DE102017219674A1 - Semiconductor power module with integrated capacitor - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf leistungselektronische Schaltungen, insbesondere leistungselektronische Schaltungen in einem Fahrzeug, die Halbleiter-Leistungsmodule und Zwischenkreiskondensatoren umfassen, beispielsweise die sogenannte Kommutierungszelle eines Inverters.

Figure DE102017219674A1_0000
The invention relates to power electronic circuits, in particular power electronic circuits in a vehicle, the semiconductor power modules and DC link capacitors, for example, the so-called commutation of an inverter.
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Description

Die Erfindung bezieht sich auf leistungselektronische Schaltungen, insbesondere leistungselektronische Schaltungen in einem Fahrzeug, die Halbleiter-Leistungsmodule und Zwischenkreiskondensatoren umfassen, beispielsweise die sogenannte Kommutierungszelle eines Inverters. Ein Inverter versorgt die E-Maschine in einem Hybrid- oder Elektrofahrzeug mit Leistung.The invention relates to power electronic circuits, in particular power electronic circuits in a vehicle, the semiconductor power modules and DC link capacitors, for example, the so-called commutation of an inverter. An inverter powers the electric motor in a hybrid or electric vehicle.

Nach aktuellem Stand der Technik werden in sogenannten hart schaltenden Invertern Halbbrücken-Module oder dreiphasige Module eingesetzt. Diese werden oft über Stromschienen direkt mit einem Zwischenkreiskondensator verbunden, wie dies in 1 dargestellt ist. Der Abstand zwischen den Stromschienen wird auf Grund der parasitären Induktivitäten so gering wie möglich gehalten und die Führung der Schienen wird möglichst parallel oder übereinander ausgeführt. Die parasitären Induktivitäten für die Gesamtschleife liegen dann im Bereich von 50-100 nH.According to the current state of the art, half-bridge modules or three-phase modules are used in so-called hard-switching inverters. These are often connected via bus bars directly to a DC link capacitor, as shown in 1 is shown. The distance between the busbars is kept as low as possible due to the parasitic inductances and the leadership of the rails is carried out as parallel or stacked as possible. The parasitic inductances for the total loop are then in the range of 50-100 nH.

Die relativ große Induktivität im Kommutierungspfad verursacht insbesondere bei schnell schaltenden Leistungshalbleitern mit di/dt > 3.000 A/µs große Spannungsspitzen („Spannungsüberschwinger“) beim Ausschaltvorgang. Aus diesem Grund muss die Schaltgeschwindigkeit (di/dt) begrenzt werden, damit die Sperrspannung der Leistungshalbleiter nicht erreicht bzw. überschritten wird. Da sich die Schaltverluste aus dem Produkt aus Strom und Spannung im Schaltvorgang errechnen, liefern solche Spannungsüberschwinger einen maßgeblichen Beitrag zu den Schaltverlusten. Zusätzlich limitiert die parasitäre Induktivität die Schaltgeschwindigkeiten, da eine größere Induktivität zu einer größeren Schwingneigung führt.The relatively large inductance in the commutation path causes large voltage peaks ("voltage overshoot") during switch-off, especially in the case of fast-switching power semiconductors with di / dt> 3,000 A / μs. For this reason, the switching speed (di / dt) must be limited so that the blocking voltage of the power semiconductors is not reached or exceeded. Since the switching losses from the product of current and voltage in the switching process are calculated, such voltage overshoots make a significant contribution to the switching losses. In addition, the parasitic inductance limits the switching speeds, as a larger inductance leads to a greater tendency to oscillate.

Bei Verwendung herkömmlicher IGBTs auf Siliziumbasis, die in Standard-Traktionsumrichtern zum Einsatz kommen, können die zuvor beschriebenen Phänomene beherrscht werden. Bei SiC-Leistungshalbleitern werden wesentlich höhere Schaltgeschwindigkeiten erreicht. Es werden für di/dt Werte im Bereich von 12.000 A/µs bis 40.000 A/µs erreicht. Daher führen die Spannungsüberschwinger beim Ausschalten und das sogenannte Ringing zu massiven Einschränkungen, so dass das SiC-Leistungshalbleitermaterial nicht vollständig ausgenützt werden kann.Using conventional silicon-based IGBTs used in standard traction converters, the phenomena previously described can be mastered. With SiC power semiconductors much higher switching speeds are achieved. Values in the range from 12,000 A / μs to 40,000 A / μs are achieved for di / dt. Therefore, the voltage overshoots at turn-off and the so-called ringing result in massive limitations, so that the SiC power semiconductor material can not be fully utilized.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung bestand darin, Anordnungen und Verfahren bereitzustellen, mit deren Hilfe die Summe der parasitären Induktivitäten bzw. die Gesamt-Streuinduktivität in leistungselektronischen Schaltungen verringert werden kann.An object of the present invention was to provide arrangements and methods by means of which the sum of the parasitic inductances or the total leakage inductance in power electronic circuits can be reduced.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 9. Ausgestaltungen der Vorrichtung und des Verfahrens ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.According to the invention the object is achieved by a device having the features of claim 1 and a method having the features of claim 9. Embodiments of the device and the method emerge from the dependent claims.

Ein Aspekt der erfindungsgemäßen Lösung ist es, einen in der leistungselektronischen Schaltung vorgesehenen Kondensator auf mehrere Komponenten aufzuteilen und eine kleinere Kapazität direkt im Leistungsmodul in der Nähe der Leistungshalbleiter bzw. direkt auf den Leistungshalbleitern zu platzieren, um die parasitären Induktivitäten zu reduzieren.One aspect of the solution according to the invention is to divide a capacitor provided in the power electronic circuit into several components and to place a smaller capacitance directly in the power module in the vicinity of the power semiconductors or directly on the power semiconductors in order to reduce the parasitic inductances.

