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WO2022223674A2 - Leistungshalbleiteranordnung und wechselrichterbrücke mit leistungshalbleiteranordnung - Google Patents

Leistungshalbleiteranordnung und wechselrichterbrücke mit leistungshalbleiteranordnung Download PDF

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WO2022223674A2
WO2022223674A2 PCT/EP2022/060515 EP2022060515W WO2022223674A2 WO 2022223674 A2 WO2022223674 A2 WO 2022223674A2 EP 2022060515 W EP2022060515 W EP 2022060515W WO 2022223674 A2 WO2022223674 A2 WO 2022223674A2
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WO
WIPO (PCT)
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circuit board
power semiconductor
printed circuit
power
semiconductor arrangement
Prior art date
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PCT/EP2022/060515
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French (fr)
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WO2022223674A3 (de
Inventor
Gerrit BRAUN
Roland HUEGUES
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SMA Solar Technology AG
Original Assignee
SMA Solar Technology AG
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Publication date
Application filed by SMA Solar Technology AG filed Critical SMA Solar Technology AG
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Publication of WO2022223674A3 publication Critical patent/WO2022223674A3/de
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Definitions

  • This application relates to the technical field of construction and connection technology for power electronics, in particular for power converters with power semiconductors, which convert electrical power in the range from a few kilowatts to a few hundred kilowatts at a voltage of a few hundred volts between direct current and alternating current.
  • power semiconductors in power converters are semiconductor switches in DC/DC converters, DC/AC converters or AC/AC converters.
  • Such power converters can have power stages of different topologies, e.g. B. half or full bridge circuits, B6 bridge circuits or so-called flying cap topologies, and can optionally be operated bidirectionally.
  • Power converters designed as DC/AC converters are also referred to as inverters.
  • Bridge circuits in inverters, so-called inverter bridges can be implemented in both single-phase and three-phase inverters and have a corresponding number of power stages whose electrical and electronic components can be arranged on one or more printed circuit boards.
  • the circuit breakers of a power converter are generally operated in a clocked manner, with the highest possible clock frequency being advantageous for various reasons.
  • the maximum achievable switching frequency of an inverter can be limited by the achievable cycle frequency of the circuit breakers.
  • this maximum switching frequency can be beyond the frequency ranges in which these switches are usually operated given the losses that predominantly occur during switching operations.
  • power switches that are designed as SiC or GaN semiconductors power-dependent conduction losses predominate, so that an increase in the switching frequency can be sought, which in turn increases the influence of any parasitic inductances.
  • the application is based on the object of making available an improved power semiconductor arrangement which, in particular, enables improved heat dissipation during operation in a power converter and/or better assembly of the power converter.
  • a power semiconductor arrangement has a first printed circuit board, at least one second printed circuit board and at least one power semiconductor.
  • the first printed circuit board is electrically conductively connected to the second printed circuit board and the at least one power semiconductor is electrically conductively connected to the second printed circuit board.
  • the first circuit board is mechanically connected to the second circuit board via a short-distance conductive connection.
  • a mechanical connection between the first and the second printed circuit board is established via the short-distance connection, which connection determines the spatial position of the first and the second printed circuit board in relation to one another.
  • the short-distance connection preferably also represents the electrically conductive connection for the working current, which is exchanged between the first and the second printed circuit board and the electrical components arranged thereon.
  • the first circuit board predominantly has a first board material and the at least one second circuit board predominantly has a second board material.
  • the first plate material is different from the second plate material.
  • a basic structure of the first printed circuit board consists of the first plate material and a basic structure of the second printed circuit board consists of the second plate material.
  • a basic structure of a printed circuit board is, for example, a carrier plate or a predominant carrier material. Conductor tracks, for example, are inserted or embedded in the basic structure, and components, for example, can be placed on the basic structure.
  • the two above-mentioned embodiments in combination make it possible to use a power semiconductor with a high switching frequency, e.g. B. in a switching cell and / or a power stage and in particular to use in a power converter with a compact and therefore inexpensive housing for converting electrical power.
  • a power semiconductor with a high switching frequency e.g. B.
  • the dissipation of the heat generated at high switching frequencies is improved and the need for cooling surfaces on the power converter is reduced, in that the power semiconductors are arranged separately on the second circuit board and the second circuit board can be optimized for dissipating the heat loss of the power semiconductors to the cooling surfaces.
  • At least three electrical connections are preferably implemented between the first and second printed circuit boards, namely to transport power from the first to the second printed circuit board, to transport power in the opposite direction from the second to the first printed circuit board, and to transmit bidirectional signals via a signal line to transport.
  • the power semiconductor is arranged electrically between the electrical connections that exchange electrical power with the first printed circuit board and can make and break the flow of power between these electrical connections in a clocked manner.
  • the signal line can have two separate channels, in particular a forward channel and a return channel.
  • the electrical connections should preferably be at a certain distance from one another for the purpose of insulation coordination.
  • two short-distance connections on the connection side of the circuit breaker can be electrically and mechanically connected, and a further short-distance connection on the opposite side of the circuit breaker can be connected only mechanically.
  • the second board material, from which the second circuit board mainly consists is more thermally conductive than the first board material, from which the first circuit board mainly consists.
  • This enables improved cooling of the at least one power semiconductor.
  • the first printed circuit board is composed primarily of fiberglass-resin composite material and the second printed circuit board is composed primarily of metal.
  • the second plate material provides a thermally conductive connection between the second printed circuit board power semiconductors and a heat sink.
  • the first plate material is a fiberglass-resin composite material and the first printed circuit board has conductor tracks which run on several levels in the first printed circuit board and are in particular made of copper.
  • a trace creates a horizontal connection, i.e. a connection that runs parallel to the surfaces of the printed circuit board between two points on the printed circuit board.
  • Several conductor tracks can be next to each other in one conductor track level.
  • a conductor track can be provided that leads to the position of a short-distance connection on the first printed circuit board.
  • the first circuit board preferably has a basic structure made of glass fiber resin composite material. Copper layers are inserted into the basic structure as conductor track levels.
  • the thermal conductivity of the first circuit board is essentially determined by the fiberglass-resin composite material, which has a rather low thermal conductivity, while the majority of the heat is conducted by the thermally highly conductive copper of the traces of the trace level, albeit in a direction parallel to the Surface of the first circuit board.
  • the first printed circuit board can be, for example, 2-4 mm thick and can have, for example, 6 layers of copper, each layer being 70 ⁇ m thick. With such a board, the copper content in the board or thickness of the total thickness is less than 20%
  • the second plate material is a metal, in particular copper or aluminum
  • the at least one second printed circuit board has in particular precisely one level with conductor tracks.
  • the conductor track level of the at least one second printed circuit board has precisely three conductor tracks.
  • the second printed circuit board has, for example, a metallic basic structure, in particular a carrier plate.
  • the second printed circuit board is therefore well suited for dissipating heat. she can also have electrical insulation and a heat spread layer. Instead of a carrier plate, a version with copper inlays is also possible.
  • the electrical contacting of SMD components on the second printed circuit board can be made, for example, via conductor tracks close to the surface.
  • the second printed circuit board has, for example, a 2-3 mm thick carrier plate as a metallic base or a corresponding copper inlay, a 200 ⁇ m thick insulation layer, two approximately 35 ⁇ m thick copper layers (one as a heat spread layer and one as a conductor track level) and there between one another insulation layer with a thickness of 100 ⁇ m. This structure has a copper content of over 80% across the cross-section.
  • the distance between the first and the at least one second printed circuit board is less than 5 mm, preferably less than 1 mm, the distance being determined in particular via the thickness of the short-distance connection.
  • the short-distance connection produces one or more electrical connections between the first printed circuit board, in particular the conductor tracks on the first printed circuit board, and the second printed circuit board, in particular the printed conductors on the second printed circuit board, with the short-distance connection being made in particular by pressing in, soldering, welding or burdock was made.
  • soldering for example, copper layers of the first and second printed circuit boards are welded together.
  • connection surfaces can be electrically and mechanically connected to one another using a solder material.
  • the short-distance connection comprises a ball grid array for soldering.
  • a “ball” that, after soldering, makes one of many point electrical contacts between the first and second circuit boards can be an electrical channel, ie, a connection between a trace on the first circuit board and a trace on the second circuit board.
  • the short-distance connection can have fibrous metal structures for producing a metallic Velcro fiber connection.
  • a channel usually includes a minimum number of individual “fibers” of the Velcro connection or has at least a minimum area, which in particular influences the current-carrying capacity of this channel.
  • the short-distance connection can have a piece of metal sheeting that is arranged between the printed circuit boards and soldered or welded to the printed circuit boards.
  • the piece of sheet metal can in particular consist of nickel or nickel-plated steel and be designed in one piece, so that a piece of sheet metal represents an electrical channel between the first and the second printed circuit board.
  • the short distance connection can connect the first and second circuit boards in more than one place.
  • the ball grid array may have multiple electrically isolated connections, each having clusters of multiple channels.
  • the metallic Velcro fiber connection can produce multiple separate electrical connections between the first and second printed circuit boards via multiple bundles of fibers.
  • the metal piece of sheet metal can be designed in multiple pieces and/or can comprise a number of metal subsections that are electrically insulated from one another.
  • a ball grid array or a Velcro fiber connection or a soldered or welded sheet metal piece is considered a mechanical connection, even if it has several clusters or bundles or sections and produces several separate electrical connections.
  • an electrical connection via the short-distance connection has a number of electrical channels, for example a number of dozen soldering points of a ball grid array or a number of sections of a piece of metal sheeting.
  • a plurality of channels can be combined into a group, with a group for the transfer of electrical power preferably having 10 or more channels.
  • a group can, for example, consist of a cluster of "balls" of the Ball Grid Array or comprise a partial area of a Velcro connection.
  • Such an electrical connection allows in particular the transfer of a significant proportion of a nominal power e.g. B. an inverter on the power semiconductor arrangement.
  • the short-distance connection comprises at least one control and/or signal channel, which enables signals to be transmitted via individual channels, in particular a single-digit number of channels.
  • the at least one power semiconductor is electrically connected to the short-distance connection via conductor tracks on the second printed circuit board and is arranged on a surface of the second printed circuit board.
  • the electrical connection of the at least one power semiconductor to at least one conductor track of the second printed circuit board takes place in particular via surface contacts on a surface of the second printed circuit board.
  • the first circuit board has a cutout, so that the at least one power semiconductor is arranged within the cutout when the power semiconductor arrangement is in the assembled state.
  • the at least one power semiconductor is arranged partially or completely within the second printed circuit board.
