EP1364449A1 - Circuit design for a circuit for switching currents - Google Patents
Circuit design for a circuit for switching currentsInfo
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- EP1364449A1 EP1364449A1 EP02719648A EP02719648A EP1364449A1 EP 1364449 A1 EP1364449 A1 EP 1364449A1 EP 02719648 A EP02719648 A EP 02719648A EP 02719648 A EP02719648 A EP 02719648A EP 1364449 A1 EP1364449 A1 EP 1364449A1
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Abstract
Description
Beschreibung Schaltungsaufbau für eine Schaltung zum Schalten von Strömen Die Erfindung betrifft einen Schaltungsaufbau für eine Schaltung zum Schalten von Strömen, insbesondere einen Umrichter als DC/DC-Wandler oder Wechselrichter für Wechselstrom oder Drehstrom.
Der Schaltungsaufbau zum Schalten von grossen Strömen-beispielsweise bei einem Umrichter-auf engstem Raum, mit niedrigen Kosten und massenproduzierbar, ist besonders kritisch.
Dazu ist eine Anordnung diskreter Leistungshalbleiter (Schalttransistoren) mit Stromleitungen hoher Stromtragfähigkeit und Kühlung der Leistungshalbleiter, beispielsweise mittels eines Wasserkühlers, erforderlich.
Beim schnellen Schalten der Leistungshalbleiter kommt es auf eine niederohmige und niederinduktive Verbindung der Bauelemente an. Dies ist jedoch nur bei einfachen Anordnungen von Zwischenkreiskondensatoren und Leistungshalbleitern möglich.
Werden zusätzliche Bauelemente, beispielsweise Gatewiderstände, erforderlich, kann eine niederinduktive Anbindung der Leistungshalbleiter an die Zwischenkreiskondensatoren nicht mehr in allen Fällen gewährleistet werden, da durch die Widerstände die stromführenden Kupferflächen"zerschnitten" werden und damit deren Widerstand und Induktivität erhöht werden.
Mit grösser werdenden Streuinduktivitäten erhöht sich die an den Leistungshalbleitern auftretende Überspannung. Gleichzeitig wird die in den Streuinduktivitäten gespeicherte Energie in Wärme umgesetzt. Diese Wärme wird umso grösser, je grösser die zu schaltenden Ströme sind, da die Energie mit dem Quadrat des Stromes ansteigt. Bei grossen Strömen müssen deshalb die Streuinduktivitäten minimiert werden, da sonst die Leistungshalbleiter zerstört werden können. Dies gilt aber, ska liert, auch für Schaltungen, in denen geringere Ströme flie ssen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Schaltungsaufbau zum Schalten von Strömen zu schaffen, der auf engstem Raum und mit niedrigen Kosten massenproduzierbar ist und sowohl eine niederinduktive als auch niederohmige Anbindung der Leistungshalbleiter an einen Zwischenkreis und eine niederohmige Anbindung an einen oder mehrere Zwischenkreiskondensatoren ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch einen Schaltungsaufbau mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Bei Verwendung von"dicken"Stromleitern mit hoher Stromtragfähigkeit (für die Stromstärke des Laststroms ausgelegt), Hauptstromleiter genannt, die niederohmig, aber höherinduktiv sind, wird erfindungsgemäss wenigstens einem dieser Hauptstromleiter ein weiterer,"dünner"Stromleiter, Nebenstromleiter genannt, mit geringerer Stromtragfähigkeit als der Hauptstromleiter, der niederinduktiv, aber höherohmig ist, parallelgeschaltet.
Beide Ziele, nämlich"niederohmig"und"niederinduktiv", werden getrennt erreicht. Im Schaltmoment wirkt dabei zunächst die höherohmige, aber niederinduktive Verbindung, und mit Verzögerung dann die niederohmige, höherinduktive Verbindung.
Mit dieser Massnahme werden Induktivität und Ohm'scher Widerstand der Stromleiter-Anordnung (parallelgeschaltete Hauptund Nebenstromleiter) gesenkt, es wird eine Verkürzung des transienten Ausschaltvorgangs der Leistungshalbleiter erreicht, und es wird auch die in den Leistungshalbleitern umgesetzte Energie während des Ausschaltvorgangs geringer-die Verlustleistung wird gesenkt-und die Wärme über den gesamten Schaltzyklus besser verteilt.
Im folgenden werden zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer schematischen Zeichnung näher erläutert. Es zeigen : Figur 1 eine bekannte Schaltung zum Ansteuern einer Last mittels eines Schaltelements, Figur 2 einen bekannten Schaltungsaufbau dazu, Figur 3 eine bekannte Schaltung eines Umrichters, Figur 4a ein erstes Ausführungsbeispiel eines Schaltungsauf baus für den Umrichter nach Figur 3, Figur 4b einen Querschnitt durch die dazugehörige Leiter platte, Figur 5a ein zweites Ausführungsbeispiel eines Schaltungs aufbaus für den Umrichter nach Figur 3, und Figur 5b einen Querschnitt durch die dazugehörige Leiter platte.
