DE29521240U1

DE29521240U1 - Leistungshalbleiterschaltungsanordnung

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Publication number: DE29521240U1
Application number: DE29521240U
Authority: DE
Original assignee: Semikron GmbH and Co KG
Current assignee: Semikron GmbH and Co KG
Priority date: 1995-10-14
Filing date: 1995-10-14
Publication date: 1996-10-24
Anticipated expiration: 2005-10-15

Description

SEMIKRON Elektronik GmbH Sigmundstraße 200, D-90431 Nürnberg Beschreibung

Die Anmeldung beschreibt eine Schaltungsanordnung der Leistungsklasse nach den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1. Solche Schaltungsanordnungen sind mehrfach aus der Literatur bekannt. Die Erhöhung der Leistungsdichte und der immer weiter greifende hybride Aufbau von Schaltungsanordnungen der Leistungsklasse erbringt und erzwingt immer weitergehende Problemlösungen, um parasitäre Einflüsse zu dämpfen, zu reduzieren oder gar zu eliminieren.

In dieser Weise versuchen Methoden nach dem Stand der Technik Störeinflüsse zu minimieren und damit die Leistungsfähigkeit von Schaltungsanordnungen effizienter zu gestalten.

In DE 41 05 155 wird eine Optimierung der Kommutierungskreise einer Stromrichterschaltungsanordnung der Leistungsklasse vorgestellt. Diese Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß das schaltbare Bauelement des entsprechenden Kommutierungskreises eng benachbart zu dem schaltenden Halbleiterbauelement angeordnet ist. Dadurch werden parasitäre Induktivitäten zumindest reduziert. Das Minimieren der parasitären Induktivitäten reduziert die Überspannungen im Schaltprozeß und ermöglicht so eine bessere Belastbarkeit der Schaltungsanordnung.

••&Lgr;·· · · ·

In DE 42 40 501 wird eine Leistungslialbleitersclialtungsanordimng vorgestellt, deren positive und negative Stromzuführungen geteilt werden, um die Induktivitäten zu reduzieren. Die Erkenntnisse einer bestimmten Symmetrie der Schaltungsanordnung im Gleichstromzweig werden weiter ausgebaut. Der Gewinn an Leistungsdichte in den Schaltungsanordnungen wird bei Erhöhung der Packungsdichte in immer stärkeren Maße von der Ansteuerung in allen Schaltungselementen beeinflußt.

Bei eng gestapelten Hauptstrom- und Ansteuerverbindungen in Schaltungsanordnungen hoher Packungsdichte, insbesondere bei Leistungsschaltem mit hoher Schaltgeschwindigkeit und großen Weiten von /^t beeinflußt das Magnetfeld der Hauptstromfuhrungen, das jede einzelne Leistungsschiene bei Betrieb aufbaut, jeden in unmittelbarer Nähe liegenden Ansteuerkreis. Hier können Rückwirkungen und gegenseitige Beeinflussungen auftreten, was bereits in EP 0 427 143 B1 erwähnt wird, ohne daß hier die physikalischen Vorgänge der transformatorischen Einkopplung beschrieben werden.

Die vorliegende Anmeldung hat sich die Aufgabe gestellt, eine rückwirkungsfreie Ansteuerung von Leistungshalbleiterbauelementen ohne Transformatortrennung in Leistungsschaltungen durch magnetische Entkopplung von Ansteuerkreis und Hauptstromkreis vorzustehen.

Die Aufgabe wird bei Schaltungsanordnungen der dargestellten Art durch die Maßnahmen des kennzeichnenden Teiles des Anspruches 1. gelöst, bevorzugte Weiterbildungen werden in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Jede Schaltungsanordnung besteht aus den Ansteuerungsstromkreisen und dem oder den Hauptstromkreisen. Beide Arten von Stromkreisen Hegen räumlich an der Stelle der Schalter (Grundlage sind in dieser Erfindung IGBT oder MOSFET) am dichtesten. Die räumliche Gestaltung dieser Engpunkte ist von ausschlaggebender Bedeutung für die Leistungsfähigkeit der gesamten Schaltungsanordnung. Bei den eben erwähnten modernen Schalttransistoren beträgt die Leistungsaufhahme der Ansteuerung nur einen geringen Bruchteil der Leistungen, die im entsprechenden Hauptstromkreis geschaltet werden.

