DE10125695A1 - Leistungshalbleiteranordnung - Google Patents

Abstract

Die Leistungshalbleiteranordnung umfasst ein Druckkontaktgehäuse 1, in dem zumindest ein Leistungshalbleiterelement 2 angeordnet ist. Ein Kühlelement 10 zur Kühlung des Leistungshalbleiterelements 2 ist von einem Kühlmittel durchströmbar. Um eine kompakte und platzsparende Raumform bei hocheffektiver Kühlwirkung zu realisieren, ist das Kühlelement 10 als integraler Bestandteil der Anordnung innerhalb des Gehäuses 1 angeordnet.

Description

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet mittels kühlmittelbeauf­ schlagter Kühlkörpersysteme gekühlter Leistungshalbleiter und betrifft eine Leistungshalbleiteranordnung mit einem druck­ kontaktierbaren Gehäuse, in dem zumindest ein Leistungshalb­ leiterelement angeordnet ist, und mit einem Kühlelement, das zur Kühlung des Leistungshalbleiterelements von einem Kühl­ mittel durchströmbar ist.

Auf dem Gebiet der Leistungselektronik verbreitete Leistungs­ halbleiter (beispielsweise Thyristoren oder sogenannte IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)), mit denen betriebsgemäß hohe Ströme geschaltet werden, entwickeln während des Betrie­ bes außerordentlich hohe Verlustleistungen, die in Form von Verlustwärme auftreten. Um eine einwandfreie Funktion und ho­ he Lebensdauer derartiger - beispielsweise in Hochspannungs- Gleichspannungsübertragungsanlagen (HGÜ-Anlagen) oder in An­ trieben eingesetzter - Leistungshalbleiter zu gewährleisten, müssen diese während ihres Betriebes gekühlt werden.

Die DE 198 43 309 A1 offenbart einen Leistungshalbleiter in Form eines Leistungshalbleitermoduls mit einem druckkontak­ tierbaren Gehäuse, einem Substrat, einem Kontaktstempel und mindestens einem Halbleiterchip mit zwei Hauptelektroden. Ein derartiger Aufbau wird auch als druckkontaktierter Leistungs­ halbleiter bezeichnet.

Im Hinblick auf das vorstehend geschilderte Kühlungserforder­ nis geht aus der DE 44 07 397 A1 eine Leistungshalbleiteran­ ordnung der eingangs genannten Art hervor. Diese Leistungs­ halbleiteranordnung ist als Spannverband ausgebildet, in dem abwechselnd Kühldosen und in eigenen, individuellen Druckkon­ taktgehäusen angeordnete Leistungshalbleiter unter mechani­ schem Druck zwischen Spannelementen gehalten sind. Die ein­ zelnen Kühldosen sind mit einem Kühlflüssigkeitsverteilsystem verbunden, das eigentlicher Gegenstand der DE 44 07 397 A1 ist.

Die bekannte Anordnung erfordert ein relativ großes Bauvolu­ men und erscheint wegen der Wärmeübergangswiderstände zwi­ schen den Leistungshalbleiterelementen und den Kühldosen nicht optimal; bei hoher abzuführender Verlustwärme muss der Leistungshalbleiter durch Kühlung seiner Ober- und Unterseite gekühlt werden.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine kompakte Leistungshalbleiteranordnung zu schaffen, die sich durch eine besonders effiziente Kühlbarkeit auszeichnet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Leistungshalb­ leiteranordnung der eingangs genannten Art gelöst, indem das Kühlelement innerhalb des druckkontaktierbaren Gehäuses ange­ ordnet ist. Ein wesentlicher Aspekt der vorliegenden Erfin­ dung besteht damit darin, das Kühlelement, das bevorzugt als wassergekühlter Kühlkörper ausgebildet sein kann, in das Druckkontaktgehäuse des Leistungshalbleiterelementes zu in­ tegrieren.

