DE102017100528A1

DE102017100528A1 - Leistungsmodul mit optimierter Anschlussstiftanordnung

Info

Publication number: DE102017100528A1
Application number: DE102017100528.5A
Authority: DE
Inventors: Ole Mühlfeld; Guido Mannmeusel; Jörg Bergmann
Original assignee: Danfoss Silicon Power GmbH
Current assignee: Danfoss Silicon Power GmbH
Priority date: 2017-01-12
Filing date: 2017-01-12
Publication date: 2018-07-12
Also published as: WO2018130408A1

Abstract

Die vorliegende Offenbarung stellt ein Drei-Stufen-Leistungsmodul bereit, das Sätze von einem oder mehreren Anschlussstiften aufweist, die zum Verbinden mit einem positiven Gleichstrom-(DC-) Potential, einem negativen DC-Potential und einem neutralen Potential geeignet sind, wobei mindestens einer von Anschlussstiften, die zum Verbinden mit dem positiven DC-Potential geeignet sind und mindestens einer von Anschlussstiften, die zum Verbinden mit dem negativen DC-Potential geeignet sind, jeweils benachbart zu einem Anschlussstift, der zum Verbinden mit dem neutralen Potential geeignet ist, platziert sind.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Leistungsmodul, und genauer ein Drei-Stufen-Leistungsmodul mit optimierter Anschlussstiftanordnung.
Hintergrund
Halbleiterleistungsmodule werden in der Industrie weit verbreitet verwendet. Beispielsweise kann ein solches Leistungsmodul zum gesteuerten Umschalten von hohen Strömen verwendet werden und in Leistungswandlern (wie z.B. Wechselrichtern) verwendet werden, um Gleichstrom in Wechselstrom oder umgekehrt umzuwandeln, oder zum Umwandeln zwischen unterschiedlichen Spannungen oder Frequenzen von Wechselstrom. Solche Wechselrichter werden in Motorsteuerungen oder Schnittstellen zwischen Leistungserzeugung oder Speicherung, oder einem Leistungsverteilungsnetz verwendet. Beispielsweise kann ein Leistungsmodul in einem Netzwechselrichter eines Batteriespeichersystems verwendet werden. In solch einem Batteriespeichersystem wird Strom einem Leistungsversorgungsnetz zugeführt, entweder um das Netz zu stabilisieren oder um elektrische Leistung während Zeiten, in denen die elektrische Energie des Netzes teuer ist, also am Morgen und am Nachmittag, bereitzustellen. Die Batterien werden nachts wieder aufgeladen, wenn die Netzenergiekosten geringer sind oder sie können unter der Verwendung von Solarleistung wieder aufgeladen werden. Insgesamt betrachtet hilft das System dem Kunden, Ausgaben für elektrische Energie zu verringern. Der Netzwechselrichter verbindet das Batteriespeichersystem mit dem Netz und hat die Aufgabe, die Gleichstromspannung der Batterie zur Wechselstromspannung für das Netz umzuwandeln und umgekehrt.
„Zwei-Stufen“-Topologien, bei denen Gleichstromleistung in ein Zwei-Leiter-System (positive und negative Spannungen) eingespeist wird, werden in vielen gegenwärtig verfügbaren Wechselrichtern häufig verwendet. Diese Topologie hat den Nachteil einer verminderten Effizienz und einer nicht ideal sinusförmigen Stromform am Ausgang der Wechselrichter, was zu einem ausgeprägten Bedarf an Filterung führt.
Zusammenfassung
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, ein Leistungsmodul mit gesteigerter Effizienz bereitzustellen.
In einem ersten Aspekt umfasst ein Drei-Stufen-Leistungsmodul Sätze von einem oder mehreren Anschlussstiften, die zum Verbinden zu einem positiven Gleichstrompotential, einem negativen Gleichstrompotential und einem neutralen Potential geeignet sind, wobei mindestens einer von Anschlussstiften, die zum Verbinden mit dem positiven Gleichstrompotential geeignet sind, und mindestens einer von Anschlussstiften, die zum Verbinden mit dem negativen Gleichstrompotential geeignet sind, jeweils benachbart zu einem Anschlussstift, der zum Verbinden mit dem neutralen Potential geeignet ist, platziert sind.
Der Begriff „Drei Stufen“, der hier verwendet wird, zeigt an, dass Gleichstromleistung mit dem Leistungsmodul durch Verbindungen, die eine positive Spannung, eine negative Spannung, und zusätzlich eine dritte Verbindung, die eine Zwischenspannung (neutral) tragen, verbunden ist, wobei die positive Spannung sich auf einem höheren Potential befindet als das der negativen Spannung, und die neutrale Verbindung sich auf einem Potential befindet, das zwischen den positiven und den negativen Spannungen liegt, und in einigen Ausführungsformen auf einem Nullpotential liegen kann. Beispielsweise können Wechselrichtersysteme ± 400V verwenden, und eine Leistungsversorgung für solch einen Wechselrichter weist eine positive Spannung von + 400V, eine negative Spannung von - 400V und auch eine neutrale von 0V auf. Die neutrale kann auf Masse gezogen sein.
