EP4623468A1 - Leistungshalbleitermodul, wechselrichter mit einem leistungshalbleitermodul - Google Patents

Leistungshalbleitermodul, wechselrichter mit einem leistungshalbleitermodul

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Publication number
EP4623468A1
EP4623468A1 EP23810323.8A EP23810323A EP4623468A1 EP 4623468 A1 EP4623468 A1 EP 4623468A1 EP 23810323 A EP23810323 A EP 23810323A EP 4623468 A1 EP4623468 A1 EP 4623468A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
low
terminals
power semiconductor
semiconductor module
side semiconductor
Prior art date
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Pending
Application number
EP23810323.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Harald RAFFEL
Christoph Hornstein
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.)
Schaeffler Technologies AG and Co KG
Original Assignee
Schaeffler Technologies AG and Co KG
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Filing date
Publication date
Application filed by Schaeffler Technologies AG and Co KG filed Critical Schaeffler Technologies AG and Co KG
Publication of EP4623468A1 publication Critical patent/EP4623468A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10W—GENERIC PACKAGES, INTERCONNECTIONS, CONNECTORS OR OTHER CONSTRUCTIONAL DETAILS OF DEVICES COVERED BY CLASS H10
    • H10W90/00—Package configurations
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS 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
    • H02M7/00—Conversion of AC power input into DC power output; Conversion of DC power input into AC power output
    • H02M7/003—Constructional details, e.g. physical layout, assembly, wiring or busbar connections
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10W—GENERIC PACKAGES, INTERCONNECTIONS, CONNECTORS OR OTHER CONSTRUCTIONAL DETAILS OF DEVICES COVERED BY CLASS H10
    • H10W44/00—Electrical arrangements for controlling or matching impedance
    • H10W44/501—Inductive arrangements
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10W—GENERIC PACKAGES, INTERCONNECTIONS, CONNECTORS OR OTHER CONSTRUCTIONAL DETAILS OF DEVICES COVERED BY CLASS H10
    • H10W72/00—Interconnections or connectors in packages
    • H10W72/50—Bond wires

Definitions

  • the power semiconductor module has at least one auxiliary emitter tap for the low side or the low side semiconductor switches, wherein the auxiliary emitter tap is arranged on the current path and, viewed in the main extension direction of the current path, between the last or the third low side semiconductor switch on the one hand and the HV' connections on the other hand.
  • the power semiconductor module described above has the advantage that it is more robust and produces less waste in production. This is achieved simply by moving the auxiliary emitter tap along the current path in the direction of the HV' connections. A complex redesign of the substrate is not necessary for this, since a bond connection for the auxiliary emitter tap can be bonded to the already large emitter contact connection area and therefore does not require a separate pad.
  • an emitter external contact of the low side or the low side semiconductor switch is arranged on a first edge region of the substrate or the power semiconductor module and the HV' connections are arranged on a second edge region of the substrate or the power semiconductor module opposite the first edge region, wherein a distance a of the auxiliary emitter tap from the second edge region is at most half as large as the distance A of a gate contact surface of the last low side semiconductor switch from the second edge region, preferably a is at most 0.33*A, preferably a is at most 0.25*A.
  • the gate contact surface of the last low side semiconductor switch closest to the second edge is more than twice as far away from the second edge as the auxiliary emitter tap from the same second edge.
  • the auxiliary emitter tap is connected to a common emitter terminal of the low-side semiconductor switches by means of a bonding wire.
  • the substrate can be designed in particular as a DCB (Direct Copper Bonded) substrate.
  • DCB substrates are made of ceramic with contact pads made of copper and are used in particular for power semiconductor modules due to their good heat dissipation.
  • the power semiconductor module can be designed as a triple or multiple half-bridge module and can have at least three high-side semiconductor switches and at least three low-side semiconductor switches.
  • an inverter in particular for an electrically powered vehicle, which has at least one previously described power semiconductor module.
  • the inverter further comprises a housing in which the power semiconductor module is arranged.
  • the semiconductor switches 13, 14, 15, 16, 17, 18 comprise a first semiconductor switch 13 of the high side, a second semiconductor switch 14 of the high side, a third semiconductor switch 15 of the high side, a first semiconductor switch 16 of the low side, a second semiconductor switch 17 of the low side and a third semiconductor switch 18 of the low side. They are arranged on a substrate 2, which in the embodiment shown is designed as a DCB substrate and has contact pads made of copper on its upper side.
