EP3417538A1 - Converter - Google Patents

Converter

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Publication number
EP3417538A1
EP3417538A1 EP17702562.4A EP17702562A EP3417538A1 EP 3417538 A1 EP3417538 A1 EP 3417538A1 EP 17702562 A EP17702562 A EP 17702562A EP 3417538 A1 EP3417538 A1 EP 3417538A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
submodule
terminal
switching elements
switching element
submodules
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP17702562.4A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Martin Schulz
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP3417538A1 publication Critical patent/EP3417538A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/003Constructional details, e.g. physical layout, assembly, wiring or busbar connections
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/483Converters with outputs that each can have more than two voltages levels
    • H02M7/4835Converters with outputs that each can have more than two voltages levels comprising two or more cells, each including a switchable capacitor, the capacitors having a nominal charge voltage which corresponds to a given fraction of the input voltage, and the capacitors being selectively connected in series to determine the instantaneous output voltage
    • HELECTRICITY
    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05KPRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K7/00Constructional details common to different types of electric apparatus
    • H05K7/20Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating
    • H05K7/2089Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating for power electronics, e.g. for inverters for controlling motor
    • H05K7/209Heat transfer by conduction from internal heat source to heat radiating structure

Definitions

  • the invention relates to a converter for converting an input voltage applied between two input terminals into an alternating voltage having a predetermined amplitude and frequency for driving a single- or multi-phase load, having at least two submodules of an inverter arm connected in series with one another.
  • Modern modular converter topologies with multilevel characteristics consist of identically structured functional units, which are referred to as submodules and are constructed either as half-bridge or full-bridge submodules. These are connected in series to provide an inverter phase.
  • the interconnection of a large number of half-bridge submodules in series takes up a large amount of installation space. This ensures high costs of the inverter.
  • the power semiconductor switching element Drain or collector terminal of the power semiconductor switching element.
  • the power semiconductor switching element is pressed di ⁇ rectly with its large-area connection contact to a heat sink.
  • an insulator is arranged between these two surfaces.
  • connection cables and in the contact points can be minimized and dissipated by larger cable cross-sections and larger contacts verwen ⁇ det.
  • this in turn means that the construction and connection technology is very large and heavy.
  • a converter for converting an input voltage applied between two input terminals into an alternating voltage of predetermined amplitude and frequency for driving a single- or multi-phase load, comprising at least two submodules of an inverter arm connected in series with each other, each submodule comprising the following a circuit carrier; at least two controllable Switching elements which are electrically interconnected on the circuit carrier; a first submodule port; a second submodule connection.
  • First main terminals of the controllable switching elements of the at least two submodules are thermally connected to a cooling surface of a heat sink.
  • the second Submodulan gleich a first of the at least two sub-modules is connected to a first Submodulan gleich one of the at least two half-bridge two submodules ⁇ th.
  • the converter is characterized in that the connection of the second submodule connection of the first submodule to the first submodule connection of the second submodule is realized by a conductive layer applied to the cooling surface.
  • the series connection of the submodules can be made very compact.
  • the mounting effort is minimized.
  • a direct cooling of the electrical contacts and the conductive layer is realized.
  • the first main terminals of the switching elements surface contacts, which are vollflä ⁇ chig applied to the conductive layer. This not only ensures a high current carrying capacity. Rather, the heat transfer in the direction of the conductive layer and of the heat sink can also take place via the first main connections of the heat transfer in the switching elements. In addition, the manufacturability is facilitated because the first main terminals in a simple manner on the conductive
  • the first main terminals of the switching elements are non-positively
  • the conductive layer is a metal rail, which is connected via the insulation ⁇ layer with the heat sink.
  • a further advantageous embodiment provides that the electrical connection, ie, the node between the second main terminal of the first switching element and the ers ⁇ th main terminal of the second switching element of a jeweili ⁇ gen submodule via one or implemented plurality of conductive paths of the sound ⁇ tung carrier of the submodule is ,
  • the circuit carrier for example, so-called. Dickleiterbahnen (ie conductor thicknesses greater than 400 ⁇ ) have.
  • a further embodiment provides that between the two input terminals per phase two inverters serially ver arms are ⁇ switches, wherein a node point between the two
  • Inverter arms is coupled to an output terminal of an inverter phase.
  • the inverter comprises per
  • Inverterarm and phase at least two submodules.
  • a respective submodule comprises a half bridge with two controllable and serially interconnected switching elements.
  • the first submodule connection is electrically connected to a first main connection of a first of the at least two switching elements (high-side switching element).
  • the second Submodulan gleich is elec trically ⁇ connected to a node of a second main terminal of the first switching element and a first main terminal ei ⁇ nes second of the at least two switching elements (low-side switching element).
  • the submodule comprises a full bridge with two parallel connected
  • Half bridges wherein in a first of the half bridges, a first and a second switching element are connected in series and in a second of the half bridges, a third and a fourth switching element are connected in series.
  • the first submodule terminal is electrically connected to a node of a second main terminal of the first switching element and a first main terminal of the second switching element.
  • the second Submodulan gleich is electrically connected to a node of a second main terminal of the third switching element and a first main terminal of the fourth switching element ver ⁇ prevented.
  • the first main terminals of the first and third switching elements are electrically connected to each other via a further conductive layer on the cooling surface.
  • FIG. 3 shows a schematic representation of two half-bridge submodules arranged on a heat sink in a conventional design variant
  • Fig. 4 is a schematic representation of a plurality of half-bridge submodules on a heat sink in an embodiment of the invention.
  • FIG. 1 shows an inverter phase of a converter in a so-called multi-level topology.
  • eight identically constructed submodules SM1, SM8 are interconnected between an input terminal 101 and an input terminal 102.
  • a node 103 between the half-bridge sub-modules SM4 and SM5 is connected to an output terminal 104 of the inverter phase.
  • the submodules SM1, SM4 interconnected between the input terminal 101 and the node 103 are assigned to an upper inverter arm.
  • the intermediate see the node 103 and the input terminal 102 seri ⁇ ell interconnected submodules SM1, SM8 are associated with a lower Inverterarm. Between the input terminals 101 and 102 is applied to a DC voltage Ui.
  • the input terminals 101, 102 are connections of a DC voltage intermediate circuit (not shown here).
  • a just ⁇ if not shown control circuit which controls the contained in the respective sub ⁇ modules SM1, SM8 switching elements and switch in a suitable manner conductive and blocking tet, can be tapped at the output terminal 104, an AC voltage.
  • each of the half-bridge submodules SM comprises two series-connected switching elements Si, S 2 .
  • the switching elements Si, S2 are for example
  • the drain D as designated first main terminal of the switch Tele ⁇ ments Si is connected to a first Submodulan gleich Xi.
  • Switching element Si is connected to the drain terminal D of the second switching element S2.
  • the node between the source terminal S of the switching element Si and the drain terminal of the switching element S2 forms a second Submo ⁇ dulan gleich X2 ⁇
  • the source terminal of the second shawl Tele ⁇ ments S2 is through a capacitor C SM to the drain terminal of the first Switching element Si connected.
  • an optional output network NW can be connected to the nodes marked with the reference symbols P and N.
  • Submodule connections Xi, X2 of the respective half-bridge Submodu ⁇ le connected in series with each other.
  • the first submodule connection Xi of the submodule SM1 is connected to the input connection 101.
  • the second submodule connection X2 of the submodule SM1 is connected to the first submodule connection Xi of the submodule SM2.
  • the second submodule connection X2 of the submodule SM2 is in turn connected to the first submodule connection of the submodule SM3, etc.
  • the second submodule connection X2 of the submodule SM8 is finally connected to the input connection 102.
