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Die Erfindung betrifft zuvorderst ein als Stromrichterhalbleitermodul fungierendes Leistungshalbleitermodul nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs, insbesondere ein sogenanntes IGBT-Modul, also eine Kombination mehrerer sogenannter IGBTs und der jeweils zugeordneten Freilaufdioden (IGBT = Insulated Gate Bipolar Transistor).
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Im Folgenden wird für eine sprachlich einfache Darstellung durchgängig der Begriff Leistungshalbleitermodul verwendet. Dieser Begriff schließt jedoch stets IGBT-Module als besondere Ausführungsform eines als Stromrichterhalbleitermodul fungierenden Leistungshalbleitermoduls ein.
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Ein Stromrichter ist bekanntlich ein elektrisches Gerät, das Gleichspannung in Wechselspannung und Gleichstrom in einen Wechselstrom oder Wechselspannung in Gleichspannung und einen Wechselstrom in Gleichstrom umrichtet. Ein Stromrichter, der Gleichspannung in Wechselspannung umrichtet, wird auch als Wechselrichter bezeichnet. Entsprechend wird ein Stromrichter, der Wechselspannung in Gleichspannung umrichtet, als Gleichrichter bezeichnet.
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Ein Umrichter, insbesondere Frequenzumrichter, und ein mit einem Umrichter gebildeter Antrieb umfasst in an sich bekannter Art und Weise einen als Eingangsstromrichter fungierenden Gleichrichter, der einen Gleichspannungs-Zwischenkreis speist, sowie einen aus dem Zwischenkreis gespeisten und als Ausgangsstromrichter fungierenden Wechselrichter. Bei einer Speisung aus einer Batterie reduziert sich der Umrichter auf einen direkt aus der Batterie oder einer sonstigen Spannungsquelle gespeisten Gleichspannungs-Zwischenkreis und einen aus dem Zwischenkreis gespeisten und als Ausgangsstromrichter fungierenden Wechselrichter. Diese Situation ergibt sich zum dem Zwischenkreis gespeisten und als Ausgangsstromrichter fungierenden Wechselrichter. Diese Situation ergibt sich zum Beispiel bei einem mittels des Umrichters gespeisten Elektromotor als Antrieb für batterie-elektrische Straßenfahrzeuge. Der Zwischenkreis fungiert dabei jeweils als Energiespeicher. Eine an sich bekannte Möglichkeit zur Realisierung eines solchen Energiespeichers besteht in Form eines Kondensators oder eines Kondensatornetzwerks, im Folgenden zusammenfassend und entsprechend der üblichen Terminologie als Zwischenkreiskondensator bezeichnet.
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Es sind IGBT-Module bekannt, die beispielsweise quaderförmig ausgebildet sind und die in ihren Eckbereichen mit Bohrungen versehen sind. Ein derartiges IGBT-Modul wird zu Kühlzwecken mit der Bodenplatte auf einem Kühlkörper zur Anlage gebracht. Zur Befestigung wird das IGBT-Modul über die Bohrungen mit dem Kühlkörper verschraubt.
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Aus der
DE 10 2005 055 608 B3 ist ein Leistungshalbleitermodul bekannt, das eine Mehrzahl parallel geschalteter Kondensatoren umfasst. Zur Kontaktierung der Kondensatoren sind zwei Stromschienen vorgesehen, mit denen die Anschlusselemente der Kondensatoren in Kontakt gebracht werden. Ein dauerhaft elektrisch leitender Kontakt soll dabei dadurch gewährleistet werden, dass ein Druckkörper, der elastisch ausgebildete Arme aufweist, die Anschlusselemente der Kondensatoren auf die jeweilige Stromschiene presst, wobei die Stromschienen auf ihrer Unterseite von einem Gegendruckkörper gestützt werden.
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Aus der
DE 10 2008 054 923 A1 ist ein Leistungshalbleitermodul mit einem in einem Gehäuse des Leistungshalbleitermoduls angebrachten Kondensator bekannt, wobei Anschlusselemente des Kondensators mittels einer von einer Bodenplatte des Gehäuses ausgeübten Kraft mit im Gehäuse geführten Stromschienen kontaktiert werden.
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Aus der
DE 102 13 648 A1 ist ein Leistungshalbleitermodul mit einem Gehäuse und einem davon umfassten Gehäusedeckel bekannt, bei dem von dem Gehäusedeckel senkrecht ins Innere des Gehäuses tragende Druckstücke ausgehen, die einerseits auf einzelne Leistungshalbleiterbauelemente und andererseits auf Anschlusselemente solcher Leistungshalbleiterbauelemente drücken.
