DE102010002627A1

DE102010002627A1 - Niederinduktive Leistungshalbleiterbaugruppe

Info

Publication number: DE102010002627A1
Application number: DE102010002627A
Authority: DE
Inventors: Dr. Bayerer Reinhold; Dr. Domes Daniel
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2010-03-05
Filing date: 2010-03-05
Publication date: 2011-09-08
Anticipated expiration: 2030-03-06
Also published as: DE102010002627B4; US20110216561A1; CN102195458B; US9106124B2; CN102195458A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine niederinduktive Leistungshalbleiterbaugruppe. Hierbei sind die eingesetzten Halbleiterschalter in einer Hauptstromrichtung hintereinander angeordnet.

Description

Die Erfindung betrifft Leistungshalbleiterbaugruppen, mit zwei oder mehr Brückenzweigen, die zum Betrieb einer externen Last jeweils einen Phasenausgang aufweisen. Bei derartigen Brückenzweigen kann es sich beispielsweise um Halbbrückenzweige handeln, die ein Ausgangspotenzialerzeugen, aber auch um Brückenzweige, die an ihrem Phasenausgang drei oder mehr elektrische Potenziale bereitstellen können, wie dies beispielsweise bei sogenannten 3-Level- oder Multilevel Umrichtern der Fall ist. Mit Hilfe solcher Brückenzweige lassen sich beispielsweise H-Brücken oder Mehrphasenumrichter realisieren.
1 zeigt hierzu beispielhaft das Schaltbild eines herkömmlichen Umrichters mit drei Halbbrückenzweigen B1, B2 und B3, die jeweils einen oberen Brückenzweig B1T, B2T bzw. B3T, einen unteren Brückenzweig B1B, B2B bzw. B3B, sowie einen Phasenausgang PH1, PH2 bzw. PH3 aufweisen. An die Phasenausgänge PH1, PH2 bzw. PH3 ist eine gemeinsame Last M, beispielsweise ein Motor, angeschlossen. In Bezug auf die einzelnen Brückenzweige B1, B2 und B3 weist die Last M jeweils eine Lastinduktivität L1, L2 bzw. L3 auf. Da für die folgenden Betrachtungen die beteiligten Induktivitäten im Vordergrund stehen, wurde auf die Darstellung ohmscher Anteile der Last M und der anderen Komponenten verzichtet, die jedoch unvermeidlich vorhanden sind.
Jede der drei Halbbrücken B1, B2 und B3 umfasst zwei steuerbare Halbleiterschalter Z1/Z2, Z3/Z4 bzw. Z5/Z6, deren Laststrecken in Reihe geschaltet sind, wobei ein den Laststrecken gemeinsamer Knoten den Phasenausgang PH1, PH2, PH3 bildet. Die Lastinduktivitäten sind in dem dargestellten Beispiel sternförmig verschaltet, d. h. jede der Induktivitäten L1–L3 ist mit einem Anschluss an einen gemeinsamen Sternpunkt angeschlossen. Alternativ könnten die Lastinduktivitäten auch dreieckförmig verschaltet sein. In diesem Fall ist jede Induktivität L1–L3 zwischen zwei der Phasenausgänge geschaltet. Antiparallel zu einem jeden der Halbleiterschalter Z1, Z2, Z3, Z4, Z5 bzw. Z6 ist jeweils eine Freilaufdiode D1, D2, D3, D4, D5 bzw. D6 geschaltet. Zur Realisierung des Umrichters sind die Halbbrücken B1, B2 und B3 jeweils an eine Zwischenkreisspannung V1 angeschlossen. Außerdem ist parallel zu einer jeden der Halbbrücken B1, B2, B3 ein Zwischenkreiskondensator C1, C2 bzw. C3 geschaltet.
Zur elektrischen Verschaltung der einzelnen Komponenten innerhalb der einzelnen Brückenzweige B1, B2, B3 müssen Leiterbahnen, Anschlussbleche und dergleichen verwendet werden, durch die es unvermeidlich zur Ausbildung von Streuinduktivitäten kommt. Einige solcher Streuinduktivitäten L4 bis L9 sind 1 beispielhaft dargestellt. Da aufgrund dieser Streuinduktivitäten L4 bis L9 während des Kommutierens hohe Induktionsspannungsspitzen innerhalb der einzelnen Brückenzweige auftreten, die insbesondere die Halbleiterschalter Z1, 22, Z3, Z4, Z5, Z6 sowie die Freilaufdioden D1, D2, D3, D4, D5, D6 belasten, und damit zu Überspannungen sowie zu Schwingungserscheinungen im gesamten System führen können, wird bei herkömmlichen Leistungshalbleiterbaugruppen versucht, die Streuinduktivitäten L4 bis L9 innerhalb der einzelnen Brückenzweige B1, B2, B3 möglichst gering zu halten.
Weitere Verbesserungen können erreicht werden, indem Induktivitäten L10, L11, L12, L13, L14, L15, von Anschluss- und Verbindungsleitungen, welche sich in einen die Halbleiterschalter enthaltenden Modul im wesentlichen senkrecht von der Montageebene der Halbleiterschalter Z1, Z2, Z3, Z4, Z5 und Z6 weg erstrecken, möglichst kurz gehalten und parallel und symmetrisch geführt wurden.
Trotz dieser Verbesserungen können dennoch störende Induktionsspannungsspitzen auftreten. Die in 1 anhand von elektrischen Schaltsymbolen dargestellten Halbleiterschalter Z1–Z6 umfassen bei Umrichtern für Hochstromanwendungen üblicherweise jeweils mehrere Schaltelemente, die parallel geschaltet sind und die gemeinsam angesteuert sind. Zwischen den einzelnen parallel geschalteten Schaltelementen können hierbei weitere parasitäre Induktivitäten vorhanden sein. Diese weiteren Induktivitäten können zu einer Unsymmetrie bezüglich der Strombelastung der einzelnen parallel geschalteten Schaltelemente führen.
Bei bekannten Umrichtern sind die einzelnen Brückenzweige üblicherweise in einer Richtung senkrecht zur Hauptstromrichtung der Brückenzweige nebeneinander angeordnet, was bezugnehmend auf 1 erläutert wird.
Die Darstellung in 1 ist so gewählt, dass sie nicht nur das Schaltbild der Anordnung wiedergibt, sondern auch die relative Lage der steuerbaren Leistungsschalter Z1, Z2, Z3, Z4, Z5 und Z6 zueinander. Demgemäß lässt sich jedem der Brückenzweige B1, B2, B3 eine Hauptstromrichtung I1, I2 bzw. I3 zuordnen, die jeweils durch einen Pfeil angedeutet und in etwa durch die Richtung der Verbindungslinie zwischen den beiden Leistungsschaltern Z1 und Z2, zwischen den beiden Leistungsschaltern Z3 und Z4, bzw. zwischen den beiden Leistungsschaltern Z5 und Z6 der jeweiligen Brücke B1, B2 bzw. B3 gegeben ist. Die einzelnen Halbbrücken B1, B2, B3 sind in einer Querrichtung Q, die in etwa senkrecht zu diesen Hauptstromrichtungen I1, I2, I3 verläuft, nebeneinander angeordnet.
Hierdurch kommt es bei Kommutierungsvorgängen in den Halbbrücken B1, B2, B3 aufgrund der Verschaltung der Brücken B1, B2, B3 miteinander in den hierzu erforderlichen Verbindungsleitungen zu einem nicht unerheblichen transienten Stromfluss in der Querrichtung Q und damit einhergehend zu Induktionsspannungsspitzen, die insbesondere auch von den Streuinduktivitäten L16, L17, L18 und L19 herrühren, welche durch die in Querrichtung Q verlaufenden Abschnitte der Verbindungsleitungen gebildet sind.
Dies wird nachfolgend anhand von 2 beispielhaft erläutert. 2 zeigt die Anordnung gemäß 1 in einem bestimmten Betriebszustand, in dem ein Stromfluss entlang eines durch Pfeile und eine erhöhte Linienstärke dargestellten ersten Pfades P1 besteht. Der Strom fließt bei leitenden Leistungsschaltern Z1 und Z4 sowie bei sperrendem Leistungsschalter Z2 von der Zwischenkreisspannungsquelle V12 durch die Streuinduktivitäten L20, L16, L10 und L4, den Leistungsschalter Z1, die Induktivitäten L1 und L2, den Leistungsschalter Z4 und die Streuinduktivitäten L7, L13 und L21 zurück zur Zwischenkreisspannungsquelle V1.
