DE102009026479B4 - Leistungshalbleitermodul mit verringerter Oszillationsneigung - Google Patents
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Abstract
Leistungshalbleitermodul, das aufweist: ein Zwischenkreiskondensator (CDC) zur Glättung einer gleichgerichteten Eingangs-Wechselspannung (VDC), zumindest ein Leistungshalbleiterbauelement (40), und zumindest einem Bandleiterpaar (101) mit einem ersten Bandleiter (101a) und einem zweiten Bandleiter (101b), das den Zwischenkreiskondensator (CDC) mit dem Leistungshalbleiterbauelement (40) verbindet, wobei der erste Bandleiter (101a) parallel zu dem zweiten Bandleiter (101b) liegt, die beiden Bandleiter (101a, 101b) durch eine dünne Isolationsschicht (102) getrennt sind und in entgegengesetzter Richtung Strom (iDC) führen, um die Streuinduktivität des Bandleiterpaars (101) zu reduzieren, gekennzeichnet durch ein transformatorisch an das Bandleiterpaar (101) gekoppeltes Dämpfungsglied (LD, RD), das zumindest eine Leiterschleife (LD) und einen in Serie zu der eine Leiterschleife (LD) geschalteten ohmschen Widerstand (RD) aufweist, wobei die Leiterschleife (LD) zumindest teilweise durch Öffnungen in dem ersten und/oder zweiten Bandleiter (101a, 101b) verläuft und derart angeordnet ist, dass sie von einem Magnetfeld durchsetzt wird, welches von einem Laststrom (iDC) durch das Bandleiterpaar (101) verursacht wird.
Description
- Die Erfindung betrifft das Gebiet der Leistungshalbleitermodule, insbesondere Stromrichtermodule (engl.: power converter).
- Leistungshalbleitermodule (engl.: power semiconductor modules) werden unter anderem dazu verwendet, hohe Ströme und hohe Spannungen zu schalten. Allerdings verursachen parasitäre Induktivitäten in den Modulen und in den Anschlüssen der Module Leistungsverluste und erzeugen durch das schnelle Schalten hoher Ströme oder hoher Spannungen unerwünschte Oszillationen, die dazu führen, dass störende elektromagnetische Strahlung abgestrahlt wird. Dadurch wird die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) des Moduls bzw. des Stromrichters erheblich verschlechtert. Ein Beispiel eines Leistungshalbleitermoduls zum Einsatz in Umrichterbaugruppen, das in üblicher Weise auf einem keramischen Trägersubstrat aufgebaut ist, ist beispielsweise aus der Druckschrift
DE 101 03 472 A1 bekannt. Der schaltungstechnische Aufbau eines Leistungshalbleitermoduls mit einem 3-Phasen-Pulswechselrichter ist beispielsweise in der DruckschriftEP 0 849 112 A1 beschrieben. - Eine Möglichkeit, Oszillationen zu verringern, besteht darin, durch konstruktive Maßnahmen die den Laststrom führenden Leiter (meist flache Bandleiter, auch ”Strip Lines”, Streifenleiter oder ”Bus Bars” genannt) geometrisch so anzuordnen, dass die (Streu-)Induktivität der Leiteranordnung möglichst gering ist. Ein Beispiel dafür ist das in der Druckschrift
US 2009/0085219 A1 DE 197 32 723 B4 ist es bekannt, in der Nähe der den Laststrom führenden Leiter ein Metallblech anzubringen, um die parasitäre Induktivität der Gleichstrom-Leistungsanschlüsse zu verringern. Dabei werden in dem Metallblech Wirbelströme induziert, welche das Magnetfeld der Gleichstrom-Leistungsanschlüsse reduzieren. Bei dem zuvor beschriebenen Beispiel der parallel angeordneten Bandleiter mit gegenläufig fließenden Strömen ist diese aus der DruckschriftDE 197 32 723 B4 bekannte Maßnahme jedoch wirkungslos, da die magnetische Feldstärke der sehr nah aneinander parallel angeordneten Bandleiter außerhalb des Bandleiterpaares zu gering ist, um nennenswerte Wirbelströme zu induzieren. Die PublikationEP 1 452 877 A1 betrifft die Kurzschlussdetektion in einer Umrichterschaltung, wobei im Bereich von zwei Verschienungsanschlüssen eine Messschleife zwischen zwei Verschienungssträngen angeordnet ist. Die PublikationUS 2008/0136399 A1 - Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Leistungshalbleiteranordnung bereitzustellen, bei der unerwünschte Oszillationen beim schnellen Schalten hoher Ströme oder hoher Spannungen vermieden oder zumindest auf ein unschädliches Maß reduziert werden.