Wenn im folgenden von einem Stromleiter die Rede ist, so kann dies ein Leitungsdraht, eine Leiterplatte, ein Leadframe, ein Bus-Bar oder ähnliches sein. Bei den folgenden Ausführungsbeispielen sollen die Stromleiter der Einfachheit halber beispielsweise als an sich bekannte Leiterplatten (auf einem elektrisch isolierenden Trägermaterial aufgebrachte Stromleitschichten) ausgeführt sein.
Figur 1 zeigt eine bekannte Schaltung zum Ansteuern einer Last L, die mit einem Schaltelement T, in der Regel ein als bipolarer Transistor oder MOSFET ausgebildeter Leistungshalb- leiter, in Reihe an den Polen V+ und GND einer Energiequelle liegt. Wird das Schaltelement in rascher Folge geschaltet, ist ein Zwischenkreiskondensator C parallel zur Reihenschaltung aus Schaltelement T und Last L erforderlich.
Die Stromleiter, durch welche die Elemente T, L und C miteinander und mit der Energiequelle verbunden sind, sind mit D, A, S und G bezeichnet. Über den Stromleiter G erhält der Ga teanschluss g sein Steuersignal zum Ein-und Ausschalten des Schaltelements T.
In Figur 2 ist ein bekannter Schaltungsaufbau der Schaltung nach Figur 1 auf einer im Querschnitt gezeigten Mehrfachleiterplatte dargestellt. Die Leiterplatte besteht aus zwei dicken Aussenlagen, einer oberen Aussenlage D und einer unteren Aussenlage, auf welcher zwei elektrisch voneinander getrennte Hauptstromleiter S und A angeordnet sind. Dazwischen liegt eine dünne Innenlage G, die durch nichtleitende Isolierplatten I1 und I2 von den Aussenlagen elektrisch getrennt ist.
Zusammenhängende elektrisch leitende Flächen sind schraffiert gekennzeichnet und dick umrandet. Sie sind ggf. durch nichtschraffierten Bohrungen zum Durchleiten von Anschlussdrähten unterbrochen. Grössere elektrisch nichtleitende Flächen sind ebenfalls nicht schraffiert. Die Mehrfachleiterplatte ist nicht massstäblich dargestellt. Die Schichtdicken seien beispielsweise : D, S, A = 400um, G = 35um und I1, 12 = 1mm. Die dünne Innenlage G dient hier ausschliesslich zur Zuführung des Steuersignals zum Gateanschluss g des Schaltelements T.
. Figur 3 zeigt einen Teilschaltplan eines bekannten Umrichters, beispielsweise in einem integrierten Starter/Generator (ISG) eines Kraftfahrzeugs, nämlich eine Phase eines Wechselrichters zur Erzeugung von Drehstrom aus Gleichstrom. Diese Schaltung kann beispielsweise auch als DC/DC-Wandler arbeiten.
Die Schaltung besteht aus einer Halbbrücke aus Leistungsschaltern, nämlich der Reihenschaltung eines Highside-Schalters Tl und eines Lowside-Schalters T1', die an einer Energiequelle mit den Polen V+ und GND liegt. Dieser Halbbrücke sind zum Schalten hoher Stromstärken weitere solcher Reihenschaltungen T2-T2'... Tn-Tn' parallelgeschaltet.
Die Drainanschlüsse dl bis dn aller Highside-Schalter T1 bis
Tn sind über einen ersten Hauptstromleiter D miteinander und mit dem Pluspol V+ der Energiequelle verbunden ; die Sourceanschlüsse sl'bis sn'aller Lowside-Schalter T1' bis Tn'sind über einen zweiten Hauptstromleiter S mit einander und mit dem Minuspol GND der Energiequelle ver bunden ; die miteinander verbundenen Sourceanschlüsse sl bis sn aller
Highside-Schalter T1 bis Tn und Drainanschlüsse dl'bis dn'aller Lowside-Schalter T1'bis Tn'sind über einen dritten Hauptstromleiter A miteinander verbunden ; die Gateanschlüsse gl bis gn aller Highside-Schalter T1 bis
Tn sind über einen ersten weiteren Stromleiter Gl, Steuer stromleiter genannt, miteinander verbunden ;
die Gateanschlüsse gl'bis gn'aller Lowside-Schalter T1'bis
Tn'sind über einen zweiten Steuerstromleiter G2 miteinan der verbunden ; zwischen den Hauptstromleitern D und S ist wenigstens ein
Zwischenkreiskondensator C angeordnet, und die Last liegt zwischen den Hauptstromleitern A und S.
Werden die Highside-Schalter T1 bis Tn abwechselnd mit den Lowside-Schaltern T1'bis Tn'leitend gesteuert, so wird aus der Gleichspannung, die zwischen dem ersten und dem zweiten Hauptstromleiter D und S anliegt, eine Wechselspannung, die zwischen drittem und zweitem Hauptstromleiter A und S abgreifbar ist.
