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Die
Erfindung betrifft eine Schaltung und ein Verfahren zur Herstellung
der Schaltung.
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Für die Elektrifizierung
von Fahrzeugantrieben werden billige, kompakte sowie leichte elektrische
Antriebe benötigt.
Von derzeit am Markt erhältlichen
Aggregaten werden diese Anforderungen noch nicht zufriedenstellend
erfüllt.
Insbesondere ein für
einen Zwischenkreis eines Wechselrichters notwendiger Leistungskondensator
verursacht hohen Aufwand bzw. Einsatz betreffend Material, Bauraumvorhalt
und Fertigungskomplexität.
In derzeit üblichen
Schaltungen werden für
diesen Leistungskondensator Elektrolytkondensatoren bzw. Kunststofffolienkondensatoren
eingesetzt. Um mit der starken Wärmeausdehnung
derartiger Leistungskondensatoren umzugehen, werden sie über flexible
Elemente (via separater Drähte
oder Leitungen) mit der übrigen Schaltung
verbunden.
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Trotz
einer üblichen
stoffschlüssigen
Verbindung der Leistungskondensatoren zu Gehäuseteilen bedingt die Wärmebilanz
innerhalb der Kondensatoren die Dimensionierung der Baugröße. Beispielsweise
beträgt
ein Kondensatorvolumen für
ein im Fahrzeug verbautes 50 kW-Aggregat zwischen zwei und 0,5 Litern.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, die vorstehend genannten Nachteile
zu vermeiden und insbesondere eine effiziente Möglichkeit zum Einsatz von Leistungskondensatoren
zu schaffen.
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Diese
Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der
unabhängigen
Patentansprüche
gelöst.
Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich auch aus den abhängigen Ansprüchen.
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Zur
Lösung
der Aufgabe wird eine Schaltung angegeben,
- – umfassend
ein Substrat eines Halbleitermoduls,
- – mit
mindestens einen Leistungskondensator, der auf dem Substrat angeordnet
ist,
- – wobei
das Halbleitermodul eine Leistungsstufe und eine Logikschaltung
umfasst.
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Hierbei
ist zweckmäßig der
mindestens eine Leistungskondensator zusammen mit der Logikschaltung
auf einem Halbleitermodul angeordnet. Vorzugsweise ist der Leistungskondensator
in eine Vielzahl kleinere Kondensatoren aufgeteilt, wobei jeder
der kleineren Kondensatoren derart auf dem Halbleitermodul angeordnet
ist, dass eine effiziente Kühlung
der von dem Leistungskondensator bereitgestellten Gesamtkapazität erfolgt.
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Eine
Weiterbildung ist es, dass der mindestens eine Leistungskondensator
mindestens einen keramischen Kondensator umfasst.
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Eine
andere Weiterbildung ist es, dass das Substrat mindestens eine der
folgenden Komponenten umfasst:
- – einen
gedruckten Schaltungsträger;
- – einen
keramischen Träger
insbesondere mit Leiterbahnen;
- – einen
Träger
aus Papier und/oder Pappe;
- – einen
Träger
aus Kunststoff.
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Insbesondere
ist es eine Weiterbildung, dass das Substrat einen doppelseitigen
Schaltungsträger umfasst.
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Auch
ist es eine Weiterbildung, dass der mindestens eine Leistungskondensator
mit einer für
das Halbleitermodul vorgesehenen Kühlung verbunden ist.
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Ferner
ist es eine Weiterbildung, dass der mindestens eine Leistungskondensator
eine Fail-Open Eigenschaft aufweist.
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Im
Rahmen einer zusätzlichen
Weiterbildung ist der mindestens eine Leistungskondensator ein Zwischenkreis-,
Glättungs-
und/oder Kommutierungskondensator.
