DE10100620B4 - Leistungsmodul - Google Patents

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Abstract

Leistungsmodul (111, 111A–111E, 113), der folgendes aufweist:
– 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,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Kondensator (20) einen Plattenkondensator (30) mit zwei einander gegenüberliegenden Hauptflächen ist, wobei sowohl die eine Hauptfläche als auch die andere Hauptfläche jeweils eine darin ausgebildete Elektrode (2B, 31) aufweist, und wobei die Elektrode (2B) entweder der einen Hauptfläche oder der anderen Hauptfläche des Kondensators (30) auf den Kühlkörper (2A–2C) gebondet ist,
daß der Kühlkörper leitfähig ist;
daß eine Elektrode (1S2, 1AS2, 1BS2) der ersten Leistungs-Halbleitervorrichtung und eine Elektrode (20E2) des Kondensators direkt mit dem Kühlkörper verbunden sind, und
daß die Elektrode (1S2, 1AS2, 1BS2) der ersten Leistungs-Halbleitervorrichtung und die Elektrode (20E2) des Kondensators über den Kühlkörper miteinander elektrisch verbunden sind.

Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Leistungsmodule sowie insbesondere auf Techniken zum Verbessern der Kühlleistung von Leistungsmodulen.
  • Die Druckschrift US 5 313 362 A zeigt ein keramisches Substrat als Träger und zum Kühlen von zu verbindenden Komponenten, wobei das Substrat von Kanälen durchsetzt ist, durch die ein Kühlmittel strömen kann. Als Komponenten sind in der Druckschrift beispielhaft Spulen oder Kondensatoren genannt. Die Anordnung hat den Nachteil, daß beliebige Kondensatoren nur begrenzte Kühlmöglichkeiten und auch nur begrenzte Möglichkeiten zur weiteren Miniaturisierung in der Anordnung geben.
  • Die Druckschrift DE 691 05 020 T2 zeigt ein Verfahren zur Montage von elektrischen Komponenten, bei denen in einer Metallbasis Aussparungen vorgesehen sind, in die elektrische Komponenten mit Hilfe eines hochwärmeleitfähigen Harzes eingesetzt werden. Eine mögliche solche Komponente ist ein elektrolytischer Kondensator. Auch diese Druckschrift offenbart jedoch nichts über die spezielle Ausgestaltung des Kondensators und schränkt deshalb die Kühlmöglichkeiten durch den Kondensator ein.
  • Die Druckschrift EP 0 508 717 A1 zeigt einen integrierten Kühlkörper für Halbleitermodule, in welchem ein sinusförmig geschwungener Kanal vorgesehen ist, so daß dort ein Kühlmittel hindurchströmen kann. Diese herkömmliche Vorrichtung befaßt sich jedoch nicht mit der Ausgestaltung der elektrischen Komponenten des Halbleiters, so daß dort auch keine vorteilhaften Ausbildungen eines Kondensators zu entnehmen sind.
  • Die Druckschrift DE 199 00 603 A1 zeigt ein elektronisches Halbleitermodul, bei dem strukturierte Leiterbahnen über eine isolierende Schicht mit einem metallischen Kühlkörper verbunden sind. Dieses Halbleitermodul weist aber überhaupt keinen Kondensator auf und kann schon deshalb nichts dazu beitragen, über die Struktur des Kondensators bessere Kühleigenschaften zu erreichen.
  • Die Druckschrift US 5 504 378 A beschreibt ein flüssigkeitsgekühltes Schaltmodul, welches eine Hochleistungs-Schalteinrichtung aufweist, mit welcher Starkstrom gesteuert werden kann. Dabei kommt eine Flüssigkeitskühlung zum Einsatz, die in der Nähe der im Betrieb Wärme erzeugenden Einrichtungen angeordnet ist.
  • 34 zeigt eine schematische Außenansicht eines ersten herkömmlichen 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 angeordnet. Die Basisplatte 9P und die Kupferfolie 6P sind mittels Lötmaterial miteinander verbunden, und die Diode 1AP sowie der mit 1BT bezeichnete IGBT sind auf die Kupferfolie 6P aufgelötet. Eine Elektrode 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 Abstrahlrippe 2AP, die Diode 1AP, den IGBT mit der Bezeichnung 1BP usw. beinhaltet, ist in einem nicht gezeigten Gehäuse untergebracht.
  • Die Elektrode 3P ist mit einer Sammelschiene oder Verdrahtungseinrichtung 91P verbunden, die sich zur Außenseite des Gehäuses erstreckt. Außerhalb des Gehäuses ist ein Stromwandler 92P zum Erfassen des Stroms an der Sammelschiene 91P angebracht. Ferner ist ein zylindrischer Kondensator 8P zum Glätten von Gleichstrom unabhängig von der Abstrahlrippe 2P usw. außerhalb des Gehäuses vorgesehen (wobei die Verbindung mit dem Gehäuse in der Zeichnung nicht dargestellt ist).
  • 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 Zwischenanordnung eines wärmeleitenden Fetts auf der Abstrahlrippe 2AP angeordnet. Der Leistungsmodul 102P ist in allen anderen Gesichtspunkten mit dem vorstehend beschriebenen Leistungsmodul 101P identisch.
  • 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 eingangs beschriebenen Leistungsmodul 101P.
  • Bei den herkömmlichen Leistungsmodulen 101P, 102P und 103P bestehen 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 Temperaturdifferenz 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. Verwerfungen oder Verwindungen in dem bzw. den isolierenden Substraten 5P usw. hervorgerufen.
  • Wenn die Temperaturdifferenz hoch ist, entsteht zwischen der Abstrahlrippe 2AP, 2BP und der Basisplatte 9P usw. ein Zwischenraum. Es besteht somit ein Problem einer reduzierten Wärmeübertragung, 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 unterstützt werden kann. Die Bildung eines Zwischenraums führt somit zu einer Verschlechterung der Zuverlässigkeit des Leistungsmoduls.
  • Zum Verhindern der Bildung eines Zwischenraums ist zum Beispiel 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 Wärmewiderstand zwischen dem Kühlkörper 2AP, 2BP und dem bzw. den isolierenden 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 charakteristischen Eigenschaften bzw. Kennlinien der Elemente bei steigender 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 werden, wenn der zu messende Strom eine hohe Gleichstromkompo nente besitzt, und außerdem führt der Stromwandler 92P aufgrund 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 Beispiel der Diode 1AP oder dem IGBT 1BP, zu der mit der Seite niedrigen Potentials des Leistungswandlers verbundenen Elektrode 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 Verdrahtungseinrichtungen 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.
  • Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Demgemäß betrifft die vorliegende Erfindung ein Leistungsmodul, der folgendes aufweist: einen Kühlkörper; eine erste Leistungs-Halbleitervorrichtung, die direkt auf dem Kühlkörper angeordnet ist; sowie einen Kondensator, der direkt auf dem Kühlkörper angeordnet ist.
  • Gemäß der Erfindung sind sowohl die erste Leistungs-Halbleitervorrichtung als auch der Kondensator direkt auf dem Kühlkörper angeordnet. Der Leistungsmodul läßt sich somit leichter und kleiner ausbilden als Leistungsmodule, 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 Kondensator. Dies ermöglicht eine Miniaturisierung des Kondensators, eine Reduzierung der Induktivität sowie eine Steigerung der Lebensdauer.
  • Durch das Anordnen sowohl der ersten Leistungs-Halbleitervorrichtung als auch des Kondensators direkt auf dem Kühlkörper wird außerdem die Verdrahtungslänge zwischen diesen kürzer gemacht als bei den eingangs beschriebenen herkömmlichen Leistungsmodulen. Dadurch läßt sich die Schaltungsinduktivität reduzieren.
