DE102013216363B4 - Electrical device with power semiconductor - Google Patents

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Abstract

Elektrisches Gerät (1), aufweisend- mindestens einen Leistungshalbleiter (6) und- mindestens eine Betreiberschaltung (4,5) zum Betreiben des mindestens einen Leistungshalbleiters (6) anhand von Steuersignalen,wobei- die mindestens eine Betreiberschaltung (4,5) von dem mindestens einen Leistungshalbleiter (6) galvanisch getrennt ist,- die Steuersignale von der mindestens einen Betreiberschaltung (4,5) zu dem mindestens einen Leistungshalbleiter (6) induktiv übertragbar sind,- zumindest ein Teil der Betreiberschaltung (4,5) auf einer Leiterplatte (2) angeordnet ist,- zumindest ein Leistungshalbleiter (6) auf einem Substrat (3) angeordnet ist,- die Leiterplatte (2) mindestens eine erste Spule (7) aufweist, die ausgangsseitig mit der Betreiberschaltung (4, 5) verschaltet ist,- das Substrat (3) mindestens eine zweite Spule (8) aufweist, die eingangsseitig mit einem Leistungshalbleiter (6) verschaltet ist,- mindestens eine erste Spule (7) und mindestens eine zweite Spule (8) ein jeweiliges Spulenpaar (7,8) zur induktiven Signalübertragung bilden und- ein jeweiliges Spulenpaar (7,8) einen Spulenkern (9) aufweist und- an dem Substrat (3) mindestens ein Sensor (10) angeordnet ist, der ebenfalls über ein Spulenpaar mit einer Leiterplatte galvanisch getrennt induktiv kommunizieren kann, wobei für eine solche Datenübertragung ein bereits vorhandenes Spulenpaar zur Signalübertragung von Ansteuerungssignalen verwendbar ist.Electrical device (1), comprising- at least one power semiconductor (6) and- at least one operator circuit (4,5) for operating the at least one power semiconductor (6) on the basis of control signals, wherein- the at least one operator circuit (4,5) of the at least one power semiconductor (6) is galvanically isolated, - the control signals from the at least one operator circuit (4, 5) can be inductively transmitted to the at least one power semiconductor (6), - at least part of the operator circuit (4, 5) on a printed circuit board ( 2) is arranged, - at least one power semiconductor (6) is arranged on a substrate (3), - the circuit board (2) has at least one first coil (7) which is connected on the output side to the operator circuit (4, 5), - the substrate (3) has at least one second coil (8) which is connected on the input side to a power semiconductor (6), - at least one first coil (7) and at least one second coil (8) a respective S Form pulp pair (7,8) for inductive signal transmission and- a respective coil pair (7,8) has a coil core (9) and- at least one sensor (10) is arranged on the substrate (3), which also has a coil pair with a Circuit board can communicate galvanically isolated inductively, wherein an already existing pair of coils for signal transmission of control signals can be used for such a data transmission.

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Gerät, aufweisend mindestens einen Leistungshalbleiter und mindestens eine Betreiberschaltung zum Betreiben des mindestens einen Leistungshalbleiters anhand von Steuersignalen. Die Erfindung ist insbesondere anwendbar auf Wechselrichter oder Wechselrichtermodule.The invention relates to an electrical device having at least one power semiconductor and at least one operator circuit for operating the at least one power semiconductor on the basis of control signals. The invention is particularly applicable to inverters or inverter modules.

Es sind Wechselrichtermodule der betreffenden Art bekannt, bei denen sich die mindestens eine Betreiberschaltung auf einer Leiterplatte (auch als „Steuerplatine“ bezeichnet) befindet und sich der mindestens eine Leistungshalbleiter auf einem Substrat befindet. Die Leiterplatte und das Substrat sind durch Verbindungsdrähte miteinander elektrisch verbunden. Die Betreiberschaltung weist eine Regelungsschaltung zum Ausgeben von Aktivierungsbefehlen (z.B. in Form einer digitalen Bitfolge, die Ein- und Ausschalt-Befehle darstellt) für einen jeweiligen Leistungshalbleiter auf. Die Betreiberschaltung weist ferner eine Ansteuerungsschaltung zum Wandeln der Aktivierungsbefehle in elektrische Ansteuersignale zum Ansteuern des mindestens einen Leistungshalbleiters auf. Die elektrischen Ansteuersignale werden von der Ansteuerschaltung über die Verbindungsdrähte an das Substrat und dort an die Leistungshalbleiter ausgegeben. Bei mehreren Leistungshalbleitern wird jeder einzelne durch eine ihm individuell zugeordnete Kombination aus Regelungsschaltung und Ansteuerungsschaltung betrieben.Inverter modules of the type in question are known in which the at least one operator circuit is located on a printed circuit board (also referred to as a “control board”) and the at least one power semiconductor is located on a substrate. The circuit board and the substrate are electrically connected to one another by connecting wires. The operator circuit has a control circuit for outputting activation commands (e.g. in the form of a digital bit sequence which represents switch-on and switch-off commands) for a respective power semiconductor. The operator circuit also has a control circuit for converting the activation commands into electrical control signals for controlling the at least one power semiconductor. The electrical control signals are output from the control circuit via the connecting wires to the substrate and there to the power semiconductors. If there are several power semiconductors, each one is operated by a combination of control circuit and control circuit that is individually assigned to it.

