DE102019114040A1 - Dreistufiges Leistungsmodul - Google Patents

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Michael Tønnes
Ole Mühlfeld
Tim Rettmann
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Abstract

Es ist ein Leistungsmodul (2) mit einem Formgehäuse (4) und drei Leistungsanschlüssen (6, 8, 10), die von einer ersten Seite (40) des Formgehäuses (4) vorstehen, beschrieben. Die Leistungsanschlüsse (6, 8, 10) umfassen einen positiven Gleichstromanschluss (6), einen neutralen Anschluss (8) und einen negativen Anschluss (10). Das Leistungsmodul (2) umfasst eine Phasenausgangs-Netzklemme (12), die von einer zweiten Seite (42) des Formgehäuses (4) vorsteht. Das Leistungsmodul (2) ist ein dreistufiges Leistungsmodul mit einer Vielzahl von Steuerpins (14, 16, 18, 20, 22, 24, 26, 28, 30, 32, 34, 36) die von der zweiten Seite (42) des Formgehäuses (4) hervorstehen.

Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Leistungsmodul für Inverter. Die Erfindung betrifft ein Leistungsmodul, das sowohl in selbstbeweglichen Antriebsinvertern für Kraftfahrzeuge (z.B. für mobile Leistungsfunktionen) als auch in Anwendungen, bei denen Größenbeschränkungen von Bedeutung sind (z.B. Kompressoren), anwendbar ist.
  • Stand der Technik
  • Leistungsmodule werden in verschiedenen Anwendungen eingesetzt. Beim Einsatz in Invertern basieren die Leistungsmodule jedoch typischerweise auf Zweistufensystemen, bei denen die Gleichspannung zwischen zwei Versorgungen zur Bildung von einem Wechselstrom-Ausgang (oder umgekehrt) geschaltet wird. Leistungsmodule nach dem Stand der Technik enthalten Halbbrückentopologien, bei denen ein Phasenschenkel durch zwei Transistoren und zwei Dioden gebildet ist. In Kfz-Antriebsinvertern (z.B. für mobile Leistungsfunktionen) sowie in Anwendungen, bei denen Größenbeschränkungen eine Rolle spielen (z.B. Kompressoren), ermöglichen dreistufige Topologien, bei denen drei Gleichstromversorgungen verwendet werden, eine bessere Leistung bei hohen Ausgangsfrequenzen, eine bessere Sinusform und ein verbessertes EMI-Verhalten im Vergleich zu zweistufigen Halbbrücken. Solche Topologien unterstützen die Verwendung von Motoren mit hohen Drehzahlen sowie die Konstruktion von kompakten Hochleistungsantrieben.
  • Um die Schaltgeschwindigkeit zu erhöhen und dadurch sinusförmige Wellenformen zu optimieren und Verluste zu reduzieren, werden zunehmend kostengünstige Hochleistungsschaltelemente auf der Basis von Siliziumkarbid (SiC) eingesetzt.
  • Es wäre jedoch vorteilhaft, eine alternative Möglichkeit zur Bereitstellung eines Leistungsmoduls zu haben, bei dem die Form des Sinusausgangs weniger Filterung erfordert als bei den Leistungsmodulen nach dem Stand der Technik und bei dem der Gesamtwirkungsgrad erhöht werden kann.
  • Dementsprechend ist es Gegenstand der Erfindung, eine Alternative zu den Leistungsmodulen nach dem Stand der Technik für Inverter bereitzustellen. Es ist ebenfalls Gegenstand der Erfindung, ein Leistungsmodul anzugeben, das sowohl in Antriebsinvertern für Kraftfahrzeuge (z.B. für mobile Leistungsfunktionen) als auch in Anwendungen einsetzbar ist, bei denen Größenbeschränkungen von Bedeutung sind (z.B. Kompressoren).
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Der Zweck der vorliegenden Erfindung kann durch das in Anspruch 1 angegebene Leistungsmodul erreicht werden. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen definiert, in der folgenden Beschreibung erläutert und in den beigefügten Zeichnungen illustriert.
  • Das erfindungsgemäße Leistungsmodul ist ein Leistungsmodul, das Folgendes enthält: - ein Formgehäuse;
    • - drei Leistungsanschlüsse, die aus einer ersten Seite des Formgehäuses herausragen, wobei diese Leistungsanschlüsse einen positiven Gleichstromanschluss, einen neutralen Anschluss und einen negativen Anschluss umfassen;
    • - einen Phasenausgangs-Leistungsanschluss, der aus einer zweiten Seite des Formgehäuses herausragt,
    wobei das Leistungsmodul ein dreistufiges Leistungsmodul ist, das eine Vielzahl von Steuerpins aufweist, die aus der zweiten Seite des Formgehäuses herausragen.
