WO2017140579A1 - Vertikaler aufbau einer halbbrücke - Google Patents

Vertikaler aufbau einer halbbrücke Download PDF

Info

Publication number
WO2017140579A1
WO2017140579A1 PCT/EP2017/052947 EP2017052947W WO2017140579A1 WO 2017140579 A1 WO2017140579 A1 WO 2017140579A1 EP 2017052947 W EP2017052947 W EP 2017052947W WO 2017140579 A1 WO2017140579 A1 WO 2017140579A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
switching element
heat conduction
plane
symmetry
converter according
Prior art date
Application number
PCT/EP2017/052947
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Manuel Blum
Marek Galek
Monika POEBL
Martin Schulz
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens Aktiengesellschaft filed Critical Siemens Aktiengesellschaft
Publication of WO2017140579A1 publication Critical patent/WO2017140579A1/de

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/003—Constructional details, e.g. physical layout, assembly, wiring or busbar connections
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K1/00—Printed circuits
    • H05K1/02—Details
    • H05K1/03—Use of materials for the substrate
    • H05K1/05—Insulated conductive substrates, e.g. insulated metal substrate
    • H05K1/056—Insulated conductive substrates, e.g. insulated metal substrate the metal substrate being covered by an organic insulating layer
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/42—Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/47—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
    • H01L2224/48—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of an individual wire connector
    • H01L2224/4805—Shape
    • H01L2224/4809—Loop shape
    • H01L2224/48091—Arched
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/42—Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/47—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
    • H01L2224/49—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of a plurality of wire connectors
    • H01L2224/491—Disposition
    • H01L2224/4911—Disposition the connectors being bonded to at least one common bonding area, e.g. daisy chain
    • H01L2224/49111—Disposition the connectors being bonded to at least one common bonding area, e.g. daisy chain the connectors connecting two common bonding areas, e.g. Litz or braid wires
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K1/00—Printed circuits
    • H05K1/02—Details
    • H05K1/0201—Thermal arrangements, e.g. for cooling, heating or preventing overheating
    • H05K1/0203—Cooling of mounted components
    • H05K1/021—Components thermally connected to metal substrates or heat-sinks by insert mounting
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K2201/00—Indexing scheme relating to printed circuits covered by H05K1/00
    • H05K2201/10—Details of components or other objects attached to or integrated in a printed circuit board
    • H05K2201/10007—Types of components
    • H05K2201/10166—Transistor
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K2203/00—Indexing scheme relating to apparatus or processes for manufacturing printed circuits covered by H05K3/00
    • H05K2203/04—Soldering or other types of metallurgic bonding
    • H05K2203/049—Wire bonding

