DE10054489A1 - Leistungs-Umrichtermodul - Google Patents

Abstract

In einem Leistungs-Umrichtermodul sind wahlweise ein zur Verbindung mit einem ersten vorbestimmten elektrischen Potential (+ V) vorgesehener erster Eingangsbereich (74) oder ein zur Verbindung mit einem zweiten vorbestimmten elektrischen Potential (- V) vorgesehener zweiter Eingangsbereich (102) mit einem Ausgangsbereich (104) elektrisch verbindbar. Es ist wenigstens eine Schaltergruppe (24, 26, 28) vorgesehen, wobei die wenigstens eine Schaltergruppe (24, 26, 28) zwei Halbleiterschaltereinheiten (32, 34) aufweist und jede der Halbleiterschaltereinheiten (32, 34) einen Ansteueranschluss (58) aufweist. Ein Eingangsanschluss (68) von einer (34) der Halbleiterschaltereinheiten (32, 34) ist mit dem ersten Eingangsbereich (74) verbunden, und ein Eingangsanschluss (62) der anderen (32) der Halbleiterschaltereinheiten (32, 34) ist mit dem zweiten Eingangsbereich (102) verbunden. Jede der Halbleiterschaltereinheiten (32, 34) weist einen mit dem Ausgangsbereich (104) verbundenen Ausgangsanschluss (62, 60) auf. Die beiden Halbleiterschaltereinheiten (32, 34) der wenigstens einen Schaltergruppe (24, 26, 28) sind einander derart gegenüberliegend positioniert, dass wenigstens die Ausgangsanschlüsse (62, 60) derselben einander gegenüberliegen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Leistungs-Umrichtermodul, in welchem wahlweise ein zur Verbindung mit einem ersten vorbestimmten elektrischen Potential vorgesehener erster Eingangsbereich oder ein zur Verbindung mit einem zweiten vorbestimmten elektrischen Potential vorgesehener zweiter Eingangsbereich mit einem Ausgangsbereich elektrisch verbindbar ist, umfassend wenigstens eine Schaltergruppe, wobei die wenigstens eine Schaltergruppe zwei Halbleiterschaltereinheiten aufweist, wobei jede der Halbleiterschaltereinheiten einen Ansteueranschluss aufweist und wobei ein Eingangsanschluss von einer der Halbleiterschaltereinheiten mit dem ersten Eingangsbereich verbunden ist und ein Eingangsanschluss der anderen der Halbleiterschaltereinheiten mit dem zweiten Eingangsbereich verbunden ist und wobei jede Halbleiterschaltereinheit einen mit dem Ausgangsbereich verbundenen Ausgangsanschluss aufweist.

Derartige Leistungs-Umrichtermodule finden beispielsweise Anwendung in sogenannten Umrichtern, über welche Mehrphasenelektromotoren, wie zum Beispiel Synchron- oder Asynchronmotoren, erregt werden. Ein prinzipielles Schaltungsbild eines derartigen Umrichters für einen Dreiphasenelektromotor ist in Fig. 1 dargestellt. Man erkennt, dass der dort gezeigte Umrichter 10 drei Umrichtermodule 12, 14, 16 aufweist. Über jedes der Umrichtermodule wird eine der drei Motorphasen 18, 20, 22 erregt. Da grundsätzlich die drei Module 12, 14, 16 baugleich sind, wird im Folgenden der prinzipielle Aufbau derselben mit Bezug auf das Umrichtermodul 12 beschrieben.

Das Umrichtermodul 12 weist beispielsweise vier zueinander parallel geschaltete Gruppen 24, 26, 28, 30 von Halbleiterschaltereinheiten 32, 34 auf. Jede dieser Halbleiterschaltereinheiten umfasst im dargestellten Beispiel einen IGBT (insulated gate bipolar transistor) als sogenanntes Leistungs­ schalterelement. Jeder dieser IGBTs umfasst ein Gate G als Ansteuer­ anschluss und umfasst miteinander zu verschaltende Emitter- bzw. Collector-Anschlüsse. Dabei ist der Collector-Anschluss des IGBTs 32 mit dem Emitter-Anschluss des IGBTs 34 leitend verbunden. Diese beiden Anschlüsse C und E der IGBTs 32, 34 bilden die jeweiligen mit der Phase 18 verbundenen Ausgangsanschlüsse. Der Emitter-Anschluss E des IGBTs 32 bildet den Eingangsanschluss desselben und ist mit der auf dem Potential -V liegenden Eingangsseite 36 leitend verbunden. In entsprechender Weise bildet der Collector-Anschluss C des IGBTs 34 den Eingangsanschluss desselben und ist elektrisch leitend verbunden mit der auf dem Potential +V liegenden Eingangsseite 38. Je nachdem, ob an die Phase 18 das Potential +V oder das Potential -V anzulegen ist, wird jeweils einer der IGBTs 32 oder 34 der jeweiligen Schaltergruppen 24, 26, 28, 30 leitend geschaltet und der andere gesperrt. Auf diese Art und Weise lässt sich die erforderliche Umpolung der verschiedenen Motorphasen erzielen. Die Parallelschaltung mehrerer IGBTs ist insbesondere daher erforderlich, da bei Hochleistungs­ elektromotoren die im Betrieb fließenden Ströme sehr hoch sind, beispiels­ weise bis 400 A erreichen können. Die einzelnen Leistungs-Schalter­ elemente, wir z. B. IGBTs oder auch MOSFETs, sind im Allgemeinen jedoch geeignet für Ströme bis zu 50 A. Durch die Parallelschaltung mehrerer derartiger Leistungs-Halbleiterschalterelemente lässt sich letztendlich in abgestufter Weise eine Anpassung an die im konkreten Anwendungsfall vorhandenen Anforderungen erzielen.

Die Anpassung der einzelnen Module eines derartigen Umrichters an die jeweils vorherrschenden Anforderungen erfordert im Allgemeinen die Entwicklung jeweils spezieller Schaltungen, wobei unter Berücksichtigung der Schaffung möglichst geringer Induktivitäten und einer möglichst guten thermischen Anbindung an vorhandene Kühlsysteme jeweils Leiterplatten, im Wesentlichen umfassend Keramiksubstrate, erzeugt und mit den verschiedenen Leistungstransistoren dann bestückt werden. Die Entwicklung derartiger Module ist sehr kostenaufwendig und führt letztendlich trotz des Einsatzes sehr teurer Materialien, wie z. B. den Keramiksubstraten, und aufwendiger Fertigungstechniken beim Bestücken mit den einzelnen Leistungstransistoren zu Baugruppen, die dennoch hinsichtlich der im tatsächlichen Betrieb auftretenden Belastungen anfällig sind. Vor allem zyklische thermische Belastungen bei den Schaltvorgängen können zu Brüchen führen, was auch durch die beispielsweise im Einsatz bei Kraftfahr­ zeugen auftretenden Vibrationen unterstützt wird. Auch besteht häufig das Problem sogenannter Überspannungstransienten beim Umschalten zwischen den einzelnen Transistoren auf Grund der vorhandenen internen Induktivitä­ ten.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Leistungs-Umrichtermodul bereitzustellen, das bei kostengünstiger Fertigungsmöglichkeit eine verbesserte Betriebscharakteristik aufweist.

Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe gelöst durch ein Leistungs-Umrichtermodul, in welchem wahlweise ein zur Verbindung mit einem ersten vorbestimmten elektrischen Potential vorgesehener erster Eingangsbereich oder ein zur Verbindung mit einem zweiten vorbestimmten elektrischen Potential vorgesehener zweiter Eingangsbereich mit einem Ausgangsbereich elektrisch verbindbar ist, umfassend wenigstens eine Schaltergruppe, wobei die wenigstens eine Schaltergruppe zwei Halbleiterschaltereinheiten aufweist, wobei jede der Halbleiterschaltereinheiten einen Ansteueranschluss aufweist und wobei ein Eingangsanschluss von einer der Halbleiterschaltereinheiten mit dem ersten Eingangsbereich verbunden ist und ein Eingangsanschluss der anderen der Halbleiterschaltereinheiten mit dem zweiten Eingangsbereich verbunden ist und wobei jede Halbleiterschaltereinheit einen mit dem Ausgangsbereich verbundenen Ausgangsanschluss aufweist.

Bei diesem Leistungs-Umrichtermodul ist weiter vorgesehen, dass die beiden Halbleiterschaltereinheiten der wenigstens einen Schaltergruppe einander derart gegenüber liegend positioniert sind, dass wenigstens die Ausgangs­ anschlüsse derselben einander gegenüber liegen.

