DE102019115498B4 - Power electronic submodule with direct and alternating potential connection areas and arrangement herewith - Google Patents

Power electronic submodule with direct and alternating potential connection areas and arrangement herewith Download PDF

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Abstract

Leistungselektronisches Submodul (2) mit einer Schalteinrichtung mit einem Substrat (4), das eine erste Gleichpotentialleiterbahn (42) mit einer hierauf angeordneten ersten Gleichpotentialverbindungsfläche (426) und eine zweite Gleichpotentialleiterbahn (44) mit einer hierauf angeordneten zweiten Gleichpotentialverbindungsfläche (446), wobei die Gleichpotentialverbindungsflächen (426,446) vorzugsweise unmittelbar benachbart zueinander angeordnet sind, sowie eine Wechselpotentialleiterbahn (43) und hierauf eine Wechselpotentialverbindungsfläche (436) aufweist, mit einer Mehrzahl von Leistungshalbleiterbauelementen (50) und mit einer internen Verbindungseinrichtung (52,54), wobei die erste und zweite Gleichpotentialverbindungsfläche (426,446) wie auch die Wechselpotentialverbindungsfläche (436) dazu ausgebildet und vorgesehen sind mittels einer Klemmeinrichtung (7), die eine Isolierstoffhülse (74) aufweist durch die ein Klemmelement (70) hindurch verläuft oder wobei das Klemmelement (70) selbst elektrisch isolierend ausgebildet ist, direkt, polaritätsrichtig und elektrisch leitend mit externen, nicht zum Submodul (2) gehörigen, Gleichpotential- bzw. Wechselpotentialverbindungselementen (60,64) verbunden zu werden, wodurch gleichzeitig das Substrat (4) in den Abschnitten der Gleichpotentialverbindungsflächen (426,446) wie auch der Wechselpotentialverbindungsfläche (436) auf eine Auflageeinrichtung (3) gepresst wird, wobei das Substrat (4) eine erste durchgehende Ausnehmung (400) aufweist und hierbei die Wechselpotentialverbindungsfläche (436) benachbart zu dieser ersten Ausnehmung (400) oder diese umschließend angeordnet ist und wobei das Substrat (4) eine zweite durchgehende Ausnehmung (402) aufweist und hierbei die erste und zweite Gleichpotentialverbindungsfläche (426,446) benachbart zu dieser zweiten Ausnehmung (402) angeordnet sind oder wobei die zweite Ausnehmung (402) zwischen der ersten und zweiten Gleichpotentialverbindungsfläche (426,446) angeordnet ist.Electronic power submodule (2) with a switching device with a substrate (4) which has a first DC potential conductor track (42) with a first DC potential connection area (426) arranged thereon and a second DC potential conductor track (44) with a second DC potential connection area (446) arranged thereon, the DC potential connection surfaces (426, 446) are preferably arranged directly adjacent to one another, and has an AC potential conductor track (43) and an AC potential connection surface (436) thereon, with a plurality of power semiconductor components (50) and with an internal connection device (52, 54), the first and second DC potential connection surface (426,446) as well as the AC potential connection surface (436) are designed and provided for this purpose by means of a clamping device (7) which has an insulating material sleeve (74) through which a clamping element (70) runs, or the clamping element (70) is itself designed to be electrically insulating, to be connected directly, with the correct polarity and electrically conductively, to external direct potential or alternating potential connecting elements (60, 64) that do not belong to the submodule (2), whereby the substrate (4) in the sections of the direct potential connecting surfaces ( 426, 446) as well as the alternating potential connection surface (436) is pressed onto a support device (3), the substrate (4) having a first continuous recess (400) and the alternating potential connection surface (436) adjacent to this first recess (400) or surrounding it and wherein the substrate (4) has a second continuous recess (402) and the first and second DC potential connection areas (426, 446) are arranged adjacent to this second recess (402) or the second recess (402) between the first and second DC potential connection surface (426.446) is arranged.

Description

Die Erfindung beschreibt ein leistungselektronisches Submodul mit einer Schalteinrichtung mit einem Substrat, das eine erste Gleichpotentialleiterbahn, eine zweite Gleichpotentialleiterbahn, sowie eine Wechselpotentialleiterbahn aufweist, mit einer Mehrzahl von Leistungshalbleiterbauelementen und mit einer internen Verbindungseinrichtung. Die Erfindung beschreibt weiterhin eine Anordnung mit einem derartigen Submodul oder einer Mehrzahl hiervon und mit einer Auflageeinrichtung hierfür, die insbesondere als eine Kühleinrichtung ausgebildet sein kann.The invention describes a power electronic submodule with a switching device with a substrate that has a first DC potential conductor track, a second DC potential conductor track and an AC potential conductor track, with a plurality of power semiconductor components and with an internal connecting device. The invention also describes an arrangement with such a submodule or a plurality of them and with a support device for this, which can be designed in particular as a cooling device.

Die DE 10 2017 115 883 A1 offenbart als Stand der Technik ein Submodul und eine Anordnung hiermit, wobei das Submodul eine Schalteinrichtung mit einem Substrat und hierauf angeordneten Leiterbahnen aufweist. Das Submodul weist eine erste und eine zweite Gleichspannungsleiterbahn und hiermit elektrisch leitend verbunden ein erstes und ein zweites Gleichspannungsanschlusselement, sowie eine Wechselpotentialleiterbahn und hiermit elektrisch leitend verbunden ein Wechselpotentialanschlusselement auf. Das Submodul weist weiterhin einen Isolierstoffformkörper auf, der die Schalteinrichtung rahmenartig umschließt. Hierbei liegt das erste Gleichspannungsanschlusselement mit einem ersten Kontaktabschnitt auf einem ersten Auflagekörper des Isolierstoffformkörpers auf, das Wechselpotentialanschlusselement liegt mit einem zweiten Kontaktabschnitt auf einem zweiten Auflagekörper des Isolierstoffformkörpers auf. Eine erste Klemmeinrichtung ist dazu ausgebildet elektrisch isoliert durch eine erste Ausnehmung des ersten Auflagekörpers hindurchzureichen und eine elektrisch leitende Klemmverbindung zwischen dem ersten Gleichspannungsanschlusselement und einem zugeordneten ersten Gleichspannungsverbindungselement auszubilden und eine zweite Klemmeinrichtung ist dazu ausgebildet elektrisch isoliert durch eine zweite Ausnehmung des zweiten Auflagekörpers hindurchzureichen und eine elektrisch leitende Klemmverbindung zwischen dem Wechselpotentialanschlusselement und einem zugeordneten Wechselpotentialverbindungselement auszubilden.the DE 10 2017 115 883 A1 discloses as prior art a submodule and an arrangement herewith, the submodule having a switching device with a substrate and conductor tracks arranged thereon. The submodule has a first and a second DC voltage conductor track and a first and a second DC voltage connection element connected thereto in an electrically conductive manner, as well as an AC potential conductor track and an AC potential connection element connected thereto in an electrically conductive manner. The submodule also has a molded insulating body that encloses the switching device in the manner of a frame. Here, the first DC voltage connection element rests with a first contact section on a first support body of the insulating molded body, the AC potential connection element rests with a second contact section on a second support body of the insulating molded body. A first clamping device is designed to pass through a first recess in the first support body in an electrically insulated manner and to form an electrically conductive clamp connection between the first DC voltage connection element and an associated first DC voltage connection element, and a second clamping device is designed to extend through a second recess in the second support body in an electrically insulated manner and a form an electrically conductive clamp connection between the alternating potential connection element and an associated alternating potential connection element.

Die DE 10 2015 111 204 A1 offenbart ein leistungselektronisches Modul ausgebildet mit einer Grundplatte, mit einem hierauf angeordneten Schaltungsträger, der eine Mehrzahl von, von der Grundplatte elektrisch isolierten, Leiterbahnen ausbildet, wobei auf einer dieser Leiterbahnen ein Leistungshalbleiterbauelement angeordnet ist, und mit einem Lastanschlusselement. Hierbei weist die Grundplatte eine durchgehende erste Ausnehmung und der Schaltungsträger eine durchgehende zweite Ausnehmung auf, wobei die erste und zweite Ausnehmung zueinander fluchtend angeordnet sind. Das Lastanschlusselement weist eine erste Kontakteinrichtung, die sich in elektrisch leitendem Kontakt mit einer Kontaktfläche der der Grundplatte abgewandten Seite der Leiterbahn befindet, eine zweite Kontakteinrichtung zur externe Kontaktierung des Schaltungsträgers und einen durch die erste und zweite Ausnehmung hindurchreichenden Verbindungsabschnitt zwischen der ersten und zweiten Kontakteinrichtung auf.the DE 10 2015 111 204 A1 discloses a power electronic module formed with a base plate, with a circuit carrier arranged thereon, which forms a plurality of conductor tracks electrically insulated from the base plate, with a power semiconductor component being arranged on one of these conductor tracks, and with a load connection element. In this case, the base plate has a continuous first recess and the circuit carrier has a continuous second recess, the first and second recesses being arranged in alignment with one another. The load connection element has a first contact device, which is in electrically conductive contact with a contact surface on the side of the conductor track facing away from the base plate, a second contact device for external contacting of the circuit carrier and a connecting section between the first and second contact device that extends through the first and second recess .