In einer Ausführungsform ist mindestens ein Anschlussstift des positiven Gleichstrompotentials an einer ersten Seite des Drei-Stufen-Leistungsmoduls platziert und mindestens ein Anschlussstift des negativen Gleichstrompotentials ist an einer zweiten Seite des Drei-Stufen-Leistungsmoduls platziert, die der ersten Seite gegenüberliegt, und wobei mindestens ein Anschlussstift des neutralen Potentials benachbart zu dem mindestens einen Anschlussstift des positiven Gleichstrompotentials an der ersten Seite platziert ist und mindestens ein Anschlussstift des neutralen Potentials benachbart zu dem mindestens einen Anschlussstift des negativen Gleichstrompotentials an der zweiten Seite platziert ist.
Mit „eine erste Seite, die einer zweiten Seite gegenüberliegt“ ist gemeint, dass, wenn die erste Seite beispielsweise eine der langen Seiten eines rechteckigen Leistungsmoduls ist, dann die zweite Seite die andere lange Seite des Leistungsmoduls ist, oder, falls die erste Seite eine der kurzen Seiten des Leistungsmoduls ist, dann die zweite Seite die andere kurze Seite des Leistungsmoduls ist. Dass ein Anschlussstift benachbart zu einem Anschlussstift an derselben Seite angeordnet ist, bedeutet, dass die Anschlussstifte an ein und derselben Seite des Leistungsmoduls und nebeneinander platziert sind.
In einer Ausführungsform ist die Anzahl von Anschlussstiften jedes der Potentiale, die benachbart zueinander platziert sind, größer als die, die zur Stromübertragungsfähigkeit notwendig ist.
In einer Ausführungsform ist die Anzahl der Anschlussstifte jedes der Potentiale, die benachbart zueinander platziert sind, doppelt so groß wie die, die zur Stromübertragungsfähigkeit notwendig ist.
In einer Ausführungsform gibt es vier Anschlussstifte für jedes des positiven Wechselstrompotentials, des negativen Wechselstrompotentials und des neutralen Potentials.
In einer Ausführungsform sind zwei Anschlussstifte des neutralen Potentials benachbart zu den vier Anschlussstiften des positiven Gleichstrompotentials an der ersten Seite des Drei-Stufen-Leistungsmoduls platziert und zwei Anschlussstifte des neutralen Potentials sind benachbart zu den vier Anschlussstiften des negativen Gleichstrompotentials an der zweiten Seite des Drei-Stufen-Leistungsmoduls platziert.
In einer Ausführungsform liegt die erste Seite der zweiten Seite gegenüber.
In einer Ausführungsform weist das Drei-Stufen-Leistungsmodul ferner mindestens ein Substrat auf, an dem ein oder mehrere Halbleiterschalter montiert sind, wobei der eine oder die mehreren Halbleiterschalter Halbleiter mit breiter Bandlücke aufweisen.
In einer Ausführungsform weisen die Halbleiter mit breiter Bandlücke Siliziumcarbid-Halbleiterschalter auf.
In einer Ausführungsform weisen die SiC-Halbleiterschalter SiC-Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) auf.
In einer Ausführungsform weist das Drei-Stufen-Leistungsmodul eine Neutral Point Clamped-1 (NPC1) Topologie auf. Die NPC1-Topologie ist eine bekannte Topologie für Drei-Stufen-Wechselrichterschaltkreise und weist vier Schalter in Serie zwischen den positiven und negativen Gleichstromleitungen auf. Sie wird im Folgenden weiter beschrieben.
In einer Ausführungsform weist das Drei-Stufen-Leistungsmodul eine NPC2-Topologie auf. Die NPC2-Topologie ist eine bekannte Topologie für Drei-Stufen-Wechselrichterschaltkreise und umfasst zwei Schalter in Serie zwischen den positiven und negativen Gleichstromleitungen und die Lastverbindung weist die Verbindung zwischen diesen Schaltern auf. Darüber hinaus liegen zwischen der Lastverbindung und der neutralen Speisungsleitung zwei weitere Schalter, verbunden als ein Zweirichtungs-Schalter. Dies wird im Folgenden ebenfalls weiter beschrieben.
