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Die Erfindung beschreibt ein kompaktes
Leistungshalbleitermodule mit verbesserten EMV (Elektromagnetische
Verträglichkeit)
Eigenschaften. Moderne Ausgestaltungen kompakter Leistungshalbleitermodule, die
Ausgangspunkt dieser Erfindung sind, sind beispielhaft bekannt aus
der
EP 0 750 345 A2 ,
der
DE 196 51 632
C1 , der
DE
100 37 533 C1 oder der
DE 101 27 947 C1 .
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Leistungshalbleitermodule mit Grundplatte,
wie beispielhaft aus der
DE
196 51 632 C1 bekannt, bestehen aus mindestens einem auf
der Grundplatte angeordneten isolierenden Substrat. Auf dem Substrat
ist eine elektrisch leitfähige
in der Regel in sich strukturierte und somit Verbindungsbahnen bildende
metallische Schicht angeordnet. Auf diesen Verbindungsbahnen ist
mindestens ein Leistungshalbleiterbauelement angeordnet und mit
ihnen schaltungsgerecht verbunden. Das Leistungshalbleitermodul
weist weiterhin eine Mehrzahl von Anschlusselementen zur elektrischen
Kontaktierung sowie ein das Substrat und die Halbleiterbauelemente
umschließendes
Gehäuse
auf.
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Leistungshalbleitermodule zur direkten
Montage auf einem Kühlkörper beispielhaft
aus der
EP 0 750 345
A2 oder der
DE
101 27 947 C1 bekannt bestehen aus einem das Substrat umschließenden Gehäuse, wobei
das Substrat selbst eine Seite, in der Regel die Unterseite, des
Gehäuses
bildet. Das Substrat besteht aus einem Isolierstoffkörper, sowie
einer flächigen
metallischen Schicht auf der Unterseite. Die Oberseite des Substrates
wird ebenfalls durch eine metallische Schicht gebildet, die nach
dem Stand der Technik in sich strukturiert ist und somit die Verbindungsbahnen
bildet. Auf diesen Verbindungsbahnen ist mindestens ein Leistungshalbleiterbauelement
angeordnet und mit den Verbindungsbahnen schaltungsgerecht verbunden.
Weiterhin weist das Leistungshalbleitermodul nach außen führende Anschlusselement
zur elektrischen Kontaktierung auf.
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Die
DE 100 37 533 C1 zeigt für ein Leistungshalbleitermodul
in Halbbrückentopologie
beispielhaft die Ausgestaltung des Substrates. Das Substrat besteht
aus einem Isolierstoffkörper
sowie auf dessen beiden Hauptflächen
angeordnete metallische Schichten. Die metallische Schicht auf der
Oberseite ist in sich strukturiert und bildet die Verbindungsbahnen
mit darauf angeordneten Halbleiterbauelementen. Diese sind mittels verschiedener
Technologien, wie Löten
und / oder Bonden, mit den Verbindungsbahnen schaltungsgerecht verbunden.
Die Verbindungsbahnen sind mit weiteren Anschlusselementen verbunden,
die die externe elektrische Kontaktierung des Leistungshalbleitermoduls
darstellen.
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Die einzelnen Verbindungsbahnen auf
dem Substrat weisen die Potentiale der Gleichstromanschlüsse und
des Wechselstromanschlusses auf. Weiterhin können weiter gleichartige Verbindungsbahnen
angeordnet sein und das Potential verschiedener Hilfs- oder Steueranschlüsse aufweisen.
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Als Leistungshalbleiterbauelemente
in Leistungshalbleitermodulen nach dem Stand der Technik finden
IGBTs, MOS-FETs, Thyristoren und Dioden Anwendung. Moderne Leistungshalbleiterbauelemente
werden mit Taktraten im Kilohertzbereich angesteuert. Durch diese
Schaltfrequenzen verursacht werden elektromagnetische Störungen in
diesem und in höheren
Frequenzbereichen, wie eine Fourieranalyse zeigt, erzeugt. Diese
elektromagnetischen Störungen
breiten sich auf allen Leitungen mit denen das Leistungshalbleitermodul verbunden
ist aus. Derartige Leitungen weisen somit eine Antennenwirkung auf
und strahlen elektromagnetische Wellen ab. Diese beiden Störungserscheinungen
beschränken
die Einsatzmöglichkeiten
von Leistungshalbleitermodulen ohne EMV- Filter, da gesetzliche
oder normative Grenzwerte nicht eingehalten werden.
