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Die Erfindung betrifft eine Stromrichtereinrichtung mit einem elektrisch miteinander verschaltete Leistungshalbleiterbauelemente aufweisenden Stromrichter.
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Die Leistungshalbleiterbauelemente sind dabei häufig elektrisch zu einer einzelnen oder mehreren sogenannten Halbbrückenschaltungen verschalten, die z.B. zum Gleich- und Wechselrichten von elektrischen Spannungen und Strömen verwendet werden.
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Technikübliche Stromrichter weisen einen ersten Gleichspannungspotentiallastanschluss und einen zweiten Gleichspannungspotentiallastanschluss auf, zwischen denen im Betrieb des Stromrichters eine elektrische Gleichspannung anliegt.
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Um z.B. eine Beschädigung des Stromrichters im Falle einer zu hohen anliegenden Gleichspannung zwischen dem ersten Gleichspannungspotentiallastanschluss und dem zweiten Gleichspannungspotentiallastanschluss zu vermeiden oder z.B. um den Stromrichter optimiert zu steuern, wird bei techniküblichen Stromrichtereinrichtungen häufig die Gleichspannung, mittels einer Spannungsermittlungsschaltung ermittelt und z.B. einer Überspannungsschutzschaltung und/oder einer Steuereinrichtung zur Steuerung des Stromrichters als Eingangsgröße zugeführt.
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Da die zwischen dem ersten Gleichspannungspotentiallastanschluss und dem zweiten Gleichspannungspotentiallastanschluss anliegende Gleichspannung in der Regel einen relativ hohen Spannungswert annehmen kann (z.B. größer als 23V), wird die Gleichspannung bei techniküblichen Stromrichtereinrichtungen mittels auf einer Leiterplatte angeordneter elektrisch in Reihe geschalteter diskreter Widerstände heruntergeteilt und die heruntergeteilte Gleichspannung einem auf der Leiterplatte angeordneten Auswerteschaltung als Eingangsgröße zugeführt. Da jeder der Widerstände auf einem anderen Spannungspotential liegt, müssen diese auf der Leiterplatte ausreichend elektrisch voneinander und von anderen auf der Leiterlatte angeordneten elektrischen Bauelementen isoliert angeordnet sein. Insbesondere müssen dabei z.B. notwendige elektrischen Kriechstrecken zwischen den Widerständen untereinander und zwischen den Widerständen und sonstigen auf der Leiterlatte angeordneten elektrischen Bauelementen eingehalten werden. Hierdurch wird viel Platz auf der Leiterplatte für die Anordnung der Widerstände benötigt. Aus der
DE 10 2014 112 517 B3 ist als Lösung zur Reduzierung des Platzbedarfs auf der Leiterplatte bekannt, die durch die elektrisch in Reihe geschalteten Widerstände ausgebildete Reihenschaltung im Form eines speziellen elektrischen Widerstandkabels, das elektrisch in Reihe geschaltete diskrete Widerstände aufweist, auszubilden.
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Wenn zwischen dem ersten Gleichspannungspotentiallastanschluss und dem zweiten Gleichspannungspotentiallastanschluss ein Kondensator elektrisch geschaltet ist, dann wird häufig die sicherheitstechnische Anforderung gestellt, dass der Kondensator, wenn ihm, z.B. nach einem Ausschalten oder Abklemmen des Stromrichters, keine elektrische Energie mehr zugeführt wird, nach einer bestimmten Zeit unter einen bestimmten Spannungswert entladen sein muss. Aus der
DE 10 2008 010 978 A1 ist hierzu bekannt den Kondensator, mittels eines parallel zum Kondensator elektrisch geschalteten Widerstands, zu entladen.
