DE102022205482A1 - Low inductance power converter with a compact commutation cell - Google Patents

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Abstract

Es werden leistungselektronische Wandler angegeben. Die leistungselektronischen Wandler können in Energie- und Antriebssystemen für Flugzeuge eingesetzt werden. In einem Aspekt weist ein leistungselektronischer Wandler eine Wandler-Kommutierungszelle auf, die einen Leistungskreis und eine Gate-Treiberschaltung umfasst, wobei der Leistungskreis mindestens ein Leistungshalbleiter-Schaltelement und mindestens einen Kondensator umfasst. Jedes Leistungshalbleiter-Schaltelement ist in einem Leistungshalbleiter-Prepackage enthalten, wobei jedes Prepackage ein oder mehrere in ein festes Isoliermaterial eingebettete Leistungshalbleiter-Schaltelemente aufweist, wobei jedes Leistungshalbleiter-Schaltelement mindestens drei Anschlüsse einschließlich eines Gate-Anschlusses aufweist. Die Gate-Treiberschaltung ist elektrisch mit dem Gate-Anschluss jedes der mindestens einen Leistungshalbleiter-Schaltelemente verbunden und so konfiguriert, dass sie Schaltsignale für dieses bereitstellt. Eine Spitzen-Nennleistung des leistungselektronischen Wandlers ist größer als 25 kW und ein Wert eines Wandler-Parameters α ist kleiner oder gleich 5 pHm3, wobei α als Produkt aus einem kleinsten quaderförmigen Volumen, das die Kommutierungszelle umschließt, und einer Parasitärinduktivität des Leistungskreises der Kommutierungszelle definiert ist.Power electronic converters are specified. The power electronic converters can be used in energy and propulsion systems for aircraft. In one aspect, a power electronic converter includes a converter commutation cell that includes a power circuit and a gate driver circuit, the power circuit including at least one power semiconductor switching element and at least one capacitor. Each power semiconductor switching element is contained in a power semiconductor prepackage, each prepackage having one or more power semiconductor switching elements embedded in a solid insulating material, each power semiconductor switching element having at least three terminals including a gate terminal. The gate driver circuit is electrically connected to the gate terminal of each of the at least one power semiconductor switching elements and configured to provide switching signals thereto. A peak nominal power of the power electronic converter is greater than 25 kW and a value of a converter parameter α is less than or equal to 5 pHm3, where α is defined as the product of a smallest cuboid volume that encloses the commutation cell and a parasitic inductance of the power circuit of the commutation cell is.

Description

TECHNISCHER BEREICHTECHNICAL PART

Diese Offenbarung bezieht sich auf leistungselektronische Wandler, insbesondere, aber nicht ausschließlich, auf leistungselektronische Wandler mit Leistungshalbleiter-Prepackages zur Verwendung in Energie- und Antriebssystemen von Flugzeugen.This disclosure relates to power electronic converters, particularly, but not exclusively, to power electronic converters with power semiconductor prepackages for use in aircraft power and propulsion systems.

HINTERGRUNDBACKGROUND

In der Luft- und Raumfahrt werden Flugzeuge und ihre Energie- und Antriebssysteme zunehmend elektrisch ausgelegt. Einige der vorgeschlagenen Plattformen sind rein elektrisch, d. h., sie decken ihren gesamten Energie- und Antriebsbedarf vollständig über Batterien oder Brennstoffzellen. Andere vorgeschlagene Plattformen sind hybridelektrisch, und wieder andere sind „elektrischer“, da sie ihre Antriebskraft überwiegend oder vollständig von Bordtriebwerken (z. B. Gasturbinentriebwerken) beziehen, aber eine größere Anzahl von elektrisch betriebenen Flugzeug- und Triebwerkssystemen, Untersystemen und Zubehörteilen haben.In aerospace, aircraft and their energy and propulsion systems are increasingly being designed to be electrical. Some of the proposed platforms are purely electric, i.e. i.e. they cover their entire energy and drive requirements completely via batteries or fuel cells. Other proposed platforms are hybrid-electric, and still others are more “electric” in that they derive their propulsion power predominantly or entirely from onboard engines (e.g. gas turbine engines) but have a greater number of electrically powered aircraft and engine systems, subsystems and accessories.

Die elektrischen Stromversorgungssysteme dieser Plattformen enthalten notwendigerweise leistungselektronische Wandler. AC-DC-Wandler (Wechselrichter und Gleichrichter) wandeln zwischen Wechsel- und Gleichstrom um, z. B. um eine elektrische Maschine, die als Motor konfiguriert ist, von einer Gleichstromquelle (z. B. einer Batterie oder einem Gleichstromkanal) mit Wechselstrom zu versorgen, oder um Gleichstrom von einer elektrischen Maschine, die als Generator konfiguriert ist, an einen Gleichstromkanal oder eine wiederaufladbare Batterie zu liefern. DC-DC-Wandler können z. B. zur Regelung der von einer Batterie an einen DC-Leistungskanal gelieferten Gleichspannung verwendet werden. Die elektrischen Stromversorgungssysteme können auch andere leistungselektronische Vorrichtungen umfassen, z. B. Schutzvorrichtungen wie Halbleiter-Leistungsregler (SSPC) und Halbleiterschutzschalter, von denen einige in die Wandler selbst integriert sein können.The electrical power systems of these platforms necessarily contain power electronic converters. AC-DC converters (inverters and rectifiers) convert between alternating and direct current, e.g. B. to supply AC power to an electrical machine configured as a motor from a DC power source (e.g. a battery or a DC channel), or to supply DC power from an electrical machine configured as a generator to a DC channel or to provide a rechargeable battery. DC-DC converters can e.g. B. can be used to regulate the DC voltage supplied by a battery to a DC power channel. The electrical power supply systems may also include other power electronic devices, e.g. B. Protection devices such as solid-state power regulators (SSPC) and solid-state circuit breakers, some of which may be integrated into the converters themselves.

Sogenannte Leistungsmodule oder Leistungselektronikmodule sind der dominierende Stand der Technik für leistungselektronische Wandler. In einem Wandler mit einem Leistungsmodul sind die Komponenten des Wandlerkreises - zu denen Leistungshalbleiterbauelemente wie Transistoren und Dioden sowie glättende Zwischenkreis- oder Eingangskondensatoren gehören - auf einem Trägersubstrat befestigt und elektrisch miteinander verbunden, in der Regel über Drahtverbindungen. Auf Leistungsmodulen basierende Wandler sind beispielsweise in der Automobilindustrie weit verbreitet und werden in bestehenden Luft- und Raumfahrtsystemen verwendet, wo sie im Allgemeinen eine akzeptable Leistung mit einem durchschnittlichen Betriebswirkungsgrad von etwa 95 % bieten.So-called power modules or power electronic modules are the dominant state of the art for power electronic converters. In a converter with a power module, the components of the converter circuit - which include power semiconductor devices such as transistors and diodes as well as smoothing intermediate circuit or input capacitors - are mounted on a carrier substrate and electrically connected to one another, usually via wire connections. For example, power module-based converters are widely used in the automotive industry and are used in existing aerospace systems, where they generally provide acceptable performance with an average operating efficiency of around 95%.

Die Leistung von Wandlern, die auf der Leistungsmodultopologie basieren, ist für die meisten Anwendungen akzeptabel, insbesondere wenn man ihre relativ niedrigen Kosten und ihre hohe Verfügbarkeit berücksichtigt. Für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt wäre es jedoch von Vorteil, den Wirkungsgrad und das Leistungs-GewichtsVerhältnis leistungselektronischer Wandler zu verbessern. Im Vergleich zu bodengestützten Anwendungen, einschließlich Automobilanwendungen, sind Luft- und Raumfahrtanwendungen sehr gewichtsabhängig. Vor allem bei rein elektrischen Flugzeuganwendungen könnte selbst eine relativ geringe Steigerung des Wirkungsgrads der Wandler die Leistung des Flugzeugs und die Einsatzreichweite erheblich verbessern.The performance of converters based on the power module topology is acceptable for most applications, especially considering their relatively low cost and high availability. However, for aerospace applications it would be advantageous to improve the efficiency and power-to-weight ratio of power electronic converters. Compared to ground-based applications, including automotive applications, aerospace applications are very weight dependent. Particularly in all-electric aircraft applications, even a relatively small increase in converter efficiency could significantly improve aircraft performance and operational range.

Verbesserungen der Leistung von Wandlern, die auf den bestehenden Leistungsmodultopologien basieren, werden voraussichtlich auf das beschränkt sein, was durch Fortschritte in den zugrunde liegenden Halbleitertechnologien erreicht werden kann. Dies liegt zumindest teilweise an der inhärent hohen Parasitärinduktivität der Kommutierungszelle eines Leistungsmoduls, die zu einem großen Teil durch die elektrischen Verbindungen zwischen den Komponenten der Kommutierungszelle verursacht wird. Parasitärinduktivität in der Kommutierungszelle ist mit Transistorschaltverlusten und Spannungsüberschwingen beim Abschalten verbunden, was nicht nur den Wirkungsgrad begrenzt und Wärme erzeugt, die abgeführt werden muss, sondern auch andere Leistungsmerkmale wie die Transistorschaltfrequenz einschränkt.Improvements in the performance of converters based on existing power module topologies are expected to be limited to what can be achieved through advances in the underlying semiconductor technologies. This is at least partly due to the inherently high parasitic inductance of the commutation cell of a power module, which is caused in large part by the electrical connections between the components of the commutation cell. Parasitic inductance in the commutation cell is associated with transistor switching losses and turn-off voltage overshoot, which not only limits efficiency and generates heat that must be dissipated, but also limits other performance characteristics such as transistor switching frequency.

ZUSAMMENFASSUNGSUMMARY

Es wird ein leistungselektronischer Wandler offenbart. Der leistungselektronische Wandler umfasst eine Wandler-Kommutierungszelle mit einem Leistungskreis und einer Gate-Treiberschaltung, wobei der Leistungskreis mindestens ein Leistungshalbleiter-Schaltelement und mindestens einen Kondensator umfasst. Jedes Leistungshalbleiter-Schaltelement hat mindestens drei Anschlüsse einschließlich eines Gate-Terminals. Die Gate-Treiberschaltung ist elektrisch mit dem Gate-Terminal jedes der mindestens einen Leistungshalbleiter-Schaltelemente verbunden und so konfiguriert, dass sie Schaltsignale an diesen Anschluss liefert. Der leistungselektronische Wandler kann ein leistungselektronischer AC-DC-Wandler (d. h. ein Wechselrichter oder ein Gleichrichter) oder ein leistungselektronischer DC-DC-Wandler sein.A power electronic converter is disclosed. The power electronic converter comprises a converter commutation cell with a power circuit and a gate driver circuit, wherein the Power circuit comprises at least one power semiconductor switching element and at least one capacitor. Each power semiconductor switching element has at least three terminals including a gate terminal. The gate driver circuit is electrically connected to the gate terminal of each of the at least one power semiconductor switching elements and configured to provide switching signals to this terminal. The power electronic converter may be a power electronic AC-DC converter (ie, an inverter or a rectifier) or a power electronic DC-DC converter.

Es wird auch ein elektrisches Stromversorgungssystemoffenbart, das eine elektrische Maschine und einen leistungselektronischen AC-DC-Wandler umfasst. Die elektrische Maschine umfasst eine oder mehrere Wicklungen. Der leistungselektronische AC-DC-Wandler umfasst eine Kommutierungszelle mit einem Leistungskreis und einer Gate-Treiberschaltung. Der Leistungskreis umfasst eine Vielzahl von Leistungshalbleiter-Schaltelementen und mindestens einen Kondensator. Ein wechselstromseitiger Anschluss des Leistungskreises ist mit einer oder mehreren Wicklungen der elektrischen Maschine verbunden, um Strom an die elektrische Maschine zu liefern oder Strom von ihr zu empfangen. Die elektrische Maschine kann ein Motor oder ein Generator sein, und der leistungselektronische Wandler AC-DC kann ein Wechselrichter oder ein Gleichrichter sein. Die elektrische Maschine kann ein Motor-Generator und der AC-DC-Wandler ein bidirektionaler Wandler sein, der als Wechselrichter oder Gleichrichter betreibbar ist.An electrical power system is also disclosed that includes an electrical machine and an AC-DC power electronic converter. The electrical machine includes one or more windings. The power electronic AC-DC converter includes a commutation cell with a power circuit and a gate driver circuit. The power circuit includes a plurality of power semiconductor switching elements and at least one capacitor. An AC side connection of the power circuit is connected to one or more windings of the electrical machine to supply power to or receive power from the electrical machine. The electric machine can be a motor or a generator, and the AC-DC power electronic converter can be an inverter or a rectifier. The electrical machine can be a motor-generator and the AC-DC converter can be a bidirectional converter that can be operated as an inverter or rectifier.

Die folgenden metrischen Präfixe werden hier zur Abkürzung von Zahlenwerten verwendet: Tabelle 1 Vorsilbe Abkürzung Wert exa E ×1018 peta P ×1015 tera T ×1012 giga G ×109 mega M ×106 Kilo k ×103 centi c ×10-2 Tausend m ×10-3 Mikro µ ×10-6 nano n ×10-9 pico p ×10-12 femto f ×10-15 atto a ×10-18 The following metric prefixes are used here to abbreviate numerical values: Table 1 prefix abbreviation Value exa E ×10 18 peta P ×10 15 tera T ×10 12 giga G ×10 9 mega M ×10 6 kilo k ×10 3 centi c ×10 -2 Thousand m ×10 -3 Micro µ ×10 -6 nano n ×10 -9 pico p ×10 -12 femto f ×10 -15 atto a ×10 -18

Jedes der nachstehenden Merkmale kann einzeln oder in Kombination miteinander und mit dem leistungselektronischen Wandler und dem oben beschriebenen elektrischen Stromversorgungssystem angewendet werden.Each of the following features can be applied individually or in combination with each other and with the power electronic converter and the electrical power system described above.

Jedes Leistungshalbleiter-Schaltelement kann ein Transistor sein. Jeder Transistor kann ein MOSFET sein, der mindestens ein Gate-Terminal, einen Source-Anschluss und einen Drain-Anschluss hat. Bei den MOSFETs kann es sich um Siliziumkarbid (SiC) MOSFETs handeln. In anderen Beispielen sind die MOSFETs Galliumnitrid-MOSFETs (GaN).Each power semiconductor switching element can be a transistor. Each transistor can be a MOSFET that has at least a gate terminal, a source terminal and a drain terminal. The MOSFETs can be silicon carbide (SiC) MOSFETs. In other examples, the MOSFETs are gallium nitride MOSFETs (GaN).

Jedes Leistungshalbleiter-Schaltelement kann in einem Leistungshalbleiter-Prepackage enthalten sein. Jedes Leistungshalbleiter-Prepackage enthält ein oder mehrere Leistungshalbleiter-Schaltelemente, die in ein festes Isoliermaterial eingebettet sind. Jedes Leistungshalbleiter-Prepackage kann genau ein Leistungshalbleiter-Schaltelement enthalten.Each power semiconductor switching element can be included in a power semiconductor prepackage. Each power semiconductor prepackage contains one or more power semiconductor switching elements embedded in a solid insulating material. Each power semiconductor prepackage can contain exactly one power semiconductor switching element.

Der leistungselektronische Wandler kann einen oder mehrere logische Leistungshalbleiter-Schalter umfassen, die jeweils ein oder mehrere parallel geschaltete Leistungshalbleiter-Schaltelemente enthalten. Jeder logische Leistungshalbleiter-Schalter kann ein oder mehrere Leistungshalbleiter-Prepackages umfassen, wobei jedes Leistungshalbleiter-Prepackage mindestens ein (und optional genau ein) Leistungshalbleiter-Schaltelement enthält. Die Anzahl der Leistungshalbleiter-Schaltelemente pro logischem Schalter kann größer als oder gleich drei sein. Die Anzahl kann im Bereich von drei bis zwölf liegen.The power electronic converter can comprise one or more logical power semiconductor switches, each of which contains one or more power semiconductor switching elements connected in parallel. Each power semiconductor logic switch may include one or more power semiconductor prepackages sen, each power semiconductor prepackage containing at least one (and optionally exactly one) power semiconductor switching element. The number of power semiconductor switching elements per logical switch can be greater than or equal to three. The number can range from three to twelve.

Die Spitzen-Nennleistung des leistungselektronischen Wandlers kann mehr als 10 kW (entsprechend kVA) und mehr als 25 kW betragen. Die Spitzen-Nennleistung kann größer oder gleich 40 kW oder größer oder gleich 50 kW sein. Die Spitzen-Nennleistung kann kleiner oder gleich 500 kW sein. Die Spitzen-Nennleistung kann weniger als oder gleich 400 kW oder weniger als oder gleich 300 kW betragen. Die Spitzen-Nennleistung kann im Bereich von 50 kW bis 300 kW liegen.The peak rated power of the power electronic converter can be more than 10 kW (corresponding to kVA) and more than 25 kW. The peak rated power may be greater than or equal to 40 kW or greater than or equal to 50 kW. The peak nominal power can be less than or equal to 500 kW. The peak power rating may be less than or equal to 400 kW or less than or equal to 300 kW. The peak power rating can range from 50 kW to 300 kW.

Der maximale Wirkungsgrad des leistungselektronischen Wandlers kann größer als 97 % sein. Der maximale Wirkungsgrad kann größer als 97,5%, größer als 98%, größer als 98,5% oder sogar größer als 99% sein.The maximum efficiency of the power electronic converter can be greater than 97%. The maximum efficiency can be greater than 97.5%, greater than 98%, greater than 98.5% or even greater than 99%.

Ein Wert eines Wandler-Parameters α kann kleiner oder gleich 5 pHm3 sein. α ist ein Produkt aus dem kleinsten quaderförmigen Volumen, das die Kommutierungszelle umschließt, und einer Parasitärinduktivität des Leistungskreises der Kommutierungszelle. α kann größer oder gleich 0,3 pHm3 sein. α kann kleiner oder gleich 4 pHm3 sein. α kann 0,4 pHm3 ≤ α ≤ 3,5 pHm3 erfüllen. α kann 0,5 pHm3 ≤ α ≤ 2,5 pHm3 erfüllen.A value of a converter parameter α can be less than or equal to 5 pHm 3 . α is a product of the smallest cuboid volume that encloses the commutation cell and a parasitic inductance of the power circuit of the commutation cell. α can be greater than or equal to 0.3 pHm 3 . α can be less than or equal to 4 pHm 3 . α can satisfy 0.4 pHm 3 ≤ α ≤ 3.5 pHm 3 . α can satisfy 0.5 pHm 3 ≤ α ≤ 2.5 pHm 3 .

Der Wert von α geteilt durch die Spitzen-Nennleistung des leistungselektronischen Wandlers kann größer als oder gleich 1,5 aHm3 /W sein. Der Wert von α geteilt durch den Spitzenwert der Nennausgangsleistung des leistungselektronischen Wandlers kann kleiner oder gleich 100 aHm3 /W sein. Der Wert von α geteilt durch die Spitzen-Nennausgangsleistung der Leistungselektronik kann im Bereich von 2,5 aHm /W3 bis 50 aHm3 /W liegen.The value of α divided by the peak power rating of the power electronic converter may be greater than or equal to 1.5 aHm 3 /W. The value of α divided by the peak value of the rated output power of the power electronic converter can be less than or equal to 100 aHm 3 /W. The value of α divided by the peak nominal output power of the power electronics can be in the range of 2.5 aHm /W 3 to 50 aHm 3 /W.

Das Produkt aus der Parasitärinduktivität des Leistungskreises der Kommutierungszelle und der Spitzen-Nennleistung kann im Bereich von 0,05 mHW bis 1,5 mHW liegen. Das Produkt kann im Bereich von 0,1 mHW bis 1,2 mHW oder im Bereich von 0,2 mHW bis 1,0 mHW liegen.The product of the parasitic inductance of the commutation cell power circuit and the peak power rating can be in the range of 0.05 mHW to 1.5 mHW. The product can be in the range of 0.1 mHW to 1.2 mHW or in the range of 0.2 mHW to 1.0 mHW.

Ein Wert eines Parameters β kann größer oder gleich 0,3 PV/s2 sein. β ist ein Produkt aus einer maximalen Schaltfrequenz der Schaltsignale und einer maximalen Änderungsrate einer Source-Drain-Spannung der Mehrzahl von Leistungshalbleiter-Schaltelementen während des Betriebs. Der Wert von β kann kleiner als oder gleich 10 PV/s2 sein. Der Wert von β kann größer als oder gleich 0,5 PV/s2 sein. Der Wert von β kann 0,8 PV/s2 ≤ β ≤ 5 PV/s2, und kann 1,0 PV/s2 ≤ β ≤ 2,5 PV/s2 erfüllen.A value of a parameter β may be greater than or equal to 0.3 PV/s 2 . β is a product of a maximum switching frequency of the switching signals and a maximum rate of change of a source-drain voltage of the plurality of power semiconductor switching elements during operation. The value of β can be less than or equal to 10 PV/s 2 . The value of β can be greater than or equal to 0.5 PV/s 2 . The value of β can satisfy 0.8 PV/s 2 ≤ β ≤ 5 PV/s 2 , and can satisfy 1.0 PV/s 2 ≤ β ≤ 2.5 PV/s 2 .

Der Wert eines Wandler-Parameters γ kann kleiner als oder gleich 150 fFs/W sein. γ ist eine Gesamt-Nennkapazität des mindestens einen Kondensators des Leistungskreises geteilt durch ein Produkt aus der Spitzen-Nennleistung des leistungselektronischen Wandlers und einer maximalen Schaltfrequenz der Schaltsignale . Der Wert von γ kann größer als oder gleich 1,0 fFs/W sein. Der Wert von γ kann kleiner als oder gleich 100 fFs/W , kleiner als oder gleich 75 fFs/W oder kleiner als oder gleich 50 fFs/W sein. Der Wert von γ kann 2,0 fFs/W ≤ γ ≤ 50 fFs/W und 4,0 fFs/W ≤ γ ≤ 25 fFs/W betragen.The value of a converter parameter γ can be less than or equal to 150 fFs/W. γ is a total nominal capacity of the at least one capacitor of the power circuit divided by a product of the peak nominal power of the power electronic converter and a maximum switching frequency of the switching signals. The value of γ can be greater than or equal to 1.0 fFs/W. The value of γ can be less than or equal to 100 fFs/W, less than or equal to 75 fFs/W, or less than or equal to 50 fFs/W. The value of γ can be 2.0 fFs/W ≤ γ ≤ 50 fFs/W and 4.0 fFs/W ≤ γ ≤ 25 fFs/W.

Der Wert eines Wandler-Parameters δ kann größer als oder gleich 0,5 PV/FH sein. δ ist eine maximale Sperrspannung des einen oder der mehreren Leistungshalbleiter-Schaltelemente des Leistungskreises geteilt durch ein Produkt aus einer Parasitärinduktivität des Leistungskreises der Kommutierungszelle und einer Gesamtnennkapazität des mindestens einen Kondensators des Leistungskreises. Der Wert von δ kann kleiner als oder gleich 40 PV/FH sein. Der Wert von δ kann größer als oder gleich 1,5 PV/FH sein. Der Wert von δ kann im Bereich von 2,5 PV/FH bis 25 PV/FH liegen. Er kann im Bereich von 4,0 PV/FH bis 15 PV/FH liegen.The value of a converter parameter δ can be greater than or equal to 0.5 PV/FH. δ is a maximum blocking voltage of the one or more power semiconductor switching elements of the power circuit divided by a product of a parasitic inductance of the power circuit of the commutation cell and a total nominal capacity of the at least one capacitor of the power circuit. The value of δ can be less than or equal to 40 PV/FH. The value of δ can be greater than or equal to 1.5 PV/FH. The value of δ can range from 2.5 PV/FH to 25 PV/FH. It can range from 4.0 PV/FH to 15 PV/FH.

Der Wert eines Wandler-Parameters ε kann größer oder gleich 1026 V /s4 sein. ε ist gleich: ε = f max × | dv dt | max L × C

Figure DE102022205482A1_0001
The value of a converter parameter ε can be greater than or equal to 10 26 V /s 4 . ε is equal to: ε = f Max × | dv German | Max L × C
Figure DE102022205482A1_0001

In dieser Gleichung ist fmax eine maximale Schaltfrequenz der Schaltsignale, |dv/dt|max ist eine maximale Änderungsrate einer Source-Drain-Spannung des einen oder der mehreren Leistungshalbleiter-Schaltelemente während des Betriebs, L ist eine Parasitärinduktivität des Leistungskreises der Kommutierungszelle und C ist eine Gesamtnennkapazität des mindestens einen Kondensators des Leistungskreises. Der Wert von ε kann kleiner als oder gleich 1029 V/s4 sein. Der Wert von ε kann größer als oder gleich 5×1026 V/s4 sein. Der Wert von ε kann im Bereich von 1027 V/s4 bis 5×1028 V/s4 und im Bereich von 1,5×1027 V/s4 bis 3×1028 V/s4 liegen.In this equation, f max is a maximum switching frequency of the switching signals, |dv/dt| max is a maximum rate of change of a source-drain voltage of the one or more power semiconductor switching elements during operation, L is a parasitic inductance of the power circuit of the commutation cell and C is a total nominal capacity of the at least one capacitor of the power circuit. The value of ε can be less than or equal to 10 29 V/s 4 . The value of ε can be greater than or equal to 5×10 26 V/s 4 . The value of ε can be in the range of 10 27 V/s 4 to 5×10 28 V/s 4 and in the range of 1.5×10 27 V/s 4 to 3×10 28 V/s 4 .

Die Parasitärinduktivität des Leistungskreises der Kommutierungszelle kann weniger als oder gleich 16 nH, weniger als oder gleich 10nH, weniger als oder gleich 8 nH, weniger als oder gleich 6 nH, weniger als oder gleich 4 nH, weniger als oder gleich 3 nH oder sogar weniger als oder gleich 2 nH betragen. Die Parasitärinduktivität kann im Bereich von 2 nH bis 8 nH liegen.The parasitic inductance of the power circuit of the commutation cell may be less than or equal to 16 nH, less than or equal to 10 nH, less than or equal to 8 nH, less than or equal to 6 nH, less than or equal to 4 nH, less than or equal to 3 nH or even less than or equal to 2 nH. The parasitic inductance can range from 2 nH to 8 nH.

Die Gesamtnennkapazität des Leistungskreises der Kommutierungszelle, geteilt durch die Spitzen-Nennleistung, kann kleiner oder gleich 5 nF/W sein, und kann kleiner oder gleich 3 nF/W sein. Die Gesamtnennkapazität des Leistungskreises der Kommutierungszelle geteilt durch die Spitzen-Nennleistung kann im Bereich von 0,1 nF/W bis 2,5 nF/W liegen.The total rated capacity of the commutation cell power circuit divided by the peak rated power may be less than or equal to 5 nF/W, and may be less than or equal to 3 nF/W. The total rated capacity of the commutation cell power circuit divided by the peak rated power can range from 0.1 nF/W to 2.5 nF/W.

Das kleinste quaderförmige Volumen, das die Kommutierungszelle umschließt, kann kleiner oder gleich 1.000 cm sein3. Das kleinste quaderförmige Volumen kann weniger als oder gleich 900 cm3, weniger als oder gleich 800 cm3, weniger als oder gleich 700 cm3 oder weniger als oder gleich 600 cm3 betragen. Das kleinste quaderförmige Volumen kann im Bereich von 100 cm3 bis 800 cm3, 100 cm3 bis 700 cm3, oder 100 cm3 bis 600 cm3, 150 cm3 bis 600 cm3, oder 200 cm3 bis 450 cm3 liegen.The smallest cuboid volume that encloses the commutation cell can be less than or equal to 1,000 cm 3 . The smallest cuboid volume can be less than or equal to 900 cm 3 , less than or equal to 800 cm 3 , less than or equal to 700 cm 3 or less than or equal to 600 cm 3 . The smallest cuboid volume can be in the range of 100 cm 3 to 800 cm 3 , 100 cm 3 to 700 cm 3 , or 100 cm 3 to 600 cm 3 , 150 cm 3 to 600 cm 3 , or 200 cm 3 to 450 cm 3 .

Die maximale Änderungsrate der Source-Drain-Spannung des einen oder der mehreren Leistungshalbleiter-Schaltelemente während des Betriebs kann größer oder gleich 10 kV/µs sein. Sie kann größer als oder gleich 15 kV/µs sein. Sie kann größer als oder gleich 20 kV/µs sein. Sie kann im Bereich 10 kV/µs bis 60 kV/µs, im Bereich 15 kV/µs bis 50 kV/µs, im Bereich 20 kV/µs bis 50 kV/µs, im Bereich 25 kV/µs bis 50 kV/µs oder im Bereich 30 kV/µs bis 50 kV/µs liegen. Sie kann im Bereich von 30 kV/µs bis 40 kV/µs liegen.The maximum rate of change of the source-drain voltage of the one or more power semiconductor switching elements during operation can be greater than or equal to 10 kV/µs. It can be greater than or equal to 15 kV/µs. It can be greater than or equal to 20 kV/µs. It can be in the range 10 kV/µs to 60 kV/µs, in the range 15 kV/µs to 50 kV/µs, in the range 20 kV/µs to 50 kV/µs, in the range 25 kV/µs to 50 kV/µs or in the range 30 kV/µs to 50 kV/µs. It can be in the range of 30 kV/µs to 40 kV/µs.

Die maximale Schaltfrequenz der Schaltsignale (fmax) kann größer als oder gleich 10 kHz sein. Sie kann größer oder gleich 20 kHz, größer oder gleich 30 kHz, größer oder gleich 40 kHz oder sogar größer oder gleich 50 kHz sein. Die maximale Schaltfrequenz kann weniger als 100 kHz betragen. Sie kann im Bereich von 30 kHz bis 70 KHz liegen.The maximum switching frequency of the switching signals (f max ) can be greater than or equal to 10 kHz. It can be greater than or equal to 20 kHz, greater than or equal to 30 kHz, greater than or equal to 40 kHz, or even greater than or equal to 50 kHz. The maximum switching frequency can be less than 100 kHz. It can be in the range of 30 kHz to 70 kHz.

Die Sperrspannung (d.h. die „Source-Drain-Sperrspannung“, manchmal auch „Nennspannung“ genannt) jedes Leistungshalbleiter-Schaltelements kann größer als 600 V, größer als 700 V oder größer als 800 V sein. Die Sperrspannung kann weniger als 1.800 V oder weniger als 1.700 V betragen. Die Sperrspannung kann im Bereich von 800 V bis 1.600 V, 900 V bis 1.500 V oder 1.000 V bis 1.400 V liegen.The reverse voltage (i.e., the “source-drain reverse voltage,” sometimes called the “nominal voltage”) of each power semiconductor switching element may be greater than 600 V, greater than 700 V, or greater than 800 V. The reverse voltage can be less than 1,800 V or less than 1,700 V. The reverse voltage can range from 800V to 1,600V, 900V to 1,500V, or 1,000V to 1,400V.

Der leistungselektronische Wandler kann ferner ein mehrschichtiges planares Trägersubstrat umfassen. Das mehrschichtige planare Trägersubstrat kann eine x-y-Richtung parallel zu einer planaren Oberfläche des Substrats und eine z-Richtung rechtwinklig zur x-y-Richtung definieren. Das Trägersubstrat kann eine Vielzahl elektrisch leitender Schichten, die sich in x-y-Richtung erstrecken, und mindestens eine elektrische Verbindung, die sich in z-Richtung erstreckt, umfassen. Das Trägersubstrat kann eine äußere leitende Schicht auf einer oder beiden seiner gegenüberliegenden planaren Oberflächen aufweisen.The power electronic converter can further comprise a multilayer planar carrier substrate. The multilayer planar support substrate may define an xy direction parallel to a planar surface of the substrate and a z direction perpendicular to the xy direction. The carrier substrate may include a plurality of electrically conductive layers extending in the xy direction and at least one electrical connection extending in the z direction. The support substrate may have an outer conductive layer on one or both of its opposing planar surfaces.

Das mehrschichtige, ebene Substrat kann eine starre Leiterplatte (PCB) sein. Es kann eine flexible Leiterplatte sein. Es kann ein keramisches Trägersubstrat sein. Das mehrschichtige flächige Substrat kann eine strukturelle Komponente des Wandlers sein.The multilayer planar substrate may be a rigid printed circuit board (PCB). It can be a flexible circuit board. It can be a ceramic carrier substrate. The multilayer flat substrate can be a structural component of the transducer.

Jedes Leistungshalbleiter-Prepackage kann ferner mindestens eine elektrische Verbindung umfassen, die sich in z-Richtung von mindestens einem Anschluss jedes der einen oder mehreren Leistungshalbleiter-Schaltelemente durch das feste Isoliermaterial zu einer elektrischen Anschlussseite des Leistungshalbleiter-Prepackages erstreckt. Mindestens einer der Anschlüsse jedes der einen oder mehreren Leistungshalbleiter-Schaltelemente des Prepackages kann mit mindestens einer der leitenden Schichten des mehrschichtigen planaren Trägersubstrats an der elektrischen Anschlussseite des Leistungshalbleiter-Prepackages verbunden sein.Each power semiconductor prepackage may further comprise at least one electrical connection that extends in the z direction from at least one connection of each of the one or more power semiconductor switching elements through the solid insulating material to an electrical connection side of the power semiconductor prepackage. At least one of the connections of each of the one or more power semiconductor switching elements of the prepackage can be connected to at least one of the conductive layers of the multilayer planar carrier substrate on the electrical connection side of the power semiconductor prepackage.

Die elektrische Verbindungsseite des Leistungshalbleiter-Prepackages kann in z-Richtung von dem mehrschichtigen planaren Trägersubstrat beabstandet sein, so dass ein Spalt (hier als Prepackage-Spalt bezeichnet) zwischen dem mehrschichtigen planaren Trägersubstrat und der elektrischen Anschlussseite des Prepackages definiert wird. Die Größe des Prepackage-Spalts in z-Richtung kann weniger als oder gleich 300µm betragen. Die Größe des Prepackage-Spalts kann weniger als oder gleich 250µm betragen. Die Größe des Prepackage-Spalts kann kleiner als oder gleich 200µm sein. Die Größe des Prepackage-Spalts kann kleiner oder gleich 150µm sein. Die Größe des Prepackage-Spalts kann größer oder gleich 10µm, größer oder gleich 20µm, größer oder gleich 50µm oder größer oder gleich 80µm sein. Der Prepackage-Spalt kann im Bereich von 20µm bis 250µm oder im Bereich von 50µm bis 150µm liegen.The electrical connection side of the power semiconductor prepackage may be spaced in the z-direction from the multilayer planar carrier substrate so that a gap (referred to herein as a prepackage gap) is defined between the multilayer planar carrier substrate and the electrical connection side of the prepackage. The size of the prepackage gap in the z direction can be less than or equal to 300µm. The size of the prepackage gap can be less than or equal to 250µm. The size of the prepackage gap can be less than or equal to 200µm. The size of the prepackage gap can be less than or equal to 150µm. The size of the prepackage gap can be greater than or equal to 10µm, greater than or equal to 20µm, greater than or equal to 50µm, or greater than or equal to 80µm. The prepackage gap can be in the range of 20µm to 250µm or in the range of 50µm to 150µm.

Ein Wert eines Wandler-Parameters θ kann kleiner oder gleich 300 pm2/V sein. θ ist eine Größe in z-Richtung des Prepackage-Spalts geteilt durch eine maximale elektrische Feldstärke im Prepackage-Spalt. Dementsprechend kann der Wandler-Parameter θ wie folgt ausgedrückt werden: θ = G 1 E 1

Figure DE102022205482A1_0002
A value of a transducer parameter θ may be less than or equal to 300 pm 2 /V. θ is a quantity in the z-direction of the prepackage gap divided by a maximum electric field strength in the prepackage gap. Accordingly, the converter parameter θ can be expressed as follows: θ = G 1 E 1
Figure DE102022205482A1_0002

In dieser Gleichung ist G1 die Größe des Prepackage-Spalts in z-Richtung und E1 die maximale elektrische Feldstärke im Prepackage-Spalt. θ kann größer als oder gleich 0,1 pm2/V sein. θ kann kleiner oder gleich 250 pm2/V sein. θ kann im Bereich von 2,0 pm2/V bis 20 pm2/V, oder im Bereich von 3,0 pm2/V bis 10 pm2/V liegen. θ kann im Bereich von 0,5 pm2/V bis 100 pm2/V, oder im Bereich von 2,0 pm2/V bis 50 pm2/V liegen.In this equation, G 1 is the size of the prepackage gap in the z-direction and E 1 is the maximum electric field strength in the prepackage gap. θ can be greater than or equal to 0.1 pm 2 /V. θ can be less than or equal to 250 pm 2 /V. θ can be in the range of 2.0 pm 2 /V to 20 pm 2 /V, or in the range of 3.0 pm 2 /V to 10 pm 2 /V. θ can be in the range of 0.5 pm 2 /V to 100 pm 2 /V, or in the range of 2.0 pm 2 /V to 50 pm 2 /V.

Die maximale elektrische Feldstärke im Prepackage-Spalt kann größer oder gleich 1 kV/mm, größer oder gleich 3 kV/mm, größer oder gleich 5 kV/mm oder größer oder gleich 10 kV/mm sein. Die maximale elektrische Feldstärke im Prepackage-Spalt kann kleiner als oder gleich 50 kV/mm, kleiner als oder gleich 40 kV/mm oder kleiner als oder gleich 25 kV/mm sein. Die maximale elektrische Feldstärke im Prepackage-Spalt kann im Bereich von 5 kV/mm bis 40 kV/mm oder im Bereich von 10 kV/mm bis 25 kV/mm liegen. Die maximale elektrische Feldstärke im Prepackage-Spalt kann im Bereich von 3 kV/mm bis 25 kV/mm liegen.The maximum electric field strength in the prepackage gap may be greater than or equal to 1 kV/mm, greater than or equal to 3 kV/mm, greater than or equal to 5 kV/mm, or greater than or equal to 10 kV/mm. The maximum electric field strength in the prepackage gap may be less than or equal to 50 kV/mm, less than or equal to 40 kV/mm, or less than or equal to 25 kV/mm. The maximum electric field strength in the prepackage gap can be in the range of 5 kV/mm to 40 kV/mm or in the range of 10 kV/mm to 25 kV/mm. The maximum electric field strength in the prepackage gap can be in the range of 3 kV/mm to 25 kV/mm.

Der leistungselektronische Wandler kann ferner einen Kühlkörper zur Ableitung von Wärme aus Leistungshalbleiter-Prepackages umfassen. Der Kühlkörper kann in z-Richtung von dem mehrschichtigen planaren Trägersubstrat beabstandet sein, so dass zwischen dem mehrschichtigen planaren Trägersubstrat und dem Kühlkörper ein Spalt (hier als Kühlkörper-Spalt bezeichnet) entsteht. Die Größe des Kühlkörper-Spaltes in z-Richtung zwischen dem mehrschichtigen planaren Trägersubstrat und dem Kühlkörper kann weniger als oder gleich 10 mm, weniger als oder gleich 5 mm, weniger als oder gleich 3 mm, weniger als oder gleich 2,5 mm, weniger als oder gleich 1 mm oder weniger als oder gleich 0,3 mm betragen. Die Größe des Kühlkörper-Spalts kann größer oder gleich 0,1 mm, größer oder gleich 0,5 mm oder größer oder gleich 1 mm sein. Die Größe des Kühlkörper-Spalts kann im Bereich von 0,5 mm bis 3 mm, im Bereich von 0,5 mm bis 2,5 mm, im Bereich von 0,5 mm bis 2 mm, im Bereich von 1 mm bis 2 mm oder im Bereich von 1,3 mm bis 1,7 mm liegen.The power electronic converter can further comprise a heat sink for dissipating heat from power semiconductor prepackages. The heat sink can be spaced from the multilayer planar carrier substrate in the z direction, so that a gap (referred to here as the heat sink gap) is created between the multilayer planar carrier substrate and the heat sink. The size of the heat sink gap in the z direction between the multilayer planar support substrate and the heat sink may be less than or equal to 10 mm, less than or equal to 5 mm, less than or equal to 3 mm, less than or equal to 2.5 mm, less than or equal to 1 mm or less than or equal to 0.3 mm. The size of the heat sink gap can be greater than or equal to 0.1 mm, greater than or equal to 0.5 mm, or greater than or equal to 1 mm. The size of the heat sink gap can be in the range of 0.5mm to 3mm, in the range of 0.5mm to 2.5mm, in the range of 0.5mm to 2mm, in the range of 1mm to 2mm or in the range of 1.3 mm to 1.7 mm.