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Ein Weg zur Verringerung der elektromagnetischen
Störungen
nach dem Stand der Technik ist der Einsatz von EMV- Filtern, zwischen
dem Leistungshalbleitermodul und der Spannungsquelle. Derartige
EMV- Filter bestehen in der einfachsten Ausgestaltung aus einer
seriell geschalteten Spule sowie einem gegen Grundpotential geschalteten
Kondensator. Derartigen EMV- Filter haftet der Nachteil an, dass
sie relativ großvolumig sind
und vor allem die Störung
nicht direkt an deren Ursprung sonder erst in einer gewissen Entfernung
vermindern.
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Der vorliegenden Erfindung liegt
die Aufgabe zu Grunde ein Leistungshalbleitermodul vorzustellen, das
bei einem geringen zusätzlichen
Bauteileaufwand stark verbesserte EMV-Eigenschaften aufweist.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch
eine Schaltungsanordnung nach dem Anspruch 1, spezielle Ausgestaltungen
finden sich in den Unteransprüchen.
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Der Grundgedanke der Erfindung geht
aus von einem Leistungshalbleiterbauelement mit Grundplatte oder
zur direkten Montage auf einem Kühlkörper nach
dem Stand der Technik bestehend aus einem Gehäuse mindestens einem elektrisch
isolierenden Substrat bestehend aus einem Isolierstoffkörper, mit
einer Mehrzahl darauf befindlicher gegeneinander isolierter metallischer
Verbindungsbahnen, darauf befindlichen und mit diesen Verbindungsbahnen
schaltungsgerecht verbunden Leistungshalbleiterbauelementen sowie
mindestens zwei Gleichspannungsanschlussleitern und mindestens einem
Wechselspannungsanschlussleiter. Dieses Leistungshalbleitermodul
wird erfinderisch derart erweitert, dass ein EMV- Filter in das
Gehäuse
integriert wird. Hierzu werden die mindestens zwei Gleichstromanschlussleiter
unterschiedlicher Polarität
und / oder die mindestens zwei mit den zugeordneten Gleichstromanschlussleitern
verbundenen Verbindungsbahnen unterschiedlicher Polarität mittels
mindestens pro Polarität
je einem Kondensators mit der auf Grundpotential liegenden Grundplatte
oder mit dem auf Grundpotential liegenden Kühlkörper seriell verbunden.
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Vorteilhaft an der erfinderischen
Ausgestaltung des Leistungshalbleitermoduls ist, dass die elektromagnetische
Störung
sehr nahe benachbart ihrer Entstehungsstelle, dem Leistungshalbleiterbauelement,
bereits deutlich vermindert wird. Somit wird eine Ausbreitung der
Störung
wirkungsvoll verhindert. Weiterhin kann somit auf einen externen
EMV- Filter verzichtet werden, was einer kostengünstigen und kompakten Gesamtanordnung
dienlich ist.
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Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen
in Verbindung mit den 1 bis 7 näher erläutert.
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1 zeigt
schematisch ein System bestehend aus einem Leistungshalbleitermodul,
einen EMV- Filter und einer Spannungsversorgung nach dem Stand der
Technik, sowie die erfinderische Lösung.
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2 zeigt
schematisch ein erfinderisches Leistungshalbleitermodul in Halbbrückentopologie.
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3 zeigt
eine erste Ausgestaltung eines erfinderischen Leistungshalbleitermoduls
in Draufsicht.
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4 zeigt
eine erste Ausgestaltung eines erfinderischen Leistungshalbleitermoduls
in Seitenansicht.
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5 zeigt
eine zweite Ausgestaltung eines erfinderischen Leistungshalbleitermoduls
in Draufsicht.
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6 zeigt
eine zweite Ausgestaltung eines erfinderischen Leistungshalbleitermoduls
in Seitenansicht.
