DE10258035A1

DE10258035A1 - Einphasiges Stromrichtermodul

Info

Publication number: DE10258035A1
Application number: DE10258035A
Authority: DE
Inventors: Barbara Will; Peter Urbach; Stefan Hornung
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2002-12-12
Filing date: 2002-12-12
Publication date: 2004-06-24
Also published as: US20060124957A1; WO2004053988A1; EP1590830A1; AU2003246534B2; AU2003246534A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Stromrichtermodul mit einem Plus-Anschluss (2), einem Minus-Anschluss (4) und einem Phasenanschluss (3) sowie einem ersten Halbleiterchip (9) und einem zweiten Halbleiterchip (9), bei dem die Anschlüsse (2-4) und die Halbleiterchips (9) stapelartig übereinander angeordnet sind. Ein besonders einfaches und kostengünstiges Stromrichtermodul kann dadurch erzeugt werden, dass der Plus- (2), der Minus- (4) oder der Phasenanschluss (3) aus einem Kontaktplättchen (5) mit einem stabförmigen Anschlussfähnchen (6) gebildet ist, das unsymmetrisch am Kontaktplättchen (5) angeordnet ist und an dessen Ende ein Hilfselement (7) vorgesehen ist, das ein Verkippen des Anschlusses (2-4) verhindert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Stromrichtermodul mit einem stapelartigen Bauelement-Kontakt-Aufbau gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Stromrichtermoduls gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 8.
Stromrichter dienen zum Umformen elektrischer Energie unter Verwendung sogenannter Stromrichter-Ventile, wie z.B. Dioden, Thyristoren, Transistoren, etc. Sie werden je nach Anwendungsfall als Gleichrichter, Wechselrichter oder Umrichter gebaut. Im Kraftfahrzeugbereich werden Stromrichter insbesondere als Gleichrichter eingesetzt, die eine von einem Fahrzeuggenerator gelieferte Wechselspannung in eine Gleichspannung zur Versorgung eines Bordnetzes umsetzen.
Ein aus dem Stand der Technik bekannter Gleichrichter ist in 1 beispielhaft dargestellt. 1 zeigt eine Gleichrichter-Brückenschaltung für einen Drehstromgenerator, die die drei Phasen U,V,W des Drehstromgenerators in eine Gleichspannung umsetzt. Der Gleichrichter umfasst für jede Phase U,V,W ein Paar in Reihe geschalteter Zenerdioden 8a, 8b, zwischen denen sich der Phasenanschluss U,V,W befindet. Der Gleichstrom wird an den Klemmen B+ und B- abgegriffen. Die in 1 dargestellte Schaltung ist in der Regel aus einzelnen diskreten Bauelementen 8a, 8b realisiert.

Aus der DE10009171A1 sind Stromrichtermodule bekannt, bei denen die Stromrichterventile (Dioden) und die Kontakte stapelartig übereinander angeordnet sind. Die Stromrichterventile sind dabei in Form von ungehäusten Halbleiterchips realisiert. Bei der Herstellung der bekannten Stromrichtermodule sind Vorfixierelemente zur Positionierung der Kontakte und der Gehäusebestandteile notwendig, die z.B. mit Kunstharz ausgegossen werden. Dieser Aufbau der Stromrichtermodule ist relativ aufwändig und kompliziert. Darüber hinaus erzeugt ein dreiphasiges Stromrichtermodul relativ viel Verlustwärme auf kleinem Raum, die nicht ausreichend abgeführt werden kann.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Stromrichtermodul zu schaffen, das wesentlich einfacher aufgebaut ist und weniger Verlustwärme erzeugt.

Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die im Patentanspruch 1 sowie im Patentanspruch 8 angegebenen Merkmale. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Der wesentliche Gedanke der Erfindung besteht darin, ein einphasiges Stromrichtermodul mit mehreren Anschlüssen und wenigstens zwei Halbleiterchips herzustellen, die stapelartig übereinander angeordnet sind, wobei wenigstens einer der Anschlüsse aus einem Kontaktplättchen mit einem daran befindlichen stabförmigen Anschlussfähnchen besteht, das unsymmetrisch (d.h., dessen Längsachse zu einer parallelen,. durch den Schwerpunkt des Kontaktplättchens verlaufenden, Achse versetzt angeordnet ist) am Kontaktplättchen angeordnet ist und an dessen Ende ein Hilfselement vorgesehen ist, das ein Verkippen des Anschlusses um die Längsachse des Anschlussfähnchens verhindert. Dadurch ist es möglich, das Kontaktplättchen des Anschlusses ohne zu Verkanten auf einem der Halbleiterchips anzuordnen. Das Hilfselement kann nach dem Zusammenfügen der Stapelanordnung abgetrennt werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung hat das Hilfselement eine Öffnung mit der der zugehörige Anschluss in einer Fügevorrichtung positioniert werden kann. Eine erfindungsgemässe Fügevorrichtung hat beispielsweise mehrere Führungs- und Haltestifte, an denen die Anschlüsse ausgerichtet und gehalten werden, um den Aufbau der Stapelanordnung zu erleichtern. Zur Ausrichtung der Anschlüsse wird vorzugsweise die im Hilfselement vorgesehene Öffnung mit einem Führungs- und Haltestift in Eingriff gebracht.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Phasenanschluss identisch aufgebaut wie der Plus- oder Minus-Anschluss, d.h., bei dem Plus- oder Minus-Anschluss und dem Phasenanschluss handelt es sich um Gleichteile. Auf diese Weise lässt sich das Stromrichtermodul wesentlich vereinfachen und verbilligen.

Die an den Anschlüssen vorgesehenen Hilfselemente werden vorzugsweise nach dem Zusammenfügen des Stromrichtermoduls abgetrennt.

Die stabförmigen Anschlussfähnchen sind vorzugsweise ^` gegenüber einer durch das Kontaktplättchen aufgespannten Fläche versetzt angeordnet. Beträgt der Versatz zwischen Anschlussfähnchen und Kontaktplättchen etwa die Hälfte der Höhe eines Stapels aus einem Kontaktplättchen, einem Halbleiterchip und zwei elektrischen Verbindungsschichten auf beiden Seiten des Halbleiterchips, so können die Anschlussfähnchen auf gleicher Höhe aus dem Stromrichtermodul herausgeführt werden, wenn für den Plus- oder Minus-Anschluss und den Phasenanschluss identische Anschlüsse verwendet werden. Dies bringt fertigungstechnische Vorteile, wenn das Stromrichtermodul in einem Standard-Kunststoffgehäuse verpackt wird.

