DE102012218579B4

DE102012218579B4 - Niederinduktives Kondensatormodul und Leistungssystem mit einem solchen

Info

Publication number: DE102012218579B4
Application number: DE102012218579.8A
Authority: DE
Inventors: Reinhold Bayerer; Daniel Domes
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2011-10-12
Filing date: 2012-10-11
Publication date: 2014-05-28
Anticipated expiration: 2032-10-12
Also published as: DE102012218579A1; US8787003B2; CN103050283A; US20130094122A1; CN103050283B

Abstract

Ein Kondensatormodul (100) aufweisend: ein Substrat (106) mit einer strukturierten ersten Metallisierung (108), die auf eine erste Seite (110) des Substrats (106) aufgebracht ist; eine Vielzahl von Anschlüssen (112), die elektrisch leitend mit der ersten Metallisierung (108) verbunden sind; eine Vielzahl von als Keramikkondensatoren ausgebildeten Kondensatoren (104), die auf der ersten Metallisierung (108) angeordnet sind und die einen ersten Satz von Kondensatoren (104) aus der Vielzahl von Kondensatoren (104) aufweisen, die zwischen einem ersten Satz von Anschlüssen (112) aus der Vielzahl von Anschlüssen (112) und einem zweiten Satz von Anschlüssen (112) aus der Vielzahl von Anschlüssen (112) elektrisch zueinander parallel geschaltet sind; und ein Modulgehäuse (102), das die Vielzahl von Kondensatoren (104) umschließt, wobei sich die Anschlüsse (112) auf der dem Substrat (106) abgewandten Seite der Metallisierung (108) aus dem Modulgehäuse (102) heraus erstrecken.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein niederinduktives Kondensatormodul und ein Leistungssystem mit einem solchen Kondensatormodul.
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.
Aus der US 6 563 691 B2 ist eine Montagestruktur für Kondensatoren bekannt, bei der Keramikkondensatoren, die auf einem mit Elektroden versehenen Substrat angeordnet und elektrisch parallel oder in Reihe geschaltet sind.
Die JP 2010-245 381 A betrifft ein blockförmiges Elektronikbauteil, bei dem eine Vielzahl von miteinander verklebten, chipartigen elektronischen Bauteilen, in denen jeweils keramische Schichten und innere Elektroden abwechselnd laminiert sind. Die miteinander verklebten, chipartigen elektronischen Bauteile sind zwischen zwei Metallplatten angeordnet.
Die DE 198 47 029 A1 beschreibt einen Umrichter mit einem niederinduktiven Kondensator im Zwischenkreis. Hierbei sein ein in eine Leistungselektronik und ein Kondensatoren aufweisendes Zwischenkreiskondensatorteil nebeneinander auf einem Kühler angeordnet und auf ihren dem Kühler abgewandten Seiten mittels einer Zwischenkreisverschienung elektrisch miteinander verbunden. Zwischen den Kondensatoren und dem Kühler befindet sich zur Entwärmung der Kondensatoren eine Wärmeleitplatte. Über den Typ der Kondensatoren ist nichts bekannt, allerdings geht die DE 198 47 029 A1 von einem Stand der Technik mit Elektrolyt- oder Folienkondensatoren im Zwischenkreis aus.
In der US 2011/0 228 445 A1 ist ein Kondensatormodul mit mehreren auf einem Substrat verbauten polaren Kondensatoren beschrieben, die als Folien- oder Elektrolytkondensatoren ausgebildet sind. Bei dem Substrat handelt es sich um eine Leiterplatte, oder um einen Trägerkörper aus einem Epoxidharz, mit dem eine Bus-Verschienung verbunden ist. Die Kondensatoren weisen jeweils Anschlusselektroden auf, die sich durch das Substrat hindurch erstrecken. Ein gemeinsames Gehäuse der Kondensatoren ist nicht vorhanden.
Die US 6 181 544 B1 betrifft ein keramisches Elektronikbauelement, das unter anderem als Keramikkondensator ausgebildet sein kann und das an einander entgegengesetzten Endflächen mit Anschlusselektroden versehen ist. Das Elektronikbauelement wird an umgebogenen Abschnitten der Anschlusselektrode auf eine Leiterplatte gelötet.
