DE102012218579A1 - Niederinduktives kondensatormodul und leistungssystem mit niederinduktivem kondensatormodul - Google Patents
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Abstract
Gemäß einer Ausgestaltung eines Kondensatormoduls umfasst dieses ein Substrat (114) mit einer ersten Metallisierung (108), die auf eine erste Seite des Substrats (114) aufgebracht ist, eine Vielzahl von Anschlüssen (112), die elektrisch leitend mit der ersten Metallisierung (108) verbunden sind, und eine Vielzahl von Kondensatoren (104), die auf der ersten Metallisierung (108) angeordnet sind. Die Vielzahl von Kondensatoren (104) umfasst einen ersten Satz von Kondensatoren (104) aufweisen, die elektrisch zwischen einem ersten Satz von Anschlüssen (112) und einem zweiten Satz von Anschlüssen (112) zueinander parallel geschaltet sind. Das Kondensatormodul (100) umfasst weiterhin ein Gehäuse (102), das die Vielzahl von Kondensatoren (104) umschließt.
Description
- TECHNISCHES GEBIET
- Die vorliegende Erfindung betrifft niederinduktive Kondensatoren, insbesondere niederinduktive Kondensatoren für Leistungssysteme.
- HINTERGRUND
- Typische Leistungsumrichtersysteme verwenden zur Realisierung von Zwischenkreis- und/oder Snubber-Schaltkreisen Elektrolyt- oder Folienkondensatoren. Beispielsweise ist der Zwischenkreis bei einem AC-DC-AC Konverter üblicherweise mit einem Elektrolytkondensator versehen, der für eine Entkopplung zwischen einem Gleichrichter und einem Inverter sorgt. Snubber-Schaltkreise sind Schaltkreise, die aus Schutzgründen und zur Verbesserung der Performance parallel zu Leistungshalbleiteranordnungen geschaltet werden. Snubber-Schaltkreise werden typischerweise als Abschalt-Snubber-Schaltkreise mit einem dämpfenden Widerstands-Kondensator-Dämpfungsnetzwerk (RC-Netzwerk) oder einem Widerstands-Kondensator-Dioden-Dämpfungsnetzwerk (RCD-Netzwerk) implementiert. In jedem Fall sind die in Leistungsumrichtersystemen verwendeten Kondensatoren auf herkömmliche Weise in zylindrischen Aluminiumröhren verpackt (Elektrolytkondensator), oder in kubischen Plastik- oder Metallgehäusen.
- Um Elektrolyt- und Folienkondensatoren an einem Metallblech oder einer Sammelschiene eines Leistungsmoduls anzuschließen, werden typischerweise Schrauben oder Lötanschlüsse verwendet. In einigen Fällen werden die Snubber-Kondensatoren direkt an die Leistungsanschlüsse des Leistungsmoduls montiert. Allerdings weisen herkömmliche Kondensatortypen und Anschlusstechniken einige Nachteile auf. Beispielsweise ist die Herstellung von Schraubverbindungen relativ zeitintensiv, da jeder Kondensator individuell mit einem Anschluss auf einem Metallblech oder einer Sammelschiene verschraubt werden muss. Lotbasierte Verbindungen hingegen besitzen in hinreichend bekannter Weise Zuverlässigkeitsprobleme. Ergänzend zu den Nachteilen, die mit herkömmlichen Techniken zur Befestigung der Kondensatoren verbunden sind, führt die Auslegung der Anschlüsse, wie sie typischerweise in Leistungsmodulen verwendet werden, dazu, dass sich der Stromfluss auf einen relativ schmalen Pfad konzentriert, was zu einem Anstieg der Induktivität führt. Für viele Arten von Leistungssystemanwendungen ist eine hohe Induktivität jedoch unerwünscht. Außerdem ist der Wärmetransport bei vielen herkömmlichen Kondensatortypen und Anschlusstechniken wegen des Fehlens einer effizienten thermischen Schnittstelle zwischen dem Kondensator und einem Kühler nicht optimal.
- ÜBERBLICK
- Ein Kondensatormodul umfasst Kondensatoren, die auf einem wärmeleitenden Träger wie beispielsweise einem DBC-Substrat (DBC = Direct Bonded Copper), einem DAB-Substrat (DAB = Direct Aluminum Bonded), einem AMB-Substrat (AMB = Active Metal Brazed), einem IMS-Substrat (IMS = Insulated Metal Substrate) oder einem ähnlichen Substrat montiert sind. Das Substrat kann thermisch mit einem Kühlkörper verbunden sein. Elektrische Verbindungen mit Sammelschienen (z.B. "Bus Bars") innerhalb des Kondensatormoduls können so angeordnet werden, dass sie eine geringe Induktivität besitzen, indem mehrere einzelne Anschlüsse parallel zueinander verwendet werden, um einen zeilenförmigen Anschluss zu erhalten. Das Kondensatormodul kann dieselbe Höhe aufweisen wie das Leistungsmodul, das in Verbindung mit dem Kondensatormodul verwendet wird, beispielsweise als Teil eines Zwischenkreis- oder Snubber-Schaltkreises. Beide Modultypen können auf demselben Kühlkörper und derselben Leiterplatte (PCB = Printed Circuit Board) oder auf verschiedenen Kühlern und/oder verschiedenen Leiterplatten montiert werden.