Ein Wert eines Wandler-Parameters φ kann kleiner oder gleich 20 nm2/V sein. φ ist eine Größe in z-Richtung des Kühlkörper-Spalts geteilt durch die maximale elektrische Feldstärke im Kühlkörper-Spalt. Dementsprechend kann der Wandler-Parameter φ wie folgt ausgedrückt werden: φ = G 2 E 2

Figure DE102022205482A1_0003
A value of a transducer parameter φ can be less than or equal to 20 nm 2 /V. φ is a quantity in the z-direction of the heat sink gap divided by the maximum electric field strength in the heat sink gap. Accordingly, the converter parameter φ can be expressed as follows: φ = G 2 E 2
Figure DE102022205482A1_0003

In dieser Gleichung ist G2 die Größe des Kühlkörper-Spalts in z-Richtung und E2 die maximale elektrische Feldstärke im Kühlkörper-Spalt. φ kann kleiner als oder gleich 15 nm2/V sein. φ kann größer als oder gleich 0.01 nm2/V sein. φ kann im Bereich von 0,25 nm2/V bis 2,5 nm2/V, oder im Bereich von 0,5 nm2/V bis 1,5 nm2/V liegen. φ kann im Bereich von 0,02 nm2/V bis 10 nm2/V, oder im Bereich von 0,05 nm2/V bis 5 nm2/V liegen.In this equation, G 2 is the size of the heat sink gap in the z direction and E 2 is the maximum electric field strength in the heat sink gap. φ can be less than or equal to 15 nm 2 /V. φ can be greater than or equal to 0.01 nm 2 /V. φ can be in the range of 0.25 nm 2 /V to 2.5 nm 2 /V, or in the range of 0.5 nm 2 /V to 1.5 nm 2 /V. φ can be in the range of 0.02 nm 2 /V to 10 nm 2 /V, or in the range of 0.05 nm 2 /V to 5 nm 2 /V.

Die maximale elektrische Feldstärke im Kühlkörper-Spalt kann größer oder gleich 0,1 kV/mm, größer oder gleich 0,2 kV/mm oder größer oder gleich 1 kV/mm sein. Die maximale elektrische Feldstärke im Kühlkörper-Spalt kann kleiner oder gleich 20 kV/mm, kleiner oder gleich 15 kV/mm, kleiner oder gleich 10 kV/mm oder kleiner oder gleich 5 kV/mm sein. Die maximale elektrische Feldstärke im Kühlkörper-Spalt kann im Bereich von 0,2 kV/mm bis 10 kV/mm oder im Bereich von 1 kV/mm bis 2 kV/mm oder im Bereich von 1,3 kV/mm bis 1,7 kV/mm liegen.The maximum electric field strength in the heat sink gap can be greater than or equal to 0.1 kV/mm, greater than or equal to 0.2 kV/mm, or greater than or equal to 1 kV/mm. The maximum electric field strength in the heat sink gap can be less than or equal to 20 kV/mm, less than or equal to 15 kV/mm, less than or equal to 10 kV/mm or less than or equal to 5 kV/mm. The maximum electric field strength in the heat sink gap can be in the range of 0.2 kV/mm to 10 kV/mm or in the range of 1 kV/mm to 2 kV/mm or in the range of 1.3 kV/mm to 1.7 kV/mm.

Fachleute wissen, dass die maximale elektrische Feldstärke im Prepackage-Spalt und/oder im Kühlkörper-Spalt mit Hilfe einer mathematischen und/oder rechnerischen Simulationsmethode (z. B. Finite-Elemente-Analyse) bestimmt werden kann.Experts know that the maximum electric field strength in the prepackage gap and/or in the heat sink gap can be determined using a mathematical and/or computational simulation method (e.g. finite element analysis).

Die maximalen elektrischen Feldstärken E1, E2 sind maximale homogene Feldstärken in den jeweiligen Spalten, d. h. die maximalen Feldstärken können stark lokalisierte Maxima wie Singularitäten ausschließen, die an oder in der Nähe scharfer Kanten auftreten. Die maximalen elektrischen Feldstärken können an einem Punkt oder in einem Bereich im jeweiligen Spalt bestimmt werden, wobei dieser Punkt oder Bereich in x-y-Richtung von einer Singularität, beispielsweise einer Kante oder Grenze, des mehrschichtigen planaren Trägersubstrats, des Leistungshalbleiter-Prepackages und/oder des Kühlkörpers entfernt ist. Der Abstand in x-y-Richtung zwischen dem genannten Punkt oder Bereich und der Singularität, z. B. dem Rand des mehrschichtigen planaren Trägersubstrats, des Leistungshalbleiter-Prepackages und/oder des Kühlkörpers, kann durch eine Anzahl von Maschenzellen des Simulationsverfahrens, z. B. drei Maschenzellen, definiert sein. Durch die Bestimmung der maximalen elektrischen Feldstärke in diesem Punkt oder Bereich wird die maximale elektrische Feldstärke in einem Bereich des elektrischen Feldes bestimmt, der relativ homogen ist.The maximum electric field strengths E 1 , E 2 are maximum homogeneous field strengths in the respective columns, ie the maximum field strengths can exclude highly localized maxima such as singularities that occur at or near sharp edges. The maximum electric field strengths can be determined at a point or in an area in the respective gap, this point or area being in the xy direction from a singularity, for example an edge or boundary, of the multilayer planar carrier substrate, the power semiconductor prepackage and / or the heat sink is removed. The distance in the xy direction between the named point or area and the singularity, e.g. B. the edge of the multilayer planar carrier substrate, the power semiconductor prepackage and / or the heat sink, can be determined by a number of mesh cells of the simulation method, e.g. B. three mesh cells, be defined. By determining the maximum electric field strength in this point or area, the maximum electric field strength is determined in a region of the electric field that is relatively homogeneous.

Im Allgemeinen können die maximalen elektrischen Feldstärken in einem Bereich zwischen zwei gegenüberliegenden und im Wesentlichen parallelen Oberflächenbereichen bestimmt werden.In general, the maximum electric field strengths can be determined in a region between two opposing and substantially parallel surface regions.

Wenn ein Prepackage-Spalt vorhanden ist, kann zumindest ein Teil der Prepackage-Spalt mit einem elektrisch isolierenden Material gefüllt werden. Das elektrisch isolierende Material, bei dem es sich um ein Harz (z. B. ein dielektrisches Harz oder ein Polymerharz) oder ein anderes geeignetes isolierendes Material handeln kann, kann in dem Bereich (Volumen), den es einnimmt, eine Vielzahl von Hohlräumen aufweisen.If a prepackage gap is present, at least a portion of the prepackage gap can be filled with an electrically insulating material. The electrically insulating material, which may be a resin (e.g., a dielectric resin or a polymer resin) or other suitable insulating material, may have a plurality of cavities in the area (volume) it occupies .

Ein Wandler-Parameter σ kann größer als oder gleich 10/mm sein. σ ist definiert als ein Isolationsfüllfaktor des elektrisch isolierenden Materials geteilt durch eine maximale Hohlraumgröße der Vielzahl von Hohlräumen. Dementsprechend kann σ wie folgt ausgedrückt werden: σ = F R m a x

Figure DE102022205482A1_0004
A transducer parameter σ can be greater than or equal to 10/mm. σ is defined as an insulation fill factor of the electrically insulating material divided by a maximum cavity size of the plurality of cavities. Accordingly, σ can be expressed as follows: σ = F R m a x
Figure DE102022205482A1_0004

In dieser Gleichung ist F der Isolationsfüllfaktor und Rmax ist die maximale Hohlraumgröße der Vielzahl von Hohlräumen. Der Isolationsfüllfaktor ist definiert als kumuliertes Volumen der Vielzahl von Hohlräumen („Hohlraumvolumen“), subtrahiert von einem Volumen des elektrisch isolierenden Materials, dividiert durch das Volumen des elektrisch isolierenden Materials. Dies kann wie folgt ausgedrückt werden: F = V I M V V V I M

Figure DE102022205482A1_0005
In this equation, F is the insulation fill factor and R max is the maximum cavity size of the plurality of cavities. The insulation fill factor is defined as the cumulative volume of the plurality of cavities (“Void Volume”) subtracted from a volume of electrically insulating material divided by the volume of electrically insulating material. This can be expressed as follows: F = v I M v v v I M
Figure DE102022205482A1_0005

In dieser Gleichung ist VIM das Volumen des elektrisch isolierenden Materials und VV ist das kumulierte Volumen der Vielzahl von Hohlräumen. Daher kann der Wandler-Parameter σ auch wie folgt ausgedrückt werden: σ = V I M V V V V × R m a x

Figure DE102022205482A1_0006
In this equation, V IM is the volume of the electrically insulating material and V V is the cumulative volume of the plurality of cavities. Therefore, the converter parameter σ can also be expressed as follows: σ = v I M v v v v × R m a x
Figure DE102022205482A1_0006

σ kann größer oder gleich 15/mm, oder größer oder gleich 18/mm, oder größer oder gleich 50/mm, oder größer oder gleich 80/mm, oder größer oder gleich 80/mm sein. σ kann weniger als oder gleich 1000/mm, oder weniger als oder gleich 800/mm, oder weniger als oder gleich 500/mm, oder weniger als oder gleich 200/mm, oder weniger als oder gleich 150/mm betragen. σ kann im Bereich von 30/mm bis 200/mm oder im Bereich von 50/mm bis 150/mm liegen.σ can be greater than or equal to 15/mm, or greater than or equal to 18/mm, or greater than or equal to 50/mm, or greater than or equal to 80/mm, or greater than or equal to 80/mm. σ may be less than or equal to 1000/mm, or less than or equal to 800/mm, or less than or equal to 500/mm, or less than or equal to 200/mm, or less than or equal to 150/mm. σ can be in the range of 30/mm to 200/mm or in the range of 50/mm to 150/mm.

Der Isolationsfüllfaktor kann größer oder gleich 90%, größer oder gleich 95%, größer oder gleich 99% oder größer oder gleich 99,99% sein.The insulation fill factor may be greater than or equal to 90%, greater than or equal to 95%, greater than or equal to 99%, or greater than or equal to 99.99%.

Das elektrisch isolierende Material kann als Underfill-Material des Halbleiter-Prepackages bezeichnet werden. Im Gegensatz zu einigen Anwendungen von so genanntem Underfill-Material im Bereich der Elektronik, die verbesserte mechanische Eigenschaften (z. B. Steifigkeit) bieten, hat das Underfill-Material gemäß der vorliegenden Offenbarung jedoch zusätzlich oder alternativ eine elektrisch isolierende Funktion, um den hohen elektrischen Feldern zu widerstehen, die in den leistungselektronischen Wandlern der vorliegenden Offenbarung entstehen.The electrically insulating material can be referred to as the underfill material of the semiconductor prepackage. However, in contrast to some applications of so-called underfill material in the field of electronics, which offer improved mechanical properties (e.g. stiffness), the underfill material according to the present disclosure additionally or alternatively has an electrically insulating function in order to achieve the high to withstand electric fields that arise in the power electronic converters of the present disclosure.

Die maximale Porengröße der Vielzahl von Poren kann weniger als oder gleich 100 µm, weniger als oder gleich 50 µm, weniger als oder gleich 20 µm, weniger als oder gleich 10 µm, weniger als oder gleich 5 µm oder weniger als oder gleich 1 µm betragen.The maximum pore size of the plurality of pores may be less than or equal to 100 μm, less than or equal to 50 μm, less than or equal to 20 μm, less than or equal to 10 μm, less than or equal to 5 μm, or less than or equal to 1 μm .

Fachleute wissen, dass sich der Begriff „Hohlräume“ auf den Einschluss von „fremdem“ Material, das sich von dem elektrisch isolierenden Material unterscheidet, in dem Bereich bezieht, der von dem elektrisch isolierenden Material eingenommen wird. Die Hohlräume können in fester (z. B. partikelartiger), flüssiger oder gasförmiger Form vorliegen. Beispiele für Hohlräume können Lötmaterial, Flussmittelrückstände, Luft, Waschflüssigkeit und ähnliches sein. Hohlräume können während des Herstellungsprozesses ungewollt eingeführt werden.Those skilled in the art will understand that the term "voids" refers to the inclusion of "foreign" material other than the electrically insulating material in the area occupied by the electrically insulating material. The cavities can be in solid (e.g. particulate), liquid or gaseous form. Examples of voids may include solder material, flux residue, air, washer fluid, and the like. Voids can be unintentionally introduced during the manufacturing process.

Die maximale Hohlraumgröße kann als der Durchmesser eines äquivalenten kugelförmigen Körpers definiert werden, der das gleiche Volumen wie der größte Hohlraum hat. Der größte Hohlraum und/oder die maximale Hohlraumgröße kann durch Methoden bestimmt werden, die dem Fachmann bekannt sind, z. B. durch statistische Methoden zur Bestimmung der Hohlraumgröße einer repräsentativen Anzahl von Hohlräumen. Diese repräsentative Anzahl von Hohlräumen ist kleiner als die Gesamtzahl der Vielzahl von Hohlräumen im elektrisch isolierenden Material.The maximum cavity size can be defined as the diameter of an equivalent spherical body that has the same volume as the largest cavity. The largest cavity and/or the maximum cavity size can be determined by methods known to those skilled in the art, e.g. B. by statistical methods to determine the cavity size of a representative number of cavities. This representative number of cavities is smaller than the total number of plurality of cavities in the electrically insulating material.

Ein Wandler-Parameter τ kann kleiner oder gleich 10.000 V sein. τ ist das Produkt aus der Durchschlagfestigkeit des elektrisch isolierenden Materials und der maximalen Hohlraumgröße der Vielzahl von Hohlräumen. Dementsprechend kann τ ausgedrückt werden als: τ = D × R m a x

Figure DE102022205482A1_0007
A converter parameter τ can be less than or equal to 10,000 V. τ is the product of the dielectric strength of the electrically insulating material and the maximum cavity size of the plurality of cavities. Accordingly, τ can be expressed as: τ = D × R m a x
Figure DE102022205482A1_0007

In dieser Gleichung ist D die Durchschlagfestigkeit des elektrisch isolierenden Materials und Rmax ist die maximale Porengröße der Vielzahl von Poren. τ kann kleiner oder gleich 1.000 V, kleiner oder gleich 500 V oder kleiner oder gleich 250 V sein. τ kann größer oder gleich 1 V, größer oder gleich 10 V oder größer oder gleich 100 V sein. τ kann größer oder gleich 150 V sein. τ kann im Bereich von 100 V bis 300 V oder im Bereich von 150 V bis 250 V liegen.In this equation, D is the dielectric strength of the electrically insulating material and R max is the maximum pore size of the plurality of pores. τ can be less than or equal to 1,000 V, less than or equal to 500 V, or less than or equal to 250 V. τ can be greater than or equal to 1V, greater than or equal to 10V, or greater than or equal to 100V. τ can be greater than or equal to 150 V. τ can be in the range of 100V to 300V or in the range of 150V to 250V.

Die Durchschlagfestigkeit des elektrisch isolierenden Materials, D, kann größer oder gleich 1 kV/mm, größer oder gleich 10 kV/mm oder größer oder gleich 15 kV/mm sein. D kann weniger als oder gleich 250 kV/mm oder weniger als oder gleich 200 kV/mm oder weniger als oder gleich 100 kV/mm oder weniger als oder gleich 50 kV/mm betragen. D kann im Bereich von 10 kV/mm bis 30 kV/mm oder im Bereich von 15 kV/mm bis 25 kV/mm liegen.The dielectric strength of the electrically insulating material, D, may be greater than or equal to 1 kV/mm, greater than or equal to 10 kV/mm, or greater than or equal to 15 kV/mm. D may be less than or equal to 250 kV/mm, or less than or equal to 200 kV/mm, or less than or equal to 100 kV/mm, or less than or equal to 50 kV/mm. D can be in the range of 10 kV/mm to 30 kV/mm or in the range of 15 kV/mm to 25 kV/mm.

Ein oder mehrere (z. B. jedes) Leistungshalbleiter-Prepackage kann ferner eine oder mehrere elektrisch leitende Schichten umfassen. Die eine oder mehreren elektrisch leitenden Schichten können sich in x-y-Richtung erstrecken. Mindestens eine der einen oder mehreren elektrisch leitenden Schichten kann in das feste elektrische Isoliermaterial des Leistungshalbleiter-Prepackages eingebettet sein. Mindestens eine der einen oder mehreren elektrisch leitenden Schichten kann sich auf einer der elektrischen Anschlussseite des Prepackage gegenüberliegenden Seite des Leistungshalbleiter-Schaltelements befinden und mit mindestens einem der Anschlüsse des Leistungshalbleiter-Schaltelements verbunden sein. Mindestens eine elektrische Verbindung kann sich in Z-Richtung von einer elektrisch leitenden Schicht des Prepackages zur elektrischen Anschlussseite des Prepackages erstrecken.One or more (e.g., each) power semiconductor prepackage may further include one or more electrically conductive layers. The one or more electrically conductive layers can extend in the xy direction. At least one of the one or more electrically conductive layers may be embedded in the solid electrical insulating material of the power semiconductor prepackage. At least one of the one or more electrically conductive layers can be located on a side of the power semiconductor switching element opposite the electrical connection side of the prepackage and can be connected to at least one of the connections of the power semiconductor switching element. At least one electrical connection can extend in the Z direction from an electrically conductive layer of the prepackage to the electrical connection side of the prepackage.

Jedes Leistungshalbleiter-Prepackage kann außerdem eine elektrische. Isolierschicht enthalten. Die elektrische Isolierschicht kann sich auf einer Seite des Leistungshalbleiter-Schaltelements befinden, die der elektrischen Anschlussseite des Prepackages gegenüberliegt. Die elektrische Isolierschicht kann aus einem keramischen Material bestehen. Die elektrische Isolierschicht kann in das feste elektrische Isoliermaterial des Leistungshalbleiter-Prepackages eingebettet sein. Die elektrische Isolierschicht kann sich in der x-y-Richtung erstrecken.Each power semiconductor prepackage can also have an electrical. Insulating layer included. The electrical insulating layer can be located on a side of the power semiconductor switching element that is opposite the electrical connection side of the prepackage. The electrical insulating layer can consist of a ceramic material. The electrical insulating layer can be embedded in the solid electrical insulating material of the power semiconductor prepackage. The electrical insulating layer may extend in the xy direction.

Der mindestens eine Kondensator kann über mindestens eine der leitenden Schichten des mehrschichtigen planaren Trägersubstrats mit dem mindestens einen leistungselektronischen Schaltelement verbunden sein.The at least one capacitor can be connected to the at least one power electronic switching element via at least one of the conductive layers of the multilayer planar carrier substrate.

Bei dem mindestens einen Kondensator kann es sich um einen Keramikkondensator handeln.The at least one capacitor can be a ceramic capacitor.

Die Gate-Treiberschaltung kann mit dem Gate-Terminal jedes Leistungshalbleiter-Schaltelements durch eine oder mehrere elektrische Verbindungen, die sich in z-Richtung erstrecken, elektrisch verbunden sein.The gate driver circuit may be electrically connected to the gate terminal of each power semiconductor switching element through one or more electrical connections extending in the z-direction.

Der leistungselektronische Wandler kann außerdem einen Kühlkörper zur Ableitung der Wärme von Leistungshalbleiter-Prepackages enthalten.The power electronic converter may also contain a heat sink for dissipating heat from power semiconductor prepackages.

Der Wandler kann ferner eine thermische Schnittstellenschicht (TIL) zwischen einer Wärmeabfuhrseite des Prepackages und dem Kühlkörper aufweisen, wobei die Wärmeabfuhrseite des Prepackages der elektrischen Anschlussseite des Prepackages gegenüberliegt.The converter can further have a thermal interface layer (TIL) between a heat dissipation side of the prepackage and the heat sink, the heat dissipation side of the prepackage being opposite the electrical connection side of the prepackage.

Die mindestens eine Prepackage kann sich zwischen dem mehrschichtigen Trägersubstrat und dem Kühlkörper befinden. Der Kühlkörper kann einen oder mehrere vertiefte Bereiche umfassen, die eine oder mehrere Kammern zur Aufnahme der Prepackages bilden. Benachbarte Kammern können durch eine Wand getrennt sein.The at least one prepackage can be located between the multilayer carrier substrate and the heat sink. The heat sink may include one or more recessed areas that form one or more chambers for receiving the prepackages. Adjacent chambers can be separated by a wall.

Das mindestens eine Prepackage kann in das mehrschichtige Trägersubstrat eingebettet sein. Der Kühlkörper kann an eine Wärmeabfuhrseite des Prepackages angrenzend angeordnet sein, die gegenüber der elektrischen Anschlussseite der Prepackage ist.The at least one prepackage can be embedded in the multilayer carrier substrate. The heat sink can be arranged adjacent to a heat dissipation side of the prepackage, which is opposite the electrical connection side of the prepackage.

Ein Wandler-Parameter η kann größer oder gleich 100 kW/m3K sein. η ist ein Wärmeübergangskoeffizient zwischen der Wärmeabfuhrseite des Leistungshalbleiter-Prepackages und einem Kühlmedium des Kühlkörpers geteilt durch die Größe des Spalts in z-Richtung zwischen der Wärmeabfuhrseite des Leistungshalbleiter-Prepackages und dem Kühlkörper. Dementsprechend kann η ausgedrückt werden als: η = h G 3

Figure DE102022205482A1_0008
A converter parameter η can be greater than or equal to 100 kW/m 3 K. η is a heat transfer coefficient between the heat dissipation side of the power semiconductor prepackage and a cooling medium of the heat sink divided by the size of the gap in the z direction between the heat dissipation side of the power semiconductor prepackage and the heat sink. Accordingly, η can be expressed as: η = H G 3
Figure DE102022205482A1_0008

In dieser Gleichung ist h der Wärmeübergangskoeffizient zwischen der Wärmeabfuhrseite des Leistungshalbleiter-Prepackages und dem Kühlmedium des Kühlkörpers, und G3 ist die Größe des Spalts in z-Richtung zwischen der Wärmeabfuhrseite des Leistungshalbleiter-Prepackages und dem Kühlkörper. η kann größer als oder gleich 500 kW/m3K, größer als oder gleich 1 MW/m3K oder größer als oder gleich 10 MW/m3K sein. η kann kleiner als oder gleich 1000 MW/m3K sein. η kann kleiner oder gleich 500 MW/m3K, kleiner oder gleich 150 MW/m3K oder kleiner oder gleich 100 MW/m3K sein. η kann im Bereich 1 MW/m3 K bis 1000 MW/m3 K oder im Bereich 10 MW/m3 K bis 100 MW/m3 K oder im Bereich 20 MW/m3 K bis 50 MW/m3 K liegen. Der Wandler-Parameter η kann im Bereich von 125 kW/m3 K bis 75 MW/m K3 , oder im Bereich von 30 MW/m3 K bis 45 MW/m3 K, oder im Bereich von 35 MW/m3 K bis 40 MW/m3 K liegen.In this equation, h is the heat transfer coefficient between the heat dissipation side of the power semiconductor prepackage and the cooling medium of the heat sink, and G 3 is the size of the gap in the z direction between the heat dissipation side of the power semiconductor prepackage and the heat sink. η may be greater than or equal to 500 kW/m 3 K, greater than or equal to 1 MW/m 3 K, or greater than or equal to 10 MW/m 3 K. η can be less than or equal to 1000 MW/m 3 K. η can be less than or equal to 500 MW/m 3 K, less than or equal to 150 MW/m 3 K or less than or equal to 100 MW/m 3 K. η can be in the range 1 MW/m 3 K to 1000 MW/m 3 K or in the range 10 MW/m 3 K to 100 MW/m 3 K or in the range 20 MW/m 3 K to 50 MW/m 3 K . The converter parameter η can be in the range of 125 kW/m 3 K to 75 MW/m 3 K, or in the range of 30 MW/m 3 K to 45 MW/m 3 K, or in the range of 35 MW/m 3 K up to 40 MW/m 3 K.

Der Wärmeübergangskoeffizient zwischen der Wärmeabfuhrseite des Leistungshalbleiter-Prepackages und einem Kühlmedium des Kühlkörpers, h, kann größer oder gleich 0,1 kW/m2K, größer oder gleich 1 kW/m2K oder größer oder gleich 5 kW/m2K sein. h kann weniger als oder gleich 50 kW/m2K, weniger als oder gleich 30 kW/m2K oder weniger als oder gleich 20 kW/m2K betragen. h kann im Bereich von 2,5 kW/m2K bis 15 kW/m2K oder im Bereich von 5 kW/m2K bis 10 kW/m2K liegen. Die Größe des Spalts in z-Richtung zwischen der Wärmeabfuhrseite und dem Kühlkörper, G3, kann kleiner oder gleich 2 mm, kleiner oder gleich 1 mm, kleiner oder gleich 0,8 mm oder kleiner oder gleich 0,5 mm sein. G3 kann größer als oder gleich 0,05 mm, größer als oder gleich 0,1 mm oder größer als oder gleich 0,2 mm sein.The heat transfer coefficient between the heat dissipation side of the power semiconductor prepackage and a cooling medium of the heat sink, h, may be greater than or equal to 0.1 kW/m 2 K, greater than or equal to 1 kW/m 2 K, or greater than or equal to 5 kW/m 2 K . h may be less than or equal to 50 kW/m 2 K, less than or equal to 30 kW/m 2 K, or less than or equal to 20 kW/m 2 K. h can be in the range of 2.5 kW/m 2 K to 15 kW/m 2 K or in the range of 5 kW/m 2 K to 10 kW/m 2 K. The size of the gap in the z direction between the heat dissipation side and the heat sink, G 3 , may be less than or equal to 2 mm, less than or equal to 1 mm, less than or equal to 0.8 mm, or less than or equal to 0.5 mm. G 3 can be greater than or equal to 0.05 mm, greater than or equal to 0.1 mm, or greater than or equal to 0.2 mm.

Die thermische Schnittstellenschicht (TIL) kann eine Wärmeleitfähigkeit und eine mechanische Kompressibilität aufweisen.The thermal interface layer (TIL) may have thermal conductivity and mechanical compressibility.

Ein Wandler-Parameter Ω kann 0,1 MNK/Wm < Ω < 1 GNK/Wm erfüllen. Ω ist die mechanische Kompressibilität der thermischen Schnittstellenschicht geteilt durch die Wärmeleitfähigkeit der thermischen Schnittstellenschicht. Dementsprechend kann Ω ausgedrückt werden als: Ω = M k

Figure DE102022205482A1_0009
A converter parameter Ω can satisfy 0.1 MNK/Wm < Ω < 1 GNK/Wm. Ω is the mechanical compressibility of the thermal interface layer divided by the thermal conductivity of the thermal interface layer. Accordingly, Ω can be expressed as: Ω = M k
Figure DE102022205482A1_0009

In dieser Gleichung ist M die mechanische Kompressibilität der thermischen Schnittstellenschicht und k die Wärmeleitfähigkeit der thermischen Schnittstellenschicht. Ω kann größer oder gleich 0,2 MNK/Wm, größer oder gleich 0,4 MNK/Wm oder größer oder gleich 0,6 MNK/Wm sein. Ω kann kleiner oder gleich 500 MNK/Wm, kleiner oder gleich 100 MNK/Wm, kleiner oder gleich 10 MNK/Wm oder kleiner oder gleich 5 MNK/Wm sein. Ω kann im Bereich von 0,25 MNK/Wm bis 2 MNK/Wm, oder im Bereich von 0,7 MNK/Wm bis 1,5 MNK/Wm, oder im Bereich von 0,7 MNK/Wm bis 1,5 MNK/Wm, oder im Bereich von 0,8 MNK/Wm bis 0,9 MNK/Wm liegen.In this equation, M is the mechanical compressibility of the thermal interface layer and k is the thermal conductivity of the thermal interface layer. Ω can be greater than or equal to 0.2 MNK/Wm, greater than or equal to 0.4 MNK/Wm, or greater than or equal to 0.6 MNK/Wm. Ω can be less than or equal to 500 MNK/Wm, less than or equal to 100 MNK/Wm, less than or equal to 10 MNK/Wm or less than or equal to 5 MNK/Wm. Ω can be in the range from 0.25 MNK/Wm to 2 MNK/Wm, or in the range from 0.7 MNK/Wm to 1.5 MNK/Wm, or in the range from 0.7 MNK/Wm to 1.5 MNK /Wm, or in the range from 0.8 MNK/Wm to 0.9 MNK/Wm.

Die mechanische Kompressibilität der thermischen Schnittstellenschicht, M, kann kleiner oder gleich 3000 MN/m2 (300 MPa) sein, oder kleiner oder gleich 100 MN/m2 (10 MPa), oder kleiner oder gleich 10 MN/m2 (1 MPa) sein. M kann größer als oder gleich 0,5 MN/m2 (0,05 MPa) sein. M kann im Bereich von 1 MN/m2 (0,1 MPa) bis 5 MN/m2 (0,5 MPa) oder im Bereich von 2,5 MN/m2 (0,25 MPa) bis 3,5 MN/m2 (0,35 MPa) liegen.The mechanical compressibility of the thermal interface layer, M, may be less than or equal to 3000 MN/m 2 (300 MPa), or less than or equal to 100 MN/m 2 (10 MPa), or less than or equal to 10 MN/m 2 (1 MPa ) be. M can be greater than or equal to 0.5 MN/m 2 (0.05 MPa). M can be in the range of 1 MN/m 2 (0.1 MPa) to 5 MN/m 2 (0.5 MPa) or in the range of 2.5 MN/m 2 (0.25 MPa) to 3.5 MN /m 2 (0.35 MPa).

Die Wärmeleitfähigkeit der thermischen Schnittstellenschicht, k, kann weniger als oder gleich 100 W/mK oder weniger als oder gleich 25 W/mK oder weniger als oder gleich 10 W/mK oder weniger als oder gleich 5 W/mK betragen. k kann größer oder gleich 0,5 W/mK oder größer oder gleich 1 W/mK sein. k kann im Bereich von 2 W/mK bis 10 W/mK oder im Bereich von 3 W/mK bis 4 W/mK liegen.The thermal conductivity of the thermal interface layer, k, may be less than or equal to 100 W/mK, or less than or equal to 25 W/mK, or less than or equal to 10 W/mK, or less than or equal to 5 W/mK. k can be greater than or equal to 0.5 W/mK or greater than or equal to 1 W/mK. k can be in the range of 2 W/mK to 10 W/mK or in the range of 3 W/mK to 4 W/mK.

Die Dicke (Größe in z-Richtung) der thermischen Schnittstellenschicht kann im Bereich von 0,05 mm bis 3 mm oder im Bereich von 0,075 mm bis 1,5 mm oder im Bereich von 0,1 mm bis 0,75 mm oder im Bereich von 0,15 mm bis 0,25 mm liegen.The thickness (z-direction size) of the thermal interface layer may be in the range of 0.05 mm to 3 mm, or in the range of 0.075 mm to 1.5 mm, or in the range of 0.1 mm to 0.75 mm, or in the range range from 0.15 mm to 0.25 mm.

Zwischen dem einen oder mehreren Leistungshalbleiter-Schaltelementen des Prepackages und dem Kühlkörper kann eine elektrische Isolierschicht angeordnet sein. Die elektrische Isolierung kann Teil des Leistungshalbleiter-Prepackages sein oder sich zwischen dem Prepackage und dem Kühlkörper befinden. Die elektrische Isolierschicht kann zwischen dem Prepackage und der thermischen Schnittstellenschicht angeordnet sein. Die elektrische Isolierschicht kann zwischen der thermischen Schnittstellenschicht und dem Kühlkörper angeordnet sein.An electrical insulating layer can be arranged between the one or more power semiconductor switching elements of the prepackage and the heat sink. The electrical insulation may be part of the power semiconductor prepackage or located between the prepackage and the heat sink. The electrical insulating layer can be arranged between the prepackage and the thermal interface layer. The electrical insulating layer may be arranged between the thermal interface layer and the heat sink.

Ein Wandler-Parameter ρ kann größer oder gleich 5 MVW/m2K sein. ρ ist ein Produkt aus der Wärmeleitfähigkeit der thermischen Schnittstellenschicht und der elektrischen Durchschlagsfeldstärke der elektrischen Isolierschicht. Dementsprechend kann ρ ausgedrückt werden als: ρ = k × E Break

Figure DE102022205482A1_0010
A transducer parameter ρ can be greater than or equal to 5 MVW/m 2 K. ρ is a product of the thermal conductivity of the thermal interface layer and the electrical breakdown field strength of the electrical insulating layer. Accordingly, ρ can be expressed as: ρ = k × E Break
Figure DE102022205482A1_0010

In dieser Gleichung ist k die Wärmeleitfähigkeit der thermischen Schnittstellenschicht und EBreak die elektrische Durchschlagsfeldstärke (die auch als Durchschlagfestigkeit bezeichnet werden kann) der elektrischen Isolierschicht. ρ kann größer oder gleich 10 MVW/m2K, größer oder gleich 25 MVW/m2K oder größer oder gleich 50 MVW/m2K sein. ρ kann kleiner oder gleich 25 GVW/m2K oder kleiner oder gleich 5 GVW/m2K oder kleiner oder gleich 500 MVW/m2K oder kleiner oder gleich 250 MVW/m2K sein. ρ kann im Bereich von 25 MVW/m2K bis 5 GVW/m2K oder im Bereich von 50 MVW/m2K bis 250 MVW/m2K liegen.In this equation, k is the thermal conductivity of the thermal interface layer and E Break is the electrical breakdown field strength (which can also be called dielectric strength) of the electrical insulating layer. ρ may be greater than or equal to 10 MVW/m 2 K, greater than or equal to 25 MVW/m 2 K, or greater than or equal to 50 MVW/m 2 K. ρ can be less than or equal to 25 GVW/m 2 K or less than or equal to 5 GVW/m 2 K or less than or equal to 500 MVW/m 2 K or less than or equal to 250 MVW/m 2 K. ρ can be in the range of 25 MVW/m 2 K to 5 GVW/m 2 K or in the range of 50 MVW/m 2 K to 250 MVW/m 2 K.

Die elektrische Durchschlagsfeldstärke (Durchschlagfestigkeit) EBreak der elektrischen Isolierschicht kann größer oder gleich 5 kV/mm sein. EBreak kann weniger als oder gleich 250 kV/mm betragen. EBreak kann im Bereich von 10 kV/mm bis 50 kV/mm oder im Bereich von 10 kV/mm bis 100 kV/mm oder im Bereich von 15 kV/mm bis 25 kV/mm liegen.The electric breakdown field strength (dielectric strength) E Break of the electrical insulating layer can be greater than or equal to 5 kV/mm. E Break can be less than or equal to 250 kV/mm. E Break can be in the range of 10 kV/mm to 50 kV/mm or in the range of 10 kV/mm to 100 kV/mm or in the range of 15 kV/mm to 25 kV/mm.

Die Dicke (Größe in z-Richtung) der thermischen Schnittstellenschicht kann im Bereich von 0,05 mm bis 3 mm oder im Bereich von 0,075 mm bis 1,5 mm oder im Bereich von 0,1 mm bis 0,75 mm oder im Bereich von 0,15 mm bis 0,25 mm liegen.The thickness (z-direction size) of the thermal interface layer may be in the range of 0.05 mm to 3 mm, or in the range of 0.075 mm to 1.5 mm, or in the range of 0.1 mm to 0.75 mm, or in the range range from 0.15 mm to 0.25 mm.

Die Dicke (Größe in z-Richtung) der elektrischen Isolierschicht kann im Bereich von 0,025 mm bis 2 mm oder im Bereich von 0,025 mm bis 1 mm oder im Bereich von 0,05 mm bis 1 mm oder im Bereich von 0,1 mm bis 0,8 mm oder im Bereich von 0,2 mm bis 0,3 mm liegen.The thickness (z-direction size) of the electrical insulating layer may be in the range of 0.025 mm to 2 mm, or in the range of 0.025 mm to 1 mm, or in the range of 0.05 mm to 1 mm, or in the range of 0.1 mm to 0.8 mm or in the range of 0.2 mm to 0.3 mm.

Die thermische Schnittstellenschicht kann eine relativ niedrige elektrische Leitfähigkeit aufweisen (d. h. eine hohe Durchschlagsfestigkeit), um die Abhängigkeit des Wandlers von zusätzlichen elektrischen Isoliermaßnahmen wie der oben beschriebenen speziellen elektrischen Isolierschicht zu verringern. Daher können einige Ausführungsformen keine elektrische Isolierschicht enthalten. In solchen Ausführungsformen kann ein Wandler-Parameter λ größer oder gleich 1 TW/SK sein, wobei λ als Wärmeleitfähigkeit der thermischen Schnittstellenschicht geteilt durch eine elektrische Leitfähigkeit der thermischen Schnittstellenschicht definiert ist. Der Wandler-Parameter λ kann wie folgt ausgedrückt werden: λ = k P

Figure DE102022205482A1_0011
The thermal interface layer may have a relatively low electrical conductivity (ie, high dielectric strength) to reduce the transducer's dependence on additional electrical insulation measures such as the special electrical insulation layer described above. Therefore, some embodiments may not include an electrical insulating layer. In such embodiments, a transducer parameter λ may be greater than or equal to 1 TW/SK, where λ is defined as a thermal conductivity of the thermal interface layer divided by an electrical conductivity of the thermal interface layer. The converter parameter λ can be expressed as follows: λ = k P
Figure DE102022205482A1_0011

In dieser Gleichung ist k die Wärmeleitfähigkeit der thermischen Schnittstellenschicht und P die elektrische Leitfähigkeit der thermischen Schnittstellenschicht. λ kann kleiner oder gleich 100 TW/SK oder kleiner oder gleich 10 TW/SK oder kleiner oder gleich 1 TW/SK oder kleiner oder gleich 500 TW/SK sein. λ kann größer oder gleich 10 TW/SK, größer oder gleich 50 TW/SK, größer oder gleich 100 TW/SK oder größer oder gleich 200 TW/SK sein. λ kann im Bereich von 100 TW/SK bis 500 TW/SK oder im Bereich von 300 TW/SK bis 400 TW/SK liegen.In this equation, k is the thermal conductivity of the thermal interface layer and P is the electrical conductivity of the thermal interface layer. λ can be less than or equal to 100 TW/SK or less than or equal to 10 TW/SK or less than or equal to 1 TW/SK or less than or equal to 500 TW/SK. λ can be greater than or equal to 10 TW/SK, greater than or equal to 50 TW/SK, greater than or equal to 100 TW/SK or greater than or equal to 200 TW/SK. λ can be in the range of 100 TW/SK to 500 TW/SK or in the range of 300 TW/SK to 400 TW/SK.

Die elektrische Leitfähigkeit der thermischen Schnittstellenschicht, P, kann weniger als oder gleich 0,1 pS/m (d. h. 1×10-13 S/m) sein. P kann größer oder gleich 1 fS/m sein (d. h. 1x10-15 S/m). P kann im Bereich von 5 fS/m bis 50 fS/m oder im Bereich von 7,5 fS/m bis 25 fS/m liegen.The electrical conductivity of the thermal interface layer, P, may be less than or equal to 0.1 pS/m (ie, 1×10 -13 S/m). P can be greater than or equal to 1 fS/m (ie 1x10 -15 S/m). P can range from 5 fS/m to 50 fS/m or from 7.5 fS/m to 25 fS/m.

Die Wärmeleitfähigkeit der thermischen Schnittstellenschicht, k, kann größer oder gleich 0,1 W/mK sein. k kann kleiner oder gleich 150 W/mK sein. k kann im Bereich von 0,5 W/mK bis 100 W/mK, oder im Bereich von 1 W/mK bis 25 W/mK, oder im Bereich von 2 W/mK bis 10 W/mK, oder im Bereich von 2,5 W/mK bis 5 W/mK liegen.The thermal conductivity of the thermal interface layer, k, may be greater than or equal to 0.1 W/mK. k can be less than or equal to 150 W/mK. k can be in the range of 0.5 W/mK to 100 W/mK, or in the range of 1 W/mK to 25 W/mK, or in the range of 2 W/mK to 10 W/mK, or in the range of 2 .5 W/mK to 5 W/mK.

Das mehrschichtige planare Trägersubstrat kann mindestens eine äußere leitende Schicht und/oder mindestens eine innere leitende Schicht umfassen. Die mindestens eine innere leitende Schicht kann dicker sein als die äußere leitende Schicht (z. B. mindestens doppelt oder mindestens dreimal so dick). Die äußere leitende Schicht und die innere leitende Schicht können durch mindestens eine Verbindung (z. B. eine Vielzahl von Verbindungen), die sich in z-Richtung durch das Trägersubstrat erstreckt, elektrisch verbunden sein. Jedes Leistungshalbleiter-Prepackage kann ferner eine elektrische Verbindung von mindestens einem Anschluss des einen oder der mehreren Leistungshalbleiter-Schaltelemente zu der äußeren leitenden Schicht des mehrschichtigen planaren Trägersubstrats umfassen, wobei sich die elektrische Verbindung in der z-Richtung durch das feste Isoliermaterial erstreckt.The multilayer planar support substrate may include at least one outer conductive layer and/or at least one inner conductive layer. The at least one inner conductive layer may be thicker than the outer conductive layer (e.g., at least twice or at least three times as thick). The outer conductive layer and the inner conductive layer may be electrically connected by at least one connection (e.g., a plurality of connections) extending in the z-direction through the support substrate. Each power semiconductor prepackage may further include an electrical connection from at least one terminal of the one or more power semiconductor switching elements to the outer conductive layer of the multilayer planar carrier substrate, the electrical connection extending in the z-direction through the solid insulating material.

