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Die
Erfindung betrifft ein elektronisches Leistungsmodul mit zwei elektrisch
antiparallel geschalteten Halbleiterelementen und mit mindestens
zwei leitenden Schienen, zwischen die die Halbleiterelemente über eine
Druckkontaktierung eingespannt sind.
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Ein
derartiges Leistungsmodul kommt insbesondere als Bestandteil einer
leistungselektronischen Einheit für den Sanftanlauf von Motoren
zum Einsatz. Die leistungselektronische Einheit umfasst hier eines
oder mehrere elektronische Leistungsmodule, die für Kurzzeitbelastung
ausgelegt sein müssen.
Das elektronische Leistungsmodul dient zur Stromführung und
-beeinflussung in einer Phase, d.h. je nachdem, ob ein einphasiges
oder dreiphasiges Netz vorliegt, wird eine entsprechende Anzahl von
elektronischen Leistungsmodulen benötigt. Eine derartige leistungselektronische
Einheit führt
nur in der Anlaufphase des Motors Strom, der in der Betriebsphase
von einem parallel geschalteten Schaltgerät übernommen wird. Beim Sanftanlauf
von Motoren beträgt
der Strom nur einen Bruchteil des Direkteinschaltstroms des Motors.
Typischerweise beträgt der
Strom während
des Anlaufs 25% bis 75% des Direkteinschaltstroms. Mit dem Sanftanlauf
bei reduziertem Strom ergibt sich allerdings eine verlängerte Anlaufzeit
des Motors im Vergleich zu der beim Direkteinschalten.
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In
der Anlaufphase entstehen in den Halbleitern der elektronischen
Leistungsmodule sehr hohe Verlustleistungen. Durch geeignete Kombination
aus Leistungsmodul bzw. Leistungshalbleiter und Kühlkörper muss
gewährleitstet
sein, dass die für
die Halbleiter zulässige
Sperrschichttemperatur nicht überschritten
wird, um deren Zerstörung
zu vermeiden. Insbesondere bei großen Strömen (d.h. mehr als etwa 150
A) werden die beiden Leistungshalbleiterelemente, z.B. Thyristor- Scheibenzellen, zwischen
zwei Schienen gepresst, wovon eine oder auch beide Schienen als
Kühlkörper ausgebildet
sein können.
Die Schienen dienen der Stromzufuhr und der Abfuhr der Verlustleistungswärme. Dies
gelingt umso besser, je kleiner die elektrischen und thermischen Übergangswiderstände sind.
Eine Minimierung der Übergangswiderstände wird
erreicht durch eine hohe Presskraft und durch eine plane Auflage der
Schienenoberflächen
auf den Halbleiterelementen. Durch die plane Auflage wird eine über die
Auflagefläche
homogene Druckverteilung erzielt. Inhomogene Druckverteilungen führen zu
lokaler Überhitzung
des Leistungshalbleiters. Dies kann zu dessen Zerstörung führen und
muss deshalb unbedingt vermieden werden. Wegen unvermeidlicher Fertigungstoleranzen
bei den Schienen und den Leistungshalbleiterelementen liegen die
Auflageflächen
in der Regel nicht in einer Ebene. Typische Toleranzen liegen im
Bereich von ca. 100 µm.
bis 400 µm.
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Aus
DE 100 22 341 A1 ist
ein Leistungsmodul bekannt, bei dem die Halbleiterelemente zwischen
zwei leitende Schienen über
eine Druckkontaktierung eingespannt sind. Hierbei kann eine der Schienen
in ihrem mittleren Bereich verjüngt
sein, wodurch sich geringe Dickenunterschiede der Halbleiterelemente
problemlos ausgleichen lassen. Allerdings ist die Fähigkeit
zum Toleranzausgleich aufgrund der geringen Breite der Verjüngung nur
gering, so dass hohe Forderungen an die Maßgenauigkeit der Schienen und
der Halbleiterelemente zu stellen sind, was entsprechend hohe Kosten
nach sich zieht.