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Nachteilig bei diesem bekannten Stand der Technik sind die Anzahl der benötigten Einzelkomponenten und die Notwendigkeit einer korrekten Positionierung dieser Komponenten zueinander.
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Eine Aufgabe der Erfindung besteht entsprechend darin, ein Leistungshalbleitermodul der eingangs genannten Art anzugeben, das durch Einsparung bisher erforderlicher Komponenten kostengünstig und zudem aufgrund der eingesparten Komponenten einfach und unkompliziert zu fertigen ist.
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Hinsichtlich des Leistungshalbleitermoduls wird diese Aufgabe erfindungsgemäß mit einem derartigen Modul mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Dazu ist bei einem Leistungshalbleitermodul, insbesondere einem IGBT-Modul, das eine Halbleiterschaltung mit einer Mehrzahl von in einem gemeinsamen Gehäuse angeordneten Leistungshalbleitern, insbesondere IGBTs, umfasst, insbesondere Folgendes vorgesehen: Im Gehäuse des Leistungshalbleitermoduls ist zumindest ein als Zwischenkreiskondensator fungierender Kondensator angeordnet. Der Zwischenkreiskondensator weist ein erstes Anschlusselement und ein zweites Anschlusselement – im Folgenden zusammenfassend als die Anschlusselemente bezeichnet – auf. Ein elektrisch leitender Kontakt zwischen den Anschlusselementen und der Halbleiterschaltung ist dabei mittels des Gehäuses, ohne dass eine Stromschiene erforderlich ist, bewirkbar und wird bei einem montierten Leistungshalbleitermodul mittels des Gehäuses bewirkt. Dies erfolgt, indem mittels des Gehäuses eine Kraft auf die Anschlusselemente ausübbar ist und bei einem montierten Leistungshalbleitermodul ausgeübt wird, welche die Anschlusselemente in Kontakt mit Kontaktflächen der Halbleiterschaltung hält, wobei die vom Gehäuse auf die Anschlusselemente ausgeübte Kraft mittels zumindest eines zwischen dem Gehäuse und den Anschlusselementen befindlichen Federelements in Form einer Schraubenfeder auf die Anschlusselemente übertragen wird.
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Speziell ist vorgesehen, dass die vom Gehäuse auf die Anschlusselemente ausgeübte Kraft mittels zumindest eines zwischen dem Gehäuse und den Anschlusselementen befindlichen Federelements, nämlich einer Schraubenfeder, auf die Anschlusselemente übertragbar ist. Ein Federelement ermöglicht eine einfache und unkomplizierte Kraftübertragung vom Gehäuse, also zum Beispiel von einem als Gehäuseoberteil fungierenden Teil des Gehäuses, auf die Anschlusselemente. Wenn das Federelement, also zum Beispiel eine Schraubenfeder oder eine Mehrzahl von Schraubenfedern, am Gehäuse oder an einem Anschlusselement oder den Anschlusselementen angebracht ist bzw. sind, entfällt die Notwendigkeit einer separaten Positionierung des Federelements, denn mit der Anbringung am Gehäuse oder am jeweiligen Anschlusselement befindet sich das Federelement bereits in einer bestimmungsgemäßen Position.
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Wenn das Federelement beispielsweise am Gehäuse, also auf der Innenseite des Gehäuses oder Gehäuseoberteils, und dort in einer geeigneten Position zur Kontaktierung eines Anschlusselements angebracht ist, befindet es sich aufgrund dieser Anbringungssituation in einer Position (bestimmungsgemäße Position), die beim Anbringen des Gehäuses/Gehäuseoberteils bewirkt, dass das Federelement mit dem Anschlusselement mechanisch in Kontakt kommt. Gleiches gilt, wenn das Federelement auf einer zum später anzubringenden Gehäuse gewandten Oberseite des Anschlusselements angebracht ist. Auch dann befindet sich das Federelement in einer bestimmungsgemäßen Position, die beim Anbringen des Gehäuses bewirkt, dass das Federelement mit dem Anschlusselement mechanisch in Kontakt kommt.
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Bei einer solchen Anbringung des Federelements ist die Kraftübertragung vom Gehäuse auf das Anschlusselement möglich, die im Ergebnis bewirkt, dass das Anschlusselement auf die jeweilige Kontaktfläche der Halbleiterschaltung gepresst wird. Durch diesen mittels des Gehäuses über das Federelement ausgeübten Anpressdruck ergibt sich ein sicherer und dauerhafter elektrischer Kontakt zwischen dem Anschlusselement und der Kontaktfläche. Damit ist der Zwischenkreiskondensator an die Halbleiterschaltung angeschlossen. Der Anschluss erfolgt nur mittels der Anschlusselemente des Zwischenkreiskondensators und ohne Verwendung weiterer Leiter.