- Diese Aufgabe wird durch ein Leistungshalbleitermodul gemäß Anspruch 1 gelöst. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
- Gemäß einem Beispiel der Erfindung umfasst ein Leistungshalbleitermodul Folgendes: einen Zwischenkreiskondensator zur Glättung einer gleichgerichteten Eingangs-Wechselspannung, zumindest ein Leistungshalbleiterbauelement, zumindest einen Bandleiter, der den Zwischenkreiskondensator mit dem Leistungshalbleiterbauelement verbindet, und ein Dämpfungsglied, das transformatorisch an den zumindest einen Bandleiter gekoppelt ist.
- Das Dämpfungsglied ist gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Leiterschleife mit zumindest einer Windung, wobei die Leiterschleife mit einem ohmschen Widerstand abgeschlossen ist.
- Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren näher erläutert:
-
1 zeigt anhand eines Schaltbildes die Struktur eines Stromrichters mit Gleichrichter, Zwischenkreiskondensator und Leistungshalbleiterschalter; -
2 zeigt anhand einer Schnittzeichnung einen Teil eines Leistungshalbleitermoduls, in dem die Schaltung gemäß1 aufgebaut ist; -
3 illustriert anhand eines Ersatzschaltbildes die für die Oszillationsneigung verantwortlichen Streuinduktivitäten in dem Leistungshalbleitermodul gemäß2 ; -
4 zeigt anhand einer Skizze die transformatorische Kopplung eines Dämpfungsgliedes an den Zwischenkreis des Stromrichters aus1 ; -
5 zeigt anhand einer Skizze eine alternative Anordnung des Dämpfungsgliedes in Schnittdarstellung (a) und Draufsicht (b); -
6 zeigt anhand einer einfachen Skizze die Wirkung der Ausführungsbeispiele aus den4 und5 ; -
7 zeigt anhand eines Schaltbildes ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem der Strom in dem Dämpfungsglied einem Integrator zugeführt ist, um einen Messwert für den Wechselstromanteil im Zwischenkreis zu erhalten, -
8 zeigt anhand eines Schaltbildes ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem der Strom in dem Dämpfungsglied verstärkt wird, um einen Messwert für die Laststromänderung im Zwischenkreis zu erhalten. - In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Komponenten mit gleicher Bedeutung.
