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Leistungsteil für einen Stromumrichter und Verfahren
zur Herstellung desselben Die Erfindung betrifft ein Leistungsteil
für einen
Stromumrichter, mit zumindest einem Leistungshalbleiterschalter
und zumindest einer zugeordneten Freilaufdiode, sowie ein Verfahren
zur Herstellung desselben.
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Derartige Umrichter-Leistungsteile
sind bekannt und finden beispielsweise bei Frequenzumrichtern vielfach
Einsatz. Bei der Herstellungstechnologie der Leistungshalbleiterschalter
werden als Ausgangsmaterial typischerweise kreisrunde Waferscheiben
zu Bauelementen prozessiert. Dabei werden heute in der Regel Wafer
mit einem Scheibendurchmesser von 4 oder 6 Zoll verwendet.
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Bei der Herstellung von IGBTs (Insulated Gate
Bipolar Transistor) werden auf einem Wafer viele Einzelchips hergestellt.
Dazu wird der Wafer nach der Prozessierung in einzelne, üblicherweise
rechteckige oder quadratische Einzelchips zersägt. Da der Rand eines jeden
IGBTs durch besondere Maßnahmen
vor Spannungsüberschlägen geschützt werden muss,
entsteht am Chiprand jeweils ein Bereich, der nicht für die Stromführung genutzt
werden kann. Die Randbreite für
eine gegebene Spannungsklasse ist im Wesentlichen konstant. Bei
einer kleineren Gesamtfläche
ergibt sich somit ein ungünstigeres
Verhältnis
von stromführender,
aktiver Halbleiterfläche zur
Gesamtfläche
als bei Chips mit größerer Gesamtfläche. Mit
zunehmender Sperrspannung der Leistungshalbleiter muss darüber hinaus
die Randbreite vergrößert werden.
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Es ist daher wünschenswert, die Chipfläche für die Leistungshalbleiter
möglichst
groß zu
wählen. Diesem
Wunsch steht allerdings das Ausbeutekriterium entgegen, nach dem
bei einer gegebenen Prozessfehlerdichte pro Flächeneinheit die Ausbeute an funktionsfähigen Chips
mit steigender Chipgröße stark
absinkt. Wird etwa ein ganzer Wafer als ein einziger Chip ausgeführt, so
besteht nur eine sehr geringe Wahrscheinlichkeit, dass dieser eine
Chip keine einzige Fehlerstelle besitzt und somit funktioniert.
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In der Praxis wird daher ein Kompromiss
zwischen den beiden genannten Anforderungen gewählt, der gegenwärtig bei
Kantenlängen
der Chips von 15 mm bis 21 mm liegt. Bei diesen Kanntenlängen weisen
die Chips bei wirtschaftlich interessanter Ausbeute noch ein ausreichend
hohes Flächenverhältnis von
aktiver Fläche
zur Gesamtfläche
auf.
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Für
die Herstellung der Dioden als Leistungshalbleiter gelten grundsätzlich dieselben
Gesetze. Da die Dioden jedoch eine einfachere Struktur aufweisen,
ist die Prozessfehlerdichte bei ihrer Herstellung wesentlich geringer
als bei der Herstellung von IGBTs. Die Dioden können daher auch so ausgebildet
werden, dass eine einzige Diode als homogenes Bauelement aus einem
Wafer gefertigt wird. Da so die Randfläche verringert und der Prozess
vereinfacht ist, sind derartige Scheibendioden wesentlich preiswerter
als IGBTs gleicher Siliziumfläche.
Werden die Dioden jedoch als Chips gefertigt, sind sie ebenso teuer
wie die komplexeren IGBTs.
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Bei dem Einsatz solcher Leistungshalbleiter in
heute bekannten Frequenzumrichtern wird typischerweise eine von
zwei bekannten Techniken verwendet:
- ZDS– Leistungshalbleiter
als Module: Bei dieser Ausführungsform
werden die IGBTs und die Dioden in Module eingelötet. Dabei werden in der Praxis
stets die IGBTs und die zugehörigen
Freilaufdioden in ein Modulgehäuse
integriert. Die IGBTs wie auch die Dioden sind bei dieser Gestaltung
als Chips gefertigt, so dass beide Bauteile gleich teuer sind. Da
für Fehlerfälle im System große Diodenflächen für die dann
anfallenden Fehlerströme
benötigt
werden, ist diese Ausführungsform
vergleichsweise teuer.
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Die Diodenflächen werden in der Praxis daher
oft so ausgelegt, dass im Fehlerfall ein Defekt der Diode durch
den Fehlerstrom akzeptiert wird. Dies bringt allerdings Nachteile
bei den Reparaturkosten und der Verfügbarkeit der Umrichter mit
sich.