  • the output terminal 104 is the inverter phase of the converter 1 via the node 103 both with the second submodule connection X2 of the submodule SM4 and also connected to the first submodule connection Xi of the submodule SM5.
  • FIG. 3 shows a possible design variant for two printed circuit board-based submodules SM1, SM2 arranged adjacently on a heat sink 12.
  • each submodule SM1, SM2 is constructed using discrete power semiconductor switching elements and a circuit carrier. This results in better electrical properties compared to the known from the prior art direct copper bonding (DCB).
  • DCB direct copper bonding
  • the sub-modules SM1, SM2 (applicable in a corresponding manner, this na- Trlich also for the other, in Fig. 3, not shown, submodules SM3, SM8) each comprise a Heidelbergungsträ ⁇ ger 11.
  • On the circuit substrate 11 are two power semiconductors switching elements 10 applied , Each of the power semiconductor switching elements comprises three contact pins, which are plugged and soldered through corresponding openings or bores of the circuit carrier 11 (not shown in detail in FIG. 3).
  • the three contact pins represent the drain terminal D (first main terminal), the source terminal S (second main terminal) and the gate terminal G (control terminal).
  • the conductor 14 may be formed as a thick copper conductor.
  • the electrical connection between the source terminal S of Si and the drain terminal D of S2 forms the second submodule connection X2 explained in connection with FIG. 2.
  • the first submodule connection Xi is the drain terminal D of the power semiconductor circuit labeled Si.
  • switching element 10. The heat dissipation of the power semiconductor switching elements 10 it ⁇ follows directly to the drain terminals D by direct pressing of the formed on the back of the discrete power semiconductor switching elements 10 drain terminals D of the above-mentioned heat sink 12. In order to short-circuit the drain terminals D via the To avoid heat sink 12, a good thermal conductivity insulating layer 13 is applied to the viewer facing side of the heat sink 12. For a close contact between the backside contacts
  • the power semiconductor switching elements for example, be screwed onto the heat sink 12 ⁇ .
  • a cable 15 is used in the arrangement according to FIG. This is screwed, for example, between corresponding contact surfaces of the circuit carrier 11 electrically in the manner shown in Fig. 3. Due to the current heat losses occurring at the contact points between the cable 15 and the respective circuit carriers 11 of the half-bridge submodules SM1, SM2 large cable cross-sections and large contacts are used. However, this leads to the construction and connection technology being very large and heavy.
  • Fig. 4 shows a construction variant according to the invention.
  • the switching module SM1 is shown in part as well as the switching modules SM2 and SM3 connected in series with it.
  • the marked in Fig. 3 by the reference numeral 15 electrical connection is replaced in each case in the OF INVENTION ⁇ to the invention build variant, by a conductive layer 16, which semiconductor switching elements between the discrete power 10 and the insulating layer 13 is arranged on the cooling body 12.
  • the drain terminal of the second switching element S2 of the half-bridge sub-module SM2 and the drain terminal D of the first shawl Tele ⁇ ment Si of the adjacent half-bridge submodule (here: SM3) applied to another conductive layer.
  • the drain terminals of the switch elements of adjacent half bridge sub-modules are thus applied.
  • the series connection of the half-bridge submodules can be made very compact. In particular, results in a compact series circuit with minimal mounting effort. It is a direct cooling of the electrical ⁇ rule contacts and the electrical layers possible.
  • the electrical layers are realized, for example, in the form of metal rails.
  • the node or output terminal can be realized with the aid of the conductive layer.
  • the conductive layer can, for example, a pointing away from the circuit carriers tab (not shown), so that a screw connection or plug-in connection can be made at the output terminal in FLAE ⁇ chenbericht the tab.
  • the inventively proposed structuriva ⁇ variant is characterized in that all contact points (ie, the drain terminals of the power semiconductor switching elements) at the same time are those points at which the heat of the power semiconductor switching elements is dissipated. Thus it ⁇ followed by a lifting of the previous separation of electrical and thermal paths. Rather, these are now more consistent.
  • the cooling of the semiconductor switching elements to the heat sink 12 is only minimally affected by the electrically conductive layer 16, since these can be provided with a very high thermal conductivity value.
  • the conductive layers 16 are made of copper or aluminum or alloys thereof.
  • a full-bridge submodule comprises four switching elements in two parallel paths, whereby two of the switching elements are connected in series to each other.
  • the drain terminals of the two high-side switching elements are connected on a common electrically conductive layer.
  • the low-side switching elements are connected to switching elements of two respectively adjacent full-bridge submodules via a conductive layer.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Inverter Devices (AREA)

Abstract

The invention relates to a converter for converting an input voltage (U1) applied between two input terminals (101, 102) into an alternating voltage with pre-determined amplitude and frequency for controlling a single-phase or multi-phase load, with at least two series-connected submodules (SM; SM1,…,SM8) of an inverter arm. Each submodule (SM; SM1,…,SM8) comprises a circuit carrier (11) and at least two controllable switching elements (S1, S2) which are electrically connected to each other on the circuit carrier (11). Furthermore, each submodule (SM; SM1,…,SM8) comprises a first submodule terminal (X1) and a second submodule terminal (X2). In said converter, first main terminals (D) of the controllable switching elements (S1, S2) of the at least two submodules (SM; SM1,…,SM8) are thermally connected to a cooling surface of a cooling body (12). Furthermore, the second submodule terminal (X2) of a first of the at least two submodules (SM; SM1,…,SM8) is connected to the first sub-module terminal (X1) of a second of the at least two submodules (SM; SM1,…,SM8). The converter is characterised in that the connection of the second submodule terminal (X2) of the first submodule (SM; SM1,…,SM8) to the first submodule terminal (X1) of the second submodule is carried out by a conductive layer (16), e.g. a metal rail, applied to the cooling surface.

Description

Beschreibung Umrichter Die Erfindung betrifft einen Umrichter zur Umwandlung einer zwischen zwei Eingangsanschlüssen anliegenden Eingangsspannung in eine Wechselspannung mit vorbestimmter Amplitude und Frequenz für die Ansteuerung einer ein- oder mehrphasigen Last, mit zumindest zwei seriell miteinander verschalteten Submodulen eines Inverterarms . The invention relates to a converter for converting an input voltage applied between two input terminals into an alternating voltage having a predetermined amplitude and frequency for driving a single- or multi-phase load, having at least two submodules of an inverter arm connected in series with one another.
Moderne modulare Umrichtertopologien mit Multilevel-Charak- teristik bestehen aus identisch aufgebauten Funktionseinheiten, die als Submodule bezeichnet werden und entweder als Halbbrücken- oder Vollbrücken-Submodule aufgebaut sind. Diese werden zur Bereitstellung einer Inverterphase miteinander in Serie geschaltet. Die Verschaltung einer Vielzahl von Halb- brücken-Submodulen in Serie nimmt viel Bauraum ein. Dies sorgt für hohe Kosten des Umrichters. Modern modular converter topologies with multilevel characteristics consist of identically structured functional units, which are referred to as submodules and are constructed either as half-bridge or full-bridge submodules. These are connected in series to provide an inverter phase. The interconnection of a large number of half-bridge submodules in series takes up a large amount of installation space. This ensures high costs of the inverter.
Im Niederspannungsbereich ist es üblich, modulare Topologien aus, im Allgemeinen Leiterplatten-basierten, Submodule mit diskreten Leistungshalbleiterschaltelementen aufzubauen. In the low voltage area, it is common to build modular topologies, generally circuit board based, submodules with discrete power semiconductor switching elements.