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Eine
nächste
Weiterbildung besteht darin, dass der mindestens eine Leistungskondensator mindestens
einer der folgenden Verbindungen mit dem Substrat aufweist:
- – eine
Klebeverbindung;
- – eine
Lötverbindung;
- – eine
Sinterverbindung;
- – eine
Druckverbindung;
- – eine
Schweißverbindung.
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Eine
Ausgestaltung ist es, dass mindestens eine der Verbindungen zu Kontaktierung
des mindestens einen Leistungskondensators dient.
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Die
vorstehend genannte Aufgabe wird auch gelöst durch ein Verfahren zur
Herstellung einer Schaltung umfassend die Schritte:
- – mindestens
ein Leistungskondensator wird auf einem Substrat eines Halbleitermoduls
angeordnet,
- – wobei
das Halbleitermodul eine Leistungsstufe und eine Logikschaltung
umfasst.
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Eine
Weiterbildung besteht darin, dass der mindestens eine Leistungskondensator,
umfassend insbesondere eine Vielzahl von Kondensatoren, mit dem
Substrat verbunden wird durch mindestens eine der folgenden Verbindungen:
- – eine
Klebeverbindung;
- – eine
Lötverbindung;
- – eine
Sinterverbindung;
- – eine
Druckverbindung;
- – eine
Schweißverbindung.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen dargestellt und
erläutert.
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Es
zeigen:
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1 eine
beispielhafte Anordnung eines Leistungskondensators in einem Phasenmodul
bzw. Wechselrichtermodul;
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2 ein
Halbleitermodul mit einem integrierten Leistungskondensator, der
mehrere (kleinere) Kondensatoren aufweist;
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3 basierend
auf der Anordnung gemäß 2 ein
einzelnes konzentriertes Element für einen Leistungskondensator;
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4 eine
weitere Anordnung eines Umrichtermoduls mit einem passiven Gleichrichter,
zwei Brückenschaltungen
und einem dazwischen angeordneten Leistungskondensator;
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5 ein
Layoutbeispiel für
eine dreiphasige Wechselrichterschaltung mit einem in eine Vielzahl von
Einzelkondensatoren aufgeteilten Leistungskondensator.
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Der
vorliegende Ansatz sieht insbesondere vor, einen Leistungskondensator
in ein Halbleitermodul der Leistungselektronik zu integrieren, so
dass die für
Halbleiter des Halbleitermoduls vorgesehene Kühlung auch für die Kühlung des
Leistungskondensators genutzt werden kann.
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Insbesondere
kann die Kapazität
des Leistungskondensators auf mehrere kleinere Kondensatoren aufgeteilt
werden, so dass im Rahmen der baulichen Gegebenheiten die einzelnen
kleinen Kondensatoren im Hinblick auf eine effiziente Kühlung positioniert
werden können.
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Auch
kann der Leistungskondensator direkt mit dem Schaltungsträger (Substrat)
der Leistungshalbleiter verbunden bzw. kontaktiert werden/sein.
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Vorteilhafterweise
kann der Leistungskondensator mindestens einen Keramikkondensator
umfassen. Keramikkondensatoren unterscheiden sich kaum bezüglich ihrer
thermischen Ausdehnung von den üblicherweise
für Halbleitermodule
verwendeten Keramiksubstraten.
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Bei
dem Substrat kann es sich weiterhin um unterschiedliche Träger handeln,
z. B. um Papier, Kunststoff, Keramik.
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Vorzugsweise
können
Leiterbahnen oder Strombahnen des Trägers bzw. des Keramiksubstrats
zur Kontaktierung des Leistungskondensators genutzt werden, um eine
raumsparende, großflächige, verlustarme,
gut wärmeableitende
und niederinduktive Verbindung zwischen dem Leistungskondensator
und der Leistungselektronik herzustellen.
