DE102022212953A1 - EMV-optimiertes Leistungsmodul und Verfahren zur Herstellung desselben - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Leistungsmodul (11, 21, 22) aufweisend eine Kühlvorrichtung (12), eine erste elektrisch leitende Fläche (HV+) und eine zweite elektrisch leitende Fläche (HV-), die in einer ersten Ebene angeordnet sind, eine dritte elektrisch leitende Fläche (AC), die in einer zweiten Ebene angeordnet ist, und zwei Halbleiterschalter (S1, S2), die eine Halbbrücke bilden und zum wahlweisen Verbinden der dritten elektrisch leitenden Fläche mit entweder der ersten oder der zweiten elektrisch leitenden Fläche konfiguriert sind, wobei sich die erste Ebene zwischen der Kühlvorrichtung und der zweiten Ebene erstreckt. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung eines Leistungsmoduls.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft das technische Gebiet der Leistungselektronik. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere ein EMV-optimiertes Leistungsmodul und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Leistungsmoduls.
  • Leistungsmodule mit Halbleiterschalter (z.B. MOSFETs oder IGBTs), durch welche hohen elektrischen Ströme fließen, müssen gekühlt werden. Dies erfolgt typisch durch eine passive oder aktive Kühlvorrichtung, wie z.B. einen Flüssigkühler, die um die Halbleiterschalter herum und möglichst nahe an diesen angeordnet ist. Aufgrund kapazitiver Kopplung zwischen metallischen Teilen, insbesondere dem Gehäuse der Kühlvorrichtung und stromführenden Teilen des Leistungsmoduls entstehen aber hohen Ableitströmen, die in Bezug auf elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) problematisch sein können und deshalb den Einsatz von Filtern oder anderen Maßnahmen, die mit erheblichen Kosten und Aufwand verbunden sind, erforderlich machen.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die oben erwähnten Probleme hinsichtlich EMV zu reduzieren bzw. zu beseitigen.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
  • Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Leistungsmodul beschrieben. Das beschriebene Leistungsmodul weist Folgendes auf: (a) eine Kühlvorrichtung, eine erste elektrisch leitende Fläche und eine zweite elektrisch leitende Fläche, die in einer ersten Ebene angeordnet sind, (b) eine dritte elektrisch leitende Fläche, die in einer zweiten Ebene angeordnet ist, und (c) zwei Halbleiterschalter, die eine Halbbrücke bilden und zum wahlweisen Verbinden der dritten elektrisch leitenden Fläche mit entweder der ersten oder der zweiten elektrisch leitenden Fläche konfiguriert sind, wobei (d) sich die erste Ebene zwischen der Kühlvorrichtung und der zweiten Ebene erstreckt.
  • Dem beschriebenen Leistungsmodul liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Anordnung elektrisch leitender Flächen in unterschiedlicher Ebenen den Abstand zwischen Kühlvorrichtung und der dritten elektrisch leitenden Fläche erhöht und somit die kapazitive Kopplung zwischen diesen entsprechend reduziert, ohne dass dabei die Kühlung der Halbleiterschalter erheblich verringert wird.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Leistungsmodul ferner eine Isolierschicht auf, die auf einer Hauptfläche der Kühlvorrichtung und unter der ersten Ebene angebracht ist.
  • Die Isolierschicht ist mit anderen Worten zwischen der Hauptfläche der Kühlvorrichtung und der ersten Ebene angebracht. Die Isolierschicht dient dazu, die elektrisch leitenden Flächen in der ersten Ebene elektrisch von der Kühlvorrichtung, insbesondere deren metallischen Oberfläche zu trennen.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist einer der zwei Halbleiterschalter direkt an der ersten elektrisch leitenden Fläche angebracht und an die dritte elektrisch leitende Fläche gekoppelt, und der andere Halbleiterschalter ist direkt an der dritten elektrisch leitenden Fläche angebracht und an die zweite elektrisch leitende Fläche gekoppelt.
  • Mit anderen Worten ist einer der beiden Halbleiterschalter direkt an der ersten elektrisch leitenden Fläche angebracht während der andere der beiden Halbleiterschalter direkt an der dritten elektrisch leitenden Fläche angebracht. Die Kopplung des einen Halbleiterschalters an die dritte elektrisch leitende Fläche sowie die Kopplung des anderen Halbleiterschalters an die zweite elektrisch leitende Fläche können beispielsweise mit Bonddrähten oder Durchkontaktierungen (sogenannten Vias) realisiert sein.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der eine Halbleiterschalter an der der Kühlvorrichtung abgewandten Seite der ersten elektrisch leitenden Fläche angebracht, und der andere Halbleiterschalter ist an der der Kühlvorrichtung zugewandten Seite der dritten elektrisch leitenden Fläche angebracht.
