DE112016001711T5 - Leistungselektronikmodul - Google Patents

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Jürgen SCHUDERER
Fabian Mohn
Didier Cottet
Felix Traub
Daniel Kearney
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Hitachi Energy Ltd
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ABB Schweiz AG
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Abstract

Ein Leistungselektronikmodul (10) weist eine erste Flüssigkeitskühleinrichtung (12a) auf, die einen Kühlkanal (22) zur Aufnahme einer Kühlflüssigkeit hat, wobei die erste Flüssigkeitskühleinrichtung (12a) einen Metallkörper (20) hat, der einen ersten Anschluss (24) des Leistungselektronikmoduls (10) bereitstellt; eine zweite Flüssigkeitskühleinrichtung (12b), die einen Kühlkanal (22) zur Aufnahme einer Kühlflüssigkeit hat, wobei die zweite Flüssigkeitskühleinrichtung (12b) einen Metallkörper (20) hat, der einen zweiten Anschluss (24) des Leistungselektronikmoduls (10) bereitstellt; mehrere Halbleiterchips (14), die zwischen der ersten Flüssigkeitskühleinrichtung (12a) und der zweiten Flüssigkeitskühleinrichtung (12b) so angeordnet sind, dass eine erste Elektrode (32a) jedes Halbleiterchips (14) an die erste Flüssigkeitskühleinrichtung (12a) gebunden ist, derart, dass die erste Elektrode (32a) in elektrischem Kontakt mit der ersten Flüssigkeitskühleinrichtung (12a) steht, und eine entgegengesetzte zweite Elektrode (32b) jedes Halbleiterchips (14) in elektrischem Kontakt mit der zweiten Flüssigkeitskühleinrichtung (12b) steht; und eine isolierende Einkapselung (18), die gebildet ist, indem die erste Flüssigkeitskühleinrichtung (12a), die zweite Flüssigkeitskühleinrichtung (12b) und die mehreren Halbleiterchips (14) in ein Isoliermaterial (16) so eingeformt sind, dass die erste Flüssigkeitskühleinrichtung (12a), die zweite Flüssigkeitskühleinrichtung (12b) und die mehreren Halbleiterchips (14) zumindest teilweise in das Isoliermaterial (16) eingebettet sind.

Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Konfektionierung von Hochleitungshalbleitern. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein Leistungselektronikmodul und eine Leistungszelle für einen elektrischen Wandler.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Halbleiterbauteile mit großer Bandlücke, die z.B. auf SiC-Substraten basieren, können höhere maximale Sperrspannungen bereitstellen als vergleichbare Bauteile, die auf Si-Substraten basieren. Die höhere maximale Sperrspannung ermöglicht in Kombination mit geringeren Schaltverlusten von SiC-Halbleiterbauteilen eine größere Flexibilität in einer Wandlerauslegung für Mittelspannungs-(MV)- und Hochspannungs-(HV)-Anwendungen.
  • Zum Beispiel kann der gesamte Spannungsbereich von MV-Anwendungen mit einfachen zweistufigen Spannungsquellenwandlertopologien abgedeckt werden. Höhere Schaltfrequenzen können die Gesamt-Oberschwingungsverzerrung signifikant reduzieren.
  • Für typische zweistufige oder dreistufige Topologien in Hochspannungsanwendungen kann die Anzahl von in Reihe geschalteten Halbleitern drastisch gesenkt werden. Dies kann auch die Anzahl von Gate-Treibern und die Anzahl von gestapelten Kühleinrichtungen und Modulen senken.
  • Für modulare mehrstufige Wandler oder in Kaskade angeordnete Halbbrückentopologien in Hochspannungsanwendungen kann die Anzahl von Wandlerzellen drastisch gesenkt werden. Dies wiederum kann die Anzahl von Gate-Treibern und die Anzahl von gestapelten Kühleinrichtungen und Modulen senken. Darüber hinaus kann das Volumen des gesamten Wandlers erheblich reduziert werden.
  • Außerdem können Hochspannungs-SiC-Bauteile eine höhere Robustheit gegen kosmische Strahlung bieten.
  • Darüber hinaus ermöglichen SiC-Bauteile einen Hochtemperatur- und Hochstrombetrieb und können potenziell eine signifikante Verkleinerung des SiC-Bereichs und der Leistungsmodulgrundfläche ermöglichen.
  • Schließlich können modulare mehrstufige Wandler oder in Kaskade angeordnete Halbbrückentopologien für Hochspannungsanwendungen, die auf SiC beruhen, den Bedarf an einem Kurzschlussausfallmodus-(SCFM)-Betrieb senken.
  • Allerdings kann aufgrund der unterschiedlichen Auslegungs- und Betriebseigenschaften der Halbleiterbauteile mit großer Bandlücke im Vergleich zu Si-Bauteilen ein Bedarf an neuen Konfektionierungskonzepten bestehen, um diese Bauteile in Module einzubauen.
  • Zum Beispiel haben SiC-Bauteile im Vergleich zu herkömmlichen Si-Halbleiterbauteilen eine kleinere Chipfläche und folglich eventuell geringere Nennströme, was es erforderlich machen kann, eine noch größere Anzahl von Bauteilen parallel zu schalten.
  • Darüber hinaus können hohe Verlustdichten eine weiterentwickelte Wärmeverteilung und Kühlung erfordern. Zusätzlich können sehr geringe oder auch negative Temperaturkoeffizienten des Widerstands von SiC-Bipolarbauteilen nach hochgleichmäßigen Temperaturwiderständen an parallelen Bipolarbauteilen verlangen.
  • Höhere Betriebsspannungen können einen höheren Schutz für Teilentladungen an Substratmetallisierungsrändern erforderlich machen. Zum Beispiel können scharfe DBC-Cu-Ränder (DBC – direct bonded copper substrate) und Metallaktivhartlotvorsprünge mit Krümmungen im Mikrometerbereich zu einer erheblichen Feldverdichtung führen und sind bei Ultrahochspannungsanwendungen von besonderer Bedeutung. Höhere Randanschlussflächenfelder können zu einem Bedarf an einer verstärkten Isolationsstärke und einer ausgeschlossenen Kontaminierung und Feuchtigkeitskondensation in Nahbereich des Randanschlusses führen.
  • Schnellere Schaltfähigkeiten können zu höheren Einschaltstößen führen, und es kann ein Bedarf bestehen, eine große Menge an parallelen Bauteilen synchron zu schalten.
  • Das Dokument US 2014/0291832 A1 bezieht sich auf ein Leistungshalbleitermodul mit einem IGBT und einer Diode, die zwischen zwei DBC-(direct copper bonding)-Substraten eingesetzt und in eine Formmasse eingeformt ist. Zwei Kühlschalen sind an die Substrate gebunden.
  • Das Dokument EP 2 270 855 A1 bezieht sich auf ein doppelseitig gekühltes Modul mit zwei Substratplatten und Halbleiterkomponenten zwischen den zwei Substratplatten.
  • Das Dokument DE 41 03486 A1 zeigt eine Kühlanordnung mit einem zwischen zwei flüssigkeitsgekühlten Elektroden angebrachten Halbleiterbauteil. Das Halbleiterbauteil ist in einer Öffnung einer isolierenden Platte angeordnet, die zwischen den zwei Elektroden angeordnet ist.
  • Beschreibung der Erfindung
  • Ein Ziel der Erfindung besteht darin, ein Leistungselektronikmodul bereitzustellen, das die unterschiedlichen Auslegungs- und Betriebseigenschaften von Halbleiterbauteilen mit großer Bandlücke berücksichtigt. Zum Beispiel bietet eine solches Leistungselektronikmodul gute Kühlfähigkeiten in Kombination mit einer gesteigerten elektrischen Isolierung, die Bauteile mit großer Bandlücke für gewöhnlich brauchen.
  • Dieses Ziel wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche erreicht. Weitere beispielhafte Ausführungsformen sind aus den abhängigen Ansprüchen und der folgenden Beschreibung ersichtlich.