Die DE 101 27 947 C1 offenbart eine Schaltungsanordnung mit einem Grundkörper, mit mindestens einem Substrat mit einer Zwischenkreisplatine, mit einer Druckeinrichtung und mit einer Treiberschaltung. Das/jedes Substrat weist eine Pluspol-Leiterbahn, eine Minuspol-Leiterbahn, eine Wechselstrom-Leiterbahn und Hilfsanschlüsse auf. Bauelemente, wie Leistungstransistoren sind mit den Leiterbahnen und mit den Hilfsanschlüssen kontaktiert. Die Zwischenkreisplatine weist einen Pluspol-Gleichstromanschluß und einen Minuspol-Gleichstromanschluß und zwischen diesen eingeschaltete elektrische Kondensatoren auf. Dem/jedem Substrat ist ein Wechselstromanschlußelement zugeordnet. Der Pluspol-Gleichstromanschluß und der Minuspol-Gleichstromanschluß weisen Kontaktelemente zur direkten niederinduktiven Kontaktierung mit den zugehörigen Leiterbahnen des mindestens einen Substrates auf. Entsprechendes gilt für das mindestens eine Wechselstromanschlußelement. Die Druckeinrichtung dient zur elektrischen Kontaktierung der Kontaktelemente des Pluspol- und des Minuspol-Gleichstromanschlusses sowie der Kontaktelemente des mindestens einen Wechselstromanschlußelementes.the DE 101 27 947 C1 discloses a circuit arrangement with a base body, with at least one substrate with an intermediate circuit board, with a printing device and with a driver circuit. The/each substrate has a positive conductive line, a negative conductive line, an AC conductive line and auxiliary terminals. Components such as power transistors are contacted with the conductor tracks and with the auxiliary connections. The intermediate circuit board has a positive pole direct current connection and a negative pole direct current connection and electrical capacitors connected between them. An AC connection element is associated with the/each substrate. The positive pole direct current connection and the negative pole direct current connection have contact elements for direct low-inductance contact with the associated conductor tracks of the at least one substrate. The same applies to the at least one AC connection element. The pressure device is used for electrical contacting of the contact elements of the positive pole and the negative pole direct current connection as well as the contact elements of the at least one alternating current connection element.

In Kenntnis des genannten Standes der Technik, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein leistungselektronisches Submodul und eine Anordnung hiermit vorzustellen, wobei die jeweiligen Verbindungen zu Gleichpotentialverbindungselementen und einem Wechselpotentialverbindungselement besonders vorteilhaft ausgebildet sind.Knowing the prior art mentioned, the invention is based on the object of presenting a power electronic submodule and an arrangement therewith, the respective connections to DC potential connecting elements and an AC potential connecting element being designed particularly advantageously.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein leistungselektronisches Submodul mit einer Schalteinrichtung mit einem Substrat, das eine ersten Gleichpotentialleiterbahn mit einer hierauf angeordneten erste Gleichpotentialverbindungsfläche und eine zweite Gleichpotentialleiterbahn mit einer hierauf angeordneten zweiten Gleichpotentialverbindungsfläche, wobei die Gleichpotentialverbindungsflächen vorzugsweise unmittelbar benachbart zueinander angeordnet sind, sowie eine Wechselpotentialleiterbahn und hierauf eine Wechselpotentialverbindungsfläche aufweist, mit einer Mehrzahl von Leistungshalbleiterbauelementen und mit einer internen Verbindungseinrichtung, wobei die erste und zweite Gleichpotentialverbindungsfläche wie auch die Wechselpotentialverbindungsfläche dazu ausgebildet und vorgesehen sind mittels einer Klemmeinrichtung direkt, polaritätsrichtig und elektrisch leitend mit externen, nicht zum Submodul gehörigen, Gleichpotential- bzw. Wechselpotentialverbindungselementen verbunden zu werden, wodurch gleichzeitig das Substrat in den Abschnitten der Gleichpotentialverbindungsflächen wie auch der Wechselpotentialverbindungsfläche auf eine Auflageeinrichtung gepresst wird, wobei das Substrat eine erste durchgehende Ausnehmung aufweist und hierbei die Wechselpotentialverbindungsfläche benachbart zu dieser ersten Ausnehmung oder diese umschließend angeordnet ist und wobei das Substrat eine zweite durchgehende Ausnehmung aufweist und hierbei die erste und zweite Gleichpotentialverbindungsfläche benachbart zu dieser zweiten Ausnehmung angeordnet sind oder wobei die zweite Ausnehmung zwischen der ersten und zweiten Gleichpotentialverbindungsfläche angeordnet ist.This object is achieved according to the invention by a power electronics submodule with a switching device with a substrate that has a first DC potential conductor track with a first DC potential connection area arranged thereon and a second DC potential conductor track with a second DC potential connection area arranged thereon, the DC potential connection areas preferably being arranged directly adjacent to one another, and an AC potential conductor track and thereon having an AC potential connection area, with a plurality of power semiconductor components and with an internal connection device, wherein the first and second DC potential connection area as well as the AC potential connection are designed and provided for this purpose, by means of a clamping device, to be connected directly, with the correct polarity and electrically conductively, to external direct potential or alternating potential connecting elements that do not belong to the submodule, whereby the substrate is pressed onto a support device in the sections of the direct potential connecting surfaces as well as the alternating potential connecting surface , wherein the substrate has a first continuous recess and in this case the alternating potential connection surface is arranged adjacent to this first recess or surrounding it, and wherein the substrate has a second continuous recess and in this case the first and second DC potential connection surface are arranged adjacent to this second recess or the second Recess is arranged between the first and second DC potential connection surface.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn ein Isolierstoffformkörper die Schalteinrichtung rahmenartig, zumindest teilweise, umschließt.It is particularly advantageous if a molded insulating body encloses the switching device at least partially in the manner of a frame.

Vorzugsweise weist das Substrat einen Isolierstoffkörper oder eine Isolierstofflage auf, auf der die erste und zweite Gleichpotentialleiterbahn, wie auch die Wechselpotentialleiterbahn stoffschlüssig angeordnet sind. Hierbei ist es bevorzugt, wenn der Isolierstoffkörper oder die Isolierstofflage auf einem Metallkörper oder einer Metalllage stoffschlüssig angeordnet sind. Es wird somit ein mindestens dreilagiges Substrat ausgebildet, das eine mittlere, isolierende Schicht aufweist.The substrate preferably has an insulating material body or an insulating material layer, on which the first and second DC potential conductor track, as well as the AC potential conductor track, are arranged in a cohesive manner. In this case, it is preferred if the insulating material body or the insulating material layer is arranged in a materially bonded manner on a metal body or a metal layer. An at least three-layer substrate is thus formed, which has a middle, insulating layer.

Vorzugsweise kann die interne Verbindungseinrichtung ausgebildet sein als Bond-, insbesondere Drahtbondverbindungen oder als ein Folienstapel aus jeweils einer oder mehreren zumindest teilweise in sich strukturierten und abwechselnd angeordneten elektrisch isolierenden und elektrisch leitenden Folien.Preferably, the internal connection device can be designed as bond connections, in particular wire bond connections, or as a foil stack consisting of one or more electrically insulating and electrically conductive foils that are at least partially internally structured and arranged alternately.

Es ist vorteilhaft, wenn das Submodul eine Druckeinrichtung aufweist mit einem Druckelement, das einen formstabilen Druckkörper und eine Mehrzahl starrer oder elastischer Druckelemente aufweist. Starre Druckelemente eignen sich besonders für die Druckeinleitung direkt auf das Substrat, während sich elastische Druckelemente besonders für die Druckeinleitung auf Halbleiterbauelemente eignen. Es kann hierzu vorteilhaft sein, wenn das Substrat eine dritte, zentral angeordnete, durchgehende Ausnehmung aufweist, die mit einer Ausnehmung der Druckeinrichtung fluchtet, wobei diese Ausnehmungen dazu ausgebildet und vorgesehen sind, dass ein Druckeinleitelement durch diese hindurchreicht und das Substrat mittels der Druckeinrichtung auf die Auflageeinrichtung presst. Hierbei ist es besonders bevorzugt, wenn die erste, zweite und dritte Ausnehmung auf einer Linie angeordnet sind, die vorzugsweise eine Spiegelachse des Substrats definiert.It is advantageous if the submodule has a pressure device with a pressure element that has a dimensionally stable pressure body and a plurality of rigid or elastic pressure elements. Rigid pressure elements are particularly suitable for applying pressure directly to the substrate, while elastic pressure elements are particularly suitable for applying pressure to semiconductor components. It can be advantageous for this purpose if the substrate has a third, centrally arranged, continuous recess which is aligned with a recess in the printing device, these recesses being designed and provided for a pressure introduction element to pass through them and the substrate to be pressed onto the pressure device by means of the printing device Support device presses. It is particularly preferred here if the first, second and third recesses are arranged on a line which preferably defines a mirror axis of the substrate.

Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch eine Anordnung, die ein oben beschriebenes leistungselektronisches Submodul und eine Auflageeinrichtung, die insbesondere als Kühleinrichtung ausgebildet ist, aufweist. Hierbei ist eine erste und eine zweite Klemmeinrichtung jeweils in der Auflageeinrichtung verankert, wobei mittels der ersten Klemmeinrichtung, die eine Isolierstoffhülse aufweist, durch die ein Klemmelement hindurch verläuft oder wobei das Klemmelement selbst elektrisch isolierend ausgebildet ist, eine elektrisch leitende kraftschlüssige Verbindung zwischen der Wechselpotentialverbindungsfläche und dem Wechselpotentialverbindungselement ausgebildet wird und wobei mittels der zweiten Klemmeinrichtung eine elektrisch leitende kraftschlüssige Verbindung zwischen der ersten Gleichpotentialverbindungsfläche und dem ersten Gleichpotentialverbindungselement und gleichzeitig zwischen der zweiten Gleichpotentialverbindungsfläche und dem zweiten Gleichpotentialverbindungselement ausgebildet wird. Wesentlich ist somit, dass die jeweiligen Verbindungsflächen für externe Anschlüsse integraler Bestandteil des Substrats sind auf dem auch die Leistungshalbleiterbauelemente angeordnet sind.The object is also achieved by an arrangement which has a power electronic submodule as described above and a support device which is designed in particular as a cooling device. A first and a second clamping device are each anchored in the support device, with the first clamping device, which has an insulating material sleeve through which a clamping element runs or the clamping element itself being designed to be electrically insulating, creating an electrically conductive non-positive connection between the alternating potential connection surface and the alternating potential connection element is formed and wherein an electrically conductive non-positive connection is formed between the first DC potential connection surface and the first DC potential connection element and at the same time between the second DC potential connection surface and the second DC potential connection element by means of the second clamping device. It is therefore essential that the respective connecting surfaces for external connections are an integral part of the substrate on which the power semiconductor components are also arranged.

Es ist besonders bevorzugt, wenn die jeweilige Klemmeinrichtung ausgebildet ist als ein Klemmelement und als ein Klemmgegenelement der Auflageeinrichtung, vorzugsweise ausgebildet als eine Ausnehmung oder ein Sackloch mit Innengewinde.It is particularly preferred if the respective clamping device is designed as a clamping element and as a clamping counter-element of the support device, preferably designed as a recess or a blind hole with an internal thread.

Auch kann es vorteilhaft sein, wenn eine Mehrzahl von Submodulen vorzugsweise mit einem gemeinsamen Gesamtgehäuse ein Leistungsmodul ausbilden.It can also be advantageous if a plurality of submodules form a power module, preferably with a common overall housing.

Selbstverständlich können, sofern dies nicht per se oder explizit ausgeschlossen ist, die im Singular genannten Merkmale, insbesondere die jeweiligen Verbindungsflächen und die Klemmeinrichtung, auch mehrfach in dem erfindungsgemäßen Submodul oder der Anordnung hiermit vorhanden sein.Of course, unless this is excluded per se or explicitly, the features mentioned in the singular, in particular the respective connecting surfaces and the clamping device, can also be present several times in the submodule according to the invention or the arrangement herewith.

Es versteht sich, dass die verschiedenen Ausgestaltungen der Erfindung einzeln oder in beliebigen Kombinationen realisiert sein können, um Verbesserungen zu erreichen. Insbesondere sind die vorstehend und im Folgenden genannten und erläuterten Merkmale, gleichgültig ob sie im Rahmen des Submoduls oder der Anordnung hiermit beschrieben sind, nicht nur in den angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung einsetzbar, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.It goes without saying that the various configurations of the invention can be implemented individually or in any combination in order to achieve improvements. In particular, the features mentioned and explained above and below, regardless of whether they are described in the context of the submodule or the arrangement, can be used not only in the specified combinations, but also in other combinations or on their own, without going beyond the scope of the present invention leaving.

Weitere Erläuterungen der Erfindung, vorteilhafte Einzelheiten und Merkmale, ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der in den 1 bis 9 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele der Erfindung, oder von jeweiligen Teilen hiervon.

  • 1 zeigt ein leistungselektronisches Submodul in einer Anordnung nach dem Stand der Technik.
  • 2 zeigt ein erfindungsgemäßes Submodul in Draufsicht.
  • 3 bis 5 zeigen Varianten eines erfindungsgemäßen leistungselektronischen Submoduls, teils in erfindungsgemäßer Anordnung, jeweils in seitlicher Schnittansicht.
  • 6 zeigt eine weitere Anordnung zur Erläuterung der Erfindung.
  • 7 zeigt ein weiteres erfindungsgemäßes Submodul in Draufsicht.
  • 8 zeigt eine dreidimensionale Darstellung eines erfindungsgemäßen leistungselektronischen Submoduls.
  • 9 zeigt ein erfindungsgemäßes Submodul für einen Multi-Level-Stromrichter in Draufsicht.
Further explanations of the invention, advantageous details and features result from the following description of the 1 until 9 schematically illustrated embodiments of the invention, or of respective parts thereof.
  • 1 shows a power electronic submodule in an arrangement according to the prior art.
  • 2 shows a submodule according to the invention in plan view.
  • 3 until 5 show variants of a power electronic submodule according to the invention, partly in an arrangement according to the invention, each in a side sectional view.
  • 6 shows a further arrangement for explaining the invention.
  • 7 shows another submodule according to the invention in plan view.
  • 8th shows a three-dimensional representation of a power electronic submodule according to the invention.
  • 9 shows a submodule according to the invention for a multi-level power converter in plan view.

1 zeigt in seitlicher Schnittansicht eine Ausgestaltung eines Teils einer Anordnung 1 gemäß dem Stand der Technik mit einem leistungselektronischen Submoduls 2, ebenfalls gemäß dem Stand der Technik. Hierbei ist das Submodul 2 auf einer Flüssigkeitskühleinrichtung 3 angeordnet. Dies gesamte Anordnung 1 bildet eine sog. Halbbrückenschaltung aus. 1 shows a side sectional view of an embodiment of part of an arrangement 1 according to the prior art with a power electronic submodule 2, also according to the prior art. In this case, the submodule 2 is arranged on a liquid cooling device 3 . This entire arrangement 1 forms a so-called half-bridge circuit.

Die Schalteinrichtung weist zur elektrischen Isolation gegenüber der Flüssigkeitskühleinrichtung 3 und zur thermischen Ankopplung an diese Flüssigkeitskühleinrichtung 3 ein Substrat 4 mit einen Isolierstoffkörper 40, ausgebildet als Keramikkörper, auf. Dieser Keramikkörper 40 weist auf seiner der Flüssigkeitskühleinrichtung 3 abgewandten Seite eine Mehrzahl von Leiterbahnen 42 auf, die im Betrieb der Schalteinrichtung unterschiedliche Potentiale aufweisen.For electrical insulation with respect to the liquid cooling device 3 and for thermal coupling to this liquid cooling device 3, the switching device has a substrate 4 with an insulating body 40, designed as a ceramic body. On its side facing away from the liquid cooling device 3, this ceramic body 40 has a plurality of conductor tracks 42, which have different potentials during operation of the switching device.

Auf mindestens einer dieser Leiterbahnen 42, die gemeinsam mit dem Isolierstoffkörper 40 das Substrat 4 der Schalteinrichtung ausbilden, sind Leistungshalbleiterbauelemente 50 fachüblich angeordnet und schaltungsgerecht verbunden. Die interne Verbindungseinrichtung ist hier als fachüblicher Folienverbund 52 aus alternierend gestapelten elektrisch leitenden und elektrisch isolierenden Folien ausgebildet.On at least one of these conductor tracks 42, which together with the insulating body 40 form the substrate 4 of the switching device, power semiconductor components 50 are arranged in a manner customary in the art and connected in a manner suitable for the circuit. The internal connecting device is designed here as a foil composite 52 of alternatingly stacked electrically conductive and electrically insulating foils, which is customary in the art.