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 strukturierte 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 Keramikkondensatoren, 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. Die Anschlüsse erstrecken sich auf der dem Substrat abgewandten Seite der strukturierten Metallisierung aus dem Modulgehäuse heraus.
Gemäß einer Ausgestaltung eines Leistungssystems umfasst dieses einen Kühler, ein auf dem Kühler angeordnetes, wie oben erläutertes Kondensatormodul, ein auf dem Kühler angeordnetes Leistungshalbleitermodul, sowie ein elektrisches Verbindungsmittel, das elektrisch an das Kondensatormodul und an das Leistungshalbleitermodul angeschlossen ist.
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.
1 zeigt eine Schnittansicht durch ein Kondensatormodul.
2 zeigt einen Grundriss des Kondensatormoduls gemäß 1 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.
1 zeigt eine Schnittansicht durch ein Ausführungsbeispiel eines Kondensatormoduls 100 entlang einer Schnittlinie, die in 2 mit A-A' bezeichnet ist, und 2 zeigt einen Grundriss des Kondensatormoduls 100 in Draufsicht und ohne das Gehäuse 102. Das Kondensatormodul 100 umfasst eine Anzahl von Kondensatoren 104, die wie in 1 gezeigt von dem Gehäuse 102 umschlossen werden. Ein elektrischer Schaltkreis, an die die Kondensatoren 104 schließlich angeschlossen werden können, ist in dem Kondensatormodul 100 nicht enthalten, weshalb der Ausdruck ”Kondensatormodul” anstelle von ”Modul” verwendet wird. Das Kondensatormodulgehäuse 102 kann aus Kunststoff oder jedem beliebigen anderen geeigneten Materialtyp hergestellt sein. Das Kondensatormodul 100 umfasst außerdem ein Substrat 106, das eine Metallisierung 108 an einer Oberseite 110 des Substrats 106 aufweist. Eine Anzahl von Anschlüssen 112 ist direkt oder über die Kondensatoren 104 mit der Metallisierung 108 verbunden. Bei den in dem Kondensatormodul 100 enthaltenen Kondensatoren 104 kann es sich um keramische Kondensatoren oder um jeden anderen geeigneten Kondensatortyp handeln. Beispielsweise können die Kondensatoren 104 als oberflächenmontierte Bauteile (SMD-Bauteile) ausgebildet sein.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß den 1 und 2 umfasst das Substrat 106 einen keramischen Träger 114, und die auf der Oberseite 110 des keramischen Trägers angeordnete Metallisierung ist strukturiert. Auf der Unterseite 118 des keramischen Trägers 114 ist eine zweite Metallisierung 116 angeordnet. Bei dem in 1 gezeigten Substrat 106 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 Unterseite 118 des keramischen Trägers 114 angeordneten Metallisierung 116 kann an einer in dem Gehäuse 102 befindlichen Öffnung frei liegen, um eine gute thermische Verbindung mit einem Kühler zu erlauben, beispielsweise einem Kühlkörper, an dem das Kondensatormodul 100 montiert wird (wie beispielsweise in 9 gezeigt). Eine derartige Verbindung stellt sicher, dass das Kondensatormodul 100 eine gute Wärmeableitcharakteristik aufweist. Alternativ kann es sich bei dem Substrat 106 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 Substraten 106 zur Montage der Kondensatoren 104 verwendet werden.
