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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Realisierung eines Leistungsbauteils zur Steuerung eines hohen elektrischen Stromes, insbesondere eines elektrischen Stromes, wie er bei industriellen Prozessen, leistungsfähigen Maschinen, oder beim Widerstandsschweißen benötigt wird.
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Stand der Technik
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Ausgangspunkt der Erfindung ist eine Anordnung wie in der
EP 1 921 908 B1 gezeigt. Die
1 verdeutlicht hier grob schematisch in einer Seitenansicht eine Schaltungsanordnung mit einem Leistungsmodul, das mit einer Leiterplatte kombiniert ist. Das Leistungsmodul und die Leiterplatte sind zwischen einem Kühlkörper und einer Presseinrichtung angeordnet.
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Nachteil der Anordnung ist, dass eine gezielte Wärmeabfuhr vom Leistungsmodul ausschließlich nach unten erfolgt. Außerdem ist die Bauhöhe der Anordnung ungünstig für den Wärmeabtransport ausgestaltet, denn je höher die Schichtdicke, desto schwieriger gestaltet sich die die Wärmeabfuhr vom Leistungsmodul. Insgesamt ist die gezeigte Anordnung daher speziell bei der Verwendung mit hohen Ströme wegen der dabei auftretenden hohen Verluste nicht zu empfehlen.
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Die Verwendung von Druckkontaktierungen ist ebenfalls nachteilig, da diese sehr hohe mechanische Spannkräfte beim Zusammenfügen der Anordnung erfordern, was entsprechende aufwändige mechanische Vorrichtungen erfordert. Außerdem muss das verwendete Halbleitermaterial für den Druck ausgelegt und damit relativ dick sein, was zwangsläufig höhere Verluste mit sich bringt.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein robustes Leistungsbauteil mit geringer Eigenerwärmung herzustellen.
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Offenbarung der Erfindung
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Ausgangspunkt der Erfindung ist ein Leistungshalbleiter mit einem Stromeingang, einem Stromausgang und einem Steueranschluss zur Steuerung eines Starkstromes zwischen Stromeingang und Stromausgang während des Betriebs des Halbleiters.
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Unter einem Starkstrom werden Ströme verstanden, wie sie beispielsweise beim Widerstandsschweißen, zum Antrieb von Servomotoren oder zum Betrieb von leistungsfähigen Maschinen oder zum Betrieb von Fahrzeugen verwendet werden. Es handelt sich in der Regel um Ströme im einstelligen oder zweistelligen Kiloampere-Bereich bei Spannungen > 50 Volt, vorzugsweise aus Dreiphasen-Netzen. Es kommen vor allem Anwendungen in Frage, bei denen eine Zwischenkreisspannung bereitgestellt werden muss oder eine Gleichrichtung des Stromes erforderlich wird, beispielsweise Wechselrichter und Umrichter zum Betreiben von elektrischen Motoren, auch elektrischen Fahrzeugmotoren.
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Der Stromeingang ist erfindungsgemäß mit einer elektrisch leitfähigen Stromeingangsplatte und der Stromausgang ist mit einer elektrisch leitfähigen Stromabgangsplatte mittels eines ersten bzw. zweiten Verbindungsmittels verbunden, vorzugsweise handelt es sich um Metallplatten. Erfindungsgemäß sind die Ebenen beider Platten im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet.
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Als Verbindungsmittel dienen Fügemittel, die elektrisch leitfähig sind und welche stoffschlüssige Verbindungen ermöglichen. Als Fügeprozess kommt beispielsweise Löten oder Sintern, ggf. auch Schweißen in Frage. Der Steueranschluss ist derart zwischen beiden Platten angeordnet, dass dieser keinen elektrischen Kontakt zu den Platten hat und noch zwischen den Platten zugänglich bleibt. Als Plattenmaterial kommt beispielsweise Kupfer oder Molybdän in Frage. Die Stromeingangsplatte und/oder die Stromausgangsplatte können einteilig oder auch mehrteilig ausgebildet sein.