Durch die Nutzung von Leiterplatten ergeben sich weitere Probleme durch die begrenzte Stromtragfähigkeit der Leiter¬ platten und den, im Vergleich zu Leistungsmodulen, bei denen die Leistungshalbleiterschaltelemente direkt auf einen Träger aufgebracht werden (sog. Direct Copper Bonding (DCB) ) , schlechteren Kühlbedingungen. In den Verbindungskabeln und den Kontaktstellen zwischen Verbindungskabeln und Leiterplatten entstehen erhebliche Stromwärmeverluste, welche abgeführt werden müssen. The use of printed circuit boards results in further problems due to the limited current carrying capacity of the printed circuit boards and, compared to power modules in which the power semiconductor switching elements are applied directly to a carrier (so-called direct copper bonding (DCB)), poorer cooling conditions. In the connection cables and the contact points between connecting cables and printed circuit boards, significant current heat losses occur, which must be dissipated.
Die elektrische Verbindung zwischen den diskreten Leistungs- halbleiterschaltelementen und den Schraub- oder Klemmkontakten der Kabel wird über Kupferbahnen auf den Schaltungsträ¬ gern realisiert. Damit die benötigte Stromtragfähigkeit ge¬ währleistet werden kann, kommen teure Hochstromschaltungsträ- ger zum Einsatz. Diese sind als Dickkupfer-Platinen oder Platinen mit eingelegten Kupferprofilen bekannt. The electrical connection between the discrete power semiconductor switching elements and the screw or terminal contacts of the cable is realized via copper tracks on the Schaltungsträ ¬ like. So that the current carrying capacity required can be ensured ge ¬ come expensive Hochstromschaltungsträ- ger used. These are known as thick copper boards or boards with inserted copper profiles.
Die Entwärmung bei einem Leiterplatten-basierten Umrichter erfolgt direkt an einem Hauptanschluss (in der Regel demThe heat dissipation in a PCB-based converter takes place directly at a main connection (usually the
Drain- oder Kollektoranschluss des Leistungshalbleiterschalt- elements) . Dazu wird das Leistungshalbleiterschaltelement di¬ rekt mit seinem großflächigen Anschlusskontakt an einen Kühlkörper gepresst. Um eine elektrische Verbindung zwischen dem Anschlusskontakt und dem Kühlkörper zu vermeiden, ist zwischen diesen beiden Flächen ein Isolator angeordnet. Drain or collector terminal of the power semiconductor switching element). For this purpose, the power semiconductor switching element is pressed di ¬ rectly with its large-area connection contact to a heat sink. In order to avoid an electrical connection between the terminal contact and the heat sink, an insulator is arranged between these two surfaces.
Die Stromwärmeverluste in den Verbindungskabeln und in den Kontaktstellen können dadurch minimiert und abgeführt werden, indem größere Kabelquerschnitte und größere Kontakte verwen¬ det werden. Dies führt jedoch wiederum dazu, dass die Aufbau- und Verbindungstechnik sehr groß und schwer ausfällt. The current heat losses in the connection cables and in the contact points can be minimized and dissipated by larger cable cross-sections and larger contacts verwen ¬ det. However, this in turn means that the construction and connection technology is very large and heavy.
Die Leiterplatten basierte Realisierung eines Umrichters wird gegenüber DCB-basierten Umrichtern dennoch häufig bevorzugt, da ein solcher Umrichter bessere elektrische Eigenschaften aufweist . Nevertheless, the circuit-board-based realization of an inverter is often preferred over DCB-based converters, since such an inverter has better electrical properties.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Um- richter anzugeben, der baulich und/oder funktional verbessert ist . It is therefore an object of the present invention to provide a converter, which is structurally and / or functionally improved.
Diese Aufgabe wird durch einen Umrichter gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen. This object is achieved by a converter according to the features of claim 1. Advantageous embodiments will be apparent from the dependent claims.
Es wird ein Umrichter zur Umwandlung einer zwischen zwei Eingangsanschlüssen anliegenden Eingangsspannung in eine Wechselspannung mit vorbestimmter Amplitude und Frequenz für die Ansteuerung einer ein- oder mehrphasigen Last vorgeschlagen, mit zumindest zwei seriell miteinander verschalteten Submodu- len eines Inverterarms , wobei jedes Submodul folgendes um- fasst: einen Schaltungsträger; zumindest zwei steuerbare Schaltelemente, die auf dem Schaltungsträger elektrisch miteinander verschaltet sind; einen ersten Submodulanschluss; einen zweiten Submodulanschluss. Erste Hauptanschlüsse der steuerbaren Schaltelemente der zumindest zwei Submodule sind thermisch an eine Kühlfläche eines Kühlkörpers angeschlossen. Der zweite Submodulanschluss eines ersten der zumindest zwei Submodule ist mit einem ersten Submodulanschluss eines zwei¬ ten der zumindest zwei Halbbrücken-Submodule verbunden. Der Umrichter zeichnet sich dadurch aus, dass die Verbindung des zweiten Submodulanschlusses des ersten Submoduls mit dem ersten Submodulanschluss des zweiten Submoduls durch eine auf der Kühlfläche aufgebrachte leitfähige Schicht realisiert ist . A converter is proposed for converting an input voltage applied between two input terminals into an alternating voltage of predetermined amplitude and frequency for driving a single- or multi-phase load, comprising at least two submodules of an inverter arm connected in series with each other, each submodule comprising the following a circuit carrier; at least two controllable Switching elements which are electrically interconnected on the circuit carrier; a first submodule port; a second submodule connection. First main terminals of the controllable switching elements of the at least two submodules are thermally connected to a cooling surface of a heat sink. The second Submodulanschluss a first of the at least two sub-modules is connected to a first Submodulanschluss one of the at least two half-bridge two submodules ¬ th. The converter is characterized in that the connection of the second submodule connection of the first submodule to the first submodule connection of the second submodule is realized by a conductive layer applied to the cooling surface.
Hierdurch wird es ermöglicht, einen Umrichter bereitzustel¬ len, bei dem die Submodule Leiterplatten basiert aufgebaut sind. Dadurch lassen sich gute elektrisch Eigenschaften der Submodule und insgesamt des Umrichters bereitstellen. Gleich- zeitig wird durch die Anbindung der Submodulanschlüsse über eine auf die Kühlfläche aufgebrachte leitfähige Schicht eine gute Wärmeabfuhr der in den Halbleiterschaltelementen im Betrieb anfallenden Wärme ermöglicht. Insbesondere ermöglicht es dieser Aufbau, die elektrischen Kontakte direkt zu kühlen. This makes it possible, an inverter bereitzustel ¬ len, in which the sub-modules based PCBs are built. This makes it possible to provide good electrical properties of the submodules and of the converter as a whole. At the same time, the connection of the submodule connections via a conductive layer applied to the cooling surface enables a good heat dissipation of the heat arising in operation in the semiconductor switching elements. In particular, this structure makes it possible to cool the electrical contacts directly.