Ebenfalls entsprechend dem in den 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispiel kann die Metallisierung 108 auf der Oberseite 110 des Substrats 106 strukturiert sein und eine Anzahl langgestreckter Bereiche 120 (hier auch ”Sammelschienen” = ”Bus Bars” genannt) aufweisen, die voneinander separiert sind. Ein erster Satz von Kondensatoren 104 ist zwischen einem ersten Paar 122 von Sammelschienen 120 parallel geschaltet, ein zweiter Satz von Kondensatoren 104 ist zwischen einem zweiten Paar 124 von Sammelschienen 120 parallel geschaltet, usw. Beispielsweise sind in den 1 und 2 die Kondensatoren 104 in der oberen Reihe 105 parallel geschaltet und weisen jeweils ein erstes Ende 126 (Anschluss) auf, das direkt an die obere Sammelschiene 120 des ersten Paars 122 angeschlossen ist, und ein zweites Ende 128, das direkt an die andere Sammelschiene 120 des ersten Paars 122 angeschlossen ist, so dass diese beiden Sammelschienen 120 kapazitiv miteinander gekoppelt sind. Die Kondensatoren 104 der anderen Reihen 105 sind auf gleiche oder ähnliche Weise zwischen zwei verschiedenen Sammelschienen 120 parallel geschaltet. Allgemein ist jeder Satz von Kondensatoren 104 in einer Reihe 105 angeordnet und zwischen zwei benachbarten Sammelschienen 120 parallel geschaltet. Das Kondensatormodul 100 kann jede beliebige Anzahl von Kondensatorreihen 105 enthalten. Bei dem in den 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispiel teilen sich zwei Paare 122, 124 von Sammelschienen 120 eine gemeinsame Sammelschiene, so dass jeweils ein Ende 128 der in dem ersten Satz von Kondensatoren 104 enthaltenen Kondensatoren 104 und jeweils ein Ende 126 der in dem benachbarten zweiten Satz von Kondensatoren 104 enthaltenen Kondensatoren an dieselbe Sammelschiene 120 angeschlossen sind.
Jede Sammelschiene 120 ist elektrisch an jeweils ein Ende von Anschlüssen 112 angeschlossen, die in einer geraden Reihe 113 hintereinander angeordnet sind und die sich an ihrem entgegengesetzten Ende aus dem Modulgehäuse 102 heraus erstrecken, um externe elektrische Anschlussstellen bereitzustellen. Gemäß einer Ausgestaltung kann es sich bei den Anschlüssen 112 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 Anschlüssen 112 kann an eine außerhalb des Modulgehäuses 102 befindliche Versorgungsspannungsleitung oder Datenleitung angeschlossen werden. Beispielsweise sind in den 1 und 2 die Anschlüsse 112 einer ersten Reihe 113 mit einem Ende an einer ersten Sammelschiene 120 befestigt und an dem anderen Ende an ein positives DC-Versorgungspotential (DC+) angeschlossen, und in einer zweiten Reihe 113 angeordnete Anschlüsse 112 sind an einem Ende auf einer zweiten Sammelschiene 120 befestigt und an ihrem anderen Ende an ein negatives DC-Versorgungspotential (DC–) angeschlossen, usw. Auf diese Weise ist ein jeder Satz 105 von Kondensatoren 104, die zwischen einem Paar 122, 124 von Sammelschienen 120 parallel geschaltet sind, elektrisch zwischen (DC+) und (DC–) angeschlossen.
Die Anschlüsse 112 einer jeden Reihe 113 können, voneinander beabstandet, über einen gemeinsamen Erstreckungsbereich W_CAPS verteilt angeordnet sein, über den sich die Kondensatoren 104 erstrecken, die an den selben Sammelleiter 120 angeschlossen sind wie die betreffende Reihe 113 der Anschlüsse 112. Durch die Bereitstellung derartiger voneinander beabstandeter Verbindungsstellen der Anschlüsse 112 an die betreffenden Sammelleiter 120 wird der Strom über die Breite der betreffenden Sätze der in dem Kondensatormodul 100 angeordneten Kondensatoren verteilt, wodurch die Induktivität des Kondensatormoduls 100 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 Kondensatormoduls 100, das ähnlich zu dem in 1 gezeigten Kondensatormodul 100 ist, allerdings sind die 2-Level (DC+, DC–) Versorgungsanschlüsse mit dem Kondensatormodul 100 in Reihe geschaltet sind. Von daher ist eine Reihe 105 mit parallel geschalteten Kondensatoren 104 zwischen Anschlüssen 112, die mit der DC+ bzw. DC– Potentialversorgung verbunden sind, mit einer zweiten Reihe 105 von parallel geschalteten Kondensatoren 104 in Reihe geschaltet.