Zur externen Verbindung weist dieses Stromrichtermodul 2 zwei Gleichpotentialanschlusselemente 680,682 auf, die jeweils mit einer der Gleichpotential führenden Gleichpotentialleiterbahnen 42 elektrisch leitend verbunden sind. Diese Verbindung ist fachüblich, hier, ohne Beschränkung der Allgemeinheit, als Lotverbindung, ausgebildet.For the external connection, this power converter module 2 has two DC potential connection elements 680, 682, which are each electrically conductively connected to one of the DC potential conductor tracks 42 carrying DC potential. This connection is customary in the art, here, without loss of generality, designed as a soldered connection.

Diese Gleichpotentialanschlusselemente 680,682 dienen der Verbindung zu zugeordneten Gleichpotentialverbindungselementen 60, 62, die bevorzugt mit einer Kondensatoreinrichtung verbunden sind.These DC potential connection elements 680, 682 are used to connect to associated DC potential connection elements 60, 62, which are preferably connected to a capacitor device.

Im Bereich der Verbindung, ausgebildet mittels einer Klemmeinrichtung 7, zwischen Gleichpotentialanschlusselementen 680,682 und Gleichpotentialverbindungselementen 60, 62 bilden das erste Gleichpotentialanschlusselement 680 und das zweite Gleichpotentialanschlusselement 682 einen Stapel aus, wobei zwischen den beiden Gleichpotentialanschlusselementen 680,682, allerdings hier nicht explizit dargestellt, eine Isolationseinrichtung angeordnet ist.In the area of the connection, formed by means of a clamping device 7, between DC potential connection elements 680, 682 and DC potential connection elements 60, 62, the first DC potential connection element 680 and the second DC potential connection element 682 form a stack, with an insulation device being arranged between the two DC potential connection elements 680, 682, although not explicitly shown here .

Das erste Gleichpotentialanschlusselement 680 liegt auf einer Auflagefläche 240 eines nur teilweise dargestellten Gehäuses 20 des Stromrichtermoduls 2 auf. Dieses Gehäuse 20 ist in dieser Ausgestaltung nur als Teilgehäuse ausgebildet, umschließt also die Schalteinrichtung nicht vollständig, wie dies möglich und auch fachüblich wäre.The first DC potential connection element 680 rests on a support surface 240 of a housing 20 of the power converter module 2, which is only partially shown. In this configuration, this housing 20 is designed only as a partial housing, ie it does not completely enclose the switching device, as would be possible and also customary in the art.

Das Gehäuse 20 des Stromrichtermoduls 2 ist hier ausgebildet aus einem hochtemperaturbeständigen Kunststoff, hier einem Polyphenylensulfid der zusätzlich eine hohe Biegesteifigkeit aufweist. Die Gleichpotentialanschlusselemente 680,682 sind als dünne Metallbleche, hier genauer Kupferbleche oder oberflächenbeschichtete Kupferbleche, mit einer Dicke von 700µm ausgebildet. Die Isolationseinrichtung zwischen den Gleichpotentialanschlusselementen 680,682 ist aus einem Kunststoff mit hoher elektrischer Durchschlagfestigkeit hier aus Ethylen-Tetrafluorethylen-Copolymer oder aus Flüssigkristallpolymer mit einer Dicke von 100µm ausgebildet.The housing 20 of the power converter module 2 is formed here from a high-temperature-resistant plastic, here a polyphenylene sulfide, which also has high flexural strength. The equal potential connection elements 680, 682 are designed as thin metal sheets, here more precisely copper sheets or surface-coated copper sheets with a thickness of 700 μm. The insulating device between the DC potential connection elements 680, 682 is made from a plastic with high dielectric strength, in this case from ethylene-tetrafluoroethylene copolymer or from liquid crystal polymer with a thickness of 100 μm.

Im Bereich der Verbindung zwischen den Gleichpotentialanschlusselementen 680,682 und Gleichpotentialverbindungselementen 60, 62 liegt, wie beschrieben, das erste Gleichpotentialanschlusselement 680 auf einer Auflagefläche 240 des Gehäuses 20 auf und weist eine Ausnehmung 684 auf.In the area of the connection between the DC potential connection elements 680 , 682 and DC potential connection elements 60 , 62 , as described, the first DC potential connection element 680 lies on a bearing surface 240 of the housing 20 and has a recess 684 .

Das zweite Gleichpotentialanschlusselement 682 ist gegenüber dem ersten zurückversetzt, wodurch dessen Anschlussfläche zum zweiten Gleichpotentialverbindungselement 62 in lateraler Sicht ausgehend vom Substrat diesseits der Ausnehmung 684 liegt.The second DC potential connection element 682 is set back in relation to the first, as a result of which its connection surface to the second DC potential connection element 62 is on this side of the recess 684 in a lateral view starting from the substrate.

Die jeweiligen Anschlussflächen der Gleichpotentialanschlusselemente 680,682 liegen auf den jeweils von der Kühleinrichtung 3 abgewandten Seiten, während die jeweiligen Anschlussflächen der Gleichpotentialverbindungselement 60, 62 jeweils auf den jeweils der Kühleinrichtung 3 zugewandten Seiten liegen.The respective connection surfaces of the DC potential connection elements 680 , 682 are on the sides facing away from the cooling device 3 , while the respective connection surfaces of the DC potential connection elements 60 , 62 are each on the sides facing the cooling device 3 .

Das Gehäuse 20 weist im Bereich seiner ersten Auflagefläche 240 eine erste in z-Richtung mit der Ausnehmung 684 des ersten Gleichpotentialanschlusselements 680, fluchtende erste Ausnehmung 204 auf. In diesen und den weiteren hiermit fluchtenden Ausnehmungen 684, 620 auch derjenigen eines Wechselpotentialverbindungselements 62, ist eine Isolierstoffhülse 74 angeordnet, die der elektrischen Isolation, einschließlich ggf. notwendiger Luft- und Kriechstrecken, der jeweiligen Potentiale dient. In dieser Hülse 74 ist eine Schraube 70 angeordnet, die gemeinsam mit einer Federeinrichtung 72, die hier als Tellerfeder ausgebildet ist, die elektrisch leitende kraftschlüssige Verbindung zwischen dem ersten Gleichpotentialanschlusselement 680 und dem ersten Gleichpotentialverbindungselement 60 sowie gleichzeitig zwischen dem zweiten Gleichpotentialanschlusselement 682 und dem zweiten Gleichpotentialverbindungselement 62 ausbildet. Hierzu wird die Schraube 70 in ein mit einem Innengewinde versehenen Sackloch 32, also einer Ausnehmung der Kühleinrichtung 3 verschraubt, wodurch die erste Klemmeinrichtung 7 in der Kühleinrichtung verankert ist.In the region of its first bearing surface 240 , the housing 20 has a first recess 204 aligned in the z-direction with the recess 684 of the first DC potential connection element 680 . Arranged in these and the other recesses 684, 620 aligned with them, including those of an alternating potential connection element 62, is an insulating material sleeve 74, which is used for electrical insulation, including any necessary clearances and creepage distances, of the respective potentials. Arranged in this sleeve 74 is a screw 70 which, together with a spring device 72, which is embodied here as a plate spring, forms the electrically conductive non-positive connection between the first DC potential connection element 680 and the first DC potential connection element 60 and at the same time between the second DC potential connection element 682 and the second DC potential connection element 62 trains. For this purpose, the screw 70 is screwed into a blind hole 32 provided with an internal thread, ie a recess of the cooling device 3, as a result of which the first clamping device 7 is anchored in the cooling device.

2 zeigt ein erfindungsgemäßes Submodul 2 in Draufsicht. Dargestellt ist ein Isolierstoffkörper 40 des Substrats 4, hier ein flächiger Keramikkörper, der vorzugsweise und rein beispielhaft aus Aluminiumnitrit ausgebildet ist. Hervorragend geeinte Alternativen sind auch Aluminiumoxid oder Siliziumnitrit. Auf dem Keramikkörper 40 stoffschlüssig angeordnet sind drei Leiterbahnen 42,43,44, eine erste Gleichpotentialleiterbahn 42, die im Betrieb ein erstes, positives Gleichpotential führt, eine zweite Gleichpotentialleiterbahn 43, die im Betrieb ein zweites, negatives Gleichpotential führt und eine Wechselpotentialleiterbahn 44, die im Betrieb Wechselpotential führt. 2 shows a submodule 2 according to the invention in plan view. Shown is an insulating body 40 of the substrate 4, here a flat ceramic body, which is preferably and purely by way of example made of aluminum nitrite. Aluminum oxide or silicon nitrite are also excellent alternatives. There are three conductor tracks 42, 43, 44 cohesively arranged on the ceramic body 40, a first DC potential conductor track 42, which carries a first, positive DC potential during operation, a second DC potential conductor track 43, which carries a second, negative DC potential during operation, and an AC potential conductor track 44, which alternating potential during operation.

