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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Leistungshalbleitermodul beispielhaft zur Antriebssteuerung, insbesondere zur Sanftansteuerung von elektrischen Motoren mit mindestens zwei Leistungshalbleiterbauelementen, drei Teilkörpern für die Kühlung der Leistungshalbleiterbauelemente sowie einer Druckeinrichtung, die die Leistungshalbleiterbauelemente mit Druck beaufschlagt.
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Ein Leistungshalbleitermodul ist als Bestandteil einer leistungselektronischen Einheit für den Sanftanlauf von Motoren bekannt. Die leistungselektronische Einheit umfasst hier eines oder mehrere elektronische Leistungsmodule, die für Kurzzeitbelastungen ausgelegt sein müssen. Eine derartige leistungselektronische Einheit führt nur in der Anlaufphase des Motors Strom, der in der Betriebsphase von einem parallelen Schaltgerät übernommen wird.
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Derartige elektronische Leistungshalbleitermodule werden beispielsweise dann eingesetzt, wenn hohe Ströme zu steuern, zu regeln oder zu schalten sind. Dabei kann es in bestimmten Betriebsphasen zu einer hohen Verlustleistung in den Leistungshalbleiterbauelementen kommen, die in Form von Wärme von dem Leistungshalbleiterbauelement abgeführt werden muss.
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In der Anlaufphase entstehen in den Leistungshalbleiterbauelementen der Leistungshalbleitermodule hohe Verlustleistungen. Durch geeignete Kombination aus Leistungshalbleitermodul bzw. Leistungshalbleiterbauelement und Kühlkörper muss gewährleistet sein, dass die für das Leistungshableiterbauelement zulässige Sperrschichttemperatur nicht überschritten wird, um deren Zerstörung zu vermeiden.
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Allgemein bekannt ist eine Ausführungsform eines Leistungshalbleitermoduls, bei dem zwei einzelne Thyristoren antiparallel geschaltet und zwischen zwei symmetrische Kühlkörperhälften gepresst sind. Eine der beiden Kühlkörperhälften ist mittig geteilt und die beiden Teile sind mit einer flexiblen, elektrisch leitfähigen Verbindung verbunden. Dies ermöglicht eine flächige Pressung der Thyristor-Scheibenzellen, auch bei unterschiedlicher Scheibenzellenhöhe. Die beiden Kühlkörperhälften dieses bekannten Leistungsteils, das sowohl für Kurzzeitbelastung als auch für Dauerbetrieb ausgelegt ist, sind Teil des Stromkreises und damit potentialbehaftet.
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Weiter weist die
DE 196 51 632 A1 und die
DE 195 33 298 A1 jeweils ein Leistungshalbleitermodul auf, wobei gemäß der
DE 195 33 298 A1 die Leistungshalbleiterbauelemente zwischen einem Kühlkörper und einer nicht leitenden Schiene eingespannt sind und gemäß der
DE 196 51 632 A1 nur eine Schiene ausgebildet ist. Diese beiden Anordnungen eignen sich jedoch nicht für den Sanftanlauf von Motoren.
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Des Weiteren sind aus der deutschen Patentanmeldung
DE 100 22 341 A1 ein weiterentwickelter Aufbau eines elektronischen Leistungshalbleitermoduls bekannt. Dieser zeichnet sich dadurch aus, dass zwei gehäuselose Leistungshalbleiterbauelemente, bestehend aus dem eigentlichen Leistungshalbleiterbauelement und Molybdänscheiben, zwischen zwei Kupferschienen eingespannt werden. Diese Anordnung wird in ein Gehäuse eingebaut und vergossen. Der Verguss dient zur Einhaltung der erforderlichen Spannungsabstände und zum Schutz vor schädlichen Umwelteinflüssen. Der Kühlkörper wird an einer Seite angebracht.
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Die
US 4 609 937 A beschreibt eine Halbleitervorrichtung mit einem Halbleiterbauelement und einer Ringdichtung. Das Halbleiterbauelement ist auf einer Platine elektrisch leitend angeordnet und wird mittels einer Verbindungseinrichtung druckbeaufschlagt. Um das Halbleiterbauelement luftdicht zu verschließen, wird an der Außenseite einer Elektrode, die oberhalb des Halbleiterbauelementes angeordnet ist, eine ringförmige Dichtung angebracht.
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In der
US 3 447 118 A wird ein Leistungshalbleitermodul mit mehreren aufeinander gestapelten Thyristoren offenbart. Ein Gehäuse weist zwei Endträger und einen hierzu vertikal angeordneten Abstandshalter, die mittels einer Verbindungseinrichtung zueinander befestigt sind.
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Aus der
US 4 603 344 A ist eine rotierbare Gleichrichteranordnung für einen bürstenlosen Generator bekannt, die stabelförmig angeordnete Kühlkörper zwischen denen Dioden angeordnet sind, aufweist.
