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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Leistungsmodul, und spezieller ein Drei-Stufen-Leistungsmodul.
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Hintergrund
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Halbleiterleistungsmodule werden in der Industrie weit verbreitet verwendet. Beispielsweise kann ein solches Leistungsmodul zum gesteuerten Umschalten von hohen Strömen verwendet werden und in Leistungswandlern (wie z.B. Wechselrichtern) verwendet werden, um Gleichstrom in Wechselstrom oder umgekehrt umzuwandeln, oder zum Umwandeln zwischen unterschiedlichen Spannungen oder Frequenzen von Wechselstrom. Solche Wechselrichter werden in Motorsteuerungen oder Schnittstellen zwischen Leistungserzeugung oder Speicherung, oder einem Leistungsverteilungsnetz verwendet. Beispielsweise kann ein Leistungsmodul in einem Netzwechselrichter eines Batteriespeichersystems verwendet werden. In solch einem Batteriespeichersystem wird Strom einem Leistungsversorgungsnetz zugeführt, entweder um das Netz zu stabilisieren oder um elektrische Leistung während Zeiten, in denen die elektrische Energie des Netzes teuer ist, also am Morgen und am Nachmittag, bereitzustellen. Die Batterien werden nachts wieder aufgeladen, wenn die Netzenergiekosten geringer sind oder sie können unter der Verwendung von Solarleistung wieder aufgeladen werden. Insgesamt betrachtet hilft das System dem Kunden, Ausgaben für elektrische Energie zu verringern. Der Netzwechselrichter verbindet das Batteriespeichersystem mit dem Netz und hat die Aufgabe, die Gleichstromspannung der Batterie zur Wechselstromspannung für das Netz umzuwandeln und umgekehrt.
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„Zwei-Stufen“-Topologien, bei denen Gleichstromleistung in ein Zwei-Leiter-System (positive und negative Spannungen) eingespeist wird, werden in vielen gegenwärtig verfügbaren Wechselrichtern häufig verwendet. Diese Topologie hat den Nachteil einer verminderten Effizienz und einer nicht ideal sinusförmigen Stromform am Ausgang der Wechselrichter, was zu einem ausgeprägten Bedarf an Filterung führt.
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Zusammenfassung
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, ein Leistungsmodul mit gesteigerter Effizienz bereitzustellen.
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In einem ersten Aspekt wird ein „Drei-Stufen“-Leistungsmodul bereitgestellt, das mindestens ein Substrat aufweist, an dem ein oder mehrere Halbleiterschalter montiert sind, wobei der eine oder die mehreren Halbleiterschalter Halbleiter mit breiter Bandlücke sind.
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Der Begriff „Drei-Stufen“, der hier verwendet wird, zeigt an, dass Gleichstromleistung mit dem Leistungsmodul durch Verbindungen, die eine positive Spannung, eine negative Spannung, und zusätzlich eine dritte Verbindung, die eine Zwischenspannung (neutral) tragen, verbunden ist, wobei die positive Spannung sich auf einem höheren Potential befindet als das der negativen Spannung, und die neutrale Verbindung sich auf einem Potential befindet, das zwischen den positiven und den negativen Spannungen liegt, und in einigen Ausführungsformen auf einem Nullpotential liegen kann. Beispielsweise können Wechselrichtersysteme ± 400 Volt verwenden, und eine Leistungsversorgung für solch einen Wechselrichter weist eine positive Spannung von + 400 Volt, eine negative Spannung von - 400 Volt und auch eine neutrale von 0 Volt auf. Die neutrale kann auf Masse gezogen sein.
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In einer Ausführungsform weisen die SiC-Halbleiter SiC-MOSFETs auf.
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In einer Ausführungsform weist das Leistungsmodul eine Neutral Point Clamped-1 (NPC1) Topologie auf. Die NPC1-Topologie ist eine bekannte Topologie für Drei-Stufen-Wechselrichterschaltkreise und weist vier Schalter in Serie zwischen den positiven und negativen Gleichstromleitungen auf. Sie wird im Folgenden weiter beschrieben.