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Das hier vorgeschlagene Leistungshalbleitermodul umfasst in Form einer entsprechenden Halbleiterschaltung einen Eingangsstromrichter und/oder einen Ausgangsstromrichter mit entsprechenden Leistungshalbleitern, insbesondere sogenannten IGBTs.
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Das Leistungshalbleitermodul umfasst auch den Zwischenkreiskondensator. Der Eingangs- und/oder Ausgangsstromrichter sind bzw. ist zusammen mit dem Zwischenkreiskondensator in einer kompakten Bauform zusammengefasst, so dass sich insgesamt ein Leistungshalbleitermodul ergibt.
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Der Vorteil der Erfindung besteht darin, dass bisher erforderliche Komponenten, zum Beispiel bei der
DE 10 2005 055 608 B3 die neben den eigentlichen Anschluss-Stromschienen, nicht mehr erforderlich sind und sich damit auch die Fertigung solcher Leistungshalbleitermodule vereinfacht, denn bisher ist zum Beispiel bei der
DE 10 2005 055 608 B3 eine Positionierung der Anschlusselemente der Kondensatoren in Bezug auf die Stromschienen und sodann eine Positionierung der Stromschienen in Bezug auf das Leistungshalbleitermodul erforderlich gewesen. Diese doppelte Positionierung entfällt jetzt.
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Bei dem hier vorgeschlagenen Leistungshalbleitermodul ist vielmehr vorgesehen, dass die Anschlusselemente direkt die Halbleiterschaltung kontaktieren, indem sie direkt auf Kontaktflächen der Halbleiterschaltung gedrückt werden. Dieser Druck wird mittels des Gehäuses ausgeübt und ergibt sich damit beim Montieren des Leistungshalbleitermoduls bei dessen Anbringung in dem jeweiligen Gehäuse. Ein solches Gehäuse ist üblicherweise zweiteilig oder zumindest zweiteilig mit einem Gehäusebasisteil und einem Gehäusedeckel ausgeführt. Bei einem solchen Gehäuse kann der beschriebene Druck mittels des Gehäusedeckels ausgeübt werden.
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Zur schnellen und einfachen Fertigung eines solchen Leistungshalbleitermoduls ist eine definierte Formgebung der An-Zur schnellen und einfachen Fertigung eines solchen Leistungshalbleitermoduls ist eine definierte Formgebung der Anschlusselemente des Zwischenkreiskondensators und eine definierte Position des Zwischenkreiskondensators innerhalb des Leistungshalbleitermoduls ausreichend. Durch Anbringung des Zwischenkreiskondensators an der definierten Position befinden sich die freien Enden der Anschlusselemente aufgrund von deren definierter Formgebung bereits „über” den Kontaktflächen der Halbleiterschaltung. Der elektrisch leitende Anschluss des Zwischenkreiskondensators an die Halbleiterschaltung wird dann abschließend hergestellt, indem die Anschlusselemente mittels des Gehäuses auf die Kontaktflächen der Halbleiterschaltung gepresst werden.
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Bei einer besonderen Ausführungsform des Leistungshalbleitermoduls ist vorgesehen, dass zumindest zwei Anschlusselemente zumindest abschnittsweise schichtartig übereinander geführt sind und dass sich zumindest im Bereich der schichtartigen Führung eine Isolierschicht zwischen den jeweils benachbarten Anschlusselementen befindet. Bei solchen aufgrund der schichtartigen Anordnung quasi gestapelten Anschlusselementen ist zum Anpressen mehrerer Anschlusselemente auf deren jeweilige Kontaktflächen der Halbleiterschaltung ein einzelnes Federelement oder eine sonst geeignete Kraftübertragung vom Gehäuse auf die Anschlusselemente ausreichend. Das Federelement oder jede sonst in dieser Hinsicht geeignete Vorrichtung überträgt die Kraft vom Gehäuse auf den Anschlusselementestapel, so dass in dieser Weise jedes einzelne Anschlusselement sicher mit der jeweiligen Kontaktfläche der Halbleiterschaltung kontaktiert wird.
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Einander entsprechende Gegenstände oder Elemente sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Es zeigen
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1 einen Teil eines Leistungshalbleitermoduls der hier vorgeschlagenen Art und
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2 eine besondere Ausführungsform zweier von dem Leistungshalbleitermodul gemäß 1 umfasster Anschlusselemente.
