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WO2014206693A1 - Elektrische schaltungsanordnung - Google Patents

Elektrische schaltungsanordnung Download PDF

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Publication number
WO2014206693A1
WO2014206693A1 PCT/EP2014/061526 EP2014061526W WO2014206693A1 WO 2014206693 A1 WO2014206693 A1 WO 2014206693A1 EP 2014061526 W EP2014061526 W EP 2014061526W WO 2014206693 A1 WO2014206693 A1 WO 2014206693A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
busbar
circuit board
power semiconductor
bridge
circuit arrangement
Prior art date
Application number
PCT/EP2014/061526
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Klaus Voigtlaender
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch Gmbh filed Critical Robert Bosch Gmbh
Publication of WO2014206693A1 publication Critical patent/WO2014206693A1/de

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    • H05K7/209—Heat transfer by conduction from internal heat source to heat radiating structure
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H05K2201/10272—Busbars, i.e. thick metal bars mounted on the printed circuit board [PCB] as high-current conductors

Definitions

  • the invention relates to an electrical circuit arrangement according to the preamble of independent claim 1.
  • topologies such as H, H5, B2, B6, M2, M6, 3H etc. are often used.
  • This allows electric motors to be electronically commutated, energy converters such as DC / DC converters, solar inverters or wind turbines to be operated or energy stored in accumulators.
  • These electrical circuit arrangements are often soldered in a discrete design on printed circuit boards or soldered as leaded components on stamped grid, welded or connected by insulation displacement connections.
  • a further expansion stage envisages the use of industrial modules, such as frame modules or mold modules. This reduces the wiring effort.
  • IMS Insulated Metal Substrate
  • ceramics or DBC (Direct Bonded Copper, also called DCB).
  • DCB Direct Bonded Copper
  • EP 2 043 412 B1 discloses an electrical control unit which comprises a printed circuit board with at least one bore and at least one planar busbar with peg-shaped characteristics.
  • the circuit board and the busbar are joined together so that there is a prefixing for further processing.
  • the pins of the busbar are so deep pressed into the holes in the PCB, that the top of the pins flush with the PCB surface - ie with a copper layer on the circuit board - closes.
  • the busbar lies flat on the underside of the circuit board and contributes only a few millimeters.
  • the resulting subassembly is designed to be like a normal PCB in one
  • Standard SMD production line can be further processed.
  • At least one power semiconductor component is arranged on the upper side of the printed circuit board.
  • the power semiconductor devices are positioned and soldered together with other SMD components on the circuit board. They are thus on both the copper layer of the circuit board and on the top of the pin.
  • the electrical circuit arrangement according to the invention with the features of independent claim 1 has the advantage that at the same time electrical contacting and cooling of the power semiconductor components takes place, so that the usual controls of electric motors, inverters and converters can be implemented inexpensively.
  • Embodiments of the present invention allow 1 to n half-bridge modules to be applied to an upper surface of a printed circuit board and two parallel to the other
  • busbars Bottom of the circuit board arranged busbars can be supplied.
  • an additional bus bar is arranged on the underside of the circuit board, which run perpendicular to the two parallel supply busbars.
  • the busbars used are preferably designed as three-dimensionally shaped busbars and are unbound.
  • Embodiments of the electrical circuit arrangement according to the invention advantageously increase the number of identical parts.
  • the two power supply rails can be made as equal parts and the additional busbars as equal parts.
  • the printed circuit board which is inserted between the power semiconductor components and the busbars, serves as a short low-impedance electrical connection and as a carrier for the others Control electronics.
  • the short connections can also be represented by wired semiconductors.
  • a further advantage of the electrical circuit arrangement according to the invention is that, based on a half-bridge module, various topologies with an arbitrary number of half-bridge modules and good electrical conductivity and simultaneously
  • Heat dissipation can be represented.
  • busbars are placed in sub-tolerance force-free as equal parts and fixed.
  • the assembly results in a low-tolerance smooth surface on the underside.
  • these semi-finished products are then rotated and equipped with electronic components and power semiconductor components and connected to one another by electrical bonding or soldering processes.
  • different busbar geometries and a number of busbars adapted to the topology are used.
  • a drain terminal of a power semiconductor device is located at
  • Package bottom and a source terminal is guided via one or more pins from the power semiconductor device.
  • the activation takes place via a gate connection, which is usually arranged next to the source connection. Therefore, the drain is applied directly to a contact element of the bus bar, while the source terminal is routed through wired connections or contact areas on the circuit board. Since the drain connection rests directly on the contact element or over a filled Lotspalt, there is an excellent thermal conductivity, which is orders of magnitude better than in cooling by via arrays, thermal paste or slug-up cooling.
  • the PCB assembly is scalable and can be done with the DPAK, D2PAK or other SMD package packages, including the wired TO-220, TO-247, and so on.
  • the advantage is that the current does not have traces the circuit board, but is guided by thicker wires.
  • two or more components can be connected in parallel.
  • the known technologies such as screw holes, pressed-in screws, welding, for all embodiments of the present electrical circuit arrangement according to the invention
  • embodiments of the electrical circuit arrangement consist of a populated printed circuit board with a single-layer or multilayer busbar arrangement, wherein the busbars are not insulated.
  • These electrical circuit arrangements can then be installed in a protected environment, such as washing machines, fuse boxes, switch boxes, relay boxes, body computers, domain power output stages, electric motors, starters, generators or Ebike Powerpacks. By overmolding or potting isolated circuits can be made. This could then be installed independently in machines or vehicles.
  • Embodiments of the present invention provide an electrical circuit arrangement with a printed circuit board, at least two power semiconductor components, which are arranged on an upper side of the printed circuit board, and a first and second bus bar, which are arranged parallel to each other on a lower side of the printed circuit board.
  • the at least two power semiconductor components are each thermally and electrically contacted via a connection electrode with a contact element, which is guided through an opening in the circuit board and is contacted thermally and electrically with a busbar.
  • each case two power semiconductor components are connected to form a half-bridge module having two supply connections and a common bridge connection, wherein a first supply connection of the half-bridge module to the first busbar and a second supply connection of the half-bridge module to the second busbar are contacted.
  • the common bridge terminal of the half-bridge module is thermally and electrically contacted directly with a contact element, which is passed through an opening in the circuit board and thermally and electrically contacted with an additional bus bar, which is arranged perpendicular to the first and second bus bar on the underside of the circuit board and a corresponding phase for a subsequent electrical load provides.
  • the half-bridge modules can be arranged on the printed circuit board, wherein the number of additional bus bars corresponds to the number of half-bridge modules.
  • the half-bridge modules are preferably arranged on the circuit board, that the additional busbars are also arranged parallel to each other.
  • the contact elements may have a pin which projects into the corresponding opening in the printed circuit board, so that an upper side of the pin is flush with a arranged on the upper side of the printed circuit board contact area.
