DE102020127564B4

DE102020127564B4 - power electronics

Info

Publication number: DE102020127564B4
Application number: DE102020127564.1A
Authority: DE
Inventors: Maximilian Barkow; Patrick Fuchs; Maximilian Hofmann; Hubert Rauh
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG; Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG; Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2020-10-20
Filing date: 2020-10-20
Publication date: 2024-10-17
Anticipated expiration: 2040-10-21
Also published as: DE102020127564A1

Abstract

Leistungselektronik,
mit mindestens zwei Halbleiterbauelementen (2),
mit auf abgewandten Seiten (3, 4) der Halbleiterbauelemente (2) angeordneten elektrischen Kontakten (5),
wobei die Kontakte (5) die Halbleiterbauelemente (2) direkt kontaktieren,
wobei auf abgewandten Seiten (3, 4) der Halbleiterbauelemente (2) angeordnete elektrische Kontakte (5), die das jeweilige Halbleiterbauelement (2) direkt kontaktieren, sowie eine Kapselung (8) für das jeweilige Halbleiterbauelement (2) Schaltermodule (1a, 1b) bilden,
wobei zwei Schaltermodule (1a, 1b) ein Halbbrückenmodul (9) bilden,
wobei das Halbbrückenmodul (9) an einen Kondensator (10) angebunden ist,
wobei auf einer Seite (3) des Halbbrückenmoduls (9) ein jeweiliger auf Source-Potential befindlicher Kontakt (5) des einen Schaltermoduls (1a) über eine elektrische Verbindung (11) mit einem jeweiligen auf Drain-Potential befindlichen Kontakt (5) des anderen Schaltermoduls (1b) verbunden ist,
und wobei auf der anderen, abgewandten Seite (4) des Halbbrückenmoduls (9) ein jeweiliger Kontakt (5) auf Drain-Potential des einen Schaltermoduls (1a) und ein jeweiliger Kontakt (5) auf Source-Potential des anderen Schaltermoduls (1b) über elektrische Verbindungen (12, 14) mit dem Kondensator (10) verbunden sind, sowie
mit einem dielektrischen Kühlmittel (6), wobei das Kühlmittel (6) die Kontakte (5) direkt umströmt.

power electronics,
with at least two semiconductor components (2),
with electrical contacts (5) arranged on opposite sides (3, 4) of the semiconductor components (2),
wherein the contacts (5) directly contact the semiconductor components (2),
wherein electrical contacts (5) arranged on opposite sides (3, 4) of the semiconductor components (2), which directly contact the respective semiconductor component (2), as well as an encapsulation (8) for the respective semiconductor component (2) form switch modules (1a, 1b),
wherein two switch modules (1a, 1b) form a half-bridge module (9),
wherein the half-bridge module (9) is connected to a capacitor (10),
wherein on one side (3) of the half-bridge module (9) a respective contact (5) of the one switch module (1a) located at source potential is connected via an electrical connection (11) to a respective contact (5) of the other switch module (1b) located at drain potential,
and wherein on the other, opposite side (4) of the half-bridge module (9), a respective contact (5) on drain potential of one switch module (1a) and a respective contact (5) on source potential of the other switch module (1b) are connected to the capacitor (10) via electrical connections (12, 14), and
with a dielectric coolant (6), wherein the coolant (6) flows directly around the contacts (5).

Description

Die Erfindung betrifft eine Leistungselektronik. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf die Anwendung als Umrichter.The invention relates to power electronics. In particular, the invention relates to the application as a converter.

Halbleiterelemente sind ein wesentlicher Kostenfaktor in Hochvolt-Leistungselektronik-Komponenten, zum Beispiel Umrichtern, DCDC-Wandlern usw. Je besser die Entwärmung der Halbleiterelemente ist, somit je niedriger der thermische Widerstand zur Kühlung ist, umso geringer wird die notwendige Halbleiterfläche und damit gleichzeitig auch die Kosten. Andererseits ist in Hochvolt-Systemen, wobei hierunter eine Spannung > 60 Volt verstanden wird, eine elektrische Isolation der Hochvolt-Komponenten gegen alle Gehäuseteile sicherzustellen. Die Wärmeleitfähigkeiten verfügbarer Isolationsmaterialien sind signifikant geringer als die Wärmeleitfähigkeiten von elektrischen Leitern, wie zum Beispiel Kupfer, Aluminium usw. Somit sind die Ziele, einerseits Sicherstellung der elektrischen Isolation, andererseits optimale Wärmeabfuhr der Verlustleistung von den Halbleiterelementen, konträre Anforderungen bei der Umsetzung von HV-Leistungselektronik-Komponenten.Semiconductor elements are a major cost factor in high-voltage power electronics components, for example inverters, DCDC converters, etc. The better the heat dissipation of the semiconductor elements, and therefore the lower the thermal resistance for cooling, the smaller the semiconductor area required and thus the lower the costs. On the other hand, in high-voltage systems, which means a voltage > 60 volts, electrical insulation of the high-voltage components from all housing parts must be ensured. The thermal conductivities of available insulation materials are significantly lower than the thermal conductivities of electrical conductors, such as copper, aluminum, etc. Thus, the goals of ensuring electrical insulation on the one hand and optimal heat dissipation of the power loss from the semiconductor elements on the other hand are contradictory requirements when implementing HV power electronics components.

