DE102006028358B4 - Leistungshalbleitermodul - Google Patents

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Abstract

Leistungshalbleitermodul (2), aufweisend:ein Modulgehäuse (2A), in dem Leistungshalbleiterbauelemente untergebracht sind;einen rahmenförmigen Magnetkern (6a), der derart um das Modulgehäuse angeordnet ist, dass er die Leistungshalbleiterbauelemente umschließt; undVorsprünge (2e, 2f) oder Nuten, die auf den Seitenflächen des Modulgehäuses (2A) ausgebildet sind, und der Magnetkern (6a) mit den Vorsprüngen (2e, 2f) oder Nuten verbunden ist, wodurch der Magnetkern (6a) am Modulgehäuse (2A) befestigt ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Leistungshalbleitermodul, das in dieses eingebaute Leistungshalbleiterbauteile an- und ausschaltet, um eine Wandlung von elektrischem Strom durchzuführen. Speziell betrifft die Erfindung Verfahren zur Verminderung der Schaltverluste, die durch das Schalten der Leistungshalbleiterbauteile verursacht werden.
  • Eine Vorrichtung zum Ansteuern eines Wechselstrommotors (sogenannter Wechselrichter), eine unterbrechungsfreie Stromversorgung (UPS) und andere derartige Leistungsstromrichter schalten in ihnen enthaltene Leistungshalbleiterbauteile ein und aus, um eine Stromwandlung bzw. Stromrichtung durchzuführen.
  • 13 ist ein Blockschaltdiagramm eines herkömmlichen Leistungsstromrichters, der Leistungshalbleitermodule beinhaltet. In 13 sind eine Gleichstromversorgung 1, Leistungshalbleitermodule 2U, 2V und 2W, ein Motor 3 als Last und eine Ansteuerschaltung 4 zum Ansteuern der Leistungshalbleitermodule 2U, 2V und 2W für die jeweiligen Phasen dargestellt. Jedes Leistungshalbleitermodul 2U, 2V oder 2W beinhaltet zwei Isolierschicht-Bipolartransistoren (nachfolgend als „IGBTs“ bezeichnet), die in Reihe geschaltet sind, und zwei Freilaufdioden, die in antiparallel zu den jeweiligen IGBTs geschaltet sind. Die Leistungshalbleitermodule 2U, 2V und 2W für die jeweiligen Phasen schalten die jeweiligen IBGTs im oberen Strang und die jeweiligen IGBTs im unteren Strang an und aus, um den von der Gleichstromversorgung 1 kommenden Gleichstrom in Wechselstrom zu wandeln und den gewandelten Wechselstrom dem Motor 3 zuzuführen.
  • Die Pulsweitenmodulation (nachfolgend als „PWM“ bezeichnet) ist als eines der Verfahren zum Steuern des Schaltens der IBGTs allgemein bekannt. Eine Steuerschaltung 5, die einen Komparator 5c beinhaltet, ist außerhalb der Leistungshalbleitermodule 2U, 2V und 2W angeordnet, um eine PWM-Steuerung durchzuführen. Der Komparator 5c vergleicht eine Referenzausgangsspannung 5a mit einer Trägerschwingung 5b und bestimmt ein Schaltmuster. Das bestimmte Schaltmuster wird an die Ansteuerschaltung 4 gesendet. Die Ansteuerschaltung 4 wandelt das Schaltmuster in Gate-Signale um und sendet die Gate-Signale an die jeweiligen Module 2U, 2V und 2W.
  • Leistungshalbleiterbauelemente, wie beispielsweise die IGBTs und sind mit ihren Freilaufdioden in Gehäusen für die jeweiligen Phasen montiert derart, dass die Leistungshalbleitermodule 2U, 2V und 2W konfiguriert sind. Die zuvor beschriebene Konfiguration des Leistungshalbleitermoduls erleichtert die Vereinfachung der Struktur des Leistungsstromrichters, die Montage des Leistungsstromrichters, die Verdrahtung des Leistungsstromrichters und die Kühlung der im Leistungsstromrichter befindlichen Bauelemente.
  • 14 ist ein schematischer Querschnitt der herkömmlichen Leistungshalbleitermodule 2U, 2V oder 2W bei deren Verwendung. Da die Leistungshalbleitermodule 2U, 2V und 2W die gleiche Struktur haben, ist das Leistungshalbleitermodul in 14 mit dem gemeinsamen Bezugszeichen 2 bezeichnet.
  • Nachfolgend Bezug nehmend auf 14 sind Schaltungsmuster 9 auf einem keramischen Isoliersubstrat 16 ausgebildet. Halbleiterchips 8 der IGBTs und ihrer Freilaufdioden sind an jeweiligen Schaltungsmustern 9 montiert. Die Schaltungsmuster 9 und die Halbleiterchips 8 sind miteinander über elektrisch leitende Drähte 7 verbunden, die aus Aluminium oder einem anderen elektrisch leitenden Material bestehen.
