DE102022134477A1 - Power module, electrical power converter and electric drive for a means of transport - Google Patents
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Abstract
Leistungsmodul (1), das mindestens eine Anordnung (2, 2') aus mehreren Dies (2a-h) umfasst, die jeweils einen Transistor mit einem Schaltpfad bilden, wobei jeder Die (2a-h) einen ersten Anschluss (3), einen zweiten Anschluss (4) und einen Steueranschluss (5) aufweist, wobei der Schaltpfad zwischen dem ersten Anschluss (3) und dem zweiten Anschluss (4) gebildet wird und in Abhängigkeit von einer Spannung an dem Steueranschluss (5) und dem zweiten Anschluss (4) schaltbar ist, wobei die Transistoren parallel geschaltet sind, indem die ersten Anschlüsse (3) miteinander verbunden sind und die zweiten Anschlüsse (4) miteinander verbunden sind, wobei die mindestens eine Anordnung (2, 2') eine Abschirmstruktur (13) umfasst, die mindestens zwei der Dies (2a-h) zumindest teilweise abdeckt, wobei die Abschirmstruktur (13) ein Material oder mehrere Materialien umfasst oder aus diesen besteht, die ausgewählt sind aus einer Gruppe, bestehend aus einem Ferrit auf Nickel-Zink-Basis, einer weichferromagnetischen Nickel-Eisen-Legierung und einem Elektrostahl. Power module (1) comprising at least one arrangement (2, 2') of a plurality of dies (2a-h), each of which forms a transistor with a switching path, each die (2a-h) having a first terminal (3), a second terminal (4) and a control terminal (5), the switching path being formed between the first terminal (3) and the second terminal (4) and being switchable as a function of a voltage at the control terminal (5) and the second terminal (4), the transistors being connected in parallel by connecting the first terminals (3) to one another and connecting the second terminals (4) to one another, the at least one arrangement (2, 2') comprising a shielding structure (13) which at least partially covers at least two of the dies (2a-h), the shielding structure (13) comprising or consisting of one or more materials selected from a group consisting of a nickel-zinc-based ferrite, a soft ferromagnetic nickel-iron alloy and an electrical steel.
Description
Gebiet der ErfindungField of the invention
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Leistungsmodul, das mindestens eine Anordnung aus mehreren Dies umfasst, die jeweils einen Transistor mit einem Schaltpfad bilden, wobei jeder Die einen ersten Anschluss, einen zweiten Anschluss und einen Steueranschluss aufweist, wobei der Schaltpfad zwischen dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss gebildet wird und in Abhängigkeit von einer Spannung an dem Steueranschluss und dem zweiten Anschluss schaltbar ist, wobei die Transistoren parallel geschaltet sind, indem die ersten Anschlüsse miteinander verbunden sind und die zweiten Anschlüsse miteinander verbunden sind.The present invention relates to a power module comprising at least one arrangement of a plurality of dies, each forming a transistor with a switching path, each die having a first terminal, a second terminal and a control terminal, the switching path being formed between the first terminal and the second terminal and being switchable depending on a voltage at the control terminal and the second terminal, the transistors being connected in parallel by the first terminals being connected to one another and the second terminals being connected to one another.
Zudem betrifft die Erfindung einen elektrischen Leistungswandler und einen elektrischen Antrieb für ein Transportmittel, beispielsweise für ein Fahrzeug oder für ein Fahrrad.The invention also relates to an electrical power converter and an electric drive for a means of transport, for example for a vehicle or for a bicycle.
Hintergrund der ErfindungBackground of the invention
Mit dem zunehmenden Leistungsbedarf von Traktionsinvertern für elektrische Transportmittel hat sich die Parallelschaltung mehrerer Dies als notwendig erwiesen, um die entsprechenden Strom- und Verlustdichten zu bewältigen. Die Parallelschaltung der Dies führt jedoch zu sehr komplexen Resonanzsystemen mit charakteristischen Rückkopplungsschleifen. Entsprechende Schwingungen sind im UKW-Band, insbesondere oberhalb von 100 MHz, zu erwarten und können in einer Struktur der Steueranschlüsse der Dies unterschiedliche Ausfallmechanismen auslösen.With the increasing power requirements of traction inverters for electric transport, the parallel connection of several dies has proven to be necessary in order to cope with the corresponding current and loss densities. However, the parallel connection of the dies leads to very complex resonance systems with characteristic feedback loops. Corresponding oscillations are to be expected in the VHF band, especially above 100 MHz, and can trigger different failure mechanisms in a structure of the control connections of the dies.
Um entsprechende Kopplungen in solchen Rückkopplungsschleifen zu reduzieren, wird bei
Ferner ist aus der
Ferner offenbart die
Kurzdarstellung der ErfindungBrief description of the invention
Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, den Betrieb eines Leistungsmoduls mit parallelisierten Dies zu verbessern, insbesondere im Hinblick auf eine Reduzierung von UKW-Schwingungen.An object of the invention is to improve the operation of a power module with parallelized dies, in particular with regard to reducing VHF oscillations.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Leistungsmodul wie eingangs beschrieben gelöst, bei dem die mindestens eine Anordnung eine Abschirmstruktur umfasst, die mindestens zwei der Dies zumindest teilweise abdeckt, wobei die Abschirmstruktur ein Material oder mehrere Materialien umfasst oder daraus besteht, die ausgewählt sind aus einer Gruppe, bestehend aus einem Ferrit auf Nickel-Zink-Basis, einer weichferromagnetischen Nickel-Eisen-Legierung und einem Elektrostahl.According to the invention, this object is achieved by a power module as described above, in which the at least one arrangement comprises a shielding structure which at least partially covers at least two of the dies, wherein the shielding structure comprises or consists of one or more materials which are selected from a group consisting of a nickel-zinc-based ferrite, a soft ferromagnetic nickel-iron alloy and an electrical steel.