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Ein weiteres Leistungshalbleitermodul ist aus der
DE 100 22 341 A1 bekannt. Dieses Leistungshalbleitermodul weist zwei elektrisch antiparallel geschaltete Leistungshalbleiterbauelemente und mindestens einen Kühlkörper auf, wobei die nebeneinander angeordneten Leistungshalbleiterbauelemente über eine Druckkontaktierung zwischen mindestens zwei leitende Schienen eingespannt sind.
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Ein derartiges Leistungshalbleitermodul ist auch aus der
EP 1 494 278 A1 bekannt. Hierbei soll das Volumen von Leistungshalbleitermodulen für elektronische Motor-Steuergeräte reduziert werden. Dabei wird vorgeschlagen, dass mit Hilfe einer ringförmigen Gummidichtung ein Raum zwischen Kühlelementen gebildet wird, in dem eine Leistungshalbleitereinrichtung mit einer Vergussmasse vergossen wird. Damit ist es möglich, die Leistungshalbleitereinrichtung von beiden Seiten mit Kühlkörpern zu kühlen, so dass der Bauraum für das Leistungshalbleitermodul reduziert werden kann.
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Ein Nachteil an den oben beschriebenen Leistungshalbleitermodulen ist die mangelnde Flexibilität des Modulaufbaus in Folge der für die Kühlung mehrerer Leistungshalbleiterbauelemente gemeinsam genutzter Komponenten.
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Ein weiterer Nachteil ist, dass die Verschraubungen, durch nacheinander folgendes Anschrauben, mechanischen Stress auf die Leistungshalbleiterbauelemente ausüben und dies zu einem sofortigen oder zeitlich verzögerten Bruch des Leistungshalbleiterbauelements, durch auftretende mechanische Spannungen, führen kann.
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Des Weiteren besteht der gesamte Aufbau, insbesondere der Druckeinrichtung, der oben genannten Leistungshalbleitermodule aus vielen Einzelteilen, was sich negativ auf die Abmessung der Leistungshalbleitermodule auswirkt, sowie höhere mechanische Spannungen in die Gesamtkonstruktion induziert.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Anordnung der Leistungshalbleiterbauelemente und Kühlelemente zu schaffen, die mechanischen Stress auf die Leistungshalbleiterbauelemente verhindert und eine kompaktere Bauweise und eine einfachere Montage des Leistungshalbleitermoduls gestattet.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Maßnahmen der Merkmale des Anspruchs 1. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, dass nicht gemäß dem Stand der Technik, die Leistungshalbleiterbauelemente nebeneinander angeordnet und jeweils die Teilkörper, oberhalb und unterhalb der nebeneinander angeordneten Leistungsbauelemente angeordnet sind, sondern das Leistungshalbleitermodul eine gestapelte Bauweise aus einem ersten Teilkörper, einem ersten Sandwich, einem zweiten Teilkörper, einem zweiten Sandwich und einem dritten Teilkörper aufweist.
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Der erfindungsgemäße Aufbau weist eine besondere Bauweise auf, d. h. durch das Einsparen von einzelnen Teilen erhält das Leistungshalbleitermodul eine kompaktere Konstruktion und somit eine allgemein bessere Grundstabilität. Somit wurde der Aufbau so gewählt, dass alle wesentlichen Einzelteile stapelweise angeordnet sind und Höhenunterschiede durch nebeneinander angeordnete Leistungshalbleiterbauelemente nicht ausgeglichen werden müssen und der Druck dadurch auf die Leistungshalbleiterbauelemente gleichmäßiger verteilt ist. Weiterhin können, durch die Anordnung, Schraubverbindungen eingespart werden, beispielhaft kann die Anzahl der Schraubverbindungen der Druckeinrichtung von acht auf drei reduziert werden.
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Weiter liegt der Erfindung der Gedanke zu Grunde, dass durch die gestapelte Bauform der Aufbau des Leistungshalbleitermoduls und die daraus folgende Anordnung der vorzugsweise als Schraubverbindung ausgebildeten Druckeinrichtung, die die Teilkörper zueinander fixiert und die Leistungshalbleiterbauelemente mit Druck beaufschlagt, vereinfacht werden kann. Durch weniger Schraubverbindungen kann der mechanische Stress auf die Leistungshalbleiterbauelemente minimiert werden. Das wird beispielhaft erreicht durch um 120° gegeneinander versetzte Anordnung von Schraubverbindungen der Druckeinrichtung. Gemäß dem Stand der Technik werden bis zu acht Schrauben benötigt, die möglichst gleichmäßig festgezogen werden müssen um einen gleichmäßigen Druck auf die Leistungshalbleiterbauelemente beaufschlagen zu können, um mechanischen Stress auf die Leistungshalbleiterbauelemente durch nacheinander folgendes anschrauben zu vermeiden. Des Weiteren ergibt sich, dass durch die gestapelte Bauweise eine einfache Montage ermöglicht wird.