  • the power semiconductor module 1 also has external connections 23 and 24 for a supply voltage, for example from a vehicle battery, as well as external connections 25 as phase connections.
  • the power semiconductor module 1 can have further external connections, in particular signal connections, which are not shown here for the sake of clarity.
  • the semiconductor switches 16, 17, 18 of the low side are arranged along a current path indicated by the dashed line 32, wherein the current path extends from an emitter terminal 33 of the first semiconductor switch 16 to the HV' external connections 24.
  • the first semiconductor switch 16 of the low side is arranged furthest away from the HV' external connections 24 and the third semiconductor switch 18 is arranged closest to the HV' external connections 24 and the second semiconductor switch 17 is arranged between the first semiconductor switch 16 and the third semiconductor switch 18.
  • the electrical potential drops along the current path in the direction of the external connections 24.
  • the current path can run perpendicular to equipotential lines of the emitter contact connection surface 11.
  • the current path in the DCB causes stray inductances that accumulate along the current path. While the first low-side semiconductor switch 16 "sees" a relatively large stray inductance that counteracts the short-circuit current due to the long distance along the current path between the first low-side semiconductor switch 16 and the HV' connection 24, the stray inductance for the second semiconductor switch 17 is smaller and even smaller for the third semiconductor switch 18. However, since the auxiliary emitter tap 20 has been moved relatively far along the current path in the direction of the HV' connections 24, a stray inductance - albeit a relatively small one - acts on the third semiconductor switch 18 in the event of a short circuit and the current distribution is less asymmetrical than in previously known power semiconductor modules.

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Abstract

Offenbart wird ein Leistungshalbleitermodul (1) aufweisend eine Halbbrückenschaltung mit einer Mehrzahl von High Side-Halbleiterschaltern (13, 14, 15) und einer Mehrzahl von Low Side-Halbleiterschaltern (16, 17, 18), die auf einem Substrat (2) angeordnet sind, - wobei das Substrat (2) Kontaktanschlussflächen (6, 8, 10, 11, 12, 19) aufweist, die von Kontaktflächen (7, 9) der Halbleiterschalter (13, 14, 15, 16, 17, 18) kontaktiert sind und die mit Außenanschlüssen (23, 24, 25) des Leistungshalbleitermoduls (1) in Verbindung stehen, - wobei das Leistungshalbleitermodul (1) HV'-Anschlüsse (24) und HV+-Anschlüsse (23) für eine Versorgungsspannung sowie Phasenanschlüsse (25) als Außenanschlüsse aufweist, - wobei die Low Side-Halbleiterschalter (16, 17, 18) entlang eines Strompfades (32) angeordnet sind, der sich von einem Emitteranschluss (33) eines ersten Low Side-Halbleiterschalters (16) bis zu den HV'-Anschlüssen (24) für die Versorgungsspannung erstreckt, wobei ein letzter Low Side-Halbleiterschalter (18) entlang des Strompfades (32) am nächsten an den HV'-Anschlüssen (24) angeordnet ist und der erste Low Side-Halbleiterschalter (16) am weitesten entfernt von den HV'-Anschlüssen (24) ist; - wobei das Leistungshalbleitermodul (1) zumindest einen Hilfsemitterabgriff (20) für die Low Side-Halbleiterschalter (16, 17, 18) aufweist, der am Strompfad (32) zwischen dem letzten Low Side-Halbleiterschalter (18) einerseits und den HV'-Anschlüssen (24) andererseits angeordnet ist. Ferner wird ein Wechselrichter mit einem genannten Leistungshalbleitermodul angegeben.

Description

Beschreibung
Leistungshalbleitermodul, Wechselrichter mit einem Leistungshalbleitermodul
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Leistungshalbleitermodul, das eine Halbbrückenschaltung, beispielsweise eine Dreifach- bzw. Mehrfach-Halbbrückenschaltung mit drei oder mehreren High Side-Halbleiterschaltern und drei oder mehreren Low Side-Halbleiterschaltern, aufweist, die auf einem Substrat angeordnet sind. Derartige Leistungshalbleitermodule können beispielsweise als Teil eines Wechselrichters, insb. in elektrisch angetriebenen Fahrzeugen, zum Einsatz kommen. Ferner betrifft die Erfindung einen Wechselrichter mit einem oder mehreren genannten Leistungshalbleitermodulen, der bspw. für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug.