Nachteilig hierbei ist, dass z.B. durch das Schalten der Leistungshalbleiter eine Potentialverschleppung stattfindet. Hierdurch ist der gesamte Aufbau der Betreiberschaltung erheblich verkompliziert, da die verschiedenen Potentiale auf der Leiterplatte und auf dem Substrat durch Isolationsstrecken, z.B. durch induktive Wandler auf der Leiterplatte und/oder auf dem Substrat, voneinander getrennt werden müssen. Die induktiven Wandler werden bisher zwischen der Regelungsschaltung und der Ansteuerungsschaltung angeordnet.The disadvantage here is that, for example, when the power semiconductors are switched, a potential drag occurs. This considerably complicates the entire structure of the operator circuit, since the different potentials on the printed circuit board and on the substrate have to be separated from one another by isolation paths, e.g. by inductive converters on the printed circuit board and / or on the substrate. The inductive converters have hitherto been arranged between the control circuit and the control circuit.

Ähnliche Anordnungen sind beispielsweise aus der DE 10 2008 057 833 A1 , der JP 2012 - 170 244 A , der JP 2010 - 153 724 A und der JP H07- 18 424 U DE 10 2009 057 788 A1 zeigt einen Planartransformator, die Kopplung eines Temperatursensors an eine Steuerung über eigene Spulenpaare ist aus US 2009 / 0 046 489 A1 bekannt.Similar arrangements are for example from the DE 10 2008 057 833 A1 , of the JP 2012 - 170 244 A , of the JP 2010 - 153 724 A and JP H07-18 424 U DE 10 2009 057 788 A1 shows a planar transformer, the coupling of a temperature sensor to a controller via separate pairs of coils is known from US 2009/046489 A1.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile des Standes der Technik zumindest teilweise zu überwinden und insbesondere eine verbesserte Möglichkeit zum Aufbau eines elektrischen Geräts mit mindestens einem Leistungshalbleiter und mindestens einer Betreiberschaltung bereitzustellen.It is the object of the present invention to at least partially overcome the disadvantages of the prior art and in particular to provide an improved option for constructing an electrical device with at least one power semiconductor and at least one operator circuit.

Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind insbesondere den abhängigen Ansprüchen entnehmbar.This object is achieved according to the features of the independent claim. Preferred embodiments can be inferred in particular from the dependent claims.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein elektrisches Gerät, das mindestens einen Leistungshalbleiter und mindestens eine Schaltung (die im Folgenden ohne Beschränkung der Allgemeinheit als „Betreiberschaltung“ bezeichnet wird) zum Betreiben des mindestens einen Leistungshalbleiters anhand von Signalen (die im Folgenden ohne Beschränkung der Allgemeinheit als „Steuersignale“ bezeichnet werden) aufweist, wobei die mindestens eine Betreiberschaltung von dem mindestens einen Leistungshalbleiter galvanisch getrennt ist und die Steuersignale von der mindestens einen Betreiberschaltung zu dem mindestens einen Leistungshalbleiter induktiv übertragbar sind. So wird ein mindestens einen Leistungshalbleiter aufweisender Bereich von einem mindestens eine Betreiberschaltung aufweisenden Bereich zumindest in Bezug auf die Ansteuersignale galvanisch getrennt, so dass sich eine durch das Schalten der Leistungshalbleiter erzeugte Potenzialverschleppung nicht mehr auf die Betreiberschaltung auswirkt.The object is achieved by an electrical device that has at least one power semiconductor and at least one circuit (which is hereinafter referred to as "operator circuit" without loss of generality) for operating the at least one power semiconductor on the basis of signals (which is hereinafter without limitation of generality as “Control signals”), wherein the at least one operator circuit is galvanically isolated from the at least one power semiconductor and the control signals can be inductively transmitted from the at least one operator circuit to the at least one power semiconductor. Thus, an area having at least one power semiconductor is galvanically separated from an area having at least one operator circuit, at least with regard to the control signals, so that a potential drag generated by switching the power semiconductors no longer affects the operator circuit.