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Es ist Aufgabe der Erfindung eine Stromrichtereinrichtung mit einem Stromrichter zu schaffen, bei dem der Platzbedarf zur Realisierung einer zwischen einem ersten Gleichspannungspotentiallastanschluss und einen zweiten Gleichspannungspotentiallastanschluss des Stromrichters elektrisch geschalteten Reihenschaltung aus elektrischen Widerständen gering ist.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Stromrichtereinrichtung mit einem elektrisch miteinander verschaltete Leistungshalbleiterbauelemente aufweisenden Stromrichter, der einen ersten Gleichspannungspotentiallastanschluss und einen zweiten Gleichspannungspotentiallastanschluss zwischen denen im Betrieb des Stromrichters eine elektrische Gleichspannung anliegt, aufweist und mit einem Halbleiterbauelement, das einen Halbleiterkörper, elektrisch in Reihe geschaltete elektrische Widerstände, eine zwischen dem Halbleiterkörper und den Widerständen angeordnete elektrisch nicht leitende erste Isolationsschicht und einen ersten und einen zweiten Anschlusskontakt, die über die elektrisch in Reihe geschalteten Widerstände miteinander elektrisch leitend verbunden sind, aufweist, wobei der erste Anschlusskontakt mit dem ersten Gleichspannungspotentiallastanschluss und der zweite Anschlusskontakt mit dem zweiten Gleichspannungspotentiallastanschluss elektrisch leitend verbunden ist.
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Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Es erweist sich als vorteilhaft, wenn die Widerstände aus einem Metall, einer Metalllegierung, einem Silizid oder aus einem Halbleitermaterial, insbesondere aus dotiertem Polysilizium, insbesondere aus n-dotiertem Polysilizium, bestehen, da die Widerstände dann mit besonders geringen Fertigungstoleranzen untereinander hergestellt werden können.
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Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn die erste Isolationsschicht aus Siliziumoxid oder Siliziumnitrid oder aus einem Imid besteht, da dann eine zuverlässige elektrische Isolation der Widerstände sichergestellt ist.
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Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Dicke der ersten Isolationsschicht mindestens 5µm, insbesondere mindestens 8µm, insbesondere mindestens 10µm beträgt, da dann eine besonders hohe elektrische Isolation der Widerstände sichergestellt ist.
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Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Anzahl der Widerstände mindestens 10, insbesondere mindestens 100, insbesondere mindestens 300 beträgt.
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Ferner erweist es sich als vorteilhaft, wenn alle Widerstände einen identischen Widerstandswert aufweisen, da dann die Widerstände besonders einfach gefertigt werden können. Die Widerstände sind vorzugsweise identisch ausgebildet. Die Widerstände sind vorzugsweise mit dem gleichen technologischen Verfahren parallel hergestellt.
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Ferner erweist es sich als vorteilhaft, wenn die durch die elektrisch in Reihe geschalteten Widerstände ausgebildete Reihenschaltung über mindestens 40%, insbesondere über mindestens 50%, insbesondere über mindestens 70%, der dem Halbleiterkörper abgewandten Hauptfläche der Isolationsschicht verteilt angeordnet sind. Hierdurch wird im Betrieb eine homogene Erwärmung der Widerstände sichergestellt, so dass die an den einzelnen Widerständen auftretenden Spannungsabfälle bei Erwärmung des Halbleiterbauelements, konstant bleiben, was eine hochgenaue Messung der Zwischenkreisspannung ermöglicht.
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Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn die durch die elektrisch in Reihe geschalteten Widerstände ausgebildete Reihenschaltung einen mäanderförmigen Verlauf aufweist. Hierdurch wird eine effiziente gleichmäßige Verteilung der Widerstände über Halbleiterkörper abgewandten Hauptfläche der Isolationsschicht ermöglicht.
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Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn zwischen dem ersten Gleichspannungspotentiallastanschluss und dem zweiten Gleichspannungspotentiallastanschluss ein Kondensator elektrisch geschaltet ist, wobei der elektrische Gesamtwiderstand der Widerstände einen derartigen Wert aufweist, dass der Kondensator wenn zu einem ersten Zeitpunkt der Spannungswert der Gleichspannung einem für den Betrieb der Stromrichtereinrichtung vorgesehenen Nenngleichspannungswert, der größer als 60V ist, entspricht und dem Kondensator ab dem ersten Zeitpunkt keine elektrische Energie mehr zugeführt wird, er durch die Widerstände maximal 600s nach dem ersten Zeitpunkt, insbesondere maximal 360s nach dem ersten Zeitpunkt, derart entladen ist, dass der Spannungswert der Gleichspannung maximal 60V beträgt. Hierdurch kann die sicherheitstechnische Anforderung realisiert werden, dass der Kondensator, wenn ihm, z.B. nach einem Ausschalten oder Abklemmen des Stromrichters, keine elektrische Energie mehr zugeführt wird, er nach einer bestimmten Zeitdauer unter einen bestimmten Spannungswert entladen ist.