- Die Anschlusspins zum Kondensatormodul ermöglichen einen Wärmetransport von der Leiterplatte zu einem Kühler, was bedeutet, dass die Metallisierung der Leiterplatte dünner ausgeführt werden kann als bei herkömmlichen Anordnungen. Die Kondensatormodulanschlüsse können nahe am Rand des Moduls platziert werden, wodurch die Länge der Leiterplatte verringert werden kann. Das Kondensatormodul kann jedoch auch bei anderen Anwendungen als in Leistungssystemen verwendet werden.
- Gemäß einer Ausgestaltung eines Kondensatormoduls kann dieses ein Substrat aufweisen, welches eine Metallisierung besitzt, die sich an einer ersten Seite des Substrates befindet, eine Vielzahl von Anschlüssen, die elektrisch mit der Metallisierung verbunden sind, sowie eine Anzahl von Kondensatoren, die auf der Metallisierung angeordnet sind. Die Anzahl von Kondensatoren umfasst einen ersten Satz von Kondensatoren, die zwischen einem ersten Satz von Anschlüssen und einem zweiten Satz von Anschlüssen parallel geschaltet sind. Das Kondensatormodul umfasst weiterhin ein Gehäuse, welches die Anzahl der in dem Kondensatormodul enthaltenen Kondensatoren umschließt.
- Gemäß einer Ausgestaltung eines Leistungssystems umfasst dieses einen Kühler, ein auf dem Kühler angeordnetes Kondensatormodul, ein auf dem Kühler angeordnetes Leistungshalbleitermodul, sowie ein elektrisches Verbindungsmittel, das elektrisch an das Kondensatormodul und an das Leistungshalbleitermodul angeschlossen ist. Das Kondensatormodul umfasst ein Substrat, welches eine Metallisierung aufweist, die an einer ersten Seite des Substrats angeordnet ist, eine Vielzahl von Anschlüssen, die elektrisch mit der Metallisierung verbunden sind, eine Vielzahl von Kondensatoren, die auf der Metallisierung angeordnet sind und die wenigstens einen ersten Satz von Kondensatoren umfassen, die zwischen einem ersten Satz von Anschlüssen und einem zweiten Satz von Anschlüssen elektrisch parallel geschaltet sind, sowie ein Gehäuse, welches die Anzahl der in dem Kondensatormodul enthaltenen Kondensatoren umschließt.
- Der Fachmann wird beim Studium der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung unter Betrachtung der beigefügten Figuren zusätzliche Merkmale und Vorteile der Erfindung erkennen.
- KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
- Die gezeigten Elemente sind relativ zueinander nicht notwendigerweise maßstäblich dargestellt. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen einander entsprechende ähnliche Teile. Die Merkmale der verschiedenen gezeigten Ausführungsbeispiele können auf beliebige Weise miteinander kombiniert werden, sofern sie einander nicht ausschließen. Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der folgenden Beschreibung ausführlich erläutert.
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1 zeigt eine Schnittansicht durch ein Kondensatormodul. -
2 zeigt einen Grundriss des Kondensatormoduls gemäß1 bei entferntem Gehäuse. -
3 zeigt eine Schnittansicht durch ein Kondensatormodul. -
4 zeigt eine Schnittansicht durch ein Kondensatormodul. -
5 zeigt eine Schnittansicht durch ein Kondensatormodul. -
6 zeigt eine Schnittansicht durch ein Kondensatormodul. -
7 zeigt eine Schnittansicht durch ein Kondensatormodul. -
8 zeigt eine Schnittansicht durch ein Kondensatormodul. -
9 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Leistungssystems, das ein Kondensatormodul und ein Leistungshalbleitermodul umfasst, die auf einem Kühler angeordnet sind. - AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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1 zeigt eine Schnittansicht durch ein Ausführungsbeispiel eines Kondensatormoduls100 entlang einer Schnittlinie, die in2 mit A-A‘ bezeichnet ist, und2 zeigt einen Grundriss des Kondensatormoduls100 in Draufsicht und ohne das Gehäuse102 . Das Kondensatormodul100 umfasst eine Anzahl von Kondensatoren104 , die wie in1 gezeigt von dem Gehäuse102 umschlossen werden. Ein elektrischer Schaltkreis, an die die Kondensatoren104 schließlich angeschlossen werden können, ist in dem Kondensatormodul100 nicht enthalten, weshalb der Ausdruck "Kondensatormodul" anstelle von "Modul" verwendet wird. Das Kondensatormodulgehäuse102 kann aus Kunststoff oder jedem beliebigen anderen geeigneten Materialtyp hergestellt sein. Das Kondensatormodul100 umfasst außerdem ein Substrat106 , das eine Metallisierung108 an einer Oberseite110 des Substrats106 aufweist. Eine Anzahl von Anschlüssen112 ist direkt oder über die Kondensatoren104 mit der Metallisierung108 verbunden. Bei den in dem Kondensatormodul100 enthaltenen Kondensatoren104 kann es sich um keramische Kondensatoren oder um jeden anderen geeigneten Kondensatortyp handeln. Beispielsweise können die Kondensatoren104 als oberflächenmontierte Bauteile (SMD-Bauteile) ausgebildet sein. - Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß den