Derartige Leistungshalbleitermodule haben typischerweise einen Hilfsemitter als Bezugspunkt bzw. zu Messzwecken sowohl auf der High Side als auch auf der Low Side. Der Stromfluss in den metallisierten Kontaktflächen des Substrats der High Side und der Low Side ist unterschiedlich und abhängig von der jeweiligen Geometrie der Kontaktanschlussflächen und von der Anordnung der Halbleiterschalter und ihrer Kontaktierung. Weisen die verbauten Halbleiterschalter Schwankungen in der Threshold-Spannung auf, so kann dies einen Einfluss auf das Kurzschlussverhalten der Halbleiterschalter haben, insbesondere kann bei verhältnismäßig niedrigen Threshold-Spannungen ein höherer Kurzschlussstrom bei den betreffenden Halbleiterschaltern auftreten. Um dies zu vermeiden und die Belastung möglichst gleichmäßig auf die einzelnen Halbleiterschalter zu verteilen, werden derzeit problematische Substrate im Kurzschlusstest aussortiert.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Design für ein Leistungshalbleitermodul anzugeben, mit dem eine möglichst symmetrische Stromverteilung auf die Halbleiterschalter im Kurzschlussfall erzielt wird.
Diese Aufgabe wird gelöst mit dem Gegenstand des unabhängigen Patentanspruchs. Ausführungsformen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Leistungshalbleitermodul angegeben, das eine Halbbrückenschaltung mit einer Mehrzahl, wie z. B. drei oder sechs oder neun, von High Side-Halbleiterschaltern und eine Mehrzahl, wie z. B. drei oder sechs oder neun, von Low Side-Halbleiterschaltern aufweist, die auf einem Substrat angeordnet sind. Das Substrat weist auf seiner Oberseite, auf der die Halbleiterschalter angeordnet sind, elektrische Kontaktanschlussflächen auf, die von elektrischen Kontaktflächen der Halbleiterschalter elektrisch kontaktiert sind (bzw. auf denen die Halbleiterschalter über deren jeweiligen oberseitigen elektrischen Kontaktflächen aufliegen und mit diesen elektrisch kontaktiert sind) und die mit Außenanschlüssen des Leistungshalbleitermoduls in Verbindung stehen bzw. elektrisch verbunden sind. Als Außenanschlüsse weist das Leistungshalbleitermodul HV’-Anschlüsse und HV+-Anschlüsse für eine Versorgungsspannung sowie mehrere, beispielsweise drei, Phasenanschlüsse auf.
Dabei sind die HV’-Anschlüsse nahe (und insb. direkt) nebeneinander oder nahe zueinander, insb. zueinander näher in Vergleich zu den Low Side-Halbleiterschaltern, angeordnet.
Die Low Side-Halbleiterschalter sind entlang eines Strompfades bzw. in einer Haupterstreckungsrichtung des Strompfades angeordnet, der sich von einem Emitteranschluss eines ersten, von den HV’-Anschlüssen am weitersten entfernten Low Side-Halbleiterschalters bis zu den HV’-Anschlüssen für die Versorgungsspannung erstreckt, wobei ein letzter Low Side-Halbleiterschalter entlang des Strompfades bzw. in der Haupterstreckungsrichtung des Strompfades betrachtet am nächsten an den HV’-Anschlüssen angeordnet ist und der erste Low Side-Halbleiterschalter in der Haupterstreckungsrichtung des Strompfades betrachtet am weitesten entfernt von den HV’-Anschlüssen ist. Als letzter Halbleiterschalter wird dabei beispielsweise bei drei Low Side-Halbleiterschaltern im Falle eines Dreifach-Halbbrückenmoduls der dritte Halbleiterschalter bezeichnet, während ein zweiter Low Side-Halbleiterschalter zwischen dem ersten Low Side-Halbleiterschalter und dem letzten, in diesem Fall demnach dritten Low Side-Halbleiterschalter angeordnet ist.
Das Leistungshalbleitermodul weist zumindest einen Hilfsemitterabgriff für die Low Side bzw. die Low Side-Halbleiterschalter auf, wobei der Hilfsemitterabgriff am Strom pfad und in der Haupterstreckungsrichtung des Strom pfades betrachtet zwischen dem letzten bzw. dem dritten Low Side-Halbleiterschalter einerseits und den HV’-Anschlüssen andererseits angeordnet ist.