Wie Erprobungen von entsprechenden Schaltungsanordnungen gezeigt haben, ist es nach der vorliegenden Erfindung durch zielorientierte geometrische Anordnung der beiden Stromkreise einer Schaltungsanordnung sehr gut möglich, Störungen in dem Betrieb der Anordnung bereits durch raumorientierten Aufbau der Einzelbauteile zu minimieren, wenn nicht sogar zu beseitigen oder aber bei Mißachtung konstruktiv einzubauen.

Der schalrungstechnisch neuralgische Punkt ist die Ansteuerung des Gateanschlusses von IGBT- oder MOSFET- Schaltern. Durch die Leistungsverschienung kann deren Gatespannung sehr stark beeinflußt werden. Um die Leistungsstromschienen wird ein magnetisches Feld aufgebaut, das den Gatestromkreis, gebildet aus Gate- und Hilfsemitteranschluß, tangiert oder schneidet. Befindet sich beispielhaft parallel zu dem Gateanschluß in ungünstiger Anordnung eine Leistungsschiene und bleibt das schaltungstechnisch unbeachtet, dann beeinflußt deren Magnetfeld den Gatestromkreis in Abhängigkeit von der Lage der Leitungen. In Schaltungsanordnungen älterer Prägung mit kleinem Vdt war es ausreichend, ein Verdrillen des Gate- mit dem Hilfsemitteranschluß vorzunehmen, um die durch die Drähte des Gatestromkreises gebildete Fläche klein zu gestalten. Bei modernen Schaltungsanordnungen ist das nicht mehr ausreichend, wie das im folgenden anhand von Fig. 1. bis 8. und den mathematischen Ableitungen begründet wird.

In Fig. 1 werden schematisch der Gateanschluß (4 ) und der Hilfsemitteranschluß (5) eines IGBT dargestellt. Der IGBT ist in diesem Beispiel nach dem Stand der Technik auf einer mit einer Struktur aus Kupferflächen versehenen Keramik (DCB) leitend befestigt und wurde zur Vereinfachung nicht gezeichnet. Der Abstand zwischen den beiden Hilfsanschlüssen ist die Summe der Strecken 6 + 7. Der Hauptstrom (2), Strom des Emitters oder auch Strom des Kollektors des IGBTs, fließt in diesem Beispiel, wie es bei Modulaufbauten üblich ist, senkrecht (in der Darstellung nach oben) bis zum Anschluß im Deckel des Modulgehäuses. Wie dargestellt, verursacht der in dem senkrechten Abschnitt fließende Strom ein Magnetfeld (3), das teilweise von dem Ansteuerkreis umschlossen wird. Hiermit ist der Transformatoreffekt durch ungeschickte Anordnung der Hilfsanschlüsse in Bezug zur Leistungsschiene (1) eingebaut. Erfindungsgemäß kann bei senkrechter Leistungsverschienung der Transformatoreffekt durch folgende Maßnahmen beseitigt bzw. auf ein Mindestmaß reduziert werden:

• ··

1. Der Gateanschluß (4) und der Hufsemitteranschluß (5) sind nach dem Stand der Technik zu verdrillen.

2. Der Ansteuerkreis (4-5), gebildet aus Gateanschluß (4) und Hilfsemitteranschluß (5), ist so klein wie möglich zu gestalten, um möglichst wenig Magnetfelder zu durchschneiden. Nachdem üblicherweise die Höhe von Modulen standardisiert ist, kann der Ansteuerkreis uur dadurch verkleinert werden, daß der Gateanschluß (4) und der Hilfsemitteranschluß (5) so nahe wie möglich in dem DCB- Layout zusammengelegt werden. Ein typischer und praktikabler Abstand ist hierbei 1 mm,

3. Die Leistungsverschienung (1) ist symmetrisch gegenüber dem Ansteuerkreis (4-5) anzuordnen. In Fig. 1 bedeutet das, daß die Strecken 6 und 7 gleich groß sind. In diesem Fall ist der magnetische Fluß durch den Ansteuerkreis gleich Null.

