DE10100620A1 - Leistungsmodul - Google Patents

Leistungsmodul

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DE10100620A1 DE2001100620 DE10100620A DE10100620A1 DE 10100620 A1 DE10100620 A1 DE 10100620A1 DE 2001100620 DE2001100620 DE 2001100620 DE 10100620 A DE10100620 A DE 10100620A DE 10100620 A1 DE10100620 A1 DE 10100620A1
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Germany
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power
semiconductor device
electrode
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Masakazu Fukada
Dai Nakajima
Ken Takanashi
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Mitsubishi Electric Corp
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Abstract

Bei einemn Leistungsmodul (111) sind eine Freilaufdiode (1A), ein IGBT (1B) sowie ein Kondensator (20) zum Glätten von Gleichstrom direkt auf einer Oberfläche (2BS) eines leitfähigen Kühlkörpers (2B) mit Durchgangslöchern (2BH) angeordnet. Die hinteren Elektroden der Freilaufdiode (1A), des IGBT (1B) und des Konsendators (20) sind mit dem Kühlkörper (2B) zum Beispiel mittels Lötmaterial verbunden, so daß die Diode (1A), der IGBT (1B) und der Kondensator (20) mit dem Kühlkörper (2B) elektrisch verbunden sind. Die vorderen Elektroden der Diode (1A), des IGBT (1B) und des Kondensators (20) sind zum Beispiel mittels Drähten (7) miteinnander verbunden. In dem Kühlkörper (2B) strömt ein Kühlmedium durch die Durchgangslöcher (2BH). Eine derartige Konfiguration gestattet eine Miniaturisierung des Leistungsmoduls und verbessert die Kühlleistung sowie die Zuverlässigkeit des Leistungsmoduls.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Leistungsmodule und im spezielleren auf Techniken zum Verbessern der Kühlleistung von Leistungsmodulen.
Fig. 34 zeigt eine schematische Außenansicht eines ersten her­ kömmlichen Leistungsmoduls 101P. Bei dem Leistungsmodul 101P ist eine Kupferbasisplatte 9P unter Zwischenanordnung eines wärmeleitenden Fetts (nicht gezeigt) auf Abstrahlrippen bzw. einem Kühlkörper 2AP angeordnet, und ein isolierendes Substrat 5P ist auf der Basisplatte 9P angeordnet.
Auf dem isolierenden Substrat 5P sind eine Freilaufdiode 1AP (die nachfolgend auch nur als "Diode" bezeichnet wird), sowie ein Bipolartransistor 1BP mit isoliertem Gate angeordnet, der nachfolgend als "IGBT" bezeichnet wird.
Bei dem herkömmlichen Leistungsmodul 101P sind Kupferfolien 6P auf beiden Hauptflächen des isolierenden Substrats 5P angeord­ net. Die Basisplatte 9P und die Kupferfolie 6P sind mittels Lötmaterial miteinander verbunden, und die Diode 1AP sowie der IGBT 1BT sind auf die Kupferfolie 6P aufgelötet. Eine Elek­ trode 3P ist unter Zwischenanordnung einer Isolierschicht 4P auf der Abstrahlrippe 2AP angeordnet.
Vorbestimmte elektrische Verbindungen werden dann mittels Drähten 7P hergestellt. Die Konstruktion, die die Abstrahl­ rippe 2AP, die Diode 1AP, den IGBT 1BP usw. beinhaltet, ist in einem nicht gezeigten Gehäuse untergebracht.
Die Elektrode 3P ist mit einer Sammelschiene oder Verdrah­ tungseinrichtung 91P verbunden, die sich zur Außenseite des Gehäuses erstreckt. Außerhalb des Gehäuses ist ein Stromwand­ ler 92P zum Erfassen des Stroms an der Sammelschiene 91P ange­ bracht. Ferner ist ein zylindrischer Kondensator 8P zum Glät­ ten von Gleichstrom unabhängig von der Abstrahlrippe 2P usw. außerhalb des Gehäuses vorgesehen (wobei die Verbindung mit dem Gehäuse in der Zeichnung nicht dargestellt ist).
Fig. 35 zeigt eine schematische Außenansicht eines zweiten herkömmlichen Leistungsmoduls 102P. Der Leistungsmodul 102P besitzt keine Basisplatte 9P, wie sie vorstehend beschrieben ist, sondern das isolierende Substrat 5P ist unter Zwischen­ anordnung eines wärmeleitenden Fetts auf der Abstrahlrippe 2AP angeordnet. Der Leistungsmodul 102P ist in allen anderen Ge­ sichtspunkten mit dem vorstehend beschriebenen Leistungsmodul 101P identisch.
Fig. 36 zeigt eine schematische Außenansicht eines dritten herkömmlichen Leistungsmoduls 103P. Bei dem Leistungsmodul 103P handelt es sich um einen sogenannten Leistungswandler. Bei dem Leistungsmodul 103P sind alle Dioden 1AP und IGBTs 1BP auf den isolierenden Substraten 5 angeordnet.
Ein Kühlkörper 2BP des Leistungsmoduls 103P besitzt sich durch diesen hindurcherstreckende Durchgangslöcher 2BHP, durch die ein Kühlmedium hindurchgeleitet wird. Der Leistungsmodul 103P ist in allen anderen Gesichtspunkten identisch mit dem ein­ gangs beschriebenen Leistungsmodul 1012.
Bei den herkömmlichen Leistungsmodulen 101P, 102P und 103P be­ stehen folgende Probleme:
Das erste Problem ist die geringe Temperaturzuverlässigkeit während des Betriebs. Genauer gesagt, es treten dann, wenn sich der Wärmeausdehnungskoeffizient des Kühlkörpers 2AP oder 2BP von denen der Diode(n) 1AP und des bzw. der IGBT(s) 1BP unterscheidet, Wärmespannungen als Ergebnis einer Temperatur­ differenz von dem Erstarrungspunkt des Lötmaterials an den Lötverbindungsstellen auf, wie dies vorstehend beschrieben ist.
Es besteht daher ein Problem hinsichtlich des Auftretens und Fortschreitens von Rißbildungen an den Lötverbindungsstellen während eines Wärmezyklus oder Temperaturzyklus beim Gebrauch bzw. Betrieb des Leistungsmoduls 101P, 102P, 103P und/oder eines Wärmezyklus aufgrund von Wiederholungen von Start- und Stoppvorgängen des Leistungsmoduls. Eine derartige Rißbildung an den Lötverbindungsstellen reduziert die Lebensdauer des Leistungsmoduls.
Zum Reduzieren der vorstehend genannten Wärmebelastungen ist zum Beispiel ins Auge gefaßt, die Lötmaterialdicke (z. B. 300 µm oder mehr) zu erhöhen. Eine derartige gesteigerte Dicke des Lötmaterials erhöht jedoch den Wärmewiderstand zwischen dem Kühlkörper 2AP oder 2BP und der bzw. den Dioden 1AP usw. Dies bringt ein weiteres Problem mit sich, nämlich daß die Größe des Kühlkörpers 2AP oder 2BP erhöht werden muß.
Ferner werden bei den herkömmlichen Leistungsmodulen 101P, 102P und 103P aufgrund der Temperaturverteilung in dem bzw. den isolierenden Substraten 5P, der Basisplatte 9P usw. durch die Entstehung von Wärme in der bzw. den Dioden 1AP usw. Ver­ werfungen oder Verwindungen in dem bzw. den isolierenden Sub­ straten 5P usw. hervorgerufen.
Wenn die Temperaturdifferenz hoch ist, entsteht zwischen der Abstrahlrippe 2AP, 2BP und der Basisplatte 9P usw. ein Zwi­ schenraum. Es besteht somit ein Problem einer reduzierten Wär­ meübertragung, da das wärmeleitende Fett den Raum zwischen der Abstrahlrippe 2AP, 2BP und dem bzw. den isolierenden Substra­ ten 5P oder der Basisplatte 9P aufgrund des Eintritts von Luft nicht vollständig ausfüllen kann.
Ein weiteres Problem besteht darin, daß das Auftreten oder Fortschreiten einer Rißbildung an den Lötverbindungsstellen, wie es vorstehend beschrieben ist, dadurch noch weiter unter­ stützt werden kann. Die Bildung eines Zwischenraums führt so­ mit zu einer Verschlechterung der Zuverlässigkeit des Lei­ stungsmoduls.
Zum Verhindern der Bildung eines Zwischenraums ist zum Bei­ spiel ins Auge gefaßt, die Temperaturverteilung über das bzw. die isolierenden Substrate 5P usw. gleichmäßig zu machen oder die Steifigkeit des bzw. der isolierenden Substrate 5P usw. durch Erhöhen der Dicke derselben zu verstärken.
Eine solche gesteigerte Dicke erhöht jedoch den Wärmewider­ stand zwischen dem Kühlkörper 2AP, 2BP und dem bzw. den iso­ lierenden Substraten 5P usw.. Wie bereits beschrieben worden ist, führt dies zu dem weiteren Problem, daß die Größe des Kühlkörpers 2AP, 2BP erhöht werden muß.
Wenn die Diode(n) 1AP und der bzw. die IGBT(s) 1BP eine große Wärmemenge erzeugen, muß die Strommenge begrenzt werden, um die Zuverlässigkeit zu gewährleisten, da sich die charakteri­ stischen Eigenschaften bzw. Kennlinien der Elemente bei stei­ gender Temperatur verändern.
Zweitens besitzt jeder der herkömmlichen Leistungsmodule 101P, 102P und 103P insgesamt eine große Größe, da der Stromwandler 92P und der zylindrische Kondensator 8P unabhängig davon außerhalb des Gehäuses für einen solchen Modul vorgesehen sind.
Ferner hat der Stromwandler 92P die Eigenschaft, groß zu wer­ den, wenn der zu messende Strom eine hohe Gleichstromkompo­ nente besitzt, und außerdem führt der Stromwandler 92P auf­ grund der durch die Wärmeerzeugung bedingten Änderungen in seinen Charakteristika Messungen mit Fehlern (ca. 5%) aus.
Drittens variieren bei dem Leistungsmodul 103P die Distanzen von jeder der Leistungs-Halbleitervorrichtungen, wie zum Bei­ spiel der Diode 1AP oder dem IGBT 1BP, zu der mit der Seite niedrigen Potentials des Leistungswandlers verbundenen Elek­ trode 61P und der mit der Seite hohen Potentials verbundenen Elektrode 62P in Abhängigkeit davon, wo sich die jeweilige Leistungs-Halbleitervorrichtung befindet.
Dies führt zu Schwankungen in der Induktivität der Verdrah­ tungseinrichtungen bzw. Drähte 7P von der einen Leistungs- Halbleitervorrichtung zu der anderen, wodurch Schwankungen in der Ausgangsspannung hervorgerufen werden.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher in der Angabe eines kompakten, leichten und äußerst zuverlässigen Leistungsmoduls.
Gemäß einem ersten Gesichtspunkt gibt die vorliegende Erfin­ dung einen Leistungsmodul an, der folgendes aufweist: einen Kühlkörper; eine erste Leistungs-Halbleitervorrichtung, die direkt auf dem Kühlkörper angeordnet ist; sowie einen Konden­ sator, der direkt auf dem Kühlkörper angeordnet ist.
Gemäß dem ersten Gesichtspunkt sind sowohl die erste Lei­ stungs-Halbleitervorrichtung als auch der Kondensator direkt auf dem Kühlkörper angeordnet. Der Leistungsmodul läßt sich somit leichter und kleiner als herkömmliche Leistungsmodule ausbilden, bei denen diese Komponenten unabhängig vorgesehen sind.
Ferner hemmt die Wärmeabstrahlwirkung des Kühlkörpers nicht nur die Wärmeerzeugung in der ersten Leistungs-Halbleitervor­ richtung, sondern auch den Temperaturanstieg in dem Kondensa­ tor. Dies ermöglicht eine Miniaturisierung des Kondensators, eine Reduzierung der Induktivität sowie eine Steigerung der Lebensdauer.
Durch das Anordnen sowohl der ersten Leistungs-Halbleitervor­ richtung als auch des Kondensators direkt auf dem Kühlkörper wird außerdem die Verdrahtungslänge zwischen diesen kürzer ge­ macht als bei den eingangs beschriebenen herkömmlichen Lei­ stungsmodulen. Dadurch läßt sich die Schaltungsinduktivität reduzieren.
Dies vermindert die Überschwingspannung bei einem Schaltvor­ gang der ersten Leistungs-Halbleitervorrichtung, was zu einer Reduzierung der Haltespannung sowie des Verlusts der ersten Leistungs-Halbleitervorrichtung führt. Durch die vorstehend genannte kurze Verdrahtungslänge kann auch das Auftreten von elektromagnetischem Rauschen vermindert werden.
Somit läßt sich ein kompakter, leichter und äußerst zuverläs­ siger Leistungsmodul schaffen.
Gemäß einem zweiten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung weist der Kühlkörper eine Vielzahl von Oberflächen auf, und es sind die erste Leistungs-Halbleitervorrichtung und der Konden­ sator auf verschiedenen Oberflächen des Kühlkörpers angeord­ net.
Gemäß dem zweiten Gesichtspunkt sind die erste Leistungs-Halb­ leitervorrichtung und der Kondensator auf verschiedenen Ober­ flächen des Kühlkörpers angeordnet. Dies ermöglicht eine wei­ tere Reduzierung der Größe und des Gewichts des Leistungsmo­ duls im Vergleich zu der Anordnung von beiden auf derselben Oberfläche. Ferner kommt es zu weniger störender Beeinträchti­ gung zwischen der Wärmeabstrahlung in der ersten Leistungs- Halbleitervorrichtung und der Wärmeabstrahlung in dem Konden­ sator, so daß die Wärmeabstrahlleistung des Leistungsmoduls verbessert wird.
Ein dritter Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung sieht vor, daß bei dem Leistungsmodul der Kühlkörper eine Durchfüh­ rungseinrichtung für ein Kühlmedium aufweist.