Jedes Leistungshalbleiter-Prepackage kann ferner eine elektrische Verbindung von mindestens einem seiner Anschlüsse zu einer elektrischen Anschlussseite des Leistungshalbleiter-Prepackages umfassen, wobei sich die elektrische Verbindung in z-Richtung durch das feste Isoliermaterial erstreckt. Elektrische Verbindungen können sich von jedem der Anschlüsse zu der elektrischen Anschlussseite des Leistungshalbleiter-Prepackages erstrecken, wobei sich jede elektrische Verbindung in z-Richtung durch das feste Isoliermaterial hindurch erstreckt.Each power semiconductor prepackage may further comprise an electrical connection from at least one of its connections to an electrical connection side of the power semiconductor prepackage, the electrical connection extending in the z-direction through the solid insulating material. Electrical connections may extend from each of the connections to the electrical connection side of the power semiconductor prepackage, with each electrical connection extending in the z-direction through the solid insulating material.

Mindestens einer der Anschlüsse jedes der mindestens einen Leistungshalbleiter-Schaltelemente kann mit mindestens einer der leitenden Schichten des mehrschichtigen planaren Trägersubstrats an der elektrischen Anschlussseite des Leistungshalbleiter-Prepackages verbunden sein. Bei dem mindestens einen der Anschlüsse kann es sich um einen Source- und/oder Drain-Anschluss des Leistungshalbleiter-Schaltelements handeln.At least one of the connections of each of the at least one power semiconductor switching elements can be connected to at least one of the conductive layers of the multilayer planar carrier substrate on the electrical connection side of the power semiconductor prepackage. The at least one of the connections can be a source and/or drain connection of the power semiconductor switching element.

Bei jedem Leistungshalbleiter-Prepackage kann die elektrische Anschlussseite des Prepackages eine ebene Oberfläche bilden. Das Prepackage kann an seiner elektrischen Anschlussseite auf einer planaren Oberfläche des mehrschichtigen planaren Trägersubstrats oberflächenmontiert sein.For every power semiconductor prepackage, the electrical connection side of the prepackage can form a flat surface. The prepackage can be surface-mounted on its electrical connection side on a planar surface of the multilayer planar carrier substrate.

Bei jedem Leistungshalbleiter-Prepackage kann jede elektrische Verbindung, die sich von mindestens einem der Anschlüsse des Leistungshalbleiter-Schaltelements durch das feste Isoliermaterial erstreckt, an der ebenen Oberfläche des Prepackages enden. Jedes Leistungshalbleiter-Prepackage kann oberflächenmontiert werden auf der Oberfläche des mehrschichtigen planaren Trägersubstrats durch Löten, Sintern oder Kleben des endenden elektrischen Anschlusses an einen elektrischen Anschluss des mehrschichtigen planaren Trägersubstrats.For each power semiconductor prepackage, any electrical connection extending from at least one of the terminals of the power semiconductor switching element through the solid insulating material may terminate at the planar surface of the prepackage. Each power semiconductor prepackage can be surface mounted on the surface of the multilayer planar carrier substrate by soldering, sintering, or gluing the terminal electrical terminal to an electrical terminal of the multilayer planar carrier substrate.

Die ebene Oberfläche der elektrischen Anschlussseite kann ferner leitende Pads (z. B. Lötpads) zur Verbindung der Anschlüsse des Leistungshalbleiter-Schaltelements mit der Oberfläche des mehrschichtigen planaren Trägersubstrats aufweisen.The flat surface of the electrical connection side can further have conductive pads (e.g. solder pads) for connecting the connections of the power semiconductor switching element to the surface of the multilayer planar carrier substrate.

Die abgeschlossene elektrische Verbindung kann mit einer äußeren leitenden Schicht des mehrschichtigen Trägersubstrats verbunden (z. B. gelötet, gesintert oder geklebt) werden. Durch diese Verbindungen wird jedes Leistungshalbleiter-Prepackage von der planaren Oberfläche des mehrschichtigen planaren Trägersubstrats beabstandet, so dass zwischen dem mehrschichtigen planaren Trägersubstrat und der elektrischen Anschlussseite ein Spalt (hier als Prepackage-Spalt bezeichnet) entsteht.The completed electrical connection can be connected (e.g. soldered, sintered or glued) to an outer conductive layer of the multilayer carrier substrate. Through these connections, each power semiconductor prepackage is separated from the planar surface of the multilayer planar Carrier substrate spaced so that a gap (here referred to as a prepackage gap) is created between the multilayer planar carrier substrate and the electrical connection side.

Bei dem leistungselektronischen Wandler kann es sich um einen AC-DC-Wandler (d. h. einen Wechselrichter oder einen Gleichrichter) handeln. Bei dem AC-DC-Wandler kann es sich um einen mehrphasigen AC-DC-Wandler handeln. Für jede der mehreren Phasen kann der Leistungskreis einen Phasenschenkel umfassen. In diesem Fall entspricht die Parasitärinduktivität des Leistungskreises der Kommutierungszelle der Parasitärinduktivität eines Phasenschenkels. Der Fachmann wird verstehen, dass die Parasitärinduktivität jedes Phasenschenkels gleich ist, abgesehen von inhärenten Schwankungen aufgrund von Abweichungen bei den Komponenten und der Herstellung.The power electronic converter can be an AC-DC converter (i.e. an inverter or a rectifier). The AC-DC converter can be a multi-phase AC-DC converter. The power circuit can include a phase leg for each of the multiple phases. In this case, the parasitic inductance of the power circuit of the commutation cell corresponds to the parasitic inductance of a phase leg. Those skilled in the art will understand that the parasitic inductance of each phase leg is the same, except for inherent variations due to variations in components and manufacturing.

Der AC-DC Wandler kann ein zweistufiger Wandler sein, der zwei logische Schalter pro Phase umfasst. Die Anzahl der Leistungshalbleiter-Prepackages pro logischem Schalter kann größer als oder gleich drei sein. In einigen Beispielen umfasst ein mehrphasiger (z. B. drei- oder vierphasiger) AC-DC-Wandler mehr als 50 Leistungshalbleiter-Prepackages.The AC-DC converter can be a two-stage converter that includes two logical switches per phase. The number of power semiconductor prepackages per logical switch may be greater than or equal to three. In some examples, a multi-phase (e.g., three- or four-phase) AC-DC converter includes more than 50 power semiconductor prepackages.

Bei dem leistungselektronischen Wandler kann es sich um einen DC-DC-Wandler handeln. Der Leistungskreis der Kommutierungszelle kann außerdem einen Induktor umfassen.The power electronic converter can be a DC-DC converter. The power circuit of the commutation cell can also include an inductor.

Bei dem mindestens einen Kondensator kann es sich um einen einzelnen Kondensator handeln, z. B. einen einzelnen „DC-Link“-Kondensator oder „Eingangskondensator“. In anderen Beispielen kann ein komplexerer Gleichstromfilter mit einer Vielzahl von Kondensatoren verwendet werden.The at least one capacitor can be a single capacitor, e.g. B. a single “DC-Link” capacitor or “input capacitor”. In other examples, a more complex DC filter with a variety of capacitors may be used.

Die elektrische Maschine kann von jeder geeigneten Art und Konfiguration sein. In einem speziellen Beispiel ist die elektrische Maschine eine Transversalflussmaschine (d. h. eine Maschine mit transversalem Fluss). Die Transversalfluss-Elektromaschine kann luftgekühlt sein. Die Transversalfluss-Elektromaschine und die Leistungshalbleiter-Prepackages können beide durch ein gemeinsames Kühlsystem luftgekühlt sein.The electric machine can be of any suitable type and configuration. In a specific example, the electric machine is a transverse flux machine (i.e., a transverse flux machine). The transverse flow electric machine can be air-cooled. The transverse flux electric machine and the power semiconductor prepackages can both be air-cooled by a common cooling system.

Es ist auch eine elektrische Antriebseinheit (EPU) für ein Flugzeug vorgesehen. Die EPU umfasst einen Elektromotor und einen AC-DC leistungselektronischen Wandler gemäß den oben beschriebenen AC-DC leistungselektronischen Wandlern. Der AC-DC leistungselektronische Wandler ist als Wechselrichter ausgebildet und so angeordnet, dass er eine Wicklung des Elektromotors mit Strom versorgt.An electric propulsion unit (EPU) for an aircraft is also envisaged. The EPU includes an electric motor and an AC-DC power electronic converter according to the AC-DC power electronic converters described above. The AC-DC power electronic converter is designed as an inverter and is arranged so that it supplies a winding of the electric motor with power.

Es wird auch ein Gasturbinentriebwerk bereitgestellt. Das Gasturbinentriebwerk umfasst eine Welle; eine elektrische Maschine mit einem Rotor, der mechanisch mit der Welle gekoppelt ist; und einen AC-DC leistungselektronischen Wandler gemäß den oben beschriebenen AC-DC leistungselektronischen Wandlern. Der leistungselektronische AC-DC Wandler ist so angeordnet, dass er einer Wicklung der elektrischen Maschine Strom zuführt oder von ihr Strom empfängt.A gas turbine engine is also provided. The gas turbine engine includes a shaft; an electric machine having a rotor mechanically coupled to the shaft; and an AC-DC power electronic converter according to the AC-DC power electronic converters described above. The power electronic AC-DC converter is arranged so that it supplies power to a winding of the electrical machine or receives power from it.

Es ist auch ein elektrisches Stromversorgungssystem für ein Flugzeug vorgesehen, das einen leistungselektronischen Wandler gemäß den oben beschriebenen leistungselektronischen Wandlern umfasst.Also provided is an aircraft electrical power system comprising a power electronic converter in accordance with the power electronic converters described above.

Es wird auch ein Flugzeug bereitgestellt, das die EPU, das Gasturbinentriebwerk oder das oben beschriebene elektrische Stromversorgungssystem umfasst. In einer Gruppe von Ausführungsformen ist das Flugzeug ein elektrisch senkrecht startendes und landendes (eVTOL) Flugzeug mit einer Vielzahl von EPUs, wie oben dargelegt.An aircraft is also provided that includes the EPU, gas turbine engine, or electrical power system described above. In one group of embodiments, the aircraft is an electric vertical takeoff and landing (eVTOL) aircraft with a plurality of EPUs as set forth above.

Der Fachmann wird verstehen, dass ein Merkmal, das in Bezug auf einen der obigen Aspekte beschrieben wird, mutatis mutandis auch auf jeden anderen Aspekt angewendet werden kann, es sei denn, es schließt sich gegenseitig aus. Darüber hinaus kann jedes hier beschriebene Merkmal, sofern es sich nicht gegenseitig ausschließt, auf jeden Aspekt angewandt und/oder mit jedem anderen hier beschriebenen Merkmal kombiniert werden.One skilled in the art will understand that a feature described in relation to one of the above aspects can also be applied, mutatis mutandis, to any other aspect unless they are mutually exclusive. In addition, unless mutually exclusive, each feature described herein may be applied to any aspect and/or combined with any other feature described herein.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGENBRIEF DESCRIPTION OF DRAWINGS

Die Ausführungsformen werden jetzt nur beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, die rein schematisch und nicht maßstabsgetreu sind und in denen:

  • zeigt den Schaltplan der Kommutierungszelle eines einphasigen, zweistufigen AC-DC Wandlers;
  • ist ein schematischer Querschnitt des einphasigen, zweistufigen AC-DC-Wandlers aus ;
  • ist ein weiterer schematischer Querschnitt des einphasigen, zweistufigen AC-DC Wandlers aus , der weitere Eigenschaften wie z.B. elektrische Felder zeigt;
  • Die und zeigen eine schematische Querschnittsansicht und eine Draufsicht des einphasigen, zweistufigen AC-DC-Wandlers aus und veranschaulichen die Berechnung des Volumens der Kommutierungszelle;
  • ist ein schematischer Querschnitt eines einzelnen Leistungshalbleiter-Prepackages, der Details zeigt, die in den und nicht sichtbar sind;
  • ist ein schematischer Querschnitt des Leistungshalbleiter-Prepackages aus , das zwischen einem mehrschichtigen Trägersubstrat und einem Kühlkörper angeordnet ist;
  • ist ein schematischer Querschnitt eines Leistungshalbleiter-Prepackages, das zwischen einem mehrschichtigen Trägersubstrat und einem Kühlkörper angeordnet ist und ein elektrisch isolierendes Material in einem Prepackage-Spalt aufweist;
  • veranschaulicht, wie Low- und High-Side-Leistungshalbleiter-Schaltelemente einer Halbbrücke durch ein mehrschichtiges Trägersubstrat elektrisch verbunden werden können;
  • zeigt, wie Leistungshalbleiter-Schaltelemente durch ein mehrschichtiges Trägersubstrat elektrisch parallel geschaltet werden können;
  • Die und zeigen, wie die einphasigen Anordnungen der auf mehrere Phasen ausgedehnt werden können;
  • ist eine weitere schematische Querschnittsdarstellung des leistungselektronischen Wandlers von ;
  • ist eine schematische Querschnittsdarstellung einer alternativen Anordnung, bei der Leistungshalbleiter-Prepackages und ein Kühlkörper auf gegenüberliegenden Seiten des mehrlagigen Trägersubstrats angeordnet sind;
  • Die und zeigen alternative Anordnungen, bei denen Leistungshalbleiter-Prepackages in ein mehrschichtiges Trägersubstrat eingebettet sind;
  • zeigt einen zweistufigen, dreiphasigen Wechselrichter, der einen dreiphasigen Motor versorgt;
  • zeigt eine Vielzahl von H-Brücken-Wechselrichter-Schaltungen, die einen Vierphasenmotor versorgen;
  • zeigt einen zweistufigen, dreiphasigen Wechselrichter mit einem komplexeren DC-seitigen Filter;
  • zeigt einen DC-DC Wandler, der mit den Anschlüssen einer Batterie verbunden ist;
  • zeigt einen DC-AC-DC Wandler, der mit den Anschlüssen einer Batterie verbunden ist;
  • ist eine schematische Darstellung eines elektrischen Flugzeugtriebwerks und -antriebs;
  • ist eine schematische Darstellung eines mehrkanaligen elektrischen Energie- und Antriebssystems für ein Flugzeug mit sechs elektrisch betriebenen Propulsoren;
  • ist eine perspektivische Ansicht eines elektrisch senkrecht startenden und landenden (eVTOL) Flugzeugs mit sechs elektrisch angetriebenen Propulsoren in einer eVTOL-Flugkonfiguration;
  • ist eine perspektivische Ansicht des eVTOL-Flugzeugs aus in einer Vorwärtsflugkonfiguration;
  • zeigt die allgemeine Anordnung eines Mantelstromtriebwerks für ein Flugzeug;
  • ist eine schematische Darstellung eines hybridelektrischen Flugzeugantriebssystems; und
  • zeigt einen elektrisch betriebenen Antrieb, wie er in einem elektrischen oder hybridelektrischen Antriebssystem verwendet werden kann.
The embodiments will now be described, by way of example only, with reference to the accompanying drawings, which are purely schematic and not to scale, and in which:
  • shows the circuit diagram of the commutation cell of a single-phase, two-stage AC-DC converter;
  • is a schematic cross section of the single-phase, two-stage AC-DC converter ;
  • is another schematic cross section of the single-phase, two-stage AC-DC converter , which shows further properties such as electric fields;
  • The and show a schematic cross-sectional view and a top view of the single-phase, two-stage AC-DC converter and illustrate the calculation of the volume of the commutation cell;
  • is a schematic cross section of a single power semiconductor prepackage, showing details included in the and are not visible;
  • is a schematic cross section of the power semiconductor prepackage , which is arranged between a multilayer carrier substrate and a heat sink;
  • is a schematic cross section of a power semiconductor prepackage disposed between a multilayer carrier substrate and a heat sink and having an electrically insulating material in a prepackage gap;
  • illustrates how low- and high-side power semiconductor switching elements of a half bridge can be electrically connected through a multilayer carrier substrate;
  • shows how power semiconductor switching elements can be electrically connected in parallel through a multilayer carrier substrate;
  • The and show how the single-phase arrangements of the can be extended to several phases;
  • is another schematic cross-sectional representation of the power electronic converter from ;
  • is a schematic cross-sectional representation of an alternative arrangement in which power semiconductor prepackages and a heat sink are arranged on opposite sides of the multilayer carrier substrate;
  • The and show alternative arrangements in which power semiconductor prepackages are embedded in a multilayer carrier substrate;
  • shows a two-stage, three-phase inverter supplying a three-phase motor;
  • shows a variety of H-bridge inverter circuits powering a four-phase motor;
  • shows a two-stage, three-phase inverter with a more complex DC-side filter;
  • shows a DC-DC converter connected to the terminals of a battery;
  • shows a DC-AC-DC converter connected to the terminals of a battery;
  • is a schematic representation of an electric aircraft engine and propulsion system;
  • is a schematic representation of a multi-channel electrical power and propulsion system for an aircraft with six electrically powered propulsors;
  • is a perspective view of an electric vertical takeoff and landing (eVTOL) aircraft with six electrically powered propulsors in an eVTOL flight configuration;
  • is a perspective view of the eVTOL aircraft in a forward flight configuration;
  • shows the general arrangement of a turbofan engine for an aircraft;
  • is a schematic representation of a hybrid-electric aircraft propulsion system; and
  • shows an electrically operated drive as it can be used in an electric or hybrid-electric drive system.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNGDETAILED DESCRIPTION

ist ein Schaltplan eines leistungselektronischen Wandlers 10. Der Einfachheit halber wird eine Phase eines zweistufigen AC-DC-Wechselrichters dargestellt. Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass die vorliegende Offenlegung nicht auf Wandler dieses Schaltungstyps beschränkt ist, und es werden weitere Beispiele offengelegt. is a circuit diagram of a power electronic converter 10. For simplicity, one phase of a two-stage AC-DC inverter is shown. However, it should be noted that the This disclosure is not limited to converters of this type of circuit, and additional examples are disclosed.

Der leistungselektronische Wandler 10 hat eine Kommutierungszelle mit zwei Teilen: einem Leistungskreis und einer Gate-Treiberschaltung.The power electronic converter 10 has a commutation cell with two parts: a power circuit and a gate driver circuit.

Der Leistungskreis hat zwei Gleichstromeingänge (DC-INL und DC-INH) und einen einphasigen Wechselstromausgang (AC-OUT). Zwischen den Gleichstromeingängen und dem Wechselstromausgang des Leistungskreises ist eine Halbbrückenschaltung aus zwei Leistungshalbleiter-Schaltelementen 121L, 121H geschaltet. Die Buchstaben „L“ und „H“ bezeichnen die Nieder- und Hochspannungsseite der Halbbrücke, die mit den Nieder- und Hochspannungs-Gleichstromeingängen verbunden sind. Zum Leistungskreis gehört auch ein zwischengeschalteter Glättungskondensator 14, der im Zusammenhang mit einem AC-DC-Wandler oft als „DC-Link-Kondensator“ bezeichnet wird. Die Funktion des DC-Link-Kondensatorsist dem Fachmann bekannt.The power circuit has two DC inputs (DC-IN L and DC-IN H ) and a single-phase AC output (AC-OUT). A half-bridge circuit consisting of two power semiconductor switching elements 121L, 121H is connected between the DC inputs and the AC output of the power circuit. The letters “L” and “H” denote the low and high voltage sides of the half bridge, which are connected to the low and high voltage DC inputs. The power circuit also includes an intermediate smoothing capacitor 14, which is often referred to as a “DC link capacitor” in connection with an AC-DC converter. The function of the DC link capacitor is known to those skilled in the art.

Jedes Leistungshalbleiter-Schaltelement 121L, 121 H hat drei Anschlüsse. Im Falle eines MOSFET werden die Anschlüsse als Source (S), Drain (D) und Gate (G) bezeichnet. Der von den Gleichstromeingängen zum Wechselstromausgang fließende Strom fließt zwischen Source (S) und Drain (D), während die Spannung und der Strom am Gate (G) steuern, ob der Pfad zwischen Source (S) und Drain (D) leitend ist oder nicht. Bei den Leistungshalbleiter-Schaltelementen handelt es sich vorzugsweise um MOSFETs, insbesondere um MOSFETs auf der Basis von Siliziumkarbid (SiC), obwohl auch andere Halbleitertechnologien wie Galiumnitrid (GaN) verwendet werden können. Wie Fachleute wissen, kann durch die Verwendung von MOSFETs aufgrund des inhärenten „Body-Dioden“-Charakters eines MOSFETs auf diskrete, parallel geschaltete Dioden verzichtet werden.Each power semiconductor switching element 121L, 121H has three terminals. In the case of a MOSFET, the connections are called source (S), drain (D) and gate (G). The current flowing from the DC inputs to the AC output flows between the source (S) and drain (D), while the voltage and current at the gate (G) control whether the path between the source (S) and drain (D) is conductive or not . The power semiconductor switching elements are preferably MOSFETs, in particular MOSFETs based on silicon carbide (SiC), although other semiconductor technologies such as gallium nitride (GaN) can also be used. As those skilled in the art know, the use of MOSFETs eliminates the need for discrete, parallel-connected diodes due to the inherent “body diode” nature of a MOSFET.

Die Gate-Treiberschaltung 13L, 13H ist elektrisch mit dem Gate-Terminal des MOSFET 121L, 121H verbunden und so konfiguriert, dass sie Schaltsignale an dieses liefert, um die Leitung der MOSFETs zu steuern, d. h. um zu steuern, ob Strom zwischen dem Source- und dem Drain-Anschluss fließen kann oder ob der Stromfluss blockiert wird. Die Gate-Treiberschaltung fungiert praktisch als Verstärker von Signalen, die von einem Steuergerät (nicht abgebildet) empfangen werden, z. B. einem digitalen Steuergerät, das mit Signalen niedrigerer Spannungen, z. B. 3 V bis 5 V, arbeitet und diese liefert. In diesem Beispiel ist die Gate-Treiberschaltung auch mit den Drain-Anschlüssen der MOSFETs 121L, 121H verbunden, obwohl Fachleute wissen, dass dies nicht unbedingt der Fall sein muss und dass die Gate- und Drain-Anschlüsse voneinander isoliert sein können.The gate driver circuit 13L, 13H is electrically connected to the gate terminal of the MOSFET 121L, 121H and configured to provide switching signals thereto to control the conduction of the MOSFETs, i.e. H. to control whether current can flow between the source and drain or whether current flow is blocked. The gate driver circuit effectively acts as an amplifier of signals received from a control device (not shown), e.g. B. a digital control device that works with signals of lower voltages, e.g. B. 3 V to 5 V, works and delivers this. In this example, the gate driver circuit is also connected to the drains of the MOSFETs 121L, 121H, although those skilled in the art will appreciate that this is not necessarily the case and that the gate and drains may be isolated from each other.

Der Leistungskreis umfasst ferner eine Induktivität LP. Es ist zu verstehen, dass die Induktivität LP keine diskrete Komponente des Leistungskreises ist, sondern die kombinierte Parasitärinduktivität des Leistungskreises darstellt. Parasitärinduktivität ist die inhärente Induktivität von Bauteilen und den Verbindungen zwischen Bauteilen, die nicht absichtlich in die Schaltung eingebracht wird. Die Gate-Treiberschaltungen 13L, 13H enthalten auch Induktivitäten LG; auch diese stellen die Parasitärinduktivitäten der Gate-Treiberschaltungen 13L, 13H dar und sind keine diskreten Bauteile.The power circuit further includes an inductor L P. It should be understood that the inductance L P is not a discrete component of the power circuit, but represents the combined parasitic inductance of the power circuit. Parasitic inductance is the inherent inductance of components and the connections between components that is not intentionally introduced into the circuit. The gate driver circuits 13L, 13H also include inductors L G ; These also represent the parasitic inductances of the gate driver circuits 13L, 13H and are not discrete components.

Die Parasitärinduktivität ist ein bemerkenswertes Problem bei leistungselektronischen Wandlern, da sie einen Verlustmechanismus verursacht: Schaltverluste. Je höher die Parasitärinduktivität ist, desto höher sind die Schaltverluste. Die Höhe der Schaltverluste steigt auch mit der Betriebsspannung der Leistungshalbleiterschalter 121L, 121 H und mit der Schaltfrequenz der Leistungshalbleiterschalter 121L, 121H. Das bedeutet, dass eine hohe Parasitärinduktivität auch die Möglichkeiten des Systementwicklers einschränkt, höhere Werte für die Betriebsspannung des Wandlers und die maximale Schaltfrequenz zu wählen, da diese niedriger gehalten werden müssen, um die Schaltverluste auf einem tolerierbaren Niveau zu halten. Dies sind unerwünschte Beschränkungen. Die Verwendung einer niedrigeren Spannung erfordert einen höheren Strom, um die gleiche Leistung zu erzielen (P = I × V), was die Widerstandsverluste (d. h. I2 R-Verluste) im Leistungskreis und z. B. in den Wicklungen der elektrischen Maschine, an die der Wandler angeschlossen ist, erhöht. Die Verwendung einer niedrigeren Schaltfrequenz schränkt die Qualität der Ausgangsspannungs-/Stromwellenform ein, was zu unerwünschten Effekten wie einer Drehmomentwelligkeit im Rotor einer an die Leistungselektronik angeschlossenen elektrischen Maschine führt.Parasitic inductance is a notable problem in power electronic converters because it causes a loss mechanism: switching losses. The higher the parasitic inductance, the higher the switching losses. The level of switching losses also increases with the operating voltage of the power semiconductor switches 121L, 121H and with the switching frequency of the power semiconductor switches 121L, 121H. This means that high parasitic inductance also limits the system designer's ability to choose higher values for the converter's operating voltage and maximum switching frequency, as these must be kept lower to keep switching losses at a tolerable level. These are undesirable restrictions. Using a lower voltage requires a higher current to achieve the same power (P = I × V), which increases the resistance losses (i.e. I 2 R losses) in the power circuit and e.g. B. increased in the windings of the electrical machine to which the converter is connected. Using a lower switching frequency limits the quality of the output voltage/current waveform, resulting in undesirable effects such as torque ripple in the rotor of an electrical machine connected to power electronics.

Die vorliegende Offenbarung stellt leistungselektronische Wandler mit Kommutierungszellen mit reduzierten Parasitärinduktivitäten bereit. Dies reduziert nicht nur die Schaltverluste, sondern ermöglicht auch die Verwendung höherer Betriebsspannungen, höherer Schaltfrequenzen und höherer Spannungs- und Stromrampenraten beim Schalten. Insgesamt wird dadurch der Betriebswirkungsgrad der Wandler im Vergleich zu leistungselektronischen Wandlern nach dem Stand der Technik deutlich erhöht.The present disclosure provides power electronic converters with commutation cells with reduced parasitic inductances. This not only reduces switching losses, but also allows the use of higher operating voltages, higher switching frequencies and higher voltage and current ramp rates when switching. Overall, this significantly increases the operating efficiency of the converters compared to state-of-the-art power electronic converters.

Tabelle 2 enthält beispielhafte Werte für die Parasitärinduktivität des Leistungskreises und den maximalen Betriebswirkungsgrad von AC-DC Wandlern im Leistungsbereich 50-400kW. Die angegebenen Leistungen sind Spitzen-Nennleistungen, d.h. die höchste elektrische Leistung, die vom Wandler geregelt werden kann. Sie unterscheidet sich von der Dauer-Nennleistung, die z. B. von den Umgebungsbedingungen während des Betriebs und den Möglichkeiten des Kühlsystems des Wandlers abhängt. Tabelle 2 Spitzen-Nennleistung (kW) Parasitärinduktivität des Leistungskreises, L P (nH) Spitzenbetriebswirkungsgrad Beispiel für den neuesten Stand der Technik Beispiel der vorliegenden Offenlegung Beispiel für den neuesten Stand der Technik Aktuelle Offenlegung 50 40 8 95% bis 96% 97% bis > 99% 100 20 4 95% bis 96% 97% bis > 99% 150 15 3 95% bis 96% 97% bis > 99% 200 10 2 95% bis 96% 97% bis > 99% 400 5 1 95% bis 96% 97% bis > 99% Table 2 contains exemplary values for the parasitic inductance of the power circuit and the maximum operating efficiency of AC-DC converters in the power range 50-400kW. The stated powers are peak nominal powers, ie the highest electrical power that can be regulated by the converter. It differs from the continuous rated power, which, for example, B. depends on the ambient conditions during operation and the capabilities of the converter's cooling system. Table 2 Peak rated power (kW) Parasitic inductance of the power circuit, L P (nH) Peak operating efficiency Example of the latest technology Example of this disclosure Example of the latest technology Current disclosure 50 40 8th 95% to 96% 97% to > 99% 100 20 4 95% to 96% 97% to > 99% 150 15 3 95% to 96% 97% to > 99% 200 10 2 95% to 96% 97% to > 99% 400 5 1 95% to 96% 97% to > 99%

Es wird nur die Parasitärinduktivität LP des Leistungskreises und nicht der gesamten Kommutierungszelle angegeben. Dies liegt daran, dass die Gate-Treiberschaltung vom Leistungskreis elektrisch entkoppelt ist und die Parasitärinduktivitäten der beiden Kreise daher nicht kombiniert werden. Es sollte jedoch beachtet werden, dass die enge Integration der Gate-Treiberschaltung in die Kommutierungszelle gemäß der vorliegenden Offenbarung zu einem geringeren Wert von LG führt.Only the parasitic inductance L P of the power circuit and not the entire commutation cell is given. This is because the gate driver circuit is electrically decoupled from the power circuit and therefore the parasitic inductances of the two circuits are not combined. However, it should be noted that the tight integration of the gate driver circuit into the commutation cell according to the present disclosure results in a lower value of L G.

Wie aus Tabelle 2 ersichtlich ist, kann der Wert der Parasitärinduktivität von leistungselektronischen Wandlern nach der vorliegenden Offenbarung etwa fünfmal niedriger sein als der vergleichbare Stand der Technik. Zusammen mit anderen hierin offengelegten Maßnahmen führt dies zu Betriebseffizienzen von bis zu 99 % und mehr, verglichen mit Werten von 95-96 %, die üblicherweise in Leistungselektronikmodulen nach dem Stand der Technik erreicht werden.As can be seen from Table 2, the parasitic inductance value of power electronic converters according to the present disclosure can be approximately five times lower than the comparable prior art. Together with other measures disclosed herein, this results in operating efficiencies of up to 99% and greater, compared to values of 95-96% commonly achieved in prior art power electronic modules.

Aus Tabelle 2 ist auch ersichtlich, dass die Parasitärinduktivität des Leistungskreises im Allgemeinen mit steigender Nennleistung abnimmt. Dies liegt daran, dass die Spitzen-Nennleistung im Allgemeinen durch die Parallelisierung der Leistungshalbleiter des Leistungskreises erhöht wird, d. h., bei höheren Leistungen wird z. B. jeder Low-Side-MOSFET 121L einer bestimmten Phase durch mehrere parallel geschaltete MOSFETs realisiert. Diese Parallelschaltung der Komponenten hat den zusätzlichen Effekt, dass die Parasitärinduktivität des Leistungskreises reduziert wird. Auf diese Weise kann die Parasitärinduktivität des Leistungskreises zwar auf einen beliebig niedrigen Wert reduziert werden, aber die zusätzlichen Bauteile erhöhen das Gewicht und das Volumen des Wandlers erheblich und verringern die Leistungsdichte.It can also be seen from Table 2 that the parasitic inductance of the power circuit generally decreases as the rated power increases. This is because the peak power rating is generally increased by parallelizing the power semiconductors of the power circuit, i.e. i.e., at higher performances z. B. each low-side MOSFET 121L of a certain phase is realized by several MOSFETs connected in parallel. This parallel connection of the components has the additional effect of reducing the parasitic inductance of the power circuit. In this way, the parasitic inductance of the power circuit can be reduced to an arbitrarily low value, but the additional components significantly increase the weight and volume of the converter and reduce the power density.

So kann ein leistungselektronischer Wandler durch einen Wandler-Induktivitäts-Volumen-Parameter α charakterisiert werden, der als das Produkt aus der Parasitärinduktivität des Leistungskreises und dem Volumen der Kommutierungszelle definiert ist: α = L P × Vol .

Figure DE102022205482A1_0012

LP = Parasitärinduktivität des Leistungskreises
Vol. = Kleinstes quaderförmiges Volumen, das die Kommutierungszelle umschließtThus, a power electronic converter can be characterized by a converter inductance volume parameter α, which is defined as the product of the parasitic inductance of the power circuit and the volume of the commutation cell: α = L P × Vol .
Figure DE102022205482A1_0012

L P = parasitic inductance of the power circuit
Vol. = Smallest cuboid volume that encloses the commutation cell

Wie bereits erwähnt, ist das Volumen als das kleinste quaderförmige Volumen definiert, das die gesamte Kommutierungszelle, d. h. die Kombination aus Leistungskreis und Gate-Treiberschaltung, umschließt. Ein Beispiel für das Volumen der Kommutierungszelle ist in den und dargestellt und wird im Folgenden beschrieben.As already mentioned, the volume is defined as the smallest cuboid volume that encloses the entire commutation cell, that is, the combination of power circuit and gate driver circuit. An example of the volume of the commutation cell is in the and and is described below.

Tabelle 3 zeigt beispielhafte Werte von α für leistungselektronische Wandler gemäß der vorliegenden Offenbarung. Die Werte von α sind charakteristischerweise niedriger als beim Stand der Technik und gehen mit einer Kombination aus hohem Wirkungsgrad und hoher Leistungsdichte einher. Die Werte von α sind in pHm3 angegeben (d. h. pico-Hm3 oder ×10-12 Hm3). Tabelle 3 Spitzen-Nennleistung (kW) α = L P × Vol. (pHm) 3 Beispiel 1 Beispiel 2 Beispiel 3 50 0.60 1.70 4.80 100 0.42 1.20 3.40 150 0.37 1.04 2.94 200 0.30 0.85 2.40 400 0.21 0.60 1.70 Table 3 shows exemplary values of α for power electronic converters according to the present disclosure. The values of α are characteristically lower than in the prior art and are associated with a combination of high efficiency and high power density. The values of α are given in pHm 3 (i.e. pico-Hm 3 or ×10 -12 Hm 3 ). Table 3 Peak rated power (kW) α = L P × Vol. (pHm) 3 example 1 Example 2 Example 3 50 0.60 1.70 4.80 100 0.42 1.20 3.40 150 0.37 1.04 2.94 200 0.30 0.85 2.40 400 0.21 0.60 1.70

Beispielwerte für die Parasitärinduktivität des Leistungskreises sind in Tabelle 2 aufgeführt und betragen vorzugsweise weniger als oder gleich 16 nH für Wandler mit Spitzenleistungen im Bereich von 25-500 kW. Das Volumen der Kommutierungszellen nimmt im Allgemeinen mit der Nennleistung zu, und für Wandler mit einer Leistung von bis zu 500 kW werden Werte von weniger als 1.000 cm3 bevorzugt. Das Volumen der Kommutierungszellen ist im Allgemeinen größer oder gleich 100 cm3, wobei Volumina von 150 bis 600 cm3 ein gutes Gleichgewicht zwischen Leistungsdichte und relativ einfacher Wärmeabfuhr darstellen.Example values for the parasitic inductance of the power circuit are listed in Table 2 and are preferably less than or equal to 16 nH for converters with peak powers in the range of 25-500 kW. The volume of the commutation cells generally increases with the rated power, and values of less than 1,000 cm 3 are preferred for converters with a power of up to 500 kW. The volume of the commutation cells is generally greater than or equal to 100 cm 3 , with volumes of 150 to 600 cm 3 representing a good balance between power density and relatively easy heat dissipation.

Als Referenz enthält Tabelle 4 die Werte von αp, d. h. den leistungsnormierten Wert von α, und die Werte des Produkts aus Leistung und Parasitärinduktivität des Leistungskreises. Tabelle 4 Spitzen-Nennleistung (kW) α P = α/P (aHm 3 /W) L *P P (mHW) Beispiel 1 Beispiel 2 Beispiel 1 Beispiel 2 50 12 96 0.2 0.8 100 4.2 34 0.2 0.8 150 2.5 20 0.2 0.8 200 1.5 12 0.2 0.8 400 0.7 5.7 0.2 0.8 For reference, Table 4 contains the values of α p , that is, the power normalized value of α, and the values of the product of the power and parasitic inductance of the power circuit. Table 4 Peak rated power (kW) αP = α/P (aHm 3 /W) L *P P (mHW) example 1 Example 2 example 1 Example 2 50 12 96 0.2 0.8 100 4.2 34 0.2 0.8 150 2.5 20 0.2 0.8 200 1.5 12 0.2 0.8 400 0.7 5.7 0.2 0.8

In sind die Bauteile der Kommutierungszelle auf einem Trägersubstrat 11 angeordnet. Bei dem Trägersubstrat 11 handelt es sich um ein mehrlagiges Trägersubstrat 11, z. B. eine starre Leiterplatte (PCB), die abwechselnd isolierende und leitende Schichten aufweist, die sich in der x-y-Ebene erstrecken. Die Komponenten der Kommutierungszelle, einschließlich des Leistungskreises und der Gate-Treiberschaltung, sind auf dem mehrschichtigen planaren Trägersubstrat 11 montiert und durch das mehrschichtige Trägersubstrat 11 elektrisch verbunden. Die elektrischen Verbindungen werden durch eine Kombination aus den leitenden Schichten des mehrschichtigen planaren Trägersubstrats 11 und Verbindungen hergestellt, die sich durch das Trägersubstrat 11 in einer z-Richtung erstrecken, die senkrecht zur x-y-Richtung des planaren Substrats und seiner leitenden Schichten definiert ist. Bei den sich in z-Richtung erstreckenden Verbindungen kann es sich beispielsweise um leitende Vias oder gefüllte Löcher (z. B. Laser-Mikro-Vias mit Durchmessern in der Größenordnung von etwa 100 µm) handeln, die sowohl eine x- und/oder y-Komponente als auch eine z-Komponente aufweisen können (d. h., die Verbindungen können parallel zur z-Richtung verlaufen oder einen Winkel mit ihr bilden).In the components of the commutation cell are arranged on a carrier substrate 11. The carrier substrate 11 is a multi-layer carrier substrate 11, e.g. B. a rigid printed circuit board (PCB) that has alternating insulating and conductive layers extending in the xy plane. The components of the commutation cell, including the power circuit and the gate driver circuit, are mounted on the multilayer planar support substrate 11 and electrically connected through the multilayer support substrate 11. The electrical connections are made through a combination of the conductive layers of the multilayer planar support substrate 11 and connections extending through the support substrate 11 in a z-direction defined perpendicular to the xy-direction of the planar substrate and its conductive layers. The connections extending in the z direction can be, for example, conductive vias or filled holes (e.g. laser micro-vias with diameters of the order of approximately 100 μm) which have both an x and/or y -Component as well as a z-component (ie, the connections can run parallel to the z-direction or form an angle with it).

In ist auch schematisch dargestellt, dass die Leistungshalbleiter-Schaltelemente 121L, 121H des Leistungskreises jeweils in einem Leistungshalbleiter-Prepackage 12L, 12H enthalten sind. Der Fachmann versteht darunter, dass die Leistungshalbleiter (z. B. MOSFETs) in ein festes Isoliermaterial eingebettet sind, das die Leistungshalbleiter und ihre Anschlüsse elektrisch von ihrer Umgebung isoliert. Die Prepackages und ihre Verbindungen zueinander und zu anderen Komponenten der Kommutierungszelle werden im Folgenden näher beschrieben.In It is also shown schematically that the power semiconductor switching elements 121L, 121H of the power circuit are each contained in a power semiconductor prepackage 12L, 12H. The person skilled in the art understands this to mean that the power semiconductors (e.g. MOSFETs) are embedded in a solid insulating material that electrically isolates the power semiconductors and their connections from their surroundings. The Prepacka ges and their connections to each other and to other components of the commutation cell are described in more detail below.

ist ein schematischer Querschnitt eines leistungselektronischen Wandlers 10 gemäß der vorliegenden Offenbarung. Der Klarheit und Einfachheit halber ist auch hier eine Phase eines zweistufigen AC-DC Wandlers dargestellt. Die x-Richtung und die z-Richtung sind angegeben. Die y-Richtung erstreckt sich in der Ebene der Seite. is a schematic cross section of a power electronic converter 10 according to the present disclosure. For the sake of clarity and simplicity, one phase of a two-stage AC-DC converter is also shown here. The x-direction and the z-direction are indicated. The y-direction extends in the plane of the page.

