DE19633542A1

DE19633542A1 - Power module

Info

Publication number: DE19633542A1
Application number: DE19633542A
Authority: DE
Inventors: Takashi Aihara; Yoshihiro Matsumoto
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1995-08-28
Filing date: 1996-08-20
Publication date: 1997-03-06
Also published as: GB9617939D0; GB2305028A; JPH0965662A

Abstract

A power module has a power semiconductor device such as a bipolar transistor or MOSFET 14a and 14b, a current sensor such as a resistor 16 for detecting current flowing through the power semiconductor device and a terminal 13d as an output of an apparatus using the power semiconductor device formed as a unit. The power module can convert dc power either to dc or ac power, and vice versa and may be either a power rectifier including a PWM converter, or a power inverter. The series resistor 16 used as the current sensor is disposed on a cooling body 11.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Leistungsmodul für einen Stromrichter zur Umwandlung von Gleichstromleistung in Gleichstrom- oder Wechselstromleistung und umgekehrt.The present invention relates to a power module for a converter for conversion from DC power to DC or AC power and vice versa.

Die Fig. 7(a) und (b) zeigen schematisch in einer Schnittansicht bzw. einer Draufsicht ein Beispiel eines bekannten Leistungsmoduls. Es enthält einen Kühlkörper 11, einen darauf befind lichen Isolator 12, auf diesem Leitermuster (Kupfermuster) 13a-13d, Leistungstransistorchips 14a, 14b, die auf den Leitermustern 13a-13d montiert sind, Diodenchips 15a, 15b, ein Gehäuse 18 und Anschlußblöcke 19b-19d. Die Anschlußblöcke 19b-19d sind mit Anschlußflächen des Leitermusters 13a-13d verbunden, die in Fig. 7(b) schraffiert dargestellt und mit P für positive Elektrode, N für negative Elektrode und OUT für Ausgang bezeichnet sind. FIGS. 7 (a) and (b) schematically show a sectional view and a plan view of an example of a prior art power module. It contains a heat sink 11 , an insulator 12 thereon, on this conductor pattern (copper pattern) 13 a - 13 d, power transistor chips 14 a, 14 b, which are mounted on the conductor patterns 13 a - 13 d, diode chips 15 a, 15 b , a housing 18 and terminal blocks 19 b- 19 d. The connection blocks 19 b- 19 d are connected to connection areas of the conductor pattern 13 a- 13 d, which are shown hatched in FIG. 7 (b) and are designated P for positive electrode, N for negative electrode and OUT for output.

Fig. 8 zeigt ein Beispiel eines Gleichstrom/Wechselstrom-Stromrichters, etwa eines Wechselrich ters, der Leistungsmodule 1a-1c enthält, die je gemäß Darstellung in Fig. 7 aufgebaut sind, sowie Stromfühler 2a-2c, einen Anschlußblock 3, eine stangenartige Verdrahtung 4a-4e und eine Kühlplatte 5. Fig. 8 shows an example of a DC / AC converter, such as a change Rich ters, the power modules 1 a- 1 c contains, which are constructed each as shown in Fig. 7, as well as current sensor 2 a- 2 c, a terminal block 3, a rod-like wiring 4 a- 4 e and a cooling plate 5 .

Zur Ermittlung des Ausgangsstroms an der Wechselstromseite des oben beschriebenen bekann ten Stromrichters sind die Leistungsmodule 1a bis 1c über die stangenartige Verdrahtung 4c-4e mit dem Anschlußblock 3 verbunden, wobei der Ausgangsstrom die Stromfühler 2a-2c passiert.To determine the output current on the AC side of the known converter, the power modules 1 a to 1 c are connected via the rod-like wiring 4 c- 4 e to the connection block 3 , the output current passing the current sensors 2 a- 2 c.