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Bei der vorliegenden Erfindung werden die Schraubverbindungen der Druckeinrichtung von den Teilkörpern so isoliert, dass die Druckeinrichtung vom ersten und zweiten Teilkörper vollständig isoliert und der Isolationsstoffkörper bis in den dritten Teilkörper hineinragt.
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Weiter weisen der erste und der zweite zylindrisch ausgebildete Teilkörper um 120° gegeneinander versetzte Durchführungen für die Schraubverbindungen der Druckeinrichtung auf. Der dritte zylindrisch ausgebildete Teilkörper weist hingegen nicht durchgehende Innengewinde auf zur Aufnahme der Schraubverbindungen. Die Anordnung der Durchführungen sowie nicht durchgehende Innengewinde der vorliegenden Erfindung wurden so gewählt, dass sich die Druckkraft der Schraubverbindungen gleichmäßig auf die Gesamtkonstruktion des Leistungshalbleitermoduls verteilt.
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Die vorliegende Erfindung weist Lastanschlüsse zur Kontaktierung der Leistungshalbleiterbauelemente auf den ersten und dritten Teilkörpern und auf der gegenüberliegenden Seite auf dem zweiten Teilkörper auf. Die hierzu notwendige externe Kontakteinrichtung kann beispielhaft gesteckt, geschraubt oder geklemmt werden um mit den jeweiligen Teilkörpern, die Bestandteil des Stromkreises sind und damit potentialbehaftet sind, den Strom von den Lastanschlüssen zu den Leistungshalbleiterbauelementen zu übertragen. Um eine sichere Anschlussverbindung zu gewährleisten, weisen die Teilkörper um die Kontaktanschlüsse in Richtung der Hochachse eine Abflachung auf.
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Die wesentlich zylindrisch ausgebildeten Teilkörper der vorliegenden Erfindung dienen weiter zur Kühlung der Leistungshalbleiterbauelemente. Dafür sind auf dem ersten, zweiten und dritten Teilkörper in Richtung der Hochachse Kühlrippen angeordnet.
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Die wesentlich zylindrisch ausgebildeten Teilkörper sind Bestandteil des Stromkreises und werden als Potentialübertragungsmittel genutzt. Dafür müssen zwischen dem ersten und zweiten Teilkörpern und zweiten und dritten Teilkörpern ein Zwischenraum vorgesehen werden um Spannungsüberschläge zwischen den Teilkörpern zu vermeiden. Der Abstand zwischen den Teilkörpern muss dahingehend so gewählt werden, dass solche Spannungsüberschläge nicht entstehen können und davon abhängig gemacht werden, wie verschmutzt die Umgebungsluft bei Betrieb des Leistungshalbleitermoduls ist.
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Eine weitere Möglichkeit der Potentialübertragung von einem Teilkörper zum nächsten könnte über die Schraubverbindungen erfolgen. Dafür sind aber Schraubverbindungen nötig, die aus elektrisch gut leitendem Material bestehen und eine Isolierung der Schrauben die schaltungsgerecht ausgelegt werden muss.
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Die Leistungshalbleiterbauelemente der vorliegenden Erfindung können beispielhaft antiparallel, parallel oder in Reihe verschalten sein. Für die jeweilige Schaltungsanordnung müssen dementsprechend die Lastanschlüsse auf die Teilkörper angeordnet werden und gegebenenfalls die Schraubverbindungen schaltungsgerecht ausgebildet sein.
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Weiter weist die vorliegende Erfindung beispielhaft auf dem ersten und zweiten Teilkörper Gateanschlüsse auf. Die Gateanschlüsse müssen vollständig vom jeweiligen Teilkörper isoliert sein um eine sichere Funktion des Schaltverhaltens zu gewährleisten. Dies wird erreicht durch einen Gateanschluss der vollständig in ein Kunststoffgehäuse eingeschlossen/eingespritzt ist.
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Der erfinderische Gedanke wird anhand der Ausführungsbeispiele in den 1 bis 4 näher erläutert.
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1 zeigt eine Schnittansicht des erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls.
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2 zeigt eine zweite dreidimensionale Ansicht des erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls.
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3 zeigt eine weitere dreidimensionale Ansicht der gegenüberliegenden Seite des erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls gemäß 2.
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4 zeigt verschiedene Schaltungsanordnungen von Leistungshalbleiterbauelementen.