Dabei ist das elektrische Gerät weiter dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Betreiberschaltung auf einer Leiterplatte angeordnet ist, zumindest ein Leistungshalbleiter auf einem Substrat angeordnet ist, die Leiterplatte mindestens eine erste Spule aufweist, die ausgangsseitig mit der Betreiberschaltung verschaltet ist, das Substrat mindestens eine zweite Spule aufweist, die eingangsseitig mit einem Leistungshalbleiter verschaltet ist, mindestens eine erste Spule und mindestens eine zweite Spule ein jeweiliges Spulenpaar zur induktiven Signalübertragung bilden und ein jeweiliges Spulenpaar einen Spulenkern aufweist und an dem Substrat mindestens ein Sensor angeordnet ist, der ebenfalls über ein Spulenpaar mit einer Leiterplatte galvanisch getrennt induktiv kommunizieren kann, wobei für eine solche Datenübertragung ein bereits vorhandenes Spulenpaar zur Signalübertragung von Ansteuerungssignalen verwendbar ist.The electrical device is further characterized in that at least a part of the operator circuit is arranged on a circuit board, at least one power semiconductor is arranged on a substrate, the circuit board has at least one first coil, which is connected to the operator circuit on the output side, the substrate at least one has a second coil, which is connected on the input side to a power semiconductor, at least one first coil and at least one second coil form a respective pair of coils for inductive signal transmission and a respective pair of coils has a coil core and at least one sensor is arranged on the substrate, which is also via a pair of coils can communicate inductively with a printed circuit board, galvanically isolated, wherein an existing pair of coils for signal transmission of control signals can be used for such data transmission.

Die erste und die zweite Spule sind zur galvanischen Trennung elektrisch nicht miteinander verbunden, sondern sind zueinander beabstandet. Diese Ausgestaltung ist besonders einfach umsetzbar. Das Spulenpaar mag auch als Transformator oder induktives Kopplungselement bezeichnet werden.The first and the second coil are not electrically connected to one another for galvanic separation, but are spaced from one another. This configuration is particularly easy to implement. The coil pair may also be referred to as a transformer or inductive coupling element.

Dies ergibt den Vorteil, dass sich eine erhebliche Reduzierung der Kosten für die Potentialtrennung ergibt, da beispielsweise Kosten für Isolationsstrecken (z.B. induktive Wandler usw.) sowie gesonderte Sicherheitsvorkehrungen auf den Leiterplatten entfallen. Die Übertragung der Ansteuerungssignale zwischen der Leiterplatte und dem Substrat ist sehr einfach und kostengünstig umsetzbar. Parasitäre Effekte (wie eine Erzeugung der Kapazitäten und/oder Induktivitäten) werden auf das Substrat beschränkt und damit stark minimiert.This results in the advantage that there is a considerable reduction in the costs for the electrical isolation, since, for example, there are no costs for insulation paths (eg inductive converters, etc.) and separate safety precautions on the circuit boards. The transmission of drive signals between the circuit board and the substrate is very high easy and inexpensive to implement. Parasitic effects (such as the generation of capacitances and / or inductances) are limited to the substrate and thus greatly minimized.

Der Vorteil ergibt sich schon bei nur einem Leistungshalbleiter, insbesondere aber bei mehreren Leistungshalbleitern. Bei einem Vorliegen mehrerer Leistungshalbleiter, insbesondere auf einem gemeinsamen Substrat, kann die zugehörige Betreiberschaltung bzw. können die jeweils zugehörigen Betreiberschaltungen ohne weitere Maßnahmen zur Potenzialtrennung auf einer gemeinsamen Leiterplatte angeordnet sein.The advantage arises with only one power semiconductor, but especially with several power semiconductors. When a plurality of power semiconductors are present, in particular on a common substrate, the associated operator circuit or the respective associated operator circuits can be arranged on a common circuit board without further measures for potential separation.

Es ist eine Weiterbildung, dass jeder der Leistungshalbleiter von einer ihm individuell zugeordnete Kombination aus Regelungsschaltung und Ansteuerungsschaltung betreibbar ist.It is a further development that each of the power semiconductors can be operated by a combination of control circuit and control circuit that is individually assigned to it.

Der Leistungshalbleiter mag ein Halbleiterbauelement sein, das für ein Steuern und Schalten hoher elektrischer Ströme und Spannungen ausgelegt sind (insbesondere eines Stroms von mehr als einem Ampere und einer Spannung von mehr als etwa 24 Volt). Die Obergrenze der Größe sind jeweils mehrere Tausend Ampere und Volt.The power semiconductor may be a semiconductor component that is designed for controlling and switching high electrical currents and voltages (in particular a current of more than one ampere and a voltage of more than approximately 24 volts). The upper limit of the size is several thousand amps and volts, respectively.