Damit ist die Grenzflächenanzahl zwischen dem Leistungshalb­ leiterelement bzw. dem eigentlichen wärmeabgebenden Leis­ tungshalbleiterchip und dem Kühlelement vermindert. Dadurch ergibt sich ein besonders günstiger Wärmewiderstand, so dass die als Wärme auftretende Verlustleistung äußerst effizient abgeführt werden kann. Mit der erfindungsgemäßen Leistungs­ halbleiteranordnung ist eine außerordentlich kompakte Bauform möglich, so dass sich insgesamt der Platzbedarf der Leis­ tungshalbleiteranordnung im Vergleich zu bekannten Anordnun­ gen bei gleichem Wärmeprofil erheblich verringern lässt und eine Einsparung von Kühlelementen zulässt.

Wird die vorliegende Erfindung zur Verringerung des Bauvolu­ mens eingesetzt, ist eine besonders kompakte und damit auch besonders leicht zu transportierende und zu montierende Leis­ tungshalbleiteranordnung geschaffen.

Bei im wesentlichen unverändertem Bauvolumen lässt sich ent­ sprechend eine erheblich reduzierte lokale Temperatur, insbe­ sondere Betriebstemperatur des Leistungshalbleiterelements, realisieren.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Leis­ tungshalbleiteranordnung sieht vor, dass mehrere Kühlelemente innerhalb des Gehäuses angeordnet sind. Messungen an einem Prototypaufbau haben dabei gezeigt, dass im Vergleich zu ei­ nem konventionellen Aufbau mit doppelseitiger Kühlung außer­ halb des Gehäuses der Wärmewiderstand um den Faktor 2 bis 3 gesenkt werden kann, wenn zwei Kühlkörper in das Gehäuse in­ tegriert werden.

Bevorzugt können auch mehrere Leitungshalbleiterelemente in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sein und vorteilhafter­ weise sandwichartig ein Kühlelement zwischen sich enthalten. Besonders bevorzugt ist eine derartige Anordnung bei soge­ nannten Tandemschaltungen: Bei Leistungshalbleiterbauelemen­ ten mit sehr hoher Sperrfähigkeit (beispielsweise 10 kV Thy­ ristoren) kann bei hohen Frequenzen die Gesamtverlustleistung dadurch verringert werden, dass statt eines symmetrisch sper­ renden Thyristors eine sogenannte Tandemanordnung aus zwei in Reihe geschalteten separaten Bauelementen, nämlich einem a­ symmetrischen Thyristor und einer Diode, vorgesehen wird. Ein Vorteil des Tandemkonzepts besteht darin, dass die Freiwerde­ zeit und die Speicherladung unabhängig voneinander einge­ stellt werden können. Um eine möglichst effektive Kühlung bei derart in Reihe geschalteten Bauelementen zu realisieren, sieht eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung vor, dass das Kühlelement zwischen zwei Leistungshalbleiterelementen (beispielsweise einem asymmetrischen Thyristor und einer Dio­ de als getrennte Bauelemente) angeordnet ist.

Dabei können die beiden Bauelemente sowohl anodenseitig als auch kathodenseitig effektiv gekühlt werden. Damit lässt sich eine noch stärkere Strombelastbarkeit der Bauelemente errei­ chen. Dies ist insbesondere vorteilhaft bei einer Stoßstrom­ belastung, bei der damit die sich einstellenden Temperaturen der Leistungshalbleiterelemente deutlich gesenkt und somit der maximal zulässige Stoßstrom erheblich erhöht werden kann. In dem sogenannten Tandemprinzip mit zwei getrennten Halblei­ terbauelementen - die gegenüber einem symmetrischen Thyristor wesentlich dünner ausgebildet sein können - kann somit der Vorteil einer geringeren Wärmeentwicklung in den einzelnen Halbleiterbauelementen besonders gut ausgenutzt werden.

Eine besonders effektive Kühlung und zuverlässige Kontaktie­ rung ist gemäß einer bevorzugten Fortbildung der Erfindung dadurch realisierbar, dass das oder die Leistungshalbleiter­ element(e) über einen oder mehrere in dem Gehäuse angeordnete Kupferblöcke elektrisch kontaktiert sind.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand einer Zeichnung näher erläutert; es zeigen:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsge­ mäßen Leistungshalbleiteranordnung im Querschnitt,

Fig. 2 eine Variante der Ausführung nach Fig. 1 im Quer­ schnitt,

Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsge­ mäßen Leistungshalbleiteranordnung im Querschnitt,

Fig. 4 die Ergebnisse einer simulierten Temperaturvertei­ lung bei einer herkömmlichen symmetrischen licht­ zündbaren Thyristorstruktur in einem Druckkontakt­ gehäuse und

Fig. 5 eine entsprechende Simulation für einen asymmetri­ schen Thyristor und eine in Serie geschaltete Dio­ de, wobei zusätzlich zu einer äußeren Kühlung ein wassergekühlter Kühlkörper zwischen den beiden Halbleiterbauelementen eingebaut ist.