Werden drei solcher Phasenschaltungen verwendet und entsprechend angesteuert, so kann an deren drei Ausgängen Drehstrom/-spannung abgegriffen werden.
Die Schaltung nach Figur 3 ist gemäss einem ersten Ausführungsbeispiel auf einer Mehrschichtleiterplatte aufgebaut, welche schematisch in Figur 4b im Schnitt und in Figur 4a zu sammen mit den auf ihr angeordneten Bauelementen in Draufsicht dargestellt ist.
Die Mehrschichtleiterplatte nach Figur 4b besteht aus vier elektrisch leitenden, voneinander isolierten Schichten, beispielsweise aus Kupfer, wobei die erste (oberste) Schicht, die den ersten Hauptstromleiter D trägt, und die vierte (unterste) Schicht, auf der sich der zweite und dritte Hauptstromleiter S und A befinden, jeweils den Laststrom aufnehmen und deshalb eine ausreichende Schichtdicke, beispielsweise 400um, aufweisen. Die zweite und dritte Schicht weisen eine Schichtdicke von beispielsweise 35um auf. Darauf wird später noch eingegangen werden.
Figur 4a zeigt in Draufsicht die auf der ersten und vierten Schicht angeordneten drei Hauptstromleiter A, D und S ohne die zweite und dritte Schicht und ohne die dazwischenliegenden Isolierschichten, zusammen mit den auf ihr angeordneten Bauelementen,-den Highside-und Lowside-Schaltern T1 bis Tn, T1'bis Tn', einem Zwischenkreiskondensator C und der Last L.
Die Highsideschalter Tl... Tn und die Lowside-Schalter Tl'... Tn' bilden jeweils eine Reihe, wobei die beiden Reihen einander so gegenüberliegen, dass die Anschlüsse der Leistungsschalter in zwei Reihen, ineinander verzahnt, angeordnet sind, und dass deren miteinander verbundene Anschlüsse sl-dl'... sn-dn' nebeneinander liegen.
Dazu sind die Anschlüsse der Highside-und Lowside-Schalter so gebogen, dass jeweils die äusseren Anschlüsse (Sourceanschluss s und Gateanschluss g) in kurzer Entfernung vom Halbleitergehäuse abgebogen sind und der mittlere Anschluss (Drainanschluss d) in grösserer Entfernung vom Halbleitergehäuse abgebogen ist, so dass die Gehäuse auf der Mehrschichtleiterplatte liegend angeordnet werden können.
Mit den gleichen Abmessungen wie der erste Hauptstromleiter D in der ersten Schicht (400um) und genau unter ihm ist in der zweiten Schicht (35um) ein erster Nebenstromleiter D1 ange ordnet, wobei durch die Durchkontaktierungen der Anschlüsse der mit dem ersten Hauptstromleiter D verbundenen Bauelemente zum ersten Nebenstromleiter D1 beide Stromleiter D und D1 zueinander parallelgeschaltet sind.
Ebenso sind oberhalb der in der vierten Schicht (400um) angeordneten beiden Hauptstromleiter S und A und genau über ihnen in der dritten Schicht (35um) ein zweiter und ein dritter Nebenstromleiter S1 und AI angeordnet, wobei durch die Durchkontaktierungen der Anschlüsse der mit dem zweiten bzw. dritten Hauptstromleiter S bzw. A verbundenen Bauelemente die Stromleiter S mit S1 und A mit AI zueinander parallelgeschaltet sind.
Diese Parallelschaltungen jeweils eines"dicken"Haupt-und eines"dünnen"Nebenstromleiters D-D1, S-S1 und A-A1 sind in Figur 3 durch dicke und dünne, die Stromleiter darstellende, parallele Linien angedeutet und auch aus Figur 4b ersichtlich.
In diesem ersten Ausführungsbeispiel sind die parallelen Stromleiter D-Dl oberhalb der parallelen Stromleiter S-S1 angeordnet.
Durch diese Massnahmen werden Induktivität und Ohm'scher Widerstand der in diesem Ausführungsbeispiel als Leiterplatten ausgebildeten Stromleiter-Anordnungen D-D1, S-S1 und A-Al auch zu einem oder mehreren Zwischenkreiskondensatoren C und zur Last L, gesenkt, wie bereits weiter oben erläutert.
Der erste und zweite Steuerstromleiter G1 und G2, welche die Gateanschlüsse der Highside-und Lowside-Schalter mit nicht dargestellten Steuerschaltungen verbinden, und die in Figur 4a nicht dargestellt sind, sind auf dem Teil der zweiten, dünnen Schicht angeordnet, der nicht vom ersten Nebenstromleiter Dl belegt ist. Für diese Steuersignale sind nur dünne Stromleiter erforderlich, die auch zwischen den Anschlüssen der Leistungsschalter hindurchgeführt werden können (im Gegensatz zu den hohe Ströme führenden Hauptstromleitern D, S und A).
Die Steuerstromleiter G1 und G2 könnten aber auch auf der ersten, dicken Schicht, soweit diese nicht vom Hauptstromlei- ter D belegt ist, angeordnet sein, oder auf diese und die darunter liegende zweite, dünne Schicht verteilt sein.