Der Leistungshalbleiter mag beispielsweise ein Thyristor, ein Triac, ein Leistungs-MOSFET oder ein IGBT-Bauteil sein. Die Betreiberschaltung mag im letztgenannten Fall dann z.B. mindestens einen IGBT-Treiber aufweisen oder darstellen.The power semiconductor may be, for example, a thyristor, a triac, a power MOSFET or an IGBT component. In the latter case, the operator circuit may have or represent at least one IGBT driver, for example.

Die induktive Kopplung kann auch als transformatorische Kopplung bezeichnet werden.The inductive coupling can also be referred to as a transformer coupling.

Es ist eine Ausgestaltung, dass die mindestens eine Betreiberschaltung umfasst: mindestens eine Schaltung (die im Folgenden ohne Beschränkung der Allgemeinheit als „Regelungsschaltung“ bezeichnet wird) zum Ausgeben von Aktivierungsbefehlen für mindestens einen Leistungshalbleiter und mindestens eine Schaltung (die im Folgenden ohne Beschränkung der Allgemeinheit als „Ansteuerungsschaltung“ bezeichnet wird) zum Wandeln der Aktivierungsbefehle in elektrische Ansteuerungssignale zum Ansteuern des mindestens einen Leistungshalbleiters.It is an embodiment that the at least one operator circuit comprises: at least one circuit (which is referred to below without loss of generality as a “control circuit”) for issuing activation commands for at least one power semiconductor and at least one circuit (which is described below without loss of generality) is referred to as a “control circuit”) for converting the activation commands into electrical control signals for controlling the at least one power semiconductor.

Es ist eine weitere Ausgestaltung, dass die erste Spule und/oder die zweite Spule planar auf der Leiterplatte bzw. auf dem Substrat aufgebracht sind. So kann ihre Ausrichtung auf einfache Weise durch eine Ausrichtung der zugehörigen Leiterplatten erreicht werden. Insbesondere mag so durch eine parallele Ausrichtung einer Leiterplatte und eines Substrats zueinander eine parallele Ausrichtung der Spulen erreicht werden.It is a further embodiment that the first coil and / or the second coil are applied in a planar manner on the circuit board or on the substrate. Their alignment can thus be achieved in a simple manner by aligning the associated circuit boards. In particular, a parallel alignment of the coils may thus be achieved by aligning a printed circuit board and a substrate in parallel with one another.

Die Spulen können beispielsweise auf die Leiterplatte und/oder auf das Substrat aufgedruckt oder dort aus einer Metallisierungsschicht herausgeätzt oder herausgefräst worden sein usw.The coils can, for example, have been printed onto the printed circuit board and / or onto the substrate or etched or milled out of a metallization layer, etc.

Es ist noch eine weitere Ausgestaltung, dass die erste Spule und die zweite Spule eines jeweiligen Spulenpaars einen Abstand von nicht mehr als einem Millimeter, insbesondere von nicht mehr als 500 Mikrometern, insbesondere von nicht mehr als 300 Mikrometern, zueinander aufweisen. Dadurch wird auch mit schwachen Spulen eine effektive Signalübertragung mit geringen Verlusten ermöglicht.It is still a further embodiment that the first coil and the second coil of a respective coil pair are spaced apart from one another by no more than one millimeter, in particular no more than 500 micrometers, in particular no more than 300 micrometers. This enables effective signal transmission with low losses even with weak coils.

Weitere Ausgestaltungen betreffen den Spulenkern. Der Spulenkern mag beispielsweise in Form eines Ringkerns ausgebildet sein. Das Material des Spulenkerns ist bevorzugt ein magnetisches oder magnetisierbares Material, z.B. Eisen oder Ferrit.Further refinements relate to the coil core. The coil core may for example be designed in the form of a toroidal core. The material of the coil core is preferably a magnetic or magnetizable material, e.g. iron or ferrite.

Es ist außerdem eine Ausgestaltung, dass die Leiterplatte und/oder das Substrat mit einer planaren Verbindungstechnik aufgebaut sind. Dadurch können die Leiterplatte und das Substrat besonders nah herangeführt werden und besonders genau aufeinander ausgerichtet werden. Eine Möglichkeit der planaren Verbindungstechnik besteht in der Nutzung der sog. SiPLIT („Siemens Planar Interconnect Technology“)-Verbindungstechnologie der Firma Siemens und/oder der sog. SKiN-Verbindungstechnologie der Fa. Semikron u.v.m. Insbesondere kann in beiden Fällen auf eine Nutzung von Verbindungsdrähten wie Bonddrähten auf der Leiterplatte verzichtet werden.It is also an embodiment that the circuit board and / or the substrate are constructed with a planar connection technology. As a result, the circuit board and the substrate can be brought particularly close and aligned with one another particularly precisely. One possibility of planar connection technology is the use of the so-called SiPLIT ("Siemens Planar Interconnect Technology") connection technology from Siemens and / or the so-called SKiN connection technology from Semikron and much more. In both cases, connection wires can be used how to dispense with bonding wires on the circuit board.