Fig. 9(a) zeigt ein Beispiel des Leistungsmoduls und Fig. 9(b) ein Beispiel des Stromrichters. Wie in Fig. 9(a) gezeigt, setzt sich das Leistungsmodul aus zwei in Reihe geschalteten Antiparallel schaltungen je aus einem Leistungstransistoren T1 (T2), etwa einem IGBT (bipolarer Transistor mit isoliertem Gate), und einer Diode D1 (D2) zusammen. Der Stromrichter von Fig. 9(b) ist eine 3-Phasen-Anordnung mit drei Leistungsmodulen 1a-1c mit insgesamt sechs Sätzen aus Transi stor und Diode, um einen Stromrichter, etwa einen Wechselrichter, zu bilden. Fig. 9 (a) shows an example of the power module and Fig. 9 (b) shows an example of the power converter. As shown in Fig. 9 (a), the power module is composed of two series-connected antiparallel circuits each of a power transistor T1 (T2), such as an IGBT (bipolar transistor with insulated gate), and a diode D1 (D2). The power converter of FIG. 9 (b) is a 3-phase arrangement with three power modules 1 a- 1 c with a total of six sets of transi stor and diode to a power converter, forming approximately an inverter.

Bei dem bekannten Wechselrichter ist der Aufbau zwischen den Anschlußblöcken der Leistungsmodule und dem Anschlußblock des Stromrichters allein dazu vorgesehen, die Ausgangsströme der Leistungsmodule durch die Stromfühler zuführen zu können, was aber zu einem Anstieg von Größe und Kosten des Stromrichters führt.In the known inverter, the structure between the terminal blocks is the Power modules and the connection block of the converter provided only for that To be able to supply output currents of the power modules through the current sensors, but this too leads to an increase in the size and cost of the converter.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Leistungsmodul zu schaffen, das es erlaubt, die beschriebene Erhöhung von Größe und Kosten eines dieses Modul enthaltenden Stromrichters zu vermeiden. The object of the present invention is to provide a power module which allows the described increase in size and cost of a converter containing this module to avoid.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Leistungsmodul mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.According to the invention, this object is achieved by a power module with the features of Claim 1 solved.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Advantageous developments of the invention are the subject of the dependent claims.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe enthält das Leistungsmodul einen Stromfühler, der mit den anderen Elementen integriert ist, so daß ein Ausgangsanschluß des Leistungsmoduls allgemein unverändert als Ausgangsanschluß eines Stromrichters verwendet werden kann, der in der Lage ist, Gleichstromleistung in Wechselstromleistung umzuwandeln oder umgekehrt. Es besteht daher keine Notwendigkeit, die oben beschriebene stangenartige Verdrahtung vorzusehen, wodurch Größe und Kosten des Stromrichters verringert werden. Der Stromfühler kann aus einem Reihenwiderstand bestehen, der auf einem Kühlkörper des Moduls angeordnet ist, wodurch Größe und Kosten insbesondere des Stromfühlers verringert werden können. Der Reihenwiderstand kann direkt auf einem Isolator der Kühlkörpers des Moduls ausgebildet werden, wodurch Größe und Kosten des Stromfühlers weiter verringert werden. Wenn ein Reihenwiderstand als Stromfühler verwendet wird, kann ein Trennverstärker zur Isolation des Ausgangssignals des Reihenwiderstands eingebaut werden, so daß das Ausgangssignal weniger der Gefahr ausgesetzt ist, von Störungen beeinflußt zu werden.To solve the task, the power module contains a current sensor, which with the other elements is integrated, so that an output connection of the power module in general can be used unchanged as the output connection of a converter that is capable is to convert DC power to AC power or vice versa. It exists therefore no need to provide the rod-like wiring described above, which reduces the size and cost of the converter. The current sensor can be off a series resistor, which is arranged on a heat sink of the module, whereby the size and cost of the current sensor in particular can be reduced. Of the Series resistance can be formed directly on an insulator of the module's heat sink which further reduces the size and cost of the current sensor. When a Series resistor is used as a current sensor, a signal conditioner can be used to isolate the Output signal of the series resistor are installed, so that the output signal less is at risk of being affected by interference.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der schematischen Zeichnun gen näher erläutert. Es zeigtEmbodiments of the invention are described below with reference to the schematic drawing gene explained in more detail. It shows