1 und2 umfasst das Substrat106 einen keramischen Träger114 , und die auf der Oberseite110 des keramischen Trägers angeordnete Metallisierung ist strukturiert. Auf der Unterseite118 des keramischen Trägers114 ist eine zweite Metallisierung116 angeordnet. Bei dem in1 gezeigten Substrat106 kann es sich beispielsweise um ein DBC-Substrat (DCB = Direct Bonded Copper), ein DAB-Substrat (DAB = Direct Aluminum Bonded) oder ein AMB-Substrat (AMB = Active Metal Brazed) handeln. Wenigstens ein Teil der auf der Unterseite118 des keramischen Trägers114 angeordneten Metallisierung116 kann an einer in dem Gehäuse102 befindlichen Öffnung frei liegen, um eine gute thermische Verbindung mit einem Kühler zu erlauben, beispielsweise einem Kühlkörper, an dem das Kondensatormodul100 montiert wird (wie beispielsweise in9 gezeigt). Eine derartige Verbindung stellt sicher, dass das Kondensatormodul100 eine gute Wärmeableitcharakteristik aufweist. Alternativ kann es sich bei dem Substrat106 um IMS-Substrat (IMS = Insulated Metal Substrate) oder ein ähnliches Substrat handeln, welches eine metallische Grundplatte (z. B. aus Aluminium oder Kupfer) aufweist, die von einer dielektrischen Schicht wie z.B. Epoxid, überdeckt ist, sowie eine Metallschicht, wie beispielsweise Kupfer oder Aluminium, die auf der dielektrischen Schicht angeordnet ist, so dass die Metallschicht gegenüber der metallischen Grundplatte elektrisch isoliert ist. Allerdings können auch beliebige andere Arten von Substraten106 zur Montage der Kondensatoren104 verwendet werden. - Ebenfalls entsprechend dem in den
1 und2 gezeigten Ausführungsbeispiel kann die Metallisierung108 auf der Oberseite110 des Substrats106 strukturiert sein und eine Anzahl langgestreckter Bereiche120 (hier auch "Sammelschienen" = "Bus Bars" genannt) aufweisen, die voneinander separiert sind. Ein erster Satz von Kondensatoren104 ist zwischen einem ersten Paar122 von Sammelschienen120 parallel geschaltet, ein zweiter Satz von Kondensatoren104 ist zwischen einem zweiten Paar124 von Sammelschienen120 parallel geschaltet, usw. Beispielsweise sind in den1 und2 die Kondensatoren104 in der oberen Reihe105 parallel geschaltet und weisen jeweils ein erstes Ende126 (Anschluss) auf, das direkt an die obere Sammelschiene120 des ersten Paars122 angeschlossen ist, und ein zweites Ende128 , das direkt an die andere Sammelschiene120 des ersten Paars122 angeschlossen ist, so dass diese beiden Sammelschienen120 kapazitiv miteinander gekoppelt sind. Die Kondensatoren104 der anderen Reihen105 sind auf gleiche oder ähnliche Weise zwischen zwei verschiedenen Sammelschienen120 parallel geschaltet. Allgemein ist jeder Satz von Kondensatoren104 in einer Reihe105 angeordnet und zwischen zwei benachbarten Sammelschienen120 parallel geschaltet. Das Kondensatormodul100 kann jede beliebige Anzahl von Kondensatorreihen105 enthalten. Bei dem in den1 und2 gezeigten Ausführungsbeispiel teilen sich zwei Paare122 ,124 von Sammelschienen120 eine gemeinsame Sammelschiene, so dass jeweils ein Ende128 der in dem ersten Satz von Kondensatoren104 enthaltenen Kondensatoren104 und jeweils ein Ende126 der in dem benachbarten zweiten Satz von Kondensatoren104 enthaltenen Kondensatoren an dieselbe Sammelschiene120 angeschlossen sind. - Jede Sammelschiene
120 ist elektrisch an jeweils ein Ende von Anschlüssen112 angeschlossen, die in einer geraden Reihe113 hintereinander angeordnet sind und die sich an ihrem entgegengesetzten Ende aus dem Modulgehäuse102 heraus erstrecken, um externe elektrische Anschlussstellen bereitzustellen. Gemäß einer Ausgestaltung kann es sich bei den Anschlüssen112 um elektrisch leitende Pins handeln. Allerdings kann auch jede andere Art von paralleler Anschlussanordnung wie beispielsweise Reihen von Lötanschlüssen, Reihen von Einpress-Anschlüssen ("Press-Fit Terminals"), Reihen von Federkontakten, Reihen von Schraubanschlüssen, flexible Kabel mit parallelen Drähten, die durch ein isolierendes Material voneinander getrennt sind, usw., verwendet werden. - Jede Reihe
