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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Leistungshalbleitermodul und betrifft
insbesondere ein Leistungshalbleitermodul mit einer Trägerplatte,
auf der mindestens vier Substrate angeordnet sind und mit einer
ersten und zweiten Busschiene aus zwei voneinander beabstandet und
isoliert angeordneten leitenden Platten jeweils zum Tragen eines
unteren und oberen elektrischen Potenzials, die jeweils von den Substraten
abgewendete äußere und
substratseitige innere Anschlusslaschen tragen. Ein derartiges Leistungshalbleitermodul
ist aus
EP 0 427 143
B1 bekannt.
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Leistungshalbleitermodule
mit Halbbrücken werden
beispielsweise zum Aufbau von Drehstrom-Umrichtern für elektrische
Antriebe verwendet. Derartige Umrichter enthalten einen Gleichrichterteil, einen
Gleichstromzwischenkreis mit einem Kondensator und einem Wechselrichterteil.
Der Leistungsteil des Wechselrichters kann aus Halbbrückenschaltungen
aufgebaut werden. Geeignet dafür
sind Halbbrückenschaltungen,
die z.B. als Halbleiterschalter schnell schaltende IGBT-Transistoren
und sehr schnelle Freilaufdioden enthalten.
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In
den jeweiligen Halbbrückenschaltungen ist
es besonders wichtig, die Kommutierungsvorgänge:
- – IGBT-Transistor
schaltet ab und der Strom kommutiert in die Diode und
- – IGBT-Transistor
schaltet ein und der Strom kommutiert in den IGBT-Transistor
zu
symmetrieren.
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Aus
DE 199 27 285 A1 ist
ein Leistungshalbleitermodul bekannt, bei dem eine Anzahl von Leistungshalbleiterschaltelementen
auf einem Keramiksubstrat so angeordnet sind, dass die Anschlusspunkte
für das
untere und obere Potenzial der Leistungshalbleiterschaltelemente
auf dem Substrat in einer Richtung auf beiden Seiten des Moduls
alternierend hintereinander in einer Reihe so angeordnet sind, dass
sich die Induktivität
der Leistungshalbleiterschaltelemente deutlich verringern lässt.
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Demnach
ist es Aufgabe der Erfindung, bei dem eingangs genannten gattungsgemäßen Leistungshalbleitermodul,
eine verbesserte, einfache und kostengünstige Symmetrierung der Kommutiervorgänge zwischen
den Halbleiterschaltern und den Freilaufdioden der Halbbrücken anzugeben.
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Die
obige Aufgabe wird anspruchsgemäß gelöst.
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Gemäß einem
wesentlichen Aspekt der Erfindung ist ein gattungsgemäßes Leistungshalbleitermodul
dadurch gekennzeichnet, dass
- – die Substrate
auf der Trägerplatte
in einer Reihe liegen,
- – auf
jedem einzelnen Substrat Bauelemente zu einer elektrischen Halbbrücke verschaltet
sind und
- – die
Anschlusspunkte jeweils für
das untere und obere Potenzial aller Substrate durch die inneren Anschlusslaschen
jeweils der das untere Potenzial tragenden ersten Busschiene und
der das obere Potenzial tragenden zweiten Busschiene parallel geschaltet
sind, wobei
- – die
Fußpunkte
der inneren Anschlusslaschen jeweils der das untere und das obere
Potenzial tragenden ersten und zweiten Busschiene auf den ihnen
zugeordneten Anschlusspunkten der Substrate in der Richtung der
Reihe derselben hintereinander in einer Reihe angeordnet sind, und
- – für jedes
einzelne Substrat die Reihenfolge der Anschlusspunkte für das untere
und das obere Potenzial genau der Reihenfolge der äußeren Anschlusslaschen
an den beiden Busschienen in Richtung der Reihe der Substrate entspricht.
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Dem
erfindungsgemäßen Lösungsvorschlag liegt
die Erkenntnis zugrunde, dass sich die Symmetrierung der Kommutierungsvorgänge durch
die richtige Wahl der Reihenfolge der äußeren Anschlusslaschen der
Busschienen relativ zur Reihenfolge der inneren Anschlusspunkte
der parallel geschalteten Halbbrücken auf
der Substratebene verbessern lässt.
