DE102015115140A1 - Power converter arrangement with improved attachment - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Stromrichteranordnung (1) aufweisend: wenigstens ein Halbleiterleitermodul (2, 2'); wenigstens einen elektrischen Kondensator (7); Befestigungsmittel (12, 13) zur mechanisch haltenden und/oder tragenden Befestigung und elektrischen Kontaktierung des wenigstens einen Halbleitermoduls (2, 2') an dem elektrischen Kondensator (7).The invention relates to a power converter arrangement (1) comprising: at least one semiconductor conductor module (2, 2 '); at least one electrical capacitor (7); Fastening means (12, 13) for mechanically holding and / or supporting attachment and electrical contacting of the at least one semiconductor module (2, 2 ') to the electrical capacitor (7).
Description
Die Erfindung betrifft eine Stromrichteranordnung. In bestimmten Schaltungsanwendungen ist es erforderlich, einen oder mehrere Halbleiterbauelemente, die auf ein oder mehrere Leistungshalbleitermodule verteilt sind, an einen Kondensator anzuschließen. Bei einem solchen Kondensator kann es sich beispielsweise um einen Zwischenkreiskondensator einer Stromrichteranordnung handeln. In Umrichtern bzw. Frequenzumrichtern sind neben einem Kühlkörper derartige Zwischenkreiskondensatoren für die Zwischenspeicherung von elektrischer Energie vorgesehen, um das Leistungshalbleitermodul mit elektrischer Energie zu versorgen und eine geeignete Kühlung während des Betriebs zu gewährleisten.The invention relates to a power converter arrangement. In certain circuit applications, it is necessary to connect one or more semiconductor devices distributed to one or more power semiconductor modules to a capacitor. Such a capacitor may be, for example, an intermediate circuit capacitor of a converter arrangement. In converters or frequency converters, in addition to a heat sink, such intermediate circuit capacitors are provided for the intermediate storage of electrical energy in order to supply the power semiconductor module with electrical energy and to ensure suitable cooling during operation.
Besonders wenn sie für den Betrieb an hohen Spannungen ausgelegt sind und/oder hohe Kapazitäten erfordern, benötigen solche Kondensatoren viel Raumvolumen und sind deshalb außerhalb des Leistungshalbleitermoduls angeordnet und mittels elektrischer Anschlussleitungen an dieses angeschlossen. Die Herstellung einer solchen elektrischen Verbindung erfordert jedoch eine Anzahl von Einzelkomponenten und ist damit aufwändig.Especially if they are designed for operation at high voltages and / or require high capacitances, such capacitors require a lot of space and are therefore arranged outside the power semiconductor module and connected by means of electrical connection lines to this. However, the production of such an electrical connection requires a number of individual components and is therefore expensive.
Es ist zwar ferner bekannt, einen Kühlkörper als Träger für mehrere Halbleitermodule heranzuziehen, aufgrund des regelmäßig als Material für den Kühlkörper verwendeten Metalls, wie Aluminium oder Kupfer, wird eine solche Lösung jedoch vergleichsweise teuer. Zudem ist eine solche Herangehensweise aufwändig in der Herstellung, da die elektrische Kontaktierung und die mechanische Befestigung auseinander fallen und somit viele Handgriffe bei der Herstellung eines solchen mehrere Halbleitermodule umfassenden Stromrichteranordnung erforderlich sind.Although it is also known to use a heat sink as a carrier for a plurality of semiconductor modules, due to the metal used regularly as a material for the heat sink, such as aluminum or copper, however, such a solution is relatively expensive. In addition, such an approach is expensive to manufacture, since the electrical contacting and the mechanical fastening fall apart and thus many handles are required in the manufacture of such a plurality of semiconductor modules comprising power converter assembly.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Stromrichteranordnung zu schaffen, die so ausgelegt ist, dass der Montageaufwand insbesondere im Hinblick auf die elektrische und mechanische Befestigung zwischen Halbleitermodul und Kondensator verringert ist und dabei die elektrisch Kontaktierung zuverlässig ist.The object of the present invention is to provide a power converter arrangement, which is designed so that the assembly effort is reduced, in particular with regard to the electrical and mechanical attachment between the semiconductor module and capacitor and thereby the electrical contact is reliable.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Stromrichteranordnung mit den Merkmalen nach Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren des nebengeordneten Anspruchs gelöst. Weitere, besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung offenbaren die Unteransprüche. Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung charakterisiert und spezifiziert die Erfindung insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren zusätzlich.This object is achieved by a power converter arrangement with the features of claim 1 and by a method of the independent claim. Further, particularly advantageous embodiments of the invention disclose the dependent claims. It should be noted that the features listed individually in the claims can be combined with each other in any technically meaningful manner and show further embodiments of the invention. The description additionally characterizes and specifies the invention, in particular in connection with the figures.
