WO2018158012A1 - Halbbrücke für leistungselektronische schaltungen - Google Patents

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WO2018158012A1
WO2018158012A1 PCT/EP2018/051838 EP2018051838W WO2018158012A1 WO 2018158012 A1 WO2018158012 A1 WO 2018158012A1 EP 2018051838 W EP2018051838 W EP 2018051838W WO 2018158012 A1 WO2018158012 A1 WO 2018158012A1
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bridge
capacitor
capacitors
power electronic
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Jennifer SIRTL
Marvin TANNHÄUSER
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • Y02B70/10—Technologies improving the efficiency by using switched-mode power supplies [SMPS], i.e. efficient power electronics conversion e.g. power factor correction or reduction of losses in power supplies or efficient standby modes

Definitions

  • Half-bridge for power electronic circuits The invention relates to a half-bridge power for electro ⁇ photonic circuits with a series circuit of two power electronic switches and a connected in parallel with the series circuit supporting capacity.
  • Half bridges are constructed as far as possible so that the electronic power switches of the half bridge is constructed by a capacitor bank to a Kommut réelleszelle at ⁇ .
  • a Kommut réelleszelle designates a configuration of a half-bridge, wherein the power electronic formwork ter and the capacitor are spatially disposed sufficiently close together that the electrical connection formed by the lines ⁇ inductance interferes with the switching behavior only negligible.
  • the criteria for a good half-bridge topology are a low-impedance connected potential point between the two power electronic switches of the half-bridge, a short and therefore low-inductance connection of the capacitor to the switches and a small area spanned by the commutation cell, in particular by the electrical lines ,
  • a half-bridge is to be given to ⁇ which has improved properties with respect to the inductance.
  • the half bridge according to the invention for power electronic circuits comprises a series connection of two power electronic switches and a backup capacitor connected in parallel with the series circuit. It includes the
  • the switches and the Kon ⁇ capacitors are arranged so as Kommut réelleszelle on a GE ⁇ common circuit substrate, that the first capacitor with the switches forms a first current flow loop a first orientation and the second capacitor with the switches a second current flow loop of a second, the first orientation opposite Orientation forms.
  • As an orientation of the loop current flow while the current flow direction ⁇ is understood in the loop current flow which results when the switches allow a current to flow. It is assumed that the comparison of the first and second orientation of the same direction of current in the switches.
  • the direction of the magnetic field generated by the current flow can be understood within the jeweili ⁇ gen conductor loop. In a conductor loop in a plane ⁇ fe this direction is in idealized form, typically perpendicular to this plane. In this case, the two orientations would be perpendicular to the plane of the
  • Conductor loops are opposite to each other, even if a mathematical orientation according to the type of magnetic field direction results in non-parallel directions.
  • the orientation of the Lei ⁇ terschleifen is merely intended to indicate the current flow direction of rotation when a current flows in a conductor loop. If the two conductor loops lie in one plane, this sense of rotation is obvious and either similar or opposite.
  • the first current flow loop corresponds to the normal case of a half-bridge in a Kommut réelleszelle and generates a uner ⁇ wünschtes and adverse first magnetic field.
  • the power electronic half-bridge module may have the following features:
  • the capacitors can be arranged as two separate components on the circuit carrier, in particular SMD components. Thereby, the arrangement of the capacitors can be chosen so that there is an ideal shape of the current flow loops.
  • the first and second capacitor may have the same capacity. This makes it possible to construct the half-bridge module electrically and advantageously also physically mirror-symmetrical. As a result, the two opposing magnetic fields are the same size and cancel each other very well. In particular, the far field disappears in this case completely. This achieves an ideal low value for the inductance of the module.
  • the switches and the capacitors may be arranged substantially side by side in a row on the circuit carrier.
  • the following sequence is advantageous: the first capacitor, two switches, two ⁇ ter capacitor.
  • the half-bridge may include a first electrical conductor path aufwei ⁇ sen, which forms the connection between a first terminal of the first capacitor, a first terminal of the second capacitor and a first external connection point of the series circuit of the switch.
  • the half-bridge may comprise a second electrical conductor, which forms the connection between a second connection point of the first capacitor, a second connection point of the second capacitor and a second external connection point of the series circuit of the switches.
  • the conductor tracks can be formed in a straight line on the circuit substrate. Then the components can be arranged well in a row.
  • the tracks can be arranged side by side. In this case, there are current flow loops, which are arranged planar and next to each other. - Alternatively, the conductor tracks may be arranged substantially one above the other in two layers of the circuit substrate. In this case, there are current flow loops, which are aligned perpendicular to the circuit board level.
  • the area which is spanned by the flow of current loops is very low and thus advantageously, the In ⁇ productivity is very low. The advantages of oppositely out ⁇ directed current flow loops are still maintained, ie even the already small magnetic fields are reduced even further.
  • the power electronic switches are IGBTs.
  • MOSFETs MOSFETs, SiC switches or GaN switches, for example GaN cascodes or GaN HEMT switches.
