DE102014104716B3

DE102014104716B3 - Leistungshalbleitermodul

Info

Publication number: DE102014104716B3
Application number: DE201410104716
Authority: DE
Inventors: Christian Aggen; Henning Andreas Ströbel-Maier
Original assignee: Danfoss Silicon Power GmbH
Current assignee: Danfoss Silicon Power GmbH
Priority date: 2014-04-03
Filing date: 2014-04-03
Publication date: 2015-02-26
Anticipated expiration: 2034-04-04
Also published as: CN104979337A; CN104979337B; US20160014897A1

Abstract

Leistungshalbleitermodul (10, 10´) mit mindestens vier auf einer Trägerplatte (20) angeordneten Substraten (DCB1, DCB2, DCB3, DCB4, DCB5, DCB6), die jeweils einen ersten Anschlusspunkt für ein oberes Potential (a) und einen zweiten Anschlusspunkt für ein unteres Potential (b) aufweisen, und mit einer mit den ersten Anschlusspunkten für das obere Potential (a) verbundenen ersten Busschiene (30) und einer mit den zweiten Anschlusspunkten für das untere Potential (b) verbundenen zweiten Busschiene (40), dadurch gekennzeichnet, dass sich die Reihenfolge der Anschlusspunkte (b, a) wenigstens eines Substrats (DCB4) von der Reihenfolge der Anschlusspunkte (a, b) der anderen Substrate (DCB1, DCB2, DCB3, DCB5, DCB6) unterscheidet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Leistungshalbleitermodul mit mindestens vier auf einer Trägerplatte angeordneten Substraten, die jeweils einen ersten Anschlusspunkt für ein unteres Potential und einen zweiten Anschlusspunkt für ein oberes Potential aufweisen, und mit einer mit den ersten Anschlusspunkten für das untere Potential verbundenen ersten Busschiene und einer mit den zweiten Anschlusspunkten für das obere Potential verbundenen zweiten Busschiene.
Ein derartiges Leistungshalbleitermodul ist beispielsweise aus der DE 10 2006 004 031 B3 bekannt, wobei es Aufgabe dieser Erfindung war, neben der Verringerung der Modulinduktivität auch die Symmetrierung der Lastströme zu verbessern, indem die „Hauptstromrichtungen“ durch Abgreifen des positiven und negativen Spannungspotentials auf den Substraten jeweils in identischer Reihenfolge gleichmäßig designt wurden.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Symmetrierung der Stromverteilungen für dynamische Vorgänge weiter zu verbessern und insbesondere die Belastung von einzelnen Schaltern im Kurzschlussfall gezielt zu verringern.
Diese Aufgabe wird durch das Leistungshalbleitermodul mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Die Unteransprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung wieder.
Bei Untersuchungen zum eingangs genannten Gegenstand war durch das Spiegeln von Substraten und damit dem Ändern der vorbekannten Reihenfolge der Potentialabgriffe auf den Substraten aufgefallen, dass im Überlastfall bzw. bei einem Kurzschluss aufgrund der Anordnung mit einem gespiegelten Substrat eine Verbesserung der Stromsymmetrie bewirkt wird. Gerade auf der besonders kritischen High-Side der Halbbrücke wird eine deutliche Reduktion der Ungleichverteilung der Ströme erreicht und damit die Überlast der einzelnen Halbleiter-Schalter verringert.
Entgegen der allgemeinen Annahme sind nämlich nicht allein die Optimierungen der Einzelstrompfade jedes Substrats wichtig, sondern vor allem eine Anpassung der Strompfade auf die in Leistungsmodulen Bauart bedingt unsymmetrischen Laststromverschienungen. Eine unsymmetrische Stromverschienung hat in der Regel zur Folge, dass der Laststrom mit einer Hauptstromrichtung in Richtung der DCB-Anordnung durch das Modul fließt und unterschiedlich starke parasitäre Kopplungen auf die Einzelsubstrate bewirkt. Die durch diese Kopplungen auf der Verschienung werden wiederum Asymmetrien der Stromverteilung bei dynamischen Vorgängen hervorgerufenen. Diese können durch gezielte Anordnungsänderung einzelner Substrate ausgeglichen werden. Im Fall des Kurzschlusses auf der High-Side konnte der Kurzschlussstrom und damit die Gefahr einer Zerstörung deutlich reduziert werden ohne die eigentliche Funktion des Moduls einzuschränken.
Die Erfindung wird anhand eines in den beigefügten Zeichnungen dargestellten besonders bevorzugt ausgestalteten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