Die Entwärmung von leistungselektronischen Hochvolt-Systemen im Fahrzeug nach dem Stand der Technik (400 V - 800 V Klasse und mehr) erfolgt je nach Anforderung indirekt über Flüssigkeit oder Luftkühlung. Indirekt bedeutet, dass die Halbleiterelemente, auch als Leistungshalbleiter bezeichnet, mittels einer Isolatorschicht, die die elektrische Isolation sicherstellt, thermisch an einen Kühlkörper/an ein Kühlmedium angebunden sind (z. B. durch Löten, Sintern, Anpressen ...). Dabei kann der Aufbau erfolgen mittels DBC (Direct Bonded Copper), AMB (Active Metal Brace) und IMS (Insulated Metal Sheet) -Substrate. Hierbei ist die isolierende Schicht eine Keramik oder ein Polymer. Eine direkte Anbindung der Halbleiterelemente ohne Isolator ist aufgrund der elektrischen Isolation von Hochvolt-Komponenten zum Gehäuse aus Gründen der Sicherheit nicht möglich. Aus dieser indirekten Kühlung resultieren nachteilige Einschränkungen bei Aufbau und Gestaltung von elektrisch optimierten Halbbrückenmodulen, zum Beispiel für den Einsatz in Umrichtern. So ermöglicht die indirekte Anbindung an den Kühlern nur eine Ebene, um die verschiedenen Hochvoltpotentiale zu verschalten. Dieser planbare Aufbau in einer Verschaltungsebene führt zu einer erhöhten Induktivität im Kommutierungskreis zwischen einem Zwischenkreiskondensator, elektrischer Verschienung und dem Schaltungsträger mit den Halbleiterelementen/Leistungshalbleitern.The cooling of high-voltage power electronic systems in vehicles according to the state of the art (400 V - 800 V class and more) is carried out indirectly via liquid or air cooling, depending on the requirements. Indirect means that the semiconductor elements, also known as power semiconductors, are thermally connected to a heat sink/cooling medium by means of an insulator layer that ensures electrical insulation (e.g. by soldering, sintering, pressing...). The structure can be made using DBC (Direct Bonded Copper), AMB (Active Metal Brace) and IMS (Insulated Metal Sheet) substrates. The insulating layer is a ceramic or a polymer. A direct connection of the semiconductor elements without an insulator is not possible for safety reasons due to the electrical insulation of high-voltage components from the housing. This indirect cooling results in disadvantageous restrictions in the structure and design of electrically optimized half-bridge modules, for example for use in converters. The indirect connection to the coolers only allows one level to connect the various high-voltage potentials. This plannable structure in one connection level leads to an increased inductance in the commutation circuit between an intermediate circuit capacitor, electrical busbars and the circuit carrier with the semiconductor elements/power semiconductors.

Aus der US 2007/0290311 A1 sind Halbleiterbauelemente bekannt, die auf einem DBC-Substrat angeordnet sind, das auf der von den Halbleiterbauelementen abgewandten Seite von einem Kühlmittel umströmt ist.From the US 2007/0290311 A1 Semiconductor components are known which are arranged on a DBC substrate around which a coolant flows on the side facing away from the semiconductor components.

In der US 2008/0186751 A1 sind Halbleiterelemente/Halbleitermodule beschrieben, die an einem metallischen Kühlelement angeordnet sind, das auf der von den Halbleiterelementen abgewandten Seite über ein Kühlmittel gekühlt wird.In the US 2008/0186751 A1 Semiconductor elements/semiconductor modules are described which are arranged on a metallic cooling element which is cooled by a coolant on the side facing away from the semiconductor elements.

DE 10 2005 052 756 A1 offenbart eine Leistungselektronik mit mindestens zwei Halbleiterbauelementen, mit auf abgewandten Seiten der Halbleiterbauelemente angeordneten elektrischen Kontakten, welche die Halbleiterbauelemente kontaktieren, und mit einem dielektrischen Kühlmittel, wobei das Kühlmittel die Kontakte umströmt. DE 10 2005 052 756 A1 discloses a power electronics system with at least two semiconductor components, with electrical contacts arranged on opposite sides of the semiconductor components, which contact the semiconductor components, and with a dielectric coolant, wherein the coolant flows around the contacts.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Leistungselektronik zu schaffen, die, bei Sicherstellung der elektrischen Isolation, eine optimale Wärmeabfuhr der Verlustleistung der Halbleiterelemente gewährleistet.The object of the present invention is to provide a power electronics system which, while ensuring electrical insulation, ensures optimum heat dissipation of the power loss of the semiconductor elements.

Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Leistungselektronik, die gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch eine Leistungselektronik, die gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 2 ausgebildet ist.This object is achieved by a power electronics system which is designed according to the features of patent claim 1 and by a power electronics system which is designed according to the features of patent claim 2.

Es ist eine gleichzeitige Nutzung von Kühlflächen als elektrische Lastanschlüsse vorgesehen. Hierbei ist die thermische Anbindung doppelseitig. Durch den Wegfall einer elektrischen Isolation werden die Flächen zur thermischen Anbindung an das Kühlmittel gleichzeitig zur elektrischen Kontaktierung genutzt. Es ist somit keine elektrische Isolation der Halbleiterbauelemente gegen die Kühlfläche erforderlich, da die Isolation gegenüber anderen Potentialen und Gehäuse über das dielektrische Kühlmittel erfolgt.The simultaneous use of cooling surfaces as electrical load connections is planned. The thermal connection is double-sided. By eliminating electrical insulation, the surfaces for thermal connection to the coolant are simultaneously used for electrical contact. This means that no electrical insulation of the semiconductor components from the cooling surface is required, since the insulation from other potentials and housing is provided by the dielectric coolant.