Durch eine ausschließliche Kontaktierung der Submodule über die ersten Hauptanschlüsse der zwei Schaltelemente kann die Serienschaltung der Submodule sehr kompakt aufgebaut werden. Insbesondere ist der Befestigungsaufwand minimiert. Weiterhin wird eine direkte Kühlung der elektrischen Kontakte und der leitfähigen Schicht realisiert. By exclusively contacting the submodules via the first main terminals of the two switching elements, the series connection of the submodules can be made very compact. In particular, the mounting effort is minimized. Furthermore, a direct cooling of the electrical contacts and the conductive layer is realized.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass auf dem Schaltungs¬ träger der Submodule ein verringerter Stromfluss im Vergleich zu einem herkömmlichen Submodul auftritt, da der Strom direkt über die ersten Hauptanschlüsse der Schaltelemente abgenommen wird. Dadurch ergibt sich eine vorteilhafte geringere thermi¬ sche Beanspruchung der Schaltungsträger. Gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung sind die ersten Hauptanschlüsse der Schaltelemente Flächenkontakte, die vollflä¬ chig auf die leitfähige Schicht aufgebracht werden. Dadurch wird nicht nur eine große Stromtragfähigkeit sichergestellt. Vielmehr kann auch über die ersten Hauptanschlüsse der Wärmetransfer der in den Schaltelementen erzeugten Wärme in Richtung der leitfähigen Schicht und des Kühlkörpers erfolgen. Zudem wird die Herstellbarkeit erleichtert, da die ersten Hauptanschlüsse auf einfache Weise über die leitfähige Another advantage is that a reduced current flow occurs on the circuit ¬ carrier of the submodules compared to a conventional submodule, since the current is removed directly via the first main terminals of the switching elements. This results in an advantageous lower thermal ¬ cal stress of the circuit carrier. According to an expedient embodiment, the first main terminals of the switching elements surface contacts, which are vollflä ¬ chig applied to the conductive layer. This not only ensures a high current carrying capacity. Rather, the heat transfer in the direction of the conductive layer and of the heat sink can also take place via the first main connections of the heat transfer in the switching elements. In addition, the manufacturability is facilitated because the first main terminals in a simple manner on the conductive
Schicht mit dem Kühlkörper verbunden werden können. Es ist zu betonen, dass hierbei handelsübliche diskrete Leistungshalb- leiterschaltelemente als Schaltelemente der Submodule zum Einsatz kommen können.  Layer can be connected to the heat sink. It should be emphasized that commercially available discrete power semiconductor switching elements can be used as switching elements of the submodules.
Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung sind die ersten Hauptanschlüsse der Schaltelemente kraftschlüssig According to a further expedient embodiment, the first main terminals of the switching elements are non-positively
und/oder Stoffschlüssig mit der leitfähigen Schicht verbunden. Hierdurch ist eine gute Stromtragfähigkeit zwischen den ersten Hauptanschlüssen von Schaltelementen benachbarter Submodule über die leitfähige Schicht sichergestellt. Gleichzei¬ tig wird ein guter Wärmetransfer zu dem Kühlkörper gewährleistet . Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung ist die leitfähige Schicht eine Metallschiene, die über die Isolations¬ schicht mit dem Kühlkörper verbunden ist. and / or cohesively connected to the conductive layer. This ensures a good current-carrying capacity between the first main terminals of switching elements of adjacent submodules via the conductive layer. Gleichzei ¬ tig a good heat transfer is ensured to the heat sink. According to a further expedient embodiment, the conductive layer is a metal rail, which is connected via the insulation ¬ layer with the heat sink.
Eine weitere zweckmäßige Ausgestaltung sieht vor, dass die elektrische Verbindung, d.h. der Knotenpunkt, zwischen dem zweiten Hauptanschluss des ersten Schaltelements und dem ers¬ ten Hauptanschluss des zweiten Schaltelements eines jeweili¬ gen Submoduls über eine oder mehrere Leiterbahnen des Schal¬ tungsträgers des Submoduls realisiert ist. Hierzu kann der Schaltungsträger beispielsweise sog. Dickleiterbahnen (d.h. Leiterbahndicken von größer als 400 μιη) aufweisen. Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass zwischen den zwei Eingangsanschlüssen pro Phase zwei Inverterarme seriell ver¬ schaltet sind, wobei ein Knotenpunkt zwischen den zwei A further advantageous embodiment provides that the electrical connection, ie, the node between the second main terminal of the first switching element and the ers ¬ th main terminal of the second switching element of a jeweili ¬ gen submodule via one or implemented plurality of conductive paths of the sound ¬ tung carrier of the submodule is , For this purpose, the circuit carrier, for example, so-called. Dickleiterbahnen (ie conductor thicknesses greater than 400 μιη) have. A further embodiment provides that between the two input terminals per phase two inverters serially ver arms are ¬ switches, wherein a node point between the two
Inverterarmen mit einem Ausgangsanschluss einer Inverterphase gekoppelt ist. Insbesondere umfasst der Umrichter pro Inverter arms is coupled to an output terminal of an inverter phase. In particular, the inverter comprises per
Inverterarm und Phase zumindest zwei Submodule. Inverterarm and phase at least two submodules.
Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung umfasst ein jeweiliges Submodul eine Halbbrücke mit zwei steuerbaren und seriell verschalteten Schaltelementen. Der erste Submodulan- schluss ist elektrisch mit einem ersten Hauptanschluss eines ersten der zumindest zwei Schaltelemente (High-Side-Schalt- element) verbunden. Der zweite Submodulanschluss ist elek¬ trisch mit einem Knotenpunkt eines zweiten Hauptanschlusses des ersten Schaltelements und einem ersten Hauptanschluss ei¬ nes zweiten der zumindest zwei Schaltelemente (Low-Side- Schaltelement ) verbunden. According to a further expedient embodiment, a respective submodule comprises a half bridge with two controllable and serially interconnected switching elements. The first submodule connection is electrically connected to a first main connection of a first of the at least two switching elements (high-side switching element). The second Submodulanschluss is elec trically ¬ connected to a node of a second main terminal of the first switching element and a first main terminal ei ¬ nes second of the at least two switching elements (low-side switching element).
Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung umfasst das Submodul eine Vollbrücke mit zwei parallel verschaltetenAccording to a further expedient embodiment, the submodule comprises a full bridge with two parallel connected
Halbbrücken, wobei in einer ersten der Halbbrücken ein erstes und ein zweites Schaltelement in Serie verschaltet sind und in einer zweiten der Halbbrücken ein drittes und ein viertes Schaltelement in Serie verschaltet sind. Der erste Submodul- anschluss ist elektrisch mit einem Knotenpunkt eines zweiten Hauptanschlusses des ersten Schaltelements und einem ersten Hauptanschluss des zweiten Schaltelements verbunden. Der zweite Submodulanschluss ist elektrisch mit einem Knotenpunkt eines zweiten Hauptanschlusses des dritten Schaltelements und einem ersten Hauptanschluss des vierten Schaltelements ver¬ bunden. Die ersten Hauptanschlüsse des ersten und dritten Schaltelements sind über eine weitere leitfähige Schicht auf der Kühlfläche elektrisch miteinander verbunden. Bei dieser Variante ist es zweckmäßig, wenn die weitere leit¬ fähige Schicht zwischen den leitfähigen Schichten des ersten und des zweiten Submodulanschlusses auf dem Kühlkörper ange¬ ordnet ist. Die Erfindung wird nachfolgend näher anhand eines Ausfüh¬ rungsbeispiels in der Zeichnung erläutert. Es zeigen: Fig. 1 die serielle Verschaltung einer Anzahl von Submodu- len zur Bereitstellung einer Inverterphase zwischen einem Eingangsanschluss und einem Ausgangsan- schluss ; Fig. 2 ein elektrisches Ersatzschaltbild eines Halbbrü¬ cken-Submoduls ; Half bridges, wherein in a first of the half bridges, a first and a second switching element are connected in series and in a second of the half bridges, a third and a fourth switching element are connected in series. The first submodule terminal is electrically connected to a node of a second main terminal of the first switching element and a first main terminal of the second switching element. The second Submodulanschluss is electrically connected to a node of a second main terminal of the third switching element and a first main terminal of the fourth switching element ver ¬ prevented. The first main terminals of the first and third switching elements are electrically connected to each other via a further conductive layer on the cooling surface. In this variant, it is expedient if the further routing ¬ compatible layer between the conductive layers of the first and second Submodulanschlusses on the cooling body is arranged ¬ is. The invention is explained in more detail below with reference to an exporting ¬ approximately embodiment in the drawing. 1 shows the serial connection of a number of submodules for providing an inverter phase between an input terminal and an output terminal; Fig. 2 is an electrical equivalent circuit of a Halbbrü ¬ CKEN sub-module;
Fig. 3 eine schematische Darstellung zweier an einem Kühlkörper angeordneter Halbbrücken-Submodule in einer herkömmlichen Aufbauvariante ; und 3 shows a schematic representation of two half-bridge submodules arranged on a heat sink in a conventional design variant; and
Fig. 4 eine schematische Darstellung mehrerer Halbbrücken- Submodule an einem Kühlkörper in einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung. Fig. 4 is a schematic representation of a plurality of half-bridge submodules on a heat sink in an embodiment of the invention.