In einer Ausführungsform weist das mindestens eine Substrat ein Direct Bonded Copper (DBC) Substrat auf. Solch ein Substrat ist durch ein Kupfer/Keramik/Kupfersandwich gebildet, wobei eine Schaltkreisstruktur in der oberen Kupferschicht gebildet sein kann, die mit Halbleiterschaltern, Kondensatoren und/oder Widerständen bestückt sein kann, wie sie zum Bilden eines funktionierenden Schaltkreises notwendig sind.
Figurenliste
Die obigen und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile werden anhand der folgende Beschreibung von Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen deutlicher, in denen:

1 eine Querschnittsansicht eines Leistungsmoduls gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt;
2 eine Perspektivansicht des Leistungsmoduls gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt;
3 eine Ausführungsform eines Leistungsmoduls mit platziertem Deckel gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt;
4 eine symbolische Darstellung eines Leistungsmoduls mit IGBT Diodenkombination in einer NPC1 Drei-Stufen-Topologie zeigt;
5 eine symbolische Darstellung eines Leistungsmoduls mit einer IGBT/Diodenkombination in einer NBC2 Drei-Stufen-Topologie zeigt;
6 eine symbolische Darstellung eines Leistungsmoduls mit SiC-MOSFETs in einer NPC1 Drei-Stufen-Topologie zeigt;
7 eine symbolische Darstellung eines Leistungsmoduls mit SiC-MOSFETs in einer NPC2 Drei-Stufen-Topologie zeigt;
8 eine Aufsicht auf ein beispielhaftes Leistungsmodul gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt;
9 einen Vergleich von zwei Leistungsmodulen mit unterschiedlichen Anschlussstiftanordnungen zeigt;
10 ein Diagramm eines Schaltkreises, der einen Satz von parallelen Spulen aufweist, zeigt;
11 ein Beispiel eines Leistungsmoduls gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt; und
12 die Ansicht der Strompfade in dem Leistungsmodul, das in 11 gezeigt ist, zeigt.

Detaillierte Beschreibung
Die Ausführungsformen der Offenbarung werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen im Folgenden detailliert dargestellt. Es sollte beachtet werden, dass die folgenden Ausführungsformen nur veranschaulichend sind, den Umfang der Offenbarung daher nicht begrenzen sollen.
Bezugnahmen in der Beschreibung auf „eine einzige Ausführungsform“, „eine Ausführungsform“, zeigen an, dass die Ausführungsform, die beschrieben ist, ein bestimmtes Merkmal, eine Struktur oder eine Eigenschaft aufweisen kann, aber es nicht notwendig ist, dass jede Ausführungsform das bestimmte Merkmal, die Struktur oder die Eigenschaft enthält. Darüber hinaus beziehen sich solche Begriffe nicht notwendigerweise auf dieselbe Ausführungsform. Ferner wird darauf hingewiesen, dass, wenn ein bestimmtes Merkmal, eine Struktur oder Eigenschaft in Verbindung mit einer Ausführungsform beschrieben ist, es für den Durchschnittsfachmann im Rahmen seines Wissens liegt, solch ein Merkmal, eine Struktur oder Eigenschaft in Verbindung mit anderen Ausführungsformen, egal ob explizit beschrieben oder nicht, bewirken kann.
Es sollte verstanden werden, dass, obwohl die Begriffe „erste“ und „zweite“ usw. im Folgenden hierin verwendet sein können, um eine Vielzahl von Elementen zu beschreiben, diese Elemente durch diese Begriffe nicht beschränkt sein sollen. Diese Begriffe werden nur dazu verwendet, ein Element von einem anderen zu unterscheiden. Beispielsweise könnte ein erstes Element als ein zweites Element beschrieben werden und in ähnlicher Weise ein zweites Element als ein erstes Element beschrieben werden, ohne den Umfang der beispielhaften Ausführungsformen zu verlassen. So wie es hierin verwendet wird, enthält der Begriff „and/or“ jede beliebige Kombination von einem oder mehreren von damit verknüpften aufgelisteten Begriffen.
Die hierin verwendete Terminologie dient ausschließlich dem Zweck, bestimmte Ausführungsformen zu beschreiben, und ist nicht dafür gedacht, auf beispielhafte Ausführungsformen zu beschränken. So wie sie hierin verwendet werden, haben die Einzahlformen „ein“, „eine“ und „eines“ und „der“, „die“, „das“ zum Ziel, auch die Pluralformen mit zu erfassen, außer der Kontext weist deutlich auf etwas Anderes hin. Ferner wird man verstehen, dass die Begriffe „aufweisen“, „aufweist“, „hat“, „haben“, „enthält“ und/oder „enthalten“, wenn sie hierin verwendet werden, die Anwesenheit genannter Merkmale, Elemente und/oder Komponenten usw. spezifiziert, jedoch nicht die Anwesenheit oder Hinzufügung einer oder weiterer Merkmale, Elemente, Komponenten und/oder Kombinationen dieser ausschließt.