- – Leistungshalbleiter
als Scheibenzellen: Bei dieser Ausführungsform sind sowohl die
IGBTs als auch die Dioden als Scheibenzellen ausgeführt und
mit Druckkontaktierung in Spannverbänden eingesetzt. Für die scheibenförmigen Dioden
ist diese Vorgehensweise seit Jahren bekannt und wird daher nicht
näher beschrieben.
Da die IGBTs nur als Chips existieren, werden die IGBT-Chips bei
dieser Gestaltung ebenfalls über
Druck kontaktiert. Dies bedingt eine sehr aufwendige Mechanik, die
dazu führt,
dass die Kosten eines solchen Scheibenzellen-IGBTs deutlich über den Kosten
eines Modul-IGBTs liegen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein
gattungsgemäßes Leistungsteil
für einen Stromumrichter
so weiterzuentwickeln, dass die genannten Nachteile des Standes
der Technik vermieden werden. Insbesondere soll das Umrichter-Leistungsteil
kostengünstiger
herzustellen sein als herkömmliche
Leistungsteile.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das
Leistungsteil für
einen Stromumrichter nach Anspruch 1 und durch die Herstellungsverfahren
nach Anspruch 9 und 10 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Erfindungsgemäß ist bei einem Umrichter-Leistungsteil
der eingangs genannten Art vorgesehen, dass die Leistungshalbleiterschalter
in Leistungshalbleitermodule integriert sind, die Freilaufdioden
als Scheibenzellen ausgeführt
sind und die Leistungshalbleiterschalter und die Freilaufdioden
durch eine niederinduktive Verschienung elektrisch miteinander verbunden
sind.
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Die Erfindung beruht also auf dem
Gedanken, die Leistungshalbleiterschalter in Modulbauform, bei der
nur Leistungshalbleiterschalter-Chips untergebracht sind, und die
Freilaufdioden in Form von Scheibenzellen einzusetzen. Dadurch können die
Kosten für
die Leistungshalbleiter deutlich reduziert werden. Da die Scheibenzellen-Dioden
der erfindungsgemäßen Ausgestaltung
preisgünstig
sind, können
sie mit wirtschaftlich vertretbarem Aufwand für hohe Fehlerströme ausgelegt
werden. Dies führt zu
einer erhöhten
Betriebssicherheit des gesamten Systems.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung
des erfindungsgemäßen Umrichter-Leistungsteils
ist vorgesehen, dass die Leistungshalbleitermodule und die Dioden-Scheibenzellen
auf einem gemeinsamen Kühlkörper angebracht
sind.
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Um die Ausnutzung der Dioden-Scheibenzelle
zu erhöhen,
kann mit Vorteil von einer zweiten Seite her ein zusätzlicher
Kühlkörper angeordnet sein.
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In einer anderen, ebenfalls bevorzugten
Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Umrichter-Leistungsteils
ist vorgesehen, dass die Leistungshalbleitermodule auf einem Kühlkörper montiert
sind und die Dioden-Scheibenzellen in einer separaten Spannsäule angeordnet
sind.
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Um die Streuinduktivitäten im Aufbau
zu minimieren, ist bei dieser Ausgestaltung die Dioden-Spannsäule zweckmäßig in unmittelbarer
Nähe der
Leistungshalbleitermodule angeordnet.
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In einer bevorzugten Weiterbildung
des erfindungsgemäßen Umrichter-Leistungsteils
ist vorgesehen, dass die niederinduk tive Verschienung durch großflächige Kupferplatten
gebildet ist.
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Die Leistungshalbleiterschalter sind
insbesondere als quadratische oder rechteckige Halbleiterchips ausgebildet.
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Die Leistungshalbleiterschalter sind
zweckmäßig durch
MOS-gesteuerte Schalter, insbesondere durch MOSFETs oder IGBTs,
gebildet.
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Besonders große Vorteile bietet die erfindungsgemäße Gestaltung
bei Umrichter-Leistungsteilen, die für hohe Leistungen, insbesondere
für Leistungen
größer als
200 kW, ausgelegt und eingerichtet sind.
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Ein Verfahren zum Herstellen eines
Leistungsteils für
einen Stromumrichter, der zumindest einen Leistungshalbleiterschalter
und zumindest eine zugeordnete Freilaufdiode enthält, umfasst
erfindungsgemäß die Verfahrensschritte:
- – Bereitstellen
eines Kühlkörpers,
- – Anordnen
von Leistungshalbleitermodulen auf dem Kühlkörper, in denen die Leistungshalbleiterschalter
integriert sind,
- – Anordnen
von Freilaufdioden auf dem Kühlkörper, wobei
die Dioden als Scheibenzellen ausgeführt sind, und
- – Herstellen
einer niederinduktiven elektrischen Verbindung zwischen den Leistungshalbleiterschaltern
und den Freilaufdioden.