  • Die Schaltungsmuster 9 sind mit einem Eingangsanschluss 2a oder 2b verbunden, der mit einer Gleichstromversorgung 1 verbunden ist. In 14 sind später noch beschriebene Impedanzelemente 6y dargestellt. Die Impedanzelemente 6y sind an jeweiligen Eingangsanschlüssen 2a und 2b befestigt.
  • Ein Isoliersubstrat 16 ist an der Oberseite einer aus einer Kupferlegierung bestehenden Radiatorplatte 10 angebracht. Eine Kühlrippe 11 ist an der Rückseite der Radiatorplatte 10 befestigt, um die Wärmeverluste, die durch die Halbleiterchips 8 in deren elektrisch leitenden Zuständen verursacht werden, an die Luft abzuführen.
  • Die Kühlrippe 11 ist für gewöhnlich über einer Erdleitung 12 mit Masse verbunden, um das Auftreten einer durch einen Kontakt mit der Kühlrippe 11 bedingten Elektrisierung zu verhindern.
  • Bei dem zuvor beschriebenen herkömmlichen Leistungsstromrichter, der die Leistungshalbleitermodule 2 beinhaltet, wird durch das Schalten der IGBTs oder anderer derartiger Leistungshalbleiterbauelemente ein zu großes Schaltrauschen verursacht. Das zu große Schaltrauschen bewirkt Fehlfunktionen der anderen Vorrichtungen und Anlagen, die um den Leistungsstromrichter herum angeordnet sind, sowie Rauschen in den anderen Geräten und Vorrichtungen, und dergleichen Störungen.
  • Das Schaltrauschen kann in zwei Arten unterteilt werden.
  • Die erste Art Schaltrauschen ist ein Gegentaktrauschen, das durch den Gegentakt-Hochfrequenzstrom verursacht wird, der durch die geschlossene Schleife fließt, die aus dem Leistungshalbleitermodul 2 und der Gleichstromversorgung 1 besteht. Die geschlossene Schleife 13a, durch welche der Gegentaktrauschstrom fließt, ist in 15(a) dargestellt.
  • Im Gegentaktmodus wird eine LC-Resonanz durch das Schalten der Leistungshalbleiterbauelemente verursacht, und zwar basierend auf der parasitären (schwebenden) Induktivität der die geschlossene Schleife 13a bildenden Verdrahtung und der pn-Übergangskapazität der Leistungshalbleiterbauelemente, was weiter einen Hochfrequenzrauschstrom verursacht, der durch die geschlossene Schleife 13a fließt.
  • Die zweite Art Schaltrauschen ist ein Gleichtaktrauschen, das durch den Rauschstrom bedingt ist, der durch die Erdleitung 12 über die parasitäre (schwebende) Kapazität (oder die Erdungskapazität) des Leistungshalbleitermoduls 2 und die parasitäre (schwebende) Kapazität (oder die Erdungskapazität) im Inneren des Leistungsstromrichters fließt. Die geschlossene Schleife 13b, durch welche der Gleichtaktrauschstrom fließt, ist in 15(b) dargestellt. In 15(b) sind die parasitäre Kapazität 14, die durch die Verdrahtung im Leistungsstromrichter bedingt ist, die parasitäre Kapazität 15a und die parasitäre Kapazität 15b des Leistungshalbleitermoduls 2 dargestellt.
  • Im Gleichtaktmodus werden die parasitäre Kapazität 14, die parasitäre Kapazität 15a und die parasitäre Kapazität 15b mit einer hohen Frequenz durch eine hohe Spannungsänderung (dV/dt) geladen und entladen, die durch das Schalten der Leistungshalbleiterbauteile verursacht wird, was einen Hochfrequenzlade- und -entladestrom hervorruft, der durch die geschlossene Schleife 13b über die Erdleitung 12 fließt. In einigen Fällen fließt der Gleichtaktrauschstrom zur Seite der Gleichstromversorgung 1 heraus, oder das Gleichtaktrauschen wird in Form von Funkwellen abgestrahlt.
  • Zum Unterdrücken des Gegentaktrauschstroms und des Gleichtaktrauschstroms wurde im Allgemeinen ein Impedanzelement wie beispielsweise eine Induktivität der Rauschstromschleife hinzugefügt.
  • In 14 sind Impedanzelemente 6y in Reihe mit jeweiligen Halbleiterchips 8 geschaltet, um den Gegentaktrauschstrom zu unterdrücken.
  • Wie zuvor beschrieben, wird der Gegentaktrauschstrom und der Gleichtaktrauschstrom in einem gewissen Maß unterdrückt, wenn ein Impedanzelement im Rauschstrompfad angeordnet ist. Wenn das Impedanzelement zum Unterdrücken des Rauschstroms so nahe wie möglich bei dem Leistungshalbleiterbauelement angeordnet ist, kann die Schaltungsgesamtgröße in effektiver Weise verringert werden, und eine Einkapselung in ein Gehäuse in effektiver Weise ausgeführt werden.
  • Die Lösungen des Standes der Technik zur Unterdrückung von verschiedenen Arten von Rauschströmen und der durch das Schalten verursachten elektromagnetischen Wellen sind in den nachstehend beschriebenen Patentdokumenten offenbart.