Das Stromrichtermodul wird vorzugsweise in einem Standard-Kunststoffgehäuse verpackt, das in einem Spritzgussverfahren (Moldprozess) hergestellt wird. Diese Art der Verpackung ist besonders kostengünstig.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
1 eine aus dem Stand der Technik bekannte Gleichrichter-Brückenschaltung mit Zenerdioden;
2 eine aus dem Stand der Technik bekannte Anordnung von Gleichrichterdioden in einem Diodenstapel;
3 eine bevorzugte Ausführungsform eines stapelartig aufgebauten einphasigen Stromrichtermoduls gemäß der Erfindung;
4 ein fertig verpacktes einphasiges Stromrichtermodul; und
5 einen Strang aus mehreren verpackten Stromrichtermodulen.
Bezüglich der Erläuterung von 1 wird auf die Beschreibungseinleitung verwiesen.
2 zeigt einen Ausschnitt eines einphasigen Stromrichtermoduls 1, bei dem die Stromrichterventile (im vorliegenden Beispiel Zenerdioden) in Form von Halbleiterchips 9 stapelartig übereinander angeordnet sind. Das Stromrichtermodul umfasst einen Plus-Anschluss 2 (B+), einen Minus-Anschluss 4 (B-) und die beiden Halbleiterchips 9 mit einem dazwischen angeordneten Phasenanschluss 3. Wie in 2 ferner zu erkennen ist, weisen die Halbleiterchips 9 kein Gehäuse auf.
Der Minus-Anschluss 4 dient in diesem Fall gleichzeitig als elektrischer Anschluss, als thermische Kapazität zur Pufferung von Spitzenleistung sowie als Kühlanschluss zur Ableitung der von der Schaltung erzeugten Verlustwärme.
Im Unterschied zu dem aus der DE10009171A1 bekannten dreiphasigen Stromrichtermodul besteht ein mehrphasiger Stromrichter gemäß der vorliegenden Erfindung aus mehreren einzelnen einphasigen Stromrichtermodulen. Dies hat den Vorteil, dass die Verlustleistung einer mehrphasigen Stromrichterschaltung nicht auf einen so kleinen Raum konzentriert ist und besser verteilt werden kann.
3 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines einphasigen Stromrichtermoduls 1 in einer Explosionsansicht. Das Stromrichtermodul 1 umfasst einen Minus-Anschluss 4 in Form eines metallischen Sockels (B-), der zur mechanischen Stabilisierung und zur Befestigung des Stromrichtermoduls 1 auf einem Kühlkörper dient. Der Minus-Anschluss 4 umfasst hierzu eine Öffnung 10 zum Befestigen des Moduls 1 auf dem Kühlkörper, z.B. durch Anschrauben, Nieten etc..
Das Stromrichtermodul 1 wird vorzugsweise in einer Fügevorrichtung aufgebaut, in der die einzelnen Elemente des Moduls 1 angeordnet und genau positioniert werden können. Die Fügevorrichtung kann z.B. gleichzeitig als Lötform zum Verlöten des Bauelement-Kontakt-Stapels dienen. Bei der Montage des Stromrichtermoduls 1 wird auf den Sockel 4 zunächst die untere Diode 9 (Minuschip) der Phasenanschluss 3, die obere Diode (Pluschip) 9 und schließlich der Plus-Anschluss 2 (B+) gestapelt.
Die elektrische Verbindung der Elemente 2-4, 9 wird mittels Lotfolien 8 hergestellt, die jeweils beidseitig eines Halbleiterchips 9 angeordnet werden. Wahlweise können auch andere Standard-Verbindungstechniken, wie z.B. das Aufbringen von leitfähigem Kleber, Lotpaste etc. angewendet werden.
Der Plus-Anschluss 2 und der Phasenanschluss 3 bestehen aus einem Kontaktplättchen 5 mit einem stabförmigen Anschlussfähnchen 6 und einem Hilfselement 7. Das stabförmige Anschlussfähnchen 6 ist jeweils unsymmetrisch am Kontaktplättchen 5 angeordnet (d.h., die Längsachse des stabförmigen Anschlussfähnchens 6 ist versetzt zu einer parallelen, durch den Schwerpunkt des Kontaktplättchens 5 verlaufenden Achse angeordnet). Das am anderen Ende des stabförmigen Anschlussfähnchens 6 vorgesehene Hilfselement 7 ist dabei so ausgelegt, dass der Anschluss 2,3 nicht um die Längsachse des stabförmigen Anschlussfähnchens kippt, wenn der Kontakt z.B. an einem Punkt entlang des stabförmigen Anschlussfähnchens 6 unterstützt wird. Dies hat den Vorteil, dass die Kontaktplättchen 5 der Anschlüsse 2,3 plan auf die Halbleiterchips 9 aufgelegt werden können, ohne dass die Anschlüsse 2,3 anschliessend verkanten.