Der Wandler 10 umfasst ein mehrschichtiges Trägersubstrat 11, Leistungshalbleiter-Prepackages 12, eine Gate-Treiberschaltung 13, einen DC-Link-Kondensator 14, Gleichstromeingänge (DC-IN) und einen Wechselstromausgang (AC-OUT). In ist ferner ein integrierter Kühlkörper 15 dargestellt, der über eine thermische Schnittstellenschicht 16 mit einer Kühlseite (hier auch als Wärmeabfuhrseite bezeichnet) der Prepackages 12 verbunden ist.The converter 10 includes a multilayer carrier substrate 11, power semiconductor prepackages 12, a gate driver circuit 13, a DC link capacitor 14, direct current inputs (DC-IN) and an alternating current output (AC-OUT). In An integrated heat sink 15 is also shown, which is connected to a cooling side (here also referred to as the heat dissipation side) of the prepackages 12 via a thermal interface layer 16.

Das mehrschichtige planare Trägersubstrat 11 hat gegenüberliegende erste und zweite planare Oberflächen 111a und 111b, die eine x-y-Richtung und eine z-Richtung senkrecht zur x-y-Richtung definieren. Das Mehrschichtsubstrat 11 enthält abwechselnd Schichten aus isolierendem und elektrisch leitendem Material. Die elektrisch leitenden Schichten 112 bestehen in der Regel aus Kupfer, können aber auch aus jedem anderen geeigneten leitenden Material wie Silber, Gold oder Aluminium gebildet werden. Die isolierenden Schichten können aus dem Grundmaterial des Trägersubstrats 11 bestehen.The multilayer planar support substrate 11 has opposing first and second planar surfaces 111a and 111b that define an xy direction and a z direction perpendicular to the xy direction. The multilayer substrate 11 contains alternating layers of insulating and electrically conductive material. The electrically conductive layers 112 are typically made of copper, but can also be formed of any other suitable conductive material such as silver, gold or aluminum. The insulating layers can consist of the base material of the carrier substrate 11.

Das mehrlagige Trägersubstrat 11 kann vorzugsweise eine starre Leiterplatte sein, wobei das Basismaterial und die leitenden Schichten aus einem mit Harz imprägnierten Glasgewebe bestehen können, wie es in der Leiterplattenherstellung üblich ist. Das mehrlagige Trägersubstrat 11 kann jedoch auch eine andere Form haben, z. B. ein Trägersubstrat auf Keramikbasis oder eine flexible Leiterplatte mit einer flexiblen Polymerfolienbasis. Die Verwendung eines starren Materials wird im Allgemeinen bevorzugt, auch damit das Trägersubstrat 11 effektiv als strukturelle Komponente des Wandlers 10 fungieren kann.The multilayer carrier substrate 11 may preferably be a rigid circuit board, wherein the base material and the conductive layers may consist of a glass fabric impregnated with resin, as is common in circuit board manufacturing. However, the multi-layer carrier substrate 11 can also have a different shape, e.g. B. a ceramic-based carrier substrate or a flexible circuit board with a flexible polymer film base. The use of a rigid material is generally preferred, also to allow the support substrate 11 to function effectively as a structural component of the transducer 10.

Die Anzahl der Schichten in dem mehrschichtigen Trägersubstrat 11 kann je nach Anwendung variieren und hängt zum Teil von den Besonderheiten des Leistungskreises ab, z. B. von der Anzahl der Phasen in einem AC-DC-Wandler und der Anzahl der parallel geschalteten Leistungshalbleiter in jedem logischen Schalter. In einem konkreten Beispiel gibt es sechzehn Schichten, darunter acht isolierende Schichten und acht leitende Schichten 112.The number of layers in the multilayer carrier substrate 11 can vary depending on the application and depends in part on the specifics of the power circuit, e.g. B. on the number of phases in an AC-DC converter and the number of power semiconductors connected in parallel in each logical switch. In a specific example, there are sixteen layers, including eight insulating layers and eight conductive layers 112.

Kurz zu 4B: In einigen Beispielen trägt zumindest ein Teil einer der planaren Oberflächen 111b des Trägersubstrats 11 eine Metallschicht 1121, die einen oder mehrere Bereiche für elektrische Verbindungen auf der Oberfläche 111b des Substrats 11 definiert. Wiederum Bezug nehmend auf 2A, erstrecken sich zusätzlich oder alternativ zur äußeren Schicht elektrische Verbindungen in Form von z.B. Vias oder gefüllten Löchern 114 in z-Richtung durch das Trägersubstrat 11 und enden an der planaren Oberfläche 111b. Die Punkte, an denen die elektrischen Verbindungen 114 enden, definieren elektrische Verbindungen an der planaren Oberfläche 111b des Trägersubstrats 11.Shortly closed 4B : In some examples, at least a portion of one of the planar surfaces 111b of the support substrate 11 carries a metal layer 1121 that defines one or more areas for electrical connections on the surface 111b of the substrate 11. Again referring to 2A , additionally or alternatively to the outer layer, electrical connections in the form of, for example, vias or filled holes 114 extend in the z-direction through the carrier substrate 11 and end at the planar surface 111b. The points at which the electrical connections 114 end define electrical connections on the planar surface 111b of the carrier substrate 11.

Jedes Prepackage 12 umfasst ein Leistungshalbleiter-Schaltelement 121, das in ein festes Isoliermaterial 122 eingebettet ist. Die Einbettung der Leistungshalbleiter-Schaltelemente 121 in festes Isoliermaterial bedeutet, dass die Halbleiterchips und die Anschlüsse nicht von Luftspalten umgeben sind, wodurch die Gefahr von elektrischen Durchschlägen auch bei hohen Wandlerspannungen verringert wird. Dadurch können höhere Spannungen verwendet werden und/oder die Leistungshalbleiter 121 und andere Komponenten können näher beieinander liegen, was die Leistungsdichte des Wandlers 10 erhöht.Each prepackage 12 includes a power semiconductor switching element 121 embedded in a solid insulating material 122. Embedding the power semiconductor switching elements 121 in solid insulating material means that the semiconductor chips and the connections are not surrounded by air gaps, which reduces the risk of electrical breakdowns even at high converter voltages. This allows higher voltages to be used and/or the power semiconductors 121 and other components to be closer together, which increases the power density of the converter 10.

Tabelle 5 enthält Beispielwerte für die maximale Sperrspannung (d. h. die Source-Drain-Sperrspannung oder „Nennspannung“) der Leistungshalbleiter-Schaltelemente 121 gemäß der vorliegenden Offenbarung. Tabelle 5 Spitzen-Nennleistung (kW) Leistungshalbleiter-Sperrspannung (V) Beispiel 1 Beispiel 2 Beispiel 3 50 1200 800 1600 100 1200 800 1600 150 1200 800 1600 200 1200 800 1600 400 1200 800 1600 Table 5 contains example values for the maximum reverse voltage (ie, the source-drain reverse voltage or “nominal voltage”) of the power semiconductor switching elements 121 according to the present disclosure. Table 5 Peak rated power (kW) Power semiconductor reverse voltage (V) example 1 Example 2 Example 3 50 1200 800 1600 100 1200 800 1600 150 1200 800 1600 200 1200 800 1600 400 1200 800 1600

Wie man sieht, sind die Source-Drain-Sperrspannungen, die in Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenlegung verwendet werden, hoch. Im Allgemeinen kann die Sperrspannung im Bereich von etwa 600 V bis 1.800 V liegen, wobei Werte größer oder gleich 800 V bevorzugt werden, um den Spitzenstrom zu begrenzen und Leitungsverluste zu reduzieren. Leistungselektronische Wandler, die dem Stand der Technik entsprechen, haben in der Regel viel niedrigere Sperrspannungen, wobei Spannungen von sogar 600 V selten sind. Es ist auch zu erkennen, dass die Sperrspannung nicht mit der Spitzenleistung des Wandlers zunimmt. Das liegt daran, dass der größte Teil oder die gesamte Steigerung der Spitzenleistung durch Parallelisierung im Leistungskreis erreicht wird. In anderen Beispielen kann eine etwas höhere Sperrspannung für Wandler mit höherer Nennleistung (z. B. über 200 kW) verwendet werden.As can be seen, the source-drain blocking voltages used in accordance with the present disclosure are high. In general, the reverse voltage can range from about 600 V to 1,800 V, with values greater than or equal to 800 V being preferred to limit peak current and reduce conduction losses. State-of-the-art power electronic converters typically have much lower reverse voltages, with voltages of even 600 V being rare. It can also be seen that the reverse voltage does not increase with the peak power of the converter. This is because most or all of the increase in peak power is achieved through parallelization in the power circuit. In other examples, a slightly higher reverse voltage may be used for converters with higher power ratings (e.g. over 200 kW).

Im Allgemeinen hat jedes Leistungshalbleiter-Schaltelement 121 mindestens drei Anschlüsse, einschließlich eines Gate-Terminals (G) zum Umschalten des Leitungszustands des Schaltelements 121. In einigen Ausführungsformen kann das Leistungshalbleiter-Schaltelement 121 mehr als drei Anschlüsse haben, beispielsweise wenn ein oder mehrere Anschlüsse für Messungen vorgesehen sind (z. B. ein Kelvin-Anschluss) oder wenn zusätzliche kurzgeschlossene Anschlüsse vorhanden sind. In bevorzugten Ausführungsformen sind die Leistungshalbleiter-Schaltelemente 121 MOSFETs, wobei die Anschlüsse als Source (S), Gate (G) und Drain (D) bezeichnet werden. Grundsätzlich können jedoch anstelle von MOSFETs auch andere Material-Halbleiter-Schaltelemente (z. B. IGBTs) verwendet werden. Bei dem festen Isoliermaterial 122 kann es sich um jedes geeignete Isoliermaterial handeln, z. B. FR4.In general, each power semiconductor switching element 121 has at least three terminals, including a gate terminal (G) for switching the conduction state of the switching element 121. In some embodiments, the power semiconductor switching element 121 may have more than three terminals, for example when one or more terminals for measurements are provided (e.g. a Kelvin connection) or if additional shorted connections are present. In preferred embodiments, the power semiconductor switching elements 121 are MOSFETs, with the connections referred to as source (S), gate (G), and drain (D). In principle, however, other material-semiconductor switching elements (e.g. IGBTs) can also be used instead of MOSFETs. The solid insulating material 122 can be any suitable insulating material, e.g. E.g. FR4.

Wie im Folgenden unter Bezugnahme auf die 4A-4B näher beschrieben wird, erstrecken sich elektrische Verbindungen von den Anschlüssen der Leistungshalbleiter-Schaltelemente 121 durch das feste Isoliermaterial 122 und enden an einer elektrischen Anschlussseite/-fläche 123a des Prepackages 12. Somit bildet die elektrische Anschlussseite 123a des Prepackages 12 eine im Wesentlichen ebene Oberfläche mit freiliegenden elektrischen Verbindungspunkten.As follows with reference to the 4A-4B As will be described in more detail, electrical connections extend from the connections of the power semiconductor switching elements 121 through the solid insulating material 122 and end at an electrical connection side/surface 123a of the prepackage 12. The electrical connection side 123a of the prepackage 12 thus forms a substantially flat surface exposed electrical connection points.

Die elektrische Anschlussseite der Prepackages 123a ist einer der planaren Oberflächen 111b des Trägersubstrats 11 zugewandt. Die Prepackages 12 werden an ihren flachen elektrischen Anschlussseiten 123a auf der planaren Oberfläche 111b oberflächenmontiert, z. B. durch Löten, Sintern oder Kleben (z. B. Sinterkleben unter Verwendung einer Mischung aus Klebstoff und Sinterpaste) der elektrischen Verbindungspunkte der Prepackages 12 mit den elektrischen Verbindungspunkten oder dem/den Bereich(en) der planaren Oberfläche des Trägersubstrats 11. zeigt schematisch die gelöteten/gesinterten/geklebten Verbindungen 113.The electrical connection side of the prepackages 123a faces one of the planar surfaces 111b of the carrier substrate 11. The prepackages 12 are surface mounted at their flat electrical connection sides 123a on the planar surface 111b, e.g. B. by soldering, sintering or gluing (e.g. sinter bonding using a mixture of adhesive and sintering paste) of the electrical connection points of the prepackages 12 with the electrical connection points or the area(s) of the planar surface of the carrier substrate 11. shows schematically the soldered/sintered/glued connections 113.

Die Dicke, insbesondere die Größe in z-Richtung, der Verbindungen 113, die einen Prepackage-Spalt zwischen den gegenüberliegenden Oberflächen 123a, 111b der Prepackages 12 und dem Trägersubstrat 11 bilden, ist gering. Beispielsweise können die Dicke und der Spalt, gemessen parallel zur z-Richtung, weniger als 500 µm betragen, beispielsweise zwischen 20 µm und 250 µm. In einer bestimmten Ausführungsform beträgt der Spalt etwa 100 µm.The thickness, in particular the size in the z-direction, of the connections 113, which form a prepackage gap between the opposing surfaces 123a, 111b of the prepackages 12 and the carrier substrate 11, is small. For example, the thickness and the gap, measured parallel to the z-direction, can be less than 500 μm, for example between 20 μm and 250 μm. In a particular embodiment, the gap is approximately 100 μm.

Die Terminierung der elektrischen Verbindungen von den Chip-Anschlüssen an einer ebenen Oberfläche 123a des Prepackage 12 und die Oberflächenmontage zur Herstellung der weiterführenden elektrischen Verbindungen durch die Leiterplatte verringern die Gesamtgröße des Wandlers 10 in z-Richtung, wodurch Größe und Gewicht des Wandlers 10 reduziert werden. Darüber hinaus werden durch die Oberflächenmontage der Prepackages 12 die Auswirkungen von „Open-Loop“-Effekten in den elektrischen Verbindungen zwischen den Leistungshalbleitern 121, der Gate-Treiberschaltung 13 und dem DC-Link-Kondensator 14 verringert. Dadurch kann die Parasitärinduktivität der Kommutierungszelle erheblich reduziert werden, was die Schaltverluste verringert und z. B. die Verwendung einer höheren Schaltfrequenz ermöglicht.Terminating the electrical connections from the chip connections to a flat surface 123a of the prepackage 12 and surface mounting to make the further electrical connections through the circuit board reduces the overall size of the converter 10 in the z direction, thereby reducing the size and weight of the converter 10 . In addition, the surface mounting of the prepackages 12 reduces the effects of “open-loop” effects in the electrical connections between the power semiconductors 121, the gate driver circuit 13 and the DC link capacitor 14. This allows the parasitic inductance of the commutation cell to be significantly reduced, which reduces switching losses and, for example, B. enables the use of a higher switching frequency.

Die Gate-Treiberschaltung 13 ist elektrisch mit den Gate-Terminals der Leistungshalbleiter-Schaltelemente 121 verbunden und so konfiguriert, dass sie Schaltsignale an diese Anschlüsse liefert. In der dargestellten Ausführungsform ist die Gate-Treiberschaltung 13 auf der ersten planaren Oberfläche 111a des Trägersubstrats 11 montiert, gegenüber der zweiten planaren Oberfläche 111b, die den Leistungshalbleiter-Prepackages 12 zugewandt ist. In anderen Ausführungsformen können die Prepackages 12 und die Gate-Treiberschaltung 13 auf derselben Seite des Trägersubstrats 11, z. B. auf der zweiten Seite 111b, angebracht werden. In der dargestellten Ausführungsform erstreckt sich die elektrische Verbindung 114 zwischen der Gate-Treiberschaltung 13 und den Gate-Terminalen der Leistungshalbleiter-Schaltelemente 121 in z-Richtung durch das Trägersubstrat zur Oberfläche 111b des Trägersubstrats 11. Der weitere Weg führt dann über eine Lötverbindung 113 und dann über die elektrische Verbindung, die in z-Richtung durch das feste Isoliermaterial 122 der Prepackages 12 zum Gate-Terminal führt. In anderen Ausführungsformen kann die Verbindung zwischen der Gate-Treiberschaltung 13 und den Gate-Terminals durch eine oder mehrere leitende Schichten 112 des Trägersubstrats 11 hergestellt werden.The gate driver circuit 13 is electrically connected to the gate terminals of the power semiconductor switching elements 121 and configured to supply switching signals to these terminals. In the illustrated embodiment, the gate driver circuit 13 is mounted on the first planar surface 111a of the carrier substrate 11, opposite the second planar surface 111b facing the power semiconductor prepackages 12. In other embodiments, the prepackages 12 and the gate driver circuit 13 may be on the same side of the carrier substrate 11, e.g. B. on the second page 111b. In the illustrated embodiment, the electrical connection 114 between the gate driver circuit 13 and the gate terminals of the power semiconductor switching elements 121 extends in the z direction through the carrier substrate to the surface 111b of the carrier substrate 11. The further path then leads via a solder connection 113 and then via the electrical connection, which leads in the z direction through the solid insulating material 122 of the prepackages 12 to the gate terminal. In other embodiments, the connection between the gate driver circuit 13 and the gate terminals may be made through one or more conductive layers 112 of the carrier substrate 11.

Tabelle 6 enthält beispielhafte Werte für die Schaltfrequenz der Leistungshalbleiter-Schaltelemente eines leistungselektronischen Wandlers gemäß der vorliegenden Offenlegung. Tabelle 6 enthält auch maximale Absolutwerte für die Änderungsrate der Source-Drain-Spannung (gemessen in Einheiten von Kilovolt pro Mikrosekunde) der Leistungshalbleiter-Schaltelemente 121 während eines Schaltzyklus. Bei den angegebenen Werten handelt es sich um Maximalwerte der Schaltfrequenz, die während des Betriebs auftreten können. Tabelle 6 Spitzen-Nennleistung (kW) f max (kHz) |dV/dt| max (kV/µs) Beispiel 1 Beispiel 2 Beispiel 1 Beispiel 2 50 50 80 30 45 100 50 80 30 45 150 50 80 30 45 200 50 80 30 45 400 50 80 30 45 Table 6 contains exemplary values for the switching frequency of the power semiconductor switching elements of a power electronic converter according to the present disclosure. Table 6 also contains maximum absolute values for the rate of change of the source-drain voltage (measured in units of kilovolts per microsecond) of the power semiconductor switching elements 121 during a switching cycle. The values given are maximum values of the switching frequency that can occur during operation. Table 6 Peak rated power (kW) f max (kHz) |dV/dt| max (kV/µs) example 1 Example 2 example 1 Example 2 50 50 80 30 45 100 50 80 30 45 150 50 80 30 45 200 50 80 30 45 400 50 80 30 45

In vielen Wandler-Anordnungen ist die Schaltfrequenz jedes Leistungshalbleiter-Schaltelements 121 gleich und es wird derselbe Spannungswert verwendet, so dass die oben genannten Höchstwerte für jedes einzelne Leistungshalbleiter-Schaltelement 121 gleich sind. Es ist jedoch bekannt, dass einige Wandler-Architekturen, z. B. Multi-Level-Wandler-Architekturen (z. B. modulare Multi-Level-Wandler-Architekturen), die mit mehreren Netzspannungsebenen verbunden sind, für verschiedene Leistungshalbleiter-Schaltelemente 121 unterschiedliche Spannungen und/oder Schaltfrequenzen verwenden. In diesen Fällen entsprechen die angegebenen Werte dem Höchstwert jedes einzelnen Leistungshalbleiter-Schaltelements 121 im Wandler.In many converter arrangements, the switching frequency of each power semiconductor switching element 121 is the same and the same voltage value is used, so that the above-mentioned maximum values are the same for each individual power semiconductor switching element 121. However, it is known that some converter architectures, e.g. B. multi-level converter architectures (e.g. modular multi-level converter architectures), which are connected to several mains voltage levels, use different voltages and / or switching frequencies for different power semiconductor switching elements 121. In these cases, the values given correspond to the maximum value of each individual power semiconductor switching element 121 in the converter.

Wandler gemäß der vorliegenden Offenlegung verwenden maximale Frequenzen von mehr als 10 kHZ, obwohl Schaltfrequenzen von mehr als 30 kHz im Allgemeinen bevorzugt werden, was, wie weiter unten erörtert, eine Verringerung der erforderlichen Kapazität im Leistungskreis erleichtern kann. im Gegensatz zu vielen Systemen nach dem Stand der Technik, bei denen die Parasitärinduktivität der Wandler-Kommutierungszelle die maximal nutzbare Frequenz begrenzt, kann die niedrige Parasitärinduktivität der Wandler-Kommutierungszelle bedeuten, dass andere Systembeschränkungen die maximale Frequenz begrenzen. So kann beispielsweise die Isolierung der Wicklungen einer elektrischen Maschine, die an einen AC-DC Wandler angeschlossen ist, eine maximal wünschenswerte Schaltfrequenz vorgeben. Im Allgemeinen wird eine Schaltfrequenz von 100 kHz oder weniger verwendet.Converters according to the present disclosure use maximum frequencies greater than 10 kHz, although switching frequencies greater than 30 kHz are generally preferred, which, as discussed below, may facilitate a reduction in the required capacitance in the power circuit. Unlike many prior art systems where the parasitic inductance of the converter commutation cell limits the maximum usable frequency, the low parasitic inductance of the converter commutation cell may mean that other system limitations limit the maximum frequency. For example, the insulation of the windings of an electrical machine that is connected to an AC-DC converter can dictate a maximum desirable switching frequency. Generally, a switching frequency of 100 kHz or less is used.

Die Verwendung einer hohen Schaltfrequenz und einer hohen Source-Drain-Blockspannung führt zu einem besonders hohen Wert für die maximale Änderungsrate der Source-Drain-Spannung während des Betriebs. Das schnelle Umschalten zwischen den Ein- und Aus-Zuständen der Leistungshalbleiter-Schaltelemente führt zu sauberen Schaltvorgängen und verbesserten Ausgangswellenformen, was den Oberwellengehalt der Wellenformen begrenzt und z. B. den Wirkungsgrad des Wandlers verbessert und die Drehmomentwelligkeit der elektrischen Maschine verringert.The use of a high switching frequency and a high source-drain block voltage results in a particularly high value for the maximum rate of change of the source-drain voltage during operation. The rapid switching between the on and off states of the power semiconductor switching elements results in clean switching operations and improved output waveforms, which limits the harmonic content of the waveforms and e.g. B. improves the efficiency of the converter and reduces the torque ripple of the electrical machine.

So kann ein leistungselektronischer Wandler durch einen Wandler-Schaltparameter β charakterisiert werden, der als das Produkt aus der maximalen Schaltfrequenz der Schaltsignale und der maximalen Änderungsrate der Source-Drain-Spannung der Leistungshalbleiter-Schaltelemente während des Betriebs definiert ist. β = f max × | dv/dt | max

Figure DE102022205482A1_0013

fmax = Maximale Frequenz der Schaltsignale
|max = maximale Änderungsrate der Source-Drain-Spannung während des BetriebsA power electronic converter can be characterized by a converter switching parameter β, which is defined as the product of the maximum switching frequency of the switching signals and the maximum rate of change of the source-drain voltage of the power semiconductor switching elements during operation. β = f Max × | dv/german | Max
Figure DE102022205482A1_0013

f max = Maximum frequency of the switching signals
| max = maximum rate of change of source-drain voltage during operation

Tabelle 7 zeigt beispielhafte Werte von β für leistungselektronische Wandler gemäß der vorliegenden Offenbarung. Die Werte von β sind charakteristischerweise höher als beim Stand der Technik und mit einer Kombination aus hohem Wirkungsgrad, hoher Leistungsdichte und qualitativ hochwertigen (z. B. hochgradig sinusförmiger Wechselstrom) Ausgangswellenformen verbunden. Die Werte von β werden in PV/s2 angegeben (d. h. Peta-V/s2 oder ×1015 V/s2). Tabelle 7 Spitzen-Nennleistung (kW) β = f max × |dv/dt| max (PV/s) 2 Beispiel 1 Beispiel 2 Beispiel 3 50 0.5 1.5 5.0 100 0.5 1.5 5.0 150 0.5 1.5 5.0 200 0.5 1.5 5.0 400 0.5 1.5 5.0 Table 7 shows exemplary values of β for power electronic converters according to the present disclosure. The values of β are characteristically higher than the prior art and are associated with a combination of high efficiency, high power density and high quality (e.g. highly sinusoidal AC) output waveforms. The values of β are given in PV/s 2 (i.e. peta-V/s 2 or ×10 15 V/s 2 ). Table 7 Peak rated power (kW) β = f max × |dv/dt| max (PV/s) 2 example 1 Example 2 Example 3 50 0.5 1.5 5.0 100 0.5 1.5 5.0 150 0.5 1.5 5.0 200 0.5 1.5 5.0 400 0.5 1.5 5.0

Im Allgemeinen haben Wandler gemäß der vorliegenden Offenbarung einen Wert von β, der größer als oder gleich 0,3 PV/s2 ist. Die Werte von β liegen vorzugsweise unter etwa 10 PV/s2, um Probleme wie z. B. Isolationsdurchbrüche abzumildern. Werte im Bereich von 0,8 PV/s2 ≤ β ≤ 5 PV/s2 und insbesondere 1,0 PV/s2 ≤ β ≤ 2,5 PV/s2 können ein gutes Gleichgewicht zwischen den konkurrierenden Effekten herstellen.In general, converters according to the present disclosure have a value of β that is greater than or equal to 0.3 PV/s 2 . The values of β are preferably below about 10 PV/s 2 to avoid problems such as: B. to mitigate insulation breakthroughs. Values in the range of 0.8 PV/s 2 ≤ β ≤ 5 PV/s 2 and especially 1.0 PV/s 2 ≤ β ≤ 2.5 PV/s 2 can provide a good balance between the competing effects.

Zurück zu : Der Zwischenkondensator 14, der Teil des Leistungskreises der Kommutierungszelle ist, ist über eine oder mehrere leitende Schichten 112 des mehrschichtigen Trägersubstrats 11 elektrisch mit den Leistungshalbleiter-Schaltelementen 121 verbunden. In der dargestellten Ausführungsform ist der Kondensator 14 auf der ersten planaren Oberfläche 111a des Trägersubstrats 11 montiert, die der zweiten planaren Oberfläche 111b gegenüberliegt, die den Leistungshalbleiter-Prepackages 12 zugewandt ist. In anderen Ausführungsformen können die Prepackages 12 und der Kondensator 14 auf derselben Seite des Trägersubstrats 11, z. B. auf der zweiten Seite 111b, angebracht sein. Elektrische Verbindungen zwischen dem Kondensator 14 und den leitenden Schichten 112 des mehrschichtigen Trägersubstrats 11 können auf verschiedene Weise hergestellt werden. In einem Beispiel wird der Kondensator 14 auf ähnliche Weise wie die Prepackages 12 oberflächenmontiert, d. h. durch Löten, Sintern oder Kleben von elektrischen Kontakten des Kondensators 14 mit einem elektrischen Verbindungsbereich der Oberfläche 111a des Substrats 11. Bei der elektrischen Verbindung kann es sich um eine äußere leitende Schicht auf der Oberfläche 111a des Substrats (ähnlich der in 4B gezeigten Schicht 1121) oder um ein freiliegendes Ende einer oder mehrerer Durchkontaktierungen oder gefüllter Löcher 114 handeln, das sich in z-Richtung von der Oberfläche 111a des Substrats 11 zu einer inneren leitenden Schicht 112 des Substrats 11 erstreckt. Die Verbindung zwischen dem Kondensator 12 und dem Mehrschichtsubstrat 11 kann alternativ zu SMT (Surface Mount Technology) auch durch THT (Through Hole Technology) hergestellt werden, wobei beide Verfahren dem Fachmann bekannt sind.Back to : The intermediate capacitor 14, which is part of the power circuit of the commutation cell, is electrically connected to the power semiconductor switching elements 121 via one or more conductive layers 112 of the multilayer carrier substrate 11. In the illustrated embodiment, the capacitor 14 is mounted on the first planar surface 111a of the carrier substrate 11, which faces the second planar surface 111b, which faces the power semiconductor prepackages 12. In other embodiments, the prepackages 12 and the capacitor 14 can be on the same side of the carrier substrate 11, e.g. B. on the second page 111b. Electrical connections between the capacitor 14 and the conductive layers 112 of the multilayer carrier substrate 11 can be made in various ways. In one example, the capacitor 14 is surface mounted in a manner similar to the prepackages 12, that is, by soldering, sintering, or bonding electrical contacts of the capacitor 14 to an electrical connection portion of the surface 111a of the substrate 11. The electrical connection may be external conductive layer on the surface 111a of the substrate (similar to that in 4B shown layer 1121) or an exposed end of one or more vias or filled holes 114, which extends in the z-direction from the surface 111a of the substrate 11 to an inner conductive layer 112 of the substrate 11. As an alternative to SMT (Surface Mount Technology), the connection between the capacitor 12 and the multilayer substrate 11 can also be made using THT (Through Hole Technology), both methods being known to those skilled in the art.

Bei modernen Wandlern tragen die Kondensatoren, die ein wesentlicher Bestandteil der meisten AC-DC- und DC-DC-Wandlerarchitekturen sind, erheblich zu Größe und Gewicht bei. Dies ist ein besonderes Problem im Zusammenhang mit Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt, die sowohl auf Größe und Gewicht achten als auch relativ hohe Leistungen benötigen (z. B. im Vergleich zu Elektrofahrzeugen und Haushaltsgeräten), was eine höhere Gesamtnennkapazität des Leistungskreises erfordert. Durch die Verringerung der Parasitärinduktivität kann jedoch eine geringere Kapazität pro Leistungseinheit erreicht werden. Dies liegt zum Teil daran, dass die geringe Parasitärinduktivität eine hohe Schaltfrequenz ermöglicht. Eine Erhöhung der Schaltfrequenz kann die erforderliche Kapazität des Leistungskreises verringern.In modern converters, the capacitors that are an integral part of most AC-DC and DC-DC converter architectures add significant size and weight. This is a particular problem in the context of aerospace applications that are both size and weight sensitive and require relatively high power outputs (e.g. compared to electric vehicles and household appliances), requiring a higher overall power circuit capacity rating. However, by reducing the parasitic inductance, a lower capacity per unit of power can be achieved. This is partly because the low parasitic inductance allows for a high switching frequency. Increasing the switching frequency can reduce the required capacity of the power circuit.

Tabelle 8 enthält beispielhafte Werte für die Gesamtnennkapazität des Leistungskreises. Die Werte der auf die Spitzenleistung des Wandlers normierten Gesamtnennkapazität sind ebenfalls enthalten. Daraus wird ersichtlich, dass die Werte der Gesamtnennkapazität und der normierten Kapazität im Vergleich zu leistungselektronischen Wandlern nach dem Stand der Technik niedrig sind. Tabelle 8 Spitzen-Nennleistung (kW) Gesamtnennkapazität C (µF) C/P (nF/W) Beispiel 1 Beispiel 2 Beispiel 1 Beispiel 2 50 15 40 0.3 0.8 100 30 80 0.3 0.8 150 45 120 0.3 0.8 200 60 160 0.3 0.8 400 120 320 0.3 0.8 Table 8 contains exemplary values for the total nominal capacity of the power circuit. The values of the total nominal capacity normalized to the peak power of the converter are also included. This shows that the values of the total nominal capacity and the standardized capacity are low compared to state-of-the-art power electronic converters. Table 8 Peak rated power (kW) Total nominal capacity C (µF) C/P (nF/W) example 1 Example 2 example 1 Example 2 50 15 40 0.3 0.8 100 30 80 0.3 0.8 150 45 120 0.3 0.8 200 60 160 0.3 0.8 400 120 320 0.3 0.8

im Allgemeinen liegen die Werte der auf die Spitzen-Nennleistung normierten Gesamtnennkapazität unter 5 nF/W, wobei Werte von unter 1 nF/W bevorzugt werden, um eine geringe Größe und ein geringes Gewicht des Wandlers zu erreichen. Die Verwendung niedriger Kapazitätswerte kann auch den Einsatz von Kondensatortechnologien mit geringem Gewicht, insbesondere Keramikkondensatoren, ermöglichen, was zu einer weiteren Gewichtsreduzierung führt. Es ist bekannt, dass die Kapazität je nach Betriebsbedingungen etwas schwankt, daher werden in der Literatur in der Regel Nennwerte für die Kapazität angegeben. In Tabelle 8 werden die Kapazitäten angegeben, die bei Nennbedingungen von 25 °C (298 K) und 1.000 V DC gemessen wurden, was für Kapazitätsmessungen typisch ist.In general, the values of the total nominal capacitance normalized to the peak nominal power are less than 5 nF/W, with values of less than 1 nF/W being preferred in order to achieve a small size and low weight of the converter. The use of low capacitance values can also enable the use of light weight capacitor technologies, particularly ceramic capacitors, resulting in further weight reduction. Capacity is known to vary somewhat depending on operating conditions, so rated capacity values are usually given in the literature. Table 8 shows the capacitances measured at nominal conditions of 25°C (298 K) and 1,000 V DC, which is typical for capacitance measurements.

Unter dem Begriff „Gesamtnennkapazität des Leistungskreises“ ist die Gesamtkapazität aller Kondensatoren im Leistungskreis zu verstehen. In den einfachsten Fällen kann es sich um einen einzigen Kondensator handeln. Der einphasige zweistufige AC-DC-Wandlerschaltkreis von enthält beispielsweise einen einzigen Zwischenkreiskondensator, ebenso wie der dreiphasige zweistufige AC-DC-Wandlerschaltkreis von . In anderen Beispielen können mehrere Kondensatoren vorhanden sein: Für jede Phase kann ein separater DC-Link-Kondensator vorhanden sein, wie dies bei der H-Brückenschaltung in und der dreiphasigen Zwei-Pegel-Schaltung in der Fall ist. Bei einer Parallelisierung der Leistungshalbleiter im Leistungskreis kann jedes Leistungshalbleiter-Schaltelement mit einem eigenen Kondensator verbunden sein, oder es können mehrere parallel geschaltete Leistungshalbleiter-Schaltelemente 121 mit einem einzigen größeren Kondensator verbunden sein.The term “total nominal capacity of the power circuit” means the total capacity of all capacitors in the power circuit. In the simplest cases it can be a single capacitor. The single-phase two-stage AC-DC converter circuit of for example, contains a single intermediate circuit capacitor, as does the three-phase two-stage AC-DC converter circuit of . In other examples, there may be multiple capacitors: There may be a separate DC link capacitor for each phase, as in the H-bridge circuit in and the three-phase two-level circuit in the case is. When the power semiconductors in the power circuit are parallelized, each power semiconductor switching element can be connected to its own capacitor, or several power semiconductor switching elements 121 connected in parallel can be connected to a single larger capacitor.

Ein leistungselektronischer Wandler kann durch einen -Frequenz-Kapazitäts-Wandler-Parameter γ charakterisiert werden, der definiert ist als die Gesamtnennkapazität des Leistungskreises geteilt durch das Produkt aus der Spitzen-Nennleistung des leistungselektronischen Wandlers und der maximalen Schaltfrequenz der Gate-Schaltsignale: γ = C P × f max

Figure DE102022205482A1_0014

C = Gesamtnennkapazität des Leistungskreises der Kommutierungszelle
P = Spitzen-Nennleistung des leistungselektronischen Wandlers
fmax = Maximale Frequenz der SchaltsignaleA power electronic converter can be characterized by a frequency-capacity converter parameter γ, which is defined as the total rated capacity of the power circuit divided by the product of the peak rated power of the power electronic converter and the maximum switching frequency of the gate switching signals: γ = C P × f Max
Figure DE102022205482A1_0014

C = total nominal capacity of the power circuit of the commutation cell
P = peak rated power of the power electronic converter
f max = Maximum frequency of the switching signals

Tabelle 9 zeigt beispielhafte Werte von γ für leistungselektronische Wandler gemäß der vorliegenden Offenbarung. Die Werte von γ sind charakteristischerweise niedriger als beim Stand der Technik und gehen mit einer Kombination aus hohem Wirkungsgrad und hoher Leistungsdichte einher. Die Werte von γ werden in fFs/W (d. h. Femto-Fs/W oder ×10-15 Fs/W) angegeben. Tabelle 9 Spitzen-Nennleistung, P (kW) γ = C / (P × f) max (fFs/W) Beispiel 1 Beispiel 2 Beispiel 3 50 2.5 10 100 100 2.5 10 100 150 2.5 10 100 200 2.5 10 100 400 2.5 10 100 Table 9 shows exemplary values of γ for power electronic converters according to the present disclosure. The values of γ are characteristically lower than in the prior art and are associated with a combination of high efficiency and high power density. The values of γ are given in fFs/W (i.e. femto-Fs/W or ×10 -15 Fs/W). Table 9 Peak rated power, P (kW) γ = C / (P × f) max (fFs/W) example 1 Example 2 Example 3 50 2.5 10 100 100 2.5 10 100 150 2.5 10 100 200 2.5 10 100 400 2.5 10 100

Im Allgemeinen haben leistungselektronische Wandler gemäß der vorliegenden Offenbarung Werte von γ kleiner oder gleich 150 fFs/W. γ kann größer als etwa 1,0 fFs/W sein, wobei eine Untergrenze vorgesehen ist, die Probleme im Zusammenhang mit z. B. Isolationsdurchbruch bei hohen Schaltfrequenzen begrenzt. Die Werte von γ können vorzugsweise im Bereich von 4,0 fFs/W ≤ γ ≤ 25 fFs/W liegen, wodurch ein gutes Gleichgewicht zwischen hoher Leistungsdichte und zuverlässigem Betrieb erreicht werden kann.In general, power electronic converters according to the present disclosure have values of γ less than or equal to 150 fFs/W. γ can be greater than about 1.0 fFs/W, with a lower limit provided to avoid problems associated with e.g. B. Insulation breakdown is limited at high switching frequencies. The values of γ may preferably be in the range of 4.0 fFs/W ≤ γ ≤ 25 fFs/W, whereby a good balance between high power density and reliable operation can be achieved.

Ein leistungselektronischer Wandler kann auch durch einen Wandlerfrequenz-Kapazitäts-Parameter δ charakterisiert werden, der definiert ist als die maximale Source-Drain-Sperrspannung der Leistungshalbleiter-Schaltelemente des Leistungskreises geteilt durch das Produkt aus der Parasitärinduktivität des Leistungskreises und der Gesamtnennkapazität des Leistungskreises: δ = V block L × C

Figure DE102022205482A1_0015

Vblock = Maximale Source-Drain-Sperrspannung von Leistungshalbleitern
L = Parasitärinduktivität des Leistungskreises
C = Gesamtnennkapazität des Leistungskreises der KommutierungszelleA power electronic converter can also be characterized by a converter frequency-capacity parameter δ, which is defined as the maximum source-drain blocking voltage of the power semiconductor switching elements of the power circuit divided by the product of the parasitic inductance of the power circuit and the total nominal capacity of the power circuit: δ = v block L × C
Figure DE102022205482A1_0015

V block = Maximum source-drain blocking voltage of power semiconductors
L = parasitic inductance of the power circuit
C = total nominal capacity of the power circuit of the commutation cell

Tabelle 10 zeigt beispielhafte Werte von δ für leistungselektronische Wandler gemäß der vorliegenden Offenbarung. Die Werte von δ sind charakteristischerweise höher als beim Stand der Technik und gehen mit einer Kombination aus hohem Wirkungsgrad und hoher Leistungsdichte einher. Die Werte von δ sind in PV/FH angegeben (d. h. Peta-V/FH oder ×10-5 V/FH). Tabelle 10 Spitzen-Nennleistung (kW) δ = V block L × C

Figure DE102022205482A1_0016
(PV/FH) Beispiel 1 Beispiel 2 Beispiel 3 50 1.0 6.0 30 100 1.0 6.0 30 150 1.0 6.0 30 200 1.0 6.0 30 400 1.0 6.0 30 Table 10 shows exemplary values of δ for power electronic converters according to the present disclosure. The values of δ are characteristically higher than in the prior art and are associated with a combination of high efficiency and high power density. The values of δ are given in PV/FH (i.e. peta-V/FH or ×10 -5 V/FH). Table 10 Peak rated power (kW) δ = v block L × C
Figure DE102022205482A1_0016
(PV/FH)
example 1 Example 2 Example 3
50 1.0 6.0 30 100 1.0 6.0 30 150 1.0 6.0 30 200 1.0 6.0 30 400 1.0 6.0 30

Im Allgemeinen haben leistungselektronische Wandler gemäß der vorliegenden Offenbarung Werte von δ größer als 0,5 PV/FH. Der Wert von δ kann kleiner als oder gleich 40 PV/s2 sein. Der Wert von δ kann größer als oder gleich 1,5 PV/s2 sein. Der Wert von γ kann im Bereich von 2,5 PV/s2 bis 25 PV/s2 liegen. Er kann im Bereich von 4,0 PV/s2 bis 15 PV/s2 liegen.In general, power electronic converters according to the present disclosure have values of δ greater than 0.5 PV/FH. The value of δ can be less than or equal to 40 PV/s 2 . The value of δ can be greater than or equal to 1.5 PV/s 2 . The value of γ can range from 2.5 PV/s 2 to 25 PV/s 2 . It can range from 4.0 PV/s 2 to 15 PV/s 2 .