Dabei muss für
jedes Einzelsubstrat auf dem Leistungshalbleitermodul gelten, dass
sich die geometrischen Verbindungslinien zwischen den äußeren Anschlusslaschen
der Busschienen und dem jeweiligen Anschlusspunkt für das untere
und obere Potenzial der jeweiligen Halbbrücke auf Substratebene nicht
kreuzen dürfen.
Dadurch entstehen "Hauptstromrichtungen", die eine Symmetrierung
des Stroms bei dynamischen Vorgängen
begünstigen. Dabei
gilt, dass entlang der Modulachse die Reihenfolge der äußeren Anschlusslaschen
dieselbe sein muss wie bei jedem Einzelsubstrat auf der Höhe der inneren
Anschlusslaschen, die zwischen den Busschienen und der Halbbrücke auf
dem Substrat liegen.
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Weiterhin
bevorzugt sind die äußeren Anschlusslaschen
jeweils für
das untere und obere Potenzial an einem Ende der Busschienen, d.h.
z.B. auch an einem Ende der Modullängsachse angeordnet.
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Bei
einer besonders bevorzugten Ausführungsform
liegt die Reihe der Substrate in Richtung der Modullängsachse
und die leitenden Platten der Busschienen stehen planparallel zueinander
und entlang der Längsachse
des Moduls. Die planparallelen Platten der Busschienen sind bei
der zuletzt genannten Ausführungsform
bevorzugt im rechten Winkel zur Ebene der Trägerplatten angeordnet.
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Dabei
können
die inneren Anschlusslaschen der jeweiligen Busschiene in ihrer
jeweiligen Plattenebene liegen, oder sie können auch eine Zugentlastung
in Form eines horizontalen Teilabschnitts aufweisen.
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Bei
einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel des Leistungshalbleitermoduls
gemäß der Erfindung
können
die inneren Anschlusslaschen wirksam durch in die Platten der Bus schienen
eingebrachte Schlitze derart verlängert werden, dass die bei
Kommutierungsvorgängen
wirksamen Teilinduktivitäten
so verändert
werden, dass sie die Symmetrierung des Schaltverhaltens noch weiter
verbessern.
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Weiterhin
können
bei dem erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermodul
vorteilhafterweise in den planparallelen Platten der Busschienen
Aussparungen zur Beeinflussung von Wirbelstromeffekten vorgesehen
sein.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform wird
ein erfindungsgemäßes Halbleitermodul
durch eine zusätzliche
dritte Busschiene mit inneren Anschlusslaschen komplettiert, die
die Wechselstromanschlüsse
der Halbbrückensubstrate
miteinander verbinden.
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Vorteilhaft
ist bei dem erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermodul,
dass die durch die richtige Wahl der Reihenfolge der inneren Anschlusspunkte der
parallel geschalteten Halbbrücken
auf Substratebene und der ihnen zugeordneten inneren Anschlusslaschen
der Busschienen relativ zur Reihenfolge der äußeren Anschlusslaschen der
Busschienen entstehenden Hauptstromrichtungen eine Symmetrierung
des Stroms bei dynamischen Vorgängen, d.h.
in den Zeitpunkten der Kommutierung begünstigen, wodurch Umverteilungseffekte
des Laststroms bei den Kommutierungsvorgängen minimiert werden.