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In einer Ausführungsform weist das Leistungsmodul eine NPC2-Topologie auf. Die NPC2-Topologie ist eine bekannte Topologie für Drei-Stufen-Wechselrichterschaltkreise und umfasst zwei Schalter in Serie zwischen den positiven und negativen Gleichstromleitungen und die Lastverbindung weist die Verbindung zwischen diesen Schaltern auf. Darüber hinaus liegen zwischen der Lastverbindung und der neutralen Speisungsleitung zwei weitere Schalter, verbunden als ein Zweirichtungs-Schalter. Dies wird im Folgenden ebenfalls weiter beschrieben.
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In einer Ausführungsform bilden mindestens zwei der Halbleiterschalter einen Halbbrückenschaltkreis.
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In einer Ausführungsform ist der NPC2-Topologie-Schaltkreis über ein erstes Substrat und ein zweites Substrat angeordnet.
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In einer Ausführungsform trägt das erste Substrat zwei Halbleiterschalter, die zwischen einem positiven Anschluss und einem negativen Anschluss des Drei-Stufen-Leistungsmoduls parallel verbunden sind, und die Verbindung zwischen den zwei Halbleiterschaltern ist mit einem Lastanschluss des Drei-Stufen-Leistungsmoduls verbunden; und das zweite Substrat trägt zwei Halbleiterschalter, die als Zweirichtungs-Schalter zwischen einem neutralen Anschluss und dem Lastanschluss des dreistufigen Leistungsmoduls verbunden sind.
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Der Begriff „positiver Anschluss“, der hier verwendet wird, bezieht sich auf einen Anschluss des Leistungsmoduls, der mit dem positiven Potential des Leistungsmoduls verbunden ist. In ähnlicher Weise bezieht sich „negativer Anschluss“ auf einen Anschluss des Leistungsmoduls, der mit dem negativen Potential des Leistungsmoduls verbunden ist und der „neutrale Anschluss“ bezieht sich auf einen Anschluss des Leistungsmoduls, der mit dem neutralen Potential des Leistungsmoduls verbunden ist. Der Begriff „Lastanschluss“, der hierin verwendet wird, bezieht sich auf einen Anschluss, der mit einer Last des Leistungsmoduls verbunden ist.
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In einer Ausführungsform umfasst jeder der Halbleiterschalter einen oder mehrere Halbleiterchips. In einer Ausführungsform werden keine diskreten Diodenkomponenten verwendet.
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In einer Ausführungsform weist das mindestens eine Substrat ein Direct Bonded Copper (DBC)-Substrat auf. Solch ein Substrat ist durch ein Kupfer/Keramik/Kupfersandwich gebildet, wobei eine Schaltkreisstruktur in der oberen Kupferschicht gebildet sein kann und die mit Halbleiterschaltern, Kondensatoren und/oder Widerständen bestückt sein kann, wie es zum Bilden eines funktionierenden Schaltkreises notwendig ist.
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Figurenliste
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Die obigen und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile werden anhand der folgende Beschreibung von Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen deutlicher, in denen:
- 1 eine Querschnittsansicht eines Leistungsmoduls gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt;
- 2 eine Perspektivansicht des Leistungsmoduls gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt;
- 3 eine Ausführungsform eines Leistungsmoduls mit platziertem Deckel gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt;
- 4 eine symbolische Darstellung eines Leistungsmoduls mit IGBT Diodenkombination in einer NPC1 Drei-Stufen-Topologie zeigt;
- 5 eine symbolische Darstellung eines Leistungsmoduls mit einer IGBT/Diodenkombination in einer NBC2 Drei-Stufen-Topologie zeigt;
- 6 eine symbolische Darstellung eines Leistungsmoduls mit SiC-MOSFETs in einer NPC1 Drei-Stufen-Topologie zeigt;
- 7 eine symbolische Darstellung eines Leistungsmoduls mit SiC-MOSFETs in einer NPC2 Drei-Stufen-Topologie zeigt; und
- 8 eine Aufsicht auf ein beispielhaftes Leistungsmodul gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt.