Bei einem nachfolgenden Kommutierungsvorgang wird der Leistungsschalter Z1 in den Sperrzustand versetzt, während der Leistungsschalter Z4 leitend bleibt. Unmittelbar nach dem Abschalten kommt es aufgrund der vor allem in den Induktivitäten L1 und L2 der externen Last M gespeicherten Energie in den Induktivitäten L1 und L2 zu einem induzierten Strom, dessen Richtung der Richtung des Stromes durch diese Induktivitäten L1 und L2 vor dem Abschalten von Z1 entspricht.
Da der Leistungsschalter Z1 abgeschaltet ist, fließt der durch die Lastinduktivitäten L1, L2 bewirkte Strom entlang eines zweiten, ebenfalls durch Pfeile und eine erhöhte Linienstärke dargestellten Pfades P2, der in 3 dargestellt ist. Der Strom fließt dabei ausgehend von der Induktivität L1 durch die Induktivität L2, den eingeschalteten Leistungsschalter Z4, die Streuinduktivitäten L7, L13, L18, L11 und L5 über die Freilaufdiode D2 zurück zur Induktivität L1.
Wie durch den Vergleich der 2 und 3 zu erkennen ist, wird der Strom durch die Streuinduktivitäten L4, L10, L16, L20 und L21 aufgrund des Kommutierungsvorgangs zu Null oder sinkt zumindest signifikant ab, während ein Strom durch die Streuinduktivitäten L18, L11 und L5 entsteht oder sich signifikant verstärkt. Diese Stromänderungen in den Induktivitäten L4, L5, L10, L11, L16, L18, L20 und L21 erfolgen insbesondere beim ”harten” Abschalten von Z1 sehr schnell, so dass es zu hohen, unerwünschten Induktionsspannungsspitzen U4, U5, U10, U11, U16, U18, U20 bzw. U21 kommt, die über den jeweiligen Induktivitäten L4, L5, L10, L11, L16, L18, L20 bzw. L21 abfallen. Bei ähnlichen Kommutierungsvorgängen kommt es auch in den anderen Schaltungsteilen auf entsprechende Weise zu unerwünschten Induktionsspannungsspitzen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Leistungshalbleiterbaugruppe mit wenigstens zwei Brückenzweigen bereitzustellen, sowie eine Leistungshalbleiteranordnung mit wenigstens zwei miteinander verschalteten Brückenzweigen bereitzustellen, bei denen das Auftreten unerwünschter Induktionsspannungsspitzen bei Kommutierungsvorgängen verbessert ist.
Diese Aufgabe wird durch eine Leistungshalbleiterbaugruppe gemäß Patentanspruch 1 und 9 gelöst. Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Bei der vorliegenden Erfindung wurde erkannt, dass zwar die Verbesserung durch die Minimierung der Induktivitäten L4, L5, L10, L11, L20, L21 bei den herkömmlichen Anordnungen mehr oder weniger ausgereizt ist, dass jedoch eine weitere Optimierung durch eine Minimierung der nachfolgend als ”Querinduktivitäten” bezeichneten Streuinduktivitäten L16, L17, L18 und L19 möglich ist. Dieser Aspekt wurde bislang nie berücksichtigt, obwohl die Problematik des Auftretens unerwünschter Induktionsspannungsspitzen bei Kommutierungsvorgängen seit Jahrzehnten bekannt ist.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft eine Leistungshalbleiterbaugruppe, die aufweist: wenigstens zwei Brückenzweige mit jeweils wenigstens zwei Leistungsschaltern, die direkt oder indirekt an einen Phasenausgang angeschlossen sind, wobei jeder der Leistungsschalter wenigstens zwei parallel geschaltete Schaltelemente aufweist, die in jeweils einem Halbleiterchip integriert sind. Jeder der Leistungsschalter ist in einem Leistungshalbleitermodul angeordnet und die einzelnen Leistungshalbleitermodule sind in einer ersten Richtung benachbart zueinander angeordnet, wobei die Halbleiterchips eines Leistungsschalters in dem zugehörigen Leistungshalbleitermodul in einer zweiten Richtung benachbart zueinander angeordnet sind, die senkrecht zu der ersten Richtung verläuft.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Leistungshalbleiterbaugruppe, die aufweist: wenigstens einen Brückenzweig mit jeweils wenigstens drei Leistungsschaltern, die direkt oder indirekt an einen Phasenausgang angeschlossen sind, wobei jeder der Leistungsschalter wenigstens zwei parallel geschaltete Schaltelemente aufweist, die in jeweils einem Halbleiterchip integriert sind, wobei jeder der Leistungsschalter in einem Leistungshalbleitermodul angeordnet ist und die einzelnen Leistungshalbleitermodule in einer ersten Richtung benachbart zueinander angeordnet sind, und wobei die Halbleiterchips eines Leistungsschalters in dem zugehörigen Leistungshalbleitermodul in einer zweiten Richtung benachbart zueinander angeordnet sind, die senkrecht zu der ersten Richtung verläuft.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher erläutert. Es zeigen:
1 ein Schaltbild eines Umrichters mit drei Brückenzweigen gemäß dem Stand der Technik;
2 den Stromfluss durch den Umrichter gemäß 1 in einer ersten Betriebsphase;
3 den Stromfluss durch den Umrichter gemäß den 1 und 2 in einer nach einem Kommutierungsvorgang vorliegenden zweiten Betriebsphase;
4 ein Schaltbild eines beispielhaft drei Brückenzweige aufweisenden Umrichters gemäß der vorliegenden Erfindung, bei dem die Brückenzweige in ihren Hauptstromrichtungen hintereinander angeordnet sind;
5 ein Schaltbild eines Brückenzweiges zur Verwendung in einem Drei-Level Umrichter, bei dem die Leistungsschalter in der Hauptstromrichtung des Brückenzweiges hintereinander angeordnet sind;
6 ein Schaltbild eines Brückenzweiges zur Verwendung in einem Drei-Level Umrichter nach dem ”flying capacitor”-Prinzip, bei dem die Leistungsschalter in der Hauptstromrichtung des Brückenzweiges hintereinander angeordnet sind;
7 ein Schaltbild des an eine Zwischenkreisspannungsquelle angeschlossenen Brückenzweiges gemäß 5, wobei ergänzend Streuinduktivitäten dargestellt sind;
8 ein Beispiel für einen konkreten Aufbau eines Umrichters gemäß 4;
9 einen Vertikalschnitt durch den den ersten Brückenzweig B1 umfassenden Abschnitt des in 8 gezeigten Umrichters;
10 eine perspektivische Ansicht eines mit Einpresskontakten versehenen Anschlussbleches;
11 eine Schnittansicht eines Drei-Phasen-Umrichters, bei dem die oberen und unteren Brückenzweige jeweils auf einem separaten Schaltungsträger angeordnet und mittels einer gemeinsamen Streifenleitung elektrische miteinander verbunden sind;
12 eine Schnittansicht eines Drei-Phasen-Umrichters, bei dem die jeder Brückenzweig auf einem separaten, als Mehrschicht-Schaltungsträger ausgebildeten Schaltungsträger angeordnet ist;
13A eine Draufsicht auf einen Drei-Phasen-Umrichter, bei dem jeder Brückenzweig als einzelnes Leistungshalbleitermoduls ausgebildet ist;
13B eine Schnittansicht des Drei-Phasen-Umrichters gemäß 13A;
14A eine Draufsicht auf einen Drei-Phasen-Umrichter, der einen gemeinsamen Mehrschicht-Schaltungsträger aufweist;
14B eine Schnittansicht des Drei-Phasen-Umrichters gemäß 14A;
15A eine Draufsicht auf einen Drei-Phasen-Umrichter, der einen gemeinsamen Mehrschicht-Schaltungsträger aufweist und zu dessen oberseitiger Verschaltung eine Folientechnik eingesetzt wird;
15B eine Schnittansicht des Drei-Phasen-Umrichters gemäß 15A;
16A eine Draufsicht auf einen Drei-Phasen-Umrichter, der einen gemeinsamen Mehrschicht-Schaltungsträger aufweist, bei dem nur die oberste Metallisierungsschicht strukturiert ist, wobei zur oberseitigen Verschaltung des Umrichters eine Folientechnik mit mehr als einer Leiterschicht eingesetzt wird;
16B eine Schnittansicht des Drei-Phasen-Umrichters gemäß 16A;
17A eine schematische Darstellung eines Umrichters, bei dem die steuerbaren Halbleiterchips eines jeden oberen und unteren Brückenzweiges und die Zwischenkreiskondensatoren in parallelen Reihen angeordnet sind;
17B eine schematische Darstellung entsprechend 17A, bei der die Reihen eines oberen Brückenzweiges und eines unteren Brückenzweiges im Vergleich zu der Anordnung gemäß 17A vertauscht sind; und
18 eine Draufsicht auf die Anordnung gemäß 17A, bei der ein Steifenleiter mit mehreren Streifenleitungen zur Verschaltung der Brückenzweige eingesetzt wird.