  • Die JP 2003 - 58 740 A (Anspruch 1, 1) offenbart eine Unterdrückungseinrichtung zum Unterdrücken von Gleichtaktrauschen. Die Unterdrückungseinrichtung beinhaltet ein ringförmiges Filterelement, das aus einem magnetischen Verbundmaterial besteht und die positiven und negativen Pole eines innenliegenden Leiters (Verbindungsleitung) zum Verbinden einer Gleichstromversorgung mit einem Halbleiterbauelement (IC-Chip) umgibt. Das Filterelement ist in ein Gehäuse eingekapselt.
  • Die JP H09 - 121 016 A (1997) (Ansprüche 1 und 4, 1 und 2) offenbart ein Rauschverminderungselement, das aus einer amorphen magnetischen Legierung besteht. Das Rauschverminderungselement ist um den Leiterabschnitt einer Diode oder eines anderen derartigen Halbleiterbauelementes herum angeordnet oder mit dem Leiterabschnitt einer Diode oder einem anderen derartigen Halbleiterbauelement zu einer Einheit formgegossen.
  • Die JP H11 - 238 844 A (1999) (Ansprüche 8 bis 10, 7) offenbart ein ringförmiges weichmagnetisches Element, das aus einer amorphen Legierung oder einer mikrokristallinen magnetischen Legierung besteht und um ein Halbleiterbauelement herum angeordnet ist.
  • Die JP 2001 - 160 605 A (Absätze [0021] bis [0040], 1 bis 5) offenbart eine elektromagnetische Abschirmungsstruktur, welche die Kanten eines Halbleitergehäusesubstrates umgibt, das durch das Schmelzen von Lotkugeln und durch Bonden mittels der geschmolzenen Lotkugeln an einer Schaltungsplatine montiert ist. Die elektromagnetische Abschirmungsstruktur umgibt die Kanten eines Halbleitergehäusesubstrates mit einer Ferritkappe oder mit einer zum Absorbieren elektromagnetischer Wellen dienenden Einrichtung, beispielsweise Formgussteilen und einem aus einem elektromagnetische Wellen absorbierenden Harz hergestelltes Band, so dass die elektromagnetischen Wellen, die von den pn-Übergangszonenabschnitten zwischen den Lotkugeln und der Schaltungsplatine abgestrahlt werden, absorbiert werden können.
  • Da bei dem herkömmlichen Verfahren, das in der JP 2003 - 58 740 A offenbart ist (nachfolgend als „herkömmliches Verfahren 1“ bezeichnet), das aus einem magnetischen Verbundmaterial bestehende Filterelement in ein Gehäuse eingekapselt ist, ist es unmöglich, das Filterelement auszutauschen (den Induktivitätswert zu ändern).
  • Für gewöhnlich variieren die Schaltrauschfrequenzen in Abhängigkeit von den Zuständen der umgebenden Schaltung (beispielsweise der parasitären Induktivität und der parasitären Kapazität der Verdrahtung). Dadurch bedingt wird angestrebt, ein Filterelement, das einem Halbleiterbauelement zur Rauschverminderung hinzugefügt wird, außerhalb eines Gehäuses anzuordnen, so dass das Filterelement, falls erforderlich, ausgetauscht werden kann. Jedoch ist es bei dem herkömmlichen Verfahren 1 unmöglich, das Filterelement auszutauschen, selbst wenn dies erforderlich ist.
  • Da beim herkömmlichen Verfahren 1 das Filterelement in einem Gehäuse untergebracht ist, ist das Gehäuse unvermeidlich groß.
  • Diese Probleme stellen sich auch bei dem in 14 beschriebenen herkömmlichen Verfahren.
  • Da bei dem herkömmlichen Verfahren, das in der Publikation der JP H09 - 121 016 A beschrieben ist (nachfolgend als „herkömmliches Verfahren 2“ bezeichnet), von dessen Anwendung für ein geringe Leistung aufweisendes Halbleiterbauelement mit Leiterdrähten ausgegangen wird, ist es unmöglich, ohne eine Modifikation oder Verbesserung das herkömmliche Verfahren 2 auf ein Halbleitermodul mittlerer oder hoher Leistung anzuwenden. Da für gewöhnlich große Verdrahtungsteile, wie beispielsweise einen großen Querschnitt aufweisende Kupferstäbe mit dem Leistungsmodulanschluss verbunden sind, um für einen großen Stromfluss zu sorgen, ist es unmöglich, das rauschreduzierende Element, wie in der JP H09 - 121 016 A beschrieben, um den Leistungsmodulanschluss herum anzuordnen.
  • Da beim herkömmlichen Verfahren, das in der JP H11 - 238 844 A offenbart ist, ein ringförmiges weichmagnetisches Element um ein Halbleiterbauelement herum in fast der gleichen Weise wie beim herkömmlichen Verfahren 1 angeordnet ist, können die gewünschten Rauschverminderungseffekte nicht erzielt werden, falls die Zustände der umgebenden Schaltung ungünstig sind.