4 zeigt eine Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels eines Kondensatormoduls 100, das ähnlich aufgebaut ist wie das in 1 gezeigte Kondensatormodul 100, wobei jedoch das in 4 gezeigte Modul drei Levels (M, DC+, DC–) anstelle von zwei Levels (DC+, DC–) aufweist. Ähnlich zu dem in 3 gezeigten Kondensatormodul 100 weist das Kondensatormodul 100 gemäß 4 eine Reihe 105 mit zueinander parallel geschalteten Kondensatoren 104 auf, die zwischen die Anschlüsse 112, welche mit DC+ bzw. DC– Potentialversorgung verbunden sind, mit einer zweiten Reihe 105 aus parallel geschalteten Kondensatoren 104 in Reihe geschaltet ist. Zusätzlich weist das Kondensatormodul 100 einen zusätzlichen dritten Level (M) auf, der durch eine dritte Reihe 113 von Anschlüssen 112 gegeben ist, die an die Sammelschiene 120 angeschlossen sind, die die Reihenschaltung zwischen den beiden Sätzen 105 von in Reihe geschalteten Kondensatoren 104 bewirkt.
5 zeigt eine Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels eines Kondensatormoduls 100, das ähnlich aufgebaut ist wie das in 1 gezeigte Kondensatormodul 100. Allerdings sind in 5 die Kondensatoren 104 nicht einzeln mit der strukturierten Metallisierung 108 des Substrates 106 verbunden. Stattdessen sind Gruppen mit zwei oder mehr parallel geschalteten Kondensatoren 104 zu individuellen Einheiten 140 gebündelt. Jede individuelle Einheit 140 besitzt Anschlüsse 142, 144, die an zugehörige Sammelschienen 120 auf dem Substrat 106 angeschlossen sind. Von daher umfasst jede Reihe 105 von Kondensatoren 104 eine Anzahl von Multi-Kondensatoreinheiten 140 mit jeweils zwei oder mehr parallel geschalteten Kondensatoren 104, die zwischen zwei Sammelschienen 120 parallel geschaltet sind.
6 zeigt eine Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels eines Halbleitermoduls 100, das ähnlich aufgebaut ist wie das in 1 gezeigte Halbleitermodul. Allerdings erstrecken sich in 6 nur die Anschlüsse 112 einer einzigen Reihe 150 von Anschlüssen 112 aus dem Kondensatormodulgehäuse 102 heraus, die zum Anschluss an eine DC+ Potentialversorgung dienen. Entsprechend erstrecken sich nur die Anschlüsse 112 einer einzigen zweiten Reihe 152 von Anschlüssen 112 aus dem Gehäuse 102 heraus, die zum Anschluss an eine DC– Potentialversorgung dienen. Alle anderen internen Verbindungen zur Potentialversorgung werden innerhalb des Gehäuses 102 unter Verwendung eines ersten Metallblechs 160 hergestellt, das an die einzige Reihe 150 von DC+ Reihenanschlüssen 112 angeschlossen ist, sowie unter Verwendung eines zweiten Metallblechs 162, das an die einzige Reihe 152 von DC– Anschlüssen 112 angeschlossen ist. Die elektrischen Verbindungen zwischen den Kondensatoren 104 und der Metallisierung 108 des Substrats 106 sind identisch mit denen aus 1. 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 Reihe 150 mit Anschlüssen zur DC+ Potentialversorgung und nur eine einzige Reihe 152 mit Anschlüssen DC– Potentialversorgung vorhanden sind (6).
7 zeigt eine Schnittansicht eines anderen Ausführungsbeispiels eines Kondensatormoduls 100. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist ein erstes Ende 126 eines jeden Kondensators 104 direkt an eine Sammelschiene 120 der strukturierten Metallisierung 108 angeschlossen, und die entgegengesetzten Enden 128 der Kondensatoren 104 sind elektrisch an die andere korrespondierende Sammelschiene 120 der strukturierten Metallisierung 108 angeschlossen. Von daher sind die zweiten (entgegengesetzten) Enden 128 der Kondensatoren 104, die in jedem Satz an parallel geschalteten Kondensatoren enthalten sind, von der strukturierten Metallisierung 108 durch den Körper 129 des Kondensators 104 und das andere Ende 126, welches direkt an die Sammelleitung 120 angeschlossen ist, beabstandet. Die von der strukturierten Metallisierung 108 beabstandeten Enden 128 der Kondensatoren 104 können elektrisch, beispielsweise durch Bonddrähte 170, an eine geeignete Sammelschiene 120 angeschlossen werden.