  • Ein Aspekt der Erfindung bezieht sich auf ein Leistungselektronikmodul, das z.B. für Hochspannungs-/Gleichstrom-(HVDC)-Anwendungen und/oder für Hoch- und Mittelspannungsleistungswandler verwendet werden kann. Der Begriff „Leistungselektronik“ kann sich auf elektronische Vorrichtungen beziehen, die dazu angepasst sind, Ströme von über 100 A und/oder über 1.000 V zu schalten. Bei Mittelspannung kann es sich um eine Spannung zwischen 1.000 V und 20.000 V handeln. Bei Hochspannung kann es sich um eine Spannung handeln, die höher ist als 20.000 V.
  • Nach einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das Leistungselektronikmodul eine erste und eine zweite Flüssigkeitskühleinrichtung, mehrere Halbleiterchips zwischen den Kühleinrichtungen und eine (elektrisch) isolierende Einkapselung, in welche die Kühleinrichtungen und die Chips zumindest teilweise eingebettet sind.
  • Die erste Flüssigkeitskühleinrichtung weist einen Kühlkanal zur Aufnahme einer Kühlflüssigkeit auf, wobei die erste Flüssigkeitskühleinrichtung einen Metallkörper hat, der einen ersten Anschluss für das Leistungselektronikmodul bereitstellt. Auch die zweite Flüssigkeitskühleinrichtung umfasst einen Kühlkanal zur Aufnahme einer Kühlflüssigkeit, wobei die zweite Flüssigkeitskühleinrichtung einen Metallkörper hat, der einen zweiten Anschluss für das Leistungselektronikmodul bereitstellt. Im Allgemeinen kann jede der Kühleinrichtungen einen Hohlraum im Inneren ihres Metallkörpers haben, der zum Leiten der Kühlflüssigkeit verwendet wird. Darüber hinaus können die Kühleinrichtungen jeweils Anschlüsse oder Stecker bereitstellen, um eine oder mehrere Kühlleitungen mit der jeweiligen Kühleinrichtung zu verbinden.
  • Es kann möglich sein, dass eine Zwischenkühleinrichtung zwischen der ersten und zweiten Kühleinrichtung angeordnet ist, wobei eine erste Lage von Halbleiterchips zwischen der ersten und der Zwischenkühleinrichtung angeordnet ist, und eine zweite Lage von Halbleiterchips zwischen der Zwischenkühleinrichtung und der zweiten Kühleinrichtung angeordnet ist. Solch ein doppelt gestapeltes Modul kann im Hinblick darauf nützlich sein, eine Halbbrücke innerhalb eines Moduls bereitzustellen.
  • Eine, zwei oder alle Kühleinrichtungen können auf Rippen, Mikrokanälen, Minikanälen und/oder Aufprallstrukturen beruhen, die einen sehr geringen und gleichmäßigen Wärmewiderstand an parallelen Halbleiterchips entfalten. Bei Minikanälen kann es sich um Kanäle mit einem Durchmesser von ca. 100 µm bis 1 µm handeln. Bei Mikrokanälen kann es sich um Kanäle mit einem Durchmesser von weniger als ca. 100 µm handeln. Eine Aufprallstruktur kann eine Sprüh- oder Strahlkühlung einer Flüssigkeit auf einer zu kühlenden Fläche umfassen. Es kann auch möglich sein, dass die Kühlflüssigkeit im Inneren einer oder beider der Kühleinrichtungen verdampft (Strömungssieden).
  • Die mehreren Halbleiterchips sind zwischen der ersten Kühleinrichtung und der zweiten Kühleinrichtung angeordnet, derart, dass eine erste Elektrode jedes Halbleiterchips an die erste Kühleinrichtung gebunden ist. Auf eine solche Weise steht die erste Elektrode mit der ersten Flüssigkeitskühleinrichtung in elektrischem Kontakt, und eine entgegengesetzte zweite Elektrode jedes Halbleiterchips steht mit der zweiten Flüssigkeitskühleinrichtung in elektrischem Kontakt. Zum Beispiel kann jede Gegenelektrode über elektrisch leitende Ständer mit der zweiten Kühleinrichtung oder mit der Zwischenkühleinrichtung in Kontakt stehen.
  • Die Kühleinrichtungen können Metallkörper mit im Wesentlichen plattenartigen Formen haben. Die Halbleiterchips können Seite an Seite (in parallelen Reihen und/oder Kolonnen) zwischen zweien der Kühleinrichtungen angeordnet sein. Da die Halbleiterchips direkt an die erste Kühleinrichtung gebunden sind, lassen sich von Metallisierungsrändern eines Substrats (wie etwa eines DBC-Substrats) ausgehende Teilentladungen vermeiden.
  • Die erste und die zweite Kühleinrichtung können Anschlüsse für das Leistungselektronikmodul bereitstellen. Ein Strom kann über den Metallkörper der ersten Kühleinrichtung, der den Strom auf die ersten Elektroden der Halbleiterchips verteilt, in das Modul eintreten und kann das Modul durch den Metallkörper der zweiten Kühleinrichtung verlassen (oder umgekehrt). Es muss klar sein, dass die Kühleinrichtungen von den Halbleiterchips nicht elektrisch isoliert sind.
  • Die Einkapselung wird gebildet, indem die erste Flüssigkeitskühleinrichtung, die zweite Flüssigkeitskühleinrichtung und die mehreren Halbleiterchips so in ein Isoliermaterial eingeformt werden, dass die erste Flüssigkeitskühleinrichtung, die zweite Flüssigkeitskühleinrichtung und die mehreren Halbleiterchips zumindest teilweise in das Isoliermaterial eingebettet sind. Zum Beispiel kann die Anordnung aus Kühleinrichtungen und gebundenen Chips in eine Form eingebracht und in ein sich verfestigendes Isoliermaterial eingegossen werden. Zum Beispiel kann der Raum zwischen den Kühleinrichtungen, der die Chips aufnimmt, vollständig mit dem Isoliermaterial gefüllt sein.
  • Nach einer Ausführungsform der Erfindung sind die erste Kühleinrichtung, die zweite Kühleinrichtung und/oder die Zwischenkühleinrichtung so in das Isoliermaterial eingebettet, dass nur die Anschlüsse und Kühlflüssigkeitsverbindungen aus dem Isoliermaterial vorstehen. Darüber hinaus sind die mehreren Halbleiterchips vollständig in das Isoliermaterial eingebettet. Mit anderen Worten können im Wesentlichen alle Komponenten des Leistungselektronikmoduls in das Isoliermaterial eingebettet sein. Insbesondere können mehr als 90% der Metallflächen der Kühleinrichtungen und alle Chips n das Isoliermaterial eingebettet sein. Auf eine solche Weise kann das Modul eine sehr gute elektrische Isolierung bieten, die sogar für Hochspannungsanwendungen geeignet sein kann, und kann eine sehr gute Kühlung bieten, da die Chips in direktem thermischen Kontakt mit den Metallkörpern der Kühleinrichtungen stehen.
  • Nach einer Ausführungsform der Erfindung hat die erste Kühleinrichtung Hohlräume, in welche die Halbleiterchips eingebunden sind. Auch die Zwischenkühleinrichtung, wenn vorhanden, kann solche Hohlräume auf einer zur zweiten Kühleinrichtung gerichteten Seite haben. Zum Beispiel können solche Hohlräume maschinell in den Metallkörper der jeweiligen Kühleinrichtung eingearbeitet sein. Die Hohlräume können dazu beitragen, eine Breite des gesamten Moduls zu reduzieren und/oder ein Gate-Drahtbond niedrigen Profils an ein Substrat zu ermöglichen. Darüber hinaus können die Hohlräume dazu beitragen, die Chips in Bezug aufeinander und/oder in Bezug auf die Kühleinrichtung auszurichten.
  • Jedoch kann es auch möglich sein, dass die erste Kühleinrichtung (und/oder die Zwischenkühleinrichtung) eine im Wesentlichen planare Fläche auf der Seite der Chips hat, und dass die Chips mit der jeweiligen planaren Elektrode an diese planare Fläche gebunden sind.
