DE102009026479A1 - Leistungshalbleitermodul mit verringerter Oszillationsneigung - Google Patents

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Abstract

Es wird ein Leistungshalbleitermodul offenbart, das Folgendes aufweist: einen Zwischenkreiskondensator zur Glättung einer gleichgerichteten Eingangs-Wechselspannung, zumindest ein Leistungshalbleiterbauelement, zumindest einen Bandleiter, der den Zwischenkreiskondensator mit dem Leistungshalbleiterbauelement verbindet, und ein Dämpfungsglied, das transformatorisch an den zumindest einen Bandleiter gekoppelt ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft das Gebiet der Leistungshalbleitermodule, insbesondere Stromrichtermodule (engl.: power converter).
  • Leistungshalbleitermodule (engl.: power semiconductor modules) werden unter anderem dazu verwendet, hohe Ströme und hohe Spannungen zu schalten. Allerdings verursachen parasitäre Induktivitäten in den Modulen und in den Anschlüssen der Module Leistungsverluste und erzeugen durch das schnelle Schalten hoher Ströme oder hoher Spannungen unerwünschte Oszillationen, die dazu führen, dass störende elektromagnetische Strahlung abgestrahlt wird. Dadurch wird die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) des Moduls bzw. des Stromrichters erheblich verschlechtert.
  • Eine Möglichkeit, Oszillationen zu verringern, besteht darin, durch konstruktive Maßnahmen die den Laststrom führenden Leiter (meist flache Bandleiter, auch ”Strip Lines”, Streifenleiter oder ”Bus Bars” genannt) geometrisch so anzuordnen, dass die (Streu-)Induktivität der Leiteranordnung möglichst gering ist. Ein Beispiel dafür ist das in der Druckschrift US 2009/0085219 A1 beschriebene Leistungshalbleitermodul bei dem Bandleiter mit gegenläufig fließenden Strömen parallel zueinander, nur durch eine dünne Isolationsschicht getrennt angeordnet werden, um die Induktivität der Anordnung zu reduzieren. Diese Maßnahme reduziert die Induktivität jedoch nicht auf Null und ist allein oft nicht ausreichend die Oszillationsneigung der in dem Leistungshalbleitermodul ange ordneten Schaltungsanordnung in zufriedenstellendem Maße zu unterdrücken.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Leistungshalbleiteranordnung bereitzustellen, bei der unerwünschte Oszillationen beim schnellen Schalten hoher Ströme oder hoher Spannungen vermieden oder zumindest auf ein unschädliches Maß reduziert werden.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Leistungshalbleitermodul gemäß Anspruch 1 gelöst. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
  • Gemäß einem Beispiel der Erfindung umfasst ein Leistungshalbleitermodul Folgendes: einen Zwischenkreiskondensator zur Glättung einer gleichgerichteten Eingangs-Wechselspannung, zumindest ein Leistungshalbleiterbauelement, zumindest einen Bandleiter, der den Zwischenkreiskondensator mit dem Leistungshalbleiterbauelement verbindet, und ein Dämpfungsglied, das transformatorisch an den zumindest einen Bandleiter gekoppelt ist.
  • Das Dämpfungsglied ist gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Leiterschleife mit zumindest einer Windung, wobei die Leiterschleife mit einem ohmschen Widerstand abgeschlossen ist.
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren näher erläutert:
  • 1 zeigt anhand eines Schaltbildes die Struktur eines Stromrichters mit Gleichrichter, Zwischenkreiskondensator und Leistungshalbleiterschalter;
  • 2 zeigt anhand einer Schnittzeichnung einen Teil eines Leistungshalbleitermoduls, in dem die Schaltung geäß 1 aufgebaut ist;
  • 3 illustriert anhand eines Ersatzschaltbildes die für die Oszillationsneigung verantwortlichen Streuinduktivitäten in dem Leistungshalbleitermodul gemäß 2;
  • 4 zeigt anhand einer Skizze die transformatorische Kopplung eines Dämpfungsgliedes an den Zwischenkreis des Stromrichters aus 1;
  • 5 zeigt anhand einer Skizze eine alternative Anordnung des Dämpfungsgliedes in Schnittdarstellung (a) und Draufsicht (b);
  • 6 zeigt anhand einer einfachen Skizze die Wirkung der Ausführungsbeispiele aus den 4 und 5;
  • 7 zeigt anhand eines Schaltbildes ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem der Strom in dem Dämpfungsglied einem Integrator zugeführt ist, um einen Messwert für den Wechselstromanteil im Zwischenkreis zu erhalten,
  • 8 zeigt anhand eines Schaltbildes ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem der Strom in dem Dämpfungsglied verstärkt wird, um einen Messwert für die Laststromänderung im Zwischenkreis zu erhalten.