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Bei dem Leistungshalbleiter kann es sich um einen stromgesteuerten oder spannungsgesteuerten Halbleiter handeln wie beispielsweise einen Bipolar-Transistor, ein IGBT, ein FET oder ein MOSFET oder dergleichen. Die Steuerung des Halbleiters kann mittels der Gate-Source-Spannung erfolgen. Sinngemäß erfolgt die Ansteuerung von Halbleitern anderer Bauart dann entsprechend ihrer Datenblätter. Das erfindungsgemäße Leistungsmodul findet unter anderem Verwendung als Widerstandsschweißdiode. Andere Anwendungen, bei denen ein Wechselstrom gleichzurichten ist, kommen ebenfalls in Frage. Beispielsweise Wechselrichter und dergleichen zum Betreiben von elektrischen Motoren, auch elektrischen Fahrzeugmotoren.
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Vorteile der Erfindung
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Aufgrund der flachen Sandwichbauweise mittels der Platten werden zwei Effekte gleichzeitig erzielt. Einerseits ist eine effektive Ableitung der im Betrieb des Leistungshalbleiters entstehenden Wärme gewährleistet, weil dieser im Wesentlichen unmittelbar mittels des Verbindungsmittels mit den relativ zur Chipoberfläche betrachteten großflächigen Platten verbunden ist. Andererseits wird die Stromzuführung zum Leistungshalbleiter bzw. die Stromableitung vom Leistungshalbleiter aufgrund des Plattenabstandes auf kürzestem Wege sichergestellt, so dass der Strom nur einen sehr kurzen Weg zurücklegen muss. Daraus resultieren geringe Verluste innerhalb der Anordnung und ein schneller Wärmeabtransport. Strom- und Wärmefluss sind im Wesentlichen vertikal zum Leistungshalbleiter orientiert.
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Temperaturabfälle im Material treten wegen der schnellen Wärmeabfuhr kaum auf und der Aufbau der Anordnung erfordert keine aufgrund der stabilen internen Verbindungen keine Druckkontaktierungen, wie im Stand der Technik üblich. Der gegenüberliegend angeordnete Stromeingang und Stromausgang vereinfacht den Einbau des erfindungsgemäßen Leistungsbauteils in entsprechende Bauteilhalterungen, wie sie beispielsweise für Scheibenzellen verwendet werden.
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Als Leistungshalbleiter kommt ein Halbleiter mit einem eigenen (Metall-)Gehäuse oder ohne eigenes (Metall-)Gehäuse in Frage. Der Steueranschluss ist im Wesentlichen innerhalb der Platten parallel zu den Platten angeordnet, jedoch nicht mit den Platten elektrisch verbunden, so dass er unabhängig von den Platten ansteuerbar bleibt.
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Bevorzugt sind die Platten in ihrem Randbereich mittels eines elektrisch nicht leitfähigen dritten Verbindungsmittels miteinander verbunden, wobei Platten und drittes Verbindungsmittel ein Gehäuse bilden. Als Verbindungsmittel kommen beispielsweise Harze in Frage. Materialien aus Hartkunststoff oder Weichkunststoff kommen ebenfalls in Frage.
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Das mittels der Platten und des dritten Verbindungsmittels realisierte Gehäuse umgibt und schützt den Halbleiter vor äußeren Einflüssen. Der Steueranschluss kann durch das Verbindungsmittel hindurch geführt werden, so dass er seitlich aus dem Gehäuse herausgeführt ist, er kann jedoch auch innerhalb des Gehäuses liegen. Vorzugsweise ist die Anordnung wie eine Scheibenzelle ausgebildet, mit seitlich zugänglichem oder intern zugänglichem Steueranschluss, ohne dass dieser herausgeführt wird.
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Bevorzugt kann der Halbleiter an einem Bauteilträger angeordnet sein, welcher Bauteilträger zwischen beiden Platten vorgesehen ist, wobei der Steueranschluss mit einer vom Bauteilträger umfassten Leiterbahn verbunden sein kann. Bei dem Bauteilträger kann es sich vorzugsweise um eine Leiterplatte (PCB – „Printed Curcuit Board“) handeln. Der Bauteilträger kann Durchkontaktierungen (VIA – „Vertical Interconnect Access“) aufweisen. Der Halbleiter kann am Bauteilträger angeordnet sein und er kann mit seinem Stromeingang unmittelbar unter Verwendung eines Fügemittels mit der Stromeingangsplatte verbunden sein, während der Stromabgang des Halbleiters beispielsweise mittels Durchkontaktierungen mit der Stromabgangsplatte verbunden sein kann.