Unter dem Strompfad wird insb. eine Senkrechte zu Äquipotenziallinien auf der Kontaktanschlussfläche des Substrats verstanden, auf der die Low Side-Halbleiterschalter angeordnet und mit dieser körperlich und elektrisch verbunden sind, und die insb. einen (gemeinsamen) Low Side-Emitteranschluss aller Low Side-Halbleiterschalter bildet. Im Kurzschlussfall ist das Spannungspotenzial zwischen dem (gemeinsamen) Low Side-Emitteranschluss und den jeweiligen Gateanschlüssen der Low Side-Halbleiterschalter ausschlaggebend. Fließt durch die Halbleiterschalter ein zu hoher Laststrom bspw. infolge eines elektrischen Kurzschlusses, kann es zu Schäden an den entsprechenden Bauteilen bzw. Halbleiterschaltern kommen.
Im Kurzschlussfall bzw. im Fall eines zu hohen Laststromes wirkt jedoch eine parasitäre Streuinduktivität an den einzelnen Halbleiterschaltern dem Kurzschluss bzw. dem zu hohen Laststrom entgegen. Diese Streuinduktivität ist für den ersten, von den HV’-Anschlüssen am weitesten entfernt liegenden Low Side-Halbleiterschalter bzw. weitere von den HV’-Anschlüssen weit entfernt liegenden Low Side-Halbleiterschalter größer als für den letzten, den HV’-Anschlüssen am nächsten liegenden Low Side-Halbleiterschalter bzw. noch weitere den HV’-Anschlüssen näher liegenden Low Side-Halbleiterschalter. Bei einer Anordnung des Hilfsemitterabgriffs im Wesentlichen auf demselben Potenzial wie der Gateanschluss des letzten, den HV’-Anschlüssen am nächsten liegenden Low Side-Halbleiterschalters ergibt sich praktisch gar keine Streuinduktivität für den letzten Low Side-Halbleiterschalter.
Durch die Anordnung des Hilfsemitterabgriffs am Strompfad zwischen dem letzten Low Side-Halbleiterschalter und den HV’-Anschlüssen jedoch ergibt sich eine relevante Streuinduktivität auch für den letzten Low Side-Halbleiterschalter und somit eine zumindest weniger asymmetrische Stromaufteilung zwischen den einzelnen Low Side-Halbleiterschaltern im Kurzschlussfall.
Das oben beschriebene Leistungshalbleitermodul hat den Vorteil, dass es robuster ist und weniger Ausschuss in der Produktion anfällt. Dies wird allein durch eine Verlegung des Hilfsemitterabgriffs entlang des Strompfads in Richtung der HV’-Anschlüsse erzielt. Ein aufwendiges Redesign des Substrats ist dazu nicht erforderlich, da eine Bondverbindung für den Hilfsemitterabgriff auf die sowieso großflächige Emitterkontaktanschlussfläche gebondet werden kann und somit kein eigenes Pad erfordert.
Der Hilfsemitterabgriff dient insb. als Bezugspunkt zum Testen bzw. Überprüfen des Zustandes des Leistungshalbleitermoduls bzw. der Halbleiterschalter, insb. bei einem Kurzschlusstest. Durch die Positionierung des Hilfsemitter-Abgriffs am Low-Side Strompfad und in Haupterstreckungsrichtung des Low-Side Strompfades betrachtet zwischen dem letzten, den HV’-Anschlüssen am nächsten liegenden Low Side-Halbleiterschalter einerseits und den HV’-Anschlüssen andererseits wird eine asymmetrische Stromaufteilung im Falle eines elektrischen Kurzschlusses bzw. eines zu hohen Laststromes verändert. Dabei ergibt sich eine parasitäre Streuinduktivität, die vorher nicht vorhanden war. Diese (gezielt erzeugte) Streuinduktivität wirkt dem Kurzschluss bzw. dem hohen Laststrom entgegen und verhindert somit einen möglichen Defekt der Halbleiterschalter beim Test, insb. Kurzschlusstest.
Wie sich herausgestellt hat, lässt sich auf diese Weise der Ausschuss in der Produktion erheblich verringern.