  • Hierdurch ist es möglich, eine Alternative zu den auf einer zweistufigen Topologie basierenden Invertern nach dem Stand der Technik bereitzustellen. Ein solches Leistungsmodul wäre bei Antriebsinvertern für Kraftfahrzeuge vorteilhaft (z.B. für mobile Leistungsfunktionen) sowie Anwendungen, bei denen Größenbeschränkungen von Bedeutung sind (z.B. Kompressoren) und Solarinverteranwendungen. Die Anwendung eines dreistufigen Leistungsmoduls als Alternative zu einem zweistufigen Leistungsmodul führt zu kleineren harmonischen Schwingungen.
  • In einer Ausführung ist die zweite Seite des Formgehäuses am entgegengesetzten Ende des Leistungsmoduls von der ersten Seite positioniert.
  • In einer Ausführungsform sind die drei aus der ersten Seite des Formgehäuses herausragenden Leistungsanschlüsse so angeordnet, dass die äußeren Anschlüsse den positiven Gleichstromanschluss bzw. den negativen Gleichstromanschluss bilden und dass der innere Anschluss (zwischen den äußeren Anschlüssen angeordnet) einen neutralen Anschluss bildet.
  • Es kann von Vorteil sein, dass das Leistungsmodul eine NPC-1-Topologie (Neutral Point Clamped) aufweist. In einer Ausführung umfasst das Leistungsmodul Chopper- oder Diodenbrückenmodule, um die Kosten zu reduzieren.
  • In einer anderen Ausführungsform umfasst das Leistungsmodul eine NPC-2-Topologie.
  • In einer weiteren Ausführungsform umfasst das Leistungsmodul eine ANPC-Topologie (Active Neutral-Point-Clamped).
  • Es kann von Vorteil sein, dass das Leistungsmodul mindestens einen Metallisierungsbereich (z.B. aus Kupfer) aufweist, auf dem ein oder mehrere Halbleiterschalter angeordnet sind, wobei mindestens zwei der Halbleiterschalter eine Halbbrückenschaltung bilden.
  • In einer bevorzugten Ausführung umfasst das Leistungsmodul eine Vielzahl von voneinander beabstandeten Metallisierungsbereichen, wobei ein oder mehrere Halbleiterschalter auf mindestens einigen der Metallisierungsbereiche angeordnet sind. Hierdurch ist es möglich, ein kostengünstiges Leistungsmodul bereitzustellen.
  • Es versteht sich, dass die Metallisierungsbereiche innerhalb des Leistungsmoduls elektrisch miteinander verbunden sein können, z.B. über Drahtverbindungen. Darüber hinaus können elektrische Komponenten, die auf den Metallisierungsbereichen angeordnet sind, mit einem oder mehreren Steuerpins durch elektrische Verbinder wie z.B. Drahtverbindungen verbunden sein.
  • In einer Ausführungsform sind die Metallisierungsbereiche als längliche, parallel zueinander verlaufende Strukturen ausgebildet.
  • Es kann von Vorteil sein, die Metallisierungsbereiche in fünf Reihen anzuordnen. Hierdurch ist es möglich, eine Reihe von elektronischen Komponenten (z.B. Schaltelemente), die auf einem Metallisierungsbereich vorgesehen sind, mit einem angrenzenden Metallisierungsbereich zu verbinden, indem eine Reihe von kurzen elektrischen Verbindern wie z.B. Drahtverbindungen verwendet wird.
  • In einer Ausführung umfasst die zentrale (mittlere) Reihe des Metallisierungsbereichs zwei voneinander getrennte Metallisierungsbereiche.
  • Es kann vorteilhaft sein, dass die Halbleiter mit den äußersten vier Reihen der Metallisierungsbereiche verbunden werden.
  • In einer Ausführung sind an den Reihen der Metallisierungsbereiche außer den äußersten vier Reihen keine Halbleiter angeordnet.
  • Es kann vorteilhaft sein, dass der Phasenausgangs-Leistungsanschluss elektrisch mit einem ersten Metallisierungsbereich verbunden ist und dass der Nullleiteranschluss elektrisch mit einem zweiten Metallisierungsbereich verbunden ist, wobei ein zusätzlicher Metallisierungsbereich zwischen dem ersten Metallisierungsbereich und dem zweiten Metallisierungsbereich angeordnet und von diesen beabstandet ist.