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Die
obigen und weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung werden in
der nachstehenden Beschreibung Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungsfiguren
mehr im Einzelnen beschrieben. Die Zeichnungsfiguren zeigen im Einzelnen:
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1A die
Struktur der bei dem erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermodul
eingesetzten Bus schienen jeweils für das untere (Minuspotenzial) und
das obere elektrische Potenzial (Pluspotenzial);
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1B Hauptrichtungen
der Stromänderung di/dt
pro Substrat für
die Anteile der Stromänderung, die
durch ein erstes Substrat des erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls
mit den in 1A gezeigten Busschienen verursacht
werden;
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2 eine
Vergleichsdarstellung, bei der nicht die erfindungsgemäße Struktur
der Busschienen eingesetzt wurde und bei der sich die Projektionen
der Hauptrichtungen der Stromänderungen,
die pro Substrat vorkommen, im Gegensatz zu den Hauptrichtungen
der Stromänderungen
gemäß 1A,
in der Ebene der Busschienen kreuzen;
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3A eine
ebene perspektivische Darstellung einer schematischen Schaltungsanordnung
aus einreihig angeordneten Substraten die Schaltungselemente in
Halbbrückenkonfiguration
enthalten, wobei die Substrate im erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermodul
mit der in 1A gezeigten Busschienenstruktur
parallel geschaltet werden können;
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3B schematisch
und perspektivisch den Aufbau eines kompletten Leistungshalbleitermoduls mit
einer Busschienenstruktur gemäß 1A und
einer zusätzlichen
Stromschiene für
den Wech selstromanschluss zur Parallelschaltung der Halbbrücken auf
den Einzelsubstraten;
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4A grafisch
Stromverläufe
bei Kommutierungsvorgängen
in einer Halbbrücke
des in 3B gezeigten erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls;
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4B grafisch
Stromverläufe
bei Kommutierungsvorgängen
in einer Halbbrücke
mit einer Busschienenstruktur gemäß 2 (nicht
erfindungsgemäß);
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5A eine
vorteilhafte Ausbildungsform einer Busschienenstruktur gemäß 1A,
bei der die Fläche,
die von den beiden Hauptrichtungen der Stromänderung pro Substrat eingeschlossen
wird durch in den Busschienen angebrachte Schlitze vergröbert ist;
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5B eine
weitere vorteilhafte Ausbildungsform der erfindungsgemäßen Busschienenstruktur
gemäß 1A,
bei der zur lokalen Unterdrückung
von Wirbelstromeffekten Aussparungen in den Busschienen angebracht
sind und
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6 ein
Ersatzschaltbild eines aus vier Halbbrücken bestehenden Leistungshalbleitermoduls
mit schematisch angedeuteten Busschienen, die nicht die erfindungsgemäße Struktur
haben.
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Zunächst wird
unter Bezug auf das in 6 gezeigte Ersatzschaltbild
ein prinzipieller Aufbau eines Leistungshalblei termoduls erläutert, das
z.B. als Wechselrichterteil eines Drehstromumrichters eingesetzt
werden kann.
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Das
in 6 gezeigte Leistungshalbleitermodul besteht in
diesem Beispiel aus vier parallel geschalteten Halbbrückenschaltungseinheiten
I, II, III und IV. In jeder Halbbrückenschaltungseinheit sind zwischen
einem Plusanschluss 4 und einem Minusanschluss 3 zwei
Leistungsschaltelemente IGBTo und IGBTu in Serie geschaltet. Bei
den Leistungsschaltelementen handelt es sich jeweils um einen Bipolartransistor
mit isoliertem Gate (IGBT: Insulated Gate Bipolar Transistor). Jedem
oberen Leistungsschaltelement IGBTo ist eine obere Freilaufdiode
Do und jedem unteren Leistungsschaltelement IGBTu eine untere Freilaufdiode
Du parallel geschaltet. Der gemeinsame Knotenpunkt jeweils zwischen
dem oberen und dem unteren Leistungsschaltelement IGBTo und IGBTu
und der oberen und unteren Freilaufdiode Do und Du entspricht dem
gemeinsamen Lastanschluss. Die beiden Leistungsschaltelemente IGBTo
und IGBTu werden von je einem Steueranschluss So und Su angesteuert.
Gemäß 6 sind sämtliche
Plusanschlüsse 4 der
Halbbrückeneinheiten
I–IV durch
eine erste Busschiene 200 mit inneren Anschlusslaschen 211–214 und
einer äußeren Anschlusslasche 220 parallel
geschaltet. Gleichermaßen
sind sämtliche
Minusanschlüsse 3 der
Halbbrückeneinheiten
I–IV durch
eine zweite Busschiene 100 mit inneren Anschlusslaschen 111–114 und
einer äußeren Anschlusslasche 110 parallel
geschaltet. Auch die gemeinsamen Lastanschlüsse sind durch eine weitere
Busschiene 500 parallel geschaltet, die eine äußere Anschlusslasche 550 trägt.
