DE102009029044B3 - Leistungshalbleitermodul mit Ladeschaltung für Zwischenkreiskondensator - Google Patents

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Abstract

Es wird ein Leistungshalbleitermodul offenbart, das Folgendes aufweist: ein Substrat, eine auf dem Substrat angeordnete strukturierte Metallisierungsschicht und eine Gleichrichter-Brückenschaltung, die zwei Gleichstrom-Ausgangsanschlüsse und zwei oder mehrere Wechselstrom-Eingangsanschlüsse aufweist, wobei die Brückenschaltung zumindest einen, in einem ersten Halbleiterchip integrierten, steuerbaren elektronischen Schalter umfasst, der auf der Metallisierungsschicht angeordnet und zwischen einen Wechselstrom-Eingangsanschluss und einen Gleichstrom-Ausgangsanschluss geschaltet ist. Das Modul umfasst des Weiteren Anschlüsse für eine Zwischenkreiskondensator-Anordnung, die zwischen die Gleichstrom-Ausgangsanschlüsse geschaltet ist, und eine Zwischenkreiskondensator-Ladeschaltung, die zumindest eine, dem steuerbaren elektronischen Schalter parallel geschaltete Serienschaltung aus einem Widerg ist dabei vollständig in einem oder mehreren Halbleiter-Chips integriert.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Leistungshalbleitermodul, insbesondere ein Leistungshalbleitermodul mit einem Stromrichter, der einen Brückengleichrichter, einen Kondensator im Gleichstrom-Zwischenkreis (englisch: ”DC link capacitor”) und eine Ladeschaltung für diesen Kondensator aufweist.
  • Leistungshalbleitermodule beinhalten häufig Stromrichter, mit denen Wechselströme über einen Gleichstrom-Zwischenkreis (englisch: ”DC link”) umgerichtet werden, um einen Verbraucher (z. B. Elektromotore) anzusteuern. Im Zwischenkreis befindet sich ein Zwischenkreiskondensator zur Glättung der gleichgerichteten Wechselspannung. Um beim Einschalten des Stromrichters, wenn der Zwischenkreiskondensator noch entladen ist, einen Kurzschluss der Sekundärseite und damit einen Stromstoß in der Primärseite zu vermeiden, weisen bekannte Stromrichter eine Ladeschaltung auf, mit deren Hilfe der Zwischenkreiskondensator über einen oder mehrere Widerstände geladen wird. Das Aufladen kann dabei mehrere Millisekunden, sogar mehrere Schwingungsperioden (20 ms bei 50 Hz Netzfrequenz) der Wechselspannung lang dauern.
  • Nach Ablauf der Ladephase, d. h. sobald der Zwischenkreiskondensator auf einen Sollwert aufgeladen ist, kann der Widerstand, über den der Kondensator geladen wurde, überbrückt werden, und der Stromrichter kann den Betrieb aufnehmen und Leistung an den angeschlossenen Verbraucher abgeben.
  • Bei bekannten Leistungshalbleitermodulen, die Stromrichter enthalten, ist die Ladeschaltung ein Bestandteil der notwen digen externen Beschaltung des Moduls, die vom Anwender zur Verfügung gestellt werden muss. So kann z. B. ein externer Widerstand zum Laden des Kondensators vorgesehen sein, der nach Abschluss des Ladevorgangs mit einem Relais überbrückt wird. Alternativ kann der Ladewiderstand (oder die Ladewiderstände) mit elektronischen Schaltern (z. B. Thyristoren) überbrückt werden. Die Druckschrift DE 92 16 662 U1 beschreibt eine bekannte Vorladeschaltung mit kombiniertem Überspannungsschutz für einen netzgeführten Stromrichter mit ausgangsseitigem Kondensator.
  • Mit der Verwendung externen Ladeschaltungen für den Zwischenkreiskondensator ist immer ein erhöhter Aufwand zur Verbindung der einzelnen Bauelemente verbunden. Des Weiteren ergeben sich erhöhte Kosten für den Anwender des Leistungshalbleitermoduls.
  • Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, ein Leistungshalbleitermodul mit einer möglichst kostengünstigen und energieeffizienten Zwischenkreis-Ladeschaltung zur Verfügung zu stellen. Diese Aufgabe wird durch das Leistungshalbleitermodul gemäß Anspruch 1 gelöst. Beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
  • Ein Leistungshalbleitermodul gemäß einem Beispiel der Erfindung weist folgendes auf: ein Substrat, eine auf dem Substrat angeordnete strukturierte Metallisierungsschicht und eine Gleichrichter-Brückenschaltung, die zwei Gleichstrom-Ausgangsanschlüsse und zwei oder mehrere Wechselstrom-Eingangsanschlüsse aufweist, wobei die Brückenschaltung zumindest einen, in einem ersten Halbleiterchip integrierten, steuerbaren elektronischen Schalter umfasst, der auf der Metallisierungsschicht angeordnet und zwischen einen Wechselstrom-Eingangsanschluss und einen Gleichstrom-Ausgangsanschluss geschaltet ist. Das Modul umfasst des Weiteren An schlüsse für eine externen Zwischenkreiskondensator-Anordnung (oder eine eingebaute Zwischenkreiskondensator-Anordnung), und eine Zwischenkreiskondensator-Ladeschaltung, die zumindest eine, dem steuerbaren elektronischen Schalter parallel geschaltete Serienschaltung aus einem Widerstand und einer Diode aufweist. Die Serienschaltung ist dabei vollständig in einem oder mehreren Halbleiter-Chips integriert.
  • Zu jedem steuerbaren elektronischen Schalter ist die parallel geschaltete Serienschaltung auf derselben Metallisierungsfläche wie der elektronische Schalter angeordnet. Des Weiteren sind die Diode und der Widerstand der Serienschaltung jeweils in separaten Halbleiterchips integriert, die in Chip-on-Chip-Technologie miteinander verbunden sind.
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand von in den Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den Abbildungen zeigt:
  • 1 ein elektrisches Ersatzschaltbild eines in einem Leistungshalbleitermodul angeordneten Schaltungsteils eines Stromrichters gemäß einem Beispiel der Erfindung;
  • 2 eine Draufsicht auf eine mögliche Anordnung eines Teils der Schaltung aus 1 auf einem Substrat in einem Leistungshalbleitermodul;
  • 3 eine Schnittdarstellung einer weiteren mögliche Anordnung eines Teils der Schaltung aus 1 auf einem Substrat in einem Leistungshalbleitermodul; und
  • 4 die Draufsicht auf die Anordnung aus 3.
  • In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Komponenten bzw. Signale mit gleicher Bedeutung.
  • 1 zeigt ein elektrisches Ersatzschaltbild eines in einem Leistungshalbleitermodul angeordneten Schaltungsteils eines Stromrichters gemäß einem Beispiel der Erfindung. Der dargestellte Schalungsteil umfasst eine Gleichrichtereinheit 10, eine Zwischenkreiskondensatoranordnung C1, C2 sowie eine Ladeschaltung 20 für die Zwischenkreiskondensatoranordnung C1, C2.
  • Bei der Gleichrichtereinheit 20 handelt es sich um eine halbgesteuerte Sechspuls-Brückenschaltung (B6H-Schaltung) zum Betrieb am Drehstromnetz. Je nach Anwendung kommt jedoch auch eine einpolig halbgesteuerte Zweipulspuls-Brückenschaltung (B2H-Schaltung) zum Betrieb am Einphasen-Wechselstromnetz in Betracht. Die Sechspuls-Brückenschaltung aus 1 besteht aus drei Gleichrichterdioden DR1, DR2, DR3 und drei Thyristoren TR1, TR2, TR3. Auf die Thyristorsteuerung, die nicht netzsynchron erfolgen muss, wird noch später eingegangen. Die Gleichrichtereinheit 10 hat im Drehstrom-Fall drei Wechselstromanschlüsse (AC-Anschlüsse) L1, L2 und L3 und zwei Gleichstromanschlüsse DC+ und DC–.
  • Die Ladeschaltung 20 umfasst für jeden Thyristor eine Serienschaltung aus je einer Diode D1, D2, D3 mit einem Serienwiderstand R1, R2, R3, wobei jeweils eine Dioden-Widerstand-Serien schaltung einem Thyristor TR1, TR2, TR3 parallel geschaltet ist.
  • Bei deaktivierten Thyristoren TR1, TR2, TR3, wird die Zwischenkreiskondensatoranordnung C1, C2 geladen. Bei eingeschalteten (aktivierten) Thyristoren TR1, TR2, TR3 sind die Dioden-Widerstand-Serienschaltungen D1-R1, D2-R2, D3-R3 durch die Thyristoren TR1, TR2, TR3 überbrückt. Im vorliegenden Fall befinden sich die Dioden-Widerstand-Serienschaltungen zwischen je einem Wechselstromanschluss L1, L2 und L2 und dem Gleichstromanschluss DC+.
  • Die Thyristorsteuerung 30 hält beim Einschalten der Schaltungsanordnung die Thyristoren TR1, TR2, TR3 der Gleichrichtereinheit 10 inaktiv, sodass über die Ladeschaltung die Zwischenkreiskondensatoranordnung (Kondensatoren C1, C2) mit einer definierten Zeitkonstanten aufgeladen wird. Die Ladezeit kann mehrere Taktperioden der Netzfrequenz an den Wechselstromanschlüssen L1, L2, L3 betragen. Ist die Zwischenkreiskondensatoranordnung aufgeladen, aktiviert die Thyristorsteuerung 30 die Thyristoren, die dann wie die Gleichrichterdioden arbeiten.