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Vorteilhaft
können
bekannten Verbindungselemente zwischen dem Leistungskondensator
und dem Halbleitermodul wie Stromschienen, Bügel, Kabel, Leiterplatten,
Pins, Federn und Schrauben entfallen bzw. lediglich zum Anschluss
einer externen Stromquelle (Energiekondensator, Batterie, Netz) entsprechend
klein dimensioniert werden, da der Wechselstrom für den Leistungskondensators
nicht mehr über
diese Verbindungselemente geführt
wird.
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Besonders
vorteilhaft ist die Verwendung von mehreren kleineren Einzelkondensatoren,
die entsprechend den Schaltungserfordernissen auf dem Substrat verteilt
werden, wodurch besonders günstige
Schaltungseigenschaften bzgl. Resonanzvermeidung, elektromagnetischer
Verträglichkeit
und gleichmäßiger Kondensatorbelastung
erreichbar sind. Weiterhin lässt
sich durch die Verwendung von Kondensatoren mit einem sog. Fail-Open-Verhalten
die Auswirkung eines Kondensatorversagens lokal, d. h. auf den defekten
Kondensator, begrenzen.
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Der
hierin vorgestellte Ansatz kann für alle bekannten Aufbauverfahren
für Halbleitermodule
angewendet werden. Beispielsweise kann der aus mindestens einem
Einzelkondensator bestehende Leistungskondensator mit dem Substrat über Klebe-, Löt-, Schweiß-, Sinter-
bzw. Druckverbindungen kontaktiert bzw. verbunden werden.
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Der
mindestens eine Leitungskondensator bzw. die hier vorgestellte Lösung können auf
alle bekannten Wechsel-, Gleich- und Umrichterschaltungen mit Zwischenkreis-,
Glättungs-
bzw. Kommutierungskondensatoren angewendet werden (z. B. Spannungs-Wechselrichter,
Matrix-Umrichter, F3E-Umrichter, Umrichter mit ungesteuertem Eingangsgleichrichter,
DC-DC-Wandler).
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1 zeigt
eine beispielhafte Anordnung eines Leistungskondensators 104 in
einem Phasenmodul oder Wechselrichtermodul 100.
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Das
Phasenmodul 100 ist auf einem Substrat angeordnet und weist
Gleichstromanschlüsse 101 und 102 sowie
einen Phasenanschluss 103 auf. Der Leistungskondensator 104 ist
unmittelbar in der Nähe
und parallel zu einer Serienschaltung aus zwei elektrischen Schaltern
angeordnet. Die Serienschaltung umfasst hierbei eine Reihenschaltung
von zwei Kollektor-Emitter-Strecken zweier IGBTs 105 und 106,
wobei jeder IGBT eine entgegen die Kollektor-Emitter-Strecke angeordnete
Freilaufdiode 107, 108 aufweist.
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Die
drei Punkte in 2 deuten an, dass mindestens
eine weitere Einheit entsprechend den Elementen 209 bis 214 zwischen
dem Phasenanschluss 203 und der Einheit umfassend die Elemente 209 bis 214 angeordnet
sein kann, wobei jede der mindestens einen weiteren Einheit einen
zusätzlichen
Phasenanschluss bereit stellt.
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2 zeigt
ein Halbleitermodul 200 mit einem integrierten Leistungskondensator,
der mehrere (kleinere) Kondensatoren 204, 210 aufweist.
Das Halbleitermodul 200 weist Gleichstromanschlüsse 201, 202 sowie
Phasenanschlüsse 203, 209 auf.
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In 2 sind
eine Vielzahl von Brückenschaltungen
aus je zwei IGBTs 205, 206 und 211, 212 mit
jeweils vorhandenen Freilaufdioden 207, 208 und 213, 214 vorgesehen.
Ein Mittenabgriff der ersten Brückenschaltung
ist mit dem Phasenanschluss 203 und ein Mittenabgriff der
letzten Brückenschaltung
ist mit dem Phasenanschluss 209 verbunden.
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3 zeigt
basierend auf der Anordnung gemäß 2 ein
einzelnes konzentriertes Element für einen Leistungskondensator 204.