-
1 zeigt beispielhaft einen elektrischen Aufbau eines Leistungshalbleitermoduls, im vorliegenden Fall eines Stromrichters. Das Modul wird durch eine Wechselstromversorgung10 versorgt. Im vorliegenden Fall ist eine Stromversorgung aus dem Dreiphasen-Drehstromnetz dargestellt, wobei die einzelnen Phasenleiter mit L1, L2, und L3 bezeichnet sind. Die drei Phasenleiter sind mit einer Dreiphasen-Gleichrichterbrücke20 verbunden, die die drei Phasenströme gleichrichtet und einen entsprechend gleichgerichteten Gleichstrom IDC zur Verfügung stellt. Der Ausgang des Gleichrichters ist mit einem Kondensator CDC verbunden, der die gleichgerichtete Wechselspannung glättet. Der Kondensator CDC wird üblicherweise als Zwischenkreiskondensator (engl.: DC link capacitor) und die gleichgerichtete und geglättete Spannung als Zwischenkreisspannung (engl.: DC link voltage) VCD = (V+ – V–) bezeichnet. - Diese Zwischenkreisspannung ist einem Leistungshalbleiterbauelement
40 , im vorliegendem Fall einer Dreiphasen-Halbbrücke (auch als ”6-Pack” bezeichnet) bestehend aus sechs IGBTs TU1, TU2, TV1, TV2, TW1 und TW2 zugeführt. Die Dreiphasenbrücke40 besteht aus drei parallelgeschalteten Transistor-Halbbrücken, deren Brückenausgänge die Ausgänge U, V und W der Dreiphasenbrücke bilden. Die Ausgänge U, V und W sind mit einer anzutreibenden Last60 , z. B. mit einem Synchronmotor, verbunden. Die der Last60 zugeführten Lastströme werden mit iU, iV und iW bezeichnet. - Die Transistoren TU1, TU2, TV1, TV2, TW1, und TW2 der Dreiphasenhalbbrücke
40 werden mit Hilfe einer Steuer- und Treiberschaltung50 entsprechend den Anforderungen der anzutreibenden Last angesteuert. Benötigt die Last nur eine Phase kann statt der Dreiphasenbrücke auch eine einfache Transistor-Halbbrücke verwendet werden. Die notwendigen Freilaufdioden für die Transistoren sind der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt. - Soll die Schaltung statt am Dreiphasen-Drehstromnetz an einer einphasigen Wechselstromversorgung betrieben werden, wird statt dem Dreiphasen-Gleichrichter ein Einphasen-Brückengleichrichter verwendet. Unabhängig von tatsächlichen elektrischen Aufbau des Leistungshalbleitermoduls weisen sämtliche Module einen Gleichstrom-Zwischenkreis (engl. DC link circuit) auf. Dieser befindet sich zwischen dem Gleichrichter
20 und dem Leistungsbauelement40 mit den Leistungsschaltern und umfasst im Wesentlichen den Zwischenkreiskondensator CDC und Verbindungsleitungen zwischen Gleichrichter20 und Leistungsbauelement40 . - Der Aufbau eines Ausschnittes eines beispielhaften Leistungshalbleitermoduls, in dem die Schaltung aus
1 angeordnet ist, ist schematisch in der2 dargestellt. Für die weitere Diskussion sind vor allem die Verbindungsleitungen101 des Zwischenkreises von Bedeutung. Ein Leistungshalbleitermodul gemäß2 umfasst ein metallisiertes Substrat100 , z. B. ein DCB-Substrat oder ein AMB-Substrat, im vorliegenden Fall ein Mehrlagensubstrat (engl. multilayer substrate). Auf dem Substrat sind z. B. die Leistungstransistoren, die Freilaufdioden, der Gleichrichter und der Zwischenkreiskondensator angeordnet. Der Übersichtlichkeit halber sind in2 nur die der ersten Phase U zugeordnete Transistorenhalbbrücke mit den IGBTs TU1 und TU2 und die dazugehörigen Verbindungsleitungen101a und101b dargestellt. - Die Versorgung der Halbbrücke TU1, TU2 erfolgt über die Bandleiter
101a und101b , die durch eine dünne Isolationsschicht102 getrennt sind, die jedoch der Zwischenkreisspannung VDC = (V+ – V–) standhalten können muss. Die Bandleiter101a und101b bilden ein Bandleiterpaar101 , wobei die einzelnen Bandleiter101a ,101b im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet sind, sodass die Ströme in den einzelnen Bandleitern101a ,101b antiparallel, d. h. entgegengesetzt fließen. Eine derartige Anordnung besitzt nur geringe Streuinduktivität und ist z. B. in der DruckschriftUS 2009/0085219 A1 - Die Streuinduktivitäten im Zwischenkreis sind für die Oszillationsneigung mitverantwortlich. Diese Streuinduktivitäten werden zwar durch eine Bandleiterstruktur (siehe Bandleiterpaar