4. Die Leistungsverschienung (1) ist soweit wie möglich vom Ansteuerkreis (4-5) entfernt zu positionieren.

5. Gate- und Hilfsemitteranschluß müssen so kurz wie möglich gestaltet werden, bei Modulen ist das nur durch Reduzieren der Höhe möglich.

In Fig. 2 ist eine horizontale Lage der Leistungsverschienung(l) dargestellt. Hier sind erfindungsgemäß die folgenden zwei Möglichkeiten zu betrachten:

a. Die Leistungsverschienung (1) durchschneidet den Ansteuerkreis (4-5) und

b. Die Leistungsverschienung (1) durchschneidet den Ansteuerkreis nicht.

Bei diesen Aufbauvarianten läßt sich der Transformatoreflfekt durch die folgenden Maßnahmen beseitigen bzw. auf ein Minimum reduzieren:

1. Der Ansteuerkreis (4-5) wird in der durch Gateanschluß (4) und Hilfsemitteranschluß (5) begrenzten Fläche auf ein Minimum reduziert, in dem die Anschlüsse so nahe wie möglich zusammengelegt werden, was jedoch in Fall a. nur eingeschränkt realisierbar ist.

2. Die Leistungsverschienung (1) verläuft exakt senkrecht zum Ansteuerkreis. In diesem Fall ist der magnetische Fluß im Ansteuerkreis (4-5) gleich Null.

3. Die Leistungsverschienung (1) durchschneidet den Ansteuerkreis (4-5) nicht und ist soweit wie möglich vom Ansteuerkreis (4-5) entfernt.

Fig. 3 zeigt beispielhaft, wie der Hauptstrom (2) der Leistungsverschienung (1) in zwei Komponenten zerlegt und wie das wirkende Magnetfeld (3) ermittelt werden kann, wenn die Fläche des Ansteuerkreises (4-5) nicht senkrecht, sondern in einem beliebigen Winkel zu der Hauptstromverschienung (1) liegt, aber in der Fläche des Ansteuerkreises (4-5). Der Stromfluß (i )wird in seine Kraftfeldvektoren (8) aufgesplittet.

In Fig. 4 ist der Verlauf des Magnetfeldes (3) aufgezeigt, der in der Hauptstromschiene (1) entsteht, die beispielhaft durch ein DCB- Layout dargestellt wird. Hier verlaufen die Magnetfeldlinien (3) sowohl senkrecht zum Gatestromkreis (4-5), als auch parallel dazu. Wenn ein Hauptstrom (2) unter einem Winkel zur Fläche des Gatestromkreises (4-5) verläuft, kann dieser Strom wiederum in zwei Kraftfeldvektoren zerlegt werden. Der Magnetfeldverlauf (3) des Hauptstromes (2) wird entsprechend der Größe und Lage der Kraftfeldvektoren unter Beachtung der Winkelgröße in Betracht zu ziehen sein. Die Abstände der Hauptstromschiene (1) von dem Gatestromkreis (4-5) in dem parallel verlaufenden Teil (11) und dessen Länge s, sowie die Breite b und Höhe h des Gatestromkreises (4-5) sind neben dem Abstand &khgr; der parallel verlaufenden Teile der Hauptstromschiene (1) fur die Größe des Magnetfeldes (3) verantwortlich. In Fig. 4 ist vereinfachend angenommen, daß der Hauptstrom ( i ) entweder senkrecht oder parallel zum Ansteuerkreis (4-5) fließt.

Erfindungsgemäß läßt sich der Transformatoreffekt bei einer Anordnung nach Fig. 4 durch folgende Maßnahmen beseitigen bzw. auf ein Minimum reduzieren:

1. Gateanschluß (4) und der Hilfsemitteranschluß (5) müssen, wie obenstehend bereits erwähnt, wiederum so eng wie möglich zusammen verlegt werden.

2. Gateanschluß (4) und der Hilfsemitteranschluß (5) müssen, wie obenstehend bereits erwähnt, wiederum so kurz wie möglich gestaltet werden.

