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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Halbleitermodul mit einer Anzahl von Anschlüssen, umfassend eine Anzahl von Leistungshalbleiterschaltern mit unidirektionaler Durchflussrichtung für einen Strom, Dioden und Kapazitäten. Weiterhin betrifft die Erfindung einen Wandler mit einem solchen Halbleitermodul.
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In leistungselektronischen Geräten mit Wandlern zur Wandlung einer Eingangsgröße in eine andere Ausgangsgröße, das heißt, von Wechselstrom in Gleichstrom (AC/DC), von Gleichstrom in Wechselstrom (DC/AC), oder von einem Gleichstrom mit einer bestimmten Stärke und Spannung in einen Gleichstrom mit einer anderen Stärke und Spannung (DC/DC) werden Leistungshalbleiterschalter und Dioden eingesetzt, um durch einen gezielt beeinflussten Stromfluss in Pfaden des Wandlers die erwünschte Art der Wandlung zu erreichen. Hierzu sind dem Fachmann viele verschiedene Schaltungstopologien bekannt.
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Die dabei zur Anwendung kommenden Leistungshalbleiterschalter, wie beispielsweise Bipolartransistoren, Isolated-Gate-Bipolar-Transistoren (IGBT) oder Gate-Turn-Off-Thyristoren (GTO), weisen üblicherweise eine unidirektionale Durchflussrichtung zwischen den Leistungselektroden, die den zu schaltenden Strom führen, auf. Auch Leistungshalbleiterschalter, die prinzipiell einen Stromfluss in beide Richtungen ermöglichen würden, wie beispielsweise MOS-FETs, werden in Wandlern in leistungselektronischen Geräten üblicherweise mit unidirektionaler Durchflussrichtung eingesetzt. Gegebenenfalls werden zu diesem Zweck dem Leistungshalbleiterschalter Dioden mit einer der unidirektionalen Durchflussrichtung entsprechenden Durchlassrichtung in Serie geschaltet.
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Bei Kommutierungsvorgängen zwischen den Pfaden des Wandlers ist im Hinblick auf schnelle Schaltvorgänge eine niederinduktive Verbindung der Pfade untereinander vorteilhaft. Dazu ist es bekannt, die Leistungshalbleiterschalter und Dioden eines Wandlers innerhalb eines Halbleitermoduls unter Verwendung kurzer und niederinduktiver Verbindungsleitungen zu integrieren. Auch im Hinblick auf die Kühlung dieser Bauteile bietet die Integration von Leistungshalbleiterschaltern und Dioden in einem Halbleitermodul Vorteile. Darüber hinaus ergibt sich der Vorteil einer effizienteren Fertigung und kompakterer Bauformen, wenn nicht mehr jeder Halbleiter auf einem eigenen Substrat gefertigt und mit einem eigenen Gehäuse versehen werden muss; insbesondere können auch zwischen den Anschlüssen des Halbleitermoduls die Bauteile und deren Verschaltung untereinander mehrfach parallel angeordnet werden, wodurch sich eine Stromaufteilung auf die parallelen Strukturen und damit eine geringe Strombelastung einzelner Halbleiterbauelemente ergibt.
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Um Schaltverluste bei Leistungshalbleiterschaltern von Wandlern in leistungselektronischen Geräten zu verringern, ist es bekannt, Entlastungsnetzwerke mit Kapazitäten einzusetzen, die bewirken, dass bei einem Ein- bzw. Ausschalten des Leistungshalbleiterschalters entweder keine Spannung zwischen den Leistungselektroden anliegt (Zero Voltage Switching – ZVS) oder kein Strom zwischen den Leistungselektroden fließt (Zero Current Switching – ZCS). Hierzu sind dem Fachmann viele verschiedene Schaltungen für Entlastungsnetzwerke bekannt. Entlastungsnetzwerke dienen auch dazu, Stromanstiegsgeschwindigkeiten und dadurch entstehende Überspannungen bei Schaltvorgängen zu reduzieren. Ferner wird durch einige Entlastungsnetzwerke auch der Entstehung von Schwingungen bei Schaltvorgängen entgegengewirkt und damit das EMV-Verhalten (Elektromagnetische Verträglichkeit) verbessert.
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Kritisch ist bei der Verwendung von Entlastungsnetzwerken die während des Kommutierungsvorgangs von den Pfaden des Wandlers auf das Entlastungsnetzwerk auftretende Stromänderung, die bei schnellen Schaltvorgängen zu kurzzeitig auftretenden Überspannungen führt. Hierbei kann eine Integration des Entlastungsnetzwerks in das Halbleitermodul vorteilhaft sein, da durch die niederinduktive Anbindung der Kommutierungspfade die Überspannung, die zur Zerstörung des zu entlastenden Leistungshalbleiterschalters führen kann, verringert wird.
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Es ist beispielsweise aus den Druckschriften
DE 10 2009 030 965 A1 ,
US 6060795 oder
WO 200139357 A1 bekannt, ein Entlastungsnetzwerk in ein Halbleitermodul zu integrieren. Bei den in diesen Druckschriften beschriebenen Entlastungsnetzwerken liegt in dem Moment, in dem der zu entlastende Halbleiterschalter geöffnet wird, eine Spannung in einer Höhe an, wie sie auch an dem zu entlastenden Halbleiterschalter anliegt, d. h. beispielsweise eine Zwischenkreisspannung an einem Eingang bzw. Ausgang eines Wandlers, in dem ein solches Halbleitermodul verwendet wird. Die während des Kommutierungsvorgangs von einem Strompfad durch den Halbleiterschalter auf das Entlastungsnetzwerk auftretende kurzzeitige Überspannung addiert sich dann zu der bereits anliegenden Spannung und kann dadurch eine Höhe erreichen, die zu einer Zerstörung des zu entlastenden Halbleiterschalters führt. Für schnell schaltende Leistungshalbleiterschalter, die große Ströme führen, sind die in den Druckschriften
DE 10 2009 030 965 A1 ,
US 6060795 und
WO 00139357 A1 beschriebenen Entlastungsnetzwerke daher, aufgrund einer großen Stromänderung dl/dt während des Kommutierungsvorgangs, trotz der durch die Integration bewirkten niederinduktiven Anbindung des Entlastungsnetzwerks nicht geeignet. Eine Integration eines solchen Entlastungsnetzwerks in einem Halbleitermodul ist somit für diesen Anwendungsfall aus Sicht eines Fachmanns nicht effizient.
