DE10122837A1 - Leistungshalbleiter-Modul - Google Patents

Leistungshalbleiter-Modul

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Abstract

Es wird ein Leistungshalbleiter-Modul mit aus der Oberfläche seines Gehäuses (2) herausgeführten Anschlusselementen (3, 4, 5) vorgeschlagen. Zwischen je zwei Anschlusselementen (3, 4, 5) ist ein zur Aufnahme einer Lippe (11, 12) geeigneter Schlitz (6, 7) im Gehäuse (2) eingebracht.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Leistungshalbleiter-Modul mit aus der Oberfläche seines Gehäuses herausgeführten Anschlusselementen.
Schnelle Leistungshalbleiter-Schalter nach dem Stand der Technik - wie MOSFETs oder IGBTs und entsprechende Freilaufdioden erzeugen beim Schalten Stromgra­ dienten bis zu einigen 1000 A/µs. Diese Stromgradienten di/dt führen in Spannungs­ zwischenkreis-Umrichtern wegen der parasitären Induktivität L im Kommutie­ rungskreis - dem Stromkreis zwischen dem Zwischenkreiskondensator, der idealer­ weise eine Spannungsquelle darstellt, und einem Brückenzweig aus Halbleiter- Schaltern - zu Überspannungsspitzen gemäß Uind = L.di/dt. Aufgrund des hohen di/dt können diese Überspannungsspitzen selbst bei vergleichsweise geringen Induktivi­ täten L bereits in der gleichen Größenordnung wie die Zwischenkreisspannung lie­ gen, was wegen der somit erforderlichen Überdimensionierung der Sperrspannung der Halbleiter-Schalter aus technischen und wirtschaftlichen Gründen unerwünscht ist.
Schaltungen, wie Brückenzweige aus Halbleiter-Schaltern, werden häufig in Leis­ tungshalbleiter-Module integriert. Ein Ausführungsbeispiel ist in der DE 44 30 047 A1 erläutert. Parasitäre Induktivitäten L können innerhalb eines Moduls durch die hori­ zontalen und vertikalen Strompfade hervorgerufen werden: Erstere verlaufen typi­ scherweise auf der oberseitigen Metallisierung von Isolierkeramiken, die zusätzlich unterseitig durchgehend metallisiert sind, vgl. DE 36 10 288 A1; die Induktivität der horizontalen Strompfade in dieser einem Plattenkondensator ähnelnden Geometrie ist gering. Die Induktivität der vertikalen Strompfade bestimmt, ähnlich wie bei einer Luftspule mit einer Windung, hauptsächlich die vom Strom eingeschlossene und vom zugehörigen Magnetfeld durchflutete Fläche. Man erkennt, dass diese Fläche bei einem Modul wie in DE 44 30 047 A1 beschrieben, leicht Größenordnungen von ei­ nigen Quadratzentimetern erreicht. Die daraus resultierenden parasitären Induktivi­ täten können bei Schalthandlungen zu Überspannungsspitzen von einigen 100 V führen.
Weitere Entwicklungen zielen darauf ab, die parasitären Induktivitäten im vertikalen Stromkreis zu vermindern. Ein Ausführungsbeispiel liefert die EP 0 584 668 A1: Hier sind die Anschlusselemente paarweise eng benachbart geführt, was die vom Stromkreis eingeschlossene Fläche vermindert. Die DE 92 03 000 U1 zeigt eine ähnliche Ausfüh­ rungsform mit Angaben zur Dimensionierung der bandförmigen Anschlusselemente. Hier wird darauf hingewiesen, dass der Abstand der Anschlusselemente jedoch zur Aufrechter­ haltung der Isolation hinreichend groß sein muss. Dies gilt einerseits innerhalb des Moduls; zusätzlich müssen gemäß den einschlägigen Regeln der Technik jedoch auch an dessen Außenseite zwischen den spannungsführenden Anschlüssen genügende Luft- und Kriechstrecken eingehalten werden. Diese sind wegen der Umgebungsbedingungen, in denen das Leistungshalbleiter-Modul betrieben wird, beispielsweise klassifiziert durch Feuchte und Verschmutzungsgrad, in der Regel größer als innerhalb des geschlossenen Modul-Gehäuses erforderlich. Der wegen geringer parasitärer Induktivität vorteilhaften Ausführungsform eng benachbarter Anschlusselemente steht also die gegenläufige Forderung nach sicherheitshalber großen Luft- und Kriechstrecken entgegen.