  • Nach einer Ausführungsform der Erfindung sind Halbleiterchips an Ständer gebunden, die von der zweiten Flüssigkeitskühleinrichtung und/oder der Zwischenkühleinrichtung vorstehen. Diese Ständer können Teil des Metallkörpers der jeweiligen Flüssigkeitskühleinrichtung sein, d.h. aus demselben Material bestehen wie die jeweilige Kühleinrichtung. Es kann auch möglich sein, dass die Ständer an die jeweilige Flüssigkeitskühleinrichtung gebunden sind.
  • Da die Halbleiterchips direkt an die nächste Flüssigkeitskühleinrichtung gebunden sind, lassen sich von Metallisierungsrändern eines Substrats (wie etwa eines DBC-Substrats) ausgehende Teilentladungen vermeiden. Aufgrund der drahtbondlosen Oberseite der zweiten Elektrode der Chips, können die Chips auch von der Oberseite her gekühlt werden. Darüber hinaus kann das Modul aufgrund der Ständer eine verbesserte Kurzschlussfestigkeit haben.
  • Wie beschrieben, können die Chips und/oder Ständer an eine Kühleinrichtung gebunden sein. In diesem Kontext kann „Binden“ jedes Verfahren zum Verbinden der jeweiligen Elektrode mit der Kühleinrichtung/dem Ständer bedeuten. Zum Beispiel kann es sich bei Binden um Löten oder Sintern, wie etwa druckloses Sintern oder Binden mit transienter Flüssigphase handeln.
  • Nach einer Ausführungsform der Erfindung tragen die Halbleiterchips Halbleiterbauteile mit großer Bandlücke. Zum Beispiel kann es sich bei den Halbleiterchips um SiC-Dioden, Transistoren und/oder Thyristoren handeln, Allerdings können die Halbleiterchips auch aus Si, GaN oder anderen Halbleitermaterialen bestehen, und es kann auch möglich sein, dass verschiedene Halbleitermaterialien in hybriden Lösungsansätze, z.B. Si und SiC, kombiniert sind.
  • Es wäre hervorzuheben, dass die Modulauslegung auch für Si und andere Halbleiter vorteilhaft sein kann und nicht auf SiC beschränkt ist. Zum Beispiel kann das Modul für den Wandler eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs, wie etwa eines Autos, verwendet werden. In dieser EV/HEC-Anwendung kann das Konzept von besonderem Interesse sein, da Kosten und zuverlässigkeitskritische Verschaltungen und Konfektionierungsmaterialen wie etwa DBCs und Grundplatten entfallen können.
  • Nach einer Ausführungsform der Erfindung sind die erste Flüssigkeitskühleinrichtung und die zweite Flüssigkeitskühleinrichtung mit mindestens einem Durchgangsöffnungsstift ausgerichtet. Zum Beispiel können die Metallkörper der Kühleinrichtungen Durchgangsöffnungen haben, die im Wesentlichen orthogonal zur Erstreckung der einen oder zwei Lagen von Halbleiterchips sind. Stifte können in die Durchgangsöffnungen der ersten Kühleinrichtung und der zweiten Kühleinrichtung und/oder der Zwischenkühleinrichtung eingesetzt werden, und diese können mit ihren Durchgangsöffnungen an den Stiften verschlossen werden, was die erste Kühleinrichtung und die zweite und/oder Zwischenkühleinrichtung im Hinblick auf die erste Kühleinrichtung ausrichten kann. Eine solche Ausrichtung könnte insbesondere verwendet werden, wenn die oberseitigen Ständer der Halbleiter Teil einer oberseitigen Kühleinrichtung sind.
  • Nach einer Ausführungsform der Erfindung stellt der Metallkörper der ersten Flüssigkeitskühleinrichtung einen planaren ersten Anschluss bereit, der aus dem Isoliermaterial vorsteht, und die zweite Flüssigkeitskühleinrichtung stellt einen planaren zweiten Anschluss bereit, der aus dem Isoliermaterial in einer entgegengesetzten Richtung vorsteht, so dass das Leistungselektronikmodul mit einem gleich ausgelegten Leistungselektronikmodul stapelbar ist, um das Leistungselektronikmodul mit dem gleich konzipierten Leistungselektronikmodul in Reihe zu schalten. Die planaren Anschlüsse können im Wesentlichen parallel zu einer Erstreckungsrichtung der plattenförmigen Kühleinrichtungen und/oder einer Lage parallelgeschalteter Halbleiterchips sein. Eine Auftürmung aus zwei oder mehr dieser in Reihe geschalteten Leistungselektronikmodulen kann miteinander verklemmt werden.
  • In diesem Fall kann das Isoliermaterial die Kühleinrichtungen und die Chips, mit Ausnahme der planaren Anschlüsse, vollständig umgeben.
  • Nach einer Ausführungsform der Erfindung ist außer einem Halbleiterchip mit einer Gate-Elektrode ein Substrat, das eine Metallisierungsschicht aufweist, so an die erste Flüssigkeitskühleinrichtung gebunden, dass die Metallisierungsschicht von der ersten Flüssigkeitskühleinrichtung elektrisch isoliert ist und die Gate-Elektrode mit einem Drahtbond an die Metallisierungsschicht angeschlossen ist. Wenn eine Zwischenkühleinrichtung vorhanden ist, kann die der zweiten Kühleinrichtung zugewandte Seite der Zwischenkühleinrichtung analog ausgelegt sein.
  • Zum Beispiel kann es sich bei dem Substrat um ein DBC- oder PCB-(gedrucktes Leiterplatten)-Substrat handeln, das gesintert oder mit einer Metallisierungsschicht an die erste Kühleinrichtung gelötet ist und eine zweite Metallisierungsschicht bereitstellt, die von der ersten Kühleinrichtung elektrisch isoliert ist. Die Gate-Elektrode, die auf derselben Seite angeordnet sein kann wie die zweite Elektrode, kann mit einem oder mehreren Drahtbonds mit der Metallisierungsschicht verbunden sein. Es kann auch möglich sein, dass eine Gate-Elektrode und mehr als ein Chip an dieselbe Metallisierungsschicht angeschlossen sind.
  • Nach einer Ausführungsform der Erfindung ist eine elektrisch an einen Gate-Anschluss angeschlossene Feder elektrisch isoliert an der zweiten Flüssigkeitskühleinrichtung angebracht und an die Metallisierungsschicht gepresst. Der Gate-Anschluss kann an der zweiten Kühleinrichtung und/oder der Zwischenkühleinrichtung auf einer der ersten Kühleinrichtung zugewandten Seite vorgesehen sein. Am Gate-Anschluss ist eine Feder für jede Metallisierungsschicht vorgesehen, die an die Metallisierungsschicht gepresst ist, wenn die zweite Kühleinrichtung und/oder Zwischenkühleinrichtung auf der ersten Kühleinrichtung angebracht ist.
  • Das Substrat mit der Metallisierungsschicht, der Gate-Anschluss zwischen den Kühleinrichtungen und/oder die Federn können vollständig in das Isoliermaterial der Einkapselung eingebettet sein.
  • Alternativ ist ein Gate-Anschlussstab so durch die zweite Flüssigkeitskühleinrichtung und/oder die Zwischenkühleinrichtung geführt, dass der die Metallisierungsschicht elektrisch kontaktiert. In diesem Fall kann der Gate-Anschluss auf der Außenseite der zweiten Kühleinrichtung und/oder Zwischenkühleinrichtung vorgesehen sein.
  • Nach einer Ausführungsform der Erfindung befindet sich eine Gate-Steuereinheit, die an den Gate-Anschlussstab angeschlossen ist, an der Einkapselung.
  • Nach einer Ausführungsform der Erfindung stellen die erste Flüssigkeitskühleinrichtung und/oder die zweite Kühleinrichtung mehr als einen an entgegengesetzten Seiten vom Leistungselektronikmodul vorstehenden Anschluss bereit. Zum Beispiel kann es möglich sein, dass sich Anschlüsse des Moduls vom Modul im Wesentlichen parallel zu einer Erstreckungsrichtung der plattenförmigen Kühleinrichtungen und/oder der Lage von Halbleiterchips erstrecken. Es kann möglich sein, dass sich Anschlüsse auf mehr als einer Seite vom Modul erstrecken. In einem Zwischenbereich (zwischen den Anschlüssen) können die Kühleinrichtungen in das Isoliermaterial der Einkapselung eingebettet sein.