Definitions

  • a vertical structure of a half-bridge The present invention relates to a power converter with egg ⁇ ner half-bridge, having a first and a second switching element, and having a heat conducting plate as a carrier of the first switching element.
  • Power converters are used to convert an injected current into an output current in which a parameter such as the voltage or the frequency is changed. Accordingly, under failed ⁇ det to different types of converters with which alternating current is directed into direct current, eg rectifiers, inverters, with which direct current is directed into alternating current and inverter with which an alternating current is directed to another AC with a different frequency. All of these types of power converters are affected by the present invention. Also with respect of the scope the present invention is not limited to a clamping ⁇ voltage range. Thus, both low voltage applications as well as medium and high voltage applications are conceivable. Also with regard to the technology of the power semiconductors, there are no restrictions here.
  • Power converters are usually constructed with one or more half-bridges. Such a half-bridge is coupled, for example, to a DC voltage intermediate circuit.
  • This can be a high-side switch as a first switching element and a low-side switch as a second switching element processin ⁇ ren.
  • the high-side switch and the low-side switches are typically on and off alternately in the operation of the converter , Since the leads to the switches or circuit breakers form inductors, when switching the switch voltage spikes, which can lead to losses, disturbances or damage.
  • the inductances relevant for switching or commutating are called Commutation Inductivities respectively
  • the object of the present invention is therefore to provide a power converter in which both high
  • a first heat conduction plate as a carrier of the first
  • the first heat conducting plate to a symmetry plane ⁇ to the second heat conduction plate is arranged at a second Kon ⁇ clock for the second switching element to the first contacts for the first switching element and symmetrically with respect to -
  • the first heat conduction plate and the second nickellei ⁇ tion plate are each parallel to the plane of symmetry.
  • Switching element with a second load output contact of the two ⁇ th switching element directly electrically connected.
  • a positive pole of the first switching element is separated from a negative pole of the second switching element only by an insulating film.
  • the positive pole and the negative pole thus represent electrically separate contacts that can be contacted with the high side or the low side of the intermediate circuit.
  • the vertically above one another in the direction perpendicular to the plane of symmetry structure of the two contacts (Mi ⁇ nuspol and positive pole) also results in a reduced circuit inductance.
  • a four-layer structure of the half-bridge may be selected.
  • a first layer is the first heat conduction plate and in a second
  • the four layers are preferably located in a direction perpendicular to the plane of symmetry flush immediacy ⁇ bar above the other. It is particularly advantageous if the construction height of the second and third layer is determined by the respective contacts (first load output contact and positive pole in the second layer or second load output contact and negative pole in the third layer).
  • the two switching elements should be designed structurally less high than the individual contacts, so that the switching elements do not touch, and the contacts are used practically as a spacer for the heat conduction plates but also for the switching elements. Since the switching elements are preferably located in the middle between the respective contacts and the contacts are higher than the switching elements, results between the switching elements, a distance or a space.
  • the first switching element and the second switching element have in one direction perpendicular to the plane of symmetry a predetermined distance.
  • This distance can be specified in terms of the required insulation or to be incurred Potentialun ⁇ ter Kunststoff.
  • This predetermined distance can be easily adjusted by the height of the contacts of the switching elements.
  • the space between the first and second switching element may be filled with a molding compound.
  • This molding compound is preferably an insulating plastic. It not only increases the insulation resistance of the half-bridge, but also ensures protection of the switching elements against environmental influences.
  • the two heat conduction plates are IMS plates
  • the two load output contacts and the positive pole and the negative pole are each ⁇ Weil designed as copper bars, which are each mounted directly on the respective heat conduction plate.
  • the contacts as copper bars thus have the multiplegnacali ⁇ ity as spacers, as a good electrical conductor and as a good thermal conductor.
  • the two switching elements of the half-bridge may be IGBTs. Alternatively, however, any other semiconductor switching elements can be used. It is advantageous, however, if the performance path of the respective
  • the half bridge can be connected to a busbar via a busbar
  • Capacitor bank be connected. Due to the symmetry of the half bridge, the geometry of the shift rail can also be kept simple.
  • FIG. 1 shows a schematic circuit diagram of a power converter with a half-bridge
  • FIG. 4 shows the three-dimensional structure of a half-bridge according to the present invention.
  • a power converter has, by way of example, the schematic structure of FIG. 1.
  • the centerpiece is a half-bridge having a first switching element S1 and a second switching element S2.
  • the the switching elements Sl and S2 are each bridged in ⁇ by a free-wheeling diode Dl or D2 ⁇ .
  • the switch Sl is connected to a center tap M via a line with a line inductance LI.
  • the second switching element S2 is connected by a line having the lead inductance L2, is joined to the center tap ⁇ M.
  • a DC link is ⁇ closed, which is symbolized here by a capacitor C.
  • this capacitor C is connected to the two contacts of the respective switching elements Sl and S2, which are remote from the center tap M.
  • the voltage curve at the output of the converter is in
  • FIG 2 shows an example.
  • a corresponding switching signal U s is shown.
  • One of the switching elements Sl is to be a time turned rela ⁇ hung as S2 and the other off.
  • the conduction inductances LI to L3 result in a commutation voltage peak 1. This is, for example, above a limit value U g and is therefore not tolerable.
  • FIG. 4 An example of this is shown in FIG. 4 in a perspective view.
  • the exemplary half-bridge shown in FIG. 4 has a plane of symmetry (which is not shown in the FIG) to which a first heat conduction plate 3 and a second heat conduction plate 4 extend in parallel.
  • the two heat ⁇ line plates 3 and 4 are carriers of the switching elements Sl and S2.
  • the two switching elements Sl and S2 are arranged in the example of FIG 4 on the mutually facing sides of the heat conduction plates 3 and 4.
  • the MFiel ⁇ le place of switching elements is symmetrical to the symmetry level, but the actual arrangement and orientation of the switching elements Sl and S2 need not be symmetrical to one another in relation to one another. Optionally, it is point symmetric.
  • the circuit elements Sl and S2 may be formed as IGBTs, as is sketchily indicated in FIG 4. Accordingly, the switching element Sl has drain 5 and source 6. In addition, 4 bonding wires 8 between drain 5 and source 6 are indicated in FIG. Of the second switching element S2, bonding wires 9 can be seen in FIG.
  • Switching element Sl is for example a high-side switch is.
  • Source 6 a last output contact is therefore associated with 10 and drain 5, a plus pole 11.
  • Analogously, is the drain of the second switching element S2, a load leaving ⁇ contact 12 and the source of the second switching element S2, a Minuspolitch 13 assigned.
  • the contacts 10, 11, 12 and 13 may be formed as copper platelets. In addition, may be equal in size each un ⁇ behind the other. Their thickness in the direction perpendicular to the plane of symmetry determines the distance between the two bathlei ⁇ tion plates 3 and 4.
  • the two load output contacts 10 and 12 are mounted directly to each other, for example screwed together and outside the saulei ⁇ tion plates 3 and 4 are added immediately.
  • the two load output contacts 10 and 12 are formed as a one-piece Kunststoffele ⁇ ment.
  • the plus-pole contact 11 and the minus-pole contact 13 are electrically separated from one another by an insulation layer or insulation film lying in the plane of symmetry.
  • the positive pole contact 11 is applied directly to the heat conduction ⁇ plate 3 and the negative terminal 13 directly on the heat conduction plate. 4
  • a first contact block consisting of the two load output contacts 10 and 12 and a second contact block, best From the plus pole contact 11, the negative pole contact 13 and the insulation 14 therebetween, have a lateral distance to the first contact block, by which a space 15 is defined, which is also delimited by the heat conduction plates 3 and 4.
  • a space 15 is defined, which is also delimited by the heat conduction plates 3 and 4.
  • the switching elements Sl and S2 are.
  • the height of this space 15 can be determined for example by a minimum distance of the bonding wires 8 and 9 for a given geometry of the bonding wires. Such a minimum distance may be due to a predefined dielectric strength.
  • the distance between the switching elements Sl and S2 or their bonding wires 8 and 9 can be adjusted, for example, simply by the height of the copper platelets used for the contacts 10 to 13.
  • the thickness of the insulating film 14 plays virtually no role.
  • the space 15 may be formed by a so-called "molding compound” which is the first load output contact 10 and the positive pole contact 11 with interposed first switching element Sl is formed The height of this second layer
  • the first switching element Sl should be slightly lower.
  • the third layer consisting of the second load output contact 12 and the negative pole contact 13 (the insulating layer 14 is ignored here because of their small layer thickness) with interposed second switching element S2.
  • the fourth layer which is formed by the second heat conduction plate 4 as a carrier of the third layer.
  • the third and the fourth layer are symmetrical with respect to the first and second layer, if appropriate only with the exception of the orientation of the switching elements S1 and S2.
  • both the heat dissipation and the size of the circular inductance can be optimized, because it can be used an additional heat conduction plate and the geometry of the lines to the switching elements can be better designed in view of the resulting inductance become.
  • geeig ⁇ items copper bars can be used which are preferably up brought to IMS circuit boards that form the heat conduction plates or soldered.
  • the plus pole contact 11 and the Minuspolutton 13 with Between the seats ⁇ rule lying insulation 14 can be realized as a busbar, to the low inductance capacitor bank a reasonable can be concluded. So a 4x5 matrix of capacitors as an intermediate circuit capacity to the Halbbrü ⁇ bridge example, can be connected.
  • the heat conduction plate used for heat dissipation for each switching element can be customized for the switching element opti ⁇ mized.
  • the symmetry refers only to the basic arrangement of the switching elements and Heat conduction plates, but not on the exact geometry of the heat conduction plates with each other.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Inverter Devices (AREA)
  • Dc-Dc Converters (AREA)