113 von Anschlüssen112 kann an eine außerhalb des Modulgehäuses102 befindliche Versorgungsspannungsleitung oder Datenleitung angeschlossen werden. Beispielsweise sind in den1 und2 die Anschlüsse112 einer ersten Reihe113 mit einem Ende an einer ersten Sammelschiene120 befestigt und an dem anderen Ende an ein positives DC-Versorgungspotential (DC+) angeschlossen, und in einer zweiten Reihe113 angeordnete Anschlüsse112 sind an einem Ende auf einer zweiten Sammelschiene120 befestigt und an ihrem anderen Ende an ein negatives DC-Versorgungspotential (DC–) angeschlossen, usw. Auf diese Weise ist ein jeder Satz105 von Kondensatoren104 , die zwischen einem Paar122 ,124 von Sammelschienen120 parallel geschaltet sind, elektrisch zwischen (DC+) und (DC–) angeschlossen. - Die Anschlüsse
112 einer jeden Reihe113 können, voneinander beabstandet, über einen gemeinsamen Erstreckungsbereich WCAPS verteilt angeordnet sein, über den sich die Kondensatoren104 erstrecken, die an den selben Sammelleiter120 angeschlossen sind wie die betreffende Reihe113 der Anschlüsse112 . Durch die Bereitstellung derartiger voneinander beabstandeter Verbindungsstellen der Anschlüsse112 an die betreffenden Sammelleiter120 wird der Strom über die Breite der betreffenden Sätze der in dem Kondensatormodul100 angeordneten Kondensatoren verteilt, wodurch die Induktivität des Kondensatormoduls100 verringert wird. Eine derart verringerte Induktivität ist für viele Arten von Anwendungen vorteilhaft, insbesondere für Leistungssysteme, bei denen eine niedrigere Gateinduktivität zu einer schnelleren Reaktionszeit führt (beispielsweise beim Umschalten eines steuerbaren Leistungshalbleiterschalters, z.B. eines IGBTs, von einem eingeschalteten Zustand in einen ausgeschalteten Zustand, und umgekehrt), was die Performance verbessert und eine schnellere Fehlererkennung ermöglicht. -
3 zeigt eine Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels eines Kondensatormoduls100 , das ähnlich zu dem in1 gezeigten Kondensatormodul100 ist, allerdings sind die 2-Level (DC+, DC–) Versorgungsanschlüsse mit dem Kondensatormodul100 in Reihe geschaltet sind. Von daher ist eine Reihe105 mit parallel geschalteten Kondensatoren104 zwischen Anschlüssen112 , die mit der DC+ bzw. DC– Potentialversorgung verbunden sind, mit einer zweiten Reihe105 von parallel geschalteten Kondensatoren104 in Reihe geschaltet. -
4 zeigt eine Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels eines Kondensatormoduls100 , das ähnlich aufgebaut ist wie das in1 gezeigte Kondensatormodul100 , wobei jedoch das in4 gezeigte Modul drei Levels (M, DC+, DC–) anstelle von zwei Levels (DC+, DC–) aufweist. Ähnlich zu dem in3 gezeigten Kondensatormodul100 weist das Kondensatormodul100 gemäß4 eine Reihe105 mit zueinander parallel geschalteten Kondensatoren104 auf, die zwischen die Anschlüsse112 , welche mit DC+ bzw. DC– Potentialversorgung verbunden sind, mit einer zweiten Reihe105 aus parallel geschalteten Kondensatoren104 in Reihe geschaltet ist. Zusätzlich weist das Kondensatormodul100 einen zusätzlichen dritten Level (M) auf, der durch eine dritte Reihe113 von Anschlüssen112 gegeben ist, die an die Sammelschiene120 angeschlossen sind, die die Reihenschaltung zwischen den beiden Sätzen105 von in Reihe geschalteten Kondensatoren104 bewirkt. -
5 zeigt eine Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels eines Kondensatormoduls100 , das ähnlich aufgebaut ist wie das in1 gezeigte Kondensatormodul100 . Allerdings sind in5 die Kondensatoren104 nicht einzeln mit der strukturierten Metallisierung108 des Substrates106 verbunden. Stattdessen sind Gruppen mit zwei oder mehr parallel geschalteten Kondensatoren104 zu individuellen Einheiten140 gebündelt. Jede individuelle Einheit140 besitzt Anschlüsse142 ,144 , die an zugehörige Sammelschienen120 auf dem Substrat106 angeschlossen sind. Von daher umfasst jede Reihe105 von Kondensatoren104 eine Anzahl von Multi-Kondensatoreinheiten140 mit jeweils zwei oder mehr parallel geschalteten Kondensatoren104 , die zwischen zwei Sammelschienen120 parallel geschaltet sind. -