Da die doppelseitige Direktkühlung durch das Kühlmittel/Kühlmedium darstellbar ist, ergibt sich ein niedriger thermischer Widerstand ohne thermische Barriere aufgrund Isolationsschichten. Die Folge sind geringere Kosten durch eine geringere Halbleiterfläche der Halbleiterbauelemente. Von Vorteil ist ferner eine niedrige Kommutierungsinduktivität, da durch zweiseitige Kühlung der Aufbau über zwei Lagen möglich ist, anstatt einer Lage bei indirekter Kühlung. Dies ermöglicht ein schnelles Schalten und damit geringe Schaltverluste. Beispielsweise sind die Halbleiterbauelemente gegen direkten Kontakt mit dem dielektrischen Kühlmittel gekapselt, womit keine Isolationsprobleme aufgrund Verunreinigungen oder Luftblasen zu verzeichnen sind. Dies ist vorteilhaft gegenüber direkt überströmten Halbleiterbauelementen. Schließlich ist die Leistungselektronik modular und skalierbar für unterschiedliche Ströme ausbildbar. Mehrere Halbleiterbauelemente können entweder innerhalb von Submodulen parallelisiert werden oder mehrere Submodule können parallelisiert werden.Since double-sided direct cooling is possible through the coolant/cooling medium, there is a low thermal resistance without a thermal barrier due to insulation layers. The result is lower costs due to a smaller semiconductor surface of the semiconductor components. A low commutation inductance is also advantageous, since double-sided cooling makes it possible to build up over two layers instead of one layer with indirect cooling. This enables fast switching and thus low switching losses. For example, the semiconductor components are encapsulated to prevent direct contact with the dielectric coolant, which means that there are no insulation problems due to contamination or air bubbles. This is advantageous compared to semiconductor components that are directly overflowed. Finally, the power electronics are modular and can be designed to be scalable for different currents. Several semiconductor components can either be parallelized within submodules or multiple submodules can be parallelized.

Es ergeben sich bei der erfindungsgemäßen Leistungselektronik somit erhebliche Kostenvorteile, aufgrund möglicher Reduzierung der notwendigen Halbleiterfläche. Weitere Vorteile hinsichtlich der Leistungsdichte ergeben sich aufgrund möglicher Reduzierung der notwendigen Halbleiterfläche. Grundsätzlich ist eine Einsparung von Kosten bei Verwendung bei elektrisch betriebenen Fahrzeugen auf Fahrzeug-Systemebene möglich. Nachteile durch die Kühlung mit dielektrischem Kühlmittel, insbesondere dielektrischen Flüssigkeiten, werden durch die erfindungsgemäße Gestaltung ausgeglichen, hiermit kann ein zusätzlicher Kreislauf mit Wasser/Glykol für die Leistungselektronik, insbesondere für ein Umrichter-System entfallen. Die Submodule sind (mit oder ohne Kühlstruktur) einfach zu fertigen. Durch die Kombination von thermischer und elektrischer Kontaktierung entstehen neuartige Anordnungsmöglichkeiten.The power electronics according to the invention therefore result in significant cost advantages due to the possible reduction in the required semiconductor area. Further advantages in terms of power density result due to the possible reduction in the required semiconductor area. In principle, cost savings are possible when used in electrically powered vehicles at the vehicle system level. Disadvantages due to cooling with dielectric coolants, in particular dielectric liquids, are compensated for by the design according to the invention, which means that an additional circuit with water/glycol for the power electronics, in particular for a converter system, can be omitted. The submodules are easy to manufacture (with or without a cooling structure). The combination of thermal and electrical contacting creates new arrangement options.

Die erfindungsgemäße Leistungselektronik, insbesondere unter dem Aspekt der nachfolgend erörterten Weiterbildungen findet bevorzugt Anwendung bei leistungselektronischen Systemen mit Halbbrückentopologien (Umrichter, DCDC-Wandler, usw.), die mit dielektrischen Medien gekühlt werden, wobei hierbei insbesondere Flüssigkeiten verstanden werden, durchaus aber auch Gas, insbesondere Luft. Insbesondere findet die Leistungselektronik bei elektrischen Traktionsantrieben für Fahrzeuge (Landfahrzeuge, Luftfahrzeuge, Industrie) Verwendung. Es kann sich um Ströme > 100 Ampere handeln. Die Leistungselektronik ist sowohl mit Si-Bauelementen als auch mit schnellschaltenden WBG (Wide Bandgap Semiconductor)-Halbleiterbauelementen (z. B. SiC, GAN) nutzbar.The power electronics according to the invention, particularly in terms of the further developments discussed below, are preferably used in power electronic systems with half-bridge topologies (inverters, DCDC converters, etc.) that are cooled with dielectric media, which in particular means liquids, but also gas, especially air. The power electronics are used in particular in electric traction drives for vehicles (land vehicles, aircraft, industry). Currents > 100 amps can be involved. The power electronics can be used with both Si components and fast-switching WBG (Wide Bandgap Semiconductor) semiconductor components (e.g. SiC, GAN).