In einem zweiten Ausführungsbeispiel wird ebenfalls eine Mehrschichtleiterplatte verwendet, die im Aufbau der Leiterplatte nach Figur 4b, jedoch mit anderer Aufteilung, entspricht. Die Highside-und Lowside-Schalter liegen wieder einander gegenüber, ihre Anschlüsse sind aber nicht ineinander verzahnt angeordnet. Durch diese Anordnung wird die Verbindung zu den Zwischenkreiskondensatoren niederinduktiver, und damit weiter verbessert.
Die Mehrschichtleiterplatte ist schematisch in Figur 5b im Schnitt und in Figur 5a zusammen mit den auf ihr angeordneten Bauelementen in Draufsicht dargestellt.
Die Mehrschichtleiterplatte nach Figur 5b besteht wieder aus vier elektrisch leitenden, voneinander isolierten Schichten, beispielsweise aus Kupfer, wobei die erste (oberste) Schicht, die den ersten Hauptstromleiter D repräsentiert, und die vierte (unterste) Schicht, auf der sich der zweite und dritte Hauptstromleiter S und A befinden, jeweils den Laststrom aufnehmen und deshalb eine ausreichende Schichtdicke, beispielsweise 400um, aufweisen. Die zweite und dritte Schicht weisen eine Schichtdicke von beispielsweise 35um auf.
In diesem zweiten Ausführungsbeispiel sind die parallelgeschalteten Stromleiter D-Dl über den parallelgeschalteten Stromleitern A-A1 angeordnet.
Figur 5a zeigt in Draufsicht die auf der ersten und vierten Schicht angeordneten Hauptstromleiter A, D und S ohne die zweite und dritte Schicht und ohne die dazwischenliegenden Isolierschichten, zusammen mit den auf ihr angeordneten Bauelementen,-den Highside-und Lowside-Schaltern Tl... Tn, Tl'... Tn', einem Zwischenkreiskondensator C und der Last L.
Die Highsideschalter Tl... Tn und die Lowside-Schalter Tl'... Tn' bilden jeweils eine Reihe, wobei die beiden Reihen, nicht wie bei dem Ausführungsbeispiel nach 4a ineinander verzahnt, einander so gegenüberliegen, dass die miteinander verbundenen Anschlüsse sl-dl'... sn-dn'der Leistungsschalter einander gegenüberliegend angeordnet sind. Dazu sind alle Anschlüsse der Highside-und Lowside-Schalter in gleicher, kurzer Entfernung vom Halbleitergehäuse abgebogen, damit die Gehäuse auf der Mehrschichtleiterplatte liegend angeordnet werden können.
Mit den gleichen Abmessungen wie der erste Hauptstromleiter D in der ersten Schicht (400um) und genau unter ihm ist in der zweiten Schicht (35um) ein erster Nebenstromleiter D1 angeordnet, wobei durch die Durchkontaktierungen der Anschlüsse der mit dem ersten Hauptstromleiter D verbundenen Bauelemente zum ersten Nebenstromleiter D1 beide Stromleiter D und D1 zueinander parallelgeschaltet sind.
Ebenso sind oberhalb der in der vierten Schicht (400um) angeordneten beiden Hauptstromleiter S und A und genau über ihnen in der dritten Schicht (35um) ein zweiter und dritter Nebenstromleiter S1 und A1 angeordnet, wobei durch die Durchkontaktierungen der Anschlüsse der mit dem Hauptstromleiter S bzw. A verbundenen Bauelemente die Stromleiter S mit S1 und D mit D1 zueinander parallelgeschaltet sind.
Für die Steuerstromleiter Gl und G2 gilt auch hier, was bereits beim ersten Ausführungsbeispiel gesagt wurde.
Patentansprüche 1. Schaltungsaufbau für eine Schaltung zum Schalten von Strömen, mit wenigstens einem Schaltelement (Tl... Tn, Tl'... Tn'), mit je einem Hauptstromleiter (D, S, A) zum Verbinden des Schaltelements (Tl... Tn, Tl'... Tn'), der Pole (V+, GND) einer Stromquelle, eines Energiespeichers (C) und einer Last (L) untereinander, dadurch gekennzeichnet, dass zu jedem wenigstens zwischen den Schaltelementen (Tl...
Tn, Tl'... Tn') oder zwischen den Polen (V+, GND) der Stromquelle und den Schaltelementen (Tl... Tn, Tl'... Tn') oder dem Energiespeicher (C) angeordneten Hauptstromleiter (D, S, A) mit hoher Stromtragfähigkeit jeweils ein weiterer Nebenstromleiter (D1, Sl, A1) mit geringerer Stromtragfähig- keit als der Hauptstromleiter (D, S, A) parallelgeschaltet ist.