  • the power semiconductor can be arranged between an upper copper layer and a lower copper layer of the second printed circuit board, with the upper copper layer having conductor tracks that produce electrical connections between the power semiconductor and the short-distance connection.
  • the power semiconductor arranged within the second printed circuit board is electrically connected to at least one conductor track of the second printed circuit board via a bore filled with electrically conductive material through a filling material encasing the power semiconductor.
  • the power semiconductor can thus be regarded as being integrated into the printed circuit board, in that it is arranged, for example, in a trough that is filled with encapsulation and has a structured upper copper layer with conductor tracks is covered.
  • the encapsulation surrounding the power semiconductor and the copper layer are drilled out at suitable points, in particular at the level of the electrical connections of the power semiconductor, and the connections of the power semiconductor are connected to the copper layer and thus to the conductor tracks of the second layer via a conductive filling material circuit board contacted.
  • the conductive filling material can be solder, for example, or it can be generated by galvanic deposition of copper. It is also possible to arrange the power semiconductor in a trough and to press it together with the individual layers of the printed circuit board in a form-fitting manner or to cast it flush with the surface of the printed circuit board. B. can be located on or just below the surface of the second printed circuit board.
  • the lower copper layer of the second printed circuit board can be designed as a heat spread layer and thermally connected to a cooling surface of the power semiconductor.
  • the extent of the lower copper layer in the lateral dimension is at least twice as large as the cooling surface of the power semiconductor in order to achieve good spreading of the heat loss over a larger surface.
  • the lower copper layer can form a cooling surface of the second printed circuit board overall, in particular by the lower copper layer at least partially forming the lower surface of the second printed circuit board.
  • the second printed circuit board can have a further copper layer below the lower copper layer.
  • a further copper layer preferably has at least the same area as the lower copper layer and is electrically insulated from the lower copper layer.
  • the further copper layer can form a cooling surface of the second printed circuit board overall, in particular by the further copper layer at least partially forming the lower surface of the second printed circuit board.
  • the switching cells and/or the power stages of a power converter can be optimally cooled and have a compact design.
  • the line inductances are lower due to the compact construction.
  • a higher output can be implemented with the same area requirement for the power semiconductor arrangement, e.g. the switching cell, and the effort involved in manufacturing and assembling can be reduced.
  • this expands the possible uses of SiC- and/or GaN-based power switches in power converters, which can convert a high electrical power output with a high switching frequency if suitable heat dissipation is ensured in accordance with the claimed embodiments.
  • Possible parasitic inductances are reduced and heat dissipation is improved, so that the switching frequency and the switching speed can be improved.
  • the power semiconductor configurations described can be of compact construction in order to increase the possibilities of configuration in housings and/or power modules.
  • the power semiconductor arrangements in particular those with a plurality of switches made of power semiconductors, can be assembled without a corresponding large number of press-in connections to be produced simultaneously, which makes the assembly process more efficient and simpler and in particular helps to avoid manual assembly of individual power modules.
  • the power semiconductor arrangements described can be used in bridge circuits for converters, in particular in inverters.
  • Bridge circuits in inverters are also called inverter bridges.
  • an inverter bridge comprises a power semiconductor arrangement with at least four power semiconductors in a single-phase bridge circuit, each arranged individually on respective second printed circuit boards, which second printed circuit boards are electrically connected to the same first printed circuit board.
  • the inverter bridge comprises a power semiconductor arrangement with at least four power semiconductors in a single-phase bridge circuit, the power semiconductors being connected in pairs to at least two second Printed circuit boards or are arranged completely on exactly one common second printed circuit board.
  • the inverter bridge comprises a power semiconductor arrangement with at least six power semiconductors in a three-phase bridge circuit, which are each individually arranged on respective second circuit boards, the second circuit boards being electrically connected to the same first circuit board.
  • the inverter bridge comprises a power semiconductor arrangement with at least six power semiconductors in a three-phase bridge circuit, the power semiconductors of one phase of the three-phase bridge circuit being arranged together on a second printed circuit board.
  • An inverter according to the invention has an inverter bridge according to one of the described embodiments and a heat sink.
  • the power semiconductor arrangement of the respective inverter bridge is preferably mounted on a heat sink that exchanges heat with the environment.
  • the second printed circuit board is arranged between the first printed circuit board and the heat sink, so that good thermal contact is achieved between the power semiconductor and the heat sink.
  • Fig. 3 schematically shows a further embodiment of a power semiconductor arrangement
  • FIG. 6 shows a schematic top view of a second circuit board and FIG. 7 shows a schematic top view of a bridge circuit.
  • FIG. 1 shows a power semiconductor arrangement 10 with a first printed circuit board 14 and a second printed circuit board 16 .
  • the first printed circuit board 14 is of conventional design and can in particular be made predominantly of plastic consist, for example, a glass fiber resin composite material.
  • the first printed circuit board 14 is arranged above and substantially parallel to the second printed circuit board 16 .
  • a power semiconductor 12, e.g. a semiconductor power switch as part of a bridge circuit of a power electronic converter, can be designed in SMD design and can be located on the side facing the first printed circuit board 14 in the assembled state, i.e. on the upper side of the second printed circuit board 16 in Fig. 1 condition.
  • the second printed circuit board 16 is thermally optimized, i.e.
  • the second printed circuit board 16 is connected to a heat sink 24 with fins 26 via an optional heat-conducting paste 22 .
  • the power semiconductor 12 is thus located between the first printed circuit board 14 and the second printed circuit board 16.
  • the printed circuit boards 14, 16 are mechanically and possibly electrically connected to one another via basically conductive short-distance connections 18.
  • the printed circuit boards 14, 16 can be soldered together via the short-distance connection 18, for example via a ball grid array.
  • the respective copper layers of the two printed circuit boards 14, 16 can be welded together, or pieces of metal sheet, in particular made of nickel or nickel-plated steel, can be arranged between the printed circuit boards 14, 16 and soldered to the printed circuit boards 14, 16 or be welded.
  • the printed circuit boards 14, 16 can be electrically connected to one another via an electrically conductive mechanical Velcro fastener, with the Velcro fastener being able to be produced, for example, by a Velcro welding method.
  • a Klettwelding process is z. B. described in DE102017126724.
  • Such a hook-and-loop fastener can be designed to be detachable, for example to allow components to be repaired.
  • a hook-and-loop fastener can also be non-detachable by creating a connection between the fibers at the atomic lattice level during assembly using pressure and/or temperature, similar to cold welding of metals.
  • At least one power semiconductor 12 is located on the second printed circuit board 16.
  • the power semiconductor 12 can in particular have three connections, with electrical power flowing between two connections or being able to be interrupted by a switching element, while the third connection is used to control the switching element. Therefore, for the operation of a power semiconductor 12, at least three mutually insulated electrical conduction paths can lead from the first printed circuit board 14 to the second printed circuit board or back, of which in particular two conduction paths for electrical power and one conduction path as a control and/or signal line. If there are several power semiconductors 12 on the second printed circuit board 16, a corresponding number of connections or conductive paths must be provided between the first printed circuit board 14 and the second printed circuit board 16.
  • a number of (power) connections can be combined in a short-distance connection 18, for example by a number of ball grid subarrays of a BGA, a number of fiber bundles of a Velcro fastener or a number of sections of a piece of sheet metal isolated from one another each representing individual electrical line paths.
  • a short-distance connection 18 can also be purely mechanical Fulfill function, so no electrical connection between components on the printed circuit boards 14, 16 Hersmaschine. Any short-distance connections 18 with only a mechanical function can connect traces of the circuit boards 14, 16 to one another in order to ensure mechanical stability, these traces then not being connected to any components or other traces.
  • the thermally optimized second circuit board 16 is thermally connected to a heat sink 24 .
  • the second printed circuit board can be mechanically connected to the heat sink 24 by means of screw connections 56 .
  • a heat transfer layer 22 can be arranged between the underside of the second printed circuit board 16 and a cooling surface of the heat sink 24 .
  • the heat transfer layer 22 can be embodied as TIM (thermal interface material).
  • the TIM can include a thermally conductive paste or a thermally conductive foil and may be metallic in order to conduct thermally particularly well if insulation is already integrated in the second printed circuit board 16 between the power semiconductor 12 and the metallic base plate.
  • the cooling surface of the heat sink 24 can have a pedestal on which the second printed circuit board 16 with the power semiconductor 12 is arranged.
  • the distance between the first printed circuit board 14, which is equipped with THT components 28 and SMD components 32, and the heat sink 24 can be made sufficiently large and an air gap for the insulation coordination can be ensured.
  • the distance between the first 14 and the second circuit board 16 can be made so small that it can be bridged by the short-distance connection 18 .
  • FIG. 2 An embodiment of a power semiconductor arrangement 20 is shown in FIG. 2 .
  • the overall height of the power semiconductor 12 is greater than the distance between the first circuit board 14 and the second circuit board 16.
  • the first circuit board 14 In the first circuit board 14 is a recess 34, z. B. a cutout in the area of the power semiconductor 12 is provided.
  • the recess 34 In the mounted state of the power semiconductor arrangement 20 , the recess 34 is arranged above the power semiconductor 12 in such a way that the power semiconductor 12 protrudes upwards through the first printed circuit board 14 .
  • the short distance connections 18 bridge the remaining distance between the circuit boards 14, 16, which distance can be less than one centimeter.
  • the distance between the printed circuit boards 14, 16 can be less than 5 mm, preferably even less than 1 mm.
  • the distance between the printed circuit boards 14, 16 can in particular be less than 1 mm, preferably less than 0.5 mm
  • FIG. 3 An embodiment of a power semiconductor arrangement 30 is shown in FIG. 3 .
  • the power semiconductor 12 is arranged within the second printed circuit board 16 .
  • the power semiconductor 12 can be arranged, for example, in a depression or depression in the second printed circuit board 16, which can have been filled after the power semiconductor 12 has been inserted.
  • the distance between the printed circuit boards 14, 16 can be made very small and is only limited by the thickness of the short-distance connection.
  • the first circuit board 14 does not have any millings in the area of the power semiconductor 12.
  • FIG. 4 A section through a second printed circuit board 16 with an integrated power semiconductor 12 is shown schematically in FIG. 4 .
  • a printed circuit board 16 can be used in particular in the embodiment according to FIG.
  • the power semiconductor 12 is largely surrounded by the second printed circuit board 16 in a form-fitting manner, in that the power semiconductor 12 is arranged in a recess in the second printed circuit board 16, which was then filled with a suitable filling compound, so that the surface of the power semiconductor 12 is covered with the filling compound.