19 zeigt schematisch einen Umrichter mit Leistungshalbleitermodulen, die auf einem U-förmigen Träger angeordnet sind.
20 zeigt schematisch einen Matrixumrichter.
21 zeigt ein erstes Realisierungsbeispiel für einen aktiven Schaltungsknoten eines Matrixumrichters.
22 zeigt ein zweites Realisierungsbeispiel für einen aktiven Schaltungsknoten eines Matrixumrichters.
In den Figuren bezeichnen, sofern nicht anders erwähnt, gleiche Bezugszeichen gleiche oder gleich wirkende Elemente. Soweit richtungsgebundene Terminologie wie z. B. ”oben”, ”unten”, ”vorne”, ”hinten”, ”vordere”, ”hintere” etc. verwendet wird, bezieht sich diese auf die Ausrichtung der jeweiligen Figur. Entsprechende Angaben sind jedoch nicht beschränkend zu verstehen. Es wird darauf hingewiesen, dass die vorliegende Erfindung auch anhand anderer, in den Figuren nicht gezeigter Ausgestaltungen realisiert werden kann. Weiterhin wird darauf hingewiesen, dass die Merkmale der verschiedenen, nachfolgend beschriebenen beispielhaften Ausgestaltungen miteinander kombiniert werden können, sofern nicht ausdrücklich etwas anders erwähnt ist, oder sofern nicht die Kombination bestimmter Merkmale aus technischen Gründen ausgeschlossen ist.
4 veranschaulicht ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Leistungshalbleiterbaugruppe, die in dem dargestellten Beispiel als 3-Phasen-Umrichter realisiert ist. Dieser Umrichter umfasst drei Halbbrückenzweige B1, B2, B3 mit je zwei Halbleiterschaltern bzw. Leistungsschaltern Z1, Z2, Z3, Z4, Z5, Z6. Laststrecken der Halbleiterschalter Z1, Z2 einer Halbbrücke B1, B2, B3 gemeinsame Knoten bilden jeweils Phasenausgänge Ph1, Ph2, Ph3 der Halbbrücken, an die eine Last (nicht dargestellt), wie z. B. ein Motor anschließbar ist.
Die Halbleiterschalter Z1–Z6 der einzelnen Halbbrücken B1–B3 sind in 4 anhand elektrischer Schaltsymbole dargestellt. Diese Halbleiterschalter sind in dem dargestellten Beispiel als IGBT realisiert, könnten jedoch auch als MOSFET, JFET oder andere abschaltbare Halbleiterbauelemente realisiert sein. Optional sind parallel zu den Halbleiterschaltern Freilaufelemente D1–D6, wie z. B. Dioden geschaltet. Auf diese Freilaufelemente kann verzichtet werden, wenn der Halbleiterschalter selbst eine Freilauffunktion besitzt, wie dies beispielsweise bei rückwärtsleitenden IGBTs, MOSFETs oder JFETs der Fall ist.
Das in 4 dargestellte elektrische Schaltbild veranschaulicht die elektrische Verschaltung der einzelnen Komponenten der Halbbrücken B1–B3 und veranschaulicht die Verschaltung der einzelnen Halbbrücken B1–B3 miteinander und mit Zwischenkreiskondensatoren C1–C3, von denen jeweils einer parallel zu einer Halbbrücke B1–B3 geschaltet ist. Das Schaltbild in 4 ist außerdem repräsentativ für die räumliche Lage der einzelnen Halbbrücken B1–B3 und Halbleiterschalter Z1–Z6 in der Leistungshalbleiterbaugruppe, d. h. in dem vorliegenden Fall dem Umrichter.
Bezugnehmend auf 4 sind die einzelnen Halbbrückenzweige B1–B3 in einer ersten Richtung L nebeneinander angeordnet. Die Halbleiterschalter Z1–Z6 sind innerhalb der Halbbrückenzweige B1–B3 ebenfalls in dieser ersten Richtung L angeordnet, so dass alle Halbleiterschalter Z1–Z6 des Umrichters in dieser ersten Richtung nebeneinander bzw. aufeinanderfolgend angeordnet sind. Die erste Richtung L entspricht dabei den Hauptstromrichtungen I1, I2, I3 der einzelnen Halbbrücken B1–B3. Hauptstromrichtungen der Halbbrücken B1–B3 sind dabei die Richtungen, in denen die Halbleiterschalter der Halbbrücken B1–B3 zwischen jeweiligen Halbbrückenanschlüssen – das sind in dem Beispiel die Anschlüsse für die Zwischenkreiskondensatoren C1–C3 – angeordnet sind.
Bei einer derartigen Anordnung kann das Problem störender Querinduktivitäten zwischen den einzelnen Halbbrückenzweigen signifikant verbessert werden. Auf die Darstellung von Streuinduktivitäten entsprechend den 1 bis 3 wurde in 4 verzichtet. Durch diese Verringerung der Querinduktivitäten L16, L17, L18 und L19 wird außerdem die Kopplung zwischen den Zwischenkreiskondensatoren C1, C2 und C3 verbessert, wodurch sich die beim Betrieb des Umrichters auftretende Welligkeit in der Zwischenkreisspannung spürbar verringert und transiente Spannungsspitzen stärker gedämpft werden.
Die in 4 gezeigten Leistungsschalter Z1, Z2, Z3, Z4, Z5, Z6 sind insbesondere als diskrete Leistungsschalter realisiert, d. h. jeder der Leistungsschalter ist in wenigstens einem eigenen Halbleiterchip integriert. Die einzelnen Leistungsschalter können hierbei mehrere Schaltelemente umfassen, die parallel geschaltet und gemeinsam angesteuert sind und die jeweils in einem Halbleiterchip integriert sind.
5 zeigt ein Schaltbild eines Brückenzweiges B1, wie er beispielsweise in einem Drei-Level Umrichter eingesetzt werden kann. Dieser Brückenzweig B1 umfasst vier Halbleiterschalter Z11–Z22, deren Laststrecken in Reihe geschaltet sind und die in einer ersten Richtung I1, die einer Hauptstromrichtung entspricht, nebeneinander angeordnet sind. Parallel zu dem Brückenzweig B1 ist ein kapazitiver Spannungsteiler mit zwei Kondensatoren C11, C12 geschaltet, wobei ein Abgriffspunkt des kapazitiven Spannungsteilers C11, C12 über eine erste Diode D8 an einen gemeinsamen Knoten eines ersten und eines zweiten der Leistungsschalter Z11, Z12 angeschlossen ist und der Abgriffspunkt des kapazitiven Spannungsteilers C11, C12 über eine zweite Diode D9 an einen gemeinsamen Knoten eines dritten und eines vierten der Leistungsschalter Z13, Z14 angeschlossen ist. Ein dem zweiten und dritten Leistungsschalter Z12, Z13 gemeinsamer Knoten bildet einen Phasenausgang. Ein Umrichter (nicht dargestellt) umfasst wenigstens zwei der in 5 dargestellten Brückenzweige, die in der ersten Richtung nebeneinander angeordnet sind.
6 zeigt einen nach dem ”flying capacitor”-Prinzip aufgebauten Brückenzweig B1 für einen Drei-Level Umrichter. Dieser Brückenzweig unterscheidet sich von dem in 5 dargestellten dadurch, dass lediglich ein Kondensator C10 zwischen dem gemeinsamen Knoten des ersten und zweiten Leistungsschalters Z11, Z12 und dem gemeinsamen Knoten des dritten und vierten Leistungsschalters Z13, Z14 vorgesehen ist. Ein Umrichter (nicht dargestellt) umfasst wenigstens zwei der in 6 dargestellten Brückenzweige, die in der ersten Richtung nebeneinander angeordnet sind.
Das Schaltbild gemäß 7 zeigt den an eine Zwischenkreisspannungsquelle V12 angeschlossenen Brückenzweig B1 gemäß 5, wobei ergänzend Streuinduktivitäten dargestellt sind.