Abstract

Es soll ein Stromrichter mit hoher Schaltgeschwindigkeit und verbesserter Entwärmung bereitgestellt werden. Dazu wird ein Stromrichter mit einer Halbbrücke, die ein erstes und ein zweites Schaltelement (S1, S2) aufweist, und einer ersten Wärmeleitungsplatte (3) als Träger des ersten Schaltelements (S1) vorgeschlagen. Der Stromrichter weist außerdem eine zweite Wärmeleitungsplatte (4) als Träger des zweiten Schaltelements (S2) auf. Die erste Wärmeleitungsplatte (3) mit ersten Kontakten (10, 11) für das erste Schaltelement (S1) ist symmetrisch bezüglich einer Symmetrieebene zu der zweiten Wärmeleitungsplatte (4) mit zweiten Kontakten (12, 13) für das zweite Schaltelement (S2) angeordnet. Die erste Wärmeleitungsplatte (3) und die zweite Wärmeleitungsplatte (4) sind jeweils parallel zu der Symmetrieebene angeordnet.

Description

Beschreibung
Vertikaler Aufbau einer Halbbrücke Die vorliegende Erfindung betrifft einen Stromrichter mit ei¬ ner Halbbrücke, die ein erstes und ein zweites Schaltelement aufweist, sowie mit einer Wärmeleitungsplatte als Träger des ersten Schaltelements. Stromrichter dienen zum Wandeln eines eingespeisten Stroms in einen Ausgangsstroms, bei dem ein Parameter, wie die Spannung oder die Frequenz, geändert ist. Dementsprechend unterschei¬ det man verschiedene Arten von Stromrichtern, z.B. Gleichrichter, mit denen Wechselstrom in Gleichstrom gerichtet wird, Wechselrichter, mit denen Gleichstrom in Wechselstrom gerichtet wird und Umrichter, mit denen ein Wechselstrom in einen anderen Wechselstrom mit geänderter Frequenz gerichtet wird. All diese Arten von Stromrichtern sind von der vorliegenden Erfindung betroffen. Auch hinsichtlich des Anwendungs- bereichs ist die vorliegende Erfindung nicht auf einen Span¬ nungsbereich beschränkt. So sind sowohl Niederspannungsanwendungen als auch Mittel- und Hochspannungsanwendungen denkbar. Auch hinsichtlich der Technologie der Leistungshalbleiter sind hier keine Einschränkungen gegeben.
Stromrichter sind in der Regel mit einer oder mehreren Halbbrücken aufgebaut. Eine solche Halbbrücke ist beispielsweise an einen Gleichspannungszwischenkreis gekoppelt. Dadurch lässt sich ein High-Side-Schalter als erstes Schaltelement und ein Low-Side-Schalter als zweites Schaltelement definie¬ ren. Im Betrieb des Stromrichters werden der High-Side- Schalter und der Low-Side-Schalter typischerweise abwechselnd ein- und ausgeschaltet. Da die Zuleitungen zu den Schaltern beziehungsweise Leistungsschaltern Induktivitäten bilden, er- geben sich beim Umschalten der Schalter Spannungsspitzen, die zu Verlusten, zu Störungen beziehungsweise zu Beschädigungen führen können. Bei den beim Umschalten beziehungsweise Kommu- tieren relevanten Induktivitäten spricht man von KommutierungsIndukti itäten beziehungsweise
KreisInduktivitäten .
Beim Aufbau von Schaltzellen beziehungsweise Schaltbrücken ist es also wesentlich, eine niedrige Kommutierungsinduktivität zu erhalten. Gleichzeitig sollte eine effiziente
Entwärmung der verlustbehafteten Bauelemente (Leistungsschalter) garantiert werden. Diese beiden Punkte sind bei herkömm¬ licher Aufbautechnik schwer zu vereinbaren. Für eine gute Entwärmung werden große Flächen zur Wärmespreizung benötigt. Diese sorgen allerdings für erhöhte Kreisinduktivität.
Durch konventionelle, planare Aufbautechnik der Halbbrücken mussten bislang, um den Einfluss von Kreisinduktivitäten ge- ring zu halten, in der Regel die Schaltgeschwindigkeiten gering gehalten werden, um die Spannungsspitzen gering zu halten. Geringe Schaltgeschwindigkeiten führen aber zu weiteren Verlusten. Ein hinsichtlich der Kreisinduktivität optimierter Aufbau führte meist zu einer ineffektiven Entwärmung, was dann häufig in Kauf genommen wurde.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, einen Stromrichter bereitzustellen, bei dem sowohl hohe
Schaltgeschwindigkeiten möglich sind als auch eine verbesser- te Entwärmung.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch einen Strom¬ richter mit
- einer Halbbrücke, die ein erstes und ein zweites Schalt- element aufweist, und
- einer ersten Wärmeleitungsplatte als Träger des ersten
Schaltelements, sowie mit
- einer zweiten Wärmeleitungsplatte als Träger des zweiten Schaltelements, wobei
- die erste Wärmeleitungsplatte mit ersten Kontakten für das erste Schaltelement symmetrisch bezüglich einer Symmetrie¬ ebene zu der zweiten Wärmeleitungsplatte mit zweiten Kon¬ takten für das zweite Schaltelement angeordnet ist und - die erste Wärmeleitungsplatte und die zweite Wärmelei¬ tungsplatte jeweils parallel zu der Symmetrieebene sind.
In vorteilhafter Weise ist also neben der ersten Wärmelei- tungsplatte eine zweite Wärmeleitungsplatte für das zweite