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Die Anschlussvariante wäre auch umgekehrt denkbar, so dass der Srtomabgang unmittelbar unter Verwendung eines Fügemittels mit der Stromabgangsplatte verbunden sein kann, während der Stromeingang des Halbleiters mittels der Durchkontaktierungen mit der Stromeingangsplatte verbunden sein kann.
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Der Bauteilträger könnte auch mit der Stromeingangsplatte oder der Stromabgangsplatte unmittelbar verbunden sein, so dass Bauteilträger und Platte eine bauliche Einheit bilden.
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Der Steueranschluss kann auch an einer Folie angeordnet sein, welche zwischen der Stromeingangsplatte und der Stromabgangsplatte verlegt ist. Besonders vorteilhaft kann es sein, den Steueranschluss für die Folienkontaktierung seitlich am Leistungsbauteil bzw. Halbleiter anzuordnen.
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Die Materialdicke des Bauteilträgers ist möglichst gering ausgelegt, so dass diese bei noch ausreichender Stabilität den geringstmöglichen thermischen Widerstand hat. Hierdurch wird der Bauteilträger auch mechanisch leicht flexibel, speichert Wärme kaum und kann aufgrund von Wärmeentwicklungen auftretende mechanische Spannungen selbst kompensieren bzw. aufnehmen.
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Bevorzugt kann der Bauteilträger eine Einrichtung zur Ansteuerung des Leistungsbauteils und/oder eine Schnittstelle zur Anbindung einer externen Ansteuerung und/oder eine Schnittstelle zur elektrischen Anbindung eines zweiten Bauteilträgers umfassen.
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Im ersten Fall kann die Ansteuerung von beiden Platten umfasst werden, so wäre sie vor mechanischen oder elektrischen äußeren Einwirkungen geschützt. Mittels der Schnittstelle ist auch eine Anbindung an eine übergeordnete Steuerung möglich, um das Verhalten Leistungsbauteil als solches während seines Betriebs zu kontrollieren oder anzusteuern.
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Es wird weiter vorgeschlagen an zumindest einer Platte Mittel vorzusehen, so dass zusätzlich kontrolliert Wärme von der Platte abführbar ist. Dies kann beispielsweise mittels zusätzlicher Kühlplatten realisiert werden, welche an der Stromeingangsplatte oder an der Stromabgangsplatte press anliegen können. Ggf. können Wärmeleitpasten zwischen den Platten eingebracht werden. Diese zusätzlichen Kühlplatten könnten auch Bestandteil einer Halterung für das Leistungsbauteil sein, wobei das Leistungsbauteil zwischen diese beiden Kühlplatten geklemmt wird, so dass ein optimaler Wärmeübergang und Stromübergang zwischen allen Platten und den Anschlüssen der Halterung gewährleistet ist. Alternativ oder zusätzlich kann in die Stromeingangsplatte und/oder die Stromabgangsplatte ein Kühlkanal integriert sein. Insgesamt kann somit die in der Anordnung verbleibende Verlustwärme leicht abgeführt werden, was die Lebensdauer des Leistungshalbleiters erhöht.
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Besonders bevorzugt kann der Leistungshalbleiter durch mehrere Leistungshalbleiter ersetzt bzw. ergänzt werden. Sämtliche Stromeingänge können mit der Stromeingangsplatte elektrisch leitend verbunden sein und sämtliche Stromausgänge können mit der Stromabgangsplatte elektrisch leitend verbunden sein. Die Steueranschlüsse sind zwischen der Stromeingangsplatte und der Stromabgangsplatte derart vorgesehen, dass die Leistungshalbleiter gemeinsam ansteuerbar sind.
