70 vorspannen. Die Federelemente 76 sind durch ein Tellerfederpaket gebildet.

Die Verschraubungen 74 sind durch Schraubenbolzen gebildet, die im Schaftbereich der Bolzen durch die Federelemente 76 umgeben sind. Die Federelemente 76 sind so dimensioniert und durch Einschrauben der Verschraubungen vorgespannt, daß bei einem vorbestimmten Fluiddruck im Innern des Behälters 10 der Anschluß 72 von dem Flansch 70 freikommt. Schließlich ist zwischen dem Flansch 70 und dem Anschluß 72 ein Dichtelement 78 angeordnet ist.

In Fig. 3 ist veranschaulicht, wie das Innere des Behälters 10 mit einem Kühlkreislauf gekoppelt ist, wobei ein Auslaß 80 zur Atmosphäre hin in dem Kühlkreislauf vorgesehen ist, der durch eine Filteranordnung 82 verschlossen ist, die für Luft durchlässig und für Dampf aus der Inertflüssigkeit undurch- lässig ist. Die Filteranordnung 82 ist durch ein Molekular- filter aus Kunststoff-Folie gebildet. Zur mechanischen Entla- stung des Molekularfilters sind auf der dem Innern des Behäl- ters 10 zugewandten Seite und der dem Innern des Behälters 10 abgewandten Seite der Filteranordnung 82 jeweils ein Stabili- sator 84,86 in Form einer Luftdurchlässigen Keramikplatte oder dergl. angeordnet.

Zusätzlich ist auf der dem Innern des Behälters 10 abgewand- ten Seite der Filteranordnung 82 eine Ventilanordnung beste- hend aus einem Ventilglied 88, einem Ventilsitz 90 und einer das Ventilglied 88 gegen den Ventilsitz 90 pressenden Feder- anordnung 92 angeordnet. Die Federanordnung 92 ist so dimen- sioniert, daß sie bei Überdruck im Innern des Behälters 10 öffnet.

Im Betriebszustand der Anordnung ist der Molekularfilter 82 oberhalb des Stabilisators 84 positioniert.