Schaltelement der Halbbrücke vorgesehen. Damit ist die Wärme¬ abfuhr praktisch verdoppelt. Dies liegt insbesondere auch da¬ ran, dass die Wärmeleitungsplatten als separate Bauteile ge¬ bildet sind. Im Hinblick auf eine reduzierte Kreisinduktivi- tät beziehungsweise Kommutierungsinduktivität ist abweichend von einem reinen planaren Aufbau ein dreidimensionaler Aufbau vorgesehen. Dies bedeutet, dass die einzelnen Bauelemente nicht nur nebeneinander angeordnet sind, sondern auch überei¬ nander. Konkret sind die beiden Wärmeleitungsplatten parallel zueinander und symmetrisch zu einer Symmetrieebene angeord¬ net, zu der sie ebenfalls parallel angeordnet sind. Nicht nur die beiden Wärmeleitungsplatten selbst, sondern auch die prinzipiellen Orte der darauf jeweils befindlichen Schaltelemente können somit in Bezug auf die Symmetrieebene symmet- risch zueinander angeordnet sein. Durch diese Symmetrie in vertikaler Richtung, d.h. senkrecht zu der Symmetrieebene, ergeben sich für die Zuleitungen vereinfachte Verhältnisse insbesondere im Hinblick auf deren Geometrie für eine mög¬ lichst geringe Induktivität. Durch den vertikalen Aufbau der Kommutierungszelle beziehungsweise der Halbbrücke lassen sich somit beide Ziele gemeinsam erreichen, nämlich eine verbes¬ serte Entwärmung bei möglichst geringer Induktivität für hohe Schaltgeschwindigkeiten . Vorzugsweise ist ein erster Lastabgangskontakt des ersten
Schaltelements mit einem zweiten Lastabgangskontakt des zwei¬ ten Schaltelements unmittelbar elektrisch verbunden. Damit ergibt sich nicht nur ein einfacher elektrischer beziehungsweise mechanischer Aufbau, sondern auch eine äußerst kurze Verbindungsstrecke der beiden Lastabgangskontakte, was wiede¬ rum vorteilhaft ist in Bezug auf minimale Induktivität. In einer Ausgestaltung ist ein Pluspol des ersten Schaltelements nur durch eine Isolierfolie von einem Minuspol des zweiten Schaltelements getrennt. Der Pluspol und der Minuspol stellen also elektrisch getrennte Kontakte dar, die mit der High-Side beziehungsweise der Low-Side des Zwischenkreises kontaktierbar sind. Der in Richtung senkrecht zu der Symmetrieebene übereinanderliegende Aufbau der beiden Kontakte (Mi¬ nuspol und Pluspol) führt ebenfalls zu einer reduzierten Kreisinduktivität .
In einer konkreten Ausgestaltung kann ein Vierschichtaufbau der Halbbrücke gewählt sein. In einer ersten Schicht befindet sich die erste Wärmeleitungsplatte und in einer zweiten
Schicht der erste Lastabgangskontakt, das erste Schaltelement und der Pluspol jeweils nebeneinander in einer zweiten Ebene parallel zur Symmetrieebene. In einer dritten Schicht befin¬ det sich der zweite Lastabgangskontakt, das zweite Schaltele¬ ment und deren Minuspol, jeweils nebeneinander in einer drit¬ ten Ebene parallel zur Symmetrieebene. Die zweite Wärmelei- tungsplatte befindet sich schließlich in einer vierten
Schicht. Die vier Schichten befinden sich vorzugsweise in einer Richtung senkrecht zu der Symmetrieebene bündig unmittel¬ bar übereinander. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn die Bauhöhe der zweiten und dritten Schicht durch die jewei- ligen Kontakte (erster Lastabgangskontakt und Pluspol in der zweiten Schicht beziehungsweise zweiter Lastabgangskontakt und Minuspol in der dritten Schicht) bestimmt ist. Die beiden Schaltelemente sollte baulich weniger hoch gestaltet sein als die einzelnen Kontakte, sodass sich die Schaltelemente nicht berühren, und die Kontakte praktisch als Abstandshalter für die Wärmeleitungsplatten aber auch für die Schaltelemente genutzt werden. Da sich die Schaltelemente vorzugsweise in der Mitte zwischen den jeweiligen Kontakten befinden und die Kontakte höher als die Schaltelemente sind, ergibt sich zwischen den Schaltelementen ein Abstand beziehungsweise ein Raum.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung besitzen das erste Schaltelement und das zweite Schaltelement in einer Richtung senkrecht zu der Symmetrieebene einen vorgegebenen Abstand. Dieser Abstand kann im Hinblick auf die geforderte Isolation beziehungsweise den möglicherweise entstehenden Potentialun¬ terschied vorgegeben sein. Dieser vorgegebene Abstand lässt sich leicht durch die Bauhöhe der Kontakte der Schaltelemente einstellen .
Der Raum zwischen dem ersten und zweiten Schaltelement kann mit einer Moldmasse gefüllt sein. Bei dieser Moldmasse han- delt es sich vorzugsweise um einen isolierenden Kunststoff. Er erhöht nicht nur die Isolationsfestigkeit der Halbbrücke, sondern sorgt auch für einen Schutz der Schaltelemente gegen Einflüsse aus der Umgebung. In einer weiteren Ausgestaltung des Stromrichters handelt es sich bei den beiden Wärmeleitungsplatten um IMS-Platten
(Insulated Metallic Substrate) . Derartige Standardplatten sorgen nicht nur für die notwendige elektrische Isolierung darauf montierter Bauelemente, sondern auch für deren effizi- ente Entwärmung.