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Im
Betrieb des in 6 gezeigten Leistungshalbleitermoduls
werden die oberen und unteren Leistungsschaltelemente IGBTo und
IGBTu abwechselnd geöffnet
und geschlossen. Bei dem dabei stattfindenden Kommutierungsvorgang
fließen
Freilaufströme durch
die jeweils zugeordneten Freilaufdioden Do und Du. Zum Beispiel
schaltet, wenn man eine der Halbbrückeneinheiten betrachtet, bei
einem Kommutierungsvorgang das obere Leistungsschaltelement IGBTo
ab, und der Strom kommutiert in die parallel geschalteten Dioden
Do, Du; beim nächsten Kommutierungsvorgang
schaltet das obere Leistungsschaltelement IGBTo ein und der Strom
kommutiert in den IGBTo. Bei diesen Kommutierungsvorgängen können, wenn
die Reihenfolge der inneren Anschlusslaschen der Busschienen 100 und 200 relativ
zu den äußeren Anschlusslaschen 220 und 110 der
Busschienen nicht beachtet wird, störende und ungünstige Unsymmetrien
durch Umverteilungseffekte des Laststroms auftreten.
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Die
Erfindung schlägt
eine Lösung
für dieses Problem
vor, bei der durch die richtige Wahl der Reihenfolge der äußeren Anschlusslaschen
der ersten und zweiten Busschiene relativ zur Reihenfolge der inneren
Anschlusslaschen derselben und damit der inneren Anschlusspunkte
der parallel geschalteten Halbbrückeneinheiten,
eine Symmetrierung der Lastströme
erreicht wird.
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Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsbeispiele
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1A zeigt
schematisch in gestrichelten Linien eine erste Busschiene 1 in
Form einer leitenden Platte und in ausgezogenen Linien eine zweite
Busschiene 2 in Form einer zweiten leitenden Platte für ein erfindungsgemäßes Leistungshalbleitermodul. Wie
weiter unten anhand der 3B näher beschrieben
wird, entspricht die Reihenfolge der äußeren Anschlusslasche 10 der
ersten Busschiene 1 und der äußeren Anschlusslasche 20 der
zweiten Busschiene 2 genau der Reihenfolge der inneren
Anschlusslaschen 11 und 21, 12 und 22, 13 und 23 sowie 14 und 24 der
beiden Busschienen bezogen auf jedes einzelne Substrat (vgl. die
weiter unten beschriebene 3B).
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Die
Bezeichnung äußere Anschlusslasche bezieht
sich auf die von den Substraten wegweisende äußere Seite der beiden Busschienen 1 und 2 und die
Bezeichnung innere Anschlusslaschen auf die zum Substrat weisende
Seite der beiden Busschienen und 2.
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Zu
der eben erläuterten
erfindungsgemäßen Struktur
der ersten und zweiten Busschiene 1 und 2 zeigt 1B Hauptrichtungen
der Stromänderung di/dt
pro Substrat (hier z.B. für
ein einzelnes rechts liegendes Substrat 41 gemäß 3B)
für die
Anteile der Stromänderung,
die durch dieses Substrat verursacht werden. Der Pfeil 312 zeigt
den Stromänderungsanteil
für das
Ausschalten des Leistungsschaltelements im unteren Halbbrückenzweig
dieses Substrats 41 (gemäß 3B) und
der Pfeil 322 für
dasselbe Substrat den Stromänderungsanteil
für das Einschalten
der Freilaufdiode im oberen Halbbrückenzweig. 1B macht
deutlich, dass die Reihenfolge der Anschlusslaschen so gestaltet
sein muss, dass pro Substrat die Projektionen der Hauptrichtung der
Stromänderungen
in die Ebene der beiden Busschienen 1 und 2 keine
Kreuzungen aufweisen. Das heißt,
dass die in 1B gezeigte Struktur der beiden
Busschienen 1 und 2 sowie die Reihenfolge ihrer inneren
Anschlusslaschen 11 und 21, 12 und 22, 13 und 23 sowie 14 und 24 bezogen
auf ihre äußeren Anschlusslaschen 10 und 20 Kreuzungsfreiheit
der genannten Projektionen der Hauptrichtungen der Stromänderungen
in der Ebene der beiden Busschienen 1 und 2 gewährleisten.