Ein Beispiel zur Realisierung eines Umrichters gemäß 4 auf Modulebene wird nachfolgend anhand von 8 erläutert. Die im Zusammenhang mit 8 gemachten Ausführungen gelten in entsprechender Weise auch für Umrichter mit Brückenzweigen gemäß der 5 und 6. 8 zeigt eine Draufsicht auf den Umrichter, wobei optionale Gehäuseelemente und Vergussmassen nicht dargestellt sind.
Der Umrichter umfasst einen mit Leiterbahnen bzw. Chipmontageflächen 110 versehenen Schaltungsträger 100, auf dem Leistungshalbleitermodule bzw. Chipmodule angeordnet sind, wobei jedes der Leistungshalbleitermodule einen der Leistungsschalter Z1–Z6 und dessen optionales Freilaufelement D1–D6 enthält. Je zwei der Leistungshalbleitermodule bilden hierbei einen der Brückenzweige B1–B3. Die Leistungshalbleitermodule sind in einer ersten Richtung nebeneinander auf dem Schaltungsträger 100 angeordnet. In einem kartesischen Koordinatensystem, dessen Achsen in 8 schematisch dargestellt sind, entspricht die erste Richtung beispielsweise einer x-Richtung.
Jeder der Leistungsschalter Z1, Z2, Z3, Z4, Z5 und Z6 umfasst mehrere parallel geschaltete Schaltelemente die jeweils in einem Halbleiterchip 1 integriert sind. Die einzelnen Halbleiterchips 1 eines Leistungsschalters sind in einer zweiten Richtung, die im wesentlichen quer zu der ersten Richtung verläuft, nebeneinander angeordnet. Diese Richtung entspricht in dem dargestellten Koordinatensystem einer y-Richtung. Eine z-Richtung dieses Koordinatensystems verläuft senkrecht zu der in 8 dargestellten Zeichenebene.
Die einzelnen Leistungshalbleitermodule sind gemäß einem Beispiel fluchtend in der ersten Richtung nebeneinander angeordnet, wobei ein Versatz zweier unmittelbar benachbarter Module in der zweiten Richtung maximal 20% der Breite des Moduls in dieser zweiten Richtung beträgt, sofern die Module gleiche Abmessungen besitzen.
Eine Gruppe von Halbleiterchips 1, die gemeinsam zu einem Leistungsschalter Z1–Z6 verschaltet sind und die in dem dargestellten Beispiel jeweils in der zweiten Richtung benachbart zueinander angeordnet sind, besitzen einen gemeinsamen Schwerpunkt S1–S6. Der Schwerpunkt S1–S6 ist so definiert, dass die Summe der Abstände der einzelnen Halbleiterchips 1 zu dem Schwerpunkt minimal ist. Bei einem weiteren Beispiel ist vorgesehen, die Leistungshalbleitermodule so anzuordnen, dass die Schwerpunkte S1, S2, S3, S4, S5 und S6 in der ersten Richtung nebeneinander liegen, und zwar so, dass keiner von ihnen zu einer ersten Geraden g1, die in der ersten Richtung verläuft, einen Abstand besitzt, der größer ist als 100% des Mittenabstandes zweier unmittelbar benachbarter Halbleiterchips 1.
Bei den Leistungshalbleitermodulen gemäß 8 sind Freilaufelemente D1–D6, wie z. B. Dioden, vorgesehen, die jeweils mehrere Halbleiterchips 2 umfassen, die in der ersten Richtung benachbart zu den Halbleiterchips 1 mit den Schaltelementen der Leistungsschalter Z1–Z6 angeordnet sind. Die Halbleiterchips 1 der Leistungsschalter Z1–Z6 werden nachfolgend auch als Schalterchips und die Halbleiterchips 2 der Freilaufelemente werden nachfolgend als Diodenchips bezeichnet.
Diese Diodenchips 2 eines Leistungsschalter könnten in der zweiten Richtung auch benachbart zu den Schalterchips 1 dieses Leistungsschalters angeordnet sein, und zwar beispielsweise so, dass sich Schalterchips 1 und Diodenchips 2 abwechseln. Der Mittenabstand zweier unmittelbar benachbarter Schalterchips 1 ist in diesem Fall größer, da zwischen den beiden Schalterchips 1 ein Diodenchip angeordnet ist. Absolut beträgt der maximale Abstand der Schwerpunkte S1–S6 von der Geraden g1 beispielsweise weniger als 15 mm oder insbesondere weniger als 7 mm.
Grundsätzlich kann die Anzahl der einen Leistungsschalter Z1, Z2, Z3, Z4, Z5 und Z6 bildenden Schaltelemente bzw. Halbleiterchips 1 beliebig gewählt werden, d. h. ein Leistungsschalter Z1, Z2, Z3, Z4, Z5 und Z6 kann entweder genau ein steuerbares Schaltelement umfassen, oder aber mehrere elektrisch parallel geschaltete Schaltelemente, die gemeinsam angesteuert sind, indem deren Gate- oder Basisanschlüsse, elektrisch miteinander verbunden sind. Die Anzahl der Halbleiterchips 2, die ein Freilaufelement D1–D6 eines Leistungshalbleitermoduls bilden, muss dabei nicht notwendigerweise mit der Anzahl der Halbleiterchips übereinstimmen, die einen Leistungsschalter Z1–Z6 bilden. Die Anzahl der Diodenchips 2 kann insbesondere geringer sein als die der Schalterchips 1.
Die elektrische Verschaltung der Schalterchips 1 und der Diodenchips 2 erfolgt mit Hilfe von Leiterbahnen 110, sowie mit Hilfe von Bonddrähten 3 und metallischen Anschlussblechen 4. Grundsätzlich können jedoch auch beliebige andere Verbindungstechniken wie zum Beispiel eine Leiterbahnstruktur 110 in Verbindung mit einer auf die Chipoberseiten und die Oberseite des Schaltungsträgers 100 auflaminierten flexiblen Leiterplattenstruktur gewählt werden. In dem dargestellten Beispiel sind die in den Schalterchips 1 integrierten Schaltelemente vertikale Bauelemente. Ein erster Laststreckenanschluss (Drain- oder Kollektoranschluss) eines solchen Schaltelements ist durch eine Rückseite des jeweiligen Schalterchips 1 gebildet, und ein zweiter Laststreckenanschluss ist an einer Vorderseite des Schalterchips vorhanden. In entsprechender Weise sind die in den Diodenchips 2 integrierten Bauelemente vertikale Bauelemente, deren einer Anschluss durch die Rückseite des Diodenchips 2 gebildet ist und deren anderer Anschluss durch die Vorderseite des Diodenchips 2 gebildet ist. In dem dargestellten Beispiel sind die Schalterchips 1 eines Leistungshalbleitermoduls und die Diodenchips 2 eines Leistungshalbleitermoduls mit ihren Rückseiten auf eine gemeinsame Leiterbahn aufgebracht. Im Bereich der Vorderseiten sind die Schalterchips 1 und die Diodenchips 2 durch Bonddrähte verbunden, um die Schalterchips 1 und die Diodenchips 2 dadurch parallel zu schalten.
Wie in 8 dargestellt ist, können die einzelnen Halbleiterchips 1, die einen Leistungsschalter Z1–Z6 bilden, in der zweiten Richtung fluchtend angeordnet sein, wobei ein gegenseitiger Versatz zweier benachbarter Halbleiterchips 1 in der ersten Richtung maximal 100% der Breite eines Halbleiterchips 1 in der ersten Richtung beträgt.
Bei einem weiteren Beispiel ist vorgesehen, die Halbleiterchips 1 eines Leistungsschalters Z1–Z6 derart auf einer in der zweiten Richtung verlaufenden geraden Linie bzw. Geraden anzuordnen dass eine Mitte bzw. ein Schwerpunkt S11–S17 jedes einzelnen Halbleiterchips auf der Linie liegt oder maximal einen Abstand zu dieser Linie besitzt, der 100% der Chipbreite entspricht. Gerade Linien oder Geraden, auf denen die einzelnen Halbleiterchips angeordnet sind, sind in 8 mit den g21, g22, g23, g24, g25 bzw. g26 bezeichnet.
Auf entsprechende Weise können auch bei einem jeden der Freilaufelemente D1, D2, D3, D4, D5 und D6 die Schwerpunkte aller Diodenchips 2, welche zur Bildung des betreffenden Freilaufelements D1, D2, D3, D4, D5 oder D6 parallel geschaltet sind, entlang einer zweiten Geraden g21', g22, g23', g24', g25' bzw. g26', deren Richtung senkrecht zur Richtung der ersten Geraden g1 verläuft, angeordnet sein. Abstände der Diodenchips 2 von diesen Geraden betragen beispielsweise maximal 100% einer Chipbreite.