Das erfindungsgemäße Leistungsmodul umfasst die mindestens eine Anordnung aus mehreren Dies. Jeder Die bildet einen Transistor mit einem Schaltpfad. Jeder Die weist einen ersten Anschluss, einen zweiten Anschluss und einen Steueranschluss auf. Der Schaltpfad wird zwischen dem ersten und dem zweiten Anschluss gebildet. Der Schaltpfad ist in Abhängigkeit von einer Spannung am Steueranschluss und dem zweiten Anschluss schaltbar. Die Transistoren sind parallel geschaltet, indem die ersten Anschlüsse miteinander verbunden sind und die zweiten Anschlüsse miteinander verbunden sind. Die mindestens eine Anordnung umfasst ferner eine Abschirmstruktur. Die Abschirmstruktur deckt mindestens zwei der Dies zumindest teilweise ab. Die Abschirmstruktur umfasst ein Material oder mehrere Materialien oder besteht aus diesem/n. Das oder die Materialien werden aus einer Gruppe ausgewählt. Die Gruppe besteht aus einem Ferrit auf Nickel-Zink-Basis, einer weichferromagnetischen Nickel-Eisen-Legierung und einem Elektrostahl.The power module according to the invention comprises at least one arrangement of several dies. Each die forms a transistor with a switching path. Each die has a first terminal, a second terminal and a control terminal. The switching path is formed between the first and the second terminal. The switching path can be switched depending on a voltage at the control terminal and the second terminal. The Transistors are connected in parallel by connecting the first terminals together and connecting the second terminals together. The at least one arrangement further comprises a shielding structure. The shielding structure at least partially covers at least two of the dies. The shielding structure comprises or consists of one or more materials. The material or materials are selected from a group. The group consists of a nickel-zinc based ferrite, a soft ferromagnetic nickel-iron alloy and an electrical steel.
Die Erfindung beruht auf der Überlegung, UKW-Schwingungen, die durch induktive Rückkopplungsschleifen bei der Parallelisierung der Dies verursacht werden, zu reduzieren, indem eine Abschirmstruktur bereitgestellt wird, um die magnetische Kopplung zwischen dem ersten und zweiten Anschluss und einer Steueranschlussschleife zu beeinflussen und/oder indem die Rückkopplungsschleifen gedämpft werden. Dabei bieten Ferrite auf Nickel-Zink-Basis geeignete Hochfrequenz-Verlusteigenschaften zur Dämpfung der Rückkopplungsschleifen. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass eine Abschirmstruktur, die aus einer weichferromagnetischen Nickel-Eisen-Legierung und/oder Elektrostahl hergestellt ist oder diese enthält, ebenfalls zu einer erheblichen Verringerung der UKW-Schwingungsamplituden führt, obwohl diese Materialien normalerweise nicht für ihre Hochfrequenzeigenschaften bekannt sind. Vorteilhafterweise ermöglicht das erfindungsgemäße Leistungsmodul die Reduzierung der UKW-Schwingungen, insbesondere ohne Beeinträchtigung der Steueranschluss-Innenwiderstände und ohne Reduzierung der maximalen Schaltgeschwindigkeit des Leistungsmoduls.The invention is based on the consideration of reducing VHF oscillations caused by inductive feedback loops when paralleling the dies by providing a shielding structure to influence the magnetic coupling between the first and second terminals and a control terminal loop and/or by damping the feedback loops. Nickel-zinc-based ferrites offer suitable high-frequency loss properties for damping the feedback loops. In addition, it has been found that a shielding structure made of or containing a soft ferromagnetic nickel-iron alloy and/or electrical steel also leads to a significant reduction in the VHF oscillation amplitudes, although these materials are not normally known for their high-frequency properties. Advantageously, the power module according to the invention enables the reduction of the VHF oscillations, in particular without affecting the control terminal internal resistances and without reducing the maximum switching speed of the power module.
Die Gruppe kann so eingeschränkt werden, dass sie nur aus dem Ferrit auf Nickel-Zink-Basis oder nur aus der weichferromagnetischen Legierung auf Nickel-Eisen-Basis oder nur aus dem Elektrostahl oder nur aus dem Ferrit auf Nickel-Zink-Basis und der weichferromagnetischen Legierung auf Nickel-Eisen-Basis oder nur aus dem Ferrit auf Nickel-Zink-Basis und dem Elektrostahl oder nur aus der weichferromagnetischen Legierung auf Nickel-Eisen-Basis und dem Elektrostahl besteht.The group may be restricted to consist only of the nickel-zinc based ferrite, or only of the nickel-iron based soft ferromagnetic alloy, or only of the electrical steel, or only of the nickel-zinc based ferrite and the nickel-iron based soft ferromagnetic alloy, or only of the nickel-zinc based ferrite and the electrical steel, or only of the nickel-iron based soft ferromagnetic alloy and the electrical steel.
