DE102022205501A1

DE102022205501A1 - Dimensionierung elektrischer Leiter in einem mehrschichtigen Trägersubstrat

Info

Publication number: DE102022205501A1
Application number: DE102022205501.2A
Authority: DE
Inventors: Marco Bohlländer; Stanley BUCHERT; Claus Müller; Uwe Waltrich
Original assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Current assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Priority date: 2022-05-31
Filing date: 2022-05-31
Publication date: 2023-11-30
Also published as: WO2023232648A1

Abstract

Es werden leistungselektronische Wandler angegeben. Die leistungselektronischen Wandler können in Energie- und Antriebssystemen für Flugzeuge eingesetzt werden. In einem Aspekt umfasst ein Wandler-Kommutierungszelle eine Wandler-Kommutierungszelle mit einem Leistungskreis und einer Gate-Treiberschaltung, wobei der Leistungskreis mindestens ein Leistungshalbleiter-Schaltelement und mindestens einen Kondensator umfasst, und ein mehrschichtiges planares Trägersubstrat, das eine x-y-Richtung parallel zu einer planaren Oberfläche des Substrats und eine z-Richtung senkrecht zur x-y-Richtung definiert, wobei das Trägersubstrat eine Mehrzahl elektrisch leitender Schichten, die sich in der x-y-Richtung erstrecken, und mindestens eine elektrische Verbindung, die sich in der z-Richtung erstreckt, umfasst. Jedes Leistungshalbleiter-Schaltelement ist in einem Leistungshalbleiter-Prepackage enthalten, wobei jedes Prepackage ein oder mehrere in ein festes Isoliermaterial eingebettete Leistungshalbleiter-Schaltelemente aufweist. Die Mehrzahl elektrisch leitender Schichten weist eine innere leitende Schicht und eine äußere leitende Schicht auf, die durch mindestens eine in z-Richtung durch das Trägersubstrat verlaufende Verbindung verbunden sind. Jedes Leistungshalbleiter-Prepackage weist ferner eine elektrische Verbindung von mindestens einem Anschluss des einen oder der mehreren Leistungshalbleiter-Schaltelemente zu der äußeren leitenden Schicht des mehrschichtigen planaren Trägersubstrats auf, wobei sich die elektrische Verbindung in der z-Richtung durch das feste Isoliermaterial erstreckt. Die innere leitende Schicht des mehrschichtigen planaren Trägersubstrats ist dicker als die äußere leitende Schicht des mehrschichtigen planaren Trägersubstrats.

Description

TECHNISCHER BEREICH
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.
HINTERGRUND
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.
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.
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.
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.
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.
ZUSAMMENFASSUNG
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.
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.

Die folgenden metrischen Präfixe werden hier zur Abkürzung von Zahlenwerten verwendet: Tabelle 1

Vorsilbe	Abkürzung	Wert
exa	E	×10¹⁸
peta	P	×10¹⁵
tera	T	×10¹²
giga	G	×10⁹
mega	M	×10⁶
Kilo	k	×10³
centi	c	×10^-2
Tausend	m	×10^-3
Mikro	µ	×10^-6
nano	n	×10^-9
pico	p	×10^-12
femto	f	×10^-15
atto	a	×10^-18

Jedes der nachstehenden Merkmale kann einzeln oder in Kombination miteinander und mit dem leistungselektronischen Wandler und dem oben beschriebenen elektrischen Stromversorgungssystem angewendet werden.
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).
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Der Wert eines Wandler-Parameters ε kann größer oder gleich 10²⁶ V /s⁴ sein. ε ist gleich: $ε = \frac{f_{max} \times {| \frac{dv}{dt} |}_{max}}{L \times C}$
In dieser Gleichung ist f_max 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.
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.
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.
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.
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.
Die maximale Schaltfrequenz der Schaltsignale (f_max) 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.
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.
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.
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.
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.
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.
Ein Wert eines Wandler-Parameters θ kann kleiner oder gleich 300 pm²/V sein. θ ist eine Größe in z-Richtung des Prepackage-Spalts geteilt durch eine maximale elektrische Feldstärke im Prepackage-Spalt. Dementsprechend kann der Wandler-Parameter θ wie folgt ausgedrückt werden: $θ = \frac{G_{1}}{E_{1}}$
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.
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.
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.
Ein Wert eines Wandler-Parameters φ kann kleiner oder gleich 20 nm²/V sein. φ ist eine Größe in z-Richtung des Kühlkörper-Spalts geteilt durch die maximale elektrische Feldstärke im Kühlkörper-Spalt. Dementsprechend kann der Wandler-Parameter φ wie folgt ausgedrückt werden: $φ = \frac{G_{2}}{E_{2}}$
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.
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.
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.
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.
Im Allgemeinen können die maximalen elektrischen Feldstärken in einem Bereich zwischen zwei gegenüberliegenden und im Wesentlichen parallelen Oberflächenbereichen bestimmt werden.
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.
Ein Wandler-Parameter σ kann größer als oder gleich 10/mm sein. σ ist definiert als ein Isolationsfüllfaktor des elektrisch isolierenden Materials geteilt durch eine maximale Hohlraumgröße der Vielzahl von Hohlräumen. Dementsprechend kann σ wie folgt ausgedrückt werden: $σ = \frac{F}{R_{m a x}}$
In dieser Gleichung ist F der Isolationsfüllfaktor und R_max ist die maximale Hohlraumgröße der Vielzahl von Hohlräumen. Der Isolationsfüllfaktor ist definiert als kumuliertes Volumen der Vielzahl von Hohlräumen („Hohlraumvolumen“), subtrahiert von einem Volumen des elektrisch isolierenden Materials, dividiert durch das Volumen des elektrisch isolierenden Materials. Dies kann wie folgt ausgedrückt werden: $F = \frac{V_{I M} - V_{V}}{V_{I M}}$
In dieser Gleichung ist V_IM das Volumen des elektrisch isolierenden Materials und V_V ist das kumulierte Volumen der Vielzahl von Hohlräumen. Daher kann der Wandler-Parameter σ auch wie folgt ausgedrückt werden: $σ = \frac{V_{I M} - V_{V}}{V_{V} \times R_{m a x}}$
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.
Der Isolationsfüllfaktor kann größer oder gleich 90%, größer oder gleich 95%, größer oder gleich 99% oder größer oder gleich 99,99% sein.
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.
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.
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.
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.
Ein Wandler-Parameter τ kann kleiner oder gleich 10.000 V sein. τ ist das Produkt aus der Durchschlagfestigkeit des elektrisch isolierenden Materials und der maximalen Hohlraumgröße der Vielzahl von Hohlräumen. Dementsprechend kann τ ausgedrückt werden als: $τ = D \times R_{m a x}$
In dieser Gleichung ist D die Durchschlagfestigkeit des elektrisch isolierenden Materials und R_max 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.
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.
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.
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.
Der mindestens eine Kondensator kann über mindestens eine der leitenden Schichten des mehrschichtigen planaren Trägersubstrats mit dem mindestens einen leistungselektronischen Schaltelement verbunden sein.
Bei dem mindestens einen Kondensator kann es sich um einen Keramikkondensator handeln.
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.
Der leistungselektronische Wandler kann außerdem einen Kühlkörper zur Ableitung der Wärme von Leistungshalbleiter-Prepackages enthalten.
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.
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.
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.
Ein Wandler-Parameter η kann größer oder gleich 100 kW/m³K sein. η ist ein Wärmeübergangskoeffizient zwischen der Wärmeabfuhrseite des Leistungshalbleiter-Prepackages und einem Kühlmedium des Kühlkörpers geteilt durch die Größe des Spalts in z-Richtung zwischen der Wärmeabfuhrseite des Leistungshalbleiter-Prepackages und dem Kühlkörper. Dementsprechend kann η ausgedrückt werden als: $η = \frac{h}{G_{3}}$
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.
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.
Die thermische Schnittstellenschicht (TIL) kann eine Wärmeleitfähigkeit und eine mechanische Kompressibilität aufweisen.
Ein Wandler-Parameter Ω kann 0,1 MNK/Wm < Ω < 1 GNK/Wm erfüllen. Ω ist die mechanische Kompressibilität der thermischen Schnittstellenschicht geteilt durch die Wärmeleitfähigkeit der thermischen Schnittstellenschicht. Dementsprechend kann Ω ausgedrückt werden als: $Ω = \frac{M}{k}$
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.
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.
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.
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.
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.
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 p ausgedrückt werden als: $ρ = k \times E_{Break}$
In dieser Gleichung ist k die Wärmeleitfähigkeit der thermischen Schnittstellenschicht und E_Break 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.
Die elektrische Durchschlagsfeldstärke (Durchschlagfestigkeit) E_Break der elektrischen Isolierschicht kann größer oder gleich 5 kV/mm sein. E_Break kann weniger als oder gleich 250 kV/mm betragen. E_Break 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.
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.
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.
Die thermische Schnittstellenschicht kann eine relativ niedrige elektrische Leitfähigkeit aufweisen (d. h. eine hohe Durchschlagsfestigkeit), um die Abhängigkeit des Wandlers von zusätzlichen elektrischen Isoliermaßnahmen wie der oben beschriebenen speziellen elektrischen Isolierschicht zu verringern. Daher können einige Ausführungsformen keine elektrische Isolierschicht enthalten. In solchen Ausführungsformen kann ein Wandler-Parameter λ größer oder gleich 1 TW/SK sein, wobei λ als Wärmeleitfähigkeit der thermischen Schnittstellenschicht geteilt durch eine elektrische Leitfähigkeit der thermischen Schnittstellenschicht definiert ist. Der Wandler-Parameter λ kann wie folgt ausgedrückt werden: $λ = \frac{k}{P}$
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.
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. 1×10^-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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Bei dem leistungselektronischen Wandler kann es sich um einen DC-DC-Wandler handeln. Der Leistungskreis der Kommutierungszelle kann außerdem einen Induktor umfassen.
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.
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.
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.
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.
Es ist auch ein elektrisches Stromversorgungssystem für ein Flugzeug vorgesehen, das einen leistungselektronischen Wandler gemäß den oben beschriebenen leistungselektronischen Wandlern umfasst.
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.
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.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Ausführungsformen werden jetzt nur beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, die rein schematisch und nicht maßstabsgetreu sind und in denen:

zeigt den Schaltplan der Kommutierungszelle eines einphasigen, zweistufigen AC-DC Wandlers;
ist ein schematischer Querschnitt des einphasigen, zweistufigen AC-DC-Wandlers aus ;
ist ein weiterer schematischer Querschnitt des einphasigen, zweistufigen AC-DC Wandlers aus , der weitere Eigenschaften wie z.B. elektrische Felder zeigt;
Die und zeigen eine schematische Querschnittsansicht und eine Draufsicht des einphasigen, zweistufigen AC-DC-Wandlers aus und veranschaulichen die Berechnung des Volumens der Kommutierungszelle;
ist ein schematischer Querschnitt eines einzelnen Leistungshalbleiter-Prepackages, der Details zeigt, die in den und nicht sichtbar sind;
ist ein schematischer Querschnitt des Leistungshalbleiter-Prepackages aus , das zwischen einem mehrschichtigen Trägersubstrat und einem Kühlkörper angeordnet ist;
ist ein schematischer Querschnitt eines Leistungshalbleiter-Prepackages, das zwischen einem mehrschichtigen Trägersubstrat und einem Kühlkörper angeordnet ist und ein elektrisch isolierendes Material in einem Prepackage-Spalt aufweist;
veranschaulicht, wie Low- und High-Side-Leistungshalbleiter-Schaltelemente einer Halbbrücke durch ein mehrschichtiges Trägersubstrat elektrisch verbunden werden können;
zeigt, wie Leistungshalbleiter-Schaltelemente durch ein mehrschichtiges Trägersubstrat elektrisch parallel geschaltet werden können;
Die und zeigen, wie die einphasigen Anordnungen der auf mehrere Phasen ausgedehnt werden können;
ist eine weitere schematische Querschnittsdarstellung des leistungselektronischen Wandlers von ;
ist eine schematische Querschnittsdarstellung einer alternativen Anordnung, bei der Leistungshalbleiter-Prepackages und ein Kühlkörper auf gegenüberliegenden Seiten des mehrlagigen Trägersubstrats angeordnet sind;
Die und zeigen alternative Anordnungen, bei denen Leistungshalbleiter-Prepackages in ein mehrschichtiges Trägersubstrat eingebettet sind;
zeigt einen zweistufigen, dreiphasigen Wechselrichter, der einen dreiphasigen Motor versorgt;
zeigt eine Vielzahl von H-Brücken-Wechselrichter-Schaltungen, die einen Vierphasenmotor versorgen;
zeigt einen zweistufigen, dreiphasigen Wechselrichter mit einem komplexeren DC-seitigen Filter;
zeigt einen DC-DC Wandler, der mit den Anschlüssen einer Batterie verbunden ist;
zeigt einen DC-AC-DC Wandler, der mit den Anschlüssen einer Batterie verbunden ist;
ist eine schematische Darstellung eines elektrischen Flugzeugtriebwerks und -antriebs;
ist eine schematische Darstellung eines mehrkanaligen elektrischen Energie- und Antriebssystems für ein Flugzeug mit sechs elektrisch betriebenen Propulsoren;
ist eine perspektivische Ansicht eines elektrisch senkrecht startenden und landenden (eVTOL) Flugzeugs mit sechs elektrisch angetriebenen Propulsoren in einer eVTOL-Flugkonfiguration;
ist eine perspektivische Ansicht des eVTOL-Flugzeugs aus in einer Vorwärtsflugkonfiguration;
zeigt die allgemeine Anordnung eines Mantelstromtriebwerks für ein Flugzeug;
ist eine schematische Darstellung eines hybridelektrischen Flugzeugantriebssystems; und
zeigt einen elektrisch betriebenen Antrieb, wie er in einem elektrischen oder hybridelektrischen Antriebssystem verwendet werden kann.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
ist ein Schaltplan eines leistungselektronischen Wandlers 10. Der Einfachheit halber wird eine Phase eines zweistufigen AC-DC-Wechselrichters dargestellt. Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass die vorliegende Offenlegung nicht auf Wandler dieses Schaltungstyps beschränkt ist, und es werden weitere Beispiele offengelegt.
Der leistungselektronische Wandler 10 hat eine Kommutierungszelle mit zwei Teilen: einem Leistungskreis und einer Gate-Treiberschaltung.
Der Leistungskreis hat zwei Gleichstromeingänge (DC-IN_L und DC-IN_H) 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.
Jedes Leistungshalbleiter-Schaltelement 121L, 121H 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.
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.
Der Leistungskreis umfasst ferner eine Induktivität L_P. Es ist zu verstehen, dass die Induktivität L_P 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 L_G; auch diese stellen die Parasitärinduktivitäten der Gate-Treiberschaltungen 13L, 13H dar und sind keine diskreten Bauteile.
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, 121H 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.
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.

