DE102015005770A1 - Halbleitermodul - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Halbleitermodul (1) mit einem ersten Potential (11), einem zweiten Potential (12) und einem dritten Potential (13), wobei zwischen dem ersten Potential (11) und dem zweiten Potential (12) eine Reihenschaltung eines ersten und eines zweiten Leistungshalbleiters (21, 22) angeordnet ist, wobei ein Verbindungspunkt zwischen dem ersten und dem zweiten Leistungshalbleiter (21, 22) das dritte Potential (13) darstellt, wobei die Potenziale (11, 12, 13) jeweils mit mindestens einem Anschluss elektrisch verbunden sind. Zur Verbesserung der Leistungsfähigkeit wird vorgeschlagen, die Anschlüsse derart auszugestalten, dass der Anschluss des dritten Potentials (13) für einen Effektivstrom (Ieff(AC)) ausgelegt ist, der dem 1,3- bis 1,5-fachen Wert des Effektivstroms (Ieff(DC+), Ieff(DC–)) des Anschlusses des ersten oder des zweiten Potentials (11, 12) entspricht. Die Erfindung betrifft weiter einen Stromrichter (2) mit einem solchen Halbleitermodul (1), sowie ein Fahrzeug, insbesondere Schienenfahrzeug mit einem solchen Stromrichter (2).

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Halbleitermodul mit einem ersten Potential, einem zweiten Potential und einem dritten Potential, wobei zwischen dem ersten Potential und dem zweiten Potential eine Reihenschaltung eines ersten und eines zweiten Leistungshalbleiters angeordnet ist, wobei ein Verbindungspunkt zwischen dem ersten und dem zweiten Leistungshalbleiter das dritte Potential darstellt, wobei die Potenziale jeweils mit mindestens einem Anschluss elektrisch verbunden sind. Die Erfindung betrifft weiter einen Stromrichter mit einem solchen Halbleitermodul sowie ein Fahrzeug, insbesondere Schienenfahrzeug mit einem solchen Stromrichter.
  • Leistungshalbleiter im Hochleistungsbereich mit einer Sperrspannung von mindestens 1800 V wurden bisher ausschließlich als Einzelschalter realisiert. Derzeit befinden sich neue Produkte in der Entwicklung, die IGBT-Module in Halbbrückenbauform umfassen.
  • Diese Halbbrückenmodule werden in Stromrichtern eingesetzt. Insbesondere in Stromrichter von Fahrzeugen oder Schienenfahrzeugen besteht der Bedarf, diese Module bestmöglich in ihrer Leistungsfähigkeit auszunutzen.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, Halbbrückenmodule bezüglich Ihrer Leistungsfähigkeit zu verbessern.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Halbleitermodul mit einem ersten Potential, einem zweiten Potential und einem dritten Potential gelöst, wobei zwischen dem ersten Potential und dem zweiten Potential eine Reihenschaltung eines ersten und eines zweiten Leistungshalbleiters angeordnet ist, wobei ein Verbindungspunkt zwischen dem ersten und dem zweiten Leistungshalbleiter das dritte Potential darstellt, wobei die Potenziale jeweils mit mindestens einem Anschluss elektrisch verbunden sind, wobei die Anschlüsse derart ausgestaltet sind, dass der Anschluss des dritten Potentials für einen Effektivstrom ausgelegt ist, der dem 1,3- bis 1,5-fachen Wert des Effektivstroms des Anschlusses des ersten oder des zweiten Potentials entspricht. Weiter wird die Aufgabe durch einen Stromrichter mit einem solchen Halbleitermodul sowie durch ein Fahrzeug, insbesondere Schienenfahrzeug mit einem solchen Stromrichter gelöst.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass für den üblichen Betrieb (z. B. mit sinusförmiger Pulsdauermodulation) für die Effektivströme am Anschluss des dritten Potentials Ieff(AC) der Zusammenhang Ieff(AC) = √2·Ieff(DC+) = √2·Ieff(DC–) gilt. Bei den bisher bekannten Ausführungen führt diese Stromaufteilung zu einer Leistungsbeschränkung im AC-Anschluss, der dem Anschluss des dritten Potentials entspricht, da dieser wie auch der DC-Anschluss, d. h. der Anschluss des ersten oder zweiten Potentials, die gleiche Anzahl an Anschlüssen besitzt, aber mit dem 1,4-fachen Strom belastet wird.