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Aus der Druckschrift
DE 10 2010 008 426 B4 ist eine Schaltung für einen DC/AC-Wandler mit Entlastungsnetzwerken für Brückenschalter des Wandlers bekannt. Diese Entlassungsnetzwerke umfassen einen Ladepfade und einen Entladepfad für einen Kondensator über jeweils eine Diode, wobei der Kondensator bei geschlossenem Brückenschalter über eine Speicherdrossel aus einem Teil eines geteilten Eingangszwischenkreises aufgeladen wird und nach einem Öffnen des Brückenschalters in den anderen Teil des geteilten Eingangszwischenkreises entladen wird. In dem Moment, in dem der zu entlastende Brückenschalter geöffnet wird, liegt an dem Kondensator eine der Zwischenkreisspannung entgegengesetzte Spannung an, so dass die an dem zu entlastenden Brückenschalter anliegende Spannung null ist. Eine während des Kommutierungsvorgangs von einem Strompfad durch den Brückenschalter auf das Entlastungsnetzwerk auftretende kurzzeitige Überspannung ist somit nicht durch eine bereits anliegende Spannung erhöht.
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Aus der nachveröffentlichten Anmeldeschrift
DE 10 2013 108 079 ist eine Schaltung für einen DC/DC-Wandler bekannt, bei der ein Entlastungsnetzwerk für einen Halbleiterschalter einen Ladepfade und einen Entladepfad für einen Kondensator über jeweils eine Diode umfasst, wobei der Kondensator bei geschlossenem Halbleiterschalter über eine Speicherdrossel aus einem Teil eines geteilten Ausgangszwischenkreises aufgeladen wird und nach einem Öffnen des Halbleiterschalters in den Ausgangszwischenkreis entladen wird. Auch hier liegt in dem Moment, in dem der zu entlastende Halbleiterschalter geöffnet wird, an dem Kondensator eine der Zwischenkreisspannung entgegengesetzte Spannung an, so dass eine während des Kommutierungsvorgangs von einem Strompfad durch den Halbleiterschalter auf das Entlastungsnetzwerk auftretende kurzzeitige Überspannung sich nicht zu einer bereits am Halbleiterschalter anliegenden Spannung addiert.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Halbleitermodul und einen Wandler mit einem solchen Halbleitermodul bereitzustellen, das bei Verwendung schnell schaltender Leistungshalbleiterschalter für große Ströme geringe Schaltverluste aufweist.
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Diese Aufgabe wird durch ein Halbleitermodul mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 bzw. durch einen Wandler mit einem solchen Halbleitermodul gemäß Anspruch 13 gelöst. Die abhängigen Ansprüche betreffen weitere Ausführungsformen der Erfindung.
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Das erfindungsgemäße Halbleitermodul weist eine Anzahl von Anschlüssen auf und umfasst eine Anzahl von Leistungshalbleiterschaltern mit unidirektionaler Durchflussrichtung für einen Strom, Dioden und Kapazitäten. Eine erste Leistungselektrode eines ersten Leistungshalbleiterschalters ist mit einem ersten Anschluss, eine zweite Leistungselektrode des ersten Leistungshalbleiterschalters ist mit einem zweiten Anschluss und eine Steuerelektrode des ersten Leistungshalbleiterschalters ist mit einem dritten Anschluss des Halbleitermoduls verbunden. Weiterhin ist der erste Anschluss über eine erste Diode mit einem vierten Anschluss verbunden, wobei bezogen auf eine Stromflussrichtung von dem ersten Anschluss zu dem zweiten Anschluss und dem vierten Anschluss die Durchlassrichtung der ersten Diode gleich der Durchflussrichtung des ersten Leistungshalbleiterschalters ist. Eine solche Verschaltung des ersten Leistungshalbleiterschalters und der ersten Diode ermöglicht beispielsweise die Verwendung des Halbleitermoduls in einem konventionellen Hochsetzsteller oder Tiefsetzsteller.
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Erfindungsgemäß ist nun in dem Halbleitermodul eine erste Kapazität integriert, die auf ihrer einen Seite mit dem ersten Anschluss und auf ihrer anderen Seite über eine zweite Diode mit dem vierten Anschluss verbunden ist, wobei die erste Diode und die zweite Diode über einen gleichen Elektrodentyp, das heißt entweder beide mit ihrer Anode oder beide mit ihrer Kathode, mit dem vierten Anschluss verbunden sind. Eine solche Anordnung der ersten Kapazität und der zweiten Diode kann dann beispielsweise in dem Hochsetzsteller als Entladepfad eines Entlastungsnetzwerks verwendet werden, bei dem die aufgeladene erste Kapazität in dem Moment, in dem der erste Leistungshalbleiterschalter geöffnet wird, eine entgegengerichte Spannung zu einer von außen zwischen dem vierten und dem zweiten Anschluss anliegenden Spannung aufweist.
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Um weiterhin auch einen Ladepfad für das Entlastungsnetzwerk bereitzustellen, ist ein erster Verbindungspunkt zwischen der ersten Kapazität und der zweiten Diode über eine dritte Diode mit einem fünften Anschluss verbunden, wobei bezogen auf eine Stromflussrichtung von der ersten Kapazität über den ersten Verbindungspunkt zu dem vierten Anschluss und dem fünften Anschluss die dritte Diode eine zur zweiten Diode entgegengesetzte Durchlassrichtung aufweist. Über eine von außen an den fünften Anschluss angeschlossene Speicherdrossel kann damit beispielsweise ein Laden der ersten Kapazität aus einem Teil eines zwischen dem vierten und dem zweiten Anschluss von außen an das Halbleitermodul angeschlossenen geteilten Spannungszwischenkreises erfolgen.