Gemäß dem dritten Gesichtspunkt werden durch das Hindurchlei­ ten eines Kühlmediums durch die Durchführungseinrichtungen in dem Kühlkörper die Kühleigenschaften des Kühlkörpers weiter verbessert.
Ein vierter Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung sieht vor, daß bei dem Leistungsmodul der Kühlkörper leitfähig ist und daß eine Elektrode der ersten Leistungs-Halbleitervorrich­ tung und eine Elektrode des Kondensators direkt mit dem Kühl­ köper verbunden sind.
Gemäß dem vierten Gesichtspunkt kann der leitfähig ausgebil­ dete Kühlkörper als Elektrode verwendet werden. Dies reduziert die Anzahl von Komponenten, wie zum Beispiel Drähten, auf dem Kühlkörper sowie die Anzahl der mit der Bildung dieser Kompo­ nenten verbundenen Vorgänge.
Ferner sind die Elektroden sowohl der ersten Leistungs-Halb­ leitervorrichtung als auch des Kondensators direkt mit dem Kühlkörper verbunden. Das heißt, die erste Leistungs-Halblei­ tervorrichtung und der Kondensator sind durch den Kühlkörper elektrisch miteinander verbunden.
In diesem Fall wird die elektrische Verbindung zwischen den beiden Elektroden kürzer als in dem Fall, in dem beide Elek­ troden durch Verdrahtungseinrichtungen oder dergleichen ver­ bunden sind. Eine daraus resultierende Reduzierung der Schal­ tungsinduktivität führt zu einer beträchtlichen Verminderung der vorstehend genannten Überschwingspannung usw.
Ein fünfter Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung sieht vor, daß der Leistungsmodul ferner ein isolierendes Substrat, das auf dem Kühlkörper angeordnet ist, sowie eine zweite Lei­ stungs-Halbleitervorrichtung aufweist, die unter Zwischenan­ ordnung des isolierenden Substrats auf dem Kühlkörper angeord­ net ist.
Gemäß dem fünften Gesichtspunkt ist die zweite Leistungs-Halb­ leitervorrichtung unter Zwischenanordnung des isolierenden Substrats auf dem Kühlkörper angeordnet. Dies ermöglicht die Anordnung von Leistungs-Halbleitervorrichtungen mit unter­ schiedlichen Potentialen gemeinsam auf einem leitfähigen Kühl­ körper bei der Bildung einer Schaltung.
Ein sechster Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung sieht vor, daß der Leistungsmodul ferner einen weiteren Kühlkörper sowie eine zweite Leistungs-Halbleitervorrichtung aufweist, die direkt auf dem weiteren bzw. zusätzlichen Kühlkörper ange­ ordnet ist.
Gemäß dem sechsten Gesichtspunkt ist bei dem Leistungsmodul weiterhin vorgesehen, daß die zweite Leistungs-Halbleitervor­ richtung auf einem weiteren bzw. anderen Kühlkörper vorgesehen ist. Diese Kombination der ersten und der zweiten Leistungs- Halbleitervorrichtung vereinfacht die Schaltungskonfiguration.
Ein siebter Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung sieht vor, daß bei dem Leistungsmodul der weitere Kühlkörper leitfä­ hig ist und eine Elektrode der zweiten Leistungs-Halbleiter­ vorrichtung direkt mit dem weiteren Kühlkörper verbunden ist. Der Leistungsmodul weist ferner ein Isolierelement zum Isolie­ ren des weiteren Kühlkörpers gegenüber dem Kühlkörper und der Elektrode des Kondensators auf.
Gemäß dem siebten Gesichtspunkt ist ein weiterer leitfähiger Kühlkörper durch ein Isolierelement gegenüber dem vorstehend genannten leitfähigen Kühlkörper und der Elektrode des Konden­ sators isoliert. Die erste und die zweite Leistungs-Halblei­ tervorrichtung können somit ohne die Verwendung irgendeines isolierenden Substrats auf verschiedene Potentiale gesetzt werden. Dies ermöglicht eine Reduzierung der Anzahl von Kompo­ nenten und die Anzahl der isolierenden Substrate.
Da ferner die die erste Leistungs-Halbleitervorrichtung und den einen Kühlkörper aufweisende Konstruktion sowie die die zweite Leistungs-Halbleitervorrichtung und einen weiteren Kühlkörper aufweisende Konstruktion im großen und ganzen äqui­ valent sind, lassen sich die Herstellungskosten für den Lei­ stungsmodul insgesamt reduzieren. Dies führt zur Schaffung eines kostengünstigen Leistungsmoduls.
Ein achter Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung sieht vor, daß der Leistungsmodul ferner ein leitfähiges Element, das auf dem Isolierelement angeordnet ist, sowie eine flexible Verbin­ dungsdrahteinrichtung aufweist, die mit dem leitfähigen Ele­ ment verbunden ist, um eine elektrische Verbindung zwischen der ersten Leistungs-Halbleitervorrichtung und der zweiten Leistungs-Halbleitervorrichtung zu schaffen.
Gemäß dem achten Gesichtspunkt verwendet die flexible Verbin­ dungsdrahteinrichtung bei der Schaffung einer elektrischen Verbindung zwischen der ersten und der zweiten Leistungs-Halb­ leitervorrichtung das auf dem Isolierelement angeordnete leit­ fähige Element als Relais- oder Verbindungsstelle.
Dies vermindert eine Auslenkung oder ein Durchhängen der Ver­ bindungsdrahteinrichtung im Vergleich zu dem Fall, in dem diese Leistungs-Halbleitervorrichtungen ohne die Verwendung des genannten leitfähigen Elements direkt mittels der flexi­ blen Verbindungsdrahteinrichtungen verbunden sind. Als Ergeb­ nis hiervon lassen sich Kurzschlüsse aufgrund des Durchhängens der Verbindungsdrahteinrichtung verhindern.
Gemäß einem neunten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird ein Leistungsmodul angegeben, der einen Kondensator sowie eine erste Halbleitervorrichtung aufweist, die direkt auf einer Elektrode des Kondensators angeordnet ist.
Gemäß dem neunten Gesichtspunkt ist die erste Leistungs-Halb­ leitervorrichtung direkt auf der Elektrode des Kondensators angeordnet. Der Leistungsmodul läßt sich somit leichter und kleiner ausbilden als die herkömmlichen Leistungsmodule, bei denen beide Komponenten voneinander unabhängig vorgesehen sind.
Da ferner die Elektrode des Kondensators als Kühlkörper ver­ wendet wird, reduziert die Wärmeabstrahlwirkung des Kühlkör­ pers nicht nur die Wärmeerzeugung in der ersten Leistungs- Halbleitervorrichtung, sondern auch den Temperaturanstieg in dem Kondensator.
Durch Anordnen der ersten Leistungs-Halbleitervorrichtung auf der Elektrode des Kondensators wird ferner die elektrische Verbindung zwischen ihnen beträchtlich kürzer als bei den ein­ gangs beschriebenen herkömmlichen Leistungsmodulen. Auf diese Weise läßt sich die Schaltungsinduktivität reduzieren.
Dies vermindert die Überschwingspannung bei einem Schaltvor­ gang der ersten Leistungs-Halbleitervorrichtung, was zu einer Reduzierung der Haltespannung sowie des Verlusts der ersten Leistungs-Halbleitervorrichtung führt. Die vorstehend genannte kurze Verdrahtungslänge vermindert auch das Auftreten von elektromagnetischem Rauschen.
Auf diese Weise läßt sich ein kompakter, leichter und äußerst zuverlässiger Leistungsmodul schaffen.
Ein zehnter Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung sieht vor, daß bei dem Leistungsmodul die Elektrode des Kondensators eine Durchführungseinrichtung für ein Kühlmedium aufweist.
Gemäß dem zehnten Gesichtspunkt werden durch das Hindurchfüh­ ren eines Kühlmediums durch die Durchführungseinrichtung in der Elektrode des Kondensators die Kühleigenschaften des Lei­ stungsmoduls noch weiter verbessert.
Ein elfter Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung sieht vor, daß der Leistungsmodul weiterhin ein isolierendes Substrat, das auf der Elektrode des Kondensators angeordnet ist, sowie eine zweite Leistungs-Halbleitervorrichtung aufweist, die un­ ter Zwischenanordnung des isolierenden Substrats auf der Elek­ trode des Kondensators angeordnet ist.
Gemäß dem elften Gesichtspunkt ist die zweite Leistungs-Halb­ leitervorrichtung unter Zwischenanordnung des isolierenden Substrats auf der Elektrode des Kondensators angeordnet. Dies ermöglicht die Anordnung von Leistungs-Halbleitervorrichtungen mit verschiedenen Potentialen gemeinsam auf der Elektrode des Kondensators bei der Bildung einer Schaltung.
Ein zwölfter Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung sieht vor, daß bei dem Leistungsmodul die erste Leistungs-Halblei­ tervorrichtung und die zweite Leistungs-Halbleitervorrichtung elektrisch miteinander verbunden sind, die erste Leistungs- Halbleitervorrichtung einen unteren Arm eines Leistungswand­ lers bildet und die zweite Leistungs-Halbleitervorrichtung einen oberen Arm des Leistungswandlers bildet.
Gemäß dem zwölften Gesichtspunkt läßt sich ein äußerst zuver­ lässiger Leistungswandler schaffen.
Ein dreizehnter Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung sieht vor, daß bei dem Leistungsmodul ferner eine Vielzahl von Arm­ einrichtungen des Leistungswandlers, die den oberen Arm und den unteren Arm beinhalten, sowie eine Koaxialleitung vorgese­ hen sind, die durch eine Oberfläche hindurchragt, auf der die erste oder die zweite Leistungs-Halbleitervorrichtung angeord­ net ist, wobei die Koaxialleitung eine erste Elektrode zum Zu­ führen einer ersten Spannung zu der ersten Leistungs-Halblei­ tervorrichtung von jedem der unteren Arme sowie eine zweite Elektrode zum Zuführen einer zweiten Spannung zu der zweiten Leistungs-Halbleitervorrichtung von jedem der oberen Arme auf­ weist, wobei die mehreren Armeinrichtungen winkelmäßig in re­ gelmäßigen Abständen voneinander um die Koaxialleitung herum angeordnet ist.
Gemäß dem dreizehnten Gesichtspunkt ist die Vielzahl der Arm­ einrichtungen des Leistungswandlers in regelmäßigen winkelmä­ ßigen Abständen voneinander um die Koaxialleitung herum vorge­ sehen. Die Verdrahtung zwischen jeder Armeinrichtung und der ersten sowie der zweiten Elektrode läßt sich somit ein ähnli­ cher Weise vornehmen. Dies vermindert Schwankungen in der Aus­ gangsleistung von jeder Armeinrichtung sowie Schwankungen in der ersten Spannung, wodurch eine beträchtliche Widerstandsfä­ higkeit gegen Fehlfunktionen geschaffen wird.
Gemäß einem vierzehnten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfin­ dung wird ein Leistungsmodul geschaffen, der folgendes auf­ weist: eine Vielzahl von Kühlkörpern, von denen jeder eine Durchführungseinrichtung für ein Kühlmedium aufweist; eine Vielzahl von Leistungs-Halbleitervorrichtungen, die auf den Kühlkörpern angeordnet sind; und ein Gehäuse, das einen Innen­ raum aufweist und zum Aufnehmen der Vielzahl von Kühlkörpern in der Lage ist, wobei die Vielzahl der Kühlkörper in dem In­ nenraum des Gehäuses unter Freilassung eines Zwischenraums zwischen ihnen angeordnet sind, so daß ein die Zwischenräume und die Durchführungseinrichtungen beinhaltender kontinuierli­ cher Raum in dem Innenraum des Gehäuses gebildet ist.
Gemäß dem vierzehnten Gesichtspunkt bildet die Vielzahl der Kühlkörper einen kontinuierlichen Raum, der Zwischenräume so­ wie die Durchführungseinrichtungen in den Kühlkörpern beinhal­ tet, in dem Innenraum des Gehäuses. Dabei durchströmt das Kühlmedium die Durchführungseinrichtungen in den Kühlkörpern schneller als beim Durchlaufen der Zwischenräume.
Dies verbessert die Kühleigenschaften der Kühlkörper. Anderer­ seits ist beim Hindurchströmen des Kühlmediums durch die Zwi­ schenräume der Druckverlust geringer als beim Hindurchströmen des Kühlmediums durch die Durchführungseinrichtungen. Auf diese Weise läßt sich eine höhere Kühlleistung bei geringerem Druckverlust erzielen.
Ein fünfzehnter Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung sieht vor, daß durch die Durchführungseinrichtungen der Kühlkörper ein isolierendes Kühlmedium hindurchgeleitet wird.
Da gemäß dem fünfzehnten Gesichtspunkt ein isolierendes Kühl­ medium durch die Durchführungseinrichtungen der Kühlkörper strömt, können die Leistungs-Halbleitervorrichtungen selbst bei direkter Anordnung derselben auf den leitfähigen Kühlkör­ pern ohne Verwendung irgendeines isolierenden Substrats von­ einander getrennt werden. Dies ermöglicht eine Reduzierung der Anzahl von Komponenten um die Anzahl von isolierenden Substra­ ten.
Da ferner die die jeweilige Leistungs-Halbleitervorrichtung und den jeweiligen Kühlkörper beinhaltenden Konstruktionen im großen und ganzen äquivalent sind, lassen sich die Herstel­ lungskosten des Leistungsmoduls insgesamt reduzieren. Dies führt zur Schaffung eines kostengünstigen Leistungsmoduls.
Die vorstehend genannten Leistungs-Halbleitervorrichtungen, die voneinander isoliert sind, können direkt auf den leitfähi­ gen Kühlkörpern angeordnet werden. Dies verbessert die Wär­ meabstrahlleistung des Leistungsmoduls, wodurch wiederum die Zuverlässigkeit des Leistungsmoduls verbessert wird.