Zwei Schaltermodule bilden ein Halbbrückenmodul oder es ist ein Halbbrückenmodul aus zwei Schaltermodul-Submodulen gebildet, wobei das Halbbrückenmodul an einen Kondensator angebunden ist. Bei diesem Kondensator handelt es sich beispielsweise um einen Zwischenkreiskondensator. Bei der Bildung des Halbbrückenmoduls durch zwei Schaltermodule ist insbesondere vorgesehen, dass auf einer Seite des Halbbrückenmoduls der jeweilige auf Source-Potential befindliche Kontakt des einen Schaltermoduls über eine elektrische Verbindung mit dem jeweiligen auf Drain-Potential befindlichen Kontakt des anderen Schaltmoduls verbunden ist, sowie auf der anderen Seite des Halbbrückenmoduls der jeweilige Kontakt auf Drain-Potential des einen Schaltermoduls und der jeweilige Kontakt auf Source-Potential des anderen Schaltermoduls über elektrische Verbindungen mit dem Kondensator verbunden sind.Two switch modules form a half-bridge module or a half-bridge module is formed from two switch module sub-modules, with the half-bridge module being connected to a capacitor. This capacitor is, for example, an intermediate circuit capacitor. When the half-bridge module is formed by two switch modules, it is particularly provided that on one side of the half-bridge module the respective contact at source potential of one switch module is connected via an electrical connection to the respective contact at drain potential of the other switch module, and on the other side of the half-bridge module the respective contact at drain potential of one switch module and the respective contact at source potential of the other switch module are connected via electrical connections to the capacitor.

Bei der Bildung des Halbbrückenmoduls durch zwei Schaltermodul-Submodule ist vorgesehen, dass auf einer Seite des Halbbrückenmoduls der jeweilige auf Source-Potential befindliche Kontakt des einen Schaltmodul-Submoduls über eine elektrische Verbindung mit dem jeweiligen auf Drain-Potential befindlichem Kontakt des anderen Schaltmodul-Submoduls verbunden ist, sowie auf der anderen Seite des Halbbrückenmoduls der jeweilige Kontakt auf Drain-Potential des einen Schaltmodul-Submoduls und der jeweilige Kontakt Source-Potential des anderen Schaltmodul-Submoduls über eine elektrische Verbindung mit dem Kondensator verbunden sind.When forming the half-bridge module by two switch module submodules, it is provided that on one side of the half-bridge module the respective contact at source potential of one switch module submodule is connected via an electrical connection to the respective contact at drain potential of the other switch module submodule, and on the other side of the half-bridge module the respective contact at drain potential of one switch module submodule and the respective contact at source potential of the other switch module submodule are connected via an electrical connection to the capacitor.

Vorzugsweise kontaktieren die elektrischen Kontakte die Halbleiterbauelemente flächig.Preferably, the electrical contacts contact the semiconductor components over a large area.

Insbesondere umschließt die Kapselung die Halbleiterbauelemente vollständig und es ragen die Kontakte aus der Kapsel. Die Kapselung ist beispielsweise eine Verguss- oder Mold-Kapselung.In particular, the encapsulation completely encloses the semiconductor components and the contacts protrude from the capsule. The encapsulation is, for example, a potting or mold encapsulation.

Vorzugsweise weist die jeweilige elektrische Verbindung eine ebene Platte und/oder ein strukturiertes Blech auf. Insbesondere ist die jeweilige elektrische Verbindung durch eine ebene Platte und/oder ein strukturiertes Blech gebildet.
Insbesondere umströmt das Kühlmittel die jeweilige elektrische Verbindung.Preferably, the respective electrical connection comprises a flat plate and/or a structured sheet. In particular, the respective electrical connection is formed by a flat plate and/or a structured sheet.
In particular, the coolant flows around the respective electrical connection.

Vorzugsweise weist das Halbleiterbauelement einen Kontakt auf einem Gate - Potential oder einem Hilfs-Source-Potential auf und es ist dieser Kontakt über einen Lead-Frame nach außen geführt, insbesondere zu einem Treiber.Preferably, the semiconductor component has a contact at a gate potential or an auxiliary source potential and this contact is led outwards via a lead frame, in particular to a driver.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der beigefügten Zeichnung und der Beschreibung der in der Zeichnung wiedergegebenen Ausführungsbeispiele.Further features of the invention emerge from the subclaims, the accompanying drawings and the description of the embodiments shown in the drawings.

Es zeigt.

1 betreffend einen direkt gekühlten Umrichter, ein einzelnes Schaltermodul, gezeigt in einem Schnitt gemäß der Linie I-I in 2,
2 dieses Schaltermodul, in einem Schnitt gemäß der Linie II-II in 1,
3 einen Schnitt durch ein aus zwei Schaltermodulen gebildetes Halbbrückenmodul mit Anbindung an einen Zwischenkreiskondensator, veranschaulicht für ein erstes Ausführungsbeispiel,
4 einen Schnitt durch ein aus zwei Schaltermodulen gebildetes Halbbrückenmodul mit Anbindung an einen Zwischenkreiskondensator, veranschaulicht für ein zweites Ausführungsbeispiel,
5 einen Schnitt durch ein aus zwei Schaltermodul-Submodulen gebildetes Halbbrückenmodul mit Anbindung an einen Zwischenkreiskondensator, veranschaulicht für ein drittes Ausführungsbeispiel,
6 einen Schnitt durch ein aus zwei Schaltermodul-Submodulen gebildetes Halbbrückenmodul mit Anbindung an einen Zwischenkreiskondensator, veranschaulicht für ein viertes Ausführungsbeispiel.

