WO2008031370A1 - Leistungshalbleitermodul für die energieverteilung mit explosionsschutz - Google Patents

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WO2008031370A1
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housing
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Markus Billmann
Jörg DORN
Werner Hartmann
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Siemens Aktiengesellschaft
Fraunhofer Gesellschaft Zur Förderung Der Angewandten Forschung E. V.
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    • H01L2924/13055—Insulated gate bipolar transistor [IGBT]

Definitions

  • the invention relates to a power semiconductor module having at least one power semiconductor and terminals for connecting the power semiconductor module.
  • the invention further relates to a power converter valve branch of a series circuit of such power semiconductor modules and a power converter from such power converter valve branches.
  • a power semiconductor module of the aforementioned type is already known from DE 303 21 33. There, a pressure-contacted power semiconductor is described, which is jammed between two electrodes.
  • the power semiconductor has a hollow-cylindrical ceramic component filled with silicon rubber as an explosion-proof element.
  • silicon rubber as an explosion-proof element.
  • the semiconductor material such as silicon
  • the semiconductor material locally becomes so hot that it vaporizes. This in turn leads to a pressure increase in the ceramic housing with possibly locally hot spots in the interior of the ceramic. In the case of extreme loads, this can lead to a bursting of the ceramic housing.
  • the hollow cylindrical housing and the silicone rubber therefore serve to absorb the forces occurring in the explosion of the semiconductor.
  • the prior art power semiconductor module has the disadvantage that the hollow-cylindrical component with the introduced filler is an integral part of the power semiconductor itself and therefore has to be manufactured together with the power semiconductor.
  • the object of the invention is therefore to provide a power semiconductor module of the type mentioned, in which a far-reaching explosion protection is ensured even when an arc occurs.
  • the invention solves this problem by a housing which is filled with a temperature-resistant filler, wherein each power semiconductor and each AnSchlussklemme are arranged in the housing and the filler for damping a through
  • a housing in which all components of the power semiconductor electronics are arranged.
  • the housing can be produced independently of the power semiconductor or semiconductors.
  • the power semiconductor electronics include, for example, the power semiconductors, their opposing freewheeling diodes and the control electronics for igniting the power semiconductors.
  • the housing has sufficient strength to effectively absorb the explosion forces that occur in the event of a fault.
  • the housing is supported by the temperature- and / or heat-resistant filling of the housing in the form of the temperature-resistant filler.
  • the filler supports the housing in its protective effect even when an arc occurs, so that even when using bonded power semiconductors, an effective explosion protection is provided. All components are arranged inside the housing.
  • the power semiconductor module according to the invention is provided in particular for use in the field of energy transmission and power distribution.
  • the temperature-resistant filler is a plastically-elastically deformable polymer. Due to the plastic elastic properties of the elastomer, the explosive forces can be safely absorbed.
  • the housing is filled with the temperature-resistant filler.
  • the components are initially placed in the housing during manufacture. Subsequently, the interior of the housing is filled with foam.
  • foaming we introduced the filler as a foam in the housing and then cured. In this way it is ensured that the temperature-resistant filler is everywhere between the inner wall of the housing and the remaining components of the power semiconductor module. Only terminals are led out with their free ends from the housing and from the filler. Deviating from this, foam moldings are introduced into the housing in another embodiment.
  • One such power semiconductor module is removable and thus possibly repairable.
  • the temperature-resistant filler is a fine-pored foam. It has been found that a temperature-resistant, fine-pored foam such as polyurethane has outstanding plastic-elastic properties, so that a sufficient explosion protection is given. Here, the fine closed pores of the foam supported the plastic-elastic properties.
  • the temperature-resistant filler is an open-pore foam. Open-pored foams exhibit in the
  • the one or more power semiconductors are at least partially so-called bonded power semiconductors.
  • Bonded power semiconductors are inexpensive compared to pressure-contacted power semiconductors. As a rule, they consist of a multiplicity of semiconductor chips connected in parallel to one another and connected to one another via wires. In the event of a fault, however, the high currents cause the connections to break up or melt, with simultaneous arcing. However, the effects of the arc are reliably absorbed by the heat-resistant filler and the housing, so that damage to components arranged outside the housing of the power semiconductor module is largely avoided.
  • the one or more power semiconductors are at least partially turn-off power semiconductors.
  • Switchable power semiconductors can be actively transferred, so by control pulses, both from a blocking position to a through position and from a passage position to a blocking position, so that the possibilities of control for the power semiconductor module are significantly increased.
  • Switchable power semiconductors are, for example, IGBTs, IGCTs, GTOs or the like.