Da bei der erfindungsgemäßen Anordnung dafür gesorgt ist, dass die beiden Halbleiterschaltereinheiten zueinander geringst möglichen Abstand haben können, insbesondere im Strompfad vom ersten zum zweiten Eingangs­ bereich, ist für geringe Induktivitäten dieser als Halbbrücken zu bezeichnen­ den Schaltergruppen gesorgt. Ferner ermöglicht diese einander zugewandte Orientierung der jeweiligen Einheiten einer Schaltergruppe das einfache "Stapeln" mehrerer derartiger Schaltergruppen aufeinander folgend mit der Folge, dass beim Entwicklungsvorgang in vergleichsweise einfacher Art und Weise ein Design für das Substrat gefunden werden kann und andererseits eine sehr kleine Baugröße der gesamten Anordnung erreicht wird.

Beispielsweise kann bei dem erfindungsgemäßen Leistungs-Umrichtermodul vorgesehen sein, dass die Halbleiterschaltereinheiten jeweils ein Schalterge­ häuse umfassen, dass die Schaltergehäuse einander mit einer Gehäusean­ schlussseite gegenüber liegend angeordnet sind, an welcher Gehäusean­ schlussseite wenigstens die Ausgangsanschlüsse vorgesehen sind, und dass die Schaltergehäuse der beiden Halbleiterschaltereinheiten derart bezüglich einander in einer Gehäuseversatzrichtung versetzt angeordnet sind, dass die beiden Ausgangsanschlüsse einander im Wesentlichen ohne Versatz in der Gehäuseversatzrichtung gegenüber liegen.

Insbesondere der Einsatz von Schaltergehäusen bei den jeweiligen Halbleiterschaltereinheiten führt dazu, dass die wesentlichen Schalter­ elemente derselben geschützt aufgenommen sind und somit gegen äußere Einflüsse, insbesondere mechanische Einflüsse, besser abgeschirmt sind.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltungsform der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass an der Gehäuseanschlussseite einer jeweiligen Halbleiterschaltereinheit vorgesehen sind: der Ansteueranschluss, ein erster Kontaktierbereich eines ersten Kontaktieranschlusses, ein zweiter Kon­ taktieranschluss, und dass der zweite Kontaktieranschluss von einer der Halbleiterschaltereinheiten als deren Ausgangsanschluss dem ersten Kontaktierbereich des ersten Kontaktieranschlusses der anderen Halbleiter­ schaltereinheit als wenigstens ein Teil von deren Ausgangsanschluss gegenüber liegend angeordnet und damit leitend verbunden ist.

Um bei dem erfindungsgemäßen Leistungs-Umrichtermodul den zur Verfügung stehenden beziehungsweise erforderlichen Bauraum so effektiv als möglich nutzen zu können, wird vorgeschlagen, dass an dem Schalterge­ häuse der Halbleiterschaltereinheiten ein zweiter Kontaktierbereich des ersten Kontaktieranschlusses vorgesehen ist, welcher zweite Kontaktierbe­ reich mit dem ersten Kontaktierbereich leitend verbunden ist, dass der zweite Kontaktierbereich der einen der Halbleiterschaltereinheiten als deren Eingangsanschluss mit dem ersten Eingangsbereich leitend verbunden ist und dass der zweite Kontaktierbereich der anderen der Halbleiterschalter­ einheiten als Teil von deren Ausgangsanschluss mit dem Ausgangsbereich leitend verbunden ist.

Bei einer alternativen Ausgestaltungsform des erfindungsgemäßen Leistungs-Umrichtermoduls kann weiter vorgesehen sein, dass der erste Kontaktierbereich der einen der Halbleiterschaltereinheiten als deren Eingangsanschluss mit dem ersten Eingangsbereich leitend verbunden ist. Auch hier ist es möglich, dass an dem Schaltergehäuse der Halbleiter­ schaltereinheiten ein zweiter Kontaktierbereich des ersten Kontaktier­ anschlusses vorgesehen ist, welcher zweite Kontaktierbereich mit dem ersten Kontaktierbereich leitend verbunden ist, und dass der zweite Kontaktierbereich der anderen der Halbleiterschaltereinheiten als Teil von deren Ausgangsanschluss mit dem Ausgangsbereich leitend verbunden ist.

Vorzugsweise ist bei einer derartigen Ausgestaltung weiter vorgesehen, dass der zweite Kontaktieranschluss der anderen der Halbleiterschalter­ einheiten als deren Eingangsanschluss mit dem zweiten Eingangsbereich verbunden ist.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die eingangs genannte Aufgabe gelöst durch ein Leistungs-Umrichtmodul, in welchem wahlweise ein zur Verbindung mit einem ersten vorbestimmten elektrischen Potential vorgesehener erster Eingangsbereich oder ein zur Verbindung mit einem zweiten vorbestimmten elektrischen Potential vorgesehener zweiter Eingangsbereich mit einem Ausgangsbereich elektrisch verbindbar ist, umfassend wenigstens eine Schaltergruppe, wobei die wenigstens eine Schaltergruppe zwei Halbleiterschaltereinheiten aufweist, wobei jede der Halbleiterschaltereinheiten einen Ansteueranschluß aufweist und wobei ein Eingangsanschluss von einer der Halbleiterschaltereinheiten mit dem ersten Eingangsbereich verbunden ist und ein Eingangsanschluss der anderen der Halbleiterschaltereinheiten mit dem zweiten Eingangsbereich verbunden ist und wobei jede Halbleiterschaltereinheit einen mit dem Ausgangsbereich verbundenen Ausgangsanschluss aufweist.

Erfindungsgemäß ist dabei weiter vorgesehen, dass die Halbleiterschalter­ einheiten jeweils ein Schaltergehäuse umfassen, wobei an einer Gehäusean­ schlussseite einer jeweiligen Halbleiterschaltereinheit vorgesehen sind: der Ansteueranschluss, optional ein erster Kontaktierbereich eines ersten Kontaktieranschlusses, ein zweiter Kontaktieranschluss, und dass die Halbleiterschaltereinheiten der wenigstens einen Schaltergruppe derart positioniert sind, dass eine Gehäuseanschlussseite von einer der Halbleiter­ schaltereinheiten einer der Gehäuseanschlussseite entgegengesetzt liegenden Gehäuserückseite der anderen der Halbleiterschaltereinheiten gegenüber liegt. Auch bei dieser Anordnung wird eine möglichst enge Packung der einzelnen Halbleiterschaltereinheiten erzielt, was insbesondere dann von Vorteil ist, wenn eine größere Anzahl an Schaltergruppen bei einem einzigen Modul vorhanden ist.

Auf Grund der erzielbaren dichten Packung ist es dabei weiter vorteilhaft, wenn die Halbleiterschaltereinheiten der wenigstens einen Schaltergruppe einander im Wesentlichen ohne Versatz gegenüber liegen.

Um auch bei dieser Ausgestaltungsform des erfindungsgemäßen Leistungs- Umrichtermoduls die erforderlichen Leitungswege beziehungsweise Leiterbahnen auf einem Substrat so kurz als möglich zu halten und somit Induktivitätsprobleme so weit als möglich ausschalten zu können, wird weiter vorgeschlagen, dass an dem Schaltergehäuse der Halbleiterschalter­ einheiten ein zweiter Kontaktierbereich des ersten Kontaktieranschlusses vorgesehen ist, welcher zweite Kontaktierbereich mit dem ersten Kon­ taktierbereich leitend verbunden ist, und dass der zweite Kontaktier­ anschluss der einen der Halbleiterschaltereinheiten als deren Ausgangs­ anschluss mit dem zweiten Kontaktierbereich des ersten Kontaktier­ anschlusses der anderen der Halbleiterschaltereinheiten als deren Ausgangs­ anschluss leitend verbunden ist. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass der zweite Kontaktierbereich an einer Bodenseite, eines jeweiligen Schaltergehäuses vorgesehen ist.

Wie vorangehend angesprochen, ist es insbesondere bei stärkeren Elek­ tromaschinen erforderlich, dass die Umrichtermodule zum Führen vergleichs­ weise goßer Ströme im Bereich von mehreren 100 A ausgebildet sind. Es wird daher vorgeschlagen, dass eine Mehrzahl von Schaltergruppen vorgesehen ist, wobei die einen der Halbleiterschaltereinheiten der Schaltergruppen in einer ersten Reihe angeordnet sind und die anderen der Halbleiterschaltereinheiten der Schaltergruppen in einer zweiten Reihe angeordnet sind. Die reihenweise Anordnung dieser Halbleiterschalter­ einheiten auf dem Substrat gewährleistet eine möglichst dichte Packung und auch eine vergleichsweise einfache Konfiguration der auf dem Substrat bereitzustellenden Leiterbahnen der verschiedenen Eingangsbereiche beziehungsweise des Ausgangsbereiches.