  • the power semiconductor 12 has a first contact 44 and a second contact 46 .
  • An upper copper layer 42 is located above the power semiconductor 12.
  • the upper copper layer 42 is not continuous or covers the entire surface, but is subdivided into conductor tracks 42a, 42b.
  • the conductor tracks 42a, 42b are connected to the first contact 44 and the second contact 46, respectively.
  • This connection can be realized, for example, by bores 40 that extend from the copper layer 42 through the cover layer of the filling compound to the respective contact 44, 46 and are filled with conductive material.
  • the contacts 44 and 46 are thus contacted with the conductor tracks 42a and 42b, respectively.
  • the second printed circuit board 16 shown has a lower copper layer 36 below the power semiconductor 12, which is designed as a heat spread layer.
  • This heat spreader layer can consist in particular of copper or of another metal, for example aluminum.
  • the lower copper layer 36 is in thermal contact with a cooling surface 38 of the power semiconductor 12, which is provided for dissipating heat loss from the power semiconductor 12 to the environment.
  • the lower copper layer 36 has, in particular, an extent that is significantly larger than the cooling surface 38, and due to its good thermal conductivity, it acts as a heat spreader layer to improve heat dissipation from the second printed circuit board 16 by dissipating the heat from the power semiconductor 12 in the horizontal direction, ie is distributed parallel to the surface of the second circuit board 16 over a larger area.
  • the lower copper layer 36 can form the lower surface of the second printed circuit board 16 and in the assembled state of the printed circuit board assembly, e.g. 3, to be mounted on a heat sink 24.
  • FIG. 5 shows a section through a second printed circuit board 16 with an integrated power semiconductor 12 in a further embodiment.
  • the second printed circuit board 16 has a further copper layer 48 which is located above the upper copper layer 42 and is divided into two conductor tracks 48a, 48b which are each connected to the conductor tracks 42a, 42b and thus to the contacts 44 and 46, respectively.
  • the traces 48a, 48b are located on the surface of the second circuit board 16 and are used to connect the contacts 44, 46 of the power semiconductor 12 via the short-distance connections 18 with the traces of the first circuit board 14 (see FIG. 3).
  • the second printed circuit board 16 according to FIG. 5 has a further copper layer 50 which is located below the lower copper layer 36 and is electrically insulated from it.
  • the additional copper layer 50 can form the lower surface of the second printed circuit board 16 and serve as a cooling surface for the second printed circuit board, in that heat loss from the power semiconductor 12 is released to the environment via the lower copper layer 36 and the additional copper layer 50, in particular to a heat sink 24 , on which the second circuit board 16 can be mounted (see Fig. 3).
  • the heat loss of the power semiconductor 12 is thus initially distributed over a larger area via a heat spread layer during operation of a correspondingly equipped converter and via a cooling surface with an even larger area as far as possible introduced directly and unimpeded, but electrically insulated path into the cooling fins 26 of the heat sink 24 and released from there to the environment.
  • FIG. 6 shows a second printed circuit board 16 with two power semiconductors 12 in a top view.
  • the second printed circuit board 16 has a total of five short-distance connections 18a-18d, which are designed here as ball grid arrays with a large number of soldering points 54.
  • the short-distance connections 18a and 18b are each connected to one of the contacts 44, 46 of the power semiconductors 12 via conductor tracks 42a, 42b (compare, for example, FIG. 4).
  • Another conductor track 42c connects the respective other contacts of the power semiconductors 12 to one another and to another short-distance connection 18c.
  • the additional short-distance connections 18d are optional and not connected to traces.
  • the power semiconductors 12 are connected to control terminals 52, via which the power semiconductors 12 can be switched on and off.
  • FIG. 7 shows a bridge circuit with a section of a first printed circuit board 14 and a second printed circuit board 16 lying “behind” in a plan view.
  • the first printed circuit board 14 has a cutout 34, see FIG. 2; alternatively, the cutout can be dispensed with, compare FIG. 1 or FIG.
  • the potentials DC+, DC- are connected to short-distance connections 18a, 18b via conductor tracks in the first printed circuit board 14.
  • the potentials DC+, DC- are connected to the conductor tracks 42a, 42b of the second circuit board 16 via the short-distance connections 18a, 18b and are thus applied to the power semiconductors 12.
  • the second printed circuit board 16 can be designed in particular according to FIG.
  • Screw connections 56 are provided for further mechanical stabilization, which in particular connect the first printed circuit board 14 to a heat sink 24 (cf. FIG. 1).
  • a screw connection 56 can be arranged between the power semiconductors 12, which mechanically connects the printed circuit boards 14, 16 to one another and possibly to the heat sink 24 if the recess 34 is omitted, ie if the first printed circuit board 14 is based on the Embodiment according to FIG. 1 is executed.
  • the screw connection 56 between the power semiconductors 12 can improve the thermal connection of the power semiconductors 12 even in the absence of the cutout 34 .
  • the potentials DC+, DC- can be selectively switched through to the conductor track 42c and thus to the short-distance connection 18c.
  • the potential DC+ or DC- clocked in this way reaches a further conductor track on the first printed circuit board 14, which is used, for example, as an AC potential and, in the further course, after suitable filtering and the like, an AC output of the bridge circuit or one of the Bridge circuit having inverter can form.
  • the power semiconductors 12 are switched on and off in particular in a clocked manner.
  • a current can be generated at the AC output of the bridge circuit which, depending on the half-wave, flows from one of the capacitors 28a, 28b via the short-distance connection 18a or 18b to one of the power semiconductors 12 and from this (clocked) via the short-distance connection 18c to the AC output.
  • a specific inverter can have one or more bridge circuits, for example as shown in FIG.
  • Short distance link a, 18b, 18c, 18d short distance links
  • Copper layer a, 42b conductor tracks first connection second connection
  • Copper layer a, 48b conductor tracks

Landscapes

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Abstract

Es wird eine Leistungshalbleiteranordnung (10, 20, 30) mit einer ersten Leiterplatte (14), einer zweiten Leiterplatte (16) und einem Leistungshalbleiter (12) beschrieben, wobei die erste Leiterplatte (14) mit der zweiten Leiterplatte (16) elektrisch leitend verbunden ist und der Leistungshalbleiter (12) mit der zweiten Leiterplatte (16) elektrisch leitend verbunden ist, und wobei die erste Leiterplatte (14) mit der zweiten Leiterplatte (16) mechanisch über eine leitfähige Kurzdistanzverbindung (18) verbunden ist. Eine Wechselrichterbrücke weist eine solche Leistungshalbleiteranordnung (10, 20, 30), ein Wechselrichter eine solche Wechselrichterbrücke auf.

Description

Leistungshalbleiteranordnung und Wechselrichterbrücke mit Leistungshalbleiteranordnung
Technisches Gebiet
Diese Anmeldung betrifft das technische Gebiet der Aufbau- und Verbindungstechnik für Leistungselektronik, insbesondere für Stromrichter mit Leistungshalbleitern, die elektrische Leistungen im Bereich einiger Kilowatt bis einige Hundert Kilowatt bei einigen Hundert Volt Spannung zwischen Gleichstrom und Wechselstrom umrichten. Beispiele für Leistungshalbleiter in Stromrichtern sind Halbleiterschalter in DC/DC- Wandlern, DC/AC-Wandlern oder AC/AC-Wandlern. Solche Stromrichter können Leistungsstufen verschiedener Topologien aufweisen, z. B. Halb- oder Vollbrücken schaltungen, B6-Brückenschaltungen oder sogenannte Flying Cap-Topologien, und können ggf. bidirektional betrieben werden. Stromrichter, die als DC/AC-Wandler ausgeführt sind, werden auch als Wechselrichter bezeichnet. Brückenschaltungen in Wechselrichtern, sogenannte Wechselrichterbrücken, können in einphasigen sowie dreiphasigen Wechselrichtern jeweils sowohl einphasig als auch dreiphasig ausge führt sein und eine entsprechende Anzahl an Leistungsstufen aufweisen, deren elektrische und elektronische Komponenten insbesondere auf einer oder mehreren Leiterplatten angeordnet sein können.
Stand der Technik
Es ist bekannt, in Stromrichtern höherer Leistung, z. B. in Wechselrichtern für Energieerzeugungsanlagen oder Energiespeicheranlagen, Leistungshalbleiter als Leistungsschalter einzusetzen, die als diskrete THT-Bauteile (THT Through Hole Technology) ausgeführt und auf einer Leiterplatte neben anderen elektrischen Bauteilen des Stromrichters angeordnet sind. Es ist auch möglich, mehrere Leistungsschalter in einem sogenannten Leistungsmodul zusammenzufassen und ein solches Leistungsmodul auf einer Leiterplatte anzuordnen, beispielsweise über Einpresskontakte.
Die Leistungsschalter eines Stromrichters werden in der Regel getaktet betrieben, wobei eine möglichst hohe Taktfrequenz aus verschiedenen Gründen vorteilhaft sein kann. Die maximal erreichbare Schaltfrequenz eines Wechselrichters kann dabei durch die erreichbare Taktfrequenz der Leistungsschalter limitiert sein. Bei Verwen dung von herkömmlichen siliziumbasierten Leistungsschaltern, beispielsweise IGBTs, kann diese maximale Schaltfrequenz jenseits der Frequenzbereiche liegen, in denen diese Schalter angesichts der überwiegend bei Schaltvorgängen auftretenden Verluste üblicherweise betrieben werden. Bei Leistungsschaltern, die als SiC- oder GaN-Halbleiter ausgeführt sind, überwiegen leistungsabhängige Durchlassverluste, so dass eine Erhöhung der Schaltfrequenz angestrebt werden kann, wodurch wiederum Einflüsse von etwaigen parasitären Induktivitäten zunehmen.
Aufgabe
Der Anmeldung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Leistungshalbleiter anordnung zur Verfügung zu stellen, die insbesondere eine verbesserte Entwärmung während des Betriebs in einem Stromrichter und/oder eine bessere Montierbarkeit des Stromrichters ermöglicht.
Lösung
Die Aufgabe wird durch eine Leistungshalbleiteranordnung mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen beansprucht.
Beschreibung
Eine Leistungshalbleiteranordnung weist eine erste Leiterplatte, zumindest eine zweite Leiterplatte und zumindest einen Leistungshalbleiter auf. Die erste Leiterplatte ist mit der zweiten Leiterplatte elektrisch leitend verbunden und der zumindest eine Leistungshalbleiter ist mit der zweiten Leiterplatte elektrisch leitend verbunden.