Das Aufbringen von Kondensatoren auf Halbleiterbauteile ist im Prinzip bekannt.The application of capacitors to semiconductor devices is known in principle.

So offenbart die DE 199 40 200 A1 ein pyrotechnisches Zündsystem mit integrierter Zündschaltung, worin ein Halbleiterbauteil in Flip-Chip-Technik mit einem Zündkondensator verbunden ist. Das Halbleiterbauteil wird auf einen Kondensator aufgebracht, um eine kompaktere Gesamtschaltung zu realisieren.So revealed the DE 199 40 200 A1 a pyrotechnic ignition system with integrated ignition circuit, wherein a semiconductor device is connected in flip-chip technology with a starting capacitor. The semiconductor device is applied to a capacitor to realize a more compact overall circuit.

Aus der DE 11 2005 002 373 T5 ist ein geteilter Dünnschichtkondensator für mehrere Spannungen bekannt. Der Dünnschichtkondensator ist mittels Flip-Chip-Technik mit dem Substrat eines weiteren Halbleiterbauteils verbunden.From the DE 11 2005 002 373 T5 For example, a shared thin-film capacitor for multiple voltages is known. The thin-film capacitor is connected to the substrate of a further semiconductor component by means of flip-chip technology.

Aus der DE 10 2005 009 508 A1 geht die Herstellung eines an einer Oberfläche eines Bauteils montierbaren Flip-Chip-Kondensators hervor. Der Flip-Chip-Kondensator ist durch Leiterbahnen mit einem leitfähigen Pulver verbunden.From the DE 10 2005 009 508 A1 shows the production of a mountable on a surface of a component flip-chip capacitor out. The flip-chip capacitor is connected by conductive tracks with a conductive powder.

Gegenstand der Erfindung ist eine leistungselektronische Schaltung, die mindestens einen Leistungshalbleiter und mindestens zwei parallel geschaltete Kondensatoren Cbig und Csmall umfasst, wobei Cbig außerhalb eines den mindestens einen Leistungshalbleiter umfassenden Leistungsmoduls angeordnet ist und Csmall innerhalb des den mindestens einen Leistungshalbleiter umfassenden Leistungsmoduls angeordnet ist. In einer Ausführungsform weist Cbig eine größere Kapazität auf als Csmall . In einer weiteren Ausführungsform sind die Kondensatoren Cbig und Csmall Keramikkondensatoren. Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung liegt in der Minimierung der parasitären Induktivitäten bzw. der Streuinduktivität.The invention relates to a power electronic circuit, the at least one power semiconductor and at least two capacitors connected in parallel C big and C small includes, where C big is arranged outside of the at least one power semiconductor comprehensive power module and C small is arranged within the power module comprising the at least one power semiconductor. In an embodiment C big a larger capacity than C small , In another embodiment, the capacitors C big and C small Ceramic capacitors. The advantage of the solution according to the invention lies in the minimization of the parasitic inductances or the leakage inductance.

In einer Ausführungsform der Erfindung ist der mindestens eine Leistungshalbleiter ein IGBT. In einer anderen Ausführungsform ist der mindestens eine Leistungshalbleiter ein MOSFET. In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das Leistungsmodul mindestens einen Silizium-Leistungshalbleiter. In einer weiteren Ausführungsform umfasst das Leistungsmodul mindestens einen Siliziumkarbid-Leistungshalbleiter.In one embodiment of the invention, the at least one power semiconductor is an IGBT. In another embodiment, the at least one power semiconductor is a MOSFET. In one embodiment of the invention, the power module comprises at least one silicon power semiconductor. In a further embodiment, the power module comprises at least one silicon carbide power semiconductor.

In einer Ausführungsform der Erfindung ist das Leistungsmodul eine Halbbrückenschaltung, welche zwei Leistungshalbleiter und einen Kondensator Csmall umfasst. In einer weiteren Ausführungsform ist die leistungselektronische Schaltung eine Kommutierungszelle eines Inverters und umfasst mindestens eine Halbbrückenschaltung und einen Zwischenkreiskondensator Cbig . In einer weiteren Ausführungsform umfasst die leistungselektronische Schaltung mehrere, insbesondere drei, Halbbrückenschaltungen und einen Zwischenkreiskondensator Cbig , mit dem die Halbbrückenschaltungen verbunden sind. In einer anderen Ausführungsform umfasst die leistungselektronische Schaltung einen Zwischenkreiskondensator Cbig und ein dreiphasiges Invertermodul.In one embodiment of the invention, the power module is a half-bridge circuit comprising two power semiconductors and a capacitor C small includes. In a further embodiment, the power electronic circuit is a commutation cell of an inverter and comprises at least one half-bridge circuit and an intermediate circuit capacitor C big , In a further embodiment, the power electronic circuit comprises a plurality, in particular three, half-bridge circuits and an intermediate circuit capacitor C big to which the half-bridge circuits are connected. In another embodiment, the power electronic circuit comprises an intermediate circuit capacitor C big and a three-phase inverter module.