  • Dies vermindert die Überschwingspannung bei einem Schaltvorgang 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 zuverlässiger Leistungsmodul schaffen.
  • Weiterhin ist bei der erfindungsgemäßen Lösung vorgesehen, daß bei dem Leistungsmodul der Kühlkörper leitfähig ist und daß eine Elektrode der ersten Leistungs-Halbleitervorrichtung und eine Elektrode des Kondensators direkt mit dem Kühlköper verbunden sind.
  • Demgemäß kann der leitfähig ausgebildete 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 Komponenten verbundenen Vorgänge.
  • Ferner sind die Elektroden sowohl der ersten Leistungs-Halbleitervorrichtung 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 Elektroden durch Verdrahtungseinrichtungen oder dergleichen verbunden sind. Eine daraus resultierende Reduzierung der Schaltungsinduktivität führt zu einer beträchtlichen Verminderung der vorstehend genannten Überschwingspannung usw.
  • Die Aufgabe wird außerdem durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 8 gelöst.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Lösung sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung weist der Kühlkörper eine Vielzahl von Oberflächen auf, und es sind die erste Leistungs-Halbleitervorrichtung und der Kondensator auf verschiedenen Oberflächen des Kühlkörpers angeordnet.
  • Gemäß diesem Aspekt sind die erste Leistungs-Halbleitervorrichtung und der Kondensator auf verschiedenen Oberflächen des Kühlkörpers angeordnet. Dies ermöglicht eine weitere Reduzierung der Größe und des Gewichts des Leistungsmoduls im Vergleich zu der Anordnung von beiden auf derselben Oberfläche. Ferner kommt es zu weniger störender Beeinträchtigung zwischen der Wärmeabstrahlung in der ersten Leistungs-Halbleitervorrichtung und der Wärmeabstrahlung in dem Kondensator, so daß die Wärmeabstrahlleistung des Leistungsmoduls verbessert wird.
  • Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung sieht vor, daß bei dem Leistungsmodul der Kühlkörper eine Durchführungseinrichtung für ein Kühlmedium aufweist.
  • Gemäß diesem weiteren Aspekt werden durch das Hindurchleiten eines Kühlmediums durch die Durchführungseinrichtungen in dem Kühlkörper die Kühleigenschaften des Kühlkörpers weiter verbessert.
  • Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung sieht vor, daß der Leistungsmodul ferner ein isolierendes Substrat, das auf dem Kühlkörper angeordnet ist, sowie eine zweite Leistungs-Halbleitervorrichtung aufweist, die unter Zwischenanordnung des isolierenden Substrats auf dem Kühlkörper angeordnet ist.
  • Gemäß diesem weiteren Gesichtspunkt ist die zweite Leistungs-Halbleitervorrichtung unter Zwischenanordnung des isolierenden Substrats auf dem Kühlkörper angeordnet. Dies ermöglicht die Anordnung von Leistungs-Halbleitervorrichtungen mit unterschiedlichen Potentialen gemeinsam auf einem leitfähigen Kühlkörper bei der Bildung einer Schaltung.
  • Ein weiterer Aspekt 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 angeordnet ist.
  • Gemäß diesem weiteren Aspekt ist bei dem Leistungsmodul weiterhin vorgesehen, daß die zweite Leistungs-Halbleitervorrichtung auf einem weiteren bzw. anderen Kühlkörper vorgesehen ist. Diese Kombination der ersten und der zweiten Leistungs-Halbleitervorrichtung vereinfacht die Schaltungskonfiguration.
  • Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung sieht vor, daß bei dem Leistungsmodul der weitere Kühlkörper leitfähig ist und eine Elektrode der zweiten Leistungs-Halbleitervorrichtung direkt mit dem weiteren Kühlkörper verbunden ist. Der Leistungsmodul weist ferner ein Isolierelement zum Isolieren des weiteren Kühlkörpers gegenüber dem Kühlkörper und der Elektrode des Kondensators auf.
  • Gemäß diesem weiteren Aspekt ist ein weiterer leitfähiger Kühlkörper durch ein Isolierelement gegenüber dem vorstehend genannten leitfähigen Kühlkörper und der Elektrode des Kondensators isoliert. Die erste und die zweite Leistungs-Halbleitervorrichtung können somit ohne die Verwendung irgendeines isolierenden Substrats auf verschiedene Potentiale gesetzt werden. Dies ermöglicht eine Reduzierung der Anzahl von Komponenten 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 äquivalent sind, lassen sich die Herstellungskosten für den Leistungsmodul insgesamt reduzieren. Dies führt zur Schaffung eines kostengünstigen Leistungsmoduls.
  • Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung sieht vor, daß der Leistungsmodul ferner ein leitfähiges Element, das auf dem Isolierelement angeordnet ist, sowie eine flexible Verbindungsdrahteinrichtung aufweist, die mit dem leitfähigen Element verbunden ist, um eine elektrische Verbindung zwischen der ersten Leistungs-Halbleitervorrichtung und der zweiten Leistungs-Halbleitervorrichtung zu schaffen.
  • Gemäß diesem weiteren Aspekt verwendet die flexible Verbindungsdrahteinrichtung bei der Schaffung einer elektrischen Verbindung zwischen der ersten und der zweiten Leistungs-Halbleitervorrichtung das auf dem Isolierelement angeordnete leitfähige Element als Relais- oder Verbindungsstelle.
  • Dies vermindert eine Auslenkung oder ein Durchhängen der Verbindungsdrahteinrichtung im Vergleich zu dem Fall, in dem diese Leistungs-Halbleitervorrichtungen ohne die Verwendung des genannten leitfähigen Elements direkt mittels der flexiblen Verbindungsdrahteinrichtungen verbunden sind. Als Ergebnis hiervon lassen sich Kurzschlüsse aufgrund des Durchhängens der Verbindungsdrahteinrichtung verhindern.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt 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 diesem weiteren Aspekt ist die erste Leistungs-Halbleitervorrichtung 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 verwendet wird, reduziert die Wärmeabstrahlwirkung des Kühlkörpers 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 eingangs beschriebenen herkömmlichen Leistungsmodulen. Auf diese Weise läßt sich die Schaltungsinduktivität reduzieren.
  • Dies vermindert die Überschwingspannung bei einem Schaltvorgang 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 weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung sieht vor, daß bei dem Leistungsmodul die Elektrode des Kondensators eine Durchführungseinrichtung für ein Kühlmedium aufweist.
  • Gemäß diesem weiteren Aspekt werden durch das Hindurchführen eines Kühlmediums durch die Durchführungseinrichtung in der Elektrode des Kondensators die Kühleigenschaften des Leistungsmoduls noch weiter verbessert.
  • Ein weiterer Aspekt 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 unter Zwischenanordnung des isolierenden Substrats auf der Elektrode des Kondensators angeordnet ist.
  • Gemäß diesem weiteren Aspekt ist die zweite Leistungs-Halbleitervorrichtung 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 weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung sieht vor, daß bei dem Leistungsmodul die erste Leistungs-Halbleitervorrichtung und die zweite Leistungs-Halbleitervorrichtung elektrisch miteinander verbunden sind, die erste Leistungs-Halbleitervorrichtung einen unteren Arm eines Leistungswandlers bildet und die zweite Leistungs-Halbleitervorrichtung einen oberen Arm des Leistungswandlers bildet.
  • Gemäß diesem weiteren Aspekt läßt sich ein äußerst zuverlässiger Leistungswandler schaffen.