Gemäß einer Ausführungsform ist ein Emitter-Außenkontakt der Low Side bzw. der Low Side-Halbleiterschalter an einem ersten Randbereich des Substrats bzw. des Leistungshalbleitermoduls angeordnet und die HV’-Anschlüsse sind an einem dem ersten Randbereich gegenüberliegenden zweiten Randbereich des Substrats bzw. des Leistungshalbleitermoduls angeordnet, wobei ein Abstand a des Hilfsemitterabgriffs von dem zweiten Randbereich höchstens halb so groß ist wie der Abstand A einer Gatekontaktfläche des letzten Low Side-Halbleiterschalters von dem zweiten Randbereich, vorzugsweise gilt, dass a höchstens 0,33*A beträgt, vorzugsweise beträgt a höchstens 0,25*A.
Mit anderen Worten: Ein Emitter-Außenkontakt der Low Side bzw. der Low Side-Halbleiterschalter ist an einem ersten Randbereich an der ersten Kante des Substrats bzw. des Leistungshalbleitermoduls angeordnet und die HV’-Anschlüsse sind an einem dem ersten Randbereich und somit der ersten Kante gegenüberliegenden zweiten Randbereich bzw. der zweiten Kante des Substrats bzw. des Leistungshalbleitermoduls angeordnet, wobei ein Abstand a des Hilfsemitterabgriffs von dem zweiten Randbereich bzw. der zweiten Kante höchstens halb so groß ist wie der Abstand A einer Gatekontaktfläche des letzten Low Side-Halbleiterschalters von dem zweiten Randbereich bzw. der zweiten Kante, vorzugsweise gilt, dass a höchstens 0,33*A beträgt, vorzugsweise beträgt a höchstens 0,25*A. Also von derselben zweiten Kante aus betrachtet liegt die Gatekontaktfläche des letzten, der zweiten Kante am nächsten liegenden Low Side-Halbleiterschalters mehr als doppelt entfernt von der zweiten Kante als der Hilfsemitterabgriff von derselben zweiten Kante. Gemäß einer Ausführungsform ist der Hilfsemitterabgriff mittels eines Bonddrahtes mit einem gemeinsamen Emitteranschluss der Low Side-Halbleiterschalter verbunden.
Mit anderen Worten: Der Hilfsemitterabgriff ist bspw. mittels eines Bonddrahtes gebildet, der den gemeinsamen, in der Regel großflächig gebildeten, Emitteranschluss der Low Side-Halbleiterschalter mit dem Außenanschluss des Emitters der Low Side elektrisch verbindet. Der Hilfsemitterabgriff bildet somit Teil einer niederinduktiven Kontaktierung des gemeinsamen Emitteranschlusses der Low Side.
Die Halbleiterschalter können insbesondere jeweils einen IGBT (auf Englisch „Insulated-Gate Bipolar Transistor“) aufweisen, wobei sie zusätzlich typischerweise eine Freilaufdiode umfassen.
Das Substrat kann insbesondere als DCB (auf Englisch „Direct Copper Bonded“)-Substrat ausgebildet sein. DCB-Substrate sind aus Keramik mit Kontaktanschlussflächen aus Kupfer ausgebildet und werden insbesondere wegen ihrer guten Wärmeableitung für Leistungshalbleitermodule eingesetzt.
Das Leistungshalbleitermodul kann als ein Dreifach- bzw. Mehrfach-Halbbrückenmodul ausgebildet sein und jeweils mindestens drei High Side-Halbleiterschalter und mindestens drei Low Side-Halbleiterschalter aufweisen.
Das Leistungshalbleitermodul kann auch einen weiteren Hilfsemitterabgriff für die High Side-Halbleiterschalter aufweisen, der an einem High Side-Strompfad zwischen einem den HV+-Anschlüssen am nächstliegenden High Side-Halbleiterschalter einerseits und den HV+-Anschlüssen andererseits angeordnet ist. Dabei sind die High Side-Halbleiterschalter analog zu den High Side-Halbleiterschaltern entlang des High Side-Strompfades angeordnet, der sich von einem Emitteranschluss eines von den HV+-Anschlüssen am weitersten entfernt liegenden High Side-Halbleiterschalters bis zu den HV’-Anschlüssen für die Versorgungsspannung erstreckt.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Wechselrichter, insb. für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug, angegeben, der mindestens ein zuvor beschriebenes Leistungshalbleitermodul aufweist. Der Wechselrichter weist ferner ein Gehäuse auf, in dem das Leistungshalbleitermodul angeordnet ist.
Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen beispielhaft beschrieben.
Figur 1 zeigt ein Leistungshalbleitermodul 1 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Das Leistungshalbleitermodul 1 ist in dieser Ausführungsform als Dreifach-Brückenmodul aufgebaut und beispielsweise als Gleichstromwandler in einem elektrisch angetriebenen Fahrzeug verwendbar.