1 eine perspektivische Ansicht eines besonders bevorzugt ausgestalteten Leistungshalbleitermoduls;
2 eine Draufsicht auf das Leistungshalbleitermodul aus 1 ohne Busschienen;
3 eine Draufsicht auf das Leistungshalbleitermodul aus 1 mit Busschienen;
4 einen Vergleich der Kurzschlussstromniveaus zwischen einem bekannten Leistungshalbleitermodul IFX und dem erfindungsgemäß ausgestalteten Leistungshalbleitermodul DSP;
5 einen Vergleich der DCB-Stromverteilung zwischen dem aus der DE 10 2006 004 031 B3 bekannten Leistungshalbleitermodul IFX und dem erfindungsgemäß ausgestalteten Leistungshalbleitermodul DSP beim Kurzschluss der High-Side; und
6 eine Draufsicht auf ein weiteres Leistungshalbleitermodul nach der Erfindung.
1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines besonders bevorzugt ausgestalteten Leistungshalbleitermoduls. Das Leistungshalbleitermodul 10 weist eine mit einer Mehrzahl von Substraten ausgestattete Trägerplatte 20 und mit den Substraten verbundene Busschienen 30, 40, 50 auf.
Die genaue bevorzugt in einer einzigen Reihe vorgenommene Anordnung der Substrate ist aus der in 2 dargestellten Draufsicht des Leistungshalbleitermoduls 10, bei dem die Busschienen 30, 40, 50 zur besseren Anschauung weggelassen wurden, ersichtlich. Erfindungsgemäß sind mindestens vier auf der Trägerplatte 20 angeordnete Substrate DCB1, DCB2, DCB3, DCB4, DCB5, DCB6 vorgesehen. Die hier gezeigten sechs Substrate DCB1, DCB2, DCB3, DCB4, DCB5, DCB6, die bevorzugt parallel verschaltete Halbbrücken aufweisen, besitzen jeweils einen ersten Anschlusspunkt für ein oberes Potential a und einen zweiten Anschlusspunkt für ein unteres Potential b, wobei die Anschlusspunkte für das obere Potential a mit der einen Busschiene 30 und die Anschlusspunkte für das untere Potential b mit der anderen Busschiene 40 elektrisch verbunden sind.
Die Reihenfolge der Anschlusspunkte a, b ist nun erfindungsgemäß nicht für alle Substrate DCB1, DCB2, DCB3, DCB4, DCB5, DCB6 identisch, sondern derart ausgebildet, dass sich die Reihenfolge der Anschlusspunkte a, b wenigstens eines Substrats, nämlich des hier mit dem Bezugszeichen „DCB4“ bezeichneten Substrats, von der Reihenfolge der Anschlusspunkte a, b der anderen Substrate DCB1, DCB2, DCB3, DCB5, DCB6 unterscheidet. Insbesondere ist die Reihenfolge der Anschlusspunkte b, a des Substrats DCB4 zu der Reihenfolge der Anschlusspunkte a, b der anderen Substrate entgegengesetzt, also umgekehrt.
Entsprechend ist auch – wie in 3 in Draufsicht gezeigt – die Anschlussreihenfolge der inneren Anschlüsse der Busschienen 30, 40 nicht rein repetitiv, sondern weicht für das mit „DCB4“ bezeichnete Substrat ab. Wie bekannt weisen die Busschienen 30, 40 bevorzugt von den Substraten DCB1, DCB2, DCB3, DCB4, DCB5, DCB6 wegführende äußere Anschlüsse auf.
4 zeigt nun einen Vergleich der Kurzschlussstromniveaus zwischen dem aus der DE 10 2006 004 031 B3 bekannten Leistungshalbleitermodul IFX und dem erfindungsgemäß ausgestalteten Leistungshalbleitermodul DSP. Aus dem im Kreis markierten Kreuzungspunkt kann abgelesen werden, dass das Kurzschluss-Stromniveau auf der High-Side des erfindungsgemäß ausgestalteten Leistungshalbleitermoduls DSP gegenüber dem bekannten Modul IFX deutlich reduziert ist.
5 zeigt einen Vergleich der DCB-Stromverteilung zwischen dem aus der DE 10 2006 004 031 B3 bekannten Leistungshalbleitermodul IFX und dem erfindungsgemäß ausgestalteten Leistungshalbleitermodul DSP. Es ist deutlich zu erkennen, dass ein Kurzschluss auf DCB-Ebene für das erfindungsgemäß ausgestaltete Leistungshalbleitermodul 10 unkritischer ist, da die Dauer des Strompeaks kürzer ist. Außerdem tritt eine deutlich verbesserte Verteilung der Ströme auf die einzelnen Substrate DCB1, DCB2, DCB3, DCB4, DCB5, DCB6 erreicht.
Schließlich zeigt 6 eine Draufsicht auf ein weiteres Leistungshalbleitermodul 10´ nach der Erfindung, bei dem lediglich vier Substrate DCB1, DCB2, DCB3, DCB4 vorgesehen sind. Erfindungsgemäß unterscheidet sich hier die Reihenfolge der Anschlusspunkte b, a des Substrats DCB4 von der Reihenfolge der Anschlusspunkte a, b der anderen Substrate DCB1, DCB2, DCB3.