  • In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Komponenten mit gleicher Bedeutung.
  • 1 zeigt beispielhaft einen elektrischen Aufbau eines Leistungshalbleitermoduls, im vorliegenden Fall eines Stromrichters. Das Modul wird durch eine Wechselstromversorgung 10 versorgt. Im vorliegenden Fall ist eine Stromversorgung aus dem Dreiphasen-Drehstromnetz dargestellt, wobei die einzelnen Phasenleiter mit L1, L2, und L3 bezeichnet sind. Die drei Phasenleiter sind mit einer Dreiphasen-Gleichrichterbrücke 20 verbunden, die die drei Phasenströme gleichrichtet und einen entsprechend gleichgerichteten Gleichstrom IDC zur Verfügung stellt. Der Ausgang des Gleichrichters ist mit einem Kondensator CDC verbunden, der die gleichgerichtete Wechselspannung glättet. Der Kondensator CDC wird üblicherweise als Zwischenkreiskondensator (engl.: DC link capacitor) und die gleichgerichtete und geglättete Spannung als Zwischenkreisspannung (engl.: DC link voltage) VCD = (V+ – V–) bezeichnet.
  • Diese Zwischenkreisspannung ist einem Leistungshalbleiterbauelement 40, im vorliegendem Fall einer Dreiphasen-Halbbrücke (auch als ”6-Pack” bezeichnet) bestehend aus sechs IGBTs TU1, TU2, TV1, TV2, TW1 und TW2 zugeführt. Die Dreiphasenbrücke 40 besteht aus drei parallelgeschalteten Transistor-Halbbrücken, deren Brückenausgänge die Ausgänge U, V und W der Dreiphasenbrücke bilden. Die Ausgänge U, V und W sind mit einer anzutreibenden Last 60, z. B. mit einem Synchronmotor, verbunden. Die der Last 60 zugeführten Lastströme werden mit iU, iV und iW bezeichnet.
  • Die Transistoren TU1, TU2, TV1, TV2, TW1 und TW2 der Dreiphasenhalbbrücke 40 werden mit Hilfe einer Steuer- und Treiberschaltung 50 entsprechend den Anforderungen der anzutreiben den Last angesteuert. Benötigt die Last nur eine Phase kann statt der Dreiphasenbrücke auch eine einfache Transistor-Halbbrücke verwendet werden. Die notwendigen Freilaufdioden für die Transistoren sind der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt.
  • Soll die Schaltung statt am Dreiphasen-Drehstromnetz an einer einphasigen Wechselstromversorgung betrieben werden, wird statt dem Dreiphasen-Gleichrichter ein Einphasen-Brückengleichrichter verwendet. Unabhängig von tatsächlichen elektrischen Aufbau des Leistungshalbleitermoduls weisen sämtliche Module einen Gleichstrom-Zwischenkreis (engl. DC link circuit) auf. Dieser befindet sich zwischen dem Gleichrichter 20 und dem Leistungsbauelement 40 mit den Leistungsschaltern und umfasst im Wesentlichen den Zwischenkreiskondensator CDC und Verbindungsleitungen zwischen Gleichrichter 20 und Leistungsbauelement 40.
  • Der Aufbau eines Ausschnittes eines beispielhaften Leistungshalbleitermoduls, in dem die Schaltung aus 1 angeordnet ist, ist schematisch in der 2 dargestellt. Für die weitere Diskussion sind vor allem die Verbindungsleitungen 101 des Zwischenkreises von Bedeutung. Ein Leistungshalbleitermodul gemäß 2 umfasst ein metallisiertes Substrat 100, z. B. ein DCB-Substrat oder ein AMB-Substrat, im vorliegenden Fall ein Mehrlagensubstrat (engl. multilayer substrate). Auf dem Substrat sind z. B. die Leistungstransistoren, die Freilaufdioden, der Gleichrichter und der Zwischenkreiskondensator angeordnet. Der Übersichtlichkeit halber sind in 2 nur die der ersten Phase U zugeordnete Transistorenhalbbrücke mit den IGBTs TU1 und TU2 und die dazugehörigen Verbindungsleitungen 101a und 101b dargestellt.