  • the high potential Heidelberggeschwindig ⁇ possibilities of GaN switches make a low inductance of Kommutleiterszelle particularly important uses comparable Will GaN switch can then be switched much faster with the improved structure of the half-bridge, which advantageously the size of the to be provided, for example, for filtering capacitors and reduces inductances and reduces switching losses.
  • Figure 1 a circuit diagram for a half-bridge as Merge ⁇ t istszelle having a symmetrical structure
  • FIG. 2 shows the arrangement of the components on a circuit carrier for the half-bridge
  • Figure 3 shows an alternative design of the tracks for the half-bridge.
  • FIG. 1 shows the structure of a circuit for a half-bridge 10 according to an embodiment of the invention.
  • the half-bridge 10 comprises a first switch 1 and a second switch 2, which are connected in series.
  • the two switches are the same type of switches, such as IGBTs, MOSFETs or Wide Bandgap switches, such as GaN switches or SiC switches.
  • the properties of the switches 1, 2, for example the optimization with respect to the switching losses or throughput losses may be similar.
  • switches 1, 2 are used with various properties. For example, the first te switch 1 to be optimized for low switching losses, while the second switch 2 is optimized for low throughput losses.
  • the half-bridge is used as the upper half-bridge in a three-point inverter in which the first switch 1 switches with kHz frequencies, while the second switch 2 switches only at mains frequency.
  • the two switches 1, 2 may even be formed by different types of switches.
  • the first switch 1 may be a MOSFET and the second switch 2 may be an IGBT.
  • connection point 6 of the first and second switches 1, 2 forms a connection for the half-bridge, depending on the use of the half-bridge 10, for example, a Komditionsaus ⁇ transition.
  • An upper outer terminal 4 of the series of switches 1, 2 and a lower outer terminal 5 of the series form further connections for the half-bridge, for example for a
  • the support capacitance comprises a first capacitor 3a and a second capacitor 3b of equal capacity.
  • the two capacitors 3a, 3b are connected in parallel to one another and to the series of the two switches 1, 2.
  • FIG. 1 While a circuit diagram of the type of Figure 1 usually says little about the spatial arrangement of the electronic components, a peculiarity of the half-bridge is indicated in Figure 1.
  • the two capacitors 3a, 3b are arranged to the two switches 1, 2, that for each of the two capacitors 3a, 3b with the switches 1, 2 two
  • FIG. Figure 2 is a plan view of the half-bridge 10. The components are applied to a common circuit carrier, which is not shown in Figure 2.
  • the common circuit carrier is beispielswei ⁇ se a DCB substrate (direct copper bonding) or a printed circuit ⁇ board (PCB).
  • the components of the half-bridge 10 are arranged in a uniform and mirror-symmetrical row.
  • the series begins with the first capacitor 3a, followed by the first one
  • connection between the lower outer terminal 5 and the two capacitors 3a, 3b is through a first conductor track
  • the first interconnect 11 is a geradli ⁇ nige interconnect that connects a contact surface 52 of the second scarf ⁇ age 2, a contact surface 63 a of the first capacitor 3 a and a contact surface 63 b of the second capacitor 3 b.
  • the connection between the upper outer terminal 4 and the two capacitors 3a, 3b is through a second conductor track
  • the second conductor 12 is also ei ⁇ ne linear conductor path connecting a contact surface 51 of the ers ⁇ th switch 1, a contact surface 53a of the first Kondensa ⁇ door 3a and a contact surface 53b of the second capacitor 3b.
  • the connection of the two switches 1, 2 with each other is provided by a third conductor 13, the contact ⁇ surfaces 61 and 62 of the two switches 1, 2 connects.
  • the third interconnect is connected to a connection to the outside, for example a load connection and represents the so-called "not node".
  • the half-bridge 10 it is also possible for the half-bridge 10 to be used in topologies coincides which the load connection with one of the potential points ⁇ 4; 5.
  • the current flow loops 8a, 8b resulting from the construction are also shown in FIG.
  • the current flow loops 8a, 8b are symmetrical.
  • the current flow loops 8a, 8b are largely coplanar and side by side, the direction of rotation of the current flow is different. This results in magnetic fields of reversed polarity and rather strength. These magnetic fields add up in the region of the overlap, ie in the region of the two switches 1, 2.
  • portions of the magnetic fields remain in the near field. If the half-bridge is symmetrical and thus the magnetic fields are the same size, the magnetic fields cancel each other out at a greater distance, ie the far-field disappears as far as possible.
  • the condensers ⁇ ren 3a, 3b which are formed according to Figure 1 in each case by a single capacitor component may be formed in fact by a plurality of capacitors. These can complement one another in their capacity, on the other hand, but also in other properties such as the reaction time.
  • the capacitors which together form the capacitor 3a, 2b may be different types of capacitors, which cooperate by their different reaction times and capacities to effect optimum switching characteristics for the half-bridge.
  • the individual capacitors are then close to each other and, for example, arranged annularly around the switches 1, 2 around.
  • FIG. 3 shows only the switches 1, 2 and the individual capacitors 41. Forming capacitor 3b and the single capacitors 44 ... 46, which together form the capacitor 3a.