2. Schaltungsaufbau nach Anspruch 1, insbesondere für einen Umrichter zur Gewinnung von Wechselstrom aus einem Gleichstrom, mit einer an den Polen (V+, GND) einer Gleichstromquelle liegenden Halbbrückenschaltung aus wenigstens einer oder einer vorgegebenen Zahl von zueinander parallelen Reihenschaltungen aus je einem Highside-Schalter (T1... Tn) und je einem Lowside-Schalter (Tl'... Tn'), deren miteinander verbundene Verbindungspunkte (sl-dl'... sn-dn') den wechselstromführenden Ausgang (A) bilden, dadurch gekennzeichnet, dass die Drainanschlüsse (dl...
dn) aller Highside-Schalter (Tl... Tn) über einen ersten Hauptstromleiter (D), dem ein erster Nebenstromleiter (D1) mit geringerer Stromtragfähig keit als der Hauptstromleiter (D) parallelgeschaltet ist, miteinander und mit dem einen Anschluss wenigstens eines
Zwischenkreiskondensators (C) verbunden sind, dass die Sourceanschlüsse (sl'bis sn') aller Lowside
Schalter (T1'bis Tn') über einen zweiten Hauptstromleiter (S), dem ein zweiter Nebenstromleiter (S1) mit geringerer
Stromtragfähigkeit als der Hauptstromleiter (S) parallelge schaltet ist, miteinander, mit dem anderen Anschluss des wenigstens einen Zwischenkreiskondensators (C) und mit ei nem Anschluss der Last (L) verbunden sind, dass die miteinander verbundenen Sourceanschlüsse (sl bis sn)
aller Highside-Schalter (T1 bis Tn) und Drainanschlüsse (dl'bis dn') aller Lowside-Schalter (Tl'bis Tn') über ei nen dritten Hauptstromleiter (A), dem ein dritter Neben stromleiter (A1) mit geringerer Stromtragfähigkeit als der
Hauptstromleiter (A) parallelgeschaltet ist, miteinander und mit dem anderen Anschluss der Last (L) verbunden sind, dass die Gateanschlüsse (gl bis gn) aller Highside-Schalter (T1 bis Tn) über einen ersten Steuerstromleiter (G1) mit einander verbunden sind, und dass die Gateanschlüsse (gl'bis gn') aller Lowside-Schalter (Tl'bis Tn') über einen zweiten Steuerstromleiter (G2) miteinander verbunden sind.
3. Schaltungsaufbau nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptstromleiter (D, S, A), die Nebenstromleiter (D1, Sl, A1) und die Steuerstromleiter (G1, G2) in vier voneinander elektrisch isolierten Schichten übereinander angeordnet sind, wobei in der ersten, einer dicken Schicht, ein Hauptstromleiter (D,
S, A) liegt, in der zweiten, einer dünnen Schicht, der diesem Hauptstrom leiter zugeordnete Nebenstromleiter (D1, Sl, A1) und die
Steuerstromleiter (G1, G2) liegen, in der vierten, einer dicken Schicht, die beiden anderen
Hauptstromleiter (D, S, A) liegen, und in der dritten, einer dünnen Schicht,
die den in der vierten
Schicht liegenden Hauptstromleitern zugeordneten Neben stromleiter (S1, Al) liegen.
4. Schaltungsaufbau nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Highsideschalter (Tl... Tn) und die Lowside-Schalter (Tl'... Tn') jeweils eine Reihe bilden, wobei die beiden Reihen einander so gegenüberliegen, dass die miteinander verbundenen Anschlüsse (sl-dl'... sn-dn') dieser Schalter in zwei Reihen, ineinander verzahnt, angeordnet sind, wobei die Anschlüsse der Schalter (Tl... Tn, Tl'... Tn') so gebogen sind, dass jeweils die äusseren Anschlüsse (sl... sn, gl... gn, sl'... sn', gl'... gn') in kurzer Entfernung vom Halbleitergehäuse abgebogen sind und der mittlere Anschluss (dl...
dn, dl'... dn') in grösserer Entfernung vom Halbleitergehäuse abgebogen ist.
5. Schaltungsaufbau nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Highsideschalter (Tl... Tn) und die Lowside-Schalter (Tl'... Tn') jeweils eine Reihe bilden, wobei die beiden Reihen einander so gegenüberliegen, dass die miteinander verbundenen Anschlüsse (sl-dl'... sn-dn') dieser Schalter, die alle in gleicher, kurzer Entfernung vom Halbleitergehäuse abgebogen sind, einander gegenüberliegen.
Description: Circuit structure for a circuit for switching currents The invention relates to a circuit structure for a circuit for switching currents, in particular a converter as a DC / DC converter or inverter for alternating current or three-phase current.
The circuit structure for switching large currents - for example in the case of a converter - in a confined space, at low cost and with high mass production, is particularly critical.
For this purpose, an arrangement of discrete power semiconductors (switching transistors) with power lines of high current carrying capacity and cooling of the power semiconductors, for example by means of a water cooler, is required.
When switching the power semiconductors quickly, a low-resistance and low-inductance connection of the components is important. However, this is only possible with simple arrangements of intermediate circuit capacitors and power semiconductors.