Diese und weitere Ziele, Merkmale, Gesichtspunkte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der nachfolgenden, ausführlichen Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispie­ len der Erfindung unter Bezugnahme auf die Begleitzeichnungen noch deutlicher. In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 eine schematische Außenansicht eines Leistungsmoduls gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel;
Fig. 2 eine schematische Außenansicht eines Leistungsmoduls gemäß einem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel;
Fig. 3 eine schematische Außenansicht eines Leistungsmoduls gemäß einem dritten bevorzugten Ausführungsbeispiel;
Fig. 4 eine schematische Außenansicht eines Leistungsmoduls gemäß einem vierten bevorzugten Ausführungsbeispiel;
Fig. 5 eine schematische Außenansicht eines Leistungsmoduls gemäß einer ersten Modifizierung des vierten bevor­ zugten Ausführungsbeispiels;
Fig. 6 und 7 schematische Außenansichten eines Leistungsmo­ duls gemäß einer zweiten Modifizierung des vierten bevorzugten Ausführungsbeispiels;
Fig. 8 eine schematische Außenansicht eines Leistungsmoduls gemäß einer dritten Modifizierung des vierten bevor­ zugten Ausführungsbeispiels;
Fig. 9 eine schematische Außenansicht eines Leistungsmoduls gemäß einer vierten Modifizierung des vierten bevor­ zugten Ausführungsbeispiels;
Fig. 10 und 11 schematische Außenansichten eines Leistungs­ moduls gemäß einem fünften bevorzugten Ausführungs­ beispiel;
Fig. 12 eine schematische Längsschnittansicht des Leistungs­ moduls gemäß dem fünften bevorzugten Ausführungsbei­ spiel;
Fig. 13 eine schematische Darstellung von Durchgangslöchern in dem Leistungsmodul gemäß dem fünften bevorzugten Ausführungsbeispiel;
Fig. 14 eine schematische Außenansicht eines Leistungsmoduls gemäß einem sechsten bevorzugten Ausführungsbei­ spiel;
Fig. 15 eine schematische Außenansicht eines Leistungsmoduls gemäß einer ersten Modifizierung des sechsten bevor­ zugten Ausführungsbeispiels;
Fig. 16 eine schematische Außenansicht eines Leistungsmoduls gemäß einer zweiten Modifizierung des sechsten be­ vorzugten Ausführungsbeispiels;
Fig. 17 eine schematische Außenansicht eines Leistungsmoduls gemäß einem siebten bevorzugten Ausführungsbeispiel;
Fig. 18 eine schematische Außenansicht eines Leistungsmoduls gemäß einer ersten Modifizierung des siebten bevor­ zugten Ausführungsbeispiels;
Fig. 19 eine schematische Außenansicht eines Leistungsmoduls gemäß einer zweiten Modifizierung des siebten bevor­ zugten Ausführungsbeispiels;
Fig. 20 eine schematische Außenansicht eines Leistungsmoduls gemäß einem achten bevorzugten Ausführungsbeispiel;
Fig. 21 eine schematische Außenansicht eines Leistungsmoduls gemäß einer Modifizierung des achten bevorzugten Ausführungsbeispiels;
Fig. 22 und 23 schematische Außenansichten eines Leistungs­ moduls gemäß einem neunten bevorzugten Ausführungs­ beispiel;
Fig. 24 eine schematische Außenansicht eines Leistungsmoduls gemäß einem zehnten bevorzugten Ausführungsbeispiel;
Fig. 25 eine schematische Längsschnittansicht des Leistungs­ moduls gemäß dem zehnten bevorzugten Ausführungsbei­ spiel;
Fig. 26 und 27 schematische Außenansichten eines Leistungs­ moduls gemäß einer Modifizierung des zehnten bevor­ zugten Ausführungsbeispiels;
Fig. 28 bis 30 schematische Darstellungen eines Leistungsmo­ duls gemäß einem elften bevorzugten Ausführungsbei­ spiel;
Fig. 31 eine schematische Außenansicht eines Leistungsmoduls gemäß einem zwölften bevorzugten Ausführungsbei­ spiel;
Fig. 32 eine schematische Außenansicht eines Leistungsmoduls gemäß einem dreizehnten bevorzugten Ausführungsbei­ spiel;
Fig. 33 eine schematische Außenansicht eines Leistungsmoduls gemäß einer Modifizierung des dreizehnten bevorzug­ ten Ausführungsbeispiels;
Fig. 34 eine schematische Außenansicht eines ersten herkömm­ lichen Leistungsmoduls;
Fig. 35 eine schematische Außenansicht eines zweiten her­ kömmlichen Leistungsmoduls; und
Fig. 36 eine schematische Außenansicht eines dritten her­ kömmlichen Leistungsmoduls.
Erstes bevorzugtes Ausführungsbeispiel
Fig. 1 zeigt eine schematische Außenansicht eines Leistungs­ moduls 101 gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel. Wie in Fig. 1 gezeigt ist, weist der Leistungsmodul 101 eine Leistungs-Halbleitervorrichtung 1 (wie zum Beispiel eine Frei­ laufdiode oder einen IGBT) auf, die zum Beispiel aus einem Si­ liziumsubstrat (Si-Substrat), einem Kühlkörper 2A, Elektroden 3, Isolierschichten 4 und Drähten 7 gebildet ist. Aus Gründen der Einfachheit sind die Details der Leistungs-Halbleitervor­ richtung 1 in Fig. 1 nicht dargestellt.
Genauer gesagt ist die Leistungs-Halbleitervorrichtung 1 in unmittelbarem oder direktem Kontakt mit dem Kühlkörper 2A an­ geordnet. Die Leistungs-Halbleitervorrichtung 1 besitzt Hauptflächen 1S1 und 1S2, die den Hauptflächen des vorstehend genannten Siliziumsubstrats entsprechen und in denen jeweils eine Elektrode (nicht gezeigt) ausgebildet ist.
Dabei ist eine Hauptfläche 1S2 (die im folgenden als "hintere Oberfläche" bezeichnet wird) oder die auf der hinteren Ober­ fläche 1S2 ausgebildete Elektrode (die nachfolgend als "hin­ tere Elektrode" bezeichnet wird) zum Beispiel auf eine plane Oberfläche 2AS des Kühlkörpers 2A aufgelötet.
Hierbei impliziert das "Anordnen der Leistungs-Halbleitervor­ richtung 1 direkt auf dem Kühlkörper 2A" das Nicht-Vorhanden­ sein des isolierenden Substrats 5P und der Basisplatte 9P, wie sie bei den herkömmlichen Leistungsmodulen 101P, 102P und 103P vorhanden waren, wobei diese Form der "direkten Anordnung" auch eine solche Konfiguration beinhaltet, bei der ein Haft­ material (zum Beispiel das eingangs verwendete Lötmaterial) zwischen der Leistungs-Halbleitervorrichtung 1 und dem Kühl­ körper 2A vorgesehen ist, um diese miteinander zu verbinden.
Anstatt von Lötmaterial kann es sich bei einem solchen Haft­ material auch um einen Kleber mit hoher Wärmeleitfähigkeit handeln, wie zum Beispiel ein Epoxidharz, das leitfähiges Pul­ ver, wie zum Beispiel Aluminium oder Silber, enthält.
Der Kühlkörper 2A ist aus einem Material hergestellt, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient in etwa gleich dem von Silizium ist, wie zum Beispiel Molybdän (Mo), einer Legierung aus Kup­ fer (Cu) und Molybdän (Mo), Wolfram (W), einem Kohlefaser-Ver­ bundmaterial oder dergleichen.
Der Kühlkörper 2A (aus einem Material, dessen Wärmeausdeh­ nungskoeffizient in etwa dem von Silizium entspricht) kann auch aus Aluminium (Al), das Kohlenstoff (C) oder Silizium (Si) enthält, oder dergleichen bestehen. Der Kühlkörper 2A weist auf der der Oberfläche 2AS entgegengesetzten Seite eine mit Rippen versehene bzw. gerippte Oberfläche auf.
Die Isolierschichten 4 sind auf dem Kühlkörper 2A angeordnet, und die Elektroden 3 sind auf den Isolierschichten 4 angeord­ net. Das heißt, die Elektroden 3 sind über dem Kühlkörper 2A angeordnet, jedoch durch die Isolierschichten 4 gegenüber dem Kühlkörper 2A isoliert.
Die Elektroden 3 sind durch die Drähte 7 mit der in der ande­ ren Hauptfläche 1S1 (die im folgenden als "vordere Oberfläche" bezeichnet wird) der Leistungs-Halbleitervorrichtung 1 ausge­ bildeten Elektrode (die nachfolgend als "vordere Elektrode" bezeichnet wird) elektrisch verbunden.
Diese elektrischen Verbindungen zwischen den Elektroden 3 und der vorderen Elektrode der Leistungs-Halbleitervorrichtung 1 können durch Aufbringen von Druck oder eines leitfähigen Kleb­ stoffs hergestellt werden.
Der Leistungsmodul 101 erzielt die nachfolgend genannten Wir­ kungen. Da die Leistungs-Halbleitervorrichtung 1 und der Kühl­ körper 2A einander in ihren Wärmeausdehnungskoeffizienten im wesentlichen entsprechen, kann der Leistungsmodul 101 im Ge­ gensatz zu den herkömmlichen Leistungsmodulen 101P, 102P und 103P das Auftreten einer Rißbildung an den Verbindungsstellen (Lötverbindungen) zwischen der Leistungs-Halbleitervorrichtung 1 und dem Kühlkörper 2A aufgrund des Wärmezyklus stark vermin­ dern.
Im Gegensatz zu den herkömmlichen Leistungsmodulen 101P, 102P und 103P braucht der Leistungsmodul 101 somit keine größere Dicke des Lötmaterials aufzuweisen, so daß der Wärmewiderstand zwischen der Leistungshalbleitervorrichtung 1 und dem Kühlkör­ per 2A reduziert werden kann. Dies ermöglicht eine leichtere und kleinere Ausbildung des Kühlkörpers.
Ferner kann die Temperaturdifferenz zwischen der Leistungs- Halbleitervorrichtung 1 und dem Kühlkörper 2A reduziert wer­ den, da die Leistungs-Halbleitervorrichtung 1 und der Kühl­ körper 2A in direktem Kontakt miteinander stehen.
Die auf das Haftmaterial aufzubringende Wärmebelastung zwi­ schen der hinteren Oberfläche 1S2 der Leistungs-Halbleitervor­ richtung 1 und der Oberfläche 2AS des Kühlkörpers 2A ist somit geringer als bei den herkömmlichen Leistungsmodulen 101P, 102P und 103P, und zwar selbst dann, wenn eine Temperaturverteilung in der hinteren Oberfläche 1S2 und/oder in der Oberfläche 2AS vorhanden ist.
Dies verbessert die Zuverlässigkeit der Leistungs-Halbleiter­ vorrichtung, so daß eine Zuverlässigkeit des Leistungsmoduls über lange Zeitdauern erzielt wird.
Zweites bevorzugtes Ausführungsbeispiel
Fig. 2 zeigt eine schematische Außenansicht eines Leistungsmo­ duls 102 gemäß einem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel. Wie in Fig. 2 gezeigt, weist der Leistungsmodul 102 eine Frei­ laufdiode 1A und einen IGBT 1B auf, die als Paar als eine vor­ stehend genannte Leistungs-Halbleitervorrichtung 1 dienen; ferner weist der Leistungsmodul 102 den Kühlkörper 2A, die Elektrode 3, die Isolierschicht 4 und die Drähte 7 auf. Dabei sind den vorstehend beschriebenen Bauteilen entsprechende Bau­ teile mit denselben Bezugszeichen bezeichnet und werden als durch die vorstehende Beschreibung gestützt betrachtet.
Die Freilaufdiode 1A weist eine vordere Oberfläche 1AS1 und eine hintere Oberfläche 1AS2 auf, die der vorstehend genannten vorderen bzw. hinteren Oberfläche 1S1 und 1S2 entsprechen, und außerdem weist sie ebenfalls eine vordere Elektrode und eine hintere Elektrode (nicht gezeigt) auf.
In ähnlicher Weise weist der IGBT 1B eine vordere Oberfläche 1BS1 und eine hintere Oberfläche 1BS2, die der vorstehend ge­ nannten vorderen bzw. hinteren Oberfläche 1S1 und 1S2 entspre­ chen, sowie ebenfalls eine vordere Elektrode und eine hintere Elektrode (nicht gezeigt) auf.
Genauer gesagt ist der Kühlkörper 2A des Leistungsmoduls 102 aus einem leitfähigen Material hergestellt, wie zum Beispiel aus einer Legierung aus Kupfer und Molybdän, wie dies vorste­ hend beschrieben wurde.
Die Diode 1A und der IGBT 1B sind direkt auf dem Kühlkörper 2A angeordnet, wobei sich ihre hinteren Oberflächen 1AS2 und 1BS2 in flächigem Kontakt mit der vorderen Oberfläche 2AS des Kühl­ körpers 2A befinden.
Außerdem sind die Diode 1A und der IGBT 1B unter Verwendung eines leitfähigen Haftmaterials, wie zum Beispiel Lötmaterial, mit dem Kühlkörper 2A verbunden. Dadurch sind elektrische Ver­ bindungen zwischen den hinteren Elektroden der Diode 1A und des IGBT 1B durch das Lötmaterial und den leitfähigen Kühlkör­ per 2A gebildet.
Andererseits sind die vorderen Elektroden der Diode 1A und des IGBT 1B zum Beispiel durch die Drähte 7 mit der Elektrode 3 elektrisch verbunden.
Bei diesem Leistungsmodul 102 dient der Leitfähigkeit aufwei­ sende Kühlkörper 2A als Elektrode. Dies vermindert die Anzahl von Elektroden 3 und Isolierschichten 4, so daß eine leichtere und kleinere Ausbildung des Leistungsmoduls ermöglicht wird.