  • the openings in the circuit board as
  • a lower side of the respective power semiconductor component is thermally and electrically contacted with the upper side of the corresponding contact element, wherein the respective power semiconductor component rests on the upper side of the corresponding contact element and the corresponding contact region.
  • a corresponding source terminal of the first power semiconductor component of the respective half-bridge module can be electrically contacted with a contact element of the second busbar designed as a second supply terminal of the half-bridge module.
  • a corresponding source terminal of the second power semiconductor component of the respective half-bridge module can be electrically contacted with a contact area arranged on the upper side of the printed circuit board, which is electrically and mechanically connected to the bridge terminal.
  • the busbars can be arranged depending on the installation space in a common plane or in several levels. For example, if the installation height is limited, then a flat design of the electrical circuit arrangement according to the invention can be selected, in which all the busbars are arranged in a plane or position.
  • the first bus bar and the at least one additional bus bar may be disposed in a common plane and the second bus bar may be disposed in another level.
  • the second busbar and the at least one additional busbar can be arranged in a common plane and the first busbar can be arranged in a further plane or position.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a mechanical arrangement of a first exemplary embodiment of an electrical circuit arrangement according to the invention with a half-bridge module.
  • FIG. 2 shows an electrical equivalent circuit diagram of the first exemplary embodiment of the electrical circuit arrangement according to the invention from FIG. 1.
  • 3 shows a schematic representation of a mechanical arrangement of a second exemplary embodiment of an electrical circuit arrangement according to the invention with two half-bridge modules.
  • 4 shows an electrical equivalent circuit diagram of the second exemplary embodiment of the electrical circuit arrangement according to the invention from FIG. 3.
  • Fig. 5 shows a schematic representation of a mechanical arrangement of a third embodiment of an electrical circuit arrangement according to the invention with three half-bridge modules.
  • FIG. 6 shows an electrical equivalent circuit diagram of the third exemplary embodiment of the electrical circuit arrangement according to the invention from FIG. 5.
  • FIG. 7 shows a schematic sectional view along the section line VII-VII in FIGS. 1, 3 and 5.
  • FIG. 8 shows a perspective exploded view of the components of the first exemplary embodiment of the electrical circuit arrangement according to the invention from FIG. 1.
  • FIG. 9 shows a schematic representation of a mechanical arrangement of a fourth exemplary embodiment of an electrical circuit arrangement according to the invention with a half-bridge module.
  • FIG. 10 shows a schematic sectional view along the section line X-X in FIG. 9.
  • Fig. 1 1 shows a schematic representation of a mechanical arrangement of a fifth embodiment of an electrical circuit arrangement according to the invention with a half-bridge module.
  • FIG. 12 shows a schematic sectional illustration along the section line XII-XII in FIG. 11.
  • 13 shows a schematic representation of a mechanical arrangement of a sixth exemplary embodiment of an electrical circuit arrangement according to the invention with a half-bridge module.
  • 14 shows a schematic sectional view along the section line XIV-
  • FIG. 15 shows a perspective mechanical representation of a seventh exemplary embodiment of an electrical circuit arrangement according to the invention with three half-bridge modules.
  • FIGS. 1 to 15 the illustrated exemplary embodiments of an inventive electrical circuit arrangement 1A, 1B, 1C,
  • 1 A.1, 1 A.2, 1 A.3 each have a printed circuit board 3, 3.1, 3.2, 3.3, at least two power semiconductor components 10A1, 10B1, 10A2, 10B2, 10A3, 10B3, which on an upper side of the printed circuit board 3, 3.1, 3.2, 3.3 are arranged, and a first and second busbar 20, 30, 30.1, 30.2, 30.3, which are arranged parallel to each other on an underside of the circuit board 3, 3.1, 3.2, 3.3.
  • the at least two power semiconductor components 10A1, 10B1, 10A2, 10B2, 10A3, 10B3 are each thermally and electrically contacted via a connection electrode D, S with a contact element 22, 32, which passes through an opening 5 in the printed circuit board 3, 3.1, 3.2, 3.3 and is thermally and electrically contacted with a bus bar 20, 30, 30.1, 30.2, 30.3.
  • two power semiconductor components 10A1, 10B1, 10A2, 10B2, 10A3, 10B3 are interconnected to form a half-bridge module HB1, HB2, HB3 with two supply connections (+), (-) and a common bridge connection P1, P2, P3.
  • a first supply connection (+) of the half-bridge module HB1, HB2, HB3 is contacted with the first busbar 20 and a second supply connection (-) of the
  • Half-bridge module HB1, HB2, HB3 is contacted with the second busbar 30, 30.1, 30.2, 30.3.
  • the common bridge connection P1, P2, P3 of the half-bridge module HB1, HB2, HB3 is thermally and electrically contacted directly with a contact element 42, which is passed through an opening 5 in the printed circuit board 3, 3.1, 3.2, 3.3 and thermally and electrically with an additional busbar
  • 40A1, 40A2, 40A3 which are perpendicular to the first and second Busbar 20, 30, 30.1, 30.2, 30.3 on the underside of the circuit board 3, 3.1, 3.2, 3.3 is arranged and provides a corresponding phase for a subsequent electrical load available.
  • the contact elements 22, 32, 42 in the illustrated embodiments of the inventive electrical circuit arrangements 1A, 1 B, 1 C, 1A.1, 1A.2, 1A.3 each have a pin which projects into the corresponding opening 5 in the printed circuit board 3, 3.1, 3.2, 3.3, so that an upper side of the pin with a on the Top of the circuit board 3, 3.1, 3.2, 3.3 disposed contact region 7 is flush.
  • the openings 5 in the circuit board 3, 3.1, 3.2, 3.3 respectively as
  • an underside of the respective power semiconductor component 10A1, 10B1, 10A2, 10B2, 10A3, 10B3 is thermally and electrically contacted to the top side of the corresponding contact element 22, 42 , where the respective
  • Power semiconductor device 10A1, 10B1, 10A2, 10B2, 10A3, 10B3 rests on the top of the corresponding contact element 22, 42 and the corresponding contact region 7.
  • the power semiconductor components 10A1, 10B1, 10A2, 10B2, 10A3, 10B3 are positioned and soldered together with other components on the printed circuit board 3, 3.1, 3.2, 3.3. They are thus both on the contact area 7 of the circuit board 3, 3.1, 3.2, 3.3 and on the top of the pin.
  • Source terminal S is arranged. Therefore, the drain terminal D is applied directly to the contact element 22, 42 of the respective busbar 20, 40A1, 40A2, 40A3, while the source terminal S via wired connections or conductors on the circuit board 3, 3.1, 3.2, 3.3 is performed. Because the
  • the assembly is scalable and can be done with the packages DPAK, D2PAK or other SMD packages, including the wired TO-220, TO-247, etc. With wire, there is the advantage that the current does not pass through printed circuit boards3, 3.1, 3.2 , 3.3, but is guided by thicker wires. To increase the current, two or more components can be connected in parallel.