In der folgenden Beschreibung und den Ansprüchen haben alle technischen und wissenschaftlichen Begriffe, die hierin verwendet werden, die gleiche Bedeutung wie sie der Durchschnittsfachmann, an den sich diese Offenbarung richtet, im Allgemeinen versteht.
1 zeigt eine Querschnittsansicht eines Leistungsmoduls 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung, und 2 zeigt eine perspektivische Ansicht des Leistungsmoduls gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Wie gezeigt ist, weist das Leistungsmodul 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung eine Kupfergrundplatte 110 mit zwei Substraten 120, die darauf angelötet sind, auf. Im Leistungsmodul 100 werden Direct Bonded Copper (DBC) Substrate verwendet. Die DBC Substrate sind mittels eines Sandwiches von Cu 122 (beispielsweise von 300 µm), Keramik 124 (beispielsweise AIN von 320µm) und Cu 126 (beispielsweise von 300µm) gebildet, wobei in der oberen Cu-Schicht 122 eine Schaltkreisstruktur gefunden werden kann, die Halbleiterschalter 130, Kondensatoren 150 und Gate-Widerstände 140 trägt. Aluminiumbonddrähte 160 werden für die oberseitige Verbindung der Matrize und für Zwischenverbindungen mit den Anschlussstiften 210, die die Signalanschlussstifte und Leistungsanschlussstifte des Leistungsmoduls 100 enthalten, verwendet. Die zwei DBC Substrate sind über Bonddrähte 220 verbunden. Das Leistungsmodul 100 ist mit einem geformten Plastikrahmen 170 (der die Kontaktanschlussstifte im Presssitz hält) eingekapselt. Er ist mit Silikongel 180 ausgefüllt. Der Rahmen ist mittels Metallbuchsen 230 befestigt. Das Leistungsmodul 100 ist mittels eines Plastikdeckels 300 geschlossen. 3 zeigt eine Ansicht des Leistungsmoduls 100 mit dem Deckel 300 an seinem Platz.
Während des Zusammenbaus des Leistungsmoduls werden zunächst die Halbleiterschalter, Widerstände und Kondensatoren an das DBC Substrat gelötet. Danach wird das Substrat vorgetestet. Das getestete DBC wird dann an eine 3mm dicke Kupfergrundplatte, die mit einer Vernickelung bedeckt ist, angelötet. Danach wird der Plastikrahmen montiert; dies wird durch Bonden des Rahmens an die Grundplatte unter Verwendung von Silikonkleber erledigt. Zusätzlich werden der Rahmen und die Grundplatte mittels Metallbuchsen befestigt. Danach werden die Anschlussstifte und die Substrate in einem zweiten Bonding-Schritt mit Bonddrähten verbunden. Im letzten Schritt wird das Modul mit Silikongel gefüllt, der Deckel wird montiert und die Module werden in Bezug auf die Sicherheit der elektrischen Funktion getestet. Die Lötschritte können zu einem einzigen Lötschritt zusammengefasst werden, um den Prozessaufwand zu reduzieren und somit Kosten zu sparen.
Das Leistungsmodul ist so gestaltet, dass es zwei hauptsächliche Eigenschaften erfüllt: hohe Leistungsumwandlungseffizienz und hohe Leistungsdichte. Faktoren wie Lebensdauer, Kosten und Qualität werden auch berücksichtigt.
Um hohe Leistungsumwandlungseffizienz zu erreichen, wird eine Drei-Stufen-Topologie verwendet. Durch Verwenden einer Drei-Stufen-Topologie werden weniger externe Komponenten (also Filter) benötigt, weil die Sinuswellenform besser reproduziert wird. Gleichzeitig erhöht sich die gesamte Systemeffizienz.
4 zeigt eine symbolische Darstellung eines Leistungsmoduls 400 mit konventioneller Siliziumtechnologie (hauptsächlich IGBT/Diodenkombination) in einer Neutral Point Clamped (NPC)1 Drei-Stufen-Topologie. 5 zeigt eine ähnliche symbolische Darstellung eines Leistungsmoduls 500 mit herkömmlicher Siliziumtechnologie (hauptsächlich IGBT/Diodenkombination) in einer NPC2 Drei-Stufen-Topologie. Wie gezeigt ist, sind zusätzlich Freilaufdioden D1, D4, D5 und D6 vorhanden. Die Einrichtungen benötigen die diskreten Diodenkomponenten in Gesellschaft mit den Halbleiterschaltern T1-4.
In einer Ausführungsform können Hochleistungshalbleiter mit breiter Bandlücke, wie beispielsweise Silizium Carbid (SiC) Halbleiterschalter, verwendet werden, weil sie für gewöhnlich übliche Silizium-basierte Komponenten, also Isolierte Gate Bipolar Transistoren (IGBT), in der Leistung übertreffen.