Fig. 1 den Aufbau eines ersten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung, wobei (a) eine Querschnittsansicht ist und (b) eine Draufsicht ist, Fig. 1 shows the structure of a first embodiment of the present invention, wherein (a) is a cross sectional view and (b) is a plan view,

Fig. 2 eine Ansicht des Aufbaus eines Beispiels eines das Modul von Fig. 1 verwendenden Stromrichters, FIG. 2 is a structural view of an example of a power converter using the module of FIG. 1;

Fig. 3 den Aufbau eines zweiten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung, wobei (a) eine Schnittansicht ist und (b) eine Draufsicht ist, Fig. 3 shows the structure of a second embodiment of the present invention, wherein (a) is a sectional view and (b) is a plan view,

Fig. 4 den Aufbau eines dritten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung, wobei (a) eine Schnittansicht ist und (b) eine Draufsicht ist, Fig. 4 shows the structure of a third embodiment of the present invention, wherein (a) is a sectional view and (b) is a plan view,

Fig. 5 den Aufbau eines speziellen Beispiels des Reihenwiderstands von Fig. 3, wobei (a) eine Schnittansicht ist und (b) eine Draufsicht ist, FIG. 5 shows the construction of a specific example of the series resistor of FIG. 3, (a) being a sectional view and (b) being a plan view;

Fig. 6 den Aufbau eines gegenüber Fig. 5 modifizierten Beispiels, Fig. 6 shows the structure of a comparison with FIG. 5 modified example,

Fig. 7 den Aufbau eines bekannten Leistungsmoduls, wobei (a) eine Schnittansicht ist und (b) eine Draufsicht ist, Fig. 7 is the structure of a conventional power module, where (a) is a sectional view and (b) a plan view,

Fig. 8 den Aufbau eines das Modul von Fig. 7 verwendenden Stromrichters, Fig. 8 shows the construction of the module of FIG. 7 used converter,

Fig. 9(a) ein Schaltbild eines Beispiels des Leistungsmoduls, und Fig. 9 (a) is a diagram showing an example of the power module, and

Fig. 9(b) ein Schaltbild eines Beispiels eines Stromrichters. Fig. 9 (b) is a diagram showing an example of a power converter.

Fig. 1 zeigt in zwei den Darstellungen der Fig. 7(a) und (b) entsprechenden Darstellungen den Aufbau eines ersten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung. Übereinstimmende Bezugszahlen in den Fig. 1 und 7 bezeichnen gleiche Teile, die nicht noch einmal erläutert werden. Dies gilt ebenso für die nachfolgend beschriebenen Fig. 3 und 4. Fig. 1 shows in two views corresponding to the views of FIGS. 7 (a) and (b) the construction of a first embodiment of the present invention. Corresponding reference numerals in FIGS . 1 and 7 designate the same parts, which will not be explained again. This also applies to FIGS. 3 and 4 described below.

Das Leistungsmodul des ersten Ausführungsbeispiels zeichnet sich dadurch aus, daß ein Strom fühler 16, der einen Stromdetektor darstellt, vor dem Anschlußblock 19d eingefügt ist derart, daß der Stromfühler 16 ein Ausgangsstrom-Meßsignal an Anschlüsse 19a (CT) liefert.The power module of the first embodiment is characterized in that a current sensor 16 , which is a current detector, is inserted before the connection block 19 d in such a way that the current sensor 16 supplies an output current measurement signal to connections 19 a (CT).