Tabelle 2 enthält beispielhafte Werte für die Parasitärinduktivität des Leistungskreises und den maximalen Betriebswirkungsgrad von AC-DC Wandlern im Leistungsbereich 50-400kW. Die angegebenen Leistungen sind Spitzen-Nennleistungen, d.h. die höchste elektrische Leistung, die vom Wandler geregelt werden kann. Sie unterscheidet sich von der Dauer-Nennleistung, die z. B. von den Umgebungsbedingungen während des Betriebs und den Möglichkeiten des Kühlsystems des Wandlers abhängt. Tabelle 2

Spitzen-Nennleistung (kW)	Parasitärinduktivität des Leistungskreises, L _P (nH)		Spitzenbetriebswirkungsgrad
Spitzen-Nennleistung (kW)	Beispiel für den neuesten Stand der Technik	Beispiel der vorliegenden Offenlegung	Beispiel für den neuesten Stand der Technik	Aktuelle Offenlegung
50	40	8	95% bis 96%	97% bis > 99%
100	20	4	95% bis 96%	97% bis > 99%
150	15	3	95% bis 96%	97% bis > 99%
200	10	2	95% bis 96%	97% bis > 99%
400	5	1	95% bis 96%	97% bis > 99%

Es wird nur die Parasitärinduktivität L_P 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 L_G führt.
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.
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.
So kann ein leistungselektronischer Wandler durch einen Wandler-Induktivitäts-Volumen-Parameter α charakterisiert werden, der als das Produkt aus der Parasitärinduktivität des Leistungskreises und dem Volumen der Kommutierungszelle definiert ist: $α = L_{P} \times Vol .$
Lp = Parasitärinduktivität des Leistungskreises
Vol. = Kleinstes quaderförmiges Volumen, das die Kommutierungszelle umschließt
Wie bereits erwähnt, ist das Volumen als das kleinste quaderförmige Volumen definiert, das die gesamte Kommutierungszelle, d. h. die Kombination aus Leistungskreis und Gate-Treiberschaltung, umschließt. Ein Beispiel für das Volumen der Kommutierungszelle ist in den und dargestellt und wird im Folgenden beschrieben.

Tabelle 3 zeigt beispielhafte Werte von α für leistungselektronische Wandler gemäß der vorliegenden Offenbarung. Die Werte von α sind charakteristischerweise niedriger als beim Stand der Technik und gehen mit einer Kombination aus hohem Wirkungsgrad und hoher Leistungsdichte einher. Die Werte von α sind in pHm³ angegeben (d. h. pico-Hm³ oder ×10^-12 Hm³). Tabelle 3

Spitzen-Nennleistung (kW)	α = L _P × Vol. (pHm ) ³
	Beispiel 1	Beispiel 2	Beispiel 3
50	0.60	1.70	4.80
100	0.42	1.20	3.40
150	0.37	1.04	2.94
200	0.30	0.85	2.40
400	0.21	0.60	1.70

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.

Als Referenz enthält Tabelle 4 die Werte von α_p, d. h. den leistungsnormierten Wert von α, und die Werte des Produkts aus Leistung und Parasitärinduktivität des Leistungskreises. Tabelle 4

Spitzen-Nennleistung (kW)	α _P = α/P (aHm ³ /W)		*L P _P (mHW)**
	Beispiel 1	Beispiel 2	Beispiel 1	Beispiel 2
50	12	96	0.2	0.8
100	4.2	34	0.2	0.8
150	2.5	20	0.2	0.8
200	1.5	12	0.2	0.8
400	0.7	5.7	0.2	0.8

In sind die Bauteile der Kommutierungszelle auf einem Trägersubstrat 11 angeordnet. Bei dem Trägersubstrat 11 handelt es sich um ein mehrlagiges Trägersubstrat 11, z. B. eine starre Leiterplatte (PCB), die abwechselnd isolierende und leitende Schichten aufweist, die sich in der x-y-Ebene erstrecken. Die Komponenten der Kommutierungszelle, einschließlich des Leistungskreises und der Gate-Treiberschaltung, sind auf dem mehrschichtigen planaren Trägersubstrat 11 montiert und durch das mehrschichtige Trägersubstrat 11 elektrisch verbunden. Die elektrischen Verbindungen werden durch eine Kombination aus den leitenden Schichten des mehrschichtigen planaren Trägersubstrats 11 und Verbindungen hergestellt, die sich durch das Trägersubstrat 11 in einer z-Richtung erstrecken, die senkrecht zur x-y-Richtung des planaren Substrats und seiner leitenden Schichten definiert ist. Bei den sich in z-Richtung erstreckenden Verbindungen kann es sich beispielsweise um leitende Vias oder gefüllte Löcher (z. B. Laser-Mikro-Vias mit Durchmessern in der Größenordnung von etwa 100 µm) handeln, die sowohl eine x- und/oder y-Komponente als auch eine z-Komponente aufweisen können (d. h., die Verbindungen können parallel zur z-Richtung verlaufen oder einen Winkel mit ihr bilden).
In ist auch schematisch dargestellt, dass die Leistungshalbleiter-Schaltelemente 121L, 121H des Leistungskreises jeweils in einem Leistungshalbleiter-Prepackage 12L, 12H enthalten sind. Der Fachmann versteht darunter, dass die Leistungshalbleiter (z. B. MOSFETs) in ein festes Isoliermaterial eingebettet sind, das die Leistungshalbleiter und ihre Anschlüsse elektrisch von ihrer Umgebung isoliert. Die Prepackages und ihre Verbindungen zueinander und zu anderen Komponenten der Kommutierungszelle werden im Folgenden näher beschrieben.
ist ein schematischer Querschnitt eines leistungselektronischen Wandlers 10 gemäß der vorliegenden Offenbarung. Der Klarheit und Einfachheit halber ist auch hier eine Phase eines zweistufigen AC-DC Wandlers dargestellt. Die x-Richtung und die z-Richtung sind angegeben. Die y-Richtung erstreckt sich in der Ebene der Seite.
Der Wandler 10 umfasst ein mehrschichtiges Trägersubstrat 11, Leistungshalbleiter-Prepackages 12, eine Gate-Treiberschaltung 13, einen DC-Link-Kondensator 14, Gleichstromeingänge (DC-IN) und einen Wechselstromausgang (AC-OUT). In ist ferner ein integrierter Kühlkörper 15 dargestellt, der über eine thermische Schnittstellenschicht 16 mit einer Kühlseite (hier auch als Wärmeabfuhrseite bezeichnet) der Prepackages 12 verbunden ist.
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.
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.
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.
Kurz zu 4B: In einigen Beispielen trägt zumindest ein Teil einer der planaren Oberflächen 111b des Trägersubstrats 11 eine Metallschicht 1121, die einen oder mehrere Bereiche für elektrische Verbindungen auf der Oberfläche 111b des Substrats 11 definiert. Wiederum Bezug nehmend auf 2A, erstrecken sich zusätzlich oder alternativ zur äußeren Schicht elektrische Verbindungen in Form von z.B. Vias oder gefüllten Löchern 114 in z-Richtung durch das Trägersubstrat 11 und enden an der planaren Oberfläche 111b. Die Punkte, an denen die elektrischen Verbindungen 114 enden, definieren elektrische Verbindungen an der planaren Oberfläche 111b des Trägersubstrats 11.
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.

Tabelle 5 enthält Beispielwerte für die maximale Sperrspannung (d. h. die Source-Drain-Sperrspannung oder „Nennspannung“) der Leistungshalbleiter-Schaltelemente 121 gemäß der vorliegenden Offenbarung. Tabelle 5

Spitzen-Nennleistung (kW)	Leistungshalbleiter-Sperrspannung (V)
	Beispiel 1	Beispiel 2	Beispiel 3
50	1200	800	1600
100	1200	800	1600
150	1200	800	1600
200	1200	800	1600
400	1200	800	1600

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.
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.
Wie im Folgenden unter Bezugnahme auf die 4A-4B näher beschrieben wird, erstrecken sich elektrische Verbindungen von den Anschlüssen der Leistungshalbleiter-Schaltelemente 121 durch das feste Isoliermaterial 122 und enden an einer elektrischen Anschlussseite/-fläche 123a des Prepackages 12. Somit bildet die elektrische Anschlussseite 123a des Prepackages 12 eine im Wesentlichen ebene Oberfläche mit freiliegenden elektrischen Verbindungspunkten.
Die elektrische Anschlussseite der Prepackages 123a ist einer der planaren Oberflächen 111b des Trägersubstrats 11 zugewandt. Die Prepackages 12 werden an ihren flachen elektrischen Anschlussseiten 123a auf der planaren Oberfläche 111b oberflächenmontiert, z. B. durch Löten, Sintern oder Kleben (z. B. Sinterkleben unter Verwendung einer Mischung aus Klebstoff und Sinterpaste) der elektrischen Verbindungspunkte der Prepackages 12 mit den elektrischen Verbindungspunkten oder dem/den Bereich(en) der planaren Oberfläche des Trägersubstrats 11. zeigt schematisch die gelöteten/gesinterten/geklebten Verbindungen 113.
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.
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.
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.