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1 zeigt einen Teil eines Leistungshalbleitermoduls 10 in einer teilweise geschnittenen Seitenansicht. Das Leistungshalbleitermodul 10 umfasst eine hier nicht mit näheren Details gezeigte Halbleiterschaltung 12, einen Kühlkörper 14 und einen Zwischenkreiskondensator 16. Die Halbleiterschaltung 12 umfasst einen oder mehrere nicht gezeigte Halbleiterschalter, zum Beispiel sogenannte IGBTs. Die Halbleiterschaltung 12 realisiert die Funktion eines Stromrichters, also zum Beispiel die Funktion eines Gleichrichters oder Wechselrichters. Die Halbleiterschaltung 12 kann auch so ausgeführt sein, dass sie sowohl die Funktion eines Gleichrichters wie auch die eines Wechselrichters realisiert. Der Anschluss des Zwischenkreiskondensators 16 an die Halbleiterschaltung 12 erfolgt demgemäß auf einer Ausgangsseite einer als Gleichrichter fungierenden Halbleiterschaltung 12 und/oder auf einer Eingangsseite einer als Wechselrichter fungierenden Halbleiterschaltung 12.
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Die Halbleiterschaltung 12 ist auf einem in der Leistungselektronik an sich bekannten und in der Fachterminologie als DCB (Direct Copper Bonded) bezeichneten Substrat aufgebracht.
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Dieses schafft die elektrisch leitenden Verbindungen innerhalb der Halbleiterschaltung 12 und sorgt für eine gute Wärmeableitung. Der Kühlkörper 14 ist dementsprechend großflächig mit der Halbleiterschaltung 12 verbunden.
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Die Halbleiterschaltung 12, der Kühlkörper 14 und der Zwischenkreiskondensator 16 sind zusammen in einem Gehäuse 18 angeordnet, von dem in der Darstellung in 1 nur ein Abschnitt eines Teils des Gehäuses 18 sichtbar ist. Bei dem dargestellten Gehäuseteil handelt es sich zum Beispiel um ein Gehäuseoberteil.
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Der Zwischenkreiskondensator 16 ist an die Halbleiterschaltung 12 mit zumindest zwei Anschlusselementen 20, 22 angeschlossen. Bei der dargestellten Ausführungsform ist der Zwischenkreiskondensator 16 mit genau zwei Anschlusselementen 20, 22 (erstes Anschlusselement 20; zweites Anschlusselement 22) an die Halbleiterschaltung 12 angeschlossen. Zwischen den Anschlusselementen 20, 22 befindet sich eine optionale Isolierschicht 24. Die Isolierschicht 24 ist speziell dann vorgesehen, wenn die Anschlusselemente 20, 22 wie in 2 gezeigt gestaltet sind.
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Zum Anschluss des Zwischenkreiskondensators 16 an die Halbleiterschaltung 12 kontaktieren die beiden Anschlusselemente 20, 22 jeweils eine Kontaktfläche 26, 28 (erste Kontaktfläche 26; zweite Kontaktfläche 28) der Halbleiterschaltung 12. Dabei ist vorgesehen, dass ein elektrisch leitender Kontakt zwischen den Anschlusselementen 20, 22 und der Halbleiterschaltung 12, also den Kontaktflächen 26, 28 der Halbleiterschaltung 12, mittels des Gehäuses 18 bewirkbar ist. Dafür wird mittels des Gehäuses 18 eine Kraft auf die Anschlusselemente 20, 22 ausgeübt. Diese durch das Gehäuse 18 ausgeübte Kraft hält die Anschlusselemente 20, 22 in Kontakt mit den Kontaktflächen 26, 28 der Halbleiterschaltung 12. Durch diesen mechanischen Kontakt wird im Ergebnis auch ein elektrisch leitender Kontakt erreicht. Durch die mittels des Gehäuses 18 ausgeübte Anpresskraft wird eine sichere elektrisch leitende Kontaktierung erreicht, die auch bei Vibrationen und Erschütterungen des Leistungshalbleitermoduls 10 einen verlässlichen Anschluss des Zwischenkreiskondensators 16 an die Halbleiterschaltung 12 gewährleistet.
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Bei der in 1 gezeigten Ausführungsform des Leistungshalbleitermoduls 10 sind Federelemente 30 in Form von Schraubenfedern als Beispiel für zur Kraftübertragung vom Gehäuse 18 auf die Anschlusselemente 20, 22 geeignete Mittel gezeigt.