Die Halbleiter mit breiter Bandlücke (beispielsweise SiC-Halbleiterschalter) haben die Eigenschaft, sehr schnell umzuschalten, und haben deshalb geringere Schaltverluste als IGBTs. Die Halbleiter mit breiter Bandlücke, beispielsweise SiC-Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) haben eine höhere Effizienz und somit wird im Vergleich mit IGBTs weniger Kühlung benötigt. Die Drei-Stufen-Topologie kann die intrinsische MOSFET body diode verwenden und deshalb wird keine zusätzliche Si- oder SiC-Freilaufdiode benötigt, wie es beim IGBT basierten Drei-Stufen Leistungsmodul der Fall ist. Darüber hinaus benötigt das SiC-MOSFET weniger Platz auf dem Substrat, verglichen mit gleich bewertetem IGBT. Deshalb sind höhere Leistungsdichten möglich.
6 zeigt eine symbolische Darstellung eines Leistungsmoduls 600 mit SiC MOSFETs in einer Neutral Point Clamped (NPC) 1 Drei-Stufen-Topologie. 7 zeigt eine ähnliche symbolische Darstellung eines Leistungsmoduls 700 mit SiC MOSFETs in einer NPC 2 Drei-Stufen-Topologie. Wie gezeigt ist, werden keine zusätzlichen Freilaufdioden in keinem der beiden Leistungsmodule benötigt. Es gibt vier Halbleiter, T1-T4, und zwei Substrate DBC1 und DBC2 innerhalb des Leistungsmoduls. Keine diskrete Diodenkomponente wird begleitend mit jedem der Halbleiter T1 -T4 verwendet. Die Bezugszeichen 1 bis 24 in den Figuren beziehen sich auf Anschlussstiftbezugszeichen des Leistungsmoduls.
7 zeigt auch, dass die Halbleiter in dem Leistungsmodul 700 einen NPC2-Topologie Schaltkreis bilden, der über die zwei Substrate, DBC1 und DBC2, aufgeteilt ist. DBC1 trägt einen Halbbrückenschaltkreis, der T1 und T4 aufweist, und DBC2 trägt einen Zwei-Richtungs-Schalter-Schaltkreis, der T2 und T3 aufweist. Das bedeutet, dass DBC1 zwei Halbleiter trägt, die in Serie zwischen den positiven und negativen Anschlüssen des Leistungsmoduls verbunden sind und die Verbindung zwischen T1 und T4 ist mit dem Lastanschluss des Leistungsmoduls verbunden. DBC2 trägt zwei Halbleiter, die als ein Zwei-Richtungs-Schalter zwischen dem neutralen Anschluss und dem Lastanschluss des Leistungsmoduls verbunden sind.
8 zeigt eine Aufsicht auf ein exemplarisches Leistungsmodul 800 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie gezeigt ist, sind acht Halbleiter vorhanden, wobei T1-T4 verglichen mit denen in 7 verdoppelt sind. DBC1 trägt T1 und T4 und DBC2 trägt T2 und T3. Mit anderen Worten wird jeder Transistor in 7 in 8 durch zwei parallel geschaltete Transistoren realisiert. Ähnlich wie in 7 verweisen die eingekreisten Bonddrähte auf die Verbindung zwischen den zwei DBC Substraten. Die Nummern 1-26 in der Fig. verweisen auf Anschlussstiftbezugszeichen des Leistungsmoduls.
Jeder Strompfad in einer elektrischen Komponente wie beispielsweise einem Leistungsmodul weist unvermeidbar eine Induktivität auf. Derartige parasitäre Induktivitäten speichern Energie und haben den Effekt, durch die Verwendung dieser gespeicherten Energie den Strom konstant zu halten, wie es im Gebiet weithin bekannt ist. Dieser Effekt wirkt stark einem schnellen Umschalten entgegen, da er schnelle Änderungen im Strom verhindert. Deshalb ist es sehr wichtig, die Menge parasitärer Induktivitäten zu verringern, wenn schnelles Umschalten erwünscht ist. Die Stromschaltkreise innerhalb eines Leistungsmoduls, die die Kupferstrecken, Drahtbrücken und Anschlussverbindungen aufweisen, tragen alle zur parasitären Induktivität bei und deshalb muss beim Anordnen solcher Verbindungen große Sorgfalt walten.