Fig. 2 zeigt einen dieses Leistungsmodul verwendenden Stromrichter. Im Vergleich mit dem bekannten Stromrichter von Fig. 8 erkennt man, daß bei dem Stromrichter von Fig. 2 die stan genartige Verdrahtung 4c-4e und der Anschlußblock 3 entfallen sind. Fig. 2 shows a power module used this converter. In comparison with the known converter of Fig. 8 it can be seen that the stan gene-like wiring 4 c- 4 e and the connection block 3 are omitted in the converter of Fig. 2.

Fig. 3 zeigt den Aufbau eines zweiten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung. Diese Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, daß ein Reihenwiderstand 16 als Stromfühler verwendet wird. Obwohl der Reihenwiderstand 16, von der Wärme beeinträchtigt wird, die entsteht, wenn ihn große Ströme durchfließen, kann dieses Problem dadurch beseitigt werden, daß der Widerstand 16 auf dem Kühlkörper 11 des Leistungsmoduls angeordnet wird, womit das Wärmeableitvermögen deutlich verbessert wird und damit die Größe des Reihenwiderstands 16 verringert wird. Fig. 3 shows the structure of a second embodiment of the present invention. This embodiment is characterized in that a series resistor 16 is used as a current sensor. Although the series resistor 16 is affected by the heat generated when large currents flow through it, this problem can be eliminated by placing the resistor 16 on the heat sink 11 of the power module, which significantly improves the heat dissipation capacity and thus the size the series resistance 16 is reduced.

Fig. 4 zeigt den Aufbau eines dritten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung. Dieses Ausführungsbeispiel zeichnet sich dadurch aus, daß verglichen mit dem zweiten Ausführungs beispiel gemäß Fig. 3 ein Trennverstärker 17 hinzugefügt wurde. Allgemein wird der Ausgangs strom potential-getrennt erfaßt, und die Ausgangsspannung des Reihenwiderstands ist gewöhn lich sehr klein. Wenn dem Leistungsmodul solch ein kleines Signal entnommen wird, um einer Potentialtrennung unterzogen zu werden, besteht die Gefahr, daß das Ausgangssignal auf seinem Weg zur Außenseite des Moduls von Störungen beeinträchtigt wird. Bei der vorliegen den Ausführungsform ist daher der Trennverstärker 17 in dem Leistungsmodul enthalten, um den Abstand zu verringern, über den das kleine Signal geleitet werden muß. Da das Signal an dem Punkt, an dem es von dem Modul abgenommen wird, bereits potential-getrennt ist, besteht keine Notwendigkeit, beispielsweise einen bestimmten Isolationsabstand zwischen einem Signalleitermuster und dem Hauptleitermuster einzuhalten. Fig. 4 shows the structure of a third embodiment of the present invention. This embodiment is characterized in that, compared to the second embodiment example according to FIG. 3, an isolation amplifier 17 was added. In general, the output current is isolated, and the output voltage of the series resistor is usually very small. If such a small signal is taken from the power module to undergo electrical isolation, there is a risk that the output signal will be disturbed on its way to the outside of the module. In the present embodiment, therefore, the isolation amplifier 17 is included in the power module to reduce the distance that the small signal must be routed. Since the signal is already electrically isolated at the point at which it is picked up by the module, there is no need, for example, to maintain a certain insulation distance between a signal conductor pattern and the main conductor pattern.