Es ist darüber hinaus eine Ausgestaltung, dass zumindest das Substrat ein DCB („Direct copper bonded“)-Substrat ist. Diese erlaubt eine besonders gute Wärmeableitung von den Leistungshalbleitern und ist beispielsweise besonders vorteilhaft zusammen mit der SKiN-Technologie einsetzbar. Ein DCB-Substrat ist zudem kostengünstig herstellbar. Auf dem DCB-Substrat können leicht großflächige, metallische Leiterbahnen-Strukturen erstellt werden. Alternativ mag aber beispielsweise auch ein IMS („Insulated Metal Substrate“)-Substrat verwendet werden, bei welcher die untere Schicht aus Aluminium anstelle von Kupfer besteht. Das Substrat mag allgemein als eine (zweite) Leiterplatte ausgebildet sein.It is also an embodiment that at least the substrate is a DCB (“direct copper bonded”) substrate. This allows particularly good heat dissipation from the power semiconductors and can, for example, be used particularly advantageously together with SKiN technology. A DCB substrate can also be produced inexpensively. Large-area, metallic conductor track structures can easily be created on the DCB substrate. Alternatively, however, an IMS (“Insulated Metal Substrate”) substrate, for example, in which the lower layer consists of aluminum instead of copper, may also be used. The substrate may generally be designed as a (second) printed circuit board.

Es ist zudem eine Ausgestaltung, dass an dem Substrat mindestens ein Sensor angeordnet ist, z.B. ein Temperatursensor, ein Stromsensor, ein Spannungssensor usw. Dieser kann ebenfalls über ein Spulenpaar mit einer Leiterplatte galvanische getrennt induktiv kommunizieren. Dabei mag für eine solche Datenübertragung ein bereits vorhandenes Spulenpaar zur Signalübertragung von Ansteuerungssignalen verwendet werden oder es mag ein eigenständiges Spulenpaar verwendet werden.It is also an embodiment that at least one sensor is arranged on the substrate, e.g. a temperature sensor, a current sensor, a voltage sensor, etc. This can also communicate with a circuit board in an electrically isolated, inductive manner via a pair of coils. An existing pair of coils for signal transmission of control signals may be used for such a data transmission, or an independent pair of coils may be used.

Es ist noch eine Ausgestaltung, dass das Gerät ein Wechselrichter oder ein Wechselrichtermodul ist.Another embodiment is that the device is an inverter or an inverter module.

Die Erfindung wird auch gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben mindestens eines Leistungshalbleiters mittels einer Betreiberschaltung, wobei die mindestens eine Betreiberschaltung von dem mindestens einen Leistungshalbleiter galvanisch getrennt ist und von der Betreiberschaltung ausgegebene Steuersignale von der mindestens einen Betreiberschaltung zu dem mindestens einen Leistungshalbleiter induktiv übertragen werden. Das Verfahren kann analog zu der Vorrichtung ausgebildet sein und weist die gleichen Vorteile auf.The invention is also achieved by a method for operating at least one power semiconductor by means of an operator circuit, the at least one operator circuit being galvanically isolated from the at least one power semiconductor and control signals output by the operator circuit being transmitted inductively from the at least one operator circuit to the at least one power semiconductor. The method can be designed analogously to the device and has the same advantages.

Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden schematischen Beschreibung eines Ausführungsbeispiels, das im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert wird. Dabei können zur Übersichtlichkeit gleiche oder gleichwirkende Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sein.

  • 1 zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht ein erfindungsgemäßes Wechselrichtermodul.
The properties, features and advantages of this invention described above and the manner in which they are achieved will become clearer and more clearly understood in connection with the following schematic description of an exemplary embodiment which is explained in more detail in connection with the drawings. For clarity, elements that are the same or have the same effect can be provided with the same reference symbols.
  • 1 shows an inverter module according to the invention as a sectional illustration in side view.

Die 1 zeigt ein Wechselrichtermodul 1 mit einer Leiterplatte 2 und einem dazu parallel angeordneten Substrat 3.The 1 shows an inverter module 1 with a circuit board 2 and a substrate arranged parallel thereto 3 .