Tabelle 6 enthält beispielhafte Werte für die Schaltfrequenz der Leistungshalbleiter-Schaltelemente eines leistungselektronischen Wandlers gemäß der vorliegenden Offenlegung. Tabelle 6 enthält auch maximale Absolutwerte für die Änderungsrate der Source-Drain-Spannung (gemessen in Einheiten von Kilovolt pro Mikrosekunde) der Leistungshalbleiter-Schaltelemente 121 während eines Schaltzyklus. Bei den angegebenen Werten handelt es sich um Maximalwerte der Schaltfrequenz, die während des Betriebs auftreten können. Tabelle 6

Spitzen-Nennleistung (kW)	f _max (kHz)		\|dV/dt\| _max (kV/µs)
	Beispiel 1	Beispiel 2	Beispiel 1	Beispiel 2
50	50	80	30	45
100	50	80	30	45
150	50	80	30	45
200	50	80	30	45
400	50	80	30	45

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.
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.
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.
So kann ein leistungselektronischer Wandler durch einen Wandler-Schaltparameter β charakterisiert werden, der als das Produkt aus der maximalen Schaltfrequenz der Schaltsignale und der maximalen Änderungsrate der Source-Drain-Spannung der Leistungshalbleiter-Schaltelemente während des Betriebs definiert ist. $β = f_{max} \times {| dv/dt |}_{max}$
f_max= Maximale Frequenz der Schaltsignale
I_max= maximale Änderungsrate der Source- Drain- Spannung während des Betriebs

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 µ10¹⁵ V/s²). Tabelle 7

Spitzen-Nennieistung (kW)	β=f _max ×[dv/dt] _max (PV/s) ²
	Beispiel 1	Beispiel 2	Beispiel 3
50	0.5	1.5	5.0
100	0.5	1.5	5.0
150	0.5	1.5	5.0
200	0.5	1.5	5.0
400	0.5	1.5	5.0

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.
Zurück zu : Der Zwischenkondensator 14, der Teil des Leistungskreises der Kommutierungszelle ist, ist über eine oder mehrere leitende Schichten 112 des mehrschichtigen Trägersubstrats 11 elektrisch mit den Leistungshalbleiter-Schaltelementen 121 verbunden. In der dargestellten Ausführungsform ist der Kondensator 14 auf der ersten planaren Oberfläche 111a des Trägersubstrats 11 montiert, die der zweiten planaren Oberfläche 111b gegenüberliegt, die den Leistungshalbleiter-Prepackages 12 zugewandt ist. In anderen Ausführungsformen können die Prepackages 12 und der Kondensator 14 auf derselben Seite des Trägersubstrats 11, z. B. auf der zweiten Seite 111b, angebracht sein. Elektrische Verbindungen zwischen dem Kondensator 14 und den leitenden Schichten 112 des mehrschichtigen Trägersubstrats 11 können auf verschiedene Weise hergestellt werden. In einem Beispiel wird der Kondensator 14 auf ähnliche Weise wie die Prepackages 12 oberflächenmontiert, d. h. durch Löten, Sintern oder Kleben von elektrischen Kontakten des Kondensators 14 mit einem elektrischen Verbindungsbereich der Oberfläche 111a des Substrats 11. Bei der elektrischen Verbindung kann es sich um eine äußere leitende Schicht auf der Oberfläche 111a des Substrats (ähnlich der in 4B gezeigten Schicht 1121) oder um ein freiliegendes Ende einer oder mehrerer Durchkontaktierungen oder gefüllter Löcher 114 handeln, das sich in z-Richtung von der Oberfläche 111a des Substrats 11 zu einer inneren leitenden Schicht 112 des Substrats 11 erstreckt. Die Verbindung zwischen dem Kondensator 12 und dem Mehrschichtsubstrat 11 kann alternativ zu SMT (Surface Mount Technology) auch durch THT (Through Hole Technology) hergestellt werden, wobei beide Verfahren dem Fachmann bekannt sind.
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.

Tabelle 8 enthält beispielhafte Werte für die Gesamtnennkapazität des Leistungskreises. Die Werte der auf die Spitzenleistung des Wandlers normierten Gesamtnennkapazität sind ebenfalls enthalten. Daraus wird ersichtlich, dass die Werte der Gesamtnennkapazität und der normierten Kapazität im Vergleich zu leistungselektronischen Wandlern nach dem Stand der Technik niedrig sind. Tabelle 8

Spitzen-Nennleistung (kW)	Gesamtnennkapazität C (µF)		C/P (nF/W)
	Beispiel 1	Beispiel 2	Beispiel 1	Beispiel 2
50	15	40	0.3	0.8
100	30	80	0.3	0.8
150	45	120	0.3	0.8
200	60	160	0.3	0.8
400	120	320	0.3	0.8

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.
Unter dem Begriff „Gesamtnennkapazität des Leistungskreises“ ist die Gesamtkapazität aller Kondensatoren im Leistungskreis zu verstehen. In den einfachsten Fällen kann es sich um einen einzigen Kondensator handeln. Der einphasige zweistufige AC-DC-Wandlerschaltkreis von enthält beispielsweise einen einzigen Zwischenkreiskondensator, ebenso wie der dreiphasige zweistufige AC-DC-Wandlerschaltkreis von . In anderen Beispielen können mehrere Kondensatoren vorhanden sein: Für jede Phase kann ein separater DC-Link-Kondensator vorhanden sein, wie dies bei der H-Brückenschaltung in und der dreiphasigen Zwei-Pegel-Schaltung in der Fall ist. Bei einer Parallelisierung der Leistungshalbleiter im Leistungskreis kann jedes Leistungshalbleiter-Schaltelement mit einem eigenen Kondensator verbunden sein, oder es können mehrere parallel geschaltete Leistungshalbleiter-Schaltelemente 121 mit einem einzigen größeren Kondensator verbunden sein.
Ein leistungselektronischer Wandler kann durch einen -Frequenz-Kapazitäts-Wandler-Parameter γ charakterisiert werden, der definiert ist als die Gesamtnennkapazität des Leistungskreises geteilt durch das Produkt aus der Spitzen-Nennleistung des leistungselektronischen Wandlers und der maximalen Schaltfrequenz der Gate-Schaltsignale: $γ = \frac{C}{P \times f_{max}}$
C = Gesamtnennkapazität des Leistungskreises der Kommutierungszelle
P = Spitzen-Nennleistung des leistungselektronischen Wandlers
f_max= Maximale Frequenz der Schaltsignale
Tabelle 9 zeigt beispielhafte Werte von γ für leistungselektronische Wandler gemäß der vorliegenden Offenbarung. Die Werte von γ sind charakteristischerweise niedriger als beim Stand der Technik und gehen mit einer Kombination aus hohem Wirkungsgrad und hoher Leistungsdichte einher. Die Werte von γ werden in fFs/W (d. h. Femto-Fs/W oder ×10^-15 Fs/W) angegeben. Tabelle 9

Spitzen-Nennleistung, P (kW) γ = C / (P × f) _max (fFs/W)

Beispiel 1 Beispiel 2 Beispiel 3

50 2.5 10 100

100 2.5 10 100

150 2.5 10 100

200 2.5 10 100

400 2.5 10 100
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.
Ein leistungselektronischer Wandler kann auch durch einen Wandlerfrequenz-Kapazitäts-Parameter δ charakterisiert werden, der definiert ist als die maximale Source-Drain-Sperrspannung der Leistungshalbleiter-Schaltelemente des Leistungskreises geteilt durch das Produkt aus der Parasitärinduktivität des Leistungskreises und der Gesamtnennkapazität des Leistungskreises: $δ = \frac{V_{block}}{L \times C}$
V_block= Maximale Source-Drain-Sperrspannung von Leistungshalbleitern
L = Parasitärinduktivität des Leistungskreises
C = Gesamtnennkapazität des Leistungskreises der Kommutierungszelle

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

Spitzen-Nennleistung (kW)	$δ = \frac{V_{block}}{L \times C}$ (PV/FH)
	Beispiel 1	Beispiel 2	Beispiel 3
50	1.0	6.0	30
100	1.0	6.0	30
150	1.0	6.0	30
200	1.0	6.0	30
400	1.0	6.0	30

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.
Ein leistungselektronischer Wandler kann auch durch einen Frequenz-Kapazitäts- Wandler-Parameter ε charakterisiert werden, der wie folgt definiert ist: $ε = \frac{f_{max} \times {| \frac{dv}{dt} |}_{max}}{L \times C}$
f_max= Maximale Frequenz der Schaltsignale
I_max= maximale Änderungsrate der Source-Drain-Spannung während des Betriebs
L = Parasitärinduktivität des Leistungskreises
C = Gesamtnennkapazität des Leistungskreises der Kommutierungszelle

Tabelle 11 zeigt beispielhafte Werte von ε für leistungselektronische Wandler gemäß der vorliegenden Offenbarung. Die Werte von ε sind charakteristischerweise niedriger als beim Stand der Technik und gehen mit einer Kombination aus hohem Wirkungsgrad, hoher Leistungsdichte und qualitativ hochwertigen Ausgangswellenformen einher. Die Werte von ε werden in Einheiten von ×10²⁷ V/s⁴ angegeben. Tabelle 11

Spitzen-Nennleistung (kW)	$ε = \frac{f_{max} \times {\| \frac{dv}{dt} \|}_{max}}{L \times C}$ (×10 ²⁷ V/s) ⁴
	Beispiel 1	Beispiel 2	Beispiel 3
50	1.9	7.5	30
100	1.9	7.5	30
150	1.9	7.5	30
200	1.9	7.5	30
400	1.9	7.5	30

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.
Zurück zu : Die Komponenten des Wandlers 10, insbesondere die Leistungshalbleiter-Schaltelemente 121, erzeugen Wärme, die abgeführt werden muss. Die Wärmeabfuhr kann bei leistungselektronischen Wandlern gemäß der vorliegenden Offenbarung aufgrund ihrer Kompaktheit und hohen Leistungsdichte ein besonders wichtiger Aspekt sein. Zu diesem Zweck umfasst der Wandler 10 einen integrierten Kühlkörper 15, der in engem thermischen Kontakt mit den Leistungshalbleiter-Prepackages 12 steht. Um eine effiziente Wärmeabfuhr zu gewährleisten, ist ein fester Pfad zwischen einer Wärmeabfuhrseite 123b der Prepackages (d. h. der Unterseite des Prepackages 12, wie in dargestellt, gegenüber der elektrischen Anschlussseite 123a) vorgesehen, so dass der Kühlkörper 15 die Wärme durch Wärmeleitung von den Prepackages 12 abführt. In dem gezeigten Beispiel teilen sich mehrere Prepackages 12 des Wandlers 10, und optional alle Prepackages 12 des Wandlers, einen gemeinsamen Kühlkörper 15.
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.
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.
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.
Ein leistungselektronischer Wandler kann durch einen Wärmeübergangs-Wandler-Parameter η charakterisiert werden, der wie folgt definiert ist: $η = \frac{h}{G_{3}}$
h = Wärmeübergangskoeffizient vom Prepackage zum Kühlmedium
G₃ = Abstand in z-Richtung zwischen der Wärmeabfuhrseite der Prepackage und dem Kühlkörper

Der Spalt G₃ ist in beschriftet. Tabelle 12 zeigt beispielhafte Werte von η für leistungselektronische Wandler gemäß der vorliegenden Offenbarung. Die Werte von η sind charakteristisch hoch und gehen mit einer Kombination aus Kompaktheit, hohem Wirkungsgrad und hoher Leistungsdichte einher. Die Werte von η sind in Einheiten von MW/m³ K angegeben. Tabelle 12

Spitzen-Nennleistung (kW)	$η = \frac{h}{G_{3}}$
Spitzen-Nennleistung (kW)	(MW/m ³ K)
	Beispiel 1	Beispiel 2	Beispiel 3
50	0.125	37.5	150
100	0.125	37.5	150
150	0.125	37.5	150
200	0.125	37.5	150
400	0.125	37.5	150

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.

Tabelle 13 zeigt beispielhafte Werte für den Wärmeübergangskoeffizienten h und die Größe des Spalts G₃ zwischen der Wärmeabfuhrseite des Leistungshalbleiter-Prepackages und dem Kühlkörper. Tabelle 13

Spitzen-Nennleistung (kW)	h			G ₃
	(kW/m ² K)			(mm)
	Beispiel 1	Beispiel 2	Beispiel 3	Beispiel 1	Beispiel 2	Beispiel 3
50	0.1	7.5	30	0.8	0.2	0.05
100	0.1	7.5	30	0.8	0.2	0.05
150	0.1	7.5	30	0.8	0.2	0.05
200	0.1	7.5	30	0.8	0.2	0.05
400	0.1	7.5	30	0.8	0.2	0.05

Ein leistungselektronischer Wandler kann auch durch einen thermischen Schnittstellen-Parameter Ω gekennzeichnet sein, der wie folgt definiert ist: $Ω = \frac{M}{K}$
M = mechanische Kompressibilität der thermischen Schnittstellenschicht
k = Wärmeleitfähigkeit der thermischen Schnittstellenschicht
Tabelle 14 zeigt beispielhafte Werte für den thermischen Grenzflächen-Parameter Ω. Die Werte von Ω sind in Einheiten von MNK/Wm angegeben (d. h. Mega-NK/Wm, gleich 10⁶ NK/Wm). Tabelle 14

Spitzen-Nennleistung (kW) $Ω = \frac{M}{k}$

(MNK/Wm)

Beispiel 1 Beispiel 2 Beispiel 3

50 0 0.86 10³

100 0 0.86 10³

150 0 0.86 10³

200 0 0.86 10³

400 0 0.86 10³
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.