Fig. 1 zeigt eine Inverterphase eines Umrichters in sog. Mul- tilevel-Topologie . Bei diesem sind zwischen einem Eingangsanschluss 101 und einem Eingangsanschluss 102 beispielhaft acht identisch aufgebaute Submodule SM1, SM8 miteinander ver- schaltet. Ein Knotenpunkt 103 zwischen den Halbbrücken-Sub- modulen SM4 und SM5 ist mit einem Ausgangsanschluss 104 der Inverterphase verbunden. Die zwischen dem Eingangsanschluss 101 und dem Knotenpunkt 103 verschalteten Submodule SM1, SM4 sind dabei einem oberen Inverterarm zugeordnet. Die zwi- sehen dem Knotenpunkt 103 und dem Eingangsanschluss 102 seri¬ ell verschalteten Submodule SM1, SM8 sind einem unteren Inverterarm zugeordnet. Zwischen den Eingangsanschlüssen 101 und 102 liegt eine Gleichspannung Ui an. Die Eingangsanschlüsse 101, 102 sind Anschlüsse eines hier nicht näher dar- gestellten Gleichspannungszwischenkreises. Durch eine eben¬ falls nicht dargestellte Steuerschaltung, die die in den je¬ weiligen Submodulen SM1, SM8 enthaltenen Schaltelemente ansteuert und in geeigneter Weise leitend und sperrend schal- tet, kann an dem Ausgangsanschluss 104 eine Wechselspannung abgegriffen werden. 1 shows an inverter phase of a converter in a so-called multi-level topology. In this example, eight identically constructed submodules SM1, SM8 are interconnected between an input terminal 101 and an input terminal 102. A node 103 between the half-bridge sub-modules SM4 and SM5 is connected to an output terminal 104 of the inverter phase. The submodules SM1, SM4 interconnected between the input terminal 101 and the node 103 are assigned to an upper inverter arm. The intermediate see the node 103 and the input terminal 102 seri ¬ ell interconnected submodules SM1, SM8 are associated with a lower Inverterarm. Between the input terminals 101 and 102 is applied to a DC voltage Ui. The input terminals 101, 102 are connections of a DC voltage intermediate circuit (not shown here). By a just ¬ if not shown control circuit, which controls the contained in the respective sub ¬ modules SM1, SM8 switching elements and switch in a suitable manner conductive and blocking tet, can be tapped at the output terminal 104, an AC voltage.
Fig. 2 zeigt ein elektrisches Ersatzschaltbild der identisch aufgebauten Submodule SM1, SM8 in Gestalt eines Halbbrü- cken-Submoduls . So umfasst jedes der Halbbrücken-Submodule SM zwei seriell verschaltete Schaltelemente Si, S2. Bei den Schaltelementen Si, S2 handelt es sich beispielsweise um 2 shows an electrical equivalent circuit diagram of the identically constructed submodules SM1, SM8 in the form of a half-bridge submodule. Thus, each of the half-bridge submodules SM comprises two series-connected switching elements Si, S 2 . The switching elements Si, S2 are for example
MOSFETs oder andere steuerbare Halbleiterschaltelemente. Der als Drain D bezeichnete erste Hauptanschluss des Schaltele¬ ments Si ist mit einem ersten Submodulanschluss Xi verbunden. Der als Source S bezeichnete zweite Hauptanschluss des MOSFETs or other controllable semiconductor switching elements. The drain D as designated first main terminal of the switch Tele ¬ ments Si is connected to a first Submodulanschluss Xi. The second main terminal of the
Schaltelements Si ist mit dem Drain-Anschluss D des zweiten Schaltelements S2 verbunden. Der Knotenpunkt zwischen dem Source-Anschluss S des Schaltelements Si und dem Drain- Anschluss des Schaltelements S2 bildet einen zweiten Submo¬ dulanschluss X2 · Der Source-Anschluss des zweiten Schaltele¬ ments S2 ist über einen Kondensator CSM mit dem Drain- Anschluss des ersten Schaltelements Si verbunden. Parallel zu dem Kondensator CSM kann an die mit den Bezugszeichen P und N gekennzeichneten Knotenpunkte ein optionales Ausgangsnetzwerk NW angeschlossen sein. Switching element Si is connected to the drain terminal D of the second switching element S2. The node between the source terminal S of the switching element Si and the drain terminal of the switching element S2 forms a second Submo ¬ dulanschluss X2 · The source terminal of the second shawl Tele ¬ ments S2 is through a capacitor C SM to the drain terminal of the first Switching element Si connected. Parallel to the capacitor C SM , an optional output network NW can be connected to the nodes marked with the reference symbols P and N.
Zur Bereitstellung einer Inverterphase mit Multilevel-Charak- teristik, wie diese in Fig. 1 dargestellt ist, werden dieTo provide an inverter phase with multilevel characteristics, as shown in FIG
Submodulanschlüsse Xi, X2 der jeweiligen Halbbrücken-Submodu¬ le in Serie miteinander verschaltet. So ist, wie dies Fig. 1 unschwer zu entnehmen ist, der erste Submodulanschluss Xi des Submoduls SM1 mit dem Eingangsanschluss 101 verbunden. Der zweite Submodulanschluss X2 des Submoduls SM1 ist mit dem ersten Submodulanschluss Xi des Submoduls SM2 verbunden. Der zweite Submodulanschluss X2 des Submoduls SM2 ist wiederum mit dem ersten Submodulanschluss des Submoduls SM3 verbunden, usw. Der zweite Submodulanschluss X2 des Submoduls SM8 ist schließlich mit dem Eingangsanschluss 102 verbunden. Wie ebenfalls unschwer der Fig. 1 zu entnehmen ist, ist der Ausgangsanschluss 104 der Inverterphase des Umrichters 1 über den Knotenpunkt 103 sowohl mit dem zweiten Submodulanschluss X2 des Submoduls SM4 als auch mit dem ersten Submodulan- schluss Xi des Submoduls SM5 verbunden. Submodule connections Xi, X2 of the respective half-bridge Submodu ¬ le connected in series with each other. Thus, as can easily be deduced from FIG. 1, the first submodule connection Xi of the submodule SM1 is connected to the input connection 101. The second submodule connection X2 of the submodule SM1 is connected to the first submodule connection Xi of the submodule SM2. The second submodule connection X2 of the submodule SM2 is in turn connected to the first submodule connection of the submodule SM3, etc. The second submodule connection X2 of the submodule SM8 is finally connected to the input connection 102. 1, the output terminal 104 is the inverter phase of the converter 1 via the node 103 both with the second submodule connection X2 of the submodule SM4 and also connected to the first submodule connection Xi of the submodule SM5.