Das Leistungshalbleitermodul 1 weist drei High Side-Halbleiterschalter 13, 14, 15 sowie drei Low Side-Halbleiterschalter 16, 17, 18 auf. Jeder Halbleiterschalter 13, 14, 15, 16, 17, 18 weist dabei einen IGBT 4 sowie eine Freilaufdiode 5 auf. Die meisten Anschlüsse des IGBT 4 und der Freilaufdiode 5 sind der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt.
Die Halbleiterschalter 13, 14, 15, 16, 17, 18 umfassen einen ersten Halbleiterschalter 13 der High Side, einen zweiten Halbleiterschalter 14 der High Side, einen dritten Halbleiterschalter 15 der High Side, einen ersten Halbleiterschalter 16 der Low Side, einen zweiten Halbleiterschalter 17 der Low Side sowie einen dritten Halbleiterschalter 18 der Low Side. Sie sind auf einem Substrat 2 angeordnet, das in der gezeigten Ausführungsform als DCB-Substrat ausgebildet ist und auf seiner Oberseite Kontaktanschlussflächen aus Kupfer aufweist.
Die Halbleiterschalter 13 bis 15 der High Side sind mit ihren Rückseitenkontakten auf einer Kollektorkontaktanschlussfläche 6 angeordnet. Die IGBT 4 weisen auf ihren Oberseiten nicht im Detail gezeigte Emitterkontaktflächen 7 auf, die mittels lediglich schematisch angedeuteter Bondverbindungen mit einer gemeinsamen Kontaktanschlussfläche 8 verbunden sind. Zudem weisen die IGBT 4 auf ihren Oberseiten zudem Gatekontaktflächen 9 auf, die ebenfalls mittels schematisch gezeigter Bondverbindungen mit Gatekontaktanschlussflächen 10 des Substrats 2 verbunden sind. Die Gatekontaktanschlussflächen 10 der High Side sind untereinander mittels Bondverbindungen verbunden und mit einer Gatekontaktfläche 19 verbunden, die mittels eines Außenanschlusses 28 kontaktierbar ist. Die Kollektorkontaktanschlussfläche 6 ist mittels eines Außenanschlusses 26 kontaktierbar. Die Kontaktanschlussfläche 8 ist mittels eines Außenanschlusses 27 auf der High Side und eines Außenanschlusses 29 auf der Low Side kontaktierbar. Sie liegt auf dem Emitterpotenzial der High Side und dem Kollektorpotenzial der Low Side.
Die Halbleiterschalter 16, 17, 18 der Low Side weisen analog zu denen der High Side Rückseitenkontakte auf, mit denen sie auf der Kontaktanschlussfläche 8 angeordnet sind. Auf ihren Oberseiten weisen sie Emitterkontaktflächen 7 auf, die mittels lediglich schematisch gezeigter Bondverbindungen mit einer gemeinsamen Emitterkontaktanschlussfläche 11 auf dem Substrat 2 verbunden sind. Ferner weisen sie ebenfalls Gatekontaktflächen 9 auf, die mittels Bondverbindungen mit Gatekontaktanschlussflächen 10 verbunden sind. Die Gatekontaktanschlussflächen 10 der Low Side sind untereinander ebenfalls mittels einer Bondverbindung verbunden und mittels dieser Bondverbindung auch mit einer Gatekontaktfläche 19 verbunden, die über den Außenkontakt 31 kontaktierbar ist.
Das Leistungshalbleitermodul 1 weist darüber hinaus Außenanschlüsse 23 und 24 für eine Versorgungsspannung, beispielsweise von einer Fahrzeugbatterie, auf sowie Außenanschlüsse 25 als Phasenanschlüsse. Darüber hinaus kann das Leistungshalbleitermodul 1 weitere Außenanschlüsse aufweisen, insbesondere Signalanschlüsse, die hier der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt sind.
Das Leistungshalbleitermodul 1 weist ferner einen Hilfsemitterabgriff 20 auf der Low Side auf. Auf der High Side kann ebenfalls ein Hilfsemitterabgriff vorgesehen sein, der jedoch nicht gezeigt ist. Der Hilfsemitterabgriff 20 ist mittels eines Bonddrahtes 22 gebildet, der über ein gegenüber der Emitterkontaktanschlussfläche 11 isoliertes Kontaktpad 21 die Kontaktanschlussfläche 12 kontaktiert, die mit dem Außenanschluss 30 des Emitters der Low Side verbunden ist. Der Hilfsemitterabgriff 20 ist somit eine niederinduktive Kontaktierung der Emitterkontaktanschlussfläche 11 der Low Side.
