DE102019120972A1 - Anordnung zur Leistungsregelung, Verfahren und System zur Leistungsregelung - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Leistungshalbleitermodul (10) mit einem ersten Halbleiterelement (12) und mit einem zweiten Halbleiterelement (14) sowie einer ersten Eingangselektrode (16) und einer zweiten Eingangselektrode (18), wobei das erste Halbleiterelement (12) und das zweite Halbleiterelement (14) zwischen der ersten Eingangselektrode (16) und der zweiten Eingangselektrode (18) elektrisch in Serie geschaltet sind und wobei die erste Eingangselektrode (16) um das erste Halbleiterelement (12) und um das zweite Halbleiterelement (14) eine Umhüllung bildet. Ein Ende der zweiten Eingangselektrode (18) ist innerhalb der Umhüllung angeordnet und die zweite Eingangselektrode (18) ist gegenüber der ersten Eingangselektrode (16) elektrisch isoliert.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Leistungshalbleitermodul mit Halbleiterelementen. Halbleiterelemente in der Leistungselektronik weisen zum Beispiel Schalter, Dioden, Transistoren oder Thyristoren auf.
  • In der US2012/0112366A1 wird ein Modul der Leistungselektronik mit Halbleiterelementen und mit einer ersten Eingangselektrode und einer zweiten Eingangselektrode beschrieben. An einer der Eingangselektroden liegt positives Potenzial an und an der zweiten Eingangselektrode liegt negatives Potenzial an. Es wird ein Aufbau des Moduls beschrieben, bei dem das negative Potenzial an einem Innenleiter anliegt, der von einem Hohlleiter mit dem positiven Potenzial umhüllt wird. Halbleiterelemente sind zwischen dem Innenleiter und dem Hohlleiter elektrisch geschaltet.
  • Demgegenüber soll die Leistungsfähigkeit des Leistungshalbleitermoduls durch einen verbesserten Aufbau erhöht werden, insbesondere um Leistungshalbleitermodule für höhere Spannungen, höhere Ströme und/oder höhere Leistungen zur Verfügung zu stellen.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Leistungshalbleitermodul gemäß Patentanspruch 1.
  • Das Leistungshalbleitermodul weist ein erstes Halbleiterelement und ein zweites Halbleiterelement auf. An einer Eingangselektrode, zum Beispiel der ersten liegt ein positives Potenzial an und an der anderen Eingangselektrode, zum Beispiel der zweiten, liegt entsprechend negatives Potenzial an. Das erste Halbleiterelement und das zweite Halbleiterelement sind zwischen der ersten Eingangselektrode unter zweiten Eingangselektrode elektrisch in Serie geschaltet. Dabei ist das erste Halbleiterelement zum Beispiel zwischen der ersten Eingangselektrode und dem zweiten Halbleiterelement angeordnet und das zweite Halbleiterelement ist zwischen dem ersten Halbleiterelement und der zweiten Eingangselektrode angeordnet. Erfindungsgemäß bildet die erste Eingangselektrode dabei um das erste Halbleiterelement und das zweite Halbleiterelement eine Umhüllung, wobei ein Ende der zweiten Eingangselektrode innerhalb der Umhüllung angeordnet ist und die zweite Eingangselektrode gegenüber der ersten Eingangselektrode elektrisch isoliert ist. Die Umhüllung umgibt dabei das erste und das zweite Halbleiterelement bevorzugt vollständig mit Durchlässen für nötige Kontaktierungen, z. B. die zweite Eingangselektrode. In einer Ausführungsform der Erfindung kann die Umhüllung das erste und das zweite Halbleiterelement nur teilweise umgeben. Mit einer solchen Modulstruktur lässt sich ein niederinduktiver Aufbau realisieren, wodurch Durchlassverluste und Schaltverluste der Halbleiter geringgehalten werden können.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist innerhalb der Umhüllung ein erstes Kühlelement angeordnet, dass mit dem ersten und/oder dem zweiten Halbleiterelement thermisch verbunden ist. Über das erste Kühlelement lässt sich eine effiziente Kühlung des ersten und/oder zweiten Halbleiterelementes erreichen. Bevorzugt ist das Kühlelement von einer Flüssigkeit durchströmt, so dass die Wärmeabfuhr aus dem Leistungshalbleitermodul weiter verbessert wird. Durch eine bevorzugte Anordnung des ersten Kühlelements innerhalb der Umhüllung und zwischen dem ersten und dem zweiten Halbleiterelement kann erreicht werden, dass die Wärmeabfuhr an einer Stelle erfolgt an der besonders viel Wärme entsteht.