Die Anschlüsse 2,3 haben ferner eine Positionieröffnung 11, die vorzugsweise im Hilfselement 7 angeordnet ist, um die Anschlüsse 2,3 an einem Anschlag der Fügevorrichtung exakt ausrichten zu können. Die dargestellten Positionieröffnungen 11 werden bei der Montage des Stromrichtermoduls beispielsweise mit einem Positionierstift der Fügevorrichtung in Eingriff gebracht.
Nach dem Zusammenfügen des Stromrichtermoduls 1 können die Hilfselemente 7 gegebenenfalls abgetrennt werden.
Wie in 3 ferner zu erkennen ist, sind die Anschlüsse 2 und 3 identisch ausgebildet, wobei der Plus- 2 und der Phasenanschluss 3 um 180° bezüglich der Längsachse der Anschlussfähnchen 6 gedreht angeordnet sind. Auf diese Weise kann das Stromrichtermodul 1 besonders einfach und kostengünstig hergestellt werden.
Die stabförmigen Anschlussfähnchen des Plus-Anschlusses 2 und des Phasenanschlusses 3 sind ferner versetzt zu der durch ein Kontaktplättchen 5 aufgespannten Ebene angeordnet. Die stabförmigen Anschlussfähnchen 6 sind gegenüber dem Kontaktplättchen 5 vorzugsweise um die Hälfte der Höhe eines Stapels aus dem Kontaktplättchen 5 des Plus-Anschlusses 2, einem Halbleiterchip 9 und zwei Lotschichten 8 parallel zueinander versetzt. Durch diese Formgebung wird es möglich, die Anschlussfähnchen 6 des Plus-Anschlusses 2 und des Phasenanschlusses 3 auf der gleichen Ebene aus dem Modul 1 herauszuführen. Darüber hinaus wird es möglich, für den Plus-Anschluss 2 und den Phasenanschluss 3 identische Teile zu verwenden.
Nach dem Anordnen und Verlöten des einphasigen Stromrichtermoduls 1 wird dieses in einem Standard-Kunststoffgehäuse 12 verpackt.
4 zeigt das verpackte Stromrichtermodul 1 in einer transistorähnlichen Bauform. Das gezeigte Gehäuse 12 wird dabei in einem Standard-Moldprozess (Spritzgussverfahren) hergestellt. Wie zu erkennen ist, wird das Stromrichtermodul 1 nur im Bereich des Chip-Kontakt-Stapels verpackt. Die Anschlüsse 2, 3 und ein Befestigungsabschnitt des Minus-Anschlusses 4 mit der Befestigungsöffnung 10 ragen dagegen aus dem Gehäuse 12 heraus. Im dargestellten Zustand des Stromrichtermoduls 1 wurden die Hilfselemente 7 bereits abgetrennt.
5 zeigt mehrere verpackte Stromrichtermodule 1 entsprechend 4, die durch eine trennbare, insbesondere von Hand trennbare (z.B. durch Verdrehen), Verbindung miteinander verbunden sind. Die Verbindung zwischen den Einphasenmodulen kann hierzu beispielsweise geschwächt (durch Perforation) sein. Bei der Endmontage eines Stromrichters kann somit die gewünschte Anzahl von einphasigen Stromrichtermodulen 1 einfach abgetrennt werden.
Bei der dargestellten Ausführungsform der Erfindung sind die Gehäuse 12 der Stromrichtermodule 1 durch Kunststoffstege 13 miteinander verbunden, die ebenfalls im Spritzgussverfahren, vorzugsweise in einem Arbeitsschritt zusammen mit den Gehäusen 12, hergestellt werden. Wahlweise können die Stromrichtermodule 1 z.B. auch auf einer gemeinsamen Trägerfolie angeordnet und verpackt werden.
Bei den einzelnen Stromrichtermodulen 1 eines Modulstrangs handelt es sich vorzugsweise um solche Module, die entweder vor dem Verpacken einer vollständigen elektrischen Überprüfung unterzogen und entsprechend sortiert wurden oder die direkt aufeinanderfolgend hergestellt wurden und somit ähnliche elektrische Eigenschaften aufweisen. Damit ist sichergestellt, dass die einzelnen Stromrichtermodule 1 eines Stranges nur geringe elektrische Abweichungen voneinander haben.

1: einphasiges Stromrichtermodul
2: Plus-Anschluss
3: Phasenanschluss
4: Minus-Anschluss
5: Kontaktplättchen
6: Stabförmiges Anschlussfähnchen
7: Hilfselement
8: Lotfolie
9: Halbleiterchip
10: Befestigungsöffnung
11: Positionieröffnung
12: Gehäuse
13: Verbindungsstege
U,V,W: Phasen

Claims

Stromrichtermodul mit einem Plus-Anschluss (2), einem Minus-Anchluss (4) und einem Phasenanschluss (3), sowie einem ersten Halbleiterchip (9) und einem zweiten Halbleiterchip (9), bei dem die Anschlüsse (2-4) und die Halbleiterchips (9) stapelartig übereinander angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer der Anschlüsse (2-4) aus einem Kontaktplättchen (5) mit einem stabförmigen Anschlussfähnchen (6), das unsymmetrisch am Kontaktplättchen (5) angeordnet ist, und einem Hilfselement (7) gebildet ist, das ein Verkippen des Anschlusses (2-4) um die Längsachse des Anschlussfähnchens (6) verhindert, wobei das Hilfselement (7) nach dem Zusammenfügen des Stromrichtermoduls (1) abgetrennt werden kann.
Stromrichtermodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Phasenanschluss (3) identisch aufgebaut ist, wie der Plus- (2) oder Minus-Anschluss (4).
Stromrichtermodul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das stabförmige Anschlussfähnchen (6) gegenüber einer durch das Kontaktplättchen (5) aufgespannten Ebene versetzt angeordnet ist.
Stromrichtermodul nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das stabförmige Anschlussfähnchen (6) derart versetzt angeordnet ist, dass bei Verwendung gleicher Anschlussteile (5-7) für den Plus- (2) oder Minus-Anschluss (4) und den Phasenanschluss (3) die Anschlussfähnchen (6) auf gleicher Ebene aus dem Stromrichtermodul (1) geführt werden können.
Stromrichtermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Stromrichtermodul (1) in einem Kunststoffgehäuse (12) angeordnet ist, das in einem Spritzgussverfahren hergestellt wurde.
Stromrichtermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Hilfselement (7) eine Positionieröffnung (11) zum Positionieren des Hilfselements (7) in einer Fügevorrichtung aufweist.
Strang aus mehreren einphasigen Stromrichtermodulen (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die jeweils ein Kunststoff-Spritzgussgehäuse (12) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die Gehäuse (12) über Verbindungsmittel (13) miteinander verbunden sind.
Verfahren zur Herstellung eines Stromrichtermoduls (1) mit einem Plus-Anschluss (2), einem Minus-Anschluss (4) und einem Phasenanschluss (3), sowie einem ersten Halbleiterchip (9) und einem zweiten Halbleiterchip (9), wobei die Anschlüsse (2-4) und die Halbleiterchips (9) stapelartig übereinander in einer Fügevorrichtung angeordnet werden, dadurch gekennzeichnet, dass der Plus- (2) oder Minus-Anschluss (4) und der Phasenanschluss (3) ein Kontaktplättchen (5) mit einem stabförmigen Anschlussfähnchen (6), das unsymmetrisch am Kontaktplättchen (5) angeordnet ist, und ein Hilfselement (7) aufweisen, das ein Verkippen des Anschlusses (2-4) um die Längsachse des stabförmigen Anschlussfähnchens (6) verhindert, und dass die Anschlüsse (2-4.) und die Halbleiterchips (9) stapelartig übereinander in die Fügevorrichtung eingelegt werden, wobei der Plus- (2) oder Minus-Anschluss (4) und der Phasenanschluss (3) um 180° um die Längsachse des Anschlussfähnchens (6) verdreht angeordnet werden, und dass die so geschaffene Stapelanordnung mit einem Kunststoffgehäuse (12) umspritzt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer der Anschlüsse (2-4) mit einer im Hilfselement (7) vorgesehenen Öffnung in der Fügevorrichtung positioniert wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Plus- (2) oder Minus-Anschluss (4) und der Phasenanschluss (3) identische Teile sind, die um 180° gedreht in die Fügevorrichtung eingelegt werden.