  • Ein weiterer Aspekt 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 vorgesehen sind, die durch eine Oberfläche hindurchragt, auf der die erste oder die zweite Leistungs-Halbleitervorrichtung angeordnet ist, wobei die Koaxialleitung eine erste Elektrode zum Zuführen einer ersten Spannung zu der ersten Leistungs-Halbleitervorrichtung von jedem der unteren Arme sowie eine zweite Elektrode zum Zuführen einer zweiten Spannung zu der zweiten Leistungs-Halbleitervorrichtung von jedem der oberen Arme aufweist, wobei die mehreren Armeinrichtungen winkelmäßig in regelmäßigen Abständen voneinander um die Koaxialleitung herum angeordnet ist.
  • Gemäß diesem weiteren Aspekt ist die Vielzahl der Armeinrichtungen des Leistungswandlers in regelmäßigen winkelmäßigen Abständen voneinander um die Koaxialleitung herum vorgesehen. Die Verdrahtung zwischen jeder Armeinrichtung und der ersten sowie der zweiten Elektrode läßt sich somit ein ähnlicher Weise vornehmen. Dies vermindert Schwankungen in der Ausgangsleistung von jeder Armeinrichtung sowie Schwankungen in der ersten Spannung, wodurch eine beträchtliche Widerstandsfähigkeit gegen Fehlfunktionen geschaffen wird.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Leistungsmodul geschaffen, der folgendes aufweist: 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 Innenraum aufweist und zum Aufnehmen der Vielzahl von Kühlkörpern in der Lage ist, wobei die Vielzahl der Kühlkörper in dem Innenraum des Gehäuses unter Freilassung eines Zwischenraums zwischen ihnen angeordnet sind, so daß ein die Zwischenräume und die Durchführungseinrichtungen beinhaltender kontinuierlicher Raum in dem Innenraum des Gehäuses gebildet ist.
  • Gemäß diesem weiteren Aspekt bildet die Vielzahl der Kühlkörper einen kontinuierlichen Raum, der Zwischenräume sowie die Durchführungseinrichtungen in den Kühlkörpern beinhaltet, 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. Andererseits ist beim Hindurchströmen des Kühlmediums durch die Zwischenräume der Druckverlust geringer als beim Hindurchströmen des Kühlmediums durch die Durchführungseinrichtungen. Auf diese Weise läßt sich eine höhere Kühlleistung bei geringerem Druckverlust erzielen.
  • Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung sieht vor, daß durch die Durchführungseinrichtungen der Kühlkörper ein isolierendes Kühlmedium hindurchgeleitet wird.
  • Da gemäß diesem weiteren Aspekt ein isolierendes Kühlmedium durch die Durchführungseinrichtungen der Kühlkörper strömt, können die Leistungs-Halbleitervorrichtungen selbst bei direkter Anordnung derselben auf den leitfähigen Kühlkörpern ohne Verwendung irgendeines isolierenden Substrats voneinander getrennt werden. Dies ermöglicht eine Reduzierung der Anzahl von Komponenten um die Anzahl von isolierenden Substraten.
  • Da ferner die die jeweilige Leistungs-Halbleitervorrichtung und den jeweiligen Kühlkörper beinhaltenden Konstruktionen im großen und ganzen äquivalent sind, lassen sich die Herstellungskosten des Leistungsmoduls insgesamt reduzieren. Dies führt zur Schaffung eines kostengünstigen Leistungsmoduls.
  • Die vorstehend genannten Leistungs-Halbleitervorrichtungen, die voneinander isoliert sind, können direkt auf den leitfähigen Kühlkörpern angeordnet werden. Dies verbessert die Wärmeabstrahlleistung 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 Ausführungsbeispielen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Begleitzeichnungen noch deutlicher. In den Zeichnungen zeigen:
  • 1 eine schematische Außenansicht eines Leistungsmoduls gemäß einem nicht beanspruchten ersten Ausführungsbeispiel;
  • 2 eine schematische Außenansicht eines Leistungsmoduls gemäß einem nicht beanspruchten zweiten Ausführungsbeispiel;
  • 3 eine schematische Außenansicht eines Leistungsmoduls gemäß einem nicht beanspruchten dritten Ausführungsbeispiel;
  • 4 eine schematische Außenansicht eines Leistungsmoduls gemäß einem nicht beanspruchten vierten Ausführungsbeispiel;
  • 5 eine schematische Außenansicht eines Leistungsmoduls gemäß einer nicht beanspruchten ersten Modifizierung des vierten Ausführungsbeispiels;
  • 6 und 7 schematische Außenansichten eines Leistungsmoduls gemäß einer nicht beanspruchten zweiten Modifizierung des vierten Ausführungsbeispiels;
  • 8 eine schematische Außenansicht eines Leistungsmoduls gemäß einer nicht beanspruchten dritten Modifizierung des vierten Ausführungsbeispiels;
  • 9 eine schematische Außenansicht eines Leistungsmoduls gemäß einer nicht beanspruchten vierten Modifizierung des vierten Ausführungsbeispiels;
  • 10 und 11 schematische Außenansichten eines Leistungsmoduls gemäß einem nicht beanspruchten fünften Ausführungsbeispiel;
  • 12 eine schematische Längsschnittansicht des Leistungsmoduls gemäß dem nicht beanspruchten fünften Ausführungsbeispiel;
  • 13 eine schematische Darstellung von Durchgangslöchern in dem Leistungsmodul gemäß dem nicht beanspruchten fünften Ausführungsbeispiel;
  • 14 eine schematische Außenansicht eines Leistungsmoduls gemäß einem sechsten bevorzugten Ausführungsbeispiel;
  • 15 eine schematische Außenansicht eines Leistungsmoduls gemäß einer ersten Modifizierung des sechsten bevorzugten Ausführungsbeispiels;
  • 16 eine schematische Außenansicht eines Leistungsmoduls gemäß einer zweiten Modifizierung des sechsten bevorzugten Ausführungsbeispiels;
  • 17 eine schematische Außenansicht eines Leistungsmoduls gemäß einem siebten bevorzugten Ausführungsbeispiel;
  • 18 eine schematische Außenansicht eines Leistungsmoduls gemäß einer ersten Modifizierung des siebten bevorzugten Ausführungsbeispiels;
  • 19 eine schematische Außenansicht eines Leistungsmoduls gemäß einer zweiten Modifizierung des siebten bevorzugten Ausführungsbeispiels;
  • 20 eine schematische Außenansicht eines Leistungsmoduls gemäß einem achten bevorzugten Ausführungsbeispiel;
  • 21 eine schematische Außenansicht eines Leistungsmoduls gemäß einer Modifizierung des achten bevorzugten Ausführungsbeispiels;
  • 22 und 23 schematische Außenansichten eines Leistungsmoduls gemäß einem neunten bevorzugten Ausführungsbeispiel;
  • 24 eine schematische Außenansicht eines Leistungsmoduls gemäß einem zehnten bevorzugten Ausführungsbeispiel;
  • 25 eine schematische Längsschnittansicht des Leistungsmoduls gemäß dem zehnten bevorzugten Ausführungsbeispiel;
  • 26 und 27 schematische Außenansichten eines Leistungsmoduls gemäß einer Modifizierung des zehnten bevorzugten Ausführungsbeispiels;
  • 28 bis 30 schematische Darstellungen eines Leistungsmoduls gemäß einem elften bevorzugten Ausführungsbeispiel;
  • 31 eine schematische Außenansicht eines Leistungsmoduls gemäß einem zwölften bevorzugten Ausführungsbeispiel;
  • 32 eine schematische Außenansicht eines Leistungsmoduls gemäß einem dreizehnten bevorzugten Ausführungsbeispiel;
  • 33 eine schematische Außenansicht eines Leistungsmoduls gemäß einer Modifizierung des dreizehnten bevorzugten Ausführungsbeispiels;
  • 34 eine schematische Außenansicht eines ersten herkömmlichen Leistungsmoduls;
  • 35 eine schematische Außenansicht eines zweiten herkömmlichen Leistungsmoduls; und
  • 36 eine schematische Außenansicht eines dritten herkömmlichen Leistungsmoduls.