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Nicht unmittelbar anhand der Darstellung erkennbar ist, dass die Federelemente 30 oder Schraubenfedern optional zum Beispiel an der Innenoberfläche des Gehäuses 18 oder auf der zur Innenoberfläche des Gehäuses 18 gewandten Oberseite der Anschlusselemente 20, 22 angebracht sind. Bei einer solchen Anbringung der Federelemente 30 zum Beispiel auf der Oberseite der Anschlusselemente 20, 22 befinden sich diese beim Schließen des Gehäuses 18 unmittelbar in einer Position, die sie zur Kraftübertragung vom Gehäuse 18 auf die Anschlusselemente 20, 22 wirksam werden lässt. Eine manuelle Positionierung der Federelemente 30 oder Schraubenfedern im Zusammenhang mit dem Schließen des Gehäuses 18 ist damit nicht notwendig. Dies macht die Fertigung des Leistungshalbleitermoduls 10 besonders schnell und unkompliziert. Gleiches gilt sinngemäß für eine entsprechende Anbringung der Schraubenfedern 30 auf der Innenseite des Gehäuses 18. Zum Anbringen der Schraubenfedern 30 auf den Anschlusselementen 20, 22 oder der Innenseite des Gehäuses 18 kommt zum Beispiel ein Ankleben oder Löten in Betracht.
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Die Darstellung in 2 zeigt eine besondere Ausführungsform der Anschlusselemente 20, 22. Diese sind abschnittsweise schichtartig übereinander geführt und weisen zumindest im Bereich der schichtartigen Führung eine Isolierschicht 24 zwischen den Anschlusselementen 20, 22 auf. Diese schichtweise oder schichtartige Anordnung (hier drei Schichten: erstes Anschlusselement 20, Isolierschicht 24, zweites Anschlusselement 22) wird an anderer Stelle in dieser Beschreibung auch als gestapelte Anordnung bezeichnet. Der in der Darstellung in 2 nach unten weisende Blockpfeil zeigt die Richtung einer Kraft, wie sie sich mittels des Gehäuses 18 ergibt und zum Beispiel mittels eines Federelements 30 oder mehrerer Federelemente 30 oder sonst geeigneter Kraftübertragungsmittel auf die Anschlusselemente 20, 22 übertragen lässt. Die so ausgeübte Kraft sorgt für eine sichere Kontaktierung der Kontaktflächen 26, 28. Der in Richtung der Verlängerung der stromschienenartig ausgeführten Anschlusselemente 20, 22 weisende Pfeil veranschaulicht den Ort des in 2 selbst nicht gezeigten Zwischenkreiskondensators 16.
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Die in 2 gezeigte Anordnung der Anschlusselemente 20, 22 kann auch als verschränkte Anordnung der Anschlusselemente 20, 22 bezeichnet werden und kommt auch für mehr als zwei Anschlusselemente 20, 22 in Betracht, zum Beispiel indem ausgehend von einer vertikalen Mittelebene sich die freien Enden der Anschlusselemente 20, 22 alternierend nach rechts und nach links erstrecken, um so jeweils zunehmend weiter von der Mittelebene beabstandete Kontaktflächen 26, 28 zu kontaktieren.
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Der Vorteil einer Gestaltung der Anschlusselemente 20, 22 wie in 2 gezeigt und der resultierenden gestapelten Anordnung besteht darin, dass mittels des Gehäuses 18 mehrere Anschlusselemente 20, 22 zusammen auf die jeweiligen Kontaktflächen 26, 28 gepresst werden können und bei montiertem Gehäuse 18 gepresst werden.
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Einzelne im Vordergrund stehende Aspekte der hier eingereichten Beschreibung lassen sich damit kurz wie folgt zusammenfassen: Angegeben wird ein Leistungshalbleitermodul 10 mit einer Halbleiterschaltung 12 mit einer Mehrzahl von in einem gemeinsamen Gehäuse 18 angeordneten Leistungshalbleitern, die sich durch zumindest einen im gleichen Gehäuse 18 angeordneten und in dem Leistungshalbleitermodul 10 als Zwischenkreiskondensator 16 fungierenden Kondensator mit zumindest einem ersten Anschlusselement 20 und einem zweiten Anschlusselement 22 auszeichnet, wobei ein elektrisch leitender Kontakt zwischen den Anschlusselementen 20, 22 und der Halbleiterschaltung 12 mittels des Gehäuses 18 bewirkbar ist, indem mittels des Gehäuses 18 eine Kraft auf die Anschlusselemente 20, 22 ausübbar ist, welche die Anschlusselemente 20, 22 in Kontakt mit den Kontaktflächen 26, 28 der Halbleiterschaltung 12 hält.