Die Erfindung betrifft eine Stromrichteranordnung. Als Stromrichter werden ruhende elektrische Geräte, das heißt ohne bewegliche Teile, aber nicht notwendig stationär – zur Umwandlung einer eingespeisten elektrischen Stromart (Gleichstrom, Wechselstrom) in die jeweils andere, oder zur Änderung charakteristischer Parameter wie der Spannung und der Frequenz verstanden. Die erfindungsgemäße Stromrichteranordnung weist wenigstens ein Halbleiterleitermodul auf, nachfolgend auch kurz Modul genannt. Als erfindungsgemäßes Halbleitermodul wird ein wenigstens ein durch Anschlusselemente kontaktierbares zum Zwecke zur elektrischen Isolation in einem Gehäuse angeordnetes elektrisches Halbleiterbauelement verstanden. Das Gehäuse ist regelmäßig aus einem Kunststoff hergestellt.The invention relates to a power converter arrangement. As power converters are stationary electrical equipment, that is, without moving parts, but not necessarily stationary - to convert an injected electric current (DC, AC) in the other, or to change characteristic parameters such as the voltage and the frequency understood. The converter arrangement according to the invention has at least one semiconductor conductor module, hereinafter also called module for short. The semiconductor module according to the invention is understood to mean at least one electrical semiconductor component that can be contacted by connection elements for the purpose of electrical insulation in a housing. The housing is regularly made of a plastic.
Bevorzugt umfasst das Modul wenigstens ein Halbleiterbauelement ausgewählt aus der Gruppe, welche beinhaltet: ein siliziumgesteuerter Gleichrichter (SCR), Leistungsregler, Leistungstransistor, Bipolartransistor mit isoliertem Gate (IGBT), Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET), Leistungsgleichrichter, eine Diode, beispielsweise eine Schottky-Diode, ein J-FET, ein Thyristor, beispielsweise ein Gate-Turn-Off-Thyristor, ein Gate-Communicated-Thyristor, ein TRIAC, ein DIAC ein Fotothyristor oder Kombinationen daraus. Das Halbleiterbauelement an sich ist bevorzugt ein gehäuseloses Halbleiterbauelement, wie ein Halbleiterdie (auch als Halbleiternacktchips bezeichnet) oder Halbleiterchip, ausgeführt, wobei die Halbleiternacktchips oder Halbleiterchips in Form eines Halbleitermaterialblocks bereitgestellt sein können, der aus einem Halbleiter-Wafer hergestellt und aus diesem ausgeschnitten ist, oder in einer anderen Form, die weiteren Verarbeitungsschritten unterzogen wurden.The module preferably comprises at least one semiconductor component selected from the group comprising: a silicon-controlled rectifier (SCR), power regulator, power transistor, insulated gate bipolar transistor (IGBT), metal oxide semiconductor field effect transistor (MOSFET), power rectifier, a diode, for example a Schottky Diode, a J-FET, a thyristor, such as a gate turn-off thyristor, a gate-communicated thyristor, a TRIAC, a DIAC, a photothyristor, or combinations thereof. As such, the semiconductor device itself is preferably a package-less semiconductor device, such as a semiconductor die (also referred to as semiconductor die), wherein the semiconductor dies or semiconductor chips may be provided in the form of a semiconductor material block made from and cut out of a semiconductor wafer. or in another form subjected to further processing steps.
Bevorzugt ist das oder sind die Halbleiterbauelemente des Moduls auf einer Hauptseite eines elektrisch isolierenden, thermisch leitenden, ebenfalls bevorzugt zum Modul gehörigen Substrats angeordnet. Das Substrat weist beispielsweise eine Isolations-, dielektrische oder Keramikschicht und eine erste Metallschicht auf seiner ersten Hauptoberfläche und eine zweite Metallschicht, auch Kaschierung genannt, auf seiner zweiten, der ersten gegenüberliegenden Hauptoberfläche auf. Beispielsweise handelt es sich um ein direkt kupfergebondetes (DCB-)Substrate, ein direkt aluminiumgebondetes (DAB-)Substrat und ein aktives Metalllötsubstrat. Die erste Metallschicht bildet beispielsweise Schaltungsstrukturen aus, die beispielsweise in IMS (insulated metall subtrat)-Technik aufgebracht sind. Die zweite Hauptoberfläche des Substrats ist bevorzugt für die thermisch leitende Anordnung an einem Kühlkörper vorgesehen.Preferably, this or the semiconductor components of the module on a main side of an electrically insulating, thermally conductive, also preferably belonging to the module substrate is arranged. The substrate has, for example, an insulation, dielectric or ceramic layer and a first metal layer on its first main surface and a second metal layer, also called lamination, on its second, the first opposing main surface. For example, it is a direct copper bonded (DCB) substrate, a direct aluminum bonded (DAB) substrate and an active metal solder substrate. The first metal layer forms, for example, circuit structures which are applied, for example, in IMS (insulated metal substrate) technology. The second main surface of the substrate is preferably provided for the thermally conductive arrangement on a heat sink.