  • Erstes nicht beanspruchtes Ausführungsbeispiel
  • 1 zeigt eine schematische Außenansicht eines Leistungsmoduls 101 gemäß einem nicht beanspruchten ersten Ausführungsbeispiel. Wie in 1 gezeigt ist, weist der Leistungsmodul 101 eine Leistungs-Halbleitervorrichtung 1 (wie zum Beispiel eine Freilaufdiode oder einen IGBT) auf, die zum Beispiel aus einem Siliziumsubstrat (Si-Substrat), einem Kühlkörper 2A, Elektroden 3, Isolierschichten 4 und Drähten 7 gebildet ist. Aus Gründen der Einfachheit sind die Details der Leistungs-Halbleitervorrichtung 1 in 1 nicht dargestellt.
  • Genauer gesagt ist die Leistungs-Halbleitervorrichtung 1 in unmittelbarem oder direktem Kontakt mit dem Kühlkörper 2A angeordnet. 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 Oberfläche 1S2 ausgebildete Elektrode (die nachfolgend als "hintere Elektrode" bezeichnet wird) zum Beispiel auf eine plane Oberfläche 2AS des Kühlkörpers 2A aufgelötet.
  • Hierbei impliziert das "Anordnen der Leistungs-Halbleitervorrichtung 1 direkt auf dem Kühlkörper 2A" das Nicht-Vorhandensein 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 Haftmaterial (zum Beispiel das eingangs verwendete Lötmaterial) zwischen der Leistungs-Halbleitervorrichtung 1 und dem Kühlkörper 2A vorgesehen ist, um diese miteinander zu verbinden.
  • Anstatt von Lötmaterial kann es sich bei einem solchen Haftmaterial auch um einen Kleber mit hoher Wärmeleitfähigkeit handeln, wie zum Beispiel ein Epoxidharz, das leitfähiges Pulver, 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 Kupfer (Cu) und Molybdän (Mo), Wolfram (W), einem Kohlefaser-Verbundmaterial oder dergleichen.
  • Der Kühlkörper 2A (aus einem Material, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient 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 anderen Hauptfläche 1S1 (die im folgenden als "vordere Oberfläche" bezeichnet wird) der Leistungs-Halbleitervorrichtung 1 ausgebildeten 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 Klebstoffs hergestellt werden.
  • Der Leistungsmodul 101 erzielt die nachfolgend genannten Wirkungen. Da die Leistungs-Halbleitervorrichtung 1 und der Kühlkörper 2A einander in ihren Wärmeausdehnungskoeffizienten im wesentlichen entsprechen, kann der Leistungsmodul 101 im Gegensatz 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 vermindern.
  • 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 Kühlkörper 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 werden, da die Leistungs-Halbleitervorrichtung 1 und der Kühlkörper 2A in direktem Kontakt miteinander stehen.
  • Die auf das Haftmaterial aufzubringende Wärmebelastung zwischen der hinteren Oberfläche 1S2 der Leistungs-Halbleitervorrichtung 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-Halbleitervorrichtung, so daß eine Zuverlässigkeit des Leistungsmoduls über lange Zeitdauern erzielt wird.
  • Zweites nicht beanspruchtes Ausführungsbeispiel
  • 2 zeigt eine schematische Außenansicht eines Leistungsmoduls 102 gemäß einem nicht beanspruchten zweiten Ausführungsbeispiel. Wie in 2 gezeigt, weist der Leistungsmodul 102 eine Freilaufdiode 1A und einen IGBT 1B auf, die als Paar als eine vorstehend 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 Bauteile 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 genannten vorderen bzw. hinteren Oberfläche 1S1 und 1S2 entsprechen, 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 vorstehend 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 Kühlkörpers 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 Verbindungen zwischen den hinteren Elektroden der Diode 1A und des IGBT 1B durch das Lötmaterial und den leitfähigen Kühlkörper 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 aufweisende 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 Vorsprung 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 Leistungsmodul 102 verwendet werden.
  • Der Leistungsmodul 102 wird in erster Linie in einer derartigen Schaltungskonfiguration verwendet, bei der die hinteren Elektroden einer Vielzahl von Leistungs-Halbleitervorrichtungen auf dem gleichen Potential liegen.
  • Alternativ hierzu ist es auch möglich, eine Vielzahl von Leistungs-Halbleitervorrichtungen anzubringen, deren hintere Elektroden aufgrund der Ausbildung eines isolierenden Substrats mit leitfähigen Schichten, wie zum Beispiel Kupferfolien (entsprechend dem herkömmlichen isolierenden Substrat 5P in 34) zwischen dem Kühlkörper 2A und den Leistungs-Halbleitervorrichtungen auf verschiedenen Potentialen liegen.
  • Drittes nicht beanspruchtes Ausführungsbeispiel
  • 3 zeigt eine schematische Außenansicht eines Leistungsmoduls 103 gemäß einem nicht beanspruchten dritten Ausführungsbeispiel. Der Leistungsmodul 103 weist eine derartige Konfiguration 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 jedes Leistungsmoduls 102 zu dem jeweils anderen Leistungsmodul 102 und ist mit dem Kühlkörper 2A des jeweils anderen Leistungsmoduls 102 beispielsweise durch Verlöten elektrisch verbunden (siehe Fortsätze 3T).
  • Der Leistungsmodul 103 läßt sich in einfacher Weise herstellen, da seine Schaltungskonfiguration derart ist, daß die beiden bestehenden Leistungsmodule 102 lediglich miteinander kombiniert werden. Die Verwendung der kompakten und leichten Leistungsmodule 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 dergleichen von dem Leistungsmodul eliminiert werden.
  • Viertes nicht beanspruchtes Ausführungsbeispiel
  • 4 zeigt eine schematische Außenansicht eines Leistungsmoduls 104 gemäß einem nicht beanspruchten vierten Ausführungsbeispiel. Wie in 4 gezeigt, umfaßt der Leistungsmodul 104 die Freilaufdiode 1A, den IGBT 1B, einen leitfähigen Kühlkörper 2B, die Elektrode 3, die Isolierschicht 4 und die Drähte 7.
  • Der Kühlkörper 2B ist aus dem gleichen Material wie der vorstehend erwähnte leitfähige Kühlkörper 2A gebildet und besitzt eine ebene Oberfläche 2BS, die der vorstehend genannten Oberfläche 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 Kühlmedium auf. Die Durchgangslöcher 2BH sind von der Oberfläche 2BS gleich beabstandet, mit anderen Worten, sie sind horizontal ausgerichtet, wie dies in 4 gezeigt ist. Jedes der Durchgangslöcher 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 vorgesehen 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 Durchgangslöcher 2BH, schafft der Leistungsmodul 104 eine Zwangskühlung des Kühlkörpers 2B und somit der Diode 1A und des IGBT 1B. Dadurch wird eine beträchtliche Verbesserung der Kühlmöglichkeiten 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 werden.
