DE19633542A1 - Leistungsmodul - Google Patents

Leistungsmodul

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DE19633542A1
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Takashi Aihara
Yoshihiro Matsumoto
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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Leistungsmodul für einen Stromrichter zur Umwandlung von Gleichstromleistung in Gleichstrom- oder Wechselstromleistung und umgekehrt.
Die Fig. 7(a) und (b) zeigen schematisch in einer Schnittansicht bzw. einer Draufsicht ein Beispiel eines bekannten Leistungsmoduls. Es enthält einen Kühlkörper 11, einen darauf befind­ lichen Isolator 12, auf diesem Leitermuster (Kupfermuster) 13a-13d, Leistungstransistorchips 14a, 14b, die auf den Leitermustern 13a-13d montiert sind, Diodenchips 15a, 15b, ein Gehäuse 18 und Anschlußblöcke 19b-19d. Die Anschlußblöcke 19b-19d sind mit Anschlußflächen des Leitermusters 13a-13d verbunden, die in Fig. 7(b) schraffiert dargestellt und mit P für positive Elektrode, N für negative Elektrode und OUT für Ausgang bezeichnet sind.
Fig. 8 zeigt ein Beispiel eines Gleichstrom/Wechselstrom-Stromrichters, etwa eines Wechselrich­ ters, der Leistungsmodule 1a-1c enthält, die je gemäß Darstellung in Fig. 7 aufgebaut sind, sowie Stromfühler 2a-2c, einen Anschlußblock 3, eine stangenartige Verdrahtung 4a-4e und eine Kühlplatte 5.
Zur Ermittlung des Ausgangsstroms an der Wechselstromseite des oben beschriebenen bekann­ ten Stromrichters sind die Leistungsmodule 1a bis 1c über die stangenartige Verdrahtung 4c-4e mit dem Anschlußblock 3 verbunden, wobei der Ausgangsstrom die Stromfühler 2a-2c passiert.
Fig. 9(a) zeigt ein Beispiel des Leistungsmoduls und Fig. 9(b) ein Beispiel des Stromrichters. Wie in Fig. 9(a) gezeigt, setzt sich das Leistungsmodul aus zwei in Reihe geschalteten Antiparallel­ schaltungen je aus einem Leistungstransistoren T1 (T2), etwa einem IGBT (bipolarer Transistor mit isoliertem Gate), und einer Diode D1 (D2) zusammen. Der Stromrichter von Fig. 9(b) ist eine 3-Phasen-Anordnung mit drei Leistungsmodulen 1a-1c mit insgesamt sechs Sätzen aus Transi­ stor und Diode, um einen Stromrichter, etwa einen Wechselrichter, zu bilden.
Bei dem bekannten Wechselrichter ist der Aufbau zwischen den Anschlußblöcken der Leistungsmodule und dem Anschlußblock des Stromrichters allein dazu vorgesehen, die Ausgangsströme der Leistungsmodule durch die Stromfühler zuführen zu können, was aber zu einem Anstieg von Größe und Kosten des Stromrichters führt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Leistungsmodul zu schaffen, das es erlaubt, die beschriebene Erhöhung von Größe und Kosten eines dieses Modul enthaltenden Stromrichters zu vermeiden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Leistungsmodul mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Zur Lösung der gestellten Aufgabe enthält das Leistungsmodul einen Stromfühler, der mit den anderen Elementen integriert ist, so daß ein Ausgangsanschluß des Leistungsmoduls allgemein unverändert als Ausgangsanschluß eines Stromrichters verwendet werden kann, der in der Lage ist, Gleichstromleistung in Wechselstromleistung umzuwandeln oder umgekehrt. Es besteht daher keine Notwendigkeit, die oben beschriebene stangenartige Verdrahtung vorzusehen, wodurch Größe und Kosten des Stromrichters verringert werden. Der Stromfühler kann aus einem Reihenwiderstand bestehen, der auf einem Kühlkörper des Moduls angeordnet ist, wodurch Größe und Kosten insbesondere des Stromfühlers verringert werden können. Der Reihenwiderstand kann direkt auf einem Isolator der Kühlkörpers des Moduls ausgebildet werden, wodurch Größe und Kosten des Stromfühlers weiter verringert werden. Wenn ein Reihenwiderstand als Stromfühler verwendet wird, kann ein Trennverstärker zur Isolation des Ausgangssignals des Reihenwiderstands eingebaut werden, so daß das Ausgangssignal weniger der Gefahr ausgesetzt ist, von Störungen beeinflußt zu werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der schematischen Zeichnun­ gen näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 den Aufbau eines ersten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung, wobei (a) eine Querschnittsansicht ist und (b) eine Draufsicht ist,