Bei dem Leistungshalbleitermodul 1 ist auch auf der High Side ein Hilfsemitterabgriff vorgesehen, der jedoch der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt ist.
Die Halbleiterschalter 16, 17, 18 der Low Side sind entlang eines durch die gestrichelte Linie 32 angedeuteten Strompfades angeordnet, wobei sich der Strompfad von einem Emitteranschluss 33 des ersten Halbleiterschalters 16 zu den HV’-Außenanschlüssen 24 erstreckt. Dabei ist der erste Halbleiterschalter 16 der Low Side am weitesten entfernt von den HV’-Außenanschlüssen 24 angeordnet und der dritte Halbleiterschalter 18 am nächsten an den HV’-Außenanschlüssen 24 und der zweite Halbleiterschalter 17 zwischen dem ersten Halbleiterschalter 16 und dem dritten Halbleiterschalter 18. Das elektrische Potenzial sinkt entlang des Strompfades in die Richtung der Außenanschlüsse 24. Insbesondere kann der Strompfad senkrecht zu Äquipotenziallinien der Emitterkontaktanschlussfläche 11 verlaufen.
Der Hilfsemitterabgriff 20 ist zwischen dem dritten Halbleiterschalter 18 bzw. seinem Emitteranschluss 34 und den Außenanschlüssen 24 angeordnet. Somit liegt er auf einem niedrigeren Potenzial als der Emitteranschluss 34 des dritten Halbleiterschalters 18. Im Falle eines Kurzschlusses wird dadurch folgendes bewirkt:
Der Strompfad im DCB bewirkt Streuinduktivitäten, die sich entlang des Strompfades aufsummieren. Während der erste Low Side-Halbleiterschalter 16 wegen der langen Strecke entlang des Strompfades zwischen dem ersten Low Side-Halbleiterschalter 16 und dem HV’-Anschluss 24 eine verhältnismäßig große Streuinduktivität „sieht“, die dem Kurzschlussstrom entgegenwirkt, ist die Streuinduktivität für den zweiten Halbleiterschalter 17 kleiner und für den dritten Halbleiterschalter 18 noch kleiner. Da jedoch der Hilfsemitterabgriff 20 entlang des Strompfades verhältnismäßig weit in Richtung der HV’-Anschlüsse 24 verschoben wurde, wirkt eine - wenn auch verhältnismäßig kleine - Streuinduktivität im Kurzschlussfall auf den dritten Halbleiterschalter 18 ein und die Stromverteilung fällt weniger asymmetrisch aus als bei bislang bekannten Leistungshalbleitermodulen.
Dazu wurde der Hilfsemitterabgriff 20 näher in den Randbereich des Substrats 2 verschoben, in dem auch die HV’-Anschlüsse liegen. Während der Emitter-Außenkontakt 30 der Low Side an einem ersten Randbereich 35 des Leistungshalbleitermoduls 1 angeordnet ist, sind die HV’-Anschlüsse 24 an einem dem ersten Randbereich 35 gegenüberliegenden zweiten Randbereich 36 angeordnet. Der Hilfsemitterabgriff 20 ist ebenfalls in der Nähe des zweiten Randbereichs 36 angeordnet, wobei der Abstand a des Hilfsemitterabgriffs 20 von dem zweiten Randbereich 36 höchstens halb so groß ist wie der Abstand A der Gatekontaktfläche 9 des dritten Low Side-Halbleiterschalters 18 von dem zweiten Randbereich 36, vorzugsweise gilt, dass a höchstens 0,33*A beträgt, vorzugsweise beträgt a höchstens 0,25*A. Bezugszeichenliste
1 Leistungshalbleitermodul
2 Substrat
4 IGBT
5 Freilaufdiode
6 Kollektorkontaktanschlussfläche (High Side)
7 Emitterkontaktfläche (High Side)
8 Kontaktanschlussfläche
9 Gatekontaktfläche
10 Gatekontaktanschlussfläche
11 Emitterkontaktanschlussfläche (Low Side)
12 Kontaktanschlussfläche
13 erster Halbleiterschalter (High Side)
14 zweiter Halbleiterschalter (High Side)
15 dritter Halbleiterschalter (High Side)
16 erster Halbleiterschalter (Low Side)
17 zweiter Halbleiterschalter (Low Side)
18 dritter Halbleiterschalter (Low Side)