  • Erste nicht beanspruchte Modifizierung des vierten nicht beanspruchten Ausführungsbeispiels
  • 5 zeigt eine schematische Außenansicht eines Leistungsmoduls 104A gemäß einer nicht beanspruchten ersten Modifizierung des vierten Ausführungsbeispiels. Wie in 5 gezeigt ist, weist der Leistungsmodul 104A die beiden vorstehend beschriebenen Leistungsmodule 104 auf. Diese Leistungsmodule 104 sind miteinander gekoppelt, indem die Durchgangslöcher 2B in den Kühlkörpern 2B durch Rohre 2BJ miteinander verbunden sind.
    • (i) Wenn die beiden Kühlkörper 2B auf dem gleichen Potential liegen, d. h. wenn die hinteren Elektroden der Dioden 1A usw. auf beiden Kühlkörpern 2B auf dem gleichen Potential liegen, bestehen wenigstens die Rohre 28J oder das Kühlmedium aus einem leitfähigen Material bzw. einer leitfähigen Substanz (wobei dies nachfolgend als "leitfähige Kopplung" bezeichnet wird).
    • (ii) Wenn dagegen die Kühlkörper 2B voneinander isoliert sind, d. h. wenn die Dioden 1A usw. auf den Kühlkörpern 2B voneinander isoliert sind, sind sowohl die Rohre 2BJ als auch das Kühlmedium aus isolierenden Materialien bzw. Substanzen hergestellt (wobei dies nachfolgend als "isolierende Kopplung" bezeichnet wird).
    • (iii) 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 Kühlmedium aus einem leitfähigen Material bzw. aus einer leitfähigen Substanz bestehen, zwischen den Kühlkörpern 2B und den Dioden 1A (siehe 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 Kühlmediums für jede einzelne Gruppe vorgesehen, die aus einer Vielzahl von Leistungsmodulen 104 auf dem gleichen Potential gebildet ist. Für eine isolierende Kopplung ist dagegen nur eine einzige Pumpe für den gesamten Leistungsmodul 104A vorgesehen.
  • Zweite nicht beanspruchte Modifizierung des nicht beanspruchten vierten Ausführungsbeispiels
  • 6 zeigt eine schematische Außenansicht eines Leistungsmoduls 104B als nicht beanspruchte zweite Modifizierung des vierten 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 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 7) miteinander 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 beschriebenen Leistungsmoduls 104 wird somit bei dem Leistungsmodul 104 Schwankungen in der Temperatur des Kühlmediums durch die Kühlkörper 2B Rechnung getragen, so daß die Gleichmäßigkeit der Kühleigenschaften verbessert wird.
  • Dritte nicht beanspruchte Modifizierung des vierten nicht beanspruchten Ausführungsbeispiels
  • 8 zeigt eine schematische Außenansicht eines Leistungsmoduls 104C als nicht beanspruchte dritte Modifizierung des vierten Ausführungsbeispiels. Wie in 8 gezeigt ist, weist der Leistungsmodul 104C zwei Leistungsmodule 104 auf, wie sie vorstehend beschrieben wurden. Die Leistungsmodule 104 sind derart angeordnet, daß ihre Oberflächen auf der den Oberflächen 2BS der Kühlkörper 2B entgegengesetzten Seite miteinander in Berührung sind.
  • Vierte nicht beanspruchte Modifizierung des vierten nicht beanspruchten Ausführungsbeispiels
  • 9 zeigt eine schematische Außenansicht eines Leistungsmoduls 104B als nicht beanspruchte vierte Modifizierung des vierten Ausführungsbeispiels. Wie in 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 übereinander gestapelt angeordnet.
  • Dabei können (i) beide Kühlkörper 2B auf dem gleichen Potential vorgesehen werden, wenn mindestens eines der Stützelemente 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 nicht bevorzugtes Ausführungsbeispiel
  • Die 10 und 11 zeigen schematische Außenansichten in Form einer Draufsicht bzw. einer Seitenansicht eines Leistungsmoduls 105 gemäß einem nicht beanspruchten fünften Ausführungsbeispiel. Genauer gesagt handelt es sich bei 11 um eine Außenansicht des Leistungsmoduls 105 gesehen aus der Richtung des Pfeils A in 10.
  • Aus Gründen der Vereinfachung ist ein Teil der Komponenten in 11 nicht dargestellt. 12 zeigt eine schematische Längsschnittansicht des Leistungsmoduls 105.
  • Bei dem Leistungsmodul 105 handelt es sich um einen sogenannten Leistungswandler vom Dreiphasen-Spannungstyp. Der Leistungswandler 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 Ausgangsanschluß miteinander in Reihe verbunden, und genauer gesagt ist der obere Arm zwischen die Seite mit hohem Potential (die einer zweiten Spannung entspricht) und den Ausgangsanschluß geschaltet, und der untere Arm ist zwischen den Ausgangsanschluß 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 isolierenden 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 Substrate 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 Materialien als Kupferfolie gebildet sein.
  • Die isolierenden Substrate 50U, 50V und 50W sind in etwa gleichmäßig voneinander beabstandet auf einem Umfang angeordnet, 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 jeweils aus einer Diode 1A und einem IGBT 1B bestehen, den isolierenden Substraten 50U, 50V und 50W benachbart direkt auf der Hauptfläche 2CS1 angeordnet. Diese Leistungs-Halbleitervorrichtungen 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 angeordnet 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 1B 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 Leistungswandlers.
  • Ferner sind auf der Hauptfläche 2CS1 isolierende Substrate 5, die zum Beispiel aus Keramikplatten gebildet sind, in unmittelbarer Nähe zu den isolierenden Substraten 50U, 50V und 50W angeordnet. Diese isolierenden Substrate 5 sind gleichmäßig voneinander beabstandet auf einem Umfang angeordnet, der konzentrisch mit dem der kreisförmigen Hauptfläche 2CS1 ist, und zwar derart, daß sie jeweils zwischen den isolierenden Substraten 50U, 50V und 50W angeordnet sind.
  • Jedes der isolierenden Substrate 5 besitzt zwei Hauptflächen, wobei auf beiden derselben Kupferfolien oder dergleichen angeordnet 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 angeordnet. Die Diode 1A und der IGBT 1B sind zum Beispiel mittels Lötmaterial miteinander verbunden, so daß sich ihre hinteren 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 miteinander verbunden. Ein jedes der drei Paare von Dioden 1A und IGBTs 1B, die unter Zwischenschaltung des isolierenden Substrats 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 oberen 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 voneinander angeordnet.
  • Ferner ist auf der kreisförmigen Hauptfläche 2CS1 ein zum Beispiel 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 abgewandte 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 Zeichnungen dargestellten Konfigurationen begrenzt.
  • Genauer gesagt, es erstreckt sich zum Beispiel eine stabförmige Elektrode 61 in etwa von der Mitte der kreisförmigen Hauptfläche 2CS1, wo die Dioden 1A usw. angeordnet sind (siehe 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 angeordneten Isolierelements 11 voneinander isoliert. Außerdem bilden die Elektroden 61 und 62 eine sogenannte Koaxialleitung. 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.
  • 13, die der 10 entspricht, zeigt eine schematische Darstellung zur Erläuterung von Durchgangslöchern 2CH in dem Kühlkörper 2C. Aus Gründen der Vereinfachung sind die isolierenden Substrate 5 usw. der 10 in 13 nicht dargestellt.
  • Wie in 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 jeweils durch unterschiedliche unterbrochene Linien dargestellt sind.
  • Durch Hindurchleiten eines Kühlmediums durch jedes der Durchgangslöcher 2CH wird der Leistungsmodul 105 heruntergekühlt. Die Anzahl der Durchgangslöcher 2CH ist nicht auf drei begrenzt, jedoch sollten diese Durchgangslöcher 2CH vorzugsweise unter den Dioden 1A und dem IGBT 1B ausgebildet sein, bei denen 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 6) können die Durchgangslöcher 2CH zwischen den Hauptflächen 2CS1 und 2CS2 auch vertikal ausgefluchtet sein.