It shows.

1 concerning a directly cooled converter, a single switch module shown in a section according to line II in 2 ,
2 this switch module, in a section along the line II-II in 1 ,
3 a section through a half-bridge module formed from two switch modules with connection to an intermediate circuit capacitor, illustrated for a first embodiment,
4 a section through a half-bridge module formed from two switch modules with connection to an intermediate circuit capacitor, illustrated for a second embodiment,
5 a section through a half-bridge module formed from two switch module submodules with connection to an intermediate circuit capacitor, illustrated for a third embodiment,
6 a section through a half-bridge module formed from two switch module submodules with connection to an intermediate circuit capacitor, illustrated for a fourth embodiment.

Die 1 und 2 veranschaulichen ein Schaltermodul 1 zur Verwendung bei einer Leistungselektronik, konkret bei einem direkt gekühlten Umrichter mit niederinduktiver Anbindung eines die Funktion eines Zwischenkreiskondensator aufweisenden Kondensators 10.The 1 and 2 illustrate a switch module 1 for use in power electronics, specifically in a directly cooled converter with a low-inductive connection of a capacitor 10 having the function of an intermediate circuit capacitor.

Das Schaltermodul 1 weist mehrere Halbleiterbauelemente 2 sowie auf abgewandten Seiten 3, 4 der Halbleiterbauelemente 2 angeordnete elektrische Kontakte 5, wobei die Kontakte 5 die Halbleiterbauelemente 2 direkt kontaktieren, auf. Bei dem Umrichter umströmt ein Kühlmittel bzw. Kühlmedium, bei dem es sich um ein dielektrisches Kühlmittel handelt, die Kontakte 5 direkt. Das Kühlmittel ist insbesondere eine Flüssigkeit. Das Kühlmittel ist durch wellenförmige Linien 6 veranschaulicht.The switch module 1 has several semiconductor components 2 and electrical contacts 5 arranged on opposite sides 3, 4 of the semiconductor components 2, wherein the contacts 5 directly contact the semiconductor components 2. In the converter, a coolant or cooling medium, which is a dielectric coolant, flows directly around the contacts 5. The coolant is in particular a liquid. The coolant is illustrated by wavy lines 6.

Die beidseitig der Halbleiterbauelemente 2 angeordneten elektrischen Kontakte 5 kontaktieren die Halbleiterbauelemente 2 direkt elektrisch und es erfolgt über die elektrischen Kontakte 5 auch die Kühlung der elektrischen Kontakte 5 und damit der Halbleiterbauelemente 2. Gegebenenfalls ist einer der elektrischen Kontakte 5, im Ausführungsbeispiel der der Seite 3 zugewandte elektrische Kontakt 5, mit einer dickeren Wandstärke zu den Halbleiterbauelementen 2 hin ausgebildet, in Art eines Spacers 7. Die Halbleiterbauelemente 2 sind gekapselt. Die Kapselung 8 umschließt die Halbleiterbauelemente 2 vollständig und es sind die elektrischen Kontakte 5 in die Kapselung 8 eingebettet, sodass die elektrischen Kontakte 5 auf den Seiten 3 und 4 aus der Kapselung 8 ragen und dort vom Kühlmittel kontaktiert bzw. umströmt werden. Bei der Kapselung 8 handelt es sich beispielsweise um eine Verguss- oder Mold-Kapselung.The electrical contacts 5 arranged on both sides of the semiconductor components 2 make direct electrical contact with the semiconductor components 2, and the electrical contacts 5 and thus the semiconductor components 2 are also cooled via the electrical contacts 5. If necessary, one of the electrical contacts 5, in the exemplary embodiment the electrical contact 5 facing side 3, is designed with a thicker wall thickness towards the semiconductor components 2, in the manner of a spacer 7. The semiconductor components 2 are encapsulated. The encapsulation 8 completely encloses the semiconductor components 2, and the electrical contacts 5 are embedded in the encapsulation 8, so that the electrical contacts 5 on sides 3 and 4 protrude from the encapsulation 8 and are contacted or flowed around by the coolant there. The encapsulation 8 is, for example, a potting or mold encapsulation.

Der gekühlte elektrische Kontakt 5 auf der Seite 3 befindet sich auf Source-Potential und wird direkt zur elektrischen Kontaktierung des Schaltermoduls 1 genutzt. Der elektrische Kontakt 5 auf der anderen Seite 4, der sich auf Drain-Potential befindet, wird gleichfalls direkt zur elektrischen Kontaktierung genutzt.The cooled electrical contact 5 on side 3 is at source potential and is used directly for electrical contacting of the switch module 1. The electrical contact 5 on the other side 4, which is at drain potential, is also used directly for electrical contacting.

2 verdeutlicht eine mögliche Parallelisierung von mehreren Halbleiterbauelementen 2, bei denen es sich insbesondere um Halbleiterchips handelt, in dem gekapselten Schaltermodul 1. 2 illustrates a possible parallelization of several semiconductor components 2, which are in particular semiconductor chips, in the encapsulated switch module 1.