An der Leiterplatte 2 ist eine Regelungsschaltung 4 mit einem oder mehreren Bauelementen zum Ausgeben von Aktivierungsbefehlen vorhanden. Die Aktivierungsbefehle können beispielsweise als eine digitale Datenfolge ausgegeben werden, wobei z.B. ein logischer ,1'-Zustand (z.B. ein 1-Bit) einem Einschaltbefehl und ein logischer ,0'-Zustand (z.B. ein 0-Bit) einem Ausschaltbefehl entspricht. An der Leiterplatte 2 ist ferner eine Ansteuerungsschaltung 5 mit einem oder mehreren Bauelementen zum Wandeln der Aktivierungsbefehle in elektrische Signale zum Ansteuern eines Leistungshalbleiters 6 angeordnet. Die Regelungsschaltung 4 und die Ansteuerungsschaltung 5 bilden zusammen eine Betreiberschaltung 4, 5 zum Betreiben, insbesondere Ansteuern, des Leistungshalbleiters 6.On the circuit board 2 is a control circuit 4th with one or more components for issuing activation commands. The activation commands can be output as a digital data sequence, for example, a logical '1' state (e.g. a 1 bit) corresponding to a switch-on command and a logical '0' state (e.g. a 0 bit) corresponding to a switch-off command. On the circuit board 2 is also a control circuit 5 with one or more components for converting the activation commands into electrical signals for controlling a power semiconductor 6th arranged. The control circuit 4th and the control circuit 5 together form an operator circuit 4th , 5 for operating, in particular controlling, the power semiconductor 6th .

Der Leistungshalbleiter 6, z.B. ein IGBT, ist an dem als DCB-Substrat ausgebildeten Substrat 3 angeordnet. An dem Substrat 3 mag mindestens ein Sensor 10, z.B. ein Temperatursensor, angeordnet sein.The power semiconductor 6th , for example an IGBT, is on the substrate designed as a DCB substrate 3 arranged. On the substrate 3 likes at least one sensor 10 , for example a temperature sensor, be arranged.

Die Leiterplatte 2 ist parallel zu dem Substrat 3 angeordnet, wobei die Betreiberschaltung 4, 5 von dem Leistungshalbleiter 6 bzw. die Leiterplatte 2 von dem Substrat 3 galvanisch getrennt ist. Die Steuersignale werden von der Betreiberschaltung 4, 5 bzw. von der Leiterplatte 2 induktiv oder transformatorisch zu dem Leistungshalbleiter 6 bzw. auf das Substrat 3 übertragen.The circuit board 2 is parallel to the substrate 3 arranged, the operator circuit 4th , 5 from the power semiconductor 6th or the circuit board 2 from the substrate 3 is galvanically isolated. The control signals are from the operator circuit 4th , 5 or from the circuit board 2 inductive or transformer to the power semiconductor 6th or on the substrate 3 transfer.

Die Leiterplatte 2 weist dazu eine darauf planar oder flächig aufgebrachte erste Spule 7 auf. Die erste Spule 7 ist an einen Signalausgang der Ansteuerungsschaltung 5 angeschlossen, wird also von den Steuersignalen gespeist. Das Substrat 3 weist eine darauf ebenfalls planar oder flächig aufgebrachte zweite Spule 8 auf. Die zweite Spule 8 ist mit dem Leistungshalbleiter 6 verbunden.The circuit board 2 has for this purpose a first coil applied thereon in a planar or flat manner 7th on. The first coil 7th is to a signal output of the control circuit 5 connected, so it is fed by the control signals. The substrate 3 has a second coil which is likewise applied in a planar or flat manner 8th on. The second coil 8th is with the power semiconductor 6th connected.

Durch die parallele Anordnung der Leiterplatten 2 und 3 sind auch die Spulen 7 und 8 parallel zueinander angeordnet. Sie sind zudem deckungsgleich, insbesondere konzentrisch, zueinander angeordnet, liegen sich also mit konstantem Spaltanstand d gegenüber. Da sie nicht elektrisch miteinander verbunden sind, sind sie galvanisch voneinander getrennt. Die Spulen 7 und 8 bilden ein Spulenpaar oder Transformator 7, 8 zur induktiven Übertragung der Steuersignale von der Leiterplatte 2 auf das Substrat 3. Der Spaltabstand d entspricht, insbesondere bei einer schichtartig aufgebrachten Spule 7 und 8 auch ungefähr dem Abstand zwischen der Leiterplatte 2 und dem Substrat 3.Due to the parallel arrangement of the circuit boards 2 and 3 are also the coils 7th and 8th arranged parallel to each other. They are also arranged congruently, in particular concentrically, with one another, that is to say they are opposite one another with a constant gap distance d. Since they are not electrically connected to each other, they are galvanically separated from each other. The spools 7th and 8th form a coil pair or transformer 7th , 8th for inductive transmission of control signals from the circuit board 2 on the substrate 3 . The gap distance d corresponds, in particular in the case of a coil applied in a layered manner 7th and 8th also roughly the distance between the circuit board 2 and the substrate 3 .