Tabelle 15 enthält beispielhafte Werte für die mechanische Kompressibilität M der thermischen Schnittstellenschicht sowie für die Wärmeleitfähigkeit k der thermischen Schnittstellenschicht. Tabelle 15

Spitzen-Nennleistun g (kW)	M			k
	(MN/m) ²			(W/mK)
	Beispie l 1	Beispie l 2	Beispie l 3	Beispie l 1	Beispie l 2	Beispie l 3
50	0	3	100	1	3.5	90
100	0	3	100	1	3.5	90
150	0	3	100	1	3.5	90
200	0	3	100	1	3.5	90
400	0	3	100	1	3.5	90

ist eine weitere Darstellung des Wandlers 10 aus und veranschaulicht die elektrischen Felder, die sich zwischen den Komponenten des Wandlers 10 entwickeln.
Der in mit G1 bezeichnete Prepackage-Spalt ist zwischen der zweiten Oberfläche 111b des mehrschichtigen Trägersubstrats 11 und der elektrischen Anschlussseite/-fläche 123a der Prepackages 12 sichtbar. Der Prepackage-Spalt G1 hat eine Größe, die in z-Richtung gemessen werden kann. In dem Prepackage-Spalt G1 wird ein erstes elektrisches Feld 50 aufgebaut, das sich aus dem Potentialunterschied (Spannung) zwischen der zweiten Oberfläche 111b des mehrschichtigen Trägersubstrats 11 und der elektrischen Verbindungsfläche 123a der Prepackages 12 ergibt.
Ein leistungselektronischer Wandler kann durch einen Wandler-Parameter θ gekennzeichnet sein, der definiert ist als Größe des Prepackage-Spalts in z-Richtung geteilt durch eine maximale elektrische Feldstärke im Prepackage-Spalt (hier als erste maximale elektrische Feldstärke bezeichnet): $θ = \frac{G_{1}}{E_{1}}$
G₁= Größe des Prepackage-Spalts in z-Richtung
E₁ = Maximale elektrische Feldstärke im Prepackage-Spalt

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

Spitzen-Nennleistung (kW)	$θ = \frac{G_{1}}{E_{1}} ({pm}^{2} /V)$
	Beispiel 1	Beispiel 2	Beispiel 3
50	0.5	6.25	250
100	0.5	6.25	250
150	0.5	6.25	250
200	0.5	6.25	250
400	0.5	6.25	250

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.
Der Fachmann weiß, dass die erste maximale elektrische Feldstärke eine maximale homogene elektrische Feldstärke ist. Mit anderen Worten, es handelt sich um die maximale Feldstärke, die an einer Stelle bestimmt wird, die ausreichend weit von scharfen Kanten und/oder Hindernissen im Spalt entfernt ist, die zu Singularitäten des elektrischen Feldes oder anderen stark lokalisierten Maxima führen können. zeigt beispielsweise einen ersten Bereich 52 im Prepackage-Spalt, in dem die erste maximale elektrische Feldstärke bestimmt werden kann, da er in x-y-Richtung von jeder Kante oder Begrenzung des mehrschichtigen planaren Trägersubstrats oder des Leistungshalbleiter-Prepackages beabstandet ist. Hier wird gezeigt, dass der erste Bereich 52 in x-Richtung um einen ersten Abstand 54 von einer Prepackage-Kante 123e beabstandet ist. In ähnlicher Weise ist der erste Bereich 52 von einer anderen Prepackage-Kante 123e in y-Richtung beabstandet (hier nicht sichtbar, da die y-Richtung senkrecht zur Zeichenebene verläuft). Ein solcher Versatz des ersten Bereichs 52 in x-y-Richtung in Richtung der Innenseite des Prepackage-Spalts stellt sicher, dass die maximale Feldstärke über einen geeignet homogenen Bereich des elektrischen Feldes bestimmt wird. Wird die maximale elektrische Feldstärke durch Modellierung (z. B. Finite-Elemente-Analyse, FEA) bestimmt, kann die maximale elektrische Feldstärke an einer Stelle ermittelt werden, die mindestens drei Maschenzellen von einer Singularität im Modell entfernt ist (z. B. Spitzen, scharfe Kanten, Dreifachpunkte).

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. Tabelle17

Spitzen-Nennleistung (kW)	G ₁ (µm)			E ₁ (kV/mm)
Spitzen-Nennleistung (kW)	Beispiel 1	Beispiel 2	Beispiel 3	Beispiel 1	Beispiel 2	Beispiel 3
50	20	100	250	1	16	40
100	20	100	250	1	16	40
150	20	100	250	1	16	40
200	20	100	250	1	16	40
400	20	100	250	1	16	40

Die zweite Oberfläche 111b des mehrschichtigen Trägersubstrats 11 und ein Kühlkörper 15 sind in z-Richtung im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet, so dass ein Kühlkörper-Spalt entsteht, der in mit G2 bezeichnet ist. In dem Kühlkörper-Spalt G2 wird ein zweites elektrisches Feld 56 aufgebaut, das sich aus dem Potenzialunterschied (Spannung) zwischen der zweiten Oberfläche 111b des mehrschichtigen Trägersubstrats 11 und dem Kühlkörper ergibt.
Ein leistungselektronischer Wandler kann durch einen Wandler-Parameter φ gekennzeichnet sein, der definiert ist als Größe des Kühlkörper-Spalts in z-Richtung geteilt durch eine maximale elektrische Feldstärke im Kühlkörper-Spalt (hier als zweite maximale elektrische Feldstärke bezeichnet): $φ = \frac{G_{2}}{E_{2}}$
G₂= Größe des Kühlkörper-Spalts in z-Richtung
E₂ = maximale elektrische Feldstärke im Kühlkörper-Spalts

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 ×10^-9 m²/V) angegeben. Tabelle 18

Spitzen-Nennleistung (kW)	$φ = \frac{G_{2}}{E_{2}}$
Spitzen-Nennleistung (kW)	(nm ² /V)
	Beispiel 1	Beispiel 2	Beispiel 3
50	0.05	1.00	15
100	0.05	1.00	15
150	0.05	1.00	15
200	0.05	1.00	15
400	0.05	1.00	15

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.
Wie bei der ersten maximalen elektrischen Feldstärke E₁ handelt es sich auch bei der zweiten maximalen elektrischen Feldstärke E₂ um eine maximale homogene elektrische Feldstärke, so dass Singularitäten und andere stark lokalisierte Maxima ausgeschlossen sind. Beispielhaft ist in 2B ein zweiter Bereich 58 zur Bestimmung einer zweiten maximalen elektrischen Feldstärke des zweiten elektrischen Feldes 56 dargestellt. Der zweite Bereich 58 befindet sich innerhalb des Kühlkörper-Spaltes G2 und ist von allen Hindernissen und Kanten innerhalb des Kühlkörper-Spaltes G2, wie z.B. denjenigen, die mit den Prepackages 12 verbunden sind, beabstandet. Wird die maximale elektrische Feldstärke durch Modellierung (z. B. Finite-Elemente-Analyse, FEA) bestimmt, kann die maximale elektrische Feldstärke an einer Stelle ermittelt werden, die mindestens drei Maschenzellen von einer Singularität im Modell entfernt ist.

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. Tabelle19

Spitzen-Nennleistung (kW)	G ₂ (mm)			E ₂ (kV/mm)
Spitzen-Nennleistung (kW)	Beispiel 1	Beispiel 2	Beispiel 3	Beispiel 1	Beispiel 2	Beispiel 3
50	0.5	1.5	3.0	0.2	1.5	10
100	0.5	1.5	3.0	0.2	1.5	10
150	0.5	1.5	3.0	0.2	1.5	10
200	0.5	1.5	3.0	0.2	1.5	10
400	0.5	1.5	3.0	0.2	1.5	10

Die und zeigen das kleinste quaderförmige Volumen, das die Kommutierungszelle eines leistungselektronischen Wandlers umschließt. Auch hier wird das Beispiel eines einphasigen zweistufigen Wandlers gewählt, um die Erklärung zu erleichtern. Es wird auf Gleichung 1 verwiesen, die den Induktivitäts-Volumen-Parameter α in Form des kleinsten quaderförmigen Volumens definiert, das die Kommutierungszelle umschließt.
ist die auch in dargestellte Querschnittsansicht. Die x- und z-Richtungen sind angegeben. Der gestrichelte Kasten mit der Bezeichnung A_x-z ist ein Querschnitt in der x-z-Ebene durch das kleinste Volumen, das die Kommutierungszelle des Wandlers 10 umschließt. Die Querschnittsfläche A_x-z umfasst sowohl den Leistungskreis (d. h. die in den Prepackages 12 ausgebildeten Leistungshalbleiter 121, den Kondensator 14, die Gleichstromeingänge und die Wechselstromausgänge sowie die Verbindungen dazwischen) als auch die Gate-Treiberschaltung 13 und ihre Verbindungen mit den Leistungshalbleitern 121. Die Fläche A_x-z kann als Produkt aus der in x-Richtung gemessenen Größe des Gehäuses (L_x) und der in z-Richtung gemessenen Größe des Gehäuses (L_z) berechnet werden.
ist eine Draufsicht auf den Wandler aus . Die x- und z-Richtungen sind angegeben. Der gestrichelte Kasten mit der Bezeichnung A_x-y ist ein Querschnitt in der x-y-Ebene durch das kleinste quaderförmige Volumen, das die Kommutierungszelle des Wandlers 10 umschließt. Die Querschnittsfläche A_x-y umfasst sowohl den Leistungskreis (d. h. die Leistungshalbleiter 121, den Kondensator, die Gleichstromeingänge und die Wechselstromausgänge sowie die Verbindungen dazwischen) als auch die Gate-Treiberschaltung 13 und ihre Verbindungen mit den Leistungshalbleitern. Die Fläche A_x-z lässt sich als Produkt aus der in x-Richtung gemessenen Größe des Gehäuses (L_x) und der in y-Richtung gemessenen Größe des Gehäuses (L_y) berechnen.
Es lässt sich leicht erkennen, dass das kleinste quaderförmige Volumen, das die Kommutierungszelle umschließt, als Produkt der drei Dimensionen L_x, L_x und L_z berechnet werden kann.
Es wird darauf hingewiesen, dass alle Komponenten der Kommutierungszelle in 3B sichtbar sind, obwohl sich einige der in der Querschnittsansicht von 3A dargestellten Komponenten auf der Unterseite des Trägersubstrats 11 befinden. Es sei darauf hingewiesen, dass dies nur der Veranschaulichung dient und dass in der Praxis nicht alle Bauteile des Wandlers 10 der 3A-3B in einer einzigen Draufsicht sichtbar sind. Es sollte auch beachtet werden, dass die x-y-Position der Gate-Treiberschaltung 13 in 3B zur besseren Veranschaulichung verschoben wurde (d. h., damit sie sich nicht mit den x-y-Positionen der Prepackages 12 überschneidet, wie es in 3A der Fall ist). Die Flexibilität bei der x-y-Position der Komponenten der Kommutierungszelle ist jedoch ein vorteilhaftes Merkmal der Wandler gemäß der vorliegenden Offenbarung; dies liegt zum Teil daran, dass Änderungen der x-y-Positionen die Parasitärinduktivität der Verbindungen zwischen den Komponenten nicht wesentlich verändern.
Es wird auch darauf hingewiesen, dass in nur zwei Leistungshalbleiter-Prepackages 12L und 12H zu sehen sind, während es in sechs Prepackages 12L_1-3 und 12H_1-3 gibt. Dies dient der Veranschaulichung der Parallelisierung der Leistungshalbleiter-Schaltelemente 121. Insbesondere ist aus ersichtlich, dass die niedrige Seite der Halbbrücke drei Leistungshalbleiter-Prepackages, 12L₁, 12L₂ und 12L₂, umfasst, die drei entsprechende Leistungshalbleiter-Schaltelemente enthalten, die parallel miteinander verbunden sind. Ebenso umfasst die High-Seite der Halbbrücke drei Leistungshalbleiter-Prepackages, 12H₁, 12H₂ und 12H₃, die drei entsprechende Leistungshalbleiter-Schaltelemente in Parallelschaltung enthalten. In , in der die y-Richtung verdeckt ist, ist nur eines der drei Prepackages 12L, 12H auf der niedrigen und der hohen Seite sichtbar.
zeigt ein einzelnes Leistungshalbleiter-Prepackage 12 und zeigt Details, die in den und nicht sichtbar sind.
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.
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.
Das abgebildete Prepackage 12 enthält außerdem eine optionale elektrische Isolierschicht (EIL) 126. Der Zweck der EIL 126, bei der es sich in diesem Beispiel um eine Schicht aus keramischem Material handelt, besteht darin, den MOSFET 121 und seine Anschlüsse elektrisch vom Kühlkörper 15 zu isolieren, der an der Unterseite des Prepackage 12 angeordnet ist (siehe . In anderen Ausführungsformen kann die EIL 126 in der Prepackage 12 weggelassen werden, beispielsweise wenn eine separate EIL zwischen der Unterseite der Prepackage 12 und dem Kühlkörper 15 vorgesehen ist oder wenn die TIL 16 eine ausreichende elektrische Isolierung bieten kann. Wenn vorhanden, hat die EIL 126 vorzugsweise eine Dicke von weniger als 5 mm, wobei Dicken von weniger als 1 mm bevorzugt werden, um den Wandler kompakt zu halten und dennoch die Isolationsfunktion zu erreichen. Geringere Dicken, z. B. weniger als 0,1 mm, können verwendet werden, wenn z. B. ein organisches Substrat wie IMS verwendet wird.
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.
zeigt das Prepackage 12 aus , das zwischen einem mehrschichtigen Trägersubstrat 11 und einem Kühlkörper 15 eingebettet ist. Sie veranschaulicht ferner, wie die elektrischen Verbindungen 124, 125ii, die sich von den Anschlüssen des Leistungshalbleiters 121 zur elektrischen Anschlussfläche 123a erstrecken, mit den leitenden Elementen des mehrschichtigen Trägersubstrats 11 und damit mit anderen Komponenten der Kommutierungszelle verbunden werden können.
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.
Da die Anschlüsse der Leistungshalbleiter-Schaltelemente 121 nun mit den leitenden Bereichen 1121 des Trägersubstrats 11 verbunden sind, werden die Verbindungen zu den anderen Komponenten der Kommutierungszelle durch eine Verbindung mit den leitenden Bereichen 1121 hergestellt. Diese Verbindungen können durch eine Kombination aus leitenden Schichten 112 des Trägersubstrats 11 (siehe 2A) und elektrischen Verbindungen 114 gebildet werden, die sich in z-Richtung von den leitenden Bereichen 1121 durch das Trägersubstrat erstrecken. Beispielsweise kann die Schicht 1121, die mit dem Anschluss 124 verlötet ist, der mit dem Source-Anschluss des MOSFET 121 verbunden ist, mit einer oder mehreren (z. B. vielen) Verbindungen 114a verbunden sein, die sich in z-Richtung zu einer inneren leitenden Schicht 112 erstrecken. Die innere leitende Schicht 112 kann dann mit einem Anschluss des Zwischenkreiskondensators 14 verbunden sein. Ein weiteres Beispiel: Die Schicht 1121, die an den Anschluss 125i gelötet ist, der mit dem Gate-Terminal des MOSFET 121 verbunden ist, kann mit einem oder mehreren Anschlüssen 114b verbunden sein, die sich in z-Richtung durch das gesamte Substrat 11 zu den Anschlüssen der Gate-Treiberschaltung 13 erstrecken.
Die hier beschriebenen leistungselektronischen Wandler können durch einen Wandler-Parameter ρ gekennzeichnet sein, der wie folgt definiert ist: $ρ = k \times E_{Break}$
k = Wärmeleitfähigkeit der thermischen Schnittstellenschicht (TIL)
E_Break = elektrische Durchschlagsfeldstärke der elektrischen Isolierschicht (EIL)