Die Anzahl der Dies kann mindestens zwei, bevorzugt mindestens vier, besonders bevorzugt mindestens sechs betragen. Bei dem Transistor kann es sich um einen Bipolartransistor mit isoliertem Gate (insulated gate bipolar transistor, IGBT) handeln. In diesem Fall kann der erste Anschluss ein Kollektor-Anschluss, der zweite Anschluss ein Emitter-Anschluss und der Steueranschluss ein Gate-Anschluss sein. Alternativ kann es sich bei dem Transistor um einen Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET), bevorzugt auf der Basis von Siliciumkarbid (SiC), oder um einen Transistor mit hoher Elektronenmobilität (highelectron-mobility transistor, HEMT), insbesondere auf der Basis von Galliumnitrid (GaN), handeln. Bei MOSFETs und HEMTs kann es sich bei dem ersten Anschluss um einen Drain-Anschluss, bei dem zweiten Anschluss um einen Source-Anschluss und bei dem Steueranschluss um einen Gate-Anschluss handeln. Bevorzugt ist der Transistor so konfiguriert, dass er Spannungen von mindestens 400 V, bevorzugt mindestens 800 V, besonders bevorzugt mindestens 1200 V, über den Schaltpfad sperrt. Die Erfindung kann jedoch auch für Niederspannungs-Leistungsmodule, z.B. in 48-Volt-Systemen, angewendet werden, bei denen der Transistor so konfiguriert ist, dass er Spannungen von mindestens 50 V sperrt.The number of dies can be at least two, preferably at least four, particularly preferably at least six. The transistor can be an insulated gate bipolar transistor (IGBT). In this case, the first terminal can be a collector terminal, the second terminal an emitter terminal and the control terminal a gate terminal. Alternatively, the transistor can be a metal oxide semiconductor field effect transistor (MOSFET), preferably based on silicon carbide (SiC), or a high electron mobility transistor (HEMT), in particular based on gallium nitride (GaN). In MOSFETs and HEMTs, the first terminal can be a drain terminal, the second terminal a source terminal and the control terminal a gate terminal. The transistor is preferably configured such that it blocks voltages of at least 400 V, preferably at least 800 V, particularly preferably at least 1200 V, via the switching path. However, the invention can also be applied to low-voltage power modules, e.g. in 48-volt systems, where the transistor is configured to block voltages of at least 50 V.
Im Einzelnen können elektrische Verbindungen zwischen den Dies einen Schwingkreis mit einer oder mehreren Resonanzfrequenzen von mindestens 100 MHz und Rückkopplungsschleifen bilden, die eine induktive Kopplung zwischen den zweiten Anschlüssen einerseits und den ersten Anschlüssen und/oder Steueranschlüssen andererseits herstellen. Die Abschirmstruktur kann dann so konfiguriert sein, dass sie die induktive Kopplung reduziert. Die Abschirmstruktur kann daher konkret so eingerichtet sein, dass sie die induktive Kopplung zwischen Rückkopplungsschleifen, die mit dem ersten und dem zweiten Anschluss verbunden sind (Ausgangsschleifen), und/oder Rückkopplungsschleifen, die mit dem Steueranschluss und dem zweiten Anschluss verbunden sind (Eingangsschleifen), in dem vorgenannten Frequenzbereich verringert. Insbesondere kann die Mindestresonanzfrequenz zwischen 100 MHz und 1 GHz liegen.In detail, electrical connections between the dies can form a resonant circuit with one or more resonant frequencies of at least 100 MHz and feedback loops that establish an inductive coupling between the second terminals on the one hand and the first terminals and/or control terminals on the other hand. The shielding structure can then be configured to reduce the inductive coupling. The shielding structure can therefore specifically be set up to reduce the inductive coupling between feedback loops connected to the first and second terminals (output loops) and/or feedback loops connected to the control terminal and the second terminal (input loops) in the aforementioned frequency range. In particular, the minimum resonant frequency can be between 100 MHz and 1 GHz.
Das Ferrit auf Nickel-Zink-Basis weist bevorzugt eine komplexe Permeabilität mit einem Realteil und einem Imaginärteil auf. Die komplexe Permeabilität µ des Ferrits auf Nickel-Zink-Basis kann somit ausgedrückt werden durch
Wünschenswerterweise liegt ein Maximum des Imaginärteils in einem Frequenzbereich zwischen 10 MHz und 1 GHz, bevorzugt zwischen 100 MHz und 1 GHz. Wenn das Maximum des Imaginärteils innerhalb oder in der Nähe der erwarteten Oszillationsfrequenzen liegt, wird eine stark dämpfende Wirkung auf die Schwingungen erhalten, so dass ein Ferrit auf Nickel-Zink-Basis mit einem Maximum in diesem Bereich favorisiert wird.Desirably, a maximum of the imaginary part lies in a frequency range between 10 MHz and 1 GHz, preferably between 100 MHz and 1 GHz. If the maximum of the imaginary part lies within or near the expected oscillation frequencies, a strong damping effect on the oscillations is obtained, so a nickel-zinc based ferrite with a maximum in this range is favored.
Alternativ oder zusätzlich ist bei einer Frequenz von 100 MHz, bevorzugt 50 MHz, besonders bevorzugt 10 MHz, der Realteil der komplexen Permeabilität im Vergleich zu seinem Wert bei Frequenzen nahe Null reduziert. Insbesondere wird der Realteil um den Faktor zwei, bevorzugt um den Faktor 10, reduziert. Es wurde festgestellt, dass ein relativ hoher Wert des Realteils die Schwingungen sogar verstärken kann, da die magnetische Flussverkettung und die Rückkopplung entsprechend zunehmen. Daher ist es bevorzugt, einen Ferrit auf Nickel-Zink-Basis zu wählen, dessen Realteil der komplexen Permeabilität bereits bei der vorstehend genannten Frequenz abnimmt. Es ist zu beachten, dass es eine Beziehung zwischen dem Realteil der komplexen Permeabilität des Ferrits und einer Eckfrequenz gemäß dem Snoek'schen Gesetz gibt, das besagt, dass die Eckfrequenz umso niedriger ist, je höher der Realteil der komplexen Permeabilität ist. Es hat sich herausgestellt, dass geeignete Werte des Realteils des Komplexes für Frequenzen, die sich einer Null-Permeabilität annähern, unter 300, bevorzugt 100, besonders bevorzugt 30 liegen.Alternatively or additionally, at a frequency of 100 MHz, preferably 50 MHz, more preferably 10 MHz, the real part of the complex permeability is reduced compared to its value at frequencies close to zero. In particular, the real part is reduced by a factor of two, preferably by a factor of 10. It has been found that a relatively high value of the real part can even amplify the oscillations since the magnetic flux linkage and feedback increase accordingly. Therefore, it is preferable to choose a nickel-zinc based ferrite whose real part of the complex permeability already decreases at the above-mentioned frequency. It should be noted that there is a relationship between the real part of the complex permeability of the ferrite and a corner frequency according to Snoek's law, which states that the higher the real part of the complex permeability, the lower the corner frequency. It has been found that suitable values of the real part of the complex for frequencies approaching zero permeability are below 300, preferably 100, particularly preferably 30.