  • Nach einer Ausführungsform der Erfindung sind die erste Flüssigkeitskühleinrichtung und die Halbleiterchips innerhalb eines Anschlusskäfigs angeordnet, der aus der zweiten Flüssigkeitskühleinrichtung und einer Anschlussplatte gebildet ist, die parallel zur ersten Flüssigkeitskühleinrichtung und zweiten Flüssigkeitskühleinrichtung angeordnet ist. Es kann möglich sein, dass die zweite Kühleinrichtung und die Anschlussplatte einen Käfig aus elektrischen Leitern um die erste Kühleinrichtung (und optional die Zwischenkühleinrichtung) sowie die Halbleiterchips herum bilden. Dies lässt sich als koaxiale Anschlussanordnung betrachten. Diese Anordnung kann in Bezug auf andere Anordnungen von Anschlüssen und/oder Chips ein härteres und/oder synchroneres Schalten ermöglichen.
  • Um den elektrisch leitenden Käfig zu bilden, können die zweite Flüssigkeitskühleinrichtung und die Anschlussplatte über seitliche Verbindungsplatten miteinander verbunden werden. Zum Beispiel können auf allen Seiten des Moduls die erste Flüssigkeitskühleinrichtung und die Anschlussplatte mit Verbindungsplatten miteinander verbunden sein.
  • Nach einer Ausführungsform der Erfindung ist mindestens eine der Flüssigkeitskühleinrichtungen der Leistungselektronik aus Kupfer, Aluminium, AlSiC, Molybdän und/oder Legierungen dieser Materialien hergestellt. Der Metallkörper der Flüssigkeitskühleinrichtung, der die Kühlkanäle als Hohlräume enthalten und/oder die Anschlüsse bereitstellen kann, kann aus einem Stück sein. Zum Beispiel kann die Kühleinrichtung zusammen mit dem Kühlkanal, den Hohlräumen für die Chips und/oder den Ständern aus Aluminium oder Kupfer gegossen sein.
  • Nach einer Ausführungsform der Erfindung weist das Leistungselektronikmodul darüber hinaus ein Gehäuse auf, das die Flüssigkeitskühleinrichtungen und die Halbleiterchips aufnimmt, die in das Isoliermaterial eingebettet sind, hier ist das Gehäuse mit einem explosionsabschwächenden Material (wie etwa Sand) gefüllt, das die Flüssigkeitskühleinrichtungen und die Halbleiterchips umgibt. Ein oder mehrere Leistungselektronikmodul/e kann bzw. können in einen explosionsgeschützten Kasten eingesetzt sein, um einen offenen Lichtbogenüberschlag und/oder ein Zersplittern von Teilen zu verhindern.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung bezieht sich auf ein Halbbrücken-Leistungselektronikmodul, das auf der Auslegung des Leistungselektronikmoduls beruht.
  • Nach einer Ausführungsform der Erfindung weist das Halbbrücken-Leistungselektronikmodul die erste Flüssigkeitskühleinrichtung, die einen ersten Gleichstrom-DC-Anschluss bereitstellt, die zweite Flüssigkeitskühleinrichtung, die einen zweiten DC-Anschluss bereitstellt, und die Zwischenkühleinrichtung auf, die einen Kühlkanal zur Aufnahme einer Kühlflüssigkeit hat, wobei die Zwischenkühleinrichtung einen Metallkörper aufweist, der einen Wechselstrom-AC-Anschluss des Leistungselektronikmoduls bereitstellt. Eine erste Lage von Halbleiterchips ist an die erste Flüssigkeitskühleinrichtung gebunden und steht über elektrisch leitende Ständer mit der Zwischenkühleinrichtung in elektrischem Kontakt. Darüber hinaus ist eine zweite Lage von Halbleiterchips an die Zwischenkühleinrichtung gebunden und steht über elektrisch leitende Ständer mit der zweiten Flüssigkeitskühleinrichtung in elektrischem Kontakt.
  • Die Halbleiterchips der ersten Lage (bei denen es sich um Transistoren und/oder Thyristoren handeln kann) können einen ersten Schenkel der Halbbrücke bereitstellen. Die Halbleiterchips der zweiten Lage (bei denen es sich um Transistoren und/oder Thyristoren handeln kann) können einen zweiten Schenkel der Halbbrücke bereitstellen. Die Kühleinrichtungen können die AC- und DC-Anschlüsse der Halbbrücke bereitstellen.
  • Eine solche gestapelte Doppelauslegung kann ein synchrones Schalten aller Halbleiterchips einer Lage ermöglichen. Darüber hinaus kann die gestapelte Doppelauslegung mir einer wie zuvor beschriebenen koaxialen Anschlussanordnung kombiniert werden, was auch die Schaltfähigkeiten des Halbbrückenmoduls steigern kann.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung bezieht sich auf eine Leistungszelle für einen elektrischen Wandler, wie etwa einen modularen und/oder mehrstufigen Wandler.
  • Nach einer Ausführungsform der Erfindung umfasst die Leistungszelle mindestens einen Kondensator und mindestens ein wie vorstehend und im Folgenden beschriebenes Leistungselektronikmodul, das am Kondensator montiert ist. Die Flüssigkeitskühleinrichtungen und die Halbleiterchips, die in ein festes Isoliermaterial eingebettet sind, können eine kompakte Anordnung von Leistungsmodulen und nahe daran befindlichen Wandlerteilen ermöglichen. Solche Leistungsmodule können direkt an einem Zwischenkreiskondensator oder an einem Zellenkondensator montiert werden.
  • Zum Beispiel kann der Kondensator Anschlüsse bereitstellen, an welche die Anschlüsse des Leistungsmoduls direkt angeschlossen werden. Es kann sein, dass kein Bedarf an Sammelschienen oder vergleichbaren Leitern besteht, um das Leistungselektronikmodul elektrisch an den Kondensator anzuschließen. Dies kann auch zu einer geringeren Induktivität der elektrischen Verbindung zwischen dem Kondensator und dem Leistungselektronikmodul führen, was Vorteile im Hinblick auf Einschaltstöße und Schaltgeschwindigkeit haben kann.
  • Diese und andere Aspekte der Erfindung werden mit Bezug auf die im Folgenden beschriebenen Ausführungsform offensichtlich und verdeutlicht.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Der Gegenstand der Erfindung wird im folgenden Text mit Bezug auf beispielhafte Ausführungsformen, die in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind, ausführlicher erläutert.
  • 1 zeigt schematisch eine Querschnittsansicht eines Leistungselektronikmoduls nach einer Ausführungsform der Erfindung.
  • 2 zeigt schematisch eine Querschnittsansicht eines Teils eines Leistungselektronikmoduls nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
  • 3 zeigt schematisch eine Querschnittsansicht eines Leistungselektronikmoduls nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
  • 4 zeigt schematisch eine Querschnittsansicht von zwei gestapelten Leistungselektronikmodulen nach einer Ausführungsform der Erfindung.
  • 5 zeigt schematisch eine Querschnittsansicht eines Halbbrückenmoduls nach einer Ausführungsform der Erfindung.
  • 6 zeigt schematisch eine Querschnittsansicht eines Halbbrückenmoduls nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
  • 7 zeigt schematisch eine Querschnittsansicht eines Halbbrückenmoduls nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
  • 8 zeigt schematisch eine perspektivische Ansicht von Komponenten eines Halbbrückenmoduls nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
  • 9 zeigt schematisch eine Querschnittsansicht eines Halbbrückenmoduls nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
  • 10 zeigt schematisch eine perspektivische Ansicht einer Wandlerleistungszelle nach einer Ausführungsform der Erfindung.