Der Kühlkörper 2A des Leistungsmoduls 102 besitzt einen Vor­ sprung oder Fortsatz 2AT, der über die vordere Oberfläche 2AS hinaus wegragt, wobei sich sowohl die Isolierschicht 4 als auch die Elektrode 3 über den Fortsatz 2AT erstrecken. Der Fortsatz 2AT des leitfähigen Kühlkörpers 2A und die Elektrode 3 auf dem Fortsatz 2AT können als Anschluß für den Leistungs­ modul 102 verwendet werden.
Der Leistungsmodul 102 wird in erster Linie in einer derarti­ gen Schaltungskonfiguration verwendet, bei der die hinteren Elektroden einer Vielzahl von Leistungs-Halbleitervorrichtun­ gen auf dem gleichen Potential liegen.
Alternativ hierzu ist es auch möglich, eine Vielzahl von Lei­ stungs-Halbleitervorrichtungen anzubringen, deren hintere Elektroden aufgrund der Ausbildung eines isolierenden Sub­ strats mit leitfähigen Schichten, wie zum Beispiel Kupfer­ folien (entsprechend dem herkömmlichen isolierenden Substrat 5P in Fig. 34) zwischen dem Kühlkörper 2A und den Leistungs- Halbleitervorrichtungen auf verschiedenen Potentialen liegen.
Drittes bevorzugtes Ausführungsbeispiel
Fig. 3 zeigt eine schematische Außenansicht eines Leistungs­ moduls 103 gemäß einem dritten bevorzugten Ausführungsbei­ spiel. Der Leistungsmodul 103 weist eine derartige Konfigura­ tion auf, daß zwei Leistungsmodule 102 durch ein isolierendes Element 10 zusammengekoppelt sind. Das isolierende Element 10 kann aus Epoxidharz, aus Spritzguß-Kunststoff oder dergleichen gebildet sein.
Bei dem Leistungsmodul 103 erstreckt sich die Elektrode 3 je­ des Leistungsmoduls 102 zu dem jeweils anderen Leistungsmodul 102 und ist mit dem Kühlkörper 2A des jeweils anderen Lei­ stungsmoduls 102 beispielsweise durch Verlöten elektrisch ver­ bunden (siehe Fortsätze 3T).
Der Leistungsmodul 103 läßt sich in einfacher Weise herstel­ len, da seine Schaltungskonfiguration derart ist, daß die bei­ den bestehenden Leistungsmodule 102 lediglich miteinander kom­ biniert werden. Die Verwendung der kompakten und leichten Lei­ stungsmodule 102 ermöglicht eine Reduzierung der Größe und des Gewichts des Leistungsmoduls 103. Alternativ hierzu können auch drei oder mehr Leistungsmodule 102 kombiniert werden.
Die Dioden 1A und die Kühlkörper 2A können mittels der Drähte 7 ohne die Zwischenordnung der Elektroden 3 direkt miteinander verbunden werden. Somit können die Elektroden 3 und derglei­ chen von dem Leistungsmodul eliminiert werden.
Viertes bevorzugtes Ausführungsbeispiel
Fig. 4 zeigt eine schematische Außenansicht eines Leistungs­ moduls 104 gemäß einem vierten bevorzugten Ausführungsbei­ spiel. Wie in Fig. 4 gezeigt, umfaßt der Leistungsmodul 104 die Freilaufdiode 1A, den IGBT 1B, einen leitfähigen Kühlkör­ per 2B, die Elektrode 3, die Isolierschicht 4 und die Drähte 7.
Der Kühlkörper 2B ist aus dem gleichen Material wie der vor­ stehend erwähnte leitfähige Kühlkörper 2A gebildet und besitzt eine ebene Oberfläche 2BS, die der vorstehend genannten Ober­ fläche 2AS entspricht. Auf der Oberfläche 2BS sind die Diode 1A, der IGBT 1B sowie die Isolierschicht 4 angeordnet.
Genauer gesagt weist der Kühlkörper 2B des Leistungsmoduls 104 zwei Durchgangslöcher 2BH als Durchführungen für ein Kühlme­ dium auf. Die Durchgangslöcher 2BH sind von der Oberfläche 2BS gleich beabstandet, mit anderen Worten, sie sind horizontal ausgerichtet, wie dies in Fig. 4 gezeigt ist. Jedes der Durch­ gangslöcher 2BH ist derart konfiguriert, daß es sich unter die Diode 1A und den IGBT 1B erstreckt. Alternativ hierzu können ein oder nicht weniger als drei Durchgangslöcher 2BH vorgese­ hen sein.
Durch Hindurchleiten eines Kühlmediums, wie zum Beispiel Gas (z. B. Luft, Schwefelhexafluorid (SF6) oder Kohlendioxidgas) oder Flüssigkeit (z. B. Wasser oder Öl) durch die Durchgangs­ löcher 2BH, schafft der Leistungsmodul 104 eine Zwangskühlung des Kühlkörpers 2B und somit der Diode 1A und des IGBT 1B. Da­ durch wird eine beträchtliche Verbesserung der Kühlmöglichkei­ ten geschaffen.
Infolgedessen können die Grenzen hinsichtlich der Strommenge, die bei den herkömmlichen Leistungsmodulen 101P, 102P und 103P zur Gewährleistung der Zuverlässigkeit gesetzt worden sind, gelockert oder angehoben werden. Auch kann der Kühlkörper und somit der Leistungsmodul leichter und kleiner ausgebildet wer­ den.
Erste Modifizierung des vierten bevorzugten Ausführungsbeispiels
Fig. 5 zeigt eine schematische Außenansicht eines Leistungs­ moduls 104A gemäß einer ersten Modifizierung des vierten be­ vorzugten Ausführungsbeispiels. Wie in Fig. 5 gezeigt ist, weist der Leistungsmodul 104A die beiden vorstehend beschrie­ benen Leistungsmodule 104 auf. Diese Leistungsmodule 104 sind miteinander gekoppelt, indem die Durchgangslöcher 2B in den Kühlkörpern 2B durch Rohre 2BJ miteinander verbunden sind.
  • a) Wenn die beiden Kühlkörper 2B auf dem gleichen Poten­ tial liegen, d. h. wenn die hinteren Elektroden der Dioden 1A usw. auf beiden Kühlkörpern 2B auf dem gleichen Potential lie­ gen, bestehen wenigstens die Rohre 2BJ oder das Kühlmedium aus einem leitfähigen Material bzw. einer leitfähigen Substanz (wobei dies nachfolgend als "leitfähige Kopplung" bezeichnet wird).
  • b) Wenn dagegen die Kühlkörper 2B voneinander isoliert sind, d. h. wenn die Dioden 1A usw. auf den Kühlkörpern 2B von­ einander isoliert sind, sind sowohl die Rohre 2BJ als auch das Kühlmedium aus isolierenden Materialien bzw. Substanzen herge­ stellt (wobei dies nachfolgend als "isolierende Kopplung" be­ zeichnet wird).
  • c) Wenn das vorstehend genannte isolierende Substrat 5P (und die Kupferfolien 6P) in dem vorstehend beschriebenen Fall (i), in dem zumindest die Rohre 2BJ oder zumindest das Kühlme­ dium aus einem leitfähigen Material bzw. aus einer leitfähigen Substanz bestehen, zwischen den Kühlkörpern 2B und den Dioden 1A (siehe Fig. 34) vorgesehen ist, können die Dioden 1A usw. auf den Kühlkörpern 2B wie in dem vorstehend beschriebenen Fall (ii) voneinander isoliert werden.
Umgekehrt eliminieren die vorstehend beschriebene leitfähige Kopplung (i) und isolierende Kopplung (ii) die Notwendigkeit der Verwendung des isolierenden Substrats 5P usw.
Alternativ hierzu können drei oder mehr Leistungsmodule 104 mittels der Rohre 2BJ miteinander gekoppelt werden, um den Leistungsmodul 104A zu bilden. Dabei ist für eine leitfähige Kopplung eine nicht gezeigte Pumpe zum Befördern eines Kühlme­ diums für jede einzelne Gruppe vorgesehen, die aus einer Viel­ zahl von Leistungsmodulen 104 auf dem gleichen Potential ge­ bildet ist. Für eine isolierende Kopplung ist dagegen nur eine einzige Pumpe für den gesamten Leistungsmodul 104A vorgesehen.
Zweite Modifizierung des vierten bevorzugten Ausführungsbeispiels
Fig. 6 zeigt eine schematische Außenansicht eines Leistungs­ moduls 104B als zweite Modifizierung des vierten bevorzugten Ausführungsbeispiels. Bei dem Leistungsmodul 104B sind die beiden Durchgangslöcher 2BH in unterschiedlicher Beabstandung von der Oberfläche 2BS vorgesehen; mit anderen Worten, es sind die Durchgangslöcher 2BH vertikal ausgefluchtet, wie dies in Fig. 6 gezeigt ist.
Wie bei dem vorstehend beschriebenen Leistungsmodul 104A kann die Schaltungskonfiguration derart sein, daß eine Vielzahl von Leistungsmodulen 104B miteinander gekoppelt werden, indem die Durchgangslöcher 2BH mittels der Rohre 2BJ (siehe Fig. 7) mit­ einander verbunden werden.
Mittels der Rohre 2BJ werden dabei die oberen Durchgangslöcher 2BH miteinander verbunden und die unteren Durchgangslöcher 2BH miteinander verbunden. Genauer gesagt werden die Rohre 2BJ derart montiert, daß das Kühlmedium zuerst in die oberen Durchgangslöcher 2BH, die näher bei den Dioden 1A und den IGBTs 1B liegen, eintritt und durch diese hindurchströmt und das Kühlmedium dann U-förmig umgelenkt wird und die unteren Durchgangslöcher 2BH durchströmt.
Im Vergleich zu den Kühlkörpern 2B des vorstehend beschriebe­ nen Leistungsmoduls 104 wird somit bei dem Leistungsmodul 104 Schwankungen in der Temperatur des Kühlmediums durch die Kühl­ körper 2B Rechnung getragen, so daß die Gleichmäßigkeit der Kühleigenschaften verbessert wird.
Dritte Modifizierung des vierten bevorzugten Ausführungsbeispiels
Fig. 8 zeigt eine schematische Außenansicht eines Leistungs­ moduls 104C als dritte Modifizierung des vierten bevorzugten Ausführungsbeispiels. Wie in Fig. 8 gezeigt ist, weist der Leistungsmodul 104C zwei Leistungsmodule 104 auf, wie sie vor­ stehend beschrieben wurden. Die Leistungsmodule 104 sind der­ art angeordnet, daß ihre Oberflächen auf der den Oberflächen 2BS der Kühlkörper 2B entgegengesetzten Seite miteinander in Berührung sind.
Vierte Modifizierung des vierten bevorzugten Ausführungsbeispiels
Fig. 9 zeigt eine schematische Außenansicht eines Leistungs­ moduls 104B als vierte Modifizierung des vierten bevorzugten Ausführungsbeispiels. Wie in Fig. 9 gezeigt ist, weist der Leistungsmodul 104B die beiden Leistungsmodule 104 auf, wie sie vorstehend beschrieben worden sind. Diese Leistungsmodule 104 sind unter Zwischenschaltung von Stützelementen 15 über­ einander gestapelt angeordnet.
Dabei können (i) beide Kühlkörper 2B auf dem gleichen Poten­ tial vorgesehen werden, wenn mindestens eines der Stützele­ mente 15 aus einem leitfähigen Material, wie zum Beispiel Metall, hergestellt ist, und (ii) die Kühlkörper 2B können voneinander isoliert werden, wenn alle Stützelemente 15 aus isolierenden Materialien, wie zum Beispiel Harzen, hergestellt sind.
Fünftes bevorzugtes Ausführungsbeispiel
Die Fig. 10 und 11 zeigen schematische Außenansichten in Form einer Draufsicht bzw. einer Seitenansicht eines Leistungs­ moduls 105 gemäß einem fünften bevorzugten Ausführungsbei­ spiel. Genauer gesagt handelt es sich bei Fig. 11 um eine Außenansicht des Leistungsmoduls 105 gesehen aus der Richtung des Pfeils A in Fig. 10.
Aus Gründen der Vereinfachung ist ein Teil der Komponenten in Fig. 11 nicht dargestellt. Fig. 12 zeigt eine schematische Längsschnittansicht des Leistungsmoduls 105.
Bei dem Leistungsmodul 105 handelt es sich um einen sogenann­ ten Leistungswandler vom Dreiphasen-Spannungstyp. Der Lei­ stungswandler beinhaltet sowohl einen Wechselrichter als auch einen Stromrichter.
In jeder Phase des Leistungswandlers sind obere und untere Arme, die als Paar einen einzigen Arm bilden, über einen Aus­ gangsanschluß miteinander in Reihe verbunden, und genauer ge­ sagt ist der obere Arm zwischen die Seite mit hohem Potential (die einer zweiten Spannung entspricht) und den Ausgangsan­ schluß geschaltet, und der untere Arm ist zwischen den Aus­ gangsanschluß und die Seite mit niedrigem Potential (die einer ersten Spannung entspricht) geschaltet bzw. geerdet.
Im Hinblick auf Ersatzschaltbilder handelt es sich bei dem Leistungswandler um eine Mehrphasen-Brückenschaltung; im vor­ liegenden Fall entspricht der Modul 105 einer Dreiphasen- Brückenschaltung.
Der Leistungsmodul 105 weist einen zylindrischen Kühlkörper 2C auf, der einander gegenüberliegende, kreisförmige Hauptflächen bzw. Oberflächen 2CS1 und 2CS2 aufweist. Der Kühlkörper 2C ist leitfähig.
Auf der einen Hauptfläche 2CS1 des Kühlkörpers 2C sind drei isolierende Substrate 50U, 50V und 50W angeordnet, die zum Beispiel aus Keramikplatten gebildet sind. Jedes der isolie­ renden Substrate 50U, 50V und 50W besitzt Hauptflächen, wobei auf beiden derselben Kupferfolien oder dergleichen angeordnet sind, und ist zum Beispiel mittels Lötmaterial mit der Hauptfläche 2CS1 verbunden.