Die in der Fig. 1 gezeigte Leistungshalbleiteranordnung um­ fasst ein Druckkontaktgehäuse 1. In dem Gehäuse 1 ist ein Leistungshalbleiterelement 2 angeordnet, dass beispielsweise als Thyristorstruktur ausgebildet sein kann. Zwischen der Ge­ häuseoberseite 4 und dem Leistungshalbleiterbauelement 2 ist ein Kupferstempel 5 vorgesehen, mit dem das Leistungshalblei­ terbauelement 2 elektrisch und thermisch kontaktiert ist. Die Unterseite 6 des Leistungshalbleiterbauelements 2 ist in thermischem Kontakt mit einem Kühlelement 10. Das Kühlelement 10 ist in das druckkontaktierbare Gehäuse 1 integriert und kann beispielsweise in an sich bekannter Weise als wasser­ durchflossener Kühlkörper gemäß der DE 198 31 282 A1 ausge­ bildet sein. Zur Kühlmittelbeaufschlagung bzw. zum Abfluss des Kühlmittels sind Anschlussstutzen 12 und 14 vorgesehen. Damit kann das großflächige Halbleiterbauelement 2, dessen Durchmesser üblicherweise zwischen 25 und 125 mm liegt, ein­ seitig sehr effizient gekühlt werden.

Die Anordnung gemäß der Fig. 1 zeichnet sich durch einen sehr günstigen thermischen Widerstand aus.

Dies bestätigen Messungen an einer gemäß Fig. 2 ausgestalte­ ten Anordnung. Bei dieser Anordnung ist innerhalb des druck­ kontaktierbaren Gehäuses 1 ebenfalls der Kupferstempel 5 vor­ gesehen, dessen Oberseite mit der Gehäuseoberseite 4 in ther­ mischem Kontakt steht und dessen Unterseite im thermischen Kontakt mit dem Leistungshalbleiterbauelement 2 ist. Das in­ tegrierte Kühlelement 10 ist hinsichtlich der Anschlussstut­ zen gegenüber dem in der Fig. 1 gezeigten Element modifi­ ziert und weist einen Einlaufstutzen 16 und einen Auslass­ stutzen 18 auf. Das über den Stutzen 16 eintretende Kühlmit­ tel - beispielsweise Wasser - dient dem Wärmeabtransport von der Unterseite des Leistungshalbleiterbauelements 2 und tritt am Stutzen 18 aus. Demgemäss befindet sich der Bereich 19 mit der höchsten lokalen Temperatur im Austrittsbereich des Stut­ zens 18.

Der in der Fig. 2 gezeigte wassergekühlte Kühlkörper ist zy­ lindrisch und hat einen Durchmesser von 75 mm und eine Höhe von 18 mm. Der Kühlkörper 10 ist wie vorbeschrieben in das Gehäuse 1 integriert. Zur Ermittlung des thermischen Wider­ standes ist der Messpunkt 20 mit der höchsten lokalen Tempe­ ratur ermittelt worden. Verglichen mit einem konventionellen Aufbau mit doppelseitiger Kühlung außerhalb des Druckkontakt­ gehäuses konnte bei diesem Aufbau eine Verminderung des Wär­ mewiderstandes um den Faktor 2 bis 3 nachgewiesen werden. Ur­ sächlich dafür ist insbesondere die Verringerung der Zahl der Grenzflächen zwischen dem zu kühlenden Leistungshalbleiter­ bauelement und dem eigentlichen Kühlelement. Damit ergibt sich in vorteilhafter Weise eine erhebliche Einsparung an Platzbedarf und eine entsprechende Kosteneinsparung. Insge­ samt erhält man eine sehr kompakte, zu handhabende und ein­ fach zu montierende Anordnung.

