DE102021110251A1

DE102021110251A1 - Leistungshalbleiteranordnung und wechselrichterbrücke mit leistungshalbleiteranordnung

Info

Publication number: DE102021110251A1
Application number: DE102021110251.0A
Authority: DE
Inventors: Gerrit Braun; Roland Huegues
Original assignee: SMA Solar Technology AG
Current assignee: SMA Solar Technology AG
Priority date: 2021-04-22
Filing date: 2021-04-22
Publication date: 2022-10-27
Also published as: WO2022223674A3; WO2022223674A2

Abstract

Es wird eine Leistungshalbleiteranordnung (10, 20, 30) mit einer ersten Leiterplatte (14), einer zweiten Leiterplatte (16) und einem Leistungshalbleiter (12) beschrieben, wobei die erste Leiterplatte (14) mit der zweiten Leiterplatte (16) elektrisch leitend verbunden ist und der Leistungshalbleiter (12) mit der zweiten Leiterplatte (16) elektrisch leitend verbunden ist, und wobei die erste Leiterplatte (14) mit der zweiten Leiterplatte (16) mechanisch über eine leitfähige Kurzdistanzverbindung (18) verbunden ist.Eine Wechselrichterbrücke weist eine solche Leistungshalbleiteranordnung (10, 20, 30), ein Wechselrichter eine solche Wechselrichterbrücke auf.

Description

Technisches Gebiet
Diese Anmeldung betrifft das technische Gebiet der Aufbau- und Verbindungstechnik für Leistungselektronik, insbesondere für Stromrichter mit Leistungshalbleitern, die elektrische Leistungen im Bereich einiger Kilowatt bis einige Hundert Kilowatt bei einigen Hundert Volt Spannung zwischen Gleichstrom und Wechselstrom umrichten. Beispiele für Leistungshalbleiter in Stromrichtern sind Halbleiterschalter in DC/DC-Wandlern, DC/AC-Wandlern oder AC/AC-Wandlern. Solche Stromrichter können Leistungsstufen verschiedener Topologien aufweisen, z. B. Halb- oder Vollbrückenschaltungen, B6-Brückenschaltungen oder sogenannte Flying Cap-Topologien, und können ggf. bidirektional betrieben werden. Stromrichter, die als DC/AC-Wandler ausgeführt sind, werden auch als Wechselrichter bezeichnet. Brückenschaltungen in Wechselrichtern, sogenannte Wechselrichterbrücken, können in einphasigen sowie dreiphasigen Wechselrichtern jeweils sowohl einphasig als auch dreiphasig ausgeführt sein und eine entsprechende Anzahl an Leistungsstufen aufweisen, deren elektrische und elektronische Komponenten insbesondere auf einer oder mehreren Leiterplatten angeordnet sein können.
Stand der Technik
Es ist bekannt, in Stromrichtern höherer Leistung, z. B. in Wechselrichtern für Energieerzeugungsanlagen oder Energiespeicheranlagen, Leistungshalbleiter als Leistungsschalter einzusetzen, die als diskrete THT-Bauteile (THT Through Hole Technology) ausgeführt und auf einer Leiterplatte neben anderen elektrischen Bauteilen des Stromrichters angeordnet sind. Es ist auch möglich, mehrere Leistungsschalter in einem sogenannten Leistungsmodul zusammenzufassen und ein solches Leistungsmodul auf einer Leiterplatte anzuordnen, beispielsweise über Einpresskontakte.
Die Leistungsschalter eines Stromrichters werden in der Regel getaktet betrieben, wobei eine möglichst hohe Taktfrequenz aus verschiedenen Gründen vorteilhaft sein kann. Die maximal erreichbare Schaltfrequenz eines Wechselrichters kann dabei durch die erreichbare Taktfrequenz der Leistungsschalter limitiert sein. Bei Verwendung von herkömmlichen siliziumbasierten Leistungsschaltern, beispielsweise IGBTs, kann diese maximale Schaltfrequenz jenseits der Frequenzbereiche liegen, in denen diese Schalter angesichts der überwiegend bei Schaltvorgängen auftretenden Verluste üblicherweise betrieben werden. Bei Leistungsschaltern, die als SiC- oder GaN-Halbleiter ausgeführt sind, überwiegen leistungsabhängige Durchlassverluste, so dass eine Erhöhung der Schaltfrequenz angestrebt werden kann, wodurch wiederum Einflüsse von etwaigen parasitären Induktivitäten zunehmen.
Aufgabe
Der Anmeldung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Leistungshalbleiteranordnung zur Verfügung zu stellen, die insbesondere eine verbesserte Entwärmung während des Betriebs in einem Stromrichter und/oder eine bessere Montierbarkeit des Stromrichters ermöglicht.
Lösung
Die Aufgabe wird durch eine Leistungshalbleiteranordnung mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen beansprucht.
Beschreibung
Eine Leistungshalbleiteranordnung weist eine erste Leiterplatte, zumindest eine zweite Leiterplatte und zumindest einen Leistungshalbleiter auf. Die erste Leiterplatte ist mit der zweiten Leiterplatte elektrisch leitend verbunden und der zumindest eine Leistungshalbleiter ist mit der zweiten Leiterplatte elektrisch leitend verbunden.
In einer Ausführungsform ist die erste Leiterplatte mit der zweiten Leiterplatte mechanisch über eine leitfähige Kurzdistanzverbindung verbunden. Über die Kurzdistanzverbindung wird eine mechanische Verbindung zwischen der ersten und der zweiten Leiterplatte hergestellt, die die räumliche Lage der ersten und der zweiten Leiterplatte zueinander bestimmt. Dies bietet den Vorteil, dass Leiterplatten mit optional verschiedenen Eigenschaften kombiniert und mittels einer Kurzdistanzverbindungstechnik mechanisch verbunden werden können, um einen thermisch und elektrisch optimierten Aufbau einer Leistungshalbleiteranordnung zu realisieren. Bevorzugt stellt die Kurzdistanzverbindung auch die elektrische leitende Verbindung für den Arbeitsstrom dar, der zwischen der ersten und der zweiten Leiterplatte sowie den darauf angeordneten elektrischen Bauelementen ausgetauscht wird.
In einer Ausführungsform weist die erste Leiterplatte überwiegend ein erstes Plattenmaterial und die zumindest eine zweite Leiterplatte überwiegend ein zweites Plattenmaterial auf. Das erste Plattenmaterial ist von dem zweiten Plattenmaterial verschieden. Insbesondere besteht eine Grundstruktur der ersten Leiterplatte aus dem ersten Plattenmaterial und eine Grundstruktur der zweiten Leiterplatte aus dem zweiten Plattenmaterial. Eine Grundstruktur einer Leiterplatte ist beispielsweise eine Trägerplatte oder ein überwiegendes Trägermaterial. In die Grundstruktur sind z.B. Leiterbahnen eingefügt oder eingebettet, und auf die Grundstruktur können z.B. Bauelemente aufgesetzt werden. Diese Ausführungsform bietet den Vorteil, dass Leiterplatten mit verschiedenen Eigenschaften kombiniert und - optional mittels einer Kurzdistanzverbindungstechnik - elektrisch und mechanisch verbunden werden können, um einen thermisch und elektrisch optimierten Aufbau einer Leistungshalbleiteranordnung zu realisieren.