  • In einer Ausführungsform der Erfindung ist das erste Kühlelement außerdem mit dem ersten und dem zweiten Halbleiterelement elektrisch verbunden, sodass das erste Kühlelement nicht nur Wärme abführt, sondern auch die elektrische Verbindung in der Serienschaltung von erstem und zweitem Halbleiterelement sicherstellt. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung steht das erste Kühlelement mit einer Ausgangselektrode in elektrischer Verbindung, wobei die Ausgangselektrode von innerhalb der Umhüllung nach außerhalb der Umhüllung durch die Umhüllung geführt wird und gegenüber der Umhüllung elektrisch isoliert ist. Die Umhüllung weist hierfür einen isolierten Durchlass für die Ausgangselektrode auf. Eine solche Anordnung ermöglicht einen Zwischenabgriff für die Ausgangselektrode zwischen erstem und zweitem Halbleiterelement. Zur Realisierung eines Spannungswandlers lässt sich beispielsweise eine Gleichspannung an den Eingangselektroden in eine Wechselspannung an der Ausgangselektrode wandeln. Durch die elektrische Verbindung der Ausgangselektrode mit dem ersten Kühlelement ergibt sich ein effizienter Aufbau und die Vermeidung von kostspieligen Bauteilen.
  • In einer Ausführungsform der Erfindung ist zwischen der ersten Eingangselektrode und der Ausgangselektrode ein Kondensator und ein Widerstand in Serie geschaltet, wobei der mit dem Kondensator in Serie geschaltete Widerstand mit dem ersten Kühlelement in thermischer Verbindung steht. Bevorzugt ist dabei der Kondensator mit der ersten Eingangselektrode elektrisch verbunden und der Widerstand mit der Ausgangselektrode elektrisch verbunden. Alternativ oder zusätzlich ist zwischen der zweiten Eingangselektrode und der Ausgangselektrode ein Kondensator und ein Widerstand in Serie geschaltet, wobei der mit dem Kondensator in Serie geschaltete Widerstand mit dem ersten Kühlelement in thermischer Verbindung steht. Bevorzugt ist dabei der Kondensator mit der zweiten Eingangselektrode elektrisch verbunden und der Widerstand mit der Ausgangselektrode elektrisch verbunden. Die erwähnten Widerstände werden auch Snubber Widerstände genannt. Die erwähnten Kondensatoren werden auch Snubber Kondensatoren genannt. Die Snubber Widerstände und die Snubber Kondensatoren sind bevorzugt außerhalb der Umhüllung angeordnet.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind das erste und das zweite Halbleiterelement sowie die erste und die zweite Eingangselektrode dazu ausgebildet im Spannverband kontaktiert zu werden. In einem Spannverband für Halbleiterelemente liegen die Halbleiterelemente im Stapel aufeinander, wobei oben und unten jeweils eine Druckkontaktplatte angeordnet ist. Durch zum Beispiel Federn werden die Elemente zwischen den Druckkontaktplatten mechanisch miteinander verspannt, wodurch eine elektrische Kontaktierung hergestellt wird. Als Spannrichtung wird dabei die Richtung bezeichnet, in der die Halbleiterelemente im Stapel beispielsweise durch die Federkräfte gegeneinandergedrückt werden. Dies ist beispielsweise von oben im Spannverband nach unten im Spannverband.