Um die einzelnen Eingangs- beziehungsweise Ausgangsanschlüsse mit den verschiedenen Potentialen- beziehungsweise Phasenanschlüssen in einfacher Weise in Kontakt bringen zu können, wird vorgeschlagen, dass alle Eingangsanschlüsse der einen Halbleiterschaltereinheiten mit einem Leitungssystem des ersten Eingangsbereichs verbunden oder verbindbar sind, dass alle Eingangsanschlüsse der anderen Halbleiterschaltereinheiten mit einem Leitungssystem des zweiten Eingangsbereichs verbunden oder verbindbar sind und dass alle Ausgangsanschlüsse der Halbleiterschalter­ einheiten mit einem Leitungssystem des Ausgangsbereichs verbunden oder verbindbar sind.

Hier kann beispielsweise vorgesehen sein, dass das Leitungssystem des ersten Eingangsbereichs oder/und das Leitungssystem des zweiten Eingangsbereichs oder/und das Leitungssystem des Ausgangsbereichs eine sich entlang der Reihen von Halbleiterschaltereinheiten erstreckende Leitungsschiene umfasst. Bei einer weiteren Ausgestaltungsform kann die Kontaktierung mit den verschiedenen Potentialen alternativ oder zusätzlich auch dadurch erfolgen, dass das Leitungssystem des ersten Eingangs­ bereichs und das Leitungssystem des zweiten Eingangsbereichs zueinander im Wesentlichen parallel verlaufende und über den Reihen von Halbleiter­ schaltereinheiten liegende oder anzuordnende Leitungsplatten umfassen. Diese Anordnung wird insbesondere daher bevorzugt, da sie auch die Kontaktierung mehrerer nebeneinander liegender Module mit den ver­ schiedenen Potentialen vermittels der gleichen Platten gewährleistet.

Um auch in diesen Bereichen der Kontaktierung mit den Potentialen die Induktivitäten so gering als möglich zu halten, wird vorgeschlagen, dass die dem ersten Eingangsbereich und dem zweiten Eingangsbereich zugeord­ neten Leitungsschienen beziehungsweise Leitungsplatten unter Zwischenlagerung von Isoliermaterial wenigstens bereichsweise aneinander anliegend angeordnet sind.

Des Weiteren kann bei dem erfindungsgemäßen Leistungs-Umrichtermodul vorgesehen sein, dass alle Ansteueranschlüsse der einen Halbleiterschalter­ einheiten vorzugsweise jeweils über einen Widerstand mit einer An­ steuerleitung der ersten Reihe von Halbleiterschaltereinheiten verbunden sind und dass alle Ansteueranschlüsse der anderen Halbleiterschalter­ einheiten vorzugsweise jeweils über einen Widerstand mit einer An­ steuerleitung der zweiten Reihe von Halbleiterschaltereinheiten verbunden sind.

Um bei möglichst kostengünstigem Aufbau auch eine bestmögliche Wärmeabfuhr aus dem Bereich der einzelnen Leistungsschalter erzielen zu können, wird vorgeschlagen, dass die wenigstens eine Schaltergruppe auf einem isolierten Metallsubstrat angeordnet ist.

Wie bereits ausgeführt, können die einzelnen Halbleiterschaltereinheiten jeweils wenigstens ein IGBT-Halbleiterschalterelement (insulated gate bipolar transistor) oder wenigstens ein MOSFET-Halbleiterschalterelement (metal oxide semi-conductor field effect transistor) umfassen.

Um die angesprochenen mechanischen Belastungen derartiger Halbleiter­ schalterelemente so gering als möglich zu halten, wird vorgeschlagen, dass das wenigstens eine Halbleiterschalterelement in das Schaltergehäuse eingebettet ist.

Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine Leistungs-Umrichtereinrichtung für eine mehrphasige Elektromaschine, wobei jeder Phase der Elektroma­ schine ein erfindungsgemäßes Leistungs-Umrichtermodul zugeordnet ist.

Wie bereits angesprochen kann bei einer derartigen Ausgestaltung einer Umrichtereinrichtung vorgesehen sein, dass mit der Leitungsplatte des ersten Eingangsbereichs alle Eingangsanschlüsse der einen Halbleiter­ schaltereinheiten verbunden oder verbindbar sind und dass mit der Leitungsplatte des zweiten Eingangsbereichs alle Eingangsanschlüsse der anderen Halbleiterschaltereinheiten verbunden oder verbindbar sind.

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen anhand bevorzugter Ausgestaltungsformen detailliert beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 eine Prinzipansicht des schaltungstechnischen Aufbaus eines für einen Dreiphasenelektromotor eingesetzten Umrichters mit drei Umrichtermodulen;

Fig. 2 eine Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes Umrichtermodul;

Fig. 3 eine Querschnittansicht des in Fig. 2 dargestellten Umrichter­ moduls;

Fig. 4 eine der Fig. 3 entsprechende Querschnittansicht eines drei erfindungsgemäße Umrichtermodule umfassen den Umrichters;

Fig. 5 eine Teil-Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes Umrichtermo­ dul gemäß einer alternativen Ausgestaltungsform;

Fig. 6 eine Querschnittansicht des in Fig. 5 dargestellten Umrichter­ moduls, geschnitten längs einer Linie VI-VI in Fig. 5;

Fig. 7 eine Teil-Draufsicht auf eine weitere Ausgestaltungsform eines erfindungsgemäßen Umrichtermoduls.

In den Fig. 2 bis 4 ist eine erste Ausgestaltungsform eines erfindungs­ gemäßen Leistungs-Umrichtermoduls dargestellt. Es sei darauf hingewiesen, dass dieses Leistungs-Umrichtermodul hinsichtlich der schaltungstechni­ schen Anordnung den in Fig. 1 veranschaulichten Prinzipien folgt und eine Mehrzahl von im Folgenden beschriebenen Schaltergruppen beziehungs­ weise Halbbrücken, jeweils gebildet aus zwei Leistungs-Halbleiterschaltereinheiten aufweist. In den dargestellten Beispielen wird daher lediglich Bezug auf ein einziges derartiges Leistungs-Umrichtermodul genommen, wobei jedoch, wie in Fig. 4 dann erkennbar, einer Mehrphasenelek­ tromaschine, wie z. B. einem Synchronmotor oder einem Asynchronmotor, dann entsprechend der Anzahl an Phasen mehrere derartige Module zugeordnet weiden. Des Weiteren sei darauf hingewiesen, dass in den dargestellten Beispielen als Leistungs-Halbleiterschalterelemente jeweils IGBTs dargestellt sind. Es ist selbstverständlich, dass hier auch andere Halbleiterleistungsschalterelemente, wie z. B. MOSFETs, zum Einsatz kommen können.

Bei dem in den Fig. 2 bis 4 dargestellten Ausgestaltungsbeispiel weist das Leistungs-Umrichtermodul 12 als Träger ein isoliertes Metallsubstrat 40 (IMS) auf. Dieses umfasst eine Trägerplatte 42 aus Metall, beispielsweise Aluminium, auf welcher eine Isolationsschicht 44, beispielsweise eine Kunststofffolie, vorgesehen ist. Auf dieser Isolationsschicht 44 sind dann, wie folgend beschrieben, mehrere Leiterbahnen beziehungsweise Kontaktier­ flächen vorgesehen, über welche dann elektrische Verbindungen zu verschiedenen Bereichen beziehugsweise Bauteilen hergestellt werden.

Wie man in Fig. 2 erkennt, sind auf dem isolierten Metallsubstrat 40 acht Schaltergruppen vorgesehen, von welchen nur die oberen drei mit den Bezugszeichen 24, 26, 28 bezeichnet sind. Diese Schaltergruppen 24, 26, 28 usw. umfassen jeweils wieder zwei Halbleiterschaltereinheiten, so dass letztendlich jedes Paar aus Halbleiterschaltereinheiten 32, 34 eine Halb­ brücke bildet. Die einzelnen Schaltergruppen 24, 26, 28 usw., d. h. die einzelnen Paare von Halbleiterschaltereinheiten 32, 34, sind jeweils derart zueinander angeordnet, dass sich zwei Reihen 46, 48 von Halbleiterschalter­ einheiten ergeben, in welchen Reihen die einzelnen Halbleiterschalter­ einheiten im Wesentlichen gleich orientiert und nahe beieinander liegend angeordnet sind.