If additional components, for example gate resistors, are required, a low-inductance connection of the power semiconductors to the intermediate circuit capacitors can no longer be guaranteed in all cases, since the resistors "cut" the current-carrying copper surfaces and thus increase their resistance and inductance.
As the leakage inductances increase, the overvoltage occurring on the power semiconductors increases. At the same time, the energy stored in the leakage inductors is converted into heat. The greater the currents to be switched, the greater this heat, since the energy increases with the square of the current. With large currents, the leakage inductances must therefore be minimized, otherwise the power semiconductors can be destroyed. However, this also applies, to scale, to circuits in which lower currents flow.
The invention has for its object to provide a circuit structure for switching currents which can be mass-produced in a confined space and at low cost and which enables both low-inductance and low-impedance connection of the power semiconductors to an intermediate circuit and a low-impedance connection to one or more intermediate circuit capacitors.
This object is achieved by a circuit structure with the features of claim 1. Advantageous embodiments of the invention can be found in the subclaims.
When using "thick" current conductors with high current carrying capacity (designed for the current strength of the load current), called main current conductors, which are low-resistance but more inductive, according to the invention, at least one of these main current conductors is called a further, "thin" current conductor, secondary current conductor, with lower current carrying capacity than the main current conductor, which is low-inductance but has a higher resistance, connected in parallel.
Both goals, namely "low-resistance" and "low-inductance", are achieved separately. In the switching moment, the higher-resistance, but low-inductance connection acts first, and then, with delay, the low-resistance, higher-inductance connection.
With this measure, the inductance and ohmic resistance of the current conductor arrangement (main and secondary current conductors connected in parallel) are reduced, the transient switch-off process of the power semiconductors is shortened, and the energy converted in the power semiconductors during the switch-off process is also reduced - the power loss is reduced reduced - and the heat is better distributed over the entire switching cycle.
Two exemplary embodiments of the invention are explained in more detail below with the aid of a schematic drawing. FIG. 1 shows a known circuit for controlling a load by means of a switching element, FIG. 2 shows a known circuit structure for this, FIG. 3 shows a known circuit of a converter, FIG. 4a shows a first exemplary embodiment of a circuit construction for the converter according to FIG. 3, FIG. 4b shows a cross section 5a shows a second exemplary embodiment of a circuit structure for the converter according to FIG. 3, and FIG. 5b shows a cross section through the associated printed circuit board.
If a current conductor is mentioned in the following, this can be a lead wire, a printed circuit board, a lead frame, a bus bar or the like. In the following exemplary embodiments, for the sake of simplicity, the current conductors are to be designed, for example, as circuit boards known per se (current conducting layers applied to an electrically insulating carrier material).
FIG. 1 shows a known circuit for driving a load L, which, with a switching element T, usually a power semiconductor designed as a bipolar transistor or MOSFET, is connected in series to the poles V + and GND of an energy source. If the switching element is switched in rapid succession, an intermediate circuit capacitor C in parallel with the series connection of switching element T and load L is required.
The current conductors through which the elements T, L and C are connected to one another and to the energy source are denoted by D, A, S and G. Via the current conductor G, the gate connection g receives its control signal for switching the switching element T on and off.
FIG. 2 shows a known circuit structure of the circuit according to FIG. 1 on a multiple circuit board shown in cross section. The circuit board consists of two thick outer layers, an upper outer layer D and a lower outer layer, on which two electrically separate main current conductors S and A are arranged. In between is a thin inner layer G, which is electrically separated from the outer layers by non-conductive insulating plates I1 and I2.
Connected electrically conductive surfaces are hatched and outlined in thick lines. They may be interrupted by non-hatched holes for the passage of connecting wires. Larger electrically non-conductive areas are also not hatched. The multiple circuit board is not drawn to scale. The layer thicknesses are, for example: D, S, A = 400um, G = 35um and I1, 12 = 1mm. The thin inner layer G is used here exclusively for supplying the control signal to the gate connection g of the switching element T.
, FIG. 3 shows a partial circuit diagram of a known converter, for example in an integrated starter / generator (ISG) of a motor vehicle, namely a phase of an inverter for generating three-phase current from direct current. This circuit can also work as a DC / DC converter, for example.
The circuit consists of a half bridge of circuit breakers, namely the series connection of a high-side switch T1 and a low-side switch T1 ', which is connected to an energy source with the poles V + and GND. Further half-bridges T2-T2 '... Tn-Tn' of this type are connected in parallel to switch high currents.
The drain connections dl to dn of all highside switches T1 to
Tn are connected to one another and to the positive pole V + of the energy source via a first main current conductor D; the source connections sl'bis sn'all low side switches T1 'to Tn' are connected to one another and to the negative pole GND of the energy source via a second main current conductor S; the interconnected source connections sl to sn all
Highside switches T1 to Tn and drain connections dl'bis dn'all lowside switches T1'bis Tn's are connected to one another via a third main current conductor A; the gate connections gl to gn of all highside switches T1 to
Tn are connected to one another via a first further current conductor Gl, called the control current conductor;
the gate connections gl'bis gn'all lowside switches T1'bis
Tn's are connected to each other via a second control current conductor G2; between the main current conductors D and S is at least one
DC link capacitor C is arranged, and the load lies between the main current conductors A and S.