Insgesamt ist es wünschenswert, einen Ferrit auf Nickel-Zink-Basis mit einem hohen Wert des Imaginärteils der komplexen Permeabilität und gleichzeitig einem niedrigen Wert des Realteils der komplexen Permeabilität zu wählen, um eine hohe Dämpfungseffizienz zu erzielen.Overall, it is desirable to choose a nickel-zinc based ferrite with a high value of the imaginary part of the complex permeability and at the same time a low value of the real part of the complex permeability to achieve high damping efficiency.
Bei der weichmagnetischen Nickel-Eisen-Legierung kann es sich um Mu-Metall oder Permalloy handeln. Die Nickel-Eisen-Legierung kann A Gew.-% Nickel, B Gew.-% Eisen und C Gew.-% eines Metalls enthalten, wobei A+B+C ≤ 100, 75 ≤ A ≤ 80, 15 ≤ B ≤ 20, 2 ≤ C ≤ 5 und das Metall ein oder mehrere Metalle ist, die ausgewählt sind aus der Gruppe, bestehend aus Kupfer, Chrom, Molybdän und Kobalt. Eine solche Legierung ist im Handel erhältlich, wird aber in der Regel nicht für Hochfrequenz- oder EMI-Anwendungen verwendet.The soft magnetic nickel-iron alloy may be mu-metal or permalloy. The nickel-iron alloy may contain A wt% nickel, B wt% iron and C wt% of a metal, where A+B+C ≤ 100, 75 ≤ A ≤ 80, 15 ≤ B ≤ 20, 2 ≤ C ≤ 5 and the metal is one or more metals selected from the group consisting of copper, chromium, molybdenum and cobalt. Such an alloy is commercially available but is typically not used for high frequency or EMI applications.
Bei dem Elektrostahl kann es sich um einen, insbesondere nicht kornorientierten, Siliciumstahl handeln. Der Elektrostahl kann mit der Norm EN 10106:2015 oder der Norm EN 10107:2014 konform sein. Ein solcher Stahl wird üblicherweise als Blechmaterial für Transformator- oder Motorenanwendungen verwendet, nicht aber für Anwendungen im UKW-Bereich oder darüber.The electrical steel may be a silicon steel, particularly one that is not grain oriented. The electrical steel may comply with the EN 10106:2015 or the EN 10107:2014 standard. Such a steel is usually used as sheet material for transformer or motor applications, but not for applications in the VHF range or above.
Allgemein kann die Abschirmstruktur plattenförmig sein. Das heißt, die Abschirmstruktur kann die mindestens zwei Dies in zwei Raumrichtungen abdecken und kann in der senkrechten Raumrichtung eine geringe Dicke aufweisen. Typischerweise weist die Abschirmstruktur eine Dicke von weniger als 5 mm, bevorzugt weniger als 2 mm, besonders bevorzugt weniger als 1 mm oder sogar weniger als 0,5 mm auf.In general, the shielding structure can be plate-shaped. This means that the shielding structure can cover the at least two dies in two spatial directions and can have a small thickness in the vertical spatial direction. Typically, the shielding structure has a thickness of less than 5 mm, preferably less than 2 mm, particularly preferably less than 1 mm or even less than 0.5 mm.
Allgemein kann die mindestens eine Anordnung ferner ein elektrisch leitendes erstes Pad umfassen, mit dem die zweiten Anschlüsse verbunden sind. Das Leistungsmodul kann zudem ein elektrisch leitendes zweites Pad, mit dem die ersten Anschlüsse verbunden sind, und/oder eine elektrisch leitende Bahn, mit der die Steueranschlüsse verbunden sind, und/oder ein elektrisch leitendes weiteres Pad des Leistungsmoduls, mit dem weitere Pad-Kelvin-Anschlüsse der Dies verbunden sind, umfassen. Natürlich können die Dies noch weitere Anschlüsse aufweisen, wie z.B. Anschlüsse für Strommessung.In general, the at least one arrangement can further comprise an electrically conductive first pad to which the second terminals are connected. The power module can also comprise an electrically conductive second pad to which the first terminals are connected and/or an electrically conductive track to which the control terminals are connected and/or an electrically conductive further pad of the power module to which further pad Kelvin terminals of the dies are connected. Of course, the dies can have further terminals, such as terminals for current measurement.
Gemäß einer ersten bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Leistungsmoduls bedeckt die Abschirmstruktur nicht den Die, der den geringsten Abstand zum ersten Pad aufweist. In diesem Fall wird ein Die, der sich in der Nähe des ersten Pads befindet, gegebenenfalls nicht abgedeckt, da er nur eine relativ kleine Rückkopplungsschleife in Bezug auf das zweite Pad oder die Leiterbahn bildet. Alternativ oder zusätzlich deckt die Abschirmstruktur nicht den Die ab, der den geringsten Abstand zu dem weiteren Pad aufweist. In diesem Fall wird ein Die, der sich in der Nähe des weiteren Pads befindet, gegebenenfalls nicht abgedeckt, da er nur eine relativ kleine Rückkopplungsschleife zur Leiterbahn bildet. Durch den Verzicht auf die Abdeckung ausgewählter Dies kann vorteilhaft Material für die Abschirmstruktur eingespart werden.According to a first preferred embodiment of the power module according to the invention, the shielding structure does not cover the die that is the closest distance from the first pad. In this case, a die that is located near the first pad may not be covered because it only forms a relatively small feedback loop with respect to the second pad or the conductor track. Alternatively or additionally, the shielding structure does not cover the die that is the closest distance from the further pad. In this case, a die that is located near the further pad may not be covered because it only forms a relatively small feedback loop with respect to the conductor track. By omitting the covering of selected dies, material for the shielding structure can advantageously be saved.