3. Die Hauptstromschienen auf der DCB müssen senkrecht zum Ansteuerkreis (4-5) verlegt sein, dadurch liefern ihre Magnetfelder keinen Beitrag zum Stromfluß durch den Ansteuerkreis (4-5).

4. Die Hauptstromschienen (1), die parallel zum Ansteuerkreis (4-5) verlaufen, sollen soweit wie mechanisch möglich vom Ansteuerkreis (4-5) entfernt positioniert sein.

Fig. 5 zeigt den Verlauf der erfindungsgerechten Weiterfuhrung der Signale. Wenn dies mechanisch nicht anders lösbar ist, sollte die Weiterfuhrung in jedem Falle symmetrisch zur Hauptstromschiene (1) erfolgen, damit diese keine Magnetfelder (3) im Ansteuerkreis (4-5) einkoppeln kann.

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die beiden horizontalen Teilabschnitte der Ansteuerleitungen (4 und 5) direkt übereinander in sehr geringem Abstand zu einander über der Hauptstromschiene (1) zu fuhren, dabei gilt, je größer der Abstand dieser Teilabschnitte (4 und 5) zur Hauptstromschiene (1), um so geringer ist die negative Beeinflussung der Steuerströme durch den Hauptstrom (2). Fig. 5 zeigt, daß der in horizontaler Richtung senkrecht zum Ansteuerkreis (4-5) verlaufendem Strom keine magnetische Induktion im Ansteuerkreis (4-5) verursacht. Der vertikale Strom, wie in Fig. 1 dargestellt, verursacht ebenfalls keine Induktion im Ansteuerkreis (4-5), wenn dieser genau symmetrisch angeordnet ist.

In Fig. 6 wird der ungünstigste Fall dargestellt, wenn nämlich der Strom in der Leistungsverschienung (1) beispielhaft mit dem Hilfsemitteranschluß (5) zusammenfallt. Für das Magnetfeld (3), das durch die Hauptstromschiene (1) erzeugt wird, gilt: H = i / 2&pgr; * r, wobei r der Abstand zur Hauptstromschiene (1) ist. Der Strom wird vereinfacht als linienförmig mit einem Durchmesser 2 * r angenommen. Für den magnetischen Fluß (Φ) muß die Fläche (b * s) betrachtet werden. Die Höhe h ist nicht maßgebend,weil sie hier größer als s ist. Es gilt die folgende Quantifizierung:

Φ= j

o.H.s.dr= J

Die hierdurch im Ansteuerkreis (4-5) induzierte Spannung ist dann:

Diese Gleichung gibt die induzierte Spannung im Worst-Case-Fall an. Iu diese Gleichung ist r₀ der Radius der in Fig. 6 als rund angenommene Hauptstromschiene (1). Näherungsweise wird hier fur r₀ = d/2 eingesetzt, wobei d die Dicke der Stromschiene (1) ist.

Dazu wird nachfolgend ein Rechenbeispiel gegeben:

L: b = 1 cm, s = I cm, d = 2 mm, r₀ = 0,1 cm, di/dt = 1000 &Agr;/&mgr;&dgr; => U = 4,605 V.

2.: b = 2 cm, s = 2 cm, d = 2 mm, r₀ = 0,1 cm, di/dt = 5000 &Agr;/&mgr;&egr; => U = 59,91 V.

Die Berechnung zeigt, daß obenstehender Magnetfeldeinfluß bei größeren Werten von b und größeren Werten des "¹Va¹S eine beachtliche und nicht vernachlässigbare Rolle spielt. Wie
bereits erwähnt, ist die Höhe s in der Regel nicht beeinflußbar, weil sie durch die Konstruktion vorgegeben wird. Ebenfalls ist die Größe des ^dl/<ä_t's kaum beeinflußbar, weil diese durch die
Schaltung vorgegeben wird, es wird ein größtmögliches ^dl/d_t angestrebt, um die Schaltverluste so gering wie möglich zu halten. Fest steht}, daß bei niedrigem di/dt keine große Beeinflussung auftritt.