  • In einem Ausführungsbeispiel des Spannverbandes befindet sich zum Beispiel die zweite Eingangselektrode in Spannrichtung vor dem zweiten Halbleiterelement. Zugleich ist das zweite Halbleiterelement in Spannrichtung vor dem ersten Halbleiterelement angeordnet. Weiter in Spannrichtung befindet sich das erste Halbleiterelement vor der ersten Eingangselektrode und wird in Spannrichtung auf seiner Hinterseite mit der ersten Eingangselektrode kontaktiert. Die erste Eingangselektrode umgibt dabei zugleich das erste und das zweite Halbleiterelement in Form einer Umhüllung. Hierdurch wird die Serienschaltung des ersten Halbleiterelements und des zweiten Halbleiterelements zwischen der ersten Eingangselektrode und der zweiten Eingangselektrode realisiert.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Umhüllung als Hohlzylinder ausgebildet, dessen Achse sich in Spannrichtung erstreckt. Die Umhüllung, die durch die erste Eingangselektrode gebildet wird, weist weiter an den flachen Enden des Hohlzylinders jeweils einen Deckel auf. Dies entspricht in Spannrichtung dem vorderen und dem hinteren Ende des Hohlzylinders. Die Umhüllung, also beispielsweise beide Deckel und der Hohlzylinder werden von der ersten Eingangselektrode gebildet. Liegt diese am positiven Potenzial, so weist auch die Umhüllung, also beispielsweise der Hohlzylinder mit seinen Deckeln, dieses positive Potenzial auf. Dies ergibt eine gute elektromagnetische Abschirmung des Leistungshalbieitermoduls.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist an dem Leistungshalbleitermodul ein zweites Kühlelement vorgesehen, das außerhalb der Umhüllung angeordnet ist und mit der Umhüllung in thermischer Verbindung steht. Hierdurch ist eine weiter verbesserte Kühlung des Leistungshalbleitermoduls möglich. Hierbei ist es besonders vorteilhaft, wenn die erste Eingangselektrode, also die Umhüllung, gegenüber der zweiten Eingangselektrode mittels eines keramischen Materials elektrisch isoliert ist. Das keramische Material gewährleistet eine gute bis sehr gute elektrische Isolierung bei zugleich sehr guter thermischer Verbindung. Hierdurch kann eine sehr gute elektrische Isolierung zugleich mit einer sehr guten thermischen Verbindung des zweiten Kühlelementes mit den Halbleiterelementen sichergestellt werden. In einer Ausführungsform der Erfindung kann das zweite Kühlelement dabei in Spannrichtung vor der Umhüllung angeordnet sein und mit dem vorderen Deckel des Hohlzylinders in thermischem Kontakt stehen. Bevorzugt ist das zweite Kühlelement von einer Flüssigkeit durchströmt, um die Kühlleistung weiter zu erhöhen.
  • Optional kann weiter ein drittes Kühlelement vorgesehen sein, das in Spannrichtung hinter der Umhüllung angeordnet ist und mit dem hinteren Deckel des Hohlzylinders in thermischem Kontakt steht. Durch das dritte Kühlelement kann die Kühlung des Leistungshalbleitermoduls weiter verbessert werden. Bevorzugt ist das dritte Kühlelement von einer Flüssigkeit durchströmt, um die Kühlleistung weiter zu erhöhen.
  • In einer Ausführungsform der Erfindung weist das Leistungshalbleitermodul ein drittes und ein viertes Halbleiterelement auf, wobei das erste, das zweite, das dritte und das vierte Halbleiterelement zwischen der ersten Eingangselektrode und der zweiten Eingangselektrode in Serie geschaltet sind. Dabei bildet die erste Eingangselektrode um das erste, das zweite, das dritte und das vierte Halbleiterelement eine Umhüllung. Die zweite Eingangselektrode ist gegenüber der ersten Eingangselektrode elektrisch isoliert und kontaktiert die Serienschaltung der Halbleiterelemente innerhalb der Umhüllung. Eine mögliche Serienschaltung der Halbleiterelemente ist dabei, dass das dritte Halbleiterelement zwischen der ersten Eingangselektrode und dem ersten Halbleiterelement angeordnet ist und das vierte Halbleiterelement zwischen dem zweiten Halbleiterelement und der zweiten Elektrode angeordnet ist
  • In der Ausführungsform mit einem dritten und einem vierten Halbleiterelement ist es vorteilhaft innerhalb der Umhüllung ein viertes und ein fünftes Kühlelement anzuordnen. Bevorzugt ist dabei das vierte Kühlelement zwischen dem dritten Halbleiterelement und dem ersten Halbleiterelement angeordnet und steht mit dem ersten und dem dritten Halbleiterelement in thermischen und elektrischen Kontakt. Das fünfte Kühlelement ist dabei bevorzugt zwischen dem zweiten Halbleiterelement und im vierten Halbleiterelement angeordnet und steht mit dem zweiten und dem vierten Halbleiterelement in thermischem und elektrischem Kontakt. Hierdurch kann bei einer erhöhten Anzahl von Halbleiterelementen die Kühlung weiter sichergestellt werden. Bevorzugt sind die vierten und fünften Kühlelemente von einer Flüssigkeit durchströmt, um die Kühlleistung weiter zu erhöhen.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind das erste und das zweite Halbleiterelement in jeweils einer Press-Pack-Zelle angeordnet. Bevorzugt sind außerdem das dritte und vierte Halbleiterelement ebenfalls in jeweils einer Press-Pack-Zelle angeordnet. Press-Pack-Zellen sind scheibenförmige Elemente in denen Halbleiterelemente, z. B. Halbleiterchips, angeordnet sind und die dazu geeignet sind, zwischen Druckkontaktplatten in einem Spannverbund kontaktiert zu werden. Press-Tag-Zellen weisen an ihrer oberen und unteren Seite Kontaktplatten auf, über die die Halbleiterelemente kontaktiert werden können.