Die erfindungsgemäße Stromrichteranordnung weist wenigstens einen elektrischen Kondensator aus. Beispielsweise handelt es sich um einen Folienkondensator, wie einen mit einer oder mehreren Polypropylenfolien. Bevorzugt handelt es dabei um einen Aluminium-Elektrolytkondensator. Bevorzugt ist der Kondensator in einem Gehäuse ganz oder teilweise aufgenommen. Das Gehäusematerial des elektrischen Kondensators weist Kunststoff, bevorzugt wenigstens einen Thermoplast auf. Das Gehäuse ist beispielsweise glasfaserverstärkt. The converter arrangement according to the invention has at least one electrical capacitor. For example, it is a film capacitor, such as one with one or more polypropylene films. This is preferably an aluminum electrolytic capacitor. Preferably, the capacitor is accommodated in a housing in whole or in part. The housing material of the electrical capacitor has plastic, preferably at least one thermoplastic. The housing is for example glass fiber reinforced.
Erfindungsgemäß sind die Befestigungsmittel zur mechanisch haltenden und/oder tragenden Befestigung und elektrischen Kontaktierung des wenigstens einen Halbleitermoduls an dem Kondensator vorgesehen. Damit erfüllen die Befestigungsmittel zwei Funktionen, nämlich die der haltenden oder tragenden Befestigung des Moduls als auch die der elektrischen Kontaktierung zwischen dem Halbleitermodul und dem Kondensator. Damit entfällt der Montageaufwand der ansonsten für die Herstellung beider Verbindungsfunktionen erforderlich wäre.According to the invention, the fastening means are provided for mechanically holding and / or supporting attachment and electrical contacting of the at least one semiconductor module to the capacitor. Thus, the fastening means fulfill two functions, namely the holding or supporting attachment of the module as well as the electrical contact between the semiconductor module and the capacitor. This eliminates the installation effort would otherwise be required for the preparation of both connection functions.
Bevorzugt sind die Befestigungsmittel wenigstens teilweise außerhalb des Gehäuses des Moduls und/oder des elektrischen Kondensators angeordnet. Die Befestigungsmittel sind in einer weiteren Ausgestaltung teilweise durch das Gehäuse von dem elektrischen Kondensator und/oder das Gehäuse des Halbleitermoduls ausgebildet.Preferably, the fastening means are at least partially disposed outside of the housing of the module and / or the electrical capacitor. The fastening means are formed in a further embodiment partially through the housing of the electric capacitor and / or the housing of the semiconductor module.
Bevorzugt handelt es sich bei dem Kondensator um einen sogenannten Zwischenkreiskondensator, d. h. um einen elektrischen Kondensator in dem Zwischenkreis von mehreren Umrichtern. Seine Aufgabe ist beispielsweise die energetische Verkopplung mehrerer elektrischer Netze miteinander auf einer gemeinsamen Gleichspannungsebene.Preferably, the capacitor is a so-called intermediate circuit capacitor, d. H. around an electrical capacitor in the DC bus of several inverters. His task is, for example, the energetic coupling of several electrical networks together on a common DC voltage level.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Stromrichteranordnung sind mehrere Halbleitermodule vorgesehen, die jeweils über separate Teile der Befestigungsmittel an dem Kondensator befestigt und mit diesem elektrisch leitend verbunden sind.According to a preferred embodiment of the converter arrangement according to the invention a plurality of semiconductor modules are provided which are each attached via separate parts of the fastening means to the capacitor and connected to this electrically conductive.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung weist die Stromrichteranordnung wenigstens einen thermisch leitend mit dem Halbleitermodul verbundenen Kühlkörper auf. Bevorzugt umfasst die Stromrichteranordnung mehrere Halbleitermodule und pro Halbleitermodul ist ein Kühlkörper vorgesehen, die noch bevorzugter jeweils lediglich mit einem Modul in thermisch leitendem Berührkantakt stehen.According to a further embodiment, the power converter arrangement has at least one heat sink connected to the semiconductor module in a thermally conductive manner. Preferably, the power converter arrangement comprises a plurality of semiconductor modules and per semiconductor module, a heat sink is provided, which are even more preferably only with a module in thermally conductive Berührkantakt.