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Ferner erweist es sich als vorteilhaft, wenn das Halbleiterbauelement einen dritten Anschlusskontakt aufweist, wobei der dritte Anschlusskontakt mit einem elektrischen Spannungsabgriffskontakt der elektrisch in Reihe geschalteten Widerstände elektrisch leitend verbunden ist, wobei der Spannungsabgriffskontakt elektrisch zwischen einem ersten Teil und einem zweiten Teil der elektrisch in Reihe geschalteten Widerstände angeordnet ist, da dann das Halbleiterbauelement einen Spannungssensor zur Messung der Gleichspannung, d.h. der Zwischenkreisspannung des Stromrichters, ausbildet.
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In diesem Zusammenhang erweist es sich als vorteilhaft, wenn der erste Teil der elektrisch in Reihe geschalteten Widerstände genau einen einzelnen Widerstand umfasst, wobei dieser Widerstand zwischen dem Spannungsabgriffskontakt und dem ersten oder dem zweiten Gleichspannungspotentiallastanschluss elektrisch geschaltet ist, da dann das Halbleiterbauelement besonders einfach ausgebildet ist.
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Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Widerstände mittels einer strukturierten Metallschicht miteinander elektrisch verschalten sind, da dann das Halbleiterbauelement besonders einfach hergestellt werden kann.
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In diesem Zusammenhang erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Anschlusskontakte integraler Bestandteil der strukturierten Metallschicht sind, da dann das Halbleiterbauelement besonders einfach hergestellt werden kann.
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Ferner erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Widerstände in eine elektrisch nicht leitende zweite Isolationsschicht eingebettet sind. Hierdurch wird die elektrische Isolationsfestigkeit des Halbleiterbauelements erhöht.
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In diesem Zusammenhang erweist es sich als vorteilhaft, wenn der Abstand einer der ersten Isolationsschicht abgewandten Hauptfläche der zweiten Isolationsschicht von der strukturierten Metallschicht mindestens 1µm, insbesondere mindestens 3µm beträgt, da dann die zweite Isolationsschicht eine gute mechanische Belastbarkeit aufweist.
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Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn das Halbleiterbauelement auf einem Substrat der Stromrichtereinrichtung auf dem die Halbleiterbauelemente angeordnet sind, angeordnet ist oder dass das Halbleiterbauelement auf einer Leiterplatte der Stromrichtereinrichtung angeordnet ist. Durch das Substrat oder die Leiterplatte wird das Halbleiterbauelement effizient gekühlt.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die unten stehenden Figuren erläutert. Dabei zeigen:
- 1 eine erfindungsgemäße Stromrichtereinrichtung,
- 2 eine Draufsicht auf Anschlusskontakte und auf elektrisch in Reihe geschalteten Widerstände eines Halbleiterbauelements der erfindungsgemäßen Stromrichtereinrichtung und
- 3 eine Schnittansicht eines Halbleiterbauelements der erfindungsgemäßen Stromrichtereinrichtung.
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Es sei angemerkt, dass es sich bei den Figuren um schematisierte Zeichnungen handelt.
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In 1 ist eine erfindungsgemäße Stromrichtereinrichtung 1 dargestellt, die einen elektrisch miteinander verschaltete Leistungshalbleiterbauelemente T1 und D1 aufweisenden Stromrichter 2 aufweist. Der Stromrichter 2 weist weiterhin einen elektrisch leitenden ersten Gleichspannungspotentiallastanschluss DC-, und einen elektrisch leitenden zweiten Gleichspannungspotentiallastanschluss DC+, zwischen denen im Betrieb des Stromrichters 2 eine elektrische Gleichspannung U anliegt, auf. Vorzugsweise weist der erste Gleichspannungspotentiallastanschluss DC- eine negative elektrische Polarität und der zweite Gleichspannungspotentiallastanschluss DC+ eine positive elektrische Polarität auf. Die Leistungshalbleiterbauelemente T1 und D1 sind vorzugsweise elektrisch zwischen den ersten und zweiten Gleichspannungspotentiallastanschluss DC- und DC+ geschalten. Das jeweilige Leistungshalbleiterbauelement liegt im Allgemeinen in Form eines Leistungshalbleiterschalters oder einer Diode vor. Die Leistungshalbleiterschalter liegen dabei im Allgemeinen in Form von Transistoren, wie z.B. IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor) oder MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) oder in Form von Thyristoren vor.