In einer Ausführungsform ist die erste Leiterplatte mit der zweiten Leiterplatte mechanisch über eine leitfähige Kurzdistanzverbindung verbunden. Über die Kurz distanzverbindung wird eine mechanische Verbindung zwischen der ersten und der zweiten Leiterplatte hergestellt, die die räumliche Lage der ersten und der zweiten Leiterplatte zueinander bestimmt. Dies bietet den Vorteil, dass Leiterplatten mit optional verschiedenen Eigenschaften kombiniert und mittels einer Kurzdistanz- Verbindungstechnik mechanisch verbunden werden können, um einen thermisch und elektrisch optimierten Aufbau einer Leistungshalbleiteranordnung zu realisieren. Bevorzugt stellt die Kurzdistanzverbindung auch die elektrische leitende Verbindung für den Arbeitsstrom dar, der zwischen der ersten und der zweiten Leiterplatte sowie den darauf angeordneten elektrischen Bauelementen ausgetauscht wird.
In einer Ausführungsform weist die erste Leiterplatte überwiegend ein erstes Platten material und die zumindest eine zweite Leiterplatte überwiegend ein zweites Platten material auf. Das erste Plattenmaterial ist von dem zweiten Plattenmaterial ver schieden. Insbesondere besteht eine Grundstruktur der ersten Leiterplatte aus dem ersten Plattenmaterial und eine Grundstruktur der zweiten Leiterplatte aus dem zweiten Plattenmaterial. Eine Grundstruktur einer Leiterplatte ist beispielsweise eine Trägerplatte oder ein überwiegendes Trägermaterial. In die Grundstruktur sind z.B. Leiterbahnen eingefügt oder eingebettet, und auf die Grundstruktur können z.B. Bauelemente aufgesetzt werden. Diese Ausführungsform bietet den Vorteil, dass Leiterplatten mit verschiedenen Eigenschaften kombiniert und - optional mittels einer Kurzdistanzverbindungstechnik - elektrisch und mechanisch verbunden werden können, um einen thermisch und elektrisch optimierten Aufbau einer Leistungs halbleiteranordnung zu realisieren.
Die beiden oben genannten Ausführungsformen in Kombination ermöglichen es, einen Leistungshalbleiter mit hoher Schaltfrequenz z. B. in einer Schaltzelle und/oder einer Leistungsstufe einzusetzen und insbesondere in einem Stromrichter mit einem kompakten und insofern kostengünstigen Gehäuse zum Umrichten elektrischer Leistung zu verwenden. Dabei ist insbesondere die Ableitung der bei hohen Schaltfrequenzen entstehenden Wärme verbessert und der Bedarf an Kühlflächen am Stromrichter verringert, indem die Leistungshalbleiter auf der zweiten Leiterplatte separiert angeordnet sind und die zweite Leiterplatte auf die Ableitung der Verlustwärme der Leistungshalbleiter an die Kühlflächen optimierbar ist.
Bevorzugt sind zumindest drei elektrische Verbindungen zwischen der ersten und der zweiten Leiterplatte realisiert, nämlich um Leistung von der ersten zur zweiten Leiter platte zu transportieren, um Leistung in Gegenrichtung von der zweiten zur ersten Leiterplatte zu transportieren, und um bidirektionale Signale über eine Signalleitung zu transportieren. Der Leistungshalbleiter ist elektrisch zwischen den elektrischen Verbindungen angeordnet, die elektrische Leistung mit der ersten Leiterplatte austauschen, und kann den Leistungsfluss zwischen diesen elektrischen Verbindungen getaktet hersteilen und unterbrechen. Die Signalleitung kann zwei separate Kanäle, insbesondere einen Hin- und einen Rückkanal aufweisen. Bevorzugt sollten die elektrischen Verbindungen zwecks Isolations-'koordination einen gewissen Abstand voneinander einhalten.
Aus mechanischer Sicht kann es vorteilhaft sein, mehrere Kurzdistanzverbindungen zu realisieren, da eine Fixierung der zweiten Leiterplatte mit der ersten Leiterplatte mittels einer einzelnen Kurzdistanzverbindung zu Verformungen der Leiterplatten oder ähnlichem führen kann. In Ausführungsformen können daher mehrere Kurz distanzverbindungen verwendet werden, die z.B. wie Stützsäulen um den Leistungs halbleiter herum angeordnet werden können. Es ist möglich, dass z.B. nur manche dieser Kurzdistanzverbindungen auch eine elektrische Verbindung hersteilen und andere rein mechanische Funktion haben. Damit können z.B. auch Leistungs schalter, deren Leistungsanschlüsse alle auf derselben Seite des Leistungsschalters liegen, auf der zweiten Leiterplatte angeordnet und elektrisch mit der ersten Leiter platte verbunden werden. Insbesondere kann über zwei Kurzdistanzverbindungen auf der Anschlussseite des Leistungsschalter elektrisch und mechanisch verbunden werden, und über eine weitere Kurzdistanzverbindung auf der gegenüberliegenden Seite des Leistungsschalters lediglich mechanisch verbunden werden. Dies ergibt Kombinationen aus zwei oder mehr mechanischen Verbindungen, von denen nur manche elektrisch aktiv sind, d.h. Leistungs- oder Signalkanäle aufweist.
In einer Ausführungsform der Leistungshalbleiteranordnung ist das zweite Platten material, aus dem die zweite Leiterplatte überwiegend besteht, thermisch leitfähiger als das erste Plattenmaterial, aus dem die erste Leiterplatte überwiegend besteht. Dies ermöglicht eine verbesserte Entwärmung des zumindest einen Leistungshalb leiters. Es ist z.B. möglich, dass die erste Leiterplatte überwiegend aus Glasfaser- Harz-Verbundmaterial und die zweite Leiterplatte überwiegend aus Metall besteht.
In einer Ausführungsform der Leistungshalbleiteranordnung stellt das zweite Platten material der zweiten Leiterplatte eine thermisch leitende Verbindung zwischen dem Leistungshalbleiter und einem Kühlkörper her. Hierdurch kann die Entwärmung des Leistungshalbleiters über das zweite Plattenmaterial und den Kühlkörper an die Umgebung weiter verbessert werden.
In einer Ausführungsform der Leistungshalbleiteranordnung ist das erste Platten material ein Glasfaser-Harz-Verbundmaterial und die erste Leiterplatte weist Leiter bahnen auf, welche auf mehreren Ebenen in der ersten Leiterplatte verlaufen und insbesondere aus Kupfer sind. Eine Leiterbahn stellt z.B. eine horizontale Verbin dung, d.h. eine parallel zu den Oberflächen der Leiterplatter verlaufende Verbindung zwischen zwei Punkten der Leiterplatte her. In einer Leiterbahnebene können mehrere Leiterbahnen nebeneinander liegen. Für jede elektrische Verbindung, die letztlich zu einem Leistungsschalters auf der zweiten Leiterplatte führt, kann eine Leiterbahn vorgesehen sein, die zur Position einer Kurzdistanzverbindung auf der ersten Leiterplatte führt.
Die erste Leiterplatte weist bevorzugt eine Grundstruktur aus Glasfaser-Harz- Verbundmaterial auf. In die Grundstruktur sind Kupferlagen als Leiterbahnebenen eingefügt. Die thermische Leitfähigkeit der ersten Leiterplatte wird im Wesentlichen durch das Glasfaser-Harz-Verbundmaterial bestimmt, das eine eher geringe thermische Leitfähigkeit aufweist, während der überwiegende Teil der Wärme vom thermisch gut leitenden Kupfer der Leiterbahnen der Leiterbahnebene geleitet wird, allerdings in einer Richtung parallel zur Oberfläche der ersten Leiterplatte. Die erste Leiterplatte kann z.B. 2-4 mm dick sein und z.B. 6 Lagen Kupfer aufweisen, wobei jede Lage eine Dicke von 70 pm besitzen kann. Bei einer solchen Platte beträgt der Kupferanteil in der Platine bzw. Stärke an der Gesamtdicke weniger als 20%
In einer Ausführungsform der Leistungshalbleiteranordnung ist das zweite Platten material ein Metall, insbesondere Kupfer oder Aluminium, und die zumindest eine zweite Leiterplatte weist insbesondere genau eine Ebene mit Leiterbahnen auf. Insbesondere weist die Leiterbahnenebene der zumindest einen zweiten Leiterplatte genau drei Leiterbahnen auf.
Die zweite Leiterplatte weist z.B. eine metallische Grundstruktur, insbesondere eine Trägerplatte auf. Die zweite Leiterplatte ist damit gut zur Wärmeabfuhr geeignet. Sie kann darüber hinaus eine elektrische Isolation und eine Wärmespreizlage aufweisen. Statt einer Trägerplatte ist auch eine Ausführung mit Kupfer-Inlays möglich.
Die elektrische Kontaktierung von SMD-Bauteilen auf der zweiten Leiterplatte kann z.B. über oberflächennahe Leiterbahnen erfolgen. Die zweite Leiterplatte weist z.B. eine 2-3 mm dicke Trägerplatte als metallische Basis bzw. ein entsprechendes Kupfer-Inlay, eine 200 pm dicke Isolationsschicht, zwei etwa 35 pm dicke Kupfer lagen (davon eine als Wärmespreizlage und eine als Leiterbahnebene) und da zwischen eine weitere Isolationsschicht von mit 100 pm Dicke auf. Dieser Aufbau weist einen Anteil von über 80% an Kupfer über den Querschnitt auf.
In einer Ausführungsform der Leistungshalbleiteranordnung beträgt der Abstand zwischen der ersten und der zumindest einen zweiten Leiterplatte weniger als 5 mm, bevorzugt weniger als 1 mm, wobei der Abstand insbesondere über die Dicke der Kurzdistanzverbindung bestimmt wird.
In einer Ausführungsform der Leistungshalbleiteranordnung stellt die Kurzdistanz verbindung eine oder mehrere elektrische Verbindungen zwischen der der ersten Leiterplatte, insbesondere den Leiterbahnen der ersten Leiterplatte, und der zweiten Leiterplatte, insbesondere den Leiterbahnen der zweiten Leiterplatte her, wobei die Kurzdistanzverbindung insbesondere durch Einpressen, Löten, Schweißen oder Kletten hergestellt wurde. Beim Schweißen werden z.B. Kupferlagen der ersten und der zweiten Leiterplatte miteinander verschweißt. Beim Löten können Anschluss flächen mittels eines Lotmaterial elektrisch und mechanisch miteinander verbunden werden.