Entsprechend einer weiteren Ausgestaltung sind die beiden Lastabgangskontakte sowie der Pluspol und der Minuspol je¬ weils als Kupferschienen ausgebildet, die jeweils direkt auf die jeweilige Wärmeleitungsplatte montiert sind. Die Kontakte als Kupferschienen besitzen damit die mehrfache Funktionali¬ tät als Abstandshalter, als gute elektrische Leiter und als gute thermische Leiter. Bei den beiden Schaltelementen der Halbbrücke kann es sich um IGBTs handeln. Alternativ können aber auch beliebige andere Halbleiterschaltelemente verwendet werden. Von Vorteil ist allerdings, wenn sich der Leistungspfad des jeweiligen
Schaltelements linear erstreckt, sodass sich mit dem symmet- rischen zweiten Schaltelement eine Optimierung hinsichtlich der Induktivität leicht realisieren lässt. Die Halbbrücke kann über eine Sammelschiene an eine
Kondensatorbank angeschlossen sein. Aufgrund der Symmetrie der Halbbrücke kann die Geometrie der Schaltschiene ebenfalls einfach gehalten werden.
Die folgende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in denen zeigen:
FIG 1 einen prinzipiellen Schaltplan eines Stromrichters mit einer Halbbrücke;
FIG 2 einen Spannungsverlauf am Ausgang des Stromrichters von FIG 1;
FIG 3 den Verlauf eines Schaltsignals für eines der
Schaltelemente des Stromrichters; und
FIG 4 den dreidimensionalen Aufbau einer Halbbrücke gemäß der vorliegenden Erfindung.
Die nachfolgend näher geschilderten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar. Dabei ist zu beachten, dass die einzelnen Merkmale nicht nur in den geschilderten Merkmalskombinationen, sondern auch in Alleinstellung oder in anderen technisch sinnvollen Kombinationen realisiert werden können.
Ein Stromrichter besitzt exemplarisch den schematischen Aufbau von FIG 1. Kernstück ist eine Halbbrücke mit einem ersten Schaltelement Sl und einem zweiten Schaltelement S2. Die bei¬ den Schaltelemente Sl und S2 sind jeweils durch eine Frei¬ laufdiode Dl beziehungsweise D2 überbrückt. Der Schalter Sl ist über eine Leitung mit einer Leitungsinduktivität LI an einen Mittenabgriff M angeschlossen. In gleicher Weise ist das zweite Schaltelement S2 mittels einer Leitung, die die Leitungsinduktivität L2 besitzt, an den Mittenabgriff M ange¬ schlossen . An die Halbbrücke ist beispielsweise ein Zwischenkreis ange¬ schlossen, der hier durch einen Kondensator C symbolisiert ist. Speziell ist dieser Kondensator C an die beiden Kontakte der jeweiligen Schaltelemente Sl und S2 angeschlossen, die von dem Mittenabgriff M abgewandt sind.
Von dem Mittenabgriff M führt eine Leitung mit einer Leitungsinduktivität L3 zum Ausgang des Stromrichters. Über die¬ se Leitungsinduktivität L3 fließt ein Strom I. Als Spannung an einer etwaigen Last am Ausgang ergibt sich der Spannungswert UL.
Der Spannungsverlauf am Ausgang des Stromrichters ist in
FIG 2 in einem Beispiel dargestellt. In der darunterliegenden FIG 3 ist ein entsprechendes Schaltsignal Us dargestellt. Zu einem Zeitpunkt to wird eines der Schaltelemente Sl bezie¬ hungsweise S2 eingeschaltet und das andere ausgeschaltet. Durch die Leitungsinduktivitäten LI bis L3 ergibt sich bei diesem Kommutieren eine Spannungsspitze 1. Diese liegt bei- spielsweise über einem Grenzwert Ug und ist daher nicht tole- rabel .
Zur Lösung dieser Problematik und außerdem zur verbesserten Entwärmung der Schaltelemente Sl und S2 wird abweichend von der konventionellen, planaren Aufbautechnik eine dreidimensionale Aufbautechnik für eine Halbbrücke des Stromrichters vorgeschlagen. Ein Beispiel dafür ist in FIG 4 in perspektivischer Ansicht wiedergegeben. Die in FIG 4 dargestellte beispielhafte Halbbrücke besitzt eine Symmetrieebene (die in der FIG nicht eingezeichnet ist) , zu der sich eine erste Wärmeleitungsplatte 3 und eine zweite Wärmeleitungsplatte 4 parallel erstrecken. Die beiden Wärme¬ leitungsplatten 3 und 4 sind Träger der Schaltelemente Sl und S2. Die beiden Schaltelemente Sl und S2 sind in dem Beispiel von FIG 4 an den zueinander gewandten Seiten der Wärmeleitungsplatten 3 und 4 angeordnet. Insofern ist der prinzipiel¬ le Ort der Schaltelemente auch symmetrisch zu der Symmetrie- ebene, aber die tatsächliche Anordnung und Ausrichtung der Schaltelemente Sl und S2 muss nicht auf eine Ebene bezogen symmetrisch zueinander sein. Gegebenenfalls ist sie punktsymmetrisch.
Die Schaltungselemente Sl und S2 können als IGBTs ausgebildet sein, wie dies skizzenhaft in FIG 4 angedeutet ist. Demnach besitzt das Schaltelement Sl Drain 5 und Source 6. Darüber hinaus sind in der FIG 4 Bonddrähte 8 zwischen Drain 5 und Source 6 angedeutet. Von dem zweiten Schaltelement S2 sind in der FIG Bonddrähte 9 zu erkennen.
Schaltelement Sl stellt beispielsweise einen High-Side- Schalter dar. Source 6 ist demnach ein Lastausgangskontakt 10 zugeordnet und Drain 5 ein Pluspolkontakt 11. Analog hierzu ist dem Drain des zweiten Schaltelements S2 ein Lastabgangs¬ kontakt 12 und der Source des zweiten Schaltelements S2 ein Minuspolkontakt 13 zugeordnet. Die Kontakte 10, 11, 12 und 13 können als Kupferplättchen ausgebildet sein. Darüber hinaus kann ihre Größe jeweils un¬ tereinander gleich sein. Ihre Dicke in Richtung senkrecht zu der Symmetrieebene bestimmt den Abstand der beiden Wärmelei¬ tungsplatten 3 und 4. Die beiden Lastabgangskontakte 10 und 12 sind unmittelbar aneinander montiert, z.B. aneinander geschraubt und außen sind unmittelbar angrenzend die Wärmelei¬ tungsplatten 3 und 4 angefügt. Gegebenenfalls sind die beiden Lastabgangskontakte 10 und 12 als ein einteiliges Kontaktele¬ ment ausgebildet.