Auf der ersten Gleichpotentialleiterbahn 42 sind vier Leistungshalbleiterbauelemente 50, hier Siliziumkarbid-Feldeffekttransistoren, angeordnet und elektrisch leitend damit verbunden. Diese Leistungshalbleiterbauelemente 50 bilden einen ersten Leistungsschalter aus. Alternativ kann der Leistungsschalter auch mittels Leistungshalbleiterbauelementen auf Siliziumbasis ausgebildet sein, dann beispielhaft mittels Transistoren mit antiparallel geschalteten Dioden. Diese Leistungshalbleiterbauelemente 50 sind mittels Drahtbondverbindungen 54, die die interne Verbindungseinrichtung ausbilden, mit der Wechselpotentialleiterbahn 43 verbunden. Auf dieser sind wiederum vier gleichartige Leistungshalbleiterbauelemente 52 angeordnet und elektrisch leitend damit verbunden. Diese Leistungshalbleiterbauelemente 52 sind, ebenfalls mittels Drahtbondverbindungen 54, mit der zweiten Gleichpotentialleiterbahn 44 verbunden. Auf die Darstellung von Steuerleiterbahnen zur Führung von Steuerpotential samt Verbindung zu den Leistungshalbleiterbauelementen wurde aus Gründen der Übersichtlichkeit hier und im Folgenden verzichtet. Insgesamt wird hiermit eine fachübliche Halbbrückenschaltung ausgebildet.Four power semiconductor components 50, here silicon carbide field effect transistors, are arranged on the first DC potential conductor track 42 and are electrically conductively connected thereto. These power semiconductor components 50 form a first power switch. Alternatively, the power switch can also be formed using silicon-based power semiconductor components, then, for example, using transistors with diodes connected in antiparallel. These power semiconductor components 50 are connected to the alternating potential conductor track 43 by means of wire bonds 54 which form the internal connection device. Four similar power semiconductor components 52 are in turn arranged on this and electrically conductively connected to it. These power semiconductor components 52 are also connected to the second DC potential conductor track 44 by means of wire bonds 54 . For the sake of clarity, the representation of control printed conductors for carrying the control potential together with the connection to the power semiconductor components has been dispensed with here and in the following. Overall, a half-bridge circuit that is customary in the art is formed in this way.

An einer ersten Längsende des Substrats 2 ist auf der Wechselpotentialleiterbahn 43 eine Wechselpotentialverbindungsfläche 436 angeordnet. Durch diese Wechselpotentialverbindungsfläche 436, die Wechselpotentialleiterbahn 43 und den Isolierstoffkörper 40 reicht eine erste durchgehende Ausnehmung 400 hindurch.An alternating potential connecting surface 436 is arranged on the alternating potential conductor track 43 at a first longitudinal end of the substrate 2 . A first continuous recess 400 extends through this alternating potential connection surface 436 , the alternating potential conductor track 43 and the insulating material body 40 .

Weiterhin dargestellt sind jeweilige Anschlussflächen, die aus Abschnitten der Oberflächen von Leiterbahnen ausgebildet sind. Eine erste Gleichpotentialverbindungsfläche 426 ist auf der ersten Gleichpotentialleiterbahn 42 an einem zweiten Längsende des Substrats 2 angeordnet. Eine zweite Gleichpotentialverbindungsfläche 446 ist unmittelbar benachbart zur ersten Gleichpotentialverbindungsfläche 426 auf der zweiten Gleichpotentialleiterbahn 44 an dem zweiten Längsende des Substrats 4 angeordnet. Zwischen diesen Gleichpotentialverbindungsflächen 426,446 ist eine durch den Isolierstoffkörper 40 hindurchreichende zweite 402 Ausnehmung angeordnet.Also shown are respective pads formed from sections of the surfaces of conductor tracks. A first DC potential connection area 426 is arranged on the first DC potential conductor track 42 at a second longitudinal end of the substrate 2 . A second DC potential connection area 446 is arranged directly adjacent to the first DC potential connection area 426 on the second DC potential conductor track 44 at the second longitudinal end of the substrate 4 . A second recess 402 extending through insulating body 40 is arranged between these equal potential connection surfaces 426 , 446 .

Die erste und zweite Ausnehmung 400,402 sind auf einer gedachten Spiegellinie B des Substrats 4, genauer dessen Isolierstoffkörpers 40 angeordnet.The first and second recesses 400, 402 are arranged on an imaginary mirror line B of the substrate 4, more precisely its insulating body 40.

3 bis 6 zeigen Varianten eines erfindungsgemäßen leistungselektronischen Submoduls 2, teils in erfindungsgemäßer Anordnung, in seitlicher Schnittansicht, wobei die Schnittlinie jeweils einer Linie A-A in Analogie zu 2 verläuft. Diese Analogie betrifft die Position der Leiterbahnen, der Halbleiterbauelemente und der Ausnehmungen, sie betrifft nicht zwangsläufig die technische Ausgestaltung des Substrats bezüglich seine Materialien und seines Aufbaus. 3 until 6 show variants of a power electronic submodule 2 according to the invention, partly in an arrangement according to the invention, in a side sectional view, the section line in each case being a line AA in analogy to 2 runs. This analogy relates to the position of the conductor tracks, the semiconductor components and the recesses; it does not necessarily relate to the technical design of the substrate with regard to its materials and its structure.

3 zeigt, teilweise in Explosionsdarstellung, einen Teil einer erfindungsgemäßen Anordnung 1, wobei das Substrat 4 hier im Aufbau auch bezüglich der Materialien demjenigen gemäß 2 entspricht. Dieses Substrat 4 ist auf einer Flüssigkeitskühleinrichtung 3, die hier die Auflageeinrichtung ausbildet, angeordnet. 3 shows, partially in an exploded view, a part of an arrangement 1 according to the invention, the substrate 4 here in terms of structure also with regard to the materials according to that 2 is equivalent to. This substrate 4 is arranged on a liquid cooling device 3, which forms the support device here.

Auf dem Substrat 4 sind wiederum die gleichen Leistungshalbleiterbauelemente 50 angeordnet wie unter 2 beschrieben. Allerdings ist die interne Verbindungseinrichtung hier nicht als Drahtbondverbindungen, sondern als ein Stapel 52 aus stoffschlüssig miteinander verbundenen Folien ausgebildet. Dieser fachübliche Folienstapel 52 besteht hier aus zwei elektrisch leitenden Folien, die zudem strukturiert ausgebildet sein können und einer dazwischen angeordneten elektrisch isolierenden Folie.The same power semiconductor components 50 are in turn arranged on the substrate 4 as below 2 described. However, the internal connection device is not designed here as a wire bond connection, but rather as a stack 52 of foils connected to one another with a material fit. This stack of foils 52, which is customary in the art, consists here of two electrically conductive foils, which can also be configured in a structured manner, and an electrically insulating foil arranged between them.

Auf der der Wasserkühleinrichtung 3 abgewandten Seite des Substrats 4, das auch in diesem Bereich auf der Wasserkühleinrichtung 3 aufliegt, ist die Wechselpotentialverbindungsfläche 436 angeordnet und als Bereich der Oberfläche der Wechselpotentialleiterbahn 43 ausgebildet. Das gesamte Substrat 4 weist innerhalb dieser Fläche die erste durchgehende Ausnehmung 400 auf. Die Anordnung weist weiterhin ein Wechselpotentialverbindungselement 60 auf, das nicht Teil des Submoduls 2 ist. Dieses Wechselpotentialverbindungselement 60 dient der Verbindung zu einer elektrischen Maschine, in der Regel ausgebildet als Elektromotor, der mittels des Submoduls 2 angetrieben wird. Das Wechselpotentialverbindungselement 60 weist eine zur Ausnehmung 400 des Substrats 4 fluchtende durchgehende Ausnehmung 600 auf.The alternating potential connecting surface 436 is arranged on the side of the substrate 4 facing away from the water cooling device 3 and which also rests on the water cooling device 3 in this area and is designed as an area of the surface of the alternating potential conductor track 43 . The entire substrate 4 has the first continuous recess 400 within this area. The arrangement also has an alternating potential connection element 60 which is not part of the submodule 2 . This alternating potential connection element 60 is used to connect to an electrical machine, usually in the form of an electric motor, which is driven by means of the submodule 2 . The alternating potential connection element 60 has a continuous recess 600 aligned with the recess 400 of the substrate 4 .

Zu diesen beiden Ausnehmungen 400,600 korrespondierend und fluchtend ist in der Wasserkühleinrichtung 3 ein Sackloch 32 mit Innengewinde angeordnet, das das Klemmgegenelement einer Klemmeinrichtung 7 ausbildet.A blind hole 32 with an internal thread is arranged in the water cooling device 3 in a manner corresponding and aligned with these two recesses 400 , 600 , which forms the counter-clamping element of a clamping device 7 .