Ein leistungselektronischer Wandler kann auch durch einen Frequenz-Kapazitäts- Wandler-Parameter ε charakterisiert werden, der wie folgt definiert ist: ε = f max × | dv dt | max L × C

Figure DE102022205482A1_0017

fmax = Maximale Frequenz der Schaltsignale
/max = maximale Änderungsrate der Source-Drain-Spannung während des Betriebs L = Parasitärinduktivität des Leistungskreises
C = Gesamtnennkapazität des Leistungskreises der KommutierungszelleA power electronic converter can also be characterized by a frequency-capacity converter parameter ε, which is defined as follows: ε = f Max × | dv German | Max L × C
Figure DE102022205482A1_0017

f max = Maximum frequency of the switching signals
/ max = maximum rate of change of source-drain voltage during operation L = parasitic inductance of the power circuit
C = total nominal capacity of the power circuit of the commutation cell

Tabelle 11 zeigt beispielhafte Werte von ε für leistungselektronische Wandler gemäß der vorliegenden Offenbarung. Die Werte von ε sind charakteristischerweise niedriger als beim Stand der Technik und gehen mit einer Kombination aus hohem Wirkungsgrad, hoher Leistungsdichte und qualitativ hochwertigen Ausgangswellenformen einher. Die Werte von ε werden in Einheiten von ×1027 V/s4 angegeben. Tabelle 11 Spitzen-Nennleistung (kW) ε = f max × | dv dt | max L × C

Figure DE102022205482A1_0018
(×10 27 V/s) 4 Beispiel 1 Beispiel 2 Beispiel 3 50 1.9 7.5 30 100 1.9 7.5 30 150 1.9 7.5 30 200 1.9 7.5 30 400 1.9 7.5 30 Table 11 shows exemplary values of ε for power electronic converters according to the present disclosure. The values of ε are characteristically lower than the prior art and are associated with a combination of high efficiency, high power density and high quality output waveforms. The values of ε are given in units of ×10 27 V/s 4 . Table 11 Peak rated power (kW) ε = f Max × | dv German | Max L × C
Figure DE102022205482A1_0018
(×10 27 V/s) 4 example 1 Example 2 Example 3
50 1.9 7.5 30 100 1.9 7.5 30 150 1.9 7.5 30 200 1.9 7.5 30 400 1.9 7.5 30

Im Allgemeinen haben leistungselektronische Wandler gemäß der vorliegenden Offenbarung Werte von ε kleiner oder gleich 1029 V/s4. Der Wert von ε ist im Allgemeinen größer als 5×1026 V/s4, da niedrigere Werte z. B. mit Isolationsversagen verbunden sein können, obwohl dies bis zu einem gewissen Grad von den Anwendungsanforderungen abhängt (z. B. ob eine hochwertige Isolierung in einer elektrischen Maschine bereitgestellt werden kann). Die Werte von ε können vorzugsweise im Bereich von 1,5×1027 V/s4 bis 3×1028 PV/s2 liegen, da dies ein gutes Gleichgewicht zwischen Leistungsdichte, Effizienz und Zuverlässigkeit darstellt.In general, power electronic converters according to the present disclosure have values of ε less than or equal to 10 29 V/s 4 . The value of ε is generally greater than 5×10 26 V/s 4 , since lower values e.g. B. may be associated with insulation failure, although this depends to some extent on the application requirements (e.g. whether high quality insulation can be provided in an electrical machine). The values of ε may preferably be in the range of 1.5x10 27 V/s 4 to 3x10 28 PV/s 2 as this represents a good balance between power density, efficiency and reliability.

Zurück zu : Die Komponenten des Wandlers 10, insbesondere die Leistungshalbleiter-Schaltelemente 121, erzeugen Wärme, die abgeführt werden muss. Die Wärmeabfuhr kann bei leistungselektronischen Wandlern gemäß der vorliegenden Offenbarung aufgrund ihrer Kompaktheit und hohen Leistungsdichte ein besonders wichtiger Aspekt sein. Zu diesem Zweck umfasst der Wandler 10 einen integrierten Kühlkörper 15, der in engem thermischen Kontakt mit den Leistungshalbleiter-Prepackages 12 steht. Um eine effiziente Wärmeabfuhr zu gewährleisten, ist ein fester Pfad zwischen einer Wärmeabfuhrseite 123b der Prepackages (d. h. der Unterseite des Prepackages 12, wie in dargestellt, gegenüber der elektrischen Anschlussseite 123a) vorgesehen, so dass der Kühlkörper 15 die Wärme durch Wärmeleitung von den Prepackages 12 abführt. In dem gezeigten Beispiel teilen sich mehrere Prepackages 12 des Wandlers 10, und optional alle Prepackages 12 des Wandlers, einen gemeinsamen Kühlkörper 15.Back to : The components of the converter 10, in particular the power semiconductor switching elements 121, generate heat that must be dissipated. Heat dissipation can be a particularly important aspect in power electronic converters according to the present disclosure due to their compactness and high power density. For this purpose, the converter 10 includes an integrated heat sink 15, which is in close thermal contact with the power semiconductor prepackages 12. To ensure efficient heat dissipation, a fixed path is provided between a heat dissipation side 123b of the prepackages (ie the bottom of the prepackage 12, as in shown, opposite the electrical connection side 123a), so that the heat sink 15 dissipates the heat from the prepackages 12 by thermal conduction. In the example shown, several prepackages 12 of the converter 10, and optionally all prepackages 12 of the converter, share a common heat sink 15.

Der Kühlkörper 15 selbst kann in jeder geeigneten Form ausgeführt werden. Er kann z. B. aus Aluminium oder einem anderen wärmeleitenden Material bestehen und durch einen Kühlmittelstrom gekühlt werden, bei dem es sich um ein Gas (z. B. Luft) oder eine Flüssigkeit (z. B. Wasser oder Öl) handeln kann. In einigen Ausführungsformen kann eine den Prepackages 12 gegenüberliegende Oberfläche des Kühlkörpers 15 mit einem auftreffenden Kühlmittelstrom beaufschlagt werden, um den Wärmeübergangskoeffizienten zwischen den Prepackages 12 und dem Kühlmedium des Kühlkörpers 15 zu erhöhen.The heat sink 15 itself can be designed in any suitable shape. He can e.g. B. made of aluminum or another heat-conducting material and cooled by a coolant flow, which can be a gas (e.g. air) or a liquid (e.g. water or oil). In some embodiments, a surface of the heat sink 15 opposite the prepackages 12 can be subjected to an impinging coolant flow in order to increase the heat transfer coefficient between the prepackages 12 and the cooling medium of the heat sink 15.

Um eine effiziente Wärmeabfuhr durch Leitung zu gewährleisten, ist es notwendig, dass eine qualitativ hochwertige und gleichmäßige thermische Schnittstelle zwischen der Wärmeabfuhrseite 123b jedes der Prepackages 12 und dem Kühlkörper 15 vorhanden ist. Dies kann eine Herausforderung sein, denn obwohl die Wärmeabfuhrseite 123b der Prepackages 12 flach gestaltet werden kann, gibt es gewisse Fertigungs- und Montagetoleranzen. Beispielsweise kann die Dicke der elektrischen Kontakte 113 zwischen und innerhalb der Prepackages 12 geringfügig variieren, was zu einer Neigung der Prepackages und/oder zu ungleichmäßigen Abständen zwischen der Wärmeabfuhrseite 123b und dem Kühlkörper 15 führen kann. Ein weiteres Beispiel ist, dass sich das mehrschichtige Trägersubstrat 11 verbiegen oder lokal verformen kann. In Anbetracht dessen ist der Wandler 10 auch so dargestellt, dass er eine thermische Schnittstellenschicht (TIL) 16 zwischen der Wärmeabfuhrseite 123b der Prepackages 12 und dem Kühlkörper 15 aufweist. Die TIL 16 ist vorgesehen, um eine qualitativ hochwertige thermische Schnittstelle zwischen den Prepackages 12 und dem Kühlkörper 15 zu gewährleisten. Die TIL trägt Toleranzproblemen Rechnung und sorgt gleichzeitig für einen wärmeleitenden Pfad in z-Richtung zwischen der Wärmeabfuhrseite 123b jeder der Prepackages 12 und dem Kühlkörper 15. In einigen Beispielen kann die TIL 16 auch eine hohe Wärmeleitfähigkeit in der x-y-Ebene aufweisen, um die Wärme über die Oberfläche des Kühlkörpers 15 zu verteilen. Dies kann von besonderem Nutzen sein, wenn eine einzige TIL 16 mehreren Prepackages 12 dient.In order to ensure efficient heat dissipation by conduction, it is necessary that a high quality and uniform thermal interface exists between the heat dissipation side 123b of each of the prepackages 12 and the heat sink 15. This can be a challenge because although the heat dissipation side 123b of the prepackages 12 can be designed flat, there are certain manufacturing and assembly tolerances. For example, the thickness of the electrical contacts 113 between and within the prepackages 12 may vary slightly, which may lead to an inclination of the prepackages and/or to uneven distances between the heat dissipation side 123b and the heat sink 15. Another example is that the multilayer carrier substrate 11 can bend or locally deform. In view of this, the converter 10 is also shown as having a thermal interface layer (TIL) 16 between the heat dissipation side 123b of the prepackages 12 and the heat sink 15. The TIL 16 is intended to ensure a high quality thermal interface between the prepackages 12 and the heat sink 15. The TIL accommodates tolerance issues while providing a thermally conductive path in the z direction between the heat dissipation side 123b of each of the prepackages 12 and the heat sink 15. In some examples, the TIL 16 may also have a high thermal conductivity in the xy plane to dissipate heat to distribute over the surface of the heat sink 15. This can be particularly useful when a single TIL 16 serves multiple prepackages 12.

Die TIL 16 kann eine von mehreren verschiedenen Formen annehmen, darunter Feststoffe (z. B. eine Lotschicht, eine Folie oder ein Film), halbfeste Stoffe (z. B. eine Paste) oder eine Flüssigkeit. In einer Gruppe von Beispielen ist die TIL 16 eine Lotschicht (z. B. Indium-Zinn-Lot). Um eine gute Qualität der Lötverbindung zu gewährleisten, kann in diesem Fall jedes Prepackage 12 seine eigene TIL 16 und nicht nur eine einzige TIL haben. In einer anderen Gruppe von Beispielen ist die TIL eine Folie, z. B. Indium-Zinn- oder Graphenfolie, die sowohl wärmeleitend als auch flexibel ist. Die Verwendung einer TIL mit einer gewissen Komprimierbarkeit kann vorteilhaft sein, um sowohl Fertigungstoleranzen auszugleichen als auch eine Trennung des Kühlkörpers 15 von den Prepackages 12, z. B. bei Vibrationen, zu verhindern. Die TIL 16 hat vorzugsweise eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens 1 W/mK, und noch bevorzugter von mindestens 2,5 W/mK. Die Dicke der TIL 16 beträgt im Allgemeinen weniger als einige mm, vorzugsweise weniger als 1 mm, und hat in einer Gruppe von Beispielen eine Dicke zwischen 100 µm und 500 µm.The TIL 16 can take one of several different forms, including solids (e.g., a layer of solder, a foil or film), semi-solids (e.g., a paste), or a liquid. In one group of examples, the TIL 16 is a layer of solder (e.g., indium-tin solder). In this case, to ensure good quality of the solder connection, each prepackage 12 can have its own TIL 16 and not just a single TIL. In another group of examples the TIL is a foil, e.g. B. Indium-tin or graphene foil, which is both thermally conductive and flexible. The use of a TIL with a certain compressibility can be advantageous in order to compensate for manufacturing tolerances as well as to separate the heat sink 15 from the prepackages 12, e.g. B. in the event of vibrations. The TIL 16 preferably has a thermal conductivity of at least 1 W/mK, and more preferably at least 2.5 W/mK. The thickness of the TIL 16 is generally less than a few mm, preferably less than 1 mm, and in a group of examples has a thickness between 100 μm and 500 μm.

Ein leistungselektronischer Wandler kann durch einen Wärmeübergangs-Wandler-Parameter η charakterisiert werden, der wie folgt definiert ist: η = h G 3

Figure DE102022205482A1_0019

h = Wärmeübergangskoeffizient vom Prepackage zum Kühlmedium
G3 = Abstand in z-Richtung zwischen der Wärmeabfuhrseite der Prepackage und dem KühlkörperA power electronic converter can be characterized by a heat transfer converter parameter η, which is defined as follows: η = H G 3
Figure DE102022205482A1_0019

h = heat transfer coefficient from the prepackage to the cooling medium
G 3 = Distance in the z direction between the heat dissipation side of the prepackage and the heat sink

Der Spalt G2 ist in beschriftet. Tabelle 12 zeigt beispielhafte Werte von η für leistungselektronische Wandler gemäß der vorliegenden Offenbarung. Die Werte von η sind charakteristisch hoch und gehen mit einer Kombination aus Kompaktheit, hohem Wirkungsgrad und hoher Leistungsdichte einher. Die Werte von η sind in Einheiten von MW/m3 K angegeben. Tabelle 12 Spitzen-Nennleistung (kW) η = h G 3

Figure DE102022205482A1_0020
(MW/m 3 K) Beispiel 1 Beispiel 2 Beispiel 3 50 0.125 37.5 150 100 0.125 37.5 150 150 0.125 37.5 150 200 0.125 37.5 150 400 0.125 37.5 150 The gap G 2 is in labeled. Table 12 shows exemplary values of η for power electronic converters according to the present disclosure. The values of η are characteristically high and are associated with a combination of compactness, high efficiency and high power density. The values of η are given in units of MW/m 3 K. Table 12 Peak rated power (kW) η = H G 3
Figure DE102022205482A1_0020
(MW/ m3K ) example 1 Example 2 Example 3
50 0.125 37.5 150 100 0.125 37.5 150 150 0.125 37.5 150 200 0.125 37.5 150 400 0.125 37.5 150

Im Allgemeinen haben leistungselektronische Wandler gemäß der vorliegenden Offenbarung η-Werte größer oder gleich 100 kW/m3 K (0,1 MW/m3 K). Jedoch werden Werte von η größer oder gleich 10 MW/m3 K im Allgemeinen bevorzugt.In general, power electronic converters according to the present disclosure have η values greater than or equal to 100 kW/m 3 K (0.1 MW/m 3 K). However, values of η greater than or equal to 10 MW/m 3 K are generally preferred.

Tabelle 13 zeigt beispielhafte Werte für den Wärmeübergangskoeffizienten h und die Größe des Spalts G3 zwischen der Wärmeabfuhrseite des Leistungshalbleiter-Prepackages und dem Kühlkörper. Tabelle 13 Spitzen-Nennleistung (kW) h G 3 (kW/m 2 K) (mm) Beispiel 1 Beispiel 2 Beispiel 3 Beispiel 1 Beispiel 2 Beispiel 3 50 0.1 7.5 30 0.8 0.2 0.05 100 0.1 7.5 30 0.8 0.2 0.05 150 0.1 7.5 30 0.8 0.2 0.05 200 0.1 7.5 30 0.8 0.2 0.05 400 0.1 7.5 30 0.8 0.2 0.05 Table 13 shows exemplary values for the heat transfer coefficient h and the size of the gap G 3 between the heat dissipation side of the power semiconductor prepackage and the heat sink. Table 13 Peak rated power (kW) H G3 _ (kW/m 2 K) (mm) example 1 Example 2 Example 3 example 1 Example 2 Example 3 50 0.1 7.5 30 0.8 0.2 0.05 100 0.1 7.5 30 0.8 0.2 0.05 150 0.1 7.5 30 0.8 0.2 0.05 200 0.1 7.5 30 0.8 0.2 0.05 400 0.1 7.5 30 0.8 0.2 0.05

Ein leistungselektronischer Wandler kann auch durch einen thermischen Schnittstellen-Parameter Ω gekennzeichnet sein, der wie folgt definiert ist: Ω = M K

Figure DE102022205482A1_0021

M = mechanische Kompressibilität der thermischen Schnittstellenschicht
k = Wärmeleitfähigkeit der thermischen SchnittstellenschichtA power electronic converter can also be characterized by a thermal interface parameter Ω, which is defined as follows: Ω = M K
Figure DE102022205482A1_0021

M = mechanical compressibility of the thermal interface layer
k = thermal conductivity of the thermal interface layer

Tabelle 14 zeigt beispielhafte Werte für den thermischen Grenzflächen-Parameter Ω. Die Werte von Ω sind in Einheiten von MNK/Wm angegeben (d. h. Mega-NK/Wm, gleich 106 NK/Wm). Tabelle 14 Spitzen-Nennleistung (kW) Ω = M k

Figure DE102022205482A1_0022
(MNK/Wm) Beispiel 1 Beispiel 2 Beispiel 3 50 0 0.86 103 100 0 0.86 103 150 0 0.86 103 200 0 0.86 103 400 0 0.86 103 Table 14 shows exemplary values for the thermal interface parameter Ω. The values of Ω are given in units of MNK/Wm (i.e. Mega-NK/Wm, equal to 10 6 NK/Wm). Table 14 Peak rated power (kW) Ω = M k
Figure DE102022205482A1_0022
(MNK/Wm) example 1 Example 2 Example 3
50 0 0.86 10 3 100 0 0.86 10 3 150 0 0.86 10 3 200 0 0.86 10 3 400 0 0.86 10 3

Wandler der vorliegenden Offenbarung haben vorzugsweise Ω-Werte, die 0,1 MNK/Wm < Ω < 1 GNK/Wm entsprechen, wobei der Bereich 0,25 MNK/Wm < Ω < 2 MNK/Wm bevorzugt wird. Thermische Grenzflächen-Parameter in diesem Bereich können eine gute Kombination von Wärmeübertragung und mechanischen Eigenschaften bieten.Transducers of the present disclosure preferably have Ω values corresponding to 0.1 MNK/Wm < Ω < 1 GNK/Wm, with the range 0.25 MNK/Wm < Ω < 2 MNK/Wm being preferred. Thermal interface parameters in this range can provide a good combination of heat transfer and mechanical properties.

Tabelle 15 enthält beispielhafte Werte für die mechanische Kompressibilität M der thermischen Schnittstellenschicht sowie für die Wärmeleitfähigkeit k der thermischen Schnittstellenschicht. Tabelle 15 Spitzen-Nennleistung (kW) M k (MN/m) 2 (W/mK) Beispie l 1 Beispie l 2 Beispie l 3 Beispie l 1 Beispie l 2 Beispie l 3 50 0 3 100 1 3.5 90 100 0 3 100 1 3.5 90 150 0 3 100 1 3.5 90 200 0 3 100 1 3.5 90 400 0 3 100 1 3.5 90 Table 15 contains exemplary values for the mechanical compressibility M of the thermal interface layer and for the thermal conductivity k of the thermal interface layer. Table 15 Peak rated power (kW) M k (MN/m) 2 (W/mK) Example 1 Example 2 Example 3 Example 1 Example 2 Example 3 50 0 3 100 1 3.5 90 100 0 3 100 1 3.5 90 150 0 3 100 1 3.5 90 200 0 3 100 1 3.5 90 400 0 3 100 1 3.5 90

ist eine weitere Darstellung des Wandlers 10 aus und veranschaulicht die elektrischen Felder, die sich zwischen den Komponenten des Wandlers 10 entwickeln. is another representation of the converter 10 and illustrates the electric fields that develop between the components of the transducer 10.

Der in mit G1 bezeichnete Prepackage-Spalt ist zwischen der zweiten Oberfläche 111b des mehrschichtigen Trägersubstrats 11 und der elektrischen Anschlussseite/-fläche 123a der Prepackages 12 sichtbar. Der Prepackage-Spalt G1 hat eine Größe, die in z-Richtung gemessen werden kann. In dem Prepackage-Spalt G1 wird ein erstes elektrisches Feld 50 aufgebaut, das sich aus dem Potentialunterschied (Spannung) zwischen der zweiten Oberfläche 111b des mehrschichtigen Trägersubstrats 11 und der elektrischen Verbindungsfläche 123a der Prepackages 12 ergibt.The in Prepackage gap designated G1 is visible between the second surface 111b of the multilayer carrier substrate 11 and the electrical connection side/surface 123a of the prepackages 12. The prepackage gap G1 has a size that can be measured in the z direction. A first electric field 50 is built up in the prepackage gap G1, which results from the potential difference (voltage) between the second surface 111b of the multilayer carrier substrate 11 and the electrical connection surface 123a of the prepackages 12.

Ein leistungselektronischer Wandler kann durch einen Wandler-Parameter θ gekennzeichnet sein, der definiert ist als Größe des Prepackage-Spalts in z-Richtung geteilt durch eine maximale elektrische Feldstärke im Prepackage-Spalt (hier als erste maximale elektrische Feldstärke bezeichnet): θ = G 1 E 1

Figure DE102022205482A1_0023

G1 = Größe des Prepackage-Spalts in z-Richtung
E1 = Maximale elektrische Feldstärke im Prepackage-SpaltA power electronic converter can be characterized by a converter parameter θ, which is defined as the size of the prepackage gap in the z-direction divided by a maximum electric field strength in the prepackage gap (referred to here as the first maximum electric field strength): θ = G 1 E 1
Figure DE102022205482A1_0023

G 1 = size of the prepackage gap in the z direction
E 1 = Maximum electric field strength in the prepackage gap

Tabelle 16 zeigt beispielhafte Werte für den Wandler-Parameter θ für leistungselektronische Wandler gemäß der vorliegenden Offenbarung. Die Werte von θ sind charakteristischerweise niedriger als beim Stand der Technik und gehen mit einer hohen Leistungsdichte einher. Die Werte von θ werden in Einheiten von pm2/V (pico-m2 /V, oder ×10-12m2 /V) angegeben. Tabelle 16 Spitzen-Nennleistung (kW) θ = G 1 E 1 ( pm 2 /V )

Figure DE102022205482A1_0024
Beispiel 1 Beispiel 2 Beispiel 3 50 0.5 6.25 250 100 0.5 6.25 250 150 0.5 6.25 250 200 0.5 6.25 250 400 0.5 6.25 250 Table 16 shows exemplary values for the converter parameter θ for power electronic converters according to the present disclosure. The values of θ are characteristically lower than in the prior art and are associated with a high power density. The values of θ are given in units of pm 2 /V (pico-m 2 /V, or ×10 -12 m 2 /V). Table 16 Peak rated power (kW) θ = G 1 E 1 ( pm 2 /V )
Figure DE102022205482A1_0024
example 1 Example 2 Example 3
50 0.5 6.25 250 100 0.5 6.25 250 150 0.5 6.25 250 200 0.5 6.25 250 400 0.5 6.25 250

Im Allgemeinen haben leistungselektronische Wandler gemäß der vorliegenden Offenbarung Werte von θ kleiner oder gleich 300 pm2/V. Der Wert von θ ist im Allgemeinen größer oder gleich 0,1 pm2/V, da niedrigere Werte z. B. mit einem größeren Risiko eines elektrischen Durchschlags verbunden sein können. Die Werte von θ können vorzugsweise im Bereich von 2,0 pm2/V bis 50 pm2/V liegen, da dies ein gutes Gleichgewicht zwischen Leistungsdichte und Zuverlässigkeit darstellt.In general, power electronic converters according to the present disclosure have values of θ less than or equal to 300 pm 2 /V. The value of θ is generally greater than or equal to 0.1 pm 2 /V, as lower values e.g. B. may be associated with a greater risk of electrical shock. The values of θ may preferably be in the range of 2.0 pm 2 /V to 50 pm 2 /V as this represents a good balance between power density and reliability.

Der Fachmann weiß, dass die erste maximale elektrische Feldstärke eine maximale homogene elektrische Feldstärke ist. Mit anderen Worten, es handelt sich um die maximale Feldstärke, die an einer Stelle bestimmt wird, die ausreichend weit von scharfen Kanten und/oder Hindernissen im Spalt entfernt ist, die zu Singularitäten des elektrischen Feldes oder anderen stark lokalisierten Maxima führen können. zeigt beispielsweise einen ersten Bereich 52 im Prepackage-Spalt, in dem die erste maximale elektrische Feldstärke bestimmt werden kann, da er in x-y-Richtung von jeder Kante oder Begrenzung des mehrschichtigen planaren Trägersubstrats oder des Leistungshalbleiter-Prepackages beabstandet ist. Hier wird gezeigt, dass der erste Bereich 52 in x-Richtung um einen ersten Abstand 54 von einer Prepackage-Kante 123e beabstandet ist. in ähnlicher Weise ist der erste Bereich 52 von einer anderen Prepackage-Kante 123e in y-Richtung beabstandet (hier nicht sichtbar, da die y-Richtung senkrecht zur Zeichenebene verläuft). Ein solcher Versatz des ersten Bereichs 52 in x-y-Richtung in Richtung der Innenseite des Prepackage-Spalts stellt sicher, dass die maximale Feldstärke über einen geeignet homogenen Bereich des elektrischen Feldes bestimmt wird. Wird die maximale elektrische Feldstärke durch Modellierung (z. B. Finite-Elemente-Analyse, FEA) bestimmt, kann die maximale elektrische Feldstärke an einer Stelle ermittelt werden, die mindestens drei Maschenzellen von einer Singularität im Modell entfernt ist (z. B. Spitzen, scharfe Kanten, Dreifachpunkte).The person skilled in the art knows that the first maximum electric field strength is a maximum homogeneous electric field strength. In other words, it is the maximum field strength that is determined at a location that is sufficiently far away from sharp edges and/or obstacles in the gap Singularities of the electric field or other strongly localized maxima can lead. For example, shows a first region 52 in the prepackage gap in which the first maximum electric field strength can be determined because it is spaced in the xy direction from each edge or boundary of the multilayer planar carrier substrate or the power semiconductor prepackage. Here it is shown that the first region 52 is spaced in the x direction by a first distance 54 from a prepackage edge 123e. Similarly, the first region 52 is spaced from another prepackage edge 123e in the y direction (not visible here since the y direction is perpendicular to the drawing plane). Such an offset of the first region 52 in the xy direction towards the inside of the prepackage gap ensures that the maximum field strength is determined over a suitably homogeneous region of the electric field. If the maximum electric field strength is determined through modeling (e.g. finite element analysis, FEA), the maximum electric field strength can be determined at a location that is at least three mesh cells away from a singularity in the model (e.g. peaks , sharp edges, triple points).

Tabelle 17 enthält beispielhafte Werte für die Größe G1 des Prepackage-Spalts in z-Richtung sowie für die maximale elektrische Feldstärke E1 im Prepackage-Spalt. Tabelle 17 Spitzen-Nennleistung (kW) G 1 (µm) E 1 (kV/mm) Beispiel 1 Beispiel 2 Beispiel 3 Beispiel 1 Beispiel 2 Beispiel 3 50 20 100 250 1 16 40 100 20 100 250 1 16 40 150 20 100 250 1 16 40 200 20 100 250 1 16 40 400 20 100 250 1 16 40 Table 17 contains exemplary values for the size G 1 of the prepackage gap in the z direction as well as for the maximum electric field strength E 1 in the prepackage gap. Table 17 Peak rated power (kW) G 1 (µm) E 1 (kV/mm) example 1 Example 2 Example 3 example 1 Example 2 Example 3 50 20 100 250 1 16 40 100 20 100 250 1 16 40 150 20 100 250 1 16 40 200 20 100 250 1 16 40 400 20 100 250 1 16 40

Die zweite Oberfläche 111b des mehrschichtigen Trägersubstrats 11 und ein Kühlkörper 15 sind in z-Richtung im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet, so dass ein Kühlkörper-Spalt entsteht, der in mit G2 bezeichnet ist. In dem Kühlkörper-Spalt G2 wird ein zweites elektrisches Feld 56 aufgebaut, das sich aus dem Potenzialunterschied (Spannung) zwischen der zweiten Oberfläche 111b des mehrschichtigen Trägersubstrats 11 und dem Kühlkörper ergibt.The second surface 111b of the multilayer carrier substrate 11 and a heat sink 15 are arranged essentially parallel to one another in the z direction, so that a heat sink gap is created, which is in is labeled G2. A second electric field 56 is built up in the heat sink gap G2, which results from the potential difference (voltage) between the second surface 111b of the multilayer carrier substrate 11 and the heat sink.

Ein leistungselektronischer Wandler kann durch einen Wandler-Parameter φ gekennzeichnet sein, der definiert ist als Größe des Kühlkörper-Spalts in z-Richtung geteilt durch eine maximale elektrische Feldstärke im Kühlkörper-Spalt (hier als zweite maximale elektrische Feldstärke bezeichnet): φ = G 2 E 2

Figure DE102022205482A1_0025

G2 = Größe des Kühlkörper-Spalts in z-Richtung
E2 = maximale elektrische Feldstärke im Kühlkörper-SpaltA power electronic converter can be characterized by a converter parameter φ, which is defined as the size of the heat sink gap in the z direction divided by a maximum electric field strength in the heat sink gap (referred to here as the second maximum electric field strength): φ = G 2 E 2
Figure DE102022205482A1_0025

G 2 = size of the heat sink gap in the z direction
E 2 = maximum electric field strength in the heat sink gap

Tabelle 18 zeigt beispielhafte Werte für den Wandler-Parameter φ. Die Werte von φ sind charakteristischerweise niedriger als im Stand der Technik und gehen mit einer hohen Leistungsdichte einher. Die Werte von φ werden in Einheiten von nm2/V (nano-m2/V, oder x10-9 m2/V) angegeben. Tabelle 18 Spitzen-Nennleistung (kW) φ = G 2 E 2

Figure DE102022205482A1_0026
(nm 2 N) Beispiel 1 Beispiel 2 Beispiel 3 50 0.05 1.00 15 100 0.05 1.00 15 150 0.05 1.00 15 200 0.05 1.00 15 400 0.05 1.00 15 Table 18 shows exemplary values for the converter parameter φ. The values of φ are characteristically lower than in the prior art and are associated with a high power density. The values of φ are given in units of nm 2 /V (nano-m 2 /V, or x10 -9 m 2 /V). Table 18 Peak rated power (kW) φ = G 2 E 2
Figure DE102022205482A1_0026
( nm2N ) example 1 Example 2 Example 3
50 0.05 1.00 15 100 0.05 1.00 15 150 0.05 1.00 15 200 0.05 1.00 15 400 0.05 1.00 15

Im Allgemeinen haben leistungselektronische Wandler im Sinne der vorliegenden Offenbarung Werte von φ kleiner oder gleich 20 nm2/V. Der Wert von φ ist im Allgemeinen größer oder gleich 0,01 nm2/V, da niedrigere Werte z. B. mit einem größeren Risiko eines elektrischen Durchschlags verbunden sein können. Die Werte von φ können vorzugsweise im Bereich von 0,05 nm2/V bis 5 nm2/V liegen, da dies ein gutes Gleichgewicht zwischen Leistungsdichte und Zuverlässigkeit darstellt.In general, power electronic converters within the meaning of the present disclosure have values of φ less than or equal to 20 nm 2 /V. The value of φ is generally greater than or equal to 0.01 nm 2 /V, as lower values e.g. B. may be associated with a greater risk of electrical shock. The values of φ may preferably be in the range of 0.05 nm 2 /V to 5 nm 2 /V as this represents a good balance between power density and reliability.

Wie bei der ersten maximalen elektrischen Feldstärke E1 handelt es sich auch bei der zweiten maximalen elektrischen Feldstärke E2 um eine maximale homogene elektrische Feldstärke, so dass Singularitäten und andere stark lokalisierte Maxima ausgeschlossen sind. Beispielhaft ist in 2B ein zweiter Bereich 58 zur Bestimmung einer zweiten maximalen elektrischen Feldstärke des zweiten elektrischen Feldes 56 dargestellt. Der zweite Bereich 58 befindet sich innerhalb des Kühlkörper-Spaltes G2 und ist von allen Hindernissen und Kanten innerhalb des Kühlkörper-Spaltes G2, wie z.B. denjenigen, die mit den Prepackages 12 verbunden sind, beabstandet. Wird die maximale elektrische Feldstärke durch Modellierung (z. B. Finite-Elemente-Analyse, FEA) bestimmt, kann die maximale elektrische Feldstärke an einer Stelle ermittelt werden, die mindestens drei Maschenzellen von einer Singularität im Modell entfernt ist.As with the first maximum electric field strength E 1, the second maximum electric field strength E 2 is also a maximum homogeneous electric field strength, so that singularities and other highly localized maxima are excluded. An example is in 2 B a second area 58 for determining a second maximum electric field strength of the second electric field 56 is shown. The second region 58 is located within the heat sink gap G2 and is spaced from all obstacles and edges within the heat sink gap G2, such as those connected to the prepackages 12. If the maximum electric field strength is determined through modeling (e.g. finite element analysis, FEA), the maximum electric field strength can be determined at a location that is at least three mesh cells away from a singularity in the model.

Tabelle 19 enthält beispielhafte Werte für die Größe G2 des Kühlkörper-Spalts zwischen dem mehrschichtigen planaren Trägersubstrat 11 und dem Kühlkörper 15 in z-Richtung und die maximale elektrische Feldstärke E2 im Kühlkörper-Spalt. Tabelle 19 Spitzen-Nennleistung (kW) G 2 (mm) E 2 (kV/mm) Beispiel 1 Beispiel 2 Beispiel 3 Beispiel 1 Beispiel 2 Beispiel 3 50 0.5 1.5 3.0 0.2 1.5 10 100 0.5 1.5 3.0 0.2 1.5 10 150 0.5 1.5 3.0 0.2 1.5 10 200 0.5 1.5 3.0 0.2 1.5 10 400 0.5 1.5 3.0 0.2 1.5 10 Table 19 contains exemplary values for the size G 2 of the heat sink gap between the multilayer planar carrier substrate 11 and the heat sink 15 in the z-direction and the maximum electric field strength E 2 in the heat sink gap. Table 19 Peak rated power (kW) G2 ( mm) E2 ( kV/mm) example 1 Example 2 Example 3 example 1 Example 2 Example 3 50 0.5 1.5 3.0 0.2 1.5 10 100 0.5 1.5 3.0 0.2 1.5 10 150 0.5 1.5 3.0 0.2 1.5 10 200 0.5 1.5 3.0 0.2 1.5 10 400 0.5 1.5 3.0 0.2 1.5 10

Die und zeigen das kleinste quaderförmige Volumen, das die Kommutierungszelle eines leistungselektronischen Wandlers umschließt. Auch hier wird das Beispiel eines einphasigen zweistufigen Wandlers gewählt, um die Erklärung zu erleichtern. Es wird auf Gleichung 1 verwiesen, die den Induktivitäts-Volumen-Parameter α in Form des kleinsten quaderförmigen Volumens definiert, das die Kommutierungszelle umschließt.The and show the smallest cuboid volume that encloses the commutation cell of a power electronic converter. Here too, the example of a single-phase two-stage converter is chosen to make the explanation easier. Reference is made to equation 1, which defines the inductance volume parameter α in the form of the smallest cuboid volume that encloses the commutation cell.

ist die auch in dargestellte Querschnittsansicht. Die x- und z-Richtungen sind angegeben. Der gestrichelte Kasten mit der Bezeichnung Ax-z ist ein Querschnitt in der x-z-Ebene durch das kleinste Volumen, das die Kommutierungszelle des Wandlers 10 umschließt. Die Querschnittsfläche Ax-z umfasst sowohl den Leistungskreis (d. h. die in den Prepackages 12 ausgebildeten Leistungshalbleiter 121, den Kondensator 14, die Gleichstromeingänge und die Wechselstromausgänge sowie die Verbindungen dazwischen) als auch die Gate-Treiberschaltung 13 und ihre Verbindungen mit den Leistungshalbleitern 121. Die Fläche Ax-z kann als Produkt aus der in x-Richtung gemessenen Größe des Gehäuses (Lx) und der in z-Richtung gemessenen Größe des Gehäuses (Lz) berechnet werden. it's also in illustrated cross-sectional view. The x and z directions are indicated. The dashed box labeled A xz is a cross section in the xz plane through the smallest volume that encloses the commutation cell of the converter 10. The cross-sectional area A xz includes both the power circuit (ie the power semiconductors 121 formed in the prepackages 12, the capacitor 14, the DC inputs and the AC outputs and the connections between them) as well as the gate driver circuit 13 and its connections to the power semiconductors 121. The area A xz can be the product of the size of the housing (L x ) measured in the x direction and the size of the housing (L z ) measured in the z direction be calculated.

ist eine Draufsicht auf den Wandler aus . Die x- und z-Richtungen sind angegeben. Der gestrichelte Kasten mit der Bezeichnung Ax-y ist ein Querschnitt in der x-y-Ebene durch das kleinste quaderförmige Volumen, das die Kommutierungszelle des Wandlers 10 umschließt. Die Querschnittsfläche Ax-y umfasst sowohl den Leistungskreis (d. h. die Leistungshalbleiter 121, den Kondensator, die Gleichstromeingänge und die Wechselstromausgänge sowie die Verbindungen dazwischen) als auch die Gate-Treiberschaltung 13 und ihre Verbindungen mit den Leistungshalbleitern. Die Fläche Ax-z lässt sich als Produkt aus der in x-Richtung gemessenen Größe des Gehäuses (Lx) und der in y-Richtung gemessenen Größe des Gehäuses (Ly) berechnen. is a top view of the converter . The x and z directions are indicated. The dashed box labeled A xy is a cross section in the xy plane through the smallest cuboid volume that encloses the commutation cell of the converter 10. The cross-sectional area A xy includes both the power circuit (ie, the power semiconductors 121, the capacitor, the DC inputs and the AC outputs, and the connections therebetween) as well as the gate driver circuit 13 and its connections to the power semiconductors. The area A xz can be calculated as the product of the size of the housing (L x ) measured in the x direction and the size of the housing (L y ) measured in the y direction.

Es lässt sich leicht erkennen, dass das kleinste quaderförmige Volumen, das die Kommutierungszelle umschließt, als Produkt der drei Dimensionen Lx, Lx und Lz berechnet werden kann.It is easy to see that the smallest cuboid volume that encloses the commutation cell can be calculated as the product of the three dimensions L x , L x and L z .

Es wird darauf hingewiesen, dass alle Komponenten der Kommutierungszelle in 3B sichtbar sind, obwohl sich einige der in der Querschnittsansicht von 3A dargestellten Komponenten auf der Unterseite des Trägersubstrats 11 befinden. Es sei darauf hingewiesen, dass dies nur der Veranschaulichung dient und dass in der Praxis nicht alle Bauteile des Wandlers 10 der 3A-3B in einer einzigen Draufsicht sichtbar sind. Es sollte auch beachtet werden, dass die x-y-Position der Gate-Treiberschaltung 13 in 3B zur besseren Veranschaulichung verschoben wurde (d. h., damit sie sich nicht mit den x-y-Positionen der Prepackages 12 überschneidet, wie es in 3A der Fall ist). Die Flexibilität bei der x-y-Position der Komponenten der Kommutierungszelle ist jedoch ein vorteilhaftes Merkmal der Wandler gemäß der vorliegenden Offenbarung; dies liegt zum Teil daran, dass Änderungen der x-y-Positionen die Parasitärinduktivität der Verbindungen zwischen den Komponenten nicht wesentlich verändern.It is noted that all components of the commutation cell in 3B are visible, although some of the in the cross-sectional view of 3A Components shown are located on the underside of the carrier substrate 11. It should be noted that this is for illustrative purposes only and that in practice not all components of the converter 10 are 3A-3B are visible in a single top view. It should also be noted that the xy position of the gate driver circuit 13 in 3B has been moved for better illustration (ie so that it does not overlap with the xy positions of the prepackages 12, as in 3A the case is). However, flexibility in the xy position of the commutation cell components is an advantageous feature of the transducers according to the present disclosure; this is partly because changes in xy positions do not significantly change the parasitic inductance of the connections between components.

Es wird auch darauf hingewiesen, dass in nur zwei Leistungshalbleiter-Prepackages 12L und 12H zu sehen sind, während es in sechs Prepackages 12L1-3 und 12H1-3 gibt. Dies dient der Veranschaulichung der Parallelisierung der Leistungshalbleiter-Schaltelemente 121. Insbesondere ist aus ersichtlich, dass die niedrige Seite der Halbbrücke drei Leistungshalbleiter-Prepackages, 12L1, 12L2 und 12L3, umfasst, die drei entsprechende Leistungshalbleiter-Schaltelemente enthalten, die parallel miteinander verbunden sind. Ebenso umfasst die High-Seite der Halbbrücke drei Leistungshalbleiter-Prepackages, 12H1, 12H2 und 12H3, die drei entsprechende Leistungshalbleiter-Schaltelemente in Parallelschaltung enthalten. In , in der die y-Richtung verdeckt ist, ist nur eines der drei Prepackages 12L, 12H auf der niedrigen und der hohen Seite sichtbar.It is also noted that in only two power semiconductor prepackages 12L and 12H can be seen while it is in There are six prepackages 12L 1-3 and 12H 1-3 . This serves to illustrate the parallelization of the power semiconductor switching elements 121. In particular, It can be seen that the low side of the half bridge includes three power semiconductor prepackages, 12L 1 , 12L 2 and 12L 3 , which contain three corresponding power semiconductor switching elements connected in parallel. Likewise, the high side of the half bridge includes three power semiconductor prepackages, 12H 1 , 12H 2 and 12H 3 , which contain three corresponding power semiconductor switching elements connected in parallel. In , in which the y-direction is obscured, only one of the three prepackages 12L, 12H on the low and high sides is visible.

zeigt ein einzelnes Leistungshalbleiter-Prepackage 12 und zeigt Details, die in den und nicht sichtbar sind. shows a single power semiconductor prepackage 12 and shows details that are in the and are not visible.