  • Bei dem Leistungsmodul 105, wie er vorstehend beschrieben worden 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 Elektroden 61, 62 und dem jeweiligen Arm in ähnlicher Weise vorgenommen werden.
  • Dies reduziert Schwankungen in den Ausgangsleistungen von diesen 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 nicht beanspruchten fünften 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 Kühlkörpers 2C angeordnet sein. Zum Beispiel können die drei isolierenden Substrate 5 sowie die darauf anzuordnenden Komponenten auf der Hauptfläche 2CS2 angeordnet werden, wobei eine vorbestimmte Verdrahtung hierfür vorgesehen werden kann.
  • Sechstes bevorzugtes Ausführungsbeispiel
  • 14 zeigt eine schematische Außenansicht eines Leistungsmoduls 111 gemäß einem sechsten bevorzugten Ausführungsbeispiel. Bei dem Leistungsmodul 111, wie er in 14 gezeigt ist, sind die Diode 1A, der IGBT 1B und ein Kondensator 20 zum Glätten des Gleichstroms direkt auf der Oberfläche 2BS des vorstehend beschriebenen leitfähigen Kühlkörpers 2B angeordnet, der die Durchgangslöcher 2BH aufweist. Die Diode 1A und der IGBT 1B bilden eine "erste Leistungs-Halbleitervorrichtung".
  • 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 Oberfläche 1AS2 eine hintere Elektrode vorgesehen ist.
  • In ähnlicher Weise ist auch bei dem IGBT 1B eine vordere Elektrode auf der vorderen Oberfläche 1BS1 und eine hintere Elektrode auf der hinteren Oberfläche 1BS2 vorgesehen. Aus Gründen der Vereinfachung sind die Einzelheiten der vorderen Elektroden und der hinteren Elektroden der Diode 1A und des IGBT 1B in 14 nicht dargestellt.
  • Im Gegensatz zu dem herkömmlichen zylindrischen Kondensator 8P handelt es sich bei dem Kondensator 20 um einen Plattenkondensator 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) vorgesehen, und auf der anderen Hauptfläche 20S1 (die nachfolgend als "vordere Oberfläche" bezeichnet wird) ist eine weitere, ebenfalls nicht gezeigte Elektrode (die nachfolgend als "vordere Elektrode" bezeichnet wird) vorgesehen.
  • Die hinteren Elektroden der Diode 1A, des IGBT 1B und des Kondensators 20 sind zum Beispiels mittels Lötmaterial mit dem Kühlkörper 2B verbunden. Dadurch sind elektrische Verbindungen zwischen den jeweiligen hinteren Elektroden durch den leitfähigen Kühlkörper 2B gebildet. Andererseits sind die von dem Kühlkörper 2B abgewandten, vorderen Elektroden der Diode 1A, des IGBT 1B und des Kondensators 20 durch die Drähte 7 verbunden.
  • Alternativ hierzu können elektrische Verbindungen zwischen den 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, sondern auch den Temperaturanstieg in dem Kondensator 20. Dies ermöglicht eine Miniaturisierung des Kondensators 20, eine geringere 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 Verdrahtungslänge zwischen der Diode 1A oder dem IGBT 1B und dem Kondensator 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 Haltespannung und des Verlusts der Diode 1A und des IGBT 1B erzielt 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 vermindert 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 derartiger 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 erzielen, wenn der Kühlkörper 2B durch den leitfähigen Kühlkörper 2A mit einer Rippenkonstruktion wie bei dem Leistungsmodul 111A der 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 16, die Diode 1A und der IGBT 1B auf der Oberfläche 2BS des Kühlkörpers 2B angeordnet sein, und der Kondensator 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 entgegengesetzten Oberfläche 2BS2 angeordnet sein. Eine solche Konfiguration ist auch bei Verwendung des Kühlkörpers 2A möglich.
  • Dieser Leistungsmodul 111B läßt sich leichter und kleiner ausbilden 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 Leistungsmoduls verbessert wird.
  • Siebtes bevorzugtes Ausführungsbeispiel
  • 17 zeigt eine schematische Außenansicht eines Leistungsmoduls 112 gemäß einem siebten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Wie aus einem Vergleich zwischen der 17 und der bereits beschriebenen 14 erkennbar ist, besitzt der Leistungsmodul 112 ein Kondensatordielektri kum 33 sowie eine Kondensatorelektrode 31 anstatt des Kondensators 20 (siehe 14).
  • Genauer gesagt, es ist das Kondensatordielektrikum 33 sandwichartig zwischen dem leitfähigen Kühlkörper 2B und der Kondensatorelektrode 31 angeordnet, und der Kühlkörper 2B, das Kondensatordielektrikum 33 und die Kondensatorelektrode 31 bilden einen Plattenkondensator 30, der dem vorstehend beschriebenen Kondensator 20 entspricht. In allen anderen Gesichtspunkten ist der Leistungsmodul 112 mit dem Leistungsmodul 111 identisch ausgebildet.
  • Die Kondensatorelektrode 31 entspricht der vorderen Elektrode des Kondensators 20 und der Kühlkörper 2B entspricht der hinteren 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 vorstehend 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 Leistungsmodul 112A in 18 zu sehen ist.
  • Zweite Modifizierung des siebten bevorzugten Ausführungsbeispiels
  • 19 zeigt eine schematische Außenansicht eines Leistungsmoduls 112B als zweite Modifizierung des siebten bevorzugten Ausführungsbeispiels. Wie bei dem Leistungsmodul 111B (siehe 16), sind auch bei dem Leistungsmodul 112B das Kondensatordielektrikum 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 ähnliche Wirkungen wie der vorstehend beschriebene Leistungsmodul 111B.
  • Achtes bevorzugtes Ausführungsbeispiel
  • 20 zeigt eine schematische Außenansicht eines Leistungsmoduls 111C gemäß einem achten bevorzugten Ausführungsbeispiel. 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 Oberfläche 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 angeordnet, wobei sich ihre hinteren Elektroden in flächigem Kontakt 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 dienen.
  • 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 angeordnet.
  • 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 Zwischenanordnung 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 elektrisch verbunden. Außerdem ist die Elektrode 61 von dem Kondensator 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 Potential 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 unterschiedlichen Potentialen aufweisen, zusammen auf dem leitfähi gen Kühlkörper 2B angeordnet werden, um eine Schaltung zu bilden.
  • Modifizierung des achten bevorzugten Ausführungsbeispiels
  • 21 zeigt eine schematische Außenansicht eines Leistungsmoduls 112C in Form einer Modifizierung des achten bevorzugten Ausführungsbeispiels. Wie bei dem vorstehend beschriebenen Leistungsmodul 111C handelt es sich auch bei dem Leistungsmodul 112C um einen sogenannten Leistungswandler vom Dreiphasen-Spannungstyp.
  • Wie aus einem Vergleich zwischen 21 und der vorstehend beschriebenen 20 erkennbar ist, weist der Leistungsmodul 112C eine Kondensatorelektrode 31 und ein Kondensatordielektrikum 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 anderen Gesichtspunkten ist der Leistungsmodul 112C mit dem Leistungsmodul 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 ermöglicht 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 22 und 23 zeigen schematische Außenansichten eines Leistungsmoduls 113 gemäß einem neunten bevorzugten Ausführungsbeispiel. Dabei zeigt 23 eine Außenansicht in Form einer Seitenansicht des Leistungsmoduls 113 gesehen aus der Richtung des Pfeils A in 22. Aus Gründen der Vereinfachung sind die Dioden 1A, die IGBTs 1B sowie die Drähte 7 in 23 nicht dargestellt. Wie bei dem vorstehend beschriebenen Leistungsmodul 111C ist auch der Leistungsmodul 113 ein sogenannter Leistungswandler vom Dreiphasen-Spannungstyp.