Die beiden oben genannten Ausführungsformen in Kombination ermöglichen es, einen Leistungshalbleiter mit hoher Schaltfrequenz z. B. in einer Schaltzelle und/oder einer Leistungsstufe einzusetzen und insbesondere in einem Stromrichter mit einem kompakten und insofern kostengünstigen Gehäuse zum Umrichten elektrischer Leistung zu verwenden. Dabei ist insbesondere die Ableitung der bei hohen Schaltfrequenzen entstehenden Wärme verbessert und der Bedarf an Kühlflächen am Stromrichter verringert, indem die Leistungshalbleiter auf der zweiten Leiterplatte separiert angeordnet sind und die zweite Leiterplatte auf die Ableitung der Verlustwärme der Leistungshalbleiter an die Kühlflächen optimierbar ist.
Bevorzugt sind zumindest drei elektrische Verbindungen zwischen der ersten und der zweiten Leiterplatte realisiert, nämlich um Leistung von der ersten zur zweiten Leiterplatte zu transportieren, um Leistung in Gegenrichtung von der zweiten zur ersten Leiterplatte zu transportieren, und um bidirektionale Signae über eine Signalleitung zu transportieren. Der Leistungshalbleiter ist elektrisch zwischen den elektrischen Verbindungen angeordnet, die elektrische Leistung mit der ersten Leiterplatte austauschen, und kann den Leistungsfluss zwischen diesen elektrischen Verbindungen getaktet herstellen und unterbrechen. Die Signalleitung kann zwei separate Kanäle, insbesondere einen Hin- und einen Rückkanal aufweisen. Bevorzugt sollten die elektrischen Verbindungen zwecks Isolations-koordination einen gewissen Abstand voneinander einhalten.
Aus mechanischer Sicht kann es vorteilhaft sein, mehrere Kurzdistanzverbindungen zu realisieren, da eine Fixierung der zweiten Leiterplatte mit der ersten Leiterplatte mittels einer einzelnen Kurzdistanzverbindung zu Verformungen der Leiterplatten oder ähnlichem führen kann. In Ausführungsformen können daher mehrere Kurzdistanzverbindungen verwendet werden, die z.B. wie Stützsäulen um den Leistungshalbleiter herum angeordnet werden können. Es ist möglich, dass z.B. nur manche dieser Kurzdistanzverbindungen auch eine elektrische Verbindung herstellen und andere rein mechanische Funktion haben. Damit können z.B. auch Leistungsschalter, deren Leistungsanschlüsse alle auf derselben Seite des Leistungsschalters liegen, auf der zweiten Leiterplatte angeordnet und elektrisch mit der ersten Leiterplatte verbunden werden. Insbesondere kann über zwei Kurzdistanzverbindungen auf der Anschlussseite des Leistungsschalter elektrisch und mechanisch verbunden werden, und über eine weitere Kurzdistanzverbindung auf der gegenüberliegenden Seite des Leistungsschalters lediglich mechanisch verbunden werden. Dies ergibt Kombinationen aus zwei oder mehr mechanischen Verbindungen, von denen nur manche elektrisch aktiv sind, d.h. Leistungs- oder Signalkanäle aufweist.
In einer Ausführungsform der Leistungshalbleiteranordnung ist das zweite Plattenmaterial, aus dem die zweite Leiterplatte überwiegend besteht, thermisch leitfähiger als das erste Plattenmaterial, aus dem die erste Leiterplatte überwiegend besteht. Dies ermöglicht eine verbesserte Entwärmung des zumindest einen Leistungshalbleiters. Es ist z.B. möglich, dass die erste Leiterplatte überwiegend aus Glasfaser-Harz-Verbundmaterial und die zweite Leiterplatte überwiegend aus Metall besteht.
In einer Ausführungsform der Leistungshalbleiteranordnung stellt das zweite Plattenmaterial der zweiten Leiterplatte eine thermisch leitende Verbindung zwischen dem Leistungshalbleiter und einem Kühlkörper her. Hierdurch kann die Entwärmung des Leistungshalbleiters über das zweite Plattenmaterial und den Kühlkörper an die Umgebung weiter verbessert werden.
In einer Ausführungsform der Leistungshalbleiteranordnung ist das erste Plattenmaterial ein Glasfaser-Harz-Verbundmaterial und die erste Leiterplatte weist Leiterbahnen auf, welche auf mehreren Ebenen in der ersten Leiterplatte verlaufen und insbesondere aus Kupfer sind. Eine Leiterbahn stellt z.B. eine horizontale Verbindung, d.h. eine parallel zu den Oberflächen der Leiterplatter verlaufende Verbindung zwischen zwei Punkten der Leiterplatte her. In einer Leiterbahnebene können mehrere Leiterbahnen nebeneinander liegen. Für jede elektrische Verbindung, die letztlich zu einem Leistungsschalters auf der zweiten Leiterplatte führt, kann eine Leiterbahn vorgesehen sein, die zur Position einer Kurzdistanzverbindung auf der ersten Leiterplatte führt.
Die erste Leiterplatte weist bevorzugt eine Grundstruktur aus Glasfaser-Harz-Verbundmaterial auf. In die Grundstruktur sind Kupferlagen als Leiterbahnebenen eingefügt. Die thermische Leitfähigkeit der ersten Leiterplatte wird im Wesentlichen durch das Glasfaser-Harz-Verbundmaterial bestimmt, das eine eher geringe thermische Leitfähigkeit aufweist, während der überwiegende Teil der Wärme vom thermisch gut leitenden Kupfer der Leiterbahnen der Leiterbahnebene geleitet wird, allerdings in einer Richtung parallel zur Oberfläche der ersten Leiterplatte. Die erste Leiterplatte kann z.B. 2-4 mm dick sein und z.B. 6 Lagen Kupfer aufweisen, wobei jede Lage eine Dicke von 70 µm besitzen kann. Bei einer solchen Platte beträgt der Kupferanteil in der Platine bzw. Stärke an der Gesamtdicke weniger als 20%
In einer Ausführungsform der Leistungshalbleiteranordnung ist das zweite Plattenmaterial ein Metall, insbesondere Kupfer oder Aluminium, und die zumindest eine zweite Leiterplatte weist insbesondere genau eine Ebene mit Leiterbahnen auf. Insbesondere weist die Leiterbahnenebene der zumindest einen zweiten Leiterplatte genau drei Leiterbahnen auf.
Die zweite Leiterplatte weist z.B. eine metallische Grundstruktur, insbesondere eine Trägerplatte auf. Die zweite Leiterplatte ist damit gut zur Wärmeabfuhr geeignet. Sie kann darüber hinaus eine elektrische Isolation und eine Wärmespreizlage aufweisen. Statt einer Trägerplatte ist auch eine Ausführung mit Kupfer-Inlays möglich.