Bei erfinderischen Neukonstruktionen sind folglich zu beachten:

1. Der Ansteuerkreis (4-5) ist so eng wie möglich zu gestalten, insbesondere die Breite b,

2. Der Ansteuerkreis (4-5) ist symmetrisch gegenüber der Hauptstromschiene (1) anzuordnen,

3. Der Ansteuerkreis (4-5) ist so weit wie möglich von der Hauptstromschiene (1) entfernt
anzuordnen,

4. es sind größere Querschnitte der Hauptstromschienen (1) zu verwenden,

5. keine Hauptstromschiene (1) darf den Ansteuerkreis (4-5) durchschneiden und

6. horizontal verlaufende Hauptstromschienen (1) müssen immer senkrecht und symmetrisch
zu den Ansteuerkreis (4-5) angeordnet werden.

•-tr-· '··

In Fig. 7 verläuft der Hauptstrom i (2) unter einen Winkel &thgr; (analog Fig. 3) zu dem Ansteuerkreis (4-5). Der Strom (ixos &THgr;) wirkt sich auf den Ansteuerkreis (4-5) nicht aus. Der Strom (i.sin &THgr;) erzeugt dagegen einen magnetischen Fluß im Ansteuerkreis (4-5). Hierbei ist der Abstand dieses Vektors zum Ansteuerkreis (4-5) wichtig. Für das Magnetfeld H₅ direkt in der Fläche des Ansteuerkrcis (4-5), gilt:

H.lir.r = /'. sin 0 wobei: r = Jx² -f y i. sin 0

v²

2x.Jx² + y
Für das Magnetfeld senkrecht zum Ansteuerkreis (4-5) gilt dann.

r Tr-A /.sinÖ.sm^ .

s = H. sin &phgr; = wobei:

7²/

y y

tan &phgr; = ^ bzw. &phgr; = arctan -

sin &phgr; = sin arctan j = sin aresin

,. /. sin 0. sin &phgr; i.sin 6 y i.sinO.y

t—i

2tt.Jx² +y² 2-k.Jx² + y² ' Jy¹ + x² 2ir.(x² + y²)

Es wird angenommen, daß die Stromschiene (I) im unteren vorderen Punkt des Ansteuerkreises (4-5) bei &zgr; = 0 und &khgr; = 0 beginnt und dann unendlich weit unter dem Winkel 0 nach rechts verläuft. Die Integrationsgrenzen fur die Z- Richtung sind von 0 bis b, was der X- Richtung von 0 bis b/tanG entspricht (weil &zgr; = x*tan G, bzw. &khgr; = Z/tan G die Integralionsgrenzen fur die Y- Richtung von r₀ bis h sind).

Ij: Analogie zu den bereits durchgeführten Berechnungen folgt jetzt im Worst-Case-Fall &Ggr;&uacgr;&idiagr; den durch den Ansteuerkreis (4-5) umschlossenen magnetischen Fiuß:

• O &diams; *

• ·*

-9-

Φ = f * f " &mgr;&ogr;,&EEgr;,.

J O J r₀

&phgr; _ r b/tane j. A ^₀./. sin Ö. tan By ,

Jo j &Ggr;_&bgr;7&Tgr;&Ggr;&Tgr;^

Φ =

&iacgr;&oacgr;/tanö - A
I ßo.H_s.taii6,dydx O J ro

sing.tang _r b/tasiB _r h

2i Jo J r₀

Wobei:

und:

h²)dx =

I tan &bgr; - 2x + 2A.arctan f]

i/tang O

J ^b^^e In [x² + r²,] dc = &Ggr;&khgr;.In [x² + r?] - 2x + 2r_o.arctan^J

6/tanö O

r. In

tanö I Itanö Hiermit folgt &pgr;&iacgr;&tgr;&phgr;: tanö

2.r_o.arctan

—f _&Eacgr; ro.tanÖ

Φ =

. tanö

4-7&Ggr;

ö. tan ö

f h &Lgr; ² }

-^-Ä + h¹ \ + lh. arctan —-I tan OJ hx

tanö

4-7&Ggr;

taiiö

In tan &thgr;