Das Klemmelement der Klemmeinrichtung 7 ist ausgebildet als eine Schraube 70, die durch die Ausnehmung des Wechselpotentialverbindungselements 600 und des Substrats 400 hindurch in das Sackloch 32 hineinreicht. Durch diese Ausgestaltung und Anwendung der Klemmeinrichtung 7 wird eine Anschlussfläche 606 des Wechselpotentialverbindungselements 60 auf die Wechselpotentialverbindungsfläche 436 gedrückt und der elektrisch leitende Kontakt zwischen dem Wechselpotentialverbindungselement 60 und der Wechselpotentialleiterbahn 43 ausgebildet. Zur elektrischen Isolation zwischen der metallischen Schraube 70 und dem Wechselpotentialverbindungselement 60 wie auch der Wechselpotentialleiterbahn 43 ist eine Isolierstoffhülse 74 angeordnet. Zur Verbesserung der Druckeinleitung ist hier zusätzlich ein Federelement, ausgebildet als Tellerfeder 72 durch die die Schraube 701 hindurchreicht, zwischen Schraubenkopf und Isolierstoffhülse 74 angeordnet.The clamping element of the clamping device 7 is designed as a screw 70 which extends through the recess in the alternating potential connection element 600 and the substrate 400 into the blind hole 32 . This design and use of the clamping device 7 means that a connection surface 606 of the alternating potential connection element 60 is pressed onto the alternating potential connection surface 436 and the electrically conductive contact between the alternating potential connection element 60 and the alternating potential conductor track 43 is formed. An insulating material sleeve 74 is arranged for electrical insulation between the metallic screw 70 and the alternating potential connecting element 60 as well as the alternating potential conductor track 43 . To improve the introduction of pressure, a spring element, designed as a plate spring 72 through which the screw 701 extends, is additionally arranged between the screw head and the insulating sleeve 74 .

Mittels der Klemmeinrichtung 7 wird das gesamte Substrat 4 auf die Flüssigkeitskühleinrichtung 3 gedrückt, wodurch die thermische Anbindung zwischen diesen beiden ausgebildet wird. Zwischen Substrat 4 und Flüssigkeitskühleinrichtung 3 kann fachüblich noch eine Wärmeleitschicht, insbesondere eine Wärmeleitpaste, angeordnet sein.The entire substrate 4 is pressed onto the liquid cooling device 3 by means of the clamping device 7, as a result of which the thermal connection between these two is formed. A thermally conductive layer, in particular a thermally conductive paste, can also be arranged between the substrate 4 and the liquid cooling device 3 as is customary in the art.

4 zeigt eine der 3 ähnliche Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anordnung 1, wobei hier auf die Darstellung einer Auflageeinrichtung verzichtet wurde. Das Substrat 4 ist hier allerdings ausgebildet als ein Metallkörper 48, vorzugsweise aus Aluminium, einer hierauf stoffschlüssig angeordneten Isolierstofflage 41, hier ausgebildet als Isolierstofffolie und wiederum hierauf stoffschlüssig angeordneten Leiterbahnen 43, vorzugsweise ausgebildet aus Aluminium oder Kupfer. Alle weiteren Komponenten und der Funktion sind identisch denjenigen gemäß 3. 4 shows one of the 3 Similar configuration of the arrangement 1 according to the invention, in which case the representation of a support device has been dispensed with. However, the substrate 4 is formed here as a metal body 48, preferably made of aluminum, an insulating material layer 41 materially arranged thereon, here formed as an insulating material film, and conductor tracks 43 materially arranged thereon, preferably made of aluminum or copper. All other components and the function are identical to those according to 3 .

5 zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung 1, wobei das Substrat 4 des Submoduls 2 gemäß demjenigen aus 3 ausgebildet ist. Auch die Leistungshalbleiterbauelemente 50 und die interne Verbindungseinrichtung 52 sind hier die gleichen. Zudem dargestellt ist ein Gleichpotentialverbindungselement, hier ein erstes Gleichpotentialverbindungselement 60, das im Betrieb negatives Potential führt. 5 shows an inventive arrangement 1, wherein the substrate 4 of the submodule 2 according to that of 3 is trained. The power semiconductor components 50 and the internal connection device 52 are also the same here. Also shown is a DC potential connection element, here a first DC potential connection element 60, which carries negative potential during operation.

Das Submodul 2 weist hier eine im Grunde fachübliche Druckeinrichtung 9 auf, die ihrerseits ein Druckelement 92 aus einem formstabilen Druckkörper 920 und einer Mehrzahl elastischer Druckelemente 922 aufweist. Diese Druckeinrichtung 92 wird mittels eines Druckeinleitelements 90 mit Druck beaufschlagt. Die Druckeinleitung erfolgt hier ohne Beschränkung der Allgemeinheit zentral auf die Druckeinrichtung 9. Die Druckelemente 922 der Druckeinrichtung 9 drücken auf Abschnitte der Verbindungseinrichtung 52, die mit den Leistungshalbleiterbauelementen 50 fluchten. Somit wird, zur kraftschlüssigen Verbindung, das Substrat 4 an denjenigen Stellen auf die Flüssigkeitskühleinrichtung 3 gedrückt an denen die meiste Wärme entsteht.The submodule 2 here has a pressure device 9 that is basically customary in the field, which in turn has a pressure element 92 composed of a dimensionally stable pressure body 920 and a plurality of elastic pressure elements 922 . Pressure is applied to this pressure device 92 by means of a pressure introduction element 90 . In this case, the pressure is introduced centrally onto the pressure device 9 without loss of generality. The pressure elements 922 of the pressure device 9 press on sections of the connection device 52 which are aligned with the power semiconductor components 50 . Thus, for the non-positive connection, the substrate 4 is pressed onto the liquid cooling device 3 at those points where the most heat is generated.

Die Einleitung des Drucks erfolgt mittels des Druckeinleitelements 90, wobei dieses erfolgt durch zwei Klemmeinrichtungen 7, die im übrigen der jeweiligen kraftschlüssigen Verbindung der Wechselpotentialleiterbahn 43 an der Wechselpotentialverbindungsfläche 436 mit der zugeordneten Anschlussfläche des Wechselpotentialverbindungselements 60 wie der ersten Gleichpotentialleiterbahn 42 an der ersten Gleichpotentialverbindungsfläche 426 mit der zugeordneten Anschlussfläche des ersten Gleichpotentialverbindungselements 64 dienen. Diese jeweiligen Verbindungen sind im Weiteren, wie oben bereits ausgeführt, ausgebildet.The pressure is introduced by means of the pressure introduction element 90, this being done by two clamping devices 7, which also contribute to the respective non-positive connection of the alternating potential conductor track 43 on the alternating potential connection surface 436 with the associated connection surface of the alternating potential connection element 60 such as the first DC potential conductor path 42 on the first DC potential connection surface 426 the associated connection surface of the first DC potential connection element 64 are used. These respective connections are further formed as already explained above.

6 zeigt zur Erläuterung der Erfindung eine Anordnung 1 mit einer Flüssigkeitskühleinrichtung 3, einem hierauf angeordneten Submodul 2, sowie ein Wechselpotentialverbindungselement 60 und ein erstes Gleichpotentialverbindungselement 64. 6 shows an arrangement 1 with a liquid cooling device to explain the invention device 3, a submodule 2 arranged thereon, as well as an alternating potential connection element 60 and a first DC potential connection element 64.

Das Substrat 4 ist hier ausgebildet mit einem keramischen Isolierstoffkörper 40 und mit einer auf dessen der Flüssigkeitskühleinrichtung 3 zugewandten Seite stoffschlüssig mit dem Isolierstoffkörper 40 verbunden Metalllage 49, vorzugsweise ausgebildet aus Aluminium oder Kupfer. Auf der der Flüssigkeitskühleinrichtung 3 abgewandten Seite sind eine Mehrzahl von Leiterbahnen 42,43 stoffschlüssig angeordnet. Dargestellt sind wiederum drei Leistungshalbleiterbauelemente 50, hier Siliziumkarbid-Feldeffekttransistoren, auf der Wechselpotentialleiterbahn 43. Diese weist im Bereich der Wechselpotentialanschlussfläche 436 zu dem Wechselpotentialverbindungselement 60 eine zur Leiterbahn gehörige Aufdoppelung 438 auf. Weiterhin dargestellt ist die erste Gleichpotentialleiterbahn 42 samt erster Gleichpotentialverbindungsfläche 426.The substrate 4 is formed here with a ceramic insulating body 40 and with a metal layer 49 , preferably formed of aluminum or copper, materially connected to the insulating body 40 on its side facing the liquid cooling device 3 . On the side facing away from the liquid cooling device 3, a plurality of conductor tracks 42, 43 are arranged in a cohesive manner. In turn, three power semiconductor components 50, here silicon carbide field effect transistors, are shown on the alternating potential conductor track 43. In the region of the alternating potential connection area 436 to the alternating potential connection element 60, this has a double layer 438 belonging to the conductor track. Also shown is the first DC potential conductor track 42 together with the first DC potential connection area 426.