  • Die Halbleiterelemente, weisen dabei zum Beispiel jeweils einen steuerbaren Halbleiterschalter auf, dem jeweils eine Freilaufdiode parallelgeschaltet ist. Solche steuerbaren Halbleiterschalter sind beispielsweise Transistoren oder Thyristoren, insbesondere IGBTs oder SiC Transistoren. Der beschriebene Aufbau eignet sich insbesondere auch für Hochleistungsmodule mit schnellen Schaltzeiten, hohen Spannungen und hoher Leistung. Als elektrische Isolatoren können beispielsweise AIN oder PTFE oder flüssige Isolierstoffe zum Einsatz kommen.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von nicht einschränkend zu verstehenden Ausführungsbeispielen der Erfindung, die im Folgenden unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert wird. In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder gleich wirkende Elemente. Es zeigen schematisch:
    • 1 einen Schnitt durch ein Beispiel eines Leistungshalbleitermoduls im Spannverbund;
    • 2 ein Ersatzschaltbild für die Anordnung aus 1;
    • 3 eine Ansicht von der Seite auf die Anordnung aus 1;
    • 4 eine Ansicht von oben auf die Anordnung aus 1;
    • 5 einen Schnitt durch ein zweites Beispiel eines Leistungshalbleitermoduls im Spannverbund;
    • 6 einen Schnitt durch ein drittes Beispiel eines Leistungshalbleitermoduls im Spannverbund.
  • 1 zeigt einen Längsschnitt durch ein Leistungshalbleitermodul 10 im Spannverbund. Der Schnitt ist in Richtung der Spannrichtung 36 dargestellt. Das Leistungshalbleitermodul 10 weist ein erstes Halbleiterelement 12 sowie ein zweites Halbleiterelement 14 auf. Das erste Halbleiterelement 12 und das zweite Halbleiterelement 14 sind im Spannverbund in Serie kontaktiert. Zwischen dem ersten Halbleiterelement 12 und im zweiten Halbleiterelement 14 ist ein erstes Kühlelement 30 angeordnet. Im dargestellten Beispiel liegt an der ersten Eingangselektrode 16 ein positives Potenzial an. An der zweiten Eingangselektrode liegt ein negatives Potenzial an. Die erste Eingangselektrode 16 ist durch eine Isolationsschicht 22 gegenüber der zweiten Eingangselektrode 18 elektrisch isoliert. Die Eingangselektrode 16 umgibt das erste Halbleiterelement 12 und das zweite Halbleiterelement 14 sowie das erste Kühlelement 30 in Form einer Umhüllung. Die erste Eingangselektrode 16 und die zweite Eingangselektrode 18 bestehen aus Metall, bevorzugt aus Kupfer oder Aluminium. Die Umhüllung besteht bevorzugt aus dem gleichen Material wie die erste Eingangselektrode 16.
  • Das erste Kühlelement 30 ist mittels jeweils einer thermischen und elektrischen Kontaktfläche 28 mit dem ersten Halbleiterelement 12 und dem zweiten Halbleiterelement 14 verbunden. Hierdurch wird die elektrische Serienschaltung zwischen dem ersten Halbleiterelement 12 und im zweiten Halbleiterelement 14 sichergestellt, sowie die thermische Verbindung mit dem ersten Kühlelement 30, dass somit Wärme abführen kann. Bevorzugt ist das erste Kühlelement 30 aus Aluminium hergestellt und von einer Flüssigkeit durchflossen, um die Kühlwirkung zu verbessern. Das Gehäuse des Kühlelements 30 wird durch einen durch eine Isolierung 22 isolierten Durchlass in der Umhüllung nach außen geführt und geht in die Ausgangselektrode 20 über. Dies ermöglicht einen Mittenabgriff zwischen dem ersten und dem zweiten Halbleiterelement 12, 14. Die Isolierung zwischen dem ersten Kühlelement 30 und der Umhüllung wird durch zwei Isolierschichten 22 realisiert.