  • Die Versorgung der Halbbrücke TU1, TU2 erfolgt über die Bandleiter 101a und 101b, die durch eine dünne Isolationsschicht 102 getrennt sind, die jedoch der Zwischenkreisspannung VDC = (V+ – V–) standhalten können muss. Die Bandleiter 101a und 101b bilden ein Bandleiterpaar 101, wobei die einzelnen Bandleiter 101a, 101b im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet sind, sodass die Ströme in den einzelnen Bandleitern 101a, 101b antiparallel, d. h. entgegengesetzt fließen. Eine derartige Anordnung besitzt nur geringe Streuinduktivität und ist z. B. in der Druckschrift US 2009/0085219 A1 erläutert.
  • Die Streuinduktivitäten im Zwischenkreis sind für die Oszillationsneigung mitverantwortlich. Diese Streuinduktivitäten werden zwar durch eine Bandleiterstruktur (siehe Bandleiter-Paar 101 in 2) verringert, jedoch nicht vollständig eliminiert, sodass weiterhin Verbesserungsbedarf besteht.
  • Eine weitere Reduktion der Streuinduktivitäten ist durch konstruktive Maßnahmen, d. h. durch eine geeignete geometrische Anordnung der Leiter nicht oder nur sehr schwer zu erreichen, sodass eine andere Möglichkeit der Verbesserung darin besteht die trotz verminderten Streuinduktivitäten vorhandenen Oszillationen zu dämpfen. Ein elektrisches Ersatzschaltbild der vorhandenen Streuinduktivitäten LparDC bzw. LparBUS des Zwischenkreiskondensators und der Bandleiterstruktur 101 ist in der 3 dargestellt. Es ist leicht zu erkennen, dass die Streuinduktivitäten LparDC und LparBUS zusammen mit dem Zwischenkreiskondensator CDC und der Streukapazität der Bandleiterstruktur CparBUS einen LC-Schwingkreis höherer Ordnung bilden, der letztendlich für störende Oszillationen im Zwischenkreis verantwortlich ist. Des Weiteren bildet der Transistor selbst mit der Streuinduktivität LparT der Bonddrähte und den parasitären Chipkapazitäten CChip und CparT einen weiteren Schwingkreis.
  • 4 ist eine schematische Skizze eines Beispiels einer erfindungsgemäßen Bedämpfung des parasitären Schwingkreises aus 3. Demnach ist ein Dämpfungsglied derart in unmittelbarer Nähe zu zumindest einem der Bandleiter 101a, 101b angeordnet, dass eine transformatorische Kopplung zwischen dem Dämpfungsglied und dem Zwischenkreis gewährleistet ist. Das Dämpfungsglied kann beispielsweise eine Leiterschleife LD mit einer oder mehreren Wicklungen sein, die über einen ohmschen Widerstand RD abgeschlossen ist.
  • Die Leiterschleife LD kann vollständig zwischen dem Bandleiterpaar 101 angeordnet sein und gleich breit sein wie die Bandleiter. Es können über die Breite des Bandleiters 101 jedoch auch mehrere Wicklungen der Leiterschleife LD verteilt und seriell verschaltet sein um die transformatorische Kopplung im Vergleich zu dem Fall mit einer Windung noch zu erhöhen. Über die transformatorische Kopplung wirkt der ohmsche Widerstand zurück auf die Primärseite, also den Zwischenkreis, und dämpft so die in 3 dargestellten LC-Schwingkreise.
  • Die Leiterschleife LD kann auch teilweise außerhalb oder auch vollständig neben der Bandleiterstruktur 101 angeordnet sein, was jedoch die Dämpfungswirkung verschlechtert, da in diesem Fall die transormatorische Kopplung zwischen Primärseite (Zwischenkreis) und Sekundärseite (Dämpfungsglied) schlechter ist als im vorigen Fall, bei dem die Leiterschleife LD vollständig zwischen den Bandleitern 101a und 101b angeordnet ist.
  • 5 zeigt ein zu dem Beispiel aus 4 alternatives Ausführungsbeispiel, bei dem die Leiterschleife durch beide Bandleiter 101a, 101b durchgeführt ist. Die Leiterschleife liegt dabei im Wesentlichen parallel zu der Bandleiterstruktur 101, sodass der magnetische Fluss des durch den Bandleiter fließenden Laststromes IDC annähernd normal auf die Querschnittsfläche der Leiterschleife LD steht. 5a stellt diesen Fall als Schnittzeichnung dar. 5b ist die korrespondierende Draufsicht.