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Da beim Laden der ersten Kapazität keine schnellen Kommutierungsvorgänge stattfinden, ist eine niederinduktive Anbindung und somit eine Integration in das Halbleitermodul für den Ladepfad nicht unbedingt erforderlich. Der erste Verbindungspunkt zwischen der ersten Kapazität und der zweiten Diode kann daher auch direkt mit dem fünften Anschluss verbunden sein, wobei dann eine Diode, mit entsprechender Ausrichtung wie zuvor für die dritte Diode beschrieben, außerhalb des Halbleitermoduls zwischen dem fünften Anschluss und der Speicherdrossel angeordnet werden kann, um einen Ladepfad für die erste Kapazität zu realisieren.
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Ebenso ist es möglich, dass der erste Verbindungspunkt zwischen der ersten Kapazität und der zweiten Diode sowohl über die dritte Diode mit dem fünften Anschluss als auch parallel direkt mit einem weiteren Anschluss verbunden ist.
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Durch die aufgrund der Integration mögliche niederinduktive Ausführung der Verbindungen innerhalb des Halbleitermoduls wird erreicht, dass auch schnell schaltende Leistungshalbleiterschalter bei großen Strömen Verwendung in dem Halbleitermodul finden können. Durch ein Entlastungsnetzwerk, das aus der integrierten ersten Kapazität sowie der zweiten und dritten Diode in Verbindung mit weiteren Komponenten außerhalb des Halbleitermoduls gebildet werden kann, ist ferner gewährleistet, dass Schaltverluste für den ersten Halbleiterschalter reduziert werden. Insbesondere gewährleistet dabei die erfindungsgemäße Verschaltung der ersten Kapazität sowie der zweiten und dritten Diode innerhalb des Halbleitermoduls, dass im Gegensatz zu anderen Entlastungsnetzwerken deutlich geringere Überspannungen bei der Kommutierung eines Stroms durch den ersten Leistungshalbleiterschalter auf das Entlastungsnetzwerk auftreten, so dass eine Integration trotz der bei schnellen Schaltvorgängen und großen Strömen auftretenden großen Stromanstiegsgeschwindigkeit dI/dt im Gegensatz zu anderen Entlastungsnetzwerken hier vorteilhaft möglich ist.
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In einer weiteren Ausgestaltung des Halbleitermoduls ist zwischen dem ersten Anschluss und den zweiten Anschluss eine vierte Diode angeschlossen, deren Durchlassrichtung der Durchflussrichtung des ersten Leistungshalbleiterschalters entgegengesetzt ist, d. h. die vierte Diode ist antiparallel zu dem ersten Leistungshalbleiterschalter geschaltet. Eine solche antiparallele Anordnung einer Diode zu einem Halbleiterschalter mit unidirektionaler Durchflussrichtung ist in Wandlern häufig zu finden. Die Diode dient dabei beispielsweise zur Bereitstellung eines Freilaufpfades für einen Strom.
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In einer noch weiteren Ausgestaltung des Halbleitermoduls ist eine erste Leistungselektrode eines zweiten Leistungshalbleiterschalters mit dem ersten Anschluss, eine zweite Leistungselektrode des zweiten Leistungshalbleiterschalters mit dem vierten Anschluss und eine Steuerelektrode des zweiten Leistungshalbleiterschalters mit einem sechsten Anschluss verbunden, wobei die Durchflussrichtung des zweiten Leistungshalbleiterschalters der Durchlassrichtung der ersten Diode entgegengesetzt ist, d. h. die erste Diode ist antiparallel zu dem zweiten Leistungshalbleiterschalter geschaltet.
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Ein Halbleitermodul mit sowohl der vierten Diode als auch dem zweiten Leistungshalbleiterschalter beinhaltet dann zwischen seinen Anschlüssen eine Schaltungsanordnung, die sowohl zur Realisierung von bidirektionalen DC/DC-Wandlern als auch als Halbbrückenschaltung in DC/AC-Wandlern oder AC/DC-Wandlern eine Anwendung finden kann, wobei es in dieser Ausführungsform nur möglich ist ein Entlastungsnetzwerk für den ersten Leistungshalbleiterschalter zu bilden.
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Um nun auch für den zweiten Leistungshalbleiterschalter ein Entlastungsnetzwerk bereitstellen zu können, ist in einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Halbleitermoduls, das sowohl die vierte Diode als auch den zweiten Leistungshalbleiterschalter aufweist, eine zweite Kapazität auf ihrer einen Seite mit dem ersten Anschluss und auf ihrer anderen Seite über eine fünfte Diode mit dem zweiten Anschluss verbunden, wobei die vierte Diode und die fünfte Diode über den gleichen Elektrodentyp, das heißt entweder beide mit ihrer Anode oder beide mit ihrer Kathode, mit dem zweiten Anschluss verbunden sind. Weiterhin ist bei dieser Ausführungsform ein zweiter Verbindungspunkt zwischen der zweiten Kapazität und der fünften Diode direkt oder über eine sechste Diode mit einem siebten Anschluss verbunden, wobei bezogen auf eine Stromflussrichtung von der zweiten Kapazität über den zweiten Verbindungspunkt zu dem zweiten Anschluss und dem siebten Anschluss die sechste Diode eine zur fünften Diode entgegengesetzte Durchlassrichtung aufweist.
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Für Wandler, bei denen die erste Kapazität und die zweite Kapazität nicht gleichzeitig geladen werden, ist eine einzelne Speichdrossel für die Ladepfade der Entlastungsnetzwerke ausreichend. Daher können in einer weiteren Ausführungsform, insbesondere wenn die dritte Diode und die sechste Diode in dem Halbleitermodul integriert sind, der fünfte Anschluss und der siebte Anschluss einen gemeinsamen Anschluss bilden.
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Um auch neutralpunktgeklemmte mehrpegelige DC/AC-Wandler vom Typ BSNPC (Bidirectional Switch Neutral Point Clamped) mit dem erfindungsgemäßen Halbleitermodul realisieren zu können, sind in einer weiteren Ausgestaltung der erste Anschluss und ein achter Anschluss über eine Halbleiterschaltungsanordnung mit einer bidirektionalen Durchflussrichtung für einen Strom verbunden, deren Steuerelektroden mit einem neunten und einem zehnten Anschluss verbunden sind. Insbesondere, wenn auch die Treiberschaltungen in das Modul integriert sind, können auch alle Steuerelektroden der Halbleiterschaltungsanordnung mit einem einzelnen neunten oder einem zehnten Anschluss verbunden sein.