  • In 1 ist die Umhüllung, die durch die erste Eingangselektrode 16 ausgeformt wird, im Schnitt dargestellt. Die zweite Eingangselektrode 18 liegt am negativen Potenzial an. Die zweite Eingangselektrode 18 wird durch einen durch eine Isolierung 22 isolierten Durchlass in die Umhüllung geführt und durch einen weiteren durch die Isolierung 22 isolierten Durchlass wieder aus der Umhüllung herausgeführt, um einen Kondensator 32 zu kontaktieren. Die zweite Eingangselektrode 18 ist gegenüber der ersten Eingangselektrode 16 durch eine Isolierschicht 22 isoliert. Der Spannverbund mit der Spannrichtung 36 weist oben und unten jeweils eine Druckkontaktplatte 26 auf. Das dargestellte Leistungshalbleitermodul 10 weist weiter einen Kondensator 24 auf, der am Eingang zwischen positivem Potenzial an der ersten Eingangselektrode 16 und negativem Potenzial an der zweiten Eingangselektrode 18 geschaltet ist. Ausgangsseitig ist zwischen der den Eingangselektroden 16, 18 und der Ausgangselektrode 20 jeweils ein Kondensator 32 und ein Widerstand 34 in Serie geschaltet. Die Kondensatoren 32 werden auch als Snubber Kondensatoren bezeichnet. Die Widerstände 34 werden auch als Snubber Widerstände bezeichnet. Die Widerstände 34 stehen mit der Ausgangselektrode in elektrischer Verbindung. Mit dem Kühlelement 30 können die beiden Snubber Widerstände 34 in elektrischer und thermischer Verbindung stehen. Dies hat den Vorteil, dass die Widerstände 34, die oft hoch belastet sind, ebenfalls durch das Kühlelement 30 effektiv gekühlt werden können.
  • In 2 ist ein Ersatzschaltbild für die Anordnung von 1 dargestellt. Zu erkennen sind die erste Eingangselektrode 16 hier mit positiver Eingangsspannung und die zweite Eingangselektrode 18 hier mit negativer Eingangsspannung. Dargestellt ist ebenfalls die Ausgangselektrode 20 an der die durch den vorliegenden Spannungswandler erzeugte Wechselspannung abgegriffen werden kann. Dargestellt ist ein erster Halbleiterschalter 56 mit parallel dazu geschalteter Freilaufdiode 38. Der erste Halbleiterschalter 56 ist steuerbar. Dargestellt ist ein zweiter Halbleiterschalter 58 mit ebenfalls parallel dazu geschalteter Freilaufdiode 40. Der zweite Halbleiterschalter ebenfalls steuerbar. Der Halbleiterschalter 56 und der zweite Halbleiterschalter 58 sind beispielsweise Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode, IGBT, oder SiC Transistoren. Das erste Halbleiterelement 12 umfasst dabei den ersten Halbleiterschalter 56 sowie die erste Freilaufdiode 38. Das zweite Halbleiterelement 14 umfasst dabei den zweiten Halbleiterschalter 58 sowie die zweite Freilaufdiode 40. Das erste Halbleiterelement 12 sowie das zweite Halbleiterelement 14 sind dabei beispielsweise in jeweils einer separaten Scheibenzelle realisiert. Eine Scheibenzelle ist beispielsweise eine Press-Pack-Zelle, die in einem Spannverbund verwendet werden kann. Das erste Halbleiterelement 12 und das zweite Halbleiterelement 14 sind in Serie zwischen der positiven Spannung an der ersten Eingangselektrode 16 und der negativen Spannung in der zweiten Eingangselektrode 18 geschaltet. Parallel dazu ist der Kondensator 24 geschaltet. Am Ausgang ist zwischen der ersten Eingangselektrode und der Ausgangselektrode ein Kondensator 32 in Serie mit einem Widerstand 34 geschaltet. Zwischen der zweiten Eingangselektrode 18 unter Ausgangselektrode 20 ist ein Kondensator und ein Widerstand 34 in Serie geschaltet. Die Kondensatoren 32 werden auch als Snubber Kondensatoren bezeichnet. Die Widerstände 34 werden auch als Snubber Widerstände bezeichnet.