Gemäß einer zweiten bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Leistungsmoduls deckt die Abschirmstruktur jeden Die zumindest teilweise ab. Durch die Abdeckung aller Dies kann eine hohe Dämpfungseffizienz erreicht werden.According to a second preferred embodiment of the power module according to the invention, the shielding structure covers each die at least partially. By covering all dies, a high attenuation efficiency can be achieved.
Im Hinblick auf das erfindungsgemäße Leistungsmodul ist es ferner bevorzugt, dass die Abschirmstruktur die mindestens zwei Dies vollständig abdeckt. Durch das vollständige Abdecken der jeweiligen Dies kann ebenfalls eine hohe Dämpfungseffizienz erreicht werden.With regard to the power module according to the invention, it is further preferred that the shielding structure completely covers the at least two dies. By completely covering the respective dies, a high attenuation efficiency can also be achieved.
Das erfindungsgemäße Leistungsmodul kann ferner einen Träger umfassen, auf dem die Dies montiert sind, wobei die mindestens zwei Dies zwischen dem Träger und der Abschirmstruktur angeordnet sind. Der Träger kann aus Keramik hergestellt sein, wobei ein direkt gebondetes Kupfersubstrat (direct bonded copper substrate, DBC), ein direkt gebondetes Aluminiumsubstrat (DBA) oder ein gelötetes Aktivmetall-Substrat (AMB) verwendet wird. Alternativ kann der Träger auch aus Metall mit einer darauf befindlichen dielektrischen Beschichtung hergestellt sein. Ein solcher Träger kann ein isoliertes Metallsubstrat (IMS) realisieren.The power module according to the invention can further comprise a carrier on which the dies are mounted, wherein the at least two dies are arranged between the carrier and the shielding structure. The carrier can be made of ceramic, using a direct bonded copper substrate (DBC), a direct bonded aluminum substrate (DBA) or a soldered active metal substrate (AMB). Alternatively, the carrier can also be made of metal with a dielectric coating thereon. Such a carrier can realize an insulated metal substrate (IMS).
Das erfindungsgemäße Leistungsmodul kann zudem einen einzigen Körper umfassen, der aus elektrisch isolierendem Formmaterial gebildet ist, wobei der Körper die Dies und/oder die elektrischen Verbindungen, z.B. Drahtverbindungen, zwischen den Dies abdeckt. Der Körper kann zusammen mit dem Träger verwendet werden, indem dieser umspritzt wird. Der Träger kann auch weggelassen werden, so dass der Körper die Dies und die elektrische Verbindung bedeckt oder einbettet. Dadurch kann ein TML- (transfer molded lead frame, transfergepresster Leiterrahmen) Design realisiert werden. Der Körper kann ferner die Pads abdecken oder einbetten.The power module according to the invention can also comprise a single body formed from electrically insulating molding material, the body covering the dies and/or the electrical connections, e.g. wire connections, between the dies. The body can be used together with the carrier by overmolding it. The carrier can also be omitted so that the body covers or embeds the dies and the electrical connection. This allows a TML (transfer molded lead frame) design to be realized. The body can also cover or embed the pads.
Bevorzugt bettet der Körper die Abschirmstruktur ein. Dadurch kann die Position der Abschirmstruktur in Bezug auf die Dies bzw. die Verbindungen fixiert werden, um stabile Dämpfungseigenschaften bereitzustellen.Preferably, the body embeds the shielding structure. This allows the position of the shielding structure to be fixed in relation to the dies or connections in order to provide stable damping properties.
Die mindestens eine Anordnung kann ferner eine Tragstruktur umfassen, die die Abschirmstruktur lagert. Die Tragstruktur kann einen definierten Abstand zwischen den Dies und der Abschirmstruktur bereitstellen, wodurch die Abschirmstruktur an einer Position angeordnet wird, an der gute Dämpfungseigenschaften erzielt werden können. Es ist zu beachten, dass die Wahl des Abstands von verschiedenen Ausgestaltungsdetails des Leistungsmoduls abhängt und auf Grundlage von Simulationen oder Experimenten getroffen werden sollte.The at least one arrangement may further comprise a support structure supporting the shielding structure. The support structure may provide a defined distance between the dies and the shielding structure, thereby locating the shielding structure at a position where good attenuation properties can be achieved. It should be noted that the choice of the distance depends on various design details of the power module and should be made based on simulations or experiments.
Im Einzelnen kann die Tragstruktur auf dem Träger montiert werden. Ferner kann die Tragstruktur ein Rahmen sein, auf dem die Abschirmstruktur angeordnet ist, oder eine Vielzahl von Kuppeln, die die Abschirmstruktur jeweils selektiv tragen. Zudem kann die Tragstruktur elektrisch mit der Abschirmstruktur verbunden sein. Somit kann die Tragstruktur durch verschiedene Geometrien realisiert werden, was die Anwendung auf unterschiedlichste Leistungsmodulausgestaltungen erleichtert.In detail, the support structure can be mounted on the carrier. Furthermore, the support structure can be a frame on which the shielding structure is arranged, or a plurality of domes, each of which selectively supports the shielding structure. In addition, the support structure can be electrically connected to the shielding structure. Thus, the support structure can be realized using different geometries, which facilitates application to a wide variety of power module designs.