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Im Rahmen des Ausführungsbeispiels weist der Stromrichter 2 einen Wechselspannungsanschluss AC auf. Wenn der Stromrichter 2 im Wechselrichterbetrieb arbeitet, wird die zwischen dem ersten und zweiten Gleichspannungspotentiallastanschluss DC- und DC+ anliegende Gleichspannung U vom Stromrichter 2 in eine Wechselspannung wechselgerichtet. Wenn der Stromrichter 2 im Gleichrichterbetrieb arbeitet, wird eine am Wechselspannungsanschluss AC anliegende Wechselspannung in die zwischen dem ersten und zweiten Gleichspannungspotentiallastanschluss DC- und DC+ anliegende Gleichspannung U gleichgerichtet. Die Gleichspannung U wird fachüblich auch als Zwischenkreisspannung bezeichnet. Die Gleichspannung U ist die Zwischenkreisspannung des Leistungszwischenkreises des Stromrichters 2. Die Gleichspannung U weist im Allgemeinen einen Spannungswert von größer als 23V insbesondere von größer als 500V und insbesondere von größer als 1100V auf. Die Wechselspannung AC kann dabei als 1-phasige oder mehrphasige, insbesondere 3-phasige Wechselspannung vorliegen. Die Leistungshalbleiterbauelemente T1 und D1 sind vorzugsweise auf einem Substrat 20 angeordnet, das in 1 punktiert gezeichnet schematisiert dargestellt ist. Das Substrat 20 kann z.B. als Direct Copper Bonded Substrat (DCB-Substrat), als Aktive Metal Brazing Substrat (AMB-Substrat) oder als Insulated Metal Substrats (IMS) ausgebildet sein kann. Es sei angemerkt, dass ein Stromrichter selbstverständlich auch eine andere Schaltungstopologie aufweisen kann und die Leistungshalbleiterbauelemente eines Stromrichters beliebig miteinander elektrisch verschaltet sein können.
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Vorzugsweise sind die Leistungshalbleiterbauelemente eines Stromrichters zu mindestens einer Halbbrückenschaltung 14 (siehe 1) verschalten, wobei die mindestens eine Halbbrückenschaltung 14 elektrisch zwischen dem ersten und zweiten Gleichspannungspotentiallastanschluss DC- und DC+ geschalten ist. Beim Ausführungsbeispiel weist der Stromrichter 2 mehrere elektrisch parallel geschaltete Halbbrückenschaltungen 14 auf. Es sei angemerkt, dass die jeweilige Halbbrückenschaltung auch in Form einer techniküblichen Multi-Level-Halbbrückenschaltung und insbesondere in Form einer techniküblichen 3-Level-Halbbrückenschaltung ausgebildet sein kann. Den Leistungshalbleiterschaltern T1 ist im Rahmen des Ausführungsbeispiels, bei denen die Leistungshalbleiterschalter als IGBTs ausgebildet sind, jeweilig eine Freilaufdiode D2 elektrisch antiparallel geschaltet, was nicht notwendiger Weise so sein muss. Im Rahmen des dargestellten Ausführungsbeispiels erzeugt der Stromrichter 2 aus der zwischen dem ersten und zweiten Gleichspannungspotentiallastanschluss DC- und DC+ anliegenden Gleichspannung U am Wechselspannungsanschluss AC eine 3-phasige Wechselspannung.
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Die Stromrichtereinrichtung 1 weist erfindungsgemäß ein spezielles Halbleiterbauelement 3 auf, mittels dessen die Eingangs beschrieben elektrisch in Reihe geschalteten Widerstände realisiert sind. Hierdurch ist der Platzbedarf zur Realisierung einer zwischen dem ersten Gleichspannungspotentiallastanschluss DC- und dem zweiten Gleichspannungspotentiallastanschluss DC+ des Stromrichters 2 elektrisch geschalteten Reihenschaltung aus elektrischen Widerständen R gering.
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In 2 ist eine Draufsicht auf Anschlusskontakte A1, A2 und A3, auf Verbindungsleiterbahn 6' und auf die elektrisch in Reihe geschaltete Widerstände R des Halbleiterbauelements 3 dargestellt, wobei der Übersichtlichkeit halber In 2 weitere Elemente des Halbleiterbauelements 3 nicht dargestellt sind. In 3 ist eine Schnittansicht entlang einer in 2 dargestellten strichpunktierten Schnittlinie S verlaufenden Schnitts des Halbleiterbauelements 3 dargestellt, wobei das Halbleiterbauelement 3 auf dem Substrat 20 oder, wie auch in 1 punktiert gezeichnet schematisiert dargestellt, auf einer Leiterplatte 21 der Stromrichtereinrichtung 1 angeordnet sein kann.