Tabelle 20 zeigt beispielhafte Werte für den Wandler-Parameter ρ. Die hier beschriebenen Wandler können charakteristisch hohe Werte für ρ aufweisen, die mit einer Kombination aus guter Wärmeabfuhr aus den Prepackages und guter Beständigkeit gegen elektrischen Durchschlag verbunden sein können. Die Werte von ρ werden in Einheiten von MVW/m²K (Mega-VW/m₂ K, oder ×10⁶ VW/m² K) angegeben. Tabelle 20

Spitzen-Nennleistung (kW)	ρ = k × E _Break
Spitzen-Nennleistung (kW)	(MVW/m ² K)
	Beispiel 1	Beispiel 2	Beispiel 3	Beispiel 4
50	10	70	4.5×10³	22.5×10³
100	10	70	4.5×10³	22.5×10³
150	10	70	4.5×10³	22.5×10³
200	10	70	4.5×10³	22.5×10³
400	10	70	4.5×10³	22.5×10³

Im Allgemeinen haben leistungselektronische Wandler gemäß der vorliegenden Offenbarung Werte von p größer oder gleich 5 MVW/m² K, wobei Werte größer als 20 MVW/m² K bevorzugt werden.

Tabelle 21 enthält beispielhafte Werte für die elektrische Durchschlagsfeldstärke (die in der Literatur auch als Durchschlagsfestigkeit bezeichnet wird), E_Break, der elektrischen Isolierschicht (EIL). Beispielhafte Werte für die Wärmeleitfähigkeit k der thermischen Schnittstellenschicht finden sich in Tabelle 15. Tabelle 21

Spitzen-Nennleistung (kW)	E _Break (kV/mm)
Spitzen-Nennleistung (kW)	Beispiel 1	Beispiel 2	Beispiel 3	Beispiel 4
50	10	20	50	250
100	10	20	50	250
150	10	20	50	250
200	10	20	50	250
400	10	20	50	250

Höhere Werte für E_Break, 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.
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.
Solche Ausführungsformen können durch einen TIL-Parameter λ charakterisiert werden, der als die Wärmeleitfähigkeit der TIL geteilt durch die elektrische Leitfähigkeit der TIL definiert ist: $λ = \frac{k}{P}$
k = Wärmeleitfähigkeit der thermischen Schnittstellenschicht (TIL)
P = elektrische Leitfähigkeit der 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 x10¹² W/SK) angegeben. Tabelle 22

Spitzen-Nennleistung (kW)	$λ = \frac{k}{P} (TW/SK)$
	Beispiel 1	Beispiel 2	Beispiel 3
50	1	350	90×10³
100	1	350	90×10³
150	1	350	90×10³
200	1	350	90×10³
400	1	350	90×10³

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.

Tabelle 23 enthält beispielhafte Werte für die elektrische Leitfähigkeit P der thermischen Schnittstellenschicht. Tabelle 23

Spitzen-Nennleistung (kW)	P (S/m)
Spitzen-Nennleistung (kW)	Beispiel 1	Beispiel 2	Beispiel 3
50	1×10^-15	1×10^-14	1×10^-13
100	1×10^-15	1×10^-14	1×10^-13
150	1×10^-15	1×10^-14	1×10^-13
200	1×10^-15	1×10^-14	1×10^-13
400	1×10^-15	1×10^-14	1×10^-13

zeigt eine weitere Anordnung eines leistungselektronischen Wandlers 10, bei der zumindest ein Teil des Prepackage-Spalts G1 mit elektrisch isolierendem Material 60, z. B. einem Harz, gefüllt ist. Das elektrisch isolierende Material 60 ist in und optional um den Prepackage-Spalt G1 herum angeordnet. „Um“ bedeutet in diesem Zusammenhang, dass sich das elektrisch isolierende Material 60 in x-y-Richtung über das Prepackage 12 hinaus erstreckt. Das Material 60 kann zum Beispiel zusätzlich die Metallschichten 1121 bedecken, die sich von den Anschlüssen 114a zu den Anschlüssen 113 erstrecken.
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 I 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.
Im Allgemeinen enthält das verwendete elektrisch isolierende Material 60 aufgrund von Unzulänglichkeiten im Herstellungsprozess Hohlräume (z. B. Luft) in seinem Volumen. Ein leistungselektronischer Wandler, der elektrisch isolierendes Material in einem Prepackage-Spalt verwendet, kann durch einen Wandler-Parameter σ charakterisiert werden, der als Isolationsfüllfaktor geteilt durch eine maximale Größe der Hohlräume definiert ist: $σ = \frac{F}{R_{m a x}}$
F = Isolationsfüllfaktor
R_max = Maximale Hohlraumgröße in der Isolierung
In dieser Gleichung ist F der Isolationsfüllfaktor und R_max ist die maximale Hohlraumgröße der Vielzahl von Hohlräumen. Der Isolationsfüllfaktor ist definiert als kumuliertes Volumen der Vielzahl von Hohlräumen (das „Hohtraumvotumen“), subtrahiert von einem Volumen des elektrisch isolierenden Materials, dividiert durch das Volumen des elektrisch isolierenden Materials. Dies kann wie folgt ausgedrückt werden: $F = \frac{V_{IM} - V_{V}}{V_{IM}}$
V_IM = Volumen des elektrisch isolierenden Materials (einschließlich Hohlräume)
V_v = Kumuliertes Volumen der Hohlräume
Daher kann der Wandler-Parameter σ auch wie folgt ausgedrückt werden: $σ = \frac{V_{IM} - V_{V}}{V_{V} \times R_{max}}$

Tabelle 24 zeigt beispielhafte Werte für den Wandler-Parameter a, ausgedrückt in der Einheit 1/mm. Tabelle 24

Spitzen-Nennleistung (kW)	F $σ = \frac{F}{R_{max}}$ (1/mm)
	Beispiel 1	Beispiel 2	Beispiel 3
50	18	100	1000
100	18	100	1000
150	18	100	1000
200	18	100	1000
400	18	100	1000

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.

Tabelle 26 zeigt beispielhafte Werte für den Isolationsfüllfaktor F und die maximale Hohlraumgröße R_max . Tabelle 25

Spitzen-Nennleistung (kW)	F (%)			R _max (µm)
Spitzen-Nennleistung (kW)	Beispiel 1	Beispiel 2	Beispiel 3	Beispiel 1	Beispiel 2	Beispiel 3
50	90	99	99.99	1	10	50
100	90	99	99.99	1	10	50
150	90	99	99.99	1	10	50
200	90	99	99.99	1	10	50
400	90	99	99.99	1	10	50

Die Werte von R_max 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.
Ein leistungselektronischer Wandler, der elektrisch isolierendes Material in einem Prepackage-Spalt verwendet, kann auch durch einen Wandler-Parameter τ gekennzeichnet sein, der als das Produkt aus der Durchschlagsfestigkeit des elektrisch isolierenden Materials und der maximalen Hohlraumgröße definiert ist: $τ = D \times R_{max}$
D = Durchschlagfestigkeit des elektrisch isolierenden Materials
R_max= Maximale Hohlraumgröße in der Isolierung
Tabelle 26 zeigt beispielhafte Werte für den Wandler-Parameter τ, ausgedrückt in der Einheite Volt. Tabelle 26

Spitzen-Nennleistung (kW) τ = D × R _max (V)

Beispiel 1 Beispiel 2 Beispiel 3

50 1 200 10,000

100 1 200 10,000

150 1 200 10,000

200 1 200 10,000

400 1 200 10,000
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.
Tabelle 27 enthält beispielhafte Werte für die Durchschlagfestigkeit D des elektrisch isolierenden Materials. Tabelle 27

Spitzen-Nennleistung (kW) D (kV/mm)

Beispiel 1 Beispiel 2 Beispiel 3

50 1 20 200

100 1 20 200

150 1 20 200

200 1 20 200

400 1 20 200
zeigt, wie Low-Side- und High-Side-Leistungshalbleiter-Schaltelemente 121L, 121H der Prepackages 12L, 12H unter Verwendung des mehrschichtigen Trägersubstrats 11 elektrisch verbunden werden können. Die x- und z-Richtungen sind angegeben.
Wie in 4B weist eine planare Oberfläche 111b des Substrats 11 Bereiche 1121i, 1121 ii, 1121iii auf, die eine äußere leitende Schicht tragen. Diese Bereiche 1121i-iii erleichtern die Verbindung mit den Anschlüssen der Leistungshalbleiter 121L, 121H durch Löten oder Sintern. Das Mehrschichtsubstrat 11 ist ferner so dargestellt, dass es eine innere leitende Schicht 112a aufweist, die mit einem der äußeren Schichtbereiche 1121ii über eine Reihe von Verbindungen 114a, die sich in z-Richtung durch das Substrat 11 erstrecken, elektrisch verbunden ist.
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.
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.
zeigt, wie Leistungshalbleiter-Schaltelemente P1 und P2 parallel geschaltet werden können. Bei P1 und P2 kann es sich beispielsweise um zwei Low-Side-Leistungshalbleiter einer Phase eines zweistufigen AC-DC Wandlers handeln. Die y- und z-Richtungen sind zum Vergleich mit angegeben.
Wie in 5A weist eine planare Oberfläche 111b des Substrats 11 Bereiche 1121iv, 1121v, 1121vi auf, die eine äußere leitende Schicht tragen. Diese Bereiche 1121iv, 1121v, 1121vi erleichtern die Verbindung mit den Anschlüssen der Leistungshalbleiter P1 und P2, z. B. durch Löten, Sintern oder Kleben. Das Mehrschichtsubstrat 11 enthält außerdem zwei innere leitende Schichten 112b, 112c. Jede der inneren Schichten 112b, 112c ist elektrisch mit einem der äußeren Schichtbereiche 1121v, 1121vi durch einen entsprechenden Satz von Verbindungen 114b, 114c verbunden, die sich in z-Richtung durch das Substrat 11 erstrecken. Wie in 5A sind die inneren Schichten 112b, 112c dicker als die äußeren Schichtbereiche 1121 iv-vi.
Der Source-Anschluss (S) des ersten Leistungshalbleiter-Schaltelements P1 ist über einen Anschluss an den ersten Außenschichtbereich 1121iv elektrisch mit der AC-Seite des Wandlers 10 verbunden. Der Source-Anschluss (S) des zweiten Leistungshalbleiter-Schaltelements P2 ist elektrisch mit der AC-Seite des Wandlers 10 über einen Anschluss an den dritten Außenschichtbereich 1121vi verbunden, der über den Anschluss 114c mit der inneren leitenden Schicht 112c des Laufwerks verbunden ist. Der Drain-Anschluss (D) des ersten Leistungshalbleiter-Schaltelements P1 und der Drain-Anschluss (D) des zweiten Leistungshalbleiter-Schaltelements P2 sind untereinander und mit der inneren leitenden Schicht 112b des Substrats 11 durch gelötete, gesinterte oder geklebte Anschlüsse mit dem zweiten äußeren Schichtbereich 1121v elektrisch verbunden.
Es versteht sich von selbst, dass die Verbindungsanordnungen der 5A-5B nur ein Beispiel sind und dass die Verbindungen auf verschiedene Weise hergestellt werden können, mit unterschiedlichen Kombinationen von äußeren Schichten, inneren Schichten und Verbindungen in z-Richtung. Es sollte weiterhin verstanden werden, dass:

- Die verschiedenen Innenschichten 112a-c so dargestellt sind, dass sie die gleiche Dicke haben und sich in der gleichen Tiefe durch das Substrat 11 erstrecken. Dies muss nicht der Fall sein und wird im Allgemeinen auch nicht der Fall sein. Die inneren Schichten können unterschiedliche Dicken haben und in z-Richtung und/oder x-y-Richtung versetzt sein.
- Die Außenschichten 1121 i-vi und die Innenschichten 112a-c gleich dick oder unterschiedlich dick sein können. Die geeigneten Dicken hängen bis zu einem gewissen Grad von den Anforderungen der Anwendung ab (z. B. Leistung). Es ist im Allgemeinen einfacher, dicke Innenschichten 112a-c z. B. durch bekannte Leiterplattenherstellungsverfahren herzustellen als dicke Außenschichten, die z. B. durch Abscheidung erzeugt werden können.

In jedem der oben beschriebenen Beispiele hat der AC-DC Wandler 10 nur eine einzige Phase. Dies dient jedoch nur der Veranschaulichung und Erläuterung, und AC-DC-Wandler gemäß der vorliegenden Offenbarung können und werden im Allgemeinen mehrere Phasen haben. Zu diesem Zweck veranschaulichen die , wie die oben beschriebenen Konzepte auf mehrere Phasen erweitert werden können. Die zeigen einen zweistufigen, dreiphasigen AC-DC-Wandler, bei dem die Low-Side und die High-Side jeder Phase mehrere (in diesem Fall acht) parallel geschaltete Leistungshalbleiter-Schaltelemente umfasst.
ist ein schematischer Querschnitt des Wandlers 10. Die x-Richtung und die z-Richtung sind angegeben. Der Wandler 10 hat drei Phasen, die mit U, V und W bezeichnet werden. Jede Phase hat ihren eigenen Satz von Leistungshalbleiter-Prepackages: die erste Phase U hat Prepackages 12U-L und 12U-H; die zweite Phase V hat Prepackages 12V-L und 12V-H; und die dritte Phase W hat Prepackages 12W-L und 12W-H. Die Prepackages 12 jeder Phase sind oberflächenmontiert und elektrisch mit einem gemeinsamen mehrschichtigen planaren Trägersubstrat 11 verbunden, bei dem es sich wie zuvor um eine Leiterplatte handeln kann. Die Wärmeabfuhrseiten der Prepackages 12 sind einem Kühlkörper 15 zugewandt, wobei sich zwischen den Unterseiten der Prepackages 12U-W und dem Kühlkörper 15 thermische Schnittstellenschichten 16U, 16V, 16W befinden.
Zur besseren Veranschaulichung sind die anderen Komponenten der Kommutierungszelle, nämlich die Gate-Treiberschaltung 13, der/die Kondensator(en) 14 und die elektrischen Verbindungen zwischen diesen Komponenten nicht dargestellt. Es wird jedoch deutlich, dass diese Komponenten und ihre Verbindungen im Wesentlichen wie oben unter Bezugnahme auf die 1-5 beschrieben sind.
In diesem Beispiel gibt es einen gemeinsamen Kühlkörper 15, der den gesamten Wandler 10 versorgt, aber es versteht sich von selbst, dass es stattdessen einen separaten Kühlkörper für jede Phase U, V, W geben könnte, ähnlich der in gezeigten Anordnung für eine einzelne Phase. Außerdem sitzen die Prepackages in diesem Beispiel in einer Aussparung 151 im Kühlkörper 15. Die Verwendung einer Aussparung kann vorteilhaft die Dicke des Wandlers in z-Richtung verringern und auch einen sekundären Wärmeleitpfad zwischen den Prepackages 12 und dem Kühlkörper 15 schaffen, der durch das Substrat 11 verläuft. Darüber hinaus kann, sofern die Aussparung in geeigneter Weise abgedichtet ist, ein flüssiges oder gasförmiges Kühlmedium durch die Aussparung geleitet werden, um die Prepackages 12 direkt zu kühlen.
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.
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.
ist eine schematische Draufsicht auf den Wandler 10 aus . Es sind nur die Prepackages 12 dargestellt, und wie in 3B sind die Prepackages 12 dargestellt, obwohl sie sich auf der Unterseite des Substrats befinden und durch den Kühlkörper 15 verdeckt sind. Da die y-Richtung nicht mehr verdeckt ist, kann man erkennen, dass die Low-Side und die High-Side jeder Phase U, V, W acht Leistungshalbleiter-Schaltelemente umfasst, die jeweils in einem Leistungshalbleiter-Prepackage untergebracht sind. So sind beispielsweise die acht Prepackages 12U-L₁ bis 12U-L₈ beschriftet.
Fachleute werden verstehen, dass das Beispiel der 6A-B auf eine beliebige Anzahl von Phasen und auf eine beliebige Anzahl von parallel geschalteten Leistungshalbleiter-Schaltelementen erweitert werden kann. Es wird auch deutlich, dass es auf DC/DC-Wandler-Schaltungen ausgedehnt werden kann, die nur ein einziges Leistungshalbleiter-Schaltelement oder einen Satz parallel geschalteter Leistungshalbleiter-Schaltelemente umfassen können.
Im Allgemeinen kann jeder leistungselektronische Wandler so verstanden werden, dass er aus einem oder mehreren „logischen Schaltern“ besteht, die jeweils ein oder mehrere parallel geschaltete Leistungshalbleiter-Schaltelemente umfassen. Im Falle eines zweistufigen AC-DC-Wandlers gibt es zwei logische Schalter pro Phase (ein Low-Side- und ein High-Side-Schalter). Bei einem DC-DC-Wandler kann es auch nur einen logischen Schalter geben (siehe z. B. , während andere DC-DC-Wandler mehrere logische Schalter umfassen können (siehe z. B. , die vier logische Schalter hat; zwei pro Seite des Transformators 250'). Wandler gemäß der vorliegenden Offenlegung können eine beliebige Anzahl von Leistungshalbleitern (und somit Prepackages) pro logischem Schalter umfassen, wobei 3 bis 10 Prepackages pro logischem Schalter typisch sind.
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.

Tabelle 28 enthält als spezifisches Beispiel die Spezifikationen von zwei Wandlern gemäß der vorliegenden Offenlegung. Bei beiden handelt es sich um zweistufige, dreiphasige AC-DC-Wandler, was jedoch nicht als Einschränkung zu verstehen ist. Tabelle 28

	Beispiel 1 (100 kW, 2-stufig, 3-Phasen AC-DC)	Beispiel 2 (200 kW, 2-stufig, 3-Phasen AC-DC)
Substrat-Typ	Starre mehrlagige PCB	Starre mehrlagige PCB
Leistungshalbleiter Typ	SiC-MOSFET	SiC-MOSFET
Prepackage Typ	FR4-Isolierung mit integrierter keramischer EIL	FR4-Isolierung mit integrierter keramischer EIL
Kühlkörpertyp	Luftgekühltes Aluminium	Flüssigkeitsgekühltes Aluminium
TIL-Typ	Indium-Zinn-Lot	Indium-Zinn-Folie
Spitzenleistung	100 kW	200 kW
MOSFET Source-Drain-Sperrspannung	1,200 V	1,400 V
Nennspitzenstrom	200 A	350 A
Maximale Schaltfrequenz	50 kHz	50 KHz
Maximale Source-Drain-Spannungsrampenrate [dv/dt]	30 kV/µs	35 kV/µs
Parasitärinduktivität des Leistungskreises [L]	4 nH	2 nH
Gesamtkapazität des Leistungskreises [C, @298K, 1.000V DC]	50 µF	100 µF
Volumen der Kommutierungszelle [Kleinster Quader]	300 cm³	424 cm³
Anzahl der Prepackages pro logischem Switch	6	12
Gesamtzahl der Prepackages	36	72
Spalt zwischen Substrat und Prepackages	100 µm	120 µm
Spalt zwischen Substrat und Kühlkörper	1,5 mm	1,6 mm
TIL-Stärke	200 µm	150 µm
EIL-Dicke	0,25 mm	0,25 mm
TIL Wärmeleitfähigkeit	3,5 W/mK	2,5 W/mK
Wirkungsgrad	99%	99%
α = L × Vol	1,2 pHm³	0,85 pHm³
β = f _max × \|dv/dt\| _max	1,5 PV/s²	1,75 PV/s²
$γ = \frac{C}{P \times f_{max}}$	10 fFs/W	10 fFs/W
$δ = \frac{V_{block}}{L \times C}$	6 PV/FH	7 PV/FH
$ε = \frac{f_{max} \times {\| \frac{dv}{dt} \|}_{max}}{L \times C}$	7,5 ×10²⁷ V/s⁴	8,8 ×10²⁷ V/s⁴
$θ = \frac{G_{1}}{E_{1}}$	18.25 Uhr /V²	18.25 Uhr /V²
$φ = \frac{G_{2}}{E_{2}}$	1 nm /V²	1 nm /V²
$σ = \frac{F}{R_{max}}$	80/mm	100/mm
τ = K × R _max	20 V	20 V
ρ = k × E _Break	25 GV/m K²	25 GV/m K²
$η = \frac{h}{G_{3}}$	0,3 MW/m K³	0,7 MW/m K³
$Ω = \frac{M}{K}$	0,8 MNK/Wm	0,8 MNK/Wm