Der Spaltabstand d der ersten Spule 7 zu der zweiten Spule 8 beträgt hier nicht mehr als 500 Mikrometer. Zur Bündelung des von der ersten Spule 7 erzeugten Magnetfelds und zur Verringerung von Streufeldern weist das Spulenpaar 7, 8 einen Kern 9 auf, z.B. einen Ferritkern. Dieser ist hier als ein Ringkern ausgebildet. Die Streufelder könnten gegebenenfalls die Ansteuerung des Leistungshalbleiters 6 negativ beeinflussen.The gap distance d of the first coil 7th to the second coil 8th here is no more than 500 micrometers. For bundling the from the first coil 7th generated magnetic field and to reduce stray fields has the coil pair 7th , 8th a core 9 on, for example a ferrite core. This is designed here as a toroidal core. The stray fields could possibly be used to control the power semiconductor 6th influence negatively.

Um die Spulen 7 und 8 und damit auch die Leiterplatte 2 bzw. das Substrat 3 nahe zueinander anordnen zu können, wird es bevorzugt, dass das Wechselrichtermodul 1 sehr flach aufgebaut ist. Dies kann hier beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die Leiterplatte 2 und das Substrat 3 in der SiPLIT-Verbindungstechnik als einer möglichen planaren Verbindungstechnik aufgebaut sind.To the coils 7th and 8th and with it the circuit board 2 or the substrate 3 To be able to be arranged close to one another, it is preferred that the inverter module 1 is very flat. This can be achieved here, for example, that the circuit board 2 and the substrate 3 are constructed in the SiPLIT connection technology as a possible planar connection technology.

Im Betrieb des Wechselrichtermoduls 1 gibt die Regelungsschaltung 4 Aktivierungsbefehle an die Ansteuerschaltung 5 aus, welche daraus an die erste Spule 7 ausgegebene Steuersignale erzeugt. Die Spule 7 erzeugt gemäß den Steuersignalen ein magnetisches Wechselfeld, das von der zweiten Spule aufgenommen wird. Durch Induktion werden an der zweiten Spule 8 entsprechende Steuersignale erzeugt, die an den Leistungshalbleiter 6 zu dessen Ansteuerung angelegt werden.When the inverter module is in operation 1 gives the control circuit 4th Activation commands to the control circuit 5 from which from it to the first coil 7th generated control signals output. The sink 7th generates an alternating magnetic field according to the control signals, which is picked up by the second coil. Induction is applied to the second coil 8th corresponding control signals are generated that are sent to the power semiconductor 6th to control it.

So mögen auch mehrere Leistungshalbleiter 6 vorhanden sein. Zumindest einige davon können auf einem gemeinsamen Substrat 3 angeordnet sein. Jedem der Leistungshalbleiter 6 kann ein eigenes Spulenpaar 7, 8 zugeordnet sein. Jedem der Leistungshalbleiter 6 kann eine eigene Regelungsschaltung 4 und/oder eine eigene Ansteuerschaltung 5 zugeordnet sein. Zumindest einige davon können auf einer gemeinsamen ersten Leiterplatte 2 angeordnet sein. Jedoch mag beispielsweise eine Regelungsschaltung 4 auch Aktivierungsbefehle für mehrere Ansteuerschaltungen 5 und Leistungshalbleiter 6 ausgeben. Auch mag dem mindestens einen Sensor 10 jeweils ein eigenes Spulenpaar zugeordnet sein.Several power semiconductors like that too 6th to be available. At least some of these can be on a common substrate 3 be arranged. Each of the power semiconductors 6th can have its own pair of coils 7th , 8th be assigned. Each of the power semiconductors 6th can have its own control circuit 4th and / or its own control circuit 5 be assigned. At least some of these can be on a common first circuit board 2 be arranged. However, for example, a control circuit may 4th also activation commands for several control circuits 5 and power semiconductors 6th output. Also like at least one sensor 10 each be assigned its own pair of coils.

Claims (10)