Bei dem in den 1 und 2 grundsätzlich veranschaulichten Schaltermodul 1 dienen die Halbleiterbauelemente 2 dem Schalten von Strömen, wobei die Halbleiterbauelemente 2 auf der Ober- und Unterseite elektrisch kontaktiert sind. Die elektrische Parallelschaltung mehrerer Chips erlaubt die Stromtragfähigkeit entsprechend der größeren Anzahl an Chips zu vergrößern. Die Halbleiterbauelemente 2 werden somit direkt zwischen zwei elektrischen und thermischen Leitern kontaktiert. Es ergibt sich ein minimaler thermischer Widerstand aufgrund Verzicht auf einen elektrischen und damit auch thermischen Isolator. Das Schaltermodul 1 kann grundsätzlich mit oder ohne Kühlstruktur aufgebaut werden.In the 1 and 2 In the switch module 1 shown in principle, the semiconductor components 2 are used to switch currents, with the semiconductor components 2 being electrically contacted on the top and bottom. The electrical parallel connection of several chips allows the current carrying capacity to be increased in line with the larger number of chips. The semiconductor components 2 are thus contacted directly between two electrical and thermal conductors. This results in minimal thermal resistance due to the absence of an electrical and thus also thermal insulator. The switch module 1 can basically be constructed with or without a cooling structure.

3 zeigt ein Halbbrückenmodul 9 unter Verwendung von zwei Schaltermodulen 1, die zur besseren Unterscheidung als Schaltermodule 1a und 1b bezeichnet sind. Bezüglich des Aufbaus dieser Schaltermodule 1a, 1b wird auf die vorstehende Beschreibung in den 1 und 2 zum Schaltermodul 1 verwiesen. 3 shows a half-bridge module 9 using two switch modules 1, which are referred to as switch modules 1a and 1b for better differentiation. Regarding the structure of these switch modules 1a, 1b, reference is made to the above description in the 1 and 2 referred to switch module 1.

Gezeigt ist in 3 das Halbbrückenmodul 9 mit Anbindung an den (Zwischenkreis)-Kondensator 10.Shown in 3 the half-bridge module 9 with connection to the (intermediate circuit) capacitor 10.

Auf der Seite 3 des Halbbrückenmoduls 9 befindet sich der Kontakt 5 des Schaltermoduls 1a auf Source-Potential und der Kontakt 5 des Schaltermoduls 1b auf Drain-Potential. Auf der anderen Seite 4 des Halbbrückenmoduls 9 befindet sich der Kontakt 5 des Schaltermoduls 1a auf Drain-Potential und der Kontakt 5 des Schaltermoduls 1b auf Source-Potential. Die gekühlte Fläche auf Source-Potential des Schaltermoduls 1a ist mittels einer elektrischen Verbindung 11 mit der gekühlten Fläche auf Drain-Potential des Schaltermoduls 1b verbunden. Auf diesem AC-Potential erfolgt somit die Verbindung der Kontakte 5 der Schaltermodule 1a, 1b auf der Seite 3 und es bildet diese Verbindung 11 gleichzeitig eine Kühlstruktur, die vom Kühlmittel umströmt ist. Die elektrische Verbindung 11 ist als Platte, insbesondere Kupferplatte ausgebildet, die die elektrischen Kontakte 5 auf der Seite 3 flächig kontaktiert und mit diesen verbunden ist. Auf der anderen Seite 4 des Halbbrückenmoduls 9 ist der elektrische Kontakt 5 des Schaltermoduls 1a über eine elektrische, als Platte ausgebildete Verbindung 12 mit einem Anschluss 13 (DC+ Anschluss) des Kondensators 10 verbunden. Entsprechend ist auf dieser Seite 4 der elektrische Kontakt 5 des Schaltermoduls 1b über eine elektrische, als Platte ausgebildete Verbindung 14 mit einem Anschluss 15 (DC- Anschluss) des Kondensators 10 verbunden. Die gekühlte Fläche auf Drain-Potential des Schaltermoduls 1a liegt somit an DC+, die gekühlte Fläche auf Source-Potential des Schaltermoduls 1b an DC- an.On side 3 of the half-bridge module 9, contact 5 of the switch module 1a is at source potential and contact 5 of the switch module 1b is at drain potential. On the other side 4 of the half-bridge module 9, contact 5 of the switch module 1a is at drain potential and contact 5 of the switch module 1b is at source potential. The cooled surface at source potential of the switch module 1a is connected to the cooled surface at drain potential of the switch module 1b by means of an electrical connection 11. The contacts 5 of the switch modules 1a, 1b on side 3 are thus connected to this AC potential and this connection 11 simultaneously forms a cooling structure around which the coolant flows. The electrical connection 11 is designed as a plate, in particular a copper plate, which makes surface contact with the electrical contacts 5 on side 3 and is connected to them. On the other side 4 of the half-bridge module 9, the electrical contact 5 of the switch module 1a is connected to a terminal 13 (DC+ terminal) of the capacitor 10 via an electrical connection 12 designed as a plate. Accordingly, on this side 4, the electrical contact 5 of the switch module 1b is connected to a terminal 15 (DC- terminal) of the capacitor 10 via an electrical connection 14 designed as a plate. The cooled surface at drain potential of the switch module The cooled surface of the switch module 1a is thus connected to DC+, the cooled surface at source potential of the switch module 1b is connected to DC-.