Fig. 2 eine Ansicht des Aufbaus eines Beispiels eines das Modul von Fig. 1 verwendenden Stromrichters,
Fig. 3 den Aufbau eines zweiten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung, wobei (a) eine Schnittansicht ist und (b) eine Draufsicht ist,
Fig. 4 den Aufbau eines dritten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung, wobei (a) eine Schnittansicht ist und (b) eine Draufsicht ist,
Fig. 5 den Aufbau eines speziellen Beispiels des Reihenwiderstands von Fig. 3, wobei (a) eine Schnittansicht ist und (b) eine Draufsicht ist,
Fig. 6 den Aufbau eines gegenüber Fig. 5 modifizierten Beispiels,
Fig. 7 den Aufbau eines bekannten Leistungsmoduls, wobei (a) eine Schnittansicht ist und (b) eine Draufsicht ist,
Fig. 8 den Aufbau eines das Modul von Fig. 7 verwendenden Stromrichters,
Fig. 9(a) ein Schaltbild eines Beispiels des Leistungsmoduls, und
Fig. 9(b) ein Schaltbild eines Beispiels eines Stromrichters.
Fig. 1 zeigt in zwei den Darstellungen der Fig. 7(a) und (b) entsprechenden Darstellungen den Aufbau eines ersten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung. Übereinstimmende Bezugszahlen in den Fig. 1 und 7 bezeichnen gleiche Teile, die nicht noch einmal erläutert werden. Dies gilt ebenso für die nachfolgend beschriebenen Fig. 3 und 4.
Das Leistungsmodul des ersten Ausführungsbeispiels zeichnet sich dadurch aus, daß ein Strom­ fühler 16, der einen Stromdetektor darstellt, vor dem Anschlußblock 19d eingefügt ist derart, daß der Stromfühler 16 ein Ausgangsstrom-Meßsignal an Anschlüsse 19a (CT) liefert.
Fig. 2 zeigt einen dieses Leistungsmodul verwendenden Stromrichter. Im Vergleich mit dem bekannten Stromrichter von Fig. 8 erkennt man, daß bei dem Stromrichter von Fig. 2 die stan­ genartige Verdrahtung 4c-4e und der Anschlußblock 3 entfallen sind.
Fig. 3 zeigt den Aufbau eines zweiten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung. Diese Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, daß ein Reihenwiderstand 16 als Stromfühler verwendet wird. Obwohl der Reihenwiderstand 16, von der Wärme beeinträchtigt wird, die entsteht, wenn ihn große Ströme durchfließen, kann dieses Problem dadurch beseitigt werden, daß der Widerstand 16 auf dem Kühlkörper 11 des Leistungsmoduls angeordnet wird, womit das Wärmeableitvermögen deutlich verbessert wird und damit die Größe des Reihenwiderstands 16 verringert wird.
Fig. 4 zeigt den Aufbau eines dritten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung. Dieses Ausführungsbeispiel zeichnet sich dadurch aus, daß verglichen mit dem zweiten Ausführungs­ beispiel gemäß Fig. 3 ein Trennverstärker 17 hinzugefügt wurde. Allgemein wird der Ausgangs­ strom potential-getrennt erfaßt, und die Ausgangsspannung des Reihenwiderstands ist gewöhn­ lich sehr klein. Wenn dem Leistungsmodul solch ein kleines Signal entnommen wird, um einer Potentialtrennung unterzogen zu werden, besteht die Gefahr, daß das Ausgangssignal auf seinem Weg zur Außenseite des Moduls von Störungen beeinträchtigt wird. Bei der vorliegen­ den Ausführungsform ist daher der Trennverstärker 17 in dem Leistungsmodul enthalten, um den Abstand zu verringern, über den das kleine Signal geleitet werden muß. Da das Signal an dem Punkt, an dem es von dem Modul abgenommen wird, bereits potential-getrennt ist, besteht keine Notwendigkeit, beispielsweise einen bestimmten Isolationsabstand zwischen einem Signalleitermuster und dem Hauptleitermuster einzuhalten.