In einer Ausführungsform der Leistungshalbleiteranordnung umfasst die Kurzdistanz verbindung ein Ball Grid Array zur Lötverbindung. Beim Ball Grid Array kann ein „Ball“, der nach dem Verlöten eine von vielen punktuellen elektrischen Kontakte zwischen der ersten und der zweiten Leiterplatte herstellt, ein elektrischer Kanal sein, d.h. eine Verbindung zwischen einer Leiterbahn der ersten Leiterplatte mit einer Leiterbahn der zweiten Leiterplatte. Alternativ kann die Kurzdistanzverbindung faserartige Metallstrukturen zur Herstellung einer metallischen Klettfaserverbindung aufweisen. Bei der Klettfaserverbindung umfasst ein Kanal in der Regel eine Mindestanzahl an einzelnen „Fasern“ der Klettverbindung bzw. weist zumindest eine Mindestfläche auf, die insbesondere die Stromtragfähigkeit dieses Kanals beeinflusst.
Alternativ kann die Kurzdistanzverbindung ein metallisches Blechstück aufweisen, das zwischen den Leiterplatten angeordnet und mit den Leiterplatten verlötet oder verschweißt ist. Das Blechstück kann insbesondere aus Nickel oder vernickeltem Stahl bestehen und einstückig ausgeführt sein, so dass ein Blechstück einen elektrischen Kanal zwischen der ersten und der zweiten Leiterplatte darstellt.
Die Kurzdistanzverbindung kann die erste und die zweite Leiterplatte an mehr als einer Stelle verbinden. Das Ball Grid Array kann mehrere elektrisch getrennte Verbindungen aufweisen, die jeweils Cluster aus mehreren Kanälen aufweisen. Die metallische Klettfaserverbindung kann über mehrere Bündel von Fasern mehrere getrennte elektrische Verbindungen zwischen erster und zweiter Leiterplatte hersteilen. Das metallische Blechstück kann mehrstückig ausgeführt sein und/oder mehrere voneinander elektrisch isolierte metallische Teilabschnitte umfassen. Dabei gilt ein Ball Grid Array bzw. eine Klettfaserverbindung bzw. ein verlötetes oder verschweißtes metallisches Blechstück als eine mechanische Verbindung, auch wenn diese mehrere Cluster bzw. Bündel bzw. Teilabschnitte aufweist und mehrere getrennte elektrische Verbindungen herstellt.
In einer Ausführungsform der Leistungshalbleiteranordnung weist eine elektrische Verbindung über die Kurzdistanzverbindung mehrere elektrische Kanäle auf, beispielsweise mehrere Dutzend Lötpunkte eines Ball Grid Arrays bzw. mehrere Teilabschnitte eines metallischen Blechstücks. Insbesondere zum Transfer elektrischer Leistung zwischen der ersten Leiterplatte und der zweiten Leiterplatte können mehrere Kanäle zu einer Gruppe zusammengefasst sein, wobei eine Gruppe zum Transfer elektrischer Leistung bevorzugt 10 oder mehr Kanäle aufweist. Eine Gruppe kann z.B. aus einem Cluster von „Bällen“ des Ball Grid Arrays bestehen bzw. eine Teilfläche einer Klettfaserverbindung umfassen. Eine derartige elektrische Verbindung ermöglicht insbesondere den Transfer eines wesentlichen Anteils an einer Nennleistung z. B. eines Wechselrichters über die Leistungshalbleiter anordnung.
In einer Ausführungsform der Leistungshalbleiteranordnung umfasst die Kurzdistanz verbindung mindestens einen Steuer- und/oder Signalkanal, der eine Übertragung von Signalen über einzelne Kanäle, insbesondere eine einstellige Anzahl von Kanälen, ermöglicht.
In einer Ausführungsform der Leistungshalbleiteranordnung ist der zumindest eine Leistungshalbleiter über Leiterbahnen der zweiten Leiterplatte mit der Kurzdistanz verbindung elektrisch verbunden ist und auf einer Oberfläche der zweiten Leiterplatte angeordnet. Die elektrische Verbindung des zumindest einen Leistungshalbleiters mit zumindest einer Leiterbahn der zweiten Leiterplatte erfolgt dabei insbesondere über Oberflächenkontakte auf einer Oberfläche der zweiten Leiterplatte.
In einer Ausführungsform der Leistungshalbleiteranordnung weist die erste Leiter platte eine Aussparung auf, so dass der zumindest eine Leistungshalbleiter im montierten Zustand der Leistungshalbleiteranordnung innerhalb der Aussparung angeordnet ist.
In einer Ausführungsform der Leistungshalbleiteranordnung ist der zumindest eine Leistungshalbleiter teilweise oder vollständig innerhalb der zweiten Leiterplatte angeordnet. Dabei kann der Leistungshalbleiter zwischen einer oberen Kupferlage und einer unteren Kupferlage der zweiten Leiterplatte angeordnet sein, wobei die obere Kupferlage Leiterbahnen aufweist, die elektrische Verbindungen zwischen dem Leistungshalbleiter und der Kurzdistanzverbindung hersteilen.
In einer Ausführungsform der Leistungshalbleiteranordnung erfolgt die elektrische Verbindung des innerhalb der zweiten Leiterplatte angeordneten Leistungshalbleiters mit zumindest einer Leiterbahn der zweiten Leiterplatte über eine mit elektrisch leit fähigem Material verfüllte Bohrung durch ein den Leistungshalbleiter umhüllendes Füllmaterial. Der Leistungshalbleiter kann somit als in die Leiterplatte integriert betrachtet werden, indem er z.B. in einer Mulde angeordnet ist, die mit einem Verguss verfüllt und mit einer strukturierten oberen Kupferlage mit Leiterbahnen überdeckt wird. Zum Kontaktieren des Leistungshalbleiters mit der Leiterbahn wird der den Leistungshalbleiter umgebende Verguss und die Kupferlage an geeigneten Stellen, insbesondere in Höhe der elektrischen Anschlüsse des Leistungshalbleiters aufgebohrt, und über ein leitfähiges Füllmaterial werden die Anschlüsse des Leistungshalbleiters mit der Kupferlage und damit mit den Leiterbahnen der zweiten Leiterplatte kontaktiert. Das leitfähige Füllmaterial kann z.B. Lot sein oder durch galvanisches Abscheiden von Kupfer generiert werden. Es ist auch möglich, den Leistungshalbleiter in einer Mulde anzuordnen und zusammen mit den einzelnen Lagen der Leiterplatte formschlüssig zu verpressen oder bündig mit der Oberfläche der Leiterplatte zu vergießen, wobei sich die Leiterbahn z. B. auf oder knapp unter Oberfläche der zweiten Leiterplatter befinden kann.
Die untere Kupferlage der zweiten Leiterplatte kann als eine Wärmespreizlage ausgeführt sein und mit einer Kühlfläche des Leistungshalbleiters thermisch verbunden sein. Dabei ist die Ausdehnung der unteren Kupferlage in lateraler Dimension mindestens doppelt so groß wie die Kühlfläche des Leistungshalbleiters, um eine gute Spreizung der Verlustwärme auf eine größere Fläche zu erzielen.
Dabei kann die untere Kupferlage eine Kühlfläche der zweiten Leiterplatte insgesamt bilden, insbesondere indem die untere Kupferlage zumindest teilweise die untere Oberfläche der zweiten Leiterplatte bildet.
Alternativ oder zusätzlich kann die zweite Leiterplatte eine weitere Kupferlage unterhalb der unteren Kupferlage aufweisen. Eine solche weitere Kupferlage weist bevorzugt mindestens dieselbe Fläche wie die untere Kupferlage auf und ist von der unteren Kupferlage elektrisch isoliert. Die weitere Kupferlage kann dabei eine Kühl fläche der zweiten Leiterplatte insgesamt bilden, insbesondere indem die weitere Kupferlage zumindest teilweise die untere Oberfläche der zweiten Leiterplatte bildet.
Mit dem Aufbau der beschriebenen Ausführungsbeispiele können z.B. die Schalt zellen und/oder die Leistungsstufen eines Stromrichters optimal gekühlt werden und eine kompakte Bauweise aufweisen. Im Vergleich zu herkömmlichen Aufbau- und Verbindungskonzepten mit THT-Bauteilen und/oder mit integrierten Leistungs modulen auf Standard-Platinen treten durch den kompakten Aufbau beispielsweise niedrigere Leitungsinduktivitäten auf. Bei gegebener Kühlungsleistung einer Peri- pherie des zumindest einen Leistungsschalters, insbesondere bei einem gegebenen Kühlkörper können höhere Schaltgeschwindigkeiten erzielt werden und/oder höhere Leistungen umgesetzt werden.
Mit den beschriebenen Ausführungsbeispielen kann eine höhere Leistung bei gleichem Flächenbedarf der Leistungshalbleiteranordnung, z.B. der Schaltzelle, umgesetzt und der Aufwand bei Fertigung und Zusammenbau verringert werden. Dadurch werden insbesondere die Einsatzmöglichkeiten von SiC- und/oder GaN- basierten Leistungsschaltern in Stromrichtern erweitert, die eine hohe elektrische Leistung mit einer hohen Schaltfrequenz umrichten können, wenn eine geeignete Entwärmung entsprechend den beanspruchten Ausführungsformen sichergestellt ist. Mögliche parasitäre Induktivitäten werden verringert und die Entwärmung verbessert, so dass die Schaltfrequenz bzw. die Schaltgeschwindigkeit verbessert werden kann. Die beschriebenen Leistungshalbleiteranordnungen können kompakt gebaut werden, um die Möglichkeiten der Anordnung in Gehäusen und/oder Leistungsmodulen zu vergrößern. Außerdem können die Leistungshalbleiteranordnungen, insbesondere solche mit einer Mehrzahl an Schaltern aus Leistungshalbleitern, ohne eine ent sprechende Vielzahl von gleichzeitig herzustellenden Einpressverbindungen montiert werden, was den Montagevorgang effizienter und einfacher macht und insbesondere eine von-Hand-Bestückung einzelner Leistungsmodulen vermeiden hilft.
Die beschriebenen Leistungshalbleiteranordnungen können in Brückenschaltungen für Stromrichter, insbesondere in Wechselrichtern, zum Einsatz kommen. Brücken schaltungen in Wechselrichtern werden auch Wechselrichterbrücken genannt.
In einer Ausführungsform umfasst eine Wechselrichterbrücke eine Leistungshalb leiteranordnung mit mindestens vier Leistungshalbleitern in einer einphasigen Brückenschaltung, die jeweils einzeln auf jeweiligen zweiten Leiterplatten angeordnet sind, wobei diese zweiten Leiterplatten mit derselben ersten Leiterplatte elektrisch verbunden sind.