In einer Ausführungsform der Erfindung wird mindestens ein Keramikkondensator Csmall im Leistungsmodul zwischen HV+ und HVangeordnet, z.B. eingeklemmt. Der äußere Kondensator Cbig ist am Leistungsmodul angeschlossen. Die Kapazität des Kondensators Cbig kann jedoch auf Grund der modulinternen Kapazität reduziert werden.In one embodiment of the invention, at least one ceramic capacitor C small arranged in the power module between HV + and HV, eg clamped. The outer capacitor C big is connected to the power module. The capacity of the capacitor C big but can be reduced due to the module's internal capacity.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird der Kondensator Csmall direkt auf zwei Leistungshalbleitern angebracht, die Bestandteile einer Halbbrückenschaltung sind. Einer der beiden Leistungshalbleiter muss dann geflippt auf dem Substrat platziert werden.In a further embodiment of the invention, the capacitor C small mounted directly on two power semiconductors, which are components of a half-bridge circuit. One of the two power semiconductors must then be placed flipped on the substrate.

In einer Variante der Erfindung werden die Stromschleifen der Kondensatoren so gekoppelt, dass sich deren magnetische Flüsse kompensieren und dadurch die wirksame Streuinduktivität verringern. In einer Ausführungsform werden die Stromschleifen für Csmall und Cbig gekreuzt und die Kopplung zwischen den parasitären Induktivitäten wird ausgenutzt, damit sich die magnetischen Flüsse kompensieren und die wirksame Induktivität weiter verringert werden kann.In a variant of the invention, the current loops of the capacitors are coupled in such a way that their magnetic fluxes compensate and thereby reduce the effective leakage inductance. In one embodiment, the current loops for C small and C big is crossed and the coupling between the parasitic inductances is exploited to compensate for the magnetic fluxes and further reduce the effective inductance.

Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zur Verringerung der Streuinduktivität in leistungselektronischen Schaltungen, welche mindestens ein Leistungsmodul und mindestens eine Kapazität C umfassen. Das Leistungsmodul umfasst mindestens einen Leistungshalbleiter.The invention also provides a method for reducing stray inductance in power electronic circuits, which comprises at least one power module and at least one capacitor C include. The power module comprises at least one power semiconductor.

Im erfindungsgemäßen Verfahren wird die mindestens eine Kapazität C durch zwei parallel geschaltete Kondensatoren Cbig und Csmall gebildet, wobei die Summe der Kapazitäten der Kondensatoren Cbig und Csmall der Kapazität C entspricht. In einer Ausführungsform wird der Kondensator Cbig außerhalb des Leistungsmoduls angeordnet und der Kondensator Csmall innerhalb des Leistungsmoduls. In einer weiteren Ausführungsform werden die Stromschleifen der Kondensatoren Cbig und Csmall parallel geführt und durch die eine der beiden Schleifen wird der Strom in entgegengesetzter Richtung zu der Stromrichtung durch die andere Schleife geführt.In the method according to the invention, the at least one capacity C by two parallel connected capacitors C big and C small formed, the sum of the capacitances of the capacitors C big and C small the capacity C corresponds. In one embodiment, the capacitor becomes C big located outside the power module and the capacitor C small within the power module. In a further embodiment, the current loops of the capacitors C big and C small guided in parallel and through one of the two loops, the current is conducted in the opposite direction to the current direction through the other loop.

Zu den Vorteilen der vorliegenden Erfindung gehört es, dass sich die Streuinduktivität in einer leistungselektronischen Schaltung, beispielsweise einer Kommutierungsschleife, deutlich verringern lässt. Dadurch ergeben sich geringere Leistungsverluste. Ist die leistungselektronische Schaltung beispielsweise ein Inverter in einem elektrisch angetriebenen Fahrzeug, so resultiert ein geringerer Zyklusverbrauch.It is one of the advantages of the present invention that the stray inductance in a power electronic circuit, for example a commutation loop, can be significantly reduced. This results in lower power losses. If the power electronic circuit is, for example, an inverter in an electrically driven vehicle, the result is a lower cycle consumption.

Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass der Bauraumbedarf und das Gewicht einer leistungselektronischen Schaltung verringert werden können.Another advantage of the present invention is that the space requirement and the weight of a power electronic circuit can be reduced.

Die vorliegende Erfindung ermöglicht zudem eine maximale Ausnutzung der Leistungshalbleiter und Vorteile im EMV Verhalten. Die erfindungsgemäßen leistungselektronischen Schaltungen lassen sich mit einem geringeren Sicherheitsabstand zur Sperrspannung der Leistungshalbleiter betreiben, was Vorteile bei Kosten und Leistungsverlusten nach sich zieht.The present invention also allows maximum utilization of power semiconductors and advantages in EMC performance. The power electronic circuits according to the invention can be operated with a smaller safety margin to the blocking voltage of the power semiconductors, which entails advantages in terms of cost and power losses.

Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. It is understood that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the particular combination indicated, but also in other combinations or in isolation, without departing from the scope of the present invention.

Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Figuren illustriert und wird unter Bezugnahme auf die Figuren weiter beschrieben. Es zeigt:

  • 1 drei mit einem Zwischenkreiskondensator verbundene Halbbrückenmodule in perspektivischer Darstellung;
  • 2 ein elektrisches Ersatzschaltbild einer Halbbrücke inklusive Kondensator;
  • 3 den Strom- und Spannungsverlauf bei einem Ausschaltvorgang in einem Halbbrückenmodul des Standes der Technik;
  • 4 ein elektrisches Ersatzschaltbild einer erfindungsgemäßen Halbbrücke inklusive Kondensatoren ;
  • 5 ein elektrisches Ersatzschaltbild einer anderen erfindungsgemäßen Halbbrücke inklusive Kondensatoren ;
  • 6 eine perspektivische Darstellung einer Anordnung eines Keramikkondensators auf zwei MOSFETs in Flip-Chip-Technik mit gekreuzten Stromflüssen;
  • 7 a) eine schematische Draufsicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Leistungsmoduls; 7 b) den DC-Leitungspfad in dem Leistungsmodul; 7 c) den Leitungspfad zu dem Kondensator des Leistungsmoduls;
  • 8 a) eine schematische Seitenansicht einer anderen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Leistungsmoduls; 8 b) eine perspektivische Darstellung des Leistungsmoduls; 8 c) den DC-Leitungspfad in dem Leistungsmodul; 8 d) den Leitungspfad zu dem Kondensator des Leistungsmoduls;
  • 9 a) eine schematische Draufsicht einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Leistungsmoduls; 9 b) den DC-Leitungspfad in dem Leistungsmodul; 9 c) den Leitungspfad zu dem Kondensator des Leistungsmoduls.
The invention is illustrated by means of embodiments in the figures and will be further described with reference to the figures. It shows:
  • 1 three connected to a link capacitor half bridge modules in perspective view;
  • 2 an electrical equivalent circuit of a half-bridge including capacitor;
  • 3 the current and voltage during a turn-off in a half-bridge module of the prior art;
  • 4 an electrical equivalent circuit diagram of a half-bridge according to the invention including capacitors;
  • 5 an electrical equivalent circuit diagram of another half-bridge according to the invention including capacitors;
  • 6 a perspective view of an arrangement of a ceramic capacitor on two MOSFETs in flip-chip technology with crossed current flows;
  • 7 a) a schematic plan view of an embodiment of a power module according to the invention; 7 b) the DC line path in the power module; 7c) the conduction path to the capacitor of the power module;
  • 8 a) a schematic side view of another embodiment of a power module according to the invention; 8 b) a perspective view of the power module; 8c) the DC line path in the power module; 8 d) the conduction path to the capacitor of the power module;
  • 9 a) a schematic plan view of another embodiment of a power module according to the invention; 9 b) the DC line path in the power module; 9 c) the conduction path to the capacitor of the power module.

1 zeigt schematisch drei mit einem Zwischenkreiskondensator 12 verbundene Halbbrückenmodule 11 in perspektivischer Darstellung. Die Halbbrückenmodule 11 sind über Stromschienen 13 mit dem Zwischenkreiskondensator 12 verbunden. 1 shows schematically three with a DC link capacitor 12 connected half-bridge modules 11 in perspective view. The half-bridge modules 11 are over power rails 13 with the DC link capacitor 12 connected.

2 zeigt ein elektrisches Ersatzschaltbild einer Halbbrücke inklusive Kondensator Cbig , wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist. Die Halbbrücke umfasst zwei MOSFETs, MOSFET1 (high side) und MOSFET2 (low side). Eingezeichnet sind auch die im Modul auftretenden Streuinduktivitäten L1 , L2 , L3 . 2 shows an electrical equivalent circuit of a half-bridge including capacitor C big as known in the art. The half-bridge comprises two MOSFETs, MOSFET1 (high side) and MOSFET2 (low side). Also marked are the leakage inductances occurring in the module L 1 . L 2 . L 3 ,

3 zeigt den Strom- und Spannungsverlauf bei einem Ausschaltvorgang in einem Halbbrückenmodul des Standes der Technik. Die Kurven zeigen den bei einem exemplarischen Ausschaltvorgang gemessenen Verlauf von Strom und Spannung über die Zeit. Wie aus dem Diagramm ersichtlich, beträgt die maximale Änderung der Stromstärke di/dt = -3000 A/µs. Es entsteht eine Spannungsspitze mit einer Überspannung ΔU von ca. 160 V. 3 shows the current and voltage curve in a turn-off in a half-bridge module of the prior art. The curves show the course of current and voltage measured over an exemplary switch-off process over time. As can be seen from the diagram, the maximum change in the current intensity is di / dt = -3000 A / μs. The result is a voltage peak with an overvoltage ΔU of about 160 V.

In 4 ist ein elektrisches Ersatzschaltbild einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Halbbrücke gezeigt. Anstelle eines einzigen Kondensators Cbig sind zwei parallel geschaltete Kondensatoren Cbig und Csmall vorhanden. Der Kondensator Csmall ist direkt an den Leistungshalbleitern angebracht und weist eine wesentlich geringere Kapazität auf als Cbig . Auch die im Leitungspfad des Kondensators Csmall auftretenden Streuinduktivitäten L3 und L4 sind wesentlich kleiner als die im Leitungspfad des Kondensators Cbig auftretenden Streuinduktivitäten L1 und L5, (L1 >> L3 und L5 >> L4). In 4 an electrical equivalent circuit diagram of an embodiment of a half-bridge according to the invention is shown. Instead of a single capacitor C big are two parallel capacitors C big and C small available. The capacitor C small is attached directly to the power semiconductors and has a much lower capacity than C big , Also in the conduction path of the capacitor C small occurring stray inductances L 3 and L 4 are much smaller than those in the conduction path of the capacitor C big occurring stray inductances L 1 and L 5 , (L 1 >> L 3 and L 5 >> L 4 ).