101 in2 ) verringert, jedoch nicht vollständig eliminiert, sodass weiterhin Verbesserungsbedarf besteht. - Eine weitere Reduktion der Streuinduktivitäten ist durch konstruktive Maßnahmen, d. h. durch eine geeignete geometrische Anordnung der Leiter nicht oder nur sehr schwer zu erreichen, sodass eine andere Möglichkeit der Verbesserung darin besteht die trotz verminderten Streuinduktivitäten vorhandenen Oszillationen zu dämpfen. Ein elektrisches Ersatzschaltbild der vorhandenen Streuinduktivitäten LparDC bzw. LparBUS des Zwischenkreiskondensators und der Bandleiterstruktur
101 ist in der3 dargestellt. Es ist leicht zu erkennen, dass die Streuinduktivitäten LparDC und LparBUS zusammen mit dem Zwischenkreiskondensator CDC und der Streukapazität CparBUS der Bandleiterstruktur101 einen LC-Schwingkreis höherer Ordnung bilden, der letztendlich für störende Oszillationen im Zwischenkreis verantwortlich ist. Des Weiteren bildet der Transistor selbst mit der Streuinduktivität LparT der Bonddrähte und den parasitären Chipkapazitäten CChip und CparT einen weiteren Schwingkreis. -
4 ist eine schematische Skizze eines Beispiels einer erfindungsgemäßen Bedämpfung des parasitären Schwingkreises aus3 . Demnach ist ein Dämpfungsglied LD, RD derart in unmittelbarer Nähe zu zumindest einem der Bandleiter101a ,101b angeordnet, dass eine transformatorische Kopplung zwischen dem Dämpfungsglied LD, RD und dem Zwischenkreis gewährleistet ist. Das Dämpfungsglied LD, RD kann beispielsweise eine Leiterschleife LD mit einer oder mehreren Wicklungen sein, die über einen ohmschen Widerstand RD abgeschlossen ist. - Die Leiterschleife LD kann vollständig zwischen dem Bandleiterpaar
101 angeordnet sein und gleich breit sein wie die Bandleiter101a ,101b . Es können über die Breite des Bandleiters101a ,101b jedoch auch mehrere Wicklungen der Leiterschleife LD verteilt und seriell verschaltet sein um die transformatorische Kopplung im Vergleich zu dem Fall mit einer Windung noch zu erhöhen. Über die transformatorische Kopplung wirkt der ohmsche Widerstand zurück auf die Primärseite, also den Zwischenkreis, und dämpft so die in3 dargestellten LC-Schwingkreise. - Die Leiterschleife LD kann auch teilweise außerhalb oder auch vollständig neben der Bandleiterstruktur
101 angeordnet sein, was jedoch die Dämpfungswirkung verschlechtert, da in diesem Fall die transormatorische Kopplung zwischen Primärseite (Zwischenkreis) und Sekundärseite (Dämpfungsglied LD, RD) schlechter ist als im vorigen Fall, bei dem die Leiterschleife LD vollständig zwischen den Bandleitern101a und101b angeordnet ist. -
5 zeigt ein zu dem Beispiel aus4 alternatives Ausführungsbeispiel, bei dem die Leiterschleife durch beide Bandleiter101a ,101b durchgeführt ist. Die Leiterschleife liegt dabei im Wesentlichen parallel zu der Bandleiterstruktur101 , sodass der magnetische Fluss des durch den Bandleiter101a ,101b fließenden Laststromes IDC annähernd normal auf die Querschnittsfläche der Leiterschleife LD steht.5a stellt diesen Fall als Schnittzeichnung dar.5b ist die korrespondierende Draufsicht. - Die Wirkung der in den