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Für Wandler, bei denen die erste Kapazität und die zweite Kapazität nicht gleichzeitig geladen werden, und somit eine einzelne Speichdrossel für die Ladepfade der Entlastungsnetzwerke ausreichend ist, können in einer weiteren Ausführungsform, insbesondere wenn die dritte Diode und die sechste Diode in dem Halbleitermodul integriert sind, der fünfte Anschluss, der siebte Anschluss und der achte Anschluss auch einen gemeinsamen Anschluss bilden.
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Aus den für Halbleiterschaltungsanordnungen mit bidirektionaler Durchflussrichtung bereits bekannten Ausführungsformen ergibt sich als eine spezielle Ausführungsform für das erfindungsgemäße Halbleitermodul, dass die Halbleiterschaltungsanordnung zwei Leistungshalbleiterschalter mit unidirektionaler Durchflussrichtung aufweist.
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Um die Strombelastung der Leistungshalbleiterschalter, Dioden und Kapazitäten in dem Halbleitermodul zu reduzieren, sind in einer Ausführungsform die Leistungshalbleiterschalter, Dioden und Kapazitäten sowie deren Verschaltung untereinander zweifach parallel zwischen den Anschlüssen angeordnet. Gegenüber einem Halbleitermodul, bei dem ein Entlastungsnetzwerk vollständig außerhalb des Halbleitermoduls angeordnet ist, ergibt sich dabei der Vorteil, dass die reduzierte Strombelastung so auch für Komponenten des Entlastungsnetzwerks realisiert werden kann. Insbesondere ist diese Ausführungsform jedoch äußerst vorteilhaft, weil im Allgemeinen schnell schaltende Schaltungsanordnungen ohne zusätzliches Entlastungsnetzwerk nicht gut symmetriert werden können. Daher wurden schnell schaltende Schaltungsanordnungen bisher auch nicht in Modulen mit großem Gesamtstrom in einer Parallelschaltungsanordnung verwendet.
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Für die praktische Realisierung des Halbleitermoduls selbst ergeben sich auch verschiedene Ausführungsformen. So können beispielsweise die Leistungshalbleiterschalter, Dioden und Kapazitäten auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet sein. Ebenso kann eine Ausführungsform darin bestehen, dass die Leistungshalbleiterschalter, Dioden und Kapazitäten auf einem keramischen Substrat angeordnet sind. Eine mögliche Ausführungsform ist beispielsweise eine Realisierung in Direct Copper Bonding Technologie (DCB).
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Für einen Wandler mit einem erfindungsgemäßen Halbleitermodul ergeben sich ebenfalls vielfältige verschiedene Ausführungsformen. Einige Beispiele wurden zuvor schon im Zusammenhang mit der Beschreibung der verschiedenen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Halbleitermoduls erläutert. Dabei wurde auch erläutert, welche zusätzlichen Schaltungsanordnungen hierbei noch außerhalb an das Modul angeschlossen werden.
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Die Begriffe „verbunden“ bzw. „Verbindung“ bedeuten im Rahmen der vorliegenden Beschreibung und in den Ansprüchen, dass die Verbindung immer als direkte Verbindung zu verstehen ist, sofern nicht ausdrücklich gesagt ist, dass sie über ein Bauteil, beispielsweise über eine Diode oder über eine Kapazität ausgeführt ist. Bauteile oder Anschlüsse sind im Fall einer direkten Verbindung beispielsweise über einen Draht oder eine Leiterbahn derart verbunden, dass permanent eine gute elektrische Leitfähigkeit mit in der Praxis vernachlässigbaren Leitungsverlusten sowie eine bidirektionale Stromflussrichtung für die Verbindung gegeben ist.
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Hinsichtlich einer im Zusammenhang mit Merkmalen in den Ansprüchen und der Beschreibung genannten Anzahl ist diese immer so zu verstehen, dass mindestens diese Anzahl vorhanden ist. Das soll die Verwendung des Begriffs „mindestens“ zum Zwecke einer zusätzlichen Betonung dieses Sachverhalts jedoch nicht grundsätzlich ausschließen.
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Ferner stellen die in den Ansprüchen enthaltenen Bezugszeichen keine Beschränkung auf eine bestimmte Ausführungsform dar, sondern dienen lediglich einem besseren Verständnis beim Lesen der Ansprüche.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Verwendung von zehn Figuren näher beschrieben.
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1 zeigt ein Schaltbild eines Halbleitermoduls nach dem Stand der Technik,
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2 zeigt ein Schaltbild eines erfindungsgemäßen Halbleitermoduls in einer in verschiedenen Wandlertypen verwendbaren Ausführungsform,
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3 zeigt ein Schaltbild eines erfindungsgemäßen Halbleitermoduls in einer Ausführungsform zur Verwendung in einem DC/AC-Wandler vom Typ BSNPC,
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4 zeigt ein Schaltbild eines erfindungsgemäßen Halbleitermoduls in einer weiteren Ausführungsform zur Verwendung in einem DC/AC-Wandler vom Typ BSNPC,
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5 zeigt ein Schaltbild eines erfindungsgemäßen Halbleitermoduls in einer zur Verwendung in einem unidirektionalen DC/DC-Wandler geeigneten Ausführungsform,
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6 zeigt ein Schaltbild eines erfindungsgemäßen Halbleitermoduls in einer weiteren zur Verwendung in einem unidirektionalen DC/DC-Wandler geeigneten Ausführungsform,
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7 zeigt einen DC/DC-Wandler mit einem erfindungsgemäßen Halbleitermodul,
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8 zeigt einen DC/AC-Wandler mit einem erfindungsgemäßen Halbleitermodul,
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9 zeigt ein Layout für ein erfindungsgemäßes Halbleitermodul mit Parallelanordnung von Schaltungsstrukturen des Halbleitermoduls zur Verwendung in einem unidirektionalen DC/DC-Wandler, und
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10 zeigt ein Layout für ein erfindungsgemäßes Halbleitermodul mit Parallelanordnung von Schaltungsstrukturen des Halbleitermoduls zur Verwendung in verschiedenen Wandlertypen.