Diese Verschaltung nimmt in dem Umrichter 1 viel Bauraum in Ansprüche. Fig. 3 zeigt eine mögliche Aufbauvariante für zwei benachbart auf einem Kühlkörper 12 angeordnete, Leiterplat- ten-basierte Submodule SM1, SM2. Bei dieser Aufbauvariante ist jedes Submodul SM1, SM2 unter Verwendung von diskreten Leistungshalbleiterschaltelementen und einem Schaltungsträger aufgebaut. Hierdurch ergeben sich im Vergleich zu dem aus dem Stand der Technik bekannten Direct Copper Bonding (DCB) bessere elektrische Eigenschaften. This interconnection takes in the inverter 1 a lot of space in claims. FIG. 3 shows a possible design variant for two printed circuit board-based submodules SM1, SM2 arranged adjacently on a heat sink 12. In this design variant, each submodule SM1, SM2 is constructed using discrete power semiconductor switching elements and a circuit carrier. This results in better electrical properties compared to the known from the prior art direct copper bonding (DCB).
Die Submodule SM1, SM2 (in entsprechender Weise gilt dies na- türlich auch für die weiteren, in Fig. 3 nicht dargestellten Submodule SM3, SM8) umfassen jeweils einen Schaltungsträ¬ ger 11. Auf den Schaltungsträger 11 sind jeweils zwei Leis- tungshalbleiterschaltelemente 10 aufgebracht. Jedes der Leis- tungshalbleiterschaltelemente umfasst drei Kontaktpins, wel- che durch entsprechende, in Fig. 3 nicht näher dargestellte Öffnungen oder Bohrungen des Schaltungsträgers 11 gesteckt und verlötet sind. Die drei Kontaktpins stellen den Drain- Anschluss D (erster Hauptanschluss ) , den Source-Anschluss S (zweiter Hauptanschluss) und den Gate-Anschluss G (Steueran- schluss) dar. Eine elektrische Verbindung zwischen dem Source-Anschluss des mit Si gekennzeichneten Leistungshalbleiter- schaltelements 10 und dem Drain-Anschluss des mit S2 gekenn¬ zeichneten Leistungshalbleiterschaltelements 10 erfolgt über eine Leiterbahn 14. Aufgrund des hohen fließenden Stromes kann hierbei die Leiterbahn 14 als Dickkupfer-Leiterbahn ausgebildet sein. Die elektrische Verbindung zwischen dem Source-Anschluss S von Si und dem Drain-Anschluss D von S2 bildet den in Verbindung mit Fig. 2 erläuterten zweiten Submodulan- schluss X2 · Der erste Submodulanschluss Xi ist der Drain- Anschluss D des mit Si gekennzeichneten Leistungshalbleiter- schaltelements 10. Die Entwärmung der Leistungshalbleiterschaltelemente 10 er¬ folgt direkt an deren Drain-Anschlüssen D durch direktes Aufpressen der auf der Rückseite der diskreten Leistungshalblei- terschaltelemente 10 ausgebildeten Drain-Anschlüssen D an den bereits erwähnten Kühlkörper 12. Um einen Kurzschluss der Drain-Anschlüsse D über den Kühlkörper 12 zu vermeiden, ist auf der dem Betrachter zugewandten Seite des Kühlkörpers 12 eine gut wärmeleitende Isolationsschicht 13 aufgebracht. Um einen innigen Kontakt zwischen den Rückseitenkontakten The sub-modules SM1, SM2 (applicable in a corresponding manner, this na- Türlich also for the other, in Fig. 3, not shown, submodules SM3, SM8) each comprise a Schaltungsträ ¬ ger 11. On the circuit substrate 11 are two power semiconductors switching elements 10 applied , Each of the power semiconductor switching elements comprises three contact pins, which are plugged and soldered through corresponding openings or bores of the circuit carrier 11 (not shown in detail in FIG. 3). The three contact pins represent the drain terminal D (first main terminal), the source terminal S (second main terminal) and the gate terminal G (control terminal). An electrical connection between the source terminal of the power semiconductor marked Si. Switching element 10 and the drain terminal of the gekenn ¬ marked with S2 ¬ power semiconductor switching element 10 via a conductor 14. Due to the high current flowing here, the conductor 14 may be formed as a thick copper conductor. The electrical connection between the source terminal S of Si and the drain terminal D of S2 forms the second submodule connection X2 explained in connection with FIG. 2. The first submodule connection Xi is the drain terminal D of the power semiconductor circuit labeled Si. switching element 10. The heat dissipation of the power semiconductor switching elements 10 it ¬ follows directly to the drain terminals D by direct pressing of the formed on the back of the discrete power semiconductor switching elements 10 drain terminals D of the above-mentioned heat sink 12. In order to short-circuit the drain terminals D via the To avoid heat sink 12, a good thermal conductivity insulating layer 13 is applied to the viewer facing side of the heat sink 12. For a close contact between the backside contacts
(Drain-Anschlüsse) der Leistungshalbleiterschaltelemente 10 und dem Kühlkörper 12 sicherzustellen, können die Leistungs- halbleiterschaltelemente z.B. auf den Kühlkörper 12 aufge¬ schraubt sein. Zur Herstellung der elektrischen Verbindung zwischen dem zweiten Submodulanschluss X2 des Submoduls SM1 und dem ersten Submodulanschluss Xi des Submoduls SM2 wird bei der Anordnung gemäß Fig. 3 ein Kabel 15 genutzt. Dies wird beispielsweise zwischen entsprechenden Kontaktflächen der Schaltungsträger 11 elektrisch in der in Fig. 3 gezeigten Weise verschraubt. Aufgrund der an den Kontaktstellen auftretenden Stromwärmeverluste zwischen dem Kabel 15 und den betreffenden Schaltungsträgern 11 der Halbbrücken-Submodule SM1, SM2 werden große Kabelquerschnitte und große Kontakte verwendet. Dies führt jedoch dazu, dass die Aufbau- und Verbindungstechnik sehr groß und schwer ausfällt. To ensure (drain terminals) of the power semiconductor switching elements 10 and the heat sink 12, the power semiconductor switching elements, for example, be screwed onto the heat sink 12 ¬ . In order to produce the electrical connection between the second submodule connection X2 of the submodule SM1 and the first submodule connection Xi of the submodule SM2, a cable 15 is used in the arrangement according to FIG. This is screwed, for example, between corresponding contact surfaces of the circuit carrier 11 electrically in the manner shown in Fig. 3. Due to the current heat losses occurring at the contact points between the cable 15 and the respective circuit carriers 11 of the half-bridge submodules SM1, SM2 large cable cross-sections and large contacts are used. However, this leads to the construction and connection technology being very large and heavy.