4 und5 dargestellten Ausführungsbeispiele ist in6 illustriert. Die Dämpfungswirkung kann durch die in dem ohmschen Widerstand RD des Dämpfungsgliedes LD, RD umgesetzte Verlustleistung P gemessen werden. Diese Verlustleistung beträgtP = Vind 2/RD = –(N·μ·A)2/RD·(dH/dt)2, (1) 103 ) bezeichnet. Die Dämpfung kann also dadurch erhöht werden, dass die Windungszahl N oder die Querschnittsfläche A erhöht wird oder dass der Widerstand RD des Dämpfungsgliedes LD, RD verringert wird. Im Idealfall kann der Widerstand RD derart eingestellt werden, dass das Schwingungsverhalten dem aperiodischen Grenzfall entspricht, also gerade keine Schwingung mehr angeregt wird und dennoch dem System nicht unnötig Energie entzogen wird. - In den
7 und8 sind weitere Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung dargestellt, bei denen der Strom in der Leiterschleife LD einer Signalverarbeitung zugeführt wird, um aus der Information über die Spannung in der Leiterschleife LD Rückschlüsse über den zeitlich veränderbaren Teil des Stroms iDC (Wechselanteil) im Zwischenkreis ziehen zu können. - Das Beispiel aus
7 entspricht was die Dämpfungseigenschaften betrifft elektrisch und im mechanischen Aufbau im Wesentlichen dem Beispiel aus den4 bis6 . In der Leiterschleife LD wird aufgrund der transformatorischen Kopplung an den Zwischenkreis (d. h. an die Bandleiterstruktur101 ) eine Spannung uIND induziert. Die Leiterschleife LD ist elektrisch mit einem der Leiterschleife LD elektrisch parallelgeschalteten Widerstand RD abgeschlossen. Im vorliegenden Fall liegt ein Anschluss des Widerstandes nicht auf dem Massepotential, so wie ein korrespondierender Anschluss der Leiterschleife LD, sondern auf dem ”virtuellen Nullpunkt” (virtuelle Masse) einer Operationsverstärkerschaltung umfassend einen mit einem Kondensator CINT rückgekoppelten Operationsverstärker OA. Die Operationsverstärkerschaltung bildet im vorliegenden Fall (7 ) einen Integrator. - Das Beispiel aus
8 entspricht dem Beispiel aus7 mit dem einzigen Unterschied, dass im Rückkoppelzweig des Operationsverstärkers OA ein Widerstand R statt dem Kondensator CINT angeordnet ist. Im Fall des Beispiels aus8 wird so die Spannung im Dämpfungsglied LD, RD (d. h. die in der Leiterschleife LD induzierte Spannung) verstärkt und nicht, so wie bei dem Beispiel aus7 , integriert. - In beiden Fällen (Beispiel gemäß
7 und gemäß8 ) beträgt die induzierte Spannung in der LeiterschleifeuIND = M·diDC/dt, (2) 101a ,101b und Leiterschleife LD des Dämpfungsgliedes LD, RD) ist. Die im Dämpfungsglied LD, RD umgesetzte Leistung berechnet sich wie weiter oben erläutert nach Gleichung (1). Die Ausgangsspannung VOUT des Operationsverstärkers OA ist im Fall des Beispiels aus7 und im Fall des Beispiels aus8 VOUT = –(RV/RD)·M·diDC/dt ~ diDC/dt. (4) - Der rückgekoppelte Operationsverstärker (OA) kann allgemein als eine gegenüber dem Bandleiter
101a ,101b galvanisch getrennte, mit dem Dämpfungsglied LD, RD jedoch elektrisch verbundene Strommessvorrichtung gesehen werden, die dazu ausgebildet ist einen Messwert VOUT für den Wechselanteil iDC – iDC im Strom iDC im Bandleiter101a ,101b (vgl.7 ) oder für die Stromänderung diDC/dt im Bandleiter101a ,101b (vgl.8 ) zur Verfügung zu stellen. Das Symbol iDC bezeichnet dabei den Gleichanteil des Stroms iDC im Zwischenkreis. - Dieser Messwert VOUT kann der Steuereinheit
50 des Leistungshalbleitermoduls (siehe1 ) zugeführt sein. Um das Schaltverhalten der Transistoren TU1, TU2, TV1, TV2, TW1, TW2 gezielt zu beeinflussen, kann die Steuerung50 dazu ausgebildet sein, die Leistungstransistoren TU1, TU2, TV1, TV2, TW1, TW2 des Leistungshalbleitermoduls abhängig von dem oben genannten Messwert VOUT anzusteuern. Das heißt, der Gatestrom oder die Gatespannung des gerade angesteuerten Transistors wird von der Steuerung50 z. B. abhängig von dem Messwert VOUT für die Stromänderung diDC/dt im Zwischenkreis gewählt, um ein bestimmtes erwünschtes Ein- oder Ausschaltverhalten, d. h. eine bestimmte Form der Schaltflanken (edge-shaping) des jeweiligen Transistors zu erreichen.