Die 7A-7B und 8A-8B zeigen mehrere alternative Möglichkeiten, wie die Leistungshalbleiter-Prepackages 12 in Bezug auf das mehrschichtige Trägersubstrat 11 angeordnet und angeschlossen werden können. In jedem Fall sind die Gate-Treiberschaltung 13 und der/die Kondensator(en) 14 weggelassen, aber es versteht sich von selbst, dass diese in die alternativen Anordnungen im Wesentlichen wie oben beschrieben integriert werden könnten.
zeigt die allgemeine Wandleranordnung 10, die oben unter Bezugnahme auf die und in Tabelle 28 beschrieben wurde. Jedes Leistungshalbleiter-Prepackage 12 ist oberflächenmontiert auf der Unterseite des mehrschichtigen Trägersubstrats 11, wobei die elektrischen Verbindungen zwischen den beiden die Form von Löt-, Sinter- oder Klebeverbindungen 113 haben. Die andere Seite der Prepackages 12 ist einem gemeinsamen Kühlkörper 15 zugewandt, wobei eine TIL 16 die mechanische und thermische Schnittstelle zwischen dem Prepackage 12 und dem Kühlkörper 15 bildet.
zeigt eine alternative Wandleranordnung 10', bei der die Prepackages 12 und der Kühlkörper 15 auf gegenüberliegenden Seiten des Trägersubstrats 11 montiert sind. Wie zuvor sind die Prepackages 12 mit Hilfe von Löt- oder Sinterverbindungen 113 oberflächenmontiert auf dem Substrat 11 angebracht. Der Kühlkörper 15 ist mechanisch und thermisch über eine TIL 16 mit dem Substrat 11 verbunden. Die Länge und der Wärmewiderstand des Wärmeleitpfades zwischen den Prepackages 12 und dem Kühlkörper 15 werden durch die Montage der Prepackages 12 und des Kühlkörpers 15 auf gegenüberliegenden Seiten des Substrats 11 erhöht. Aus diesem Grund kann die Anordnung in derjenigen in vorgezogen werden. Die Hinzufügung von in das Trägersubstrat integrierten wärmeleitenden Elementen 115 kann jedoch eine nützliche und ausreichende Verringerung des Wärmewiderstands bewirken. Bei den wärmeleitenden Elementen könnte es sich z. B. um Kupfer-Vias handeln.
Die 8A und 8B zeigen weitere alternative Wandleranordnungen 10'', 10''', bei denen die Prepackages 12 in das mehrschichtige Trägersubstrat 11 eingebettet sind. Die Einbettung der Prepackages 12 kann mehrere Vorteile bieten. Erstens entfallen dadurch einige Luftspalten im Wandler, die andernfalls aufgrund der hohen Spannungen und elektrischen Felder, die in Wandlern der vorliegenden Offenbarung verwendet werden können, anfällig für elektrische Durchschläge sein könnten. Zweitens ist es möglich, den Wandler in z-Richtung etwas kompakter zu gestalten, da einige Lücken entfallen. Drittens müssen weniger Verbindungen zwischen den Prepackages und den leitenden Elementen der Substrate 11 hergestellt werden, z. B. Löt- oder Sinterverbindungen, was die Komplexität der Herstellung etwas verringert und eine Fehlerquelle beseitigt. Die Wärmeabfuhr aus den Anordnungen 10'', 10''' der 8A und 8B ist jedoch schwieriger.
unterscheidet sich von dadurch, dass die Prepackages 12 vollständig in das Substrat 11 eingebettet und somit vollständig von Isoliermaterial umgeben sind. In liegt die Unterseite der Prepackage 12 frei und bündig mit einer der planaren Oberflächen des Substrats 11. Die vollständige Einbettung der Prepackages 12 in das Substrat 11 führt zu einer weiteren Verbesserung der elektrischen Isolierung der Leistungshalbleiter 121, erhöht aber auch den Wärmewiderstand zwischen den Prepackages 12 und dem Kühlkörper 15 weiter. In sind wärmeleitende Elemente 115 in das Substrat 11 integriert, um den Wärmewiderstand des Wärmeleitpfades zu verringern.
In jedem der oben beschriebenen Beispiele haben die leistungselektronischen Wandler 10, 10', 10'', 10''' die Form eines zweistufigen AC-DC-Wandlers angenommen. Fachleute werden verstehen, dass die beschriebenen Konzepte auch auf andere Arten von leistungselektronischen Wandlern angewendet werden können, einschließlich alternativer AC-DC-Wandler-Topologien (einschließlich Multi-Level-Wandler-Topologien) und DC-DC-Wandler. Die zeigen verschiedene AC-DC- und leistungselektronische DC-DC-Wandler-Schaltungen, die in Übereinstimmung mit den oben beschriebenen Ausführungsformen verwendet werden können.
zeigt eine dreiphasige elektrische Maschine 140, die an einen zweistufigen, dreiphasigen AC-DC Wandler 100 angeschlossen ist. Die elektrische Maschine 140 ist als Motor und der Wandler 100 als Wechselrichter konfiguriert, aber es versteht sich, dass die Anordnung eines Generators und Gleichrichters sehr ähnlich wäre.
In diesem Beispiel ist ein Ende jeder Phasenwicklung 140u-w des Motors 140 an einem gemeinsamen Punkt (dem Stern- oder Y-Punkt) angeschlossen, obwohl auch eine Dreieckschaltung der Wicklungen 140u-w verwendet werden könnte. Das andere Ende jeder Wicklung ist mit einem entsprechenden Phasenschenkel 110u-w des Wechselrichters 100 an einem Phasenanschlusspunkt verbunden. Jeder Phasenzweig 110u-w ist außerdem mit einem hohen und einem niedrigen Gleichstromeingang DC-H, DC-L verbunden, die beispielsweise an einen Gleichstrombus wie den Gleichstrombus 330 in 12A angeschlossen werden können. Jeder Phasenschenkel umfasst einen High- und einen Low-Side-Transistor 112H, 112L und zugehörige parallele Dioden 112H-d, 112L-d, die zwischen den High- und Low-Side-Gleichstromeingängen DC-H, DC-L angeschlossen sind.
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.
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.
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.
zeigt eine weitere Wechselrichterschaltung 100'. In diesem Beispiel wird ein vierphasiger Elektromotor 140' über einen AC-DC leistungselektronischen Wandler 100', der vier unabhängige H-Brückenschaltungen umfasst, mit elektrischer Energie aus einer zweistufigen Gleichstromversorgung versorgt. Der Übersichtlichkeit halber sind in nur zwei der vier H-Brückenschaltungen 110u', 110v' dargestellt, die mit den entsprechenden zwei der vier Phasen 140u', 140v' des Motors 140' verbunden sind.
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'.
zeigt eine Schaltung des Wechselrichters 100'' mit einem DCseitigen Filter, der komplexer ist als der einzelne DC-Link-Kondensator der Wandler 100, 100' der . Der Wechselrichter 100'' ist wie der Wechselrichter 100 in ein zweistufiger dreiphasiger Wechselrichter. Er enthält jedoch einen Gleichstromfilter mit drei Kondensatoren 114-1, 114-2, 114-3 und vier Induktivitäten 119-1, 119-2, 119-3, 119-4, die zwischen die Gleichstromanschlüsse DC-L, DC-H und die Phasenschenkel 11 0u-w des Wandlers geschaltet sind. Jede geeignete gleichstromseitige Filterschaltung kann in Übereinstimmung mit den hier beschriebenen Ausführungsformen verwendet werden.
zeigt einen DC-DC-Wandler 200 vom Boost-Typ. Gleichstromwandler vom Buck-Typ und Buck-Boost-Typ sind ebenfalls bekannt.
Der DC-DC Wandler 200 ist an einer seiner Seiten mit einer Batterie 220 und an der anderen Seite z.B. mit einem DC-Leistungskanal wie dem DC-Leistungskanal 330 von 11A oder dem DC-Leistungskanal 530 von 14A verbunden.
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.
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.
zeigt einen weiteren Typ von DC-DC Wandler 200'. Der DC-DC Wandler 200' ist vom Typ DC-AC-DC und umfasst Back-to-Back Wechselrichter- 210' und Gleichrichter- 230' Stufen mit einem Zwischentransformator 250'. In diesem Beispiel sind sowohl der Wechselrichter 210' als auch der Gleichrichter 230' vom Typ H-Brücke, obwohl auch andere Wechselrichter- und Gleichrichterschaltungen verwendet werden könnten. Beide haben zugehörige gleichstromseitige Filter 214', 234'.
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.
Die zeigen beispielhafte Energie- und Antriebssysteme für Flugzeuge 300, 400, 500 mit leistungselektronischen Wandlern. Die leistungselektronischen Wandler können vorteilhafterweise von den hier beschriebenen effizienten, leistungsdichten Typen sein.
ist eine schematische Darstellung eines rein elektrischen Flugzeugantriebssystems 300. Das System 300 umfasst eine elektrische Energiespeichereinheit 320, in diesem Fall eine Hochspannungsbatterie, die einen Gleichstromkanal 330 mit elektrischer Gleichspannung versorgt. Der Gleichstromkanal 330 versorgt elektrische Verbraucher mit elektrischer Energie, darunter einen Elektromotor 340, der einen Propulsor 350 (z. B. einen Propeller oder ein Fan) antreibt. Ein Wechselrichter 310 wandelt den Gleichstrom aus dem Gleichstromkanal 330 in Wechselstrom zur Versorgung der Wicklungen des Motors 340 um. In einigen Ausführungsformen kann der Wechselrichter 310 mit dem Motor 340 integriert sein (z. B. eine gemeinsame Gehäusestruktur mit ihm teilen) und/oder der Motor 340 kann in den Propulsor 350 integriert sein.
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.
Das in dargestellte elektrische Energie- und Antriebssystem 300 umfasst nur einen einzigen Energiekanal (oder eine Energie-„Spur“) und einen einzigen Propulsor. In der Praxis kann ein Energie- und Antriebssystem mehrere Kanäle umfassen und eine komplexere Konfiguration aufweisen. Zur Veranschaulichung zeigt ein beispielhaftes elektrisch senkrecht startendes und landendes (eVTOL) Flugzeug 360 mit einem verteilten Antriebssystem, das in diesem Fall sechs Propulsoren 350a-f umfasst. In dieser Anordnung kann jedem Propulsor 350a-f ein eigener Leistungskanal zugeordnet sein, z. B. sechs Leistungskanäle der in gezeigten Art. In einem anderen Beispiel können sich ein oder mehrere der Propulsoren 350a-f einen Leistungskanal teilen, so dass es weniger als sechs Leistungskanäle gibt.
Wie in dargestellt, sind vier der Propulsoren 350a-d mit den Flügeln 361 des Flugzeugs 360 verbunden, während die restlichen zwei Propulsoren 350e-f mit den hinteren Flugflächen 362 verbunden sind. Die Flügel 361 und die hinteren Flugflächen 362 kippen zwischen einer VTOL-Konfiguration (in dargestellt), in der die Propulsoren 350a-f Schub für den Auftrieb liefern, und einer Vorwärtsflugkonfiguration (in dargestellt), in der zumindest einige der Propulsoren (die hinteren Propulsoren 350e-f in Vorwärtsschub liefern. Es versteht sich, dass auch eine andere Anzahl von Propulsoren (z. B. vier oder acht) möglich ist, ebenso wie andere eVTOL-Konfigurationen (z. B. Multikopter-Konstruktionen und Variationen der dargestellten Kipprotor-Konstruktion sind ebenfalls bekannt).
zeigt, wie sechs elektrisch angetriebene Propulsoren (z. B. die sechs Propulsoren 350a-f der ) in einem elektrischen Stromversorgungssystem 300 angeordnet sein können. Das Stromversorgungssystem 300 umfasst drei unabhängige Stromversorgungskanäle 300a, 300b, 300c, von denen jeder mit zwei der sechs Propulsoren 350a-f verbunden ist. In diesem speziellen Beispiel ist jeder der ersten beiden Stromkanäle 300a, 300b einem vorderen Propeller 350b, 350c und einem hinteren Propeller 350e, 350f zugeordnet, während der dritte Kanal 300c einem vorderen linken Propeller 350a und einem vorderen rechten Propeller 350d zugeordnet ist. Jedem Propulsor 350a-f ist ein entsprechender Motor 340a-f und ein entsprechender Wechselrichter 340a-f zugeordnet. Andere Konfigurationen des Stromversorgungssystems sind möglich und werden dem Fachmann bekannt vorkommen. So könnte das System 300 beispielsweise Verbindungen zwischen den Leistungskanälen 300a-c und die Verwendung von mehrfach redundanten Motorwicklungen aufweisen, um eine gemeinsame Nutzung der Leistung zwischen einigen oder allen Leistungskanälen 300a-c zu ermöglichen und die Fehlertoleranz und Leistungsverfügbarkeit zu erhöhen.
Die Verwendung eines verteilten Antriebssystems, wie es in den und dargestellt ist, kann im Hinblick auf verbesserte Flugeigenschaften, geringere aerodynamische Geräusche und geringeren Luftwiderstand sehr wünschenswert sein. Allerdings erhöht sich dadurch im Allgemeinen auch die Anzahl der leistungselektronischen Wandler im elektrischen Stromversorgungssystem. Bei Anwendung des Systems in könnte die Plattform beispielsweise neun unabhängige leistungselektronische Wandler (sechs Wechselrichter und drei Gleichstromwandler) umfassen, was zu einem erheblichen zusätzlichen Gewicht der Plattform und zu zusätzlichen Verlusten im Stromversorgungssystem führen könnte. Für Plattformen dieser Art können daher die Verbesserungen des Wirkungsgrads und der Leistungsdichte der hier offenbarten Wandler besonders vorteilhaft sein.
zeigt eine allgemeine Anordnung eines Triebwerks 400 für ein Flugzeug. Das Triebwerk 400 ist als Mantelstromtriebwerk ausgeführt und umfasst daher einen kanalisierten Fan 401, der Ansaugluft A erhält und zwei unter Druck stehende Luftströme erzeugt: einen Bypass-Strom B, der axial durch einen Bypass-Kanal 402 fließt, und einen Kernstrom C, der in eine Kerngasturbine eintritt.
Die Kerngasturbine umfasst in axialer Reihe einen Niederdruckverdichter 403, einen Hochdruckverdichter 404, eine Brennkammer 405, eine Hochdruckturbine 406 und eine Niederdruckturbine 407.
Im Betrieb wird der Kernstrom C durch den Niederdruckkompressor 403 verdichtet und dann in den Hochdruckkompressor 404 geleitet, wo eine weitere Verdichtung stattfindet. Die aus dem Hochdruckkompressor 404 austretende komprimierte Luft wird in die Brennkammer 405 geleitet, wo sie mit Brennstoff vermischt und das Gemisch verbrannt wird. Die dabei entstehenden heißen Verbrennungsprodukte expandieren durch die Hochdruckturbine 406 und treiben dabei die Niederdruckturbine 407 an, bevor sie abgesaugt werden und einen kleinen Teil des Gesamtschubs liefern.
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.
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.
Es ist zunehmend wünschenswert, ein größeres Maß an elektrischer Funktionalität an der Flugzeugzelle und am Triebwerk zu ermöglichen. Zu diesem Zweck umfasst das Triebwerk 400 in eine oder mehrere rotierende elektrische Maschinen, die im Allgemeinen sowohl als Motor als auch als Generator arbeiten können. Die Anzahl und Anordnung der rotierenden elektrischen Maschinen hängt bis zu einem gewissen Grad von der gewünschten Funktionalität ab. Einige Ausführungsformen des Triebwerks 400 umfassen eine einzige rotierende elektrische Maschine 420, die von der Hochdruckwelle angetrieben wird, z. B. durch einen im Kern montierten Hilfsantrieb 421 herkömmlicher Konfiguration. Eine solche Konfiguration erleichtert die Erzeugung von elektrischer Energie für das Triebwerk und das Flugzeug sowie den Antrieb der Hochdruckwelle, um das Anlassen des Triebwerks anstelle eines Luftturbinenstarters zu erleichtern. Andere Ausführungsformen, einschließlich der in gezeigten, umfassen sowohl eine erste rotierende elektrische Maschine 420, die mit der Hochdruckwelle gekoppelt ist, als auch eine zweite rotierende elektrische Maschine 430, die mit der Niederdruckwelle gekoppelt ist. Neben der Erzeugung von elektrischer Energie und dem Anlassen des Triebwerks 400 kann die Tatsache, dass sowohl die erste als auch die zweite rotierende Maschine 420, 430 durch Leistungselektronik verbunden sind, die Übertragung von mechanischer Energie zwischen der Hochdruck- und der Niederdruckwelle erleichtern, um die Betriebsfähigkeit, den Kraftstoffverbrauch usw. zu verbessern.
Wie oben erwähnt, wird in die erste rotierende elektrische Maschine 420 von der Hochdruckwelle durch einen im Kern montierten Hilfsantrieb 421 herkömmlicher Konfiguration angetrieben. In alternativen Ausführungsformen kann die erste elektrische Maschine 420 koaxial zu den Turbomaschinen im Triebwerk 400 montiert sein. Beispielsweise kann die erste elektrische Maschine 420 axial in einer Linie mit dem Kanal zwischen den Niederdruck- und Hochdruckverdichtern 403 und 403 montiert werden. In ist die zweite elektrische Maschine 430 im Heckkonus 409 des Triebwerks 400 koaxial mit der Turbomaschine angebracht und mit der Niederdruckturbine 407 gekoppelt. In alternativen Ausführungsformen kann die zweite rotierende elektrische Maschine 430 axial in einer Linie mit dem Niederdruckverdichter 403 angeordnet sein, der eine Schaufelscheiben- oder Schaufeltrommelkonfiguration annehmen kann, um Platz für die zweite rotierende elektrische Maschine 430 zu schaffen. Fachleute wissen natürlich, dass jede andere geeignete Position für die erste und (falls vorhanden) zweite elektrische Maschine gewählt werden kann.
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.
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.
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.
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.
In ist ein beispielhaftes Energie- und Antriebssystem 500 eines Hybrid-Elektroflugzeugs dargestellt. Das System 500 umfasst einen Generatorsatz 501, der ein Triebwerk 560 und einen elektrischen Generator 540a umfasst, sowie ein Batteriepaket 520. Sowohl der Generator 501 als auch das Batteriepaket 520 werden als Energiequellen für den Antrieb eines motorgetriebenen Propulsors 502 verwendet, der in beispielhaft dargestellt ist.
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.
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 510a, der dem Generator 540a gegenüberliegt, wandelt den Wechselstrom in Gleichstrom um, der über den Gleichstromverteilerbus 530 in verschiedene elektrische Systeme und Lasten eingespeist wird. Zu diesen elektrischen Systemen gehören nicht-antreibende Verbraucher (in nicht dargestellt) und der Motor 540b, der über den Wechselrichter 510b den Lüfter 550 des Propulsors 502 antreibt.
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 510cwandelt 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).
Wie in dargestellt, hat der Propulsor 502 in diesem Beispiel die Form eines kanalisierten Fans mit einer elektrischen Maschine 540b. Der Fan 550 ist in einem Fankanal 551 eingeschlossen, der in einer Gondel 552 definiert und an einer Kerngondel 553 befestigt ist. Der Fan 550 wird von der elektrischen Maschine 540b über eine Antriebswelle 554 angetrieben, die beide auch als Bestandteile des Propulsors 502 betrachtet werden können. In dieser Ausführungsform ist ein Getriebe 555 zwischen der elektrischen Maschine 540b und der Antriebswelle 554 vorgesehen.
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.
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.
Fachleute werden erkennen, dass es sich bei dem Antriebssystem 500 der 14A-B um einen Serienhybrid handelt. Andere elektrische Hybridantriebssysteme sind vom parallelen Typ, während wieder andere vom turboelektrischen Typ sind oder Merkmale von mehr als einem Typ aufweisen. Die Konfiguration des „elektrischeren“ Triebwerks 400 in kann als ähnlich zu einem parallelen Hybridsystem betrachtet werden, wobei der Hauptunterschied in der Rolle der elektrischen Maschinen besteht. So werden die elektrischen Maschinen eines „elektrischeren“ Triebwerks im Allgemeinen nur im Motorbetrieb verwendet, um das Triebwerk zu starten und die Betriebsfähigkeit des Triebwerks zu verbessern, während die elektrischen Maschinen eines Parallelhybrid-Antriebssystems dazu verwendet werden, die Wellen anzutreiben, um den von der Turbomaschine erzeugten Vortriebsschub sinnvoll zu erhöhen.
Fachleute wissen auch, dass die in dargestellte hybride Architektur nur ein Beispiel ist, und dass andere Architekturen bekannt sind und dem Fachmann einfallen werden.
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.
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.