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Das Halbleiterbauelement 3 weist einen Halbleiterkörper 4, die elektrisch in Reihe geschalteten elektrischen Widerstände R, eine zwischen dem Halbleiterkörper 4 und den Widerständen R angeordnete elektrisch nicht leitende erste Isolationsschicht 5 und einen ersten und zweiten Anschlusskontakt A1 und A2, die über die elektrisch in Reihe geschalteten Widerstände R miteinander elektrisch leitend verbunden sind, auf.
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Der erste Anschlusskontakt A1 ist mit dem ersten Gleichspannungspotentiallastanschluss DC- und der zweite Anschlusskontakt A2 mit dem zweiten Gleichspannungspotentiallastanschluss DC+ elektrisch leitend verbunden.
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Der Halbleiterkörper 4 besteht aus einem Halbleitermaterial, wie z.B. dotiertem Silizium. Der Halbleiterkörper 4 weist vorzugsweise eine Dicke von 600µm bis 1000 µm und insbesondere von 800µm auf.
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Die erste Isolationsschicht 5 besteht vorzugsweise aus Siliziumoxid oder Siliziumnitrid oder aus einem Imid. Die Dicke d1 der ersten Isolationsschicht 5 beträgt mindestens 5µm, insbesondere mindestens 8µm, insbesondere mindestens 10µm. Die erste Isolationsschicht 5 ist auf dem Halbleiterkörper 4, insbesondere direkt auf dem Halbleiterkörper 4, angeordnet. Beim Ausführungsbeispiel beträgt die Dicke d1 der ersten Isolationsschicht 10µm.
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Die Widerstände R sind auf der ersten Isolationsschicht 5, insbesondere direkt auf ersten Isolationsschicht 5, angeordnet. Die Widerstände R bestehen vorzugsweise aus einem Metall, einer Metalllegierung, einem Silizid oder aus einem Halbleitermaterial, insbesondere aus dotiertem Polysilizium, insbesondere aus n-dotiertem Polysilizium. Die Widerstände R können dabei z.B. mittels techniküblicher Abscheide-, Maskierungs-, Ätzprozesse hergestellt werden. Dabei können die Widerstände R aus mehreren übereinanderliegenden Schichten aus dem betreffenden Material bestehen. Dadurch, dass die Herstellung der Widerstände R mittels in der Halbleitertechnik techniküblicher hochpräziser Abscheide-, Maskierungs-, Ätzprozesse erfolgt, können diese, gegenüber der aus dem Stand der Technik bekannten Verwendung von einer Vielzahl von in Reihe geschalteten diskreten Widerständen, in großer Anzahl mit hoher Genauigkeit und geringem Platzbedarf hergestellt werden. Der Widerstandswert des jeweiligen Widerstands R weist vorzugsweise bezogen auf den arithmetischen Mittelwert der Widerstandswerte aller Widerstände R eine maximale Toleranz von kleiner ±0,5%, insbesondere von kleiner ±0,4% und insbesondere von kleiner ±0,3% auf.
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Die Anzahl der Widerstände R beträgt vorzugsweise mindestens 10, insbesondere mindestens 100, insbesondere mindestens 300.
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Vorzugsweise weisen alle Widerstände R einen identischen Widerstandswert auf. Es sei diesbezüglich angemerkt, dass dabei die Widerstandswerte der Widerstände R im Rahmen der üblichen Fertigungstoleranz schwanken können.
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Die durch die elektrisch in Reihe geschalteten Widerstände R ausgebildete Reihenschaltung 13 ist über mindestens 40%, insbesondere über mindestens 50%, insbesondere über mindestens 70%, der dem Halbleiterkörper 4 abgewandten Hauptfläche 5a der Isolationsschicht 5 verteilt angeordnet, d.h. die Fläche 13' die zur Realisierung der Reihenschaltung 13 benötigt wird, beträgt mindestens 40%, insbesondere mindestens 50%, insbesondere mindestens 70% der Hauptfläche 5a der Isolationsschicht 5. Die Fläche 13' ist in 2 gestrichelt umrahmt dargestellt. Die durch die elektrisch in Reihe geschalteten Widerstände R ausgebildete Reihenschaltung 13 weist vorzugsweise einen mäanderförmigen Verlauf auf.