  • Die in den Zeichnungen verwendeten Bezugszeichen und ihre Bedeutungen sind in zusammengefasster Form in der Bezugszeichenliste aufgelistet. Im Prinzip sind identische Teile in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
  • Ausführliche Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen
  • 1 zeigt ein Leistungselektronikmodul 10, das eine erste Flüssigkeitskühleinrichtung 12a, eine zweite Flüssigkeitskühleinrichtung 12b und mehrere Halbleiterchips 14 aufweist, die zwischen den Kühleinrichtungen 12a, 12b eingesetzt sind. Die Halbleiterchips 14 und die Kühleinrichtungen 12 sind in ein Isoliermaterial 16 eingebettet, das eine Einkapselung 18 des Leistungselektronikmoduls 10 bildet.
  • Jede der Kühleinrichtungen 12a, 12b hat einen z.B. aus Kupfer oder Aluminium gebildeten Metallkörper 20, der einen Kühlkanal 22 enthält. Der Metallkörper 20 hat eine im Wesentlichen plattenartige Form und stellt (in 1 auf einer Seite des Leistungselektronikmoduls 10) einen Anschluss 24 des Leistungselektronikmoduls 10 bereit. Auf der anderen Seite ist eine Kühlverbindung oder ein Stecker 26, der aus Kunststoff hergestellt sein kann, am Metallkörper 20 angebracht und aus dem Isoliermaterial 16 hervor. Der Metallkörper 20 der Kühleinrichtung 12a, 12b ist mit Ausnahme des Anschlusses 24 in das Isoliermaterial 16 eingebettet.
  • Die Sägezahnlinie auf der Seite der Anschlüsse zeigt ein Oberflächenmuster 28 im Isoliermaterial zum Erhöhen der Kriechstrecke zwischen den Anschlüssen 24 an.
  • Der Metallkörper 20 der Kühleinrichtungen kann eine Breite (orthogonal zur Plattenerstreckung des Metallkörpers 20) von ca. 1 bis 2 cm haben, um zu vermeiden, dass eine Lichtbogenerosion die Kühlflüssigkeit erreichen kann.
  • Die Kühleinrichtungen 12a, 12b können eine keramische Schutzschicht oder Kunststoffbeschichtung im Inneren des Kühlkanals 20 und/oder an der Außenfläche haben, um die Position eines Lichtbogens zu beeinflussen.
  • Die Kühleinrichtungen 12a, 12b können auf Rippen, Minikanälen (ca. 100 µm bis 1 mm), Mikrokanälen (kleiner als 100 µm) und/oder Aufprallstrukturen für deionisiertes Wasser beruhen. Für sehr hohe Wärmewiderstandshomogenitätsanforderungen können die Kühlkanäle 20 entweder in einer normalen Flüssigkeitsdurchflussauslegung angeordnet und/oder zum Evaporationssieden mit einer geeigneten Wärmeübertragungsflüssigkeit ausgelegt sein. Falls eine hohe Kühlleistung erforderlich ist, kann ein Aufprallkühlungslösungsansatz ins Auge gefasst werden, bei dem eine Kühlflüssigkeit mit Düsen auf einen Kühlbereich aufgesprüht wird. Die Kühlverbindungen oder Stecker 26 und/oder die Leistungsanschlüsse 24 können an separate Bussysteme angeschlossen sein.
  • In 1 sind die Chips 14, bei denen es sich um Dioden, Transistoren oder Tyristoren handeln kann, die auf einem SiC-Substrat oder einem Si-Substrat beruhen, in einer Lage 30 angeordnet, die im Wesentlichen parallel zur Erstreckung der plattenartig geformten Metallkörper 20 der Kühleinrichtungen 12a, 12b ist. Die Chips 14 können in Reihen und Kolonnen, d.h. in zwei Dimensionen angeordnet sein.
  • Jeder der Chips 14 hat einen Körper mit einer planaren ersten Elektrode 32a auf einer Seite und einer planaren zweiten Elektrode 32b auf einer entgegengesetzten Seite.
  • Die erste Elektrode 32a ist an eine Fläche der erste Kühleinrichtung 12a gebunden (gesintert oder gelötet). Wie in 1 angegeben, kann die erste Kühleinrichtung 12a Hohlräume oder Vertiefungen 34 haben, in denen die Chips 14 untergebracht sind. Diese Hohlräume können dazu beitragen, viele Chips 14 auszurichten, verschiedene Chiphöhen (z.B. Schalter und Diode) einzustellen, und ein Gate-Drahtbond niedrigen Profils an ein Substrat zu ermöglichen. Zum Beispiel können die Hohlräume 34 maschinell in den Metallkörper 20 der Kühleinrichtung 12a eingearbeitet werden, und danach können die Chips 14 in die Hohlräume 34 eingesintert werden.
  • In 1 sind parallelgeschaltete Freilaufdioden und parallelgeschaltete Schalter (Transistoren oder Thyristoren) gezeigt, die unterschiedliche Höhen haben, die durch verschieden tiefe Hohlräume 34 ausgeglichen sind.
  • Die zweite Elektrode 32b jedes Chips ist an einen Ständer 36 gebunden, der ein Teil des Metallkörpers 20 (z.B. ein maschinell ausgearbeitetes Teil) der Kühleinrichtung 12b sein kann, oder kann an die Kühleinrichtung 12b gebunden sein. Wenn der Ständer 36 ein separates Teil ist, kann er zuerst an den Chip 14 und dann an die Kühleinrichtung 12b gebunden werden. Die Ständer 36 können aus Kupfer (Cu), Aluminium (Al) oder Molybdän (Mo) hergestellt sein. Die Verbindung mit den Ständern 36 ist mit der Spannung skalierbar, längere Ständer 36 können für höhere Spannungen verwendet werden. Die Ständer können aus Al hergestellt sein, oder eine Al-Platte kann zwischen den Chips 14 und den Ständern 36 vorgesehen werden, um eine SCFM-(Kurzschlussausfallmodus)-Entstehung für Si-Halbleiterchips 14 (d.h. eine Entstehung einer Si/Al-Legierung geringen Widerstands unter Kurzschlussausfall) zuzulassen.
  • Da die Chips 14 über Ständer, die auch eine gute Wärmeleitfähigkeit bereitstellen können, direkt an der Kühleinrichtung 12a und der Kühleinrichtung 12b montiert sind, ist der Kühlpfad vom Isolierpfad entkoppelt. Die Kühlleistung ist für eine Ultrahochspannungsanwendung skalierbar.
  • Es ist möglich, eine Mo-Pufferplatte 38 zwischen dem Chip 14 und dem Ständer 36 und/oder dem Ständer 36 und der Kühleinrichtung 12b hinzuzufügen. Auch die Elektrode 32a kann mit einer Mo-Pufferplatte 38 geschützt werden. Diese Pufferplatten 38/Pufferschichten können die Anpassung des Wärmedehnungskoeffizienten an SiC verbessern, z.B. um die Belastung während einer Temperaturwechselbeanspruchung zu senken.
  • Die Chips 14 sind durch die erste Kühleinrichtung 12a mit ihren Elektroden 32a und durch die zweite Kühleinrichtung 12b mit ihren Elektroden 32b parallelgeschaltet. Ein Strom kann durch einen der Anschlüsse 24 in das Leistungselektronikmodul 10 eintreten, wird durch eine der Kühleinrichtungen 12a, 12b an die parallelgeschalteten Chips 14 verteilt und kann durch die andere eine Kühleinrichtung 12a, 12b gesammelt werden, wobei er das Leistungselektronikmodul durch den anderen Anschluss 24 verlässt.
  • Da die Chips 14 direkt an die Kühleinrichtungen 12a, 12b angeschlossen sind, die auch zur Stromleitung verwendet werden, können DBC-Substrate zum Zusammenschalten der Chips 14 mit den Kühleinrichtungen 12a, 12b und somit Teilentladungen vermieden werden, die durch scharfe Metallisierungskanten entstehen können. Um Teilentladungen weiter zu reduzieren, können die Ränder der Kühleinrichtungen 12a, 12b abgerundet sein.
  • Darüber hinaus kann die vorliegende Auslegung eine verbesserte Stoßstromwiderstandsfähigkeit aufgrund der großflächigen Kontakte auf beiden Seiten der Chips 14 und der hohen thermischen Massen (der Metallkörper 20) bereitstellen, die mit einem geringen Wärmewiderstand angebracht sind.