  • In 3 ist eine Ansicht von der Seite der Anordnung aus 1 zu sehen. Zu sehen ist, dass das Leistungshalbleitermodul 10 im Spannverbund mit der Spannrichtung 36 eine Umhüllung aufweist, die durch die Eingangselektrode 16 gebildet wird. Im dargestellten Beispiel ist die Umhüllung in Form eines Hohlzylinders ausgebildet. Die Achse des Hohlzylinders verläuft dabei in Spannrichtung 36. Ebenfalls zu sehen ist, dass die 2. Eingangselektrode 18 isoliert ins Innere der Umhüllung geführt wird und isoliert aus der Umhüllung wieder herausgeführt wird, um einen der Kondensatoren 32 zu kontaktieren. Ausgangsseitig ist außerhalb der Umhüllung zwischen der den Eingangselektroden 16, 18 und der Ausgangselektrode 20 jeweils ein Kondensator 32 und ein Widerstand 34 in Serie geschaltet. Die Kondensatoren 32 werden auch als Snubber Kondensatoren bezeichnet. Die Widerstände 34 werden auch als Snubber Widerstände bezeichnet. Die Widerstände 34 stehen mit der Ausgangselektrode in elektrischer Verbindung. Mit dem Kühlelement 30 können die beiden Snubber Widerstände 34 in elektrischer und thermischer Verbindung stehen. Dies hat den Vorteil, dass die Widerstände 34, die oft hoch belastet sind, ebenfalls durch das Kühlelement 30 effektiv gekühlt werden können.
  • In 4 ist eine Aufsicht auf das Leistungshalbleitermodul von 1 und 3 dargestellt. Dargestellt ist die Linie A-B, durch die der Schnitt von 1 geführt ist. Zu sehen ist von oben die Eingangselektrode 16, der Kondensator 24, sowie die obere Druckkontaktplatte 26. Die Richtung der Aufsicht in 4 entspricht hier der Spannrichtung 36. Zu sehen sind von oben die 4 Gewindestangen 60, mit denen die beiden Druckkontaktplatten 26 gespannt werden, um den Spannverbund zu bilden.
  • 5 zeigt ein weiteres Beispiel eines Leistungshalbleitermoduls in Schnittdarstellung. Die Schnittrichtung entspricht der Spannrichtung 36. Gegenüber dem Ausführungsbeispiel aus 1 sind hier zusätzlich ein zweites Kühlelement 44 und ein drittes Kühlelement 46 im Spannverbund angeordnet. Die Kühlelemente 44 und 46 sind ebenfalls bevorzugt von einer Flüssigkeit durchflossen, um die Kühlwirkung zu verbessern. Im dargestellten Beispiel ist die zweite Eingangselektrode 18 gegenüber der ersten Eingangselektrode 16 elektrisch isoliert, jedoch durch eine Isolationsschicht 42 die zugleich sehr gut wärmeleitend ist. Die Isolationsschicht 42 ist bevorzugt eine Keramikschicht. Das zweite Kühlelement 44 und das dritte Kühlelement 46 sind außerhalb der Umhüllung angeordnet, stehen mit ihr jedoch in thermischer Verbindung, um Wärme aus dem Inneren der Umhüllung abzuführen.