Fig. 3 zeigt eine im sogenannten Tandemprinzip aufgebaute Leistungshalbleiteranordnung. Diese kann beispielsweise Ver­ wendung finden bei Leistungshalbleiteranordnungen für sehr hohe Sperrfähigkeit (beispielsweise 10 kV Thyristoren) und un­ terscheidet sich von den Konzepten eines symmetrisch sperren­ den Thyristors dadurch, dass ein asymmetrischer Thyristor 21 und eine Diode 22 elektrisch in Reihe geschaltet sind. Zwi­ schen den beiden Leistungshalbleiterelementen 21 und 22 ist ein Kühlelement 25 in Form einer Wasserkühlung mit einem Ein­ lassstutzen 26 und einem Auslassstutzen 27 für das Kühlmittel angeordnet. Die Leistungshalbleiterelemente 21, 22 sind über je einen Kupferblock 28, 29 elektrisch kontaktiert. Die Kup­ ferblöcke 28, 29 sind ebenfalls in dem gemeinsamen Gehäuse 30, vorzugsweise einem druckkontaktierbaren Gehäuse, angeord­ nete. Der sandwichartige Aufbau von Thyristor 21, Kühlelement 25 und Diode 22 innerhalb des Gehäuses 30 ermöglicht anoden­ seitig bzw. kathodenseitig eine sehr effektive Kühlung der beiden Leistungshalbleiterelemente. Dadurch lässt sich insge­ samt eine stärkere Strombelastbarkeit der Anordnung realisie­ ren. Die sich damit einstellende geringere Bauelementetempe­ ratur ist insbesondere für Stoßstrombelastungen vorteilhaft, weil dabei der maximal zulässige Stoßstrom merklich erhöht werden kann. Dazu trägt auch bei, dass bei der Tandemanord­ nung die beiden getrennten Leistungshalbleiterelemente ver­ glichen mit einem symmetrischen Thyristor erheblich dünner sind.

Zur weiteren Illustration sind in den Fig. 4 und 5 Ergeb­ nisse von Temperatursimulationen dargestellt.

Fig. 4 zeigt im radialen Querschnitt eine Simulation für ei­ ne herkömmliche symmetrische lichtzündbare Thyristorstruktur, deren Radius r sich von r = 0 mm bis r = 45 mm erstreckt. Die sich beispielsweise unter typischen HGÜ-Anlagenbedingungen ergebende simulierte Temperaturverteilung [in °C] ist durch unterschiedliche Schattierungen dargestellt.

Der Thyristor 32 ist auf der Kathodenseite über eine 700 µm dicke Silberronde und einen ca. 22 mm dicken Kupferblock e­ lektrisch und thermisch kontaktiert. Aussparungen 33 auf der Kathodenseite im Zentralbereich 34 erlauben einen Lichtzu­ tritt, um den Thyristor zu zünden. In den Aussparungen 33 be­ findet sich eine Amplifying-Gate-Struktur, die die Zündung des Thyristors einleitet, aber zum Ladungstransport keinen wesentlichen Beitrag leistet. Anodenseitig befinden sich zwi­ schen dem Thyristor und dem nicht näher dargestellten unteren Gehäusedeckel eine 3 mm dicke Molybdänplatte und ein ca. 18 mm dicker Kupferblock. Wie schematisch dargestellt, beträgt der Innenradius der Thyristorfläche ca. 8 mm und der Außenradius 45 mm. Bei der Simulation ist angenommen worden, dass die e­ lektrischen Verluste im aktiven Bereich des Thyristors eine homogene Aufheizung der Thyristorstruktur mit einer Wärme­ leistung von 7 kW bewirken. Die Temperatur am oberen Rand des kathodenseitigen Kupferblockes und am unteren Rand des ano­ denseitigen Kupferblockes ist auf 55°C fixiert worden. Unter diesen Bedingungen stellt sich eine Maximaltemperatur MX von über 90°C im mittleren Bereich ein.

Im Vergleich dazu zeigt Fig. 5 eine entsprechende Simulation für einen asymmetrischen Thyristor und eine in Serie geschal­ tete Diode, wie sie in Fig. 3 bereits erläutert worden ist. Insoweit werden in Fig. 5 die Elemente, die den in Fig. 3 gezeigten Elementen entsprechen, mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.