Wie ebenfalls in 8 gezeigt ist, kann ein jeder der Brückenzweige B1, B2, B3 eine ersten Anschlusslasche B11, B21 bzw. B31 und eine zweite Anschlusslasche B12, B22 bzw. B32 aufweisen, über die der betreffende Brückenzweig B1, B2 bzw. B3 an eine Zwischenkreisspannung (V12 in 4) anschließbar ist. Je eine dieser Anschlusslaschen ist einem Leistungshalbleitermodul zugeordnet, wobei in dem dargestellten Beispiel die ersten Anschlusslaschen B11, B21, B31 elektrisch leitend an die Leiterbahn der Leistungshalbleitermodule B1T, B2T und B3T angeschlossen sind und so die Drain- oder Kollektoranschlüsse der Leistungsschalter Z1, Z3, Z5 kontaktieren, und die zweiten Anschlusslaschen B12, B22, B32 elektrisch leitend an die Vorderseiten der Halbleiterchips 1 der Leistungshalbleitermodule B1B, B2B und B3B angeschlossen sind und so die Source- oder Emitteranschlüsse der Leistungsschalter Z2, Z4, Z6 kontaktieren.
Weitere Anschlusslaschen bzw. Anschlussbänder PA1, PA2, PA3 bilden die Phasenausgänge der Halbbrückenzweige. Diese weiteren Anschlusslaschen PA1, PA2, PA3 sind in dem dargestellten Beispiel in der ersten Richtung zwischen den Leistungshalbleitermodulen angeordnet, die einen Halbbrückenzweig bilden. An je eine dieser weiteren Anschlusslaschen PA1, PA2, PA3 sind die Leiterbahnen 110 der Leistungshalbleitermodule B1B, B2B, B3B, die die Leistungsschalter Z2, Z4, Z6 bilden, und die Vorderseiten der Halbleiterchips 1 der Leistungshalbleitermodule B1T, B2T, B3T angeschlossen. Auf diese Weise sind die Source- oder Emitteranschlüsse der Leistungsschalter Z1, Z3, Z5 und die Drain- oder Kollektoranschlüsse der Leistungsschalter Z2, Z4, Z6 an Anschlusslaschen PA1, PA2, PA3 der Phasenausgänge angeschlossen.
Gateanschlüsse an den Vorderseiten der Schalterchips 1 sind über Bonddrähte und eine weitere Leiterbahnen 110 an Steueranschlüsse G11, G12, G21, G22, G31, G33 angeschlossen.
Die Anschlusslaschen bzw. Anschlussbänder, die Lastreckenanschlüsse der Schalterchips 1 kontaktieren und die entweder an die Zwischenkreisspannung angeschlossen sind oder die die Phasenausgänge bilden, erstrecken sich in der zweiten Richtung wenigstens annäherungsweise über die gesamte Breite der Leistungshalbleitermodule und sind entlang der Breite an mehreren Stellen über Bonddrähte oder Anschlussbügel an die Schalterchips 1 bzw. die Leiterbahnen 110 angeschlossen. Die Breite der Leistungshalbleitermodule ist in dem dargestellten Beispiel durch die Abmessungen der Leiterbahnen 110 in der zweiten Richtung vorgegeben. Durch das mehrfache Anschließen der Anschlusslaschen an die Leiterbahnen 110 und die Schalterchips können Querströme innerhalb der einzelnen Leistungshalbleitermodule verhindert oder zumindest reduziert werden. Querströme sind in diesem Zusammenhang solche Ströme, die innerhalb der Module in der zweiten Richtung, d. h. quer zu der ersten Richtung – die der Hauptstromrichtung entspricht – fließen. Querströme innerhalb der Anschlusslaschen werden verhindert, indem diese Anschlusslaschen an bandförmige Leiter (nicht dargestellt) angeschlossen sind, die oberhalb der in 8 dargestellten Anordnung verlaufen. Die Breite dieser bandförmigen Leiter in der zweiten Richtung entspricht dabei beispielsweise wenigstens den Abmessungen der Anschlusslaschen in der zweiten Richtung.
Außer Querströmen innerhalb der einzelnen Leistungshalbleitermodule werden bei dem Umrichter gemäß 8 auch Querströme also Ströme, die quer zu der Hauptstromrichtung fließen – zwischen den einzelnen Brückenzweigen B1–B3 vermieden, indem nicht nur die Leistungshalbleitermodule eines Brückenzweigs bzw. Halbbrückenzweigs B1–B1 in der ersten Richtung hintereinander angeordnet sind, sondern indem alle Leistungshalbleitermodule des Umrichters in der ersten Richtung hintereinander angeordnet sind.
Der in 8 dargestellte Umrichter umfasst drei Brückenzweige B1, B2, B3 mit je einer Halbbrücke, wobei jede Halbbrücke zwei Leistungshalbleitermodule B1T–B3T, B1B–B3B, so dass insgesamt sechs Leistungshalbleitermodule in der ersten Richtung nebeneinander angeordnet sind.
Anstelle der in den 4 und 8 dargestellten Halbbrücken könnte der Umrichter auch unter Verwendung der in den 5 und 6 dargestellten Brückenzweige realisiert werden, wobei ein 3-Phasen-Umrichter in diesem Fall 12 Leistungsschalter (4 pro Brückenzweig aufweisen) würde. Die Leistungshalbleitermodule dieser Leistungsschalter könnten – entsprechend der Darstellung in 8 – nebeneinander in der ersten Richtung, d. h. in der Hauptstromrichtung angeordnet werden. Eine signifikante Reduzierung der Querströme kann jedoch bereits dadurch erreicht werden, dass die vier Leistungsschalter eines Brückenzweigs, also die vier Leistungsschalter, die direkt oder indirekt an eine gemeinsamen Phasenausgang angeschlossen sind, in der ersten Richtung nebeneinander angeordnet sind. Bezüglich eines maximalen Versatzes der einzelnen Leistungshalbleitermodule gegeneinander bzw. eines maximalen Versatzes der einzelnen Halbleiterchips gelten die im Zusammenhang mit 8 gemachten Ausführungen entsprechend.
9 zeigt einen vertikalen Querschnitt durch zwei Leistungshalbleitermodule, die einen Brückenzweig bilden, und die zugehörigen Anschlusslaschen. Dargestellt ist ein Querschnitt durch die Leistungshalbleitermodule des ersten Brückenzweigs B1 in einer in 8 dargestellten Schnittebene E-E. In dieser Schnittansicht sind insbesondere die Anschlusslaschen B11 und B12 des Brückenzweiges B1 gut zu erkennen.
Die in 8 gezeigten Anschlusslaschen B11, B21, B31, B12, B22 und B32 können, wie dies in 10 beispielhaft anhand der Anschlusslasche B12 dargestellt ist, als gewinkelte Bleche ausgebildet sein die an einem Ende auf dem Träger 100 befestigt sind. Die Anschlusslasche kann über ihre gesamte Länge (gestrichelt dargestellt) an dem Träger 100 befestigt sein oder weist, wie dargestellt, mehrere Anschlussbeine zum Befestigen an dem Träger auf. An einem gegenüberliegenden Ende kann die Anschlusslasche mehrere, beispielsweise wenigstens drei, Anschlussstellen B120 auf, die zum Anschließen der Anschlusslasche B12 an einen bandförmigen Leiter bzw. Streifenleiter dienen. Diese Anschlussstellen 120 können beispielsweise als Einpresskontakte ausgebildet sein, die zur Ausbildung einer Einpressverbindung (”Press-Fit Verbindung”) in korrespondierende Öffnungen eines Streifenleiters 6 eingepresst werden können, wie dies in 9 schematisch gezeigt ist. Die Anschlussstellen sind über die gesamte Breite der Anschlusslasche verteilt, um die Anschlusslasche über die gesamte Breite mit einem möglichst geringen Kontaktwiderstand an den Streifenleiter 6 anzuschließen und dadurch Querströme in der Anschlusslasche B12 zu verhindern oder zumindest zu reduzieren.
Alternativ können die externen Anschlussstellen 120 auch als Schraubanschlüsse – gegebenenfalls mit mehreren Schrauben nebeneinander für einen Anschluss –, als Lötkontakte, Druckkontakte oder Federkontakte ausgebildet sein.
