DE9307386U1

DE9307386U1 - Schaltungsanordnung mit einem elektronischen Leistungsschalter

Info

Publication number: DE9307386U1
Application number: DE9307386U
Authority: DE
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1993-05-14
Filing date: 1993-05-14
Publication date: 1993-09-02
Anticipated expiration: 2003-05-15

Description

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Siemens Aktiengesellschaft

Schaltungsanordnung mit einem elektronischen Leistungsschalter

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung, bestehend aus einer Ansteuerelektronik für einen elektronischen Leistungsschalter, dem elektronischen Leistungsschalter selbst sowie einem bedarfsweise galvanisch vom Leistungsschalter getrennten, thermisch jedoch leitend zum Leistungsschalter angebrachten Kühlkörper.

Schaltungen der Leistungselektronik bestehen prinzipiell aus drei Funktionsteilen, nämlich dem Leistungsschalter, der als Transistor, Thyristor oder IGBT ausgebildet sein kann, der Entwärmungsvorrichtung, beispielsweise einem Kühlkörper, der in der Regel gegenüber dem Leistungsschalter elektrisch isoliert ist, und der Ansteuerelektronik, in der Regel einer Signalelektronik auf hohem elektrischen Potential.

Aufbautechnisch sind bei solchen handelsüblichen Schaltungsanordnungen die einzelnen Funktionseinheiten getrennt ausgeführt. Der Leistungsschalter ist als geschlossene Moduleinheit mit Isolierung oberhalb einer Modulbodenplatte angeordnet, der Kühlkörper ist als Aluminiumprofil für Luftkühlung oder als Wärmetauscher mit einem geschlossenen Kühlkreis ausgebildet und die Ansteuerelektronik mit bedrahteten oder SMD-Bauelementen ist auf einer Leiterplatte oder als Hybrid auf einem Keramiksubstrat angebracht.

Diese einzelnen Funktionseinheiten werden jeweils als weitgehend fertige Einzelprodukte hergestellt, die dann in 5 einer Endmontage zum eigentlichen Gerät zusammengefügt werden. Dadurch sind mehrere Arbeits- und Prüfvorgänge erforderlich und gegebenenfalls sind einzelne Elemente

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mehrmals zwischenzulagern. Ferner bedingt die Anordnung teilweise mehrschichtige thermische Übergänge zwischen den zu kühlenden elektronischen Elementen und der Kühlfläche.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art so auszubilden, daß einerseits die Anzahl der Montagearbeitsgänge reduziert wird und daß andererseits eine effektive Kühlung erreicht wird, indem die Anzahl der Wärmeübergänge möglichst gering gehalten wird.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der elektrische Wirkteil des Leistungsschalters als Chip direkt auf einem aus Keramik gebildeten Träger angebracht und gebondet ist, der gleichzeitig auch die Ansteuerelektronik aufnimmt, indem deren Bauteile ebenfalls direkt auf dem Träger angebracht und gebondet sind und daß der Träger als Kühlkörper ausgebildet ist.

Eine erste vorteilhafte Ausbildung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Träger eine verstärkt wärmeableitende Außenkontur aufweist. Diese kann gemäß einer weiteren Ausbildung der Erfindung rippenförmig oder zapfenförmig ausgebildet sind. Damit ist eine ausgesprochen einfache Möglichkeit der Kühlung gegenüber der Umgebungsluft möglich.

Dadurch, daß in den Träger Kühlmittelkanäle eingefügt sind, ist es aber auch möglich, mit einem Kühlmitteldurchfluß 0 eine besonders intensive Entwärmung zu realisieren.

Nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung ist es vorgesehen, daß in den Träger zur Verstärkung der Wärmeabfuhr metallische Rippen oder Zapfen eingelassen sind. Diese Zapfen oder Rippen können während des Gieß- oder Sintervorgang des keramischen Trägers relativ leicht in diesen eingelassen werden.

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In ähnlicher Weise ist es auch möglich, daß in den Träger Vorrichtungen für einen elektrischen Leistungsanschluß eingebettet sind, wodurch eine leichtere Außenbeschaltung der Schaltungsanordnung ermöglicht wird. 5

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher erläutert. Dabei zeigen:

FIG 1 ein Schnittbild zu einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung,

FIG 2 einen Träger mit eingefügten metallischen Rippen, FIG 3 einen Träger mit Kühlmittelkanälen und FIG 4 eine handelsübliche Schaltungsanordnung.

In der Darstellung gemäß FIG 4 ist ein handelsübliches Gerät der Leistungselektronik gezeigt, bei dem ein Leistungshalbleiter LHl auf einer Isolierung I aufsitzt und über eine Bodenplatte B an einem Kühlkörper Kl angebracht ist.

Zur Erhöhung der Leistung des Kühlkörpers Kl ist dieser mit einer Oberflächenstruktur aus Rippen oder Zapfen versehbar. Sämtliche elektronischen Elemente können dabei in einem Modul M (gestrichelt dargestellt) angeordnet sein. Elektrisch verbunden mit diesem Modul M ist eine Ansteuerschaltung, deren einzelne elektronische Bauelemente auf einer Leiterplatte L angeordnet sind, wobei durchaus auch Beschaltungselemente in Form von Hybriden H auf der Leiterplatte L angeordnet sein können. Der elektrische Leistungsanschluß erfolgt über einen mehrpoligen Anschluß Al. Die gesamte Anordnung ist ein relativ komplexes Gebilde, das in einer Vielzahl von Fügevorgängen erstellt werden muß.