Das Leistungshalbleiter-Schaltelement 121, bei dem es sich in diesem Beispiel um einen MOSFET in Form eines Halbleiterchips handelt, ist in festes Isoliermaterial 122, z. B. FR4, eingebettet. Die elektrischen Verbindungen 124, 125i, bei denen es sich um gefüllte Löcher, Durchkontaktierungen oder Ähnliches handeln kann, erstrecken sich in z-Richtung von den Anschlüssen des Halbleiterschaltelements 121 zur elektrischen Anschlussseite 123a des Prepackages 12, wo sie zu einer ebenen Oberfläche 123a auslaufen. Obwohl vertikal verlaufende Verbindungen 124, 125i dargestellt sind, könnten die Verbindungen auch eine Komponente in der x-y-Ebene haben.The power semiconductor switching element 121, which in this example is a MOSFET in the form of a semiconductor chip, is made of solid insulating material 122, e.g. B. FR4, embedded. The electrical connections 124, 125i, which can be filled holes, plated-through holes or the like, extend in the z direction from the connections of the semiconductor switching element 121 to the electrical connection side 123a of the prepackage 12, where they terminate in a flat surface 123a. Although vertical connections 124, 125i are shown, the connections could also have a component in the xy plane.

Der MOSFET 121 hat mindestens drei Anschlüsse, nämlich den Source-, Drain- und Gate-Terminal. Eine erste elektrische Verbindung 124 erstreckt sich vom Source-Anschluss zur flachen elektrischen Anschlussfläche 123a. In diesem Beispiel sind die Drain- und Gate-Terminals durch eine elektrisch leitende Metallisierungsschicht 125ii auf der Unterseite des MOSFET-Chips 121 elektrisch verbunden. Eine zweite elektrische Verbindung 125i erstreckt sich von der leitenden Schicht 125ii zur flachen elektrischen Anschlussfläche 123a. In anderen Beispielen sind die Gate- und Drain-Anschlüsse nicht miteinander verbunden, und die Anschlüsse 125i, 125ii beziehen sich z. B. nur auf den Drain-Anschluss, wobei der Gate-Terminal durch eine separate Verbindung vom Gate-Terminal zur ebenen elektrischen Verbindungsfläche 123a bedient wird.The MOSFET 121 has at least three terminals, namely the source, drain and gate terminals. A first electrical connection 124 extends from the source terminal to the flat electrical connection surface 123a. In this example, the drain and gate terminals are electrically connected by an electrically conductive metallization layer 125ii on the bottom of the MOSFET chip 121. A second electrical connection 125i extends from the conductive layer 125ii to the flat electrical connection surface 123a. In other examples, the gate and drain terminals are not connected to each other and the terminals 125i, 125ii are related, for example. B. only on the drain connection, with the gate terminal being served by a separate connection from the gate terminal to the flat electrical connection surface 123a.

Das abgebildete Prepackage 12 enthält außerdem eine optionale elektrische Isolierschicht (EIL) 126. Der Zweck der EIL 126, bei der es sich in diesem Beispiel um eine Schicht aus keramischem Material handelt, besteht darin, den MOSFET 121 und seine Anschlüsse elektrisch vom Kühlkörper 15 zu isolieren, der an der Unterseite des Prepackage 12 angeordnet ist (siehe . In anderen Ausführungsformen kann die EIL 126 in der Prepackage 12 weggelassen werden, beispielsweise wenn eine separate EIL zwischen der Unterseite der Prepackage 12 und dem Kühlkörper 15 vorgesehen ist oder wenn die TIL 16 eine ausreichende elektrische Isolierung bieten kann. Wenn vorhanden, hat die EIL 126 vorzugsweise eine Dicke von weniger als 5 mm, wobei Dicken von weniger als 1 mm bevorzugt werden, um den Wandler kompakt zu halten und dennoch die Isolationsfunktion zu erreichen. Geringere Dicken, z. B. weniger als 0,1 mm, können verwendet werden, wenn z. B. ein organisches Substrat wie IMS verwendet wird.The illustrated prepackage 12 also includes an optional electrical insulating layer (EIL) 126. The purpose of the EIL 126, which in this example is a layer of ceramic material, is to electrically isolate the MOSFET 121 and its terminals from the heat sink 15 isolate, the is arranged on the underside of the prepackage 12 (see . In other embodiments, the EIL 126 may be omitted from the prepackage 12, for example if a separate EIL is provided between the bottom of the prepackage 12 and the heat sink 15 or if the TIL 16 can provide sufficient electrical insulation. If present, the EIL 126 preferably has a thickness of less than 5 mm, with thicknesses of less than 1 mm being preferred to keep the transducer compact while still achieving the isolation function. Lower thicknesses, e.g. B. less than 0.1 mm can be used if e.g. B. an organic substrate such as IMS is used.

Die abgebildete Prepackage 12 enthält außerdem eine optionale Metallschicht 127 auf der Unterseite der EIL 126. Die Metallschicht 127 verbessert die Wärmeleitung zwischen der Prepackage 12 und der TIL 16. Die Metallschicht 127 kann auch eine geeignete Materialgrenzfläche zwischen der Unterseite der Prepackage und der TIL 16 bilden. Handelt es sich bei der TIL 16 beispielsweise um eine Lötschicht, so kann es erforderlich sein, dass die Unterseite 123b der Prepackage 12 ein für eine Lötverbindung geeignetes Material trägt. Die Metallschicht 127 kann weggelassen werden, wenn z. B. eine andere TIL als Lot verwendet wird.The prepackage 12 shown also includes an optional metal layer 127 on the bottom of the EIL 126. The metal layer 127 improves thermal conduction between the prepackage 12 and the TIL 16. The metal layer 127 can also form a suitable material interface between the bottom of the prepackage and the TIL 16 . If the TIL 16 is, for example, a solder layer, it may be necessary for the underside 123b of the prepackage 12 to carry a material suitable for a solder connection. The metal layer 127 can be omitted if e.g. B. a different TIL is used as solder.

zeigt das Prepackage 12 aus , das zwischen einem mehrschichtigen Trägersubstrat 11 und einem Kühlkörper 15 eingebettet ist. Sie veranschaulicht ferner, wie die elektrischen Verbindungen 124, 125ii, die sich von den Anschlüssen des Leistungshalbleiters 121 zur elektrischen Anschlussfläche 123a erstrecken, mit den leitenden Elementen des mehrschichtigen Trägersubstrats 11 und damit mit anderen Komponenten der Kommutierungszelle verbunden werden können. Prepackage 12 shows , which is embedded between a multilayer carrier substrate 11 and a heat sink 15. It further illustrates how the electrical connections 124, 125ii, which extend from the connections of the power semiconductor 121 to the electrical connection surface 123a, can be connected to the conductive elements of the multilayer carrier substrate 11 and thus to other components of the commutation cell.

Im dargestellten Beispiel umfasst eine planare Oberfläche 111b des mehrschichtigen planaren Trägersubstrats 11 einen oder mehrere Bereiche, die eine äußere leitende Schicht 1121 tragen. Diese Bereiche 1121 ermöglichen die Bildung von Löt- oder Sinterverbindungen 113 zur Verbindung des Substrats 11 mit den distalen Enden der elektrischen Verbindungen 124, 125i des Prepackages 12. Im dargestellten Beispiel sind neben den distalen Enden der elektrischen Verbindungen 124, 125i auch Metallisierungsbereiche 1241 (z. B. leitende Kontaktflächen wie Lötpads) vorgesehen, um die Bildung von Löt-, Sinter- oder Klebeverbindungen zu erleichtern. In anderen Beispielen können diese weggelassen werden, und die Lötverbindungen 113 können direkt an den freiliegenden distalen Enden der Anschlüsse 124, 125ii hergestellt werden.In the example shown, a planar surface 111b of the multilayer planar carrier substrate 11 includes one or more regions that carry an outer conductive layer 1121. These areas 1121 enable the formation of soldered or sintered connections 113 for connecting the substrate 11 to the distal ends of the electrical connections 124, 125i of the prepackage 12. In the example shown, in addition to the distal ends of the electrical connections 124, 125i, there are also metallization areas 1241 (e.g B. conductive contact surfaces such as solder pads) are provided to facilitate the formation of soldered, sintered or adhesive connections. In other examples, these may be omitted and solder connections 113 may be made directly to the exposed distal ends of terminals 124, 125ii.

Da die Anschlüsse der Leistungshalbleiter-Schaltelemente 121 nun mit den leitenden Bereichen 1121 des Trägersubstrats 11 verbunden sind, werden die Verbindungen zu den anderen Komponenten der Kommutierungszelle durch eine Verbindung mit den leitenden Bereichen 1121 hergestellt. Diese Verbindungen können durch eine Kombination aus leitenden Schichten 112 des Trägersubstrats 11 (siehe 2A) und elektrischen Verbindungen 114 gebildet werden, die sich in z-Richtung von den leitenden Bereichen 1121 durch das Trägersubstrat erstrecken. Beispielsweise kann die Schicht 1121, die mit dem Anschluss 124 verlötet ist, der mit dem Source-Anschluss des MOSFET 121 verbunden ist, mit einer oder mehreren (z. B. vielen) Verbindungen 114a verbunden sein, die sich in z-Richtung zu einer inneren leitenden Schicht 112 erstrecken. Die innere leitende Schicht 112 kann dann mit einem Anschluss des Zwischenkreiskondensators 14 verbunden sein. Ein weiteres Beispiel: Die Schicht 1121, die an den Anschluss 125i gelötet ist, der mit dem Gate-Terminal des MOSFET 121 verbunden ist, kann mit einem oder mehreren Anschlüssen 114b verbunden sein, die sich in z-Richtung durch das gesamte Substrat 11 zu den Anschlüssen der Gate-Treiberschaltung 13 erstrecken.Since the connections of the power semiconductor switching elements 121 are now connected to the conductive areas 1121 of the carrier substrate 11, the connections to the other components of the commutation cell are made by a connection to the conductive areas 1121. These connections can be achieved through a combination of conductive layers 112 of the carrier substrate 11 (see 2A) and electrical connections 114 are formed, which extend in the z direction from the conductive areas 1121 through the carrier substrate. For example, layer 1121, which is soldered to terminal 124, which is connected to the source terminal of MOSFET 121, may be connected to one or more (e.g., many) connections 114a extending in the z direction inner conductive layer 112 extend. The inner conductive layer 112 can then be connected to a connection of the intermediate circuit capacitor 14. As another example, layer 1121, which is soldered to terminal 125i, which is connected to the gate terminal of MOSFET 121, may be connected to one or more terminals 114b extending in the z-direction throughout substrate 11 the connections of the gate driver circuit 13 extend.

Die hier beschriebenen leistungselektronischen Wandler können durch einen Wandler-Parameter ρ gekennzeichnet sein, der wie folgt definiert ist: ρ = k × E Break

Figure DE102022205482A1_0027

k = Wärmeleitfähigkeit der thermischen Schnittstellenschicht (TIL)
EBreak = elektrische Durchschlagsfeldstärke der elektrischen Isolierschicht (EIL)The power electronic converters described here can be characterized by a converter parameter ρ, which is defined as follows: ρ = k × E Break
Figure DE102022205482A1_0027

k = thermal conductivity of the thermal interface layer (TIL)
E Break = electric breakdown field strength of the electrical insulating layer (EIL)

Tabelle 20 zeigt beispielhafte Werte für den Wandler-Parameter ρ. Die hier beschriebenen Wandler können charakteristisch hohe Werte für ρ aufweisen, die mit einer Kombination aus guter Wärmeabfuhr aus den Prepackages und guter Beständigkeit gegen elektrischen Durchschlag verbunden sein können. Die Werte von ρ werden in Einheiten von MVW/m2K (Mega-VW/m2 K, oder ×106 VW/m2 K) angegeben. Tabelle 20 Spitzen-Nennleistung (kW) ρ = k × E Break (MVW/m 2 K) Beispiel 1 Beispiel 2 Beispiel 3 Beispiel 4 50 10 70 4.5×103 22.5×103 100 10 70 4.5×103 22.5×103 150 10 70 4.5×103 22.5×103 200 10 70 4.5×103 22.5×103 400 10 70 4.5×103 22.5×103 Table 20 shows exemplary values for the converter parameter ρ. The converters described here can have characteristically high values for ρ, which can be associated with a combination of good heat dissipation from the prepackages and good resistance to electrical breakdown. The values of ρ are given in units of MVW/m 2 K (mega-VW/m 2 K, or ×10 6 VW/m 2 K). Table 20 Peak rated power (kW) ρ = k × E Break (MVW/m 2 K) example 1 Example 2 Example 3 Example 4 50 10 70 4.5×10 3 22.5×10 3 100 10 70 4.5×10 3 22.5×10 3 150 10 70 4.5×10 3 22.5×10 3 200 10 70 4.5×10 3 22.5×10 3 400 10 70 4.5×10 3 22.5×10 3

Im Allgemeinen haben leistungselektronische Wandler gemäß der vorliegenden Offenbarung Werte von ρ größer oder gleich 5 MVW/m2 K, wobei Werte größer als 20 MVW/m2 K bevorzugt werden.In general, power electronic converters according to the present disclosure have values of ρ greater than or equal to 5 MVW/m 2 K, with values greater than 20 MVW/m 2 K being preferred.

Tabelle 21 enthält beispielhafte Werte für die elektrische Durchschlagsfeldstärke (die in der Literatur auch als Durchschlagsfestigkeit bezeichnet wird), EBreak, der elektrischen Isolierschicht (EIL). Beispielhafte Werte für die Wärmeleitfähigkeit k der thermischen Schnittstellenschicht finden sich in Tabelle 15. Tabelle 21 Spitzen-Nennleistung (kW) E Break (kV/mm) Beispiel 1 Beispiel 2 Beispiel 3 Beispiel 4 50 10 20 50 250 100 10 20 50 250 150 10 20 50 250 200 10 20 50 250 400 10 20 50 250 Table 21 contains exemplary values for the electric breakdown field strength (which is also referred to as dielectric strength in the literature), E Break , the electrical insulating layer (EIL). Example values for the thermal conductivity k of the thermal interface layer can be found in Table 15. Table 21 Peak rated power (kW) E Break (kV/mm) example 1 Example 2 Example 3 Example 4 50 10 20 50 250 100 10 20 50 250 150 10 20 50 250 200 10 20 50 250 400 10 20 50 250

Höhere Werte für EBreak, z. B. in Beispiel 4, gelten für EIL, die organische Materialien enthalten, während die niedrigeren Werte, z. B. in den Beispielen 1, 2 und 3, EIL sind, die anorganische Materialien enthalten.Higher values for E Break , e.g. B. in Example 4 apply to EIL containing organic materials, while the lower values, e.g. B. in Examples 1, 2 and 3, EIL that contain inorganic materials.

Wie bereits erwähnt, ist die EIL 126 optional. In alternativen Ausführungsformen wird die EIL 126 weggelassen und eine TIL 16 mit geeigneten elektrischen Isolationseigenschaften vorgesehen. So kann die TIL 16 für eine elektrische Isolierung zwischen den Prepackages und dem Kühlkörper sowie für einen guten Wärmepfad zwischen den Prepackages und dem Kühlkörper sorgen.As already mentioned, the EIL 126 is optional. In alternative embodiments, the EIL 126 is omitted and a TIL 16 with suitable electrical insulation properties is provided. So the TIL 16 can provide electrical insulation between the prepackages and the heatsink as well as a good thermal path between the prepackages and the heatsink.

Solche Ausführungsformen können durch einen TIL-Parameter λ charakterisiert werden, der als die Wärmeleitfähigkeit der TIL geteilt durch die elektrische Leitfähigkeit der TIL definiert ist: λ = k P

Figure DE102022205482A1_0028

k = Wärmeleitfähigkeit der thermischen Schnittstellenschicht (TIL)
P = elektrische Leitfähigkeit der TILSuch embodiments can be characterized by a TIL parameter λ, which is defined as the thermal conductivity of the TIL divided by the electrical conductivity of the TIL: λ = k P
Figure DE102022205482A1_0028

k = thermal conductivity of the thermal interface layer (TIL)
P = electrical conductivity of the TIL

Tabelle 21 zeigt beispielhafte Werte für den Parameter λ. Die Werte von λ sind charakteristisch hoch. Die Werte von λ werden in Einheiten von TW/SK (Tera-W/SK, oder ×1012 W/SK) angegeben. Tabelle 22 Spitzen-Nennleistung (kW) λ = k P ( TW/SK )

Figure DE102022205482A1_0029
Beispiel 1 Beispiel 2 Beispiel 3 50 1 350 90×103 100 1 350 90×103 150 1 350 90×103 200 1 350 90×103 400 1 350 90×103 Table 21 shows example values for the parameter λ. The values of λ are characteristically high. The values of λ are given in units of TW/SK (Tera-W/SK, or ×10 12 W/SK). Table 22 Peak rated power (kW) λ = k P ( TW/SK )
Figure DE102022205482A1_0029
example 1 Example 2 Example 3
50 1 350 90×10 3 100 1 350 90×10 3 150 1 350 90×10 3 200 1 350 90×10 3 400 1 350 90×10 3

Im Allgemeinen haben leistungselektronische Wandler gemäß der vorliegenden Offenbarung Werte von λ größer oder gleich 1 TW/SK, wobei Werte größer als 100 TW/SK bevorzugt werden.In general, power electronic converters according to the present disclosure have values of λ greater than or equal to 1 TW/SK, with values greater than 100 TW/SK being preferred.

Tabelle 23 enthält beispielhafte Werte für die elektrische Leitfähigkeit P der thermischen Schnittstellenschicht. Tabelle 23 Spitzen-Nennleistung (kW) P (S/m) Beispiel 1 Beispiel 2 Beispiel 3 50 1×10-15 1×10-14 1×10-13 100 1×10-15 1×10-14 1×10-13 150 1×10-15 1×10-14 1×10-13 200 1×10-15 1×10-14 1×10-13 400 1×10-15 1×10-14 1×10-13 Table 23 contains exemplary values for the electrical conductivity P of the thermal interface layer. Table 23 Peak rated power (kW) P (S/m) example 1 Example 2 Example 3 50 1×10 -15 1×10 -14 1×10 -13 100 1×10 -15 1×10 -14 1×10 -13 150 1×10 -15 1×10 -14 1×10 -13 200 1×10 -15 1×10 -14 1×10 -13 400 1×10 -15 1×10 -14 1×10 -13

zeigt eine weitere Anordnung eines leistungselektronischen Wandlers 10, bei der zumindest ein Teil des Prepackage-Spalts G1 mit elektrisch isolierendem Material 60, z. B. einem Harz, gefüllt ist. Das elektrisch isolierende Material 60 ist in und optional um den Prepackage-Spalt G1 herum angeordnet. „Um“ bedeutet in diesem Zusammenhang, dass sich das elektrisch isolierende Material 60 in x-y-Richtung über das Prepackage 12 hinaus erstreckt. Das Material 60 kann zum Beispiel zusätzlich die Metallschichten 1121 bedecken, die sich von den Anschlüssen 114a zu den Anschlüssen 113 erstrecken. shows a further arrangement of a power electronic converter 10, in which at least part of the prepackage gap G1 is covered with electrically insulating material 60, e.g. B. a resin is filled. The electrically insulating material 60 is arranged in and optionally around the prepackage gap G1. “Um” in this context means that the electrically insulating material 60 extends beyond the prepackage 12 in the xy direction. For example, the material 60 may additionally cover the metal layers 1121 extending from the terminals 114a to the terminals 113.

Mit Hilfe des elektrisch isolierenden Materials 60 können sowohl eine Kriechstrecke 62 als auch eine Luftspaltstrecke 64 reduziert und physikalisch klein gehalten werden. So können mit Hilfe des elektrisch isolierenden Materials 60 geringe Abstände zwischen den Komponenten des leistungselektronischen Wandlers 10, beispielsweise zwischen den Metallschichten 1121 und den Anschlüssen 114a, erreicht werden, ohne dass ein nennenswertes Risiko für nachteilige elektrische Effekte wie Funkenbildung oder Kriechströme besteht. Dies ist besonders vorteilhaft in Anbetracht der hohen Spannungen, die in den Wandlern der vorliegenden Offenbarung verwendet werden und die zu hohen Potenzialdifferenzen z. B. zwischen den Metallschichten 1121 und den Oberflächen des Prepackages 12 und des Kühlkörpers 15 führen können.With the help of the electrically insulating material 60, both a creepage distance 62 and an air gap distance 64 can be reduced and kept physically small. With the help of the electrically insulating material 60, small distances between the components of the power electronic converter 10, for example between the metal layers 1121 and the connections 114a, can be achieved without there being any significant risk of adverse electrical effects such as sparking or leakage currents. This is particularly advantageous considering the high voltages used in the transducers of the present disclosure and the excessive potential differences e.g. B. between the metal layers 1121 and the surfaces of the prepackage 12 and the heat sink 15 can lead.

Im Allgemeinen enthält das verwendete elektrisch isolierende Material 60 aufgrund von Unzulänglichkeiten im Herstellungsprozess Hohlräume (z. B. Luft) in seinem Volumen. Ein leistungselektronischer Wandler, der elektrisch isolierendes Material in einem Prepackage-Spalt verwendet, kann durch einen Wandler-Parameter σ charakterisiert werden, der als Isolationsfüllfaktor geteilt durch eine maximale Größe der Hohlräume definiert ist: σ = F R m a x

Figure DE102022205482A1_0030

F = Isolationsfüllfaktor
Rmax = Maximale Hohlraumgröße in der IsolierungIn general, the electrically insulating material 60 used contains voids (e.g., air) in its volume due to imperfections in the manufacturing process. A power electronic converter that uses electrically insulating material in a prepackage gap can be characterized by a converter parameter σ, which is defined as the insulation fill factor divided by a maximum size of the cavities: σ = F R m a x
Figure DE102022205482A1_0030

F = insulation filling factor
R max = Maximum cavity size in the insulation

In dieser Gleichung ist F der Isolationsfüllfaktor und Rmax ist die maximale Hohlraumgröße der Vielzahl von Hohlräumen. Der Isolationsfüllfaktor ist definiert als kumuliertes Volumen der Vielzahl von Hohlräumen (das „Hohlraumvolumen“), subtrahiert von einem Volumen des elektrisch isolierenden Materials, dividiert durch das Volumen des elektrisch isolierenden Materials. Dies kann wie folgt ausgedrückt werden: F = V IM V V V IM

Figure DE102022205482A1_0031

VIM = Volumen des elektrisch isolierenden Materials (einschließlich Hohlräume)
VV = Kumuliertes Volumen der HohlräumeIn this equation, F is the insulation fill factor and R max is the maximum cavity size of the plurality of cavities. The insulation fill factor is defined as the cumulative volume of the plurality of cavities (the “Void Volume”) subtracted from a volume of electrically insulating material divided by the volume of electrically insulating material. This can be expressed as follows: F = v IN THE v v v IN THE
Figure DE102022205482A1_0031

V IM = volume of electrically insulating material (including voids)
V V = Cumulative volume of voids

Daher kann der Wandler-Parameter σ auch wie folgt ausgedrückt werden: σ = V IM V V V V × R max

Figure DE102022205482A1_0032
Therefore, the converter parameter σ can also be expressed as follows: σ = v IN THE v v v v × R Max
Figure DE102022205482A1_0032

Tabelle 24 zeigt beispielhafte Werte für den Wandler-Parameter σ, ausgedrückt in der Einheit 1/mm. Tabelle 24 Spitzen-Nennleistung (kW) F σ = F R max

Figure DE102022205482A1_0033
(1/mm) Beispiel 1 Beispiel 2 Beispiel 3 50 18 100 1000 100 18 100 1000 150 18 100 1000 200 18 100 1000 400 18 100 1000 Table 24 shows exemplary values for the transducer parameter σ, expressed in the unit 1/mm. Table 24 Peak rated power (kW) F σ = F R Max
Figure DE102022205482A1_0033
(1 mm)
example 1 Example 2 Example 3
50 18 100 1000 100 18 100 1000 150 18 100 1000 200 18 100 1000 400 18 100 1000

Wandler gemäß der vorliegenden Offenbarung haben vorzugsweise σ-Werte größer oder gleich 10/mm, um gute elektrische Isolationseigenschaften zu gewährleisten. Werte größer als oder gleich 50/mm können jedoch bevorzugt werden, insbesondere bei höheren Betriebsspannungen.Transducers according to the present disclosure preferably have σ values greater than or equal to 10/mm to ensure good electrical insulation properties. However, values greater than or equal to 50/mm may be preferred, particularly at higher operating voltages.

Tabelle 26 zeigt beispielhafte Werte für den Isolationsfüllfaktor F und die maximale Hohlraumgröße Rmax Tabelle25 Spitzen-Nennleistung (kW) F (%) R max (µm) Beispiel 1 Beispiel 2 Beispiel 3 Beispiel 1 Beispiel 2 Beispiel 3 50 90 99 99.99 1 10 50 100 90 99 99.99 1 10 50 150 90 99 99.99 1 10 50 200 90 99 99.99 1 10 50 400 90 99 99.99 1 10 50 Table 26 shows exemplary values for the insulation filling factor F and the maximum cavity size R max Table 25 Peak rated power (kW) F (%) R max (µm) example 1 Example 2 Example 3 example 1 Example 2 Example 3 50 90 99 99.99 1 10 50 100 90 99 99.99 1 10 50 150 90 99 99.99 1 10 50 200 90 99 99.99 1 10 50 400 90 99 99.99 1 10 50

Die Werte von Rmax können durch eine Äquivalentkugelmethode bestimmt werden, bei der Messungen der Hohlraumgröße für eine repräsentative Probe des elektrisch isolierenden Materials durchgeführt werden und eine maximale Hohlraumgröße statistisch geschätzt wird, unter der Annahme, dass die Hohlräume kugelförmig sind und die gemessenen Größen Durchmesser von Kugeln sind.The values of R max can be determined by an equivalent spherical method in which void size measurements are made for a representative sample of the electrically insulating material and a maximum void size is statistically estimated, assuming that the voids are spherical and the measured sizes are diameters of balls are.

Ein leistungselektronischer Wandler, der elektrisch isolierendes Material in einem Prepackage-Spalt verwendet, kann auch durch einen Wandler-Parameter τ gekennzeichnet sein, der als das Produkt aus der Durchschlagsfestigkeit des elektrisch isolierenden Materials und der maximalen Hohlraumgröße definiert ist: τ = D × R max

Figure DE102022205482A1_0034

D = Durchschlagfestigkeit des elektrisch isolierenden Materials
Rmax = Maximale Hohlraumgröße in der IsolierungA power electronic converter that uses electrically insulating material in a prepackage gap may also be characterized by a converter parameter τ, which is defined as the product of the dielectric strength of the electrically insulating material and the maximum cavity size: τ = D × R Max
Figure DE102022205482A1_0034

D = dielectric strength of the electrically insulating material
R max = Maximum cavity size in the insulation

Tabelle 26 zeigt beispielhafte Werte für den Wandler-Parameter τ, ausgedrückt in der Einheite Volt. Tabelle 26 Spitzen-Nennleistung (kW) τ = D × R max (V) Beispiel 1 Beispiel 2 Beispiel 3 50 1 200 10,000 100 1 200 10,000 150 1 200 10,000 200 1 200 10,000 400 1 200 10,000 Table 26 shows exemplary values for the converter parameter τ, expressed in units of volts. Table 26 Peak rated power (kW) τ = D × R max (V) example 1 Example 2 Example 3 50 1 200 10,000 100 1 200 10,000 150 1 200 10,000 200 1 200 10,000 400 1 200 10,000

Wandler gemäß der vorliegenden Offenbarung haben vorzugsweise τ-Werte von höchstens 1.000 V, um gute elektrische Isolationseigenschaften zu gewährleisten. Werte kleiner oder gleich 100 V können jedoch bevorzugt werden, insbesondere bei höheren Betriebsspannungen.Converters according to the present disclosure preferably have τ values of at most 1,000 V to ensure good electrical insulation properties. However, values less than or equal to 100 V may be preferred, particularly at higher operating voltages.

Tabelle 27 enthält beispielhafte Werte für die Durchschlagfestigkeit D des elektrisch isolierenden Materials. Tabelle 27 Spitzen-Nennleistung (kW) D (kV/mm) Beispiel 1 Beispiel 2 Beispiel 3 50 1 20 200 100 1 20 200 150 1 20 200 200 1 20 200 400 1 20 200 Table 27 contains exemplary values for the dielectric strength D of the electrically insulating material. Table 27 Peak rated power (kW) D (kV/mm) example 1 Example 2 Example 3 50 1 20 200 100 1 20 200 150 1 20 200 200 1 20 200 400 1 20 200

zeigt, wie Low-Side- und High-Side-Leistungshalbleiter-Schaltelemente 121L, 121H der Prepackages 12L, 12H unter Verwendung des mehrschichtigen Trägersubstrats 11 elektrisch verbunden werden können. Die x- und z-Richtungen sind angegeben. shows how low-side and high-side power semiconductor switching elements 121L, 121H of the prepackages 12L, 12H can be electrically connected using the multilayer carrier substrate 11. The x and z directions are indicated.

Wie in 4B weist eine planare Oberfläche 111b des Substrats 11 Bereiche 1121i, 1121ii, 1121iii auf, die eine äußere leitende Schicht tragen. Diese Bereiche 1121i-iii erleichtern die Verbindung mit den Anschlüssen der Leistungshalbleiter 121 L, 121H durch Löten oder Sintern. Das Mehrschichtsubstrat 11 ist ferner so dargestellt, dass es eine innere leitende Schicht 112a aufweist, die mit einem der äußeren Schichtbereiche 1121 ii über eine Reihe von Verbindungen 114a, die sich in z-Richtung durch das Substrat 11 erstrecken, elektrisch verbunden ist.As in 4B A planar surface 111b of the substrate 11 has regions 1121i, 1121ii, 1121iii which carry an outer conductive layer. These areas 1121i-iii facilitate connection to the connections of the power semiconductors 121L, 121H by soldering or sintering. The multilayer substrate 11 is further shown having an inner conductive layer 112a electrically connected to one of the outer layer regions 1121ii via a series of connections 114a extending through the substrate 11 in the z-direction.

Der Source-Anschluss (S) des High-Side-Leistungshalbleiter-Schaltelements 121H ist elektrisch mit dem High-Side-Gleichstromeingang (DC+) über einen Anschluss (z. B. eine gelötete, gesinterte oder geklebte Verbindung) mit dem dritten Außenschichtbereich 1121iii verbunden. Der Drain-Anschluss (D) des Low-Side-Leistungshalbleiter-Schaltelements 121L ist über einen Anschluss an den ersten Außenschichtbereich 1121i elektrisch mit dem Low-Side-Gleichstromeingang (DC-) verbunden. Der Drain-Anschluss (D) des High-Side-Leistungshalbleiter-Schaltelements 121H und der Source-Anschluss (S) des Low-Side-Leistungshalbleiter-Schaltelements 121L sind elektrisch miteinander und mit der inneren leitenden Schicht 112 des Substrats durch Anschlüsse an den zweiten äußeren Schichtbereich 1121ii verbunden.The source terminal (S) of the high-side power semiconductor switching element 121H is electrically connected to the high-side direct current (DC+) input via a terminal (e.g., a soldered, sintered, or bonded connection) to the third outer layer region 1121iii . The drain terminal (D) of the low-side power semiconductor switching element 121L is electrically connected to the low-side direct current (DC-) input via a terminal to the first outer layer region 1121i. The drain connection (D) of the High-side power semiconductor switching element 121H and the source terminal (S) of low-side power semiconductor switching element 121L are electrically connected to each other and to the inner conductive layer 112 of the substrate through connections to the second outer layer region 1121ii.

Die innere Schicht 112 ist in z-Richtung dicker als die äußeren Schichtbereiche 1121i-1121iii. Diese größere Dicke verringert den Widerstand und erhöht somit die Stromtragfähigkeit der inneren leitenden Schicht 112. Dies spiegelt die Tatsache wider, dass in diesem Beispiel die innere leitende Schicht 112 einen hohen Strom führt, während die äußeren Schichtbereiche 1121i-iii als elektrischer Kontakt und nicht als Pfade für die Stromübertragung zwischen Komponenten dienen. Die dünnen äußeren Schichtbereiche 1121i-1121iii können eine Dicke von weniger als 100 µm (z. B. 50 µm) haben, während die dickere innere Schicht 114 eine Dicke von mehr als 100 µm (z. B. 100-400 µm) haben kann. Eine Vielzahl von Durchkontaktierungen (z. B. fünf, zehn oder mehr) kann verwendet werden, um einen dünnen äußeren Kontaktbereich und die dicke innere Schicht zu verbinden. Durch die Erhöhung der Anzahl der Durchkontaktierungen für einen elektrischen Pfad kann die Strombelastbarkeit entsprechend erhöht werden.The inner layer 112 is thicker in the z direction than the outer layer regions 1121i-1121iii. This greater thickness reduces the resistance and thus increases the current carrying capacity of the inner conductive layer 112. This reflects the fact that in this example the inner conductive layer 112 carries a high current while the outer layer regions 1121i-iii act as electrical contact rather than as Paths for power transmission between components are used. The thin outer layer regions 1121i-1121iii may have a thickness of less than 100 µm (e.g. 50 µm), while the thicker inner layer 114 may have a thickness of greater than 100 µm (e.g. 100-400 µm). . A variety of vias (e.g. five, ten or more) can be used to connect a thin outer contact area and the thick inner layer. By increasing the number of vias for an electrical path, the current carrying capacity can be increased accordingly.

zeigt, wie Leistungshalbleiter-Schaltelemente P1 und P2 parallel geschaltet werden können. Bei P1 und P2 kann es sich beispielsweise um zwei Low-Side-Leistungshalbleiter einer Phase eines zweistufigen AC-DC Wandlers handeln. Die y- und z-Richtungen sind zum Vergleich mit angegeben. shows how power semiconductor switching elements P1 and P2 can be connected in parallel. P1 and P2 can, for example, be two low-side power semiconductors in one phase of a two-stage AC-DC converter. The y and z directions are for comparison with specified.

Wie in 5A weist eine planare Oberfläche 111b des Substrats 11 Bereiche 1121iv, 1121v, 1121vi auf, die eine äußere leitende Schicht tragen. Diese Bereiche 1121iv, 1121v, 1121vi erleichtern die Verbindung mit den Anschlüssen der Leistungshalbleiter P1 und P2, z. B. durch Löten, Sintern oder Kleben. Das Mehrschichtsubstrat 11 enthält außerdem zwei innere leitende Schichten 112b, 112c. Jede der inneren Schichten 112b, 112c ist elektrisch mit einem der äußeren Schichtbereiche 1121v, 1121vi durch einen entsprechenden Satz von Verbindungen 114b, 114c verbunden, die sich in z-Richtung durch das Substrat 11 erstrecken. Wie in 5A sind die inneren Schichten 112b, 112c dicker als die äußeren Schichtbereiche 1121iv-vi.As in 5A A planar surface 111b of the substrate 11 has regions 1121iv, 1121v, 1121vi which carry an outer conductive layer. These areas 1121iv, 1121v, 1121vi facilitate the connection to the connections of the power semiconductors P1 and P2, e.g. B. by soldering, sintering or gluing. The multilayer substrate 11 also contains two inner conductive layers 112b, 112c. Each of the inner layers 112b, 112c is electrically connected to one of the outer layer regions 1121v, 1121vi through a corresponding set of connections 114b, 114c extending through the substrate 11 in the z-direction. As in 5A the inner layers 112b, 112c are thicker than the outer layer regions 1121iv-vi.

Der Source-Anschluss (S) des ersten Leistungshalbleiter-Schaltelements P1 ist über einen Anschluss an den ersten Außenschichtbereich 1121iv elektrisch mit der AC-Seite des Wandlers 10 verbunden. Der Source-Anschluss (S) des zweiten Leistungshalbleiter-Schaltelements P2 ist elektrisch mit der AC-Seite des Wandlers 10 über einen Anschluss an den dritten Außenschichtbereich 1121vi verbunden, der über den Anschluss 114c mit der inneren leitenden Schicht 112c des Laufwerks verbunden ist. Der Drain-Anschluss (D) des ersten Leistungshalbleiter-Schaltelements P1 und der Drain-Anschluss (D) des zweiten Leistungshalbleiter-Schaltelements P2 sind untereinander und mit der inneren leitenden Schicht 112b des Substrats 11 durch gelötete, gesinterte oder geklebte Anschlüsse mit dem zweiten äußeren Schichtbereich 1121 v elektrisch verbunden.The source terminal (S) of the first power semiconductor switching element P1 is electrically connected to the AC side of the converter 10 via a terminal to the first outer layer region 1121iv. The source terminal (S) of the second power semiconductor switching element P2 is electrically connected to the AC side of the converter 10 via a terminal to the third outer layer region 1121vi, which is connected to the inner conductive layer 112c of the drive via the terminal 114c. The drain terminal (D) of the first power semiconductor switching element P1 and the drain terminal (D) of the second power semiconductor switching element P2 are connected to each other and to the inner conductive layer 112b of the substrate 11 through soldered, sintered or bonded connections to the second outer one Layer area 1121 v electrically connected.

Es versteht sich von selbst, dass die Verbindungsanordnungen der 5A-5B nur ein Beispiel sind und dass die Verbindungen auf verschiedene Weise hergestellt werden können, mit unterschiedlichen Kombinationen von äußeren Schichten, inneren Schichten und Verbindungen in z-Richtung. Es sollte weiterhin verstanden werden, dass:

  • - Die verschiedenen Innenschichten 112a-c so dargestellt sind, dass sie die gleiche Dicke haben und sich in der gleichen Tiefe durch das Substrat 11 erstrecken. Dies muss nicht der Fall sein und wird im Allgemeinen auch nicht der Fall sein. Die inneren Schichten können unterschiedliche Dicken haben und in z-Richtung und/oder x-y-Richtung versetzt sein.
  • - Die Außenschichten 1121 i-vi und die Innenschichten 112a-c gleich dick oder unterschiedlich dick sein können. Die geeigneten Dicken hängen bis zu einem gewissen Grad von den Anforderungen der Anwendung ab (z. B. Leistung). Es ist im Allgemeinen einfacher, dicke Innenschichten 112a-c z. B. durch bekannte Leiterplattenherstellungsverfahren herzustellen als dicke Außenschichten, die z. B. durch Abscheidung erzeugt werden können.
It goes without saying that the connection arrangements of the 5A-5B are just an example and that the connections can be made in different ways, with different combinations of outer layers, inner layers and z-direction connections. It should further be understood that:
  • - The various inner layers 112a-c are shown as having the same thickness and extending through the substrate 11 to the same depth. This does not have to be the case and generally will not be the case. The inner layers can have different thicknesses and be offset in the z direction and/or xy direction.
  • - The outer layers 1121i-vi and the inner layers 112a-c can be the same thickness or different thicknesses. The appropriate thicknesses depend to some extent on the requirements of the application (e.g. performance). It is generally easier to use thick inner layers 112a-c, e.g. B. produced by known circuit board manufacturing processes as thick outer layers, e.g. B. can be generated by deposition.

In jedem der oben beschriebenen Beispiele hat der AC-DC Wandler 10 nur eine einzige Phase. Dies dient jedoch nur der Veranschaulichung und Erläuterung, und AC-DC-Wandler gemäß der vorliegenden Offenbarung können und werden im Allgemeinen mehrere Phasen haben. Zu diesem Zweck veranschaulichen die , wie die oben beschriebenen Konzepte auf mehrere Phasen erweitert werden können. Die zeigen einen zweistufigen, dreiphasigen AC-DC-Wandler, bei dem die Low-Side und die High-Side jeder Phase mehrere (in diesem Fall acht) parallel geschaltete Leistungshalbleiter-Schaltelemente umfasst.In each of the examples described above, the AC-DC converter 10 has only a single phase. However, this is for purposes of illustration and explanation only, and AC-DC converters according to the present disclosure can and generally will have multiple phases. To this end, they illustrate , how the concepts described above can be extended to multiple phases. The show a two-stage, three-phase AC-DC converter in which the low side and the high side of each phase comprise several (in this case eight) power semiconductor switching elements connected in parallel.

ist ein schematischer Querschnitt des Wandlers 10. Die x-Richtung und die z-Richtung sind angegeben. Der Wandler 10 hat drei Phasen, die mit U, V und W bezeichnet werden. Jede Phase hat ihren eigenen Satz von Leistungshalbleiter-Prepackages: die erste Phase U hat Prepackages 12U-L und 12U-H; die zweite Phase V hat Prepackages 12V-L und 12V-H; und die dritte Phase W hat Prepackages 12W-L und 12W-H. Die Prepackages 12 jeder Phase sind oberflächenmontiert und elektrisch mit einem gemeinsamen mehrschichtigen planaren Trägersubstrat 11 verbunden, bei dem es sich wie zuvor um eine Leiterplatte handeln kann. Die Wärmeabfuhrseiten der Prepackages 12 sind einem Kühlkörper 15 zugewandt, wobei sich zwischen den Unterseiten der Prepackages 12U-W und dem Kühlkörper 15 thermische Schnittstellenschichten 16U, 16V, 16W befinden. is a schematic cross section of the transducer 10. The x-direction and the z-direction are indicated. The converter 10 has three phases, designated U, V and W. Each phase has its own set of power semiconductor prepackages: the first phase U has prepackages 12U-L and 12U-H; the second phase V has prepackages 12V-L and 12V-H; and the third phase W has prepackages 12W-L and 12W-H. The prepackages 12 of each phase are surface mounted and electrically connected to a common multilayer planar support substrate 11, which may be a printed circuit board as before. The heat dissipation sides of the prepackages 12 face a heat sink 15, with thermal interface layers 16U, 16V, 16W being located between the undersides of the prepackages 12U-W and the heat sink 15.