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Detaillierte Beschreibung
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Die Ausführungsformen der Offenbarung werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen im Folgenden detailliert dargestellt. Es sollte beachtet werden, dass die folgenden Ausführungsformen nur veranschaulichend sind, den Umfang der Offenbarung daher nicht begrenzen sollen.
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Bezugnahmen in der Beschreibung auf „eine einzige Ausführungsform“, „eine Ausführungsform“, zeigen an, dass die Ausführungsform, die beschrieben ist, ein bestimmtes Merkmal, eine Struktur oder eine Eigenschaft aufweisen kann, aber es nicht notwendig ist, dass jede Ausführungsform das bestimmte Merkmal, die Struktur oder die Eigenschaft enthält. Darüber hinaus beziehen sich solche Begriffe nicht notwendigerweise auf dieselbe Ausführungsform. Ferner wird darauf hingewiesen, dass, wenn ein bestimmtes Merkmal, eine Struktur oder Eigenschaft in Verbindung mit einer Ausführungsform beschrieben ist, es für den Durchschnittsfachmann im Rahmen seines Wissens liegt, solch ein Merkmal, eine Struktur oder Eigenschaft in Verbindung mit anderen Ausführungsformen, egal ob explizit beschrieben oder nicht, bewirken kann.
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Es sollte verstanden werden, dass, obwohl die Begriffe „erste“ und „zweite“ usw. im Folgenden hierin verwendet sein können, um eine Vielzahl von Elementen zu beschreiben, diese Elemente durch diese Begriffe nicht beschränkt sein sollen. Diese Begriffe werden nur dazu verwendet, ein Element von einem anderen zu unterscheiden. Beispielsweise könnte ein erstes Element als ein zweites Element beschrieben werden und in ähnlicher Weise ein zweites Element als ein erstes Element beschrieben werden, ohne den Umfang der beispielhaften Ausführungsformen zu verlassen. So wie es hierin verwendet wird, enthält der Begriff „and/or“ jede beliebige Kombination von einem oder mehreren von damit verknüpften aufgelisteten Begriffen.
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Die hierin verwendete Terminologie dient ausschließlich dem Zweck, bestimmte Ausführungsformen zu beschreiben, und ist nicht dafür gedacht, auf beispielhafte Ausführungsformen zu beschränken. So wie sie hierin verwendet werden, haben die Einzahlformen „ein“, „eine“ und „eines“ und „der“, „die“, „das“ zum Ziel, auch die Pluralformen mit zu erfassen, außer der Kontext weist deutlich auf etwas Anderes hin. Ferner wird man verstehen, dass die Begriffe „aufweisen“, „aufweist“, „hat“, „haben“, „enthält“ und/oder „enthalten“, wenn sie hierin verwendet werden, die Anwesenheit genannter Merkmale, Elemente und/oder Komponenten usw. spezifiziert, jedoch nicht die Anwesenheit oder Hinzufügung einer oder weiterer Merkmale, Elemente, Komponenten und/oder Kombinationen dieser ausschließt.
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In der folgenden Beschreibung und den Ansprüchen haben alle technischen und wissenschaftlichen Begriffe, die hierin verwendet werden, die gleiche Bedeutung wie sie der Durchschnittsfachmann, an den sich diese Offenbarung richtet, im Allgemeinen versteht.