  • Die Wirkung der in den 4 und 5 dargestellten Ausführungsbeispiele ist in 6 illustriert. Die Dämpfungswirkung kann durch die in dem ohmschen Widerstand RD des Dämpfungsgliedes umgesetzte Verlustleistung P gemessen werden. Diese Verlustleistung beträgt P = Vind 2/RD = –(N·μ·A)2/RD·(dH/dt)2, (1)wobei das Symbol A die von der magnetischen Feldstärke H durchsetzte Querschnittsfläche der Leiterschleife LD, N die Anzahl der Windungen und μ die Permeabilität des umgebenden Materials (Isolationsschicht 103) bezeichnet. Die Dämpfung kann also dadurch erhöht werden, dass die Windungszahl N oder die Querschnittsfläche A erhöht wird oder dass der Widerstand RD des Dämpfungsgliedes verringert wird. Im Idealfall kann der Widerstand RD derart eingestellt werden, dass das Schwingungsverhalten dem aperiodischen Grenzfall entspricht, also gerade keine Schwingung mehr angeregt wird und dennoch dem System nicht unnötig Energie entzogen wird.
  • In den 7 und 8 sind weitere Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung dargestellt, bei denen der Strom in der Leiterschleife LD einer Signalverarbeitung zugeführt wird, um aus der Information über die Spannung in der Leiterschleife LD Rückschlüsse über den zeitlich veränderbaren Teil des Stroms iDC (Wechselanteil) im Zwischenkreis ziehen zu können.
  • Das Beispiel aus 7 entspricht was die Dämpfungseigenschaften betrifft elektrisch und im mechanischen Aufbau im Wesentlichen dem Beispiel aus den 4 bis 6. In der Leiterschleife LD wird aufgrund der transformatorischen Kopplung an den Zwischenkreis (d. h. an die Bandleiterstruktur 101) eine Spannung uIND induziert. Die Leiterschleife LD ist elektrisch mit einem der Leiterschleife LD elektrisch parallelgeschalteten Widerstand RD abgeschlossen. Im vorliegenden Fall liegt ein Anschluss des Widerstandes nicht auf dem Massepotential, so wie ein korrespondierender Anschluss der Leiterschleife LD, sondern auf dem ”virtuellen Nullpunkt” (virtuelle Masse) einer Operationsverstärkerschaltung umfassend einen mit einem Kondensator CINT rückgekoppelten Operationsverstärker OA. Die Operationsverstärkerschaltung bildet im vorliegenden Fall (7) einen Integrator.
  • Das Beispiel aus 8 entspricht dem Beispiel aus 7 mit dem einzigen Unterschied, dass im Rückkoppelzweig des Operationsverstärkers OA ein Widerstand RV statt dem Kondensator CINT angeordnet ist. Im Fall des Beispiels aus 8 wird so die Spannung im Dämpfungsglied (d. h. die in der Leiterschleife LD induzierte Spannung) verstärkt und nicht, so wie bei dem Beispiel aus 7, integriert.
  • In beiden Fällen (Beispiel gemäß 7 und gemäß 8) beträgt die induzierte Spannung in der Leiterschleife uIND = M·diDC/dt, (2) wobei M die Koppelinduktivität zwischen Primär- und Sekundärkreis (d. h. zwischen Bandleiter 101 und Leiterschleife LD des Dämpfungsgliedes) ist. Die im Dämpfungsglied umgesetzte Leistung berechnet sich wie weiter oben erläutert nach Gleichung (1). Die Ausgangsspannung VOUT des Operationsverstärkers OA ist im Fall des Beispiels aus 7
    Figure 00100001
    und im Fall des Beispiels aus 8 VOUT = –(RV/RD)·M·diDC/dt ~ diDC/dt. (4)
  • Der rückgekoppelte Operationsverstärker (OA) kann allgemein als eine gegenüber dem Bandleiter 101 galvanisch getrennte, mit dem Dämpfungsglied LD, RD jedoch elektrisch verbundene Strommessvorrichtung gesehen werden, die dazu ausgebildet ist einen Messwert VOUT für den Wechselanteil
    Figure 00100002
    im Strom iDC im Bandleiter (vgl. 7) oder für die Stromänderung diDC/dt im Bandleiter 101 (vgl. 8) zur Verfügung zu stellen. Das Symbol
    Figure 00100003
    bezeichnet dabei den Gleichanteil des Stroms iDC im Zwischenkreis.