Fig. 5 zeigt ein spezielles Beispiel des Reihenwiderstands. Mit 161 ist eine Kupferbasis bezeich­ net, mit 162 ein Isolator, mit 163 Elektroden und mit 164 ein Reihenwiderstand. Der Reihen­ widerstand 164 ist unter Zwischenlage des Isolators 162 auf der Kupferbasis 161 montiert, um die Wärmeableitung des Reihenwiderstands 164 zu verbessern. Bei der Montage dieser Bauein­ heit am dem Leistungsmodul wird die Kupferbasis 161 mit den Leitermustern (Kupfermustern) 13c, 13d verlötet. Das Beispiel von Fig. 5 ist in der beschriebenen Weise aufgebaut, weil der aus einem Dünnfilm bestehende Reihenwiderstand in isolierter Form auf der Kupferbasis ausge­ bildet werden muß. Wenn die oben beschriebene Reihenwiderstands-Baueinheit an dem Leistungsmodul montiert ist, sind jedoch die zwei unter dem Reihenwiderstand 16 angeordneten Isolatoren redundant. Der Reihenwiderstand 164 kann daher gemäß Darstellung in Fig. 6 direkt auf dem Isolator 12 des Leistungsmoduls ausgebildet werden, wodurch die Kupferbasis 161 und der Isolator 162 von Fig. 5 entfallen können, während die mechanische Festigkeit erhöht wird. Als Ergebnis können die Größe sowie die Kosten weiter reduziert werden, da der thermi­ sche Widerstand hin zum Kühlkörper 11 gesenkt ist.
Während das voranstehend beschriebene Leistungsmodul zwei Sätze von Transistor und Diode aufweist, ist die vorliegende Erfindung gleichermaßen anwendbar auf ein Leistungsmodul mit sechs Sätzen von Transistor und Diode (entsprechend einem Satz von Leistungsmodulen 1a, 1b, 1c wie in den Fig. 2 und 8 gezeigt). Bei dem Leistungstransistor kann es sich um einen bipola­ ren Transistor oder eine unipolare Halbleitervorrichtung wie etwa einen MOSFET handeln. Der beschriebene Stromrichter kann ein Leistungsgleichrichter mit einem pulsbreitenmodulierten Stromrichter oder ein Leistungswechselrichter sein.

Claims (5)

1. Leistungsmodul, bei eine Leistungs-Halbleitervorrichtung (14a, 14b, 15a, 15b), ein Stromfühler (16) zur Messung eines die Leistungs-Halbleitervorrichtung durchfließenden Stroms und ein Anschlußblock (19d), der als Ausgangsanschluß einer die Leistungs-Halbleitervorrich­ tung verwendenden Vorrichtung verwendbar ist, als eine Einheit ausgebildet sind.
2. Leistungsmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein auf einem Kühl­ körper (161; 11) angeordneter Reihenwiderstand (164) den Stromfühler darstellt.
3. Leistungsmodul nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß es einen Trennver­ stärker (17) zur Isolation der Ausgangsspannung des Reihenwiderstands (16) enthält.
4. Leistungsmodul nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Reihen­ widerstand (164) direkt über einen Isolator (12) auf einem Kühlkörper (11) des Stromrichters ausgebildet ist.
5. Verwendung des Leistungsmoduls nach einem der Ansprüche 1 bis 4 als Bestandteil eines Stromrichters zur Umsetzung von Gleichstrom in Wechselstrom veränderbarer Spannung und/oder veränderbarer Frequenz und umgekehrt.
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