  • Wie aus einem Vergleich der 22 und der bereits beschriebenen 21 erkennbar ist, sind bei dem Leistungsmodul 113 die Dioden 1A und die IGBTs 1B aller unteren Arme des Leistungswandlers 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-Kühlkörpers 2B und die hintere Oberfläche 20S2 des Kondensators 20 flächig aneinander anliegen. Die hinteren Elektroden des Unterarm-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 Oberarm-Kühlkörper bzw. einem weiteren Kühlkörper 2B mit Leitfähigkeit angeordnet sowie mit der Elektrode 61 elektrisch verbunden, wie dies auch bei dem Leistungsmodul 111C der Fall ist (siehe 20).
  • Die drei Oberarm-Kühlkörper 2B sind miteinander gekoppelt, jedoch voneinander isoliert, wobei die Rohre 2BJ in 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 integraler Weise miteinander gekoppelt.
  • Die Oberarm-Kühlkörper 2B sind zum Beispiel mittels der (flexibel ausgebildeten) Drähte 7 mit den entsprechenden Elektroden 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 Relais- 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 worden ist, sind die vier Kühlkörper 2B durch das Isolierelement 10 voneinander isoliert. Im Gegensatz zu dem vorstehend beschriebenen Leistungsmodul 111C (siehe 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 Komponenten 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 Leistungsmodul als ganzes reduzieren. Dies führt zum Aufbau eines kostengünstigen 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 Ergebnis hiervon können Kurzschlüsse aufgrund eines Durchhängens der Drähte verhindert werden.
  • Zehntes bevorzugtes Ausführungsbeispiel
  • 24 zeigt eine schematische Außenansicht in Form einer Seitenansicht eines Leistungsmoduls 111D gemäß einem zehnten bevorzugten Ausführungsbeispiel, und 25 zeigt eine schematische Längsschnittansicht desselben. Wie aus einem Vergleich zwischen 24 und der bereits beschriebenen 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 11 ist auch in 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 Leistungswandlers 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 25) und dem Kühlkörper 2C vorhanden ist.
  • Der Leistungsmodul 111D unterscheidet sich von dem bereits beschriebenen Leistungsmodul 105 hinsichtlich der Verbindung zwischen den Elektroden 61 und 62. Genauer gesagt, es erstreckt sich in der in 25 dargestellten Weise die stabförmige 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 Elektrode 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 Elektrode 62 dagegen erstreckt sich durch das isolierende Substrat 50C hindurch und ist mit dem Kühlkörper 2C elektrisch verbunden.
  • Bei dem Leistungsmodul 111D handelt es sich bei der Elektrode 61 um die "zweite Elektrode", die mit der Seite hohen Potentials 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 Zuverlässigkeit bilden. Auch läßt er sich leichter und kleiner ausbilden als der herkömmliche Leistungsmodul 103P.
  • Modifizierung des zehnten bevorzugten Ausführungsbeispiels
  • 26 zeigt eine schematische Außenansicht eines Leistungsmoduls 112D gemäß einer Modifizierung des zehnten bevorzugten Ausführungsbeispiels, und 27 zeigt eine schematische Längsschnittansicht desselben. Wie der vorstehend beschriebene Leistungsmodul 111D handelt es sich auch bei dem Leistungsmodul 112D um einen sogenannten Leistungswandler vom Dreiphasen-Spannungstyp.
  • Wie aus einem Vergleich zwischen 26 und der bereits beschriebenen 24 erkennbar ist, weist der Leistungsmodul 112D die Kondensatorelektrode 31 und das Kondensatordielektrikum 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 Kühlkörper 2C, das Kondensatordielektrikum 33 und die Kondensatorelektrode 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 Leistungsmodul 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 angeordnet betrachtet werden. Der Leistungsmodul 112D kann somit ähnliche Wirkungen wie der Leistungsmodul 112 erzielen.
  • Elftes bevorzugtes Ausführungsbeispiel
  • Die 28 bis 30 zeigen schematische Darstellungen eines Leistungsmoduls 111E gemäß einem elften bevorzugten Ausführungsbeispiel. Da der Leistungsmodul 111E auf dem bereits beschriebenen Leistungsmodul 111D basiert, sowie aus Gründen der Vereinfachung, sind ein Teil der Drähte 7 in 28 nicht dargestellt und sind die Elektroden 60U, 60V, 60W usw. in den 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 angeordnet sind, sind die Dioden 1A und die IGBTs 1B bei dem Leistungsmodul 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 29). Die vorderen Elektroden der Diode 1A und des IGBT 1B jedes unteren Arms sind miteinander verbunden.
  • Dagegen sind die isolierenden Substrate 5 auf der Oberfläche 20S1 (genauer gesagt auf der vorderen Elektrode) des Kondensators 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 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 Leistungswandlers 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 Elektrode des Kondensators 20 ist mit der Seite hohen Potentials verbunden. Es ist zwar in den 28 bis 30 nicht dargestellt, jedoch kann die Koaxialleitung, wie bei dem in 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 Elektrode 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
  • 31 zeigt eine schematische Außenansicht eines Leistungsmoduls 201 gemäß einem zwölften bevorzugten Ausführungsbeispiel. 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 abwechselnden Kühlkörpern 2B untergebracht, wobei sich Kühlkörper, auf denen die Diode 1A direkt angeordnet ist, mit Kühlkörpern abwechseln, auf denen der IGBT 1B direkt angeordnet ist. Die Verbindungen zwischen den Dioden 1A und den IGBTs 1B sind in 31 nicht dargestellt.
  • In jeder Aussparung 202K ist zwischen den jeweiligen Kühlkörpern 2B ein Zwischenraum 203 gebildet. Die Orientierung der Kühlkörper 2B und der Durchgangslöcher 2BH ist derart festgelegt, daß die angrenzenden Zwischenräume 203 zwischen den Kühlkörpern 2B einen an die Durchgangslöcher 2BH anschließenden 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 ausgefluchteten 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 Verbindung 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 bilden. 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 voneinander (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 22 kombiniert werden und ein leitfähiges Kühlmedium verwendet wird, wird eine leitfähige Kopplung von gewünschten leitfähigen Kühlkörpern 2B möglich.
  • Die Dioden 1A und/oder die IGBTs 1B können unter Zwischenanordnung der isolierenden Substrate 5 auf den Kühlkörpern 2B angeordnet werden. In diesem Fall können selbst bei Verwendung von leitfähigen Kühlkörpern 22 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. Alternativ hierzu kann eine Vielzahl von Leistungs-Halbleitervorrichtungen auf einem einzigen Kühlkörper 2B angeordnet werden.
  • Da die Kühlkörper 2B unter Freilassung des Zwischenraums 203 dazwischen ausgefluchtet werden, strömt das Kühlmedium abwechselnd durch die Zwischenräume 203 sowie durch die Durchgangslöcher 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 erwärmende Elemente, strömt das Kühlmedium schneller als beim Hindurchströmen 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 höhere Kühlleistung bei geringerem Druckverlust erzielen.
  • Wie vorstehend erwähnt, ermöglicht die Verwendung eines isolierenden Kühlmediums eine Isolierung der Leistungs-Halbleitervorrichtungen voneinander ohne die Verwendung der isolierenden 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 Herstellungskosten und der Preis des Leistungsmoduls ingesamt reduziert werden.