Fig. 5 zeigt ein spezielles Beispiel des Reihenwiderstands. Mit 161 ist eine Kupferbasis bezeich net, mit 162 ein Isolator, mit 163 Elektroden und mit 164 ein Reihenwiderstand. Der Reihen widerstand 164 ist unter Zwischenlage des Isolators 162 auf der Kupferbasis 161 montiert, um die Wärmeableitung des Reihenwiderstands 164 zu verbessern. Bei der Montage dieser Bauein heit am dem Leistungsmodul wird die Kupferbasis 161 mit den Leitermustern (Kupfermustern) 13c, 13d verlötet. Das Beispiel von Fig. 5 ist in der beschriebenen Weise aufgebaut, weil der aus einem Dünnfilm bestehende Reihenwiderstand in isolierter Form auf der Kupferbasis ausge bildet werden muß. Wenn die oben beschriebene Reihenwiderstands-Baueinheit an dem Leistungsmodul montiert ist, sind jedoch die zwei unter dem Reihenwiderstand 16 angeordneten Isolatoren redundant. Der Reihenwiderstand 164 kann daher gemäß Darstellung in Fig. 6 direkt auf dem Isolator 12 des Leistungsmoduls ausgebildet werden, wodurch die Kupferbasis 161 und der Isolator 162 von Fig. 5 entfallen können, während die mechanische Festigkeit erhöht wird. Als Ergebnis können die Größe sowie die Kosten weiter reduziert werden, da der thermi sche Widerstand hin zum Kühlkörper 11 gesenkt ist. Fig. 5 shows a specific example of the series resistor. With 161 a copper base is designated, with 162 an insulator, with 163 electrodes and with 164 a series resistor. The series resistor 164 is mounted with the interposition of the insulator 162 on the copper base 161, in order to improve the heat dissipation of the series resistor 164th When assembling this unit on the power module, the copper base 161 is soldered to the conductor patterns (copper patterns) 13 c, 13 d. The example of Fig. 5 is constructed in the manner described because the series resistor consisting of a thin film must be isolated in an isolated form on the copper base. However, when the series resistor assembly described above is mounted on the power module, the two isolators arranged under the series resistor 16 are redundant. The series resistor 164 can therefore be formed directly on the insulator 12 of the power module, as shown in FIG. 6, whereby the copper base 161 and the insulator 162 of FIG. 5 can be omitted, while the mechanical strength is increased. As a result, the size and cost can be further reduced because the thermal resistance to the heat sink 11 is lowered.

Während das voranstehend beschriebene Leistungsmodul zwei Sätze von Transistor und Diode aufweist, ist die vorliegende Erfindung gleichermaßen anwendbar auf ein Leistungsmodul mit sechs Sätzen von Transistor und Diode (entsprechend einem Satz von Leistungsmodulen 1a, 1b, 1c wie in den Fig. 2 und 8 gezeigt). Bei dem Leistungstransistor kann es sich um einen bipola ren Transistor oder eine unipolare Halbleitervorrichtung wie etwa einen MOSFET handeln. Der beschriebene Stromrichter kann ein Leistungsgleichrichter mit einem pulsbreitenmodulierten Stromrichter oder ein Leistungswechselrichter sein.While the power module described above has two sets of transistor and diode, the present invention is equally applicable to a power module with six sets of transistor and diode (corresponding to a set of power modules 1 a, 1 b, 1 c as in FIGS. 2 and 8 shown). The power transistor may be a bipolar transistor or a unipolar semiconductor device such as a MOSFET. The converter described can be a power rectifier with a pulse-width-modulated converter or a power inverter.

Claims

1. Power module, in a power semiconductor device ( 14 a, 14 b, 15 a, 15 b), a current sensor ( 16 ) for measuring a current flowing through the power semiconductor device and a connection block ( 19 d), which as the output connection of the Power semiconductor device using device is usable as a unit.

2. Power module according to claim 1, characterized in that a on a cooling body ( 161 ; 11 ) arranged series resistor ( 164 ) represents the current sensor.

3. Power module according to claim 2, characterized in that it contains a Trennver stronger ( 17 ) for isolating the output voltage of the series resistor ( 16 ).

4. Power module according to claim 2 or 3, characterized in that the series resistor ( 164 ) is formed directly via an insulator ( 12 ) on a heat sink ( 11 ) of the converter.

5. Use of the power module according to one of claims 1 to 4 as a component of a converter for converting direct current into alternating current variable voltage and / or variable frequency and vice versa.