低电感运行直流电压回路上的功率半导体模块的模块装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种用于低电感地运行直流电压回路上的功率半导体模块的模块装置，其具有在功率半导体模块的基底上的至少三个直流电压印制导线和带有至少三个直流电压轨道的多导体布线轨，直流电压轨道分别与直流电压印制导线中的一个电连接，其中直流电压轨道分层地布置，其中分层设置的直流电压轨道从功率半导体模块中引出，并且其中在运行中在分层设置的直流电压轨道的至少一个处施加具有直流电压的第一电势，并且在分层布置的直流电压轨道的剩余的直流电压轨道处分别施加具有直流电压的、具有与第一电势相反极性的第二电势。本发明专利技术还涉及一种具有模块装置的电变流器以及涉及一种具有用于运行驱动电机的电变流器的电动或混合动力车辆。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种用于低电感地运行直流电压回路上的功率半导体模块的模块装置，模块装置具有在功率半导体模块的基底上的至少三个直流电压印制导线和带有直流电压轨道的多导体布线轨，直流电压轨道与功率半导体模块的直流电压印制导线电连接，此外，本专利技术还涉及一种具有模块装置的电变流器以及涉及一种具有用于运行驱动电机的电变流器的电动或混合动力车辆。
技术介绍
在高频时钟控制的功率电子电路中，所应用的电的或电子的部件的寄生的、存在损失的电特性具有重要的意义，其中功率电子电路例如应用在电动或混合动力车辆的电变流器中。对于极其快速的瞬时过程而言，换向单元中的或其电路中的寄生电感起到决定性作用，其中极其快速的瞬时过程尤其通过这种变流器中的可开关的功率半导体的开关操作来引起。换向单元例如又位于变频器的桥式电路(半桥电路或全桥电路)的桥支路中，变频器具有直流电压回路或直流电压中间回路，并且连接到交流系统上。在换向单元之内，在功率半导体的开关过程期间，切断例如穿过桥支路的上方的功率半导体的感生电流，并且随后电流换向到桥支路的下方的功率半导体上。在功率半导体的尤其快速的切断过程中，在换向过程期间，系统固有的电感、例如电导体的线路电感是功率半导体上的不期望的过压的原因。为了降低该过压，现在一方面能够降低功率半导体的开关速度，但是由此通常引起功率半导体中的开关损失的显著提高。另一方面，对电结构的通常要求是：降低桥式电路的桥支路的电连接中的电感，桥式电路以半桥或全桥功率半导体模块(六脉冲桥式电路)实现。电感的这种降低、例如尤其是通过电导体的结构上的还有由材料决定的设计来确定的这种降低，与如下目标结合在一起，将直流电压回路上的此外用于降低电压剩余波动性的电容器尽可能电地、且因此也机械紧密地与桥式电路的功率半导体连接。然而由于尤其适用于电动或混合动力车辆中的电变流器的、结构上和功能上的要求，通常对其设定窄的界限。通常借助于两个单独的端子构成功率半导体模块的直流电压端子，直流电压端子将功率半导体模块与直流电压回路或与直流电压回路的一个或多个电容器连接，单独的端子在运行时具有直流电压回路的直流电压的正的或负的电势。根据如今的现有技术，通常通过两个彼此叠加设置的、尽可能并联走向的并且多数轨道形设计的电导体(汇流条)，实现将功率半导体模块联接在直流电压回路的电容器上并且此外联接在电变流器的直流电压回路上。为了降低换向电感，例如降低这两个导体的间距或者提高导体宽度。为了遵守机械限制以及电压抗击性的边界值，不能任意地缩小该导体的间距。导体的宽度通常受到结构空间尺寸限制。因此以该路径通常几乎不能进一步降低电感。
技术实现思路