Die vorstehend genannten Kupferfolien, die dem Kühlkörper 2C zugewandt gegenüberliegend angeordnet sind, sind zur Schaffung einer guten Haftung zwischen den isolierenden Substraten 50U, 50V, 50W und dem Kühlkörper 2C vorgesehen.
Die Kupferfolien auf der anderen Seite der isolierenden Sub­ strate 50U, 50V und 50W, die nicht dem Kühlkörper 2C zugewandt angeordnet sind, bilden Elektroden 60U, 60V bzw. 60W, die die Ausgangsanschlüsse des Stromwandlers bilden. Die Elektroden 60U, 60V und 60W können auch aus anderen leitfähigen Materia­ lien als Kupferfolie gebildet sein.
Die isolierenden Substrate 50U, 50V und 50W sind in etwa gleichmäßig voneinander beabstandet auf einem Umfang angeord­ net, der mit dem Umfang der kreisförmigen Hauptfläche 2CS1 konzentrisch ist, d. h. auf einem Umfang um den Mittelpunkt der Hauptfläche 2CS1.
Mit anderen Worten, es sind die isolierenden Substrate 50U, 50V und 50W in Bezug auf den Mittelpunkt der kreisförmigen Hauptfläche 2CS1 regelmäßig (im vorliegenden Fall um 120°) winkelmäßig voneinander beabstandet sowie auch gleichmäßig von dem vorstehend genannten Mittelpunkt entfernt angeordnet.
Ferner sind drei Leistungs-Halbleitervorrichtungen, die je­ weils aus einer Diode 1A und einem IGBT 1B bestehen, den iso­ lierenden Substraten 50U, 50V und 50W benachbart direkt auf der Hauptfläche 2CS1 angeordnet. Diese Leistungs-Halbleiter­ vorrichtungen sind in etwa gleichmäßig voneinander beabstandet auf einem Umfang angeordnet, der konzentrisch zu dem der kreisförmigen Hauptfläche 2CS1 ist, derart, daß sie jeweils zwischen den isolierenden Substraten 50U, 50V und 50W angeord­ net sind.
Genauer gesagt, es sind die hinteren Elektroden dieser Dioden 1A und IGBTs 1B beispielsweise mittels Lötmaterial direkt mit der Hauptfläche 2CS1 verbunden. Die vorderen Elektroden der Dioden 1A und der IGBTs 13 dagegen sind zum Beispiel mittels der Drähte 7 mit den Elektroden 60U, 60V und 60W elektrisch verbunden. Ein jedes der drei Paare von Dioden 1A und IGBTs 1B, die direkt auf dem vorstehend beschriebenen Kühlkörper 2C angeordnet sind, bildet einen unteren Arm des Leistungswand­ lers.
Ferner sind auf der Hauptfläche 2CS1 isolierende Substrate 5, die zum Beispiel aus Keramikplatten gebildet sind, in unmit­ telbarer Nähe zu den isolierenden Substraten 50U, 50V und 50W angeordnet. Diese isolierenden Substrate 5 sind gleichmäßig voneinander beabstandet auf einem Umfang angeordnet, der kon­ zentrisch mit dem der kreisförmigen Hauptfläche 2CS1 ist, und zwar derart, daß sie jeweils zwischen den isolierenden Sub­ straten 50U, 50V und 50W angeordnet sind.
Jedes der isolierenden Substrate 5 besitzt zwei Hauptflächen, wobei auf beiden derselben Kupferfolien oder dergleichen ange­ ordnet sind, und ist zum Beispiel mittels Lötmaterial mit der Hauptfläche 2CS1 verbunden. Die dem Kühlkörper 2C abgewandten Kupferfolien bilden leitfähige Schichten 6.
Auf jeder der auf den isolierenden Substraten 5 ausgebildeten leitfähigen Schichten 6 sind eine Diode 1A und ein IGBT 1B an­ geordnet. Die Diode 1A und der IGBT 1B sind zum Beispiel mit­ tels Lötmaterial miteinander verbunden, so daß sich ihre hin­ teren Elektroden in flächigem Kontakt mit der leitfähigen Schicht 6 befinden.
Die jeweils benachbarte leitfähige Schicht 6 und die Elektrode 60U, 60V oder 60W sind zum Beispiel durch die Drähte 7 mitein­ ander verbunden. Ein jedes der drei Paare von Dioden 1A und IGBTs 1B, die unter Zwischenschaltung des isolierenden Sub­ strats 5 über dem Kühlkörper 2C angeordnet sind, bildet einen oberen Arm des Leistungswandlers.
Bei einer derartigen Anordnung der Dioden 1A usw. sind die drei Arme des Leistungsmoduls 105 (die jeweils aus einem obe­ ren und einem unteren Armen bestehen) in Bezug auf das Zentrum (wo eine Elektrode 61 angeordnet ist, wie dies nachfolgend noch beschrieben wird) der kreisförmigen Hauptfläche 2CS1 des Kühlkörpers 2C in regelmäßiger winkelmäßiger Beabstandung von­ einander angeordnet.
Ferner ist auf der kreisförmigen Hauptfläche 2CS1 ein zum Bei­ spiel aus einer Keramikplatte gebildetes isolierendes Substrat 50C um das Zentrum ihrer Kreisfläche herum angeordnet. Das isolierende Substrat 50C besitzt zwei Hauptflächen, wobei auf beiden derselben Kupferfolien oder dergleichen angeordnet sind, und ist zum Beispiel mittels Lötmaterial mit der Hauptfläche 2CS1 verbunden. Die von dem Kühlkörper 2C abge­ wandte Kupferfolie bildet eine leitfähige Schicht 60C.
Die vorderen Elektroden der Diode 1A und des IGBT 1B auf jedem der isolierenden Substrate 5 sind zum Beispiel mittels der Drähte 7 mit der leitfähigen Schicht 60C elektrisch verbunden. Die Formgebung des isolierenden Substrats 50C, der leitfähigen Schicht 60C und so weiter sind nicht auf die in den Zeichnun­ gen dargestellten Konfigurationen begrenzt.
Genauer gesagt, es erstreckt sich zum Beispiel eine stabför­ mige Elektrode 61 in etwa von der Mitte der kreisförmigen Hauptfläche 2CS1, wo die Dioden 1A usw. angeordnet sind (siehe Fig. 12), durch das isolierende Substrat 50C hindurch nach außen. Die Elektrode 61 ist mit dem Kühlkörper 2C elektrisch verbunden.
Ferner ist eine Elektrode 62 in elektrischer Verbindung mit der leitfähigen Schicht 60C angeordnet. Bei der Elektrode 62 handelt es sich zum Beispiel um eine zylindrische Elektrode, in die die Elektrode 61 eingesetzt ist.
Die Elektroden 61 und 62 sind mittels eines dazwischen ange­ ordneten Isolierelements 11 voneinander isoliert. Außerdem bilden die Elektroden 61 und 62 eine sogenannte Koaxiallei­ tung. Bei dem Leistungsmodul 105 bildet die Elektrode 61 die "erste Elektrode", und die Elektrode 62 bildet die "zweite Elektrode".
Bei einer derartigen Konfiguration bildet der Leistungsmodul 105 einen Leistungswandler mit fünf Elektroden 60U, 60V, 60W, 61 und 62.
Fig. 13, die der Fig. 10 entspricht, zeigt eine schematische Darstellung zur Erläuterung von Durchgangslöchern 2CH in dem Kühlkörper 2C. Aus Gründen der Vereinfachung sind die isolie­ renden Substrate 5 usw. der Fig. 10 in Fig. 13 nicht darge­ stellt.
Wie in Fig. 13 zu sehen ist, weist der Kühlkörper 2C drei Durchgangslöcher 2CH auf, die jeweils die allgemeine Form eines Rings aufweisen und konzentrisch mit dem Umfang der Hauptfläche 2CS1 angeordnet sind, wobei diese Ringformen je­ weils durch unterschiedliche unterbrochene Linien dargestellt sind.
Durch Hindurchleiten eines Kühlmediums durch jedes der Durch­ gangslöcher 2CH wird der Leistungsmodul 105 heruntergekühlt. Die Anzahl der Durchgangslöcher 2CH ist nicht auf drei be­ grenzt, jedoch sollten diese Durchgangslöcher 2CH vorzugsweise unter den Dioden 1A und dem IGBT 1B ausgebildet sein, bei de­ nen es sich um Wärme erzeugende Elemente handelt.
Alternativ hierzu können die Durchgangslöcher 2CH zum Beispiel eine Wendelform annehmen, anstatt ringförmig ausgebildet zu sein. Wie im Fall des Leistungsmoduls 104B (siehe Fig. 6) kön­ nen die Durchgangslöcher 2CH zwischen den Hauptflächen 2CS1 und 2CS2 auch vertikal ausgefluchtet sein.
Bei dem Leistungsmodul 105, wie er vorstehend beschrieben wor­ den ist, sind die drei Arme des Leistungswandlers in etwa gleichmäßig voneinander beabstandet auf einer Umfangslinie vorgesehen, die konzentrisch mit dem Umfang der Hauptfläche um die vorstehend beschriebene Koaxialleitung herum angeordnet ist. Auf diese Weise kann die Verdrahtung zwischen den Elek­ troden 61, 62 und dem jeweiligen Arm in ähnlicher Weise vorge­ nommen werden.
Dies reduziert Schwankungen in den Ausgangsleistungen von die­ sen Armen sowie Schwankungen in der Spannung auf der Seite mit niedrigem Potential, so daß eine beträchtliche Beständigkeit gegen Fehlfunktionen erzielt wird. Als Ergebnis hiervon läßt sich ein äußerst zuverlässiger Leistungswandler bauen.
Modifizierung des fünften bevorzugten Ausführungsbeispiels
Während bei dem Leistungsmodul 105 alle Dioden 1A usw. auf der Hauptfläche 2CS1 des Kühlkörpers 2C angeordnet sind, kann ein Teil derselben auch auf der anderen Hauptfläche 2CS2 des Kühl­ körpers 2C angeordnet sein. Zum Beispiel können die drei iso­ lierenden Substrate 5 sowie die darauf anzuordnenden Komponen­ ten auf der Hauptfläche 2CS2 angeordnet werden, wobei eine vorbestimmte Verdrahtung hierfür vorgesehen werden kann.
Sechstes bevorzugtes Ausführungsbeispiel
Fig. 14 zeigt eine schematische Außenansicht eines Leistungs­ moduls 111 gemäß einem sechsten bevorzugten Ausführungsbei­ spiel. Bei dem Leistungsmodul 111, wie er in Fig. 14 gezeigt ist, sind die Diode 1A, der IGBT 1B und ein Kondensator 20 zum Glätten des Gleichstroms direkt auf der Oberfläche 2B5 des vorstehend beschriebenen leitfähigen Kühlkörpers 2B angeord­ net, der die Durchgangslöcher 2BH aufweist. Die Diode 1A und der IGBT 1B bilden eine "erste Leistungs-Halbleitervorrich­ tung".
Wie vorstehend beschrieben, besitzt die Diode 1A Hauptflächen (eine vordere Oberfläche 1AS1 und eine hintere Oberfläche 1AS2), die den Hauptflächen des Siliziumsubstrats entsprechen, wobei im spezielleren auf der vorderen Oberfläche 1AS1 eine vordere Elektrode vorgesehen ist und auf der hinteren Oberflä­ che 1AS2 eine hintere Elektrode vorgesehen ist.
In ähnlicher Weise ist auch bei dem IGBT 1B eine vordere Elek­ trode auf der vorderen Oberfläche 1BS1 und eine hintere Elek­ trode auf der hinteren Oberfläche 1BS2 vorgesehen. Aus Gründen der Vereinfachung sind die Einzelheiten der vorderen Elektro­ den und der hinteren Elektroden der Diode 1A und des IGBT 1B in Fig. 14 nicht dargestellt.
Im Gegensatz zu dem herkömmlichen zylindrischen Kondensator 8P handelt es sich bei dem Kondensator 20 um einen Plattenkonden­ sator mit zwei entgegengesetzten Hauptflächen 20S1 und 20S2.
Auf der einen Hauptfläche 20S2 (die nachfolgend als "hintere Oberfläche" bezeichnet wird) ist eine nicht gezeigte Elektrode (die nachfolgend als "hintere Elektrode" bezeichnet wird) vor­ gesehen, und auf der anderen Hauptfläche 20S1 (die nachfolgend als "vordere Oberfläche" bezeichnet wird) ist eine weitere, ebenfalls nicht gezeigte Elektrode (die nachfolgend als "vor­ dere Elektrode" bezeichnet wird) vorgesehen.
Die hinteren Elektroden der Diode 1A, des IGBT 1B und des Kon­ densators 20 sind zum Beispiels mittels Lötmaterial mit dem Kühlkörper 2B verbunden. Dadurch sind elektrische Verbindungen zwischen den jeweiligen hinteren Elektroden durch den leitfä­ higen Kühlkörper 2B gebildet. Andererseits sind die von dem Kühlkörper 2B abgewandten, vorderen Elektroden der Diode 1A, des IGET 1B und des Kondensators 20 durch die Drähte 7 verbun­ den.
Alternativ hierzu können elektrische Verbindungen zwischen deh jeweiligen vorderen Elektroden durch Aufbringen von Druck oder mittels eines leitfähigen Klebstoffs hergestellt werden.
Der Leistungsmodul 111 erzielt die nachfolgend geschilderten Wirkungen. Als erstes ist hierbei zu erwähnen, daß er eine kompakte Größe besitzt sowie leicht und äußerst zuverlässig ist.
Genauer gesagt ist es aufgrund der Tatsache, daß die Diode 1A, der IGBT 1B und der Kondensator 20 direkt auf dem Kühlkörper 2B angeordnet sind, möglich, den Leistungsmodul 111 kleiner auszubilden als die herkömmlichen Leistungsmodule 101P, 102P und 103P, bei denen diese Komponenten unabhängig voneinander vorgesehen sind.