  • a drain terminal D of a first power semiconductor component 10A1, 10A2, 10A3 of the respective half-bridge module HB1, HB2, HB3 is designed as a bridge terminal P1, P2, P3 and with the contact element 42 of the corresponding additional busbar
  • Source terminal S of the first power semiconductor component 10A1, 10A2, 10A3 of the respective half-bridge module HB1, HB2, HB3 is electrically connected to a second supply terminal (-) of the half-bridge module HB1, HB2, HB3 contacted.
  • a drain connection D of a second power semiconductor component 10B1, 10B2, 10B3 of the respective half-bridge module HB1, HB2, HB3 is designed as a first supply connection (+) and contacted directly with the contact element 22 of the first busbar 22 thermally and electrically.
  • the 10B3 of the respective half-bridge module HB1, HB2, HB3 is with a on the Top side of the circuit board 3, 3.1, 3.2, 3.3 arranged electrically contacted contact area 7, which is electrically and mechanically connected to the bridge terminal P1, P2, P3.
  • the two power semiconductor components 10A1, 10B1, 10A2, 10B2, 10A3, 10B3 of the individual half-bridge modules HB1, HB2, HB3 are arranged in a common plane at right angles to each other, that the source terminals S of the second power semiconductor devices 10B1, 10B2, 10B3 in the direction of associated first power semiconductor device 10A1, 10A2, 10A3 are aligned.
  • the electrical connection between the source terminals S of the second power semiconductor components 10B1, 10B2, 10B3 and the drain terminals D of the associated first power semiconductor components 10A1, 10A2, 10A3 in the form of a wire bridge or a conductor can advantageously be kept as short as possible.
  • a plurality of half-bridge modules HB1, HB2, HB3 can be arranged on the printed circuit board 3, 3.1, 3.2, 3.3, the number of additional busbars 40A1, 40A2, 40A3 corresponding to the number of half-bridge modules HB1, HB2, HB3.
  • the busbars 20, 30, 30.1, 30.2, 30.3, 40A1, 40A2, 40A3 can be arranged in a common plane or in several planes depending on the installation space. According to the selected topology different geometries and connection arrangements for the bus bars 20, 30, 30.1, 30.2, 30.3, 40A1, 40A2, 40A3 are shown.
  • a first exemplary embodiment of the electrical circuit arrangement 1A comprises a half-bridge module HB1 which comprises a first power semiconductor component 10A1 and a second power semiconductor component 10B1.
  • a half-bridge module HB1 is also referred to as a B2 topology.
  • the first power semiconductor component 10A1 is thermally and electrically contacted via its drain terminal D directly to the contact element 42 of the additional bus bar 40A1.
  • the drain terminal D of the second power semiconductor device 10B1 is directly thermally and electrically contacted with the contact element 22 of the first bus bar 20.
  • the source terminal S of the first power semiconductor component 10A1 is connected via an electrical connection, not shown in FIG.
  • the source connection S of the second power semiconductor component 10B1 is electrically contacted via an electrical connection, not shown in FIG. 1, to the contact region 7 arranged on the upper side of the printed circuit board 3, which is electrically connected to the bridge connection P1 or the
  • Drain terminal D of the first power semiconductor device 10A1 is electrically and mechanically connected.
  • the electrical circuit arrangement 1A according to the invention comprises two parallel supply busbars 20, 30 and a phase busbar 40A1 running perpendicular to the supply busbars 20, 30.
  • the equivalent circuit diagram according to FIG. 2 additionally shows a choke inductance L and an intermediate circuit capacitance C.
  • a second exemplary embodiment of the electrical circuit arrangement 1B comprises two half-bridge modules HB1, HB2, which each comprise a first power semiconductor component 10A1, 10A2 and a second power semiconductor component 10B1, 10B2.
  • the illustrated circuit 1 B is also referred to as H topology.
  • the first power semiconductor component 10A1 of the first half-bridge module HB1 is thermally and electrically contacted via its drain terminal D directly with a contact element 42 of the additional busbar 40A1.
  • the first power semiconductor component 10A2 of the second half-bridge module HB2 is thermally and electrically contacted via its drain terminal D directly with a contact element 42 of the additional busbar 40A2.
  • Source terminals S of the first power semiconductor components 10A1, 10A2 and the second power semiconductor component 10B1, 10B2 are analogous to the first embodiment with the second supply terminal (-) of the respective half-bridge module HB1, HB2 running contact element 32 of the second busbar 30 or with the on top of the circuit board 3 arranged electrically contacted, which is electrically and mechanically connected to the bridge terminal P1, P2 and the drain terminal D of the first power semiconductor device 10A1, 10A2 of the respective half-bridge module HB1, HB2.
  • the inventive electric circuit arrangement 1 B two parallel supply busbars 20, 30 and two perpendicular to the supply busbars 20, 30 extending phase busbars 40A1, 40A2.
  • the equivalent circuit diagram according to FIG. 4 additionally shows a choke inductance L and an intermediate circuit capacitance C.
  • a third exemplary embodiment of the electrical circuit arrangement 1C comprises three half-bridge modules HB1, HB2, HB3, which each have a first power semiconductor component 10A1, 10A2, 10A3 and a second power semiconductor component
  • the illustrated circuit arrangement I C is also referred to as B6 topology.
  • the first power semiconductor component 10A1 of the first half-bridge module HB1 is thermally and electrically contacted via its drain terminal D directly with a contact element 42 of the additional busbar 40A1.
  • the first power semiconductor component 10A2 of the second half-bridge module HB2 is thermally and electrically contacted via its drain terminal D directly with a contact element 42 of the additional busbar 40A2.
  • the first power semiconductor component 10A3 of the third half-bridge module HB3 is thermally and electrically contacted via its drain terminal D directly to a contact element 42 of the additional busbar 40A3.
  • the drain terminals D of the second power semiconductor components 10B1, 10B2, 10B3 of the three half-bridge modules HB1, HB2, HB3 are directly thermally and electrically contacted with contact elements 22 of the first bus bar 20.
  • 10B3 are analogous to the first and second embodiments with the second supply terminal (-) of the respective half-bridge module HB1, HB2, HB3 running contact element 32 of the second busbar 30 or with the arranged on the top of the circuit board 3 contact area 7 electrically contacted, which with the bridge connection P1, P2, P3 or the drain connection
  • the electrical circuit arrangement 1C comprises two parallel supply busbars 20, 30 and three phases running perpendicular to the supply busbars 20, 30.
  • the equivalent circuit diagram according to FIG. 6 additionally shows a choke inductance L and a DC link capacitance C.
  • the busbars 20, 30, 40A1, 40A2, 40A3 on the underside of the printed circuit board 3 are in two planes or layers arranged.