  • the conductor tracks that connect the elements, is not ⁇ Darge in FIG. 3 It is advantageous if the arrangement of the individual capacitors 41 ... 43 together with the switches is as far as possible point-symmetrical. The better the symmetry is fulfilled, the more similar the resulting magnetic fields are.
  • the capacitors 3a, 3b each comprise even more individual capacitors 51 ... 60. Of these, the smaller ones are distributed point-symmetrically and arranged close to the switches 1, 2, while the larger single-capacitors 55, 60 are arranged farther away.
  • FIG. 1 A further embodiment for a half-bridge 30 according to the invention is shown schematically in FIG.
  • the structure of the half-bridge 30 corresponds largely to the structure of the half bridge 10 of Figure 2.
  • the first and second Lei ⁇ terbahn 11, 12 is replaced by a fourth and fifth conductor 31, 32.
  • the fourth and fifth conductor 31, 32 make the same electrical connections as the first and second tracks 11, 12.
  • the fourth and fifth tracks are However, 31, 32 arranged directly above each other instead of verei ⁇ nander.
  • the fourth and fifth interconnects 31, 32 are arranged in different layers of the substrate. They are furthermore designed as largely linear printed conductors, in which case bulges may be provided for connecting the contact surfaces of the components.
  • the flow of current loops are 8a, 8b at the half-bridge 30 of Figure 3 perpendicular to the plane of the sound processing ⁇ carrier, but further opposite directions. Since the surface spanned now is only a very small due to the small distance of the Lei ⁇ terbahnen 31, 32, the magnetic fields are low. As in the case of the half-bridge 10, the magnetic fields now resulting in the far field cancel each other out, and as a result of the structure with the two capacitors 3a, 3b, improved switching properties of the half-bridge 30 compared to a comparable known half-bridge. Likewise, in the outdoor area, ie away from the tracks 31, 32 resulting electrical fields are reduced by the structure, which reduces the interference on other circuits.
  • the capacitors 3a, 3b or their individual capacitors 41... 46, 51... 60 are always arranged on the upper side of the substrate. More Va ⁇ variants of embodiments of the invention, which are not shown in the figures, is that the condensers ⁇ ren 3a, 3b, or the individual capacitors 41 ... 46, 51 ... 60 to ⁇ additionally either partially or completely on the underside, that are arranged on the side facing away from the side of the switches 1, 2 side of the substrate. Characterized is advantageous ⁇ way of a spatially even closer arrangement of the individual capacitors 41 ... 46, 51 ... 60 are possible, which thus further reduces the conductor tracks. As with the other embodiments, a substantially point-symmetrical arrangement is very advantageous.

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Abstract

Halbbrücke für leistungselektronische Schaltungen umfassend eine Serienschaltung von zwei leistungselektronischen Schaltern und eine parallel zu der Serienschaltung geschaltete Stützkapazität, wobei die Stützkapazität einen ersten und zweiten Kondensator umfasst, die parallel zueinander geschaltet sind und die Schalter und die Kondensatoren derart als Kommutierungszelle auf einem gemeinsamen Schaltungsträger angeordnet sind, dass der erste Kondensator mit den Schaltern eine erste Stromflussschleife einer ersten Orientierung ausbildet und der zweite Kondensator mit den Schaltern eine zweite Stromflussschleife einer zweiten, der ersten Orientierung entgegengesetzten Orientierung bildet.

Description

Beschreibung
Halbbrücke für leistungselektronische Schaltungen Die Erfindung betrifft eine Halbbrücke für leistungselektro¬ nische Schaltungen mit einer Serienschaltung von zwei leistungselektronischen Schaltern und einer parallel zu der Serienschaltung geschalteten Stützkapazität. Halbbrücken werden soweit möglich so aufgebaut, dass die bei¬ den leistungselektronischen Schalter der Halbbrücke durch eine Kondensatorbank zu einer Kommutierungszelle aufgebaut sind. Eine Kommutierungszelle bezeichnet dabei einen Aufbau einer Halbbrücke, bei dem die leistungselektronischen Schal- ter und der Kondensator räumlich ausreichend eng zusammen angeordnet sind, dass die durch die elektrischen Verbindungs¬ leitungen ausgebildete Induktivität das Schaltverhalten nur vernachlässigbar stört. Als Kriterien für eine gute Halbbrückentopologie gelten ein niederimpedant angeschlossener Potentialpunkt zwischen den beiden leistungselektronischen Schaltern der Halbbrücke, eine kurze und daher niederinduktive Anbindung des Kondensators an die Schalter und eine kleine Fläche, die durch die Kommutie- rungszelle, insbesondere durch die elektrischen Leitungen, aufgespannt wird.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Halbbrücke für leistungselektronische Schaltungen mit verbesserten Ei- genschaften anzugeben. Insbesondere soll eine Halbbrücke an¬ gegeben werden, die verbesserte Eigenschaften bzgl. der Induktivität aufweist.