Fig. 4 zeigt eine erfindungsgemäße Aufbauvariante . In der Darstellung der Fig. 4 sind dabei das Schaltmodul SM1 teil- weise sowie die seriell mit diesem verschalteten Schaltmodule SM2 und SM3 dargestellt. Die in Fig. 3 mit dem Bezugszeichen 15 gekennzeichnete elektrische Verbindung ist in der erfin¬ dungsgemäßen Aufbauvariante jeweils durch eine leitfähige Schicht 16 ersetzt, welche zwischen den diskreten Leistungs- halbleiterschaltelementen 10 und der Isolationsschicht 13 auf dem Kühlkörper 12 angeordnet ist. Dabei sind der Drain-An- schluss des zweiten Schaltelements S2 eines Halbbrücken-Sub- moduls (z.B. SM1) und der Drain-Anschluss des ersten Schalt- elements Si des benachbarten Halbbrücken-Submoduls (SM2) auf der leitfähigen Schicht 16 aufgebracht und elektrisch leitend mit dieser verbunden. In entsprechender Weise ist der Drain- Anschluss des zweiten Schaltelements S2 des Halbbrücken- Submoduls SM2 und der Drain-Anschluss D des ersten Schaltele¬ ments Si des benachbarten Halbbrücken-Submoduls (hier: SM3) auf einer anderen leitfähigen Schicht aufgebracht. Auf einer jeweiligen leitfähigen Schicht 16 sind somit jeweils paarwei¬ se die Drain-Anschlüsse der Schaltelemente benachbarter Halb- brücken-Submodule aufgebracht. Fig. 4 shows a construction variant according to the invention. In the illustration of FIG. 4, the switching module SM1 is shown in part as well as the switching modules SM2 and SM3 connected in series with it. The marked in Fig. 3 by the reference numeral 15 electrical connection is replaced in each case in the OF INVENTION ¬ to the invention build variant, by a conductive layer 16, which semiconductor switching elements between the discrete power 10 and the insulating layer 13 is arranged on the cooling body 12. In this case, the drain connection of the second switching element S2 of a half-bridge submodule (eg SM1) and the drain connection of the first switching element elements Si of the adjacent half-bridge submodule (SM2) applied to the conductive layer 16 and electrically conductively connected thereto. Similarly, the drain terminal of the second switching element S2 of the half-bridge sub-module SM2, and the drain terminal D of the first shawl Tele ¬ ment Si of the adjacent half-bridge submodule (here: SM3) applied to another conductive layer. On a respective conductive layer 16, respectively paarwei ¬ se, the drain terminals of the switch elements of adjacent half bridge sub-modules are thus applied.
Durch die ausschließliche Kontaktierung der Drain-Anschlüsse D der Halbbrücken-Submodule SM der diskreten Leistungshalb- leiterschaltelemente kann die Serienschaltung der Halbbrü- cken-Submodule sehr kompakt aufgebaut werden. Insbesondere ergibt sich eine kompakte Serienschaltung mit minimalem Befestigungsaufwand. Es ist eine direkte Kühlung der elektri¬ schen Kontakte und der elektrischen Schichten möglich. Die elektrischen Schichten sind beispielsweise in Gestalt von Me- tallschienen realisiert. By exclusively contacting the drain terminals D of the half-bridge submodules SM of the discrete power semiconductor switching elements, the series connection of the half-bridge submodules can be made very compact. In particular, results in a compact series circuit with minimal mounting effort. It is a direct cooling of the electrical ¬ rule contacts and the electrical layers possible. The electrical layers are realized, for example, in the form of metal rails.
Der Knotenpunkt bzw. Ausgangsanschluss lässt sich mit Hilfe der leitfähigen Schicht realisieren. So kann die leitfähige Schicht beispielsweise eine von den Schaltungsträgern weg weisende Lasche (nicht gezeigt) aufweisen, so dass im Flä¬ chenbereich der Lasche eine Verschraubung oder Steckverbindung zu dem Ausgangsanschluss erfolgen kann. The node or output terminal can be realized with the aid of the conductive layer. Thus, the conductive layer can, for example, a pointing away from the circuit carriers tab (not shown), so that a screw connection or plug-in connection can be made at the output terminal in FLAE ¬ chenbereich the tab.
Es ergibt sich ein verringerter Stromfluss über den jeweili- gen Schaltungsträger der Halbbrücken-Submodule, da ein Gro߬ teil des Stroms direkt an den Drain-Anschlüssen der Leis- tungshalbleiterschaltelemente abgenommen wird. Dadurch ergibt sich eine geringere thermische Beanspruchung der jeweiligen Schaltungsträger . This results in a reduced current flow via the respective gene circuit carrier of the half-bridge submodules, as a large ¬ part of the current is taken directly to the drain terminals of the power semiconductors switching elements. This results in a lower thermal stress on the respective circuit carrier.
Ermöglicht wird die erfindungsgemäß vorgeschlagene Aufbauva¬ riante dadurch, dass alle Kontaktierungsstellen (d.h. die Drain-Anschlüsse der Leistungshalbleiterschaltelemente) gleichzeitig diejenigen Stellen sind, an denen die Wärme der Leistungshalbleiterschaltelemente abgeführt wird. Dadurch er¬ folgt eine Aufhebung der bisherigen Trennung zwischen elektrischen und thermischen Pfaden. Vielmehr stimmen diese nun- mehr überein. The inventively proposed Aufbauva ¬ variant is characterized in that all contact points (ie, the drain terminals of the power semiconductor switching elements) at the same time are those points at which the heat of the power semiconductor switching elements is dissipated. Thus it ¬ followed by a lifting of the previous separation of electrical and thermal paths. Rather, these are now more consistent.
Die Entwärmung der Halbleiterschaltelemente zum Kühlkörper 12 wird durch die elektrisch leitfähige Schicht 16 nur minimal beeinflusst, da diese mit einem sehr hohen thermischen Leit- wert bereitgestellt werden können. Bevorzugt bestehen die leitfähigen Schichten 16 aus Kupfer oder Aluminium oder Legierungen davon. The cooling of the semiconductor switching elements to the heat sink 12 is only minimally affected by the electrically conductive layer 16, since these can be provided with a very high thermal conductivity value. Preferably, the conductive layers 16 are made of copper or aluminum or alloys thereof.
In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wurde die Erfindung in den Figuren 2 bis 4 anhand von Halbbrücken-Submodulen einer Inverterphase beschrieben. Das erfindungsgemäße Prinzip lässt sich ohne weiteres auch auf Vollbrücken-Submodule über¬ tragen. Ein Vollbrücken-Submodul umfasst vier Schaltelemente in zwei parallelen Pfaden, wobei je Pfad zwei der Schaltele- mente seriell miteinander verschaltet sind. Bei einem solchen Vollbrücken-Submodul sind die Drain-Anschlüsse der beiden High-Side-Schaltelemente auf einer gemeinsamen elektrisch leitenden Schicht verschaltet. Die Low-Side-Schaltelemente sind demgegenüber mit Schaltelementen zweier jeweils benach- barter Vollbrücken-Submodule über eine leitfähige Schicht verbunden . In the present exemplary embodiment, the invention has been described in FIGS. 2 to 4 with reference to half-bridge submodules of an inverter phase. The inventive principle can be worn on full bridge submodules over ¬ readily. A full-bridge submodule comprises four switching elements in two parallel paths, whereby two of the switching elements are connected in series to each other. In such a full-bridge submodule, the drain terminals of the two high-side switching elements are connected on a common electrically conductive layer. In contrast, the low-side switching elements are connected to switching elements of two respectively adjacent full-bridge submodules via a conductive layer.