Der Pluspolkontakt 11 und der Minuspolkontakt 13 sind durch eine Isolationsschicht beziehungsweise Isolationsfolie, die in der Symmetrieebene liegt, voneinander elektrisch getrennt. Der Pluspolkontakt 11 ist unmittelbar auf die Wärmeleitungs¬ platte 3 aufgebracht und der Minuspolkontakt 13 unmittelbar auf die Wärmeleitungsplatte 4.
Ein erster Kontaktblock, bestehend aus den beiden Lastabgangskontakten 10 und 12 und ein zweiter Kontaktblock, beste- hend aus dem Pluspolkontakt 11, dem Minuspolkontakt 13 und der Isolierung 14 dazwischen, besitzen zu dem ersten Kontaktblock einen lateralen Abstand, durch den ein Raum 15 definiert wird, der außerdem durch die Wärmeleitungsplatten 3 und 4 begrenzt ist. In diesem beispielsweise quaderförmigen Raum befinden sich die Schaltelemente Sl und S2. Die Höhe dieses Raums 15 kann beispielsweise durch einen Mindestabstand der Bonddrähte 8 und 9 bei vorgegebener Geometrie der Bonddrähte bestimmt sein. Ein solcher Mindestabstand kann durch eine vordefinierte Durchschlagfestigkeit bedingt sein. Der Abstand zwischen den Schaltelementen Sl und S2 beziehungsweise deren Bonddrähten 8 und 9 lässt sich beispielsweise einfach durch die Höhe der Kupferplättchen, die für die Kontakte 10 bis 13 verwendet werden, einstellen. Die Dicke der Isolationsfolie 14 spielt dabei praktisch keine Rolle.
Der Raum 15 kann durch eine sogenannte „Moldmasse" ausgegos¬ sen sein. Dabei handelt es sich vorzugsweise um einen Kunst¬ stoff, der eine verglichen mit Luft erhöhte Durchschlagtes- tigkeit besitzt. Die Moldmasse schützt damit die Schaltele¬ mente Sl und S2 nicht nur vor Umwelteinflüssen, sondern auch in erhöhtem Masse vor Durchschlägen. Der Übersicht halber ist die Moldmasse in FIG 4 jedoch nicht eingezeichnet. In einem konkreten Beispiel ergibt sich also für die Halbbrü¬ cke des Stromrichters beispielhaft der in FIG 4 dargestellte 4-Schicht-Aufbau, der beispielsweise eine Länge von wenigen Zentimetern besitzt. Die Schichten verlaufen jeweils parallel zu der Symmetrieebene und sind in der folgenden Reihenfolge unmittelbar übereinander angeordnet. Die erste Schicht bildet die erste Wärmeleitungsplatte 3. Sie bildet den Träger für die zweite Schicht, die aus dem ersten Lastabgangskontakt 10 und dem Pluspolkontakt 11 mit dazwischen angeordnetem ersten Schaltelement Sl gebildet ist. Die Höhe dieser zweiten
Schicht wird durch die beiden Kontakte 10 und 11 bestimmt. Das erste Schaltelement Sl sollte etwas niedriger sein. Un¬ mittelbar auf der zweiten Schicht befindet sich die dritte Schicht, bestehend aus dem zweiten Lastabgangskontakt 12 und dem Minuspolkontakt 13 (die Isolationsschicht 14 wird hier wegen ihrer geringen Schichtdicke außer Acht gelassen) mit dazwischen eingefügtem zweiten Schaltelement S2. Über der dritten Schicht befindet sich unmittelbar die vierte Schicht, die durch die zweite Wärmeleitungsplatte 4 als Träger der dritten Schicht gebildet ist. Dabei sind die dritte und die vierte Schicht symmetrisch zu der ersten und zweiten Schicht gegebenenfalls nur mit der Ausnahme der Orientierung der Schaltelemente Sl und S2.
Durch die Nutzung der dritten Dimension, d.h. der vertikal übereinander angeordneten Schaltelemente beziehungsweise Kom- mutationspartner der Halbbrücke, können sowohl die Entwärmung als auch die Größe der Kreisinduktivität optimiert werden, denn es kann eine zusätzliche Wärmeleitungsplatte eingesetzt werden und die Geometrie der Leitungen zu den Schaltelementen kann im Hinblick auf die resultierende Induktivität besser gestaltet werden. Somit ergeben sich beim Kommutieren reduzierte Spannungsspitzen 2 gemäß FIG. 2.
Für Hochstromanwendungen werden große Leiterquerschnitte für die Kontakte 10 bis 13 benötigt. In diesem Fall können geeig¬ nete Kupferschienen eingesetzt werden, die vorzugsweise auf IMS-Leiterplatten, die die Wärmeleitungsplatten bilden, auf- gebracht beziehungsweise aufgelötet werden.
Der Pluspolkontakt 11 und der Minuspolkontakt 13 mit dazwi¬ schenliegender Isolierung 14 können als Sammelschiene realisiert sein, an die niederinduktiv eine Kondensatorbank ange- schlössen werden kann. So kann beispielsweise eine 4x5-Matrix von Kondensatoren als Zwischenkreiskapazität an die Halbbrü¬ cke angeschlossen werden.
Die zur Entwärmung eingesetzte Wärmeleitungsplatte für jedes Schaltelement kann individuell für das Schaltelement opti¬ miert werden. In diesem Fall bezieht sich die Symmetrie nur noch auf die prinzipielle Anordnung der Schaltelemente und Wärmeleitungsplatten, nicht aber auf die exakte Geometrie der Wärmeleitungsplatten untereinander .