  • Über der Zwischenkreiskondensatoranordnung C1, C2 fällt die Zwischenkreisgleichspannung (englisch: ”DC link voltage”) VDC ab. Diese wird dann beispielsweise einer Transistor-Halbbrücke (nicht dargestellt) zugeführt, die für die anschließende Wechselrichtung der Zwischenkreisspannung VDC sorgt.
  • Eine ähnliche Schaltung ist bereits aus der Publikation DE 197 10 371 C1 bekannt, jedoch betrifft diese Publikation nur die Schaltung als solche und nicht deren konkreten Aufbau in einem Halbleitermodul.
  • Die Ladeschaltung 20 musste bisher vom Anwender des Stromrichter-Leistungshalbleitermoduls extern ergänzt werden. Die Ladeschaltung ist dabei diskret aus Einzelkomponenten aufgebaut.
  • In 2 ist gezeigt, wie die Ladeschaltung in das Leistungshalbleitermodul in einfacher Weise, platzsparend und unter ausschließlicher Verwendung von Halbleiterbauelementen (Dioden und Halbleiterwiderstände) integriert werden kann.
  • Das Leistungshalbleitermodul (z. B. Infineon EconoPACKTM4, das bei Strömen von 75 A bis 200 A und Spannnungen von 0,6 kV bis 1,7 kV und bei Sperrschichttemperaturen der Leistungshalbleiter bis 150°C betrieben werden kann) weist ein Substrat 200 (in 2 nicht dargestellt, siehe 3) mit einer strukturierten Metallisierung 102, 103, 104 auf einer Substratoberfläche auf. Das Substrat kann z. B. aus Keramik sein.
  • Die strukturierte Metallisierung 102, 103, 104 umfasst z. B. Metallisierungsflächen 102 zum Verbinden der Wechselstromanschlüsse L1, L2 und L3 mit den Elektroden der Thyristoren TR1, TR2, TR3 und Dioden DR1, DR2, DR3 der Gleichrichtereinheit 10 und die Metallisierungsflächen 103 und 104 zum Anschluss der Gleichstromanschlüsse DC+ bzw. DC– und der Zwischenkreiskondensatoranordnung C1, C2. In 2 (sowie in den 3 und 4) ist der Einfachheit halber nur ein Drittel des Gleichrichters 10 und der Ladeschaltung 20 dargestellt, nämlich der Teil für den Wechselstromanschluss L1.
  • Auf der Metallisierungsfläche 102, die mit dem Wechselstromanschluss L1 verbunden ist, sind der Thyristor TR1 und die Diode DR1 der Gleichrichtereinheit 10 angeordnet. Auf der selben Metallisierungsfläche 102 ist auch die Diode D1 und/oder der Widerstand R1 (hier nur der Widerstand R1) der Ladeschaltung 20 angeordnet. Im dargestellten Fall sind die Kathode der Diode DR1 und die Anode des Thyristors TR1, die sich jeweils auf der Unterseite der Halbleiterchips befinden, elektrisch leitend mit der Metallisierungsfläche 102 verbunden, z. B. über eine Lotschicht. Die Anode des Thyristors TR1, die sich auf der Oberseite des betreffenden Halbleiterchips befindet, ist elektrisch über Bonddrähte 101 mit der Metallisierungsfläche 103 verbunden, die Kathode der Diode DR1 ist in ähnlicher Weise mit der Metallisierungsfläche 104 verbunden. Die Metallisierungsflächen 103 und 104 bilden die Gleichstromanschlüsse DC+ bzw. DC–. Des Weiteren ist der Steueranschluss des Thyristors TR1 mit der Metallisierungsfläche 105 verbunden, die gegenüber den anderen Metallisierungsflächen 102, 103, 104 elektrisch isoliert ist.
  • Die Diode D1 der Ladeschaltung 20 ist mit ihrer Kathode (Unterseite des Halbleiterchips) auf der Metallisierung 105 angeordnet und die Anode der Diode D1 ist ebenfalls mit einem Bonddraht 101a mit dem Widerstand R1 verbunden. Aus der 2 ist erkennbar, dass die Serienschaltung aus Diode D1 und Ladewiderstand R1 der Ladeschaltung parallel zu dem Thyristor TR1 der Gleichrichtereinheit 10 geschaltet ist.