Claims

Leistungshalbleitermodul (10, 10´) mit – mindestens vier auf einer Trägerplatte (20) angeordneten Substraten (DCB1, DCB2, DCB3, DCB4, DCB5, DCB6), die jeweils einen ersten Anschlusspunkt für ein oberes Potential (a) und einen zweiten Anschlusspunkt für ein unteres Potential (b) aufweisen, und – mit einer mit den ersten Anschlusspunkten für das obere Potential (a) verbundenen ersten Busschiene (30) und einer mit den zweiten Anschlusspunkten für das untere Potential (b) verbundenen zweiten Busschiene (40), dadurch gekennzeichnet, dass sich die Reihenfolge der Anschlusspunkte (b, a) wenigstens eines Substrats (DCB4) von der Reihenfolge der Anschlusspunkte (a, b) der anderen Substrate (DCB1, DCB2, DCB3, DCB5, DCB6) unterscheidet.
Leistungshalbleitermodul (10, 10´) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Reihenfolge der Anschlusspunkte (a, b) des wenigstens einen Substrats (DCB4) zu der Reihenfolge der Anschlusspunkte (a, b) der anderen Substrate (DCB1, DCB2, DCB3, DCB5, DCB6) entgegengesetzt ist.
Leistungshalbleitermodul (10, 10´) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Busschienen (30, 40) von den Substraten (DCB1, DCB2, DCB3, DCB4, DCB5, DCB6) wegführende äußere Anschlüsse aufweisen.
Leistungshalbleitermodul (10, 10´) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Substrate (DCB1, DCB2, DCB3, DCB4, DCB5, DCB6) parallel verschaltete Halbbrücken aufweist.
Leistungshalbleitermodul (10, 10´) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Substrate (DCB1, DCB2, DCB3, DCB4, DCB5, DCB6) in einer Reihe angeordnet sind.