In der EP 0 417 747 A2 wird eine Lösung gezeigt, bei der ein zum Gehäuse des Bauelements gehöriger fester Steg zwischen spannungsführenden Anschlüssen die Luft- und Kriechstrecken vergrößert. Auf diese Weise kann zwar ein Bauelement mit geringer Induktivität und hinreichenden Luft- und Kriechstrecken hergestellt werden; jedoch verlagert sich bei Einsatz eines solchen Bauelements die parasitäre Indukti­ vität im oben beschriebenen Kommutierungskreis tendenziell lediglich vom Modul in die externen Verbindungen zum Zwischenkreiskondensator: Bei der DE 94 03 108 U1 wird die niederinduktive Ausführung des Kommutierungskreises zwischen dem Modul und dem Zwischenkreiskondensator mittels voneinander isolierter, in der Art eines Kondensators flächig gestapelter Platten auf den Potentialen des Zwischenkreises vorgeschlagen; einer solchen Geometrie stünde der Steg eines Modul-Ge­ häuses gemäß EP 0 417 747 A2 im Wege. Man müsste bei einem derart ausgeführ­ ten Leistungshalbleiter-Modul daher entweder den Plattenaufbau höher setzen, was wiederum die aufgespannte vertikale Fläche des Kommutierungskreises und mithin dessen parasitäre Induktivität erhöht, oder statt eines Plattenaufbaus eine Verschie­ nung mit typischerweise deutlich höherer Induktivität verwenden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Leistungshalbleiter-Modul so auszu­ führen, dass es einerseits selbst nur eine geringe parasitäre Induktivität im Kommutierungskreis darstellt, dass es gleichzeitig den vorteilhaften Anschluss eines niederinduktiv beispielsweise mit Platten ausgeführten Zwischenkreises ermöglicht und dass es schließlich die Ausführung des Leistungsteils mit sicherheits- und normgerechten Luft- und Kriechstrecken zwischen den spannungsführenden Anschlusselementen ermöglicht.
Diese Aufgabe wird in Verbindung mit dem Oberbegriff des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass zwischen je zwei Anschlusselementen ein zur Aufnahme einer Lippe ge­ eigneter Schlitz im Gehäuse eingebracht ist.
Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, dass das vorgeschlagene Leistungshalbleiter-Modul kostengünstig ausgeführt ist und größt­ mögliche konstruktive Flexibilität bietet, um in verschiedensten Anwendungen (unter­ schiedliche Spannungen, unterschiedliche Anschlusstechniken) zum Einsatz kommen zu können. Beide Forderungen, zum einen geringe parasitäre Induktivität durch eng benachbarte Anschlusselemente, zum anderen sicherheitshalber große Luft- und Kriechstrecken werden zuverlässig erfüllt. Demzufolge werden hohe Überspannungsspitzen vermieden.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekenn­ zeichnet.
Weitere Vorteile des vorgeschlagenen Leistungshalbleiter-Moduls ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausfüh­ rungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Leistungshalbleiter-Modul mit Schlitzen zur Aufnahme von Lippen,
Fig. 2 ein mit Lippen bestücktes Leistungshalbleiter-Modul,
Fig. 3 einen Schnitt durch den Bereich des Durchtritts von Anschlusselementen durch die mit Lippen bestückte Oberseite des Leistungshalbleiter-Moduls,
Fig. 4 einen Schnitt durch den Bereich des Durchtritts von Anschlusselementen durch die mit Lippen bestückte Oberseite des Leistungshalbleiter-Moduls, welches an einen die Verbindungen des Zwischenkreises herstellenden Plattenaufbau angeschlossen ist.
In Fig. 1 ist ein Leistungshalbleiter-Modul mit Schlitzen zur Aufnahme von Lippen dargestellt. In der perspektivischen Ansicht ist die Oberseite des Leistungshalbleiter- Moduls 1 zu erkennen, wobei drei laschenförmig ausgebildete Anschlusselemente 3, 4, 5 die Oberseite des Gehäuses 2 durchstoßen. An die Anschlusselemente 3 und 4 ist der eingangseitig erwähnte Zwischenkreis angeschlossen. Man erkennt, dass die Anschlusselemente 3, 4 zur Vermeidung großer parasitärer Induktivitäten nahe beieinander angeordnet sind. Zwischen den Anschlusselementen 3 und 4 sowie 4 und 5 befindet sich jeweils ein Schlitz 6, 7, der nach oben offen, nach unten und zu den Seiten bei größerer Breite als die Anschlusselemente 3, 4, 5 geschlossen ist. In der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform vergrößert der Schlitz 6, 7 zwar die Kriechstrecke, nicht jedoch die Luftstrecke.
In Fig. 1 sind des weiteren seitlich des Gehäuses 2 angeordnete Anschlusselemente 8, 9 zur Kontaktierung von Steckanschlüssen für die Ansteuerung der Leistungs­ halbleiter des Moduls gezeigt. Das Leistungshalbleiter-Modul 1 wird üblicherweise auf einem Kühlkörper montiert, wozu Bohrungen 10 in der Bodenplatte des Gehäu­ ses 2 vorgesehen sind.