Ferner hemmt die Wärmeabstrahlwirkung des Kühlkörpers 2B nicht nur die Wärmeerzeugung in der Diode 1A und dem IGBT 1B, son­ dern auch den Temperaturanstieg in dem Kondensator 20. Dies ermöglicht eine Miniaturisierung des Kondensators 20, eine ge­ ringere Induktivität sowie eine höhere Lebensdauer.
Durch Anordnen der Diode 1A, des IGBT 1B und des Kondensators 20 direkt auf dem Kühlkörper 2B läßt sich auch die Verdrah­ tungslänge zwischen der Diode 1A oder dem IGBT 1B und dem Kon­ densator 20 auf eine kürzere Länge als bei den herkömmlichen Leistungsmodulen 101P, 102P und 103P verkürzen.
Insbesondere aufgrund der Tatsache, daß der Kühlkörper 2B leitfähig ist, können die elektrischen Verbindungen der Diode 1A, des IGBT 1B und des Kondensators 20 über den kürzesten Weg durch den Kühlkörper 2B hergestellt werden. Der Leistungsmodul 111 kann somit eine niedrigere Schaltungsinduktivität als die herkömmlichen Leistungsmodule 101P, 102P und 103P aufweisen.
Dies reduziert die Überschwingspannung bei einem Schaltvorgang der Diode 1A und des IGBT 1B, so daß eine Reduzierung der Hal­ tespannung und des Verlusts der Diode 1A und des IGBT 1B er­ zielt wird. Außerdem vermindert die vorstehend beschriebene kurze Verdrahtungslänge das Auftreten von elektromagnetischem Rauschen.
Bei dem Leistungsmodul 111 kann der leitfähig ausgebildete Kühlkörper 2B als Elektrode verwendet werden. Dadurch vermin­ dert sich die Anzahl der Komponenten, wie zum Beispiel der Drähte, die für isolierende Kühlkörper erforderlich waren, und ferner werden Vorgänge in Verbindung mit der Schaffung derar­ tiger Komponenten eliminiert.
Die Kühleigenschaften des Kühlkörpers 2B können verbessert werden, indem ein Kühlmedium durch die Durchgangslöcher 2BH in dem Kühlkörper 2B hindurchgeleitet wird.
Erste Modifizierung des sechsten bevorzugten Ausführungsbeispiels
Die vorstehend beschriebenen Wirkungen lassen sich auch erzie­ len, wenn der Kühlkörper 2B durch den leitfähigen Kühlkörper 2A mit einer Rippenkonstruktion wie bei dem Leistungsmodul 111A der Fig. 15 ersetzt wird.
Zweite Modifizierung des sechsten bevorzugten Ausführungsbeispiels
Der Kondensator 20 sowie die Diode 1A und der IGBT 1B können auf verschiedenen Oberflächen des Kühlkörpers 2B angeordnet werden. Genauer gesagt können, wie bei einem Leistungsmodul 111B in Fig. 16, die Diode 1A und der IGBT 1B auf der Oberflä­ che 2BS des Kühlkörpers 2B angeordnet sein, und der Kondensa­ tor 20 kann auf einer anderen, der Oberfläche 2BS benachbarten Oberfläche bzw. Seitenfläche 2BS3 angeordnet sein. Ferner kann der Kondensator 20 auch auf der der Oberfläche 2BS entgegenge­ setzten Oberfläche 2BS2 angeordnet sein. Eine solche Konfigu­ ration ist auch bei Verwendung des Kühlkörpers 2A möglich.
Dieser Leistungsmodul 111B läßt sich leichter und kleiner aus­ bilden als der Leistungsmodul 111. Ferner kommt es weniger zu gegenseitigen Beeinträchtigungen zwischen der Wärmeabstrahlung in der Diode 1A und dem IGBT 1B sowie der Wärmeabstrahlung in den Kondensator 20, wodurch die Wärmeabstrahlleistung des Lei­ stungsmoduls verbessert wird.
Siebtes bevorzugtes Ausführungsbeispiel
Fig. 17 zeigt eine schematische Außenansicht eines Leistungs­ moduls 112 gemäß einem siebten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Wie aus einem Vergleich zwischen der Fig. 17 und der bereits beschriebenen Fig. 14 erkennbar ist, besitzt der Leistungsmodul 112 ein Kondensatordielektri­ kum 33 sowie eine Kondensatorelektrode 31 anstatt des Konden­ sators 20 (siehe Fig. 14).
Genauer gesagt, es ist das Kondensatordielektrikum 33 sand­ wichartig zwischen dem leitfähigen Kühlkörper 2B und der Kon­ densatorelektrode 31 angeordnet, und der Kühlkörper 2B, das Kondensatordielektrikum 33 und die Kondensatorelektrode 31 bilden einen Plattenkondensator 30, der dem vorstehend be­ schriebenen Kondensator 20 entspricht. In allen anderen Ge­ sichtspunkten ist der Leistungsmodul 112 mit dem Leistungs­ modul 111 identisch ausgebildet.
Die Kondensatorelektrode 31 entspricht der vorderen Elektrode des Kondensators 20 und der Kühlkörper 2B entspricht der hin­ teren Elektrode. Bei diesem Leistungsmodul 112 kann man die Diode 1A und den IGBT 1B als auf der hinteren Elektrode des Kondensators 30 angeordnet betrachten.
Der Leistungsmodul 112 erzielt ähnliche Wirkungen wie der vor­ stehend beschriebene Leistungsmodul 111.
Erste Modifizierung des siebten bevorzugten Ausführungsbeispiels
Der Kühlkörper 2B kann durch den leitfähigen Kühlkörper 2A mit Rippenkonstruktion ersetzt werden, wie dies bei dem Leistungs­ modul 112A in Fig. 18 zu sehen ist.
Zweite Modifizierung des siebten bevorzugten Ausführungsbeispiels
Fig. 19 zeigt eine schematische Außenansicht eines Leistungs­ moduls 112B als zweite Modifizierung des siebten bevorzugten Ausführungsbeispiels. Wie bei dem Leistungsmodul 111B (siehe Fig. 16), sind auch bei dem Leistungsmodul 112B das Kondensa­ tordielektrikum 33 und die Kondensatorelektrode 31 entweder auf der Oberfläche 2BS2 oder auf der Oberfläche 2BS3 des Kühl­ körpers 2B und somit auf einer anderen als der Oberfläche 2BS angeordnet.
Eine derartige Konfiguration ist auch bei der Verwendung des Kühlkörpers 2A anwendbar. Der Leistungsmodul 112B erzielt ähn­ liche Wirkungen wie der vorstehend beschriebene Leistungsmodul 111B.
Achtes bevorzugtes Ausführungsbeispiel
Fig. 20 zeigt eine schematische Außenansicht eines Leistungs­ moduls 111C gemäß einem achten bevorzugten Ausführungsbei­ spiel. Bei diesem Leistungsmodul 111C handelt es sich um einen sogenannten Leistungswandler vom Dreiphasen-Spannungstyp.
Bei dem Leistungsmodul 111C ist der Kondensator 20 direkt auf dem Kühlkörper 2B angeordnet, wobei sich seine hintere Ober­ fläche 20S2 in flächigem Kontakt mit der Oberfläche 2BS2 des Kühlkörpers 2B befindet.
Der Leistungsmodul 111C weist drei Armeinrichtungen für den Leistungswandler auf. Eine Diode 1A und ein IGBT 1B, die als Paar den unteren Arm jeder Armeinrichtung bilden, sind beide jeweils direkt auf der Oberfläche 2BS des Kühlkörpers 2B ange­ ordnet, wobei sich ihre hinteren Elektroden in flächigem Kon­ takt mit dem Kühlkörper 2B befinden.
Die vorderen Elektroden der Diode 1A und des IBGT 1B, welche den jeweiligen unteren Arm bilden, sind zum Beispiel mittels der Drähte 7 mit der Elektrode 60U, 60V bzw. 60W elektrisch verbunden, die als Ausgangsanschluß des Leistungswandlers die­ nen.
Die Elektroden 60U, 60V und 60W sind unter Zwischenanordnung von isolierenden Substraten bzw. Isolierschichten 50U, 50V bzw. 50W über der Oberfläche 2BS des Kühlkörpers 2B angeord­ net.
Andererseits sind eine Diode 1A und ein IGBT 1B (die eine "zweite Leistungs-Halbleitervorrichtung" bilden), die als Paar den oberen Arm jeder Armeinrichtung bilden, unter Zwischenan­ ordnung des isolierenden Substrats 5 auf der Oberfläche 2BS des Kühlkörpers 2B angeordnet.
Die hinteren Elektroden der den oberen Arm bildenden Diode 1A und IGBT 1B sind mit einer auf dem isolierenden Substrat 5 ausgebildeten leitfähigen Schicht 6 elektrisch verbunden. Die leitfähigen Schichten 6 sind zum Beispiel mittels der Drähte 7 mit den den jeweiligen Armen entsprechenden Elektroden 60U, 60V und 60W elektrisch verbunden.
Die vorderen Elektroden der Diode 1A und des IGBT 1B, welche den jeweiligen oberen Arm bilden, sind zum Beispiel mittels der Drähte 7 mit der Elektrode 61 elektrisch verbunden, die allen Armen gemeinsam ist.
Eine Elektrode 61 erstreckt sich von der Oberfläche 2BS des Kühlkörpers 2B über die Oberfläche 20S1 des Kondensators 20 und ist mit der vorderen Elektrode des Kondensators 20 elek­ trisch verbunden. Außerdem ist die Elektrode 61 von dem Kon­ densator 20 mit Ausnahme der Oberflächenelektrode sowie von dem Kühlkörper 2B durch eine Isolierschicht 50 getrennt.
Bei dem Leistungsmodul 111C handelt es sich bei der Elektrode 61 um die "zweite Elektrode", die mit der Seite mit hohem Po­ tential verbunden ist, und bei dem Kühlkörper 2B handelt es sich um die "erste Elektrode", die mit der Seite mit niedrigem Potential verbunden ist.
Bei dem Leistungsmodul 111C sind die Dioden 1A und die IGBTs 1B der oberen Arme unter Zwischenschaltung der isolierenden Substrate 5 auf dem Kühlkörper 2B angeordnet. Somit können Dioden 1A und IGBTs 1B, die hintere Elektroden mit unter­ schiedlichen Potentialen aufweisen, zusammen auf dem leitfähi­ gen Kühlkörper 2B angeordnet werden, um eine Schaltung zu bil­ den.
Modifizierung des achten bevorzugten Ausführungsbeispiels
Fig. 21 zeigt eine schematische Außenansicht eines Leistungs­ moduls 112C in Form einer Modifizierung des achten bevorzugten Ausführungsbeispiels. Wie bei dem vorstehend beschriebenen Leistungsmodul 111C handelt es sich auch bei dem Leistungsmo­ dul 112C um einen sogenannten Leistungswandler vom Dreiphasen- Spannungstyp.
Wie aus einem Vergleich zwischen Fig. 21 und der vorstehend beschriebenen Fig. 20 erkennbar ist, weist der Leistungsmodul 112C eine Kondensatorelektrode 31 und ein Kondensatordielek­ trikum 33 anstatt des Kondensators 20 des Leistungsmoduls 111C auf.
Genauer gesagt, es ist das Kondensatordielektrikum 33, das in flächigem Kontakt mit der Oberfläche 2BS2 des Kühlkörpers 2B angeordnet ist, sandwichartig zwischen dem Kühlkörper 2B und der Kondensatorelektrode 31 vorgesehen.
Bei einer derartigen Konfiguration bilden der Kühlkörper 2B, das Kondensatordielektrikum 33 und die Kondensatorelektrode 31 den vorstehend genannten Plattenkondensator 30. In allen ande­ ren Gesichtspunkten ist der Leistungsmodul 112C mit dem Lei­ stungsmodul 111C identisch.
Bei dem Leistungsmodul 112C können die Dioden 1A und die IGBTs 1B als auf einer der Elektroden des Kondensators 30 angeordnet verstanden werden. Der Leistungsmodul 112C kann somit ähnliche Wirkungen wie der Leistungsmodul 112 erzielen.
Wie bei dem vorstehend beschriebenen Leistungsmodul 111C er­ möglicht das Vorhandensein der isolierenden Substrate 5 eine Anordnung der Dioden 1A und der IGBTs 1B, deren hintere Elek­ troden auf unterschiedlichen Potentialen liegen, gemeinsam auf einer der Elektroden des Kondensators 30.
Neuntes bevorzugtes Ausführungsbeispiel
Die Fig. 22 und 23 zeigen schematische Außenansichten eines Leistungsmoduls 113 gemäß einem neunten bevorzugten Ausfüh­ rungsbeispiel. Dabei zeigt Fig. 23 eine Außenansicht in Form einer Seitenansicht des Leistungsmoduls 113 gesehen aus der Richtung des Pfeils A in Fig. 22. Aus Gründen der Vereinfa­ chung sind die Dioden 1A, die IGBTs 1B sowie die Drähte 7 in Fig. 23 nicht dargestellt. Wie bei dem vorstehend beschriebe­ nen Leistungsmodul 111C ist auch der Leistungsmodul 113 ein sogenannter Leistungswandler vom Dreiphasen-Spannungstyp.
Wie aus einem Vergleich der Fig. 22 und der bereits beschrie­ benen Fig. 21 erkennbar ist, sind bei dem Leistungsmodul 113 die Dioden 1A und die IGBTs 1B aller unteren Arme des Lei­ stungswandlers direkt auf der Oberfläche 2BS eines einzigen Unterarm-Kühlkörpers 2B angeordnet.
Der Unterarm-Kühlkörper 2B und der Kondensator 20 sind derart vorgesehen, daß die vordere Oberfläche 2BS2 des Unterarm-Kühl­ körpers 2B und die hintere Oberfläche 20S2 des Kondensators 20 flächig aneinander anliegen. Die hinteren Elektroden des Un­ terarm-Kühlkörpers 2B und des Kondensators 20 befinden sich somit in elektrischem Kontakt miteinander.