  • each power semiconductor which can be switched off is connected in parallel with an opposite freewheeling diode.
  • the power semiconductor module comprises a first connection terminal, a second connection terminal, an energy store arranged outside the housing and a power semiconductor branch connected in parallel to the energy store, wherein the power semiconductor branch has two power semiconductors connected in series and each Power semiconductor an opposite freewheeling diode is connected in parallel, wherein the connection point of the emitter of a first power semiconductor of the power semiconductor branch and the anode of the first power semiconductor associated opposing freewheeling diode form the first terminal and the connection point of the power semiconductor of the power semiconductor branch or freewheeling diodes, the second terminal.
  • the power semiconductor module comprises a so-called Marquardt circuit, which is already known from other publications. Such power semiconductor modules are for
  • a converter valve branch suitable which consists of a series circuit of power semiconductor modules.
  • the power converter valve branch is then part of a Stromrich- ters, which has a bridge circuit of converter valve branches.
  • the power semiconductor module has a first connection terminal, a second connection terminal, an energy store and a power semiconductor branch having two series-connected power semiconductors connected in parallel to the energy store, wherein each power semiconductor is connected in parallel with an opposite freewheeling diode and the connection point of the collector of a first power semiconductor Power semiconductor branch and the cathode of the first power semiconductor associated opposing freewheeling diode, the first terminal and the connection point of the power semiconductor of the power semiconductor branch and the freewheeling diode form the second Anschlußklem- me.
  • the energy store is expediently arranged outside the housing.
  • the housing is advantageously made of metal or plastic, in particular reinforced with fibers and / or fillers plastics. In principle, however, any suitable material can be used to manufacture the housing. What is essential here is that the housing has the necessary strength to be able to withstand the explosion forces in the event of a fault as far as possible without damage.
  • pressure relief openings for the targeted discharge of hot gases and / or particles are provided.
  • the pressure relief openings are in the. Housing provided at locations which are remote from adjacent components.
  • the energy of the filler which can be absorbed by plastically elastic deformation corresponds to the expected maximum arc energy.
  • the maximum arc energy results, for example, from that in an energy store such as a
  • Capacitor stored energy The deformation energy of the filler, that is to say the energy which can be absorbed by plastically elastic deformation, can be determined by experimental experiments. The deformation energy in turn depends on the material properties.
  • FIG. 1 shows an embodiment of power converter branches according to the invention
  • FIG. 2 shows a replacement image representation of an exemplary embodiment of the power semiconductor module according to the invention
  • FIG. 3 shows a replacement image representation of a further exemplary embodiment of the power semiconductor module according to the invention
  • FIG. 4 shows an embodiment of the invention
  • FIG. 1 shows an exemplary embodiment of converter branches 1 according to the invention, each consisting of a series connection of power semiconductor modules 2.
  • the power converter valve branches 1 are arranged in series with each other.
  • the number of power semiconductor modules 2 within a power converter valve branch 1 depends on the particular application, in particular according to the required voltages. The number may therefore vary between a few tens to several hundred power semiconductor modules 2.
  • an AC voltage connection 3 is provided, which is provided for connection to a phase of an AC voltage network.
  • Power converter valve branch 1 a DC voltage connection 4 is provided.
  • each power converter valve branch 1 is arranged between an AC voltage terminal 3 and a DC voltage terminal 4.
  • An exemplary embodiment of a power converter according to the invention would therefore be, for example, six power converter valve branches connected in a bridge circuit, which is known as such, in the case of a three-phase alternating current network to be connected. This may be a so-called six-pulse bridge circuit but also a twelve-pulse bridge circuit.
  • each power semiconductor module 2 has an energy 'gie Eatin in the form of a capacitor. 5
  • the capacitor 5 is connected in parallel to a power semiconductor branch 6, wherein the power semiconductor branch 6 consists of a series circuit of two so-called IGBTs 7.
  • Each IGBT 7 is a freewheeling diode 8 connected in opposite directions in parallel.
  • the consisting of the controllable power semiconductors 7 and the opposing diodes 8 component together with the control electronics is hereinafter referred to as power electronics.
  • the power electronics are connected to the capacitor 5 switched in parallel.
  • connection terminal 9 also shows a first connection terminal 9 and a second connection terminal 10, the first connection terminal 9 being connected to the emitter of the controllable power semiconductor 7 and simultaneously to the anode of the opposing diode 8 assigned to it, in other words to its connection point. connected is.