  • Gate-Verbindungen für Schalter, d.h. Chips 14 mit Gate-Elektroden 40, können mit Bonddrähten 42 realisiert werden. Außer dem entsprechenden Chip 14 (und/oder außer dem entsprechenden Hohlraum 34) kann ein Substrat 44 mit einer Metallisierungsschicht 46 angebracht (geklebt, gebondet, gesintert oder gelötet) werden. Die Gate-Elektrode 40 eines oder mehrerer Chips 14 kann mit Drahtbonds 42 mit der Metallisierungsschicht 46 verbunden werden. Zum Beispiel kann das Substrat 44 als Sammelleitung neben einer Reihe von Chips 14 angeordnet sein.
  • Die Metallisierungsschicht 46 des Substrats 44 kann durch eine oder mehrere Feder/n 48 kontaktiert sein, die an der Kühleinrichtung 12b befestigt ist bzw. sind. Die Federn 48 können elektrisch an einen Gate-Anschluss 50, der an der Kühleinrichtung 12b befestigt ist, wie etwa einer isolierten Platte wie einer PCB oder einer metallisierten Flexfolie wie Cu/Polyimid angeschlossen sein. Auf eine solche Weise lässt sich eine gering induktive und/oder symmetrische Gate-Verbindung durch parallele Chips 14 realisieren.
  • Die Kühleinrichtungen 12a, 12b können Durchgangsöffnungen haben, die im Wesentlichen orthogonal zur Erstreckung der plattenförmigen Metallkörper 20 und der Lage 30 von Chips 14 sind. Durch diese Durchgangsöffnungen können sich Stifte 52 erstrecken, die zum Ausrichten und/oder Fixieren der Kühleinrichtungen 12a, 12b in Bezug aufeinander verwendet werden.
  • Die Chips 14 und Kühleinrichtungen 12a, 12b sind in ein festes Isoliermaterial 16, zum Beispiel in einer Formpressmasse und/oder einer Spritzpressmasse eingebettet. Das Isoliermaterial 16 kann einen Wärmedehnungskoeffizienten (CTE) haben, der an das Material der Kühleinrichtungen 12a, 12b (wie etwa Cu oder Al) angepasst ist. Aufgrund dieser CTE-Anpassung können Verwerfungsprobleme nach der Formgebung vermieden werden.
  • Außer den Anschlüssen 24 und den Verbindungen 26 können alle Teile des Leistungselektronikmoduls 10, zum Beispiel auch die Federn 48, die Substrate 44 und ein Großteil des Gate-Anschlusses 50 feststoffisoliert sein. Dies kann eine kompakte Anordnung mehrere Leistungsmodule 10 und nahe befindlicher Wandlerteile sowie neue Wandlerintegrationslösungsansätze ermöglichen, da Kriech- und Luftüberschlagstrecken weitgehend reduziert werden können.
  • Bei dem Isoliermaterial 16 kann es sich um eine Epoxidformmasse handeln, die einen signifikant geringeren Feuchtigkeitsdiffusionskoeffizienten haben kann als Silikongel, so dass sich Probleme eines Eindringens von Feuchtigkeit in den Randanschluss lindern lassen.
  • Bei dem Isoliermaterial 16 kann es sich auch um Silikonkautschuk handeln. Die Materialweichheit kann dazu beitragen, ein Zersplittern von Teilen unter Kurzschlussbedingungen zu vermeiden. Es ist auch möglich, ein weiches und hartes Isoliermaterial im Modul 10 zu kombinieren, um Überdruckgas entlang des weichen Materials zu einem Entlüftungsbereich des Moduls 10 oder Wandlers zu leiten.
  • 2 zeigt einen Teil des Leistungselektronikmoduls 10 mit einer alternativen Gate-Verbindung. In diesem Fall hat die Kühleinrichtung 12b Durchgangsöffnungen, in denen Gate-Anschlussstäbe 54 so durch die Kühleinrichtung 12b geführt sind, dass die Stäbe 54 die Metallisierungsschicht 46 elektrisch kontaktieren. Diese Stäbe 54 können an einen Gate-Anschluss an der Oberseite der Kühleinrichtung 12b angeschlossen sein, oder können zwischen den Kühleinrichtungen 12a, 12b an einen Gate-Anschluss 50 angeschlossen sein, der an der Innenseite der Kühleinrichtung 12b angebracht ist. Die anderen Teile des Moduls 10 von 2 können wie mit Bezug auf 1 beschrieben gleich ausgelegt sein,
  • Darüber hinaus kann es möglich sein, dass eine an den Gate-Anschlussstab 54 angeschlossene Gate-Steuereinheit 55 (die zum Beispiel eine gedruckte Leiterplatte mit Steuer- und optional Schutzkomponenten umfasst) an der Einkapselung 18 angeordnet ist. Die Gate-Steuereinheit 55 kann dem Stab 54 oben auf dem Leistungsmodul 10 sehr nahe angeordnet sein. Da sich die Kühleinrichtung 12b dann zwischen der Gate-Steuereinheit 55 und den Halbleiterchips 14 befinden kann, lässt sich eine gute thermische Entkopplung erzielen. Auf diese Weise sind eventuell ein Hochtemperatur-Halbleiterbetrieb, wie er z.B. durch SiC ermöglicht wird, und eine Tieftemperaturleistung von Steuerelektronikkomponenten der Gate-Steuereinheit 55 kein Problem.
  • 3 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Leistungselektronikmoduls 10, das planare Anschlüsse 24‘ auf Seiten des Moduls 10 hat, die sich im Wesentlichen in derselben Richtung erstrecken wie die Lage der Chips 14 und/oder die plattenartig geformten Kühleinrichtungen 12a, 12b. Die planaren Anschlüsse 24‘ können aus dem Isoliermaterial 16 vorstehen, das alle anderen Teile der Kühleinrichtungen 12a, 12b in entgegengesetzten Richtungen einbetten kann.
  • Für eine Reihenschaltung können zwei oder mehr eines solchen Moduls 10 aufeinandergestapelt und zusammengeklemmt werden. Die anderen Teile des Moduls 10 der 3 können auch wie mit Bezug auf 1 und/oder 2 beschrieben ausgelegt sein.
  • 4 zeigt, dass zwei Leistungselektronikmodule 10 nach 1 ohne Verklemmen zusammen gestapelt werden können. Die Module 10 können planare Seiten haben (die durch die Einkapselung 18 bereitgestellt sein können) und können aufeinandergestapelt sein. Für eine Reihenschaltung der Module 10, kann der durch die Kühleinrichtung 12b des unteren Moduls 10 bereitgestellte Anschluss 24, der oben aus der Einkapselung austritt, mit dem durch die Kühleinrichtung 12a des oberen Moduls bereitgestellten Anschluss 24 zusammengeschaltet werden, der unten aus der Einkapselung austritt. Es ist kein mechanisches Verklemmen der Module 10 notwendig.
  • 5 kann eine aus zwei Modulen 10 bestehende Halbbrücke bereitstellen. Die äußeren Anschlüsse 24 sind dann der DC-Anschluss. Die zwei verbundenen inneren Anschlüsse 24 sind dann der AC-Anschluss der Halbbrücke.
  • 5 zeigt ein Halbbrückenmodul 10‘, das eine Zwischenkühleinrichtung 12c zwischen den Kühleinrichtungen 12a, 12b aufweist. Zwischen der ersten Kühleinrichtung 12a und der Zwischenkühleinrichtung 12c ist eine erste Lage 30 von Chips angeordnet, und zwischen der Zwischenkühleinrichtung 12c und der zweiten Kühleinrichtung 12b ist eine zweite Lage 30 von Chips angeordnet. Die Kühleinrichtungen 12a, 12b sind wie in den vorhergehenden Figuren ausgelegt.
  • Die der Kühleinrichtung 12a zugewandte Seite der Zwischenkühleinrichtung 12c ist wie die den Chips 14 zugewandte Seite der Kühleinrichtung 12b ausgelegt, und die der Kühleinrichtung 12b zugewandte Seite der Zwischenkühleinrichtung 12c ist wie die den Chips 14 zugewandte Kühleinrichtung 12a ausgelegt.