19 Gatekontaktfläche
20 Hilfsemitterabgriff
21 Kontaktpad
22 Bonddraht
23 Außenanschluss (Versorgungsspannung)
24 Außenanschluss (Versorgungsspannung)
25 Außenanschluss (Phase)
26 Außenanschluss
27 Außenanschluss
28 Außenanschluss
29 Außenanschluss
30 Außenanschluss
31 Außenanschluss
32 gestrichelte Linie, Strompfad
33 Emitteranschluss
34 Emitteranschluss
35 erster Randbereich
36 zweiter Randbereich

Claims

Patentansprüche
1. Leistungshalbleitermodul (1 ), aufweisend eine Halbbrückenschaltung mit einer Mehrzahl von High Side-Halbleiterschaltern (13, 14, 15) und einer Mehrzahl von Low Side-Halbleiterschaltern (16, 17, 18), die auf einem Substrat (2) angeordnet sind,
- wobei das Substrat (2) Kontaktanschlussflächen (6, 8, 10, 11 , 12, 19) aufweist, die von Kontaktflächen (7, 9) der Halbleiterschalter (13, 14, 15, 16, 17, 18) kontaktiert sind und die mit Außenanschlüssen (23, 24, 25) des Leistungshalbleitermoduls (1 ) in Verbindung stehen,
- wobei das Leistungshalbleitermodul (1 ) HV’-Anschlüsse (24) und HV+-Anschlüsse (23) für eine Versorgungsspannung sowie Phasenanschlüsse (25) als Außenanschlüsse aufweist,
- wobei die Low Side-Halbleiterschalter (16, 17, 18) entlang eines Strompfades (32) angeordnet sind, der sich von einem Emitteranschluss (33) eines ersten Low Side-Halbleiterschalters (16) bis zu den HV’-Anschlüssen (24) für die
Versorgungsspannung erstreckt, wobei ein letzter Low Side-Halbleiterschalter (18) entlang des Strompfades (32) am nächsten an den HV’-Anschlüssen (24) angeordnet ist und der erste Low Side-Halbleiterschalter (16) am weitesten entfernt von den HV’-Anschlüssen (24) ist;
- wobei das Leistungshalbleitermodul (1 ) zumindest einen Hilfsemitterabgriff (20) für die Low Side-Halbleiterschalter (16, 17, 18) aufweist, der am Strompfad (32) zwischen dem letzten Low Side-Halbleiterschalter (18) einerseits und den HV’-Anschlüssen (24) andererseits angeordnet ist.
2. Leistungshalbleitermodul (1 ) nach Anspruch 1 , wobei ein Emitter-Außenkontakt (30) der Low Side an einem ersten Randbereich
(35) des Substrats (2) angeordnet ist und die HV’-Anschlüsse (24) an einem dem ersten Randbereich (35) gegenüberliegenden zweiten Randbereich (36) des Substrats (2) angeordnet sind, wobei ein Abstand a des Hilfsemitterabgriffs (20) von dem zweiten Randbereich
(36) höchstens halb so groß ist wie der Abstand A einer Gatekontaktfläche (9) des letzten Low Side-Halbleiterschalters (18) von dem zweiten Randbereich (36).
3. Leistungshalbleitermodul (1 ) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Hilfsemitterabgriff (20) mittels eines Bonddrahtes (22) mit einem gemeinsamen Emitteranschluss (11 ) der Low Side-Halbleiterschalter (16, 17, 18) verbunden ist.
4. Leistungshalbleitermodul (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Halbleiterschalter (13, 14, 15, 16, 17, 18) jeweils einen IGBT (4) aufweisen.
5. Leistungshalbleitermodul (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Substrat (2) als DCB-Substrat ausgebildet ist.
6. Leistungshalbleitermodul (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, das als Dreifach- bzw. Mehrfach-Halbbrückenmodul ausgebildet ist und jeweils mindestens drei High Side-Halbleiterschalter (13, 14, 15) und mindestens drei Low Side-Halbleiterschalter (16, 17, 18) aufweist.
7. Wechselrichter, aufweisend: - ein Gehäuse, mindestens ein Leistungshalbleitermodul (1 ) nach einem der vorangehenden Ansprüche, das in dem Gehäuse angeordnet ist.
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