Die elektrische Kontaktierung von SMD-Bauteilen auf der zweiten Leiterplatte kann z.B. über oberflächennahe Leiterbahnen erfolgen. Die zweite Leiterplatte weist z.B. eine 2-3 mm dicke Trägerplatte als metallische Basis bzw. ein entsprechendes Kupfer-Inlay, eine 200 µm dicke Isolationsschicht, zwei etwa 35 µm dicke Kupferlagen (davon eine als Wärmespreizlage und eine als Leiterbahnebene) und dazwischen eine weitere Isolationsschicht von mit 100 µm Dicke auf. Dieser Aufbau weist einen Anteil von über 80% an Kupfer über den Querschnitt auf.
In einer Ausführungsform der Leistungshalbleiteranordnung beträgt der Abstand zwischen der ersten und der zumindest einen zweiten Leiterplatte weniger als 5 mm, bevorzugt weniger als 1 mm, wobei der Abstand insbesondere über die Dicke der Kurzdistanzverbindung bestimmt wird.
In einer Ausführungsform der Leistungshalbleiteranordnung stellt die Kurzdistanzverbindung eine oder mehrere elektrische Verbindungen zwischen der der ersten Leiterplatte, insbesondere den Leiterbahnen der ersten Leiterplatte, und der zweiten Leiterplatte, insbesondere den Leiterbahnen der zweiten Leiterplatte her, wobei die Kurzdistanzverbindung insbesondere durch Einpressen, Löten, Schweißen oder Kletten hergestellt wurde. Beim Schweißen werden z.B. Kupferlagen der ersten und der zweiten Leiterplatte miteinander verschweißt. Beim Löten können Anschlussflächen mittels eines Lotmaterial elektrisch und mechanisch miteinander verbunden werden.
In einer Ausführungsform der Leistungshalbleiteranordnung umfasst die Kurzdistanzverbindung ein Ball Grid Array zur Lötverbindung. Beim Ball Grid Array kann ein „Ball“, der nach dem Verlöten eine von vielen punktuellen elektrischen Kontakte zwischen der ersten und der zweiten Leiterplatte herstellt, ein elektrischer Kanal sein, d.h. eine Verbindung zwischen einer Leiterbahn der ersten Leiterplatte mit einer Leiterbahnd er zweiten Leiterplatte.
Alternativ kann die Kurzdistanzverbindung faserartige Metallstrukturen zur Herstellung einer metallischen Klettfaserverbindung aufweisen. Bei der Klettfaserverbindung umfasst ein Kanal in der Regel eine Mindestanzahl an einzelnen „Fasern“ der Klettverbindung bzw. weist zumindest eine Mindestfläche auf, die insbesondere die Stromtragfähigkeit dieses Kanals beeinflusst.
Die Kurzdistanzverbindung kann die erste und die zweite Leiterplatte an mehr als einer Stelle verbinden. Das Ball Grid Array kann mehrere elektrisch getrennte Verbindungen aufweisen, die jeweils Cluster aus mehreren Kanälen aufweisen. Die metallische Klettfaserverbindung kann über mehrere Bündel von Fasern mehrere getrennte elektrische Verbindungen zwischen erster und zweiter Leiterplatte herstellen. Dabei gilt ein Ball Grid Array bzw. eine Klettfaserverbindung als eine mechanische Verbindung, auch wenn diese mehrere Cluster bzw. Bündel aufweist und mehrere getrennte elektrische Verbindungen herstellt.
In einer Ausführungsform der Leistungshalbleiteranordnung weist eine elektrische Verbindung über die Kurzdistanzverbindung mehrere elektrische Kanäle auf, beispielsweise mehrere Dutzend Lötpunkte eines Ball Grid Arrays. Insbesondere zum Transfer elektrischer Leistung zwischen der ersten Leiterplatte und der zweiten Leiterplatte können mehrere Kanäle zu einer Gruppe zusammengefasst sein, wobei eine Gruppe zum Transfer elektrischer Leistung bevorzugt 10 oder mehr Kanäle aufweist. Eine Gruppe kann z.B. aus einem Cluster von „Bällen“ des Ball Grid Arrays bestehen bzw. eine Teilfläche einer Klettfaserverbindung umfassen. Eine derartige elektrische Verbindung ermöglicht insbesondere den Transfer eines wesentlichen Anteils an einer Nennleistung z. B. eines Wechselrichters über die Leistungshalbleiteranordnung.
In einer Ausführungsform der Leistungshalbleiteranordnung umfasst die Kurzdistanzverbindung mindestens einen Steuer- und/oder Signalkanal, der eine Übertragung von Signalen über einzelne Kanäle, insbesondere eine einstellige Anzahl von Kanälen, ermöglicht.
In einer Ausführungsform der Leistungshalbleiteranordnung ist der zumindest eine Leistungshalbleiter über Leiterbahnen der zweiten Leiterplatte mit der Kurzdistanzverbindung elektrisch verbunden ist und auf einer Oberfläche der zweiten Leiterplatte angeordnet. Die elektrische Verbindung des zumindest einen Leistungshalbleiters mit zumindest einer Leiterbahn der zweiten Leiterplatte erfolgt dabei insbesondere über Oberflächenkontakte auf einer Oberfläche der zweiten Leiterplatte.
In einer Ausführungsform der Leistungshalbleiteranordnung weist die erste Leiterplatte eine Aussparung auf, so dass der zumindest eine Leistungshalbleiter im montierten Zustand der Leistungshalbleiteranordnung innerhalb der Aussparung angeordnet ist.
In einer Ausführungsform der Leistungshalbleiteranordnung ist der zumindest eine Leistungshalbleiter teilweise oder vollständig innerhalb der zweiten Leiterplatte angeordnet. Dabei kann der Leistungshalbleiter zwischen einer oberen Kupferlage und einer unteren Kupferlage der zweiten Leiterplatte angeordnet sein, wobei die obere Kupferlage Leiterbahnen aufweist, die elektrische Verbindungen zwischen dem Leistungshalbleiter und der Kurzdistanzverbindung herstellen.