Ferner kann die Tragstruktur elektrisch isolierend sein. Dadurch kann die Herstellung elektrischer Verbindungen zwischen der Abschirmstruktur und anderen elektrisch leitenden Komponenten vermieden werden. Es ist jedoch möglich, dass die Abschirmstruktur mit einem geeigneten Spannungspotenzial des Leistungsmoduls verbunden ist, z.B. über die Tragstruktur, um einen durch Schaltvorgänge der Dies erzeugten elektrischen Fluss zusätzlich abzuschirmen, um elektromagnetische Emissionen zu verringern.Furthermore, the support structure can be electrically insulating. This can avoid the creation of electrical connections between the shielding structure and other electrically conductive components. However, it is possible for the shielding structure to be connected to a suitable voltage potential of the power module, e.g. via the support structure, in order to additionally shield an electrical flow generated by switching operations of the dies in order to reduce electromagnetic emissions.
Bevorzugt sind eine erste Anordnung und eine zweite Anordnung vorhanden, wobei die ersten Anschlüsse der ersten Anordnung mit den zweiten Anschlüssen der zweiten Anordnung zu einer Halbbrücke verbunden sind.Preferably, a first arrangement and a second arrangement are present, wherein the first terminals of the first arrangement are connected to the second terminals of the second arrangement to form a half-bridge.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Leistungsmodul, das mindestens eine Anordnung aus mehreren Dies umfasst, die jeweils einen Transistor mit einem Schaltpfad bilden, wobei jeder Die einen ersten Anschluss, einen zweiten Anschluss und einen Steueranschluss aufweist, wobei der Schaltpfad zwischen dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss gebildet wird und in Abhängigkeit von einer Spannung an dem Steueranschluss und dem zweiten Anschluss schaltbar ist, wobei die Transistoren parallel geschaltet sind, indem die ersten Anschlüsse miteinander verbunden sind und die zweiten Anschlüsse miteinander verbunden sind, wobei die Anordnung eine Abschirmstruktur umfasst, die mindestens zwei der Dies zumindest teilweise abdeckt, wobei elektrische Verbindungen zwischen den Dies einen Resonanzkreis mit einer oder mehreren Resonanzfrequenzen von mindestens 100 MHz und Rückkopplungsschleifen bilden, die eine induktive Kopplung zwischen den zweiten Anschlüssen einerseits und den ersten Anschlüssen und/oder Steueranschlüssen andererseits bilden, wobei die Abschirmstruktur so konfiguriert ist, dass sie die induktive Kopplung reduziert. Alle vorgenannten Aussagen gelten für diesen Aspekt analog, so dass auch hier die entsprechenden Vorteile erzielt werden können.According to a further aspect, the present invention relates to a power module comprising at least one arrangement of a plurality of dies, each of which forms a transistor with a switching path, each die having a first terminal, a second terminal and a control terminal, the switching path being formed between the first terminal and the second terminal and being switchable depending on a voltage at the control terminal and the second terminal, the transistors being connected in parallel by the first terminals being connected to one another and the second terminals being connected to one another, the arrangement comprising a shielding structure that at least partially covers at least two of the dies, electrical connections between the dies forming a resonant circuit with one or more resonant frequencies of at least 100 MHz and feedback loops that form an inductive coupling between the second terminals on the one hand and the first terminals and/or control terminals on the other hand, the shielding structure being configured to reduce the inductive coupling. All of the above statements apply analogously to this aspect, so that the corresponding advantages can also be achieved here.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner einen elektrischen Leistungswandler, umfassend: einen DC-Anschluss für eine Gleichspannung; einen AC-Anschluss mit mehreren Phasenleitern für eine Wechselspannung; und einen Leistungsabschnitt, umfassend eine Vielzahl von Schaltelementen, die zu einer Halbbrücke für jeden Phasenleiter verbunden sind, wobei jede Halbbrücke zwischen den DC-Anschluss geschaltet ist und jeder Phasenleiter mit einem zentralen Abgriff zwischen den Schaltelementen einer der Halbbrücken verbunden ist; wobei jedes Schaltelement oder jede Halbbrücke durch ein erfindungsgemäßes Leistungsmodul gebildet ist.The present invention further relates to an electrical power converter, comprising: a DC connection for a direct voltage; an AC connection with several phase conductors for an alternating voltage; and a power section comprising a plurality of switching elements connected to form a half-bridge for each phase conductor, each half-bridge being connected between the DC connection and each phase conductor being connected to a central tap between the switching elements of one of the half-bridges; each switching element or each half-bridge being formed by a power module according to the invention.
Die Halbbrücken können mit zwei Leitungen des DC-Anschlusses verbunden sein. Natürlich gibt es auch andere Möglichkeiten, die Halbbrücken mit dem DC-Anschluss zu verbinden.The half bridges can be connected to two lines of the DC connection. Of course, there are other ways to connect the half bridges to the DC connection.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner einen elektrischen Antrieb für ein Transportmittel, beispielsweise für ein Fahrzeug oder ein Fahrrad, umfassend eine elektrische Maschine, die zum Antrieb des Transportmittels ausgebildet ist, und einen erfindungsgemäßen elektrischen Leistungswandler, wobei die elektrische Maschine mit dem AC-Anschluss des elektrischen Leistungswandlers zur Versorgung der elektrischen Maschine mit der Wechselspannung verbunden ist.The present invention further relates to an electric drive for a means of transport, for example for a vehicle or a bicycle, comprising an electric machine which is designed to drive the means of transport, and an electric power converter according to the invention, wherein the electric machine is connected to the AC connection of the electric power converter to supply the electrical machine with alternating voltage.