Claims

Ein leistungselektronischer Wandler, aufweisend: eine Wandler-Kommutierungszelle mit einem Leistungskreis und einer Gate-Treiberschaltung, wobei der Leistungskreis mindestens ein Leistungshalbleiter-Schaltelement und mindestens einen Kondensator aufweist; und ein mehrschichtiges planares Trägersubstrat, das eine x-y-Richtung parallel zu einer planaren Oberfläche des Substrats und eine z-Richtung senkrecht zur x-y-Richtung definiert, wobei das Trägersubstrat eine Mehrzahl elektrisch leitender Schichten, die sich in der x-y-Richtung erstrecken, und mindestens eine elektrische Verbindung, die sich in der z-Richtung erstreckt, aufweist, wobei: jedes Leistungshalbleiter-Schaltelement in einem Leistungshalbleiter-Prepackage enthalten ist, wobei jedes Prepackage ein oder mehrere in ein festes Isoliermaterial eingebettete Leistungshalbleiter-Schaltelemente aufweist; wobei die mehreren elektrisch leitenden Schichten eine innere leitende Schicht und eine äußere leitende Schicht aufweisen, die durch mindestens eine in z-Richtung durch das Trägersubstrat verlaufende Verbindung verbunden sind; jedes Leistungshalbleiter-Prepackage ferner eine elektrische Verbindung von mindestens einem Anschluss des einen oder der mehreren Leistungshalbleiter-Schaltelemente zu der äußeren leitenden Schicht des mehrschichtigen planaren Trägersubstrats aufweist, wobei sich die elektrische Verbindung in der z-Richtung durch das feste Isoliermaterial erstreckt; und die innere leitende Schicht des mehrschichtigen planaren Trägersubstrats dicker als die äußere leitende Schicht des mehrschichtigen planaren Trägersubstrats ist.
Leistungselektronischer Wandler nach Anspruch 1, wobei die innere leitende Schicht mindestens doppelt so dick ist wie die äußere leitende Schicht.
Leistungselektronischer Wandler nach Anspruch 2, wobei die innere leitende Schicht mindestens dreimal so dick ist wie die äußere leitende Schicht.
Leistungselektronischer Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die äußere leitende Schicht eine Dicke von weniger als 100 µm aufweist.
Leistungselektronischer Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die elektrische Verbindung von dem mindestens einen Anschluss des einen oder der mehreren Leistungshalbleiter-Schaltelemente zu der äußeren leitenden Schicht des mehrschichtigen planaren Trägersubstrats aufweist: eine elektrische Verbindung, die sich in der z-Richtung durch das feste Isoliermaterial zu einer elektrischen Anschlussseite des Leistungshalbleiter-Prepackages erstreckt, wobei die elektrische Anschlussseite des Prepackages eine ebene Oberfläche bildet; und eine gelötete, gesinterte oder geklebte elektrische Verbindung zwischen der elektrischen Anschlussseite des Leistungshalbleiter-Prepackages und der äußeren leitenden Schicht.
Leistungselektronischer Wandler nach Anspruch 5, wobei die gelötete, gesinterte oder geklebte Verbindung das Leistungshalbleiter-Prepackage von der planaren Oberfläche des mehrschichtigen planaren Trägersubstrats beabstandet, um einen Spalt zu definieren, wobei eine Größe des Spalts, gemessen in der z-Richtung, kleiner oder gleich 300 µm ist.
Leistungselektronischer Wandler nach Anspruch 6, wobei die Größe des in z-Richtung gemessenen Spalts kleiner als oder gleich 200 µm ist.
Leistungselektronischer Wandler nach Anspruch 7, wobei die Größe des in z-Richtung gemessenen Spalts im Bereich von 50 µm bis 150 µm liegt.
leistungselektronischer Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das mehrschichtige planare Substrat: eine starre Leiterplatte (PCB); eine flexible Leiterplatte; oder ein keramisches Trägersubstrat ist.
Leistungselektronischer Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Spitzen-Nennleistung des leistungselektronischen Wandlers größer als 10 kW ist.
Leistungselektronischer Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Wert eines Wandler-Parameters α kleiner oder gleich 5 pHm³ ist, wobei α als Produkt aus einem kleinsten quaderförmigen Volumen, das die Kommutierungszelle einschließt, und einer Parasitärinduktivität des Leistungskreises der Kommutierungszelle definiert ist.
Leistungselektronischer Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Gesamtnennkapazität des Leistungskreises der Kommutierungszelle geteilt durch die Spitzen-Nennleistung des leistungselektronischen Wandlers kleiner oder gleich 5 nF/W ist.
Leistungselektronischer Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Sperrspannung jedes Leistungshalbleiter-Schaltelements größer als 600 V ist.
Leistungselektronischer Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Produkt aus der Parasitärinduktivität des Leistungskreises der Kommutierungszelle und der Spitzen-Nennleistung des leistungselektronischen Wandlers im Bereich von 0,05 mHW bis 1,5 mHW liegt.
Leistungselektronischer Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der ein AC-DC-Wandler ist.
Leistungselektronischer Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 14, der ein DC-DC-Wandler ist.
Elektrische Antriebseinheit (EPU) für ein Flugzeug, wobei die EPU einen Elektromotor und den leistungselektronischen AC-DC-Wandler nach Anspruch 15 aufweist, wobei der leistungselektronische AC-DC-Wandler als Wechselrichter konfiguriert und so angeordnet ist, dass er Strom an eine Wicklung des Elektromotors bereitstellt.
Gasturbinentriebwerk, aufweisend eine Welle; eine elektrische Maschine mit einem Rotor, der mechanisch mit der Welle gekoppelt ist; und den leistungselektronischen AC-DC-Wandler nach Anspruch 15, wobei der leistungselektronische AC-DC-Wandler so angeordnet ist, dass er einer Wicklung der elektrischen Maschine Strom bereitstellt oder von dieser Strom empfängt.
Stromversorgungssystem für ein Flugzeug, aufweisend einen leistungselektronischen Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 16.
Flugzeug, das die EPU nach Anspruch 17, das Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 18 oder das Stromversorgungssystem nach Anspruch 19 aufweist.