  • the first busbar 20 and the at least one additional busbar 40A1, 40A2, 40A3 are arranged in a common plane, and the second busbar 30 is located in a further plane below the at least one additional busbar 40A1,
  • the second busbar 30 is rotated by 90 ° compared to the first busbar 20. By rotation through 90 ° can be optimized while maintaining the current carrying capacity of the second busbar 30, the areal space and the circuit board 3 are made narrower.
  • the second busbar 30 has projections 34, which carry the contact elements 32 of the second busbar 30, so that the pins of the contact elements 32 through the openings 5 guided in the circuit board 3 and are electrically connected to the corresponding contact areas 7 at the top of the circuit board.
  • the bushings 9. 1 which also correspond to the insulation 9, pass through the pins of the contact elements 32 of the second bus bar 30.
  • the directional arrows in FIG. 8 indicate with which contact elements 22, 32, 42 or contact regions 7 the various connection electrodes D, S, G of the power semiconductor components 10A1, 10B1 of the illustrated half-bridge module HB1 are electrically contacted.
  • a fourth exemplary embodiment of the electrical circuit arrangement 1A.1 according to the invention is optimized in terms of overall height.
  • the illustrated half-bridge module HB1 comprises a first power semiconductor component 10A1, a second power semiconductor component 10B1, two parallel supply busbars 20, 30.1 and a phase busbar 40A1 running perpendicular to the supply busbars 20, 30.1.
  • the interconnection of individual components corresponds to the B2 topology described in connection with the first embodiment.
  • the bus bars 20, 30.1, 40A1 in the fourth exemplary embodiment of the electrical circuit arrangement 1A.1 according to the invention are also arranged on the underside of the printed circuit board 3.1 in two planes or layers.
  • the first busbar 20 and the at least one additional busbar 40A1 are arranged in a common plane and the second busbar 30.1 is arranged in a further plane below the at least one additional busbar 40A1, the second
  • Busbar 30.1 is separated by an insulation 9A.1 of the at least one additional busbar 40A1.
  • the second busbar 30.1 is rotated by 90 ° and arranged flat below the additional busbar 40A1.
  • the height of the circuit arrangement 1A.1 according to the invention can be reduced in an advantageous manner, although the area requirement increases as the circuit board 3.1 becomes wider.
  • the second busbar 30.1 also in the fourth embodiment on projections 34.1, which carry the contact elements 32.1 of the second busbar 30.1, so that the pins of the contact elements 32.1 through the openings 5 in the circuit board 3.1 guided and electrically connected to the corresponding contact areas 7 at the top of the circuit board.
  • the illustrated B2 topology of the fourth exemplary embodiment of the electrical circuit arrangement 1A.1 according to the invention can easily be expanded to an H topology or B6 topology by adding further half-bridge modules HB2, HB3.
  • FIGS. 11 and 12 a fifth embodiment of the electrical circuit arrangement 1A.2 according to the invention is described with reference to FIGS.
  • the illustrated half-bridge module HB1 comprises, analogous to the first and fourth exemplary embodiments, a first power semiconductor component 10A1, a second power semiconductor component 10B1, two parallel supply busbars 20, 30.2 and a phase armor running perpendicular to the supply busbars 20, 30.2. Busbar 40A1.
  • the interconnection of the individual components corresponds to the B2 topology described in connection with the first exemplary embodiment.
  • the busbars 20, 30.2, 40A1 in the fifth exemplary embodiment of the electrical circuit arrangement 1A.2 according to the invention are also arranged on the underside of the printed circuit board 3.2 in two planes or layers.
  • the first busbar 20 and the at least one additional busbar 40A1 are arranged in a common plane and the second busbar 30.2 is arranged in a further plane below the at least one additional busbar 40A1, the second
  • Busbar 30 is separated by an insulation 9A.2 of the at least one additional busbar 40A1.
  • the second busbar 30.2 is rotated by 90 ° in comparison to the first three exemplary embodiments and is arranged flat below the additional busbar 40A1.
  • the second busbar 30.2 is rotated by 90 ° in comparison to the first three exemplary embodiments and is arranged flat below the additional busbar 40A1.
  • Busbar 30.2 shifted towards the center of the circuit board 3.2 and also extends below the first power semiconductor device 10A1.
  • the height and the area requirement of the circuit arrangement 1A.2 according to the invention can be reduced, since the circuit board 3.2 is narrower.
  • the illustrated B2 topology of the fifth exemplary embodiment of the electrical circuit arrangement 1A.2 according to the invention can be obtained by adding further half-bridge modules HB2,
  • HB3 can easily be extended to a H topology or B6 topology.
  • illustrated half-bridge module HB1 comprises a first power semiconductor component 10A1, a second power semiconductor component 10B1, two parallel supply busbars 20, 30.3 and a phase current rail 40A1 running perpendicular to the supply busbars 20, 30.3.
  • the interconnection of the individual components corresponds to that in
  • bus bars 20, 30.3, 40A1 in the fifth exemplary embodiment of the inventive electrical circuit arrangement 1 A.3 are arranged on the underside of the printed circuit board 3.3 in a common plane or position.
  • the second busbar 30.3 is arranged between the first busbar 20 and the at least one additional busbar 40A1.
  • the height of the pins of the contact elements 32.3 can be reduced, so that the second busbar 30.3 can be made identical to the first busbar 20, so that the number of identical parts can be further increased.
  • the height of the circuit arrangement 1A.3 according to the invention can be reduced at the expense of a higher space requirement, since the printed circuit board 3.3 compared to the fifth embodiment is wider again.
  • the illustrated B2 topology of the sixth exemplary embodiment of the inventive electrical circuit arrangement 1A.3 can easily be expanded to an H topology or B6 topology by adding further half-bridge modules HB2, HB3.
  • FIG. 15 shows such an extension to a B6 topology as the seventh embodiment of an inventive electrical circuit arrangement 1 D with three half-bridge modules HB1, HB2, HB3.
  • the seventh exemplary embodiment of the electrical circuit arrangement 1 D according to the invention is optimized with respect to the overall height.
  • the illustrated B6 topology comprises three half-bridge modules HB1, HB2, HB3, each comprising a first power semiconductor component 10A1, 10A2, 10A3 and a second power semiconductor component 10B1, 10B2, 10B2, two parallel supply busbars 20, 30.3 and three perpendicular to the power supply rails 20, 30.3 extending phase busbar 40A1, 40A2, 40A3.
  • the interconnection of the individual components corresponds to the B6 topology described in connection with the third exemplary embodiment.
  • all bus bars 20, 30.3, 40A1, 40A2, 40A3 in the seventh embodiment of the electrical circuit arrangement 1 D according to the invention arranged on the underside of the printed circuit board 3.3 in a common plane or position.
  • the second busbar 30.3 is arranged analogously to the sixth exemplary embodiment between the first busbar 20 and the at least one additional busbar 40A1, 40A2, 40A3.
  • an insulation and the projections on the second busbar 30.3 can advantageously be dispensed with, so that the second busbar 30.3 bears the contact elements 32.3 directly analogous to the first busbar 20.