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In 1 ist ein Schaltbild eines Halbleitermoduls 1 nach dem Stand der Technik dargestellt. Ein erster Leistungshalbleiterschalter 31 mit unidirektionaler Durchflussrichtung für einen Strom, hier bespielhaft ein IGBT, ist mit seinen Leistungselektroden 41, 42, die den zu schaltenden Strom führen, mit einem ersten Anschluss 21 und einem zweiten Anschluss 22 des Halbleitermoduls 1 verbunden und mit seiner Steuerelektrode 43 mit einem dritten Anschluss 23 des Halbleitermoduls. Dem ersten Leistungshalbleiterschalter 31 ist eine vierte Diode 54 mit einer der Durchflussrichtung des ersten Leistungshalbleiterschalters 31 entgegengesetzten Durchlassrichtung parallel geschaltet. Bei dem dargestellten Halbleitermodul 1 nach dem Stand der Technik ist weiterhin ein zweiter Leistungshalbleiterschalter 32 mit unidirektionaler Durchflussrichtung für den Strom, hier bespielhaft ebenfalls ein IGBT, mit seinen Leistungselektroden 44, 45, die den zu schaltenden Strom führen, mit einem vierten Anschluss 24 und dem ersten Anschluss 21 des Halbleitermoduls 1 verbunden und mit seiner Steuerelektrode 46 mit einem sechsten Anschluss 26 des Halbleitermoduls verbunden. Dem zweiten Leistungshalbleiterschalter 32 ist eine erste Diode 51 mit einer der Durchflussrichtung des zweiten Leistungshalbleiterschalters 32 entgegengesetzten Durchlassrichtung parallel geschaltet. Bei der in 1 dargestellten Verschaltung der Bauteile innerhalb des Moduls ist ferner zu erkennen, dass bezogen auf eine Stromflussrichtung von dem vierten Anschluss 24 über den ersten Anschluss 21 zu dem zweiten Anschluss 22 des Halbleitermoduls der zweite Leistungshalbleiterschalter 32 die gleiche Durchflussrichtung aufweist, wie der erste Leistungshalbleiterschalter 31.
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Die in 1 dargestellte Verschaltung der Bauteile ist dem Fachmann als sogenannte Halbbrückenschaltung 3 bekannt, die im dargestellten Fall in das Halbleitermodul 1 integriert ist. Eine solche Halbbrückenschaltung 3 stellt eine grundlegendende Schaltungsstruktur zur Realisierung von verschiedenen DC/AC-Wandlern bzw. AC/DC-Wandlern dar. Ferner lassen sich mit einer solchen Halbbrückenschaltung bidirektionale DC/DC-Wandler realisieren, und zwar sowohl als Hochsetzsteller als auch als Tiefsetzsteller. Die entsprechenden Schaltungstopologien für verschiedene Wandlertypen, die solche Halbbrückenschaltungen 3 aufweisen, sind dem Fachmann bekannt. Aufgrund der vielseitigen Verwendungsmöglichkeiten des Halbleitermoduls 1 gemäß 1 werden solche Halbleitermodule daher von führenden Leistungshalbleiterherstellern als Serienprodukt gefertigt.
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In 2 ist ein Schaltbild für ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Halbleitermoduls 1 dargestellt. In diesem Halbleitermodul 1 findet sich auch wieder die aus 1 bekannte Halbbrückenschaltung 3, zusätzlich sind in dem Halbleitermodul 1 weitere Bauteile integriert, mit denen Entlastungsnetzwerke für den ersten Leistungshalbleiterschalter 31 und den zweiten Leistungshalbleiterschalter 32 realisiert werden können.
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Konkret ist ein Entladepfad eines Entlastungsnetzwerks für den ersten Leistungshalbleiterschalter 31 vorhanden, der aus einer Serienschaltung einer ersten Kapazität 61, hier als Kondensator 65 ausgeführt, mit einer zweiten Diode 52 realisiert ist, wobei die Serienschaltung der ersten Kapazität 61 mit der zweiten Diode 52 zu dem zweiten Leistungshalbleiterschalter 32 bzw. zu der ersten Diode 51 derart parallel geschaltet ist, dass die erste Diode 51 und die zweite Diode 52 beide über einen gleichen Elektrodentyp, im vorliegenden Fall über eine Kathode, mit dem vierten Anschluss 24 verbunden sind. Um einen Ladepfad für das Entlastungsnetzwerk für den ersten Leistungshalbleiterschalter 31 bereitstellen zu können, ist ein erster Verbindungspunkt 71 zwischen der ersten Kapazität 61 und der zweiten Diode 52 mit einem fünften Anschluss 25 verbunden.
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Weiterhin ist in dem Halbleitermodul 1 in 2 ein Entladepfad eines Entlastungsnetzwerks für den zweiten Leistungshalbleiterschalter 32 vorhanden, der aus einer Serienschaltung einer zweiten Kapazität 62, hier ebenfalls als Kondensator 65 ausgeführt, mit einer fünften Diode 55 realisiert ist. Dabei ist die Serienschaltung der zweiten Kapazität 62 mit der fünften Diode 55 zu dem ersten Leistungshalbleiterschalter 31 bzw. zu der vierten Diode 54 derart parallel geschaltet, dass die vierte Diode 54 und die fünfte Diode 55 beide über einen gleichen Elektrodentyp, im vorliegenden Fall über eine Anode, mit dem zweiten Anschluss 22 verbunden sind. Um einen Ladepfad für das Entlastungsnetzwerk für den zweiten Leistungshalbleiterschalter 32 bereitstellen zu können, ist ein zweiter Verbindungspunkt 72 zwischen der zweiten Kapazität 62 und der fünften Diode 55 mit einem siebten Anschluss 27 verbunden.
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Die Bauteile für das Entlastungsnetzwerk für den ersten Leistungshalbleiterschalter 31 sind also zu dem zweiten Leistungshalbleiterschalter 32 parallel geschaltet, und umgekehrt sind die Bauteile für das Entlastungsnetzwerk für den zweiten Leistungshalbleiterschalter 32 zu dem ersten Leistungshalbleiterschalter 31 parallel geschaltet.