  • In einer Ausführung sind auf dem ersten Metallisierungsbereich und auf dem zusätzlichen Metallisierungsbereich ein oder mehrere Halbleiterschalter angeordnet, wobei auf dem zweiten Metallisierungsbereich keine Halbleiterschalter angeordnet sind.
  • In einer Ausführungsform sind ein oder mehrere Halbleiterschalter auf einem weiteren Metallisierungsbereich angeordnet, der elektrisch mit dem positiven Gleichstromanschluss verbunden ist.
  • Es kann vorteilhaft sein, dass noch ein weiterer Metallisierungsbereich elektrisch mit dem negativen Gleichstromanschluss verbunden ist, wobei auf diesem Metallisierungsbereich keine Halbleiterschalter angeordnet sind.
  • In einer Ausführungsform sind die Metallisierungsbereiche mindestens einer Teilmenge der Metallisierungsbereiche im Wesentlichen spiegelsymmetrisch hinsichtlich einer Symmetrieachse angeordnet.
  • In einer Ausführungsform sind alle Metallisierungsbereiche im Wesentlichen spiegelsymmetrisch hinsichtlich einer Symmetrieachse angeordnet.
  • Es kann von Vorteil sein, dass eine Anzahl von Steuerpins aus dem Formgehäuse so herausragt, dass sich die Steuerpins entlang derselben Ebene erstrecken.
  • In einer Ausführungsform ragen die Steuerpins aus der zweiten Seite des Formgehäuses hervor. Hierdurch ist es einfacher, das Leistungsmodul elektrisch mit einem Gerät zu verbinden.
  • In einer Ausführungsform umfasst das Leistungsmodul acht Steuerpins.
  • In einer Ausführungsform umfasst das Leistungsmodul neun Steuerpins.
  • In einer Ausführungsform umfasst das Leistungsmodul zehn Steuerpins.
  • In einer Ausführung umfasst das Leistungsmodul elf Steuerpins.
  • In einer Ausführung besteht das Leistungsmodul aus zwölf Steuerpins.
  • Es kann von Vorteil sein, dass die Steuerpins parallel zueinander verlaufen und die gleiche Geometrie aufweisen.
  • In einer Ausführungsform umfasst das Leistungsmodul mindestens einen Metallisierungsbereich, auf dem ein oder mehrere Halbleiterschalter angeordnet sind.
  • Es kann vorteilhaft sein, dass es sich bei dem einen oder mehreren Halbleiterschaltern um Siliziumkarbid-Halbleiter (SiC) handelt.
  • In einer Ausführungsform enthält das Leistungsmodul ein oder mehrere SiC-Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs).
  • In einer Ausführung umfasst das Leistungsmodul mindestens einen Metallisierungsbereich, auf dem ein oder mehrere Bipolartransistoren mit isoliertem Gate (IGBTs) angeordnet sind.
  • In einer Ausführungsform ist mindestens ein Schaltungselement aus einer Kupferschicht eines direkt verbundenen Kupfersubstrats (DBC) gebildet.
  • In einer Ausführungsform umfasst das Leistungsmodul fünf voneinander beabstandete Metallisierungsbereiche.
  • In einer Ausführungsform umfasst das Leistungsmodul sechs voneinander beabstandere Metallisierungsbereiche.
  • Es kann ein Vorteil sein, dass zwei oder mehr der Metallisierungsbereiche die gleiche geometrische Form haben.
  • In einer Ausführungsform enthalten die Halbleiterschalter einen oder mehrere Halbleiterchips, wobei ein oder mehrere Anschlüsse der Halbleiterschalter direkt mit der Oberfläche der Chips verbunden sind.
  • Figurenliste
  • Die Erfindung wird anhand der untenstehenden detaillierten Beschreibung näher erläutert. Die beigefügten Zeichnungen dienen lediglich der Veranschaulichung und schränken die vorliegende Erfindung nicht ein. In den begleitenden Zeichnungen zeigt:
    • 1 ein Leistungsmodul gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
    • 2A eine weitere Ansicht des in 1 gezeigten Leistungsmoduls;
    • Fig.. 2B eine äquivalente Schaltung des in 2A gezeigten Leistungsmoduls;
    • 3A ein Leistungsmodul gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
    • 3B eine äquivalente Schaltung des in 3A gezeigten Leistungsmoduls;
    • 4A ein Leistungsmodul gemäß einer Ausführungsform der Erfindung und
    • 4B eine äquivalente Schaltung des in 4A gezeigten Leistungsmoduls.