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Zwischen dem ersten Gleichspannungspotentiallastanschluss DC- und dem zweiten Gleichspannungspotentiallastanschluss DC+ ist vorzugsweise ein Kondensator C elektrisch geschaltet. Der Kondensator C wird fachüblich auch als Zwischenkreiskondensator bezeichnet. Der elektrische Gesamtwiderstand der Widerstände R weist vorzugsweise einen derartigen Wert auf, dass der Kondensator C wenn zu einem ersten Zeitpunkt der Spannungswert der Gleichspannung U einem für den Betrieb der Stromrichtereinrichtung 1 vorgesehenen Nenngleichspannungswert, der größer als 60V ist, entspricht und dem Kondensator C ab dem ersten Zeitpunkt keine elektrische Energie mehr zugeführt wird, er durch die Widerstände R, genauer ausgedrückt ausschließlich durch die Widerstände R, maximal 600s nach dem ersten Zeitpunkt, insbesondere maximal 360s nach dem ersten Zeitpunkt, derart entladen ist, dass der Spannungswert der Gleichspannung U maximal 60V beträgt. Hierdurch wird die sicherheitstechnische Anforderung realisiert, dass der Kondensator C, wenn ihm ab dem ersten Zeitpunkt, z.B. nach einem Ausschalten oder Abklemmen des Stromrichters 2, keine elektrische Energie mehr zugeführt wird und ihm nur durch die Widerstände R elektrische Energie entnommen wird, nach einer bestimmten Zeitdauer unter einen bestimmten Spannungswert entladen ist. Der Wert des elektrischen Gesamtwiderstands der Widerstände R entspricht der Summe der Widerstandswerte der elektrisch in Reihe geschalteten Widerstände R.
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Vorzugsweise weist das Halbleiterbauelement 3 einen dritten Anschlusskontakt A3 auf, wobei der dritte Anschlusskontakt A3 mit einem elektrischen Spannungsabgriffskontakt 12 der elektrisch in Reihe geschalteten Widerstände R elektrisch leitend verbunden ist, wobei der Spannungsabgriffskontakt 12 elektrisch zwischen einem ersten Teil 13a und einem zweiten Teil 13b der elektrisch in Reihe geschalteten Widerstände R angeordnet ist. Der Spannungsabgriffskontakt 12 wird durch eine elektrisch leitende Verbindungsleiterbahn 6', die in der Reihenschaltung 13 zwei hintereinander angeordnete Widerstände R miteinander elektrisch leitend verbindet, gebildet. Der erste Teil 13a der elektrisch in Reihe geschalteten Widerstände R umfasst vorzugsweise genau einen einzelnen Widerstand R1, wobei dieser Widerstand R1 entweder, wie beim Ausführungsbeispiel, zwischen dem Spannungsabgriffskontakt 12 und dem ersten Gleichspannungspotentiallastanschluss A1 oder zwischen dem Spannungsabgriffskontakt 12 und dem zweiten Gleichspannungspotentiallastanschluss A2 elektrisch geschaltet ist.