6 zeigt eine Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels eines Halbleitermoduls100 , das ähnlich aufgebaut ist wie das in1 gezeigte Halbleitermodul. Allerdings erstrecken sich in6 nur die Anschlüsse112 einer einzigen Reihe150 von Anschlüssen112 aus dem Kondensatormodulgehäuse102 heraus, die zum Anschluss an eine DC+ Potentialversorgung dienen. Entsprechend erstrecken sich nur die Anschlüsse112 einer einzigen zweiten Reihe152 von Anschlüssen112 aus dem Gehäuse102 heraus, die zum Anschluss an eine DC– Potentialversorgung dienen. Alle anderen internen Verbindungen zur Potentialversorgung werden innerhalb des Gehäuses102 unter Verwendung eines ersten Metallblechs160 hergestellt, das an die einzige Reihe150 von DC+ Reihenanschlüssen112 angeschlossen ist, sowie unter Verwendung eines zweiten Metallblechs162 , das an die einzige Reihe152 von DC– Anschlüssen112 angeschlossen ist. Die elektrischen Verbindungen zwischen den Kondensatoren104 und der Metallisierung108 des Substrats106 sind identisch mit denen aus1 . Lediglich die externen Verbindungen unterscheiden sich dadurch, dass anstelle von mehreren Reihen von Anschlüssen zur DC+ Potentialversorgung und mehreren Reihen zur DC– Potentialversorgung (1 ) nur eine einzige Reihe150 mit Anschlüssen zur DC+ Potentialversorgung und nur eine einzige Reihe152 mit Anschlüssen DC– Potentialversorgung vorhanden sind (6 ). -
7 zeigt eine Schnittansicht eines anderen Ausführungsbeispiels eines Kondensatormoduls100 . Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist ein erstes Ende126 eines jeden Kondensators104 direkt an eine Sammelschiene120 der strukturierten Metallisierung108 angeschlossen, und die entgegengesetzten Enden128 der Kondensatoren104 sind elektrisch an die andere korrespondierende Sammelschiene120 der strukturierten Metallisierung108 angeschlossen. Von daher sind die zweiten (entgegengesetzten) Enden128 der Kondensatoren104 , die in jedem Satz an parallel geschalteten Kondensatoren enthalten sind, von der strukturierten Metallisierung108 durch den Körper129 des Kondensators104 und das andere Ende126 , welches direkt an die Sammelleitung120 angeschlossen ist, beabstandet. Die von der strukturierten Metallisierung108 beabstandeten Enden128 der Kondensatoren104 können elektrisch, beispielsweise durch Bonddrähte170 , an eine geeignete Sammelschiene120 angeschlossen werden. -
8 zeigt eine Schnittansicht von noch einem anderen Ausführungsbeispiel eines Kondensatormoduls100 . Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist ein erstes Ende126 der Kondensatoren104 direkt an die Substratmetallisierung108 angeschlossen und ein entgegengesetztes zweites Ende128 der Kondensatoren104 ist von der Metallisierung108 beabstandet und an eine elektrisch leitende Schicht180 angeschlossen, die oberhalb der Kondensatoren104 verläuft. Die Kondensatoren104 sind zwischen der elektrisch leitenden Schicht180 und dem Substrat106 angeordnet. Gemäß einer Ausgestaltung sind Federelemente182 zwischen der Unterseite184 der elektrisch leitenden Schicht180 und den Kondensatoren104 angeordnet. Die Federelemente182 sorgen für eine elektrisch leitende Verbindung zwischen der elektrisch leitenden Schicht180 und den von der Substratmetallisierung108 beabstandeten zweiten Enden128 der Kondensatoren104 . Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist zwischen der Oberseite186 der elektrisch leitenden Schicht180 und dem Kondensatormodulgehäuse102 ein Material190 angeordnet. Das Material190 drückt die Unterseite184 der elektrisch leitenden Schicht180 gegen die zweiten (beabstandeten) Enden128 der Kondensatoren104 . Bei dem Material190 kann es sich um einen flexiblen Schaum oder eine andere Art von federndem Material handeln. -
9 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Leistungssystems200 , das einen Kühler102 umfasst, ein Kondensatormodul100 , wie es vorangehend beschrieben wurde, ein Leistungshalbleitermodul204 und ein Mittel206 , beispielsweise eine Leiterplatte (PCB) oder dergleichen, zum elektrischen Anschluss. Bei dem Kühler202 kann es sich um einen passiven Kühler wie beispielsweise einen Kühlkörper (luftgekühlt, flüssigkeitsgekühlt oder irgendeine Kombination von beidem) handeln, oder um einen aktiven Kühler, wie beispielsweise einen thermoelektrischen Kühler oder jede andere Art von elektrischem Leistungskühler. Das Kondensatormodul100 und das Leistungshalbleitermodul204 sind auf dem Kühler202 angeordnet, sie stellen separate Komponenten des Systems200 dar. Das elektrische Verbindungsmittel206 ist elektrisch an die Anschlüsse112 des Kondensatormoduls100 angeschlossen, die sich aus dem Modulgehäuse102 heraus erstrecken, sowie an die Anschlüsse208 des Leistungshalbleitermoduls204 . Das Gehäuse102 des Kondensatormoduls100 kann eine Öffnung aufweisen, so dass wenigstens ein Teil der Metallisierung116 an der Unterseite118 des Modulsubstrates106 gegenüber202 wie vorangehend unter Bezugnahme auf1 erläutert, den Kühler202 kontaktieren kann, so dass eine gute thermische Anbindung an den Kühler202 besteht. - Gemäß einer Ausgestaltung ist der erste Satz von Anschlüssen, die sich von dem Kondensatormodulgehäuse