Jede der Halbleiterschaltereinheiten 32, 34 weist ein auch in Fig. 3 erkennbares Schaltergehäuse 50, 52 auf. Dies können Standardgehäuse sein, die fertigungstechnisch einfach zu handhaben sind. In die im Allgemeinen aus Kunststoff gebildeten Schaltergehäuse 50, 52 sind dann die eigentlichen Schalterelemente, welche in Fig. 1 schaltungstechnisch veranschaulicht sind, eingesetzt und eingebettet, so dass sie darin fest und stabil getragen sind und somit den Vibrationseinflüssen weniger ausgesetzt sind. Die drei Anschlüsse der Halbleiterschalterelemente beziehungsweise IGBTs sind in den einzelnen Schaltergehäusen 50, 52 mit daran vor­ gesehenen Anschlüssen elektrisch leitend verbunden. Auch diese dünnen Leitungsverbindungen innerhalb der Schaltergehäuse 50, 52 können in Material eingebettet sein und sind somit ebenfalls den Umgebungseinflüssen und auch den Vibrationseinflüssen weniger stark ausgesetzt.

Die Schaltergehäuse 50, 52 weisen jeweils eine Kontaktierseite 54, 56 auf, an welchen drei Anschlussfahnen 58, 60, 62 vorgesehen sind. Die Anschlussfahne 58 dient als Ansteueranschluss (gate). Die Anschlussfahne 60 ist ein erster Kontaktierbereich des Collectors und die Anschlussfahne 62 bildet einen Kontaktieranschluss, über welchen der Emitter des im jeweiligen Schaltergehäuse 50, 52 angeordneten IGBTs kontaktiert werden kann. Ferner ist an einer dem Substrat 40 zugewandt positionierten Bodenseite 64 beziehungsweise 66 der jeweiligen Schaltergehäuse 50, 52 ein weiterer Kontaktierbereich 68 vorgesehen, der direkt elektrisch leitend verbunden ist mit der Anschlussfahne 60, so dass letztendlich die An­ schlussfahne 60 und der an der Bodenseite 64, 66 vorgesehene Kontaktier­ anschluss 68 einen dem Collector des jeweiligen Halbleiterschalterelementes zugeordneten Kontaktieranschluss bilden.

In der Reihe 48 von Halbleiterschaltereinheiten 34 bilden jeweils die Collector-Anschlüsse C, d. h. der aus den Kontaktierbereichen 68, 60, gebildete Kontaktieranschluss, den Eingangsanschluss der Halbleiterschalter­ einheiten 34. Um also den Collector des in einem jeweiligen Schaltergehäuse 52 vorgesehenen IGBTs mit dem vorgesehenen Potential +V in Kontakt bringen zu können, sind auf dem Substrat 40 mehrere Kontaktier­ flächen 70 aus leitendem Material gebildet. Die Kontaktierflächen 70 sind derart bemessen, dass sie jeweils zwei unmittelbar in der Reihenrichtung der Reihe 48 aufeinander folgende Schaltergehäuse 52 aufnehmen können, so dass durch Anlöten die Kontaktierbereiche 68 dieser beiden Schaltergehäuse 52 sowohl eine elektrisch leitende als auch eine mechanisch feste Verbindung zwischen den Schaltergehäusen 52 und dem Substrat 40 beziehungsweise den darauf vorgesehenen Kontaktierflächen 70 erzeugt wird. An jeder der Kontaktierflächen 70 ist ein nach oben stehender Leitungsbolzen 72 festgelegt, über welchen, wie im Folgenden dann noch beschrieben, die elektrische Verbindung mit einem Potential hergestellt wird. Diese Kontaktierflächen 70 mit den zugeordneten Bolzen 72 bilden also jeweils einen Teil eines ersten Eingangsbereichs 74, nämlich des Eingangs­ bereichs 74, mit welchem die Eingangsanschlüsse der Reihe 48 von Halbleiterschaltereinheiten 34, d. h. deren Kontaktierbereiche 68, elektrisch leitend verbunden sind.

Ferner erkennt man auf dem Substrat 40 eine Ansteuerleiterbahn 76, welche sich vor den Gehäuseanschlussseiten der Halbleiterschaltereinheiten 34 erstreckt. Die Fahnen 58, d. h. die Ansteueranschlüsse der einzelnen Halbleiterschaltereinheiten 34, sind mit dieser Ansteuerleiterbahn 76 über jeweilige Entkopplungswiderstände 78 leitend verbunden. Ferner ist eine Referenzleiterbahn 80 vorgesehen, welche sich zur Ansteuerleiterbahn 76 auf dem Substrat 40 parallel erstreckt und welche leitend verbunden ist mit den jeweiligen Fahnen 62 der Halbleiterschaltereinheiten 34, d. h. den Emitter-Anschlüssen. Diese Referenzleiterbahn 80 bildet ein Referenzpoten­ tial für die Ansteuerleiterbahn 76, so dass die Ansteuerspannung, welche zum leitend Schalten der jeweiligen IGBTs an die Gateanschlüsse G derselben, d. h. die Fahnen 58, angelegt wird, als Bezugspotential das Potential der Emitter-Anschlüsse, d. h. der Fahnen 62 beziehungsweise der Leiterbahn 80, hat.

Die Anschlussfahnen beziehungsweise Kontaktieranschlüsse 62, d. h. die Emitter-Anschlüsse der einzelnen IGBTs, bilden gleichzeitig auch die Ausgangsanschlüsse der jeweiligen Halbleiterschaltereinheiten 34 der Reihe 48. Jeder dieser Kontaktieranschlüsse, d. h. jede Fahne 62, ist leitend verbunden mit einer auf dem Substrat 40 vorgesehenen Kontaktierfläche 82, die sich in ihrer Längsrichtung von der jeweiligen Gehäuseanschluss­ seite 56 der Halbleiterschaltereinheiten 34 im Wesentlichen geradlinig wegerstreckt auf die Reihe 46 von Halbleiterschaltereinheiten 32 zu. Man erkennt in Fig. 2, dass mit diesen Kontaktierflächen 82 die Fahnen 60, d. h. die Collector-Anschlüsse der Halbleiterschaltereinheiten 32, leitend verbunden sind. Insbesondere ist die Lagezuordnung der beiden Halbleiter­ schaltereinheiten 32, 34 einer jeweiligen Schaltergruppe 24, 26, 28 usw. derart, dass die Fahne 62, d. h. der Emitter-Anschluss der Halbleiterschalter­ einheiten 34, unmittelbar und ohne Versatz in der Richtung der einzelnen Reihen 46, 48 der Fahnen 60, d. h. dem Collector-Anschluss oder einem Collector-Anschlussbereich, der Halbleiterschaltereinheiten 32 gegenüber­ liegt. Es wird somit eine möglichst kurze leitende Verbindung zwischen diesen beiden jeweils Ausgangsanschlüsse der Halbleiterschaltereinheiten 32, 34 bildenden Fahnen 60, 62 erzeugt, mit dem Vorteil einer möglichst geringen Induktivität in diesem Bereich. Die Fahne 60 der Halbleiterschalter­ einheiten 32 ist, wie vorangehend bereits beschrieben, mit dem an der Bodenseite 64 der Schaltergehäuse 50 vorgesehenen Kontaktierbereich 68 leitend verbunden und bildet zusammen mit diesem letztendlich den Ausgangsanschluss der Halbleiterschaltereinheiten 32. Diesen zugeordnet sind auf dem Substrat 40 ebenfalls Kontaktierflächen 84 vorgesehen, welche wieder derart bemessen sind, dass auf einer Kontaktierfläche 84 jeweils zwei Halbleiterschaltereinheiten 32 Platz finden und mit ihren Kontaktierbereichen 68 darauf durch Festlöten festgelegt werden können. An den an jeweiligen Rückseiten 86 der Halbleiterschaltereinheiten 32 überstehenden Bereichen der Kontaktierflächen 84 sind an diesen wieder Leitungsbolzen 88 vorgesehen, über welche, wie im Folgenden noch beschrieben, dann der elektrische Anschluss beziehungsweise die elektrische Verbindung zu einer jeweiligen Phase der angesteuerten Elek­ tromaschine hergestellt wird.