Diese Aufgabe wird durch eine Halbbrücke mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung, die einzeln oder in Kombination miteinander einsetzbar sind, sind Gegenstand der Unteransprüche. Die erfindungsgemäße Halbbrücke für leistungselektronische Schaltungen umfasst eine Serienschaltung von zwei leistungselektronischen Schaltern und eine parallel zu der Serienschaltung geschaltete Stützkapazität. Dabei umfasst die
Stützkapazität einen ersten und zweiten Kondensator, die parallel zueinander geschaltet sind. Die Schalter und die Kon¬ densatoren sind derart als Kommutierungszelle auf einem ge¬ meinsamen Schaltungsträger angeordnet, dass der erste Kondensator mit den Schaltern eine erste Stromflussschleife einer ersten Orientierung ausbildet und der zweite Kondensator mit den Schaltern eine zweite Stromflussschleife einer zweiten, der ersten Orientierung entgegengesetzten Orientierung bildet . Als Orientierung der Stromflussschleife wird dabei die Strom¬ flussrichtung in der Stromflussschleife verstanden, die sich ergibt, wenn die Schalter einen Stromfluss zulassen. Dabei wird für den Vergleich der ersten und zweiten Orientierung von der gleichen Stromrichtung in den Schaltern ausgegangen. Als Orientierung kann beispielsweise die Richtung des durch den Stromfluss erzeugten Magnetfelds im Inneren der jeweili¬ gen Leiterschleife verstanden werden. Bei einer Leiterschlei¬ fe in einer Ebene ist diese Richtung in idealisierter Form typischerweise senkrecht auf dieser Ebene. In diesem Fall wä- ren die beiden Orientierungen senkrecht auf der Ebene der
Leiterschleifen, also der Ebene des Schaltungsträgers, wobei die beiden Orientierungen der Magnetfelder einander entgegengesetzt sind. Es versteht sich dabei, dass die beiden Orientierungen der
Leiterschleifen einander entgegengesetzt sind, auch wenn eine mathematische Orientierung nach Art der Magnetfeldrichtung nicht-parallele Richtungen ergibt. Die Orientierung der Lei¬ terschleifen soll lediglich den Stromflussdrehsinn bei einem Stromfluss in einer Leiterschleife angeben. Liegen die beiden Leiterschleifen in einer Ebene, ist dieser Drehsinn offensichtlich und entweder gleichartig oder entgegengesetzt. Die erste Stromflussschleife entspricht dem Normalfall einer Halbbrücke in einer Kommutierungszelle und erzeugt ein uner¬ wünschtes und nachteiliges erstes Magnetfeld. Vorteilhaft wird durch den zweiten Kondensator und die dadurch geschaffe- ne zweite Stromflussschleife sowie deren Anordnung ein zwei¬ tes Magnetfeld erzeugt, dessen Polarität dem ersten Magnet¬ feld im Wesentlichen entgegengesetzt, betraglich gleich ist und räumlich möglichst wenig versetzt. Die beiden Magnetfel¬ der addieren sich in einem Überlappungsbereich. Das Fernfeld hingegen wird vorteilhaft deutlich reduziert. Insgesamt sinkt dadurch die im Magnetfeld gespeicherte Energie und somit steigen die möglichen Schaltgeschwindigkeiten. Weitere Vorteile einer verringerten Induktivität der Kommutierungszelle werden erreicht, insbesondere geringere Schaltverluste, ge- ringere Überspannungen beim Schalten und geringere Aussendung von Störungen.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Halbbrücke gehen aus den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen hervor. Dabei kann die Ausführungsform nach Anspruch 1 mit den Merkmalen abhängiger Ansprüche oder vorzugsweise auch denen aus mehreren dieser Ansprüche kombiniert werden. Demgemäß kann das leistungselektronische Halbbrücken-Modul noch folgende Merkmale aufweisen:
- Die Kondensatoren können als zwei separate Bauteile auf dem Schaltungsträger angeordnet sein, insbesondere SMD-Bauteile . Dadurch kann die Anordnung der Kondensatoren so gewählt werden, dass sich eine ideale Form der Stromflussschleifen ergibt.
- Der erste und zweite Kondensator können die gleiche Kapazi tät aufweisen. Dadurch ist es möglich, das Halbbrücken-Modul elektrisch und vorteilhaft auch physisch spiegelsymmetrisch aufzubauen. Dadurch werden die beiden gegensinnigen Magnetfelder gleich groß und heben sich besonders gut gegenseitig auf. Insbesondere das Fernfeld verschwindet in diesem Fall völlig. Dadurch wird ein idealer niedriger Wert für die Induktivität des Moduls erreicht.
- Die Schalter und die Kondensatoren können im Wesentlichen nebeneinander in einer Reihe auf dem Schaltungsträger angeordnet sein. Um eine möglichst gute Symmetrie und damit Aus¬ löschung der Magnetfelder zu erreichen, ist folgende Reihenfolge vorteilhaft: erster Kondensator, beide Schalter, zwei¬ ter Kondensator.