Claims

Patentansprüche
1. Stromrichter mit
- einer Halbbrücke, die ein erstes und ein zweites Schalt- element (Sl, S2) aufweist, und
- einer ersten Wärmeleitungsplatte (3) als Träger des ersten Schaltelements (S2),
gekennzeichnet durch
- eine zweite Wärmeleitungsplatte (4) als Träger des zweiten Schaltelements (S2), wobei
- die erste Wärmeleitungsplatte (3) mit ersten Kontakten
(10, 11) für das erste Schaltelement (Sl) symmetrisch be¬ züglich einer Symmetrieebene zu der zweiten Wärmeleitungs¬ platte (4) mit zweiten Kontakten (12, 13) für das zweite Schaltelement (S2) angeordnet ist und
- die erste Wärmeleitungsplatte (3) und die zweite Wärmelei¬ tungsplatte (4) jeweils parallel zu der Symmetrieebene sind .
2. Stromrichter nach Anspruch 1, wobei ein erster Lastabgangskontakt (10) für das erste Schaltelement (Sl) mit einem zweiten Lastabgangskontakt (12) für das zweite Schaltelement (S2) unmittelbar elektrisch verbunden ist.
3. Stromrichter nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein Pluspolkontakt (11) für das erste Schaltelement (Sl) nur durch eine Isolierfolie (14) von einem Minuspolkontakt (13) für das zweite Schaltelement (S2) getrennt ist.
4. Stromrichter nach sämtlichen der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Halbbrücke folgenden Schichtaufbau besitzt:
- erste Schicht: erste Wärmeleitungsplatte (3),
- zweite Schicht: erster Lastabgangskontakt (10), erstes
Schaltelement (Sl) und Pluspolkontakt (11), jeweils neben- einander im Wesentlichen in einer zweiten Ebene parallel zur Symmetrieebene,
- dritte Schicht: zweiter Lastabgangskontakt (12), zweites Schaltelement (S2) und Minuspolkontakt (13), jeweils ne- beneinander im Wesentlichen in einer dritten Ebene parallel zur Symmetrieebene und
- vierte Schicht: zweite Wärmeleitungsplatte (4).
5. Stromrichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Schaltelement (Sl) und das zweite Schaltelement (S2) in einer Richtung senkrecht zu der Symmetrieebene einen vorgegebenen Abstand besitzen.
6. Stromrichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Raum zwischen dem ersten und dem zweiten Schaltelement (Sl, S2) mit einer Moldmasse gefüllt ist.
7. Stromrichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wo- bei es sich bei den beiden Wärmeleitungsplatten (3,4) um IMS-
Platten handelt.
8. Stromrichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit Rückbezug auf Anspruch 2 und 3, wobei die beiden Lastabgangs- kontakte (10,12), der Pluspolkontakt (11) und der Minuspol¬ kontakt (13) jeweils als Kupferschienen ausgebildet sind, die jeweils direkt auf die jeweilige Wärmeleitungsplatte (3,4) montiert sind.
9. Stromrichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei es sich bei den beiden Schaltelementen (Sl, S2) um IGBTs handelt .
10. Stromrichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wo- bei die Halbbrücke über eine Sammelschiene an eine
Kondensatorbank angeschlossen ist.
PCT/EP2017/052947 2016-02-18 2017-02-10 Vertikaler aufbau einer halbbrücke WO2017140579A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102016202509.0 2016-02-18
DE102016202509.0A DE102016202509A1 (de) 2016-02-18 2016-02-18 Vertikaler Aufbau einer Halbbrücke