  • Wenn eine elektromagnetische Abschirmung unter Verwendung einer Kappe mittels des herkömmlichen Verfahrens ausgebildet ist (nachfolgend als „herkömmliches Verfahren 4“ bezeichnet), ist es erforderlich, die Höhe der Innenfläche der Kappe mit einem gewissen Spielraum zu versehen, da zwischen den geschmolzenen Zuständen der Lotkugeln Variationen auftreten. Daher sind das Steuern der Kappengröße und die Gestaltung der Kappe mühsam. Die Kappe ist mit einer ein Fenster aufweisenden Abdeckung geformt und wird mittels vieler Herstellungsschritte gefertigt, was hohe Fertigungskosten verursacht.
  • Es ist schwierig, die Formgussteile oder das Band auszutauschen, die für die zum Absorbieren elektromagnetischer Wellen dienenden Einrichtung des herkömmlichen Verfahrens 4 verwendet werden, sogar wenn ein Austausch der zum Absorbieren elektromagnetischer Wellen dienenden Einrichtung entsprechend den zu absorbierenden Frequenzen des Rauschens erforderlich ist.
  • In Anbetracht des zuvor Erwähnten ist es wünschenswert, ein Leistungshalbleitermodul bereitzustellen, das ein Austauschen des Magnetelementes, wie beispielsweise dessen Ferritkern (nachfolgend als „Magnetkern“ bezeichnet), und eine Reduktion von dessen Größe erleichtert.
  • Es wäre ebenfalls erwünscht, ein Leistungshalbleitermodul bereitzustellen, das ein sicheres Anordnen eines Magnetkerns um das Modulgehäuse herum erleichtert.
  • Es wäre weiter erwünscht, ein Leistungshalbleitermodul bereitzustellen, das mit einem Magnetkern versehen ist, der eine relativ einfache Struktur aufweist und leicht zu fertigen ist.
  • Dokumente JP H08 - 293 578 A und GB 2 292 010 A zeigen elektronische Module, auf deren Gehäuseinnenseite Abschirmelemente gegen magnetische Felder angebracht sind. Dokument US 2003 / 0 190 498 A1 offenbart ein elektronisches Modul, dessen elektrische Komponenten mit einem Füllmaterial, das magnetische Partikel aufweist, umgeben sind. Dokument JP H06 - 97 691 A offenbart ein elektronisches Modul, auf dessen Gehäuseinnenseite Magnetpulver aufgebracht ist. Dokument DE 695 04 377 T2 beschreibt einen Körper, der elektromagnetische Interferenz unterdrückt.
  • Die zuvor beschriebene Aufgabe wird mit einem Leistungshalbleitermodul gemäß Patenanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Bei dem Aufbau gemäß Patentanspruch 1 sind die relative magnetische Permeabilität und der Querschnitt des rahmenförmigen Magnetkerns so gewählt, dass der Magnetkern über einen vorbestimmten Induktivitätswert verfügt, so dass bei der Frequenz des zu verringernden Rauschstroms ein vorbestimmter Reaktanzwert erzielt werden kann.
  • Bei einem Aufbau gemäß Patentanspruch 1 wird verhindert, dass sich der Magnetkern durch Vibrationen bewegt.
  • Ein rahmenförmiger Magnetkern, der um ein Modulgehäuse der Erfindung herum angeordnet ist, erleichtert das Unterdrücken des Rauschstroms ohne ein Vergrößern des Modulgehäuses und erleichtert eine Verringerung der Leistungshalbleitermodulgröße.
  • Der um das Modulgehäuse herum angeordnete Magnetkern kann leichter gegen einen anderen Magnetkern ausgetauscht werden, der einen optimalen Induktivitätswert bei der Rauschfrequenz aufweist, die von den Zuständen der umgebenden Schaltung abhängt.
  • Da der Magnetkern der Erfindung eine einfache Struktur hat, lässt sich der Magnetkern der Erfindung ohne weiteres fertigen und eine Verringerung von dessen Fertigungskosten ist zu erwarten. Wenn der Magnetkern mit den Vorsprüngen verbunden wird, die auf den Modulgehäuse-Seitenflächen ausgebildet sind, derart, dass ein Befestigen des Magnetkerns am Modulgehäuse erfolgt, wird verhindert, dass sich der Magnetkern durch Vibrationen bewegt und vom Modulgehäuse abfällt.
  • Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend mit Bezug auf die anliegenden Zeichnungen detailliert beschrieben; es zeigen:
    • 1 eine perspektivische Ansicht eines Leistungshalbleitermoduls einer ersten Ausführungsform der Erfindung, das ein Modulgehäuse und einen um das Modulgehäuse herum angeordneten Magnetkern beinhaltet;
    • 2 eine perspektivische Ansicht des in 1 dargestellten Modulgehäuses;
    • 3 einen Querschnitt des Leistungshalbleitermoduls der ersten Ausführungsform bei dessen Verwendung;
    • 4 einen Querschnitt des Leistungshalbleitermoduls der ersten Ausführungsform, welche eine Anordnungsstruktur zur Anordnung des Magnetkerns um das Modulgehäuse zeigt;
    • 5 einen Querschnitt des Leistungshalbleitermoduls der ersten Ausführungsform, die eine weitere Anordnungsstruktur zur Anordnung des Magnetkerns um das Modulgehäuse herum zeigt;
    • 6 ein Blockschaltdiagramm des Leistungshalbleitermoduls der ersten Ausführungsform;
    • 7 eine perspektivische Ansicht eines Leistungshalbleitermoduls einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
    • 8 eine perspektivische Ansicht eines Leistungshalbleitermoduls einer dritten Ausführungsform der Erfindung;
    • 9 eine perspektivische Ansicht eines Leistungshalbleitermoduls;
    • 10 einen Querschnitt des Leistungshalbleitermoduls bei dessen Verwendung;
    • 11 eine perspektivische Ansicht eines Leistungshalbleitermoduls;
    • 12 einen Querschnitt eines Leistungshalbleitermoduls einer vierten Ausführungsform der Erfindung bei dessen Verwendung;
    • 13 ein Blockschaltdiagramm eines herkömmlichen Leistungsstromrichters, der Leistungshalbleitermodule beinhaltet;
    • 14 einen schematischer Querschnitt eines herkömmlichen Leistungshalbleitermoduls bei dessen Verwendung;
    • 15(a) ein Diagramm, das einen Pfad zeigt, über den ein Gegentaktrauschstrom fließt; und
    • 15(b) ein Diagramm, das einen Pfad zeigt, über den ein Gleichtaktrauschstrom fließt.
  • 1 ist eine perspektivische Ansicht eines Leistungshalbleitermoduls einer ersten Ausführungsform der Erfindung, das ein Modulgehäuse 2A und einen um das Modulgehäuse 2A herum angeordneten Magnetkern 6a aufweist. 2 ist eine perspektivische Ansicht des in 1 dargestellten Modulgehäuses 2A.
  • Nachfolgend Bezug nehmend auf diese Figuren weist das Leistungshalbleitermodul 2 die gleiche Struktur auf wie das herkömmliche Leistungshalbleitermodul. Das gesamte Halbleitermodul hat annähernd die Form eines rechteckigen Parallelepipeds. Das Halbleitermodul 2 beinhaltet ein Modulgehäuse 2A, das aus einem Harz oder einem anderen derartigen Isolator besteht. Im Modulgehäuse 2A sind IGBTs als Leistungshalbleiterbauelemente für die oberen und unteren Phasenstränge und Freilaufdioden untergebracht, wie in 13 dargestellt. Auf der Oberseite des Modulgehäuses 2A sind Gleichstromeingangsanschlüsse 2a und 2b und ein Wechselstromausgangsanschluss 2c in geeigneter Weise angeordnet. Steueranschlüsse 2d zum Verbinden der IGBTs mit der außerhalb des Modulgehäuses 2A befindlichen Ansteuerschaltung sind an der Oberseite des Modulgehäuses 2A angeordnet.
  • Gemäß der ersten Ausführungsform ist ein rahmenfömiger Magnetkern 6a, der in der Lage ist, die planare Außenform des Modulgehäuses 2A aufzunehmen, um den unteren Abschnitt des Modulgehäuses 2A angeordnet. Bedingt durch diese Konfiguration sind die im Modulgehäuse 2A untergebrachten Leistungshalbleiterbauelemente vom Magnetkern 6a umgeben.
  • Es ist wünschenswert, Ferrit oder ein anderes derartiges Material, das eine hohe magnetische Permeabilität und hervorragende Hochfrequenzeigenschaften aufweist, für den Magnetkern 6a zu verwenden. Im Detail wird vorzugsweise ein Material ausgewählt, das es erleichtert, einen ausreichend großen Reaktanzwert bei den zu reduzierenden Rauschfrequenzen basierend auf der Induktivität des Magnetkerns 6a zu erzielen. Die Materialauswahl erleichtert es, dass der Magnetkern 6a als Element hoher Impedanz gegen den Rauschstrom fungiert und den Rauschstrom reduziert. Wenn die Frequenzen des zu reduzierenden Rauschen niedrig sind, kann alternativ problemlos eine Stahlplatte oder ein anderes derartiges Material verwendet werden.
  • 3 ist ein Querschnitt des Leistungshalbleitermoduls der ersten Ausführungsform der Erfindung bei dessen Gebrauch. Da die Anordnung der Anschlüsse auf dem Leistungshalbleitermodul nicht Gegenstand der Erfindung ist, stimmt die Anordnung der Gleichstromeingangsanschlüsse 2a und 2b in 3 nicht immer mit deren Anordnung in den 1 und 2 überein. In 3 sind die Vorsprünge oder Nuten auf den Seitenflächen nicht dargestellt.
  • Die Innenstruktur des Leistungshalbleitermoduls 2 und die Konfiguration der peripheren Wärmeableitungseinrichtungen sind die gleichen wie bei 14. In 3 sind Schaltungsmuster 9, ein aus einem keramischen Isolator bestehendes Substrat 16, eine Radiatorplatte 10, eine Kühlrippe 11 und eine Erdungsleitung 12 dargestellt.