Andererseits sind die Diode 1A und der IGBT 1B jedes oberen Arms des Leistungswandlers direkt auf einem jeweiligen Ober­ arm-Kühlkörper bzw. einem weiteren Kühlkörper 2B mit Leitfä­ higkeit angeordnet sowie mit der Elektrode 61 elektrisch ver­ bunden, wie dies auch bei dem Leistungsmodul 111C der Fall ist (siehe Fig. 20).
Die drei Oberarm-Kühlkörper 2B sind miteinander gekoppelt, je­ doch voneinander isoliert, wobei die Rohre 2BJ in Fig. 22 nicht dargestellt sind.
Ferner sind die Oberarm-Kühlkörper von den hinteren Elektroden des Unterarm-Kühlkörpers 2B sowie dem Kondensator 20 durch ein Isolierelement 10 isoliert. Mittels des Isolierelements 10 sind die vier Kühlkörper 2B und der Kondensator 20 in integra­ ler Weise miteinander gekoppelt.
Die Oberarm-Kühlkörper 2B sind zum Beispiel mittels der (fle­ xibel ausgebildeten) Drähte 7 mit den entsprechenden Elektro­ den 60U, 60V und 60W elektrisch verbunden. Genauer gesagt stellen diese Drähte 7 die elektrischen Verbindungen zwischen den oberen Armen und den unteren Armen her, wobei sie als Re­ lais- oder Verbindungspunkte diejenigen Bereiche (leitfähigen Materialien) der Elektroden 60U, 60V und 60W verwenden, die sich über dem Isolierelement 10 befinden.
Bei dem Leistungsmodul 113, wie er vorstehend beschrieben wor­ den ist, sind die vier Kühlkörper 2B durch das Isolierelement 10 voneinander isoliert. Im Gegensatz zu dem vorstehend be­ schriebenen Leistungsmodul 111C (siehe Fig. 20) können somit bei dem Leistungsmodul 113 die hinteren Elektroden der Dioden 1A und IGBTs 1B der oberen Arme sowie die Elektroden der Dioden 1A und IGBTs 1B der unteren Arme ohne Verwendung der isolierenden Substrate 5 auf unterschiedlichen Potentialen liegen. Dies gestattet eine Reduzierung der Anzahl von Kompo­ nenten um die Anzahl der isolierenden Substrate 5.
Bei dem Leistungsmodul 113 sind die oberen und unteren Arme in ihrer Konstruktion im großen und ganzen miteinander identisch; somit lassen sich die Herstellungskosten für den Leistungsmo­ dul als ganzes reduzieren. Dies führt zum Aufbau eines kosten­ günstigen Leistungsmoduls.
Ferner sind die Drähte 7, die die oberen und unteren Arme in der beschriebenen Weise miteinander koppeln, mit denjenigen Bereichen (leitfähigen Elementen) der Elektroden 60U, 60V und 60W verbunden, die sich über dem Isolierelement 10 befinden. Dies verhindert eine Verlagerung oder ein Durchhängen dieser Drähte im Vergleich zu dem Fall, in dem die oberen und unteren Arme direkt miteinander verbunden sind, ohne die genannten leitfähigen Elemente bzw. Materialien zu durchlaufen. Als Er­ gebnis hiervon können Kurzschlüsse aufgrund eines Durchhängens der Drähte verhindert werden.
Zehntes bevorzugtes Ausführungsbeispiel
Fig. 24 zeigt eine schematische Außenansicht in Form einer Seitenansicht eines Leistungsmoduls 111D gemäß einem zehnten bevorzugten Ausführungsbeispiel, und Fig. 25 zeigt eine sche­ matische Längsschnittansicht desselben. Wie aus einem Ver­ gleich zwischen Fig. 24 und der bereits beschriebenen Fig. 11 zu erkennen ist, ist der Leistungsmodul 111D im großen und ganzen derart konfiguriert, daß der Kondensator 20 dem bereits beschriebenen Leistungsmodul 105 hinzugefügt ist.
Da die Komponenten, die mit denen des Leistungsmoduls 105 identisch sind, durch die vorstehende Beschreibung gestützt sind, konzentriert sich die nachfolgende Beschreibung auf die Merkmale des Leistungsmoduls 111D. Wie in Fig. 11 ist auch in Fig. 24 ein Teil der Komponenten nicht dargestellt.
Jeder der drei unteren Arme des Leistungswandlers weist eine Diode 1A und einen IGBT 1B auf, die direkt auf dem Kühlkörper 2C angeordnet sind, und jeder der drei oberen Arme des Lei­ stungswandlers weist eine Diode 1A und einen IGBT 1B auf, die unter Zwischenanordnung eines isolierenden Substrats 5 auf dem Kühlkörper 2C angeordnet sind.
Bei dem Leistungsmodul 111D ist der Kondensator 20 direkt auf der kreisförmigen Hauptfläche 2CS2 des leitfähigen Kühlkörpers 2C angeordnet. Dabei befindet sich die hintere Oberfläche 20S2 des Kondensators 20 in flächigem Kontakt mit dem Kühlkörper 2C, so daß eine elektrische Verbindung zwischen einer hinteren Elektrode 20E2 des Kondensators 20 (siehe Fig. 25) und dem Kühlkörper 2C vorhanden ist.
Der Leistungsmodul 111D unterscheidet sich von dem bereits be­ schriebenen Leistungsmodul 105 hinsichtlich der Verbindung zwischen den Elektroden 61 und 62. Genauer gesagt, es er­ streckt sich in der in Fig. 25 dargestellten Weise die stab­ förmige Elektrode 61 durch den Kühlkörper 2C sowie durch einen (von einer Oberflächenelektrode 29E1 verschiedenen) Teil des Kondensators 20 und ist mit der vorderen Elektrode 20E1 des Kondensators 20 elektrisch verbunden.
Dabei erstreckt sich das Isolierelement 11 ebenfalls die Elek­ trode 61 entlang, so daß die Elektrode 61 von dem Kühlkörper 2C und dem (von der Oberflächenelektrode 20E1 verschiedenen) Teil des Kondensators 20 isoliert ist. Die zylindrische Elek­ trode 62 dagegen erstreckt sich durch das isolierende Substrat 50C hindurch und ist mit dem Kühlkörper 2C elektrisch verbun­ den.
Bei dem Leistungsmodul 111D handelt es sich bei der Elektrode 61 um die "zweite Elektrode", die mit der Seite hohen Potenti­ als des Leistungswandlers verbunden ist, und bei der Elektrode 62 handelt es sich um die "erste Elektrode", die mit der Seite niedrigen Potentials verbunden ist.
Wie der bereits beschriebene Leistungsmodul 105 kann auch der Leistungsmodul 111D aufgrund der Anordnung der drei Arme um die Koaxialleitung herum einen Leistungswandler mit hoher Zu­ verlässigkeit bilden. Auch läßt er sich leichter und kleiner ausbilden als der herkömmliche Leistungsmodul 103P.
Modifizierung des zehnten bevorzugten Ausführungsbeispiels
Fig. 26 zeigt eine schematische Außenansicht eines Leistungs­ moduls 112D gemäß einer Modifizierung des zehnten bevorzugten Ausführungsbeispiels, und Fig. 27 zeigt eine schematische Längsschnittansicht desselben. Wie der vorstehend beschriebene Leistungsmodul 111D handelt es sich auch bei dem Leistungsmo­ dul 112D um einen sogenannten Leistungswandler vom Dreiphasen- Spannungstyp.
Wie aus einem Vergleich zwischen Fig. 26 und der bereits be­ schriebenen Fig. 24 erkennbar ist, weist der Leistungsmodul 112D die Kondensatorelektrode 31 und das Kondensatordielektri­ kum 33 anstatt des Kondensators 20 in dem Leistungsmodul 111D auf.
Genauer gesagt, es ist das Kondensatordielektrikum 33, das in flächigem Kontakt mit der Hauptfläche 2CS2 des Kühlkörpers 2C angeordnet ist, sandwichartig zwischen dem Kühlkörper 2C und der Kondensatorelektrode 31 vorgesehen. Somit bilden der Kühl­ körper 2C, das Kondensatordielektrikum 33 und die Kondensato­ relektrode 31 den vorstehend erwähnten Plattenkondensator 30.
Wie bei dem Leistungsmodul 111D erstreckt sich die stabförmige Elektrode 61 in dem Leistungsmodul 112D durch den Kühlkörper 2C und das Kondensatordielektrikum 33 hindurch und ist mit der Kondensatorelektrode 31 elektrisch verbunden. In allen anderen Gesichtspunkten ist der Leistungsmodul 112D mit dem Leistungs­ modul 111D identisch, so daß er ähnliche Wirkungen wie der Leistungsmodul 111D erzielt.
Bei dem Leistungsmodul 112D können die Dioden 1A und die IGBTs 1B als auf der hinteren Elektrode des Kondensators 30 angeord­ net betrachtet werden. Der Leistungsmodul 112D kann somit ähn­ liche Wirkungen wie der Leistungsmodul 112 erzielen.
Elftes bevorzugtes Ausführungsbeispiel
Die Fig. 28 bis 30 zeigen schematische Darstellungen eines Leistungsmoduls 111E gemäß einem elften bevorzugten Ausfüh­ rungsbeispiel. Da der Leistungsmodul 111E auf dem bereits be­ schriebenen Leistungsmodul 111D basiert, sowie aus Gründen der Vereinfachung, sind ein Teil der Drähte 7 in Fig. 28 nicht dargestellt und sind die Elektroden 60U, 60V, 60W usw. in den Fig. 29 und 30 nicht dargestellt.
Während bei dem Leistungsmodul 111D alle der Dioden 1A und der IGBTs 1B auf einer Hauptfläche 2CS1 des Kühlkörpers 2C ange­ ordnet sind, sind die Dioden 1A und die IGBTs 1B bei dem Lei­ stungsmodul 111E über die Hauptfläche 2CS1 des Kühlkörpers 2C sowie über die Oberfläche 20S1 des Kondensators 20 verteilt.
Genauer gesagt, es sind die Dioden 1A und IGBTs 1B, die die unteren Arme des Leistungswandlers bilden, direkt auf der Hauptfläche 2CS1 des Kühlkörpers 2C angeordnet (siehe Fig. 29). Die vorderen Elektroden der Diode 1A und des IGBT 1B je­ des unteren Arms sind miteinander verbunden.
Dagegen sind die isolierenden Substrate 5 auf der Oberfläche 20S1 (genauer gesagt auf der vorderen Elektrode) des Kondensa­ tors 20 angeordnet, und die Dioden 1A und die IGBTs 1B, welche die oberen Arme des Leistungswandlers bilden, sind auf den leitfähigen Schichten 6 angeordnet, die auf den isolierenden Substraten 5 ausgebildet sind (siehe Fig. 30). Die vorderen Elektroden der Dioden 1A und der IGBTs 1B auf den isolierenden Substraten 5 sind mit der Oberfläche 20S1 des Kondensators 20 verbunden.
Die leitfähigen Schichten 6, die elektrische Verbindungen mit den hinteren Elektroden der IGBTs 1B der oberen Arme haben, sind mit den vorderen Elektroden der IGBTs 1B der unteren Arme verbunden, um hierdurch die Armeinrichtungen des Leistungs­ wandlers zu bilden (siehe die Drähte 7B).
Die genannten Verbindungspunkte an den drei Armeinrichtungen bilden die Elektroden 60U, 60V und 60W. Der Leistungsmodul 111E kann somit ähnliche Wirkungen wie der Leistungsmodul 111B erzielen.
Bei dem Leistungsmodul 111E ist der Kühlkörper 2C mit der Seite niedrigen Potentials verbunden, und die vordere Elek­ trode des Kondensators 20 ist mit der Seite hohen Potentials verbunden. Es ist zwar in den Fig. 28 bis 30 nicht darge­ stellt, jedoch kann die Koaxialleitung, wie bei dem in Fig. 25 dargestellten Leistungsmodul 111D, für die Zufuhr von Energie verwendet werden; in einem derartigen Fall handelt es sich bei der Elektrode 62 um die "erste Elektrode" und bei der Elek­ trode 62 um die "zweite Elektrode".
Wie ferner aus der Beziehung zwischen den Leistungsmodulen 111D und 112D zu sehen ist, kann der Kondensator 20 in dem Leistungsmodul 111E durch das Kondensatordielektrikum 33 und die Kondensatorelektrode 31 ersetzt werden.
Zwölftes bevorzugtes Ausführungsbeispiel
Fig. 31 zeigt eine schematische Außenansicht eines Leistungs­ moduls 201 gemäß einem zwölften bevorzugten Ausführungsbei­ spiel. Der Leistungsmodul 201 weist ein isolierendes Gehäuse 202 mit zwei Aussparungen bzw. Räumen 202K auf. In dem Gehäuse 202 ist in jeder Aussparung 202K eine Reihe von einander ab­ wechselnden Kühlkörpern 2B untergebracht, wobei sich Kühlkör­ per, auf denen die Diode 1A direkt angeordnet ist, mit Kühl­ körpern abwechseln, auf denen der IGBT 1B direkt angeordnet ist. Die Verbindungen zwischen den Dioden 1A und den IGBTs 1B sind in Fig. 31 nicht dargestellt.
In jeder Aussparung 202K ist zwischen den jeweiligen Kühlkör­ pern 2B ein Zwischenraum 203 gebildet. Die Orientierung der Kühlkörper 2B und der Durchgangslöcher 2BH ist derart festge­ legt, daß die angrenzenden Zwischenräume 203 zwischen den Kühlkörpern 2B einen an die Durchgangslöcher 08071 00070 552 001000280000000200012000285910796000040 0002010100620 00004 07952 2BH anschließen­ den Raum bilden.
Ferner sind die Größen der Kühlkörper 2B und der Aussparungen 202K derart definiert, daß keine anderen Zwischenräume als die Zwischenräume 203 zwischen den Innenflächen der Aussparungen 202K und den Kühlkörpern 2B gebildet werden.