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Idealerweise kann mittels des erfindungsgemäßen Leistungsbauteils ein Gleichrichter für einen Schweißvorrichtung realisiert werden. Das Leistungsbauteil übernimmt dabei die Funktion einer Widerstandsschweißdiode. Teil des Schutzumfangs ist auch ein Schweißtransformator, welche mit einem zuvor genannten Gleichrichter eine bauliche Einheit bildet. Ebenso ist eine Schweißvorrichtung für Widerstandsschweißen mit einem entsprechenden Transformator vom Schutzumfang umfasst und die zusätzlichen in den Ansprüchen genannten Verwendungen. Alle zuvor genannten Anwendungen weisen bei Verwendung der erfindungsgemäßen Lösung eine geringere Verlustleistung auf als der Stand der Technik. Der Aufbau gestaltet sich mechanisch weniger aufwändig, denn es sind keine Mittel zur Druckkontaktierung erforderlich. Die Anordnung wird dadurch leichter im Gewicht und ist kostengünstiger gegenüber herkömmlichen Lösungen realisierbar. Bei Wasserkühlung reduziert sich der Kühlwasserbedarf aufgrund der insgesamt reduzierten Verlustleistung.
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Auch kann mittels der erfindungsgemäßen Lösung eine Antriebsvorrichtung mit Regeleinrichtung und Energieversorgungsmodul realisiert werden. Energieversorgungsmodule arbeiten als Wechselrichter und umfassen einen Leistungshalbleiter gemäß der Patentansprüche zur Erzeugung einer Zwischenkreisgleichspannung für Anwendungen in der Automatisierungsindustrie. Der Einsatz beim Betrieb von Maschinen oder Fahrzeugen ist ebenfalls denkbar.
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Insgesamt bewirkt die Erfindung bei allen Anwendungen eine höhere Leistungsdichte bei stark reduzierten Wärmeverlusten, reduzierter Baugröße und vermindertem Gesamtgewicht.
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Figurenbeschreibung
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1 zeigt grob schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel.
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2 zeigt grob schematisch ein zweites Ausführungsbeispiel.
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In den Figuren sind gleiche Merkmale mit identischen Bezugszeichen versehen, soweit nichts anderes angegeben ist.
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1 zeigt eine Widerstandsschweißdiode mit mehreren Halbleitern 8. Die vorgenannte Widerstandsschweißdiode umfasst zwischen beiden Platten 1, 2 den Bauteilträger 9 in Form einer Leiterplatte. Die Halbleiter 8 haben hier jeweils ein Metallgehäuse 7, welches mit dem Stromeingang des Halbleiters 8 verbunden ist. Vorzugsweise kommt ein flaches Gehäuse 7 zum Einsatz, welches den Halbleiter 8 zumindest einseitig schützt, eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweist, und eine großflächige Anbindung an die Platten 1, 2 erleichtert. Der gegenüberliegende Stromausgang des Halbleiters 8 ist ohne Gehäuse 7 frei zugänglich ausgeführt. Ein Steueranschluss 6 ist ebenfalls gezeigt. Denkbar sind jedoch auch Halbleiter 8 ohne eigenes Gehäuse 7. Wichtig ist, dass diese Halbleiter 8 großflächige Stromeingänge und Stromausgänge aufweisen, um die Verluste und die Leistungsdichte zu reduzieren. Zusätzlich müssen diese Halbleiter 8 zur Übertragung hoher Ströme im kA-Bereich geeignet sein. Als elektrisch leitfähige Stromeingangsplatte 1 ist eine Kupferplatte 1 vorgesehen und als elektrisch leitfähige Stromabgangsplatte 2 ist ebenfalls eine Kupferplatte 2 vorgesehen. Alternativ käme auch Molybdän in Frage. Die gewählten Materialien sollten eine gute Strom- und Wärmeleitfähigkeit und eine ähnliche thermische Ausdehnung wie Silizium aufweisen. Die Stärke der Platten 1, 2 kann beispielsweise im Millimeterbereich liegen (z.B. 2 mm). Im hier gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Stromeingang mehrerer MOSFET-Bauteile 8 mit der Stromeingangsplatte 1 und der Stromausgang dieser Bauteile 8 mit der Stromabgangsplatte 2 verbunden. Beide Kupferplatten 1, 2 sind parallel und in geringem Abstand zueinander ausgerichtet. Hierdurch wird die Anordnung sehr kompakt. Der Stromeingang ist mit der Stromeingangsplatte 1 mittels Löten oder Sintern unmittelbar elektrisch leitend verbunden. Hierzu wird am Stromeingang des Halbleitergehäuses 7 Lot 15 oder Sinterpaste 15 flächig aufgetragen. Die der Außenseite des Halbleitergehäuses 7 zugewandte Innenfläche der Stromeingangsplatte 1 ist, abgesehen von den Kontaktstellen mit dem Halbleitergehäuse 7, mit einem Lack (nicht gezeigt) versehen, welcher Lot 15 oder Sintermaterial 15 abstößt. Der Stromausgang ist mit der Stromabgangsplatte 2 mittelbar mittels elektrischer Verbindungsmittel 14 (VIAS – vertikale Durchkontaktierungen durch die Leiterplatte 9) mittels Löten und/oder Sintern und/oder mittels Kupferdomen (nicht gezeigt), welche Bestandteil der Stromabgangsplatte 2 sein können, elektrisch leitend verbunden. Auch hier kann ein Lack 10 vorgesehen sein. Das Gate 6 der Bauteile 8 ist zwischen den Platten 1, 2 zugänglich, so dass diese mittels einer Ansteuerschaltung (nicht gezeigt) ansteuerbar sind oder an einen Anschluss (nicht gezeigt) für eine Ansteuerschaltung angebunden werden können.