  • Wie in 3 dargestellt, ist der Magnetkern 6a um den unteren Abschnitt des Modulgehäuses 2A so angeordnet, dass der Magnetkern 6a leicht abgenommen und in Abhängigkeit von den zu unterdrückenden Rauschfrequenzen ausgetauscht werden kann.
  • Zwar kann der Magnetkern 6a einfach aufgedrückt werden, um den unteren Abschnitt des Modulgehäuses 2 herum angeordnet zu werden, es ist jedoch erforderlich, dass jeder Abschnitt des Magnetkerns 6a und des Modulgehäuses 2A eine sehr hohe Abmessungsgenauigkeit aufweist. Außerdem besteht die Gefahr, dass der Magnetkern 6a durch vertikale Vibrationen vom Modulgehäuse 2A weg bewegt wird und in Kontakt mit irgendeinem der Anschlüsse am Modulgehäuse 2A gebracht wird.
  • Um zu verhindern, dass der Magnetkern 6a vom Modulgehäuse 2A abfällt, sind nagelförmige Vorsprünge 2e in der Nähe der Zone der Anordnung des Magnetkerns 6a am Modulgehäuse 2A ausgebildet, wie in 4 dargestellt. Der Magnetkern 6a ist um den unteren Abschnitt des Modulgehäuses 2A derart angeordnet, dass der Magnetkern 6a mit den Vorsprüngen 2e verbunden ist und durch Vorsprünge 2e und die Oberseite der Kühlrippe 11 sandwichartig umgeben ist.
  • Diese Struktur erleichtert das Unterdrücken der Vertikalbewegung des Magnetkerns 6a relativ zum Modulgehäuse 2A und verhindert, dass sich der Magnetkern 6a durch Vibrationen in vertikaler Richtung verschiebt.
  • Alternativ sind Vorsprünge 2f auf den unteren Seitenflächen des Modulgehäuses 2A ausgebildet, wie in 5 dargestellt. Vertiefungen sind an den Vorsprüngen 2f entsprechenden Orten auf den Innenumfangsflächen des Magnetkerns 6a ausgebildet, so dass die Vorsprünge 2f in die jeweiligen Vertiefungen eingesetzt werden können. Als weitere Alternative sind Vorsprünge auf den Innenumfangsflächen des Magnetkerns 6a ausgebildet, Vertiefungen sind an den den Vorsprüngen entsprechenden Orten an den unteren Seitenflächen des Modulgehäuses 2A ausgebildet, und die Vorsprünge sind in die Vertiefungen eingesetzt, auch wenn dies nicht dargestellt ist. Wenn die in 5 dargestellte Struktur verwendet wird, ist es effektiv, den Magnetkern 6a in zwei Teile zu unterteilen, um die geteilten Stücke des Magnetkerns um das Modulgehäuse 2A von dessen beiden Seiten her aufzusetzen und die Kantenflächen der geteilten Magnetkernstücke enganliegend zu verbinden.
  • In den 4 und 5 ist das Innere des Modulgehäuses 2A lediglich teilweise dargestellt.
  • 6 ist ein Blockschaltdiagramm des Leistungshalbleitermoduls der ersten Ausführungsform. Wie zuvor beschrieben, ist die Schaltung des Leistungshalbleitermoduls der ersten Ausführungsform äquivalent zu dem Zustand, bei dem eine dem Magnetkern 6a äquivalente Impedanz praktisch in Reihe zur parasitären Kapazität 15a und der parasitären Kapazität 15b zwischen das Leistungshalbleitermodul 2 und die Erdleitung 12 (Kühlrippe 11) geschaltet ist, bedingt durch die Anordnung des Magnetkerns 6a um das Modulgehäuse 2A. Somit fungiert der Magnetkern 6a als Impedanzelement (Induktivität) in der in 15(b) dargestellten geschlossenen Schleife 13b, über die ein Gleichtaktrauschstrom fließt. Der als Impedanzelement fungierende Magnetkern 6a erleichtert die Erhöhung des Impedanzwertes in der geschlossenen Schleife 13b und verringert den Rauschstrom.
  • Der Induktivitätswert des rahmenförmigen Magnetkerns 6a ist durch die folgende numerische Formel (1) gegeben. L = ( μ 0 × μ r ) × N 2 × ( S/I )
    Figure DE102006028358B4_0001
  • Dabei ist µ0 die magnetisches Permeabilität von Vakuum, µr die relative magnetische Permeabilität des Magnetkerns, N die Anzahl der Windungen (= 1), S der Querschnitt des Magnetpfades und I die Magnetpfadlänge.
  • Wie die Formel (1) angibt, wird dadurch, dass ein Material von hoher relativer magnetischer Permeabilität, für den Magnetkern 6a verwendet wird, ein großer Induktivitätswert erzielt, und es wird eine Gleichtaktdrossel realisiert, die einen großen Reaktanzwert (Impedanzwert) über den Frequenzbereich des Hochfrequenzrauschstroms zwischen einigen Hundert kHz und einigen Zehn MHz aufweist.