5 zeigt ein elektrisches Ersatzschaltbild einer anderen Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Halbbrücke. Bei dieser Ausführungsform kreuzen sich die Schleifen mit den beiden parallel geschalteten Kondensatoren Cbig und Csmall . Dadurch sind die Stromrichtungen in den beiden Kondensatoren gegenläufig, die Kopplung zwischen den parasitären Induktivitäten L1 und L3 sowie L5 und L4 führt zu einer Kompensation des erzeugten magnetischen Flusses und einer weiteren Verringerung der wirksamen Streuinduktivität. Auch bei dieser Ausführungsform ist der Kondensator Csmall direkt an den Leistungshalbleitern angebracht. 5 shows an electrical equivalent circuit diagram of another embodiment of a half-bridge according to the invention. In this embodiment, the loops intersect with the two capacitors connected in parallel C big and C small , As a result, the current directions in the two capacitors in opposite directions, the coupling between the parasitic inductances L 1 and L 3 such as L 5 and L 4 leads to a compensation of the generated magnetic flux and a further reduction of the effective leakage inductance. Also in this embodiment, the capacitor C small attached directly to the power semiconductors.

6 ist eine perspektivische Prinzipdarstellung einer Anordnung eines Keramikkondensators 61 auf zwei MOSFETs in Flip-Chip-Technik mit gekreuzten Stromflüssen. Der Keramikkondensator 61, der Csmall entspricht, ist über die Anschlüsse 62 und 63 mit den Leistungshalbleitern verbunden. Der Zwischenkreiskondensator Cbig wird über die Anschlüsse 64 und 65 mit dem Modul verbunden und ist in der Zeichnung nicht dargestellt. 6 is a perspective schematic representation of an arrangement of a ceramic capacitor 61 on two MOSFETs in flip-chip technology with crossed current flows. The ceramic capacitor 61 , the C small is equivalent, is about the connections 62 and 63 connected to the power semiconductors. The DC link capacitor C big is about the connections 64 and 65 connected to the module and is not shown in the drawing.

Nachfolgend werden drei Bauartvarianten für erfindungsgemäße leistungselektronische Module beschrieben und untereinander verglichen. Jedes Modul umfasst zwei MOSFETs, die eine Halbbrücke bilden. Eine Entstörschaltung mit Kondensatoren (snubber circuit) wird eingesetzt, um den schnellen Spannungsanstieg über einen Transistor zu dämpfen. Ein Kondensator ist direkt in dem Modul angeordnet. Die Simulation der Module erfolgte mit der Software ANSYS Q3D. Es wurden die Gesamtinduktivität für Gleichstrom und der Gesamtwiderstand für Gleichstrom jedes Moduls berechnet.Hereinafter, three design variants for power electronic modules according to the invention are described and compared with each other. Each module comprises two MOSFETs forming a half-bridge. A snubber circuit is used to attenuate the rapid increase in voltage across a transistor. A capacitor is placed directly in the module. The simulation of the modules was done with the software ANSYS Q3D. The total inductance for DC and the total resistance for DC of each module were calculated.

Ein erstes Moduldesign ist in 7 gezeigt. Bei dieser Variante sind die Leistungshalbleiter (MOSFET1, MOSFET2) koplanar angeordnet. Die Anschlüsse DC+ und DC- des Moduls sind dicht beieinander angeordnet, damit die erzeugten Magnetfelder sich überlagern und auslöschen. Ein Kondensator (nicht gezeigt) ist über die Anschlüsse 71 mit dem Modul verbunden. Die MOSFETs sind über dünne Folien 74 mit den Kupferplatten 76, 77 verbunden. Anschlussfolien 74 verbinden MOSFET1 (high side) mit einem Anschluss 75 auf der Kupferplatte 78 und MOSFET2 (low side) mit einem Anschluss 75 auf der Kupferplatte 77. In dem Design werden keine Verbindungsdrähte eingesetzt, um das von den Drähten erzeugte Magnetfeld zu vermeiden und elektromagnetische Interferenzen zu verringern.A first module design is in 7 shown. In this variant, the power semiconductors (MOSFET1, MOSFET2) are arranged coplanar. The DC + and DC- terminals of the module are located close together so that the generated magnetic fields overlap and cancel out. A capacitor (not shown) is above the terminals 71 connected to the module. The MOSFETs are over thin films 74 with the copper plates 76 . 77 connected. connection films 74 connect MOSFET1 (high side) to one terminal 75 on the copper plate 78 and MOSFET2 (low side) with one terminal 75 on the copper plate 77 , The design does not use bonding wires to prevent the magnetic field generated by the wires and reduce electromagnetic interference.

Nachfolgend sind die Dimensionen der Einzelkomponenten zusammengefasst:

  • • Kupferplatte 76: 10 mm x 20 mm x 0,2 mm;
  • • Kupferplatte 78: 10 mm x 9 mm x 0,2 mm;
  • • Kupferplatte 77: 14 mm x 10 mm x 0,2 mm + 3 mm x 10 mm x 0,2 mm;
  • • MOSFET1: 7 mm x 7 mm x 0,3 mm;
  • • MOSFET2: 7 mm x 7 mm x 0,3 mm;
  • • DC+ / DC- Anschlüsse (Kupfer): 2 mm x 1 mm x 4,6 mm;
  • • Anschlussfolien 74: 4 mm x 7 mm x 0,5 mm.
The dimensions of the individual components are summarized below:
  • • copper plate 76 : 10mm x 20mm x 0.2mm;
  • • copper plate 78 : 10mm x 9mm x 0.2mm;
  • • copper plate 77 : 14mm x 10mm x 0.2mm + 3mm x 10mm x 0.2mm;
  • • MOSFET1: 7mm x 7mm x 0.3mm;
  • • MOSFET2: 7mm x 7mm x 0.3mm;
  • • DC + / DC terminals (copper): 2 mm x 1 mm x 4.6 mm;
  • • Connection foils 74 : 4mm x 7mm x 0.5mm.