  • Da die vorstehenden Leistungs-Halbleitervorrichtungen jeweils voneinander isoliert sind, können diese direkt auf dem leitfähigen Kühlkörper 2B angeordnet werden. Dies verbessert die Wärmeabstrahlleistung des Leistungsmoduls, wodurch sich wiederum Verbesserungen in der Zuverlässigkeit ergeben.
  • Dreizehntes bevorzugtes Ausführungsbeispiel
  • 32 zeigt eine schematische Außenansicht eines Leistungsmoduls 114 gemäß einem dreizehnten bevorzugten Ausführungsbeispiel. Wie in 32 gezeigt ist, besitzt der Leistungsmodul 114 zusätzlich zu den Komponenten des vorstehend beschriebenen Leistungsmoduls 113, wie er in 22 gezeigt ist, Nebenschlußwiderstände 90 zum Messen des Stroms.
  • Genauer gesagt, es stellen die Nebenschlußwiderstände 90 direkte 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 Nebenschlußwiderstände 90, die im Gegensatz zu dem Stromwandler 92P bei den herkömmlichen Leistungsmodulen 101P usw. keine Energiesteuerquelle benötigen und im Prinzip keinen Offset haben.
  • 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 herkömmlichen Leistungsmodule 101P usw. ausbilden, bei denen der Stromwandler 92P davon unabhängig außerhalb des Gehäuses vorgesehen ist. Ferner läßt sich auch die Anzahl der strommessenden Komponenten reduzieren.
  • Modifizierung des dreizehnten bevorzugten Ausführungsbeispiels
  • 33 zeigt eine schematische Außenansicht eines Leistungsmoduls 114A gemäß einer Modifizierung des dreizehnten bevorzugten Ausführungsbeispiels. Wie aus einem Vergleich zwischen 33 und der bereits beschriebenen 32 zu sehen ist, sind die Nebenschlußwiderstände 90 bei dem Leistungsmodul 114A in der Oberfläche 2BS des Kühlkörpers 2B flächig gegenüberliegender Weise direkt mit den Elektroden 60U, 60V und 60W verbunden.
  • Bei dem Leistungsmodul 114A läßt sich der Temperaturanstieg in den Nebenschlußwiderständen 90 durch die Wirkung der Kühlkörper 2B unterdrücken. Dies verhindert in wesentlicher Weise Änderungen der Eigenschaften der Nebenschlußwiderstände 90 aufgrund von Temperaturschwankungen, so daß daraus weitere Verbesserungen 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 (14)

  1. Leistungsmodul (111, 111A–111E, 113), der folgendes aufweist: – 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, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator (20) einen Plattenkondensator (30) mit zwei einander gegenüberliegenden Hauptflächen ist, wobei sowohl die eine Hauptfläche als auch die andere Hauptfläche jeweils eine darin ausgebildete Elektrode (2B, 31) aufweist, und wobei die Elektrode (2B) entweder der einen Hauptfläche oder der anderen Hauptfläche des Kondensators (30) auf den Kühlkörper (2A–2C) gebondet ist, daß der Kühlkörper leitfähig ist; daß eine Elektrode (1S2, 1AS2, 1BS2) der ersten Leistungs-Halbleitervorrichtung und eine Elektrode (20E2) des Kondensators direkt mit dem Kühlkörper verbunden sind, und daß die Elektrode (1S2, 1AS2, 1BS2) der ersten Leistungs-Halbleitervorrichtung und die Elektrode (20E2) des Kondensators über den Kühlkörper miteinander elektrisch verbunden sind.
  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, 111E–111E, 113) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkörper eine Durchgangseinrichtung (2BH, 2CH) für ein Kühlmedium aufweist.
  4. Leistungsmodul (111C, 111E) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 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.
  5. Leistungsmodul (113) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin gekennzeichnet durch: – einen weiteren Kühlkörper (2A, 2B); und – eine zweite Leistungs-Halbleitervorrichtung (1, 1A, 1B), die direkt auf dem weiteren Kühlkörper angeordnet ist.
  6. Leistungsmodul (113) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, – daß der weitere Kühlkörper leitfähig ist; – daß eine Elektrode (1S2, 1AS2, 1BS2) der zweiten Leistungs-Halbleitervorrichtung direkt mit dem weiteren Kühlkörper verbunden ist; und – daß der Leistungsmodul ferner ein Isolierelement (10) zum Isolieren des weiteren Kühlkörpers gegenüber dem Kühlkörper und der Elektrode des Kondensators aufweist.
  7. Leistungsmodul (113) nach Anspruch 6, weiterhin gekennzeichnet durch: – ein leitfähiges Element (60U, 60V, 60W), das auf dem Isolierelement angeordnet ist; und – eine flexible Verbindungsdrahteinrichtung (7), die mit dem leitfähigen Element verbunden ist und eine elektrische Verbindung zwischen der ersten Leistungs-Halbleitervorrichtung und der zweiten Leistungs-Halbleitervorrichtung herstellt.
  8. Leistungsmodul (111E, 112, 112A–112D), der folgendes aufweist: – einen Kondensator (30); und – eine erste Halbleitervorrichtung (1, 1A, 1B), die direkt auf einer ersten Elektrode (2B) des Kondensators angeordnet ist, und die mit der zweiten Elektrode (2C) des Kondensators elektrisch verbunden ist, wobei der Kondensator (30) ein Dielektrikum (33) und ein Paar Elektroden (2B, 31) aufweist, welche das Dielektrikum (33) sandwichartig zwischeneinander angeordnet haben, und wobei die erste Elektrode (2B) des Kondensators ein Kühlkörper ist.
  9. Leistungsmodul (111E, 112, 112A–112D) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Elektrode (2B) des Kondensators eine Durchführungseinrichtung (2BH, 2CH) für ein Kühlmedium aufweist.
  10. Leistungsmodul (112B, 112D) nach Anspruch 8 oder 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.
  11. Leistungsmodul (111C, 111D, 112C, 112D, 113) nach einem der Ansprüche 4 bis 7 und 10, dadurch gekennzeichnet, – daß die erste Leistungs-Halbleitervorrichtung und die zweite Leistungs-Halbleitervorrichtung elektrisch miteinander verbunden sind; – daß die erste Leistungs-Halbleitervorrichtung einen unteren Arm eines Leistungswandlers bildet; und – daß die zweite Leistungs-Halbleitervorrichtung einen oberen Arm des Leistungswandlers bildet.
  12. Leistungsmodul (111D, 112D) nach Anspruch 11, 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 hindurchragt, auf der die erste oder die zweite Leistungs-Halbleitervorrichtung 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 zweiten Spannung zu der zweiten Leistungs-Halbleitervorrichtung jedes oberen Arms aufweist, wobei die Vielzahl der Armeinrichtungen in regelmäßigen winkelmäßigen Abständen voneinander um die Koaxialleitung herum angeordnet ist.
  13. Leistungsmodul (201) nach Anspruch 1, der ferner folgendes aufweist: – eine Vielzahl von Kühlkörpern (2B), von denen jeder eine Durchführungseinrichtung (2BH) für ein Kühlmedium aufweist; – 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 Gehäuses jeweils unter Freilassung eines Zwischenraums (203) zwischen ihnen angeordnet ist, so daß ein kontinuierlicher Raum, der die abwechselnden Zwischenräume und Durchführungseinrichtungen beinhaltet, in dem Innenraum des Gehäuses gebildet ist, und wobei die jeweilige Durchführungseinrichtung enger als der Zwischenraum ist.
  14. Leistungsmodul (102) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Durchführungseinrichtungen der Kühlkörper ein isolierendes Kühlmedium hindurchgeleitet wird.
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