In der Querschnittsansicht gemäß 9 ist außerdem ein Gehäuse 5 gezeigt, sowie eine Streifenleitung 6 (”Stripline”) mit zwei durch ein Dielektrikum 60 voneinander isolierten Streifenleitern 61 und 62, welche dazu dienen, die Halbbrückenzweige B1, B2 und B3 an eine Zwischenkreisspannung V12 anzuschließen. Die Streifenleiter 61 und 62 sind als flache Bleche oder Folien ausgebildet und verlaufen zumindest abschnittweise in möglichst geringem Abstand parallel zueinander und zu dem Schaltungsträger 100. Bezugnehmend auf das Koordinatensystem gemäß 8 sind die Streifenleitungen 61, 62 in der z-Richtung oberhalb der Leistungshalbleitermodule angeordnet. Ein Strom fließt durch diese Streifenleitungen 61, 62 in der ersten Richtung bzw. x-Richtung, d. h. in der Hauptstromrichtung. Von den Leistungshalbleitermodulen fließt der Strom über die Anschlusslaschen in der Z-Richtung zu den Streifenleitungen 61, 62.
Bei dem Umrichter gemäß 8 sind die Leistungshalbleitermodule auf einem gemeinsamen Träger 100 angeordnet. Unter Verwendung des zuvor erläuterten Prinzips, die Leistungsschalter in der ersten Richtung nebeneinander anzuordnen, lässt sich dieser Umrichter auch modular aufbauen, indem jeweils die Schaltelemente, die die Leistungsschalter Z1–Z6 des Umrichters bilden, auf mehrere – wenigstens zwei – Träger aufgeteilt werden. Bezogen auf die Darstellung gemäß 8 wird ein solch modularer Aufbau dadurch erhalten, dass der Träger in der zweiten Richtung in mehrere Träger unterteilt wird. Mit UM ist in 8 ein durch eine solche Unterteilung erhaltenes Umrichtermodul bezeichnet. Jedes Umrichtermodul umfasst dabei alle für die Funktion einer Umrichters erforderlichen Leistungsschalter, wobei jeder Leistungsschalter wenigstens einen Schalterchip umfasst. Zur Realisierung des Umrichters werden mehrere – wenigstens zwei – Umrichtermodule UM unter Verwendung von Stromschienen (nicht dargestellt) parallel geschaltet. Die einzelnen Umrichtermodule UM sind dabei in einer Richtung senkrecht zu der ersten Richtung nebeneinander angeordnet.
In 11 ist ein Vertikalschnitt durch einen auf einem Kühlkörper 200 montierten Umrichter dargestellt, bei dem die oberen und unteren Halbbrückenzweige B1T, B1B, B2T, B2B, B3T und B3B jeweils auf separaten Schaltungsträgern 100 und in separaten Gehäusen 5 angeordnet sind. Die elektrische Verschaltung der Halbbrückenzweige B1T, B1B, B2T, B2B, B3T miteinander sowie deren Anschluss an eine Zwischenkreisspannungsquelle V12 erfolgt mittels einer Streifenleitung 6, welche Streifenleiter 61, 62, 63, 64 und 65 umfasst, die mittels eines Dielektrikums 60 elektrisch voneinander isoliert sind. Die Streifenleiter 61 und 62 dienen zum Anschluss an eine Zwischenkreisspannungsquelle V12 (siehe z. B. 4), die Streifenleiter 63, 64, 65 zum Anschluss einer Last M (siehe z. B. 1) an den Phasenausgängen Phi, Ph2 und Ph3 (siehe z. B. 4), sowie zur Verbindung der oberen Halbbrückenzweige B1T, B2T, B3T mit den zugehörigen unteren Halbbrückenzweigen B1B, B2B bzw. B3B derselben Halbbrücke B1, B2 bzw. B3. Weiterhin sind noch Zwischenkreiskondensatoren C1, C2 und C3 vorgesehen, wie sie z. B. in 4 gezeigt sind.
12 zeigt einen Vertikalschnitt durch einen anderen, ebenfalls auf einem Kühlkörper 200 montierten Umrichter. Bei dieser Anordnung ist jede der Halbbrücken B1, B2 und B3 auf einem separaten Schaltungsträger 100 angeordnet, von denen jeder mehrere Metallisierungsebenen 151, 152, 153 aufweist, zwischen denen Dielektrikumsschichten 161, 162 zur elektrischen Isolierung der Metallisierungsebenen 151, 152, 153 angeordnet sind. Die Metallisierungsebenen 151, 152, 153 können bei Bedarf zu Leiterbahnen und/oder Leiterflächen strukturiert sein, so dass die Schaltungsträger 100 die Funktion einer Mehrschicht-Leiterplatte übernehmen kann. Zur Herstellung elektrisch leitender Verbindungen können zwischen Leiterbahnen und/oder Leiterflächen, die in verschiedenen Metallisierungsebenen 151, 152, 153 angeordnet sind, Durchkontaktierungen 170 in den Dielektrikumsschichten 161, 162 vorgesehen. Optional kann die unterste Metallisierungsebene 152 des Schaltungsträgers 100 vollständig gegenüber den anderen Metallisierungsebenen 151, 152 dieses Schaltungsträgers 100 elektrisch isoliert sein. Die Dielektrikumsschichten können z. B. aus einer Keramik wie Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid, Siliziumnitrid oder Berylliumoxid bestehen. Auch Isolationsmaterialien aus Kunststoff sind einsetzbar, oder sogar eine Leiterplatte als Substrat.
Der Anschluss an eine Zwischenkreisspannungsquelle erfolgt ebenso wie bei der Anordnung gemäß 11 mittels Streifenleitern 61, 62 einer Streifenleitung 6. Anders als bei der in 11 gezeigten Anordnung werden erfolgt jedoch innerhalb eines jeden der Brückenzweige B1, B2 und B3 die Verbindung zwischen dem oberen Brückenzweig mit Hilfe der Metallisierungsebenen 151, 152, 153 des Schaltungsträgers 100, auf dem der betreffende Brückenzweig B1, B2, B3 angeordnet ist. Bei dieser Anordnung befinden sich außerdem Zwischenkreiskondensatoren C auf der Streifenleitung 6, welche elektrisch mit den Streifenleitern 61 und 62 verbunden sind. Ebenfalls auf der Streifenleitung 6 sind optionale Ansteuerschaltungen 300 zur Ansteuerung der steuerbaren Leistungsschalter angeordnet.
Die 13A und 13B zeigen einen Drei-Phasen-Umrichter in Draufsicht bzw. im Querschnitt. Der Umrichter umfasst für jeden Brückenzweig B1, B2, B3 eine eigen Modulanordnung, von denen jede eine separate metallische Bodenplatte 100 aufweist, auf der der jeweilige Brückenzweig B1, B2, B3 angeordnet ist. Jedes Modul weist außerdem ein eigenes Gehäuse 5 auf, welches jedoch nur in 13B dargestellt ist.
Bei dem Drei-Phasen-Umrichter gemäß den 14A (Draufsicht) und 14B (Querschnitt) sind alle Brückenzweige B1, B2 und B3 auf einem gemeinsamen Schaltungsträger 100 angeordnet, der vom Prinzip einen Aufbau aufweisen kann wie die anhand von 12 erläuterten Schaltungsträger 100. Auch hier können die Brückenzweige B1, B2, B3 mit Hilfe des Schaltungsträgers 100 miteinander verschaltet werden.
Bei den Anordnungen gemäß den 13A, 13B und 14A, 14B kann der Anschluss an eine Zwischenkreisspannungsquelle ebenfalls mittels einer Streifenleitung erfolgen, wie dies anhand der 9 bis 11 erläutert wurde.