If the highside switches T1 to Tn are alternately controlled with the low-side switches T1'to Tn'conducting, the direct voltage which is present between the first and the second main current conductors D and S becomes an alternating voltage which is between the third and second main current conductors A and S can be tapped.
If three such phase circuits are used and controlled accordingly, three-phase current / voltage can be tapped at their three outputs.
According to a first exemplary embodiment, the circuit according to FIG. 3 is constructed on a multilayer printed circuit board, which is shown schematically in FIG. 4b in section and in FIG. 4a together with the components arranged on it in a top view.
The multilayer printed circuit board according to FIG. 4b consists of four electrically conductive, mutually insulated layers, for example made of copper, the first (top) layer carrying the first main current conductor D and the fourth (bottom) layer on which the second and third main current conductors are located S and A are located, each take up the load current and therefore have a sufficient layer thickness, for example 400 μm. The second and third layers have a layer thickness of, for example, 35 μm. This will be discussed later.
FIG. 4a shows a top view of the three main current conductors A, D and S arranged on the first and fourth layers without the second and third layers and without the intervening insulating layers, together with the components arranged thereon, the highside and low-side switches T1 to Tn, T1'bis Tn ', an intermediate circuit capacitor C and the load L.
The high-side switches Tl ... Tn and the low-side switches Tl '... Tn' each form a row, the two rows lying opposite one another in such a way that the connections of the circuit breakers are arranged in two rows, interlocked with one another, and that their interconnected connections sl-dl '... sn-dn' are next to each other.
For this purpose, the connections of the high-side and low-side switches are bent in such a way that the outer connections (source connection s and gate connection g) are bent at a short distance from the semiconductor housing and the middle connection (drain connection d) is bent at a greater distance from the semiconductor housing that the housing can be arranged lying on the multilayer circuit board.
With the same dimensions as the first main current conductor D in the first layer (400um) and exactly below it in the second layer (35um) a first bypass conductor D1 is arranged, the through-connections of the connections of the components connected to the first main current conductor D for first secondary current conductor D1, both current conductors D and D1 are connected in parallel with one another.
Likewise, a second and a third secondary current conductor S1 and AI are arranged above the two main current conductors S and A arranged in the fourth layer (400um) and just above them in the third layer (35um), the through-plating of the connections connecting the second and the second third main current conductors S and A connected components, the current conductors S with S1 and A with AI are connected in parallel to one another.
These parallel connections of a “thick” main and a “thin” secondary conductor D-D1, S-S1 and A-A1 are indicated in FIG. 3 by thick and thin parallel lines representing the conductor and can also be seen in FIG. 4b.
In this first exemplary embodiment, the parallel current conductors D-DI are arranged above the parallel current conductors S-S1.
As a result of these measures, the inductance and ohmic resistance of the current conductor arrangements D-D1, S-S1 and A-Al, which are designed as printed circuit boards in this exemplary embodiment, are also reduced to one or more intermediate circuit capacitors C and to the load L, as already explained above ,
The first and second control current conductors G1 and G2, which connect the gate connections of the highside and lowside switches to control circuits, not shown, and which are not shown in FIG. 4a, are arranged on the part of the second, thin layer which is not from the first secondary current conductor Dl is occupied. For these control signals, only thin current conductors are required, which can also be passed between the connections of the circuit breakers (in contrast to the main current conductors D, S and A carrying high currents).
The control current conductors G1 and G2 could, however, also be arranged on the first, thick layer, insofar as this is not occupied by the main current conductor D, or distributed over this and the second, thin layer below.
In a second exemplary embodiment, a multilayer printed circuit board is also used, which corresponds to the structure of the printed circuit board according to FIG. 4b, but with a different division. The highside and lowside switches are again opposite one another, but their connections are not interlocked. This arrangement makes the connection to the intermediate circuit capacitors less inductive, and thus further improved.
The multilayer printed circuit board is shown schematically in FIG. 5b in section and in FIG. 5a together with the components arranged on it in plan view.
The multilayer printed circuit board according to FIG. 5b again consists of four electrically conductive, mutually insulated layers, for example made of copper, the first (top) layer representing the first main current conductor D and the fourth (bottom) layer on which the second and third are located Main current conductors S and A are located, each take up the load current and therefore have a sufficient layer thickness, for example 400 μm. The second and third layers have a layer thickness of, for example, 35 μm.
In this second exemplary embodiment, the parallel-connected current conductors D-DI are arranged above the parallel-connected current conductors A-A1.
FIG. 5a shows a top view of the main current conductors A, D and S arranged on the first and fourth layers without the second and third layers and without the intervening insulating layers, together with the components arranged thereon, the high-side and low-side switches T1. Tn, Tl '... Tn', an intermediate circuit capacitor C and the load L.