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Das erfindungsgemäße Halbleitermodul 1 gemäß dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel kann ebenso vielseitig in verschiedenen Wandlertypen Verwendung finden, wie das Halbleitermodul nach dem Stand der Technik in 1, da es ebenfalls eine Halbbrückenschaltung 3 umfasst. Jedoch ist im Gegensatz dazu bei dem erfindungsgemäßen Halbleitermodul 1 gemäß 2 eine Verwendung in Verbindung mit schnell schaltenden Leistungshalbleiterschaltern und großen Strömen bei gleichzeitig geringen Schaltverlusten der Leistungshalbleiterschalter möglich.
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Bei einer speziellen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Halbleitermoduls 1, dessen Schaltbild in 3 dargestellt ist, ist zusätzlich zu der in 2 dargestellten Verschaltung der Bauteile der erste Anschluss 21 über eine Halbleiterschaltungsanordnung 2 mit bidirektionaler Durchflussrichtung für einen Strom mit einem achten Anschluss 28 verbunden. Eine solche Halbleiterschaltungsanordnung 2 mit bidirektionaler Durchflussrichtung kann durch zwei Leistungshalbleiterschalter 33, 34 mit unidirektionaler Durchflussrichtung gebildet sein. Hierzu mögliche Schaltungsvarianten sind dem Fachmann grundsätzlich bekannt. Beispielsweise umfasst die Halbleiterschaltungsanordnung 2 mit bidirektionaler Durchflussrichtung in 3 eine Serienschaltung des dritten Leistungshalbleiterschalters 33 mit einer antiparallel geschalteten siebten Diode 57 und des vierten Leistungshalbleiterschalters 34 mit einer antiparallel geschalteten achten Diode 58, wobei die Durchflussrichtungen für den dritten Leistungshalbleiterschalter 33 und den vierten Leistungshalbleiterschalter 34 entgegengesetzt sind. Dabei sind hier die Kathoden der siebten Diode 57 und der achten Diode 58 miteinander verbunden. Ebensogut können aber auch die Anoden der siebten Diode 57 und der achten Diode 58 miteinander verbunden sein, wobei dann die Durchflussrichtungen des dritten Leistungshalbleiterschalters 33 und des vierten Leistungshalbleiterschalters 34 gegenüber der in 3 gezeigten Anordnung jeweils umgekehrt sein müssen. Die Steuerelektroden 47, 48 des dritten Leistungshalbleiterschalters 33 und des vierten Leistungshalbleiterschalters 34 sind mit einem neunten Anschluss 29 und einem zehnten Anschluss 30 verbunden. Ein erfindungsgemäßes Halbleitermodul 1 gemäß der Darstellung in 3 kann eine Verwendung in einem DC/AC-Wandler vom Typ BSNPC finden.
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Eine weitere spezielle Ausführungsform, die ebenfalls eine Verwendung in einem DC/AC-Wandler vom Typ BSNPC finden kann, ist in dem Schaltbild in 4 dargestellt. Hier ist die zwischen dem ersten Anschluss 21 und dem achten Anschluss 28 angeordnete Halbleiterschaltungsanordnung 2 mit bidirektionaler Durchflussrichtung durch eine Serienschaltung aus dem dritten Leistungshalbleiterschalter 33 und der siebten Diode 57 mit gleicher Durchlassrichtung wie die Durchflussrichtung des dritten Leistungshalbleiterschalters 33 realisiert, der eine Serienschaltung aus dem vierten Leistungshalbleiterschalter 34 und der achten Diode 58 mit gleicher Durchlassrichtung wie die Durchflussrichtung des vierten Leistungshalbleiterschalters 34 parallel geschaltet ist, wobei die Durchflussrichtungen für den dritten Leistungshalbleiterschalter 33 und den vierten Leistungshalbleiterschalter 34 entgegengesetzt sind. Bei Verwendung von beispielsweise rückwärtssperrenden IGBTs für den dritten Leistungshalbleiterschalter 33 und den vierten Leistungshalbleiterschalter 34 können die siebte Diode 57 und die achte Diode 58 auch entfallen.
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Weiterhin ist in dem Ausführungsbespiel in 4 der erste Verbindungspunkt 71 nicht direkt, sondern über eine dritte Diode 53 mit dem fünften Anschluss 25 verbunden. Ebenso ist der zweite Verbindungspunkt 72 nicht direkt, sondern über eine sechste Diode 56 mit dem siebten Anschluss 27 verbunden. Darüber hinaus bilden in dem Ausführungsbespiel in 4 der fünfte Anschluss 25, der siebte Anschluss 27 und der achte Anschluss 28 einen gemeinsamen Anschluss.
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In 5 ist ein Schaltbild einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Halbleitermoduls 1 dargestellt, das auf die mindestens vorhandenen Merkmale reduziert ist. Hier ist zwischen dem ersten Anschluss 21, dem zweiten Anschluss 22, dem dritten Anschluss 23, dem vierten Anschluss 24 und dem fünften Anschluss 25 lediglich eine Verschaltung des ersten Leistungshalbleiterschalters 31, der ersten Diode 51, der ersten Kapazität 61 und der zweiten Diode 52 in der gleichen Art und Weise gegeben wie in 2. Ein solches Halbleitermoduls 1 gemäß 5 findet beispielsweise Anwendung in einem konventionellen unidirektionalen Hochsetzsteller oder Tiefsetzsteller.
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In 6 ist ebenfalls ein Schaltbild einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Halbleitermoduls 1 dargestellt, das auf die mindestens vorhandenen Merkmale reduziert ist. Im Gegensatz zu dem Halbleitermodul 1 in 5 ist bezogen auf eine Stromflussrichtung von dem ersten Anschluss 21 zu dem zweiten Anschluss 22 die Durchflussrichtung des ersten Leistungshalbleiterschalters 31 hier umgekehrt. Entsprechend sind auch die Durchlassrichtungen der ersten Diode 51 und der zweiten Diode 52 umgekehrt gegenüber den Durchlassrichtungen der Dioden in 5. Weiterhin ist bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 6 die dritte Diode 53, über die der fünfte Anschluss 25 mit dem ersten Verbindungspunkt 71 verbunden ist, in das Halbleitermodul integriert.