  • Es hat sich als günstig erwiesen, den Anschluss des dritten Potentials derart auszubilden, dass es in der Lage ist, in etwa den 1,4-fachen Effektivstrom des DC-Effektivstroms zu führen, der in dem Anschluss des ersten oder zweiten Potentials fließt. Dabei hat es sich als günstig erwiesen, die Dimensionierung derart vorzunehmen, dass der Anschluss des dritten Potentials für einen Effektivstrom ausgestaltet ist, der dem 1,3- bis 1,5-fachen Wert des Effektivstroms vom Anschluss des ersten oder zweiten Potentials entspricht. Dieses kann über verschiedene Ausgestaltungsformen erreicht werden.
  • Bei einer Möglichkeit wird die Anzahl der Anschlüsse für AC- (dritte Potential) und DC-Anschluss (erste und zweite Potential) möglichst dicht am Verhältnis der Effektivstrombelastung von √2 gewählt. Dazu werden am ersten und zweiten Potential zwei Anschlüsse und am dritten Potential drei Anschlüsse angeordnet.
  • Alternativ oder ergänzend kann die gesamte Fläche zwischen zwei Anschlüssen des dritten Potentials auch ohne dritte Verschraubung zur Stromübertragung genutzt werden, indem durch eine Spannvorrichtung im Leistungshalbleitermodul und beispielsweise auf der Gegenseite an der Stromschiene ein flächiger Kontakt zwischen modulseitigen und stromrichterseitigen Stromschienen hergestellt wird. Dieser flächige Kontakt stellt eine für den Stromübergang hinreichend großen Querschnitt dar, der in einer vorteilhaften Ausgestaltungsform 1,3 bis 1,5 mal so groß ist wie die für die Stromübertragung wirksame Kontaktfläche des ersten und/oder zweiten Potentials.
  • Alternativ oder ergänzend lässt sich durch verschiedene Schraubengrößen auch bei nicht notwendigerweise gleichen Schraubenzahlen für DC und AC Anschluss die Strombelastbarkeit der Anschlüsse der einzelnen Potentiale anpassen. Dabei bezieht sich Schraubengröße insbesondere auf Querschnitt, Gewinde und/oder Größe des Schraubenkopfes. Diese Variante ist aber im Hinblick auf die Fertigung aufgrund der unterschiedlichen Schraubenarten nur in speziellen Anwendungsgebieten vorteilhaft.
  • Durch die oben beschriebene Ausführung ergibt sich eine gleichmäßig Verlustleistungsdichte an den Anschlüssen aller Potentiale, d. h. den AC- und DC-Anschlüssen, und damit eine höhere mögliche Ausgangsleistung bei minimalem Materialeinsatz. Weiterhin beleibt das Grunddesign unverändert, d. h. Kühlkörper, Bodenplatte, Ansteuer- und Zwischenkreisanschlüsse sind unverändert. Wenn der zusätzliche dritte Anschluss des dritten Potentials nicht benutzt wird, kann auch die AC-Verschienung unverändert weiterbenutzt werden.
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert. Es zeigen:
  • 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Halbleitermoduls,
  • 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Halbleitermoduls und
  • 3 die Schaltungsanordnung eines Halbleitermoduls.
  • 1 zeigt ein Halbleitermodul 1 dessen erstes und zweites Potential 11, 12 jeweils zwei Anschlüsse und dessen drittes Potential 13 drei Anschlüsse aufweist. Mit dieser Anordnung besitzt das dritte Potential 13 die 1,5-fache Leistungsfähigkeit bezüglich des Effektivstromes Ieff(AC) im Vergleich zum Effektivstrom Ieff(DC+), Ieff(DC–) der Anschlüssen des ersten und zweiten Potentials 11, 12.