In einer Ausführungsform der Leistungshalbleiteranordnung erfolgt die elektrische Verbindung des innerhalb der zweiten Leiterplatte angeordneten Leistungshalbleiters mit zumindest einer Leiterbahn der zweiten Leiterplatte über eine mit elektrisch leitfähigem Material verfüllte Bohrung durch ein den Leistungshalbleiter umhüllendes Füllmaterial. Der Leistungshalbleiter kann somit als in die Leiterplatte integriert betrachtet werden, indem er z.B. in einer Mulde angeordnet ist, die mit einem Verguss verfüllt und mit einer strukturierten oberen Kupferlage mit Leiterbahnen überdeckt wird. Zum Kontaktieren des Leistungshalbleiters mit der Leiterbahn wird der den Leistungshalbleiter umgebende Verguss und die Kupferlage an geeigneten Stellen, insbesondere in Höhe der elektrischen Anschlüsse des Leistungshalbleiters aufgebohrt, und über ein leitfähiges Füllmaterial werden die Anschlüsse des Leistungshalbleiters mit der Kupferlage und damit mit den Leiterbahnen der zweiten Leiterplatte kontaktiert. Das leitfähige Füllmaterial kann z.B. Lot sein oder durch galvanisches Abscheiden von Kupfer generiert werden. Es ist auch möglich, den Leistungshalbleiter in einer Mulde anzuordnen und zusammen mit den einzelnen Lagen der Leiterplatte formschlüssig zu verpressen oder bündig mit der Oberfläche der Leiterplatte zu vergießen, wobei sich die Leiterbahn z. B. auf oder knapp unter Oberfläche der zweiten Leiterplatter befinden kann.
Die untere Kupferlage der zweiten Leiterplatte kann als eine Wärmespreizlage ausgeführt sein und mit einer Kühlfläche des Leistungshalbleiters thermisch verbunden sein. Dabei ist die Ausdehnung der unteren Kupferlage in lateraler Dimension mindestens doppelt so groß wie die Kühlfläche des Leistungshalbleiters, um eine gute Spreizung der Verlustwärme auf eine größere Fläche zu erzielen. Dabei kann die untere Kupferlage eine Kühlfläche der zweiten Leiterplatte insgesamt bilden, insbesondere indem die untere Kupferlage zumindest teilweise die untere Oberfläche der zweiten Leiterplatte bildet.
Alternativ oder zusätzlich kann die zweite Leiterplatte eine weitere Kupferlage unterhalb der unteren Kupferlage aufweisen. Eine solche weitere Kupferlage weist bevorzugt mindestens dieselbe Fläche wie die untere Kupferlage auf und ist von der unteren Kupferlage elektrisch isoliert. Die weitere Kupferlage kann dabei eine Kühlfläche der zweiten Leiterplatte insgesamt bilden, insbesondere indem die weitere Kupferlage zumindest teilweise die untere Oberfläche der zweiten Leiterplatte bildet.
Mit dem Aufbau der beschriebenen Ausführungsbeispiele können z.B. die Schaltzellen und/oder die Leistungsstufen eines Stromrichters optimal gekühlt werden und eine kompakte Bauweise aufweisen. Im Vergleich zu herkömmlichen Aufbau- und Verbindungskonzepten mit THT-Bauteilen und/oder mit integrierten Leistungsmodulen auf Standard-Platinen treten durch den kompakten Aufbau beispielsweise niedrigere Leitungsinduktivitäten auf. Bei gegebener Kühlungsleistung einer Peripherie des zumindest einen Leistungsschalters, insbesondere bei einem gegebenen Kühlkörper können höhere Schaltgeschwindigkeiten erzielt werden und/oder höhere Leistungen umgesetzt werden.
Mit den beschriebenen Ausführungsbeispielen kann eine höhere Leistung bei gleichem Flächenbedarf der Leistungshalbleiteranordnung, z.B. der Schaltzelle, umgesetzt und der Aufwand bei Fertigung und Zusammenbau verringert werden. Dadurch werden insbesondere die Einsatzmöglichkeiten von SiC- und/oder GaNbasierten Leistungsschaltern in Stromrichtern erweitert, die eine hohe elektrische Leistung mit einer hohen Schaltfrequenz umrichten können, wenn eine geeignete Entwärmung entsprechend den beanspruchten Ausführungsformen sichergestellt ist. Mögliche parasitäre Induktivitäten werden verringert und die Entwärmung verbessert, so dass die Schaltfrequenz bzw. die Schaltgeschwindigkeit verbessert werden kann. Die beschriebenen Leistungshalbleiteranordnungen können kompakt gebaut werden, um die Möglichkeiten der Anordnung in Gehäusen und/oder Leistungsmodulen zu vergrößern. Außerdem können die Leistungshalbleiteranordnungen, insbesondere solche mit einer Mehrzahl an Schaltern aus Leistungshalbleitern, ohne eine entsprechende Vielzahl von gleichzeitig herzustellenden Einpressverbindungen montiert werden, was den Montagevorgang effizienter und einfacher macht und insbesondere eine von-Hand-Bestückung einzelner Leistungsmodulen vermeiden hilft.
Die beschriebenen Leistungshalbleiteranordnungen können in Brückenschaltungen für Stromrichter, insbesondere in Wechselrichtern, zum Einsatz kommen. Brückenschaltungen in Wechselrichtern werden auch Wechselrichterbrücken genannt.
In einer Ausführungsform umfasst eine Wechselrichterbrücke eine Leistungshalbleiteranordnung mit mindestens vier Leistungshalbleitern in einer einphasigen Brückenschaltung, die jeweils einzeln auf jeweiligen zweiten Leiterplatten angeordnet sind, wobei diese zweiten Leiterplatten mit derselben ersten Leiterplatte elektrisch verbunden sind.
In einer Ausführungsform umfasst die Wechselrichterbrücke eine Leistungshalbleiteranordnung mit mindestens vier Leistungshalbleitern in einer einphasigen Brückenschaltung, wobei die Leistungshalbleiter paarweise auf mindestens zwei zweiten Leiterplatten oder komplett auf genau einer gemeinsamen zweiten Leiterplatte angeordnet sind.
In einer Ausführungsform umfasst die Wechselrichterbrücke eine Leistungshalbleiteranordnung mit mindestens sechs Leistungshalbleitern in einer dreiphasigen Brückenschaltung, die jeweils einzeln auf jeweiligen zweiten Leiterplatten angeordnet sind, wobei die zweiten Leiterplatten mit derselben ersten Leiterplatte elektrisch verbunden sind.
In einer Ausführungsform umfasst die Wechselrichterbrücke eine Leistungshalbleiteranordnung mit mindestens sechs Leistungshalbleitern in einer dreiphasigen Brückenschaltung, wobei die Leistungshalbleiter einer Phase der dreiphasigen Brückenschaltung jeweils gemeinsam auf einer zweiten Leiterplatte angeordnet sind.
Ein erfindungsgemäßer Wechselrichter weist eine Wechselrichterbrücke nach einer der beschriebenen Ausführungsformen und einen Kühlkörper auf. Die Leistungshalbleiteranordnung der jeweiligen Wechselrichterbrücke ist dabei bevorzugt auf einem Kühlkörper montiert, der mit der Umgebung Wärme austauscht. Dabei ist die zweite Leiterplatte zwischen der ersten Leiterplatte und dem Kühlkörper angeordnet, so dass ein guter thermischer Kontakt zwischen dem Leistungshalbleiter und dem Kühlkörper erzielt wird.
Figurenliste
Im Folgenden wird die Erfindung mithilfe von Figuren näher erläutert.