Zusätzlich zu einer äußeren Kühlung ist der wassergekühlte Kühlkörper 25 (vgl. Fig. 3) zwischen den asymmetrischen Thy­ ristor 21 und die in Serie geschaltete Diode 22 angeordnet. Der in Fig. 4 dargestellte kathodenseitige und der anoden­ seitige Kontaktaufbau ist auch für die Kontaktierung des a­ symmetrischen Thyristors übernommen worden. Bei der Simulati­ on wurde von der vereinfachten Annahme ausgegangen, dass die Dicke des asymmetrischen Thyristors und der Diode jeweils die Hälfte der Dicke des symmetrischen Thyristors entspricht. Ferner ist die erzeugte Verlustleistung bzw. die daraus re­ sultierende Wärmeleistung von 7 kW zwischen Thyristor und Dio­ de im Verhältnis 2 zu 1 aufgeteilt. Die aktive Fläche des a­ symmetrischen Thyristors ist gleich der Fläche für den sym­ metrischen Thyristor (Fig. 4) gewählt worden. Für die Diode ist angenommen worden, dass sich der Laststrom und damit die generierte Verlustwärme homogen über den Radiusbereich von r = 0 mm bis r = 45 mm erstreckt.

Die in Fig. 5 dargestellte Simulation lässt erkennen, dass die Maximaltemperatur in den Leistungshalbleiterbauelementen bei ca. 70°C liegt, wobei auch hier die Temperatur der Kühl­ flächen mit 55°C angenommen wurde. Auf dieser Temperatur lie­ gen wie auch bei der Fig. 4 zugrundeliegenden Simulation der obere Rand des kathodenseitigen Kupferblockes und der untere Rand des anodenseitigen Kupferblockes. Ebenfalls sind für die beiden Kontaktflächen des integrierten Kühlelementes 25 Tem­ peraturen von 55°C angenommen worden.

Mit der erfindungsgemäßen Anordnung lässt sich also entweder die Bauelementetemperatur erheblich senken und damit deren Leistungsbereich erheblich erhöhen oder ein erheblicher Teil der Kühlvorrichtungen und damit des Raumbedarfs einsparen. Bei geeigneter Dimensionierung ist auch der Einbau mehrerer Kühlkörper und Leistungshalbleiterbauelemente in ein gemein­ sames Druckkontaktgehäuse möglich. Bevorzugt werden dabei un­ ter Zwischenlage von n Kühlelementen (n + 1) Leistungshalb­ leiterelemente vorgesehen.

Bezugszeichenliste

1

Druckkontaktgehäuse

2

Leistungshalbleiterelement

4

Gehäuseoberseite

5

Kupferstempel

6

Unterseite

10

Kühlelement

12

Anschlussstutzen

14

Anschlussstutzen

16

Einlaufstutzen

18

Auslassstutzen

19

Bereich

20

Messpunkt

21

Thyristor

22

Diode

25

Kühlelement

26

Einlassstutzen

27

Auslassstutzen

28

Kupferblock

29

Kupferblock

30

Gehäuse

32

Thyristor

33

Aussparungen

35

Zentralbereich
MX Maximaltemperatur
r Radius

Claims (4)

1. Leistungshalbleiteranordnung
mit einem druckkontaktierbaren Gehäuse (1), in dem zumin­ dest ein Leistungshalbleiterelement (2) angeordnet ist, und
mit einem Kühlelement (10), das zur Kühlung des Leis­ tungshalbleiterelements (2) von einem Kühlmittel durch­ strömbar ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Kühlelement (10) innerhalb des druckkontaktier­ baren Gehäuses (1) angeordnet ist.

2. Leistungshalbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Kühlelemente (10) innerhalb des Gehäuses an­ geordnet sind.

3. Leistungshalbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlelement (25) zwischen zwei Leistungshalblei­ terelementen (21, 22) angeordnet ist.

4. Leistungshalbleiteranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das oder die Leistungshalbleiterelement(e) (21, 22) über einen oder mehrere in dem druckkontaktierbaren Gehäuse (30) angeordnete Kupferblöcke (28, 29) elektrisch kontaktiert sind.