  • In 2 sind anstelle der drei Anschlüsse des dritten Potentials 13 lediglich zwei Anschlüsse ausgeführt. Zwischen diesen beiden Anschlüssen ist eine Spannvorrichtung 4 angeordnet, die sicherstellt, dass ein am Halbleitermodul 1 angebrachter Kontakt 5, vorzugsweise aus Kupfer, des Anschlusses großflächig mit einer an diesen Anschlüssen verbundenen Stromschiene in Kontakt kommt. Damit erhöht sich der für die Stromübertragung nutzbare Querschnitt. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, diese Querschnittsvergrößerung derart zu gestalten, dass die für die Stromübertragung nutzbare Fläche des dritten Potential 13 um den Wert 1,3- bis 1,5-fach so groß ist wie die entsprechende Fläche des ersten und zweiten Potentials 11, 12.
  • 3 zeigt die Schaltungsanordnung eines Halbleitermoduls 1. Dargestellt sind die entsprechenden Ströme Ieff(AC), Ieff(DC+) und Ieff(DC–) an den einzelnen Potentialen 11, 12, 13. Darüber hinaus zeigt 3 die Reihenschaltung des ersten und zweiten Leistungshalbleiters 21, 22. Dargestellt in diesem Ausführungsbeispiel ist darüber eine zu den jeweiligen Leistungshalbleitern 21, 22, die in diesem Beispiel als IGBT ausgeführt sind, antiparallel angeordnete Diode.
  • Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Claims (8)

  1. Halbleitermodul (1) mit einem ersten Potential (11), einem zweiten Potential (12) und einem dritten Potential (13), wobei zwischen dem ersten Potential (11) und dem zweiten Potential (12) eine Reihenschaltung eines ersten und eines zweiten Leistungshalbleiters (21, 22) angeordnet ist, wobei ein Verbindungspunkt zwischen dem ersten und dem zweiten Leistungshalbleiter (21, 22) das dritte Potential (13) darstellt, wobei die Potentiale (11, 12, 13) jeweils mit mindestens einem Anschluss elektrisch verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlüsse derart ausgestaltet sind, dass der Anschluss des dritten Potentials (13) für einen Effektivstrom (Ieff(AC)) ausgelegt ist, der dem 1,3- bis 1,5-fachen Wert des Effektivstroms (Ieff(DC+), Ieff(DC–)) des Anschlusses des ersten oder des zweiten Potentials (11, 12) entspricht.
  2. Halbleitermodul (1) nach Anspruch 1, wobei der erste und der zweite Leistungshalbleiter (21, 22) jeweils ein abschaltbarer Leistungshalbleiter, insbesondere ein IGBT oder ein Leistungshalbleiter auf Siliziumcarbidbasis, mit dazu antiparallel angeordneter Diode ist, wobei die abschaltbaren Leistungshalbleiter eine Sperrfähigkeit von mindestens 1800 V aufweisen.
  3. Halbleitermodul (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei das erste und das zweite Potential (11, 12) jeweils mit genau zwei Anschlüssen verbunden sind und das dritte Potential (13) mit genau drei Anschlüssen verbunden ist.
  4. Halbleitermodul (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Anschluss des dritten Potentials (13) eine Spannvorrichtung (4) aufweist, wobei die Spannvorrichtung (4) derart ausgelegt ist, bei einer Kontaktierung des Anschlusses des dritten Potentials (13) mit einer Stromschiene eine für die Stromübertragung wirksame Kontaktfläche zu erhöhen.
  5. Halbleitermodul (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Anschlüsse zur Herstellung einer Schraubverbindung ausgestaltet sind, wobei der Anschluss des dritten Potentials (13) zur Aufnahme einer größeren Schraube vorgesehen ist als die Anschlüsse des ersten und zweiten Potentials (11, 12).
  6. Stromrichter (2) mit mindestens einem Halbleitermodul (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das erste Potential (11) und das zweite Potential (12) mit einem Zwischenkreiskondensator verbunden sind und das dritte Potential (13) ein Wechselspannungspotential bildet.
  7. Stromrichter (2) nach Anspruch 6, wobei der Stromrichter drei Halbleitermodule (1) aufweist, wobei die Halbleitermodule (1) bezüglich ihres ersten und zweiten Potentials (11, 12) in einer Parallelschaltung angeordnet sind und wobei durch die Wechselspannungsspannungspotentiale ein Drehstromnetz generierbar ist.
  8. Fahrzeug, insbesondere Schienenfahrzeug, mit einem Stromrichter (2) nach einem der Ansprüche 6 oder 7.
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