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1 zeigt eine Schnittansicht des erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls. Das Leistungshalbleitermodul weist einen ersten Teilkörper (11), einen zweiten Teilkörper (12) und einen dritten Teilkörper (13) auf und jeweils in einem Zwischenraum (51) ein erstes Sandwich (21) und ein zweites Sandwich (25). Die zwei Sandwiche (21, 25) sind gestapelt angeordnet mit einem ersten flächigen Metallkörper (22), einem ersten Leistungshalbleiterbauelement (23) oder zweiten Leistungshalbleiterbauelement (26) und einem zweiten flächigen Metallkörper (24). Der erste flächige Metallkörper (22) und der zweite flächige Metallkörper (24) dienen zur Stromübertragung beispielhaft vom ersten Teilkörper (11) zum ersten Leistungshalbleiterbauelement (23) und von dem Leistungshalbleiterbauelement (23) zum zweiten Teilkörper (12). Das erste Sandwich (21) und das zweite Sandwich (25) werden durch einen Dicht- und Zentrierring (27) zwischen den ersten Teilkörper (11), dem zweiten Teilkörper (12) und zwischen dem zweiten Teilkörper (12) und dem dritten Teilkörper (13) fixiert und gegenüber Umwelteinflüssen abgedichtet. Weiter weist das Leistungshalbleitermodul eine Druckeinrichtung (31) (siehe 3) mit einer ersten Verschraubung (32), zweiten Verschraubung (33) und dritten Verschraubung (34) auf mit Federscheiben (36) für jede der drei Verschraubungen (32, 33, 34). Der erste Teilkörper (11) und zweite Teilkörper (12) weisen für die drei Verschraubungen (32, 33, 34) um 120° gegeneinander versetzte Durchführungen (71) auf. Im dritten Teilkörper (13) sind für die drei Verschraubungen (32, 33, 34) um 120° gegeneinander versetzte nicht durchgehende Innengewinde (72) vorgesehen. Die Druckeinrichtung (31) ist durch einen Isolierstoffkörper (35) vom ersten Teilkörper (11), zweiten Teilkörper (12) und von den Zwischenräumen (51) elektrisch getrennt und ragt bis in den dritten Teilkörper (13) hinein. Die drei Verschraubungen (32, 33, 34) der Druckeinrichtung (31) werden durch nicht durchgehende Innengewinde (36) an den dritten Teilkörper (13) fixiert und dadurch der Anpressdruck auf das erste Sandwich (21) und das zweite Sandwich (25) beaufschlagt.
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2 zeigt eine dreidimensionale Ansicht des erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls. Das Modul besteht aus einem ersten Teilkörper (11), zweiten Teilkörper (12) und dritten Teilkörper (13) die in Richtung der Hochachse verlaufende Kühlrippen (14) aufweisen. Weiter ist ein zweiter Lastanschluss (62) auf dem zweiten Teilkörper (12) auf einer in Richtung der Hochachse verlaufenden Abflachung (15) angeordnet. Ein erster Gateanschluss (41) für das erste Leistungshalbleiterbauelement (23) ist auf dem ersten Teilkörper angeordnet und ein zweiter Gateanschluss (42) für das zweite Leistungshalbleiterbauelement (26) ist auf dem zweiten Teilkörper (12) angeordnet.
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3 zeigt eine dreidimensionale Ansicht der gegenüberliegenden Seite des erfindungsgemäßen Leistungshalbleitermoduls gemäß 2. Die drei um 120° gegeneinander versetzte Verschraubungen (32, 33, 34) aufweist, die die Druckeinrichtung (31) darstellen. Ein erster Gateanschluss (41) für das erste Leistungshalbleiterbauelement (23) ist auf dem ersten Teilkörper (11) und ein zweiter Gateanschluss (42) für das zweite Leistungshalbleiterbauelement (26) ist auf dem zweiten Teilkörper (12) angeordnet. Weiter weist das Leistungshalbleitermodul einen ersten Lastanschluss (61) auf dem ersten Teilkörper (11), sowie einen dritten Lastanschluss (63) auf dem dritten Teilkörper (13) auf. Der erste Lastanschluss (61) und der dritte Lastanschluss (63) sind auf einer in Richtung der Hochachse verlaufenden Abflachung (15) angeordnet.
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4a zeigt eine Schaltungsanordnung von Halbleiterbauelementen mit Lastanschlüssen. Die Schaltung weist zwei in Reihe geschaltete Leistungshalbleiterbauelemente (23, 26) auf, mit einem ersten Lastanschluss (61), einem zweiten Lastanschluss (62) und einem dritten Lastanschluss (63). Der erste Lastanschluss (61) ist mit der Anode des ersten Leistungshalbleiterbauelement (23) verbunden, der zweite Lastanschluss jeweils mit der Kathode des ersten Leistungshalbleiterbauelements (23) und der Anode des zweiten Leistungshalbleiterbauelements (26), der dritte Lastanschluss (63) ist mit der Kathode des zweiten Leistungshalbleiterbauelements (26) verbunden.