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1 zeigt eine Querschnittsansicht eines Leistungsmoduls 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung, und 2 zeigt eine perspektivische Ansicht des Leistungsmoduls gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Wie gezeigt ist, weist das Leistungsmodul 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung eine Kupfergrundplatte 110 mit zwei Substraten 120, die darauf angelötet sind, auf. Im Leistungsmodul 100 werden Direct Bonded Copper (DBC) Substrate verwendet. Die DBC Substrate sind mittels eines Sandwiches von Cu 122 (beispielsweise von 300 µm), Keramik 124 (beispielsweise AIN von 320µm) und Cu 126 (beispielsweise von 300µm) gebildet, wobei in der oberen Cu-Schicht 122 eine Schaltkreisstruktur gefunden werden kann, die Halbleiterschalter 130, Kondensatoren 150 und Gate-Widerstände 140 trägt. Aluminiumbonddrähte 160 werden für die oberseitige Verbindung der Matrize und für Zwischenverbindungen mit den Anschlussstiften 210, die die Signalanschlussstifte und Leistungsanschlussstifte des Leistungsmoduls 100 enthalten, verwendet. Die zwei DBC Substrate sind über Bonddrähte 220 verbunden. Das Leistungsmodul 100 ist mit einem geformten Plastikrahmen 170 (der die Kontaktanschlussstifte im Presssitz hält) eingekapselt. Er ist mit Silikongel 180 ausgefüllt. Der Rahmen ist mittels Metallbuchsen 230 befestigt. Das Leistungsmodul 100 ist mittels eines Plastikdeckels 300 geschlossen. 3 zeigt eine Ansicht des Leistungsmoduls 100 mit dem Deckel 300 an seinem Platz.
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Während des Zusammenbaus des Leistungsmoduls werden zunächst die Halbleiterschalter, Widerstände und Kondensatoren an das DBC Substrat gelötet. Danach wird das Substrat vorgetestet. Das getestete DBC wird dann an eine 3mm dicke Kupfergrundplatte, die mit einer Vernickelung bedeckt ist, angelötet. Danach wird der Plastikrahmen montiert; dies wird durch Bonden des Rahmens an die Grundplatte unter Verwendung von Silikonkleber erledigt. Zusätzlich werden der Rahmen und die Grundplatte mittels Metallbuchsen befestigt. Danach werden die Anschlussstifte und die Substrate in einem zweiten Bonding-Schritt mit Bonddrähten verbunden. Im letzten Schritt wird das Modul mit Silikongel gefüllt, der Deckel wird montiert und die Module werden in Bezug auf die Sicherheit der elektrischen Funktion getestet. Die Lötschritte können zu einem einzigen Lötschritt zusammengefasst werden, um den Prozessaufwand zu reduzieren und somit Kosten zu sparen.
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Das Leistungsmodul ist so gestaltet, dass es zwei hauptsächliche Eigenschaften erfüllt: hohe Leistungsumwandlungseffizienz und hohe Leistungsdichte. Faktoren wie Lebensdauer, Kosten und Qualität werden auch berücksichtigt.
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Um hohe Leistungsumwandlungseffizienz zu erreichen, wird eine Drei-Stufen-Topologie verwendet. Durch Verwenden einer Drei-Stufen-Topologie werden weniger externe Komponenten (also Filter) benötigt, weil die Sinuswellenform besser reproduziert wird. Gleichzeitig erhöht sich die gesamte Systemeffizienz.
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4 zeigt eine symbolische Darstellung eines Leistungsmoduls 400 mit konventioneller Siliziumtechnologie (hauptsächlich IGBT/Diodenkombination) in einer Neutral Point Clamped (NPC)1 Drei-Stufen-Topologie. 5 zeigt eine ähnliche symbolische Darstellung eines Leistungsmoduls 500 mit herkömmlicher Siliziumtechnologie (hauptsächlich IGBT/Diodenkombination) in einer NPC2 Drei-Stufen-Topologie. Wie gezeigt ist, sind zusätzlich Freilaufdioden D1, D4, D5 und D6 vorhanden. Die Einrichtungen benötigen die diskreten Diodenkomponenten in Gesellschaft mit den Halbleiterschaltern T1-4.
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In einer Ausführungsform können Hochleistungshalbleiter mit breiter Bandlücke, wie beispielsweise Silizium Carbid (SiC) Halbleiterschalter, verwendet werden, weil sie für gewöhnlich übliche Silizium-basierte Komponenten, also Isolierte Gate Bipolar Transistoren (IGBT), in der Leistung übertreffen.