Kurzbeschreibung der ZeichnungenShort description of the drawings
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden im Folgenden offenbart, wobei auf die Zeichnungen verwiesen wird. Es zeigen schematisch:
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1 eine Teildraufsicht einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Leistungsmoduls; -
2 eine Draufsicht des Leistungsmoduls gemäß der ersten Ausführungsform; -
3 eine Querschnittsansicht des Leistungsmoduls gemäß der ersten Ausführungsform; -
4 eine Draufsicht einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Leistungsmoduls; -
5 Diagramme einer Gate-Source-Spannung, einer Drain-Source-Spannung und eines Drain-Source-Stroms über der Zeit und der Gate-Source-Spannung über der Frequenz für ein Leistungsmodul ohne Abschirmstruktur; -
6 Diagramme einer Gate-Source-Spannung, einer Drain-Source-Spannung und eines Drain-Source-Stroms über der Zeit sowie der Gate-Source-Spannung über der Frequenz für ein Leistungsmodul mit einer Abschirmstruktur aus Mangan-Zink-Ferrit; -
7 Diagramme einer Gate-Source-Spannung, einer Drain-Source-Spannung und eines Drain-Source-Stroms über der Zeit und der Gate-Source-Spannung über der Frequenz für ein erfindungsgemäßes Leistungsmodul mit einer Abschirmstruktur aus einer weichferromagnetischen Nickel-Eisen-Legierung; -
8 Diagramme einer Gate-Source-Spannung, einer Drain-Source-Spannung und eines Drain-Source-Stroms über der Zeit und der Gate-Source-Spannung über der Frequenz für ein erfindungsgemäßes Leistungsmodul mit einer Abschirmstruktur aus Elektrostahl; -
9 ein Blockdiagramm einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elektrischen Leistungswandlers; und -
10 eine Prinzipzeichnung eines Elektrofahrzeugs mit einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elektrischen Antriebs.
-
1 a partial plan view of a first embodiment of a power module according to the invention; -
2 a plan view of the power module according to the first embodiment; -
3 a cross-sectional view of the power module according to the first embodiment; -
4 a plan view of a second embodiment of the power module according to the invention; -
5 Plots of gate-source voltage, drain-source voltage and drain-source current versus time and gate-source voltage versus frequency for a power module without shielding structure; -
6 Plots of gate-source voltage, drain-source voltage and drain-source current versus time and gate-source voltage versus frequency for a power module with a manganese-zinc ferrite shielding structure; -
7 Diagrams of a gate-source voltage, a drain-source voltage and a drain-source current over time and of the gate-source voltage over frequency for a power module according to the invention with a shielding structure made of a soft ferromagnetic nickel-iron alloy; -
8th Diagrams of a gate-source voltage, a drain-source voltage and a drain-source current over time and the gate-source voltage over frequency for a power module according to the invention with a shielding structure made of electrical steel; -
9 a block diagram of an embodiment of an electrical power converter according to the invention; and -
10 a schematic drawing of an electric vehicle with an embodiment of an electric drive according to the invention.
Ausführliche BeschreibungDetailed description
Das Leistungsmodul 1 umfasst eine erste Anordnung 2 aus mehreren, hier beispielhaft acht, Dies 2a bis 2h, die jeweils einen Transistor mit einem Schaltpfad bilden. Jeder Die 2a bis 2h weist einen ersten Anschluss 3 (siehe
Die Transistoren sind parallel geschaltet, indem die ersten Anschlüsse 3 miteinander verbunden sind und die zweiten Anschlüsse 4 miteinander verbunden sind. In der in
Die erste Anordnung 2 umfasst ferner eine plattenförmige Abschirmstruktur 13, die die Dies 2a bis 2h vollständig abdeckt. Die Abschirmstruktur 13 besteht aus einem Ferrit auf Nickel-Zink-Basis, einer weichferromagnetischen Nickel-Eisen-Legierung oder einem Elektrostahl oder aus einer Kombination aus zwei oder drei dieser Materialien. Bei dem Ferrit auf Nickel-Zink-Basis liegt ein Maximum des Imaginärteils seiner komplexen Permeabilität zwischen 10 MHz und 1 GHz, und bei einer Frequenz von 100 MHz, bevorzugt 50 MHz, besonders bevorzugt 10 MHz, ist der Realteil der komplexen Permeabilität im Vergleich zu seinem Wert für Frequenzen, die sich Null annähern, um den Faktor zwei oder sogar zehn reduziert.The
In der vorliegenden Ausführungsform umfasst das Leistungsmodul 1 ferner einen Träger 14 und die Anordnung 2 ferner eine Tragstruktur 15. Der Träger 14 ist aus Keramik hergestellt und bildet eine DBC- (direkt gebondetes Kupfersubstrat) oder eine AMB- (gelötetes Aktivmetallsubstrat) Struktur, wobei die Pads 8, 9 und die Leiterbahn 11 aus Kupfer hergestellt sind, oder er bildet ein direkt gebondetes Aluminiumsubstrat (DBA), wobei die Pads 8, 9 und die Leiterbahn 11 aus Aluminium hergestellt sind. Die Dies 2a bis 2h sind zwischen dem Träger 14 und der Abschirmstruktur 13 angeordnet. Die Tragstruktur 15 ist elektrisch isolierend und lagert die Abschirmstruktur 13 in einem vordefinierten Abstand zu den Dies 2a bis 2h. Hierzu ist die Tragstruktur 15 ein Rahmen, auf dem die Abschirmstruktur angeordnet ist.In the present embodiment, the