  • 7 ist eine perspektivische Ansicht eines Leistungshalbleitermoduls einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Nachfolgend Bezug nehmend auf 7 ist ein Magnetkern 6b der zweiten Ausführungsform dadurch ausgebildet, dass ein Luftspalt 6c angeordnet wird, und zwar quer durch den Magnetkern 6a der ersten Ausführungsform hindurch und senkrecht zu dessen Umfang, und um den unteren Abschnitt des Modulgehäuses 2A herum. Der Magnetkern 6b kann in gleicher Weise wie bei der ersten Ausführungsform und wie in den 4 und 5 dargestellt befestigt sein.
  • Durch Anpassen der Länge des Luftspaltes 6c wird der Induktivitätswert des Magnetkerns 6b auf einen optimalen Wert angepasst.
  • 8 ist eine perspektivische Ansicht eines Leistungshalbleitermoduls einer dritten Ausführungsform der Erfindung.
  • Nachfolgend Bezug nehmend auf 8 ist ein Magnetkern 6d der dritten Ausführungsform aus vielen aus einem weichmagnetischen Metall bestehenden dünnen Platten ausgebildet, die in koaxialer Weise übereinandergeschichtet sind. Die aus weichmagnetischem Metall bestehende dünne Platte besteht aus einer amorphen Legierung oder aus einer magnetischen Legierung mikrokristalliner Struktur. Die aus weichmagnetischem Metall bestehende dünne Platte weist bei der Rauschstromfrequenz eine hohe magnetische Permeabilität auf. Der Magnetkern 6d ist rahmenförmig ausgebildet, und zwar in gleicher Weise wie der Magnetkern 6a der ersten Ausführungsform. Alternativ kann ein Luftspalt quer zum Magnetkern 6d ausgebildet sein, in gleicher Weise wie beim Magnetkern 6b der zweiten Ausführungsform.
  • Durch Anordnen des Magnetkerns 6d um den unteren Abschnitt des Modulgehäuses 2A wird der Impedanzwert des Rauschstrompfades bei einer vorbestimmten Frequenz vergrößert, und der Rauschstrom wird verringert.
  • 9 ist eine perspektivische Ansicht eines Leistungshalbleitermoduls.
  • Nachfolgend Bezug nehmend auf 9 beinhaltet das Leistungshalbleitermodul 21 ein Modulgehäuse 2B und einen Magnetkern 6e, der aus einem Material besteht, das sich vom Material des Modulgehäuses 2B unterscheidet und in einen Teil des Modulgehäuses 2B eingebaut ist. Der Magnetkern 6e besteht aus Ferrit oder einem anderen derartigen Material und ist rahmenartig ausgebildet, derart, dass dessen Außenumfangsflächen und die Außenumfangsflächen (Seitenflächen) des Modulgehäuses 2B ebene Seitenflächen des Leistungshalbleitermoduls 21 bilden.
  • 10 ist ein Querschnitt des Leistungshalbleitermoduls bei dessen Verwendung. Die Innenstruktur des Moduls 21 ist die gleiche wie bei den Leistungshalbleitermodulen der ersten bis dritten Ausführungsform.
  • Auch wenn dies hier nicht dargestellt ist, kann alternativ eine Nut, die sich um das Modulgehäuse 2B herum erstreckt, in dessen Seitenflächen ausgebildet sein, und ein rahmenförmiger Magnetkern kann in die Nut eingelassen sein.
  • 11 ist eine perspektivische Ansicht eines Leistungshalbleitermoduls.
  • Nachfolgend Bezug nehmend auf 11 beinhaltet das Leistungshalbleitermodul 22 ein Modulgehäuse 2C und einen Magnetkern 6f, der durch ein Beschichten der Seitenflächen des Modulgehäuses 2C mit Magnetpulver ausgebildet ist. Der Magnetkern 6f, der die im Modulgehäuse 2C befindlichen Leistungshalbleiterbauelemente umgibt, erleichtert das Erzielen einer Drossel, die der Drossel äquivalent ist, die bei den Leistungshalbleitermodulen der ersten bis dritten Ausführungsform erzielt wird. Alternativ kann das Magnetpulver in Form eines Gurtes aufgebracht werden, der sich um das Modulgehäuse 2C herum erstreckt, so dass problemlos ein äußeres Aussehen wie dargestellt in 9 erzielt wird.
  • Das Magnetpulver ist in einem organischen Lösungsmittel, Öl oder einem anderen derartigen Lösungsmittel dispergiert und wird dann auf das Modulgehäuse 2C aufgetragen. Das Material für das Magnetpulver, dessen Partikeldurchmesser, dessen Menge und die Beschichtungsfilmdicke sind unter Berücksichtigung der Rauschstromfrequenz in geeigneter Weise festgelegt.
  • 12 ist ein Querschnitt eines Leistungshalbleitermoduls einer vierten Ausführungsform der Erfindung bei dessen Verwendung.