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Ein weiteres Verfahren zum Herstellen
eines Leistungsteils für
einen Stromumrichter, der zumindest einen Leistungshalbleiterschalter
und zumindest eine zugeordnete Freilaufdiode enthält, umfasst
erfindungsgemäß die Verfahrensschritte:
- – Bereitstellen
eines Kühlkörpers,
- – Anordnen
von Leistungshalbleitermodulen auf dem Kühlkörper, in denen die Leistungshalbleiterschalter
integriert sind,
- – Einbauen
von Freilaufdioden, die als Scheibenzellen ausgeführt sind,
in eine separate Spannsäule,
- – Anordnen
der Dioden-Spannsäule
in unmittelbarer Nähe
der Leistungshalbleitermodule zur Minimierung der Streuinduktivitäten, und
- – Herstellen
einer niederinduktiven elektrischen Verbindung zwischen den Leistungshalbleiterschaltern
und den Freilaufdioden.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen,
Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
und den Zeichnungen.
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Die Erfindung soll nachfolgend anhand
von Ausführungsbeispielen
im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Es sind jeweils nur
die für
das Verständnis
der Erfindung wesentlichen Elemente dargestellt. Dabei zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines Schnitts durch ein Umrichter-Leistungsteil
nach einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung und
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2 eine
schematische Darstellung eines Schnitts durch ein Umrichter-Leistungsteil
nach einem weiteren Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
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Die in den Zeichnungen verwendeten
Bezugszeichen und deren Bedeutung sind in der Bezugszeichenliste
zusammengefasst aufgelistet.
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1 zeigt
eine schematische Darstellung eines Schnitts durch ein allgemein
mit 10 bezeichnetes Umrichter-Leistungsteil nach einem
ersten Ausführungsbeispiel
der Erfindung. Dabei ist ein IGBT-Modul auf einem Kühlkörper 12 montiert,
wo bei der Übersichtlichkeit
halber nur ein IGBT 14 des IGBT-Moduls in der 1 dargestellt ist. Auf demselben Kühlkörper 12 sind
auch die Scheibenzellen-Dioden 20 angebracht. Der Kollektor 16 des
dargestellten IGBTs 14 ist über eine großflächige, niederinduktive
Kupferschiene 22 mit der Kathode der Scheibenzellen-Diode 20 verbunden.
Der Emitter 18 des IGBTs 14 ist über eine
weitere großflächige und
niederinduktive Kupferschiene 26 mit der Anode der Scheibenzellen-Diode 20 verbunden.
Im Bereich des IGBT-Moduls sind die beiden Kupferschienen 22 und 26 durch
eine Isolationsschicht 24 getrennt und elektrisch voneinander
isoliert.
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Während
die 1 nur eine einseitige
Kühlung
der Scheibenzellen-Diode 20 zeigt, kann im Rahmen der Erfindung
auch ein zusätzlicher
Kühlkörper von
der Oberseite her angeordnet sein, um die Ausnutzung der Diode 20 zu
verbessern.
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2 zeigt
ein anderes Ausführungsbeispiel 40 der
Erfindung in schematischer Darstellung. Die durch die IGBTs 44a und 44b repräsentierten
IGBT-Module sind auf einem Kühlkörper 42 montiert. Die
Scheibenzellen-Dioden 50a und 50b sind bei dieser
Gestaltung nicht auf Kühlkörper 42,
sondern in eine separate Spannsäule 62 eingebaut.
Darin sind die Anoden und Kathoden benachbarter Scheibenzellen-Dioden 50a, 50b durch
Kupferplatten 60a, 60b, 60c elektrisch
und thermisch miteinander verbunden.
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Die Anode der Diode 50a ist über eine
niederinduktive Kupferschiene 56 mit dem Emitter 48a des
IGBTs 44a und mit dem Kollektor 46b des benachbarten
IGBTs 44b verbunden. Die Kathode der Diode 50a ist über eine
weitere niederinduktive Kupferschiene 52a mit dem Kollektor 46a des
IGBTs 44a und dem Emitter eines benachbarten, in der 2 nicht mehr dargestellten
IGBTs verbunden.
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In gleicher Weise ist die Anode der
Diode 50b über
eine Kupferschiene 52b mit dem Emitter 48b des
IGBTs 44b und dem Kol lektor eines benachbarten, in der 2 nicht mehr dargestellten
IGBTs verbunden. Die Kupferschienen 52a und 56 beziehungsweise 52b und 56 sind
jeweils durch eine Isolationsschicht 54a beziehungsweise 54b räumlich und
elektrisch voneinander getrennt.
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Um Streuinduktivitäten zu minimieren,
ist die Spannsäule 62 so
nah als möglich
an dem Aufbau mit den IGBT-Modulen angeordnet. Auch wird darauf geachtet,
dass die von den Kupferschienen umspannte Fläche möglichst klein ist.