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Die parallel und in ihrem Randbereich bündig zueinander angeordneten Kupferplatten 1, 2 sind mindestens in ihrem Randbereich mittels eines elektrisch nicht leitfähigen Platten-Verbindungsmittels 3 miteinander verbunden, so dass die Kupferplatten 1, 2 mit dem Verbindungsmittel 3 ein Gehäuse für den Halbleiter 8 bilden. Das Verbindungsmittel 3 kann eine Vergussmasse sein, es kann alternativ jedoch auch mittels eines Kunststoffes (z.B. Hartkunststoff oder Weichkunststoff) realisiert sein. Besonders vorteilhaft ist die dadurch erzielbare bessere mechanische Festigkeit der Anordnung bei verbesserter Wärmeleitung, geringerer thermischer Dehnung und verbessertem Schutz der Verbindungsstellen 14, 15 und der Halbleiter 8.
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Mittels des Verbindungsmittels 3 kann eine Anordnung realisiert werden, welche je nach Anwendung auch den für die Verwendung erforderlichen IP-Schutzarten genügt. Gemäß dem Detailausschnitt der 1 (siehe links unten) können am Rand beider Kupferplatten 1, 2 und am Verbindungsmittel 3 in sich formschlüssig eingreifende Kontaktierungsstellen vorgesehen sein, welche eine feste Kontaktierung zwischen Verbindungsmittel 3 und Platten 1, 2 gewährleisten. Ein großflächiges Vergießen beider Platten erübrigt sich und die Herstellung wird durch wenige Montageschritte vereinfacht.
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Der während des Betriebs der Anordnung auftretende Strom 16 kann mittels der Steueranschlüsse 6 gesteuert werden und so die vorgegebene Richtung gemäß Pfeil von der Stromeingangsplatte 1 zur Stromausgangsplatte 2 passieren. Die von den Halbleitern 6 aufgrund des während des Betriebs der Anordnung in den Halbleitern 6 auftretenden Stromes erzeugte Wärme 5 dagegen, kann in beiden Richtungen von der Stromeingangsplatte 1 und der Stromabgangsplatte 2 und damit von den Halbleitern 8 abtransportiert werden. Dieses Verhalten soll mittels der in der Figur gezeigten Pfeile 5 angedeutet sein. Das Verhalten ist insbesondere vorteilhaft beim Widerstandsschweißen, wo sehr hohe Ströme zum Einsatz kommen und entsprechend viel Verlustwärme abgeführt werden muss.
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Im Bild sind vier Halbleiter 8 gezeigt. Die Stromeingänge dieser Halbleiter sind mittels der Kupferplatte 1 miteinander verbunden. Ebenso sind die Stromausgänge mittels der VIAS 14 und/oder mittels von der Kupferplatte 2 umfasster Kupferdome (nicht gezeigt) unter Verwendung der Kupferplatte 2 miteinander verbunden.