8 zeigt eine Schnittansicht von noch einem anderen Ausführungsbeispiel eines Kondensatormoduls 100. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist ein erstes Ende 126 der Kondensatoren 104 direkt an die Substratmetallisierung 108 angeschlossen und ein entgegengesetztes zweites Ende 128 der Kondensatoren 104 ist von der Metallisierung 108 beabstandet und an eine elektrisch leitende Schicht 180 angeschlossen, die oberhalb der Kondensatoren 104 verläuft. Die Kondensatoren 104 sind zwischen der elektrisch leitenden Schicht 180 und dem Substrat 106 angeordnet. Gemäß einer Ausgestaltung sind Federelemente 182 zwischen der Unterseite 184 der elektrisch leitenden Schicht 180 und den Kondensatoren 104 angeordnet. Die Federelemente 182 sorgen für eine elektrisch leitende Verbindung zwischen der elektrisch leitenden Schicht 180 und den von der Substratmetallisierung 108 beabstandeten zweiten Enden 128 der Kondensatoren 104. Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist zwischen der Oberseite 186 der elektrisch leitenden Schicht 180 und dem Kondensatormodulgehäuse 102 ein Material 190 angeordnet. Das Material 190 drückt die Unterseite 184 der elektrisch leitenden Schicht 180 gegen die zweiten (beabstandeten) Enden 128 der Kondensatoren 104. Bei dem Material 190 kann es sich um einen flexiblen Schaum oder eine andere Art von federndem Material handeln.
9 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Leistungssystems 200, das einen Kühler 102 umfasst, ein Kondensatormodul 100, wie es vorangehend beschrieben wurde, ein Leistungshalbleitermodul 204 und ein Mittel 206, beispielsweise eine Leiterplatte (PCB) oder dergleichen, zum elektrischen Anschluss. Bei dem Kühler 202 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 Kondensatormodul 100 und das Leistungshalbleitermodul 204 sind auf dem Kühler 202 angeordnet, sie stellen separate Komponenten des Systems 200 dar. Das elektrische Verbindungsmittel 206 ist elektrisch an die Anschlüsse 112 des Kondensatormoduls 100 angeschlossen, die sich aus dem Modulgehäuse 102 heraus erstrecken, sowie an die Anschlüsse 208 des Leistungshalbleitermoduls 204. Das Gehäuse 102 des Kondensatormoduls 100 kann eine Öffnung aufweisen, so dass wenigstens ein Teil der Metallisierung 116 an der Unterseite 118 des Modulsubstrates 106 gegenüber 202 wie vorangehend unter Bezugnahme auf 1 erläutert, den Kühler 202 kontaktieren kann, so dass eine gute thermische Anbindung an den Kühler 202 besteht.
Gemäß einer Ausgestaltung ist der erste Satz von Anschlüssen, die sich von dem Kondensatormodulgehäuse 102 weg erstrecken, über das elektrische Anschlussmittel 206 an ein erstes Versorgungspotential (DC+), des Leistungshalbleitermoduls 204 angeschlossen, und der zweite Satz von Anschlüssen 112, die sich von dem Kondensatormodulgehäuse 102 weg erstrecken, ist ebenso über das elektrische Anschlussmittel 206 an ein zweites Versorgungspotential (DC–) des Leistungshalbleitermoduls 204 angeschlossen. Das Kondensatormodul 100 ist so ausgebildet, dass es für das Leistungshalbleitermodul 204 als Gleichspannungszwischenkreis betrieben werden kann.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung können ein oder mehrere zusätzliche Kondensatoren 210 bereitgestellt werden, die unabhängig von dem Kondensatormodul 100 sind. Bei diesen zusätzlichen Kondensatoren 210 kann es sich beispielsweise um Elektrolytkondensatoren handeln. Der eine oder die mehreren zusätzlichen Kondensatoren 210 speichern Energie, sie sind elektrisch an das elektrische Anschlussmittel 206 angeschlossen. Das Kondensatormodul 100 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 Reihe 113 von Anschlüssen 112 wenigstens drei Anschlüsse 112 enthalten, die in einer geraden Reihe hintereinander beabstandet zueinander angeordnet sind. Außerdem können sämtliche der in dem Gehäuse 102 befindlichen Kondensatoren 104 des Kondensatormoduls 100 auf derselben Seite 110 des Substrats 114 angeordnet sein, während die dieser Seite 110 entgegengesetzte Seite 118 des Substrats 114 nicht mit einem oder mehreren Kondensatoren bestückt ist.