  • In der 3 ist in einer Schnittdarstellung ein ähnlicher Aufbau wie in 2 dargestellt. Das Beispiel aus 3 ist jedoch insofern effizienter aufgebaut, als der Bonddraht 101a eingespart werden kann. Dazu ist die Dioden-Widerstand-Serienschaltung D1-R1 auf derselben Metallisierungsfläche 102 angeordnet wie der dieser Serienschaltung parallel geschaltete Thyristor TR1, wobei die Dioden-Widerstand-Serienschaltung D1-R1 entweder in einem Chip integriert ist oder die Diode D1 und der Widerstand R1 jeweils in zwei getrennten Halbleiterchips integriert sind, die in Chip-on-Chip-Technik übereinander angeordnet sind. In diesem Fall wird kein zusätzlicher Bonddraht zum Anschluss der Dioden-Widerstand-Serienschaltung D1-R1 benötigt, sondern es kann ein Bonddraht (z. B. Bonddraht 101b), der für die Kontaktierung des Thyristors TR1 ohnehin benötigt wird, gleichzeitig für die Kontaktierung der Dioden-Widerstand-Serienschaltung D1-R1 verwendet werden, so wie dies in 3 dargestellt ist. Die 3a und 3b sind mit identisch mit der Ausnahme, dass in 3a der Übersichtlichkeit halber keine Bonddrähte eingezeichnet wurden.
  • In der 4 ist das Beispiel aus 3 noch einmal in der Draufsicht dargestellt.

Claims (5)

  1. Leistungshalbleitermodul, das aufweist: ein Substrat (200); eine auf dem Substrat angeordnete strukturierte Metallisierungsschicht (102, 103, 104); eine Gleichrichter-Brückenschaltung (10), die zwei Gleichstrom-Ausgangsanschlüsse (DC+, DC–) und zwei oder mehrere Wechselstrom-Eingangsanschlüsse (L1, L2, L3) aufweist, wobei die Brückenschaltung zumindest einen, in einem ersten Halbleiterchip integrierten, steuerbaren elektronischen Schalter (TR1) umfasst, der auf der Metallisierungsschicht (102) angeordnet und zwischen einen Wechselstrom-Eingangsanschluss und einen Gleichstrom-Ausgangsanschluss geschaltet ist; eine Zwischenkreiskondensator-Anordnung (C1, C2), die zwischen die Gleichstrom-Ausgangsanschlüsse (DC+, DC–) geschaltet ist; eine Zwischenkreiskondensator-Ladeschaltung (20), die zumindest eine, dem steuerbaren elektronischen Schalter (TR1; TR2; TR3) parallel geschaltete Serienschaltung aus einem Widerstand (R1; R2; R3) und einer Diode (D1; D2; D3) aufweist, wobei die Serienschaltung (R1-D1; R2-D2; R3-D3) vollständig in einem oder mehreren Halbleiter-Chips integriert ist, dadurch gekennzeichnet, dass zu jedem steuerbaren elektronischen Schalter (TR1; TR2; TR3) die parallel geschaltete Serienschaltung (R1-D1; R2-D2; R3-D3) auf derselben Metallisierungsfläche wie der elektronische Schalter (TR1; TR2; TR3) angeordnet ist und dass die Diode (D1; D2; D3) und der Widerstand (R1; R2; R3) der Serienschaltung jeweils in separaten Halbleiterchips integriert sind, die in Chip-on-Chip-Technologie miteinander verbunden sind.
  2. Leistungshalbleitermodul gemäß Anspruch 1, bei der die Gleichrichter-Brückenschaltung (10) eine halbgesteuerte Sechspuls-Brückenschaltung mit drei Dioden (DR1, DR2, DR3) und drei Thyristoren (TR1, TR2, TR3) ist.
  3. Leistungshalbleitermodul gemäß Anspruch 1, bei der die Gleichrichter-Brückenschaltung (10) eine halbgesteuerte Zweipuls-Brückenschaltung mit zwei Dioden und zwei Thyristoren ist.
  4. Leistungshalbleitermodul gemäß Anspruch 2, bei dem die Ladeschaltung (20) für jeden der drei Thyristoren (TR1, TR2, TR3) eine dazu parallelgeschaltete Dioden-Widerstands-Serienschaltung (R1-D1; R2-D2; R3-D3) aufweist.
  5. Leistungshalbleitermodul gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4, das eine Ansteuereinheit (30) für die Thyristoren (TR1, TR2, TR3) aufweist, die dazu ausgebildet ist, die Thyristoren (TR1, TR2, TR3) zu aktivieren, sobald eine Zwischenkreisspannung (VDC) an der Zwischenkreiskondensator-Anordnung (C1, C2) einen vorgegebenen Schwellenwert übersteigt.
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