  • Detaillierte Beschreibung der Erfindung
  • Unter detaillierter Bezugnahme auf die Zeichnungen zur Veranschaulichung bevorzugter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist in 1 ein Leistungsmodul 2 der vorliegenden Erfindung dargestellt.
  • 1 zeigt ein Leistungsmodul 2 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Das Leistungsmodul 2 ist ein dreistufiges Leistungsmodul und besteht aus einem Formgehäuse 4 mit einer ersten Seite 40 und einer zweiten gegenüberliegenden Seite 42. Drei Leistungsanschlüsse 6, 8, 10 ragen aus der ersten Seite 40 des Formgehäuses 4 heraus. Die Leistungsanschlüsse 6, 8, 10 umfassen eine positive Gleichstromklemme 6, eine neutrale Klemme 8 und eine negative Klemme 10.
  • Die Phasenausgangs-Netzklemme 12 ragt aus der zweiten Seite 42 des Formgehäuses 4 heraus. Das Leistungsmodul 2 enthält eine Vielzahl von Steuerpins 14, 16, 18, 20, 22, 24, 26, 28, die aus der zweiten Seite 42 des Formgehäuses 4 hervorstehen. Diese Steuerpins 14, 16, 18, 20, 22, 24, 26, 28 verlaufen parallel zueinander.
  • In jedem der Leistungsanschlüsse 6, 8, 10, 12 befindet sich ein zentral angeordnetes Loch 38. Die Löcher 38 können zur mechanischen und elektrischen Befestigung der Anschlüsse 6, 8, 10, 12 an anderen Teilen (z.B. einer Gleichspannungsverbindung) verwendet werden, indem Schrauben (nicht abgebildet) durch die Löcher 38 gesteckt werden. Jede Schraube wird typischerweise in eine entsprechende Mutter eingeschraubt. Dementsprechend können die Schrauben die Anschlüsse 6, 8, 10, 12 des Leistungsmoduls 2 mechanisch in Kontakt mit den Strukturen halten, mit denen die Anschlüsse 6, 8, 10, 12 elektrisch verbunden sind. Gegebenenfalls können auch andere Befestigungsmittel verwendet werden, wie Schweißen, Kleben, Löten, Hartlöten oder andere auf dem Gebiet bekannte Mittel. Einige Befestigungsmittel erfordern möglicherweise nicht das Vorhandensein eines Lochs 38.
  • In einer Ausführungsform ummantelt das Formgehäuse 4 die elektronischen Komponenten des Leistungsmoduls 2.
  • In einer Ausführung ummantelt das Formgehäuse 4 eine Grundplatte des Leistungsmoduls 2.
  • 2A zeigt eine Draufsicht auf das Leistungsmodul 2 in der in 1 gezeigten Neutral Point Clamped (NPC)-1 Topologie. Abgesehen von den in 1 gezeigten Strukturen ist zu erkennen, dass das Leistungsmodul 2 mehrere elektrisch getrennte Metallisierungsbereiche 44, 46, 48, 50, 52, 54 aufweist. Ein erster Metallisierungsbereich 44 ist elektrisch mit dem negativen Gleichstromanschluss 10 verbunden. Auf dem ersten Metallisierungsbereich 44 sind ein Halbleiterschalter T4 und eine Diode D3 angeordnet.
  • Ein zweiter Metallisierungsbereich 46 ist zwischen dem ersten Metallisierungsbereich 44 und einem dritten Metallisierungsbereich 48 angeordnet, der elektrisch mit dem Phasenausgangs-Leistungsanschluss 12 verbunden ist. Ein Halbleiterschalter T3 und zwei Dioden D1 und D4 sind auf dem zweiten Metallisierungsbereich 46 angeordnet. Ein Halbleiterschalter T2 und eine Diode D5 sind auf dem dritten Metallisierungsbereich 48 angeordnet.
  • Ein vierter Metallisierungsbereich 50 ist elektrisch mit der Nullleiterklemme 8 verbunden. Eine Diode D2 ist auf dem vierten Metallisierungsbereich 50 angeordnet.
  • Ein fünfter Metallisierungsbereich 52 ist zwischen dem vierten Metallisierungsbereich 50 und einem sechsten Metallisierungsbereich 54 angeordnet, der elektrisch mit dem positiven Gleichstromanschluss 6 verbunden ist. Auf dem fünften Metallisierungsbereich 52 sind ein Halbleiterschalter T1 und eine Diode D6 angeordnet.