Die stromführenden Komponenten werden gleichzeitig zur Entwärmung genutzt.The current-carrying components are simultaneously used for heat dissipation.

Das Ausführungsbeispiel nach 4 unterscheidet sich von demjenigen nach 3 nur dadurch, dass die Verbindungen 11, 12 und 14 und auch die Kühlstruktur der Kontakte 5 aus einem strukturierten Blech bestehen, sodass ein minimaler Aufwand notwendig ist, zur Realisierung der thermischen und elektrischen Kontaktierung auf beiden Seiten 3 und 4 des Halbbrückenmoduls 9. Das Blech besitzt einen Querschnitt mehrerer nebeneinander angeordneter Trapeze, sodass sich im Bereich der unterschiedlichen Source-Potentiale und der AC-Verbindung eine besonders große Kühloberfläche ergibt.The embodiment according to 4 differs from that according to 3 only because the connections 11, 12 and 14 and also the cooling structure of the contacts 5 consist of a structured sheet metal, so that minimal effort is necessary to realize the thermal and electrical contact on both sides 3 and 4 of the half-bridge module 9. The sheet metal has a cross-section of several trapezoids arranged next to each other, so that a particularly large cooling surface is created in the area of the different source potentials and the AC connection.

Bei der Ausbildung des Halbbrückenmoduls 9, insbesondere bei einem Umrichter, können die beiden Schaltermodule 1a, 1b so angeordnet werden, dass das Source-Potential des Schaltermoduls 1a und das Drain-Potential vom Schaltermodul 1b auf einer Ebene liegen und das Schaltermodul 1b gedreht ist. Zur Halbbrückenverschaltung werden das Source-Potential des Schaltermoduls 1a und das Drain-Potential des Schaltermoduls 1b durch Kontaktierung der Entwärmungsflächen elektrisch miteinander verbunden (AC-Potential). Das Drain-Potential des Schaltermoduls 1a und das Source-Potential des Schaltermoduls 1b werden durch Kontaktierung der Entwärmungsflächen mit den Kondensatorterminals verbunden. Es können zwei identische Schaltermodule zum Aufbau einer Halbbrücke mit niederinduktiver Anbindung an den Zwischenkreis verwendet werden. Die Kühlstruktur kann entweder Teil des Schaltermoduls, wie zur 3 gezeigt, oder als Teil des elektrischen Kontaktblechs, wie zur 4 gezeigt, sein. When designing the half-bridge module 9, particularly in a converter, the two switch modules 1a, 1b can be arranged so that the source potential of the switch module 1a and the drain potential of the switch module 1b are on the same level and the switch module 1b is rotated. For half-bridge connection, the source potential of the switch module 1a and the drain potential of the switch module 1b are electrically connected to one another by contacting the heat dissipation surfaces (AC potential). The drain potential of the switch module 1a and the source potential of the switch module 1b are connected to the capacitor terminals by contacting the heat dissipation surfaces. Two identical switch modules can be used to construct a half-bridge with a low-inductance connection to the intermediate circuit. The cooling structure can either be part of the switch module, as for 3 shown, or as part of the electrical contact sheet, as for 4 shown, be.

5 zeigt für ein alternatives Halbbrückenmodul 9, das zwei Schaltermodule aufweist, konkret ein erstes Schaltermodul-Submodul und ein zweites Schaltermodul-Submodul die Anbindung dieses Halbbrückenmoduls 9 an den Kondensator 10. Dieses Halbbrückenmodul 9 weist auf der Seite 3 elektrische Kontakte 5 mit gekühlter Fläche auf Source-Potential, zugeordnet dem ersten Schaltermodul-Submodul und eine gekühlte Fläche auf Drain-Potential, zugeordnet dem zweiten Schaltermodul-Submodul auf. Auf AC-Potential ist die als Platte ausgebildete elektrische Verbindung von Source-Potential des ersten Schaltermodul-Submoduls und Drain-Potential des zweiten Schaltermodul-Submoduls vorgesehen. Auf der andere Seite 4 des Halbbrückenmoduls 9 ist die gekühlte Fläche auf Drain-Potential des ersten Schaltermodul-Submoduls über die plattenförmige Verbindung 12 mit dem Anschluss 13 verbunden und die gekühlte Fläche auf Source-Potential des zweiten Schaltermodul-Submoduls über die Verbindung mit dem Anschluss 15. Auch bei diesem Halbbrückenmodul 9 werden die stromführenden Komponenten gleichzeitig zur Entwärmung genutzt. Ergänzend wird auf die Beschreibung des Ausführungsbeispiels nach der 3 verwiesen. 5 shows the connection of this half-bridge module 9 to the capacitor 10 for an alternative half-bridge module 9, which has two switch modules, specifically a first switch module submodule and a second switch module submodule. This half-bridge module 9 has on side 3 electrical contacts 5 with a cooled surface at source potential, assigned to the first switch module submodule, and a cooled surface at drain potential, assigned to the second switch module submodule. The electrical connection, designed as a plate, between the source potential of the first switch module submodule and the drain potential of the second switch module submodule is provided at AC potential. On the other side 4 of the half-bridge module 9, the cooled surface at drain potential of the first switch module sub-module is connected to the connection 13 via the plate-shaped connection 12 and the cooled surface at source potential of the second switch module sub-module is connected to the connection 15 via the connection. In this half-bridge module 9, too, the current-carrying components are simultaneously used for heat dissipation. In addition, reference is made to the description of the embodiment according to the 3 referred to.