Die Halbbrücke kann eine erste elektrische Leiterbahn aufwei¬ sen, die die Verbindung zwischen einem ersten Anschlusspunkt des ersten Kondensators, einem ersten Anschlusspunkt des zweiten Kondensators und einem ersten äußeren Anschlusspunkt der Serienschaltung der Schalter ausbildet. Daneben kann die Halbbrücke eine zweite elektrische Leiterbahn umfassen, die die Verbindung zwischen einem zweiten Anschlusspunkt des ersten Kondensators, einem zweiten Anschlusspunkt des zweiten Kondensators und einem zweiten äußeren Anschlusspunkt der Se- rienschaltung der Schalter ausbildet.
- Die Leiterbahnen können auf dem Schaltungsträger jeweils geradlinig ausgebildet sein. Dann lassen sich die Bauteile gut in einer Reihe anordnen.
- Die Leiterbahnen können nebeneinander angeordnet sein. In diesem Fall ergeben sich Stromflussschleifen, die planar angeordnet sind und nebeneinander. - Alternativ können die Leiterbahnen im Wesentlichen übereinander in zwei Schichten des Schaltungsträgers angeordnet sein. In diesem Fall ergeben sich Stromflussschleifen, die senkrecht zur Ebene des Schaltungsträgers ausgerichtet sind. Hierbei ist die Fläche, die durch die Stromflussschleifen aufgespannt wird, sehr gering und dadurch vorteilhaft die In¬ duktivität sehr gering. Die Vorteile der gegensinnig ausge¬ richteten Stromflussschleifen bleiben trotzdem erhalten, d.h. selbst die ohnehin schon geringen Magnetfelder werden noch verringert .
- Typischerweise sind die leistungselektronischen Schalter IGBTs . Es können aber auch MOSFETs, SiC-Schalter oder GaN- Schalter, beispielsweise GaN-Kaskoden oder GaN-HEMT-Schalter verwendet werden. Die hohen potentiellen Schaltgeschwindig¬ keiten der GaN-Schalter machen eine niedrige Induktivität der Kommutierungszelle besonders wichtig Werden GaN-Schalter ver- wendet, kann dann mit dem verbesserten Aufbau der Halbbrücke deutlich schneller geschaltet werden, was vorteilhaft die Baugröße der beispielsweise für die Filterung vorzusehenden Kondensatoren und Induktivitäten verringert und die Schaltverluste verringert.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert. Dabei zeigen schematisch: Figur 1 ein Schaltungsschema für eine Halbbrücke als Kommu¬ tierungszelle mit symmetrischem Aufbau,
Figur 2 die Anordnung der Bauteile auf einem Schaltungsträger für die Halbbrücke,
Figur 3 eine alternative Gestaltung der Leiterbahnen für die Halbbrücke.
Figur 1 zeigt den Aufbau einer Schaltung für eine Halbbrücke 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel für die Erfindung. Die Halbbrücke 10 umfasst einen ersten Schalter 1 und einen zwei- ten Schalter 2, die in Serie geschaltet sind. Üblicherweise handelt es sich bei den beiden Schaltern um denselben Typ von Schalter, beispielsweise um IGBTs, MOSFETs oder Wide-Bandgap- Schalter wie GaN-Schalter oder SiC-Schalter. Dabei können die Eigenschaften der Schalter 1, 2, beispielsweise die Optimie- rung bzgl. der Schaltverluste oder Durchgangsverluste, gleichartig sein. In alternativen Ausgestaltungen ist es aber auch möglich, dass Schalter 1, 2 mit verschiedenartigen Eigenschaften verwendet werden. So kann beispielsweise der ers- te Schalter 1 auf niedrige Schaltverluste optimiert sein, während der zweite Schalter 2 auf niedrige Durchgangsverluste optimiert ist. Dies kann beispielsweise sinnvoll sein, wenn die Halbbrücke als obere Halbbrücke in einem Dreipunktwech- selrichter verwendet wird, bei dem der erste Schalter 1 mit kHz-Frequenzen schaltet, während der zweite Schalter 2 nur mit Netzfrequenz schaltet. In weiteren alternativen Ausgestaltungen können die beiden Schalter 1, 2 sogar durch verschiedene Schaltertypen gebildet sein. Beispielsweise kann der erste Schalter 1 ein MOSFET sein und der zweite Schalter 2 ein IGBT.
Der Verbindungspunkt 6 von erstem und zweitem Schalter 1, 2 bildet einen Anschluss für die Halbbrücke, je nach Verwendung der Halbbrücke 10 beispielsweise einen Wechselspannungsaus¬ gang. Ein oberer Außenanschluss 4 der Serie der Schalter 1, 2 sowie eine unterer Außenanschluss 5 der Serie bilden weitere Anschlüsse für die Halbbrücke, beispielsweise für einen
Gleichspannungseingang .
Parallel zu der Serie aus erstem und zweitem Schalte 1, 2 ist eine Stützkapazität geschaltet, die mit den beiden Schaltern zusammen einen Kommutierungskreis bildet. Dabei umfasst die Stützkapazität einen ersten Kondensator 3a und einen zweiten Kondensator gleicher Kapazität 3b. Die beiden Kondensatoren 3a, 3b sind zueinander und zu der Serie der beiden Schalter 1, 2 parallel geschaltet.