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Es
ist zu bemerken, dass die erste Busschiene 1 für unteres
Potenzial planparallel zur zweiten Busschiene 2 für oberes
Potenzial angeordnet ist, dass die inneren Anschlusslaschen 11, 12, 13 und 14 der
ersten Busschiene 1 in deren Plattenebene liegen und dass
die inneren Anschlusslaschen 21, 22, 23 und 24 der
zweiten Busschiene 2 für
oberes Potenzial in deren Plattenebene liegen. Weiterhin können an
jeder Busschiene 1, 2 auch mehrere äußere Anschlusslaschen 10, 20 angeordnet
sein.
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2 zeigt
schematisch eine Gegendarstellung zu der in den 1A und 1B gezeigten
erfindungsgemäßen Struktur
der ersten und zweiten Busschiene 1 und 2. Dabei
ist deutlich erkennbar, dass die Reihenfolge der inneren Anschlusslaschen 11 und 21, 12 und 22, 13 und 23 sowie 14 und 24 jeweils
der ersten Busschiene 1 für unteres Potenzial und der
zweiten Busschiene 2 für
oberes Potenzial umgekehrt ist zur Reihenfolge ihrer äußeren Anschlusslaschen 10 und 20.
Der Pfeil 313 zeigt den Stromänderungsanteil für das Ausschalten
des Leistungsschaltelements im unteren Halbbrückenzweig des ersten Substrats
(41 gemäß 3B)
und der Pfeil 323 den Stromänderungsanteil für das Einschalten
der Freilaufdiode im oberen Halbbrückenzweig desselben Substrats.
Bei der in 2 gezeigten Struktur der Busschienen 1 und 2 kreuzen
sich die Projektionen der Hauptrichtungen der Stromänderungen,
die pro Substrat vorkommen, in der Ebene der Busschienen.
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3A zeigt
schematisch und perspektivisch eine Anordnung aus beispielsweise
vier Substraten, die jeweils Leistungsschaltelemente und Freilaufdioden
in Halbbrückenkonfiguration
aufweisen, die erfindungsgemäß mit den
in den 1A und 1B dargestellten
beiden Busschienen 1 und 2 parallel geschaltet
werden. Die vier Substrate 41, 42, 43 und 44 sind
in einer Reihe auf einer Trägerplatte 40 befestigt.
Für das
erste Substrat 41 auf der rechten Seite bezeichnen 411 einen
Anschlussbereich für eine
erste innere Anschlusslasche der ersten Busschiene 1 für unteres
(minus) Potenzial (siehe Ziffer 11 in 1A und 1B), 412 einen
Anschlussbereich für
eine erste innere Anschlusslasche der zweiten Busschiene für oberes
(plus) Potenzial (siehe 1A und 1B), 413 einen
An schlussbereich für
eine erste innere Anschlusslasche einer in 3B gezeigten
Wechselstrombusschiene 5, 414 ein Leistungsschaltelement
im unteren Halbbrückenzweig
des ersten Substrats 41 (im oberen Halbbrückenzweig
entsprechend) und 415 eine Freilaufdiode im unteren Halbbrückenzweig
des ersten Substrats 41 (im oberen Halbbrückenzweig
entsprechend).