  • Die Metallisierungsbereiche 44, 46, 48, 50, 52, 54 haben die Form länglicher Strukturen mit einer Längsachse, die sich entlang der Achse X erstreckt. Es ist zu erkennen, dass die Metallisierungsbereiche 44, 46, 48, 50, 52, 54 im Wesentlichen spiegelsymmetrisch in Bezug auf die Achse X angeordnet sind. Außerdem sind die Metallisierungsbereiche 44 und 54 im Wesentlich spiegelsymmetrisch zur Achse X angeordnet. Ebenso sind die Metallisierungsbereiche 46 und 52 im Wesentlichen spiegelsymmetrisch zur Achse X angeordnet, während die Metallisierungsbereiche 48 und 50 im Wesentlichen spiegelsymmetrisch zur Achse X angeordnet sind.
  • Hierdurch ist es möglich, ein Design mit einer geringeren Anzahl von elektrischen Verbindungen zu realisieren.
  • Die Steuerpins 14, 16 sind elektrisch mit elektronischen Komponenten verbunden, die auf dem fünften Metallisierungsbereich 52 angeordnet sind. Die Steuerpins 18, 20 sind elektrisch mit elektronischen Komponenten verbunden, die auf dem dritten Metallisierungsbereich 48 angeordnet sind. Die Steuerpins 22, 24 sind elektrisch mit elektronischen Komponenten verbunden, die auf dem zweiten Metallisierungsbereich 46 angeordnet sind. Die Steuerpins 26, 28 sind elektrisch mit elektronischen Komponenten verbunden, die auf dem ersten Metallisierungsbereich 44 angeordnet sind.
  • 2B zeigt eine äquivalente Schaltung des in 2A gezeigten Leistungsmoduls.
  • Zwei Dioden D3 , D4 (in Reihe geschaltet) und zwei Halbleiterschalter T3 , T4 (in Reihe geschaltet), die eine erste Halbbrücke 58 bilden, sind zwischen dem positiven Gleichstromanschluss DC+ und dem Phasenanschluss U vorgesehen (in 2A als 12 dargestellt).
  • Ebenso sind zwei Dioden D5 , D6 (in Reihe geschaltet) und zwei Halbleiterschalter T2 , T1 (in Reihe geschaltet), die eine zweite Halbbrücke 58' bilden, zwischen dem negativen Gleichstromanschluss DC- und dem Phasenanschluss U vorgesehen.
  • Zwei Dioden D1 , D2 sind in Reihe geschaltet und bilden eine Diodenbrücke 60.
  • 3A zeigt ein Leistungsmodul 2 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, während 3B eine äquivalente Schaltung des in 3A gezeigten Leistungsmoduls (NPC2 T-Typ-Topologie) darstellt. 3A zeigt eine Draufsicht des Leistungsmoduls 2 mit einer Vielzahl von voneinander beabstandeten Metallisierungsbereichen 44, 48, 50, 52, 54, 56.
  • Das Leistungsmodul 2 ist ein dreistufiges Leistungsmodul 2 und umfasst eine erste Seite 40 und eine zweite gegenüberliegende Seite 42. Drei Leistungsanschlüsse 6, 8, 10 ragen aus der ersten Seite 40 des Leistungsmoduls 2 heraus. Die Leistungsanschlüsse 6, 8, 10 umfassen eine positive Gleichstromklemme 6, einen neutralen Anschluss 8 und eine negative Klemme 10. Die Phasenausgangs-Netzklemme 12 ragt aus der zweiten Seite 42 des Leistungsmoduls heraus. Das Leistungsmodul 2 umfasst eine Vielzahl von Steuerpins 14, 16, 18, 20, 22, 24, 26, 28, die von der zweiten Seite 42 des Leistungsmoduls 2 vorstehen. Diese Steuerpins 14, 16, 18, 20, 22, 24, 26, 28 verlaufen parallel zu einer mit einer gestrichelten Linie gekennzeichneten Achse X.
  • Ein erster Metallisierungsbereich 44 ist elektrisch mit dem negativen Gleichstromanschluss 10 verbunden. Zwei Steuerpins 22, 24 sind elektrisch mit elektronischen Komponenten verbunden, die auf diesem ersten Metallisierungsbereich 44 angeordnet sind.