Ferner muß die im Leistungshalbleiter LHl entstehende Verlustwärme zunächst über die Isolierung I geleitet werden, dann über einen weiteren Wärmeübergang zur Bodenplatte B geführt werden und von dort ist noch ein weiterer Wärmegang bis zum entwärmenden Kühlkörper Kl erforderlich.

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In der Darstellung gemäß FIG 1 ist eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung gezeigt, welche von den elektrischen Eigenschaften her die Funktion der Schaltungsanordnung gemäß FIG 4 erfüllen möge. Hier ist ein Halbleistungshalbleiter LH2 (selbstverständlich können prinzipiell auch mehrere Leistungshalbleiter verwendet werden) auf einem keramischen Träger vorgesehen, der als Kühlkörper K2 ausgebildet ist. Beim Keramikmaterial kann es sich beispielsweise um AL-Oxid handeln. Aber nicht nur der Leistungshalbleiter LH2, sondern auch sämtliche übrigen für die Ansteuerung des Leistungshalbleiters LH2 vorgesehenen Bauelemente sind ebenfalls direkt auf dem Kühlkörper K2 angebracht . Die Verbindung zwischen den einzelnen Elementen kann dabei durch Bonden erfolgen. Der keramische Träger ist also derart gestaltet, daß er gleichzeitig als Isolierträger, Wärmeableiter, Kühlkörper und mechanischer Träger dient. Aber nicht nur die funktionswesentlichen elektronischen Bauelemente können direkt auf dem Kühlkörper K2 angebracht sein, sondern auch der Leistungsanschluß, in diesem Fall ein Leistungsanschluß A2. Dabei ist es durchaus möglich, daß der Anschluß A2 in den Kühlkörper K2 eingelassen ist, indem beim Gieß- oder Sintervorgang zum Herstellen des keramischen Trägers dazu erforderliche Maßnahmen getroffen werden.

Ganz wesentlich für die Erfindung ist es, daß nicht nur der Leistungshalbleiter-Chip sondern auch die Ansteuer- und Schutzelektronik (Bauelemente im SMD-Gehäuse, direkt gebondete oder dickschichtgedruckte Bauelemente) ebenfalls direkt auf dem Träger montiert wird. Dabei kann die hohe Kriechstreckenfähigkeit des keramischen Materials dazu benutzt werden, daß die Isolierabstände relativ klein gewählt werden. Alle Montageebenen werden, anders als beim Stand der Technik, in nur einem Arbeitsgang (2D oder 3D) fertigmontiert. Die ganze Einheit muß dann nur noch nach dem Reflow-Löten in einem Metall- oder Kunststoffschutz-

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rahmen untergebracht werden, wie dies in FIG 1 durch gestrichelte Linien angedeutet ist.

In der Darstellung gemäß FIG 2 ist angedeutet, daß ein Kühlkörper K2 auch so realisiert werden kann, daß ein keramischer Träger benutzt wird, in den Rippen Rl bis R3 aus Metall, beispielsweise Alu, eingelassen sind, die dann die entwärmende Oberfläche vergrößern.

In der Darstellung gemäß FIG 3 ist gezeigt, wie der Träger, in diesem Fall der Kühlkörper K4, auch mit Kühlmittelkanälen KKl bis KK4 versehen werden kann, um eine Flüssigkeitskühlung zu ermöglichen.

Bei den Darstellungen gemäß FIG 2 und FIG 3 ist der Übersichtlichkeit halber auf die Darstellung der elektronischen Bauelemente verzichtet worden.

Claims

93 G 3 2 4 2 OE Schutzansprüche

1. Schaltungsanordnung, bestehend aus einer Ansteuerelektronik für einen elektronischen Leistungsschalter, dem elektronischen Leistungsschalter selbst sowie einem bedarfsweise galvanisch vom Leistungsschalter getrennten, thermisch jedoch leitend zum Leistungsschalter angebrachten Kühlkörper, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Wirkteil des Leistungsschalters (LH2) als Chip direkt auf einem aus Keramik gebildeten Träger angebracht und gebondet ist, der gleichzeitig auch die Ansteuerelektronik aufnimmt, indem deren Bauteile ebenfalls direkt auf dem Träger angebracht und gebondet sind und daß der Träger als Kühlkörper (K2,K3,K4) ausgebildet ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Träger eine verstärkt wärmeableitende Außenkontur aufweist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Außenkontur rippenförmig oder zapfenförmig ausgebildet ist.

4. Schaltungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in den Träger Kühlmittelkanäle (KKl bis KK4) eingefügt sind

5. Schaltungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprü-0 ehe, dadurch gekennzeichnet, daß in den Träger zur Verstärkung der Wärmeabfuhr metallische Rippen (Rl bis R3) oder Zapfen eingelassen sind.

6. Schaltungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprü-5 ehe, dadurch gekennzeichnet, daß in den Träger Vorrichtungen für einen elektrischen Leistungsanschluß (A2) eingebettet sind.