Auch den Ansteueranschlüssen, d. h. den Fahnen 58, der Halbleiterschalter­ einheiten 32 ist eine Ansteuerleiterbahn 90 auf dem Substrat 40 zugeord­ net, welche sich entlang der Gehäuseanschlussseite 54 der Halbleiter­ schaltereinheiten 32 erstreckt und mit den Fahnen 58 wiederum über Entkopplungswiderstände 92 leitend verbunden ist. Neben der Ansteuerlei­ terbahn 90 erstreckt sich dann wieder die Referenzleiterbahn 94, mit welcher die Kontaktieranschlüsse, d. h. Fahnen, 62 leitend verbunden sind, um ein Referenzpotential für die Ansteuerung der in den Gehäusen 50 vorgesehenen IGBTs zu schaffen. Des Weiteren sind die Fahnen 58, welche letztendlich die Eingangsanschlüsse der Halbleiterschaltereinheiten 32 bilden, mit jeweiligen Kontaktierflächen 96 leitend verbunden. Mit diesen Kontaktierflächen 96 sind über die jeweilige Kontaktierflächen 82 über­ brückende Brücken 98 jeweilige Leitungsbolzen 100 verbunden, welche, wie im Folgenden noch beschrieben, die elektrisch leitende Verbindung zu dem Potential -V herstellen. Diese Kontaktierflächen 96 mit den Brücken 98 und den Leitungsbolzen 100 bilden also letztendlich einen allgemein mit 102 bezeichneten zweiten Eingangsbereich beziehungsweise einen Teil desselben. In entsprechender Weise bilden dann die Kontaktierflächen 84 sowie die Leitungsbolzen 88 wenigstens einen Teil eines Ausgangsbereichs 104 eines jeweiligen Moduls 12.

Durch die versetzte Anordnung der Halbleiterschaltereinheiten 32, 34 einer jeweiligen Schaltergruppe 24, 26, 28 usw. wird eine äußerst dichte Packung der gesamten Halbleiterschaltereinheiten erhalten, wobei die erforderlichen Leitungswege auf dem Substrat äußerst kurz gehalten sind und die erzeugten Induktivitäten insbesondere bei den hohen Spannungen und den kurzen Schaltzeiten sehr gering gehalten werden. Ein derartiges Modul lässt sich problemlos hinsichtlich seines Layouts an verschiedene Anforderungen anpassen. Beispielsweise sei angenommen, dass in dem in Fig. 2 dargestellten Beispiel mit acht sogenannten Halbbrücken, von welchen jede für 50 A ausgelegt ist, also ein Einsatz bei einer Elektroma­ schine vorgesehen ist, bei welcher in jeder Phase ein Strom im Bereich von 400 A fließen soll. Durch entsprechende längere oder kürzere Ausgestaltung des Substrats 40 mit entsprechend vergrößerter beziehungsweise ver­ ringerter Anzahl an Kontaktbereichen, an welchen jeweilige Halbbrücken vorgesehen werden können, kann in einfacher Weise eine stufenweise Anpassung an verschiedene erforderliche Ströme vorgenommen werden. Auch lässt sich der Fertigungsvorgang vergleichsweise einfach durchführen, da nicht die Halbleiterschalterelemente, also beispielsweise IGBTs oder MOSFETs, selbst auf das Substrat aufgebracht und damit leitend verbunden werden müssen, sondern die als Normbauteile erhaltenen Schaltergehäuse durch entsprechende Maschinen ergriffen und auf dem Substrat angeordnet werden können.

Zusammenfassend sei zu dieser Ausgestaltungsform eines Leistungs- Umrichtermoduls also gesagt, dass bei der Reihe 48 von Halbleiterschalter­ einheiten 34 die Gateanschlüsse, d. h. die Fahnen 58, die Ansteuerbereiche der jeweiligen Halbleiterschaltereinheiten 34 bilden und die an der Boden­ seite 66 der Schaltergehäuse 52 liegenden Kontaktierbereiche 68 die Eingangsanschlüsse bilden. Die mit diesen Kontaktierbereichen 68 leitend verbundenen Fahnen 60 können hier beispielsweise abgezwickt oder vollständig weggelassen sein, da sie nicht kontaktiert werden. Diese Eingangsanschlüsse beziehungsweise Kontaktierbereiche 68 sind dann mit dem Eingangsbereich 74 für das Potential +V leitend verbunden. In entsprechender Weise bilden bei den Halbleiterschaltereinheiten 32 der Reihe 46 die Emitteranschlüsse beziehungsweise Fahnen 62 die Eingangs­ anschlüsse und sind mit dem Eingangsbereich 104 des Potentials -V leitend verbunden. Auch hier bilden die Gateanschlüsse, d. h. die Fahnen 58, die Ansteuerbereiche. Die Collector-Anschlüsse, d. h. die Fahnen 60 der Halbleiterschaltereinheiten 32, sind als wenigstens ein Teil von deren Ausgangsanschluss mit den Emitter-Anschlüssen, d. h. den Fahnen 62 der Halbleiterschaltereinheiten 34, auf kürzestem Wege über die Kontaktier­ flächen 82 leitend verbunden. Die mit diesen Fahnen 60 leitend ver­ bundenen Kontaktierbereiche 68 an der Rückseite der Gehäuse 50 stellen die leitende Verbindung mit dem Ausgangsbereich 104 her.

Mit Bezug auf die Fig. 3 und 4 wird im Folgenden beschrieben, wie die beiden Eingangsbereiche 74, 102 beziehungsweise der Ausgangsbereich 104 elektrisch leitend an eine Spannungsquelle angeschlossen werden können. Hier erkennt man zunächst, dass die Leitungsbolzen 88 des Ausgangsbereichs 104 mit einer sich zur Zeichenebene der Fig. 3 orthogonal erstreckenden Leitungsschiene 106, welche auf die Leitungs­ bolzen 88 aufgeschraubt ist, leitend verbunden sind. Diese Leitungsschiene 106 führt zu der dem in Fig. 3 dargestellten Leistungs-Umrichtermodul zugeordneten Phase der Elektromaschine. Über dem Leistungs-Umrichtermo­ dul 12 liegen ferner zwei Leitungsplatten 108, 110, die unter Zwischenposi­ tionierung eines Isoliermaterials 112 aneinander anliegen. Die Leitungsplatte 108 bildet die leitende Verbindung zwischen den Leitungsbolzen 72 des Eingangsbereichs 74 und dem positiven Potential +V einer Spannungs­ quelle, beispielsweise einer Batterie. In entsprechender Weise bildet die Leitungsplatte 110 die leitende Verbindung zwischen den Leitungsbolzen 100 des Eingangsberichs 102 und dem Potential -V der Spannungsquelle. Die Leitungsplatten 108, 110 liegen im Wesentlichen vollflächig über dem Substrat 40, und in denjenigen Bereichen, in welchen eine der Leitungs­ platten 108, 110 mit einem jeweiligen Leitungsbolzen 72 oder 100 zu verbinden ist, weisen die jeweils andere Leitungsplatte und das Isoliermate­ rial 112 Durchbrechungen 114, 116, 118, 120 auf. Durch die Durch­ brechungen 116, 120 in der Leitungsplatte 110 beziehungsweise des Isoliermaterials 112 sind dann Schraubbolzen 124 geschraubt, durch welche die Leitungsplatte 108 fest mit den Leitungsbolzen 72 verbunden ist. Durch die Durchbrechungen 114, 118 in der Leitungsplatte 108 beziehungsweise des Isoliermaterials 112 erstrecken sich die Leitungsbolzen 100 hindurch, welche dann mit der Leitungsplatte 110 ebenfalls durch Schraubbolzen fest verbunden sind.

Auch hier wird durch die möglichst nahe aneinander liegende Positionierung der einzelnen Leitungsplatten 108, 110 eine möglichst geringe Induktivität erzielt. Des Weiteren ermöglicht diese Art der Kontaktierung die einfache Zusammengruppierung mehrerer Leistungs-Umrichtermodule zu einem gesamten Umrichter 10, wie in Fig. 4 erkennbar. Hier sieht man die drei nebeneinander liegenden Module 12, 14, 16, welche den drei Phasen einer Elektromaschine zugeordnet sind. Jedes der Umrichtermodule 12, 14, 16 ist so wie vorangehend mit Bezug auf die Fig. 2 und 3 beschrieben aufgebaut. Über diesen Umrichtermodulen 12, 14, 16 liegen nunmehr die Leitungsplatten 108, 110, mit welchen die Umrichtermodule 12, 14, 16 fest verbunden sind und welche wiederum mit den verschiedenen Potentialen einer Spannungsquelle leitend verbunden sind. Es lässt sich auf diese Art und Weise eine äußerst kompakte und stabile Bauweise eines Umrichters 10 erlangen, bei welchem letztendlich die einzelnen Umrichtermodule 12, 14, 16 über die Leitungsplatten 108, 110 auch fest miteinander verbunden sind. Man erkennt des Weiteren die drei sich entlang der Rückseite 86 der Halbleiterschaltereinheiten 32 erstreckenden Leitungsschienen 106, welche zu den Phasen des zu erregenden Motors führen.