  • the second connection terminal 10 is connected to the connection point of the controllable power semiconductors 7 and to the connection point of the opposing diodes 8. If the controllable power semiconductor 7 arranged between the connection terminals 9 and 10 is in its passage position, the voltage zero drops at the connection terminals 9 and 10. If, however, the said power semiconductor is in its blocking position, the controllable power semiconductor 7 not arranged between the connection terminals 9 and 10, however, in its through position, the voltage applied to the capacitor 5 drops between the connection terminals 9 and 10.
  • FIG. 3 shows an alternative embodiment of the power semiconductor module 2 according to FIG. 2.
  • the first terminal 9 in FIG. 3 is connected to the collector of the turn-off power semiconductor 7 and to the cathode opposite freewheeling diode 8 connected.
  • the second terminal 10 is connected to the connection point of the turn-off power semiconductor 7 and the freewheeling diodes 8.
  • the exemplary embodiments of the Marquardt circuit shown in the figures are equivalent to one another and therefore have the same properties.
  • FIG. 4 shows an exemplary embodiment of the power semiconductor module 2 according to the invention in a schematic representation.
  • the power semiconductor module 2 has a power semiconductor circuit according to FIG. 2 or FIG. 3. In FIG 4, however, only two power semiconductors 7 can be seen.
  • each power semiconductor 7 is a bonded IGBT, thus having its own power semiconductor housing, in which a plurality of semiconductor chips are connected to each other in parallel with each other conductor connections.
  • the opposing freewheeling diodes are also arranged.
  • the power semiconductor module 2 further comprises the said first connection terminal 9 and the said second connection terminal 10, which are designed for the supply and discharge of currents which are driven by a voltage, in particular high voltage.
  • the terminals 9 and 10 and the IGBT 7 are arranged in a housing 11 made of plastic with high mechanical strength.
  • the space between the inner wall of the housing 11 is filled with a temperature-resistant filler 12.
  • the temperature-resistant filler 12 is in the illustrated embodiment of a fine-pored open-cell foam whose flow resistance is large enough to retain the hot gas produced during arcing until its cooling to a few hundred degrees Celsius, so that adjacent structures or modules in their function not be affected.
  • the temperature-resistant foam is able to completely absorb the energy released during the arcing by means of plastic-elastic deformation. The explosive escape of hot gases or particles from the housing 11 is avoided in this way.

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Abstract

Um ein Leistungshalbleitermodul (2) mit wenigstens einem Leistungshalbleiter (7), und Anschlussklemmen (9,10) zum Anschließen des Leistungshalbleitermoduls (2), bereitzustellen, bei dem auch beim Auftreten eines Lichtbogens ein weit reichender Explosionsschutz gewährleistet ist, wird ein Gehäuse (11) vorgeschlagen, das mit einem temperaturfesten Füllstoff (12) befüllt ist, wobei jeder Leistungshalbleiter (7) und jede Anschlussklemme (9,10) in dem Gehäuse (11) angeordnet sind und der Füllstoff (12) zur Dämpfung einer durch Lichtbogenbildung hervorgerufenen Explosion eingerichtet ist.

Description

LEISTUNGSHALBLEITERMODUL FÜR DIE ENERGIEVERTEILUNG MIT EXPLOSIONSSCHUTZ
Die Erfindung betrifft ein Leistungshalbleitermodul mit wenigstens einem Leistungshalbleiter und Anschlussklemmen zum Anschluss des Leistungshalbleitermoduls.
Die Erfindung betrifft ferner einen Stromrichterventilzweig aus einer Reihenschaltung solcher Leistungshalbleitermodule sowie einen Stromrichter aus solchen Stromrichterventilzweigen.
Ein Leistungshalbleitermodul der eingangs genannten Art ist aus DE 303 21 33 bereits bekannt. Dort ist ein druckkontak- tierter Leistungshalbleiter beschrieben, der zwischen zwei Elektroden verklemmt ist. Der Leistungshalbleiter verfügt ü- ber ein hohlzylindrisches Bauelement aus Keramik, das mit Si- likongummi als Explosionsschutzelement befüllt ist. Im Feh- lerfall kann ein Überstrom im Leistungshalbleiter zu dessen Zerstörung führen. Zunächst wird das Halbleitermaterial wie Silizium lokal so heiß, dass es verdampft. Dies führt wiederum zu einem- Druckanstieg im Keramikgehäuse mit möglicherweise lokal heißen Stellen im Innern der Keramik. Bei extremen Be- lastungen kann dies zu einem Bersten des Keramikgehäuses führen. Das hohlzylindrische Gehäuse sowie das Silikongummi dienen daher zur Absorbtion der bei der Explosion des Halbleiters auftretenden Kräfte. Dem vorbekannten Leistungshalbleitermodul haftet jedoch der Nachteil an, dass das hohlzylind- rische Bauteil mit dem eingebrachten Füllstoff ein integraler Bestandteil des Leistungshalbleiters selbst ist und daher zusammen mit dem Leistungshalbleiter gefertigt werden muss. Darüber hinaus besteht kein wirksamer Schutz gegenüber im Fehlerfall auftretenden Lichtbögen. Dies ist jedoch nur bei kostenintensiven druckkontaktierten Leistungshalbleitern hinnehmbar .