  • Der Kühlkanal 22 der Zwischenkühleinrichtung 12c kann wie derjenige der Kühleinrichtungen 12a, 12b ausgelegt sein.
  • Auch die Zwischenkühleinrichtung 12c kann mit den Durchgangsöffnungsstäben 52 ausgerichtet und/oder fixiert sein.
  • Die Lagen 30 von Chips stellen jeweils einen Schenkel einer Halbbrücke bereit, der in das Modul 10‘ integriert ist. Bei den durch die Kühleinrichtungen 12a, 12b bereitgestellten Anschlüssen 24 handelt es sich um DC-Anschlüsse der Halbbrücke. Die Lagen 30 von Chips 14 sind jeweils durch die Zwischenkühleinrichtung 12c parallelgeschaltet, die auch einen AC-Anschluss 24‘ der Halbbrücke bereitstellt.
  • Die Doppelanordnung von 5 kann im Vergleich zu 4 eine dünnere Konstruktion ermöglichen und kann deshalb eine geringere Schleifeninduktivität haben.
  • 6 zeigt ein Halbbrückenmodul 10‘ mit Anschlüssen 24 auf beiden Seiten der Einkapselung 18. Mehrere Anschlüsse 24 können zur symmetrischen Verbindung um den Umfang des Moduls 10 herum angeordnet sein. Auch die Ausführungsform von 1 bis 4 kann mit solchen Anschlüssen 24 versehen werden. Eine solche Anordnung von Anschlüssen 24 kann die Impedanzen zwischen den Anschlüssen 24 und den Chips 14 ausgleichen.
  • 7 zeigt ein Halbbrückenmodul 10‘, bei dem die erste Kühleinrichtung 12a, die Zwischenkühleinrichtung 12c und die Chips 14 im Inneren eines Anschlusskäfigs 56 angeordnet sind, der sich aus der zweiten Kühleinrichtung 12b, einer Anschlussplatte 58 unter (außerhalb) der ersten Kühleinrichtung 12a und seitlichen Verbindungsplatten 60 zusammensetzt, welche die Anschlussplatte 58 und die zweite Kühleinrichtung 12b miteinander verbinden. Der der zweiten Kühleinrichtung 12b entsprechende Anschluss 24 ist durch die Anschlussplatte 58 bereitgestellt.
  • 7 zeigt eine perspektivische Ansicht der Kühleinrichtungen 12a, 12b, 12c, Chips 14 und des Anschlusskäfigs 56 von 7. Der Anschlusskäfig 56 und die Kühleinrichtung 12a lassen sich als eine „koaxiale“ Anschlussanordnung betrachten, die eine hohe Schleifeninduktivitätsreduktion und eine ausgeglichenere Anschluss-Chip-Impedanz haben kann.
  • Mit Ausnahme des Anschlusskäfigs 56 kann das Modul 10‘ von 7 wie das Modul 10‘ von 5 ausgelegt sein. Darüber hinaus ist es auch möglich, dass das Modul 10 von 1 und 2 mit nur einer Lage 30 von Chips 14 mit einem Anschlusskäfig 56 nach 7 und 8 versehen wird.
  • In 8 ist darüber hinaus gezeigt, dass die Anschüsse 24 DC+ und DC– in einer niedriginduktiven Parallelplattenauslegung in das Modul 10‘ eintreten. Die (obere) DC-Kühleinrichtung 12b ist an die (untere) DC-Anschlussplatte 58 über mehrere vertikale Platten 60 um den Umfang des Moduls 10 herum angeschlossen. In 8 sind zwei vertikale Platten 60 auf jeder Seite des Moduls 10‘ als Beispiel gezeigt. Allerdings ist es möglich, dass mehr als zwei Platten 60 pro Seite vorgesehen sind.
  • 9 zeigt, dass das Halbbrückenmodul 10‘ von 5 bis 8 im Inneren eines explosionsgeschützten Gehäuses 62 angeordnet sein kann. Das Gehäuse 62 kann auch mit einem explosionsabschwächenden Material 64 wie etwa Sand gefüllt sein. Nur der Anschluss 24 und die Verbindungen 26 können aus dem Gehäuse 62 nach außen dringen.
  • Es sollte klar sein, dass auch ein wie mit Bezug auf 1 bis 3 beschriebenes Modul 10 in einem weiteren, wie mit Bezug auf 9 beschriebenen Gehäuse 62 untergebracht werden kann.
  • 10 zeigt eine Wandlerleistungszelle 66 mit Kondensatoren 68 und Halbbrückenmodulen 10‘. Eines der Module 10‘ ist ohne sein Gehäuse 18 gezeigt.
  • Die Halbbrückenmodule 10 sind mit ihren Anschlüssen 24 direkt an die Anschlüsse 70 der Kondensatoren 68 angeschlossen. Es ist keine externe Sammelschiene nötig. Es kann auch möglich sein, die Module in das Gehäuse der Kondensatoren 68 zu integrieren, um die Funktionalität des Kondensatorgehäuses (Überdruckableitung, explosionsgeschützte Umschließung, etc.) weiter zu nutzen.
  • Obwohl die Erfindung in den Zeichnungen und der vorstehenden Beschreibung ausführlich dargestellt und beschrieben wurde, sind die derartige Darstellung und Beschreibung als illustrativ oder beispielhaft und nicht einschränkend zu erachten; die Erfindung ist nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt. Andere Abänderungen an den offenbarten Ausführungsformen werden sich den Fachleuten auf dem Gebiet, welche die beanspruchte Erfindung in die Praxis umsetzen, aus einem Studium der Zeichnungen, der Offenbarung und den beigefügten Ansprüchen erschließen und durchführen lassen. In den Ansprüchen schließt das Wort „aufweisend“ andere Elemente oder Schritte nicht aus, und der unbestimmte Artikel „ein, eine, eines, einer“ schließt eine Vielzahl nicht aus. Ein einzelner Prozessor oder eine einzelne Steuerung oder Einheit kann die Funktionen mehrerer in den Ansprüchen angegebener Gegenstände erfüllen. Die bloße Tatsache, dass bestimmte Maßnahmen in zueinander unterschiedlichen abhängigen Ansprüche aufgeführt sind, bedeutet nicht, dass eine Kombination dieser Maßnahmen nicht zum Vorteil gereichend eingesetzt werden kann. Jegliche Bezugszeichen in den Ansprüchen sollten nicht als den Umfang einschränkend aufgefasst werden.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Leistungselektronikmodul
    12a
    Kühleinrichtung
    12b
    Kühleinrichtung
    14
    Halbleiterchip
    16
    Isoliermaterial
    18
    Einkapselung
    20
    Metallkörper
    22
    Kühlkanal
    24
    Anschluss
    26
    Kühlverbindung
    28
    Oberflächenmuster
    30
    Lage von Chips
    32a
    erste Elektrode
    32b
    zweite Elektrode
    34
    Hohlraum
    36
    Ständer
    38
    Molybdän-Platte
    40
    Gate-Elektrode
    42
    Bonddraht
    44
    Substrat
    46
    Metallisierungsschicht
    48
    Federkontakt
    50
    Gate-Anschluss
    52
    Stift
    54
    Gate-Anschlussstab
    55
    Gate-Steuereinheit
    24‘
    planarer Anschluss
    10‘
    Halbbrückenmodul
    12c
    Zwischenkühleinrichtung
    24‘‘
    AC-Anschluss
    56
    Anschlusskäfig
    58
    Anschlussplatte
    60
    Verbindungsplatte
    62
    explosionsgeschütztes Gehäuse
    64
    explosionsabschwächendes Material
    66
    Wandlerzelle
    68
    Kondensator
    70
    Anschluss

Claims (15)

  1. Leistungselektronikmodul (10), Folgendes aufweisend: eine erste Flüssigkeitskühleinrichtung (12a), die einen Kühlkanal (22) zur Aufnahme einer Kühlflüssigkeit hat, wobei die erste Flüssigkeitskühleinrichtung (12a) einen Metallkörper (20) hat, der einen ersten Anschluss (24) des Leistungselektronikmoduls (10) bereitstellt; eine zweite Flüssigkeitskühleinrichtung (12b), die einen Kühlkanal (22) zur Aufnahme einer Kühlflüssigkeit hat, wobei die zweite Flüssigkeitskühleinrichtung (12b) einen Metallkörper (20) hat, der einen zweiten Anschluss (24) des Leistungselektronikmoduls (10) bereitstellt; mehrere Halbleiterchips (14), die zwischen der ersten Flüssigkeitskühleinrichtung (12a) und der zweiten Flüssigkeitskühleinrichtung (12b) so angeordnet sind, dass eine erste Elektrode (32a) jedes Halbleiterchips (14) an die erste Flüssigkeitskühleinrichtung (12a) gebunden ist, derart, dass die erste Elektrode (32a) in elektrischem Kontakt mit der ersten Flüssigkeitskühleinrichtung (12a) steht, und eine entgegengesetzte zweite Elektrode (32b) jedes Halbleiterchips (14) in elektrischem Kontakt mit der zweiten Flüssigkeitskühleinrichtung (12b) steht; eine isolierende Einkapselung (18), die gebildet ist, indem die erste Flüssigkeitskühleinrichtung (12a), die zweite Flüssigkeitskühleinrichtung (12b) und die mehreren Halbleiterchips (14) in ein Isoliermaterial (16) so eingeformt sind, dass die erste Flüssigkeitskühleinrichtung (12a), die zweite Flüssigkeitskühleinrichtung (12b) und die mehreren Halbleiterchips (14) zumindest teilweise in das Isoliermaterial (16) eingebettet sind.