Die Induktivität wird durch einen Strom gebildet, der in einer „Schleife“, die durch Leiter gebildet ist, fließt. Je kleiner die Kommutationsschleife für den Strom, desto kleiner ist die Induktivität. Durch Platzieren mindestens eines der Anschlussstifte für das positive Gleichstrompotential und das negative Gleichstrompotential, so dass er nahe an einem Anschlussstift für das neutrale Potential liegt, wird die Kommutationsschleife des Stroms reduziert, was die Streuinduktivität in dem Leistungsmodul verringert. In einer Ausführungsform ist der mindestens eine Anschlussstift für das positive Gleichstrompotential benachbart zum Anschlussstift für das neutrale Potential platziert. Durch Platzieren des oder der Anschlussstifte für das positive Gleichstrompotential und/oder das negative Gleichstrompotential nahe an dem oder den Anschlussstiften für das neutrale Potential wird die Umlaufschleife für die externe Gleichstromverbindungskondensatorverbindung verringert. Das verringert auch die Induktivität. Dieses Platzieren von Anschlussstiften hat auch den zusätzlichen Vorteil, dass es einfacher ist, auf eine Weise, die verringerte Streuinduktivität aufweist, mit externen Kondensatoren zu verbinden.
Beide Kontakte, beispielsweise für die Snubber-Kondensatoren, nahe zueinander zu haben, verringert auch die Induktivität vom Leistungsmodul zu den Kondensatoren. Darüber hinaus wird die Komplexität der gedruckten Schaltkreisplatine verringert, weil die elektrischen Leiter einander nahe sind. Deshalb kann mit der ausgewählten Anschlussstiftausführung das Folgende erreicht werden: niedrigste äußere Induktivität zu Gleichstromkondensatoren und die Möglichkeit, Kondensatoren direkt an den Anschlussstiften zu platzieren.
9 zeigt einen Vergleich von zwei Leistungsmodulen mit unterschiedlichen Anschlussstiftanordnungen. In 9a ist die Streuinduktivität niedrig, weil die Kommutationsschleifen, die durch die Leiter aufgespannt ist, klein sind. Verglichen mit der in 9a gezeigten weist die Kommutationsschleife, die in 9b gezeigt ist, einen längeren Schleifendraht auf, weshalb das Leistungsmodul eine höhere Induktivität aufweist, was zu einer verringerten Modulleistung führen wird. Wie in 9a gezeigt ist, ist der Anschlussstift des positiven Gleichstrompotentials an einer Seite platziert, während der Anschlussstift des negativen Gleichstrompotentials an einer anderen Seite platziert ist, die der Seite für den Anschlussstift des positiven Gleichstromanschlusses gegenüber angeordnet ist und mindestens ein Anschlussstift des neutralen Potentials ist benachbart zu dem Anschlussstift des positiven Gleichstrompotentials auf der gleichen Seite wie der Anschlussstift des positiven Gleichstrompotentials platziert und mindestens ein Anschlussstift des neutralen Potentials ist benachbart zu dem Anschlussstift des negativen Gleichstrompotentials an der gleichen Seite wie der Anschlussstift des negativen Gleichstrompotentials platziert.
Mehrere Pfade für den Gleichstrom in dem Leistungsmodul zu haben, ist auch beim Verringern der Induktivität hilfreich. Dies ist aus der bekannten Abwandlung einer Induktivität eines Satzes von parallelen Spulen, der in 10 gezeigt ist, erkennbar, wobei die Induktivität des Schaltkreises mittels der folgenden Gleichung berechnet wird: $\frac{1}{L_{g e s}} = \sum_{n = 1}^{N} \frac{1}{L_{n}} = \frac{1}{L_{1}} + \frac{1}{L_{2}} + \dots + \frac{1}{L_{N}}$
wobei L_ges die Gesamtinduktivität ist und L₁-L_N die Induktivitäten jeder der Spulen L₁-L_N bezeichnen.
Anhand der vorgenannten Gleichung kann erkannt werden, dass je mehr Pfade parallel vorhanden sind, umso niedriger die Induktivität ist.
In einer Ausführungsform ist die Anzahl von Anschlussstiften von jedem der Potentiale größer als die für die Stromleitungsfähigkeit benötigte. Die Anzahl möglicher Pfade für den Gleichstrom wird durch das Vorhandensein von mehr als einem Anschlussstift für jedes Potential erhöht. Das bedeutet, dass für jedes des positiven Gleichstrompotentials, neutralen Potentials und negativen Gleichstrompotentials des Leistungsmoduls jedes Potential mehr als einen Anschlussstift aufweist.