In einer Ausführungsform umfasst die Wechselrichterbrücke eine Leistungshalbleiter anordnung mit mindestens vier Leistungshalbleitern in einer einphasigen Brücken schaltung, wobei die Leistungshalbleiter paarweise auf mindestens zwei zweiten Leiterplatten oder komplett auf genau einer gemeinsamen zweiten Leiterplatte angeordnet sind.
In einer Ausführungsform umfasst die Wechselrichterbrücke eine Leistungshalbleiter anordnung mit mindestens sechs Leistungshalbleitern in einer dreiphasigen Brücken schaltung, die jeweils einzeln auf jeweiligen zweiten Leiterplatten angeordnet sind, wobei die zweiten Leiterplatten mit derselben ersten Leiterplatte elektrisch verbunden sind.
In einer Ausführungsform umfasst die Wechselrichterbrücke eine Leistungshalbleiter anordnung mit mindestens sechs Leistungshalbleitern in einer dreiphasigen Brücken schaltung, wobei die Leistungshalbleiter einer Phase der dreiphasigen Brücken schaltung jeweils gemeinsam auf einer zweiten Leiterplatte angeordnet sind.
Ein erfindungsgemäßer Wechselrichter weist eine Wechselrichterbrücke nach einer der beschriebenen Ausführungsformen und einen Kühlkörper auf. Die Leistungs halbleiteranordnung der jeweiligen Wechselrichterbrücke ist dabei bevorzugt auf einem Kühlkörper montiert, der mit der Umgebung Wärme austauscht. Dabei ist die zweite Leiterplatte zwischen der ersten Leiterplatte und dem Kühlkörper angeordnet, so dass ein guter thermischer Kontakt zwischen dem Leistungshalbleiter und dem Kühlkörper erzielt wird.
Kurzbeschreibunq der Figuren
Im Folgenden wird die Erfindung mithilfe von Figuren näher erläutert.
Fig. 1 zeigt schematisch eine Leistungshalbleiteranordnung;
Fig. 2 zeigt schematisch eine weitere Ausführungsform einer Leistungshalbleiter anordnung;
Fig. 3 zeigt schematisch eine weitere Ausführungsform einer Leistungshalbleiter anordnung,
Fig. 4 zeigt schematisch einen Querschnitt einer zweiten Leiterplatte mit integriertem Leistungshalbleiter, Fig. 5 zeigt schematisch einen Querschnitt einer zweiten Leiterplatte mit integriertem Leistungshalbleiter in einerweiteren Ausführungsform,
Fig. 6 zeigt schematisch eine Aufsicht auf eine zweite Leiterplatte und Fig. 7 zeigt schematisch eine Aufsicht auf eine Brückenschaltung.
In den Figuren sind gleiche oder ähnliche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
Fiqurenbeschreibunq
In Fig. 1 ist eine Leistungshalbleiteranordnung 10 mit einer ersten Leiterplatte 14 und einer zweiten Leiterplatte 16 dargestellt.
Elektrische Bauteile für den Betrieb der Leistungshalbleiteranordnung 10 in einem leistungselektronischen Umrichter, z.B. SMD-Bauteile 32 und/oder THT-Bauteile 28, befinden sich auf der ersten Leiterplatte 14. Die erste Leiterplatte 14 ist in herkömm licher Bauart ausgeführt und kann insbesondere überwiegend aus Kunststoff bestehen, beispielsweise einem Glasfaser-Harz-Verbundmaterial. Die erste Leiter platte 14 ist oberhalb und im Wesentlichen parallel zu der zweiten Leiterplatte 16 angeordnet. Ein Leistungshalbleiter 12, z.B. ein Halbleiter-Leistungsschalter als Teil einer Brückenschaltung eines leistungselektronischen Umrichters, kann in SMD Bauweise ausgeführt sein und sich auf der im montierten Zustand der ersten Leiter platte 14 zugewandten Seite, in Fig. 1 also auf der Oberseite der zweiten Leiterplatte 16 befinden. Die zweite Leiterplatte 16 ist thermisch optimiert, d.h. insbesondere darauf optimiert, Wärme effektiv von einem Bauteil auf einer Seite der Leiterplatte 16, insbesondere vom Leistungshalbleiter 12, auf die andere Seite der Leiterplatte 16 zu transportieren, in Fig. 1 also von ihrer Ober- auf ihre Unterseite. Auf ihrer Unterseite ist die zweite Leiterplatte 16 über eine optionale Wärmeleitpaste 22 mit einem Kühlkörper 24 mit Finnen 26 verbunden. Somit befindet sich der Leistungshalbleiter 12 zwischen der ersten Leiterplatte 14 und der zweiten Leiterplatte 16.
Die Leiterplatten 14, 16 sind über grundsätzlich leitfähige Kurzdistanzverbindungen 18 mechanisch und ggf. elektrisch miteinander verbunden. Insbesondere können die Leiterplatten 14, 16 über die Kurzdistanzverbindung 18 miteinander verlötet sein, z.B. über ein Ball Grid Array. Alternativ können zur Herstellung der Kurzdistanzver bindung 18 jeweilige Kupferlagen der beiden Leiterplatten 14, 16 miteinander ver schweißt werden, öder es können metallische Blechstücke, insbesondere aus Nickel oder vernickeltem Stahl, zwischen den Leiterplatten 14, 16 angeordnet und mit den Leiterplatten 14, 16 verlötet oder verschweißt werden. Weiterhin alternativ können die Leiterplatten 14, 16 über einen elektrisch leitenden mechanischen Klettverschluss elektrisch miteinander verbunden werden, wobei der Klettverschluss beispielsweise durch ein Klettwelding-Verfahren hergestellt werden kann. Ein Klettwelding-Verfahren ist z. B. in DE102017126724 beschrieben. Ein derartiger Klettverschluss kann lösbar ausgeführt sein, um z.B. die Reparatur von Bauteilen zu ermöglichen. Ein Klettverschluss kann auch nicht lösbar ausgeführt sein, indem beim Zusammenfügen durch Druck und/oder Temperatur eine Verbindung zwischen den Fasern auf Atom gitterebene hergestellt wird, ähnlich wie beim Kaltschweißen von Metallen.
Auf der zweiten Leiterplatte 16 befindet sich mindestens ein Leistungshalbleiter 12. Der Leistungshalbleiter 12 kann insbesondere drei Anschlüsse aufweisen, wobei zwischen zwei Anschlüssen elektrische Leistung fließen bzw. von einem Schalt element unterbrochen werden kann, während der dritte Anschluss zur Steuerung des Schaltelements dient. Daher können für den Betrieb eines Leistungshalbleiters 12 mindestens drei voneinander isolierte elektrische Leitungspfade von der ersten Leiterplatte 14 zur zweiten Leiterplatte bzw. zurückführen, davon insbesondere zwei Leitungspfade für elektrische Leistung und ein Leitungspfad als Steuer- und/oder Signalleitung. Bei mehreren Leistungshalbleitern 12 auf der zweiten Leiterplatte 16 ist zwischen der ersten Leiterplatte 14 und der zweiten Leiterplatte 16 eine ent sprechende Vielzahl an Verbindungen bzw. Leitungspfaden vorzusehen. Dabei können mehrere (Leistungs-)Verbindungen in einer Kurzdistanzverbindung 18 zusammengefasst sein, z.B. indem mehrere Ball Grid Subarrays eines BGAs, mehrere Faserbündel eines Klettverschlusses bzw. mehrere voneinander isolierte Teilabschnitte eines Blechstücks jeweils einzelne elektrische Leitungspfade darstellen. Dabei können mehrere oder alle Leitungspfade in einer Kurzdistanz verbindung 18 zusammengefasst sein, so dass eine Kurzdistanzverbindung 18 mehrere getrennte Verbindungen zwischen Leiterbahnen der Leiterplatten 14, 16 und daran angeschlossenen Bauelementen hersteilen kann. Einzelne Kurzdistanz verbindungen 18 können alternativ oder zusätzlich auch lediglich mechanische Funktion erfüllen, also keine elektrische Verbindung zwischen Bauelementen auf den Leiterplatten 14, 16 hersteilen. Etwaige Kurzdistanzverbindungen 18 mit lediglich mechanischer Funktion können Leiterbahnen der Leiterplatten 14, 16 miteinander verbinden, um die mechanische Stabilität sicherzustellen, wobei diese Leiterbahnen dann mit keinen Bauelementen oder anderen Leiterbahnen verbunden sind.
Die thermisch optimierte zweite Leiterplatte 16 ist thermisch mit einem Kühlkörper 24 verbunden. Dazu kann die zweite Leiterplatte mittels Verschraubungen 56 mechanisch mit dem Kühlkörper 24 verbunden sein. Dabei kann zwischen der Unterseite der zweiten Leiterplatte 16 und einer Kühlfläche des Kühlkörpers 24 eine Wärmetransferschicht 22 angeordnet sein. Die Wärmetransferschicht 22 kann als TIM (thermal interface material) ausgeführt sein. Das TIM kann eine Wärmeleitpaste oder eine Wärmeleitfolie umfassen und darf metallisch sein, um thermisch besonders gut zu leiten, wenn eine Isolation bereits in der zweiten Leiterplatte 16 zwischen Leistungshalbleiter 12 und metallischer Grundplatte integriert ist.
Die Kühlfläche des Kühlkörpers 24 kann ein Podest aufweisen, auf dem die zweite Leiterplatte 16 mit dem Leistungshalbleiter 12 angeordnet ist. Dadurch kann der Abstand zwischen der ersten Leiterplatte 14, die mit THT-Bauteilen 28 und SMD- Bauteilen 32 bestückt ist, und dem Kühlkörper 24 ausreichend groß gestaltet und eine Luftstrecke für die Isolations-Koordination sichergestellt werden. Gleichzeitig kann der Abstand zwischen der ersten 14 und der zweiten Leiterplatte 16 derart gering gestaltet werden, dass er von der Kurzdistanzverbindung 18 überbrückt werden kann.