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3B zeigt
schematisch und perspektivisch den Aufbau eines kompletten aus vier
Halbbrückeneinheiten 41, 42, 43 und 44,
einer ersten Busschiene 1 für unteres (minus) Potenzial,
einer zweiten Busschiene für
oberes (plus) Potenzial und einer Wechselstrombusschiene 5 bestehenden
Leistungshalbleitermoduls, mit der bezogen auf die 1A und 1B erläuterten
Struktur der beiden Busschienen 1 und 2 für unteres
und oberes Potenzial. Es ist aus 3B deutlich
ersichtlich, dass alle Minusanschlussbereiche 411 sämtlicher
Substrate 41–44 durch
die inneren Anschlusslaschen 11, 12, 13, 14 der
ersten Busschiene 1 für
unteres elektrisches Potenzial miteinander parallel geschaltet sind und
dass ferner alle Anschlussbereiche 412 sämtlicher
Substrate 41–44 auf
der Trägerplatte 40 durch die
inneren Anschlusslaschen 21, 22, 23 und 24 der zweiten
Busschiene 2 für
oberes elektrisches Potenzial (plus) miteinander parallel geschaltet
sind. Ferner ist die planparallele Anordnung der Plattenbereiche
der beiden Busschienen 1 und 2 senkrecht zur Ebene
der Trägerplatte 40 deutlich
sichtbar. Des Weiteren ist in 3B deutlich
zu erkennen, dass die äußeren Anschlusslaschen 10 und 20 jeweils
an der ersten Busschiene 1 für unteres (minus) Potenzial und
an der zweiten Busschiene 2 für oberes (plus) Potenzial zu
einem Ende der Trägerplatte 40 des
Moduls hin angeordnet sind. Obwohl 3B beispielhaft
nur eine äußere Anschlusslasche 10, 20 pro Busschiene 1, 2 zeigt,
kann jede Busschiene 1, 2 oder auch eine von ihnen
mehrere äußere Anschlusslaschen
haben.
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Ferner
zeigt 3B eine Wechselstrombusschiene 5,
die substratseitige innere Anschlusslaschen 51–54 und
im Beispiel eine äußere Anschlusslasche 50 aufweist,
die von den Substraten 41–44 bzw. der Trägerplatte 40 abgewendet
ist. Gemäß den 3A, 3B liegen
die Minusanschlussbereiche 411 einerseits und die Plusanschlussbereiche 412 andererseits
der Substrate 41–44 jeweils
in einer Reihe. Es muss jedoch bemerkt werden, dass diese nicht
streng auf einer geraden (gedachten) Linie liegen müssen, so
dass die inneren Anschlusslaschen 11, 12, 13, 14 der
ersten Busschiene 1 einerseits und die inneren Anschlusslaschen 21, 22, 23, 24 der zweiten
Busschiene 2 einen gewissen Versatz in ihren Reihen haben
können.
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Für ein derartiges
erfindungsgemäßes Leistungshalbleitermodul,
wie es in 3B dargestellt ist, zeigt 4A grafisch
Strom und Spannungsverläufe
bei Kommutierungsvorgängen.
Darin bezeichnen 601 ein Zeitintervall der Kommutierung
beim synchronen Ausschalten aller vier Leistungsschaltelemente,
die auf den unteren Halbbrückenzweigen
der Substrate 41–44 platziert
sind und 602 ein Zeitintervall der Kommutierung beim synchronen
Einschalten der vier Leistungsschaltelemente, die auf den unteren
Halbbrückenzweigen
der Substrate 41–44 platziert
sind. Die Linie 61 zeigt den Laststromverlauf als Teilstrom
bei Messung an der inneren Wechselstromanschlusslasche des ersten
Substrats 41 und die Linie 62 den Laststromverlauf
als Teilstrom bei Messung an der inneren Wechselstromanschlusslasche des
vierten Substrats 44. Schließlich zeigen die Graphen 6a den
Gesamtstromverlauf bei Messung am Leistungsschaltelement des unteren
Halbbrückenzweigs
und 6b den Spannungsverlauf bei Messung am Leistungsschaltelement
des unteren Halbbrückenzweigs.
Bemerkenswert ist in 4A, dass die Stromverläufe in allen
vier parallel geschalteten Halbbrückeneinheiten der Substrate 41–44 gut
symmetriert sind.