Zur besseren Veranschaulichung sind die anderen Komponenten der Kommutierungszelle, nämlich die Gate-Treiberschaltung 13, der/die Kondensator(en) 14 und die elektrischen Verbindungen zwischen diesen Komponenten nicht dargestellt. Es wird jedoch deutlich, dass diese Komponenten und ihre Verbindungen im Wesentlichen wie oben unter Bezugnahme auf die 1-5 beschrieben sind.For better illustration, the other components of the commutation cell, namely the gate driver circuit 13, the capacitor(s) 14 and the electrical connections between these components are not shown. However, it is clear that these components and their compounds are essentially as described above with reference to 1-5 are described.

In diesem Beispiel gibt es einen gemeinsamen Kühlkörper 15, der den gesamten Wandler 10 versorgt, aber es versteht sich von selbst, dass es stattdessen einen separaten Kühlkörper für jede Phase U, V, W geben könnte, ähnlich der in gezeigten Anordnung für eine einzelne Phase. Außerdem sitzen die Prepackages in diesem Beispiel in einer Aussparung 151 im Kühlkörper 15. Die Verwendung einer Aussparung kann vorteilhaft die Dicke des Wandlers in z-Richtung verringern und auch einen sekundären Wärmeleitpfad zwischen den Prepackages 12 und dem Kühlkörper 15 schaffen, der durch das Substrat 11 verläuft. Darüber hinaus kann, sofern die Aussparung in geeigneter Weise abgedichtet ist, ein flüssiges oder gasförmiges Kühlmedium durch die Aussparung geleitet werden, um die Prepackages 12 direkt zu kühlen.In this example there is a common heatsink 15 powering the entire converter 10, but it goes without saying that there could instead be a separate heatsink for each phase U, V, W, similar to that in shown arrangement for a single phase. In addition, in this example, the prepackages sit in a recess 151 in the heat sink 15. The use of a recess can advantageously reduce the thickness of the converter in the z direction and also create a secondary heat conduction path between the prepackages 12 and the heat sink 15, which passes through the substrate 11 runs. In addition, provided the recess is suitably sealed, a liquid or gaseous cooling medium can be passed through the recess to directly cool the prepackages 12.

Im gezeigten Beispiel werden der Kühlkörper 15 und das Substrat 11 mit Hilfe von Befestigungsmitteln 17 befestigt und zusammengepresst. Dies ist nicht unbedingt erforderlich, aber die Verwendung von Befestigungselementen zum Anpressen des Substrats 11 und der Prepackages 12 an den Kühlkörper 15 kann vorzuziehen sein, um eine bessere thermische Schnittstelle zum Kühlkörper 15 zu gewährleisten.In the example shown, the heat sink 15 and the substrate 11 are fastened and pressed together using fasteners 17. This is not strictly necessary, but the use of fasteners to press the substrate 11 and prepackages 12 to the heat sink 15 may be preferable to ensure a better thermal interface to the heat sink 15.

Der Kühlkörper weist Barrierewände 152 auf, die die Aussparung 151 in drei Kammern (eine für jede Phase) unterteilen, um eine Isolierung zwischen den Phasen zu gewährleisten. Dies kann zur Fehlerbegrenzung nützlich sein, kann aber in anderen Beispielen auch weggelassen werden. Die Barrierewände 152 können auch nicht in den Kühlkörper 15 integriert sein, obwohl integrierte Barrierewände die Qualität des sekundären Wärmeleitungspfads zwischen den Prepackages 12 und dem Kühlkörper 15 verbessern können. Werden die Barrierewände 152 weggelassen, kann eine TIL 16 verwendet werden, die sich über die Prepackages mehrerer (z. B. aller) Phasen U, V, W des Wandlers 10 erstreckt.The heat sink has barrier walls 152 that divide the recess 151 into three chambers (one for each phase) to provide isolation between phases. This can be useful for error limitation, but can also be omitted in other examples. The barrier walls 152 may also not be integrated into the heat sink 15, although integrated barrier walls may improve the quality of the secondary heat conduction path between the prepackages 12 and the heat sink 15. If the barrier walls 152 are omitted, a TIL 16 can be used that extends over the prepackages of several (e.g. all) phases U, V, W of the converter 10.

ist eine schematische Draufsicht auf den Wandler 10 aus . Es sind nur die Prepackages 12 dargestellt, und wie in 3B sind die Prepackages 12 dargestellt, obwohl sie sich auf der Unterseite des Substrats befinden und durch den Kühlkörper 15 verdeckt sind. Da die y-Richtung nicht mehr verdeckt ist, kann man erkennen, dass die Low-Side und die High-Side jeder Phase U, V, W acht Leistungshalbleiter-Schaltelemente umfasst, die jeweils in einem Leistungshalbleiter-Prepackage untergebracht sind. So sind beispielsweise die acht Prepackages 12U-L1 bis 12U-L8 beschriftet. is a schematic top view of the converter 10 . Only the prepackages 12 are shown, and as in 3B the prepackages 12 are shown, although they are located on the underside of the substrate and are covered by the heat sink 15. Since the y-direction is no longer obscured, it can be seen that the low side and the high side of each phase U, V, W comprises eight power semiconductor switching elements, each of which is housed in a power semiconductor prepackage. For example, the eight prepackages 12U-L 1 to 12U-L 8 are labeled.

Fachleute werden verstehen, dass das Beispiel der 6A-B auf eine beliebige Anzahl von Phasen und auf eine beliebige Anzahl von parallel geschalteten Leistungshalbleiter-Schaltelementen erweitert werden kann. Es wird auch deutlich, dass es auf DC/DC-Wandler-Schaltungen ausgedehnt werden kann, die nur ein einziges Leistungshalbleiter-Schaltelement oder einen Satz parallel geschalteter Leistungshalbleiter-Schaltelemente umfassen können.Experts will understand that the example of the 6A-B can be expanded to any number of phases and to any number of power semiconductor switching elements connected in parallel. It also becomes clear that it can be extended to DC/DC converter circuits, which may include only a single power semiconductor switching element or a set of power semiconductor switching elements connected in parallel.

Im Allgemeinen kann jeder leistungselektronische Wandler so verstanden werden, dass er aus einem oder mehreren „logischen Schaltern“ besteht, die jeweils ein oder mehrere parallel geschaltete Leistungshalbleiter-Schaltelemente umfassen. Im Falle eines zweistufigen AC-DC-Wandlers gibt es zwei logische Schalter pro Phase (ein Low-Side- und ein High-Side-Schalter). Bei einem DC-DC-Wandler kann es auch nur einen logischen Schalter geben (siehe z. B. , während andere DC-DC-Wandler mehrere logische Schalter umfassen können (siehe z. B. , die vier logische Schalter hat; zwei pro Seite des Transformators 250'). Wandler gemäß der vorliegenden Offenlegung können eine beliebige Anzahl von Leistungshalbleitern (und somit Prepackages) pro logischem Schalter umfassen, wobei 3 bis 10 Prepackages pro logischem Schalter typisch sind.In general, any power electronic converter can be understood as consisting of one or more “logic switches,” each of which includes one or more power semiconductor switching elements connected in parallel. In the case of a two-stage AC-DC converter, there are two logical switches per phase (one low-side and one high-side switch). In a DC-DC converter there can also only be one logical switch (see e.g. , while other DC-DC converters may include multiple logical switches (see e.g. , which has four logical switches; two per side of the transformer 250'). Converters according to the present disclosure may include any number of power semiconductors (and thus prepackages) per logic switch, with 3 to 10 prepackages per logic switch being typical.

Es lohnt sich zu überlegen, wie sich eine Änderung der Phasenzahl auf die Definition des Volumens der Kommutierungszelle und der Parasitärinduktivität des Leistungskreises auswirkt. Jede Phase bildet einen Teil der Kommutierungszelle. Das kleinste quaderförmige Volumen, das die Kommutierungszelle umschließt, umschließt also jede Phase des Wandlers. Jeder Phasenkreis ist jedoch im Wesentlichen unabhängig von den anderen Phasenkreisen, wobei sein Schalten und die Leitung zwischen seiner Gleich- und Wechselstromseite unabhängig von den anderen Phasenkreisen sind. Daher kann ein mehrphasiger Leistungskreis unter dem Gesichtspunkt der Parasitärinduktivität als Äquivalent zu mehreren unabhängigen einphasigen Leistungskreisen betrachtet werden, und die Parasitärinduktivität des Leistungskreises ist daher gleich der Parasitärinduktivität einer der Phasen. Die Parasitärinduktivität jeder Phase ist gleich (abgesehen von kleinen unvermeidlichen Abweichungen, die z. B. durch die Fertigungstoleranz der Komponenten und die Qualität der elektrischen Kontakte bedingt sind), so dass es keine Rolle spielt, welche Phase gewählt wird. Grundsätzlich ist es möglich, einen Wandler zu entwerfen, bei dem jede Phase eine andere Parasitärinduktivität aufweist, doch wäre dies unerwünscht.It is worth considering how a change in the number of phases affects the definition of the volume of the commutation cell and the parasitic inductance of the power circuit. Each phase forms part of the commutation cell. The smallest cuboid volume that encloses the commutation cell therefore encloses each phase of the converter. However, each phase circuit is substantially independent of the other phase circuits, with its switching and conduction between its DC and AC sides being independent of the other phase circuits. Therefore, from the parasitic inductance point of view, a multi-phase power circuit can be considered as equivalent to several independent single-phase power circuits, and the parasitic inductance of the power circuit is therefore equal to the parasitic inductance of one of the phases. The parasitic inductance of each phase is the same (apart from small unavoidable variations due, for example, to the manufacturing tolerance of the components and the quality of the electrical contacts), so it does not matter which phase is chosen. In principle it is possible to design a converter where each phase has a different parasitic inductance, but this would be undesirable.

Tabelle 28 enthält als spezifisches Beispiel die Spezifikationen von zwei Wandlern gemäß der vorliegenden Offenlegung. Bei beiden handelt es sich um zweistufige, dreiphasige AC-DC-Wandler, was jedoch nicht als Einschränkung zu verstehen ist. Tabelle 28 Beispiel 1 (100 kW, 2-stufig, 3-Phasen AC-DC) Beispiel 2 (200 kW, 2-stufig, 3-Phasen AC-DC) Substrat-Typ Starre mehrlagige PCB Starre mehrlagige PCB Leistungshalbleiter Typ SiC-MOSFET SiC-MOSFET Prepackage Typ FR4-Isolierung mit integrierter keramischer EIL FR4-Isolierung mit integrierter keramischer EIL Kühlkörpertyp Luftgekühltes Aluminium Flüssigkeitsgekühltes Aluminium TIL-Typ Indium-Zinn-Lot Indium-Zinn-Folie Spitzenleistung 100 kW 200 kW MOSFET Source-Drain-Sperrspannung 1,200 V 1,400 V Nennspitzenstrom 200 A 350 A Maximale Schaltfrequenz 50 kHz 50 KHz Maximale Source-Drain-Spannungsrampenrate [dv/dt] 30 kV/µs 35 kV/µs Parasitärinduktivität des Leistungskreises [L] 4 nH 2 nH Gesamtkapazität des Leistungskreises [C, @298K, 1.000V DC] 50 µF 100 µF Volumen der Kommutierungszelle [Kleinster Quader] 300 cm3 424 cm3 Anzahl der Prepackages pro logischem Switch 6 12 Gesamtzahl der Prepackages 36 72 Spalt zwischen Substrat und Prepackages 100 µm 120 µm Spalt zwischen Substrat und Kühlkörper 1,5 mm 1,6 mm TIL-Stärke 200 µm 150 µm EIL-Dicke 0,25 mm 0,25 mm TIL Wärmeleitfähigkeit 3,5 W/mK 2,5 W/mK Wirkungsgrad 99% 99% α = L × Vol 1,2 pHm3 0,85 pHm3 β = f max × |dv/dt| max 1,5 PV/s2 1,75 PV/s2 γ = C P × f max

Figure DE102022205482A1_0035
10 fFs/W 10 fFs/W δ = V block L × C
Figure DE102022205482A1_0036
6 PV/FH 7 PV/FH
ε = f max × | dv dt | max L × C
Figure DE102022205482A1_0037
7,5 ×1027 V/s4 8,8 ×1027 V/s4
θ = G 1 E 1
Figure DE102022205482A1_0038
18.25 Uhr /V2 18.25 Uhr /V2
φ = G 2 E 2
Figure DE102022205482A1_0039
1 nm /V2 1 nm /V2
σ = F R max
Figure DE102022205482A1_0040
80/mm 100/mm
τ = K × R max 20 V 20 V ρ = k × E Break 25 GV/m K2 25 GV/m K2 η = h G 3
Figure DE102022205482A1_0041
0,3 MW/m K3 0,7 MW/m K3
Ω = M K
Figure DE102022205482A1_0042
0,8 MNK/Wm 0,8 MNK/Wm
Table 28 contains, as a specific example, the specifications of two converters according to the present disclosure. Both are two-stage, three-phase AC-DC converters, but this should not be seen as a limitation. Table 28 Example 1 (100 kW, 2-stage, 3-phase AC-DC) Example 2 (200 kW, 2-stage, 3-phase AC-DC) Substrate type Rigid multi-layer PCB Rigid multi-layer PCB Power semiconductor type SiC MOSFET SiC MOSFET Prepackage type FR4 insulation with integrated ceramic EIL FR4 insulation with integrated ceramic EIL Heat sink type Air-cooled aluminum Liquid-cooled aluminum TIL type Indium tin solder Indium tin foil Top performance 100kW 200kW MOSFET source-drain reverse voltage 1,200V 1,400V Rated peak current 200A 350A Maximum switching frequency 50kHz 50KHz Maximum source-drain voltage ramp rate [dv/dt] 30 kV/µs 35 kV/µs Parasitic inductance of the power circuit [L] 4 nH 2 nH Total capacity of the power circuit [C, @298K, 1,000V DC] 50µF 100µF Volume of the commutation cell [smallest cuboid] 300cm3 424cm3 Number of prepackages per logical switch 6 12 Total number of prepackages 36 72 Gap between substrate and prepackages 100 µm 120µm Gap between substrate and heat sink 1.5mm 1.6mm TIL strength 200 µm 150 µm EIL thickness 0.25mm 0.25mm TIL thermal conductivity 3.5W/mK 2.5W/mK Efficiency 99% 99% α = L × Vol 1.2 pHm3 0.85 pHm3 β = f max × |dv/dt| Max 1.5PV/s 2 1.75 PV/s 2 γ = C P × f Max
Figure DE102022205482A1_0035
10 fFs/W 10 fFs/W
δ = v block L × C
Figure DE102022205482A1_0036
6 PV/FH 7 PV/FH
ε = f Max × | dv German | Max L × C
Figure DE102022205482A1_0037
7.5×10 27V /s 4 8.8×10 27V /s 4
θ = G 1 E 1
Figure DE102022205482A1_0038
6.25 p.m. /V 2 6.25 p.m. /V 2
φ = G 2 E 2
Figure DE102022205482A1_0039
1nm/ V2 1nm/ V2
σ = F R Max
Figure DE102022205482A1_0040
80/mm 100/mm
τ = K × R max 20V 20V ρ = k × E break 25 GV/m K2 25 GV/m K2 η = H G 3
Figure DE102022205482A1_0041
0.3 MW/m K3 0.7 MW/m K3
Ω = M K
Figure DE102022205482A1_0042
0.8 MNK/Wm 0.8 MNK/Wm

Die 7A-7B und 8A-8B zeigen mehrere alternative Möglichkeiten, wie die Leistungshalbleiter-Prepackages 12 in Bezug auf das mehrschichtige Trägersubstrat 11 angeordnet und angeschlossen werden können. In jedem Fall sind die Gate-Treiberschaltung 13 und der/die Kondensator(en) 14 weggelassen, aber es versteht sich von selbst, dass diese in die alternativen Anordnungen im Wesentlichen wie oben beschrieben integriert werden könnten.The 7A-7B and 8A-8B show several alternative ways in which the power semiconductor prepackages 12 can be arranged and connected in relation to the multilayer carrier substrate 11. In any case, the gate driver circuit 13 and capacitor(s) 14 are omitted, but it will be understood that these could be incorporated into the alternative arrangements substantially as described above.

zeigt die allgemeine Wandleranordnung 10, die oben unter Bezugnahme auf die und in Tabelle 28 beschrieben wurde. Jedes Leistungshalbleiter-Prepackage 12 ist oberflächenmontiert auf der Unterseite des mehrschichtigen Trägersubstrats 11, wobei die elektrischen Verbindungen zwischen den beiden die Form von Löt-, Sinter- oder Klebeverbindungen 113 haben. Die andere Seite der Prepackages 12 ist einem gemeinsamen Kühlkörper 15 zugewandt, wobei eine TIL 16 die mechanische und thermische Schnittstelle zwischen dem Prepackage 12 und dem Kühlkörper 15 bildet. shows the general transducer assembly 10 described above with reference to and described in Table 28. Each power semiconductor prepackage 12 is surface mounted on the underside of the multilayer carrier substrate 11, with the electrical connections between the two taking the form of soldered, sintered or adhesive connections 113. The other side of the prepackages 12 faces a common heat sink 15, with a TIL 16 forming the mechanical and thermal interface between the prepackage 12 and the heat sink 15.

zeigt eine alternative Wandleranordnung 10', bei der die Prepackages 12 und der Kühlkörper 15 auf gegenüberliegenden Seiten des Trägersubstrats 11 montiert sind. Wie zuvor sind die Prepackages 12 mit Hilfe von Löt- oder Sinterverbindungen 113 oberflächenmontiert auf dem Substrat 11 angebracht. Der Kühlkörper 15 ist mechanisch und thermisch über eine TIL 16 mit dem Substrat 11 verbunden. Die Länge und der Wärmewiderstand des Wärmeleitpfades zwischen den Prepackages 12 und dem Kühlkörper 15 werden durch die Montage der Prepackages 12 und des Kühlkörpers 15 auf gegenüberliegenden Seiten des Substrats 11 erhöht. Aus diesem Grund kann die Anordnung in derjenigen in vorgezogen werden. Die Hinzufügung von in das Trägersubstrat integrierten wärmeleitenden Elementen 115 kann jedoch eine nützliche und ausreichende Verringerung des Wärmewiderstands bewirken. Bei den wärmeleitenden Elementen könnte es sich z. B. um Kupfer-Vias handeln. shows an alternative converter arrangement 10 ', in which the prepackages 12 and the heat sink 15 are mounted on opposite sides of the carrier substrate 11. As before, the prepackages 12 are surface-mounted on the substrate 11 using soldered or sintered connections 113. The heat sink 15 is mechanically and thermally connected to the substrate 11 via a TIL 16. The length and thermal resistance of the thermal path between the prepackages 12 and the heat sink 15 are increased by mounting the prepackages 12 and the heat sink 15 on opposite sides of the substrate 11. For this reason, the arrangement in the one in be preferred. However, the addition of thermally conductive elements 115 integrated into the supporting substrate can provide a useful and sufficient reduction in thermal resistance. The heat-conducting elements could be, for example: B. be copper vias.

Die 8A und 8B zeigen weitere alternative Wandleranordnungen 10'', 10''', bei denen die Prepackages 12 in das mehrschichtige Trägersubstrat 11 eingebettet sind. Die Einbettung der Prepackages 12 kann mehrere Vorteile bieten. Erstens entfallen dadurch einige Luftspalten im Wandler, die andernfalls aufgrund der hohen Spannungen und elektrischen Felder, die in Wandlern der vorliegenden Offenbarung verwendet werden können, anfällig für elektrische Durchschläge sein könnten. Zweitens ist es möglich, den Wandler in z-Richtung etwas kompakter zu gestalten, da einige Lücken entfallen. Drittens müssen weniger Verbindungen zwischen den Prepackages und den leitenden Elementen der Substrate 11 hergestellt werden, z. B. Löt- oder Sinterverbindungen, was die Komplexität der Herstellung etwas verringert und eine Fehlerquelle beseitigt. Die Wärmeabfuhr aus den Anordnungen 10'', 10''' der 8A und 8B ist jedoch schwieriger.The 8A and 8B show further alternative transducer arrangements 10'', 10''', in which the prepackages 12 are embedded in the multilayer carrier substrate 11. Embedding the prepackages 12 can offer several advantages. First, this eliminates some air gaps in the transducer that might otherwise be susceptible to electrical breakdowns due to the high voltages and electrical fields that may be used in transducers of the present disclosure. Secondly, it is possible to make the converter somewhat more compact in the z direction, as some gaps are eliminated. Thirdly, fewer connections need to be made between the prepackages and the conductive elements of the substrates 11, e.g. B. soldered or sintered connections, which somewhat reduces the complexity of production and eliminates a source of errors. The heat dissipation from the arrangements 10'', 10''' of 8A and 8B however, is more difficult.

unterscheidet sich von dadurch, dass die Prepackages 12 vollständig in das Substrat 11 eingebettet und somit vollständig von Isoliermaterial umgeben sind. In liegt die Unterseite der Prepackage 12 frei und bündig mit einer der planaren Oberflächen des Substrats 11. Die vollständige Einbettung der Prepackages 12 in das Substrat 11 führt zu einer weiteren Verbesserung der elektrischen Isolierung der Leistungshalbleiter 121, erhöht aber auch den Wärmewiderstand zwischen den Prepackages 12 und dem Kühlkörper 15 weiter. In sind wärmeleitende Elemente 115 in das Substrat 11 integriert, um den Wärmewiderstand des Wärmeleitpfades zu verringern. differs from in that the prepackages 12 are completely embedded in the substrate 11 and are therefore completely surrounded by insulating material. In the underside of the prepackage 12 is exposed and flush with one of the planar surfaces of the substrate 11. The complete embedding of the prepackages 12 in the substrate 11 leads to a further improvement in the electrical insulation of the power semiconductors 121, but also increases the thermal resistance between the prepackages 12 and the heat sink 15 further. In Heat-conducting elements 115 are integrated into the substrate 11 to reduce the thermal resistance of the heat-conducting path.

In jedem der oben beschriebenen Beispiele haben die leistungselektronischen Wandler 10, 10', 10'', 10''' die Form eines zweistufigen AC-DC-Wandlers angenommen. Fachleute werden verstehen, dass die beschriebenen Konzepte auch auf andere Arten von leistungselektronischen Wandlern angewendet werden können, einschließlich alternativer AC-DC-Wandler-Topologien (einschließlich Multi-Level-Wandler-Topologien) und DC-DC-Wandler. Die zeigen verschiedene AC-DC- und leistungselektronische DC-DC-Wandler-Schaltungen, die in Übereinstimmung mit den oben beschriebenen Ausführungsformen verwendet werden können.In each of the examples described above, the power electronic converters 10, 10', 10'', 10''' have taken the form of a two-stage AC-DC converter. Those skilled in the art will understand that the concepts described can also be applied to other types of power electronic converters, including alternative AC-DC converter topologies (including multi-level converter topologies) and DC-DC converters. The show various AC-DC and power electronic DC-DC converter circuits that can be used in accordance with the embodiments described above.

zeigt eine dreiphasige elektrische Maschine 140, die an einen zweistufigen, dreiphasigen AC-DC Wandler 100 angeschlossen ist. Die elektrische Maschine 140 ist als Motor und der Wandler 100 als Wechselrichter konfiguriert, aber es versteht sich, dass die Anordnung eines Generators und Gleichrichters sehr ähnlich wäre. shows a three-phase electrical machine 140 connected to a two-stage, three-phase AC-DC converter 100. The electric machine 140 is configured as a motor and the converter 100 as an inverter, but it will be understood that the arrangement of a generator and rectifier would be very similar.

In diesem Beispiel ist ein Ende jeder Phasenwicklung 140u-w des Motors 140 an einem gemeinsamen Punkt (dem Stern- oder Y-Punkt) angeschlossen, obwohl auch eine Dreieckschaltung der Wicklungen 140u-w verwendet werden könnte. Das andere Ende jeder Wicklung ist mit einem entsprechenden Phasenschenkel 110u-w des Wechselrichters 100 an einem Phasenanschlusspunkt verbunden. Jeder Phasenzweig 110u-w ist außerdem mit einem hohen und einem niedrigen Gleichstromeingang DC-H, DC-L verbunden, die beispielsweise an einen Gleichstrombus wie den Gleichstrombus 330 in 12A angeschlossen werden können. Jeder Phasenschenkel umfasst einen High- und einen Low-Side-Transistor 112H, 112L und zugehörige parallele Dioden 112H-d, 112L-d, die zwischen den High- und Low-Side-Gleichstromeingängen DC-H, DC-L angeschlossen sind.In this example, one end of each phase winding 140u-w of the motor 140 is connected to a common point (the star or Y point), although a delta connection of the windings 140u-w could also be used. The other end of each winding is connected to a corresponding phase leg 110u-w of the inverter 100 at a phase connection point. Each phase branch 110u-w is also connected to a high and a low DC input DC-H, DC-L, which are connected, for example, to a DC bus such as the DC bus 330 in 12A can be connected. Each phase leg includes a high and a low side transistor 112H, 112L and associated parallel diodes 112H-d, 112L-d connected between the high and low side DC inputs DC-H, DC-L.

Der Wechselrichter 100 umfasst ferner einen glättenden DC-Link-Kondensator 114, der zwischen die hohen und niedrigen Gleichstromeingänge DC-H, DC-L geschaltet ist, und eine Gate-Treiberschaltung 113, die mit den Gate-Terminals der Transistoren 112H, 112L verbunden und so konfiguriert ist, dass sie Schaltsignale an diese liefert. Die Gate-Treiberschaltung 113 empfängt im Allgemeinen Steuersignale mit geringer Leistung von einem Steuergerät (nicht abgebildet) und verstärkt die Signale mit geringer Leistung, um die Gate-Terminals mit Schaltsignalen zu versorgen, die zur Steuerung des Ein/Aus-Zustands der Transistoren 112H, 112L der Phasenschenkel 110u-w geeignet sind.The inverter 100 further includes a smoothing DC link capacitor 114 connected between the high and low DC inputs DC-H, DC-L, and a gate driver circuit 113 connected to the gate terminals of the transistors 112H, 112L and is configured to deliver switching signals to it. The gate driver circuit 113 generally receives low power control signals from a controller (not shown) and amplifies the low power signals to provide the gate terminals with switching signals used to control the on/off state of the transistors 112H, 112L of the phase legs 110u-w are suitable.

In diesem Beispiel handelt es sich bei den Transistoren 112L, 112H um MOSFETs (z. B. Siliziumkarbid (SiC) MOSFETs). Wie Fachleute wissen, handelt es sich bei den parallelen Dioden 112H-d, 112L-d, die den MOSFETs 133, 134 zugeordnet sind, nicht um diskrete Bauteile, sondern um die so genannten „Body-Dioden“ der MOSFETs, d. h. um die den MOSFETs innewohnenden Dioden. In anderen Beispielen können die Dioden 112H-d, 112L-d diskrete Bauteile sein, die von den Transistoren 112H, 112L getrennt sind.In this example, the transistors 112L, 112H are MOSFETs (e.g., silicon carbide (SiC) MOSFETs). As those skilled in the art know, the parallel diodes 112H-d, 112L-d, which are associated with the MOSFETs 133, 134, are not discrete components, but rather the so-called “body diodes” of the MOSFETs, i.e. H. about the diodes inherent in the MOSFETs. In other examples, diodes 112H-d, 112L-d may be discrete devices separate from transistors 112H, 112L.

Im Betrieb wird der Wechselrichter 100 über die elektrischen Verbindungen DC-H, DC-L mit elektrischer Gleichspannung versorgt. Die Gate-Terminals der Transistoren 112H, 112L empfangen Schaltsignale von der Gate-Treiberschaltung 113. Wie dem Fachmann klar sein wird, schalten die Schaltsignale die Transistoren 112L, 112H jedes Phasenschenkels 110u-w zwischen leitenden und nichtleitenden („ein“ und „aus“) Zuständen um, wodurch der Strom von den oberen und unteren Zweigen jedes Phasenschenkels 110u-w in die jeweilige Phasenwicklung 140u-w des Motors 140 umgeschaltet wird. Zeitpunkte und Dauer des Umschaltens werden so gesteuert, dass die Phasenwicklungen 140u-w des Motors 140 über die AC-Phasenanschlusspunkte mit elektrischer Wechselspannung versorgt werden.During operation, the inverter 100 is supplied with direct electrical voltage via the electrical connections DC-H, DC-L. The gate terminals of the transistors 112H, 112L receive switching signals from the gate driver circuit 113. As will be apparent to those skilled in the art, the switching signals switch the transistors 112L, 112H of each phase leg 110u-w between conducting and non-conducting ("on" and "off") ) States, whereby the current from the upper and lower branches of each phase leg 110u-w is switched into the respective phase winding 140u-w of the motor 140. The times and duration of the switching are controlled so that the phase windings 140u-w of the motor 140 are supplied with alternating electrical voltage via the AC phase connection points.

zeigt eine weitere Wechselrichterschaltung 100'. In diesem Beispiel wird ein vierphasiger Elektromotor 140' über einen AC-DC leistungselektronischen Wandler 100', der vier unabhängige H-Brückenschaltungen umfasst, mit elektrischer Energie aus einer zweistufigen Gleichstromversorgung versorgt. Der Übersichtlichkeit halber sind in nur zwei der vier H-Brückenschaltungen 110u', 110v' dargestellt, die mit den entsprechenden zwei der vier Phasen 140u', 140v' des Motors 140' verbunden sind. shows another inverter circuit 100'. In this example, a four-phase electric motor 140' is supplied with electrical energy from a two-stage direct current supply via an AC-DC power electronic converter 100', which includes four independent H-bridge circuits. For the sake of clarity, Only two of the four H-bridge circuits 110u', 110v' are shown, which are connected to the corresponding two of the four phases 140u', 140v' of the motor 140'.

Jede H-Brückenschaltung (z. B. H-Brückenschaltung 110u') umfasst vier Transistoren 112L-1', 112H-1', 112L-2', 112H-2' und zugehörige parallele Dioden, die in einer H-Brücken-Konfiguration zwischen den hohen und niedrigen Gleichstromanschlüssen DC-H, DC-L und einer der Phasenwicklungen 140u' des Motors 140' angeschlossen sind. Ein DC-Link-Kondensator 113 ist ebenfalls zwischen den Gleichstromanschlüssen DC-H, DC-L angeschlossen. Während des Betriebs versorgen die Gleichstromanschlüsse die H-Brückenschaltung 110u' mit elektrischer Gleichspannung, und die Gate-Treiberschaltung 113 liefert Schaltsignale an die Gate-Anschlüsse der Transistoren 112L-1', 112H-1', 112L-2', 112H-2'. Das Umschalten der Transistoren zwischen ihrem leitenden und nichtleitenden Zustand bewirkt eine Umkehrung der Gleichstromversorgung in Wechselstromversorgung zur Versorgung der Phasenwicklungen 140u' des Motors 140'.Each H-bridge circuit (e.g., H-bridge circuit 110u') includes four transistors 112L-1', 112H-1', 112L-2', 112H-2' and associated parallel diodes arranged in an H-bridge configuration between the high and low DC terminals DC-H, DC-L and one of the phase windings 140u' of the motor 140'. A DC link capacitor 113 is also connected between the DC terminals DC-H, DC-L. During operation, the DC terminals supply DC electrical voltage to the H-bridge circuit 110u', and the gate driver circuit 113 supplies switching signals to the gate terminals of the transistors 112L-1', 112H-1', 112L-2', 112H-2' . Switching the transistors between their conducting and non-conducting states causes a reversal of the DC power supply to AC power supply to power the phase windings 140u' of the motor 140'.

zeigt eine Schaltung des Wechselrichters 100" mit einem DCseitigen Filter, der komplexer ist als der einzelne DC-Link-Kondensator der Wandler 100, 100' der . Der Wechselrichter 100" ist wie der Wechselrichter 100 in ein zweistufiger dreiphasiger Wechselrichter. Er enthält jedoch einen Gleichstromfilter mit drei Kondensatoren 114-1, 114-2, 114-3 und vier Induktivitäten 119-1, 119-2, 119-3, 119-4, die zwischen die Gleichstromanschlüsse DC-L, DC-H und die Phasenschenkel 11 0u-w des Wandlers geschaltet sind. Jede geeignete gleichstromseitige Filterschaltung kann in Übereinstimmung mit den hier beschriebenen Ausführungsformen verwendet werden. shows a circuit of the inverter 100" with a DC-side filter that is more complex than the individual DC link capacitor of the converters 100, 100' of . The inverter 100" is like the inverter 100 in a two-stage three-phase inverter. However, it contains a DC filter with three capacitors 114-1, 114-2, 114-3 and four inductors 119-1, 119-2, 119-3, 119-4, which are connected between the DC connections DC-L, DC-H and the phase legs 11 0u-w of the converter are connected. Any suitable DC side filter circuit may be used in accordance with the embodiments described herein.

zeigt einen DC-DC-Wandler 200 vom Boost-Typ. Gleichstromwandler vom Buck-Typ und Buck-Boost-Typ sind ebenfalls bekannt. shows a boost type DC-DC converter 200. Buck type and buck-boost type DC converters are also known.

Der DC-DC Wandler 200 ist an einer seiner Seiten mit einer Batterie 220 und an der anderen Seite z.B. mit einem DC-Leistungskanal wie dem DC-Leistungskanal 330 von 11A oder dem DC-Leistungskanal 530 von 14A verbunden.The DC-DC converter 200 is on one of its sides with a battery 220 and on the other side, for example, with a DC power channel such as the DC power channel 330 of 11A or the DC power channel 530 of 14A tied together.

Der DC-DC Wandler 200 enthält einen Transistor 212, dessen Gate-Terminal (g) mit einer Gate-Treiberschaltung 213 verbunden ist. Wie in den vorangegangenen Beispielen handelt es sich bei dem Transistor 212 um einen MOSFET, und die dem Transistor 212 zugeordnete parallele Diode kann eine zusätzliche diskrete Diode der dem MOSFET eigenen Body-Diode sein. Die Wandlerschaltung 200 umfasst ferner eine Diode 218, einen Glättungskondensator 214 (der im Zusammenhang mit einem Gleichspannungswandler auch als Eingangskondensator bezeichnet werden kann) und eine Induktivität 219.The DC-DC converter 200 contains a transistor 212, the gate terminal (g) of which is connected to a gate driver circuit 213. As in the previous examples, transistor 212 is a MOSFET, and the parallel diode associated with transistor 212 may be an additional discrete diode to the MOSFET's own body diode. The converter circuit 200 further includes a diode 218, a smoothing capacitor 214 (which can also be referred to as an input capacitor in the context of a DC-DC converter) and an inductor 219.

Im Betrieb erhält der DC-DC-Wandler-Schaltkreis 200 Gleichstrom, entweder von den Anschlüssen der Batterie 220 oder von den DC-Anschlüssen DC-L, DC-H. Die Gate-Treiberschaltung 213 versorgt das Gate-Terminal (g) des Transistors mit Schaltsignalen zur Steuerung des Ein-/Aus-Zustands des Transistors 212, um die gewünschte Spannungserhöhung oder -senkung zu bewirken.In operation, the DC-DC converter circuit 200 receives direct current, either from the terminals of the battery 220 or from the DC terminals DC-L, DC-H. The gate driver circuit 213 supplies the gate terminal (g) of the transistor with switching signals to control the on/off state of the transistor 212 to effect the desired voltage increase or decrease.

zeigt einen weiteren Typ von DC-DC Wandler 200'. Der DC-DC Wandler 200' ist vom Typ DC-AC-DC und umfasst Back-to-Back Wechselrichter- 210' und Gleichrichter- 230' Stufen mit einem Zwischentransformator 250'. In diesem Beispiel sind sowohl der Wechselrichter 210' als auch der Gleichrichter 230' vom Typ H-Brücke, obwohl auch andere Wechselrichter- und Gleichrichterschaltungen verwendet werden könnten. Beide haben zugehörige gleichstromseitige Filter 214', 234'. shows another type of DC-DC converter 200'. The DC-DC converter 200' is of the DC-AC-DC type and includes back-to-back inverter 210' and rectifier 230' stages with an intermediate transformer 250'. In this example, both the inverter 210' and the rectifier 230' are of the H-bridge type, although other inverter and rectifier circuits could also be used. Both have associated DC-side filters 214', 234'.

Im Betrieb erhält der DC-DC Wandler 200' Gleichstrom von einer Gleichstromquelle, z.B. dem Energiespeichersystem 230 oder über die DC-Verbindungen DC-H, DC-L. Die Gate-Terminal der Transistoren der H-Brückenschaltungen 210', 230' erhalten Schaltsignale von der Gate-Treiberschaltung 213, die eine Invertierung des Gleichstroms und eine Gleichrichtung des Wechselstroms bewirkt, um die Wicklungen des Transformators 250' mit Strom zu versorgen oder Strom von ihnen zu empfangen. Der Gleichstrom, der von einer der ersten und zweiten H-Brückenschaltungen 210', 230' ausgegeben wird, wird entweder der Batterie 220 oder einem Gleichstromnetz über die Gleichstromanschlüsse DC-L, DC-H zugeführt.During operation, the DC-DC converter 200' receives direct current from a direct current source, for example the energy storage system 230 or via the DC connections DC-H, DC-L. The gate terminals of the transistors of the H-bridge circuits 210', 230' receive switching signals from the gate driver circuit 213, which causes inversion of the direct current and rectification of the alternating current to supply power to or current from the windings of the transformer 250' to receive them. The direct current that comes from one of the first and second H-bridge circuits 210', 230' is outputted to either the battery 220 or a DC network via the DC connections DC-L, DC-H.

Die zeigen beispielhafte Energie- und Antriebssysteme für Flugzeuge 300, 400, 500 mit leistungselektronischen Wandlern. Die leistungselektronischen Wandler können vorteilhafterweise von den hier beschriebenen effizienten, leistungsdichten Typen sein.The show exemplary energy and drive systems for aircraft 300, 400, 500 with power electronic converters. The power electronic converters can advantageously be of the efficient, power-dense types described here.

ist eine schematische Darstellung eines rein elektrischen Flugzeugantriebssystems 300. Das System 300 umfasst eine elektrische Energiespeichereinheit 320, in diesem Fall eine Hochspannungsbatterie, die einen Gleichstromkanal 330 mit elektrischer Gleichspannung versorgt. Der Gleichstromkanal 330 versorgt elektrische Verbraucher mit elektrischer Energie, darunter einen Elektromotor 340, der einen Propulsor 350 (z. B. einen Propeller oder ein Fan) antreibt. Ein Wechselrichter 310 wandelt den Gleichstrom aus dem Gleichstromkanal 330 in Wechselstrom zur Versorgung der Wicklungen des Motors 340 um. In einigen Ausführungsformen kann der Wechselrichter 310 mit dem Motor 340 integriert sein (z. B. eine gemeinsame Gehäusestruktur mit ihm teilen) und/oder der Motor 340 kann in den Propulsor 350 integriert sein. is a schematic representation of an all-electric aircraft propulsion system 300. The system 300 includes an electrical energy storage unit 320, in this case a high-voltage battery, which supplies a DC channel 330 with DC electrical voltage. The DC channel 330 supplies electrical energy to electrical loads, including an electric motor 340 that drives a propulsor 350 (e.g., a propeller or a fan). An inverter 310 converts the direct current from the direct current channel 330 into alternating current to supply the windings of the motor 340. In some embodiments, the inverter 310 may be integrated with the motor 340 (e.g., sharing a common housing structure with it) and/or the motor 340 may be integrated into the propulsor 350.

Obwohl nicht abgebildet, kann das elektrische Antriebssystem 300 optional einen Gleichstromwandler enthalten, der zwischen den Anschlüssen des Batteriepakets 320 und dem Gleichstromkanal 330 angeschlossen ist, um die Spannung auf dem Gleichstromkanal zu regeln. Beispielsweise sinkt die Anschluss-Spannung des Batteriepakets 320 tendenziell, z. B. um einen Faktor von bis zu etwa zwei, wenn das Batteriepaket 320 von einem maximalen Ladezustand auf einen niedrigeren Ladezustand entladen wird. Beispielsweise kann die Spannung im Verlauf der Entladung von einem maximalen Spannungsniveau von 900 V auf etwa 450 V abfallen. Ein DC-DC-Wandler kann daher verwendet werden, um die Anschluss-Spannung zu erhöhen und eine konstante Spannung am DC-Leistungskanal 330 aufrechtzuerhalten. Andere Anordnungen können den DC-DC-Wandler weglassen und den Spannungsabfall und den damit verbundenen Leistungsabfall durch eine Erhöhung des an die Verbraucher (z. B. den Motor 340) gelieferten Stroms kompensieren.Although not shown, the electric drive system 300 may optionally include a DC-DC converter connected between the terminals of the battery pack 320 and the DC channel 330 to regulate the voltage on the DC channel. For example, the connection voltage of the battery pack 320 tends to decrease, e.g. B. by a factor of up to about two when the battery pack 320 is discharged from a maximum state of charge to a lower state of charge. For example, the voltage may drop from a maximum voltage level of 900 V to approximately 450 V over the course of the discharge. A DC-DC converter can therefore be used to increase the terminal voltage and maintain a constant voltage on the DC power channel 330. Other arrangements may eliminate the DC-DC converter and compensate for the voltage drop and associated power loss by increasing the current delivered to the loads (e.g., motor 340).

Das in dargestellte elektrische Energie- und Antriebssystem 300 umfasst nur einen einzigen Energiekanal (oder eine Energie-„Spur“) und einen einzigen Propulsor. In der Praxis kann ein Energie- und Antriebssystem mehrere Kanäle umfassen und eine komplexere Konfiguration aufweisen. Zur Veranschaulichung zeigt ein beispielhaftes elektrisch senkrecht startendes und landendes (eVTOL) Flugzeug 360 mit einem verteilten Antriebssystem, das in diesem Fall sechs Propulsoren 350a-f umfasst. In dieser Anordnung kann jedem Propulsor 350a-f ein eigener Leistungskanal zugeordnet sein, z. B. sechs Leistungskanäle der in gezeigten Art. In einem anderen Beispiel können sich ein oder mehrere der Propulsoren 350a-f einen Leistungskanal teilen, so dass es weniger als sechs Leistungskanäle gibt.This in Electric power and propulsion system 300 shown includes only a single energy channel (or energy “trace”) and a single propulsor. In practice, a power and propulsion system may include multiple channels and have a more complex configuration. Shows for illustrative purposes an exemplary electric vertical takeoff and landing (eVTOL) aircraft 360 with a distributed propulsion system, in this case including six propulsors 350a-f. In this arrangement, each propulsor 350a-f can be assigned its own power channel, e.g. B. six power channels of the in In another example, one or more of the propulsors 350a-f may share a power channel such that there are fewer than six power channels.

Wie in dargestellt, sind vier der Propulsoren 350a-d mit den Flügeln 361 des Flugzeugs 360 verbunden, während die restlichen zwei Propulsoren 350e-f mit den hinteren Flugflächen 362 verbunden sind. Die Flügel 361 und die hinteren Flugflächen 362 kippen zwischen einer VTOL-Konfiguration (in dargestellt), in der die Propulsoren 350a-f Schub für den Auftrieb liefern, und einer Vorwärtsflugkonfiguration (in dargestellt), in der zumindest einige der Propulsoren (die hinteren Propulsoren 350e-f in Vorwärtsschub liefern. Es versteht sich, dass auch eine andere Anzahl von Propulsoren (z. B. vier oder acht) möglich ist, ebenso wie andere eVTOL-Konfigurationen (z. B. Multikopter-Konstruktionen und Variationen der dargestellten Kipprotor-Konstruktion sind ebenfalls bekannt).As in shown, four of the propulsors 350a-d are connected to the wings 361 of the aircraft 360, while the remaining two propulsors 350e-f are connected to the rear flight surfaces 362. The wings 361 and the aft flight surfaces 362 tilt between a VTOL configuration (in shown), in which the propulsors 350a-f provide thrust for lift, and a forward flight configuration (in shown), in which at least some of the propulsors (the rear propulsors 350e-f in Deliver forward thrust. It is understood that a different number of propulsors (e.g. four or eight) is also possible, as are other eVTOL configurations (e.g. multicopter designs and variations of the tiltrotor design shown are also known).

zeigt, wie sechs elektrisch angetriebene Propulsoren (z. B. die sechs Propulsoren 350a-f der ) in einem elektrischen Stromversorgungssystem 300 angeordnet sein können. Das Stromversorgungssystem 300 umfasst drei unabhängige Stromversorgungskanäle 300a, 300b, 300c, von denen jeder mit zwei der sechs Propulsoren 350a-f verbunden ist. In diesem speziellen Beispiel ist jeder der ersten beiden Stromkanäle 300a, 300b einem vorderen Propeller 350b, 350c und einem hinteren Propeller 350e, 350f zugeordnet, während der dritte Kanal 300c einem vorderen linken Propeller 350a und einem vorderen rechten Propeller 350d zugeordnet ist. Jedem Propulsor 350a-f ist ein entsprechender Motor 340a-f und ein entsprechender Wechselrichter 340a-f zugeordnet. Andere Konfigurationen des Stromversorgungssystems sind möglich und werden dem Fachmann bekannt vorkommen. So könnte das System 300 beispielsweise Verbindungen zwischen den Leistungskanälen 300a-c und die Verwendung von mehrfach redundanten Motorwicklungen aufweisen, um eine gemeinsame Nutzung der Leistung zwischen einigen oder allen Leistungskanälen 300a-c zu ermöglichen und die Fehlertoleranz und Leistungsverfügbarkeit zu erhöhen. shows how six electrically driven propulsors (e.g. the six propulsors 350a-f of the ) can be arranged in an electrical power supply system 300. The power system 300 includes three independent power channels 300a, 300b, 300c, each of which is connected to two of the six propulsors 350a-f. In this particular example, each of the first two power channels 300a, 300b is associated with a front propeller 350b, 350c and a rear propeller 350e, 350f, while the third channel 300c is associated with a front left propeller 350a and a front right propeller 350d. Each propulsor 350a-f is assigned a corresponding motor 340a-f and a corresponding inverter 340a-f. Other power system configurations are possible and will be apparent to those skilled in the art. For example, the system 300 could include connections between the power channels 300a-c and the use of multiple redundant motor windings to enable power sharing between some or all of the power channels 300a-c and increase fault tolerance and power availability.

Die Verwendung eines verteilten Antriebssystems, wie es in den und dargestellt ist, kann im Hinblick auf verbesserte Flugeigenschaften, geringere aerodynamische Geräusche und geringeren Luftwiderstand sehr wünschenswert sein. Allerdings erhöht sich dadurch im Allgemeinen auch die Anzahl der leistungselektronischen Wandler im elektrischen Stromversorgungssystem. Bei Anwendung des Systems in könnte die Plattform beispielsweise neun unabhängige leistungselektronische Wandler (sechs Wechselrichter und drei Gleichstromwandler) umfassen, was zu einem erheblichen zusätzlichen Gewicht der Plattform und zu zusätzlichen Verlusten im Stromversorgungssystem führen könnte. Für Plattformen dieser Art können daher die Verbesserungen des Wirkungsgrads und der Leistungsdichte der hier offenbarten Wandler besonders vorteilhaft sein.The use of a distributed drive system as described in the and is shown can be in terms of improved flight characteristics, lower aerodynamic noise and lower air resistance can be very desirable. However, this generally also increases the number of power electronic converters in the electrical power supply system. When using the system in For example, the platform could include nine independent power electronic converters (six inverters and three DC converters), which could result in significant additional weight to the platform and additional losses in the power system. The improvements in efficiency and power density of the converters disclosed here can therefore be particularly advantageous for platforms of this type.

zeigt eine allgemeine Anordnung eines Triebwerks 400 für ein Flugzeug. Das Triebwerk 400 ist als Mantelstromtriebwerk ausgeführt und umfasst daher einen kanalisierten Fan 401, der Ansaugluft A erhält und zwei unter Druck stehende Luftströme erzeugt: einen Bypass-Strom B, der axial durch einen Bypass-Kanal 402 fließt, und einen Kernstrom C, der in eine Kerngasturbine eintritt. shows a general arrangement of an engine 400 for an aircraft. The engine 400 is designed as a turbofan engine and therefore includes a ducted fan 401 which receives intake air A and generates two pressurized air streams: a bypass stream B which flows axially through a bypass duct 402 and a core stream C which flows in a nuclear gas turbine enters.

Die Kerngasturbine umfasst in axialer Reihe einen Niederdruckverdichter 403, einen Hochdruckverdichter 404, eine Brennkammer 405, eine Hochdruckturbine 406 und eine Niederdruckturbine 407.The core gas turbine includes, in axial series, a low-pressure compressor 403, a high-pressure compressor 404, a combustion chamber 405, a high-pressure turbine 406 and a low-pressure turbine 407.

Im Betrieb wird der Kernstrom C durch den Niederdruckkompressor 403 verdichtet und dann in den Hochdruckkompressor 404 geleitet, wo eine weitere Verdichtung stattfindet. Die aus dem Hochdruckkompressor 404 austretende komprimierte Luft wird in die Brennkammer 405 geleitet, wo sie mit Brennstoff vermischt und das Gemisch verbrannt wird. Die dabei entstehenden heißen Verbrennungsprodukte expandieren durch die Hochdruckturbine 406 und treiben dabei die Niederdruckturbine 407 an, bevor sie abgesaugt werden und einen kleinen Teil des Gesamtschubs liefern.In operation, the core stream C is compressed by the low pressure compressor 403 and then passed into the high pressure compressor 404 where further compression takes place. The compressed air exiting the high pressure compressor 404 is directed into the combustion chamber 405 where it is mixed with fuel and the mixture is burned. The resulting hot combustion products expand through the high-pressure turbine 406, driving the low-pressure turbine 407, before being exhausted and providing a small portion of the total thrust.

Die Hochdruckturbine 406 treibt über eine Verbindungswelle den Hochdruckverdichter 404 an. Die Niederdruckturbine 407 treibt über eine weitere Verbindungswelle den Niederdruckverdichter 403 an. Zusammen bilden der Hochdruckverdichter 404, die Hochdruckturbine 406 und die zugehörige Verbindungswelle einen Teil der Hochdruckwelle des Triebwerks 400. In ähnlicher Weise bilden der Niederdruckverdichter 403, die Niederdruckturbine 407 und die zugehörige Verbindungswelle einen Teil der Niederdruckwelle des Triebwerks 400. Derartige Bezeichnungen sind dem Fachmann bekannt. Fachleute wissen auch, dass das abgebildete Triebwerk zwei Wellen hat, während andere Gasturbinentriebwerke eine andere Anzahl von Wellen haben, z. B. drei Wellen.The high-pressure turbine 406 drives the high-pressure compressor 404 via a connecting shaft. The low-pressure turbine 407 drives the low-pressure compressor 403 via a further connecting shaft. Together, the high-pressure compressor 404, the high-pressure turbine 406 and the associated connecting shaft form part of the high-pressure shaft of the engine 400. Similarly, the low-pressure compressor 403, the low-pressure turbine 407 and the associated connecting shaft form part of the low-pressure shaft of the engine 400. Such terms are known to those skilled in the art . Experts also know that the engine pictured has two shafts, while other gas turbine engines have a different number of shafts, e.g. B. three waves.

Der Antrieb des Fans 401 durch die Niederdruckturbine 407 erfolgt über ein Untersetzungsgetriebe in Form eines Planeten-Planetengetriebes 408. So ist in dieser Konfiguration die Niederdruckturbine 407 mit einem Sonnenrad des Getriebes 408 verbunden. Das Sonnenrad ist mit einer Vielzahl von in einem rotierenden Träger angeordneten Planetenrädern im Eingriff, die wiederum mit einem statischen Hohlrad im Eingriff stehen. Der rotierende Träger treibt den Lüfter 401 über eine Lüfterwelle 410 an. Es wird deutlich, dass in alternativen Ausführungsformen stattdessen ein sternförmiges Planetengetriebe (bei dem der Planetenträger statisch ist und das Hohlrad rotiert und den Abtrieb liefert) verwendet werden kann, und dass das Getriebe 408 sogar ganz weggelassen werden kann, so dass der Fan 401 direkt von der Niederdruckturbine 407 angetrieben wird.The fan 401 is driven by the low-pressure turbine 407 via a reduction gear in the form of a planetary planetary gear 408. In this configuration, the low-pressure turbine 407 is connected to a sun gear of the gear 408. The sun gear is in engagement with a plurality of planet gears arranged in a rotating carrier, which in turn are in engagement with a static ring gear. The rotating carrier drives the fan 401 via a fan shaft 410. It will be appreciated that in alternative embodiments, a star-shaped planetary gear (where the planet carrier is static and the ring gear rotates and provides the output) may be used instead, and that the gear 408 may even be omitted entirely so that the fan 401 is provided directly from the low-pressure turbine 407 is driven.

Es ist zunehmend wünschenswert, ein größeres Maß an elektrischer Funktionalität an der Flugzeugzelle und am Triebwerk zu ermöglichen. Zu diesem Zweck umfasst das Triebwerk 400 in eine oder mehrere rotierende elektrische Maschinen, die im Allgemeinen sowohl als Motor als auch als Generator arbeiten können. Die Anzahl und Anordnung der rotierenden elektrischen Maschinen hängt bis zu einem gewissen Grad von der gewünschten Funktionalität ab. Einige Ausführungsformen des Triebwerks 400 umfassen eine einzige rotierende elektrische Maschine 420, die von der Hochdruckwelle angetrieben wird, z. B. durch einen im Kern montierten Hilfsantrieb 421 herkömmlicher Konfiguration. Eine solche Konfiguration erleichtert die Erzeugung von elektrischer Energie für das Triebwerk und das Flugzeug sowie den Antrieb der Hochdruckwelle, um das Anlassen des Triebwerks anstelle eines Luftturbinenstarters zu erleichtern. Andere Ausführungsformen, einschließlich der in gezeigten, umfassen sowohl eine erste rotierende elektrische Maschine 420, die mit der Hochdruckwelle gekoppelt ist, als auch eine zweite rotierende elektrische Maschine 430, die mit der Niederdruckwelle gekoppelt ist. Neben der Erzeugung von elektrischer Energie und dem Anlassen des Triebwerks 400 kann die Tatsache, dass sowohl die erste als auch die zweite rotierende Maschine 420, 430 durch Leistungselektronik verbunden sind, die Übertragung von mechanischer Energie zwischen der Hochdruck- und der Niederdruckwelle erleichtern, um die Betriebsfähigkeit, den Kraftstoffverbrauch usw. zu verbessern.It is increasingly desirable to enable greater levels of electrical functionality on the airframe and engine. For this purpose, the engine includes 400 in one or more rotating electrical machines, generally capable of operating as both a motor and a generator. The number and arrangement of rotating electrical machines depends to a certain extent on the desired functionality. Some embodiments of the engine 400 include a single rotating electric machine 420 driven by the high pressure shaft, e.g. B. by a core-mounted auxiliary drive 421 of conventional configuration. Such a configuration facilitates the generation of electrical power for the engine and aircraft as well as driving the high pressure shaft to facilitate engine starting in place of an air turbine starter. Other embodiments, including those in shown include both a first rotating electrical machine 420 coupled to the high pressure shaft and a second rotating electrical machine 430 coupled to the low pressure shaft. In addition to generating electrical energy and starting the engine 400, the fact that both the first and second rotating machines 420, 430 are connected by power electronics can facilitate the transfer of mechanical energy between the high and low pressure shafts Improve operability, fuel consumption, etc.

Wie oben erwähnt, wird in die erste rotierende elektrische Maschine 420 von der Hochdruckwelle durch einen im Kern montierten Hilfsantrieb 421 herkömmlicher Konfiguration angetrieben. In alternativen Ausführungsformen kann die erste elektrische Maschine 420 koaxial zu den Turbomaschinen im Triebwerk 400 montiert sein. Beispielsweise kann die erste elektrische Maschine 420 axial in einer Linie mit dem Kanal zwischen den Niederdruck- und Hochdruckverdichtern 403 und 403 montiert werden. In ist die zweite elektrische Maschine 430 im Heckkonus 409 des Triebwerks 400 koaxial mit der Turbomaschine angebracht und mit der Niederdruckturbine 407 gekoppelt. In alternativen Ausführungsformen kann die zweite rotierende elektrische Maschine 430 axial in einer Linie mit dem Niederdruckverdichter 403 angeordnet sein, der eine Schaufelscheiben- oder Schaufeltrommelkonfiguration annehmen kann, um Platz für die zweite rotierende elektrische Maschine 430 zu schaffen. Fachleute wissen natürlich, dass jede andere geeignete Position für die erste und (falls vorhanden) zweite elektrische Maschine gewählt werden kann.As mentioned above, in the first rotating electric machine 420 is driven by the high pressure shaft through a core-mounted auxiliary drive 421 of conventional configuration. In alternative embodiments, the first electric machine 420 may be mounted coaxially with the turbomachines in the engine 400. For example, the first electric machine 420 may be mounted axially in line with the channel between the low and high pressure compressors 403 and 403. In the second electric machine 430 is mounted coaxially with the turbomachine in the tail cone 409 of the engine 400 and is coupled to the low-pressure turbine 407. In alternative embodiments, the second rotating electric machine 430 may be disposed axially in line with the low pressure compressor 403, which may adopt a paddle disk or paddle drum configuration to accommodate the second rotating electric machine 430. Of course, those skilled in the art know that any other suitable position can be chosen for the first and (if any) second electrical machine.

Die ersten und zweiten elektrischen Maschinen 420, 430 sind mit Leistungselektronik verbunden. Die Entnahme von Energie aus den elektrischen Maschinen bzw. die Zuführung von Energie zu diesen erfolgt durch leistungselektronische Wandler 440. In der vorliegenden Ausführungsform sind die leistungselektronischen Wandler 440 am Fangehäuse 411 des Triebwerks 400 angebracht, aber es versteht sich von selbst, dass sie auch an anderer Stelle angebracht werden können, z. B. am Kern der Gasturbine oder in dem Fahrzeug, an dem das Triebwerk 400 befestigt ist.The first and second electrical machines 420, 430 are connected to power electronics. The removal of energy from the electrical machines or the supply of energy to them is carried out by power electronic converters 440. In the present embodiment, the power electronic converters 440 are attached to the fan housing 411 of the engine 400, but it goes without saying that they are also on can be attached elsewhere, e.g. B. on the core of the gas turbine or in the vehicle to which the engine 400 is attached.

Die Steuerung der leistungselektronischen Wandler 440 und der ersten und zweiten elektrischen Maschine 420 und 430 erfolgt im vorliegenden Beispiel durch einen elektronischen Motorregler (EEC) 450. In der vorliegenden Ausführungsform ist das EEC 450 ein volldigitales Motorsteuergerät (FADEC), dessen Konfiguration dem Fachmann bekannt und verständlich ist. Er steuert daher alle Aspekte des Triebwerks 400, d. h. sowohl die Kerngasturbine als auch die erste und zweite elektrische Maschine 420 und 430. Auf diese Weise kann das EEC 450 ganzheitlich sowohl auf den Schubbedarf als auch auf den Bedarf an elektrischer Leistung reagieren.In the present example, the power electronic converter 440 and the first and second electric machines 420 and 430 are controlled by an electronic engine controller (EEC) 450. In the present embodiment, the EEC 450 is a fully digital engine control unit (FADEC), the configuration of which is known to those skilled in the art is understandable. It therefore controls all aspects of the engine 400, i.e. H. both the core gas turbine and the first and second electric machines 420 and 430. In this way, the EEC 450 can respond holistically to both the thrust demand and the demand for electrical power.

Die eine oder mehreren rotierenden elektrischen Maschinen 420, 430 und die leistungselektronischen Wandler 440 können so konfiguriert sein, dass sie elektrische Leistung an einen, zwei oder mehrere Gleichstrombusse oder Leistungskanäle abgeben oder von diesen empfangen. Die Gleichstromkanäle ermöglichen die Verteilung der elektrischen Leistung an andere elektrische Verbraucher im Triebwerk und an elektrische Verbraucher an der Flugzeugzelle.The one or more rotating electrical machines 420, 430 and the power electronic converters 440 may be configured to deliver or receive electrical power to one, two, or more DC buses or power channels. The DC channels enable the distribution of electrical power to other electrical consumers in the engine and to electrical consumers on the airframe.

Fachleute werden verstehen, dass das oben beschriebene Gasturbinentriebwerk 400 als ein „elektrischeres“ Gasturbinentriebwerk betrachtet werden kann, da die elektrischen Maschinen 420, 430 eine größere Rolle spielen als bei herkömmlichen Gasturbinen.Those skilled in the art will understand that the gas turbine engine 400 described above may be considered a more "electric" gas turbine engine because the electric machines 420, 430 play a larger role than in conventional gas turbines.

In ist ein beispielhaftes Energie- und Antriebssystem 500 eines Hybrid-Elektroflugzeugs dargestellt. Das System 500 umfasst einen Generatorsatz 501, der ein Triebwerk 560 und einen elektrischen Generator 540a umfasst, sowie ein Batteriepaket 520. Sowohl der Generator 501 als auch das Batteriepaket 520 werden als Energiequellen für den Antrieb eines motorgetriebenen Propulsors 502 verwendet, der in beispielhaft dargestellt ist.In an exemplary energy and propulsion system 500 of a hybrid electric aircraft is shown. The system 500 includes a generator set 501, which includes an engine 560 and an electrical generator 540a, and a battery pack 520. Both the generator 501 and the battery pack 520 are used as energy sources for driving an engine-driven propulsor 502, which is in is shown as an example.

Das dargestellte Antriebssystem 500 umfasst außerdem einen Gleichrichter 510a, einen Gleichstromverteiler 530, einen Wechselrichter 510b und einen Gleichstromwandler 510c. Es wird deutlich, dass ein Antriebssystem 500 mehr als einen Generator 501 und/oder einen oder mehrere Propulsoren502 umfassen kann, obwohl in diesem Beispiel ein Generator 501 und ein Propulsor502 dargestellt sind.The illustrated drive system 500 also includes a rectifier 510a, a DC distributor 530, an inverter 510b and a DC converter 510c. It will be appreciated that a propulsion system 500 may include more than one generator 501 and/or one or more propulsors 502, although in this example a generator 501 and a propulsor 502 are shown.

Eine Welle oder Welle des Triebwerks 560 ist mit einer Welle des Generators 540a gekoppelt und treibt diese in Drehung, wodurch Wechselstrom erzeugt wird. Der Gleichrichter 51 0a, der dem Generator 540a gegenüberliegt, wandelt den Wechselstrom in Gleichstrom um, der über den Gleichstromverteilerbus 530 in verschiedene elektrische Systeme und Lasten eingespeist wird. Zu diesen elektrischen Systemen gehören nicht-antreibende Verbraucher (in nicht dargestellt) und der Motor 540b, der über den Wechselrichter 510b den Lüfter 550 des Propulsors 502 antreibt.A shaft or shaft of the engine 560 is coupled to and rotates a shaft of the generator 540a, thereby generating alternating current. The rectifier 510a, located opposite the generator 540a, converts the alternating current into direct current, which is fed to various electrical systems and loads via the direct current distribution bus 530. These electrical systems include non-driving consumers (in not shown) and the motor 540b, which drives the fan 550 of the propulsor 502 via the inverter 510b.

Das Batteriepaket 520, der aus einer Reihe von in Reihe und/oder parallel geschalteten Batteriemodulen bestehen kann, ist über den DC-DC-Wandler 510c mit dem DC-Verteilerbus 530 verbunden. Der DC-DC-Wandler 510c wandelt zwischen einer Anschluss-Spannung des Batteriepakets 520 und einer Spannung des DC-Verteilerbusses 530 um. Auf diese Weise kann das Batteriepaket 520 die vom Generator 501 bereitgestellte Leistung ersetzen oder ergänzen (indem er sich entlädt und dadurch den DC-Verteilerbus 530 speist) oder mit der Leistung des Generators 501 geladen werden (indem er vom DC-Verteilerbus 530 gespeist wird).The battery pack 520, which may consist of a series of battery modules connected in series and/or parallel, is connected to the DC distribution bus 530 via the DC-DC converter 510c. The DC-DC converter 510c converts between a terminal voltage of the battery pack 520 and a voltage of the DC distribution bus 530. In this way, the battery pack 520 can replace or supplement the power provided by the generator 501 (by discharging and thereby damaging the DC distribution bus 530 feeds) or is charged with the power of the generator 501 (by being fed from the DC distribution bus 530).

Wie in dargestellt, hat der Propulsor 502 in diesem Beispiel die Form eines kanalisierten Fans mit einer elektrischen Maschine 540b. Der Fan 550 ist in einem Fankanal 551 eingeschlossen, der in einer Gondel 552 definiert und an einer Kerngondel 553 befestigt ist. Der Fan 550 wird von der elektrischen Maschine 540b über eine Antriebswelle 554 angetrieben, die beide auch als Bestandteile des Propulsors 502 betrachtet werden können. In dieser Ausführungsform ist ein Getriebe 555 zwischen der elektrischen Maschine 540b und der Antriebswelle 554 vorgesehen.As in shown, the propulsor 502 in this example has the shape of a ducted fan with an electrical machine 540b. The fan 550 is enclosed in a fan channel 551 defined in a nacelle 552 and attached to a core nacelle 553. The fan 550 is driven by the electric machine 540b via a drive shaft 554, both of which can also be viewed as components of the propulsor 502. In this embodiment, a gear 555 is provided between the electric machine 540b and the drive shaft 554.

Die elektrische Maschine 540b wird über den Gleichstrombus 530 von einer Stromquelle, z. B. dem Generatorsatz 501 und/oder der Batterie 520, mit elektrischer Energie versorgt. Die elektrische Maschine 540b des Propulsors 502 und auch die elektrische Maschine 540a des Generatorsatzes 501 können von jedem geeigneten Typ sein, zum Beispiel vom Typ Permanentmagnet-Synchron.The electrical machine 540b is powered via the DC bus 530 from a power source, e.g. B. the generator set 501 and / or the battery 520, supplied with electrical energy. The electric machine 540b of the propulsor 502 and also the electric machine 540a of the generator set 501 may be of any suitable type, for example of the permanent magnet synchronous type.

Der Wechselrichter 510b kann in die elektrische Maschine 540b integriert sein (z. B. eine gemeinsame Gehäusestruktur mit ihr teilen) und somit einen Teil des Propulsors 502 bilden. Ebenso kann der Gleichrichter 510a in die elektrische Maschine 540a integriert werden (z. B. eine gemeinsame Gehäusestruktur mit ihr teilen). Der Gleichspannungswandler 510c könnte seinerseits in das Energiespeichersystem 520 integriert sein.The inverter 510b can be integrated into the electrical machine 540b (e.g. share a common housing structure with it) and thus form part of the propulsor 502. Likewise, the rectifier 510a can be integrated into the electrical machine 540a (e.g., share a common housing structure with it). The DC-DC converter 510c could in turn be integrated into the energy storage system 520.

Fachleute werden erkennen, dass es sich bei dem Antriebssystem 500 der 14A-B um einen Serienhybrid handelt. Andere elektrische Hybridantriebssysteme sind vom parallelen Typ, während wieder andere vom turboelektrischen Typ sind oder Merkmale von mehr als einem Typ aufweisen. Die Konfiguration des „elektrischeren“ Triebwerks 400 in kann als ähnlich zu einem parallelen Hybridsystem betrachtet werden, wobei der Hauptunterschied in der Rolle der elektrischen Maschinen besteht. So werden die elektrischen Maschinen eines „elektrischeren“ Triebwerks im Allgemeinen nur im Motorbetrieb verwendet, um das Triebwerk zu starten und die Betriebsfähigkeit des Triebwerks zu verbessern, während die elektrischen Maschinen eines Parallelhybrid-Antriebssystems dazu verwendet werden, die Wellen anzutreiben, um den von der Turbomaschine erzeugten Vortriebsschub sinnvoll zu erhöhen.Experts will recognize that the drive system is 500 14A-B is a series hybrid. Other hybrid electric propulsion systems are of the parallel type, while still others are of the turboelectric type or have features of more than one type. The configuration of the “more electric” engine 400 in can be considered similar to a parallel hybrid system, with the main difference being the role of the electric machines. Thus, the electrical machines of a "more electric" engine are generally used only in engine operation to start the engine and improve the operability of the engine, while the electrical machines of a parallel hybrid propulsion system are used to drive the shafts to provide the power of the engine The propulsion thrust generated by the turbo machine can be sensibly increased.

Fachleute wissen auch, dass die in dargestellte hybride Architektur nur ein Beispiel ist, und dass andere Architekturen bekannt sind und dem Fachmann einfallen werden.Experts also know that the in The hybrid architecture shown is just an example, and other architectures are known and will occur to those skilled in the art.

Es wurden verschiedene Beispiele beschrieben, von denen jedes verschiedene Kombinationen von Merkmalen aufweist. Der Fachmann weiß, dass jedes der Merkmale einzeln oder in Kombination mit anderen Merkmalen verwendet werden kann, es sei denn, sie schließen sich eindeutig gegenseitig aus, und die Erfindung erstreckt sich auf alle Kombinationen und Unterkombinationen von einem oder mehreren hier beschriebenen Merkmalen.Various examples have been described, each with different combinations of features. Those skilled in the art will appreciate that each of the features may be used alone or in combination with other features unless they are clearly mutually exclusive, and the invention extends to all combinations and subcombinations of one or more features described herein.

Es sollte auch beachtet werden, dass, obwohl die Ausführungsformen unter Bezugnahme auf ein Flugzeug und auf Turbofan-Triebwerke beschrieben wurden, die Prinzipien der beschriebenen elektrischen Systeme auch auf andere Anlagen angewandt werden können, z. B. auf Flugzeuge mit Turboprop- und offenen Rotor-Triebwerken, auf Meeresumgebungen wie auf einem Marineschiff und auf andere Transportanwendungen einschließlich Zügen.It should also be noted that although the embodiments have been described with reference to an aircraft and turbofan engines, the principles of the electrical systems described may also be applied to other equipment, e.g. B. on aircraft with turboprop and open rotor engines, in marine environments such as on a naval ship and on other transport applications including trains.

Claims (20)

Leistungselektronischer Wandler, aufweisend: eine Wandler-Kommutierungszelle mit einem Leistungskreis und einer Gate-Treiberschaltung, wobei der Leistungskreis mindestens ein Leistungshalbleiter-Schaltelement und mindestens einen Kondensator aufweist, wobei: jedes Leistungshalbleiter-Schaltelement in einem Leistungshalbleiter-Prepackage enthalten ist, wobei jedes Prepackage ein oder mehrere Leistungshalbleiter-Schaltelemente aufweist, die in ein festes Isoliermaterial eingebettet sind, wobei jedes Leistungshalbleiter-Schaltelement mindestens drei Anschlüsse einschließlich eines Gate-Anschlusses aufweist; die Gate-Treiberschaltung elektrisch mit dem Gate-Anschluss jedes der mindestens einen Leistungshalbleiter-Schaltelemente verbunden und so konfiguriert ist, dass sie Schaltsignale bereitstellt; und eine Spitzen-Nennleistung des leistungselektronischen Wandlers größer als 25 kW ist und ein Wert eines Wandler-Parameters α kleiner oder gleich 5 pHm3 ist, wobei α als Produkt eines kleinsten quaderförmigen Volumens, das die Kommutierungszelle einschließt, und einer Parasitärinduktivität des Leistungskreises der Kommutierungszelle definiert ist.Power electronic converter, comprising: a converter commutation cell with a power circuit and a gate driver circuit, the power circuit having at least one power semiconductor switching element and at least one capacitor, wherein: each power semiconductor switching element is included in a power semiconductor prepackage, each prepackage being a or comprises a plurality of power semiconductor switching elements embedded in a solid insulating material, each power semiconductor switching element having at least three terminals including a gate terminal; the gate driver circuit is electrically connected to the gate terminal of each of the at least one power semiconductor switching elements and configured to provide switching signals; and a peak rated power of the power electronic converter is greater than 25 kW and a value of one Converter parameter α is less than or equal to 5 pHm 3 , where α is defined as the product of a smallest cuboid volume that includes the commutation cell and a parasitic inductance of the power circuit of the commutation cell. Leistungselektronischer Wandler nach Anspruch 1, wobei der Wert von α größer oder gleich 0,3 pHm3 ist.Power electronic converter according to Claim 1 , where the value of α is greater than or equal to 0.3 pHm 3 . Leistungselektronischer Wandler nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei der Wert von α kleiner oder gleich 4 pHm3 ist.Power electronic converter according to Claim 1 or Claim 2 , where the value of α is less than or equal to 4 pHm 3 . Leistungselektronischer Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Wert von α 0,4 pHm3 ≤ σ ≤ 3,5 pHm3 erfüllt.Power electronic converter according to one of the preceding claims, wherein the value of α satisfies 0.4 pHm 3 ≤ σ ≤ 3.5 pHm 3 . Leistungselektronischer Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Wert von α 0,5 pHm3 ≤ α ≤ 2,5 pHm3 erfüllt.Power electronic converter according to one of the preceding claims, wherein the value of α satisfies 0.5 pHm 3 ≤ α ≤ 2.5 pHm 3 . Leistungselektronischer Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Produkt aus der Parasitärinduktivität des Leistungskreises der Kommutierungszelle und der Spitzen-Nennleistung im Bereich von 0,05 mHW bis 1,5 mHW liegt.Power electronic converter according to one of the preceding claims, wherein the product of the parasitic inductance of the power circuit of the commutation cell and the peak nominal power is in the range of 0.05 mHW to 1.5 mHW. Leistungselektronischer Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Wert von σ geteilt durch die Spitzen-Nennleistung des leistungselektronischen Wandlers im Bereich von 1,5 aHm3/W bis 100 aHm3/W liegt.Power electronic converter according to one of the preceding claims, wherein the value of σ divided by the peak nominal power of the power electronic converter is in the range of 1.5 aHm 3 /W to 100 aHm 3 /W. Leistungselektronischer Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Gesamtnennkapazität des Leistungskreises der Kommutierungszelle geteilt durch die Spitzen-Nennleistung kleiner oder gleich 5 nF/W ist.Power electronic converter according to one of the preceding claims, in which a total nominal capacity of the power circuit of the commutation cell divided by the peak nominal power is less than or equal to 5 nF/W. Leistungselektronischer Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter aufweisend: ein mehrschichtiges planares Trägersubstrat, das eine x-y-Richtung parallel zu einer planaren Oberfläche des Substrats und eine z-Richtung senkrecht zur x-y-Richtung definiert, wobei das Trägersubstrat eine Mehrzahl elektrisch leitender Schichten, die sich in der x-y-Richtung erstrecken, und mindestens eine elektrische Verbindung, die sich in der z-Richtung erstreckt, aufweist, wobei: jedes Leistungshalbleiter-Prepackage ferner eine elektrische Verbindung von mindestens einem seiner Anschlüsse zu einer elektrischen Anschlussseite des Leistungshalbleiter-Prepackages aufweist, wobei sich die elektrische Verbindung in der z-Richtung durch das feste Isoliermaterial erstreckt; und mindestens einer der Anschlüsse jedes der mindestens einen Leistungshalbleiter-Schaltelemente mit mindestens einer der leitenden Schichten des mehrschichtigen planaren Trägersubstrats an der elektrischen Anschlussseite des Leistungshalbleiter-Prepackages verbunden ist.Power electronic converter according to one of the preceding claims, further comprising: a multilayer planar carrier substrate defining an xy direction parallel to a planar surface of the substrate and a z direction perpendicular to the xy direction, the carrier substrate having a plurality of electrically conductive layers extending in the xy direction, and at least one electrical connection that extends in the z direction, where: each power semiconductor prepackage further has an electrical connection from at least one of its terminals to an electrical connection side of the power semiconductor prepackage, the electrical connection extending in the z-direction through the solid insulating material; and at least one of the connections of each of the at least one power semiconductor switching elements is connected to at least one of the conductive layers of the multilayer planar carrier substrate on the electrical connection side of the power semiconductor prepackage. Leistungselektronischer Wandler nach Anspruch 9, wobei für jedes Leistungshalbleiter-Prepackage die elektrische Anschlussseite des Prepackages eine ebene Oberfläche bildet und das Prepackage an seiner elektrischen Anschlussseite auf einer ebenen Oberfläche des mehrschichtigen planaren Trägersubstrats oberflächenmontiert ist.Power electronic converter according to Claim 9 , wherein for each power semiconductor prepackage, the electrical connection side of the prepackage forms a flat surface and the prepackage is surface-mounted on its electrical connection side on a flat surface of the multilayer planar carrier substrate. Leistungselektronischer Wandler nach Anspruch 10, wobei für jedes Leistungshalbleiter-Prepackage jede elektrische Verbindung, die sich von dem mindestens einen der Anschlüsse des Leistungshalbleiter-Schaltelements durch das feste Isoliermaterial erstreckt, an der ebenen Oberfläche des Prepackages endet.Power electronic converter according to Claim 10 , wherein for each power semiconductor prepackage, each electrical connection extending from the at least one of the terminals of the power semiconductor switching element through the solid insulating material terminates at the flat surface of the prepackage. Leistungselektronischer Wandler nach Anspruch 11, wobei jedes Leistungshalbleiter-Prepackage auf der Oberfläche des mehrschichtigen planaren Trägersubstrats durch Löten, Sintern oder Kleben des endenden elektrischen Anschlusses an eine elektrische Verbindung des mehrschichtigen planaren Trägersubstrats oberflächenmontiert ist.Power electronic converter according to Claim 11 , wherein each power semiconductor prepackage is surface mounted on the surface of the multilayer planar carrier substrate by soldering, sintering or gluing the terminating electrical terminal to an electrical connection of the multilayer planar carrier substrate. Leistungselektronischer Wandler nach Anspruch 12, wobei die gelöteten, gesinterten oder geklebten Verbindungen jedes Leistungshalbleiter-Prepackages von der planaren Oberfläche des mehrschichtigen planaren Trägersubstrats beabstandet sind, um einen Spalt zu definieren, wobei die Größe des Spalts, gemessen in der z-Richtung, kleiner oder gleich 300µm ist.Power electronic converter according to Claim 12 , wherein the soldered, sintered or bonded connections of each power semiconductor prepackage are spaced from the planar surface of the multilayer planar carrier substrate to define a gap, the size of the gap, measured in the z-direction, being less than or equal to 300µm. Leistungselektronischer Wandler nach einem der Ansprüche 9 bis 13, wobei das mehrschichtige planare Substrat: eine starre Leiterplatte (PCB); eine flexible Leiterplatte; oder ein keramisches Trägersubstrat ist.Power electronic converter according to one of the Claims 9 until 13 , wherein the multilayer planar substrate: a rigid printed circuit board (PCB); a flexible circuit board; or is a ceramic carrier substrate. Leistungselektronischer Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der ein AC-DC-Wandler ist.Power electronic converter according to one of the preceding claims, which is an AC-DC converter. Leistungselektronischer Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 14, der ein DC-DC-Wandler ist.Power electronic converter according to one of the Claims 1 until 14 , which is a DC-DC converter. Elektrische Antriebseinheit (EPU) für ein Flugzeug, wobei die EPU einen Elektromotor und den leistungselektronischen AC-DC-Wandler nach Anspruch 15 aufweist, wobei der leistungselektronische AC-DC-Wandler als Wechselrichter konfiguriert und so angeordnet ist, dass er Strom an eine Wicklung des Elektromotors bereitstellt.Electric drive unit (EPU) for an aircraft, the EPU being an electric motor and the power electronic AC-DC converter Claim 15 has, wherein the power electronic AC-DC converter is configured as an inverter and arranged so that it provides power to a winding of the electric motor. Gasturbinentriebwerk, aufweisend eine Welle; eine elektrische Maschine mit einem Rotor, der mechanisch mit der Welle gekoppelt ist; und den leistungselektronischen AC-DC-Wandler nach Anspruch 15, wobei der leistungselektronische AC-DC-Wandler so angeordnet ist, dass er einer Wicklung der elektrischen Maschine Strom bereitstellt oder von dieser Strom empfängt.Gas turbine engine, comprising a shaft; an electric machine having a rotor mechanically coupled to the shaft; and the power electronic AC-DC converter Claim 15 , wherein the power electronic AC-DC converter is arranged so that it provides power to a winding of the electrical machine or receives power from it. Stromversorgungssystem für ein Flugzeug, aufweisend einen leistungselektronischen Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 16.Power supply system for an aircraft, comprising a power electronic converter according to one of Claims 1 until 16 . Flugzeug, das die EPU nach Anspruch 17, das Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 18 oder das Stromversorgungssystem nach Anspruch 19 aufweist.Airplane that the EPU is following Claim 17 , the gas turbine engine Claim 18 or the power system Claim 19 having.
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