1 zeigt schematisch eine Leistungshalbleiteranordnung;
2 zeigt schematisch eine weitere Ausführungsform einer Leistungshalbleiteranordnung;
3 zeigt schematisch eine weitere Ausführungsform einer Leistungshalbleiteranordnung,
4 zeigt schematisch einen Querschnitt einer zweiten Leiterplatte mit integriertem Leistungshalbleiter,
5 zeigt schematisch einen Querschnitt einer zweiten Leiterplatte mit integriertem Leistungshalbleiter in einer weiteren Ausführungsform,
6 zeigt schematisch eine Aufsicht auf eine zweite Leiterplatte und
7 zeigt schematisch eine Aufsicht auf eine Brückenschaltung.

In den Figuren sind gleiche oder ähnliche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
Figurenbeschreibung
In 1 ist eine Leistungshalbleiteranordnung 10 mit einer ersten Leiterplatte 14 und einer zweiten Leiterplatte 16 dargestellt.
Elektrische Bauteile für den Betrieb der Leistungshalbleiteranordnung 10 in einem leistungselektronischen Umrichter, z.B. SMD-Bauteile 32 und/oder THT-Bauteile 28, befinden sich auf der ersten Leiterplatte 14. Die erste Leiterplatte 14 ist in herkömmlicher Bauart ausgeführt und kann insbesondere überwiegend aus Kunststoff bestehen, beispielsweise einem Glasfaser-Harz-Verbundmaterial. Die erste Leiterplatte 14 ist oberhalb und im Wesentlichen parallel zu der zweiten Leiterplatte 16 angeordnet. Ein Leistungshalbleiter 12, z.B. ein Halbleiter-Leistungsschalter als Teil einer Brückenschaltung eines leistungselektronischen Umrichters, kann in SMD Bauweise ausgeführt sein und sich auf der im montierten Zustand der ersten Leiterplatte 14 zugewandten Seite, in 1 also auf der Oberseite der zweiten Leiterplatte 16 befinden. Die zweite Leiterplatte 16 ist thermisch optimiert, d.h. insbesondere darauf optimiert, Wärme effektiv von einem Bauteil auf einer Seite der Leiterplatte 16, insbesondere vom Leistungshalbleiter 12, auf die andere Seite der Leiterplatte 16 zu transportieren, in 1 also von ihrer Ober- auf ihre Unterseite. Auf ihrer Unterseite ist die zweite Leiterplatte 16 über eine optionale Wärmeleitpaste 22 mit einem Kühlkörper 24 mit Finnen 26 verbunden. Somit befindet sich der Leistungshalbleiter 12 zwischen der ersten Leiterplatte 14 und der zweiten Leiterplatte 16.
Die Leiterplatten 14, 16 sind über grundsätzlich leitfähige Kurzdistanzverbindungen 18 mechanisch und ggf. elektrisch miteinander verbunden. Insbesondere können die Leiterplatten 14, 16 über die Kurzdistanzverbindung 18 miteinander verlötet sein, z.B. über ein Ball Grid Array. Alternativ können zur Herstellung der Kurzdistanzverbindung 18 jeweilige Kupferlagen der beiden Leiterplatten 14, 16 miteinander verschweißt werden. Weiterhin alternativ können die Leiterplatten 14, 16 über einen elektrisch leitenden mechanischen Klettverschluss elektrisch miteinander verbunden werden, wobei der Klettverschluss beispielsweise durch ein Klettwelding-Verfahren hergestellt werden kann. Ein Klettwelding-Verfahren ist z. B. in DE102017126724 beschrieben. Ein derartiger Klettverschluss kann lösbar ausgeführt sein, um z.B. die Reparatur von Bauteilen zu ermöglichen. Ein Klettverschluss kann auch nicht lösbar ausgeführt sein, indem beim Zusammenfügen durch Druck und/oder Temperatur eine Verbindung zwischen den Fasern auf Atomgitterebene hergestellt wird, ähnlich wie beim Kaltschweißen von Metallen.
Auf der zweiten Leiterplatte 16 befindet sich mindestens ein Leistungshalbleiter 12. Der Leistungshalbleiter 12 kann insbesondere drei Anschlüsse aufweisen, wobei zwischen zwei Anschlüssen elektrische Leistung fließen bzw. von einem Schaltelement unterbrochen werden kann, während der dritte Anschluss zur Steuerung des Schaltelements dient. Daher können für den Betrieb eines Leistungshalbleiters 12 mindestens drei voneinander isolierte elektrische Leitungspfade von der ersten Leiterplatte 14 zur zweiten Leiterplatte bzw. zurück führen, davon insbesondere zwei Leitungspfade für elektrische Leistung und ein Leitungspfad als Steuer- und/oder Signalleitung. Bei mehreren Leistungshalbleitern 12 auf der zweiten Leiterplatte 16 ist zwischen der ersten Leiterplatte 14 und der zweiten Leiterplatte 16 eine entsprechende Vielzahl an Verbindungen bzw. Leitungspfaden vorzusehen. Dabei können mehrere (Leistungs-)Verbindungen in einer Kurzdistanzverbindung 18 zusammengefasst sein, z.B. indem mehrere Ball Grid Subarrays eines BGAs bzw. mehrere Faserbündel eines Klettverschlusses jeweils einzelne elektrische Leitungspfade darstellen. Dabei können mehrere oder alle Leitungspfade in einer Kurzdistanzverbindung 18 zusammengefasst sein, so dass eine Kurzdistanzverbindung 18 mehrere getrennte Verbindungen zwischen Leiterbahnen der Leiterplatten 14, 16 und daran angeschlossenen Bauelementen herstellen kann. Einzelne Kurzdistanzverbindungen 18 können alternativ oder zusätzlich auch lediglich mechanische Funktion erfüllen, also keine elektrische Verbindung zwischen Bauelementen auf den Leiterplatten 14, 16 herstellen. Etwaige Kurzdistanzverbindungen 18 mit lediglich mechanischer Funktion können Leiterbahnen der Leiterplatten 14, 16 miteinander verbinden, um die mechanische Stabilität sicherzustellen, wobei diese Leiterbahnen dann mit keinen Bauelementen oder anderen Leiterbahnen verbunden sind.
Die thermisch optimierte zweite Leiterplatte 16 ist thermisch mit einem Kühlkörper 24 verbunden. Dabei kann zwischen der Unterseite der zweiten Leiterplatte 16 und einer Kühlfläche des Kühlkörpers 24 eine Wärmetransferschicht 22 angeordnet sein. Die Wärmetransferschicht 22 kann als TIM (thermal interface material) ausgeführt sein. Das TIM kann eine Wärmeleitpaste oder eine Wärmeleitfolie umfassen und darf metallisch sein, um thermisch besonders gut zu leiten, wenn eine Isolation bereits in der zweiten Leiterplatte 16 zwischen Leistungshalbleiter 12 und metallischer Grundplatte integriert ist.