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2017140579A1 true WO2017140579A1 (de) 2017-08-24

Family

ID=58046634

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2017/052947 WO2017140579A1 (de) 2016-02-18 2017-02-10 Vertikaler aufbau einer halbbrücke

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102016202509A1 (de)
WO (1) WO2017140579A1 (de)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS63157677A (ja) * 1986-12-19 1988-06-30 R F Enajii Kk ブリツジ形インバ−タ装置
EP1662568A2 (de) * 2004-11-24 2006-05-31 General Electric Company Leistungsmodul, Phasenzweig und Dreiphasenwechselrichter
US20120112366A1 (en) * 2009-07-08 2012-05-10 Centre National De La Recherche Scientifique Power Electronic Module
EP2546874A1 (de) * 2011-07-11 2013-01-16 International Rectifier Corporation Gestapeltes Halbbrückenleistungsmodul
WO2015008333A1 (ja) * 2013-07-16 2015-01-22 三菱電機株式会社 半導体装置

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6166464A (en) * 1998-08-24 2000-12-26 International Rectifier Corp. Power module
JP5067267B2 (ja) * 2008-06-05 2012-11-07 三菱電機株式会社 樹脂封止型半導体装置とその製造方法
WO2009150875A1 (ja) * 2008-06-12 2009-12-17 株式会社安川電機 パワーモジュールおよびその制御方法
JP5587275B2 (ja) * 2011-10-20 2014-09-10 株式会社豊田中央研究所 半導体モジュール

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS63157677A (ja) * 1986-12-19 1988-06-30 R F Enajii Kk ブリツジ形インバ−タ装置
EP1662568A2 (de) * 2004-11-24 2006-05-31 General Electric Company Leistungsmodul, Phasenzweig und Dreiphasenwechselrichter
US20120112366A1 (en) * 2009-07-08 2012-05-10 Centre National De La Recherche Scientifique Power Electronic Module
EP2546874A1 (de) * 2011-07-11 2013-01-16 International Rectifier Corporation Gestapeltes Halbbrückenleistungsmodul
WO2015008333A1 (ja) * 2013-07-16 2015-01-22 三菱電機株式会社 半導体装置

Also Published As

Publication number Publication date
DE102016202509A1 (de) 2017-08-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP0427143B1 (de) Leistungshalbleitermodul
DE102015115271B4 (de) Elektronikbaugruppe mit entstörkondensatoren und verfahren zum betrieb der elektronikbaugruppe
DE19732402B4 (de) Elektrische Busanordnung zur Gleichstromversorgung von Schaltungselementen eines Wechselrichters
DE3420535C2 (de) Halbleiter-Modul für eine schnelle Schaltanordnung
DE102010002627B4 (de) Niederinduktive Leistungshalbleiterbaugruppen
EP2532084B1 (de) Elektronische baugruppe zum schalten elektrischer leistung
EP3206468B1 (de) Umrichter mit gleichspannungszwischenkreis
DE10037379B4 (de) Modular aufgebauter Stromrichter
EP3404818B1 (de) Halbleiterschaltanordnung
DE102020214045A1 (de) Halbbrücke für einen elektrischen Antrieb eines Elektrofahrzeugs oder eines Hybridfahrzeugs, Leistungsmodul für einen Inverter und Inverter
DE202015004662U1 (de) Zwischenkreiskondensatormodul mit niederinduktiven Busbar-Verbindungen
EP2989660B1 (de) Halbleiterstapel für umrichter mit snubber-kondensatoren
EP0443378A2 (de) Elektronischer Leistungsschalter
WO2018095623A1 (de) Kondensator, insbesondere zwischenkreiskondensator für ein mehrphasensystem
EP3756221A1 (de) Leistungsmodul mit einem leistungselektronischen bauelement auf einer substratplatte und leistungselektronische schaltung mit einem solchen leistungsmodul
DE102004027185B4 (de) Niederinduktives Halbleiterbauelement mit Halbbrückenkonfiguration
DE10054489A1 (de) Leistungs-Umrichtermodul
WO2017140579A1 (de) Vertikaler aufbau einer halbbrücke
WO2022128999A1 (de) Inverter
EP1364449A1 (de) Schaltungsaufbau für eine schaltung zum schalten von strömen
EP1632117A1 (de) Elektronische baugruppe zum schalten elektrischer leistung
DE102021203704A1 (de) Halbbrücke, Leistungsmodul und Inverter für einen elektrischen Antrieb eines Elektrofahrzeugs oder eines Hybridfahrzeugs
DE19541111B4 (de) Leistungswandler
WO2024028275A1 (de) Leistungshalbleitermodul
EP2976931B1 (de) Stromschienenanordnung und verfahren zur herstellung einer stromschienenanordnung

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 17705332

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 17705332

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1