In 7 b) ist der Stromfluss in dem Modul von der Quelle 72 zur Senke 73 durch Pfeile symbolisiert. Die Gesamtinduktivität der Anordnung wird zu 15,332 nH berechnet, der Gesamtwiderstand zu 0,507 mΩ. In 7 c) ist der Leitungspfad zu dem im Bild nicht eingezeichneten Kondensator, der über die Anschlüsse 71 mit dem Modul verbunden ist, durch Pfeile symbolisiert. Mit der Software ANSYS Q3D wurden auch Wechselstrom induktivitäten und Wechselstromwiderstände bei verschiedenen Frequenzen für das Modul berechnet, jeweils für den Strompfad und den Leitungspfad zu dem internen Kondensator. Es wurden folgende Ergebnisse erhalten: Strompfad Leitungspfad Frequenz Induktivität Widerstand Induktivität Widerstand 10 kHz 14,480 nH 0,567 mΩ 3,028 nH 0,159 mΩ 100 kHz 12,709 nH 1,067 mΩ 2,704 nH 0,254 mΩ 1 MHz 11,837 nH 2,872 mΩ 2,512 nH 0,685 mΩ In 7 b) is the current flow in the module from the source 72 to the valley 73 symbolized by arrows. The total inductance of the device is calculated to be 15.332 nH, the total resistance to 0.507 mΩ. In 7c) is the conduction path to the capacitor not shown in the picture, via the connections 71 connected to the module, symbolized by arrows. The ANSYS Q3D software also calculates AC inductors and AC resistors at different frequencies for the module, respectively for the current path and the conduction path to the internal capacitor. The following results were obtained: current path conduction path frequency inductance resistance inductance resistance 10 kHz 14,480 nH 0.567 mΩ 3.028 nH 0.159mΩ 100 kHz 12.709 nH 1.067 mΩ 2,704 nH 0.254 mΩ 1 MHz 11,837 nH 2,872 mΩ 2,512 nH 0.685 mΩ

Ein zweites Moduldesign ist in 8 gezeigt. Bei dieser Variante sind die Leistungshalbleiter (MOSFET1, MOSFET2) aufeinander angeordnet. Die Abmessungen des Moduls sind deutlich kleiner, das gesamte Modul ist sehr kompakt. Das Modul kann von beiden Seiten gekühlt werden. Der Strom fließt durch die parallelen Kupferplatten 86, 87 in entgegengesetzten Richtungen, wodurch die erzeugten Magnetfelder sich überlagern und auslöschen. Ein Kondensator (nicht gezeigt) ist über die Anschlüsse 81 mit dem Modul verbunden. Die MOSFETs sind über die Kupferplatten 88 miteinander verbunden.A second module design is in 8th shown. In this variant, the power semiconductors (MOSFET1, MOSFET2) are arranged on top of each other. The dimensions of the module are significantly smaller, the entire module is very compact. The module can be cooled from both sides. The current flows through the parallel copper plates 86 . 87 in opposite directions, causing the generated magnetic fields to overlap and cancel. A capacitor (not shown) is above the terminals 81 connected to the module. The MOSFETs are above the copper plates 88 connected with each other.

8 b) zeigt eine perspektivische Darstellung des Moduls mit eingezeichneten Abmessungen a-e. Die Abmessungen betragen:

  • • a 16 mm;
  • • b 12 mm;
  • • c 6,7 mm;
  • • d 10 mm;
  • e 5,6 mm.
8 b) shows a perspective view of the module with drawn dimensions ae. The dimensions are:
  • • a 16 mm;
  • • b 12 mm;
  • • c 6.7 mm;
  • • d 10 mm;
  • • 5.6 mm.

In 8 c) ist der Stromfluss in dem Modul von der Quelle 82 zur Senke 83 durch Pfeile symbolisiert. Die Gesamtinduktivität des Moduls wurde zu 10,489 nH berechnet, der Gesamtwiderstand zu 0,315 mΩ. In 8 d) ist der Leitungspfad zu dem im Bild nicht eingezeichneten Kondensator, der über die Anschlüsse 81 mit dem Modul verbunden ist, durch Pfeile symbolisiert. Mit der Software ANSYS Q3D wurden auch Wechselstrom induktivitäten und Wechselstromwiderstände bei verschiedenen Frequenzen für das Modul berechnet, jeweils für den Strompfad und den Leitungspfad zu dem internen Kondensator. Es wurden folgende Ergebnisse erhalten: Strompfad Leitungspfad Frequenz Induktivität Widerstand Induktivität Widerstand 10 kHz 10,054 nH 0,345 mΩ 1,818 nH 0,105 mΩ 100 kHz 9,218 nH 0,605 mΩ 1,667 nH 0,161 mΩ 1 MHz 8,708 nH 1,734 mΩ 1,536 nH 0,492 mΩ In 8c) is the current flow in the module from the source 82 to the valley 83 symbolized by arrows. The total inductance of the module was calculated to be 10.489 nH, the total resistance to 0.315 mΩ. In 8 d) is the conduction path to the capacitor not shown in the picture, via the connections 81 connected to the module, symbolized by arrows. The ANSYS Q3D software also calculates AC inductors and AC resistors at different frequencies for the module, respectively for the current path and the conduction path to the internal capacitor. The following results were obtained: current path conduction path frequency inductance resistance inductance resistance 10 kHz 10,054 nH 0.345 mΩ 1,818 nH 0.105 mΩ 100 kHz 9.218 n 0.605 mΩ 1,667 nH 0.161 mΩ 1 MHz 8.708 nH 1.734 mΩ 1.536 nH 0.492 mΩ