  • Ein weiterer Metallisierungsbereich 48 ist elektrisch mit der Phasenausgangs-Netzklemme 12 verbunden. Ein weiterer Metallisierungsbereich 50 ist elektrisch mit der Nullleiterklemme 8 verbunden. Zwei Steuerpins 18, 20 sind elektrisch mit elektronischen Komponenten verbunden, die auf diesem Metallisierungsbereich 48 angeordnet sind.
  • Ein Metallisierungsbereich 54 ist elektrisch mit dem positiven Gleichstromanschluss 6verbunden.
  • Ein Metallisierungsbereich 56 ist zwischen dem Metallisierungsbereich 48 und dem Metallisierungsbereich 50 angeordnet. Zwei Steuerpins 26, 28 sind elektrisch mit elektronischen Komponenten verbunden, die auf diesem Metallisierungsbereich 56 angeordnet sind.
  • Die Metallisierungsbereiche 44, 48, 50, 52, 54 sind im Wesentlichen spiegelsymmetrisch zur Achse X angeordnet. Die Achse X entspricht im Wesentlichen der Längsachse des Leistungsmoduls 2.
  • Es ist zu erkennen, dass die Metallisierungsbereiche 44 und 54 im Wesentlichen spiegelsymmetrisch zur Achse X angeordnet sind. Ebenso sind die Metallisierungsbereiche 48, 50 und 56 im Wesentlichen spiegelsymmetrisch zur Achse X angeordnet.
  • 3B zeigt eine äquivalente Schaltung des in Bild 3A dargestellten Leistungsmoduls.
  • Zwei Dioden D3 , D4 (in Reihe geschaltet) und zwei Halbleiterschalter T3 , T4 (in Reihe geschaltet) sind zwischen dem Nulleiteranschluss N und dem Phasenanschluss U vorgesehen (in 3A als 12 dargestellt).
  • Eine Diode D1 und ein Halbleiterschalter T2 sind zwischen der negativen Gleichstromklemme DC- und der Phasenklemme U angeordnet. Ebenso sind eine Diode D2 und ein Halbleiterschalter T1 zwischen der positiven Gleichstromklemme DC+ und der Phasenklemme U angeordnet.
  • 4A zeigt ein Leistungsmodul 2 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, während 4B eine äquivalente Schaltung des Leistungsmoduls (Advanced Neutral Point Clamping (ANPC) Topologie) gemäß 4A zeigt.
  • 4A zeigt eine Draufsicht des Leistungsmoduls 2 mit einer Vielzahl von voneinander beabstandeten Metallisierungsbereichen 44, 46, 48, 50, 52, 54.
  • Das Leistungsmodul 2 enthält eine erste Seite 40 und eine zweite gegenüberliegende Seite 42. Drei Leistungsanschlüsse 6, 8, 10 (eine positive Gleichstromklemme 6, eine neutrale Klemme 8 und eine negative Klemme 10) ragen aus der ersten Seite 40 des Leistungsmoduls 2 heraus. Die Phasenausgangs-Netzklemme 12 hingegen ragt aus der zweiten Seite 42 des Leistungsmoduls 2 heraus.
  • Das Leistungsmodul 2 umfasst eine Vielzahl von Steuerpins 14, 16, 18, 20, 22, 24, 26, 28, 30, 32, 34, 36, die von der zweiten Seite 42 des Leistungsmoduls 2 vorstehen. Diese Steuerpins 14, 16, 18, 20, 22, 24, 26, 28, 30, 32, 34, 36 erstrecken sich parallel zu einer mit einer gestrichelten Linie gekennzeichneten Achse X.
  • Das Leistungsmodul 2 umfasst einen ersten Metallisierungsbereich 44, der elektrisch mit der negativen Gleichstromklemme 10 verbunden ist. Zwei Steuerpins 34, 36 sind elektrisch mit elektronischen Komponenten verbunden, die auf diesem ersten Metallisierungsbereich 44 angeordnet sind.
  • Ein weiterer Metallisierungsbereich 48 ist elektrisch mit der Phasenausgangs-Netzklemme 12 verbunden. Zwei Steuerpins 22, 24 sind elektrisch mit elektronischen Komponenten verbunden, die auf diesem Metallisierungsbereich 48 angeordnet sind.
  • Ein weiterer Metallisierungsbereich 50 ist elektrisch mit der Nullleiterklemme 8 verbunden. Ein Steuerpin 20 ist elektrisch mit einer elektronischen Komponente verbunden, die auf diesem Metallisierungsbereich 50 angeordnet ist.