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7 zeigt
eine weitere Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls
in dreidimensionaler Darstellung.
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1 zeigt
schematisch ein System bestehend aus einem Leistungshalbleitermodul
(1), einen EMV- Filter (2) und einer Spannungsversorgung
(3) nach dem Stand der Technik, sowie die erfinderische
Lösung eines
Leistungshalbleiterbauelements mit integriertem EMV-Filter (5). 1a zeigt ein Leistungshalbleitermodul
(1), welches durch sein aus einem Isolierstoffkörper bestehendes
Substrat gegenüber
dem Kühlkörper elektrisch
isoliert ist. Der Isolierstoffkörper
wirkt hier wie das Dielektrikum eines Kondensators (4).
Ein EMV- Filter (2) ist serieller Bestandteil der Verbindung
des Leistungshalbleiterbauelements (1) mit der Spannungsversorgung
(3). Der EMV- Filter besteht aus einer seriell geschalteten
Spule sowie aus einem gegen Grundpotential geschalteten Kondensator.
Elektromagnetische Störungen
speziell höherfrequente
können
das Leistungshalbleitermodul auch über den Kondensator (4)
verlassen und müssen
selbstverständlich
wieder zum Leistungshalbleiterbauelement zurück fließen. Dies geschieht nach dem
Stand der Technik beispielhaft über den
EMV- Filter, oder bei dessen Abwesenheit über die Spannungsversorgung
(3) mit allen o.g. Nachteilen.
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1b zeigt
demgegenüber
die erfinderische Ausgestaltung eines Leistungshalbleitermoduls
mit integriertem EMV- Filter (5). Dieser gestattet die
während
der Schaltvorgänge
durch die dabei auftretenden hohen Werten der Spannungsänderung über der
Zeit entstehenden elektromagnetischen Störungen in unmittelbarer Nähe zu deren
Entstehungsort zurückzuführen. Damit
entsteht eine wirksamere sowie kompaktere und auch kostengünstigere
Alternative zum Stand der Technik.
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2 zeigt
schematisch ein erfinderisches Leistungshalbleitermodul in Halbbrückentopologie.
Eine Halbbrücke
besteht hierbei aus zwei Leistungshalbleiterschaltern (
54),
beispielhaft IGBTs, mit zu diesen antiparallel geschalteten Freilaufdioden.
Ein Gehäuse
(
10) ist ebenfalls dargestellt. Weiterhin weist das Leistungshalbleitermodul
nach dem Stand der Technik je einen Minus-, einen Plus- sowie einen
Wechselspannungsanschluss auf. Erfinderisch hierbei sind die beiden
innerhalb des Gehäuses
(
10) angeordneten Kondensatoren (
60). Wobei ein
erster Kondensator mit dem Plusspannungsanschluss einerseits und
mit dem Grundpotential andererseits verbunden ist. Der zweite Kondensator
ist mit dem Minusspannungsanschluss sowie ebenfalls dem Grundpotential
verbunden. Vorzugsweise werden als Kondensatoren (
60) SMD-Bauelemente verwendet. Folgende
Tabelle zeigt einige typische Kenngrößen des erfinderischen Leistungshalbleitermoduls
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3 zeigt
eine erste Ausgestaltung eines erfinderischen Leistungshalbleitermoduls
in Draufsicht. Dargestellt ist hier der Rand eines Gehäuses (10)
und ein darin angeordnetes Substrat. Auf dem Isolierstoffkörper (50)
des Substrats, dem Inneren des Leistungshalbleitermoduls zugewandt
sind metallische Verbindungsbahnen (51, 52, 53)
angeordnet. Die Verbindungsbahn (51) ist mit dem Wechselspannungsanschlussleiter
(40) verbunden, die Verbindungsbahn (52) ist mit
dem Gleichspannungsanschlussleiter (20) negativer Polarität verbunden
und die Verbindungsbahn (53) ist mit dem Gleichspannungsanschlussleiter
(30) positiver Polarität
verbunden. Soweit schaltungstechnisch notwendig sind auf diesen
Verbindungsbahnen und mit diesen leitend verbunden Leistungshalbleiterbauelemente
(54) angeordnet. Weitere schaltungstechnisch notwendige
Verbindungen der Leistungshalbleiterbauelemente werden mittels Drahtbondverbindungen
(56) ausgeführt.