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Weiter
ist in dieser Offenlegungsschrift ein elektronisches Leistungsmodul
beschrieben, bei dem zwei einzelne Thyristoren antiparallel geschaltet
und zwischen zwei symmetrische Kühlkörper gepresst sind.
Einer der beiden Kühlkörper ist
mittig geteilt, wodurch eine flächige
Pressung der Thyristor-Scheibenzellen,
auch bei unterschiedlicher Scheibenzellenhöhe ermöglicht wird. Die beiden Kühlkörper dieses
bekannten Leistungsteils, das sowohl für Kurzzeitbelastung als auch
für Dauerbetrieb
ausgelegt ist, sind Teil des Stromkreises und damit potentialbehaftet.
Die notwendige elektrische Verbindung zwischen den Kühlkörperhälften des
mittig geteilten Kühlkörpers wird
mit einem V-förmigen
Kupferbügel
hergestellt, der mit den beiden Kühlkörperhälften verschraubt wird. Der
Kupferbügel
ist aus weichem Elektrolytkupfer. Mit dieser Konstruktion ist ein
guter Toleranzausgleich möglich.
Nachteilig sind der vergleichsweise hohe konstruktive und fertigungstechnische
Aufwand sowie der erforderliche Platzbedarf für die Verschraubung des Kupferbügels.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein elektronisches Leistungsmodul
anzugeben, das den notwendigen Toleranzausgleich und damit die erforderliche
plane Auflage zum Erreichen einer homogenen Druckverteilung der
Schienen auf die Halbleiterelemente ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird bei einem elektronischen Leistungsmodul der eingangs
genannten Art dadurch gelöst,
dass zumindest eine Schiene in einem mittleren Bereich, der zwischen
den Bereichen der Kontaktierung mit den beiden Halbleiterelementen
liegt, zwei erste Aussparungen aufweist, die ausgehend von sich
gegenüberliegenden
Seiten der Schiene sich in Richtung zur jeweils anderen Seite bis über die
Mitte zwischen den beiden Seiten erstrecken, wobei die Aussparungen
derart nebeneinander angeordnet sind, dass ein verbleibender Teil
der Schiene zwischen den Aussparungen einen Steg bildet.
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Durch
die mittels des Steges erhaltene Flexibilität können auch größere Toleranzen
(im typischen Bereich von 100 µm
bis 400 µm)
problemlos ausgeglichen und damit eine homogene Druckverteilung
an den Auflageflächen
der Schienen auf die Halbleiterelemente erzielt werden. Die Anforderungen
an die Maßgenauigkeit
der Leistungshalbleiterbauteile und Schienen sind daher gering,
so dass kostengünstige Bauelemente
und einfache Fertigungsverfahren möglich sind. Dabei sind die
länglichen
Aussparungen fertigungstechnisch einfach herstellbar durch z.B.
Sägen.
Dies kann beispielsweise im gleichen Arbeitsschritt wie das Ablängen auf
Nennmaß erfolgen. Es
ist kein zusätzlicher
Platzbedarf für
die Aussparungen und den Steg nötig.
Damit ist diese Lösung auch
in hochkompakten Leistungsteilen bzw. -modulen einsetzbar. Es sind
keine zusätzlichen
Teile wie Kupferbügel
und Schrauben notwendig. Zusätzliche Arbeitsschritte
wie Gewindeschneiden in Schiene/Kühlkörper, Verschrauben des Kupferbügels und Fetten
der Kontaktflächen
Kupferbügel/Schiene
entfallen. Durch die Einsparung von Material und Fertigungsschritten
ergibt sich gegenüber
herkömmlichen Lösungen ein
deutlicher Kostenvorteil.