In Fig. 2 ist eine Ausführungsform einer Leistungshalbleiteranordnung 20 dargestellt. Hier ist die Bauhöhe des Leistungshalbleiters 12 größer als der Abstand zwischen der ersten Leiterplatte 14 und der zweiten Leiterplatte 16. In der ersten Leiterplatte 14 ist eine Aussparung 34, z. B. eine Ausfräsung, im Bereich des Leistungshalb leiters 12 vorgesehen. Die Aussparung 34 ist im montierten Zustand der Leistungs halbleiteranordnung 20 derart über dem Leistungshalbleiter 12 angeordnet, dass der Leistungshalbleiter 12 nach oben durch die erste Leiterplatte 14 hindurchragt. Die Kurzdistanzverbindungen 18 überbrücken den verbleibenden Abstand zwischen den Leiterplatten 14, 16, wobei der Abstand weniger als einen Zentimeter betragen kann. Bei Verwendung einer entsprechend dünnen Kurzdistanzverbindung, beispielsweise eines geeigneten Ball-Grid-Arrays, kann der Abstand zwischen den Leiterplatten 14, 16 weniger als 5 mm, bevorzugt sogar weniger als 1 mm betragen. Bei Verwendung eines Blechstücks kann der Abstand zwischen den Leiterplatten 14, 16 insbesondere weniger als 1 mm, bevorzugt weniger als 0,5 mm betragen
In Fig. 3 ist eine Ausführungsform einer Leistungshalbleiteranordnung 30 dargestellt. Hier ist der Leistungshalbleiter 12 innerhalb der zweiten Leiterplatte 16 angeordnet. Der Leistungshalbleiter 12 kann z.B. in einer Vertiefung oder Mulde in der zweiten Leiterplatte 16 angeordnet sein, die nach dem Einfügen des Leistungshalbleiters 12 verfü llt worden sein kann. Bei dieser Ausführungsform kann der Abstand zwischen den Leiterplatten 14, 16 sehr gering ausgeführt werden und ist lediglich durch die Dicke der Kurzdistanzverbindung begrenzt. Im Gegensatz zur Ausführungsform gemäß Figur 2 weist die erste Leiterplatte 14 dabei keine Ausfräsung im Bereich des Leistungshalbleiters 12 auf.
In Fig. 4 ist schematisch ein Schnitt durch eine zweite Leiterplatte 16 mit integriertem Leistungshalbleiter 12 dargestellt. Eine derartige Leiterplatte 16 kann insbesondere in der Ausführungsform gemäß Fig. 3 verwendet werden. Der Leistungshalbleiter 12 ist weitgehend formschlüssig von der zweiten Leiterplatte 16 umgeben, indem der Leistungshalbleiters 12 in einer Aussparung der zweiten Leiterplatte 16 angeordnet ist, die anschließend mit einer geeigneten Füllmasse verfüllt wurde, so dass die Oberfläche des Leistungshalbleiters 12 mit der Füllmasse bedeckt ist.
Der Leistungs-'halbleiter 12 weist einen ersten Kontakt 44 und einen zweiten Kontakt 46 auf. Über dem Leistungshalbleiter 12 befindet sich eine obere Kupferlage 42. Die obere Kupferlage 42 ist nicht durchgängig bzw. vollflächig, sondern in Leiterbahnen 42a, 42b unterteilt. Die Leiterbahnen 42a, 42b sind mit dem ersten Kontakt 44 bzw. dem zweiten Kontakt 46 verbunden. Diese Verbindung kann beispielsweise durch Bohrungen 40 realisiert werden, die von der Kupferlage 42 durch die Deckschicht der Füllmasse zu dem jeweiligen Kontakt 44, 46 reichen und mit leitfähigem Material aufgefüllt sind. Damit werden die Kontakte 44 und 46 mit den Leiterbahnen 42a bzw. 42b kontaktiert. Die dargestellte zweite Leiterplatte 16 weist unterhalb des Leistungshalbleiters 12 eine untere Kupferlage 36 auf, die als Wärmespreizlage ausgeführt ist. Diese Wärmespreizlage kann insbesondere aus Kupfer oder auch aus einem anderen Metall bestehen, z.B. aus Aluminium. Die untere Kupferlage 36 befindet sich in thermischem Kontakt mit einer Kühlfläche 38 des Leistungshalbleiters 12, die zur Abgabe von Verlustwärme des Leistungshalbleiters 12 an die Umgebung vorgesehen ist. Die untere Kupferlage 36 weist insbesondere eine Ausdehnung auf, die deutlich größer als die Kühlfläche 38 ist, und wirkt aufgrund ihrer guten thermischen Leit fähigkeit als Wärmespreizlage zur Verbesserung der Wärmeabfuhr von der zweiten Leiterplatte 16, indem die Wärme vom Leistungshalbleiter 12 in horizontaler Richtung, d.h. parallel zur Oberfläche der zweiten Leiterplatte 16 über eine größere Fläche verteilt wird. Die untere Kupferlage 36 kann die untere Oberfläche der zweiten Leiterplatte 16 bilden und im montierten Zustand der Leiterplattenanordnung, z. B. gemäß Fig. 3, auf einem Kühlkörper 24 montiert sein.
Fig. 5 zeigt einen Schnitt durch eine zweite Leiterplatte 16 mit integriertem Leistungs halbleiter 12 in einerweiteren Ausführungsform. Die zweite Leiterplatte 16 weist eine weitere Kupferlage 48 auf, die sich oberhalb der oberen Kupferlage 42 befindet und in zwei Leiterbahnen 48a, 48b unterteilt ist, die jeweils mit den Leiterbahnen 42a, 42b und damit mit den Kontakten 44 bzw. 46 verbunden sind. Die Leiterbahnen 48a, 48b befinden sich an der Oberfläche der zweiten Leiterplatte 16 und dienen zur Verbindung der Kontakte 44, 46 des Leistungshalbleiters 12 über die Kurzdistanz verbindungen 18 mit den Leiterbahnen der ersten Leiterplatte 14 (vergleiche Fig. 3). Weiterhin weist die zweite Leiterplatte 16 gemäß Fig. 5 eine weitere Kupferlage 50 auf, die sich unterhalb der unteren Kupferlage 36 befindet und von dieser elektrisch isoliert ist. Die weitere Kupferlage 50 kann die untere Oberfläche der zweiten Leiter platte 16 bilden und als Kühlfläche für die zweite Leiterplatte dienen, indem Verlust wärme vom Leistungshalbleiter 12 über die untere Kupferlage 36 und die weitere Kupferlage 50 an die Umgebung, insbesondere an einen Kühlkörper 24 abgegeben wird, auf dem die zweite Leiterplatte 16 montiert werden kann (vergleiche Fig. 3). Die Verlustwärme des Leistungshalbleiters 12 wird im Betrieb eines entsprechend ausge statteten Stromrichters somit über eine Wärmespreizlage zunächst auf eine größere Fläche verteilt und über eine Kühlfläche mit nochmals größerer Fläche auf möglichst direktem und ungehindertem, jedoch elektrisch isoliertem Weg in die Kühlfinnen 26 des Kühlkörpers 24 eingeleitet und von dort an die Umgebung abgegeben.
Fig. 6 zeigt eine zweite Leiterplatte 16 mit zwei Leistungshalbleitern 12 in einer Aufsicht. Die zweite Leiterplatte 16 weist in diesem Beispiel insgesamt fünf Kurz distanzverbindungen 18a-18d auf, die hier als Ball Grid Arrays mit einer Vielzahl an Lötpunkten 54 ausgeführt sind. Die Kurzdistanzverbindungen 18a und 18b sind über Leiterbahnen 42a, 42b mit jeweils einem der Kontakte 44, 46 der Leistungshalbleiter 12 verbunden (vergleiche z.B. Figur 4). Eine weitere Leiterbahn 42c verbindet die jeweils anderen Kontakte der Leistungshalbleiter 12 miteinander und mit einer weiteren Kurzdistanzverbindung 18c. Die zusätzlichen Kurzdistanzverbindungen 18d sind optional und nicht mit Leiterbahnen verbunden. Die Leistungshalbleiter 12 sind mit Steueranschlüssen 52 verbunden, über die die Leistungshalbleiter 12 ein- und ausgeschaltet werden können.
Fig. 7 zeigt eine Brückenschaltung mit einem Ausschnitt einer ersten Leiterplatte 14 und einer „dahinter“ liegenden zweiten Leiterplatte 16 in einer Aufsicht. Die erste Leiterplatte 14 weist eine Aussparung 34 auf, vergleiche Figur 2; alternativ kann auf die Aussparung verzichtet werden, vergleiche Fig. 1 bzw. Fig. 3. Auf der ersten Leiterplatte 14 sind zwei Kondensatoren 28a, 28b als THT-Bauteile angeordnet, die insbesondere zwei Potentiale DC+, DC- eines Gleichspannungszwischenkreis bilden können. Die Potentiale DC+, DC- werden über Leiterbahnen in der ersten Leiterplatte 14 mit Kurzdistanzverbindungen 18a, 18b verbunden. Über die Kurzdistanzverbin dungen 18a, 18b werden die Potentiale DC+, DC- mit den Leiterbahnen 42a, 42b der zweiten Leiterplatte 16 verbunden und damit an die Leistungshalbleiter 12 angelegt. Die zweite Leiterplatte 16 kann insbesondere gemäß Fig. 6 ausgeführt sein, wobei die Kurzdistanzverbindungen 18d mit lediglich mechanischer Funktion in Fig. 7 nicht sichtbar sind. Zur weiteren mechanischen Stabilisierung sind Verschraubungen 56 vorgesehen, die insbesondere die erste Leiterplatte 14 mit einem Kühlkörper 24 verbinden (vergleiche Fig. 1). Dabei kann insbesondere eine Verschraubung 56 zwischen den Leistungshalbleitern 12 angeordnet sein kann, die die Leiterplatten 14, 16 mechanisch miteinander verbindet und ggf. mit dem Kühlkörper 24 verbindet, wenn auf die Aussparung 34 verzichtet wird, d.h. wenn die erste Leiterplatte 14 in Anlehnung an die Ausführungsform gemäß Fig. 1 ausgeführt ist. Gegebenenfalls kann die Verschraubung 56 zwischen den Leistungshalbleitern 12 die thermische Anbindung der Leistungshalbleiter 12 auch in Abwesenheit der Aussparung 34 verbessern.
Durch geeignete Ansteuerung der Leistungshalbleiter 12, beispielsweise mittels der Ansteuerbauteile 32, können die Potentiale DC+, DC- gezielt an die Leiterbahn 42c und damit an die Kurzdistanzverbindung 18c durchgeschaltet werden. Über die Kurz distanzverbindung 18c gelangt das derart getaktete Potential DC+ bzw. DC- in eine weitere Leiterbahn der ersten Leiterplatte 14, die beispielsweise als AC-Potential verwendet und im weiteren Verlauf nach geeigneter Filterung und ähnlichem einen AC-Ausgang der Brückenschaltung bzw. eines die Brückenschaltung aufweisenden Wechselrichters bilden kann.