102 weg erstrecken, über das elektrische Anschlussmittel206 an ein erstes Versorgungspotential (DC+), des Leistungshalbleitermoduls204 angeschlossen, und der zweite Satz von Anschlüssen112 , die sich von dem Kondensatormodulgehäuse102 weg erstrecken, ist ebenso über das elektrische Anschlussmittel206 an ein zweites Versorgungspotential (DC–) des Leistungshalbleitermoduls204 angeschlossen. Das Kondensatormodul100 ist so ausgebildet, dass es für das Leistungshalbleitermodul204 als Gleichspannungszwischenkreis betrieben werden kann. - Gemäß einer weiteren Ausgestaltung können ein oder mehrere zusätzliche Kondensatoren
210 bereitgestellt werden, die unabhängig von dem Kondensatormodul100 sind. Bei diesen zusätzlichen Kondensatoren210 kann es sich beispielsweise um Elektrolytkondensatoren handeln. Der eine oder die mehreren zusätzlichen Kondensatoren210 speichern Energie, sie sind elektrisch an das elektrische Anschlussmittel206 angeschlossen. Das Kondensatormodul100 ist so ausgebildet, dass es als Snubber betrieben werden kann. - Grundsätzlich kann ein Kondensatormodul der vorliegenden Erfindung so ausgestaltet sein, dass in seinem Gehäuse
102 keine aktiven Bauelemente angeordnet sind, insbesondere also keine Halbleiterbauelemente, die einen oder mehrere pn-Halbleiterübergänge aufweisen. Unabhängig davon kann eine jede Reihe113 von Anschlüssen112 wenigstens drei Anschlüsse112 enthalten, die in einer geraden Reihe hintereinander beabstandet zueinander angeordnet sind. Außerdem können sämtliche der in dem Gehäuse102 befindlichen Kondensatoren104 des Kondensatormoduls100 auf derselben Seite110 des Substrats114 angeordnet sein, während die dieser Seite110 entgegengesetzte Seite118 des Substrats114 nicht mit einem oder mehreren Kondensatoren bestückt ist. - Als "direkte Verbindung" zwischen einem Ende
126 ,128 eines Kondensators104 und einer Metallisierung wird eine elektrisch leitende Verbindung verstanden, die entweder ausschließlich durch eine dünne Verbindungsschicht wie beispielsweise eine Lotschicht, eine gesinterte Schicht oder eine Klebeschicht aus einem elektrisch leitenden Kleber realisiert wird, oder aber ganz ohne Verbindungsschicht wie beispielsweise durch unmittelbares Verschweißen des betreffenden Kondensatorendes126 ,128 mit der Metallisierung. Eine Verbindungsschicht im oben Sinn enthält insbesondere keinen Bond- oder sonstigen Verbindungsdraht, kein Verbindungsblech, und keine Leiterbahn. - Die vorliegend verwendetet richtungsgebundene Terminologie wie etwa "oben", "unten", "Vorderseite", "Rückseite", "vorderer", "hinterer" usw. dient dazu, die Beschreibung der Positionierung eines Elementes relativ zu einem zweiten Element zu vereinfachen. Diese Begriffe sind so zu verstehen, dass sie auch andere als die in den Figuren gezeigten Ausrichtungen der Anordnungen umfassen. Weiterhin werden Begriffe wie "erster", "zweiter" und dergleichen dazu verwendet, verschiedene Elemente, Bereiche, Abschnitte und so weiter zu bezeichnen. Weiterhin bezeichnen gleiche Begriffe in der gesamten Beschreibung gleiche Elemente.
- Wenngleich vorangehend bestimmte Ausgestaltungen dargestellt und beschrieben worden sind, versteht es sich für den Fachmann, dass eine Vielzahl von alternativen und/oder äquivalenten Implementierungen die gezeigten und beschriebenen spezifischen Ausführungsformen ersetzen kann, ohne dadurch den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Diese Anmeldung soll alle Anpassungen und Variationen der hierin erörterten spezifischen Ausgestaltungen abdecken. Deshalb soll die vorliegende Erfindung nur durch die Ansprüche und die Äquivalente davon begrenzt werden.
- Es versteht sich weiterhin, dass Merkmale der hierin beschriebenen verschiedenen Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden können, sofern diese Merkmale einander nicht ausschließen.