Eine weitere mögliche Aufbautechnik für einen Umrichter zeigen die 15A (Draufsicht) und 15B (Querschnitt). Die Anordnung der Brückenzweige B1, B2 und B3 auf einem gemeinsamen Schaltungsträger 100 erfolgt nach dem anhand von 14A und 14B erläuterten Prinzip. Allerdings wird anstelle von Bonddrähten 3 eine Folientechnik eingesetzt, um die erforderlichen elektrischen Verbindungen auf der Oberseite des Schaltungsträgers 100 und der auf diesem befindlichen steuerbaren Halbleitechips 1 (einschließlich der verdeckt dargestellten Diodenchips 2) zu realisieren. Hierzu werden in prinzipiell beliebig vielen Lagen dielektrische Schichten 80 und Leiterschichten 90 auf die Oberseite auflaminiert. Dies kann beispielsweise durch die Verwendung bekannter Foto- und/oder Maskentechnik erfolgen. Bei der Verwendung von Fototechnik kann z. B. eine dielektrische Schicht 80 oder eine Leiterschicht 90 zunächst geschlossen auf die Oberseite aufgebracht und dann fototechnisch strukturiert werden, so dass sich eine nachfolgend aufgebrachte Leiterschicht oder dielektrische Schicht in die Strukturen der darunter liegenden Schicht(en) einfügt. Bei einer Maskentechnik hingegen werden dielektrische Schichten 80 bzw. Leiterschichten 90 nicht als geschlossene Schichten aufgebracht, sondern nur in den geöffneten Bereichen der verwendeten Maske. Durch mehrfache Anwendung dieser Techniken, auch in Kombination miteinander, lässt sich eine Quasi-Leiter”platte” herstellen, die jedoch im allgemeinen nicht eben ist sondern dem Verlauf insbesondere der Halbleiterchips 1, 2 folgt. In der Draufsicht gemäß 15A sind Segmente der dielektrischen Schicht 80 und der Leiterschicht 90 gestrichelt angedeutet, um das Prinzip der geschilderten Folientechnik zu veranschaulichen.
Bei dem in den 16A (Draufsicht) und 16B (Querschnitt) gezeigten Umrichter wird ein allen Brückenzweigen B1, B2 und B3 gemeinsamer Schaltungsträger 100 eingesetzt, welcher zwei durch eine keramische Dielektrikumsschicht 161 voneinander isolierte Leiterschichten 151 und 152 umfasst, von denen die obere Leiterschicht 151 zu Leiterbahnen und Leiterflächen strukturiert ist. Die Verschaltung der Brückenzweigen B1, B2 und B3 auf der Oberseite der Anordnung erfolgt mittels Folientechnik, wie anhand der 15A und 15B beschrieben, allerdings werden hier zwei strukturierte Leiterschichten 90 und 91 verwendet, von denen die oberste Leiterschicht 91 in 16A entfernt wurde, um die darunter liegenden Bereiche darstellen zu können.
Die vorgehend erläuterten Verbindungs- und Anschlusstechniken, d. h. Bonddrähten 3, Leiterbahnverbindungen 110, Durchkontaktierungen 170, Mehrschichtschaltungsträger 100, Streifenleiter 6 und Folientechnik können in beliebigen Kombinationen miteinander eingesetzt werden. Grundsätzlich lassen sich nach dem Prinzipien der erläuterten Ausgestaltungen beliebige Arten von Umrichtern oder anderen elektrischen Einheiten realisieren.
17A zeigt einen prinzipiellen Aufbau eines Umrichters, bei dem die steuerbaren Halbleiterchips 1 der eines jeder der oberen und unteren Brückenzweige B1T, B2T, B3T bzw. B1B, B2B, B3B jeweils in Reihen angeordnet sind und von der zugehörigen zweiten Geraden g21, g22, g23, g24, g25, g26, deren Richtungen jeweils senkrecht zu der Hauptstromrichtung I1, I2 bzw. I3 des zugehörigen Brückenzweiges verlaufen. Wie in 17A gezeigt ist, sind diese Hauptstromrichtungen I1, I2 bzw. I3 vorzugsweise identisch, so dass sich eine gemeinsame Hauptstromrichtung I des Umrichters definieren lässt.
Bei einer erfindungsgemäßen Anordnung kann die Reihenfolge der Brückenzweige B1T, B2T, B3T, B1B, B2B, B3B beliebig gewählt werden. So sind z. B. bei dem Aufbau gemäß 17B, der im Übrigen dem Aufbau von 17A entspricht, die Brückenzweige B1B und B3T vertauscht, wobei selbstverständlich die Verschaltung des Umrichters auf geeignete Weise angepasst werden muss.
In den 17A und 17B ist außerdem noch gezeigt, dass Zwischenkreiskondensatoren C ebenfalls in Reihen und entlang von dritten Geraden g31, g32, g33, g34, g35, g36, g37 angeordnet werden können, die parallel zu den zweiten Geraden g21, g22, g23, g24, g25, g26, g27 verlaufen.
18 zeigt schematisch eine Draufsicht auf den Umrichter gemäß 17A mit mehreren zumindest abschnittweise parallel geführten Streifenleitern 61, 62, 63, 64, 65 einer Streifenleitung 6.
Bei den bisher erläuterten Ausführungsbeispielen sind die Leistungshalbleitermodule, die jeweils einen Leistungsschalter Z1–Z6 umfassen, in einer Ebene angeordnet, d. h. Schaltungsträger 100 bzw. 200 sind als planare Träger ausgebildet. Ordnet man beispielsweise dem Schaltungsträger 100 gemäß 8 ein kartesisches Koordinatensystem zu, bei dem eine x-Richtung der zuvor erläuterten ersten Richtung, eine y-Richtung der zuvor erläuterten zweiten Richtung und eine z-Richtung der Richtung senkrecht zur Zeichenebene entspricht, so liegen die Leistungshalbleitermodule bzw. die Halbleiterchips in einer gemeinsamen Ebene. Die Band- bzw. Streifenleiter (vgl. beispielsweise 9) sind in diesem Fall ebenfalls als planare Leiter ausgebildet.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel, das schematisch in 19 dargestellt ist, ist vorgesehen, den Schaltungsträger 100 U-förmig zu gestalten, mit einem Boden, der in der x-y-Ebene liegt, und zwei Seitenwänden, die in einer x-z-Ebene liegen. Die Leistungshalbleitermodule je eines Brückenzweiges sind dabei an einem Boden und an Seitenwänden des U-förmigen Schaltungsträgers 100 angeordnet. Die Schalterchips 1 der Leistungsschalter Z1–Z6 innerhalb der Module sind in der y-Richtung benachbart zueinander angeordnet. Die Anordnung der Schalterchips innerhalb der Module erfolgt damit in einer Richtung, die senkrecht verläuft zu einer Raumkurve auf der die Leistungshalbleitermodule benachbart zueinander angeordnet sind. Diese Raumkurve, die bei dem Beispiel gemäß 8 in einer Ebene liegt und dort durch die Gerade g0 gebildet ist, verläuft bei dem Beispiel gemäß 19 – entsprechend des U-förmigen Trägers – abgewinkelt. Diese Raumkurve verläuft in einer x-z-Ebene. Ein gegenseitiger Versatz der Leistungshalbleitermodule in der y-Richtung beträgt – wie zuvor erläutert – maximal 20% der Abmessungen der Leistungshalbleitermodule in dieser y-Richtung.
Das zuvor erläuterte Konzept zur Realisierung und gegenseitigen Anordnung von Brückenzweigen ist nicht auf die bisher erläuterten Umrichter beschränkt, sondern ist auch auf Brückenzweige in anderen Leistungshalbleiteranordnungen anwendbar, wie z. B. auf Brückenzweige in Matrixumrichtern.
20 zeigt schematisch einen solchen Matrixumrichter. Der Matrixumrichter weist drei Eingänge R, S, T auf, an die jeweils Eingangspotenziale anlegbar sind und weist drei Ausgänge U, V, W zum Bereitstellen von Ausgangspotenzialen auf. Zwischen jedem der Eingänge und jedem der Ausgänge ist ein aktiver Schaltungsknoten vorhanden. Jeder dieser Schaltungsknoten ist in der Lage, nach Maßgabe von Steuersignalen (nicht dargestellt) wahlweise eine unidirektionale Verbindung von dem Eingang zu dem Ausgang oder eine unidirektionale von dem Ausgang zu dem Eingang herzustellen oder den Eingang und den Ausgang zu entkoppeln. Jeweils die Schaltungsknoten, die an einen Ausgang angeschlossen sind, wie z. B. die an den Ausgang U angeschlossenen Schaltungsknoten RU, SU, TU, bilden einen Brückenzweig.