Die Anschlussleiter sind bandartig ausgeführt und stellen die elektrische
Verbindung zwischen den Verbindungsbahnen und den äußeren Anschlüssen dar,
hierzu verlaufen sie von den Verbindungsbahnen ausgehend senkrecht
zu diesen, knicken in einer definierten Höhe um 90° und verlaufen dann parallel
zum Substrat.
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Die erfinderische Ausgestaltung des
Leistungshalbleitermoduls ist in dieser Anordnung die weitere Verbindungsbahn
(58). Diese Verbindungsbahn (58) ist über einen
ersten Kondensator (60) mit der Verbindungsbahn (53)
positiver Polarität
verbunden sowie über
einen weiteren Kondensator (60) mit der Verbindungsbahn
(52) negativer Polarität
verbunden. Weiterhin weist die weitere Verbindungsbahn (58)
ein elektrisch leitende Verbindung zur auf der zweiten Hauptfläche des
Substrates angeordneten flächigen
Metallisierung und über
diese zum auf Grundpotential befindlichen Kühlkörper auf.
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4 zeigt
eine erste Ausgestaltung eines erfinderischen Leistungshalbleitermoduls
nach 3 in Seitenansicht
aus Blickrichtung A. Dargestellt ist hier der Kühlkörper (12) auf diesem
angeordnet das aus einem Isolierstoffkörper (50) mit einer
zweiten metallischen Schicht (57), einer in sich strukturierten
und die Verbindungsbahnen (52, 53, 58)
bildende metallischen Schicht, bestehende Substrat sowie ein Gehäuse (10).
Innerhalb dieses Gehäuses
sind Kondensatoren (60) angeordnet, die die Verbindungsbahn
(53) positiver Polarität
mit der weiteren Verbindungsbahn (58) sowie die Verbindungsbahn
(52) negativer Polarität
ebenfalls mit der weiteren Verbindungsbahn (58) verbinden.
Die weitere Verbindungsbahn (58) ist mittels einer Durchkontaktierung
(59) elektrisch leitend mit der zweiten metallischen Schicht
(57) und somit mit dem auf Grundpotential befindlichem
Kühlkörper (12)
verbunden.
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5 zeigt
eine zweite Ausgestaltung eines erfinderischen Leistungshalbleitermoduls
in Draufsicht. Das Leistungshalbeitermodul besteht vergleichbar
mit 3 ebenfalls aus
einem Gehäuse
(10), einem Substrat mit darauf angeordneten Verbindungsbahnen
(51, 52, 53) sowie schaltungsgerecht
angeordneten und elektrisch verbundenen Leistungshalbleiterbauelementen
(54) und zwei Gleich- (20, 30) sowie
einem Wechselspannungsanschlussleiter (40).
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Weiterhin weist diese erfinderische
Ausgestaltung des Leistungshalbleitermoduls eine zusätzliche
Leiterplatte (70) auf. Diese Leiterplatte ist zwischen
den beiden Gleichspannungsanschlussleitern angeordnet. Die Leitplatte
weist eine erste leitende Fläche
(72) auf, die elektrisch mit dem Anschlussleiter (20)
negativer Polarität
verbunden ist sowie eine zweite leitende Fläche (73) auf, die
mit dem Anschlussleiter (30) positiver Polarität verbunden
ist. Die Leiterplatte weist weiterhin zwei weitere leitende Flächen (74)
sowie darin angeordnet eine Ausnehmung (77) auf. Die beiden
weiteren Flächen
(74) sind elektrisch leitend mittels einer Metallisierung
der Ausnehmung (77) miteinander verbunden.
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Die leitende Fläche (72) ist mittels
eines Kondensators (60) mit einer der weiteren leitenden
Flächen (74)
verbunden, ebenso ist die leitende Fläche (73) mittels eines
Kondensators (60) mit einer der weiteren leitenden Flächen (74)
verbunden. Die weiteren leitenden Flächen werden mittels einer Schraube
mit dem Kühlkörper leitend
verbunden.