  • the height of the pins of the contact elements 32.3 can be reduced, so that the second busbar 30.3 constructed identical to the first busbar 20 and the number of identical parts can be further increased.
  • the height of the circuit arrangement 1 D according to the invention can be reduced at the expense of a larger area requirement.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Schaltungsanordnung (1C) mit einer Leiterplatte (3), mindestens zwei Leistungshalbleiterbauelementen (10A1, 10B1, 10A2, B2, 10A3, 10B3), welche auf einer Oberseite der Leiterplatte (3) angeordnet sind, und einer ersten und zweiten Stromschiene (20, 30), welche parallel zueinander auf einer Unterseite der Leiterplatte (3) angeordnet sind, wobei die mindestens zwei Leistungshalbleiterbauelemente (10A1, 10B1, 10A2, 10B2, 10A3, 10B3) jeweils über eine Anschlusselektrode mit einem Kontaktelement (22, 32) thermisch und elektrisch kontaktiert sind, welches durch eine Öffnung (5) in der Leiterplatte (3) geführt und thermisch und elektrisch mit einer Stromschiene (20, 30) kontaktiert ist. Erfindungsgemäß sind jeweils zwei Leistungshalbleiterbauelemente (10A1, 10B1, 10A2, 10B2, 10A3, 10B3) zu einem Halbbrückenmodul (HB1, HB2, HB3) mit zwei Versorgungsanschlüssen (+, -) und einem gemeinsamen Brückenanschluss (P1, P2, P3) verschaltet, wobei ein erster Versorgungsanschluss (+) des Halbbrückenmoduls (HB1, HB2, HB3) mit der ersten Stromschiene (20) und ein zweiter Versorgungsanschluss (-) des Halbbrückenmoduls (HB1, HB2, HB3) mit der zweiten Stromschiene (30, 30.1, 30.2, 30.3) kontaktiert sind, wobei der gemeinsame Brückenanschluss (P1, P2, P3) des Halbbrückenmoduls (HB1, HB2, HB3) direkt mit einem Kontaktelement (42) thermisch und elektrisch kontaktiert ist, welches durch eine Öffnung (5) in der Leiterplatte (3, 3.1, 3.2, 3.3) geführt und thermisch und elektrisch mit einer zusätzlichen Stromschiene (40A1, 40A2, 40A3) kontaktiert ist, welche senkrecht zur ersten und zweiten Stromschiene (20, 30, 30.1, 30.2, 30.3) auf der Unterseite der Leiterplatte (3, 3.1, 3.2, 3.3) angeordnet ist und eine korrespondierende Phase für einen nachfolgenden elektrischen Verbraucher zur Verfügung stellt.

Description

Beschreibung Titel
Elektrische Schaltungsanordnung Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einer elektrischen Schaltungsanordnung nach der Gattung des unabhängigen Patentanspruchs 1.
Für Anwendungen in der Leistungselektronik werden häufig Topologien wie H, H5, B2, B6, M2, M6, 3H usw. eingesetzt. Damit können Elektromotoren elektronisch kommutiert, Energiewandler wie DC/DC-Wandler, Solarinverter oder Windkraftanlagen betrieben oder Energie in Akkumulatoren gespeichert werden. Diese elektrischen Schaltungsanordnungen werden häufig in diskreter Bauweise auf Leiterplatten gelötet oder als bedrahtete Bauelemente auf Stanzgitter gelötet, geschweißt oder durch Schneidklemmverbindungen verbunden. Eine weitere Ausbaustufe sieht vor, industriefertige Module, wie Rahmenmodule oder Moldmodule einzusetzen. Damit sinkt der Verdrahtungsaufwand. Ebenfalls bekannt sind Schaltungen auf IMS (Insulated Metal Substrate), Keramik oder DBC (Direct Bonded Copper; auch DCB genannt). Für höhere Leistungen können wegen Verlustleistung, zusätzlichem Widerstand und Entwärmung jedoch keine gewöhnlichen Leiterplatten eingesetzt werden. Deshalb werden dort auch häufig kostenintensive Hochleitungsleiterplatten verwendet, bei welchen dickere Schichten von Kupfer in Innenlagen oder Außenlagen verbaut sind bzw. Inlay-Technik, Wirelaid- Technik, aufgelötete Drähte oder weitere Verstärkungen vorhanden sind.
In der EP 2 043 412 B1 wird beispielsweise eine elektrische Steuereinheit offenbar, welche eine Leiterplatte mit mindestens einer Bohrung und mindestens eine plane Stromschiene mit zapfenförmigen Ausprägungen umfasst. Die Leiterplatte und die Stromschiene sind so miteinander gefügt, dass eine Vorfixierung für die weitere Verarbeitung vorliegt. Die Zapfen der Stromschiene werden dabei so tief in die Bohrungen in der Leiterplatte eingedrückt, dass die Oberseite der Zapfen bündig mit der Leiterplattenoberfläche - d.h. mit einer Kupferschicht auf der Leiterplatte - abschließt. Die Stromschiene liegt dabei flach an der Unterseite der Leiterplatte an und trägt nur wenige Millimeter auf. Die so entstandene Unter- baugruppe ist derartig ausgeführt, dass sie wie eine normale Leiterplatte in einer
Standard-SMD-Fertigungslinie weiterverarbeitet werden kann. Auf der Oberseite der Leiterplatte ist mindestens ein Leistungshalbleiterbauelement angeordnet. Die Leistungshalbleiterbauelemente werden zusammen mit anderen SMD- Bauteilen auf der Leiterplatte positioniert und verlötet. Sie liegen damit sowohl auf der Kupferschicht der Leiterplatte als auch auf der Oberseite der Zapfen auf.
Es entsteht eine flächige Kontaktierung zwischen der Unterseite des Halbleiterschalters und der Oberseite des Zapfens der Stromschiene, wobei das flüssige Lötzinn die Hohlräume zwischen Leistungshalbleiterbauelement, Zapfen und Leiterplatte ausfüllt. Damit wird eine thermische und elektrische Verbindung zwi- sehen Leistungshalbleiterbauelement und Stromschiene erreicht.