Claims (22)
- Ein Kondensatormodul umfassend: ein Substrat (
114 ) mit einer ersten Metallisierung (108 ), die auf eine erste Seite (110 ) des Substrats (114 ) aufgebracht ist; eine Vielzahl von Anschlüssen (112 ), die elektrisch leitend mit der ersten Metallisierung (108 ) verbunden sind; eine Vielzahl von Kondensatoren (104 ), die auf der ersten Metallisierung (108 ) angeordnet sind und die ersten Satz von Kondensatoren (104 ) aufweisen, die elektrisch zwischen einem ersten Satz von Anschlüssen (112 ) und einem zweiten Satz von Anschlüssen (112 ) zueinander parallel geschaltet sind; und ein Gehäuse (102 ), das die Vielzahl von Kondensatoren (104 ) umschließt. - Kondensatormodul nach Anspruch 1, bei dem die Kondensatoren (
104 ) der Vielzahl von Kondensatoren (104 ) als Keramikkondensatoren ausgebildet sind. - Kondensatormodul nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Substrat (
114 ) eine Leiterplatte umfasst, wobei die erste Metallisierung (108 ) an einer ersten Seite der Leiterplatte angeordnet ist. - Kondensatormodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das Substrat (
114 ) ein Keramiksubstrat umfasst, wobei die erste Metallisierung (108 ) auf eine erste Seite (110 ) des Keramiksubstrats aufgebracht ist, und wobei eine zweite Metallisierung (116 ) auf eine der ersten Seite (110 ) entgegengesetzte zweite Seite (118 ) des Keramiksubstrats aufgebracht ist, und wobei wenigstens ein Teil der zweiten Metallisierung (116 ) an einer Öffnung des Gehäuses (102 ) frei liegt. - Kondensatormodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der erste Satz von Anschlüssen (
112 ) über einen gemeinsamen Erstreckungsbereich (WCAPS) des ersten Satzes der Vielzahl von Kondensatoren (104 ) verteilt angeordnet ist, und bei dem der zweite Satz von Anschlüssen (112 ) über den gemeinsamen Erstreckungsbereich (WCAPS) des ersten Satzes der Vielzahl von Kondensatoren (104 ) verteilt angeordnet ist. - Kondensatormodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die erste Metallisierung (
108 ) strukturiert ist und eine Vielzahl länglicher Bereiche (120 ) aufweist, die voneinander beabstandet sind, und wobei die Kondensatoren (104 ) eines ersten Satzes der Vielzahl von Kondensatoren (104 ) zwischen den länglichen Bereichen (120 ) eines erstes Paars der länglichen Bereiche (120 ) elektrisch parallel geschaltet sind; und die Kondensatoren (104 ) eines zweiten Satzes der Vielzahl von Kondensatoren (104 ) zwischen den länglichen Bereichen (120 ) eines zweiten Paars der länglichen Bereiche (120 ) elektrisch parallel geschaltet sind. - Kondensatormodul nach Anspruch 6, bei dem sich das erste Paar der länglichen Bereiche (
120 ) und das zweite Paars der länglichen Bereiche (120 ) einen gemeinsamen der länglichen Bereiche (120 ) teilen, und wobei ein Ende der Kondensatoren (104 ) des ersten Satzes von Kondensatoren (104 ) und ein Ende der Kondensatoren (104 ) des zweiten Satzes von Kondensatoren (104 ) elektrisch an den gemeinsamen der länglichen Bereiche (120 ) angeschlossen sind. - Kondensatormodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem wenigstens zwei Kondensatoren (
104 ) des ersten Satzes von Kondensatoren (104 ) auf dem Substrat (106 ) übereinander gestapelt sind und zwischen dem ersten Satz von Anschlüssen (112 ) und dem zweiten Satz von Anschlüssen (112 ) elektrisch parallel geschaltet sind. - Kondensatormodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem erste Enden (
126 ) der Kondensatoren (104 ) des ersten Satzes von Kondensatoren (104 ) direkt mit einem ersten länglichen Bereich (120 ) der ersten Metallisierung (108 ) elektrisch verbunden sind; und den ersten Enden (126 ) entgegengesetzte zweite Enden (128 ) der Kondensatoren (104 ) des ersten Satzes von Kondensatoren (104 ) mit einem zweiten länglichen Bereich (120 ) der ersten Metallisierung (108 ) elektrisch verbunden sind, wobei der erste längliche Bereich (120 ) und der zweite längliche Bereich (120 ) voneinander beabstandet sind. - Kondensatormodul nach Anspruch 9, bei dem die zweiten Enden (
128 ) der Kondensatoren (104 ) des ersten Satzes von Kondensatoren (104 ) direkt mit einem zweiten länglichen Bereich (120 ) der ersten Metallisierung (108 ) elektrisch verbunden sind. - Kondensatormodul nach Anspruch 1, bei dem erste Enden (
126 ) der Kondensatoren (104 ) der Vielzahl von Kondensatoren (104 ) direkt mit der ersten Metallisierung (108 ) elektrisch verbunden sind; und den ersten Enden (126 ) entgegengesetzte zweite Enden (128 ) der Kondensatoren (104 ) der Vielzahl von Kondensatoren (104 ) von der ersten Metallisierung (108 ) beabstandet und elektrisch an eine elektrisch leitende Schicht (180 ) angeschlossen sind, die oberhalb der Vielzahl von Kondensatoren (104 ) verläuft, wobei die Vielzahl von Kondensatoren (104 ) zwischen der elektrisch leitenden Schicht (180 ) und dem Substrat (106 ) angeordnet sind. - Kondensatormodul nach Anspruch 11, das weiterhin Federelemente (