本专利技术所基于以下目的：通过结构上和电子技术上尤其适合的布置降低换向单元中的、对于功率半导体的开关过程而言不期望的电感，该电感施加穿过换向单元(Kommutierungszelle)的电部件、尤其穿过在直流电压回路的电容器和功率半导体模块之间的连接的电导体。本专利技术基于以下认知，桥式电路的功率半导体或功率半导体模块必须具有通向直流电压回路的或直流电压中间回路的电容器的尽可能低电感的电连接，以便降低在开关功率半导体时的开关损失和不期望的过压。同时，常规的结构上的解决方案尤其在应用于电动或混合动力车辆中时几乎不提供优化的可行性，从而仅能够通过背离该已知解决方案才能够在有利地充分利用电学技术的关联的情况下实现问题的显著改进。因此，为了实现目的，提出一种用于低电感地运行直流电压回路上的功率半导体模块的模块装置，其具有在功率半导体模块的基底上的至少三个直流电压印制导线和带有至少三个直流电压轨道的多导体布线轨，直流电压轨道分别与直流电压印制导线中的一个电连接，其中直流电压轨道分层地布置，分层布置的直流电压轨道从功率半导体模块中引出，并且其中在运行中将直流电压的第一电势施加在分层布置的直流电压轨道的至少一个上，并且分别将直流电压的具有与第一电势相反极性的第二电势施加在分层布置的直流电压轨道的剩余的直流电压轨道上。该目的的解决方案的起点是如下考虑：在开关过程中、尤其在功率半导体的换向过程中造成电损失的电感、例如在桥式电路的桥支路中出现的电感尤其也受到直流电压轨道上的磁场影响。借助将对该电学技术效应的充分利用和在结构上新型的模块装置的形成相组合，从现在开始显著地降低对于开关过程的不期望的电感。根据全电流定律(Durchflutungssatz)，根据下式围绕单个的以下电导体产生磁场，其中电导体具有与其长度相比极其小的厚度：在此，H0表示单个的电导体处的磁场强度，I表示穿流过电导体的电流，并且h是电导体的长度。在具有两个彼此并排的直流电压轨道的布置的导体中间腔中，例如两个电导体的磁场强度能够与电流通量的相应不同的方向和不同的电势叠加，如其在至今为止的具有两个直流电压轨道的解决方案中产生的，其中直流电压轨道从功率半导体模块中引出并且与直流电压回路连接：在此，H1表示总磁场强度，总磁场强度在运行中在这两个彼此并排的电导体的导体中间腔中生成，I表示电流，电流分别以不同的通流方向流动经过这两个尽可能紧密彼此并排的直流电压轨道，并且h确定了直流电压轨道的长度，直流电压轨道在此设定具有分别近似相同的长度。如果从现在开始观察三个直流电压轨道，其中直流电压轨道分层地布置且进而基于其布置而具有两个导体中间腔，那么在这两个相应的导体中间腔中的相应的总磁场强度在确定的前提下如下产生：在此，H2和H3表示总磁场强度，总磁场强度在运行中在这三个分层布置的直流电压轨道的两个导体中间腔的各一个中产生。多导体布线轨的分层布置的直流电压轨道的靠内的一个在运行中具有直流电压的第一电势，多导体布线轨的分层布置的直流电压轨道的靠外的两个具有直流电压的第二电势。此外，I是流动经过直流电压轨道的电流，并且h表示直流电压轨道的长度，直流电压轨道分别表示具有几乎相同的长度。当电流的子电流在运行中分别流动经过分层布置的直流电压轨道的靠外的两个时，此时对于多导体布线轨的相应导体中间腔中的这两个总磁场强度的上述公式以该形式近似地适用。该子电流具有与以下电流相反的方向，该电流流动经过分层布置的直流电压轨道的靠内的一个。在多导体布线轨中靠外布置的直流电压轨道中的子电流之和得出在多导体布线轨中靠内布置的直流电压轨道的电流。如果从在多导体布线轨的直流电压轨道的长度上有恒定的导体间距出发，那么与具有两个直流电压轨道的常规布置的导体中间腔相比，这三个分层布置的直流电压轨道的导体中间腔具有双倍体积：V23＝V2+V3＝2·V1在此，V23表示随着三个直流电压轨道形成的相应的导体中间腔的第二体积V2和第三体积V3的总和，并且V1表示具有两个直流电压轨道的布置的导体中间腔的第一体积。