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Ein Halbleitermodul 1 gemäß der Ausführungsform in 6 findet ebenfalls Anwendung in einem konventionellen unidirektionalen Hochsetzsteller oder Tiefsetzsteller. Ein symmetrischer unidirektionaler Hochsetzsteller oder Tiefsetzsteller lässt sich beispielsweise unter Verwendung von zwei Halbleitermodulen 1, jeweils eines gemäß 5 und 6, realisieren. Bei Betrachtung der 2 bis 4 ist ferner zu erkennen, dass die Anordnung und Verschaltung der Bauteile untereinander und deren Verbindungen mit den Anschlüssen des Halbleitermoduls 1 für den ersten Leistungshalbleiterschalter 31 derjenigen in 5 entsprechen und für den zweiten Leistungshalbleiterschalter 32 derjenigen in 6.
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Ein DC/DC-Wandler 4 mit einem erfindungsgemäßen Halbleitermodul 1 ist in dem Schaltbild in 7 dargestellt. An den ersten Anschluss 21 des Halbleitermoduls 1 ist dabei eine erste Speicherdrossel 81 mit einem ihrer Enden angeschlossen; das andere Ende der ersten Speicherdrossel 81 ist mit einem ersten Eingangsanschluss 91 des DC/DC-Wandlers 4 verbunden, während der zweite Anschluss 22 des Halbleitermoduls 1 mit einem zweiten Eingangsanschluss 92 des DC/DC-Wandlers 4 verbunden ist. Zwischen dem ersten Eingangsanschluss 91 und dem zweiten Eingangsanschluss 92 eines solchen DC/DC-Wandlers 4 kann eine DC-Spannungsquelle, beispielsweise ein Photovoltaikgenerator, und/oder ein Eingangszwischenkreis angeschlossen sein.
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Ein erster Ausgangsanschluss 93 des DC/DC-Wandlers 4 ist mit dem vierten Anschluss 24 des Halbleitermoduls 1 und ein zweiter Ausgangsanschluss 94 des DC/DC-Wandlers 4 ist mit dem zweiten Anschluss 22 des Halbleitermoduls 1 verbunden, wobei zwischen dem ersten Ausgangsanschluss 93 und dem zweiten Ausgangsanschluss 94 ein Ausgangszwischenkreis 5 angeschlossen ist, der als geteilter Zwischenkreis aus einer Serienschaltung zweier Kondensatoren 66 realisiert ist.
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Ein Ladepfad des Entlastungsnetzwerks für den ersten Leistungshalbleiterschalter 31 wird durch eine Serienschaltung einer ersten externen Diode 85 und einer zweiten Speicherdrossel 82 gebildet, die zwischen dem fünften Anschluss 25 des Halbleitermoduls 1 und einem Zwischenpunkt 75 zwischen den Kondensatoren 66 des geteilten Ausgangszwischenkreises 5 angeschlossen ist. Für Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Halbleitermoduls, bei denen die dritte Diode 53 integriert ist, kann die erste externe Diode 85 entfallen.
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Bei dem DC/DC-Wandler in 7 sind sämtliche Pfade, zwischen denen schnelle Kommutierungsvorgänge stattfinden, in dem Halbleitermodul integriert, so dass der Einsatz schnell schaltender Leistungshalbleiterschalter bei großen Strömen und gleichzeitig geringen Schaltverlusten der Leistungshalbleiterschalter möglich ist. Der Ladepfad des Entlastungsnetzwerks kann dabei ganz oder teilweise außerhalb des Moduls angeordnet sein, da keine schnellen Kommutierungsvorgänge auf diesen Ladepfad auftreten.
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Die dritte Anschluss 23 des Halbleitermoduls ist mit einer in 7 nicht dargestellten Ansteuerschaltung für den ersten Leistungshalbleiterschalter 31 verbunden.
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In dem Schaltbild in 8 ist ein DC/AC-Wandler 6 vom Typ BSNPC mit einem erfindungsgemäßen Halbleitermodul 1 dargestellt. Ein erster Eingangsanschluss 95 des DC/AC-Wandlers 6 ist mit dem vierten Anschluss 24 des Halbleitermoduls 1 und ein zweiter Eingangsanschluss 96 des DC/AC-Wandlers 6 ist mit dem zweiten Anschluss 22 des Halbleitermoduls 1 verbunden, wobei zwischen dem ersten Eingangsanschluss 95 und dem zweiten Eingangsanschluss 96 ein Eingangszwischenkreis 7 angeschlossen ist, der als geteilter Zwischenkreis aus einer Serienschaltung zweier Kondensatoren 67 realisiert ist. Zwischen dem ersten Eingangsanschluss 95 und dem zweiten Eingangsanschluss 96 eines solchen DC/AC-Wandlers 6 kann eine DC-Spannungsquelle, beispielsweise ein Photovoltaikgenerator, angeschlossen sein.
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Der erste Anschluss 21 des Halbleitermoduls 1 ist mit einem ersten Ausgangsanschluss 97 des DC/AC-Wandlers 6 verbunden. Ein zweiter Ausgangsanschluss 98 des DC/AC-Wandlers 6 ist mit einem Zwischenpunkt 76 zwischen den Kondensatoren 67 des geteilten Eingangszwischenkreises 7 verbunden.
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Um einen Ladepfad für das Entlastungsnetzwerk für den ersten Leistungshalbleiterschalter 31 zu bilden, ist eine Serienschaltung einer dritten Speicherdrossel 83 und einer zweiten externen Diode 86 zwischen dem Zwischenpunkt 76 zwischen den Kondensatoren 67 des geteilten Eingangszwischenkreises 7 und dem fünften Anschluss 25 des Halbleitermoduls 1 angeschlossen. Ein Ladepfad für das Entlastungsnetzwerk für den zweiten Leistungshalbleiterschalter 32 wird aus der dritten Speicherdrossel 83 und einer dritten externen Diode 87 gebildet, die zwischen dem Zwischenpunkt 76 zwischen den Kondensatoren 67 des geteilten Eingangszwischenkreises 7 und dem siebten Anschluss 27 des Halbleitermoduls 1 in Serie geschaltet sind. Zumindest wenn die Kondensatoren 65 der Entlastungsnetzwerke des DC/AC-Wandlers 6 in 8 nie gleichzeitig geladen werden, kann die dritte Speicherdrossel 83 in beiden Ladpfaden gemeinsam genutzt werden. Zusätzlich ist der Punkt 77 zwischen der dritten Speicherdrossel 83 und der zweiten externen Diode 86 bzw. der dritten externen Diode 87 bei dem DC/AC-Wandler 6 in 8 mit dem achten Anschluss 28 des Halbleitermoduls 1 verbunden.