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Wenn das Halbleiterbauelement 3 den dritten Anschlusskontakt A3 aufweist, dann bildet das Halbleiterbauelement 3 einen Spannungssensor zur Messung der Gleichspannung U, d.h. der Zwischenkreisspannung des Stromrichters 2 aus. Die Gleichspannung U erzeugt einen zur Gleichspannung U proportionalen durch die elektrisch in Reihe geschalten Widerstände R fließenden Gleichstrom Ia. Der Gleichstrom Ia erzeugt am ersten Teil 13a der elektrisch in Reihe geschalteten Widerstände R, d.h. beim Ausführungsbeispiel am Widerstand R1, einen zur Gleichspannung U proportionalen Spannungsabfall, den das Halbleiterbauelement 3 beim Ausführungsbeispiel zwischen dem dritten Anschlusskontakt A3 und dem ersten Anschlusskontakt A1 als Ausgangsspannung Ua ausgibt. Im Rahmen des Ausführungsbeispiels weist die Stromrichtereinrichtung 1 eine Auswerteschaltung 11 auf, die eine zur Ausgangsspannung Ua proportionale Auswerteschaltungausgangsspannung Ub erzeugt. Die Auswerteschaltungausgangsspannung Ub ist proportional zur Gleichspannung U. Die Auswerteschaltung 11 weist einen sehr hohen Eingangswiderstand auf, so dass der in das Halbleiterbauelement 3 hinein einfließende Strom Ia mit dem aus dem Halbleiterbauelement 3 herausfließenden Strom Ia in guter Näherung übereinstimmt. Die Auswerteschaltung 11 ist vorzugsweise auf einer Leiterplatte 21 der Stromrichtereinrichtung 1, die in 1 punktiert gezeichnet schematisiert dargestellt ist, angeordnet. Die Auswerteschaltungausgangsspannung Ub kann z.B. einer Überspannungsschutzschaltung und/oder einer Steuereinrichtung zur Steuer des Stromrichters 2 als Eingangsgröße zugeführt werden. Hierdurch kann z.B. eine Beschädigung des Stromrichters 2 im Falle einer zu hohen Gleichspannung U vermieden werden bzw. der Stromrichter 2 optimiert gesteuert werden.
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Die oben beschriebene Ausbildung des Halbleiterbauelements 3 als Spannungssensor zur Messung der Gleichspannung U, d.h. der Zwischenkreisspannung des Stromrichters 2 ist, insbesondere in Zusammenwirkung mit der oben beschriebenen Ausbildung des Gesamtwiderstands der Widerstände R derart, dass der Kondensator C, wenn zu einem ersten Zeitpunkt der Spannungswert der Gleichspannung U einem für den Betrieb der Stromrichtereinrichtung 1 vorgesehenen Nenngleichspannungswert, der größer als 60V ist, entspricht und dem Kondensator C ab dem ersten Zeitpunkt keine elektrische Energie mehr zugeführt wird, er durch die Widerstände R, genauer ausgedrückt ausschließlich durch die Widerstände R, maximal 600s nach dem ersten Zeitpunkt, insbesondere maximal 360s nach dem ersten Zeitpunkt, derart entladen ist, dass der Spannungswert der Gleichspannung U maximal 60V beträgt, sehr vorteilhaft. Hierdurch ist durch das Halbleiterbauelement 3 und somit durch ein einzelnes elektrisches Bauelement sehr platzsparend sowohl eine Spannungsmessung der Zwischenkreisspannung U wie auch die sicherheitstechnische Anforderung realisiert, dass der Kondensator C, wenn ihm, z.B. nach einem Ausschalten oder Abklemmen des Stromrichters 2, keine elektrische Energie mehr zugeführt wird und ihm nur durch die Widerstände R elektrische Energie entnommen wird, nach einer bestimmten Zeitdauer unter einen bestimmten Spannungswert entladen ist.
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Die Widerstände R sind vorzugsweise mittels einer strukturierten Metallschicht 6 miteinander elektrisch verschalten. Die Metallschicht 6 kann z.B. aus Aluminium bestehen. Das Material aus dem die Widerstände R ausgebildet sind weist vorzugsweise einen deutlich höheren (z.B. mindestens zehnfach höher, insbesondere mindestens einhundertfach höher) spezifischen Widerstand auf wie das Material aus dem die strukturierte Metallschicht 6 besteht. Die Metallschicht 6 bildet infolge ihrer Struktur elektrisch leitende Verbindungsleiterbahnen 6' aus, mittels derer die Widerstände R untereinander und die elektrische Reihenschaltung 13 mit den jeweiligen Anschlusskontakten A1, A2 bzw. A3 elektrisch leitend miteinander verbunden sind. Die Widerstände R sind vorzugsweise zwischen der strukturierten Metallschicht 6 und der ersten Isolationsschicht 5 angeordnet. Der jeweilige Anschlusskontakt A1, A2 bzw. A3 ist vorzugsweise integraler Bestandteil der strukturierten Metallschicht 6.