In den Fig. 5 und 6 ist eine alternative Ausgestaltungsart eines erfindungsgemäßen Leistungs-Umrichtermoduls dargestellt, bei welchem die gleichen Anordnungsprinzipien, wie sie auch vorangehend geschildert wurden, zur Anwendung kommen. Komponenten, welche hinsichtlich Aufbau beziehungsweise Funktion vorangehend beschriebenen Kom­ ponenten entsprechen, sind mit dem gleichen Bezugszeichen unter Hinzufügung eines Anhangs "a" bezeichnet.

Man erkennt, dass auch hier die einzelnen Halbleiterschaltereinheiten 32a, 34a einer jeweiligen Schaltergruppe 24a, 26a usw. in der Richtung der Reihen 46a, 48a bezüglich einander derart versetzt sind, dass die jeweils Ausgangsanschlüsse oder Teile derselben bildenden Kontaktieranschlüsse beziehungsweise Fahnen 62a beziehungsweise 60a zur gemeinsamen Kontaktierung der Kontaktierflächen 82a einander unmittelbar und im Wesentlichen ohne Versatz gegenüber liegen. Man erkennt, dass die Kontaktierflächen 82a mit der Referenzleiterbahn 80a zusammenhängend ausgebildet sind, was selbstverständlich auch bei der Ausgestaltungsform gemäß den Fig. 1 bis 3 der Fall sein kann. Entsprechendes gilt auch für die Kontaktierflächen 96a, welche mit der Referenzleiterbahn 94a zu­ sammenhängend ausgebildet sind.

Näherungsweise in der Mitte zwischen den beiden Reihen 46a, 48a erstrecken sich zwei Leitungsschienen 130a, 132a. Die Leitungsschiene 130a, welche sich also auch in Richtung der Reihe 46a erstreckt, weist in ihren über den Kontaktierflächen 96a liegenden Bereichen nach unten abstehende Beine 134a auf, welche mit den Kontaktierflächen 96a und somit den Fahnen 62a leitend verbunden sind. In entsprechender Weise weist die Leitungsschiene 132a in ihren über jeweiligen Kontaktierflächen 138a liegenden Bereichen nach unten abstehende Beine 140a auf, welche mit diesen Kontaktierflächen 138a leitend verbunden sind. Ferner sind mit diesen Kontaktierflächen 138a die Fahnen 60a, d. h. die Collector-An­ schlüsse der Halbleiterschaltereinheiten 34a, leitend verbunden. Die an den Bodenseiten 66a der Gehäuse 52a vorgesehenen Kontaktierbereiche 68a der Schaltergehäuse 52a sind durch Anlöten auf den Kontaktierflächen 70a des Substrats 40a festgelegt, wobei hier jedoch lediglich eine Verbindung zum Zwecke des mechanischen Festlegens, nicht jedoch zum Herstellen einer elektrisch leitenden Verbindung vorgesehen ist.

Zwischen den beiden Leitungsschienen 130a, 132a beziehungsweise den jeweiligen Beinen 134a, 140a liegt wieder Isoliermaterial 142a, so dass letztendlich über dieses Isoliermaterial 142a die Leitungsschienen 130a, 132a aneinander anliegen und somit sehr nahe beieinander verlaufen. Die Leitungsschiene 130a stellt dann für das Umrichtermodul 12a die leitende Verbindung des Eingangsbereiches 102a desselben mit dem negativen Potential -V her, und die Leitungsschiene 132a stellt die leitende Verbindung des Eingangsbereiches 74a mit dem positiven Potential +V her. Der wesentliche Unterschied besteht neben der schienenartigen Ausbildung dieses die Verbindung zum Potential herstellenden Leitungssystems nunmehr darin, dass bei den Halbleiterschaltereinheiten 34a als Eingangs­ anschlüsse die Kontaktierbereiche beziehungsweise Fahnen 60a dienen.

Im Ausgangbereich 104a ist die leitende Verbindung mit der jeweiligen Phase der anzusteuernden Elektromaschine ebenfalls durch einen Leitungs­ balken beziehungsweise eine Leitungsschiene 144a hergestellt, welche sich an der Rückseite 86a entlang der Halbleiterschaltereinheiten 32a bezie­ hungsweise deren Gehäuse 50a erstreckt.

Bei der Ausgestaltungsform gemäß den Fig. 5 und 6 erkennt man weiter, dass die jeweiligen Ansteuerleiterbahnen 76a, 90a teilweise unter den Gehäusen 50a, 52a verlaufen, so dass der zur Verfügung stehende Bauraum hier noch verbessert ausgenutzt ist. Es ist selbstverständlich, dass diese Ansteuerleitungsbahnen 76a, 90a, welche jeweils über die Wider­ stände 78a, 92a mit den Fahnen 58a der Halbleiterschaltereinheiten 32a, 34a verbunden sind, nicht mit den an den Bodenseiten 64a, 66a der Gehäuse 50a, 52a vorgesehenen Kontaktierebreichen 68a verbunden sind.

Eine weitere abgewandelte Ausgestaltungsform eines erfindungsgemäßen Umrichtermoduls ist in Fig. 7 dargestellt. Komponenten, welche vor­ angehend beschriebenen Komponenten hinsichtlich Aufbau beziehungsweise Funktion entsprechen, sind mit den gleichen Bezugszeichen unter Hinzufü­ gung eines Anhangs "b" bezeichnet.

In Fig. 7 ist eine Anordnung erkennbar, bei welcher die Halbleiterschalter­ einheiten 32b, 34b der einzelnen Schaltergruppen 24b, 26b usw. einander ohne Versatz in der Richtung der Reihen 46b, 48b gegenüber liegen beziehungsweise nebeneinander angeordnet sind. Ferner ist die Anordnung derart, dass der Gehäuseanschlussseite 56b der Halbleiterschaltereinheiten 34b die Rückseite 86b der Halbleiterschaltereinheiten 32b gegenüber liegt. D. h., die beiden Halbleiterschaltereinheiten 32b, 34b einer jeweiligen Schaltergruppe 24b, 26b usw. sind gleich gerichtet auf den Substrat 40b angeordnet.

Den Halbleiterschaltereinheiten 34b der Reihe 48b sind wieder die Kontaktierflächen 70b beziehungsweise die Leitungsbolzen 72b zugeordnet. Für die Halbleiterschaltereinheiten 32b der Reihe 46b sind nunmehr Kontaktierflächen 150b vorgesehen. Auf diesen Kontaktierflächen 150b können beispielsweise wiederum zwei unmittelbar nebeneinander liegende Halbleiterschaltereinheiten 32b mit den an ihren Bodenseiten 64b vor­ gesehenen Kontaktierbereichen 68b, welche in Fig. 7 nicht erkennbar sind, durch Festlöten angebracht sein. Ferner sind mit diesen Kontaktierflächen 150b wieder die Kontaktieranschlüsse 62b, also die Emitter-Anschlüsse, der Halbleiterschaltereinheiten 32b leitend verbunden. Die Leitungsbolzen 88b des Ausgangsbereichs 104b liegen nunmehr zwischen den beiden Reihen 46b, 48b und sind mit den Kontaktierflächen 150b in leitendem Kontakt. Die am Bodenbereich 64b der einzelnen Schaltergehäuse 50b der Reihe 46b vorgesehenen Kontaktierbereiche 68b bilden letztendlich die Ausgangs­ bereiche dieser Halbleiterschaltereinheiten 32b. Die Eingangsanschlüsse der Halbleiterschaltereinheiten 32b sind durch die Fahnen 62b, d. h. die Emitter- Anschlüsse derselben, gebildet, die mit einer Kontaktierfläche 152b auf dem Substrat 40b leitend verbunden sind. Die Leitungsbolzen 100b des Eingangsbereihs 102b sind mit diesen Kontaktierflächen 152b leitend verbunden.

Über den Reihen 46b, 48b können wieder die in Fig. 3 beziehungsweise in Fig. 4 erkennbaren Leitungsplatten liegen, die mit den Leitungsbolzen 72b, 100b dann, so wie vorangehend beschrieben, verbunden sind. Die Leitungsschienen des Ausgangsbereichs erstrecken sich dann entlang der Reihen 46b, 48b und zwischen diesen.