+ 2ro. arctan

/&Oacgr;. tan

Die hierdurch irn Ansteuerkreis (4-5) induzierte Spaiuiuiag ist dann:

. tan &thgr;

Diese Gleichung gibt die induzierte Spannung, wie bereits erwähnt, im Worsi-Case-Fall an. In diese Gleichung ist r der Radius der in Fig. 7 als rund angenommene Hauptstromschiene. Näherungsweise wurde jetzt fur T₀= d/2 eingesetzt, wobei d die Dicke der Stromschiene ist Das Berechnungsbeispiel gilt bei r_Q= 1 mm, die Gatespannungsbeeinflussuiigen sind in Tab. 1 dargestellt:

h	b	10	&thgr;	di/dt	U
mm	mm	10	Grad	&Agr;/&mgr;&egr;	V
10	20	10	1.000	0,08
20	20	10	1.000	0,16
10	10	10	1.000	0,08
20	10	10	LOOO	0,17
10	20	10	5.000	0,41
20	20	10	5.000	0,81
10	10	5.000	0,42
20	10	5.000	0,86

Tab. 1

Bei r = 2 mm werden die bereclmeten Spannungen geringfügig kleiner. Die Spannung ist eine Funktion von &thgr; und nimmt zu, wenn &thgr; zunimmt, sie ist am größten, wenn &thgr; = 90° ist.

Die Berechnung zeigt, daß der Magnetfeldeinfluß der horizontalen Teiles der in Fig. 2 dargestellten Hauptstromschiene (1) auch bei größeren Werten von b und größeren Werten des di/dt's eine wesentlich geringere Rolle als die vertikalen Teile spielt. Die Ursache hierfür liegen in den kleineren Werten von &THgr;.

Die weiter von dem Ansteuerkreis (4-5) entfernten Teile der horizontalen Hauptstromschiene liefern keinen großen Beitrag fur den magnetischen Fluß des Ansteuerkreises (4-5).

Mit &thgr; = 90 folgt schließlich:

Diese Gleichung wurde mit b ~ s und h ~ b bereits bei der vertikale Stromschiene gefunden und bestätigt die Richtigkeit obenstehender Ableitungen.

In Fig. 4 ist der Stromfluß (2) entweder senkrecht zum Ansteuerkreis (4-5) oder parallel dazu. Der Stromfluß (2) senkrecht zum Ansteuerkreis (4-5) verursacht keinen magnetischen Fluß durch den Ansteuerkreis (4-5). Für den Stromfluß parallel zur Ansteuerkreisfläche gilt:

H.lit.r = i wobei: r = Jx² + y²

ff= i

Für das Magnetfeld senkrecht zur Ansteuerkreisfläche gilt dann:

/.sin &phgr;

Hs = H. sui &phgr; = wobei:

²+y²

y y

tan &phgr; = — bzw. &phgr; = arctan —

y - ■-

sin &phgr; = smarctanx: = sm aresin ^x — ^x

y
Sill &phgr; =

i. sin &phgr; &igr; y

2tt.Jx² +y² 2ir.Jx²+y² ' Jy² + &khgr;² 2&pgr;.(&khgr;² + y²)

Füerbei ist &khgr; fest vorgegeben. Die Integrationsgrenzen für die Z-Richtung gelten von 0 bis s und die fur die Y-Ricktung von 0 bis h.

Für den durch den Ansteuerkreis (4-5) umschlossenen magnetischen Fluß folgt unter der Voraussetzung, daß ro der halbe effektive Durchmesser des Stromleiters ist:

2-7&Ggr; J

Φ = j _ro pLo.HsJ!.dy = J

2T

x² + j;²

Die liierdurch im Ansteuerkreis (4-5) induzierte Spannung ist dann: Die beispielhaft errechneten Ergebnisse sind in Tabelle 2 dargestellt:

X	h	S	di/dt	U
m	m	m	&Agr;/&mgr;&bgr;	V
0	0,01	0,01	LOOO	4,605
0	0,01	0,02	1.000	9,21
0	0,02	0,01	LOOO	5,991
0	0,02	0,02	LOOO	11,983
0,01	0,02	0,01	LOOO	1,599
0,01	0,02	0,02	LOOO	3.199
0	0,01	0,01	5.000	23,026
0	0,01	0,02	5.000	46,052
0	0,02	0,01	5.000	29,957
0	0,02	0,02	5.000	59,915
0,01	0,01	0,01	5.000	3,416
0,01	0,01	0,02	5.000	6,832
0,01	0,02	0,01	5.000	7,997
0,01	0,02	0,02	5.000	15,995
0,02	0,01	0,02	5.000	2,206
0,02	0,02	0,01	5.000	3,453
0,02	0,02	0,02	5.000	6,907
0,03	0,02	0,01	5.000	1,833
0,03	0,02	0,02	5.000	3,666
0,04	0,02	0,02	5.000	2,225

Tab. 2

Tabelle 2 beinhaltet nur Ergebnisse mit einer induktiven Spannung größer als 1,5 Volt, Berechnungsergebnisse mit kleineren Werten wurden nicht in der Tabelle berücksichtigt.. Bei einem ^d'/dt von 1.000 &Agr;/&mgr;&egr; und h > 3 cm ist die Spannung u kleiner als 1 V. Auch aus diesem Ergebnis kanu abgeleitet werden, daß es wichtig ist, die Abmessungen des Ansteuerkreises (4-5) so gering wie möglich zu halten. Je größer der Wert des di/dt ist, um so wichtiger wird diese Forderung. Bei einem di/dt von 1.000 &Agr;/&mgr;&egr; ist der Einfluß des Magnetfeldes vom Hauptstrom auf dem Ansteuerkreis (4-5) bereits in 1 cm Entfernung vemaclilässigbar. Bei einem di/dt von 5.000 &Agr;/&mgr;&egr; ist der Einfluß des Magnetfeldes vom Hauptstrom auf den Ansteuerkreis (4-5) erst ab einer Entfernung von 2 cm vemaclilässigbar, wenn die von dem Gateanschluß (4) und dem Hilfsemitteranschluß (5) gebildete Fläche des Ansteuerkreises (4-5) (1 * 1) cm² beträgt. In obenstehender Berechnung fließt der Hauptstrom parallel zur Fläche des Ansteuerkreises (4-5). Der Einfluß wird geringer wenn:

1. der Hauptstrom unter einen nennenswerten Winkel zur Fläche des Ansteuerkreises (4-5) fließt und

2. wenn zwei Hauptströme direkt neben einander in entgegengesetzter Richtung fließen, weil dadurch das Gesamtfeld abgeschwächt wird, wie das in Fig. 8 skizziert ist. Hierin sind (2) die Teilströme i+*sinF, bzw. L*sinP, die jeweils Beiträge zu deren Magnetfelder (3) Ansteuerkreis (4-5)liefern.

In der nachfolgende Berechnung wird dieser Fall dargestellt. Für das Feld H₈+ bzw. H_s_ gilt in Analogie zu den vorhergehende Berechnungen:

i-.smd.y

&ogr; , 2 . 2\ und: ^j- — "Z ö t~

2ir.(x²+y²) 2ir.(x²+y²)

Die Grenzen fur das z-Intergral sind: 0 und b. Die Grenzen für das x- Intergral sind unter der Voraussetzung eines unendlich langen Stromleiters -b+/tan &thgr; und (b- b+)/tan &THgr;. Für den in den Ansteuerkreis (4-5) induzierten magnetischen Fluß Φ+ gilt dann:

&iacgr;	&iacgr; O J	h	J.O. s+. y	- &iacgr;	(t-o + ytanö	&iacgr;" J &Pgr;)
&mgr;&agr;-i-	f.sinö.	ro		&Iacgr;&eegr;(,	-o+/tanö	In f.
	4r	taue	-2 + V) -

wobei:

+ A²) - 2r + 2A.arctan f J

&phgr;-b + ) tanö ' ■

&phgr;-b + ytaae -6+/tanö

-f lh. arctan

tanö

h²

tanö

— 1.h. arctan

_ &phgr;-b+) ■ tanö " ^:

+ h²\ +2Aarctan TT^

h. tan &thgr;