  • Mit anderen Worten sind die beiden Halbleiterschalter in dem Sinne umgekehrt angeordnet, dass die Kontaktflächen zum direkten Kontaktieren der ersten jeweils dritten elektrisch leitenden Fläche in entgegengesetzte Richtungen zeigen.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Leistungsmodul ferner zwei weiteren Halbleiterschalter auf, die neben den zwei Halbleiterschaltern angeordnet sind und zum wahlweisen Verbinden der dritten elektrisch leitenden Fläche mit entweder der ersten oder der zweiten elektrisch leitenden Fläche konfiguriert sind.
  • Mit anderen Worten sind zwei Paare von Halbleiterschaltern vorgesehen, die insbesondere synchron geschaltet werden können, um zwei parallele Ströme zwischen entweder der ersten oder zweiten elektrisch leitenden Fläche und der dritten elektrisch leitenden Fläche zu leiten. Das Leistungsmodul kann nach dem gleichen Prinzip um beliebig viele weiteren Paare erweitert werden.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Kühlvorrichtung ein Flüssigkühler mit einem im Wesentlichen viereckigen Metallgehäuse auf.
  • Die Kühlvorrichtung mag insbesondere ein relativ flaches Gehäuse aufweisen, innerhalb dessen ein geeignetes Kühlmittel zirkuliert wird, um die Wärme von den Halbleiterschaltern abzuführen.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die erste elektrisch leitende Fläche ein elektrisches High-Side-Potential (z.B. +100V) auf, und die zweite elektrisch leitende Fläche weist ein elektrisches Low-Side-Potential (z.B. -100V) auf.
  • Durch gesteuertes Schalten der Haltleiterschalter kann somit ein beliebiges Potential zwischen dem High-Side- und dem Low-Side-Potential an der dritten elektrisch leitenden Fläche erzeugt werden. Mit anderen Worten kann jede gewünschte Gleich- oder Wechselspannung bzw. -strom erzeugt werden.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die dritte elektrisch leitende Fläche mit einem Ausgangsanschluss des Leistungsmoduls verbunden.
  • Über den Ausgangsanschluss kann die erzeugte Spannung bzw. der erzeugte Strom einem elektrischen Gerät zugeführt werden.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung wird das Leistungsmodul in einem DC/DC-Wandler oder in einem DC/AC-Wandler verwendet.
  • Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Leistungsmoduls beschrieben. Das beschriebene Verfahren weist Folgendes auf: (a) Bereitstellen einer Kühlvorrichtung, (b) Bereitstellen einer ersten elektrisch leitenden Fläche und einer zweiten elektrisch leitenden Fläche, die in einer ersten Ebene angeordnet sind, (c) Bereitstellen einer dritten elektrisch leitenden Fläche, die in einer zweiten Ebene angeordnet ist, und (d) Bereitstellen zweier Halbleiterschalter, die eine Halbbrücke bilden und zum wahlweisen Verbinden der dritten elektrisch leitenden Fläche mit entweder der ersten oder der zweiten elektrisch leitenden Fläche konfiguriert sind, wobei (e) sich die erste Ebene zwischen der Kühlvorrichtung und der zweiten Ebene erstreckt.
  • Das beschriebene Verfahren basiert im Wesentlichen auf der gleichen Idee wie das oben beschriebene Leistungsmodul gemäß dem ersten Aspekt und betrifft insbesondere ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Leistungsmoduls.
  • Es wird darauf hingewiesen, dass Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf unterschiedliche Erfindungsgegenstände beschrieben wurden. Insbesondere sind einige Ausführungsformen der Erfindung mit Verfahrensansprüchen und andere Ausführungsformen der Erfindung mit Vorrichtungsansprüchen beschrieben. Dem Fachmann wird jedoch bei der Lektüre dieser Anmeldung sofort klar werden, dass, sofern nicht explizit anders angegeben, zusätzlich zu einer Kombination von Merkmalen, die zu einem Typ von Erfindungsgegenstand gehören, auch eine beliebige Kombination von Merkmalen möglich ist, die zu unterschiedlichen Typen von Erfindungsgegenständen gehören.
  • Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden beispielhaften Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform.
    • 1 zeigt eine Schnittansicht eines aus dem Stand der Technik bekannten Leistungsmoduls.
    • 2 zeigt eine Schnittansicht eines Leistungsmoduls gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 3 zeigt eine Schnittansicht eines Leistungsmoduls gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 4 zeigt eine perspektivische Draufsicht eines Leistungsmoduls gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • Es wird darauf hingewiesen, dass die nachfolgend beschriebene Ausführungsform lediglich eine beschränkte Auswahl an möglichen Ausführungsvarianten der Erfindung darstellt.