Claims

Patentansprüche claims
1. Umrichter zur Umwandlung einer zwischen zwei Eingangsanschlüssen (101, 102) anliegenden Eingangsspannung ( Ui ) in eine Wechselspannung mit vorbestimmter Amplitude und Frequenz für die Ansteuerung einer ein- oder mehrphasigen Last, mit zumindest zwei seriell miteinander verschalteten Submodulen (SM; SM1,...,SM8) eines Inverterarms , wobei jedes Submodul (SM; SM1,...,SM8) folgendes umfasst: An inverter for converting an input voltage (Ui) applied between two input terminals (101, 102) into an alternating voltage having a predetermined amplitude and frequency for driving a single- or multi-phase load, comprising at least two submodules (SM, SM1,. , SM8) of an inverter arm, each submodule (SM, SM1, ..., SM8) comprising:
einen Schaltungsträger (11);  a circuit carrier (11);
zumindest zwei steuerbare Schaltelemente ( S i , S 2 ) , die auf dem Schaltungsträger (11) elektrisch miteinander verschaltet sind; at least two controllable switching elements (S i, S 2 ), which are electrically connected to one another on the circuit carrier (11);
einen ersten Submodulanschluss ( Xi ) ;  a first submodule port (Xi);
einen zweiten Submodulanschluss ( X2 ) ; a second submodule port (X 2 );
bei dem in which
erste Hauptanschlüsse (D) der steuerbaren Schaltelemente ( S i , S2) der zumindest zwei Submodule (SM; SM1,...,SM8) thermisch flächig an eine Kühlfläche eines Kühlkörpers (12) angeschlossen sind; first main terminals (D) of the controllable switching elements (S i, S 2 ) of the at least two submodules (SM, SM1, ..., SM8) are connected in a thermally flat manner to a cooling surface of a heat sink (12);
der zweite Submodulanschluss ( X2 ) eines ersten der zumin¬ dest zwei Submodule (SM; SM1,...,SM8) mit dem ersten Submo¬ dulanschluss ( Xi ) eines zweiten der zumindest zwei Submo¬ dule (SM; SM1,...,SM8) verbunden ist; the second Submodulanschluss (X 2) of a first of the at least two submodules ¬ (SM; SM1, ..., SM8) with the first Submo ¬ dulanschluss (Xi) of a second of the at least two Submo ¬ modules (SM; SM1, .. , SM8);
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
die Verbindung des zweiten Submodulanschlusses ( X2 ) des ers¬ ten Submoduls (SM; SM2,...,SM8) mit dem ersten Submodulanschluss ( Xi ) des zweiten Submoduls (SM; SM1,...,SM7) durch eine auf der Kühlfläche aufgebrachte leitfähige Schicht (16) rea¬ lisiert ist. the connection of the second Submodulanschlusses (X 2) of the f ¬ th sub-module (SM, SM2, ..., SM8) with the first Submodulanschluss (Xi) of the second sub-module (SM; SM1, ..., SM7) by one on the Cooling surface applied conductive layer (16) is rea ¬ lisiert.
2. Umrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Hauptanschlüsse (D) der Schaltelemente ( S i , S2) Flächenkontakte sind, die vollflächig auf die leitfähige Schicht (16) aufgebracht sind. 2. Converter according to claim 1, characterized in that the first main terminals (D) of the switching elements (S i, S 2 ) are surface contacts, which are applied over the entire surface of the conductive layer (16).
3. Umrichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Hauptanschlüsse (D) der Schaltelemente ( S i , S2) kraftschlüssig und/oder stoffschlüssig mit der leitfähi¬ gen Schicht (16) verbunden sind. 3. Converter according to claim 1 or 2, characterized in that the first main terminals (D) of the switching elements (S i, S 2 ) are non-positively and / or materially connected to the leitfähi ¬ gene layer (16).
4. Umrichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die leitfähige Schicht (16) eine Metall¬ schiene ist, die über eine Isolationsschicht (13) mit dem Kühlkörper (12) verbunden ist. 4. Converter according to one of the preceding claims, characterized in that the conductive layer (16) is a metal ¬ rail, which is connected via an insulating layer (13) to the heat sink (12).
5. Umrichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Verbindung zwischen dem zweiten Hauptanschluss (S) des ersten Schaltelements ( S i ) und dem ersten Hauptanschluss (D) des zweiten Schaltelements (S2) eines jeweiligen Halbbrücken-Submoduls (SM; SM1,...,SM8) über eine oder mehrere Leiterbahnen des Schaltungsträgers (11) des Halbbrücken-Submoduls realisiert ist. 5. Converter according to one of the preceding claims, characterized in that the electrical connection between the second main terminal (S) of the first switching element (S i) and the first main terminal (D) of the second switching element (S 2 ) of a respective half-bridge sub-module ( SM, SM1, ..., SM8) via one or more tracks of the circuit carrier (11) of the half-bridge submodule is realized.
6. Umrichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den zwei Eingangsanschlüssen pro Phase zwei Inverterarme seriell verschaltet sind, wobei ein Knotenpunkt zwischen den zwei Inverterarmen mit einem Ausgangsanschluss einer Inverterphase gekoppelt ist. 6. Converter according to one of the preceding claims, characterized in that between the two input terminals per phase two inverter arms are connected in series, wherein a node between the two inverter arms is coupled to an output terminal of an inverter phase.
7. Umrichter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass dieser pro Inverterarm und Phase zumindest zwei Submodule (SM; SM1,...,SM8) umfasst. 7. Converter according to claim 6, characterized in that it comprises at least two submodules (SM, SM1, ..., SM8) per inverter arm and phase.
8. Umrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass 8. Converter according to one of claims 1 to 7, characterized in that
ein jeweiliges Submodul (SM; SM1,...,SM8) eine Halbbrücke mit zwei steuerbaren und seriell verschalteten Schaltele¬ menten (Sl, S2) umfasst; a respective sub-module (SM; SM1, ..., SM8) comprises a half-bridge with two series-connected controllable and scarf Tele ¬ segments (Sl, S2);
der erste Submodulanschluss (XI) elektrisch mit einem ersten Hauptanschluss (D) eines ersten der zumindest zwei Schaltelemente (Sl, S2) verbunden ist;  the first submodule terminal (XI) is electrically connected to a first main terminal (D) of a first of the at least two switching elements (Sl, S2);
- der zweite Submodulanschluss (X2) elektrisch mit einem- The second submodule terminal (X2) electrically with a
Knotenpunkt eines zweiten Hauptanschlusses (S) des ersten Schaltelements (Sl) und einem ersten Hauptanschluss (D) eines zweiten der zumindest zwei Schaltelemente (S2) ver¬ bunden ist. Node of a second main terminal (S) of the first switching element (Sl) and a first main terminal (D) a second of the at least two switching elements (S2) is ver ¬ connected.
9. Umrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass 9. Converter according to one of claims 1 to 7, characterized in that
das Submodul (SM; SM1,...,SM8) eine Vollbrücke mit zwei pa¬ rallel verschalteten Halbbrücken umfasst, wobei in einer ersten der Halbbrücken ein erstes und ein zweites Schaltelement in Serie verschaltet sind und in einer zweiten der Halbbrücken ein drittes und ein viertes Schaltelement in Serie verschaltet sind; sub-module (SM; SM1, ..., SM8) a full-bridge with two pa ¬ rallel interconnected half bridges, wherein a first and a second switching element are connected in series in a first of the half-bridge and a third in a second of the half-bridge and a fourth switching element are connected in series;
der erste Submodulanschluss (Xi) elektrisch mit einem Knotenpunkt eines zweiten Hauptanschlusses (S) des ersten Schaltelements und einem ersten Hauptanschluss (D) des zweiten Schaltelements verbunden ist;  the first sub-module terminal (Xi) is electrically connected to a node of a second main terminal (S) of the first switching element and a first main terminal (D) of the second switching element;
der zweite Submodulanschluss (X2) elektrisch mit einem Knotenpunkt eines zweiten Hauptanschlusses (S) des drit¬ ten Schaltelements und einem ersten Hauptanschluss (D) des vierten Schaltelements verbunden ist; the second Submodulanschluss (X 2) electrically connected to a node of a second main terminal (S) is connected to the drit ¬ th switching element and a first main terminal (D) of the fourth switching element;
die ersten Hauptanschlüsse (D) des ersten und dritten Schaltelements über eine weitere leitfähige Schicht auf der Kühlfläche elektrisch miteinander verbunden sind.  the first main terminals (D) of the first and third switching elements are electrically connected to each other via a further conductive layer on the cooling surface.
10. Umrichter nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere leitfähige Schicht zwischen den leitfähigen 10. Converter according to claim 9, characterized in that the further conductive layer between the conductive
Schichten des ersten und des zweiten Submodulanschlusses (Xi, X2) auf dem Kühlkörper angeordnet ist. Layers of the first and second submodule terminal (Xi, X 2 ) is arranged on the heat sink.
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