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In
einer vorteilhaften Form der Ausgestaltung weist die zumindest eine
Schiene zumindest eine weitere Aussparung in der Art der ersten
Aussparungen auf, die neben den ersten Aussparungen angeordnet ist
und von der Seite ausgeht, die der Seite gegenüberliegt, von der die neben
ihr liegende Aussparung ausgeht. Hierdurch wird eine Verlängerung
der Steglänge
erzielt, wodurch die Flexibilität noch
weiter erhöht
wird.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weisen die Aussparungen
eine Breite von ungefähr
3 mm auf. Diese Breite entspricht einer typischen Sägeblattdicke,
so dass die Aussparungen fertigungstechnisch auf einfache Weise
hergestellt werden können.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die zumindest
eine Schiene im Bereich des Stegs mit einer im Vergleich zur restlichen
Schiene reduzierten Dicke ausgeführt.
Hierdurch wird die Flexibilität
weiter erhöht.
Da in der Regel auch Fräsarbeiten
an den Schienen notwendig sind, kann eine Reduzierung der Stegdicke
im Zuge dieser Arbeitsschritte erfolgen.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist zumindest eine
Schiene mit zumindest einem Kühlkörper mechanisch
verbunden. Hierdurch wird die Kühlleistung,
d.h. die Abfuhr der Verlustleistungswärme, verbessert.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist zumindest eine
Schiene als Kühlkörper ausgebildet.
Durch die Einsparung des Wärmeübergangs
von Schiene zu Kühlkörper wird
somit die Kühlleistung
weiter verbessert.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wenn die Halbleiterelemente als Halbleiterzellen
ausgeführt
sind, z.B. als Siliziumzellen.
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Bestehen
die beiden Schienen aus einem Material mit einer Wärmekapazität größer als
1,8 Ws/K/cm3, wie z.B. Aluminium, so lässt sich
hiermit eine entsprechend gute Wärmeabführung erreichen.
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Hinsichtlich
Strom- und Wärmeführung ist
es allerdings besonders vorteilhaft, wenn zumindest eine Schiene
aus Kupfer besteht. Vorteilhafterweise besteht dabei eine Schiene
aus hartem Kupfer. Diese Kupferschiene ist dann als Bestandteil
einer Druckvorrichtung zur oben genannten Druckkontaktierung verwendbar.
Weiterhin erweist es sich als besonders vorteilhaft, wenn ein Kühlkörper mit
der harten Kupferschiene verbunden ist, da sich hierbei eine Grenzfläche mit
niedrigem Wärmeübergangswiderstand
erreichen lässt.
Ebenso vorteilhaft ist es, wenn die Schiene mit den Aussparungen
aus Elektrolytkupfer besteht, das vergleichsweise weich und verformbar ist.
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Schließlich können Schienen
und Halbleiterelemente vorteilhafterweise zu einer Einheit miteinander
vergossen sein.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten
Ausführungsbeispiele näher beschrieben
und erläutert.
Es zeigen:
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1 eine
schematische Draufsicht eines Leistungsmoduls mit zwei Aussparungen
in einer Schiene,
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2 eine
Querschnittszeichnung des Leistungsmoduls aus 1,
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3 eine
Draufsicht eines Leistungsmoduls mit zwei Aussparungen und einer
reduzierten Stegdicke,
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4 eine
Querschnittszeichnung des Leistungsmoduls aus 3,
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5 eine
Draufsicht eines Leistungsmoduls mit drei Aussparungen in einer
Schiene,
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6 eine
Draufsicht eines Leistungsmoduls mit zwei Aussparungen in einer
Schiene mit Kühlkörpern,
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7 eine
Querschnittszeichnung des Leistungsmoduls aus 6,
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8 eine
Draufsicht eines Leistungsmoduls mit zwei Aussparungen in einem
Kühlkörper,
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9 eine
Querschnittszeichnung des Leistungsmoduls aus 8.
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1 zeigt
eine schematische Draufsicht eines erfindungsgemäßen elektronischen Leistungsmoduls
mit zwei parallel angeordneten Kupferschienen 1, zwischen
die zwei Siliziumzellen 4 als Halbleiterelemente eingebracht
sind. Die Siliziumzellen 4 sind als Thyristoren ausgeführt und
um 180° gedreht angeordnet,
so dass sich eine elektrisch antiparallele Verschaltung ergibt.