由至今为止的观察，现在能够求出由三个电导体构成的分层布置的直流电压轨道布置中的电感与由两个电导体构成的直流电压轨道布置中的电感之比：在此，L(3导体)表示如下电感，根据本专利技术的模块装置借助于多导体布线轨的三个分层布置的直流电压轨道具有该电感，并且L(2导体)表示如下电感，具有两个直流电压轨道的布置具有该电感。在公式中出现的符号μ表示所观察的体积中的材料相关的导磁率。因为在对于具有三个直流电压轨道的布置的上面观察中设定在相应的导体中间腔中的磁场本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于低电感地运行直流电压回路(3)上的功率半导体模块(27)的模块装置(1)，所述模块装置具有多导体布线轨(2)和在所述功率半导体模块(27)的基底(4)上的至少三个直流电压印制导线(5)，所述多导体布线轨带有至少三个直流电压轨道(6)，所述直流电压轨道分别与所述直流电压印制导线(5)中的一个直流电压印制导线电连接，其中所述直流电压轨道(6)分层地布置，分层布置的所述直流电压轨道(6)从所述功率半导体模块(27)中引出，并且在运行中，在分层布置的所述直流电压轨道(6)中的至少一个直流电压轨道处施加具有直流电压(VDC)的第一电势(VDC+)，并且在分层布置的所述直流电压轨道(6)的剩余的直流电压轨道处分别施加具有所述直流电压(VDC)的、带有与所述第一电势(VDC+)相反的极性的第二电势(VDC‑)。

【技术特征摘要】
2015.08.24 DE 102015216083.11.一种用于低电感地运行直流电压回路(3)上的功率半导体模块(27)的模块装置(1)，所述模块装置具有多导体布线轨(2)和在所述功率半导体模块(27)的基底(4)上的至少三个直流电压印制导线(5)，所述多导体布线轨带有至少三个直流电压轨道(6)，所述直流电压轨道分别与所述直流电压印制导线(5)中的一个直流电压印制导线电连接，其中所述直流电压轨道(6)分层地布置，分层布置的所述直流电压轨道(6)从所述功率半导体模块(27)中引出，并且在运行中，在分层布置的所述直流电压轨道(6)中的至少一个直流电压轨道处施加具有直流电压(VDC)的第一电势(VDC+)，并且在分层布置的所述直流电压轨道(6)的剩余的直流电压轨道处分别施加具有所述直流电压(VDC)的、带有与所述第一电势(VDC+)相反的极性的第二电势(VDC-)。2.根据权利要求1所述的模块装置(1)，其中，在运行期间，所述多导体布线轨(2)的、彼此直接相对置的所述直流电压轨道(6)分别具有带有相反极性的电势(VDC+，VDC-)。3.根据权利要求1或2所述的模块装置(1)，其中，所述多导体布线轨(2)具有奇数个直流电压轨道(6)。4.根据前述权利要求中任一项所述的模块装置(1)，其中，在运行中，所述多导体布线轨(2)的、具有相同极性的电势(VDC-)的所述直流电压轨道(6)由电流(IDC)的近似对称的子电流(I'DC)穿流。5.根据前述权利要求中任一项所述的模块装置(1)，其中，在所述多导体布线轨(2)的、借助电势(VDC+，VDC-)的相应相反的极性运行的所述直流电压轨道(6)之间引入介电层(7)，所述介电层具有固态状态或气态状态。6.根据权利要求5所述的模块装置(1)，其中，所述介电层(7)在固态状态下是所述多导体布线轨(2)的所述直流电压轨道(6)的以固体材料绝缘的外套的一部分。7.根据前述权利要求中任一项所述的模块装置(1)，其中，所述多导体布线轨(2)的分层布置的所述直流电压轨道(6)在所述直流...

【专利技术属性】
技术研发人员：亚历山大·比歇尔，马蒂亚斯·弗里德里希，米夏埃尔·莱佩纳特，克里斯托夫·内特，
申请(专利权)人：西门子公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE