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
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:
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
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:
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:
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:
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:
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 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:
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:
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
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:
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:
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:
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:
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNGDETAILED DESCRIPTION
Der leistungselektronische Wandler 10 hat eine Kommutierungszelle mit zwei Teilen: einem Leistungskreis und einer Gate-Treiberschaltung.The power
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
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
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
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
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
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-
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:
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:
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
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
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
In
In
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
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
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
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
Kurz zu
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
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
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
Wie im Folgenden unter Bezugnahme auf die
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.
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
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
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
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
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
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.
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.
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
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.
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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
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
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:
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:
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
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:
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:
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
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:
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:
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
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.
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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
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
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
Ein leistungselektronischer Wandler kann durch einen Wärmeübergangs-Wandler-Parameter η charakterisiert werden, der wie folgt definiert ist:
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:
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
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
Ein leistungselektronischer Wandler kann auch durch einen thermischen Schnittstellen-Parameter Ω gekennzeichnet sein, der wie folgt definiert ist:
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:
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
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
Der in
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):
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):
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
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.
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
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
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):
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):
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
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
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
Die
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
Es wird auch darauf hingewiesen, dass in
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
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
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
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
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
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
Die hier beschriebenen leistungselektronischen Wandler können durch einen Wandler-Parameter ρ gekennzeichnet sein, der wie folgt definiert ist:
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:
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
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
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
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:
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:
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
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
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
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:
F = Isolationsfüllfaktor
Rmax = Maximale Hohlraumgröße in der IsolierungIn general, the electrically insulating
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:
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:
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:
Tabelle 24 zeigt beispielhafte Werte für den Wandler-Parameter σ, ausgedrückt in der Einheit 1/mm. Tabelle 24
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
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:
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:
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
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
Wie in
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
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
Wie in
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
Es versteht sich von selbst, dass die Verbindungsanordnungen der
- - 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-viund 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.
- - The various
inner layers 112a-c are shown as having the same thickness and extending through thesubstrate 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 theinner 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 thickinner 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
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
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
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
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
Fachleute werden verstehen, dass das Beispiel der
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.
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
Die
Die
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
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
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
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
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
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-
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
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.
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
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
Wie in
Die Verwendung eines verteilten Antriebssystems, wie es in den
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-
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
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-
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
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
Wie oben erwähnt, wird in
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
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
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
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
In
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
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
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
Wie in
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
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
Fachleute werden erkennen, dass es sich bei dem Antriebssystem 500 der
Fachleute wissen auch, dass die in
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)
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2022
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R082 | Change of representative |
Representative=s name: RAUE, NIELS, DR.-ING., M.SC., DE |