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Die in 1 gezeigte Ausführungsform ist lediglich grob schematisch zu sehen und soll keine Begrenzung der Anzahl der verwendeten Halbleiter 8 auf lediglich vier Halbleiter 8 nahelegen. Im Prinzip können beliebig viele Halbleiter 8 auf diese Weise parallel geschaltet werden, um somit die von der Anordnung steuerbare Strommenge zu beeinflussen.
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2 zeigt eine Anordnung wie bereits in 1 gezeigt. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche Merkmale, sofern sich nichts anderes aus der Beschreibung und Zeichnung ergibt. Der Hauptunterschied zur 1 besteht darin, dass die Stromeingänge (z.B. Oberseite oder Unterseite der Halbleiter 8) und die Stromausgänge (z.B. Oberseite oder Unterseite der Halbleiter 8) mittels Löten oder Sintern unmittelbar mit den Kupferplatten 1, 2 direkt verbunden sind (hier keine VIAS o.ä.). Die Steueranschlüsse sind mittels Leiterbahnen z.B. auf einer Folie oder auf einem starren Träger 9 zugänglich angeordnet und können mittels einer Ansteuerung 17 angesteuert werden. Ein weiterer Unterscheid zur 1 besteht darin, dass beide Kupferplatten 1, 2 jeweils mit einer mit Kühlkanälen 18 durchsetzten Zusatzkühlplatte 11 verbunden sind. Diese Kühlplatten 11 könnten auch bei der aus 1 bekannten Variante Verwendung finden. Auch könnte nur eine Kühlplatte 11 an der Stromeingangsplatte 1 oder an der Stromausgangsplatte 2 angeordnet sein. Prinzipiell könnte bei beiden Varianten (1 und 2) auch eine Stromeingangsplatte 1 und/oder eine Stromausgangsplatte 2 mit einem integrierten Kühlkanal 18 verwendet werden, so dass die separaten Zusatzkühlplatten 11 entfallen können. Die möglichen Varianten hängen in erster Linien vom Leistungsbedarf des Anwendungsfalls ab.
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Im Randbereich rechts im Bild ragt hier mittels einer Aussparung im Verbindungsmittel (nicht gezeigt) ein Leiterplattenteil 12 aus der Anordnung heraus. Es kann auch eine zweite Leiterplatte (nicht gezeigt) mit der ersten Leiterplatte 9 mittels einer Steckverbindung 13 mechanisch und/oder elektrisch verbunden werden. Diese aus der Anordnung herausragende Leiterplatte 12 umfasst Komponenten 17 zur gemeinsamen Ansteuerung der zwischen den Platten 1, 2 parallel geschalteten Halbleiter 8. Das Verbindungsmittel 3 schließt die Platten-Anordnung ringsherum ab. Im Bereich der Aussparung wird die Anordnung vergossen, so dass die Vergussmasse zusammen mit dem umlaufenden Verbindungsmittel einen gegenüber äußeren widrigen Einflüssen schützenden Abschluss der Anordnung bildet. Bei Verwendung geeigneter Miniaturbauteile ist es auch möglich die Komponenten 17 auf der ersten Leiterplatte 9 anzubringen, so dass auch diese von den Platten 1, 2 und dem Verbindungsmittel 3 vollständig umschlossen sind. Diese Variante wird bei der Serienproduktion der Anordnung empfohlen.
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Empfohlen wird auch hier eine möglichst dünne Leiterplatte 9, so dass die mechanischen Eigenschaften zum Tragen der Halbleiter und zur Stabilisierung der Anordnung gerade noch ausreichen. Die Auslegung der Steuerleitungen und ggf. vorhandener Sensorleitungen, z.B. zur Erfassung der Halbleitertemperaturen, sollte derart ausgebildet sein, dass durch Schaltvorgänge keine Störspannungen oder Störströme in den Steuerleitungen auftreten können, beispielsweise mittel strahlenförmiger oder fächerförmiger Leitungsführungen zwischen Komponenten und/oder Anschlüssen.
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Die in den Figuren gezeigten Merkmale können auch in abgewandelter Form zur Realisierung alternativer Ausführungsformen fachmännisch zusammengefasst werden. Auch können alternative Ausführungsformen zusätzliche in der Beschreibung genannte Merkmale umfassen, welche in der Figurenbeschreibung nicht gezeigt sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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