Die Anzahl der Anschlussstifte wird für gewöhnlich so gewählt, dass sie den benötigten Strom aufnimmt. Die Berechnung hängt von der Art des benötigten Anschlussstiftes ab. Beispielsweise ist für einen Anschlussstift mit Presssitz ein Maximalwert von 40A pro Anschlussstift für gewöhnlich zulässig. Für verlötete Anschlussstifte kann er leicht höher sein, beispielsweise 45-50A. Die Ausführungsform, die in 11 veranschaulicht ist, verwendet Anschlussstifte mit Presssitz. In dieser Ausführungsform, bei der der maximal erwartete Strom 80A beträgt, würden normalerweise zwei Anschlussstifte verwendet. Allerdings wird durch das Erhöhen dieser Anzahl auf vier Anschlussstifte pro Leistungspotential die Streuinduktivität der Anschlussstifte um ungefähr 50% verringert. Dies folgt aus der Gleichung (1), die oben gezeigt ist, bei der die erhöhte Anzahl von Pfaden die Streuinduktivität verringert.
Die Grundregel ist, dass ein Verdoppeln der Anzahl von Anschlussstiften die Induktivität um die Hälfte verringert. In der Praxis gibt es Grenzen, um wieviel die Anschlussstiftanzahl vergrößert werden kann, da jede bestimmte Packaging-Größe Grenzen haben wird, wie viele Anschlussstifte in den Raum eingepasst werden können, und Freiraum und Kriechabstände müssen in die Berechnung der Anzahl der Anschlussstifte auch einbezogen werden.
Die Hauptgestaltungsüberlegung ist im Allgemeinen, die Strombelastung jedes der Anschlussstifte zu verringern, so dass die Lebensdauer des Anschlussstifts und der damit erzeugten Verbindungen, die normalerweise durch thermozyklische Effekte aufgrund der hohen Ströme begrenzt ist, dafür gestaltet ist, größer zu sein als die Lebensdauergrenze, die durch andere Teile des Leistungsmoduldesigns vorgegeben ist. Diese Gestaltungsüberlegung führt oft zu zwei Anschlussstiften, um den Strom über die gesamte Lebensdauer zu leiten. Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung wird die Anschlussstiftanzahl vergrößert, so dass sie größer ist als zwei, was die mögliche Anzahl von Strompfaden vergrößert. In einer Ausführungsform ist die Anzahl von Anschlussstiften doppelt so groß, was heißt, dass sie von zwei auf vier vergrößert ist, was die Streuinduktivität um ungefähr 50% verringern wird.
11 zeigt ein Beispiel eines Leistungsmoduls gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Wie gezeigt ist, hat jedes des positiven Gleichstrompotentials und des negativen Gleichstrompotentials vier Anschlussstifte (Anschlussstifte 19-22 für das positive Gleichstrompotential und Anschlussstifte 3-6 für das negative Gleichstrom potential) und Anschlussstifte des positiven Gleichstrompotentials befinden sich auf der gegenüberliegenden Seite des Leistungsmoduls, bezogen auf Anschlussstifte des negativen Gleichstrompotentials. Um die Kommutationsschleife zu minimieren, sind zwei Anschlussstifte für das neutrale Potential an jeder Seite des Leistungsmoduls vorhanden. Das erlaubt dem Leistungsmodul, eine sehr geringe Kommutationsschleife zwischen positivem Gleichstrompotential und neutralem Potential und auch zwischen negativem Gleichstrompotential und neutralem Potential zu haben. 12 zeigt die Ansicht des Strompfades in dem Leistungsmodul, das in 11 gezeigt ist, wobei das Linke die Strompfade zwischen dem neutralen Potential und dem negativen Gleichstrompotential und das Rechte die Strompfade zwischen dem neutralen Potential und dem positiven Gleichstrompotential zeigt.
Darüber hinaus ist, dadurch, dass Anschlussstifte des neutralen Potentials an beiden Seiten des Moduls vorhanden sind, wie in 11 gezeigt ist, die Stromaufteilung zwischen den vier Anschlussstiften optimiert und die Länge des Strompfades ist verringert, was die Streuinduktivität verringert hat.
Gemäß der Offenbarung führt es zu sehr niedrigen Streuinduktivitäten, wenn mehrere kurze Strompfade zwischen dem Gleichstromverbindungskondensator und dem Leistungsmodul innerhalb eines Leistungswechselrichters vorhanden sind. Mit niedrigen Streuinduktivitäten kann die Schaltgeschwindigkeit erhöht werden. Mit erhöhter Schaltgeschwindigkeit ist die Effizienz erhöht. Dies ist insbesondere für einige Anwendungen wichtig, insbesondere für Umrichter.
Außerdem erlaubt es eine vereinfachte PCB-Anordnung, wenn das Leistungsmodul verwendet wird, sofern Anschlussstifte für das neutrale Potential benachbart zu Anschlussstiften für das positive Gleichstrompotential und auch das negative Gleichstrompotential aufweist.