Ferner umfasst das Leistungsmodul 1 einen einzigen Körper 16, der aus elektrisch isolierendem Formmaterial gebildet ist. Der Körper 16 bedeckt die Dies 2a bis 2h, die elektrischen Verbindungen 7a bis 7d, die Pads 8, 9, 12 und die Leiterbahn 11. In den Körper 16 sind zudem die Abschirmstruktur 13 und die Tragstruktur 15 eingebettet.Furthermore, the
Gemäß
Im Vergleich zur ersten Ausführungsform erstreckt sich die Leiterbahn 11 zwischen dem ersten Pad 8 und dem zweiten Pad 9, und die Abschirmstruktur 13 bedeckt nur die Dies 2a, 2b, 2c, 2e, 2f, 2g. Das heißt, die Abschirmstruktur 13 deckt die Dies 2d, 2h mit dem geringsten Abstand zum ersten Pad 8 nicht ab.Compared to the first embodiment, the
In dieser Ausführungsform kann die Abschirmstruktur 13 kleiner sein als in der ersten Ausführungsform, da zwischen den ersten Anschlüssen 3 der Dies 2d, 2h und dem ersten Pad 8 gebildete Rückkopplungsschleifen wesentlich kleiner sind als die entsprechenden Rückkopplungsschleifen zwischen den ersten Anschlüssen 3 der anderen Dies 2a, 2b, 2c, 2e, 2f, 2g und dem ersten Pad 8. Andererseits ist es möglich, die Dies 2d, 2h nicht abzudecken, da zwischen der Leiterbahn 11 und dem ersten Pad 8 gebildete Rückkopplungsschleifen wesentlich kleiner sind als die entsprechenden Rückkopplungsschleifen über die anderen Dies 2a, 2b, 2c, 2e, 2f, 2g. Es ist zu beachten, dass Auswirkungen der Rückkopplungsschleifen zwischen den ersten Anschlüssen 3 und dem ersten Pad 8 einerseits und die Auswirkungen der Rückkopplungsschleifen über die Leiterbahn 11 und das dritte Pad 12 andererseits im Einzelnen ausgewertet werden sollten, um zu entscheiden, welche der Dies 2a bis 2h nicht von der Abschirmstruktur 13 abgedeckt werden.In this embodiment, the shielding
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Träger 14 aus einem Metall mit einer darauf befindlichen dielektrischen Beschichtung (nicht dargestellt) hergestellt, wodurch ein isoliertes Metallsubstrat (IMS) entsteht.According to another embodiment, the
Gemäß einer weiteren Ausführungsform entfällt ein Träger, und der Körper 16 deckt die Dies 2a bis 2h, die elektrischen Verbindungen 7a bis 7d, die Pads 8, 9, 12 und die Leiterbahn 11 ab oder bettet sie ein, so dass ein TML-(transfergepresster Leiterrahmen) Design entsteht.According to a further embodiment, a carrier is omitted and the
Gemäß einer weiteren Ausführungsform handelt es sich bei der Tragstruktur 15 um eine Vielzahl von Kuppeln, die jeweils die Abschirmstruktur 13 selektiv tragen. Zudem kann die Tragstruktur 15 elektrisch mit der Abschirmstruktur 13 verbunden sein.According to a further embodiment, the
Der elektrische Leistungswandler 100 bildet einen Inverter und umfasst einen DC-Anschluss 101 mit zwei Leitungen 102a, 102b für eine Gleichspannung, einen AC-Anschluss 103 mit mehreren Phasenleitern 104u, 104v, 104w für eine Wechselspannung und einen Leistungsabschnitt 105.The
Der Leistungsabschnitt 105 umfasst eine Vielzahl von Schaltelementen. Die Schaltelemente sind zu einer Halbbrücke 106u, 106v, 106w für jeden Phasenleiter 104u, 104v, 104w verschaltet. Jede Halbbrücke 106u, 106v, 106w wird durch ein Leistungsmodul 1 gemäß einer der vorstehenden Ausführungsformen gebildet, so dass jedes Schaltelement durch eine der Anordnungen 2, 2' gebildet wird. Ferner ist jede Halbbrücke 106u, 106v, 106 mit der Gleichspannung 101 verbunden, und jeder Phasenleiter 106u, 106v, 106w ist mit einem zentralen Abgriff 107u, 107v, 107w zwischen den Schaltelementen einer der Halbbrücken 106u, 106v, 106w verbunden. Dabei werden die Verbindungen zwischen den Schaltelementen durch die elektrischen Verbinder 7e realisiert (siehe
Der elektrische Antrieb 111 umfasst eine elektrische Maschine 112, die für den Antrieb des Fahrzeugs 110 konfiguriert ist, und einen elektrischen Leistungswandler 100 gemäß der vorstehenden Ausführungsform. Die elektrische Maschine 112 ist mit dem AC-Anschluss 103 zur Versorgung der elektrischen Maschine 112 verbunden. Ferner ist der DC-Anschluss 101 mit einer Hochspannungsbatterie 113 des Fahrzeugs 110 verbunden.The
Das Elektrofahrzeug 110 umfasst Räder 114, die direkt oder indirekt, z.B. über ein Getriebe, mit dem Elektroantrieb 111 gekoppelt sind, um die Räder 114 zu drehen. Bei dem Elektrofahrzeug 110 handelt es sich gemäß der Ausführungsform um ein batteriebetriebenes Elektrofahrzeug (battery electric vehicle, BEV). Alternativ kann das Elektrofahrzeug 110 zusätzlich einen Verbrennungsmotor umfassen, wodurch ein Hybridfahrzeug entsteht. Ferner kann das Elektrofahrzeug 110 eine Brennstoffzelle umfassen, die den elektrischen Leistungswandler 100 versorgt.The
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- I. Kasko, S. E. Berberich, M. Spang und S. Oehling, „SiC MOS Power Module in Direct Pressed Die Technology and some Challenges for Implementation“ (SiC-MOS-Leistungsmodul in Direct-Pressed-Die-Technologie und einige Herausforderungen bei der Umsetzung), 2020 32nd International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs (ISPSD), 2020, S. 364-367 [0005]I. Kasko, SE Berberich, M. Spang and S. Oehling, “SiC MOS Power Module in Direct Pressed Die Technology and some Challenges for Implementation”, 2020 32 nd International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs (ISPSD), 2020, pp. 364-367 [0005]
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