Im Betrieb eines erfindungsgemäßen Wechselrichters werden die Leistungshalbleiter 12 insbesondere getaktet ein- und ausgeschaltet. Eine geeignete Spannung in den Kondensatoren 28a, 28b des Gleichspannungszwischenkreises vorausgesetzt, kann ein Strom am AC-Ausgang der Brückenschaltung erzeugt werden, der je nach Halb welle von einem der Kondensatoren 28a, 28b über die Kurzdistanzverbindung 18a bzw. 18b zu einem der Leistungshalbleiter 12 fließt und von diesem (getaktet) über die Kurzdistanzverbindung 18c an den AC-Ausgang geleitet wird. Ein konkreter Wechselrichter kann dabei je nach Topologie eine oder mehrere Brückenschaltungen beispielsweise gemäß Fig. 7 aufweisen, wobei jede Brückenschaltung einen oder mehrere Leistungshalbleiter 12 aufweisen kann, die jeweils einzeln oder gemeinsam auf einer oder mehreren zweiten Leiterplatten 16 angeordnet sein können.
Bezuqszeichenliste , 20, 30 Leistungshalbleiteranordnung
Leistungshalbleiter erste Leiterplatte zweite Leiterplatte
Kurzdistanzverbindung a, 18b, 18c, 18d Kurzdistanzverbindungen
Wärmeleitpaste
Kühlkörper
Finne
THT-Bauteil a, 28b Kondensatoren
SMD-Bauteil
Aussparung
Kupferlage
Kühlfläche
Bohrung
Kupferlage a, 42b Leiterbahnen erster Anschluss zweiter Anschluss
Kupferlage a, 48b Leiterbahnen
Kupferlage
Steueranschlüsse
Lötpunkt
Verschraubung

Claims

Patentansprüche
1. Leistungshalbleiteranordnung (10, 20, 30) mit einer ersten Leiterplatte (14), einer zweiten Leiterplatte (16) und einem Leistungshalbleiter (12), wobei die erste Leiterplatte (14) mit der zweiten Leiterplatte (16) elektrisch leitend verbunden ist und der Leistungshalbleiter (12) mit der zweiten Leiterplatte (16) elektrisch leitend verbunden ist, und wobei die erste Leiterplatte (14) mit der zweiten Leiterplatte (16) mechanisch über eine leitfähige Kurzdistanzverbindung (18) verbunden ist.
2. Leistungshalbleiteranordnung (10, 20, 30), insbesondere nach Anspruch 1, mit einer ersten Leiterplatte (14), einer zweiten Leiterplatte (16) und einem Leistungshalbleiter (12), wobei die erste Leiterplatte (14) mit der zweiten Leiterplatte (16) elektrisch leitend verbunden ist und der Leistungshalbleiter (12) mit der zweiten Leiterplatte (16) elektrisch leitend verbunden ist, und wobei die erste Leiterplatte (14) ein erstes Plattenmaterial und die zweite Leiterplatte (16) ein zweites Plattenmaterial aufweist und das erste Plattenmaterial von dem zweiten Plattenmaterial verschieden ist.
3. Leistungshalbleiteranordnung nach Anspruch 2, wobei das zweite Plattenmaterial thermisch leitfähiger ist als das erste Plattenmaterial.
4. Leistungshalbleiteranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweite Leiterplatte (16) eine thermisch leitende Verbindung zwischen dem Leistungshalbleiter (12) und einem Kühlkörper (24) herstellt.
5. Leistungshalbleiteranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Plattenmaterial ein Glasfaser-Harz-Verbundmaterial ist und die erste Leiterplatte Leiterbahnen aufweist, welche auf mehreren Ebenen in der ersten Leiterplatte verlaufen und insbesondere aus Kupfer sind.
6. Leistungshalbleiteranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das zweite Plattenmaterial überwiegend ein Metall, insbesondere Kupfer oder Aluminium ist und die zweite Leiterplatte insbesondere genau eine Ebene mit Leiterbahnen aufweist.
7. Leistungshalbleiteranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Abstand zwischen der ersten und der zweiten Leiterplatte (14, 16) weniger als 5mm, bevorzugt weniger als 1 mm beträgt und der Abstand insbesondere über die Kurzdistanzverbindung bestimmt wird.
8. Leistungshalbleiteranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kurzdistanzverbindung (18) elektrische Verbindungen zwischen der der ersten Leiterplatte, insbesondere Leiterbahnen der ersten Leiterplatte (14), und der zweiten Leiterplatte (16), insbesondere Leiterbahnen der zweiten Leiterplatte (16) herstellt, wobei die Kurzdistanzverbindung (18) insbesondere durch Einpressen, Löten, Schweißen oder Kletten hergestellt wurde.
9. Leistungshalbleiteranordnung nach Anspruch 8, wobei die Kurzdistanz verbindung (18) als Ball Grid Array, als metallische Klettfaserverbindung oder mittels eines metallischen Blechstücks ausgebildet ist.
10. Leistungshalbleiteranordnung nach Anspruch 8 oder 9, wobei die elektrische Verbindung über die Kurzdistanzverbindung (18) mehrere elektrische Kanäle aufweist, wobei insbesondere zum Transfer elektrischer Leistung zwischen der ersten Leiterplatte (14) und der zweiten Leiterplatte (16) mehrere Kanäle zu einer Gruppe zusammenfassbar sind, wobei eine Gruppe bevorzugt 10 oder mehr Kanäle aufweist.
11. Leistungshalbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei die Kurzdistanzverbindung (18) mindestens einen Steuer- und/oder Signalkanal umfasst, der eine Übertragung von Signalen über einzelne Kanäle, insbesondere über einen einzigen Kanal der Kanäle der Kurzdistanzverbindung (18) ermöglicht.
12. Leistungshalbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 11 , wobei der Leistungshalbleiter (12) über Leiterbahnen der zweiten Leiterplatte (16) mit der Kurzdistanzverbindung elektrisch verbunden ist und auf einer Oberfläche der zweiten Leiterplatte (16) angeordnet ist, wobei die elektrische Verbindung des Leistungshalbleiters (12) mit zumindest einer Leiterbahn der zweiten Leiterplatte (16) über zumindest einen Oberflächenkontakt auf einer Oberfläche der zweiten Leiterplatte erfolgt.
13. Leistungshalbleiteranordnung nach Anspruch 12, wobei die erste Leiterplatte (14) eine Aussparung (34) aufweist, so dass der Leistungshalbleiter (12) im montierten Zustand der Leistungshalbleiteranordnung innerhalb der Aussparung (34) angeordnet ist.
14. Leistungshalbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , wobei der Leistungshalbleiter (12) teilweise oder vollständig innerhalb der zweiten Leiterplatte (16) angeordnet ist.
15. Leistungshalbleiteranordnung nach Anspruch 14, wobei der Leistungshalbleiter (12) zwischen einer oberen Kupferlage (42) und einer unteren Kupferlage (36) der zweiten Leiterplatte (16) angeordnet ist, wobei die obere Kupferlage (42) Leiterbahnen (42a, 42b) aufweist, die eine elektrische Verbindung zwischen dem Leistungshalbleiter (12) und der Kurzdistanzverbindung (18) darstellen.
16. Leistungshalbleiteranordnung nach Anspruch 15, wobei die elektrische Verbindung des Leistungshalbleiters (12) mit den Leiterbahnen der zweiten Leiterplatte (16) über mit elektrisch leitfähigem Material verfüllte Bohrungen (40) erfolgt.
17. Leistungshalbleiteranordnung nach Anspruch 15 oder 16, wobei die untere Kupferlage (36) mit einer Kühlfläche (38) der Leistungshalbleiters (12) thermisch verbunden ist und eine Ausdehnung aufweist, die mindestens doppelt so groß ist wie die Kühlfläche (38) des Leistungshalbleiters (12).
18. Leistungshalbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 15 bis 17, wobei die untere Kupferlage (36) eine Kühlfläche der zweiten Leiterplatte (16) bildet.
19. Leistungshalbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 15 bis 17, wobei eine weitere Kupferlage (50) unterhalb der untere Kupferlage (36) angeordnet ist, wobei die weitere Kupferlage (50) mindestens dieselbe Fläche wie die untere Kupferlage (36) aufweist, von der unteren Kupferlage (36) elektrisch isoliert ist und eine Kühlfläche der zweiten Leiterplatte (16) bildet.
20. Wechselrichterbrücke, mit mindestens einer Leistungshalbleiteranordnung (10,
20, 30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
21. Wechselrichterbrücke nach Anspruch 20, umfassend mindestens vier Leistungshalbleiter (12) in einer einphasigen Brückenschaltung, die jeweils einzeln auf jeweiligen zweiten Leiterplatten (16) angeordnet sind, wobei diese zweiten Leiterplatten (16) mit derselben ersten Leiterplatte (14) elektrisch verbunden sind.
22. Wechselrichterbrücke nach Anspruch 20, umfassend mindestens vier Leistungshalbleiter (12) in einer einphasigen Brückenschaltung, wobei die Leistungshalbleiter paarweise auf mindestens zwei zweiten Leiterplatten (16) oder komplett auf genau einer gemeinsamen zweiten Leiterplatte (16) angeordnet sind.
23. Wechselrichterbrücke nach Anspruch 20, umfassend mindestens sechs Leistungshalbleiter (12) in einer dreiphasigen Brückenschaltung, die jeweils einzeln auf jeweiligen zweiten Leiterplatten (16) angeordnet sind, wobei die zweiten Leiterplatten mit derselben ersten Leiterplatte (14) elektrisch verbunden sind.
24. Wechselrichterbrücke nach Anspruch 20, umfassend mindestens sechs Leistungshalbleiter (12) in einer dreiphasigen Brückenschaltung, wobei die Leistungshalbleiter (12) einer Phase der dreiphasigen Brückenschaltung jeweils gemeinsam auf einer zweiten Leiterplatte (16) angeordnet sind.
25. Wechselrichter mit einer Wechselrichterbrücke nach einem der Ansprüche 20 bis 25 und einem Kühlkörper (24), wobei die Leistungshalbleiteranordnung (10, 20, 30) auf dem Kühlkörper montiert ist, wobei die zweite Leiterplatte (16) zwischen der ersten Leiterplatte (14) und dem Kühlkörper (24) angeordnet ist, und wobei optional die zweite Leiterplatte (16) und/oder die erste Leiterplatte (14) mechanisch mittels Verschraubungen (56) mit dem Kühlkörper verbunden ist.
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