Gemäß der Offenbarung werden durch Aufteilen des Stromflusses innerhalb und um das Leistungsmodul in mehrere unterschiedliche parallele Pfade (mit, beispielsweise, der Verwendung einer Vielzahl von Anschlussstiften für die positiven Gleichstrom- und negativen Gleichstrompotentiale und das neutrale Potential) die Streuinduktivitäten ebenso wie die thermomechanische Belastung von Komponenten verringert.
Die Offenbarung wurde oben unter Bezugnahme von Ausführungsformen von ihr beschrieben. Es sollte verstanden werden, dass verschiedene Modifizierungen, Veränderungen und Hinzufügungen durch den Durchschnittsfachmann vorgenommen werden können, ohne von dem Geist und dem Umfang der Offenbarung abzukommen. Deshalb ist der Umfang der Offenbarung nicht auf die obigen speziellen Ausführungsformen beschränkt, sondern nur durch die beigefügen Ansprüche definiert.

Claims

Ein Drei-Stufen-Leistungsmodul, das Sätze von einem oder mehreren Anschlussstiften, die zum Verbinden mit einem positiven Gleichstrom-(DC-) Potential, einem negativen DC-Potential und einem neutralen Potential geeignet sind, aufweist, wobei mindestens einer von Anschlussstiften, die zum Verbinden mit dem positiven DC-Potential geeignet sind, und mindestens einer von Anschlussstiften, die zum Verbinden mit dem negativen DC-Potential geeignet sind, jeweils benachbart zu einem Anschlussstift platziert sind, der zum Verbinden mit dem neutralen Potential geeignet ist.
Drei-Stufen-Leistungsmodul gemäß Anspruch 1, wobei mindestens ein Anschlussstift des positiven DC-Potentials an einer ersten Seite des Drei-Stufen-Leistungsmoduls platziert ist und mindestens ein Anschlussstift des negativen DC-Potentials an einer zweiten Seite des Drei-Stufen-Leistungsmoduls, die der ersten Seite gegenüberliegt, platziert ist, und wobei mindestens ein Anschlussstift des neutralen Potentials benachbart zu dem mindestens einen Anschlussstift des positiven DC-Potentials an der ersten Seite platziert ist und mindestens ein Anschlussstift des neutralen Potentials benachbart zu dem mindestens einen Anschlussstift des negativen DC-Potentials an der zweiten Seite platziert ist.
Drei-Stufen-Leistungsmodul gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Anzahl von Anschlussstiften jedes der Potentiale, die benachbart zueinander platziert sind, größer ist als die, die zur Stromübertragungsfähigkeit notwendig ist.
Drei-Stufen-Leistungsmodul gemäß Anspruch 3, wobei die Anzahl von Anschlussstiften jedes der Potentiale, die benachbart zueinander platziert sind, doppelt so groß ist wie die, die zur Stromübertragungsfähigkeit notwendig ist.
Drei-Stufen-Leistungsmodul gemäß Anspruch 3, wobei für jedes des positiven DC-Potentials, des negativen DC-Potentials und des neutralen Potentials vier Anschlussstifte vorhanden sind.
Drei-Stufen-Leistungsmodul gemäß Anspruch 5, wobei zwei Anschlussstifte des neutralen Potentials benachbart zu den vier Anschlussstiften des positiven DC-Potentials an der ersten Seite des Drei-Stufen-Leistungsmoduls platziert sind und zwei Anschlussstifte des neutralen Potentials benachbart zu den vier Anschlussstiften des negativen DC-Potentials an der zweiten Seite des Drei-Stufen-Leistungsmoduls platziert sind.
Drei-Stufen-Leistungsmodul gemäß Anspruch 6, wobei die erste Seite der zweiten Seite gegenüberliegt.
Drei-Stufen-Leistungsmodul gemäß Anspruch 1, ferner aufweisend mindestens ein Substrat, an dem ein oder mehrere Halbleiterschalter montiert sind, wobei der eine oder die mehreren Halbleiterschalter Halbleiter mit breiter Bandlücke aufweisen.
Drei-Stufen-Leistungsmodul gemäß Anspruch 1, wobei die Halbleiter mit breiter Bandlücke Siliziumcarbid-(SiC-) Halbleiterschalter aufweisen.
Drei-Stufen-Leistungsmodul gemäß Anspruch 9, wobei die SiC-Halbleiterschalter SiC-Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) aufweisen.
Drei-Stufen-Leistungsmodul gemäß Anspruch 1, wobei das Drei-Stufen-Leistungsmodul eine Neutral Point Clamped NPC1 Topologie aufweist.
Drei-Stufen-Leistungsmodul gemäß Anspruch 1, wobei das Drei-Stufen-Leistungsmodul eine NPC2 Topologie aufweist.
Drei-Stufen-Leistungsmodul gemäß Anspruch 1, wobei das mindestens eine Substrat ein Direct Bonded Copper (DBC) Substrat aufweist.