  • Dieser Messwert kann der Steuereinheit 50 des Leistungshalbleitermoduls (siehe 1) zugeführt sein. Um das Schaltverhalten der Transistoren TU1, TU2, TV1, TV2, TW1, TW2 gezielt zu beeinflussen, kann die Steuerung 50 dazu ausgebildet sein, die Leistungstransistoren TU1, TU2, TV1, TV2, TW1, TW2 des Leistungshalbleitermoduls abhängig von dem oben genannten Messwert anzusteuern. Das heißt, der Gatestrom oder die Gatespannung des gerade angesteuerten Transistors wird von der Steue rung 50 z. B. abhängig von dem Messwert für die Stromänderung diDC/dt im Zwischenkreis gewählt, um ein bestimmtes erwünschtes Ein- oder Ausschaltverhalten, d. h. eine bestimmte Form der Schaltflanken (edge-shaping) des jeweiligen Transistors zu erreichen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - US 2009/0085219 A1 [0003, 0023]

Claims (12)

  1. Leistungshalbleitermodul, das aufweist: ein Zwischenkreiskondensator (CDC) zur Glättung einer gleichgerichteten Eingangs-Wechselspannung (VDC), zumindest ein Leistungshalbleiterbauelement (40), und zumindest einen Bandleiter (101a), der den Zwischenkreiskondensator (CDC) mit dem Leistungshalbleiterbauelement (40) verbindet, gekennzeichnet durch ein Dämpfungsglied (LD, RD), das transformatorisch an den zumindest einen Bandleiter (101a) gekoppelt ist.
  2. Leistungshalbleitermodul gemäß Anspruch 1, bei dem das Dämpfungsglied (LD, RD) aufweist: zumindest eine Leiterschleife (LD), die derart benachbart zu dem Bandleiter (101) angeordnet wird, dass sie von einem Magnetfeld durchsetzt wird, welches von einem Laststrom (iDC) durch den Bandleiter (101a) verursacht wird, und einen ohmschen Widerstand (RD), der in Serie zu der Leiterschleife (LD) geschaltet ist.
  3. Leistungshalbleitermodul gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem die Leiterschleife (LD) zumindest teilweise durch Öffnungen in dem Bandleiter verläuft.
  4. Leistungshalbleitermodul gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, das einen weiteren Bandleiter (101b) aufweist, der den Zwischenkreiskondensator (CDC) mit dem Leistungshalbleiterbauelement (40) verbindet, wobei der Bandleiter (101a) und der weitere Bandleiter (101b) parallel zueinander liegen und in entgegengesetzter Richtung Strom (iDC) führen.
  5. Leistungshalbleitermodul einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem das Dämpfungsglied eine Leiterschleife (LD) aufweist, die in der Nähe des Bandleiters (101) angeordnet ist und von diesem nur durch eine Isolationsschicht getrennt ist, die dünner ist als eine Dicke des Steifenleiters (101).
  6. Leistungshalbleitermodul Anspruch 4, bei dem die Leiterschleife (LD) vollständig zwischen den parallel liegenden Bandleiter (101) angeordnet ist.
  7. Leistungshalbleitermodul gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem das Dämpfungsglied so dimensioniert ist, dass eine Stromschwingung im Zwischenkreis annähernd dem aperiodischen Grenzfall entspricht.
  8. Leistungshalbleitermodul gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, das weiter eine gegenüber dem Bandleiter (101) galvanisch getrennte und mit dem Dämpfungsglied (LD, RD) elektrisch verbundene Strommessvorrichtung (OA, CINT) umfasst, die dazu ausgebildet ist, einen Messwert (VOUT) für den Wechselstromanteil im Bandleiter (101) zur Verfügung zu stellen.
  9. Leistungshalbleitermodul gemäß Anspruch 8, bei dem die Strommessvorrichtung (OA, CINT) einen Integrator umfasst, der dazu ausgebildet ist, die im Dämpfungsglied (LD, RD) induzierte Spannung zu integrieren.
  10. Leistungshalbleitermodul gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, das weiter eine gegenüber dem Bandleiter (101) galvanisch getrennte und mit dem Dämpfungsglied (LD, RD) elektrisch verbundene Strommessvorrichtung (OA, RV) umfasst, die dazu aus gebildet ist, einen Messwert (VOUT) für die Stromänderung im Bandleiter (101) zur Verfügung zu stellen.
  11. Leistungshalbleitermodul gemäß Anspruch 10, bei dem die Strommessvorrichtung (OA, RV) einen Verstärker umfasst, der dazu ausgebildet ist, ein zu der im Dämpfungsglied (LD, RD) induzierten Spannung proportionales Ausgangssignal (VOUT) zu erzeugen.
  12. Leistungshalbleitermodul gemäß einem der Ansprüche 8 bis 11, bei dem der von der Strommessvorrichtung (OA, RV) bereitgestellte Messwert einer Steuereinheit (50) zugeführt ist, die dazu ausgebildet das zumindest eine Leistungshalbleiterbauelement (40) abhängig von dem Messwert (VOUT) anzusteuern.
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