Als ”direkte Verbindung” zwischen einem Ende 126, 128 eines Kondensators 104 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 Kondensatorendes 126, 128 mit der Metallisierung. Eine Verbindungsschicht im oben Sinn enthält insbesondere keinen Bond- oder sonstigen Verbindungsdraht, kein Verbindungsblech, und keine Leiterbahn.

Claims

Ein Kondensatormodul (100) aufweisend: ein Substrat (106) mit einer strukturierten ersten Metallisierung (108), die auf eine erste Seite (110) des Substrats (106) aufgebracht ist; eine Vielzahl von Anschlüssen (112), die elektrisch leitend mit der ersten Metallisierung (108) verbunden sind; eine Vielzahl von als Keramikkondensatoren ausgebildeten Kondensatoren (104), die auf der ersten Metallisierung (108) angeordnet sind und die einen ersten Satz von Kondensatoren (104) aus der Vielzahl von Kondensatoren (104) aufweisen, die zwischen einem ersten Satz von Anschlüssen (112) aus der Vielzahl von Anschlüssen (112) und einem zweiten Satz von Anschlüssen (112) aus der Vielzahl von Anschlüssen (112) elektrisch zueinander parallel geschaltet sind; und ein Modulgehäuse (102), das die Vielzahl von Kondensatoren (104) umschließt, wobei sich die Anschlüsse (112) auf der dem Substrat (106) abgewandten Seite der Metallisierung (108) aus dem Modulgehäuse (102) heraus erstrecken.
Kondensatormodul nach Anspruch 1, bei dem das Substrat (106) eine Leiterplatte aufweist, wobei die erste Metallisierung (108) an einer ersten Seite der Leiterplatte angeordnet ist.
Kondensatormodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das Substrat (106) ein Keramiksubstrat (114) aufweist, wobei die erste Metallisierung (108) auf eine erste Seite (110) des Keramiksubstrats (114) aufgebracht ist, und wobei eine zweite Metallisierung (116) auf eine der ersten Seite (110) entgegengesetzte zweite Seite (118) des Keramiksubstrats (114) 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 (W_CAPS) des ersten Satzes der Vielzahl von Kondensatoren (104) verteilt angeordnet ist, und bei dem der zweite Satz von Anschlüssen (112) über den gemeinsamen Erstreckungsbereich (W_CAPS) 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 5, 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 8, 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 10, das weiterhin Federelemente (182) aufweist, 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 10 oder 11, das weiterhin ein Material (190) aufweist, 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 aufweisend: einen Kühler (202); ein auf dem Kühler (202) angeordnetes und gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14 ausgebildetes Kondensatormodul (100); ein auf dem Kühler (202) angeordnetes Leistungshalbleitermodul (204); und ein elektrisches Verbindungsmittel (206), das elektrisch an das Kondensatormodul (100) und an das Leistungshalbleitermodul (204) angeschlossen ist.
Leistungssystem nach Anspruch 15, bei dem der erste Satz von Anschlüssen (112) über das elektrische Verbindungsmittel (206) an ein erstes Versorgungspotential (DC+) angeschlossen ist; der zweiten Satz von Anschlüssen (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 15, das weiterhin einen oder mehrere zusätzliche, zu dem Kondensatormodul (100) separate Kondensatoren (210) aufweist, 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 15 bis 17, bei dem das elektrische Verbindungsmittel (206) als Leiterplatte ausgebildet ist.