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Die Halbleiter mit breiter Bandlücke (beispielsweise SiC-Halbleiterschalter) haben die Eigenschaft, sehr schnell umzuschalten, und haben deshalb geringere Schaltverluste als IGBTs. Die Halbleiter mit breiter Bandlücke, beispielsweise SiC-Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) haben eine höhere Effizienz und somit wird im Vergleich mit IGBTs weniger Kühlung benötigt. Die Drei-Stufen-Topologie kann die intrinsische MOSFET body diode verwenden und deshalb wird keine zusätzliche Si- oder SiC-Freilaufdiode benötigt, wie es beim IGBT basierten Drei-Stufen Leistungsmodul der Fall ist. Darüber hinaus benötigt das SiC-MOSFET weniger Platz auf dem Substrat, verglichen mit gleich bewertetem IGBT. Deshalb sind höhere Leistungsdichten möglich.
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6 zeigt eine symbolische Darstellung eines Leistungsmoduls 600 mit SiC MOSFETs in einer Neutral Point Clamped (NPC) 1 Drei-Stufen-Topologie. 7 zeigt eine ähnliche symbolische Darstellung eines Leistungsmoduls 700 mit SiC MOSFETs in einer NPC 2 Drei-Stufen-Topologie. Wie gezeigt ist, werden keine zusätzlichen Freilaufdioden in keinem der beiden Leistungsmodule benötigt. Es gibt vier Halbleiter, T1-T4, und zwei Substrate DBC1 und DBC2 innerhalb des Leistungsmoduls. Keine diskrete Diodenkomponente wird begleitend mit jedem der Halbleiter T1 -T4 verwendet. Die Bezugszeichen 1 bis 24 in den Figuren beziehen sich auf Anschlussstiftbezugszeichen des Leistungsmoduls.
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7 zeigt auch, dass die Halbleiter in dem Leistungsmodul 700 einen NPC2-Topologie Schaltkreis bilden, der über die zwei Substrate, DBC1 und DBC2, aufgeteilt ist. DBC1 trägt einen Halbbrückenschaltkreis, der T1 und T4 aufweist, und DBC2 trägt einen Zwei-Richtungs-Schalter-Schaltkreis, der T2 und T3 aufweist. Das bedeutet, dass DBC1 zwei Halbleiter trägt, die in Serie zwischen den positiven und negativen Anschlüssen des Leistungsmoduls verbunden sind und die Verbindung zwischen T1 und T4 ist mit dem Lastanschluss des Leistungsmoduls verbunden. DBC2 trägt zwei Halbleiter, die als ein Zwei-Richtungs-Schalter zwischen dem neutralen Anschluss und dem Lastanschluss des Leistungsmoduls verbunden sind.
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8 zeigt eine Aufsicht auf ein exemplarisches Leistungsmodul 800 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie gezeigt ist, sind acht Halbleiter vorhanden, wobei T1-T4 verglichen mit denen in 7 verdoppelt sind. DBC1 trägt T1 und T4 und DBC2 trägt T2 und T3. Mit anderen Worten wird jeder Transistor in 7 in 8 durch zwei parallel geschaltete Transistoren realisiert. Ähnlich wie in 7 verweisen die eingekreisten Bonddrähte auf die Verbindung zwischen den zwei DBC Substraten. Die Nummern 1-26 in der Fig. verweisen auf Anschlussstiftbezugszeichen des Leistungsmoduls.
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Die Offenbarung wurde oben unter Bezugnahme von Ausführungsformen von ihr beschrieben. Es sollte verstanden werden, dass verschiedene Modifizierungen, Veränderungen und Hinzufügungen durch den Durchschnittsfachmann vorgenommen werden können, ohne von dem Geist und dem Umfang der Offenbarung abzukommen. Deshalb ist der Umfang der Offenbarung nicht auf die obigen speziellen Ausführungsformen beschränkt, sondern nur durch die beigefügen Ansprüche definiert.