  2. Leistungselektronikmodul (10) nach Anspruch 1, wobei die erste Kühleinrichtung (12a) und die zweite Kühleinrichtung (12b) so in das Isoliermaterial (16) eingebettet sind, dass nur die Anschlüsse (24) und die Kühlflüssigkeitsverbindungen (26) aus dem Isoliermaterial (16) vorstehen; und/oder wobei die mehreren Halbleiterchips (14) vollständig in das Isoliermaterial (16) eingebettet sind.
  3. Leistungselektronikmodul (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die erste Kühleinrichtung (12a) Hohlräume (34) hat, in welche die Halbleiterchips (14) eingebunden sind.
  4. Leistungselektronikmodul (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Halbleiterchips (14) an Ständer (36) gebunden sind, die von der zweiten Flüssigkeitskühleinrichtung (12b) vorstehen; und/oder wobei mindestens einer der Ständer (36) ein Teil des Metallkörpers (20) der zweiten Flüssigkeitskühleinrichtung (12b) ist, oder mindestens einer der Ständer (36) an die zweite Flüssigkeitskühleinrichtung (12b) gebunden ist.
  5. Leistungselektronikmodul (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Halbleiterchips (14) Halbleiterbauteile mit großer Bandlücke tragen.
  6. Leistungselektronikmodul (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Flüssigkeitskühleinrichtung (12a) und die zweite Flüssigkeitskühleinrichtung (12b) mit mindestens einem Durchgangsöffnungsstift (52) ausgerichtet sind.
  7. Leistungselektronikmodul (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Metallkörper (20) der ersten Flüssigkeitskühleinrichtung (12a) einen planaren ersten Anschluss (24‘) bereitstellt, der aus dem Isoliermaterial (16) vorsteht, und der Metallkörper (20) der zweiten Flüssigkeitskühleinrichtung (12b) einen planaren ersten Anschluss (24‘) bereitstellt, der aus dem Isoliermaterial (16) in einer entgegengesetzten vorsteht, so dass das Leistungselektronikmodul (10) mit einem gleich ausgelegten Leistungselektronikmodul stapelbar ist, um das Leistungselektronikmodul mit dem gleich konzipierten Leistungselektronikmodul in Reihe zu schalten.
  8. Leistungselektronikmodul (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei außer einem Halbleiterchip (14) mit einer Gate-Elektrode (40) ein Substrat (44), das eine Metallisierungsschicht (46) aufweist, so an der ersten Flüssigkeitskühleinrichtung (12a) angebracht ist, dass die Metallisierungsschicht (46) von der ersten Flüssigkeitskühleinrichtung (12a) elektrisch isoliert ist und die Gate-Elektrode (40) mit einem Drahtbond (42) an die Metallisierungsschicht (46) angeschlossen ist.
  9. Leistungselektronikmodul (10) nach Anspruch 8, wobei eine elektrisch an einen Gate-Anschluss (50) angeschlossene Feder (48) elektrisch isoliert an der zweiten Flüssigkeitskühleinrichtung (12b) angebracht und an die Metallisierungsschicht (46) gepresst ist; oder wobei ein Gate-Anschlussstab (54) so durch die zweite Flüssigkeitskühleinrichtung (12b) geführt ist, dass er die Metallisierungsschicht (46) elektrisch kontaktiert und/oder eine an den Gate-Anschlussstab (54) angeschlossene Gate-Steuereinheit (55) an der Einkapselung (18) angeordnet ist.
  10. Leistungselektronikmodul (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Flüssigkeitskühleinrichtung (12a) und/oder die zweite Flüssigkeitskühleinrichtung (12b) mehr als einen Anschluss (24) bereitstellt bzw. bereitstellen, der auf entgegengesetzten Seiten vom Leistungselektronikmodul (10) vorsteht.
  11. Leistungselektronikmodul (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Flüssigkeitskühleinrichtung (12a) und die Halbleiterchips (14) im Inneren eines Anschlusskäfigs (56) angeordnet sind, der aus der zweiten Flüssigkeitskühleinrichtung (12b) und einer zur ersten Flüssigkeitskühleinrichtung (12a) und zweiten Flüssigkeitskühleinrichtung (12b) parallel angeordneten Anschlussplatte (58) gebildet ist; wobei die zweite Flüssigkeitskühleinrichtung (12b) und die Anschlussplatte (58) über seitliche Verbindungsplatten (60) miteinander verbunden sind.
  12. Leistungselektronikmodul (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens eine der Flüssigkeitskühleinrichtungen (12a, 12b, 12c) des Leistungselektronikmoduls (10) aus Kupfer, Aluminium, AlSiC, Molybdän und/oder Legierungen dieser Materialien hergestellt ist.
  13. Leistungselektronikmodul (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, darüber hinaus aufweisend: ein Gehäuse (62), das die Flüssigkeitskühleinrichtungen (12a, 12b, 12c) und die Halbleiterchips (14) aufnimmt, die in das Isoliermaterial (16) eingebettet sind; wobei das Gehäuse (62) mit einem explosionsabschwächenden Material (64) gefüllt ist, das die Flüssigkeitskühleinrichtungen und die Halbleiterchips umgibt.
  14. Halbbrückenleistungselektronikmodul (10‘) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, Folgendes aufweisend: eine erste Flüssigkeitskühleinrichtung (12a), die einen ersten DC-Anschluss (24) bereitstellt; eine zweite Flüssigkeitskühleinrichtung (12b), die einen zweiten DC-Anschluss (24) bereitstellt; eine Zwischenkühleinrichtung (12c), die einen Kühlkanal (22) zur Aufnahme einer Kühlflüssigkeit hat, wobei die Zwischenkühleinrichtung (12c) einen Metallkörper (20) hat, der einen AC-Anschluss (24‘‘) des Leistungselektronikmoduls bereitstellt; eine erste Lage (30) von Halbleiterchips (14), die an die erste Flüssigkeitskühleinrichtung (12a) gebunden sind und über elektrisch leitende Ständer (36) in elektrischem Kontakt mit der Zwischenkühleinrichtung (12c) stehen; eine zweite Lage (30) von Halbleiterchips (14), die an die Zwischenkühleinrichtung (12c) gebunden sind und über elektrisch leitende Ständer (36) in elektrischem Kontakt mit der zweiten Kühleinrichtung (12b) stehen.
  15. Leistungszelle (66) für einen elektrischen Wandler, wobei die Leistungszelle umfasst: mindestens einen Kondensator (68); mindestens ein Leistungselektronikmodul (10‘) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das am Kondensator montiert ist.
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