Bevorzugt sind die Befestigungsmittel jeweils auf einer dem Kühlkörper abgewandten, ersten Seite des wenigstens einen Halbleitermoduls angeordnet, um eine Wärmeeintrag in den elektrischen Kondensator zu verhindern. Beispielsweise handelt es sich bei der abgewandten Seite um diejenige Seite, die senkrecht zu der angeordnet ist, mit der das Modul angrenzend an den Kühlkörper angeordnet ist. Bevorzugt sind die Befestigungsmittel auf der Seite angeordnet, die der Seite gegenüberliegt, mit der das Modul angrenzend an den Kühlkörper angeordnet ist.Preferably, the fastening means are each arranged on a side facing away from the heat sink, the first side of the at least one semiconductor module, to prevent heat input into the electrical capacitor. For example, the opposite side is the side which is perpendicular to the one with which the module is arranged adjacent to the heat sink. Preferably, the fastening means are arranged on the side opposite to the side with which the module is arranged adjacent to the heat sink.
Bevorzugt weist das Halbleitermodul ferner Lastanschlüsse und Steueranschlüsse auf, die jeweils auf anderen Seiten, bevorzugt auf einer zweiten und dritten Seite des Halbleitermoduls angeordnet sind, die sich von den Seiten unterscheiden, mit denen das Modul angrenzend an den Kühlkörper angeordnet ist und die der Anordnung der Befestigungsmittel dient.Preferably, the semiconductor module further comprises load terminals and control terminals, which are respectively arranged on other sides, preferably on a second and third side of the semiconductor module, which differ from the sides, with which the module is arranged adjacent to the heat sink and the arrangement of Fastener is used.
Bevorzugt umfassen die für die mechanische und elektrische Verbindung zwischen elektrischem Kondensator und Halbleitermodul vorgesehenen Befestigungsmittel eine Klemmeinrichtung. Beispielsweise ist die Klemmeinrichtung vorgesehen, um eine elektrische Druckkontaktierung bereitzustellen und/oder um bezüglich der mechanischen Verbindung spielfreistellend zu wirken. Beispielsweise umfassen die Befestigungsmittel mittels Schraubverstellung einstellbare Klemmbacken auf.The fastening means provided for the mechanical and electrical connection between the electrical capacitor and the semiconductor module preferably include a clamping device. For example, the clamping device is provided to provide an electrical pressure contact and / or to act with respect to the mechanical connection clearance. For example, the fastening means comprise adjustable clamping jaws by means of screw adjustment.
Bevorzugt sind die Befestigungsmittel zwischen dem elektrischem Kondensator und dem Halbleitermodul so ausgelegt, dass die mechanische und elektrische Verbindung lösbar ist.Preferably, the fastening means between the electrical capacitor and the semiconductor module are designed so that the mechanical and electrical connection is releasable.
Bevorzugt weisen die Befestigungsmittel formschlüssig zusammenwirkende Verbindungsmittel auf, die teilweise dem elektrischen Kondensator und teilweise dem Halbleitermodul zugeordnet sind. Beispielsweise handelt es sich um eine Nut-Feder-Verbindung, eine Steckverbindung oder dergleichen.Preferably, the fastening means on a form-fitting cooperating connection means, which are partially associated with the electrical capacitor and partially the semiconductor module. For example, it is a tongue and groove connection, a connector or the like.
Bevorzugt sind die Befestigungsmittel als Schwalbenschwanzverbindung ausgebildet. Darunter wird eine Nut-Feder-Verbindung mit vom freien Ende der Feder zu deren Federfuß sich verjüngende Feder und eine Nut verstanden, die sich vom Boden der Nut hin zur Nutöffnung entsprechend verjüngt.Preferably, the fastening means are designed as a dovetail joint. This is understood to mean a tongue and groove connection with spring tapering from the free end of the spring and a groove which tapers correspondingly from the bottom of the groove towards the groove opening.