  • Ein Metallisierungsbereich 54 ist elektrisch mit der positiven Gleichstromklemme 6 verbunden. Ein Steuerpin 14 ist elektrisch mit diesem Metallisierungsbereich 54 verbunden.
  • Ein Metallisierungsbereich 52 ist zwischen dem Metallisierungsbereich 54 und dem Metallisierungsbereich 50 angeordnet. Zwei Steuerpins 16, 18 sind elektrisch mit elektronischen Komponenten verbunden, die auf diesem Metallisierungsbereich 52 angeordnet sind.
  • Ein Metallisierungsbereich 46 ist zwischen dem Metallisierungsbereich 44 und dem Metallisierungsbereich 50 angeordnet. Vier Steuerpins 26, 28, 30, 32 sind elektrisch mit elektronischen Komponenten verbunden, die auf dieser Metallisierungszone 46 angeordnet sind.
  • Die Metallisierungsbereiche 44, 46, 48, 50, 52, 54 sind im Wesentlichen spiegelsymmetrisch zur Achse X angeordnet. Die Achse X entspricht im Wesentlichen der Längsachse des Leistungsmoduls 2.
  • Die Metallisierungsbereiche 44 und 54 sind länglich und im Wesentlichen spiegelsymmetrisch zur Achse X angeordnet. Ebenso sind die Metallisierungsbereiche 48, 50 im Wesentlichen spiegelsymmetrisch zur Achse X angeordnet, während die Metallisierungsbereiche 46, 52 im Wesentlichen spiegelsymmetrisch zur Achse X angeordnet sind.
  • 4B zeigt eine äquivalente Schaltung des in 4A gezeigten Leistungsmoduls. Das Leistungsmodul enthält zwei Dioden D1 , D2 (in Reihe geschaltet) und zwei Halbleiterschalter Sa1 , Sa2 (in Reihe geschaltet), die eine erste Halbbrücke bilden. Das Leistungsmodul umfasst ferner zwei Dioden D3 , D4 (in Reihe geschaltet) und zwei Halbleiterschalter Sa3 , Sa4 (in Reihe geschaltet), die eine zweite Halbbrücke sowie eine dritte Halbbrücke mit zwei Dioden und zwei Halbleiterschaltern Sa5 , Sa6 bilden.
  • Bezugszeichenliste
    • 2
    Leistungsmodul
    4
    Formgehäuse
    6, DC+
    positiver Gleichstromanschluss
    8, N
    Nullleiterklemme
    10, DC-
    negativer Gleichstromanschluss
    12
    Phasenklemme
    14, 16, 18, 20
    Steuerpin
    22, 24, 26, 28
    Steuerpin
    30, 32, 34, 36
    Steuerpin
    38
    Loch
    40
    erste Seite
    42
    zweite Seite
    44, 46, 48, 50, 52, 54, 56
    Metallisierungsbereich
    58, 58'
    Halbbrücke
    60
    Diodenbrücke
    X
    Achse
    D1, D2, D3, D4, D5, D6
    Diode
    T2, T3, T4
    Halbleiterschalter
    Sa1, Sa2, Sa3, Sa4, Sa5, Sa6,
    Halbleiterschalter

Claims (17)

  1. Leistungsmodul (2), welches enthält: - ein Formgehäuse (4); - drei Leistungsanschlüsse (6, 8, 10), die von einer ersten Seite (40) des Formgehäuses (4) vorstehen, wobei diese Leistungsanschlüsse (6, 8, 10) einen positiven Gleichstromanschluss (6), einen neutralen Anschluss (8) und einen negativen Anschluss (10) umfassen; - eine Phasenausgangs-Netzklemme (12), die von einer zweiten Seite (42) des Formgehäuses (4) vorsteht, wobei das Leistungsmodul (2) ein Drei-Stufen- Leistungsmodul ist, das eine Vielzahl von Steuerpins (14, 16, 18, 20, 22, 24, 26, 28, 30, 32, 34, 36) umfasst, die von der zweiten Seite (42) des Formgehäuses (4) vorstehen, dadurch gekennzeichnet, dass: e) einen Metallisierungsbereich (50) elektrisch mit dem neutralen Anschluss (8) verbunden ist; f) ein weiterer Metallisierungsbereich (48) elektrisch mit der Phasenausgangs-Netzklemme (12) verbunden ist; g) die Metallisierungsbereiche (48, 50) sind getrennte Metallisierungsbereiche (48, 50), die als längliche Strukturen mit einer Längsachse geformt sind, die sich entlang einer Achse (X) erstreckt und h) die Metallisierungsbereiche (48, 50) erstrecken sich entlang der Achse (X) in Ausdehnung voneinander.