Während ein Schaltschema nach Art von Figur 1 normalerweise wenig über die räumliche Anordnung der elektronischen Bauteile aussagt, ist in Figur 1 eine Besonderheit der Halbbrücke angedeutet. Die beiden Kondensatoren 3a, 3b sind so zu den beiden Schaltern 1, 2 angeordnet, dass sich für jeden der beiden Kondensatoren 3a, 3b mit den Schaltern 1, 2 zwei
Stromflussschleifen 8a, 8b ergeben, deren Drehsinn einander entgegengesetzt ist. Ein durch die Schalter 1, 2 fließender Strom, der sich auf die beiden Kondensatoren 3a, 3b aufteilt, führt daher zu zwei gegensinnig laufenden Kreisströmen. Die räumliche Anordnung der Bauelemente der Halbbrücke 10 ist in Figur 2 dargestellt. Figur 2 ist eine Aufsicht auf die Halbbrücke 10. Die Bauelemente sind dabei auf einem gemeinsa- men Schaltungsträger aufgebracht, der in Figur 2 nicht dargestellt ist. Der gemeinsame Schaltungsträger ist beispielswei¬ se ein DCB-Substrat (Direct Copper Bond) oder eine Leiter¬ platte (PCB) .
Die Bauelemente der Halbbrücke 10 sind in einer gleichmäßigen und spiegelsymmetrischen Reihe angeordnet. Dabei beginnt die Reihe mit dem ersten Kondensator 3a, gefolgt vom ersten
Schalter 1, dem zweiten Schalter 2 und dem zweiten Kondensator 3b.
Die Verbindung zwischen dem unteren Außenanschluss 5 und den beiden Kondensatoren 3a, 3b wird durch eine erste Leiterbahn
11 bereitgestellt. Die erste Leiterbahn 11 ist eine geradli¬ nige Leiterbahn, die eine Kontaktfläche 52 des zweiten Schal¬ ters 2, eine Kontaktfläche 63a des ersten Kondensators 3a und eine Kontaktfläche 63b des zweiten Kondensators 3b verbindet. Die Verbindung zwischen dem oberen Außenanschluss 4 und den beiden Kondensatoren 3a, 3b wird durch eine zweite Leiterbahn
12 bereitgestellt. Die zweite Leiterbahn 12 ist ebenfalls ei¬ ne geradlinige Leiterbahn, die eine Kontaktfläche 51 des ers¬ ten Schalters 1, eine Kontaktfläche 53a des ersten Kondensa¬ tors 3a und eine Kontaktfläche 53b des zweiten Kondensators 3b verbindet. Die Verbindung der beiden Schalter 1, 2 untereinander wird durch eine dritte Leiterbahn 13 bereitgestellt, die Kontakt¬ flächen 61 und 62 der beiden Schalter 1, 2 verbindet. Je nach Einsatz der Halbbrücke 10 ist die dritte Leiterbahn verbunden mit einem Anschluß nach außen, beispielsweise einem Lastan- schluss und stellt den sog. „not node" dar. Es ist aber auch möglich, dass die Halbbrücke 10 in Topologien zum Einsatz kommt, in denen der Lastanschluss mit einem der Potential¬ punkte 4, 5 zusammenfällt. Die sich durch den Aufbau ergebenden Stromflussschleifen 8a, 8b sind in Figur 2 ebenfalls dargestellt. Soweit die Anord¬ nung symmetrisch ist und die gewählten Kondensatoren gleiche Kapazität aufweisen, sind auch die Stromflussschleifen 8a, 8b symmetrisch. Bei dem Aufbau der Figur 2 liegen die Stromflussschleifen 8a, 8b weitgehend koplanar und nebeneinander, wobei der Drehsinn des Stromflusses verschieden ist. Dadurch ergeben sich Magnetfelder von umgekehrter Polarität und glei- eher Stärke. Diese Magnetfelder addieren sich im Bereich der Überlappung, d.h. im Bereich der beiden Schalter 1, 2. In den Außenbereichen der Halbbrücke, d.h. im Bereich der Kondensatoren 3a, 3b, verbleiben Anteile der Magnetfelder im Nahfeld. Ist die Halbbrücke symmetrisch aufgebaut und somit die Mag- netfelder von gleicher Größe, heben sich die Magnetfelder aber in größerem Abstand auf, d.h. das Fernfeld verschwindet weitestgehend .
Es ist erkennbar, dass neben einer strikt symmetrischen An- Ordnung der Bauelemente wie in Figur 2 auch andere Anordnungen in Frage kommen. Diese müssen nicht, können aber auch weniger symmetrisch sein. Beispielsweise können die Kondensato¬ ren 3a, 3b, die gemäß Figur 1 jeweils durch ein einzelnes Kondensator-Bauteil gebildet sind, in Wirklichkeit durch eine Mehrzahl von Kondensatoren gebildet werden. Diese können sich einerseits in ihrer Kapazität ergänzen, andererseits aber auch in anderen Eigenschaften wie beispielsweise der Reaktionszeit. So können die Kondensatoren, die zusammen den Kondensator 3a, 2b bilden, verschiedene Typen von Kondensatoren sein, die durch ihre unterschiedlichen Reaktionszeiten und Kapazitäten zusammenwirken, um optimale Schalteigenschaften für die Halbbrücke zu bewirken.