Man erkennt bei der Ausgestaltungsform gemäß Fig. 7, dass bei beiden Reihen 46b, 48b von Halbleiterschaltereinheiten 32b, 34b jeweils die Collector-Anschlüsse, d. h. die Fahnen 60b, die mit den an der Bodenseite liegenden Kontaktierbereichen leitend verbunden sind, nicht genutzt werden. Sie können daher entfernt werden beziehungsweise müssen von vornherein nicht vorgesehen sein.

Weiter erkennt man in Fig. 7, dass durch die ohne Versatz bezüglich einander positionierten Halbleiterschaltereinheiten 32b, 34b einer jeweiligen Schaltergruppe 24b, 26b eine noch dichtere Packung der Halbleiterschalter­ einheiten möglich ist, so dass der gesamt eingenommene Bauraum beziehungsweise die auf einem Substrat bereitzustellende Oberfläche verringert werden kann.

Zu allen vorangehend beschriebenen Ausgestaltungsformen eines erfin­ dungsgemäßen Umrichtermoduls sei noch ausgeführt, dass in den einzelnen Schaltergehäusen, welche die eigentlichen Halbleiterschalterelemente, also beispielweise IGBTs oder MOSFETs, aufnehmen, nicht notwendigerweise nur jeweils ein derartiges Halbleiterschalterelement vorgesehen sein muss, sondern dass darin, je nach Betriebsanforderung, bereits mehrere derartige Halbleiterschalterelemente zueinander parallel geschaltet vorgesehen sein können. Bei allen erfindungsgemäßen Ausgestaltungsvarianten wird durch die enge Packung der Halbleiterschaltereinheiten und die möglichen kurzen Leitungswege eine äußerst geringe Induktivität in den jeweiligen Halb­ brücken erzielt. Ferner weisen alle Ausgestaltungsformen den Vorteil auf, dass sie, wie bereits erwähnt, durch Hinzufügen mehrerer derartiger Halbbrücken beliebig in Stufen skaliert werden können und somit an die im Betrieb auftretenden Ströme angepasst werden können, wobei problemlos bei der Entwicklung derartiger Module dann die jeweiligen Reihen von Halbleiterschaltereinheiten verlängert werden können, was durch ent­ sprechend längere beziehungsweise kürzere Ausgestaltung des Substrats beziehungsweise der darauf vorgesehenen Leiterbahnen erhalten werden kann. Auch können in diesen Modulen dann die der Entkopplung dienenden elektrischen Bauteile, wie beispielsweise die angesprochenen Widerstände, bereits integriert sein, so dass der Modulcharakter weiter verstärkt werden kann.

Claims (22)

1. Leistungs-Umrichtermodul, in welchem wahlweise ein zur Verbindung mit einem ersten vorbestimmten elektrischen Potential (+V) vor­ gesehener erster Eingangsbereich (74; 74a) oder ein zur Verbindung mit einem zweiten vorbestimmten elektrischen Potential (-V) vorgesehener zweiter Eingangsbereich (102; 102a) mit einem Ausgangsbereich (104; 104a) elektrisch verbindbar ist, umfassend wenigstens eine Schaltergruppe (24, 26, 28; 24a, 26a), wobei die wenigstens eine Schaltergruppe (24, 26, 28; 24a, 26a) zwei Halbleiterschaltereinheiten (32, 34; 32a, 34a) aufweist, wobei jede der Halbleiterschaltereinheiten (24, 26, 28; 24a, 26a) einen An­ steueranschluss (58; 58a) aufweist und wobei ein Eingangsanschluss (68; 60a) von einer (34; 34a) der Halbleiterschaltereinheiten (32, 34; 32a, 34a) mit dem ersten Eingangsbereich (74; 74a) verbunden ist und ein Eingangsanschluss (62; 62a) der anderen (32; 32a) der Halbleiterschaltereinheiten (24, 26, 28; 24a, 26a) mit dem zweiten Eingangsbereich (102; 102a) verbunden ist und wobei jede Halbleiter­ schaltereinheit (32, 34; 32a, 34a) einen mit dem Ausgangsbereich (104; 104b) verbundenen Ausgangsanschluss (62, 60; 62a, 60a) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Halbleiterschaltereinheiten (32, 34; 32a, 34a) der wenigstens einen Schaltergruppe (24, 26, 28; 24a, 26a) einander derart gegenüber liegend positioniert sind, dass wenigstens die Ausgangsanschlüsse (62, 60; 62a, 60a) derselben einander gegenüber liegen.

2. Leistungs-Umrichtermodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterschaltereinheiten (32, 34; 32a, 34a) jeweils ein Schaltergehäuse (50, 52; 50a, 52a) umfassen, dass die Schaltergehäuse (50, 52; 50a, 52a) einander mit einer Gehäuseanschlussseite (54, 56; 54a, 56a) gegenüber liegend angeordnet sind, an welcher Gehäuseanschlussseite (54, 56; 54a, 56a) wenigstens die Ausgangsanschlüsse (62, 60; 62a, 60a) vorgesehen sind, und dass die Schaltergehäuse (50, 52; 50a, 52a) der beiden Halbleiterschaltereinheiten (32, 34; 32a, 34a) derart bezüglich einander in einer Gehäuseversatzrichtung versetzt an­ geordnet sind, dass die beiden Ausgangsanschlüsse (62, 60; 62a, 60a) einander im Wesentlichen ohne Versatz in der Gehäuseversatz­ richtung gegenüber liegen.

3. Leistungs-Umrichtermodul nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass an der Gehäuseanschlussseite (54, 56; 54a, 56a) einer jeweiligen Halbleiterschaltereinheit (32, 34; 32a, 34a) vorgesehen sind:
der Ansteueranschluss (58; 58a),
ein erster Kontaktierbereich (60; 60a) eines ersten Kontaktier­ anschlusses (60, 68; 60a, 68a),
ein zweiter Kontaktieranschluss (62, 62a)
und dass der zweite Kontaktieranschluss (62; 62a) von einer (34; 34a) der Halbleiterschaltereinheiten (32, 34; 32a, 34a) als deren Ausgangsanschluss dem ersten Kontaktierbereich (60; 60a) des ersten Kontaktieranschlusses (60, 68; 60a, 68a) der anderen Halbleiterschaltereinheit (32; 32a) als wenigstens ein Teil von deren Ausgangsanschluss gegenüber liegend angeordnet und damit leitend verbunden ist.

4. Leistungs-Umrichtermodul nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Schaltergehäuse (50, 52) der Halbleiterschaltereinheiten (32, 34) ein zweiter Kontaktierbereich (68) des ersten Kontaktieranschlusses (60, 68) vorgesehen ist, welcher zweite Kontaktierbereich (68) mit dem ersten Kontaktierbereich (60) leitend verbunden ist, dass der zweite Kontaktierbereich (68) der einen (34) der Halbleiterschaltereinheiten (32, 34) als deren Eingangs­ anschluss mit dem ersten Eingangsbereich (74) leitend verbunden ist und dass der zweite Kontaktierbereich (68) der anderen (32) der Halbleiterschaltereinheiten (32, 34) als Teil von deren Ausgangs­ anschluss mit dem Ausgangsbereich (104) leitend verbunden ist.

5. Leistungs-Umrichtermodul nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kontaktierbereich (60a) der einen (34a) der Halbleiterschaltereinheiten (32a, 34a) als deren Eingangsanschluss mit dem ersten Eingangsbereich (74a) leitend verbunden ist.

6. Leistungs-Umrichtermodul nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Schaltergehäuse (50a, 52a) der Halbleiterschaltereinheiten (32a, 34a) ein zweiter Kontaktierbe­ reich (68a) des ersten Kontaktieranschlusses (60a, 68a) vorgesehen ist, welcher zweite Kontaktierbereich (68a) mit dem ersten Kon­ taktierbereich (60a) leitend verbunden ist, und dass der zweite Kontaktierbereich (68a) der anderen (32a) der Halbleiterschalter­ einheiten (32a, 34a) als Teil von deren Ausgangsanschluss mit dem Ausgangsbereich (104a) leitend verbunden ist.

7. Leistungs-Umrichtermodul nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kontaktieranschluss (62; 62a) der anderen (32; 32a) der Halbleiterschaltereinheiten (32, 34; 32a, 34a) als deren Eingangsanschluss mit dem zweiten Eingangs­ bereich (102; 102a) verbunden ist.