Offenbarung der Erfindung
Die erfindungsgemäße elektrische Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, dass gleichzeitig eine elektrische Kontaktierung und Entwärmung der Leistungshalbleiterbauelemente erfolgt, so dass die üblichen Ansteuerungen von Elektromotoren, Inver- tern und Wandlern kostengünstig implementiert werden können. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ermöglichen, dass 1 bis n Halbbrückenmodu- le auf eine Oberseite einer Leiterplatte aufgebracht und über zwei parallel an der
Unterseite der Leiterplatte angeordnete Stromschienen versorgt werden können. Für jedes Halbbrückenmodul ist eine zusätzliche Stromschiene an der Unterseite der Leiterplatte angeordnet, welche senkrecht zu den beiden parallelen Versorgungsstromschienen verlaufen. Die verwendeten Stromschienen sind vorzugs- weise als dreidimensional geformte Busbars ausgeführt und entflochten. Ausführungsformen der erfindungsgemäßen elektrischen Schaltungsanordnung erhöhen in vorteilhafter Weise die Anzahl von Gleichteilen. So können beispielsweise die beiden Stromversorgungsschienen als Gleichteile und die die zusätzlichen Stromschienen als Gleichteile ausgeführt werden. Die zwischen den Leistungs- halbleiterbauelementen und den Stromschienen eingefügte Leiterplatte dient zur kurzen niederohmigen elektrischen Verbindung und als Träger für die weitere Steuerelektronik. Die kurzen Verbindungen können aber auch durch bedrahtete Halbleiter dargestellt werden. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen elektrischen Schaltungsanordnung ist, dass aufbauend auf einem Halbbrückenmodul kostengünstig verschiedene Topologien mit einer beliebigen Anzahl von Halbbrückenmodulen und guter elektrischer Leitfähigkeit und gleichzeitiger
Entwärmung dargestellt werden können.
In eine gelochte Leiterplatte werden Stromschienen in Untertoleranz kraftfrei als Gleichteile eingebracht und fixiert. Durch die Montage ergibt sich auf der Unterseite eine toleranzarme glatte Oberfläche. Nach Aushärtung werden dann diese Halbzeuge gedreht und mit elektronischen Bauelementen und Leistungshalbleiterbauelementen bestückt und durch elektrisches Kleben oder Lötprozesse miteinander verbunden. Entsprechend der vorgegebenen Topologie und dem Einbauraum werden unterschiedliche Stromschienengeometrien und eine an die Topologie angepasste Anzahl von Stromschienen eingesetzt. Üblicherweise liegt ein Drainanschluss eines Leistungshalbleiterbauelements an der
Packageunterseite und ein Sourceanschluss ist über ein oder mehrere Pins aus dem Leistungshalbleiterbauelement geführt. Die Ansteuerung erfolgt über einen Gateanschluss, welche meist neben dem Sourceanschluss angeordnet ist. Daher wird der Drainanschluss direkt auf ein Kontaktelement der Stromschiene aufgebracht, während der Sourceanschluss über bedrahtete Verbindungen oder Kontaktbereiche auf der Leiterplatte geführt wird. Da der Drainanschluss direkt auf dem Kontaktelement bzw. über einen gefüllten Lotspalt aufliegt, herrscht eine hervorragende Wärmeleitfähigkeit, welche um Größenordnungen besser ist als bei Entwärmung durch Via- Arrays, Wärmeleitpaste oder Slug-up-Kühlung.
Gleichfalls kann ein Strom über den gemeinsamen Brückenanschluss und die korrespondierende zusätzliche Stromschiene elektrisch nach außen geführt werden. Dadurch sind auch veränderliche oder schnelle Wandlerkonzepte wie PWM, PAM usw. möglich. In vorteilhafter Weise ist die Bestückung der Leiterplatte ist skalierbar und kann mit den Packages DPAK, D2PAK oder andern SMD- Gehäuseformen erfolgen, einschließlich den bedrahteten TO-220, TO-247 usw. Bei Draht besteht der Vorteil, dass der Strom nicht über Leiterbahnen auf der Leiterplatte, sondern durch dickere Drähte geführt wird. Zur Stromerhöhung können auch zwei oder mehrere Bauelemente parallel geschaltet werden. An Verbindungstechnik zur Umwelt stehen für alle Ausführungsformen der vorliegenden erfindungsgemäßen elektrischen Schaltungsanordnung die bekannten Technologien wie Schraublöcher, eingepresste Schrauben, Schweißen,
Schneidklemmverbindungen und Einpresstechnik zur Verfügung. Selbstverständ- lieh lassen sich auch Bauformen mit anderer Polarität oder Halbleiteranordnung darstellen. Ohne weitere Maßnahmen bestehen Ausführungsformen der elektrischen Schaltungsanordnung aus einer bestückten Leiterplatte mit einer einlagigen oder mehrlagigen Stromschienenanordnung, wobei die Stromschienen nicht isoliert sind. Diese elektrischen Schaltungsanordnungen können dann in eine ge- schützte Umgebung, wie Waschmaschinen, Sicherungsboxen, Schaltboxen, Relaisboxen, Bodycomputern, Domain Leistungsendstufen, Elektromotoren, Starter, Generatoren oder Ebike Powerpacks eingebaut werden. Durch Umspritzen oder Potting können isolierte Schaltungen hergestellt werden. Diesen könne dann eigenständig in Maschinen oder Fahrzeuge verbaut werden.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen eine elektrische Schaltungsanordnung mit einer Leiterplatte, mindestens zwei Leistungshalbleiterbauelementen, welche auf einer Oberseite der Leiterplatte angeordnet sind, und einer ersten und zweiten Stromschiene zur Verfügung, welche parallel zueinander auf einer Unterseite der Leiterplatte angeordnet sind. Die mindestens zwei Leistungshalbleiterbauelemente sind jeweils über eine Anschlusselektrode mit einem Kontaktelement thermisch und elektrisch kontaktiert, welches durch eine Öffnung in der Leiterplatte geführt und thermisch und elektrisch mit einer Stromschiene kontaktiert ist. Erfindungsgemäß sind jeweils zwei Leistungshalbleiterbauelemen- te zu einem Halbbrückenmodul mit zwei Versorgungsanschlüssen und einem gemeinsamen Brückenanschluss verschaltet, wobei ein erster Versorgungsan- schluss des Halbbrückenmoduls mit der ersten Stromschiene und ein zweiter Versorgungsanschluss des Halbbrückenmoduls mit der zweiten Stromschiene kontaktiert sind. Der gemeinsame Brückenanschluss des Halbbrückenmoduls ist direkt mit einem Kontaktelement thermisch und elektrisch kontaktiert, welches durch eine Öffnung in der Leiterplatte geführt und thermisch und elektrisch mit einer zusätzlichen Stromschiene kontaktiert ist, welche senkrecht zur ersten und zweiten Stromschiene auf der Unterseite der Leiterplatte angeordnet ist und eine korrespondierende Phase für einen nachfolgenden elektrischen Verbraucher zur Verfügung stellt. Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen und Weiterbildungen sind vorteilhafte Verbesserungen der im unabhängigen Patentanspruch 1 angegebenen elektrischen Schaltungsanordnung möglich.
Besonders vorteilhaft ist, dass mindestens zwei Halbbrückenmodule auf der Leiterplatte angeordnet werden können, wobei die Anzahl der zusätzlichen Stromschienen der Anzahl der Halbbrückenmodule entspricht. Hierbei sind die Halbbrückenmodule vorzugsweise so auf der Leiterplatte angeordnet, dass die zusätzlichen Stromschienen ebenfalls parallel zueinander angeordnet sind.
In vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung können die Kontaktelemente einen Zapfen aufweisen, welcher in die korrespondierende Öffnung in der Leiterplatte hineinragt, so dass eine Oberseite des Zapfens mit einem auf der Oberseite der Leiterplatte angeordneten Kontaktbereich bündig abschließt. Zudem können die Öffnungen in der Leiterplatte als
Durchkontaktierungen ausgeführt und mit dem auf der Oberseite der Leiterplatte angeordneten Kontaktbereich elektrisch leitend verbunden werden. Vorzugsweise ist eine Unterseite des jeweiligen Leistungshalbleiterbauelements mit der Oberseite des korrespondierenden Kontaktelements thermisch und elektrisch kontaktiert, wobei das jeweilige Leistungshalbleiterbauelement auf der Oberseite des korrespondierenden Kontaktelements und dem korrespondierenden Kontaktbereich aufliegt. Dadurch können auf einfache Weise besonders gute elektrische und thermische Kontaktierungen zwischen den Leistungshalbleiterbauelementen und den Stromschienen hergestellt werden.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen kann ein
Drainanschluss eines ersten Leistungshalbleiterbauelements des jeweiligen Halbbrückenmoduls als Brückenanschluss ausgeführt und mit dem Kontaktelement der korrespondierenden zusätzlichen Stromschiene direkt thermisch und elektrisch kontaktiert werden. Ein korrespondierender Sourceanschluss des ersten Leistungshalbleiterbauelements des jeweiligen Halbbrückenmoduls kann mit einem als zweiter Versorgungsanschluss des Halbbrückenmoduls ausgeführtem Kontaktelement der zweiten Stromschiene elektrisch kontaktiert werden. In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung kann ein Drainanschluss eines zweiten Leistungshalbleiterbauelements des jeweiligen Halbbrückenmoduls als erster Versorgungsanschluss ausgeführt und mit dem Kontaktelement der ersten Stromschiene direkt thermisch und elektrisch kontaktiert werden. Ein korrespondierender Sourceanschluss des zweiten Leistungshalbleiterbauelements des jeweiligen Halbbrückenmoduls kann mit einem auf der Oberseite der Leiterplatte angeordneten Kontaktbereich elektrisch kontaktiert werden, welcher mit dem Brückenanschluss elektrisch und mechanisch verbunden ist.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung können die Stromschienen in Abhängigkeit vom Einbauraum in einer gemeinsamen Ebene oder in mehreren Ebenen angeordnet werden. Ist beispielsweise die Einbauhöhe begrenzt, dann kann eine flache Ausführung der erfindungsgemäßen elektrischen Schaltungsanordnung gewählt werden, bei welcher alle Stromschienen in einer Ebene bzw. Lage angeordnet sind. Wenn die Einbaufläche begrenzt ist, können alternativ die erste Stromschiene und die mindestens eine zusätzliche Stromschiene in einer gemeinsamen Ebene bzw. Lage und die zweite Stromschiene kann in einer weiteren Ebene bzw. Lage angeordnet werden. Als weitere Alternative können die zweite Stromschiene und die mindestens eine zusätzliche Stromschiene in einer gemeinsamen Ebene bzw. Lage und die erste Stromschiene kann in einer weiteren Ebene bzw. Lage angeordnet werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. In den Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen Komponenten bzw. Elemente, die gleiche bzw. analoge Funktionen ausführen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer mechanischen Anordnung eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen elektrischen Schaltungsanordnung mit einem Halbbrückenmodul.
Fig. 2 zeigt ein elektrisches Ersatzschaltbild des ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen elektrischen Schaltungsanordnung aus Fig. 1 . Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung einer mechanischen Anordnung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen elektrischen Schaltungsanordnung mit zwei Halbbrückenmodulen. Fig. 4 zeigt ein elektrisches Ersatzschaltbild des zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen elektrischen Schaltungsanordnung aus Fig. 3.
Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung einer mechanischen Anordnung eines dritten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen elektrischen Schaltungsanordnung mit drei Halbbrückenmodulen.
Fig. 6 zeigt ein elektrisches Ersatzschaltbild des dritten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen elektrischen Schaltungsanordnung aus Fig. 5.
Fig. 7 zeigt eine schematische Schnittdarstellung entlang der Schnittlinie Vll-Vll in Fig. 1 , 3 und 5.
Fig. 8 zeigt eine perspektivische Explosionsdarstellung der Komponenten des ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen elektrischen Schaltungsanordnung aus Fig. 1 .
Fig. 9 zeigt eine schematische Darstellung einer mechanischen Anordnung eines vierten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen elektrischen Schaltungsanordnung mit einem Halbbrückenmodul.
Fig. 10 zeigt eine schematische Schnittdarstellung entlang der Schnittlinie X-X in Fig. 9.
Fig. 1 1 zeigt eine schematische Darstellung einer mechanischen Anordnung eines fünften Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen elektrischen Schaltungsanordnung mit einem Halbbrückenmodul.
Fig. 12 zeigt eine schematische Schnittdarstellung entlang der Schnittlinie Xll-Xll in Fig. 1 1 . Fig. 13 zeigt eine schematische Darstellung einer mechanischen Anordnung eines sechsten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen elektrischen Schaltungsanordnung mit einem Halbbrückenmodul. Fig. 14 zeigt eine schematische Schnittdarstellung entlang der Schnittlinie XIV-
XIV in Fig. 13.
Fig. 15 zeigt eine perspektivische mechanische Darstellung eines siebten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen elektrischen Schaltungsanordnung mit drei Halbbrückenmodulen.