Weiterhin dargestellt ist eine Druckeinrichtung 9, die im Grunde derjenigen gemäß 5 gleicht, allerdings eine erweiterte Funktionalität aufweist. Das Druckelement 92 weist zusätzliche Druckkörper 922 auf, die jeweils auf die dem Substrat 4 abgewandten Seite des Wechselpotentialverbindungselements 60 wie auch des Gleichpotentialverbindungselements 64 drücken. Eingeleitet wird dieser Druck über ein Druckeinleitelement 90, das nicht nur zentralen Druck auf das Druckelement 92 ausübt, sondern, auch fluchtend zu den jeweiligen Verbindungsflächen 426,436 der Leiterbahnen und den zugeordneten Verbindungselementen auf diese.Also shown is a printing device 9, which is basically that according to 5 same, but with extended functionality. The pressure element 92 has additional pressure bodies 922 , which each press on the side of the alternating potential connection element 60 and the DC potential connection element 64 facing away from the substrate 4 . This pressure is introduced via a pressure introduction element 90, which not only exerts central pressure on the pressure element 92, but also on it in alignment with the respective connecting surfaces 426, 436 of the conductor tracks and the associated connecting elements.

Die Klemmeinrichtungen selbst sind hier nicht dargestellt und sind nicht in unmittelbarer Umgebung zu den jeweiligen dargestellten Verbindungsflächen angeordnet.The clamping devices themselves are not shown here and are not arranged in the immediate vicinity of the respective connecting surfaces shown.

7 zeigt ein weiteres erfindungsgemäßes Submodul 2 in Draufsicht. Dieses gleicht im Grunde demjenigen gemäß 2, weist allerdings keine Drahtbondverbindungen 54 als interne Verbindungseinrichtung auf. Vielmehr weist dieses Substrat 4 einen bereits beschriebenen Folienstapel 52 als interne Verbindungseinrichtung auf. Dieser Folienstapel 52 ist allerdings nur gestrichelt und transparent und somit nur angedeutet dargestellt. Dargestellt ist eine zentrale, dritte durchgehende Ausnehmung 404 des Substrats 4, deren Funktion in Zusammenhang mit der folgenden 8 beschrieben wird. Alle durchgehenden Ausnehmungen 400,402,404 sind auf einer Linie angeordnet, die eine Spiegelachse der Grundfläche des Substrats 4, also des Isolierstoffkörpers 40 definiert. 7 shows another submodule 2 according to the invention in plan view. This is basically the same as that according to 2 , however, has no wire bonds 54 as internal connection means. Rather, this substrate 4 has a film stack 52, already described, as an internal connecting device. However, this film stack 52 is only shown in broken lines and is transparent and is therefore only indicated. Shown is a central, third continuous recess 404 of the substrate 4, its function in connection with the following 8th is described. All continuous recesses 400, 402, 404 are arranged on a line that defines a mirror axis of the base area of the substrate 4, ie of the insulating body 40.

8 zeigt eine dreidimensionale Darstellung eines erfindungsgemäßen leistungselektronischen Submoduls 2. Das Substrat 4 ist funktional identisch demjenigen gemäß 7, weist allerdings geometrische Abweichungen an den Längsenden auf. Das Substrat 4 wird rahmenartig fast vollständig umschlossen durch einen Isolierstoffformkörper 20, der somit ein Teilgehäuse des Submoduls 2 ausbildet. 8th shows a three-dimensional representation of a power electronic submodule 2 according to the invention. The substrate 4 is functionally identical to that according to FIG 7 , but shows geometric deviations at the longitudinal ends. The substrate 4 is almost completely enclosed in the manner of a frame by a molded insulating body 20 which thus forms a partial housing of the submodule 2 .

Weiterhin weist das Submodul 2 eine Druckeinrichtung 9 mit einem Druckelement 92 auf, das einen formstabilen Druckkörper 920 und eine Mehrzahl starrer, nicht sichtbarer Druckelemente aufweist, die auf Bereiche des Substrats 4 drücken an denen keine Leistungshalbleiterbauelemente angeordnet sind. Das Substrat 4 weist, wie bereits in 7 dargestellt, eine dritte, zentral angeordnete, durchgehende Ausnehmung auf, die mit einer Ausnehmung der Druckeinrichtung fluchtet. Diese Ausnehmungen sind dazu ausgebildet und vorgesehen, dass ein Druckeinleitelement 90, das hier als eine Schraube mit einer Tellerfeder ausgebildet ist, durch diese hindurchreicht und das Substrat 4 mittels der Druckeinrichtung 9 auf die Auflageeinrichtung presst.Furthermore, the submodule 2 has a pressure device 9 with a pressure element 92, which has a dimensionally stable pressure body 920 and a plurality of rigid, invisible pressure elements that press on areas of the substrate 4 on which no power semiconductor components are arranged. The substrate 4 has, as already in 7 shown, a third, centrally arranged, continuous recess, which is aligned with a recess of the printing device. These recesses are designed and provided so that a pressure introduction element 90, which is designed here as a screw with a plate spring, extends through them and presses the substrate 4 onto the support device by means of the pressure device 9.

9 zeigt ein erfindungsgemäßes Submodul 2 für einen Multi-Level-Stromrichter in Draufsicht. Die erste Gleichpotentialleiterbahn 42 ist hier nicht ausgebildet negatives Potential, sondern Neutralpotential zu führen. 9 shows a submodule 2 according to the invention for a multi-level power converter in plan view. The first DC potential track 42 is not designed here to carry a negative potential, but rather a neutral potential.

Drei Leistungshalbleiterbauelemente 50, ihrerseits wiederum ohne Beschränkung der Allgemeinheit ausgebildet als Siliziumkarbid-Feldeffekttransistoren, sind auf der zweiten Gleichpotentialleiterbahn 44, die hier im Betrieb positives Potential führt angeordnet. Diese Leistungshalbleiterbauelemente 50 bilden in einer Drei-Level-Schaltung den oberen Leistungsschalter des oberen Zweiges aus. Weitere drei Leistungshalbleiterbauelemente 50, wiederum Siliziumkarbid-Feldeffekttransistoren, sowie eine Leistungsdiode 51 sind auf einer weiteren Leiterbahn 46 angeordnet. Diese drei Siliziumkarbid-Feldeffekttransistoren bilden den unteren Leistungsschalter des oberen Zweiges der Drei-Level-Schaltung aus, während die Leistungsdiode 51 die obere Diode ausbildet, die das Potential zwischen den oberen Schaltern mit dem Neutralpotential verbindet.Three power semiconductor components 50, for their part in the form of silicon carbide field effect transistors without loss of generality, are arranged on the second DC potential conductor track 44, which here carries a positive potential during operation. These power semiconductor components 50 form the upper power switch of the upper branch in a three-level circuit. A further three power semiconductor components 50, again silicon carbide field effect transistors, and a power diode 51 are arranged on a further conductor track 46. These three silicon carbide field effect transistors form the lower power switch of the upper arm of the three-level circuit, while the power diode 51 forms the upper diode which connects the potential between the upper switches to neutral potential.

Die Wechselpotentialverbindungsfläche 436 ist im Grund gleich angeordnet und ausgebildet wie diejenige gemäß 7. Die beiden Gleichpotentialverbindungsflächen 426,446 sind ebenfalls gleich angeordnet und ausgebildet wie diejenigen gemäß 7. Die zentrale Ausnehmung 404 ist ebenfalls angeordnet und funktional ausgebildet wie diejenige gemäß 7.The alternating potential connection area 436 is basically arranged and designed in the same way as that according to FIG 7 . The two equal potential connecting surfaces 426, 446 are also arranged and designed in the same way as those in FIG 7 . The central recess 404 is also arranged and designed functionally like that according to FIG 7 .