8. Leistungs-Umrichtmodul, in welchem wahlweise ein zur Verbindung mit einem ersten vorbestimmten elektrischen Potential (+V) vor­ gesehener erster Eingangsbereich (74b) oder ein zur Verbindung mit einem zweiten vorbestimmten elektrischen Potential (-V) vorgesehener zweiter Eingangsbereich (102b) mit einem Ausgangsbereich (104b) elektrisch verbindbar ist, umfassend wenigstens eine Schaltergruppe (24b, 26b), wobei die wenigstens eine Schalter­ gruppe (24b, 26b) zwei Halbleiterschaltereinheiten (32b, 34b) aufweist, wobei jede der Halbleiterschaltereinheiten (32b, 34b) einen Ansteueranschluß (58b) aufweist und wobei ein Eingangsanschluss (68b) von einer (34b) der Halbleiterschaltereinheiten (32b, 34b) mit dem ersten Eingangsbereich (74b) verbunden ist und ein Eingangs­ anschluss (62b) der anderen (32b) der Halbleiterschaltereinheiten (32b, 34b) mit dem zweiten Eingangsbereich (102b) verbunden ist und wobei jede Halbleiterschaltereinheit (32b, 34b) einen mit dem Ausgangsbereich (104b) verbundenen Ausgangsanschluss (62b; 68b) aufweist,
dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterschaltereinheiten (32b, 34b) jeweils ein Schaltergehäuse (50b, 52b) umfassen, wobei an einer Gehäuseanschlussseite (54b, 56b) einer jeweiligen Halbleiter­ schaltereinheit (32b, 34b) vorgesehen sind:
der Ansteueranschluss (58b),
optional ein erster Kontaktierbereich (60b) eines ersten Kontaktieranschlusses (60b, 68b),
ein zweiter Kontaktieranschluss (62b),
und dass die Halbleiterschaltereinheiten (32b, 34b) der wenigstens einen Schaltergruppe (24b, 26b) derart positioniert sind, dass eine Gehäuseanschlussseite (56b) von einer (34b) der Halbleiterschalter­ einheiten (32b, 34b) einer der Gehäuseanschlussseite (54b) ent­ gegengesetzt liegenden Gehäuserückseite (86b) der anderen (32b) der Halbleiterschaltereinheiten (32b, 34b) gegenüber liegt.

9. Leistungs-Umrichtermodul nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterschaltereinheiten (32b, 34b) der wenigstens einen Schaltergruppe (24b, 26b) einander im Wesentlichen ohne Versatz gegenüber liegen.

10. Leistungs-Umrichtermodul nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Schaltergehäuse (50b, 52b) der Halbleiterschaltereinheiten (32b, 34b) ein zweiter Kontaktierbe­ reich (68b) des ersten Kontaktieranschlusses (60b, 68b) vorgesehen ist, welcher zweite Kontaktierbereich (68b) mit dem ersten Kon­ taktierbereich (60b) leitend verbunden ist, und dass der zweite Kontaktieranschluss (62b) der einen (34b) der Halbleiterschalter­ einheiten (32b, 34b) als deren Ausgangsanschluss mit dem zweiten Kontaktierbereich (68b) des ersten Kontaktieranschlusses (60b, 68b) der anderen (32b) der Halbleiterschaltereinheiten (32b, 34b) als deren Ausgangsanschluss leitend verbunden ist.

11. Leistungs-Umrichtermodul nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kontaktierbereich (68b) an einer Bodenseite (64b, 66b) eines jeweiligen Schaltergehäuses (50b, 52b) vorgesehen ist.

12. Leistungs-Umrichtermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 11, gekennzeichnet durch eine Mehrzahl von Schaltergruppen (24, 26, 28; 24a, 26a; 24b, 26b), wobei die einen (34; 34a; 34b) der Halbleiterschaltereinheiten (32, 34; 32a, 34a; 32b, 34b) der Schaltergruppen (24, 26, 28; 24a, 26a; 24b, 26b) in einer ersten Reihe (48; 48a; 48b) angeordnet sind und die anderen (32; 32a; 32b) der Halbleiterschaltereinheiten (32, 34; 32a, 34a; 32b, 34b) der Schaltergruppen (24, 26, 28; 24a, 26a; 24b, 26b) in einer zweiten Reihe (46; 46a; 46b) angeordnet sind.

13. Leistungs-Umrichtermodul nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass alle Eingangsanschlüsse der einen Halbleiterschaltereinheiten (34; 34a; 34b) mit einem Leitungssystem (108; 132a) des ersten Eingangsbereichs (74; 74a; 74b) verbunden oder verbindbar sind, dass alle Eingangsanschlüsse der anderen Halbleiterschaltereinheiten (32; 32a; 32b) mit einem Leitungssystem (110; 130a) des zweiten Eingangsbereichs (102; 102a; 102b) verbunden oder verbindbar sind und dass alle Ausgangsanschlüsse der Halbleiterschaltereinheiten (32, 34; 32a, 34a; 32b, 34b) mit einem Leitungssystem (106; 144a) des Ausgangsbereichs (104; 104a; 104b) verbunden oder verbindbar sind.

14. Leistungs-Umrichtermodul nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitungssystem (132a) des ersten Eingangsbereichs (74a) oder/und das Leitungssystem (130a) des zweiten Eingangsbereichs (102a) oder/und das Leitungssystem (106; 144a) des Ausgangsbereichs (104; 104a) eine sich entlang der Reihen (46, 48; 46a, 48a) von Halbleiterschaltereinheiten (32, 34; 32a, 34a) erstreckende Leitungsschiene (106; 130a, 132a, 144a) umfasst.

15. Leistungs-Umrichtermodul nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitungssystem (108) des ersten Eingangsbereichs (74) und das Leitungssystem (110) des zweiten Eingangsbereichs (102) zueinander im Wesentlichen parallel ver­ laufende und über den Reihen (46, 48) von Halbleiterschaltereinheiten (32, 34) liegende oder anzuordnende Leitungsplatten (108, 110) umfassen.

16. Leistungs-Umrichtermodul nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die dem ersten Eingangsbereich (74; 74a) und dem zweiten Eingangsbereich (102; 102a) zugeordneten Leitungsschienen (130a, 132a) beziehungsweise Leitungsplatten (108, 110) unter Zwischenlagerung von Isoliermaterial (112; 142a) wenigstens bereichsweise aneinander anliegend angeordnet sind.

17. Leistungs-Umrichtermodul nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass alle Ansteueranschlüsse (58; 58a; 58b) der einen Halbleiterschaltereinheiten (34; 34a; 34b) vorzugs­ weise jeweils über einen Widerstand (78; 78a; 78b) mit einer Ansteuerleitung (76, 76a, 76b) der ersten Reihe (48; 48a; 48b) von Halbleiterschaltereinheiten verbunden sind und dass alle Ansteuer­ anschlüsse (58; 58a; 58b) der anderen Halbleiterschaltereinheiten (32; 32a; 32b) vorzugsweise jeweils über einen Widerstand (92a; 92a; 92b) mit einer Ansteuerleitung (90; 90a; 90b) der zweiten Reihe (46; 46a; 46b) von Halbleiterschaltereinheiten verbunden sind.

18. Leistungs-Umrichtermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Schaltergruppe (24, 26, 28; 24a, 26a; 24b, 26b) auf einem isolierten Metallsubstrat (40) angeordnet ist.

19. Leistungs-Umrichtermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass jede Halbleiterschaltereinheit (32, 34; 32a, 34a; 32b, 34b) wenigstens ein IGBT-Halbleiterschalterelement oder wenigstens ein MOSFET-Halbleiterschalterelement umfasst.

20. Leistungs-Umrichtermodul nach Anspruch 19 und Anspruch 2 oder einem der Ansprüche 3 bis 18, sofern auf Anspruch 2 rückbezogen, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Halbleiterschalter­ element in das Schaltergehäuse (50, 52; 50a, 52a; 50b, 52b) eingebettet ist.

21. Leistungs-Umrichtereinrichtung für eine mehrphasige Elektromaschi­ ne, umfassend jeder Phase der Elektromaschine zugeordnet wenigs­ tens ein Leistungs-Umrichtermodul nach einem der vorangehenden Ansprüche.

22. Leistungs-Umrichtereinrichtung nach Anspruch 21, sofern auf Anspruch 15 rückbezogen, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Leitungsplatte (108) des ersten Eingangsbereichs (74) alle Eingangsanschlüsse der einen Halbleiter­ schaltereinheiten (34) verbunden oder verbindbar sind und dass mit der Leitungsplatte (110) des zweiten Eingangsbereichs (102) alle Eingangsanschlüsse der anderen Halbleiterschaltereinheiten (32) verbunden oder verbindbar sind.