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Die
drei Punkte in 3 deuten an, dass mindestens
eine weitere Einheit entsprechend den Elementen 209 und 211 bis 214 zwischen
dem Phasenanschluss 203 und der Einheit umfassend die Elemente 209 und 211 bis 214 angeordnet
sein kann, wobei jede der mindestens einen weiteren Einheit einen
zusätzlichen
Phasenanschluss bereit stellt.
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4 zeigt
eine weitere Anordnung eines Umrichtermoduls 400 mit einem
passiven Gleichrichter umfassend Dioden 401, 402, 404 und 405,
eine Brückenschaltung
mit zwei IGBTs 408, 409 mit jeweiligen Freilaufdioden 410, 411 und
eine Brückenschaltung
mit zwei IGBTs 413, 414 mit jeweiligen Freilaufdioden 415, 416.
Die Mittenabgriffe zwischen den Reihenschaltungen aus den Dioden 401, 402 und 404, 405 sowie
die Mittenabgriffe der Brückenschaltungen
sind als Phasenanschlüsse 403, 406, 412, 417 nach
außen
geführt.
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Ein
Leistungskondensator 407 ist zwischen dem Gleichrichter
und den beiden Brückenschaltungen
angeordnet.
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Im
Beispiel von 4 können Leistungsanschlüsse für einen
Gleichstromteil vollständig
entfallen.
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Die
ersten drei Punkte in 4 deuten an, dass mindestens
eine weitere Einheit entsprechend den Elementen 404 bis 406 zwischen
dem Phasenanschluss 403 und der Einheit umfassend die Elemente 404 bis 406 angeordnet
sein kann, wobei jede der mindestens einen weiteren Einheit einen
zusätzlichen
Phasenanschluss bereit stellt.
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Entsprechend
deuten die zweiten drei Punkte in 4 an, dass
mindestens eine weitere Einheit entsprechend den Elementen 413 bis 417 zwischen dem
Phasenanschluss 412 und der Einheit umfassend die Elemente 413 bis 417 angeordnet
sein kann, wobei jede der mindestens einen weiteren Einheit einen
zusätzlichen
Phasenanschluss bereit stellt.
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5 zeigt
ein Layoutbeispiel für
eine dreiphasige Wechselrichterschaltung mit einem in eine Vielzahl
von Einzelkondensatoren aufgeteilten Leistungskondensator.
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Weitere Vorteile:
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Die
Leistungskondensatoren können
auf den tatsächlichen
Blindleistungsbedarf der Halbleiterschaltung und damit wesentlich
kleiner als in üblichen Anordnungen
dimensioniert werden.
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Normen
und Standards für
elektrische Isolation und elektromagnetische Verträglichkeit
sind wegen der kürzeren elektrischen
Verbindungen für
Leistungskondensatoren und wegen des Entfalls von Luft- und Kriechstrecken
mit geringerem Aufwand einzuhalten.
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Der
Aufbau von Wechselrichterschaltungen wird wesentlich vereinfacht,
eine Vielzahl von Verbindungselementen und Montageschritten kann
entfallen.
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Bauraumbedarf,
Gewicht und Teilezahl der hierin vorgeschlagenen Anordnung sind
wesentlich geringer als bei den bekannten Anordnungen. Beispielsweise
kann bei einem 50 kW-Aggregat das für den Leistungskondensator
benötigte
Volumen sowie das für
Verbindungen und Befestigungen benötigte Volumen auf jeweils weniger
als 0,1 Liter vermindert werden (dies entspricht einer Effizienzsteigerung
um den Faktor fünf
gegenüber
bekannter Technik).
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Auch
wird die Montage des Leistungskondensators bzw. der Leistungskondensatoren
dadurch vereinfacht, dass diese im Rahmen der Aggregatfertigung
automatisiert bestückt
werden können
bei der Fertigung des Halbleitermoduls.