Ein drittes Moduldesign ist in 9 gezeigt. Bei dieser Variante sind die Leistungshalbleiter (MOSFET1, MOSFET2) nebeneinander angeordnet und MOSFET1 ist auf den Rücken gedreht („geflippt“). Der Strom fließt durch die Kupferplatten 96, 97 und die parallele Kupferplatte 98 in entgegengesetzten Richtungen, wodurch die erzeugten Magnetfelder sich überlagern und auslöschen, wodurch elektromagnetische Interferenzen reduziert werden. Ein Kondensator (nicht gezeigt) ist über die Anschlüsse 91 mit dem Modul verbunden. Die Gates 94, 95 der MOSFETs sind seitlich aus dem Modul herausgeführt. Das Modul kann von beiden Seiten gekühlt werden.A third module design is in 9 shown. In this variant, the power semiconductors (MOSFET1, MOSFET2) are arranged side by side and MOSFET1 is turned on the back ("flipped"). The current flows through the copper plates 96 . 97 and the parallel copper plate 98 in opposite directions, causing the generated magnetic fields to be superimposed and canceled, thereby reducing electromagnetic interference. A capacitor (not shown) is above the terminals 91 connected to the module. The gates 94 . 95 The MOSFETs are led out of the module at the side. The module can be cooled from both sides.

Nachfolgend sind die Dimensionen der Einzelkomponenten zusammengefasst:

  • • Kupferplatte 96: 8 mm × 8,5 mm × 0,2 mm;
  • • Kupferplatte 98: 10 mm × 17 mm × 0,2 mm;
  • • Kupferplatte 97: 8 mm × 8 mm × 0,2 mm;
  • • MOSFET1: 7 mm × 7 mm × 0,3 mm;
  • • MOSFET2: 7 mm × 7 mm × 0,3 mm;
  • • DC+ / DC- Anschlüsse (Kupfer): 1 mm × 1 mm × 1,8 mm.
The dimensions of the individual components are summarized below:
  • • copper plate 96 : 8 mm × 8.5 mm × 0.2 mm;
  • • copper plate 98 : 10 mm × 17 mm × 0.2 mm;
  • • copper plate 97 : 8 mm × 8 mm × 0.2 mm;
  • • MOSFET1: 7 mm × 7 mm × 0.3 mm;
  • • MOSFET2: 7 mm × 7 mm × 0.3 mm;
  • • DC + / DC terminals (copper): 1 mm × 1 mm × 1.8 mm.

In 9 b) ist der Stromfluss in dem Modul von der Quelle 92 zur Senke 93 durch Pfeile symbolisiert. Die Gesamtinduktivität des Moduls wurde zu 3,779 nH berechnet, der Gesamtwiderstand zu 0,519 mΩ. In 9 c) ist der Leitungspfad zu dem im Bild nicht eingezeichneten Kondensator, der über die Anschlüsse 91 mit dem Modul verbunden ist, durch Pfeile symbolisiert. Mit der Software ANSYS Q3D wurden auch Wechselstrominduktivitäten und Wechselstromwiderstände bei verschiedenen Frequenzen für das Modul berechnet, jeweils für den Strompfad und den Leitungspfad zu dem internen Kondensator. Es wurden folgende Ergebnisse erhalten: Strompfad Leitungspfad Frequenz Induktivität Widerstand Induktivität Widerstand 10 kHz 3,599 nH 0,53 mΩ 1,686 nH 0,219 mΩ 100 kHz 3,133 nH 0,71 mΩ 1,577 nH 0,273 mΩ 1 MHz 2,775 nH 1,52 mΩ 1,431 nH 0,653 mΩ In 9 b) is the current flow in the module from the source 92 to the valley 93 symbolized by arrows. The total inductance of the module was calculated to be 3.799 nH, the total resistance to 0.519 mΩ. In 9 c) is the conduction path to the capacitor not shown in the picture, via the connections 91 connected to the module, symbolized by arrows. The ANSYS Q3D software also calculated AC inductances and AC resistances at different frequencies for the module, respectively for the current path and the conduction path to the internal capacitor. The following results were obtained: current path conduction path frequency inductance resistance inductance resistance 10 kHz 3,599 nH 0.53 mΩ 1,686 nH 0.219 mΩ 100 kHz 3,133 nH 0.71mΩ 1.577 nH 0.273 mΩ 1 MHz 2.775 nH 1.52 mΩ 1,431 nH 0.653mΩ

Die folgende Tabelle zeigt einen Vergleich der parasitären Induktivitäten, die in den in den 7 bis 9 dargestellten Leistungsmodulen auftreten, berechnet für verschiedene Leitungspfade im jeweiligen Modul: Pfad Induktivität [nH] 7 8 9 DC+ zu DC- 15,332 10,489 3,779 Gate-Source-Schleife 1,524 1,95 3,336 DC+ zu Drain 6,185 5,036 1,862 DC- zu Source 9,103 5,443 1,862 The following table shows a comparison of the parasitic inductances used in the 7 to 9 shown power modules calculated for different line paths in each module: path Inductance [nH] 7 8th 9 DC + to DC 15.332 10.489 3,779 Gate-source loop 1.524 1.95 3,336 DC + to drain 6,185 5,036 1,862 DC to Source 9.103 5,443 1,862