Die Zwischenräume 203 sind auch an den beiden Enden der ausge­ fluchteten Anordnung der Kühlkörper 2B in jeder Aussparung 202K vorhanden, und jede Aussparung 202K oder das Gehäuse 202 besitzt Öffnungen, die mit diesen Zwischenräumen 203 in Ver­ bindung stehen.
Dabei sind die Öffnungen der einen Aussparung 202K verbunden mit dem Rohr 2BJ, und die Öffnungen der anderen Aussparung 202K sind ebenfalls durch das Rohr 2BJ verbunden. Auf diese Weise sind die beiden Aussparungen 202K miteinander gekoppelt.
Die Zwischenräume 203 sind mit einer isolierenden Abdeckung (nicht gezeigt) abgedeckt, die Teil des Gehäuses 202 ist, so daß beide Aussparungen 202K einen kontinuierlichen Raum bil­ den. Bei dem Leistungsmodul 201 wird somit Kühlmedium von der oberen der Öffnungen einer der beiden Aussparungen 202K her eingeleitet, so daß das Kühlmedium beide Aussparungen 202K durchläuft.
Da das Gehäuse 202 und die vorstehend genannte Abdeckung beide isolierend sind, ermöglicht die Verwendung eines isolierenden Kühlmediums zum Beispiel ein Isolieren der Kühlkörper 2B von­ einander (isolierende Kopplung). Beispiele für ein derartiges isolierendes Kühlmedium sind Gas, wie zum Beispiel Luft und Schwefelhexafluorid (SF6), oder Flüssigkeit, wie zum Beispiel Wasser und Öl.
Ferner ermöglicht die Verwendung eines leitfähigen Kühlmediums zum Beispiel eine Anordnung der leitfähigen Kühlkörper 2B auf dem gleichen Potential (leitfähige Kopplung). Wenn alternativ hierzu isolierende und leitfähige Kühlkörper 2B kombiniert werden und ein leitfähiges Kühlmedium verwendet wird, wird eine leitfähige Kopplung von gewünschten leitfähigen Kühlkör­ pern 2B möglich.
Die Dioden 1A und/oder die IGBTs 1B können unter Zwischenan­ ordnung der isolierenden Substrate 5 auf den Kühlkörpern 2B angeordnet werden. In diesem Fall können selbst bei Verwendung von leitfähigen Kühlkörpern 2B gewünschte Dioden 1A und/oder IGBTs 1B von anderen isoliert werden.
Umgekehrt können leitfähige/isolierende Eigenschaften der Kühlkörper 2B die Notwendigkeit der isolierenden Substrate 5 eliminieren, wie diese vorstehend beschrieben worden sind. Al­ ternativ hierzu kann eine Vielzahl von Leistungs-Halbleiter­ vorrichtungen auf einem einzigen Kühlkörper 2B angeordnet wer­ den.
Da die Kühlkörper 2B unter Freilassung des Zwischenraums 203 dazwischen ausgefluchtet werden, strömt das Kühlmedium abwech­ selnd durch die Zwischenräume 203 sowie durch die Durchgangs­ löcher 2BH, die enger sind als die Zwischenräume 203.
Beim Durchströmen durch die Durchgangslöcher 2BH, d. h. beim Passieren unter den Dioden 1A und den IGBTs 1B als sich erwär­ mende Elemente, strömt das Kühlmedium schneller als beim Hin­ durchströmen durch die Zwischenräume 203. Dies verbessert die Kühlwirkung.
Da die Strömung des Kühlmediums beim Hindurchströmen durch die Zwischenräume 203 langsamer ist als beim Hindurchströmen durch die Durchgangslöcher 2BH kann andererseits ein Druckverlust unterdrückt werden. Der Leistungsmodul 201 kann somit eine hö­ here Kühlleistung bei geringerem Druckverlust erzielen.
Wie vorstehend erwähnt, ermöglicht die Verwendung eines iso­ lierenden Kühlmediums eine Isolierung der Leistungs-Halblei­ tervorrichtungen voneinander ohne die Verwendung der isolie­ renden Substrate 5, selbst wenn die Dioden 1A und/oder die IGBTs 1B direkt auf dem leitfähigen Kühlkörper 2B angeordnet sind.
Dies ermöglicht eine Reduzierung der Anzahl der Komponenten um die Anzahl der isolierenden Substrate 5. Da die Kühlkörper 2B mit der Diode 1A und/oder dem IGBT 1B im großen und ganzen eine äquivalente Konstruktion besitzen, können ferner die Her­ stellungskosten und der Preis des Leistungsmoduls ingesamt re­ duziert werden.
Da die vorstehenden Leistungs-Halbleitervorrichtungen jeweils voneinander isoliert sind, können diese direkt auf dem leitfä­ higen Kühlkörper 2B angeordnet werden. Dies verbessert die Wärmeabstrahlleistung des Leistungsmoduls, wodurch sich wie­ derum Verbesserungen in der Zuverlässigkeit ergeben.
Dreizehntes bevorzugtes Ausführungsbeispiel
Fig. 32 zeigt eine schematische Außenansicht eines Leistungs­ moduls 114 gemäß einem dreizehnten bevorzugten Ausführungsbei­ spiel. Wie in Fig. 32 gezeigt ist, besitzt der Leistungsmodul 114 zusätzlich zu den Komponenten des vorstehend beschriebenen Leistungsmoduls 113, wie er in Fig. 22 gezeigt ist, Neben­ schlußwiderstände 90 zum Messen des Stroms.
Genauer gesagt, es stellen die Nebenschlußwiderstände 90 di­ rekte Verbindungen mit den Ausgangsenden der Elektroden 60U, 60V und 60W her, wobei jeder Nebenschlußwiderstand 90 einen Ausgangsanschluß des Leistungswandlers bildet.
Der Leistungsmodul 114 mißt den Strom unter Verwendung der Ne­ benschlußwiderstände 90, die im Gegensatz zu dem Stromwandler 92P bei den herkömmlichen Leistungsmodulen 101P usw. keine Energiesteuerquelle benötigen und im Prinzip keinen Offset ha­ ben.
Da die Nebenschlußwiderstände 90 direkt mit den Ausgangsenden der Elektroden 60U, 60V und 60W verbunden sind, läßt sich der Leistungsmodul insgesamt leichter und kleiner als die herkömm­ lichen Leistungsmodule 101P usw. ausbilden, bei denen der Stromwandler 92P davon unabhängig außerhalb des Gehäuses vor­ gesehen ist. Ferner läßt sich auch die Anzahl der strommessen­ den Komponenten reduzieren.
Modifizierung des dreizehnten bevorzugten Ausführungsbeispiels
Fig. 33 zeigt eine schematische Außenansicht eines Leistungs­ moduls 114A gemäß einer Modifizierung des dreizehnten bevor­ zugten Ausführungsbeispiels. Wie aus einem Vergleich zwischen Fig. 33 und der bereits beschriebenen Fig. 32 zu sehen ist, sind die Nebenschlußwiderstände 90 bei dem Leistungsmodul 114A in der Oberfläche 2BS des Kühlkörpers 2B flächig gegenüberlie­ gender Weise direkt mit den Elektroden 60U, 60V und 60W ver­ bunden.
Bei dem Leistungsmodul 114A läßt sich der Temperaturanstieg in den Nebenschlußwiderständen 90 durch die Wirkung der Kühlkör­ per 2B unterdrücken. Dies verhindert in wesentlicher Weise Än­ derungen der Eigenschaften der Nebenschlußwiderstände 90 auf­ grund von Temperaturschwankungen, so daß daraus weitere Ver­ besserungen in der Genauigkeit beim Feststellen der Strommenge resultieren.
Da die Nebenschlußwiderstände 90 über den Kühlkörpern 2B angeordnet sind, läßt sich der Leistungsmodul 114A ferner leichter und kleiner als der vorstehend beschriebene Leistungsmodul 114 ausbilden.

Claims (15)

1. Leistungsmodul (111, 111A-111E, 113) gekennzeichnet durch:
einen Kühlkörper (2A-2C);
eine erste Leistungs-Halbleitervorrichtung (1, 1A, 1B) die direkt auf dem Kühlkörper angeordnet ist; und
einen Kondensator (20), der direkt auf dem Kühlkörper angeordnet ist.
2. Leistungsmodul (111B) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Kühlkörper mehrere Oberflächen (2AS, 2BS, 2BS2, 2BS3) aufweist,
und daß die erste Leistungs-Halbleitervorrichtung und der Kondensator auf verschiedenen Oberflächen des Kühlkörpers angeordnet sind.
3. Leistungsmodul (111, 111B-111E, 113) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkörper eine Durchgangseinrichtung (2BH, 2CH) für ein Kühlmedium aufweist.
4. Leistungsmodul (111, 111A-111E, 112C, 113) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß der Kühlkörper leitfähig ist; und
daß eine Elektrode (1S2, 1AS2, 1BS2) der ersten Leistungs- Halbleitervorrichtung und eine Elektrode (20E2) des Kon­ densators direkt mit dem Kühlkörper verbunden sind.
5. Leistungsmodul (111C, 111E) nach Anspruch 4, weiterhin gekennzeichnet durch:
ein isolierendes Substrat (5, 50C, 50U, 50V, 50W), das auf dem Kühlkörper angeordnet ist; und
eine zweite Leistungs-Halbleitervorrichtung (1, 1A, 1B), die unter Zwischenanordnung des isolierenden Substrats auf dem Kühlkörper angeordnet ist.
6. Leistungsmodul (113) nach Anspruch 4, weiterhin gekennzeichnet durch:
einen weiteren Kühlkörper (2A, 2B); und
eine zweite Leistungs-Halbleitervorrichtung (1, 1A, 1B) die direkt auf dem weiteren Kühlkörper angeordnet ist.
7. Leistungsmodul (113) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
daß der weitere Kühlkörper leitfähig ist;
daß eine Elektrode (1S2, 1AS2, 1BS2) der zweiten Lei­ stungs-Halbleitervorrichtung direkt mit dem weiteren Kühl­ körper verbunden ist;
und daß der Leistungsmodul ferner ein Isolierelement (10) zum Isolieren des weiteren Kühlkörpers gegenüber dem Kühl­ körper und der Elektrode des Kondensators aufweist.
8. Leistungsmodul (113) nach Anspruch 7, weiterhin gekennzeichnet durch:
ein leitfähiges Element (60U, 60V, 60W), das auf dem Iso­ lierelement angeordnet ist; und
eine flexible Verbindungsdrahteinrichtung (7), die mit dem leitfähigen Element verbunden ist und eine elektrische Verbindung zwischen der ersten Leistungs-Halbleitervor­ richtung und der zweiten Leistungs-Halbleitervorrichtung herstellt.
9. Leistungsmodul (111E, 112, 112A-112D), gekennzeichnet durch:
einen Kondensator (30); und
eine erste Halbleitervorrichtung (1, 1A, 1B), die direkt auf einer Elektrode (2B, 2C) des Kondensators angeordnet ist.
10. Leistungsmodul (111E, 112, 112A-112D) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode des Kondensators eine Durchführungsein­ richtung (2BH, 2CH) für ein Kühlmedium aufweist.
11. Leistungsmodul (112B, 112D) nach Anspruch 9, weiterhin gekennzeichnet durch:
ein isolierendes Substrat (5, 50C, 50U, 50V, 50W), das auf der Elektrode des Kondensators angeordnet ist; und
eine zweite Leistungs-Halbleitervorrichtung (1, 1A, 1B), die unter Zwischenanordnung des isolierenden Substrats auf der Elektrode des Kondensators angeordnet ist.
12. Leistungsmodul (111C, 111D, 112C, 112D, 113) nach einem der Ansprüche 5 bis 8 und 11, dadurch gekennzeichnet,
daß die erste Leistungs-Halbleitervorrichtung und die zweite Leistungs-Halbleitervorrichtung elektrisch mitein­ ander verbunden sind;
daß die erste Leistungs-Halbleitervorrichtung einen unte­ ren Arm eines Leistungswandlers bildet;
und daß die zweite Leistungs-Halbleitervorrichtung einen oberen Arm des Leistungswandlers bildet.
13. Leistungsmodul (111D, 112D) nach Anspruch 12, weiterhin gekennzeichnet durch:
eine Vielzahl von Armeinrichtungen des Leistungswandlers, die den oberen Arm und den unteren Arm beinhalten; und
eine Koaxialleitung, die durch eine Oberfläche hindurch­ ragt, auf der die erste oder die zweite Leistungs-Halblei­ tervorrichtung angeordnet ist, wobei die Koaxialleitung eine erste Elektrode zum Zuführen einer ersten Spannung zu der ersten Leistungs-Halbleitervorrichtung jedes unteren Arms sowie eine zweite Elektrode zum Zuführen einer zwei­ ten Spannung zu der zweiten Leistungs-Halbleitervorrich­ tung jedes oberen Arms aufweist,
wobei die Vielzahl der Armeinrichtungen in regelmäßigen winkelmäßigen Abständen voneinander um die Koaxialleitung herum angeordnet ist.
14. Leistungsmodul (201), gekennzeichnet durch:
eine Vielzahl von Kühlkörpern (2B), deren jeder eine Durchführungseinrichtung (2BH) für ein Kühlmedium auf­ weist;
eine Vielzahl von Leistungs-Halbleitervorrichtungen (1A, 1B), die auf den Kühlkörpern angebracht sind; und
ein Gehäuse (102), das einen Innenraum (202K) aufweist und zur Aufnahme der Vielzahl von Kühlkörpern in der Lage ist,
wobei die Vielzahl der Kühlkörper in dem Innenraum des Ge­ häuses unter Freilassung eines Zwischenraums (203) zwi­ schen ihnen angeordnet ist, so daß ein kontinuierlicher Raum, der die Zwischenräume und die Durchführungseinrich­ tungen beinhaltet, in dem Innenraum des Gehäuses gebildet ist.
15. Leistungsmodul (102) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Durchführungseinrichtungen der Kühlkörper ein isolierendes Kühlmedium hindurchgeleitet wird.
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