  • Die 1 zeigt eine Schnittansicht eines aus dem Stand der Technik bekannten Leistungsmoduls 1. Das Leistungsmodul 1 weist eine Kühlvorrichtung 2 mit einer Isolierschicht 3 auf, auf welcher eine erste elektrisch leitende Fläche HV+, eine zweite elektrisch leitende Fläche HV- und eine dritte elektrisch leitende Fläche AC nebeneinander in einer Ebene angeordnet sind. Ein erster Halbleiterschalter S1 ist auf der ersten elektrisch leitenden Fläche HV+ angebracht und über einen Bonddraht 4 mit der dritten elektrisch leitenden Fläche AC verbunden. Ein zweiter Halbleiterschalter S2 ist auf der dritten elektrisch leitenden Fläche AC angebracht und über einen Bonddraht 5 mit der zweiten elektrisch leitenden Fläche HVverbunden. Somit bilden die beiden Halbleiterschalter S1, S2 eine Halbbrücke, mit der durch passende Ansteuerung der Halbleitschalter S1, S2 einen gewünschten Strom- bzw. Spannungsverlauf erzeugt werden kann. Jede der drei elektrisch leitenden Flächen HV+, AC, HV- bilden zusammen mit dem Metallgehäuse der Kühlvorrichtung 2 einen entsprechenden Kondensator, der aufgrund des geringen Abstands zwischen Kühlvorrichtung 2 und den drei elektrisch leitenden Flächen HV+, AC, HV- eine nicht unerhebliche Kapazität aufweist, die wie eingangs erwähnt störend sein kann.
  • Die 2 zeigt eine Schnittansicht eines Leistungsmoduls 11 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Leistungsmodul 11 weist eine Kühlvorrichtung 12 mit einer Isolierschicht 13 auf, auf welcher eine erste elektrisch leitende Fläche HV+ und eine zweite elektrisch leitende Fläche HV- nebeneinander in einer ersten Ebene über die Isolierschicht 12 angeordnet sind. Eine dritte elektrisch leitende Fläche AC ist in einer zweiten Ebene über die erste Ebene angeordnet. Ein erster Halbleiterschalter S1 ist zwischen der ersten elektrisch leitenden Fläche HV+ und der dritten elektrisch leitenden Fläche AC angebracht und mit beiden Flächen verbunden. Ein zweiter Halbleiterschalter S2 ist zwischen der zweiten elektrisch leitenden Fläche HV- und der dritten elektrisch leitenden Fläche AC angebracht und mit beiden Flächen verbunden. Im konkreten Beispiel ist der erste Halbleiterschalter S1 an der ersten elektrisch leitenden Fläche HV+ angebracht und über einen Bonddraht 14 mit der dritten elektrisch leitenden Fläche AC verbunden. Ferner ist im konkreten Beispiel der zweite Halbleiterschalter S2 an der zweiten elektrisch leitenden Fläche HV- angebracht und über einen Bonddraht 15 mit der dritten elektrisch leitenden Fläche AC verbunden. In weiteren Ausführungsformen können auch einer oder beide Halbleiterschalter S1, S2 an der dritten elektrisch leitenden Oberfläche AC angebracht und dann über einen Bonddraht mit der ersten und/oder zweiten elektrisch leitenden Fläche HV+ und/oder HV- verbunden sein. Auf jeden Fall bilden die beiden Halbleiterschalter S1, S2 auch hier eine Halbbrücke, mit der durch passende Ansteuerung der Halbleitschalter S1, S2 einen gewünschten Strom- bzw. Spannungsverlauf erzeugt werden kann.
  • Anders als bei dem in 1 dargestellte Leistungsmodul 1 ist die dritte elektrisch leitende Fläche AC in einer zweiten Ebene angeordnet, die sich über die erste Ebene und somit weiter weg von der Kühlvorrichtung 12 befindet. Bei dieser Anordnung ist folglich die Kapazität der durch das Kühlergehäuse 12 und die dritte elektrisch leitende Fläche AC entsprechend geringer und die damit verbundenen Störungen sind folglich deutlich geringer. Ein weiterer Vorteil der in der 2 gezeigten Struktur ist, dass die Kapazitäten von der ersten elektrisch leitenden Fläche HV+ und der zweiten elektrisch leitenden Fläche HV- zum Kühlergehäuse 12 symmetrisch dimensioniert werden, so dass eventuelle durch diesen Kapazitäten verursachten Störungen einander ausgleichen können.