Die Kühlfläche des Kühlkörpers 24 kann ein Podest aufweisen, auf dem die zweite Leiterplatte 16 mit dem Leistungshalbleiter 12 angeordnet ist. Dadurch kann der Abstand zwischen der ersten Leiterplatte 14, die mit THT-Bauteilen 28 und SMD-Bauteilen 32 bestückt ist, und dem Kühlkörper 24 ausreichend groß gestaltet und eine Luftstrecke für die Isolations-Koordination sichergestellt werden. Gleichzeitig kann der Abstand zwischen der ersten 14 und der zweiten Leiterplatte 16 derart gering gestaltet werden, dass er von der Kurzdistanzverbindung 18 überbrückt werden kann.
In 2 ist eine Ausführungsform einer Leistungshalbleiteranordnung 20 dargestellt. Hier ist die Bauhöhe des Leistungshalbleiters 12 größer als der Abstand zwischen der ersten Leiterplatte 14 und der zweiten Leiterplatte 16. In der ersten Leiterplatte 14 ist eine Aussparung 34, z. B. eine Ausfräsung, im Bereich des Leistungshalbleiters 12 vorgesehen. Die Aussparung 34 ist im montierten Zustand der Leistungshalbleiteranordnung 20 derart über dem Leistungshalbleiter 12 angeordnet, dass der Leistungshalbleiter 12 nach oben durch die erste Leiterplatte 14 hindurchragt. Die Kurzdistanzverbindungen 18 überbrücken den verbleibenden Abstand zwischen den Leiterplatten 14, 16, wobei der Abstand weniger als einen Zentimeter betragen kann. Bei Verwendung einer entsprechend dünnen Kurzdistanzverbindung, beispielsweise eines geeigneten Ball-Grid-Arrays, kann der Abstand zwischen den Leiterplatten 14, 16 weniger als 5 mm, bevorzugt sogar weniger als 1 mm betragen.
In 3 ist eine Ausführungsform einer Leistungshalbleiteranordnung 30 dargestellt. Hier ist der Leistungshalbleiter 12 innerhalb der zweiten Leiterplatte 16 angeordnet. Der Leistungshalbleiter 12 kann z.B. in einer Vertiefung oder Mulde in der zweiten Leiterplatte 16 angeordnet sein, die nach dem Einfügen des Leistungshalbleiters 12 verfüllt worden sein kann. Bei dieser Ausführungsform kann der Abstand zwischen den Leiterplatten 14, 16 sehr gering ausgeführt werden und ist lediglich durch die Dicke der Kurzdistanzverbindung begrenzt. Im Gegensatz zur Ausführungsform gemäß 2 weist die erste Leiterplatte 14 dabei keine Ausfräsung im Bereich des Leistungshalbleiters 12 auf.
In 4 ist schematisch ein Schnitt durch eine zweite Leiterplatte 16 mit integriertem Leistungshalbleiter 12 dargestellt. Eine derartige Leiterplatte 16 kann insbesondere in der Ausführungsform gemäß 3 verwendet werden. Der Leistungshalbleiter 12 ist weitgehend formschlüssig von der zweiten Leiterplatte 16 umgeben, indem der Leistungshalbleiters 12 in einer Aussparung der zweiten Leiterplatte 16 angeordnet ist, die anschließend mit einer geeigneten Füllmasse verfüllt wurde, so dass die Oberfläche des Leistungshalbleiters 12 mit der Füllmasse bedeckt ist.
Der Leistungs-„halbleiter‟ 12 weist einen ersten Kontakt 44 und einen zweiten Kontakt 46 auf. Über dem Leistungshalbleiter 12 befindet sich eine obere Kupferlage 42. Die obere Kupferlage 42 ist nicht durchgängig bzw. vollflächig, sondern in Leiterbahnen 42a, 42b unterteilt. Die Leiterbahnen 42a, 42b sind mit dem ersten Kontakt 44 bzw. dem zweiten Kontakt 46 verbunden. Diese Verbindung kann beispielsweise durch Bohrungen 40 realisiert werden, die von der Kupferlage 42 durch die Deckschicht der Füllmasse zu dem jeweiligen Kontakt 44, 46 reichen und mit leitfähigem Material aufgefüllt sind. Damit werden die Kontakte 44 und 46 mit den Leiterbahnen 42a bzw. 42b kontaktiert.
Die dargestellte zweite Leiterplatte 16 weist unterhalb des Leistungshalbleiters 12 eine untere Kupferlage 36 auf, die als Wärmespreizlage ausgeführt ist. Diese Wärmespreizlage kann insbesondere aus Kupfer oder auch aus einem anderen Metall bestehen, z.B. aus Aluminium. Die untere Kupferlage 36 befindet sich in thermischem Kontakt mit einer Kühlfläche 38 des Leistungshalbleiters 12, die zur Abgabe von Verlustwärme des Leistungshalbleiters 12 an die Umgebung vorgesehen ist. Die untere Kupferlage 36 weist insbesondere eine Ausdehnung auf, die deutlich größer als die Kühlfläche 38 ist, und wirkt aufgrund ihrer guten thermischen Leitfähigkeit als Wärmespreizlage zur Verbesserung der Wärmeabfuhr von der zweiten Leiterplatte 16, indem die Wärme vom Leistungshalbleiter 12 in horizontaler Richtung, d.h. parallel zur Oberfläche der zweiten Leiterplatte 16 über eine größere Fläche verteilt wird. Die untere Kupferlage 36 kann die untere Oberfläche der zweiten Leiterplatte 16 bilden und im montierten Zustand der Leiterplattenanordnung, z. B. gemäß 3, auf einem Kühlkörper 24 montiert sein.
5 zeigt einen Schnitt durch eine zweite Leiterplatte 16 mit integriertem Leistungshalbleiter 12 in einer weiteren Ausführungsform. Die zweite Leiterplatte 16 weist eine weitere Kupferlage 48 auf, die sich oberhalb der oberen Kupferlage 42 befindet und in zwei Leiterbahnen 48a, 48b unterteilt ist, die jeweils mit den Leiterbahnen 42a, 42b und damit mit den Kontakten 44 bzw. 46 verbunden sind. Die Leiterbahnen 48a, 48b befinden sich an der Oberfläche der zweiten Leiterplatte 16 und dienen zur Verbindung der Kontakte 44, 46 des Leistungshalbleiters 12 über die Kurzdistanzverbindungen 18 mit den Leiterbahnen der ersten Leiterplatte 14 (vergleiche 3). Weiterhin weist die zweite Leiterplatte 16 gemäß 5 eine weitere Kupferlage 50 auf, die sich unterhalb der unteren Kupferlage 36 befindet und von dieser elektrisch isoliert ist. Die weitere Kupferlage 50 kann die untere Oberfläche der zweiten Leiterplatte 16 bilden und als Kühlfläche für die zweite Leiterplatte dienen, indem Verlustwärme vom Leistungshalbleiter 12 über die untere Kupferlage 36 und die weitere Kupferlage 50 an die Umgebung, insbesondere an einen Kühlkörper 24 abgegeben wird, auf dem die zweite Leiterplatte 16 montiert werden kann (vergleiche 3). Die Verlustwärme des Leistungshalbleiters 12 wird im Betrieb eines entsprechend ausgestatteten Stromrichters somit über eine Wärmespreizlage zunächst auf eine größere Fläche verteilt und über eine Kühlfläche mit nochmals größerer Fläche auf möglichst direktem und ungehindertem, jedoch elektrisch isoliertem Weg in die Kühlfinnen 26 des Kühlkörpers 24 eingeleitet und von dort an die Umgebung abgegeben.