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6 zeigt
eine zweite Ausgestaltung eines erfinderischen Leistungshalbleitermoduls
nach 5 in Seitenansicht
aus Blickrichtung B. Dargestellt ist hier wiederum der Kühlkörper (12)
auf diesem angeordnet das Substrat mit den metallischen Schichten
der beiden Hauptflächen.
Die Bauelemente sind aus Gründen
der Übersichtlichkeit
nicht dargestellt. Dargestellt sind die Gleichspannungsanschlussleiter
(20, 30) sowie die zusätzliche Leiterplatte (70).
Diese Leiterplatte weist an ihrer Oberseite eine leitende Fläche (73)
auf, welche elektrisch leitend mit dem Anschlussleiter (30)
positiver Polarität
verbunden ist, an ihrer Unterseite weist sie eine leitende Fläche (72)
auf die mit dem Anschlussleiter (20) negativer Polarität verbunden
ist.
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Weiterhin weist die Leiterplatte
zwei leitende Flächen
(74) auf, die elektrisch leitend miteinander verbunden
sind und in Ihrem Zentrum eine Ausnehmung aufweisen. Mittels einer
innerhalb dieser Ausnehmung angeordneten Schraube/Buchse (64)
sind diese Flächen
elektrisch leitend mit dem Kühlkörper (12)
verbunden. Weiterhin ist die leitende Fläche (73) mit der auf
der gleichen Hauptfläche
der Leiterplatte (70) angeordneten weiteren Fläche (74)
mittels eines Kondensators (60) verbunden. Ebenso ist die
leitende Fläche
(72) mit der auf der gleichen Hauptfläche der Leiterplatte angeordneten
Fläche
(74) mittels eines Kondensators (60) verbunden.
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7 zeigt
eine weitere Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls,
hier eines aus 3 Halbbrückenanordnungen
bestehenden Umrichters wovon nur der für das Verständnis der Erfindung relevante
Teil dargestellt ist, in dreidimensionaler Darstellung. Das Substrat
(50) mit den darauf angeordneten Leiterbahnen und Leistungshalbleiterbauelementen,
sowie die Anschlusselemente (20, 30, 40)
sind von einem rahmenartigen Teil des Gehäuse (10) umschlossen.
Der bedeckende Teil der Gehäuse,
der auch die niederinduktiv angebundenen Kondensatoren (80)
des Zwischenkreises umschließt,
ist hier nicht gezeigt. Die Leiterplatte (70) ist hier
in mit 5 und 6 vergleichbarer Weise zu
den Gleichstromanschlussleitern angeordnet. Die leitenden Fläche auf
der dem unterhalb des Leistungshalbleitermoduls angeordneten Kühlkörper zugewandten
Seite der Leitplatte (70) ist mit dem Anschlussleiter (20)
negativer Polarität
verbunden. Ebenso ist die leitenden Fläche (73) auf der dem
Kühlkörper abgewandten
Seite der Leitplatte (70) mit dem Anschlussleiter (30)
positiver Polarität
verbunden. Diese leitenden Flächen
sind jeweils über
Kondensatoren (60) mit den weiteren elektrisch leitenden
Flächen
(74) verbunden. Die elektrisch leitende Verbindung zwischen
den weiteren leitenden Flächen
(74) und dem Kühlkörper erfolgt über eine
Schraubverbindung/Buchse durch die in der Leiterplatte (70)
angeordnete Ausnehmung (77).
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Da derartige Leistungshalbleitermodule
nach dem Herstellungsprozess normalerweise einer Isolationsprüfung nach
IEC 1287 unterzogen werden, können hierfür zwei Alternativen der Ausgestaltung
des EMV- Filters gewählt
werden. Entweder es werden Kondensatoren (60), vorzugsweise
in SMD-Beauweise, mit einer entsprechenden Spannungsfestigkeit gewählt, oder
die Schraubverbindung (64) wird erst nach erfolgter Isolationsprüfung hinzugefügt.