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Die Widerstände R sind vorzugsweise in eine elektrisch nicht leitende zweite Isolationsschicht 7, die z.B. aus Siliziumoxid oder Siliziumnitrid oder aus einem Imid bestehen kann, eingebettet. Die Widerstände R sind dabei vorzugsweise vollständig von der zweiten Isolationsschicht 7 bedeckt. Der Abstand a einer der ersten Isolationsschicht 5 abgewandten Hauptfläche 7a der zweiten Isolationsschicht 7 von der strukturierten Metallschicht 6 beträgt vorzugsweise mindestens 1µm, insbesondere mindestens 3µm. Die Verbindungsleiterbahnen 6' sind mittels innerhalb der Isolationsschicht 7 verlaufenden elektrisch leitfähigen Durchkontaktierungen 9 mit den Widerständen R elektrisch leitend verbunden. Der jeweilige Anschlusskontakt A1, A2 bzw. A3 ist vorzugsweise ebenfalls in der Isolationsschicht 7 eingebettet, wobei die zweite Isolationsschicht 7 Ausnehmungen 10 aufweist, durch die die jeweiligen Anschlusskontakten A1, A2 bzw. A3 von Außen zur elektrischen Kontaktierung zugänglich sind. Die zweite Isolationsschicht 7 weist, wenn auch nicht explizit dargestellt, einen mehrschichtigen Aufbau auf. Zunächst wird eine Grundschicht der zweiten Isolationsschicht 7 auf der ersten Isolationsschicht 5 bzw. auf den Widerständen R, angeordnet, welche Öffnungen für die Durchkontaktierungen 9 aufweist. Anschließend wird mittels techniküblicher Abscheide-, Maskierungs- und Ätzprozesse die strukturierte Metallschicht 6 auf der Grundschicht der zweiten Isolationsschicht 7 aufgebracht, wobei sich dabei auch die Durchkontaktierungen 9 ausbilden. Anschließend wird eine strukturierte Deckschicht der zweiten Isolationsschicht 7, die die Ausnehmungen 10 aufweist, auf der strukturierten Metallschicht 6 und der Grundschicht der Isolationsschicht 7 angeordnet.
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Das Halbleiterbauelement 3 kann auf dem Substrat 20 der Stromrichtereinrichtung 1, auf dem die Halbleiterbauelemente T1 und D1 angeordnet sind, angeordnet sein oder, insbesondere in einem isolierenden Gehäuse, auf der Leiterplatte 21 der Stromrichtereinrichtung 1 angeordnet sein. Die dem Substrat 20 oder der Leiterplatte 21 zugewandte Rückseite des Halbleiterbauelements 3 ist vorzugsweise mit dem ersten Gleichspannungspotentiallastanschluss A1 elektrisch leitend verbunden. Die Leiterplatte 21 weist vorzugsweise als elektrisch isolierendes Material faserverstärkten Kunststoff auf, auf dem elektrisch leitende Leiterbahnen angeordnet sind. Das Halbleiterbauelement 3 ist dabei vorzugsweise, wie beispielhaft in 3 dargestellt, mittels einer zwischen dem Halbleiterbauelement 3 und dem Substrat 20 oder der Leiterplatte 21 angeordneten Klebeschicht 11 mit dem Substrat 20 oder der Leiterplatte 21 verbunden. Die Klebeschicht 11 besteht vorzugsweise aus einem elektrisch leitfähigen Klebstoff, der vorzugsweise auch gut thermisch leitfähig ist.
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Das Halbleiterbauelement 3 kann, wie beim Ausführungsbeispiel, in Form eines ungehäusten Bauelements vorliegen, aber auch in Form eines gehäusten Bauelements (mit einem Gehäuse z.B. aus Transfer Mold) vorliegen.
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Beim Ausführungsbeispiel beträgt z.B. der Spannungswert der Gleichspannung U maximal 1200V und die Anzahl der Widerstände R 400, wobei jeder Widerstand R einen Widerstandwert von 3kΩ aufweist. Der Gesamtwiderstand der Widerstände R weist somit eine Wert von 1,2MΩ auf. Am Widerstand R1 fällt somit eine Spannung von maximal 3V ab, so dass der Spannungswert der Ausgangsspannung Ua maximal 3V beträgt. Der Stromwert des Gleichstroms Ia beträgt somit maximal 1mA.
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Entsprechend dem Spannungswert der Gleichspannung U wird die Anzahl N der identischen Widerstände R vorzugsweise so gewählt, dass der Spannungsabfall über dem ersten Widerstand R1, einen Wert entspricht (z.B. 3V), der mit der Auswerteschaltung 11 leicht ausgewertet werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014112517 B3 [0005]
- DE 102008010978 A1 [0006]