Claims (8)
- Leistungshalbleitermodul, das aufweist: ein Zwischenkreiskondensator (CDC) zur Glättung einer gleichgerichteten Eingangs-Wechselspannung (VDC), zumindest ein Leistungshalbleiterbauelement (
40 ), und zumindest einem Bandleiterpaar (101 ) mit einem ersten Bandleiter (101a ) und einem zweiten Bandleiter (101b ), das den Zwischenkreiskondensator (CDC) mit dem Leistungshalbleiterbauelement (40 ) verbindet, wobei der erste Bandleiter (101a ) parallel zu dem zweiten Bandleiter (101b ) liegt, die beiden Bandleiter (101a ,101b ) durch eine dünne Isolationsschicht (102 ) getrennt sind und in entgegengesetzter Richtung Strom (iDC) führen, um die Streuinduktivität des Bandleiterpaars (101 ) zu reduzieren, gekennzeichnet durch ein transformatorisch an das Bandleiterpaar (101 ) gekoppeltes Dämpfungsglied (LD, RD), das zumindest eine Leiterschleife (LD) und einen in Serie zu der eine Leiterschleife (LD) geschalteten ohmschen Widerstand (RD) aufweist, wobei die Leiterschleife (LD) zumindest teilweise durch Öffnungen in dem ersten und/oder zweiten Bandleiter (101a ,101b ) verläuft und derart angeordnet ist, dass sie von einem Magnetfeld durchsetzt wird, welches von einem Laststrom (iDC) durch das Bandleiterpaar (101 ) verursacht wird. - Leistungshalbleitermodul gemäß Anspruch 1, bei dem die Leiterschleife (LD) vollständig zwischen den parallel liegenden Bandleitern (
101a ,101b ) des Bandleiterpaars (101 ) angeordnet ist. - Leistungshalbleitermodul gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem das Dämpfungsglied (LD, RD) so dimensioniert ist, dass eine Stromschwingung im Zwischenkreis annähernd dem aperiodischen Grenzfall entspricht.
- Leistungshalbleitermodul gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, das weiter eine gegenüber dem Bandleiter (
101a ;101b ) galvanisch getrennte und mit dem Dämpfungsglied (LD, RD) elektrisch verbundene Strommessvorrichtung (OA, CINT) umfasst, die dazu ausgebildet ist, einen Messwert (VOUT) für den Wechselstromanteil im Bandleiter (101a ;101b ) zur Verfügung zu stellen. - Leistungshalbleitermodul gemäß Anspruch 4, bei dem die Strommessvorrichtung (OA, CINT) einen Integrator umfasst, der dazu ausgebildet ist, die im Dämpfungsglied (LD, RD) induzierte Spannung zu integrieren.
- Leistungshalbleitermodul gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, das weiter eine gegenüber dem Bandleiter (
101a ;101b ) galvanisch getrennte und mit dem Dämpfungsglied (LD, RD) elektrisch verbundene Strommessvorrichtung (OA, RV) umfasst, die dazu ausgebildet ist, einen Messwert (VOUT) für die Stromänderung im Bandleiter (101a ;101b ) zur Verfügung zu stellen. - Leistungshalbleitermodul gemäß Anspruch 6, bei dem die Strommessvorrichtung (OA, RV) einen Verstärker umfasst, der dazu ausgebildet ist, ein zu der im Dämpfungsglied (LD, RD) induzierten Spannung proportionales Ausgangssignal (VOUT) zu erzeugen.
- Leistungshalbleitermodul gemäß einem der Ansprüche 4 bis 7, bei dem der von der Strommessvorrichtung (OA, RV) bereitgestellte Messwert (VOUT) einer Steuereinheit (
50 ) zugeführt ist, die dazu ausgebildet das zumindest eine Leistungshalbleiterbauelement (40 ) abhängig von dem Messwert (VOUT) anzusteuern.
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