  • Die 3 zeigt eine Schnittansicht eines Leistungsmoduls 21 gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Dieser Ausführungsform entspricht vom Prinzip her der in der 2 gezeigten Ausführungsform, wobei die Halbleiterschalter S1, S2 in diesem Beispiel in einer Schichtstruktur eingebettet sind und jeweils einen Gate-Anschluss für die Ansteuerung G1, G2 aufweist. Es soll beachtet werden, dass die Halbleiterschalter G1, G2 entgegengesetzt gebildet sind, indem der Gate-Anschluss G1 des Halbleiterschalters S1 gerade über die erste elektrisch leitende Fläche HV+ angeordnet ist, während der Gate-Anschluss G2 des Halbleiterschalters S2 sich gerade unter die dritte elektrisch leitende Fläche AC befindet.
  • Die 4 zeigt eine perspektivische Draufsicht eines Leistungsmoduls 22 gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In dieser Ausführungsform sind zwei Paare von Halbleiterschaltern S11, S21 und S12, S22 parallel angeordnet, um insgesamt mehr Strom zwischen der ersten bzw. zweiten elektrisch leitenden Fläche HV+ bzw. HV- und der dritten elektrisch leitenden Fläche AC leiten zu können. Jeder Halbleiterschalter S11, S21 und S12, S22 weist einen Gate-Anschluss G11, G21, G12, G22 für die Ansteuerung auf. Es können selbstverständlich noch weitere Paare von Halbleiterschalter hinzugefügt werden, bis die gewünschte Stromstärke sichergestellt ist.

Claims (10)

  1. Leistungsmodul aufweisend eine Kühlvorrichtung (12), eine erste elektrisch leitende Fläche (HV+) und eine zweite elektrisch leitende Fläche (HV-), die in einer ersten Ebene angeordnet sind, eine dritte elektrisch leitende Fläche (AC), die in einer zweiten Ebene angeordnet ist, und zwei Halbleiterschalter (S1, S2), die eine Halbbrücke bilden und zum wahlweisen Verbinden der dritten elektrisch leitenden Fläche mit entweder der ersten oder der zweiten elektrisch leitenden Fläche konfiguriert sind, wobei sich die erste Ebene zwischen der Kühlvorrichtung und der zweiten Ebene erstreckt.
  2. Das Leistungsmodul gemäß Anspruch 1, ferner aufweisend eine Isolierschicht (13), die auf einer Hauptfläche der Kühlvorrichtung und unter der ersten Ebene angebracht ist.
  3. Das Leistungsmodul gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei einer der zwei Halbleiterschalter direkt an der ersten elektrisch leitenden Fläche angebracht und an die dritte elektrisch leitende Fläche gekoppelt ist, und wobei der andere Halbleiterschalter direkt an der dritten elektrisch leitenden Fläche angebracht und an die zweite elektrisch leitende Fläche gekoppelt ist.
  4. Das Leistungsmodul gemäß Anspruch 3, wobei der eine Halbleiterschalter an der der Kühlvorrichtung abgewandten Seite der ersten elektrisch leitenden Fläche angebracht ist, und wobei der andere Halbleiterschalter an der der Kühlvorrichtung zugewandten Seite der dritten elektrisch leitenden Fläche angebracht ist.
  5. Das Leistungsmodul gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner aufweisend zwei weiteren Halbleiterschalter, die neben den zwei Halbleiterschaltern angeordnet sind und zum wahlweisen Verbinden der dritten elektrisch leitenden Fläche mit entweder der ersten oder der zweiten elektrisch leitenden Fläche konfiguriert sind.
  6. Das Leistungsmodul gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kühlvorrichtung ein Flüssigkühler mit einem im Wesentlichen viereckigen Metallgehäuse aufweist.
  7. Das Leistungsmodul gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste elektrisch leitende Fläche ein elektrisches High-Side-Potential aufweist, und wobei die zweite elektrisch leitende Fläche ein elektrisches Low-Side-Potential aufweist.
  8. Das Leistungsmodul gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die dritte elektrisch leitende Fläche mit einem Ausgangsanschluss des Leistungsmoduls verbunden ist.
  9. Das Leistungsmodul gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Leistungsmodul in einem DC/DC-Wandler oder in einem DC/AC-Wandler verwendet wird.
  10. Verfahren zur Herstellung eines Leistungsmoduls, das Verfahren aufweisend Bereitstellen einer Kühlvorrichtung, Bereitstellen einer ersten elektrisch leitenden Fläche und einer zweiten elektrisch leitenden Fläche, die in einer ersten Ebene angeordnet sind, Bereitstellen einer dritten elektrisch leitenden Fläche, die in einer zweiten Ebene angeordnet ist, und Bereitstellen zweier Halbleiterschalter, die eine Halbbrücke bilden und zum wahlweisen Verbinden der dritten elektrisch leitenden Fläche mit entweder der ersten oder der zweiten elektrisch leitenden Fläche konfiguriert sind, wobei sich die erste Ebene zwischen der Kühlvorrichtung und der zweiten Ebene erstreckt.
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