Claims (11)

Leistungselektronisches Submodul (2) mit einer Schalteinrichtung mit einem Substrat (4), das eine erste Gleichpotentialleiterbahn (42) mit einer hierauf angeordneten ersten Gleichpotentialverbindungsfläche (426) und eine zweite Gleichpotentialleiterbahn (44) mit einer hierauf angeordneten zweiten Gleichpotentialverbindungsfläche (446), wobei die Gleichpotentialverbindungsflächen (426,446) vorzugsweise unmittelbar benachbart zueinander angeordnet sind, sowie eine Wechselpotentialleiterbahn (43) und hierauf eine Wechselpotentialverbindungsfläche (436) aufweist, mit einer Mehrzahl von Leistungshalbleiterbauelementen (50) und mit einer internen Verbindungseinrichtung (52,54), wobei die erste und zweite Gleichpotentialverbindungsfläche (426,446) wie auch die Wechselpotentialverbindungsfläche (436) dazu ausgebildet und vorgesehen sind mittels einer Klemmeinrichtung (7), die eine Isolierstoffhülse (74) aufweist durch die ein Klemmelement (70) hindurch verläuft oder wobei das Klemmelement (70) selbst elektrisch isolierend ausgebildet ist, direkt, polaritätsrichtig und elektrisch leitend mit externen, nicht zum Submodul (2) gehörigen, Gleichpotential- bzw. Wechselpotentialverbindungselementen (60,64) verbunden zu werden, wodurch gleichzeitig das Substrat (4) in den Abschnitten der Gleichpotentialverbindungsflächen (426,446) wie auch der Wechselpotentialverbindungsfläche (436) auf eine Auflageeinrichtung (3) gepresst wird, wobei das Substrat (4) eine erste durchgehende Ausnehmung (400) aufweist und hierbei die Wechselpotentialverbindungsfläche (436) benachbart zu dieser ersten Ausnehmung (400) oder diese umschließend angeordnet ist und wobei das Substrat (4) eine zweite durchgehende Ausnehmung (402) aufweist und hierbei die erste und zweite Gleichpotentialverbindungsfläche (426,446) benachbart zu dieser zweiten Ausnehmung (402) angeordnet sind oder wobei die zweite Ausnehmung (402) zwischen der ersten und zweiten Gleichpotentialverbindungsfläche (426,446) angeordnet ist.Electronic power submodule (2) with a switching device with a substrate (4) which has a first DC potential conductor track (42) with a first DC potential connection area (426) arranged thereon and a second DC potential conductor track (44) with a second DC potential connection area (446) arranged thereon, the DC potential connection surfaces (426, 446) are preferably arranged directly adjacent to one another, and has an AC potential conductor track (43) and an AC potential connection surface (436) thereon, with a plurality of power semiconductor components (50) and with an internal connection device (52, 54), the first and second DC potential connection surface (426,446) as well as the AC potential connection surface (436) are designed and provided for this purpose by means of a clamping device (7) which has an insulating material sleeve (74) through which a clamping element (70) runs, or the clamping element (70) is itself designed to be electrically insulating, to be connected directly, with the correct polarity and electrically conductively, to external direct potential or alternating potential connecting elements (60, 64) that do not belong to the submodule (2), whereby the substrate (4) in the sections of the direct potential connecting surfaces ( 426, 446) as well as the alternating potential connection surface (436) is pressed onto a support device (3), the substrate (4) having a first continuous recess (400) and the alternating potential connection surface (436) adjacent to this first recess (400) or surrounding it and wherein the substrate (4) has a second continuous recess (402) and the first and second DC potential connection areas (426, 446) are arranged adjacent to this second recess (402) or the second recess (402) between the first and second DC potential connection surface (426.446) is arranged. Submodul nach Anspruch 1, wobei ein Isolierstoffformkörper (20) die Schalteinrichtung rahmenartig, zumindest teilweise, umschließt.submodule after claim 1 , wherein a molded insulating body (20) frame-like, at least partially, encloses the switching device. Submodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Substrat (4) einen Isolierstoffkörper (40) oder eine Isolierstofflage (41) aufweist auf der die erste und zweite Gleichpotentialleiterbahn (42,44), wie auch die Wechselpotentialleiterbahn (43) stoffschlüssig angeordnet sind.Submodule according to one of the preceding claims, wherein the substrate (4) has an insulating material body (40) or an insulating material layer (41) on which the first and second direct potential conductor track (42, 44) and the alternating potential conductor track (43) are arranged in a materially bonded manner. Submodul nach Anspruch 3, wobei der Isolierstoffkörper (40) oder die Isolierstofflage (41) auf einem Metallkörper (48) oder einer Metalllage (49) stoffschlüssig angeordnet sind.submodule after claim 3 , wherein the insulating material (40) or the insulating material layer (41) are arranged in a materially bonded manner on a metal body (48) or a metal layer (49). Submodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die interne Verbindungseinrichtung ausgebildet ist als Bond-, insbesondere Drahtbondverbindungen (54) oder als ein Folienstapel (52) aus jeweils einer oder mehreren zumindest teilweise in sich strukturierten und abwechselnd angeordneten elektrisch isolierenden und elektrisch leitenden Folien.Submodule according to one of the preceding claims, wherein the internal connecting device is designed as bond, in particular wire bond connections (54) or as a foil stack (52) each consisting of one or more electrically insulating and electrically conductive foils which are at least partially internally structured and arranged alternately. Submodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Submodul (2) eine Druckeinrichtung (9) aufweist mit einem Druckelement (92), das einen formstabilen Druckkörper (920) und eine Mehrzahl starrer oder elastischer Druckelemente (922) aufweist.Submodule according to one of the preceding claims, wherein the submodule (2) has a pressure device (9) with a pressure element (92) which has a dimensionally stable pressure body (920) and a plurality of rigid or elastic pressure elements (922). Submodul nach Anspruch 6, wobei das Substrat (4) eine dritte, zentral angeordnete, durchgehende Ausnehmung (404) aufweist, die mit einer Ausnehmung der Druckeinrichtung (9) fluchtet, wobei diese Ausnehmungen (404) dazu ausgebildet und vorgesehen sind, dass ein Druckeinleitelement (90) durch diese hindurchreicht und das Substrat (4) mittels der Druckeinrichtung (9) auf die Auflageeinrichtung (3) presst.submodule after claim 6 , wherein the substrate (4) has a third, centrally arranged, continuous recess (404) which is aligned with a recess of the printing device (9), these recesses (404) being designed and provided for a pressure introduction element (90) to pass through passes through it and presses the substrate (4) onto the support device (3) by means of the pressure device (9). Submodul nach Anspruch 7, wobei die erste, zweite und dritte Ausnehmung (400,402,404) auf einer Linie angeordnet sind, die vorzugsweise eine Spiegelachse des Substrats (4) definiert.submodule after claim 7 , wherein the first, second and third recesses (400,402,404) are arranged on a line which preferably defines a mirror axis of the substrate (4). Anordnung (1) mit einem leistungselektronisches Submodul (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer Auflageeinrichtung (3), insbesondere ausgebildet als eine Kühleinrichtung, mit einer ersten und einer zweiten Klemmeinrichtung (7), die jeweils in der Auflageeinrichtung (3) verankert ist, wobei mittels der ersten Klemmeinrichtung (7), die eine Isolierstoffhülse (74) aufweist durch die ein Klemmelement (70) hindurch verläuft oder wobei das Klemmelement (70) selbst elektrisch isolierend ausgebildet ist, eine elektrisch leitende kraftschlüssige Verbindung zwischen der Wechselpotentialverbindungsfläche (436) und dem Wechselpotentialverbindungselement (60) ausgebildet wird und wobei mittels der zweiten Klemmeinrichtung (7) eine elektrisch leitende kraftschlüssige Verbindung zwischen der ersten Gleichpotentialverbindungsfläche (426) und dem ersten Gleichpotentialverbindungselement (64) und gleichzeitig zwischen der zweiten Gleichpotentialverbindungsfläche (446) und dem zweiten Gleichpotentialverbindungselement ausgebildet wird.Arrangement (1) with a power electronics submodule (2) according to one of the preceding claims, with a support device (3), in particular designed as a cooling device, with a first and a second clamping device (7), each anchored in the support device (3). by means of the first clamping device (7), which has an insulating material sleeve (74) through which a clamping element (70) runs, or where the clamping element (70) itself is designed to be electrically insulating, an electrically conductive non-positive connection between the alternating potential connection surface (436 ) and the alternating potential connection element (60) is formed and by means of the second clamping device (7) an electrically conductive non-positive connection between the first DC potential connection surface (426) and the first DC potential connection element (64) and at the same time between the second DC potential connection surface (446) and the second equal I potential connecting element is formed. Anordnung nach Anspruch 9, wobei die jeweilige Klemmeinrichtung ausgebildet ist als ein Klemmelement und als ein Klemmgegenelement der Auflageeinrichtung (3), vorzugsweise ausgebildet als eine Ausnehmung (32) mit Innengewinde.arrangement according to claim 9 , wherein the respective clamping device is designed as a clamping element and as a clamping counter-element of the support device (3), preferably designed as a recess (32) with an internal thread. Anordnung nach einem der Ansprüche 9 oder 10, wobei eine Mehrzahl von Submodulen (2) vorzugsweise mit einem gemeinsamen Gesamtgehäuse ein Leistungsmodul ausbilden.Arrangement according to one of claims 9 or 10 , wherein a plurality of sub-modules (2) preferably form a power module with a common overall housing.
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