21 veranschaulicht anhand des aktiven Schaltungsknotens RU, der zwischen dem ersten Eingang R und dem ersten Ausgang U liegt, ein erstes Realisierungsbeispiel für einen solchen aktiven Schaltungsknoten. Die anderen aktiven Schaltungsknoten können entsprechend realisiert sein. Der Schaltungsknoten umfasst zwei Leistungsschalter Z21, Z22, die als IGBT realisiert sind, und ein parallel zu jedem Leistungsschalter Z21, Z22 geschaltetes Element für die umgekehrte Stromrichtung D21, D22. Die Leistungsschalter Z21, Z22 sind antiseriell in Reihe geschaltet, d. h. so, dass gleiche Laststreckenanschlüsse, in dem dargestellten Beispiel die Drain- bzw. Kollektoranschlüsse miteinander verbunden sind. Die Leistungsschalter Z21, Z22 könnten allerdings auch so verschaltet sein, dass deren Emitter- bzw. Sourceanschlüsse miteinander verbunden sind. Entsprechend sind die Rückwärtsleitelemente D21, D22 antiseriell in Reihe geschaltet. Ist während des Betriebs des Matrixumrichters ist zu einem Zeitpunkt einer der Leistungsschalter eines aktiven Schaltungsknotens RU leitend angesteuert, so fließt in diesem Fall ein Strom über den einen leitend angesteuerten Leistungsschalter und das Rückwärtsleitelement des anderen Leistungsschalters.
Bezugnehmend auf 22 können alternativ zwei Leistungsschalter Z21, Z22, wie z. B. rückwärts sperrende IGBT, vorgesehen sein, die antiparallel geschaltet sind, d. h. derart, dass jeweils der Drain- bzw. Kollektoranschluss des einen Leistungsschalters an den Source- bzw. Emitteranschluss des anderen Leistungsschalters angeschlossen ist. Eine solche Anordnung ist dann möglich, wenn die Leistungsschalter jeweils in der Lage sind, Spannungen mit unterschiedlichen Vorzeichen, d. h. Spannungen in beiden Richtungen zu sperren.
Die Leistungsschalter Z21, Z22 eines aktiven Schaltungsknotens können in einem Leistungshalbleitermodul angeordnet sein. Jeder der Leistungsschalter Z21, Z22 umfasst mehrere Schaltelemente, die in jeweils einem Schalterchip integriert sind. Die Schalterchips eines Leistungsschalters sind dabei – entsprechend der Schalterchips 1 gemäß 8 – in der zweiten Richtung benachbart zueinander angeordnet, während die Leistungshalbleitermodule eines Brückenzweigs in der ersten Richtung benachbart zueinander angeordnet sind bzw. auf einer senkrecht zu der zweiten Richtung verlaufenden Raumkurve liegen. Die Schaltelemente der zwei Leistungsschalter Z21, Z22 eines aktiven Schaltungsknotens können innerhalb des Leistungshalbleitermoduls in der ersten Richtung benachbart zueinander angeordnet sein, beispielsweise wie die Schalterchips 1 der Leistungsschalter B1T, B1B gemäß 8. Die Schaltelemente der zwei Leistungsschalter Z21, Z22 eines aktiven Schaltungsknotens können auch in der zweiten Richtung benachbart zueinander oder in der zweiten Richtung abwechselnd nebeneinander angeordnet sein. Bezüglich der Anordnung der Leistungshalbleitermodule bzw. der Schalterchips auf der senkrecht zu der zweiten Richtung verlaufenden Raumkurve gelten die zuvor gemachten Ausführungen entsprechend.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, auch die Leistungshalbleitermodule der einzelnen Brückenzweige des Matrixumrichters – entsprechend der Leistungshalbleitermodule der Halbbrückenzweige gemäß 8 – in der ersten Richtung bzw. auf einer senkrecht zu der zweiten Richtung verlaufenden Raumkurve anzuordnen, so dass in diesem Fall neun Leistungshalbleitermodule in der ersten Richtung nebeneinander angeordnet sind.

Claims

Leistungshalbleiterbaugruppe, die aufweist: wenigstens zwei Brückenzweige (B1, B2, B3) mit jeweils wenigstens zwei Leistungsschaltern (B1T–B3T, B1B–B3b), die direkt oder indirekt an einen Phasenausgang (Ph1, Ph2, Ph3) angeschlossen sind, wobei jeder der Leistungsschalter (B1T–B3T, B1B–B3b) wenigstens zwei parallel geschaltete Schaltelemente aufweist, die in jeweils einem Halbleiterchip (1) integriert sind, wobei jeder der Leistungsschalter (B1T–B3T, B1B–B3b) in einem Leistungshalbleitermodul angeordnet ist und die einzelnen Leistungshalbleitermodule in einer ersten Richtung benachbart zueinander angeordnet sind, wobei die Halbleiterchips (1) eines Leistungsschalters in dem zugehörigen Leistungshalbleitermodul in einer zweiten Richtung benachbart zueinander angeordnet sind, die senkrecht zu der ersten Richtung verläuft.
Leistungshalbleiterbaugruppe nach Anspruch 1, bei der ein gegenseitiger Versatz zweier benachbarter Leistungshalbleitermodule in der zweiten Richtung geringer ist als 20% der Abmessungen eines Leistungshalbleitermoduls in der zweiten Richtung.
Leistungshalbleiterbaugruppe nach Anspruch 1, bei der ein gegenseitiger Versatz der Halbleiterchips zweier benachbarter Leistungshalbleitermodule in der zweiten Richtung geringer ist als eine Abmessung eines Leistungshalbleitermoduls in der zweiten Richtung.
Leistungshalbleiterbaugruppe nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die erste Richtung durch eine Gerade vorgegeben ist.
Leistungshalbleiterbaugruppe nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die erste Richtung durch eine Raumkurve vorgegeben ist, die in einer senkrecht zu der zweiten Richtung verlaufenden Ebene liegt.
Leistungshalbleiterbaugruppe nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem jedes der Leistungshalbleitermodule einen flachen Träger (110) aufweist, auf dem die Halbleiterchips angeordnet sind.
Leistungshalbleiterbaugruppe nach einem der vorangehenden Ansprüche die außerdem wenigstens einen Flachleiter aufweist, der in einer senkrecht zu der ersten und zweiten Richtung verlaufenden dritten Richtung beabstandet zu den Leistungshalbleitermodulen angeordnet ist, und der an den Leistungsschalter wenigstens eines Leistungshalbleitermoduls elektrisch leitend angeschlossen ist.
Leistungshalbleiterbaugruppe nach einem der vorangehenden Ansprüche, die drei Brückenzweige mit jeweils wenigstens zwei Leistungsschaltern aufweist.
Leistungshalbleiterbaugruppe, die aufweist: wenigstens einen Brückenzweig mit jeweils wenigstens drei Leistungsschaltern, die direkt oder indirekt an einen Phasenausgang angeschlossen sind, wobei jeder der Leistungsschalter wenigstens zwei parallel geschaltete Schaltelemente aufweist, die in jeweils einem Halbleiterchip integriert sind, wobei jeder der Leistungsschalter in einem Leistungshalbleitermodul angeordnet ist und die einzelnen Leistungshalbleitermodule in einer ersten Richtung benachbart zueinander angeordnet sind, wobei die Halbleiterchips eines Leistungsschalters in dem zugehörigen Leistungshalbleitermodul in einer zweiten Richtung benachbart zueinander angeordnet sind, die senkrecht zu der ersten Richtung verläuft.
Leistungshalbleiterbaugruppe nach Anspruch 9, bei der ein gegenseitiger Versatz zweier benachbarter Leistungshalbleitermodule in der zweiten Richtung geringer ist als 20% der Abmessungen eines Leistungshalbleitermoduls in der zweiten Richtung.
Leistungshalbleiterbaugruppe nach Anspruch 9, bei der ein gegenseitiger Versatz der Halbleiterchips zweier benachbarter Leistungshalbleitermodule in der zweiten Richtung geringer ist als eine Abmessung eines Leistungshalbleitermoduls in der zweiten Richtung.
Leistungshalbleiterbaugruppe nach einem der Ansprüche 9 oder 11, bei der die erste Richtung durch eine Gerade vorgegeben ist.
Leistungshalbleiterbaugruppe nach einem der Ansprüche 9 bis 11, bei der die erste Richtung durch eine Raumkurve vorgegeben ist, die in einer senkrecht zu der zweiten Richtung verlaufenden Ebene liegt.
Leistungshalbleiterbaugruppe nach einem der Ansprüche 9 bis 13, bei dem jedes der Leistungshalbleitermodule einen flachen Träger aufweist, auf dem die Halbleiterchips angeordnet sind.
Leistungshalbleiterbaugruppe nach einem der Ansprüche 9 bis 14 die außerdem wenigstens einen Flachleiter aufweist, der in einer senkrecht zu der ersten und zweiten Richtung verlaufenden dritten Richtung beabstandet zu den Leistungshalbleitermodulen angeordnet ist, und der an den Leistungsschalter wenigstens eines Leistungshalbleitermoduls elektrisch leitend angeschlossen ist.