  • In 6 ist ein weiteres Beispiel eines Leistungshalbleitermoduls 10 dargestellt. Dargestellt ist ein Schnitt durch das Leistungshalbleitermodul 10 mit Schnittrichtung in Spannrichtung 36 des Spannverbundes. Gegenüber dem in 5 dargestellten Beispiel weist das Leistungshalbleitermodul 10 zusätzlich ein drittes Halbleiterelement 48 und ein viertes Halbleiterelement 50 auf. Das dritte, erste, zweite und vierte Halbleiterelement 48, 12, 14, 50 sind zwischen der ersten Eingangselektrode 16 und der zweiten Eingangselektrode 18 in Serie geschaltet. Das dritte Halbleiterelement 48 ist zwischen der ersten Eingangselektrode 16 und dem ersten Halbleiterelement 12 angeordnet. Zwischen dem dritten Halbleiterelement 48 und dem ersten Halbleiterelement 12 ist ein viertes Kühlelement 52 angeordnet, das das dritte Halbleiterelement 48 und das erste Halbleiterelement 12 elektrisch verbindet. Zugleich führt das vierte Kühlelement 52 Wärme ab. Ein viertes Halbleiterelement ist zwischen dem zweiten Halbleiterelement 14 und der zweiten Eingangselektrode 18 angeordnet. Ein fünftes Kühlelement 54 ist zwischen dem zweiten Halbleiterelement 14 und dem vierten Halbleiterelement 50 angeordnet. Das fünfte Kühlelement 54 verbindet das zweite Halbleiterelement 14 und das vierte Halbleiterelement 50 elektrisch und führt zugleich Wärme ab. Auf der Ausgangsseite sind weitere Kondensatoren 32 und Widerstände 34 wie dargestellt außerhalb der Umhüllung geschaltet. Bevorzugt sind auch hier die Widerstände 34 thermisch mit Kühlelementen 30, 52, 54 verbunden, so dass auch von den Widerständen effizient Wärme abgeführt werden kann.
  • Das 4. Kühlelement 52 und das 5. Kühlelement 54 werden ebenfalls beide durch isoliert aus der Umhüllung nach außen geführt. Die Isolierung erfolgt durch Isolierschichten 22. Auch in diesem Ausführungsbeispiel ist die zweite Eingangselektrode 18 gegenüber der ersten Eingangselektrode 16 durch eine keramische Isolierschicht 42 isoliert. Die keramische Isolierschicht 42 isoliert elektrisch und ist zugleich gut wärmeleitend. Dies dient der optimierten Wärmeabfuhr durch das zweite Kühlelement 44, dass außen auf einer flachen Seite der Umhüllung aufliegt.
  • Die hierin offenbarte erfindungsgemäße Anordnung ist nicht auf die hierin offenbarten Ausführungsformen beschränkt, sondern umfasst jeweils auch gleich wirkende weitere Ausführungsformen, die sich aus technisch sinnvollen weiteren Kombinationen der hierin beschriebenen Merkmale der Schaltungsanordnung ergeben. Insbesondere sind die hierin vorstehend in der allgemeinen Beschreibung und der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen nicht nur in den jeweils hierin explizit angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
  • Bezugszeichenliste
  • 10
    Leistungshalbleitermodul
    12
    erstes Halbleiterelement
    14
    zweites Halbleiterelement
    16
    erste Eingangselektrode
    18
    zweite Eingangselektrode
    20
    Ausgangselektrode
    22
    Isolierung
    24
    Kondensator
    26
    Druckkontaktplatte
    28
    thermische + elektrische Kontaktfläche
    30
    erstes Kühlelement
    32
    Snubber Kondensator
    34
    Snubber Widerstand
    36
    Spannrichtung
    38
    erste Freilaufdiode
    40
    zweite Freilaufdiode
    42
    keramische Isolierung
    44
    zweites Kühlelement
    46
    drittes Kühlelement
    48
    drittes Halbleiterelement
    50
    viertes Halbleiterelement
    52
    viertes Kühlelement
    54
    fünftes Kühlelement
    56
    steuerbarer Leistungshalbleiterschalter
    58
    steuerbarer Leistungshalbleiterschalter
    60
    Gewindestange
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 2012/0112366 A1 [0002]

Claims (16)

  1. Leistungshalbleitermodul (10) mit einem ersten Halbleiterelement (12) und mit einem zweiten Halbleiterelement (14) sowie einer ersten Eingangselektrode (16) und einer zweiten Eingangselektrode (18), wobei das erste Halbleiterelement (12) und das zweite Halbleiterelement (14) zwischen der ersten Eingangselektrode (16) und der zweiten Eingangselektrode (18) elektrisch in Serie geschaltet sind, wobei die erste Eingangselektrode (16) um das erste Halbleiterelement (12) und das zweite Halbleiterelement (14) eine Umhüllung bildet und ein Ende der zweiten Eingangselektrode (18) innerhalb der Umhüllung angeordnet ist und wobei die zweite Eingangselektrode (18) gegenüber der ersten Eingangselektrode (16) elektrisch isoliert ist.