  • Das Leistungshalbleitermodul der vierten Ausführungsform beinhaltet rahmenförmige Magnetkerne 6a und 6g, die aus unterschiedlichen Materialien bestehen, und deren Induktivitätswerte sind bei gewissen Frequenzen verschieden. Die Magnetkerne 6a und 6g sind in koaxialer Weise übereinandergeschichtet und um den unteren Abschnitt des Modulgehäuses 2A herum angeordnet. In der Ausführungsform sind Vorsprünge 2e am Modulgehäuse 2A ausgebildet, wie in 4 dargestellt, und die Magnetkerne 6a und 6g sind mittels der Vorsprünge 2e befestigt.
  • Zwar ist die Induktivität des Magnetkerns durch die bereits zuvor beschriebene numerische Formel (1) gegeben, jedoch weist die relative Permeabilität µr des Magnetkerns eine Frequenzabhängigkeit auf. Da ur mit zunehmender Frequenz kleiner wird, wird der Induktivitätswert mit zunehmender Frequenz geringer, was ein Unterdrücken des Rauschens schwieriger macht.
  • Gemäß der vierten Ausführungsform sind ein Magnetkern, der aus einem Material besteht, das die vorbestimmte Permeabilität bei einer niedrigen Frequenz aufweist, und ein Magnetkern 6g, der aus einem Material besteht, das die andere vorbestimmte Permeabilität bei einer hohen Frequenz aufweist, kombiniert und übereinandergeschichtet angeordnet. Die übereinandergeschichtete Anordnung der Magnetkerne 6a und 6g erfolgt um den unteren Abschnitt des Modulgehäuses 2A herum, um gewisse Induktivitätswerte über einen breiten Frequenzbereich zwischen einer niedrigen Frequenz und einer hohen Frequenz zu erzielen und Rauschreduktionseffekte über diesen breiten Frequenzbereich zu erzielen.
  • In 12 ist das Innere des Modulgehäuses 2A lediglich teilweise dargestellt.
  • Bei den Leistungshalbleiterbauelementen der ersten bis vierten Ausführungsform ist es nicht immer erforderlich, die Magnetkerne 6a, 6b, 6d, 6e und 6g als ein einziges Bauteil auszubilden. Beispielsweise können ein C-förmiges Kernstück und ein I-förmiges Kernstück kombiniert und aneinander befestigt werden, um einen rahmenförmigen Magnetkern auszubilden.
  • Die Leistungshalbleitermodule der ersten bis vierten Ausführungsform der Erfindung erleichtern in effektiver Weise das Unterdrücken des Rauschstroms, der durch das Schalten der Leistungshalbleiterbauelemente bedingt ist. Da es nicht erforderlich ist, den Magnetkern im Modulgehäuse unterzubringen, wird verhindert, dass die Abmessungen des Modulgehäuses vergrößert werden.
  • Da ein Austauschen des Magnetkerns problemlos erfolgen kann, ist es möglich, das zur Rauschreduktion am besten geeignete Material für den Magnetkern auszuwählen, selbst wenn sich die Rauschstromfrequenz in Abhängigkeit von Zuständen der umgebenden Schaltung unterscheidet.
  • Die Erfindung lässt sich nicht nur auf das Leistungsmodul anwenden, in dem Leistungshalbleiterbauelemente in den oberen und unteren Phasensträngen in einem Modulgehäuse untergebracht sind, sondern ist auch auf ein Leistungsmodul (sogenanntes intelligentes Leistungsmodul) anwendbar, bei dem Leistungshalbleiterbauelemente und eine Ansteuerschaltung zum Ansteuern der Leistungshalbleiterbauelemente in einem Modulgehäuse untergebracht sind.

Claims (4)

  1. Leistungshalbleitermodul (2), aufweisend: ein Modulgehäuse (2A), in dem Leistungshalbleiterbauelemente untergebracht sind; einen rahmenförmigen Magnetkern (6a), der derart um das Modulgehäuse angeordnet ist, dass er die Leistungshalbleiterbauelemente umschließt; und Vorsprünge (2e, 2f) oder Nuten, die auf den Seitenflächen des Modulgehäuses (2A) ausgebildet sind, und der Magnetkern (6a) mit den Vorsprüngen (2e, 2f) oder Nuten verbunden ist, wodurch der Magnetkern (6a) am Modulgehäuse (2A) befestigt ist.
  2. Leistungshalbleitermodul (2) nach Anspruch 1, bei dem der Magnetkern (6a, 6g) ein erstes Kernstück (6a) und ein zweites Kernstück (6g) aufweist, die in koaxialer Weise angeordnet sind, und sich der Induktivitätswert des ersten Kernstücks (6a) und der Induktivitätswert des zweiten Kernstücks (6g) voneinander bei bestimmten Frequenzen unterscheiden.
  3. Leistungshalbleitermodul (2) nach Anspruch 1, bei dem der Magnetkern (6d) dünne Magnetplatten aufweist, die in koaxialer Weise aufeinandergeschichtet angeordnet sind.
  4. Leistungshalbleitermodul (2) nach Anspruch 1, bei dem das Leistungshalbleitermodul (2) weiter einen Luftspalt (6c) aufweist, der quer durch den Magnetkern (6b) senkrecht zu dessen Umfang ausgebildet ist.
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