Aus der DE 198 39 422 Al ist ebenfalls ein Leistungshalblei- ter bekannt, der zwischen zwei Elektroden druckkontaktiert ist. Integraler Bestandteil des Leistungshalbleiters ist eine Schutzhülle, die den Leistungshalbleiter nicht jedoch dessen Elektroden umgibt. Aufgrund der Druckkontaktierung des Leistungshalbleiters ist kein wirksamer Schutz bei Lichtbogenbil- düng vorgesehen.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Leistungshalbleitermodul der eingangs genannten Art bereitzustellen, bei dem auch beim Auftreten eines Lichtbogens ein weit reichender Explosionsschutz gewährleistet ist.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Gehäuse, das mit einem temperaturfesten Füllstoff befüllt ist, wobei jeder Leistungshalbleiter und jede AnSchlussklemme in dem Gehäuse angeordnet sind und der Füllstoff zur Dämpfung einer durch
Lichtbogenbildung hervorgerufenen Explosion eingerichtet ist.
Erfindungsgemäß ist ein Gehäuse vorgesehen, in dem sämtliche Bestandteile der Leistungshalbleiterelektronik angeordnet sind. Dabei ist das Gehäuse im Rahmen der Erfindung unabhängig von dem oder den Leistungshalbleitern herstellbar. Die Leistungshalbleiterelektronik umfasst beispielsweise die Leistungshalbleiter, deren gegensinnige Freilaufdioden und die Steuerungselektronik zum Zünden der Leistungshalbleiter. Das Gehäuse weist eine ausreichende Festigkeit auf, um die im Fehlerfall auftretenden Explosionskräfte wirksam aufnehmen zu können. Unterstützt wird das Gehäuse dabei von der tempera- tur- und/oder wärmefesten Befüllung des Gehäuses in Gestalt des temperaturfesten Füllstoffs. Der Füllstoff unterstützt das Gehäuse in seiner Schutzwirkung selbst bei Auftreten eines Lichtbogens, so dass auch beim Einsatz gebondeter Leistungshalbleiter ein wirksamer Explosionsschutz bereitgestellt ist. Dabei sind alle Komponenten innerhalb des Gehäuses ange- ordnet. Dies gilt auch für die Elektroden der Leistungshalbleiter, deren freie Enden zu Anschlusszwecken jedoch aus dem Gehäuse herausgeführt sind. Ferner sind Anschlüsse für einen Energiespeicher wie beispielsweise einen Kondensator nach außen geführt. Das erfindungsgemäße Leistungshalbleitermodul ist insbesondere für einen Einsatz im Bereich der Energieübertragung und Energieverteilung vorgesehen. Selbstverständlich kommen auch andere hiervon abweichende Anwendungsgebiete wie beispielsweise der Einsatz als Bestandteil eines Stromrichters für die Motoransteuerung oder dergleichen in Be- tracht.
Zweckmäßigerweise ist der temperaturfeste Füllstoff ein plastisch-elastisch verformbares Polymer. Durch die plastischelastischen Eigenschaften des Elastomers können die Explosi- onskräfte sicher aufgenommen werden.
Vorteilhafterweise ist das Gehäuse mit dem temperaturfesten Füllstoff ausgeschäumt. Die Komponenten werden bei der Herstellung zunächst in dem Gehäuse angeordnet. Anschließend wird das Innere des Gehäuses ausgeschäumt. Beim Ausschäumen wir der Füllstoff als Schaum in das Gehäuse eingebracht und anschließend ausgehärtet. Auf diese Weise ist gewährleistet, dass der temperaturfeste Füllstoff sich überall zwischen der Innenwand des Gehäuses und den restlichen Bestandteilen des Leistungshalbleitermoduls befindet. Lediglich Anschlussklemmen sind mit ihren freien Enden aus dem Gehäuse und aus dem Füllstoff herausgeführt. Abweichend davon sind in einer anderen Ausführungsform Schaumstoffformteile in das Gehäuse eingebracht. Eins solches Leistungshalbleitermodul ist demontierbar und damit gegebenenfalls reparaturfähig.