In diesem Fall sind die einzelnen Kondensatoren dann nahe beieinander und beispielsweise ringförmig um die Schalter 1, 2 herum angeordnet. Eine solche Anordnung ist vereinfacht in Figur 3 dargestellt. Figur 3 zeigt dabei nur die Schalter 1, 2 und die Einzel-Kondensatoren 41...43, die zusammen den Kon- densator 3b ausbilden sowie die Einzel-Kondensatoren 44...46, die zusammen den Kondensator 3a ausbilden. Die Leiterbahnen, die die Elemente verbinden, sind in Figur 3 nicht darge¬ stellt. Es ist vorteilhaft, wenn die Anordnung der Einzel- Kondensatoren 41...43 zusammen mit den Schaltern so weit wie möglich punktsymmetrisch ist. Je besser die Symmetrie erfüllt ist, desto gleichartiger sind die entstehenden Magnetfelder.
Es ist dabei vorteilhaft, die Leiterbahnstrecke zwischen den Elementen so kurz wie möglich zu machen. Daher kann es vorteilhaft sein, die nach der Baugröße kleineren Einzel- Kondensatoren nahe an den Schaltern 1, 2 anzuordnen. Nach der Baugröße größere Einzel-Kondensatoren hingegen werden in einem weiteren Abstand zu den Schaltern 1, 2 angeordnet, wo in einem kreisförmigen Gebiet um die Schalter 1, 2 herum mehr
Fläche zur Verfügung steht. Eine solche Anordnung ist in Figur 4 schematisch dargestellt. In Figur 4 umfasst die Kondensatoren 3a, 3b jeweils noch mehr Einzel-Kondensatoren 51...60. Davon sind die kleineren punktsymmetrisch verteilt und nahe an den Schaltern 1, 2 angeordnet, während die größeren Einzel-Kondensatoren 55, 60 weiter entfernt angeordnet sind.
Generell ist eine möglichst punktsymmetrische Anordnung vor¬ teilhaft. Allerdings kann diese im realen Aufbau oft nur un- vollständig erfüllt werden und es gibt daher auch Ausfüh¬ rungsvarianten für die Erfindung, bei denen die symmetrische Anordnung nicht vollständig, sondern nur weitgehend erfüllt ist . Eine weitere Ausführungsform für eine Halbbrücke 30 nach der Erfindung ist in Figur 5 schematisch gezeigt. Der Aufbau der Halbbrücke 30 entspricht weitgehend dem Aufbau der Halbbrücke 10 der Figur 2. Allerdings sind die erste und die zweite Lei¬ terbahn 11, 12 ersetzt durch eine vierte und fünfte Leiter- bahn 31, 32. Die vierte und fünfte Leiterbahn 31, 32 nehmen die gleichen elektrischen Verbindungen vor wie die erste und zweite Leiterbahn 11, 12. Im Unterschied zur ersten und zweiten Leiterbahn 11, 12 sind die vierte und fünfte Leiterbahn 31, 32 jedoch direkt übereinander angeordnet anstatt nebenei¬ nander. Dazu sind die vierte und fünfte Leiterbahn 31, 32 in unterschiedlichen Schichten des Substrats angeordnet. Sie sind weiterhin als weitgehend geradlinige Leiterbahnen ausge- bildet, wobei in diesem Fall zur Anbindung der Kontaktflächen der Bauelemente Ausbuchtungen vorgesehen sein können.
Durch die Anordnung der vierten und fünften Leiterbahn 31, 32 übereinander liegen die Stromflussschleifen 8a, 8b bei der Halbbrücke 30 nach Figur 3 senkrecht zur Ebene des Schal¬ tungsträgers, aber weiterhin gegenläufig zueinander. Da die aufgespannte Fläche nun durch den geringen Abstand der Lei¬ terbahnen 31, 32 nur noch sehr klein ist, sind auch die Magnetfelder gering. Wie bei der Halbbrücke 10 heben sich die sich jetzt ergebenden Magnetfelder im Fernfeld auf und es ergeben sich durch den Aufbau mit den beiden Kondensatoren 3a, 3b verbesserte Schalteigenschaften der Halbbrücke 30 gegenüber einer vergleichbaren bekannten Halbbrücke. Ebenso werden die sich im Außenbereich, also abseits der Leiterbahnen 31, 32 ergebenden elektrischen Felder durch den Aufbau verringert, was die Störeinflüsse auf andere Schaltungen reduziert.