Das Ausführungsbeispiel nach der 6 unterscheidet sich von demjenigen nach der 5 dadurch, dass, entsprechend dem Unterschied zwischen den Ausführungsformen gemäß den 3 und 4, die AC-Verbindung auf der Seite 3 und die Kühlstrukturen auf den Seiten 3 und 4 jeweils aus einem strukturierten Blech bestehen, sodass ein minimaler Aufwand zur Realisierung erforderlich ist. Wegen weiterer Einzelheiten wird auf die Beschreibung der 3 bis 5 verwiesen.The embodiment according to the 6 differs from that after the 5 in that, according to the difference between the embodiments according to the 3 and 4 , the AC connection on page 3 and the cooling structures on pages 3 and 4 are each made of structured sheet metal, so that minimal effort is required for implementation. For further details, please refer to the description of the 3 to 5 referred to.

Bei dem Halbbrückenmodul 9 gemäß der Ausführungsformen nach den 5 und 6 sind zwei Schaltermodule in einem Modul zur Halbbrücke angeordnet, wobei das Source-Potential das ersten Schaltermodul-Submoduls und das Drain-Potential des zweiten Schaltermodul-Submoduls elektrisch miteinander verbunden sind (AC-Potential). Das Drain-Potential des ersten Schaltermodul-Submoduls und das Source-Potential des zweiten Schaltermodul-Submoduls werden durch Kontaktierung der Erwärmungsflächen mit den Kondensatorterminals verbunden. Die Kühlstruktur(en) kann entweder Teil des jeweiligen Schaltermoduls oder Teil des elektrischen Kontaktblechs sein.In the half-bridge module 9 according to the embodiments according to the 5 and 6 Two switch modules are arranged in a module to form a half-bridge, with the source potential of the first switch module submodule and the drain potential of the second switch module submodule being electrically connected to one another (AC potential). The drain potential of the first switch module submodule and the source potential of the second switch module submodule are connected to the capacitor terminals by contacting the heating surfaces. The cooling structure(s) can either be part of the respective switch module or part of the electrical contact plate.

Claims

Power electronics, with at least two semiconductor components (2), with electrical contacts (5) arranged on opposite sides (3, 4) of the semiconductor components (2), wherein the contacts (5) directly contact the semiconductor components (2), wherein electrical contacts (5) arranged on opposite sides (3, 4) of the semiconductor components (2), which directly contact the respective semiconductor component (2), and an encapsulation (8) for the respective semiconductor component (2) form switch modules (1a, 1b), wherein two switch modules (1a, 1b) form a half-bridge module (9), wherein the half-bridge module (9) is connected to a capacitor (10), wherein on one side (3) of the half-bridge module (9) a respective contact (5) of the one switch module (1a) which is at source potential is connected via an electrical connection (11) to a respective contact (5) of the other switch module (1b) which is at drain potential, and wherein on the other, opposite side (4) of the half-bridge module (9), a respective contact (5) at drain potential of one switch module (1a) and a respective contact (5) at source potential of the other switch module (1b) are connected via electrical connections (12, 14) to the capacitor (10), and to a dielectric coolant (6), wherein the coolant (6) flows directly around the contacts (5).

Power electronics, with at least two semiconductor components (2), with electrical contacts (5) arranged on opposite sides (3, 4) of the semiconductor components (2), wherein the contacts (5) directly contact the semiconductor components (2), wherein electrical contacts (5) arranged on opposite sides (3, 4) of the semiconductor components (2), which directly contact the respective semiconductor component (2), as well as an encapsulation (8) for the respective semiconductor component (2) form switch modules (1a, 1b), wherein a half-bridge module (9) is formed from two switch module submodules, wherein the half-bridge module (9) is connected to a capacitor (10), wherein on one side (3) of the half-bridge module (9) a respective contact of the one switching module submodule, which is at source potential, is connected via an electrical connection (11) to a respective contact (5) of the other switching module submodule, which is at drain potential. is, and wherein on the other, opposite side (4) of the half-bridge module (9), a respective contact (5) at drain potential of one switching module submodule and a respective contact (5) at source potential of the other switching module submodule are connected to the capacitor (10) via an electrical connection (12, 14), and to a dielectric coolant (6), wherein the coolant (6) flows directly around the contacts (5).

Power electronics according to claim 1 or 2 , wherein the contacts (5) contact the semiconductor components (2) over a large area.

Power electronics according to claim 1 , 2 or 3 , the encapsulation completely encloses the semiconductor components (2) and the contacts (5) protrude from the encapsulation (8).

Power electronics according to claim 4 , wherein the encapsulation (8) is a potting or mold encapsulation.

Power electronics according to one of the Claims 1 until 5 , wherein the capacitor (10) is an intermediate circuit capacitor (10).

Power electronics according to one of the Claims 1 until 6 , wherein the respective electrical connection (11, 12, 14) comprises a flat plate and/or a structured sheet.

Power electronics according to one of the Claims 1 until 7 , wherein the coolant (6) flows around the respective electrical connection (11, 12, 14).

Power electronics according to one of the Claims 1 until 8 , wherein the semiconductor component (2) has a contact on a gate-source potential or an auxiliary source potential and this contact is led to the outside via a lead frame.

Power electronics according to one of the Claims 1 until 9 , whereby this power electronics forms a converter.