Φ-b+) ■ tan0 -■

ist. Somit gilt:

tanö

iio.i+.sine.tanö j &phgr;-b+)

Tr

Mit b+ = 0 oder &thgr; = 90° geht diese Gleichung wieder in die bereits abgeleiteten Gleichungen über. Ein ähnlicher Ausdruck kann auch für Φ_ abgeleitet werden. Der gesamte Fluß ist (mit

i = i+ =-L) Φ = Φ+ + Φ_ wobei in der Gleichung bei Φ_ das &ldquor;b+" durch b_ ersetzt werden muß. In obenstehenden Ableitungen wurde der Strom als durch einen runden Leiter fließend angenommen. Wirbelströme und Stromverdrängungseffekte wurden nicht berücksichtigt. Genauere Berechnungen können dadurch ausgeführt werden, daß ein Rechteckleiter in &eegr; Teilleiter jeweils mit dem Strom i/n zerteilt wird. Die Magnetfelder werden dann für jeden einzelnen Teiileiter berechnet und schließlich summiert, bzw. integriert, wenn &eegr; gegen unendlich geht, was aber nicht wesentlich für den erfinderischen Gedanken dieser Anmeldung ist..

Claims

23.08.96/PD512 SEMIKRON Elektronik GmbH Sigmundstraße 200. D-90431 Nürnberg Ansprüche:

1. Leistungshalbleiterschaltungsanordnung zur Umformung von elektrischer Energie,
bestehend aus mindestens einem Leistungsschalter, vorzugsweise IGBT oder MOSFET,
alternativ Thyristoren oder Bipolartransistoren, Leistungsstromschienen (1) und mindestens einem Ansteuerkreis (4-5)

dadurch gekennzeichnet, daß

der Ansteuerkreis (4-5), gebildet aus einem Gateanschluß (4) und einem mit ihm eng
benachbarten, alternativ verdrillten, Hilisemitteranschluß (5), symmetrisch zu den senkrecht zu ihm gestalteten Leistungsstromschienenabschnitten (1) und weit beabstandet zu den
parallel zu ihm gestalteten Leistungsstromschienenabschnittenil 1) positioniert ist, so daß er durch keine Magnetfeldlienen (3) einer Leistungsstromschiene (1) durch magnetischen Fluß in seinen angesteuerten elektrischen Größen verändert wird.

2. Leistungshalbleiterschaltungsanordnung nach Ansprach L, dadurch gekennzeichnet, daß

der Träger der Leistungsschalter, IGBT oder MOSFET, eine mit strukturierten Kupfer versehene Isolierkeramik ist, eine sogenannte DCB, deren Kupferleiterzüge für den Gateanschluß (4) und dem Hilfsemitteranschluß (5) eng benachbart ist und einen Abstand von vorzugsweise 1 mm aufweist.

3. Leistungshalbleiterschaltungsanordnung nach Anspruch L, dadurch gekennzeichnet, daß

die Entfernungen des Gateanschlusses (4) und des HHfsemitteranschlusses (5) von den Leistungsstromschienen (1) gleich groß sind und symmetrisch zu der oder den Leistungsstromschienen (1) verlaufen.

4. Leistungshalbleiterschaltungsanordnung nach Anspruch 1., dadurch gekennzeichnet, daß

der Ansteuerkreis (4-5), weit beabstandet zu den parallel zu ihm gestalteten Leistungsstromschienenabschnitten(l 1) positioniert ist und mindestens 5 mm beträgt.

5. Leistungshalbleiterschaltungsanordnung nach Anspruch 1., dadurch gekennzeichnet, daß

die Leistungsstromschienen (1, 11) im Querschnitt so groß gestaltet sind, daß die Größe der auftretenden magnetischen Felder den magnetischen Feldern einer runden Stromschiene mit einem Radius r₀ > 5 mm entsprechen.

6. Leistungshalbleiterschaltungsanordnung nach Anspruch L, dadurch gekennzeichnet, daß

die Leistungsstromschienen (1) mit entgegengesetzten Stromflußrichtungen (2) eng benachbart angeordnet sind, um die Magnetfelder (3) in sich abschwächender Weise überlappen zu lassen.