In den bisher beschriebenen Ausführungsformen sind die Kondensatoren 3a, 3b bzw. ihre Einzel-Kondensatoren 41...46, 51...60 stets auf der Oberseite des Substrats angeordnet. Weitere Va¬ rianten für Ausführungsformen der Erfindung, die nicht in den Figuren dargestellt sind, besteht darin, dass die Kondensato¬ ren 3a, 3b bzw. die Einzel-Kondensatoren 41...46, 51...60, zu¬ sätzlich entweder teilweise oder vollständig auf der Unter- seite, d.h. auf der von der Seite der Schalter 1, 2 abgewandten Seite des Substrats angeordnet sind. Dadurch ist vorteil¬ haft eine räumlich noch engere Anordnung der Einzel- Kondensatoren 41...46, 51...60 möglich, die also die Leiterbahnstrecken noch weiter verkürzt. Wie auch bei den anderen Aus- führungsformen ist dabei eine im Wesentlichen punktsymmetrische Anordnung sehr vorteilhaft.

Claims

Patentansprüche
1. Halbbrücke (10, 30) für leistungselektronische Schaltungen umfassend eine Serienschaltung von zwei leistungselektroni- sehen Schaltern (1, 2) und eine parallel zu der Serienschal¬ tung geschaltete Stützkapazität,
dadurch gekennzeichnet, dass die Stützkapazität einen ersten und zweiten Kondensator (3a, 3b) umfasst, die parallel zuei¬ nander geschaltet sind und die Schalter (1, 2) und die Kon- densatoren (3a, 3b) derart als Kommutierungszelle auf einem gemeinsamen Schaltungsträger angeordnet sind, dass der erste Kondensator (3a) mit den Schaltern (1, 2) eine erste Stromflussschleife (8a) einer ersten Orientierung ausbildet und der zweite Kondensator (3b) mit den Schaltern (1, 2) eine zweite Stromflussschleife (8b) einer zweiten, der ersten Ori¬ entierung entgegengesetzten Orientierung bildet.
2. Halbbrücke (10, 30) nach Anspruch 1, bei der die Kondensa¬ toren (3a, 3b) als zwei separate Bauteile auf dem Schaltungs- träger angeordnet sind, insbesondere SMD-Bauteile .
3. Halbbrücke (10, 30) nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Schalter (1, 2) und die Kondensatoren (3a, 3b) im Wesentlichen nebeneinander in einer Reihe in der Reihenfolge erster Kondensator (3a), beide Schalter (1, 2), zweiter Kondensator (3b) auf dem Schaltungsträger angeordnet sind.
4. Halbbrücke (10, 30) nach Anspruch 1, bei der der erste und zweite Kondensator (3a, 3b) jeweils mehrere Einzel- Kondensatoren (41...46, 51...60) umfassen.
5. Halbbrücke (10, 30) nach Anspruch 4, bei der die Kondensa¬ toren (3a, 3b) oder Einzel-Kondensatoren (41...46, 51...60) zusammen mit den Schaltern (1, 2) im Wesentlichen punksymmet- risch angeordnet sind.
6. Halbbrücke (10, 30) nach einem der vorangehenden Ansprü¬ che, bei der die Schalter (1, 2) auf einer ersten Seite des Substrats angeordnet sind und wenigstens ein Teil der Konden¬ satoren (3a, 3b) oder Einzel-Kondensatoren (41...46, 51...60) auf einer zweiten, von der ersten Seite abgewandten Seite angeordnet sind.
7. Halbbrücke (10, 30) nach einem der vorangehenden Ansprüche mit einer ersten elektrischen Leiterbahn (11, 12, 31, 32), die die Verbindung zwischen einem ersten Anschlusspunkt des ersten Kondensators (3a) , einem ersten Anschlusspunkt des zweiten Kondensators (3b) und einem ersten äußeren Anschluss¬ punkt der Serienschaltung der Schalter (1, 2) ausbildet sowie mit einer zweiten elektrischen Leiterbahn (11, 12, 31, 32), die die Verbindung zwischen einem zweiten Anschlusspunkt des ersten Kondensators (3a) , einem zweiten Anschlusspunkt des zweiten Kondensators (3b) und einem zweiten äußeren Anschlusspunkt der Serienschaltung der Schalter (1, 2) ausbildet .
8. Halbbrücke (10, 30) nach Anspruch 7, bei der die Leiter- bahnen (11, 12, 31, 32) auf dem Schaltungsträger jeweils geradlinig ausgebildet sind.
9. Halbbrücke (10, 30) nach Anspruch 7 oder 8, bei der die Leiterbahnen (31, 32) im Wesentlichen übereinander in zwei Schichten des Schaltungsträgers angeordnet sind.
10. Halbbrücke (10, 30) nach Anspruch 7 oder 8, bei der die Leiterbahnen (11, 12) nebeneinander angeordnet sind.
11. Halbbrücke (10, 30) nach einem der vorangehenden Ansprü¬ che, bei der der erste und zweite Kondensator (3a, 3b) die gleiche Kapazität aufweisen.
12. Halbbrücke (10, 30) nach einem der vorangehenden Ansprü- che, bei der die leistungselektronischen Schalter (1, 2) IGBTs, GaN-Schalter, MOSFETs oder SiC-Schalter sind.
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