  2. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der Umhüllung ein erstes Kühlelement (30) angeordnet ist, das mit dem ersten und/oder dem zweiten Halbleiterelement (12, 14) thermisch verbunden ist.
  3. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Kühlelement (30) zwischen dem ersten Halbleiterelement (12) und dem zweiten Halbleiterelement (14) angeordnet ist und mit dem ersten und dem zweiten Halbleiterelement (12, 14) elektrisch verbunden ist.
  4. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Kühlelement (30) mit einer Ausgangselektrode (20) in elektrischer Verbindung steht, wobei die Ausgangselektrode (20) von innerhalb der Umhüllung nach außerhalb der Umhüllung durch die Umhüllung geführt wird und gegenüber der Umhüllung elektrisch isoliert ist.
  5. Leistungshalbleitermodul nach einem Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der ersten Eingangselektrode (16) und der Ausgangselektrode (20) und/oder zwischen der zweiten Ausgangselektrode (18) und der Ausgangselektrode (20) ein Kondensator (32) und ein Widerstand (34) in Serie geschaltet ist, wobei der Widerstand (34) mit dem ersten Kühlelement (30) in thermischer Verbindung steht.
  6. Leistungshalbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zweite Halbleiterelement (12, 14) sowie die erste und die zweite Eingangselektrode (16, 18) dazu ausgebildet sind, im Spannverband kontaktiert zu werden.
  7. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Eingangselektrode (18) in Spannrichtung (36) vor dem zweiten Halbleiterelement (14) angeordnet ist und dass das zweite Halbleiterelement in Spannrichtung (36) vor dem ersten Halbleiterelement angeordnet ist.
  8. Leistungshalbleitermodul nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Umhüllung als Hohlzylinder ausgebildet ist, dessen Achse sich in Spannrichtung (36) erstreckt, wobei die Umhüllung am in Spannrichtung (36) vorderen und am in Spannrichtung (36) hinteren Ende von der ersten Eingangselektrode (16) gedeckelt wird.
  9. Leistungshalbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweites Kühlelement (44) vorgesehen ist, das außerhalb der Umhüllung angeordnet ist und mit der Umhüllung in thermischer Verbindung steht.
  10. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Eingangselektrode (16) gegenüber der zweiten Eingangselektrode (18) mittels eines keramischen Materials elektrisch isoliert ist.
  11. Leistungshalbleitermodul nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Kühlelement (44) in Spannrichtung (36) vor der Umhüllung angeordnet ist und mit der vorderen Deckelung des Hohlzylinders in thermischem Kontakt steht.
  12. Leistungshalbleitermodul nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein drittes Kühlelement (46) vorgesehen ist, das in Spannrichtung (36) hinter der Umhüllung angeordnet ist und mit der hinteren Deckelung des Hohlzylinders in thermischem Kontakt steht.
  13. Leistungshalbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein drittes Halbleiterelement (48) und durch viertes Halbleiterelement (50), wobei das erste, das zweite, das dritte und das vierte Halbleiterelement (12, 14, 48, 50) zwischen der ersten Eingangselektrode (16) und der zweiten Eingangselektrode (18) in Serie geschaltet sind, und die erste Eingangselektrode (16) um das erste, das zweite, das dritte und das vierte Halbleiterelement (12, 14, 48, 50) eine Umhüllung bildet.
  14. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der Umhüllung ein viertes und ein fünftes Kühlelement (52, 54) vorgesehen sind, wobei das vierte Kühlelement (52) zwischen dem dritten Halbleiterelement (48) und dem ersten Halbleiterelement (12) angeordnet ist und mit dem ersten und dem dritten Halbleiterelement (12, 48) in thermischem und elektrischem Kontakt steht, und das fünfte Kühlelement (54) zwischen dem zweiten Halbleiterelement (14) und dem vierten Halbleiterelement (50) angeordnet ist und mit dem zweiten und dem vierten Halbleiterelement (14, 50) in thermischem und elektrischem Kontakt steht.
  15. Leistungshalbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zweite Halbleiterelement (12, 14) in jeweils in einer Press-Pack-Zelle angeordnet sind.
  16. Leistungshalbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zweite Halbleiterelement (12, 14) jeweils einen steuerbaren Halbleiterschalter (56, 58) aufweist, dem jeweils eine Freilaufdiode (38, 40) parallelgeschaltet ist.
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