Elektrisches Gerät (1), aufweisend - mindestens einen Leistungshalbleiter (6) und - mindestens eine Betreiberschaltung (4,5) zum Betreiben des mindestens einen Leistungshalbleiters (6) anhand von Steuersignalen, wobei - die mindestens eine Betreiberschaltung (4,5) von dem mindestens einen Leistungshalbleiter (6) galvanisch getrennt ist, - die Steuersignale von der mindestens einen Betreiberschaltung (4,5) zu dem mindestens einen Leistungshalbleiter (6) induktiv übertragbar sind, - zumindest ein Teil der Betreiberschaltung (4,5) auf einer Leiterplatte (2) angeordnet ist, - zumindest ein Leistungshalbleiter (6) auf einem Substrat (3) angeordnet ist, - die Leiterplatte (2) mindestens eine erste Spule (7) aufweist, die ausgangsseitig mit der Betreiberschaltung (4, 5) verschaltet ist, - das Substrat (3) mindestens eine zweite Spule (8) aufweist, die eingangsseitig mit einem Leistungshalbleiter (6) verschaltet ist, - mindestens eine erste Spule (7) und mindestens eine zweite Spule (8) ein jeweiliges Spulenpaar (7,8) zur induktiven Signalübertragung bilden und - ein jeweiliges Spulenpaar (7,8) einen Spulenkern (9) aufweist und - an dem Substrat (3) mindestens ein Sensor (10) angeordnet ist, der ebenfalls über ein Spulenpaar mit einer Leiterplatte galvanisch getrennt induktiv kommunizieren kann, wobei für eine solche Datenübertragung ein bereits vorhandenes Spulenpaar zur Signalübertragung von Ansteuerungssignalen verwendbar ist.Electrical device (1), having - At least one power semiconductor (6) and - At least one operator circuit (4, 5) for operating the at least one power semiconductor (6) on the basis of control signals, in which - the at least one operator circuit (4, 5) is galvanically isolated from the at least one power semiconductor (6), - the control signals from the at least one operator circuit (4, 5) to the at least one power semiconductor (6) can be transmitted inductively, - At least part of the operator circuit (4, 5) is arranged on a circuit board (2), - At least one power semiconductor (6) is arranged on a substrate (3), - The circuit board (2) has at least one first coil (7) which is connected on the output side to the operator circuit (4, 5), - The substrate (3) has at least one second coil (8) which is connected on the input side to a power semiconductor (6), - At least one first coil (7) and at least one second coil (8) form a respective coil pair (7, 8) for inductive signal transmission and - Each coil pair (7, 8) has a coil core (9) and - At least one sensor (10) is arranged on the substrate (3), which can also communicate galvanically isolated inductively with a circuit board via a pair of coils, whereby an existing pair of coils for signal transmission of control signals can be used for such data transmission. Elektrisches Gerät (1) nach Anspruch 1, wobei die mindestens eine Betreiberschaltung (4,5) umfasst: - mindestens eine Regelungsschaltung (4) zum Ausgeben von Aktivierungsbefehlen für mindestens einen Leistungshalbleiter (6) und - mindestens eine Ansteuerungsschaltung (5) zum Wandeln der Aktivierungsbefehle in elektrische Signale zum Ansteuern des mindestens einen Leistungshalbleiters (6).Electrical device (1) according to Claim 1 , wherein the at least one operator circuit (4,5) comprises: - at least one control circuit (4) for issuing activation commands for at least one power semiconductor (6) and - at least one control circuit (5) for converting the activation commands into electrical signals for controlling the at least a power semiconductor (6). Elektrisches Gerät (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Spule (7) und/oder die zweite Spule (8) planar auf der Leiterplatte (2) bzw. auf dem Substrat (3) aufgebracht sind.Electrical device (1) according to one of the preceding claims, wherein the first coil (7) and / or the second coil (8) are applied in a planar manner on the circuit board (2) or on the substrate (3). Elektrisches Gerät (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Spule (7) und die zweite Spule (8) eines jeweiligen Spulenpaars (7,8) einen Abstand (d) von nicht mehr als einem Millimeter zueinander aufweisen.Electrical device (1) according to one of the preceding claims, wherein the first coil (7) and the second coil (8) of a respective coil pair (7, 8) are spaced apart (d) by no more than one millimeter. Elektrisches Gerät (1) nach Anspruch 4, wobei die erste Spule (7) und die zweite Spule (8) eines jeweiligen Spulenpaars (7,8) einen Abstand (d) von nicht mehr 500 Mikrometern zueinander aufweisen.Electrical device (1) according to Claim 4 wherein the first coil (7) and the second coil (8) of a respective coil pair (7, 8) have a distance (d) of no more than 500 micrometers from one another. Elektrisches Gerät (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Spulenkern (9) in Form eines Ringkerns ausgebildet ist.Electrical device (1) according to one of the preceding claims, wherein the coil core (9) is designed in the form of a toroidal core. Elektrisches Gerät (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Spulenkern (9) ein Ferritkern ist.Electrical device (1) according to one of the preceding claims, wherein the coil core (9) is a ferrite core. Elektrisches Gerät (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Leiterplatte (2) und/oder das Substrat (3) in einer planaren Verbindungstechnik aufgebaut sind.Electrical device (1) according to one of the preceding claims, wherein the circuit board (2) and / or the substrate (3) are constructed using a planar connection technology. Elektrisches Gerät (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest das Substrat (3) ein DCB ist.Electrical device (1) according to one of the preceding claims, wherein at least the substrate (3) is a DCB. Elektrisches Gerät (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Gerät (1) ein Wechselrichter oder ein Wechselrichtermodul (1) ist.Electrical device (1) according to one of the preceding claims, wherein the device (1) is an inverter or an inverter module (1).
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