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4B zeigt
zum Vergleich mit 4A deutliche Umverteilungseffekte
des Laststroms insbesondere in den mit 701 und 702 bezeichneten
Zeitintervallen der Kommutierung jeweils beim synchronen Abschalten
der vier Leistungsschaltelemente, die auf den unteren Halbbrückenzweigen
der vier Substrate platziert sind und beim synchronen Einschalten
der vier Leistungsschaltelemente, die auf den unteren Halbbrückenzweige
der vier Substrate platziert sind. 7a verdeutlicht graphisch
den Gesamtstromverlauf bei Messung am Leistungsschaltelement des
unteren Halbbrückenzweigs
und 7B graphisch den Spannungsverlauf bei Messung am Leistungsschaltelement
des unteren Halbbrückenzweigs. 71 zeigt
den Laststromverlauf als Teilstrom bei Messung an der inneren Anschlusslasche
der Wechselstrombusschiene des ersten Substrats und 74 den
Laststromverlauf als Teilstrom bei Messung an der inneren Anschlusslasche
der Wechselstrombusschiene des vierten Substrats. Im Moment des
synchronen Abschaltens 701 nimmt der Laststrom in der inneren
Wechselstomanschlusslasche des ersten Substrats zu, wogegen er in
der inneren Wechselstromanschlusslasche des vierten Substrats abnimmt.
Beim synchronen Einschalten 702 nimmt dagegen der Laststrom
in der inneren Wechselstromanschlusslasche des ersten Substrats
ab und in der inneren Wechselstromanschlusslasche des vierten Substrats
zu.
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Zu 4B muss
bemerkt werden, dass die Struktur der ersten Busschiene für unteres
elektrisches Potenzial und der zweiten Busschiene für oberes
elektrisches Potenzial nicht der in den 1A und 1B gezeigten
erfindungsgemäßen Struktur derselben
entspricht. Falls die anhand der 1A und 1B erläuterte Strukturregel
der einander entsprechenden Reihenfolge der inneren und äußeren Anschlusslaschen
der beiden Busschienen 1 und 2 nicht beachtet
wird, treten bei den Kommutierungsvorgängen, wie die Intervalle 701 und 702 gemäß 4B zeigen, deutliche
Umverteilungseffekte des Laststroms auf, die zu Asymmetrien führen.
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5A zeigt
schematisch eine vorteilhafte Weiterbildung der bezogen auf die 1A und 1B erläuterten
erfindungsgemäß strukturierten beiden
Busschienen jeweils für
unteres und oberes elektrisches Potenzial eines erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls.
Dabei ist die Fläche,
die von den beiden Hauptrichtungen der Stromänderung di/dt pro Substrat
(z.B. ausgehend vom ersten Substrat 41) eingeschlossen
wird durch das Einbringen von Schlitzen 111 und 211 in
den Plattenabschnitt der Busschienen 1 und 2 vergrößert. Der
Schlitz 111 dient in der ersten Busschiene 1 für unteres
(minus) Potenzial zur wirksamen Verlängerung der inneren Anschlusslasche 11 in
den Plattenbereich der Busschiene 1 hinein. 211 bezeichnet
einen Schlitz in der zweiten Busschiene 2 für oberes
(plus) Potenzial zur wirksamen Verlängerung der inneren Anschlusslasche 21 in
den Plattenbereich der Busschiene 2 hinein. Der Pfeil 312 veranschaulicht
den Stromänderungsanteil
für das
Ausschalten des Leistungsschaltelements im unteren Halbbrückenzweig
des ersten Substrats (41 gemäß 3B), und
der Pfeil 322 verdeutlicht den Stromänderungsanteil für das Einschalten
der Freilaufdiode im oberen Halbbrückenzweig desselben Substrats
(41 in 3B). Durch die Bildung der Schlitze
entsprechend 5A kann eine weitere Symmetrierung
des Schaltverhaltens erreicht werden. Die optimale Schlitzgeometrie
kann experimentell bestimmt oder durch Modellierung in der Simulation
errechnet werden. Allgemein kann dieses Verfahren auch für die weiteren
inneren Anschlusslaschen 12, 13, 14 bzw. 22, 23, 24 zur
Kontaktierung der anderen Substrate 42–44 angewendet werden. Hier
in 5A ist es allerdings nur für die Anschlusslaschen 11 und 21,
d.h. für
die Kontaktierung des ersten Substrats 41 gezeigt.