Bevorzugt ist eine Kombination aus Schwalbenschwanzverbindung und Klemmverbindung vorgesehen, in dem beispielsweise eine oder beide Flanken der Nut durch verstellbare Klemmbacken definiert sind, Noch bevorzugter ist diese Verbindung lösbar ausgestaltet, indem der oder die Klemmbacken so die Nut aufweitend verstellbar sind, dass die Feder aus der Nut entnehmbar ist.Preferably, a combination of dovetail connection and clamping connection is provided, in which, for example, one or both flanks of the groove are defined by adjustable jaws, even more preferably, this connection is releasably designed by the or the jaws so the groove are widening adjustable that the spring from the Groove is removable.
Bevorzugt ist die Nut, beispielsweise die sich zum Boden hin aufweitende Nut der Schwalbenschwanzverbindung seitens des elektrischen Kondensators beispielsweise durch dessen Gehäuse ausgebildet.Preferably, the groove, for example, the groove widening towards the bottom of the dovetail connection on the part of the electrical Condenser, for example, formed by the housing.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die erfindungsgemäße Stromrichteranordnung ferner eine Leiterplatte die elektrisch leitend mit den Steueranschlüssen verbunden ist. Bevorzugt ist die Leiterpatte ferner mechanisch und/oder elektrisch leitend mit dem elektrischen Kondensator verbunden. Die Verbindung zwischen den Steueranschlüssen und der Leiterplatte ist beispielsweise als eine lösbare Steckverbindung ausgebildet.According to a preferred embodiment, the converter arrangement according to the invention further comprises a printed circuit board which is electrically conductively connected to the control terminals. Preferably, the conductor plate is further mechanically and / or electrically connected to the electrical capacitor. The connection between the control terminals and the printed circuit board is formed for example as a detachable plug connection.
Bevorzugt sind ferner Stromschienen zur elektrischen Kontaktierung der Lastanschlüsse des wenigstens einen Halbleitermoduls vorgesehen.Busbars are also preferably provided for electrically contacting the load terminals of the at least one semiconductor module.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung weist die erfindungsgemäße Stromrichteranordnung wenigstens ein als dreiphasiger Gleichrichter ausgebildetes Halbleitermodul und wenigstens ein oder mehrere weitere, beispielsweise 3 Halbleitermodule auf, die jeweils als Halbbrücke oder Vollbrücke oder in Kombination als Vollbrücke ausgebildet sind.In accordance with a further embodiment, the converter arrangement according to the invention has at least one semiconductor module configured as a three-phase rectifier and at least one or more further, for example three semiconductor modules, each of which is in the form of a half bridge or full bridge or in combination as a full bridge.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Montage einer Stromrichteranordnung, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:
Bereitstellen wenigstens eines Halbleiterleitermoduls und Bereitstellen wenigstens eines elektrischen Kondensators. In einem nachfolgenden Schritt erfolgt ein Befestigen des wenigstens einen Halbleitermoduls an dem Kondensator derart, dass mit der mechanischen tragenden und/oder haltenden Befestigung auch die elektrische Kontaktierung des wenigstens einen Halbleitermoduls mit dem Kondensator erreicht wird. Aufgrund der Mehrfachfunktionalität der Befestigungsmittel als mechanisch haltende und/oder tragende Mittel und als elektrische Kontaktierungsmittel kann der Montageaufwand beim erfindungsgemäßen Verfahren reduziert werden.The invention further relates to a method for assembling a converter arrangement, the method comprising the following steps:
Providing at least one semiconductor conductor module and providing at least one electrical capacitor. In a subsequent step, the at least one semiconductor module is fastened to the capacitor in such a way that the mechanical contacting and / or holding attachment also achieves electrical contacting of the at least one semiconductor module with the capacitor. Due to the multiple functionality of the fastening means as mechanically holding and / or supporting means and as electrical contacting means, the assembly effort in the method according to the invention can be reduced.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen sowie der folgenden Beschreibung von nicht einschränkend zu verstehenden Ausführungsbeispielen der Erfindung, die im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert werden. In diesen Zeichnungen zeigen schematisch:Further features and advantages of the invention will become apparent from the claims and the following description of non-limiting embodiments of the invention, which are explained in more detail below with reference to the drawings. In these drawings show schematically:
Anhand der
Die Befestigungsmittel
Wie
Wie aus
Anhand der
Claims (14)
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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R016 | Response to examination communication | ||
R082 | Change of representative |
Representative=s name: DILG, HAEUSLER, SCHINDELMANN PATENTANWALTSGESE, DE Representative=s name: DILG HAEUSLER SCHINDELMANN PATENTANWALTSGESELL, DE |
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R082 | Change of representative |
Representative=s name: DILG, HAEUSLER, SCHINDELMANN PATENTANWALTSGESE, DE |
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R016 | Response to examination communication | ||
R018 | Grant decision by examination section/examining division |