182 ) umfasst, die zwischen einer ersten Seite (184 ) der elektrisch leitenden Schicht (180 ) und der Vielzahl von Kondensatoren (104 ) angeordnet sind, wobei die Federelemente (182 ) elektrisch leitende Verbindungen zwischen der elektrisch leitenden Schicht (180 ) und den zweiten Enden (128 ) der Kondensatoren (104 ) der Vielzahl von Kondensatoren (104 ) bilden. - Kondensatormodul nach Anspruch 11 oder 12, das weiterhin ein Material (
190 ) umfasst, das zwischen einer der ersten Seite (184 ) der elektrisch leitenden Schicht (180 ) entgegengesetzten zweiten Seite (186 ) der elektrisch leitenden Schicht (180 ) und dem Gehäuse (102 ) angeordnet ist, wobei das Material (190 ) die erste Seite (184 ) der elektrisch leitenden Schicht (180 ) gegen die zweiten Enden (128 ) der Vielzahl von Kondensatoren (104 ) presst. - Kondensatormodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Vielzahl von Anschlüssen (
112 ) als elektrisch leitende Pins ausgebildet sind. - Kondensatormodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem sich nur genau eine erste Reihe (
113 ) von Anschlüssen (112 ) und nur genau eine zweite Reihe (113 ) von Anschlüssen (112 ) aus dem Gehäuse (102 ) heraus erstrecken; innerhalb des Gehäuses (102 ) befindliche elektrische Verbindungen zwischen der ersten Reihe (113 ) von Anschlüssen (112 ) und der ersten Metallisierung (108 ) durch ein erstes Metallblech (160 ) erzeugt werden; und innerhalb des Gehäuses (102 ) befindliche elektrische Verbindungen zwischen der zweiten Reihe (113 ) von Anschlüssen (112 ) und der ersten Metallisierung (108 ) durch ein zweites Metallblech (162 ) erzeugt werden. - Leistungssystem umfassend: einen Kühler (
202 ); ein auf dem Kühler (202 ) angeordnetes Kondensatormodul (100 ) umfassend: – ein Substrat (114 ) mit einer ersten Metallisierung (108 ), die auf eine erste Seite (110 ) des Substrats (114 ) aufgebracht ist; – eine Vielzahl von Anschlüssen (112 ), die elektrisch leitend mit der ersten Metallisierung (108 ) verbunden sind; – eine Vielzahl von Kondensatoren (104 ), die auf der ersten Metallisierung (108 ) angeordnet sind und die wenigstens einen ersten Satz von Kondensatoren (104 ) aufweisen, die zwischen einem ersten Satz von Anschlüssen (112 ) und einem zweiten Satz von Anschlüssen (112 ) elektrisch zueinander parallel geschaltet sind; und – ein Gehäuse (102 ), das die Vielzahl von Kondensatoren (104 ) umschließt; ein auf dem Kühler (202 ) angeordnetes Leistungshalbleitermodul (204 ); und ein elektrisches Verbindungsmittel (206 ), das elektrisch an das Kondensatormodul (100 ) und and das Leistungshalbleitermodul (204 ) angeschlossen ist. - Leistungssystem nach Anspruch 16, bei dem der erste Satz von Anschlüssen (
112 ) über das elektrische Verbindungsmittel (206 ) an ein erstes Versorgungspotential (DC+) angeschlossen ist; der zweite Satz von Kondensatoren (112 ) über das elektrische Verbindungsmittel (206 ) an ein zweites Versorgungspotential (DC–) angeschlossen ist; und das Kondensatormodul (100 ) einen Zwischenkreis für das Leistungshalbleitermodul (204 ) bildet. - Leistungssystem nach Anspruch 16, das weiterhin einen oder mehrere zusätzliche, zu dem Kondensatormodul (
100 ) separate Kondensatoren (210 ) umfasst, die zum Speichern von Energie verwendbar sind, und wobei der eine oder die mehreren zusätzlichen Kondensatoren (210 ) elektrisch an das elektrische Verbindungsmittel (206 ) angeschlossen sind, und wobei das Kondensatormodul (100 ) einen Snubber bildet. - Leistungssystem nach einem der Ansprüche 16 bis 18, bei dem das elektrische Verbindungsmittel (
206 ) als Leiterplatte ausgebildet ist. - Leistungssystem nach einem der Ansprüche 16 bis 19, bei dem sich der erste Satz von Anschlüssen (
112 ) über einen gemeinsamen Erstreckungsbereich (WCAPS) des ersten Satzes von Kondensatoren (104 ) verteilt angeordnet ist, und bei dem der zweite Satz von Anschlüssen (112 ) über den gemeinsamen Erstreckungsbereich (WCAPS) des ersten Satzes von Kondensatoren (104 ) verteilt angeordnet ist. - Leistungssystem nach einem der Ansprüche 16 bis 20, bei dem die erste Metallisierung (
108 ) strukturiert ist und eine Vielzahl länglicher Bereiche (120 ) aufweist, die voneinander beabstandet sind, und wobei die Kondensatoren (104 ) des ersten Satzes der Vielzahl von Kondensatoren (104 ) zwischen den länglichen Bereichen (120 ) eines erstes Paars der länglichen Bereiche (120 ) elektrisch parallel geschaltet sind; und die Kondensatoren (104 ) eines zweiten Satzes der Vielzahl von Kondensatoren (104 ) zwischen den länglichen Bereichen (120 ) eines zweiten Paars der länglichen Bereiche (120 ) elektrisch parallel geschaltet sind. - Leistungssystem nach einem der Ansprüche 16 bis 21, bei dem erste Enden (
126 ) der Kondensatoren (104 ) der Vielzahl von Kondensatoren (104 ) direkt mit der ersten Metallisierung (108 ) elektrisch verbunden sind; und den ersten Enden (126 ) entgegengesetzte zweite Enden (128 ) der Kondensatoren (104 ) der Vielzahl von Kondensatoren (104 ) von der ersten Metallisierung (108 ) beabstandet und elektrisch an eine elektrisch leitende Schicht (180 ) angeschlossen sind, die oberhalb der Vielzahl von Kondensatoren (104 ) verläuft, wobei die Vielzahl von Kondensatoren (104 ) zwischen der elektrisch leitenden Schicht (180 ) und dem Substrat (106 ) angeordnet sind.
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