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5B zeigt
noch eine vorteilhafte Weiterbildung eines erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls
durch das Anbringen einer oder mehrerer Aussparungen in der einen
oder anderen Busschiene, und zwar zunächst eine Aussparung 25 in
der zweiten Busschiene 2 für oberes (plus) Potenzial,
die in der Projektion der Hauptrichtung der Stromänderung
(Pfeil 312) für
das erste Substrat 41 angeordnet ist. Wie in 1B zeigt
der Pfeil 312 den Stromänderungsanteil
für das
Ausschalten des Leistungsschaltelements im unteren Halbbrückenzweig
des ersten Substrats 41, während der Pfeil 322 den
Stromänderungsanteil
für das
Einschalten der Freilaufdiode im oberen Halbbrückenzweig des ersten Substrats 41 andeutet.
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Zu 5B ist
zu bemerken, dass Wirbelströme
generell die Teilinduktivität
in dem Bereich der Leiter, in dem sie auftreten, reduzieren. Durch
geeignete Anordnung von Aussparungen im jeweils gegenüberliegenden
Plattenbereich der Busschiene kann die Teilinduktivität in der
Busschiene, in der eine Stromänderung
stattfindet, manipuliert werden. Die geschickte Anordnung der Aussparungen
kann zur weiteren Symmetrierung des Schaltverhaltens führen. Die
durch die ausgezogene Linie dargestellte Aussparung 25 in
der zweiten Busschiene 2 für oberes (plus) Potenzial ist
nur beispielhaft. Wie die gestrichelt eingezeichnete Aussparung 15 in
der Busschiene 1 für
unteres (minus) Potenzial zeigt, kann das Verfahren auch auf die
erste Busschiene für
unteres Potenzial übertragen
werden. Die optimale Lage der Aussparungen findet man durch gezielte Experimente
oder Modellierung in einer Simulation.
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5B veranschaulicht
mit den Bezugsziffern 141 und 241 an den inneren
Anschlusslaschen 11, 12, 13, 14 sowie 21, 22, 23, 24 jeweils
der ersten Busschiene 1 für unteres Potenzial und der
zweiten Busschiene 2 für
oberes Potenzial angebrachte ho rizontale Teilabschnitte, die eine
Zugentlastung für
die jeweilige Busschiene 1 und 2 bilden.
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Zusammengefasst
gibt die vorliegende Erfindung ein Leistungshalbleitermodul mit
einer Trägerplatte 40,
auf der mindestens vier Substrate 41–44 angeordnet sind
und mit einer ersten und zweiten Busschiene 1, 2 aus
zwei voneinander beabstandet und isoliert angeordneten leiten Platten
jeweils zum Tragen eines unteren und oberen elektrischen Potenzials
an, die jeweils von den Substraten abgewendete äußere und substratseitige innere
Anschlusslaschen tragen.
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Dieses
Leistungshalbleitermodul zeichnet sich dadurch aus, dass
- – die
Substrate 41–44 auf
der Trägerplatte 40 in einer
Reihe liegen,
- – auf
jedem einzelnen Substrat 41–44 Bauelemente 414, 415 zu
einer elektrischen Halbbrücke verschaltet
sind, und
- – die
Anschlusspunkte 411, 412 jeweils für das untere
und obere Potenzial aller Substrate 41–44 durch die inneren
Anschlusslaschen 11, 12, 13, 14 und 21, 22, 23, 24 jeweils
der das untere Potenzial tragenden ersten Busschiene 1 und
der das obere Potenzial tragenden zweiten Busschiene 2 parallel
geschaltet sind, wobei
- – die
Fußpunkte
der inneren Anschlusslaschen 11, 12, 13, 14 und 21, 22, 23, 24 jeweils
der das untere und das obere Potenzial tragenden ersten und zweiten
Busschiene 1, 2 auf den ihnen zugeordneten Anschlusspunkten
der Substrate 41–44 in
der Richtung der Reihe derselben hintereinander aufgereiht sind,
und
- – für jedes
einzelne Substrat 41–44 die
Reihenfolge der Anschlusspunkte für das untere und das obere
Potenzial genau der Reihenfolge der äußeren Anschlusslaschen 10, 20 an
den beiden Busschienen 1, 2 in Richtung der Reihe
der Substrate 41–44 entspricht.