6 zeigt eine zweite Leiterplatte 16 mit zwei Leistungshalbleitern 12 in einer Aufsicht. Die zweite Leiterplatte 16 weist in diesem Beispiel insgesamt fünf Kurzdistanzverbindungen 18a-18d auf, die hier als Ball Grid Arrays mit einer Vielzahl an Lötpunkten 54 ausgeführt sind. Die Kurzdistanzverbindungen 18a und 18b sind über Leiterbahnen 42a, 42b mit jeweils einem der Kontakte 44, 46 der Leistungshalbleiter 12 verbunden (vergleiche z.B. 4). Eine weitere Leiterbahn 42c verbindet die jeweils anderen Kontakte der Leistungshalbleiter 12 miteinander und mit einer weiteren Kurzdistanzverbindung 18c. Die zusätzlichen Kurzdistanzverbindungen 18d sind optional und nicht mit Leiterbahnen verbunden. Die Leistungshalbleiter 12 sind mit Steueranschlüssen 52 verbunden, über die die Leistungshalbleiter 12 ein- und ausgeschaltet werden können.
7 zeigt eine Brückenschaltung mit einem Ausschnitt einer ersten Leiterplatte 14 und einer „dahinter“ liegenden zweiten Leiterplatte 16 in einer Aufsicht. Die erste Leiterplatte 14 weist eine Aussparung 34 auf, vergleiche 2; alternativ kann auf die Aussparung verzichtet werden, vergleiche 1 bzw. 3. Auf der ersten Leiterplatte 14 sind zwei Kondensatoren 28a, 28b als THT-Bauteile angeordnet, die insbesondere zwei Potentiale DC+, DC- eines Gleichspannungszwischenkreis bilden können. Die Potentiale DC+, DC- werden über Leiterbahnen in der ersten Leiterplatte 14 mit Kurzdistanzverbindungen 18a, 18b verbunden. Über die Kurzdistanzverbindungen 18a, 18b werden die Potentiale DC+, DC- mit den Leiterbahnen 42a, 42b der zweiten Leiterplatte 16 verbunden und damit an die Leistungshalbleiter 12 angelegt. Die zweite Leiterplatte 16 kann insbesondere gemäß 6 ausgeführt sein, wobei die Kurzdistanzverbindungen 18d mit lediglich mechanischer Funktion in 7 nicht sichtbar sind.
Durch geeignete Ansteuerung der Leistungshalbleiter 12, beispielsweise mittels der Ansteuerbauteile 32, können die Potentiale DC+, DC- gezielt an die Leiterbahn 42c und damit an die Kurzdistanzverbindung 18c durchgeschaltet werden. Über die Kurzdistanzverbindung 18c gelangt das derart getaktete Potential DC+ bzw. DC- in eine weitere Leiterbahn der ersten Leiterplatte 14, die beispielsweise als AC-Potential verwendet und im weiteren Verlauf nach geeigneter Filterung und ähnlichem einen AC-Ausgang der Brückenschaltung bzw. eines die Brückenschaltung aufweisenden Wechselrichters bilden kann.
Im Betrieb eines erfindungsgemäßen Wechselrichters werden die Leistungshalbleiter 12 insbesondere getaktet ein- und ausgeschaltet. Eine geeignete Spannung in den Kondensatoren 28a, 28b des Gleichspannungszwischenkreises vorausgesetzt, kann ein Strom am AC-Ausgang der Brückenschaltung erzeugt werden, der je nach Halbwelle von einem der Kondensatoren 28a, 28b über die Kurzdistanzverbindung 18a bzw. 18b zu einem der Leistungshalbleiter 12 fließt und von diesem (getaktet) über die Kurzdistanzverbindung 18c an den AC-Ausgang geleitet wird. Ein konkreter Wechselrichter kann dabei je nach Topologie eine oder mehrere Brückenschaltungen beispielsweise gemäß 7 aufweisen, wobei jede Brückenschaltung einen oder mehrere Leistungshalbleiter 12 aufweisen kann, die jeweils einzeln oder gemeinsam auf einer oder mehreren zweiten Leiterplatten 16 angeordnet sein können.
Bezugszeichenliste

10, 20, 30: Leistungshalbleiteranordnung
12: Leistungshalbleiter
14: erste Leiterplatte
16: zweite Leiterplatte
18: Kurzdistanzverbindung
18a, 18b, 18c, 18d: Kurzdistanzverbindungen
22: Wärmeleitpaste
24: Kühlkörper
26: Finne
28: THT-Bauteil
28a, 28b: Kondensatoren
32: SMD-Bauteil
34: Aussparung
36: Kupferlage
38: Kühlfläche
40: Bohrung
42: Kupferlage
42a, 42b: Leiterbahnen
44: erster Anschluss
46: zweiter Anschluss
48: Kupferlage
48a, 48b: Leiterbahnen
50: Kupferlage
52: Steueranschlüsse
54: Lötpunkt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102017126724 [0044]

Claims

Leistungshalbleiteranordnung (10, 20, 30) mit einer ersten Leiterplatte (14), einer zweiten Leiterplatte (16) und einem Leistungshalbleiter (12), wobei die erste Leiterplatte (14) mit der zweiten Leiterplatte (16) elektrisch leitend verbunden ist und der Leistungshalbleiter (12) mit der zweiten Leiterplatte (16) elektrisch leitend verbunden ist, und wobei die erste Leiterplatte (14) mit der zweiten Leiterplatte (16) mechanisch über eine leitfähige Kurzdistanzverbindung (18) verbunden ist.
Leistungshalbleiteranordnung (10, 20, 30), insbesondere nach Anspruch 1, mit einer ersten Leiterplatte (14), einer zweiten Leiterplatte (16) und einem Leistungshalbleiter (12), wobei die erste Leiterplatte (14) mit der zweiten Leiterplatte (16) elektrisch leitend verbunden ist und der Leistungshalbleiter (12) mit der zweiten Leiterplatte (16) elektrisch leitend verbunden ist, und wobei die erste Leiterplatte (14) ein erstes Plattenmaterial und die zweite Leiterplatte (16) ein zweites Plattenmaterial aufweist und das erste Plattenmaterial von dem zweiten Plattenmaterial verschieden ist.
Leistungshalbleiteranordnung nach Anspruch 2, wobei das zweite Plattenmaterial thermisch leitfähiger ist als das erste Plattenmaterial.
Leistungshalbleiteranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweite Leiterplatte (16) eine thermisch leitende Verbindung zwischen dem Leistungshalbleiter (12) und einem Kühlkörper (24) herstellt.
Leistungshalbleiteranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Plattenmaterial ein Glasfaser-Harz-Verbundmaterial ist und die erste Leiterplatte Leiterbahnen aufweist, welche auf mehreren Ebenen in der ersten Leiterplatte verlaufen und insbesondere aus Kupfer sind.
Leistungshalbleiteranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das zweite Plattenmaterial überwiegend ein Metall, insbesondere Kupfer oder Aluminium ist und die zweite Leiterplatte insbesondere genau eine Ebene mit Leiterbahnen aufweist.
Leistungshalbleiteranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Abstand zwischen der ersten und der zweiten Leiterplatte (14, 16) weniger als 5mm, bevorzugt weniger als 1 mm beträgt und der Abstand insbesondere über die Kurzdistanzverbindung bestimmt wird.
Leistungshalbleiteranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kurzdistanzverbindung (18) elektrische Verbindungen zwischen der der ersten Leiterplatte, insbesondere Leiterbahnen der ersten Leiterplatte (14), und der zweiten Leiterplatte (16), insbesondere Leiterbahnen der zweiten Leiterplatte (16) herstellt, wobei die Kurzdistanzverbindung (18) insbesondere durch Einpressen, Löten, Schweißen oder Kletten hergestellt wurde.
Leistungshalbleiteranordnung nach Anspruch 8, wobei die Kurzdistanzverbindung (18) als Ball Grid Array oder metallische Klettfaserverbindung ausgebildet ist.
Leistungshalbleiteranordnung nach Anspruch 8 oder 9, wobei die elektrische Verbindung über die Kurzdistanzverbindung (18) mehrere elektrische Kanäle aufweist, wobei insbesondere zum Transfer elektrischer Leistung zwischen der ersten Leiterplatte (14) und der zweiten Leiterplatte (16) mehrere Kanäle zu einer Gruppe zusammenfassbar sind, wobei eine Gruppe bevorzugt 10 oder mehr Kanäle aufweist.
Leistungshalbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei die Kurzdistanzverbindung (18) mindestens einen Steuer- und/oder Signalkanal umfasst, der eine Übertragung von Signalen über einzelne Kanäle, insbesondere über einen einzigen Kanal der Kanäle der Kurzdistanzverbindung (18) ermöglicht.
Leistungshalbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 11, wobei der Leistungshalbleiter (12) über Leiterbahnen der zweiten Leiterplatte (16) mit der Kurzdistanzverbindung elektrisch verbunden ist und auf einer Oberfläche der zweiten Leiterplatte (16) angeordnet ist, wobei die elektrische Verbindung des Leistungshalbleiters (12) mit zumindest einer Leiterbahn der zweiten Leiterplatte (16) über zumindest einen Oberflächenkontakt auf einer Oberfläche der zweiten Leiterplatte erfolgt.
Leistungshalbleiteranordnung nach Anspruch 12, wobei die erste Leiterplatte (14) eine Aussparung (34) aufweist, so dass der Leistungshalbleiter (12) im montierten Zustand der Leistungshalbleiteranordnung innerhalb der Aussparung (34) angeordnet ist.
Leistungshalbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei der Leistungshalbleiter (12) teilweise oder vollständig innerhalb der zweiten Leiterplatte (16) angeordnet ist.
Leistungshalbleiteranordnung nach Anspruch 14, wobei der Leistungshalbleiter (12) zwischen einer oberen Kupferlage (42) und einer unteren Kupferlage (36) der zweiten Leiterplatte (16) angeordnet ist, wobei die obere Kupferlage (42) Leiterbahnen (42a, 42b) aufweist, die eine elektrische Verbindung zwischen dem Leistungshalbleiter (12) und der Kurzdistanzverbindung (18) darstellen.
Leistungshalbleiteranordnung nach Anspruch 15, wobei die elektrische Verbindung des Leistungshalbleiters (12) mit den Leiterbahnen der zweiten Leiterplatte (16) über mit elektrisch leitfähigem Material verfüllte Bohrungen (40) erfolgt.
Leistungshalbleiteranordnung nach Anspruch 15 oder 16, wobei die untere Kupferlage (36) mit einer Kühlfläche (38) der Leistungshalbleiters (12) thermisch verbunden ist und eine Ausdehnung aufweist, die mindestens doppelt so groß ist wie die Kühlfläche (38) des Leistungshalbleiters (12).
Leistungshalbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 15 bis 17, wobei die untere Kupferlage (36) eine Kühlfläche der zweiten Leiterplatte (16) bildet.
Leistungshalbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 15 bis 17, wobei eine weitere Kupferlage (50) unterhalb der untere Kupferlage (36) angeordnet ist, wobei die weitere Kupferlage (50) mindestens dieselbe Fläche wie die untere Kupferlage (36) aufweist, von der unteren Kupferlage (36) elektrisch isoliert ist und eine Kühlfläche der zweiten Leiterplatte (16) bildet.
Wechselrichterbrücke, mit mindestens einer Leistungshalbleiteranordnung (10, 20, 30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Wechselrichterbrücke nach Anspruch 20, umfassend mindestens vier Leistungshalbleiter (12) in einer einphasigen Brückenschaltung, die jeweils einzeln auf jeweiligen zweiten Leiterplatten (16) angeordnet sind, wobei diese zweiten Leiterplatten (16) mit derselben ersten Leiterplatte (14) elektrisch verbunden sind.
Wechselrichterbrücke nach Anspruch 20, umfassend mindestens vier Leistungshalbleiter (12) in einer einphasigen Brückenschaltung, wobei die Leistungshalbleiter paarweise auf mindestens zwei zweiten Leiterplatten (16) oder komplett auf genau einer gemeinsamen zweiten Leiterplatte (16) angeordnet sind.
Wechselrichterbrücke nach Anspruch 20, umfassend mindestens sechs Leistungshalbleiter (12) in einer dreiphasigen Brückenschaltung, die jeweils einzeln auf jeweiligen zweiten Leiterplatten (16) angeordnet sind, wobei die zweiten Leiterplatten mit derselben ersten Leiterplatte (14) elektrisch verbunden sind.
Wechselrichterbrücke nach Anspruch 20, umfassend mindestens sechs Leistungshalbleiter (12) in einer dreiphasigen Brückenschaltung, wobei die Leistungshalbleiter (12) einer Phase der dreiphasigen Brückenschaltung jeweils gemeinsam auf einer zweiten Leiterplatte (16) angeordnet sind.
Wechselrichter mit einer Wechselrichterbrücke nach einem der Ansprüche 20 bis 25 und einem Kühlkörper (24), wobei die Leistungshalbleiteranordnung (10, 20, 30) auf dem Kühlkörper montiert ist, wobei die zweite Leiterplatte (16) zwischen der ersten Leiterplatte (14) und dem Kühlkörper (24) angeordnet ist.