Zweckmäßigerweise ist der temperaturfeste Füllstoff ein feinporiger Schaumstoff. Es hat sich ergeben, dass ein temperaturfester feinporiger Schaumstoff wie beispielsweise Polyurethan hervorragende plastisch-elastische Eigenschaften auf- weist, so dass ein ausreichender Explosionsschutz gegeben ist. Hierbei unterstützten die feinen geschlossenen Poren des Schaumstoffs die plastisch-elastischen Eigenschaften.
Abweichend hiervon ist der temperaturfeste Füllstoff ein of- fenporiger Schaumstoff. Offenporige Schaumstoffe weisen im
Vergleich zu Schaumstoffen mit geschlossenen Poren eine größere Fläche auf. Heißgase, die den Schaumstoff durchsetzen, werden daher besser abgekühlt.'
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der oder sind die Leistungshalbleiter zumindest teilweise so genannte gebondete Leistungshalbleiter. Gebondete Leistungshalbleiter sind im Vergleich zu druckkontaktierten Leistungshalbleitern kostengünstig. Sie bestehen in der Regel aus ei- ner Vielzahl von parallel zueinander geschalteten Halbleiterchips, die über Drähte miteinander verbunden sind. Im Fehlerfall kommt es jedoch aufgrund der hohen Ströme zum Aufbrechen oder Aufschmelzen der Verbindungen bei gleichzeitiger Lichtbogenbildung. Die Auswirkungen des Lichtbogens werden jedoch von dem temperaturfesten Füllstoff und dem Gehäuse sicher aufgenommen, so dass Beschädigungen von außerhalb des Gehäuses des Leistungshalbleitermoduls angeordneten Bauteilen wei- testgehend vermieden sind. Vorteilhafterweise ist der oder sind die Leistungshalbleiter zumindest teilweise abschaltbare Leistungshalbleiter. Ab¬ schaltbare Leistungshalbleiter können aktiv, also durch Steuerimpulse, sowohl von einer Sperrstellung in eine Durchgangs- Stellung als auch von einer Durchgangsstellung in eine Sperrstellung überführt werden, so dass die Möglichkeiten der Regelung für das Leistungshalbleitermodul deutlich erhöht sind. Abschaltbare Leistungshalbleiter sind beispielsweise IGBTs, IGCTs, GTOs oder dergleichen.
Vorteilhafterweise ist jedem abschaltbaren Leistungshalbleiter eine gegensinnige Freilaufdiode parallel geschaltet.
Bei der am meisten bevorzugen Variante umfasst das Leistungs- halbleitermodul eine erste Anschlussklemme, eine zweite An- schlussklemme, einen außerhalb des Gehäuses angeordneten E- nergiespeicher und einen Leistungshalbleiterzweig in Parallelschaltung zum Energiespeicher, wobei der Leistungshalbleiterzweig zwei in Reihe geschaltete Leistungshalbleiter auf- weist und jedem Leistungshalbleiter eine gegensinnige Freilaufdiode parallel geschaltet ist, wobei der Verbindungspunkt des Emitters eines ersten Leistungshalbleiters des Leistungshalbleiterzweiges und der Anode der dem ersten Leistungshalbleiter zugeordneten gegensinnigen Freilaufdiode die erste An- schlussklemme und der Verbindungspunkt der Leistungshalbleiter des Leistungshalbleiterzweiges oder der Freilaufdioden die zweite Anschlussklemme ausbilden. Mit anderen Worten umfasst das Leistungshalbleitermodul eine so genannte Mar- quardt-Schaltung, die bereits aus anderen Veröffentlichungen bekannt ist. Solche Leistungshalbleiterbaumodule sind zur
Ausbildung eines Stromrichterventilzweiges geeignet, der aus einer Reihenschaltung von Leistungshalbleitermodulen besteht. Der Stromrichterventilzweig ist dann Teil eines Stromrich- ters, der eine Brückenschaltung aus Stromrichterventilzweigen aufweist.