Anstelle von Thyristoren können beliebig
andere Halbleiterbauelemente mit vergleichbarer Funktion eingebracht
sein. Die Kupferschienen 1 erfüllen die Aufgabe, die während der
hohen Kurzzeitbelastung auftretenden Wärmeverluste möglichst schnell
von den Siliziumzellen 4 wegzuführen und zu speichern. Zum
Ausgleich von Fertigungstoleranzen bei Schienen 1 und Leistungshalbleiterelementen 4 ist
die obere Schie ne 1 mit zwei Aussparungen 2 versehen
worden, um die erforderliche plane Auflage zum Erreichen einer homogenen
Druckverteilung zwischen Leistungshalbleiter 4 und Schienen 1 zu
erreichen. Durch die Aussparungen 2 entsteht ein Steg 3,
der die entsprechende Flexibilität
aufweist, um die auftretenden Toleranzen ausgleichen zu können. Die Aussparungen 2 haben
dabei eine typische Breite von ca. 3 mm (Sägeblattdicke). Der Steg 3 kann
beispielsweise eine Länge
von ca. 50 mm und eine Breite von ca. 20 mm aufweisen. Die Darstellung
in den Figuren erfolgt nicht maßstabsgetreu.
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2 zeigt
eine Querschnittszeichnung des Leistungsmoduls aus 1 entlang
der in 1 mit II bezeichneten Schnittkante. In dieser
Seitenansicht sind die in 1 verborgene
untere Schiene 1 und die Leistungshalbleiter 4 zu
erkennen. Die untere Schiene 1 besteht vorteilhaft aus
hartem Kupfer, die obere Schiene 1 aus weichem Elektrolytkupfer.
In die untere Kupferschiene 1 können z.B. Gewinde zur Montage
einer Druckvorrichtung für
die Druckkontaktierung eingebracht sein. Durch die Wahl des härteren Kupfers
wird ein Durchbiegen der unteren Kupferschiene 1 in Folge
der durch die Druckvorrichtung wirkenden Kräfte weitestgehend verhindert
und ein flächiges
Aufliegen der Siliziumzellen 4 gewährleistet. Außerdem wird
ein Ausreißen
oder Weglaufen der Gewinde verhindert. Die obere Kupferschiene 1 weist
die Aussparungen 2 und den resultierenden flexiblen Steg 3 für den Toleranzausgleich
auf. Dieser Effekt wird außerdem
durch die Verwendung von weichem Elektrolytkupfer für die obere
Kupferschiene 1 unterstützt.
Diese Maßnahme
gewährleistet
einen ganzflächigen
Druckkontakt zwischen den Siliziumzellen 4 und den Kupferschienen 1 und
hat einen geringen elektrischen und thermischen Übergangswiderstand an den Auflageflächen zur
Folge. Die Druckkontaktierung stellt eine hohe thermische Zyklenfestigkeit
und damit Lebensdauer des Leistungsmoduls sicher, was wegen des
ausschließlichen
Betriebs mit Kurzzeitbelastung notwendig ist.
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3 zeigt
ein Leistungsmodul ähnlich
wie in 1, wobei hier der Steg 3 zur Erhöhung der
Flexibilität
mit einer reduzierten Dicke ausgeführt ist (angedeutet durch den
schraffierten Bereich). Mit den in 1 angegebenen
Maßen
und einer verbleibenden Stegdicke von ca. 7 mm können die linke und rechte Seite
der Schiene 1 bei einem typischen Aufbau bereits mit einer
Kraft zwischen ca. 100 N und 200 N sichtbar gegeneinander bewegt
werden. Diese Kräfte sind
gegenüber
den typischen Presskräften
von 15 kN bis 30 kN vernachlässigbar
klein, so dass der Steg 3 die für den erforderlichen Toleranzausgleich notwendigen
Bewegungen in allen Richtungen problemlos ermöglicht und damit eine homogene
Druckverteilung sichergestellt ist. Die zusätzlichen durch den Steg 3 verursachten
Stromwärmeverluste
liegen in diesem Beispiel bei ca. 2% der Leistungshalbleiter-Verlustleistung
bei einem Strom von ca. 4300 A und sind damit so gut wie vernachlässigbar.