The high-side switches Tl ... Tn and the low-side switches Tl '... Tn' each form a row, the two rows not being interlocked with one another as in the exemplary embodiment according to FIG. 4a, so that the interconnected connections sl dl '... sn-dn'der circuit breakers are arranged opposite each other. For this purpose, all connections of the high-side and low-side switches are bent at the same short distance from the semiconductor housing, so that the housing can be arranged lying on the multilayer circuit board.
With the same dimensions as the first main current conductor D in the first layer (400 .mu.m) and exactly below it, a first secondary current conductor D1 is arranged in the second layer (35 .mu.m), the through-plating of the connections of the components connected to the first main current conductor D to the first Secondary current conductor D1, both current conductors D and D1 are connected in parallel to one another.
Likewise, a second and third secondary current conductor S1 and A1 are arranged above the two main current conductors S and A arranged in the fourth layer (400um) and just above them in the third layer (35um), the through-contacting of the connections connecting the main current conductor S and A connected components, the current conductors S with S1 and D with D1 are connected in parallel with one another.
For the control current conductors Gl and G2, what has already been said in the first exemplary embodiment also applies here.
1. Circuit structure for a circuit for switching currents, with at least one switching element (Tl ... Tn, Tl '... Tn'), each with a main current conductor (D, S, A) for connecting the switching element (Tl. .. Tn, Tl '... Tn'), the poles (V +, GND) of a current source, an energy store (C) and a load (L) with each other, characterized in that for each at least between the switching elements (Tl .. ,
Tn, Tl '... Tn') or between the poles (V +, GND) of the current source and the switching elements (Tl ... Tn, Tl '... Tn') or the main current conductor (D, S, A) with high current carrying capacity each have a further secondary current conductor (D1, Sl, A1) with lower current carrying capacity than the main current conductor (D, S, A) is connected in parallel.
2. Circuit structure according to claim 1, in particular for a converter for obtaining alternating current from a direct current, with a half-bridge circuit lying at the poles (V +, GND) of a direct current source, comprising at least one or a predetermined number of mutually parallel series circuits, each having a highside switch (T1 ... Tn) and a low-side switch (Tl '... Tn'), whose interconnected connection points (sl-dl '... sn-dn') form the AC-carrying output (A), characterized that the drain connections (dl ...
dn) of all high-side switches (Tl ... Tn) via a first main current conductor (D), to which a first secondary current conductor (D1) with a lower current carrying capacity than the main current conductor (D) is connected in parallel, with one another and with one connection of at least one
DC link capacitor (C) connected that the source connections (sl'bis sn ') of all lowside
Switch (T1'bis Tn ') via a second main current conductor (S), the second secondary current conductor (S1) with a lower one
Current carrying capacity as the main current conductor (S) is connected in parallel, with each other, with the other connection of the at least one intermediate circuit capacitor (C) and with a connection of the load (L) that the interconnected source connections (sl to sn)
all highside switches (T1 to Tn) and drain connections (dl'bis dn ') all lowside switches (Tl'bis Tn') via a third main current conductor (A), to which a third secondary current conductor (A1) with lower current carrying capacity than the
Main current conductor (A) is connected in parallel, connected to one another and to the other connection of the load (L), that the gate connections (gl to gn) of all highside switches (T1 to Tn) are connected to one another via a first control current conductor (G1), and that the gate connections (gl'bis gn ') of all low-side switches (Tl'bis Tn') are connected to one another via a second control current conductor (G2).
3. Circuit structure according to claim 2, characterized in that the main current conductors (D, S, A), the secondary current conductors (D1, Sl, A1) and the control current conductors (G1, G2) are arranged one above the other in four layers which are electrically insulated from one another, wherein in the first, a thick layer, a main conductor (D,
S, A) lies, in the second, a thin layer, the secondary current conductor (D1, Sl, A1) assigned to this main current conductor and the
Control current conductors (G1, G2) lie in the fourth, a thick layer, the other two
Main current conductors (D, S, A), and in the third, a thin layer,
the one in the fourth
Layers of main current conductors assigned to secondary current conductors (S1, Al).
4. Circuit structure according to claim 2, characterized in that the high-side switches (Tl ... Tn) and the low-side switches (Tl '... Tn') each form a row, the two rows being opposite one another so that the one another Connected connections (sl-dl '... sn-dn') of these switches are arranged in two rows, interlocked, with the connections of the switches (Tl ... Tn, Tl '... Tn') being bent that the outer connections (sl ... sn, gl ... gn, sl '... sn', gl '... gn') are bent at a short distance from the semiconductor housing and the middle connection (dl .. ,
dn, dl '... dn') is bent at a greater distance from the semiconductor package.
5. Circuit structure according to claim 2, characterized in that the high-side switches (Tl ... Tn) and the low-side switches (Tl '... Tn') each form a row, the two rows being opposite one another so that the one another Connected connections (sl-dl '... sn-dn') of these switches, which are all bent at the same short distance from the semiconductor package, are opposite each other.
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