Abweichend hiervon verfügt das Leistungshalbleitermodul über eine erste Anschlussklemme, eine zweite Anschlussklemme, einen Energiespeicher und einen zwei in Reihe geschaltete Leistungshalbleiter aufweisenden Leistungshalbleiterzweig in Parallelschaltung zum Energiespeicher, wobei jedem Leistungshalbleiter eine gegensinnige Freilaufdiode parallel geschal- tet ist und der Verbindungspunkt des Kollektors eines ersten Leistungshalbleiters des Leistungshalbleiterzweiges und der Kathode der dem ersten Leistungshalbleiter zugeordneten gegensinnigen Freilaufdiode die erste Anschlussklemme und der Verbindungspunkt der Leistungshalbleiter des Leistungshalb- leiterzweiges und der Freilaufdiode die zweite Anschlussklem- me ausbilden. Dies ist eine alternative Ausgestaltung der Marquardt-Schaltung, welche im Wesentlichen die gleichen Eigenschaften aufweist. Der Energiespeicher ist zweckmäßigerweise außerhalb des Gehäuses angeordnet.
Das Gehäuse besteht vorteilhafterweise aus Metall oder Kunststoff, insbesondere mit Fasern und/oder Füllstoffen verstärkten Kunststoffen. Grundsätzlich kann jedoch jedes geeignete Material zur Fertigung des Gehäuses eingesetzt werden. We- sentlich hierbei ist, dass das Gehäuse die notwendige Festigkeit aufweist, um den Explosionskräften im Fehlerfall wei- testgehend schadenfrei standzuhalten.
Vorteilhafterweise sind Druckentlastungsöffnungen für den zielgerichteten Austritt von Heißgasen und/oder Partikeln vorgesehen. Sinnvollerweise sind die Druckentlastungsöffnungen in dem. Gehäuse an Stellen vorgesehen, die von benachbarten Bauteilen abgewandt sind. Gemäß einer besonders bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung entspricht die durch plastisch elastische Verformung aufnehmbare Energie des Füllstoffs der erwarteten maximalen Lichtbogenenergie. Die maximale Lichtbogenenergie ergibt sich beispielsweise aus der in einem Energiespeicher wie einem
Kondensator gespeicherten Energie. Die Verformungsenergie des Füllstoffs, also die durch plastisch elastische Verformung aufnehmbare Energie, ist durch experimentelle Versuche ermittelbar. Die Verformungsenergie ist wiederum abhängig von den Materialeigenschaften.
Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung unter Bezug auf die Figur der Zeichnung, wobei die
Figur 1 ein Ausführungsbeispiel von erfindungsgemäßen Stromrichterzweigen,
Figur 2 eine Ersatzbilddarstellung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls,
Figur 3 eine Ersatzbilddarstellung eines weiteren Aus- führungsbeispiels des erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls und
Figur 4 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
Leistungshalbleitermoduls zeigen.
Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel von erfindungsgemäßen Stromrichterzweigen 1, die jeweils aus einer Reihenschaltung von Leistungshalbleitermodulen 2 bestehen. Dabei sind die Stromrichterventilzweige 1 in Reihe zueinander angeordnet. Die Anzahl der Leistungshalbleitermodule 2 innerhalb eines Stromrichterventilzweiges 1 richtet sich nach der jeweiligen Anwendung insbesondere nach den erforderlichen Spannungen. Die Anzahl kann daher zwischen einigen 10 bis zu mehreren 100 Leistungshalbleitermodulen 2 variieren.
Zwischen den Stromrichterventilzweigen 1 ist ein Wechselspan- nungsanschluss 3 vorgesehen, der zur Verbindung mit einer Phase eines Wechselspannungsnetzes vorgesehen ist. An dem vom Wechselspannungsanschluss 3 abgewandten Ende eines jeden
Stromrichterventilzweiges 1 ist ein Gleichspannungsanschluss 4 vorgesehen. Somit ist jeder Stromrichterventilzweig 1 zwischen einem Wechselspannungsanschluss 3 und einem Gleichspannungsanschluss 4 angeordnet. Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Stromrichters bestünde bei einem anzuschließenden dreiphasigen Wechselspannungsnetz daher beispielsweise aus sechs Stromrichterventilzweigen, die in einer Brückenschaltung, die als solche bekannt ist, miteinander verschaltet ist. Hierbei kann es sich um eine so genannte Sechs-Puls-Brückenschaltung aber auch um eine Zwölf-Puls- Brückenschaltung handeln.
Figur 2 zeigt ein Ersatzschaltbild eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls 2. Es ist erkennbar, dass jedes Leistungshalbleitermodul 2 einen Ener- ' giespeicher in Form eines Kondensators 5 aufweist. Der Kondensator 5 ist parallel zu einem Leistungshalbleiterzweig 6 geschaltet, wobei der Leistungshalbleiterzweig 6 aus einer Reihenschaltung von zwei so genannten IGBTs 7 besteht. Jedem IGBT 7 ist eine Freilaufdiode 8 gegensinnig parallel geschaltet. Das aus den steuerbaren Leistungshalbleitern 7 sowie den gegensinnigen Dioden 8 bestehende Bauteil zusammen mit der Steuerelektronik wird im Folgenden als Leistungselektronik bezeichnet. Die Leistungselektronik ist dem Kondensator 5 pa- rallel geschaltet. In Figur 2 sind ferner eine erste An- schlussklemme 9 sowie eine zweite Anschlussklemme 10 erkennbar, wobei die erste Anschlussklemme 9 mit dem Emitter des steuerbaren Leistungshalbleiters 7 und gleichzeitig mit der Anode der diesem zugeordneten gegensinnigen Diode 8, also mit anderen Worten mit deren Verbindungspunkt, verbunden ist. Die zweite Anschlussklemme 10 ist mit dem Verbindungspunkt der steuerbaren Leistungshalbleiter 7 sowie mit dem Verbindungspunkt der gegensinnigen Dioden 8 verbunden. Befindet sich der zwischen den Anschlussklemmen 9 und 10 angeordnete steuerbare Leistungshalbleiter 7 in seiner Durchgangsstellung, fällt an den Anschlussklemmen 9 und 10 die Spannung null ab. Befindet sich der besagte Leistungshalbleiter hingegen in seiner Sperrstellung, der nicht zwischen den Anschlussklemmen 9 und 10 angeordnete steuerbare Leistungshalbleiter 7 jedoch in seiner Durchgangsstellung, fällt zwischen den Anschlussklemmen 9 und 10 die an dem Kondensator 5 anliegende Spannung ab.
Figur 3 zeigt eine alternative Ausgestaltung des Leistungs- halbleitermoduls 2 gemäß Figur 2. Im Gegensatz zu der in Figur 2 gezeigten Variante einer Marquardt-Schaltung ist in Figur 3 die erste Anschlussklemme 9 mit dem Kollektor des abschaltbaren Leistungshalbleiters 7 und mit der Kathode der hierzu parallelen gegensinnigen Freilaufdiode 8 verbunden. Die zweite Anschlussklemme 10 ist mit dem Verbindungspunkt der abschaltbaren Leistungshalbleiter 7 und der Freilaufdioden 8 verbunden. Die in den Figuren gezeigten Ausführungsbei- spiele der Marquardt-Schaltung sind zueinander äquivalent und weisen daher die gleichen Eigenschaften auf.
Figur 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls 2 in einer schematischen Darstellung. Das Leistungshalbleitermodul 2 verfügt über eine Leistungshalbleiterschaltung gemäß Figur 2 oder Figur 3. In Figur 4 sind jedoch nur zwei Leistungshalbleiter 7 erkennbar. Dabei ist jeder Leistungshalbleiter 7 ein gebondeter IGBT, verfügt also über ein eigenes Leistungshalbleitergehäuse, in dem mehrere Halbleiterchips in Parallelschaltung miteinander Leiter- Verbindungen miteinander verbunden sind. In dem Leistungshalbleitergehäuse sind ferner die gegensinnigen Freilaufdioden angeordnet. Das Leistungshalbleitermodul 2 umfasst ferner die besagte erste Anschlussklemme 9 sowie die besagte zweite Anschlussklemme 10, die zum Zu- und Abführen von Strömen aus- gelegt sind, die von einer Spannung insbesondere Hochspannung getrieben werden.
Die Anschlussklemmen 9 und 10 sowie des IGBTs 7 sind in einem Gehäuse 11 aus Kunststoff mit hoher mechanischer Festigkeit angeordnet. Darüber hinaus ist der Zwischenraum zwischen der Innenwand des Gehäuses 11 mit einem temperaturfesten Füllstoff 12 ausgeschäumt. Der temperaturfeste Füllstoff 12 besteht in dem gezeigten Ausführungsbeispiel aus einem feinporigen offenporigen Schaumstoff, dessen Strömungswiderstand groß genug ist, um das bei einer Lichtbogenbildung entstehende Heißgas, bis zu seiner Abkühlung auf wenige hundert Grad Celsius, so zurückzuhalten, dass benachbarte Strukturen oder Module in ihrer Funktion nicht beeinträchtigt werden. Insbesondere ist der temperaturfeste Schaumstoff in der Lage, die bei der Lichtbogenbildung freigesetzte Energie vollständig durch plastisch-elastische Verformung aufzunehmen. Das explosionsartige Austreten von Heißgasen oder Teilchen aus dem Gehäuse 11 ist auf diese Weise vermieden.

Claims

Patentansprüche
1. Leistungshalbleitermodul (2) mit wenigstens einem Leistungshalbleiter (7), und Anschlussklemmen (9,10) zum An- schließen des Leistungshalbleitermoduls (2) , g e k e n n z e i c h n e t d u r c h ein Gehäuse (11) , das mit einem temperaturfesten Füllstoff (12) befüllt ist, wobei jeder Leistungshalbleiter (7) und jede AnSchlussklemme (9,10) in dem Gehäuse (11) angeordnet sind und der Füllstoff (12) zur Dämpfung einer durch Lichtbogenbildung hervorgerufenen Explosion eingerichtet ist.
2. Leistungshalbleitermodul (2) nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der temperaturfeste Füllstoff (12) ein plastisch-elastisch verformbares Polymer ist.
3. Leistungshalbleitermodul (2) nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Gehäuse (11) mit dem temperaturfesten Füllstoff (12) ausgeschäumt ist.
4. Leistungshalbleitermodul (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der temperaturfeste Füllstoff (12) ein feinporiger Schaumstoff ist.
5. Leistungshalbleitermodul (2) nach einem der vorgehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der temperaturfeste Füllstoff (12) ein offenporiger Schaumstoff ist.
6. Leistungshalbleitermodul (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der oder sind die Leistungshalbleiter zumindest teilweise so genannte gebondete Leistungshalbleiter (7) .
7. Leistungshalbleitermodul (2) nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der oder die Leistungshalbleiter (7) zumindest teilweise ab- schaltbarere Leistungshalbleiter sind.
8. Leistungshalbleitermodul (2) nach Anspruch 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass jedem abschaltbaren Leistungshalbleiter (7) eine gegensinnige Freilaufdiode parallel geschaltet ist.
9. Leistungshalbleitermodul (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h eine erste Anschlussklemme (9) , eine zweite Anschlussklemme
(10) , einen außerhalb des Gehäuses (11) angeordneten Energiespeicher (5) und einen zwei in Reihe geschaltete Leistungshalbleiter (7) aufweisenden Leistungshalbleiterzweig (6) in Parallelschaltung zum Energiespeicher (5) , wobei jedem Leis- tungshalbleiter (7) eine gegensinnige Freilaufdiode (8) parallel geschaltet ist und der Verbindungspunkt des Emitters eines ersten Leistungshalbleiters (9) des Leistungshalbleiterzweiges (6) und der Anode der dem ersten Leistungshalbleiter (7) zugeordneten gegensinnigen Freilaufdiode (8) die ers- te Anschlussklemme (9) und der Verbindungspunkt der Leistungshalbleiter (7) des Leistungshalbleiterzweiges (6) und der Freilaufdioden (8) die zweite Anschlussklemme (10) aus¬ bilden.
10. Leistungshalbleitermodul (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h eine erste Anschlussklemme (9), eine zweite Anschlussklemme (10) , einen Energiespeicher (5) und einen zwei in Reihe geschaltete Leistungshalbleiter (7) aufweisenden Leistungshalbleiterzweig (6) in Parallelschaltung zum Energiespeicher (5), wobei jedem Leistungshalbleiter (7) eine gegensinnige Freilaufdiode (8) parallel geschaltet ist und der Verbindungs- punkt des Kollektors eines ersten Leistungshalbleiters (7) des Leistungshalbleiterzweiges (6) und der Kathode der dem ersten Leistungshalbleiter (7) zugeordneten gegensinnigen Freilaufdiode (8) die erste Anschlussklemme (9) und der Verbindungspunkt der Leistungshalbleiter (7) des Leistungshalb- leiterzweiges (6) und der Freilaufdiode (8) die zweite Anschlussklemme (10) ausbilden.
11. Leistungshalbleitermodul (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Gehäuse (11) aus Metall oder einem Kunststoff besteht.
12. Leistungshalbleitermodul (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h
Druckentlastungsöffnungen für den zielgerichteten Austritt von Heißgasen und/oder Partikeln.
13. Leistungshalbleitermodul (2) nach einem der vorhergehen- den Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die durch plastisch elastische Verformung aufnehmbare Energie des Füllstoffs (12) der erwarteten maximalen Lichtbogenenergie entspricht.
14. Stromrichterventilzweig (1) , g e k e n n z e i c h n e t d u r c h eine Reihenschaltung aus Leistungshalbleitermodulen (2) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.
15. Stromrichter, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h eine Brückenschaltung aus Stromrichterventilzweigen (1) gemäß Anspruch 12.
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