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4 zeigt
eine Querschnittszeichnung des Leistungsmoduls aus 3 entlang
der in 3 mit IV bezeichneten Schnittkante. In dieser
Seitenansicht sind wieder die in 3 verborgene
untere Schiene 1 und die Leistungshalbleiter 4 zu
erkennen.
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5 zeigt
eine Draufsicht eines Leistungsmoduls mit drei Aussparungen 2 in
der oberen Schiene 1. Durch die gegenläufige Anordnung benachbarter
Aussparungen 2 (d.h. benachbarte Aussparungen 2 gehen
von gegenüberliegenden
Seiten der Schiene 1 aus und erstrecken sich zur jeweils
anderen Seite) wird eine deutliche Verlängerung der Steglänge erzielt,
wodurch sich die Flexibilität
des Steges 3 ebenso erhöht.
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6 zeigt
eine Ausführungsform
eines Leistungsmoduls mit zwei Aussparungen 2 in der oberen
Kupferschiene 1 ähnlich
wie bei dem in den 1 und 2 gezeigten
Leistungsmodul. Zusätzlich
sind hier neben den Aussparungen 2 zur Vergrößerung der
Kühlleistung
zwei Kühlkörper 5 auf
der oberen Schiene 1 und – in dieser Darstellung nicht
zu sehen – ein
Kühlkörper 5 auf
die untere Schiene 1 aufgeschraubt.
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7 zeigt
eine Querschnittszeichnung des Leistungsmoduls aus 6 entlang
der in 6 mit VII bezeichneten Schnittkante. In dieser
Seitenansicht ist insbesondere der auf die untere Schiene 1 aufgeschraubte
Kühlkörper 5 zu
erkennen.
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8 zeigt
ein Leistungsmodul, bei dem die Schienen 1 als Kühlkörper 5 ausgeführt sind.
Bei dieser Ausführungsform
sind also direkt im Kühlkörper 5 die
Aussparungen 2 vorgesehen, durch die der Steg 3 entsteht,
der die entsprechende Flexibilität
aufweist, um die auftretenden Toleranzen ausgleichen zu können.
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9 zeigt
eine Querschnittszeichnung des Leistungsmoduls aus 8 entlang
der in 8 mit IX bezeichneten Schnittkante. In dieser
Seitenansicht ist insbesondere zu erkennen, dass in dieser Ausführungsform
die Halbleiterelemente 4 direkt zwischen die Kühlkörper 5 über eine
Druckkontaktierung eingespannt sind.
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Zusammenfassend
betrifft die Erfindung ein elektronisches Leistungsmodul mit zwei
elektrisch antiparallel geschalteten Halbleiterelementen und mit mindestens
zwei leitenden Schienen, zwischen die die Halbleiterelemente über eine
Druckkontaktierung eingespannt sind. Um den notwendigen Toleranzausgleich
und damit die erforderliche plane Auflage zum Erreichen einer homogenen
Druckverteilung der Schienen auf die Halbleiterelemente ermöglicht wird vorgeschlagen,
dass zumindest eine Schiene in einem mittleren Bereich, der zwischen
den Bereichen der Kontaktierung mit den beiden Halbleiterelementen
liegt, zwei erste Aussparungen aufweist, die ausgehend von sich
gegenüberliegenden
Seiten der Schiene sich in Richtung zur jeweils anderen Seite bis über die
Mitte zwischen den beiden Seiten erstrecken, wobei die Aussparungen
derart nebeneinander angeordnet sind, dass ein verbleibender Teil der Schiene
zwischen den Aussparungen einen Steg bildet. Durch die mittels des
Steges erhaltene Flexibilität
können
auch größere Toleranzen
(im typischen Bereich von 100 µm
bis 400 µm)
problemlos ausgeglichen werden. Die Anforderungen an die Maßgenauigkeit
der Leistungshalbleiterbauteile und Schienen sind daher gering,
so dass kostengünstige Bauelemente
und einfache Fertigungsverfahren möglich sind.