In Fig. 2 ist ein mit Lippen bestücktes Leistungshalbleiter-Modul dargestellt. In die Schlitze 6 bzw. 7 sind Lippen 11 bzw. 12 aus einem elektrisch isolierenden Material (Isolierstoff) eingelegt, die nach oben über die Oberkante des Leistungshalbleiter- Moduls 1 herausstehen. Hierdurch werden die Luft- und Kriechstrecken verlängert.
Die Möglichkeit, Schlitze 6, 7 im Gehäuseabschnitte zwischen den Anschlusselementen als Aufnahme für Lippen 11, 12 vorzusehen, welche die Luft- und ggf. Kriechstrecken verlängern, ist in mehrfacher Hinsicht vorteilhaft: Einerseits ist es hierdurch dem An­ wender des Leistungshalbleiter-Moduls 1 möglich, ohne größeren Aufwand das Leis­ tungshalbleiter-Modul 1 den von ihm verwendeten Verbindungselementen des Leis­ tungskreises anzupassen, indem er eine geeignete Lippe 11, 12 einsetzt. Insbesondere deren Höhe ist nicht vom Hersteller des Moduls festgelegt, sondern variabel, so dass nicht bereits bei der Fertigung des Leistungshalbleiter-Moduls 1 die vom Anwender zu verwendende Art der Verschienung bzw. die Höhe des Plattenaufbaus bekannt sein muss. Die Reproduzierbarkeit des Überstandes der Lippe 11, 12 über die Gehäuse- Oberkante des Leistungshalbleiter-Moduls 1 wird auf einfache Weise sichergestellt, indem die Lippe 11, 12 jeweils bis zum Boden des Schlitzes 6, 7 eingeschoben wird.
Fig. 3 zeigt einen Schnitt durch den relevanten Bereich der Oberseite des Leistungs­ halbleiter-Moduls, durch den die beiden gebogenen, laschenförmigern Anschlusselemente 3, 4 geführt sind, zwischen denen eine Lippe 11 mit rechteckförmigem Querschnitt in einen Schlitz eines Steges 13 eingebracht ist. Im Gehäuse 2 eingebrachte Muttern 14, 15 dienen zur Verschraubung von Anschlüssen mit den Anschlusselementen 3, 4.
Im Falle, dass wegen geringer zwischen den Anschlusselementen 3, 4 anliegender Spannung keine größeren Anforderungen an Luft- und Kriechstrecken bestehen, als vom nicht mit einer Lippe 11 bestückten Leistungshalbleiter-Modul 1 eingehalten wer­ den, kann selbstverständlich auch auf die Lippe 11 verzichtet werden. Die vorgeschla­ gene Lösung ist insofern sowohl hinsichtlich des Einsatzes des Leistungshalbleiter- Moduls 1 beim Anwender als auch hinsichtlich der Konstruktion des Bauelements selbst sehr flexibel an spezifische Anforderungen anpassbar und mithin universell verwendbar.
Weiterhin wird vorgeschlagen, die Lippen 11, 12 aus einem isolierenden, elastischen Ma­ terial, z. B. aus Gummi, auszuführen.
Die Vorteile einer elastischen Lippe 11, 12 erkennt man unmittelbar in Fig. 4: Hier ist zusätzlich zur Darstellung gemäß Fig. 3 noch ein typischer auf das Leistungshalbleiter- Modul 1 geschraubter, niederinduktiver Plattenaufbau zum elektrischen Anschluss gezeigt. Dieser Plattenaufbau besteht aus einer oberen leitfähigen Platte bzw. Stromschiene 16 - im allgemeinen aus Metall (Kupfer) und beispielsweise mit dem positiven Potential des Zwischenkreises verbunden -, darunter einer Isolierschicht 17, dar­ unter einer weiteren leitfähigen Platte bzw. unteren Stromschiene 18 - beispielsweise mit dem negativen Potential des Zwischenkreises verbunden - und zu unterst einer weiteren Isolierschicht 19. Die Platten bzw. Stromschienen 16, 18 werden mit Schrauben 23, 22, die in die Muttern 15, 14 unterhalb von Bohrungen in den Anschlusselementen 4, 3 greifen, am Leistungshalbleiter-Modul 1 befestigt und über die Höhendifferenzen zwischen Platten bzw. Stromschienen 16, 18 und Anschlusselementen 4, 3 überbrückende elektrisch leitfähige Hülsen 21, 20 elektrisch mit dem Leistungshalbleiter-Modul 1 verbunden.