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Für Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Halbleitermoduls, bei denen die dritte Diode 53 und/oder die sechste Diode 56 integriert ist, kann die zweite externe Diode 86 und/oder die dritte externe Diode 87 entfallen.
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Auch bei dem DC/AC-Wandler in 8 sind sämtliche Pfade, zwischen denen schnelle Kommutierungsvorgänge stattfinden, in dem Halbleitermodul integriert, so dass der Einsatz schnell schaltender Leistungshalbleiterschalter bei großen Strömen und gleichzeitig geringen Schaltverlusten der Leistungshalbleiterschalter möglich ist. Die Ladepfade der Entlastungsnetzwerke können dabei ganz oder teilweise außerhalb des Moduls angeordnet sein, da keine schnellen Kommutierungsvorgänge auf diese Ladepfade auftreten.
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Die dritte Anschluss 23, der sechste Anschluss 26 sowie der neunte Anschluss 29 und der zehnte Anschluss 30 des Halbleitermoduls sind mit in 8 nicht dargestellten Ansteuerschaltungen für die ersten bis vierten Leistungshalbleiterschalter 31, 32, 33 und 34 verbunden.
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Ein mögliches Layout für ein erfindungsgemäßes Halbleitermodul 1 zur Verwendung in einem unidirektionalen DC/DC-Wandler ist in 9 in einer Ausführung in DCB Technologie gezeigt. Hier sind auf einem gemeinsamen Substrat 101 Leiterbahnen 102 zur Verbindung mit den Anschlüssen 21 bis 25 des Halbleitermoduls angeordnet. Der erste Leistungshalbleiterschalter 31, die erste Diode 51, die zweite Diode 52 und die vierte Diode 54 sind mit jeweils einer ihrer Elektroden direkt mit den Leiterbahnen 102 verbunden. Die anderen Elektroden sind über Bonddrähte 103 mit Elektroden der anderen Bauteile oder mit den Leiterbahnen 102 verbunden. Zwischen den über Bonddrähte angeschlossenen Elektroden und den Leiterbahnen ist eine Isolationsschicht 104 angebracht. Die erste Kapazität 61 ist direkt mit ihren Enden jeweils mit der entsprechenden der Leiterbahnen 102 verbunden.
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Die Verschaltung der Bauteile untereinander in dem Layout in 9 entspricht dem Schaltbild in 5, wobei dem ersten Leistungshalbleiterschalter 31 hier zusätzlich die vierte Diode 54 parallel geschaltet ist.
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In dem Layout in 9 ist ferner zu erkennen, dass die Bauteile und deren Verschaltung untereinander mehrfach parallel zwischen den Anschlüssen 21 bis 25 angeordnet sind, um durch eine Stromaufteilung auf die parallelen Anordnungen eine Strombelastung der einzelnen Bauteile zu reduzieren. Selbstverständlich ist auch ein Layout ohne parallele Anordnung der Bauteile und deren Verschaltung untereinander denkbar.
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In 10 ist schließlich ein Layout in DCB Technologie für ein erfindungsgemäßes Halbleitermodul zur vielseitigen Verwendung in verschiedenen Wandlertypen gezeigt. Die Verschaltung der Bauteile untereinander entspricht dem Schaltbild in 2, wobei auch hier wieder die Bauteile und deren Verschaltung untereinander mehrfach parallel zwischen den Anschlüssen 21 bis 27 angeordnet sind.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Halbleitermodul
- 2
- Halbleiterschaltungsanordnung
- 3
- Halbbrückenschaltung
- 4
- DC/DC-Wandler
- 5
- Ausgangszwischenkreis
- 6
- DC/AC-Wandler
- 7
- Eingangszwischenkreis
- 21
- Anschluss
- 22
- Anschluss
- 23
- Anschluss
- 24
- Anschluss
- 25
- Anschluss
- 26
- Anschluss
- 27
- Anschluss
- 28
- Anschluss
- 29
- Anschluss
- 30
- Anschluss
- 31
- Leistungshalbleiterschalter
- 32
- Leistungshalbleiterschalter
- 33
- Leistungshalbleiterschalter
- 34
- Leistungshalbleiterschalter
- 41
- Leistungselektrode
- 42
- Leistungselektrode
- 43
- Steuerelektrode
- 44
- Leistungselektrode
- 45
- Leistungselektrode
- 46
- Steuerelektrode
- 47
- Steuerelektrode
- 48
- Steuerelektrode
- 51
- Diode
- 52
- Diode
- 53
- Diode
- 54
- Diode
- 55
- Diode
- 56
- Diode
- 57
- Diode
- 58
- Diode
- 61
- Kapazität
- 62
- Kapazität
- 65
- Kondensator
- 66
- Kondensator
- 67
- Kondensator
- 71
- Verbindungspunkt
- 72
- Verbindungspunkt
- 75
- Zwischenpunkt
- 76
- Zwischenpunkt
- 77
- Punkt
- 81
- Speicherdrossel
- 82
- Speicherdrossel
- 83
- Speicherdrossel
- 85
- externe Diode
- 86
- externe Diode
- 87
- externe Diode
- 91
- Eingangsanschluss
- 92
- Eingangsanschluss
- 93
- Ausgangsanschluss
- 94
- Ausgangsanschluss
- 95
- Eingangsanschluss
- 96
- Eingangsanschluss
- 97
- Ausgangsanschluss
- 98
- Ausgangsanschluss
- 101
- Substrat
- 102
- Leiterbahn
- 103
- Bonddraht
- 104
- Isolationsschicht
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009030965 A1 [0007, 0007]
- US 6060795 [0007, 0007]
- WO 200139357 A1 [0007, 0007]
- DE 102010008426 B4 [0008]
- DE 102013108079 [0009]