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1111
Leistungsmodulpower module
1212
ZwischenkreiskondensatorLink capacitor
1313
Stromschieneconductor rail
6161
Keramikkondensatorceramic capacitor
6262
HV+ Csmall HV + C small
6363
HV- Csmall HV-C small
6464
Anschluss HV+ Cbig Connection HV + C big
6565
Anschluss HV- Cbig Connection HV- C big
7171
Anschluss KondensatorConnection capacitor
7272
Quellesource
7373
Senkedepression
7474
leitfähige Folieconductive foil
7575
Anschluss MOSFETConnection MOSFET
7676
Kupferplattecopperplate
7777
Kupferplattecopperplate
7878
Kupferplattecopperplate
8181
Anschluss KondensatorConnection capacitor
8282
Quellesource
8383
Senkedepression
8686
Kupferplattecopperplate
8787
Kupferplattecopperplate
8888
Kupferplattecopperplate
9191
Anschluss KondensatorConnection capacitor
9292
Quellesource
9393
Senkedepression
9494
Gate MOSFET1Gate MOSFET1
9595
Gate MOSFET2Gate MOSFET2
9696
Kupferplattecopperplate
9797
Kupferplattecopperplate
9898
Kupferplattecopperplate

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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Claims (10)

Leistungselektronische Schaltung, welche mindestens einen Leistungshalbleiter und mindestens zwei parallel geschaltete Kondensatoren Cbig und Csmall umfasst, wobei Cbig außerhalb eines den mindestens einen Leistungshalbleiter umfassenden Leistungsmoduls angeordnet ist und Csmall innerhalb des den mindestens einen Leistungshalbleiter umfassenden Leistungsmoduls angeordnet ist.Power electronic circuit comprising at least one power semiconductor and at least two capacitors C big and C small connected in parallel, wherein C big is arranged outside a power module comprising the at least one power semiconductor and C small is arranged inside the power module comprising the at least one power semiconductor. Leistungselektronische Schaltung nach Anspruch 1, worin das Leistungsmodul mindestens eine Halbbrückenschaltung umfasst, welche zwei Leistungshalbleiter und einen Kondensator Csmall aufweist.Power electronic circuit according to Claim 1 wherein the power module comprises at least one half-bridge circuit having two power semiconductors and a capacitor C small . Leistungselektronische Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, welche eine Kommutierungszelle eines Inverters bildet und mindestens eine Halbbrückenschaltung und einen Zwischenkreiskondensator Cbig umfasst.Power electronic circuit according to Claim 1 or 2 which forms a commutation cell of an inverter and comprises at least a half-bridge circuit and a DC link capacitor Cbig. Leistungselektronische Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, worin die Kondensatoren Cbig und Csmall Keramikkondensatoren sind.Power electronic circuit according to one of Claims 1 to 3 in which the capacitors Cbig and Csmall are ceramic capacitors. Leistungselektronische Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, worin der mindestens eine Leistungshalbleiter ein IGBT ist.Power electronic circuit according to one of Claims 1 to 4 wherein the at least one power semiconductor is an IGBT. Leistungselektronische Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, worin der mindestens eine Leistungshalbleiter ein MOSFET ist.Power electronic circuit according to one of Claims 1 to 4 wherein the at least one power semiconductor is a MOSFET. Leistungselektronische Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, worin der Kondensator Csmall direkt auf zwei Leistungshalbleitern angebracht ist, die Bestandteile einer Halbbrückenschaltung sind.Power electronic circuit according to one of Claims 1 to 6 in which the capacitor Csmall is mounted directly on two power semiconductors which are components of a half-bridge circuit. Leistungselektronische Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, worin die Stromschleifen der Kondensatoren Cbig und Csmall so gekoppelt sind, dass sich die Streuinduktivitäten der Stromschleifen zumindest teilweise gegenseitig aufheben.Power electronic circuit according to one of Claims 1 to 7 in which the current loops of the capacitors Cbig and Csmall are coupled such that the stray inductances of the current loops at least partially cancel each other out. Verfahren zur Verringerung der Streuinduktivität in einer leistungselektronischen Schaltung, welche mindestens ein mindestens einen Leistungshalbleiter umfassendes Leistungsmodul und mindestens eine Kapazität C umfasst, worin die mindestens eine Kapazität C durch zwei parallel geschaltete Kondensatoren Cbig und Csmall gebildet wird, wobei die Summe der Kapazitäten der Kondensatoren Cbig und Csmall der Kapazität C entspricht, und wobei der Kondensator Cbig außerhalb des Leistungsmoduls angeordnet wird und der Kondensator Csmall innerhalb des Leistungsmoduls angeordnet wird.Method for reducing the leakage inductance in a power electronic circuit, which comprises at least one power module comprising at least one power semiconductor and at least one capacitor C, wherein the at least one capacitor C is formed by two capacitors Cbig and Csmall connected in parallel, the sum of the capacitances of the capacitors Cbig and Csmall corresponds to the capacitance C, and wherein the capacitor Cbig is placed outside the power module and the capacitor Csmall is placed inside the power module. Verfahren nach Anspruch 9, worin die Stromschleifen der Kondensatoren Cbig und Csmall parallel geführt sind und worin durch die eine der beiden Schleifen der Strom in entgegengesetzter Richtung zu der Stromrichtung durch die andere Schleife geführt wird.Method according to Claim 9 in which the current loops of the capacitors Cbig and Csmall are led in parallel and in which the current through the other loop is passed through one of the two loops in the opposite direction to the current direction.
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