Man erkennt in Fig. 4, dass bei Auswahl geeigneter elastischer Lippen 11, insbesondere hinsichtlich Querschnitts bzw. Höhe, die Lippe 11 so an die untere Isolierschicht 19 des Plattenaufbaus gedrückt wird, dass eine dichte (gasdicht, flüssigkeitsdicht) Verbindung entsteht, die zu einer wesentlichen Verlängerung der Luft- und Kriechstrecken führt: Wie in Fig. 2 zu erkennen, verlaufen diese Luft- und Kriechstrecken dann nicht mehr auf direktem Wege zwischen den Anschlusselementen 3, 4, sondern um die Lippe 11 herum parallel zur oberen Oberfläche des Leistungshalbleiter-Moduls 1. Diese Methode, die Luft- und Kriechstrecken zu verlängern, ist sehr wirtschaftlich, da außer dem Einsetzen der Lip­ pen, die als abgelängte Meterware mit einfachen Profilen ausgeführt sein können, keine weiteren Arbeitsgänge erforderlich sind; die Verlängerung der Luft- und Kriechstrecken er­ gibt sich dann bei der ohnehin erforderlichen Montage des Plattenaufbaus auf das Leistungshalbleiter-Modul 1.
Die Abmessungen der Lippen 11, 12 werden vorteilhafterweise so gewählt, dass ihre Breite in ungedehntem Zustand geringfügig größer als die Breite des Schlitzes 6, 7 und ihre Länge in ungedehntem Zustand geringfügig kürzer als diejenige des Schlitzes 6, 7 ist.
Die Lippe 11, 12 wird dann in den Schlitz 6, 7 eingesetzt, indem sie in der Länge leicht gedehnt in den Schlitz 6, 7 eingeschoben wird. Durch das elastische Verhalten zieht sich die Lippe 11, 12, wenn die äußere dehnende Kraft nicht mehr wirkt, zusammen, vergrö­ ßert ihren Querschnitt und ist damit im Schlitz 6, 7 abdichtend arretiert.
Bei der vorgestellten Ausführung eines Leistungshalbleiter-Moduls 1 sind weiterhin durch Stege 13 von der Oberseite des Leistungshalbleiter-Moduls 1 nach unten auch im Inneren des Bauelementes große Luft- und Kriechstrecken sichergestellt. Ein solcher Steg 13 nimmt hierbei von oben eine Lippe 13 auf. Der Steg 13 ist so tief gezogen, dass er unterseitig in den die Chips abdeckenden, isolierenden Verguss hineinragt. Die erfin­ dungsgemäße Konstruktion vermeidet also zusätzlich zuverlässig Spannungsüberschläge innerhalb des Bauelements.
Bezugszeichenliste
1
Leistungshalbleiter-Modul
2
Gehäuse
3
Anschlusselement
4
Anschlusselement
5
Anschlusselement
6
Schlitz
7
Schlitz
8
Anschlusselement für Ansteuerung
9
Anschlusselement für Ansteuerung
10
Bohrung
11
Lippe
12
Lippe
13
Steg
14
Mutter
15
Mutter
16
obere Stromschiene
17
Isolierschiene
18
untere Stromschiene
19
Isolierschiene
20
Hülse
21
Hülse
22
Schraube
23
Schraube

Claims (5)

1. Leistungshalbleiter-Modul mit aus der Oberfläche seines Gehäuses (2) her­ ausgeführten Anschlusselementen (3, 4, 5), dadurch gekennzeichnet, dass zwischen je zwei Anschlusselementen (3, 4, 5) ein zur Aufnahme einer Lippe (11, 12) geeigne­ ter Schlitz (6, 7) im Gehäuse (2) eingebracht ist.
2. Leistungshalbleiter-Modul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schlitz (6, 7) in einem Steg (13) eingebracht ist, welcher in den Verguss im Ge­ häuseinneren ragt.
3. Leistungshalbleiter-Modul nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Lippe (11, 12) aus einem elastischen Isolierstoff - vorzugsweise Gummi - besteht.
4. Leistungshalbleiter-Modul nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Profil und die Abmessungen der Lippen (11, 12) so gewählt sind, daß die Lippen (11, 12) vor und/oder bei Anschluß externer Verbindungselemente an die Anschlußelemente (3, 4, 5) die Luft- und/oder Kriechstrecken zwischen spannungsführenden Teilen vergrößern.
5. Leistungshalbleiter-Modul nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abmessungen der Lippen (11, 12) so gewählt sind, dass ihre Breite in ungedehntem Zustand geringfügig größer als die Breite des Schlitzes (6, 7) und ihre Länge in ungedehntem Zustand geringfügig kürzer als diejenige des Schlitzes (6, 7) ist.
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