  2. Leistungsmodul (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die drei von der ersten Seite (40) vorstehenden Leistungsanschlüsse (6, 8, 10) des Formgehäuses (4) derart angeordnet sind, dass die äußeren Anschlüsse (6, 10) den positiven Gleichstromanschluss (6) bzw. den negativen Gleichstromanschluss (10) bilden und dass der innere Anschluss den neutralen Anschluss (8) bildet.
  3. Leistungsmodul (2) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Leistungsmodul (2) eine Neutral Point Clamped-Topologie (NPC)-1 aufweist.
  4. Leistungsmodul (2) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Leistungsmodul (2) eine NPC-2-Topologieaufweist.
  5. Leistungsmodul (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass das Leistungsmodul (2) eine Aktive Neutral Point Clamped Topologie (ANPC) aufweist.
  6. Leistungsmodul (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Leistungsmodul (2) mindestens einen Metallisierungsbereich (44, 46, 48, 50, 52, 54, 56) aufweist, auf dem ein oder mehrere Halbleiterschalter (T1, T2, T3, T4, Sa1, Sa2, Sa3, Sa4, Sa5, Sa6) angeordnet sind, wobei mindestens zwei der Halbleiterschalter (T1, T2, T3, T4, Sa1, Sa2, Sa3, Sa4, Sa5, Sa6) eine Halbbrückenschaltung bilden.
  7. Leistungsmodul (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Leistungsmodul (2) mehrere voneinander beabstandete Metallisierungsbereiche (44, 46, 48, 50, 52, 54, 56) aufweist, wobei ein oder mehrere Halbleiterschalter (T1, T2, T3, T4, Sa1, Sa2, Sa3, Sa4, Sa5, Sa6) auf mindestens einigen der Metallisierungsbereiche (44, 46, 48, 50, 52, 54, 56) angeordnet sind.
  8. Leistungsmodul (2) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallisierungsbereiche (44, 46, 48, 50, 52, 54, 56) als längliche, parallel zueinander verlaufende Strukturen ausgebildet sind.
  9. Leistungsmodul (2) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallisierungsbereiche (44, 46, 48, 50, 52, 54, 56) in fünf Reihen angeordnet sind.
  10. Leistungsmodul (2) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zentrale (mittlere) Reihe zwei getrennte Metallisierungsbereiche (48, 50) umfasst.
  11. Leistungsmodul (2) nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiter mit den äußersten vier Reihen verbunden sind.
  12. Leistungsmodul (2) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass keine Halbleiter in den anderen Reihen als den äußersten vier Reihen angeordnet sind.
  13. Leistungsmodul (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Phasenausgangs-Leistungsanschluss (12) elektrisch mit einem ersten Metallisierungsbereich (48) verbunden ist und dass der neutrale Anschluss (8) elektrisch mit einem zweiten Metallisierungsbereich (50) verbunden ist, wobei ein zusätzlicher Metallisierungsbereich (56) ist zwischen dem ersten Metallisierungsbereich (48) und dem zweiten Metallisierungsbereich (50) angeordnet und von diesen beabstandet ist.
  14. Leistungsmodul (2) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere Halbleiterschalter (T1, T2, T3, T4, Sa1, Sa2, Sa3, Sa4, Sa5, Sa6) auf dem ersten Metallisierungsbereich (48) und auf dem zusätzlichen Metallisierungsbereich (56) angeordnet sind, wobei auf dem zweiten Metallisierungsbereich (50) keine Halbleiterschalter angeordnet sind.
  15. Leistungsmodul (2) nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere Halbleiterschalter (T1, T2, T3, T4, Sa1, Sa2, Sa3, Sa4, Sa5, Sa6) auf einem weiteren Metallisierungsbereich (44) angeordnet sind, der elektrisch mit dem positiven Gleichstromanschluss (10) verbunden ist.
  16. Leistungsmodul (2) nach einem der Ansprüche 13-15, dadurch gekennzeichnet, dass ein noch weiterer Metallisierungsbereich (54) elektrisch mit dem negativen Gleichstromanschluss (6) verbunden ist, wobei auf diesem Metallisierungsbereich (54) keine Halbleiterschalter angeordnet sind.
  17. Leistungsmodul (2) nach einem der Ansprüche 6-16, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallisierungsbereiche (44, 46, 48, 50, 52, 54, 56) symmetrisch in Bezug auf eine Symmetrieachse angeordnet sind.
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