Ausführungsformen der Erfindung
Wie aus Fig. 1 bis 15 ersichtlich ist, umfassen die dargestellten Ausführungsbei- spiele einer erfindungsgemäßen elektrischen Schaltungsanordnung 1A, 1 B, 1 C,
1 A.1 , 1 A.2, 1 A.3 jeweils eine Leiterplatte 3, 3.1 , 3.2, 3.3, mindestens zwei Leistungshalbleiterbauelemente 10A1 , 10B1 , 10A2, 10B2, 10A3, 10B3, welche auf einer Oberseite der Leiterplatte 3, 3.1 , 3.2, 3.3 angeordnet sind, und eine erste und zweite Stromschiene 20, 30, 30.1 , 30.2, 30.3, welche parallel zueinander auf einer Unterseite der Leiterplatte 3, 3.1 , 3.2, 3.3 angeordnet sind. Die mindestens zwei Leistungshalbleiterbauelemente 10A1 , 10B1 , 10A2, 10B2, 10A3, 10B3 sind jeweils über eine Anschlusselektrode D, S mit einem Kontaktelement 22, 32 thermisch und elektrisch kontaktiert, welches durch eine Öffnung 5 in der Leiterplatte 3, 3.1 , 3.2, 3.3 geführt und thermisch und elektrisch mit einer Stromschiene 20, 30, 30.1 , 30.2, 30.3 kontaktiert ist. Erfindungsgemäß sind jeweils zwei Leistungshalbleiterbauelemente 10A1 , 10B1 , 10A2, 10B2, 10A3, 10B3 zu einem Halbbrückenmodul HB1 , HB2, HB3 mit zwei Versorgungsanschlüssen (+), (-) und einem gemeinsamen Brückenanschluss P1 , P2, P3 verschaltet. Ein erster Ver- sorgungsanschluss (+) des Halbbrückenmoduls HB1 , HB2, HB3 ist mit der ersten Stromschiene 20 kontaktiert und ein zweiter Versorgungsanschlüsse (-) des
Halbbrückenmoduls HB1 , HB2, HB3 ist mit der zweiten Stromschiene 30, 30.1 , 30.2, 30.3 kontaktiert. Der gemeinsame Brückenanschluss P1 , P2, P3 des Halbbrückenmoduls HB1 , HB2, HB3 ist direkt mit einem Kontaktelement 42 thermisch und elektrisch kontaktiert, welches durch eine Öffnung 5 in der Leiterplatte 3, 3.1 , 3.2, 3.3 geführt und thermisch und elektrisch mit einer zusätzlichen Stromschiene
40A1 , 40A2, 40A3 kontaktiert ist, welche senkrecht zur ersten und zweiten Stromschiene 20, 30, 30.1 , 30.2, 30.3 auf der Unterseite der Leiterplatte 3, 3.1 , 3.2, 3.3 angeordnet ist und eine korrespondierende Phase für einen nachfolgenden elektrischen Verbraucher zur Verfügung stellt. Wie aus den dargestellten mechanischen Anordnungen der erfindungsgemäßen elektrischen Schaltungsanordnungen 1A, 1 B, 1 C, 1A.1 , 1A.2, 1A.3 ersichtlich ist, weisen die Kontaktelemente 22, 32, 42 bei den dargestellten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen elektrischen Schaltungsanordnungen 1A, 1 B, 1 C, 1A.1 , 1A.2, 1A.3 jeweils einen Zapfen auf, welcher in die korrespondierende Öffnung 5 in der Leiterplatte 3, 3.1 , 3.2, 3.3 hineinragt, so dass eine Oberseite des Zapfens mit einem auf der Oberseite der Leiterplatte 3, 3.1 , 3.2, 3.3 angeordneten Kontaktbereich 7 bündig abschließt. In den dargestellten Ausführungsbeispielen sind die Öffnungen 5 in der Leiterplatte 3, 3.1 , 3.2, 3.3 jeweils als
Durchkontaktierungen ausgeführt und mit dem auf der Oberseite der Leiterplatte angeordneten Kontaktbereich 7 elektrisch leitend verbunden.
Wie aus den Schnittdarstellungen gemäß Fig. 7, 10, 12 und 14 weiter ersichtlich ist, ist eine Unterseite des jeweiligen Leistungshalbleiterbauelements 10A1 , 10B1 , 10A2, 10B2, 10A3, 10B3 mit der Oberseite des korrespondierenden Kon- taktelements 22, 42 thermisch und elektrisch kontaktiert, wobei das jeweilige
Leistungshalbleiterbauelement 10A1 , 10B1 , 10A2, 10B2, 10A3, 10B3 auf der Oberseite des korrespondierenden Kontaktelements 22, 42 und dem korrespondierenden Kontaktbereich 7 aufliegt. Die Leistungshalbleiterbauelemente 10A1 , 10B1 , 10A2, 10B2, 10A3, 10B3 werden zusammen mit anderen Bauteilen auf der Leiterplatte 3, 3.1 , 3.2, 3.3 positioniert und verlötet. Sie liegen damit sowohl auf der dem Kontaktbereich 7 der Leiterplatte 3, 3.1 , 3.2, 3.3 als auch auf der Oberseite der Zapfen auf. Es entsteht eine flächige Kontaktierung zwischen der Unterseite des Leistungshalbleiterbauelements 10A1 , 10B1 , 10A2, 10B2, 10A3, 10B3 und der Oberseite des Zapfens der Stromschienen 20, 40A1 , 40A2, 40A3, wobei das flüssige Lötzinn die Hohlräume zwischen dem Leistungshalbleiterbauelements 10A1 , 10B1 , 10A2, 10B2, 10A3, 10B3, dem Zapfen und der
Durchkontaktierung in der Öffnung 5 der Leiterplatte 3, 3.1 , 3.2, 3.3 ausfüllt. Damit wird eine thermische und elektrische Verbindung zwischen dem Leistungshalbleiterbauelements 10A1 , 10B1 , 10A2, 10B2, 10A3, 10B3 und der korrespon- dierenden Stromschiene 20, 40A1 , 40A2, 40A3 erreicht. Üblicherweise liegt der Drainanschluss D eines Leistungshalbleiterbauelements 10A1 , 10B1 , 10A2, 10B2, 10A3, 10B3 an der Packageunterseite und der Sourceanschluss S ist über ein oder mehrere Anschlusspins aus dem Leistungshalbleiterbauelement 10A1 , 10B1 , 10A2, 10B2, 10A3, 10B3 geführt. Die An- Steuerung erfolgt über einen Gateanschluss G, welcher meist neben dem
Sourceanschluss S angeordnet ist. Daher ist der Drainanschluss D direkt auf das Kontaktelement 22, 42 der jeweiligen Stromschiene 20, 40A1 , 40A2, 40A3 aufgebracht, während der Sourceanschluss S über bedrahtete Verbindungen oder Leiterbahnen auf der Leiterplatte 3, 3.1 , 3.2, 3.3 geführt ist. Da die
Drainanschlüsse D der Leistungshalbleiterbauelemente 10A1 , 10B1 , 10A2,
10B2, 10A3, 10B3 direkt auf den Kontaktelementen 22, 42 der Stromschienen 20, 40A1 , 40A2, 40A3, ggf. über gefüllte Lotspalte aufliegen, herrscht eine hervorragende Wärmeleitfähigkeit. Gleichfalls kann der Strom elektrisch nach außen geführt werden. Dadurch sind auch veränderliche oder schnelle Wandler- Konzepte wie PWM, PAM, usw. möglich. Die Bestückung ist skalierbar und kann mit den Packages DPAK, D2PAK oder andern SMD-Gehäuseformen erfolgen, einschließlich den bedrahteten TO-220, TO-247 usw. Bei Draht besteht der Vorteil, dass der Strom nicht über Leiterbahnen auf der Leiterplatte3, 3.1 , 3.2, 3.3, sondern durch dickere Drähte geführt wird. Zur Stromerhöhung können auch zwei oder mehrere Bauelemente parallel geschaltet werden.
Wie aus Fig. 1 bis 15 weiter ersichtlich ist, ist ein Drainanschluss D eines ersten Leistungshalbleiterbauelements 10A1 , 10A2, 10A3 des jeweiligen Halbbrückenmoduls HB1 , HB2, HB3 als Brückenanschluss P1 , P2, P3 ausgeführt und mit dem Kontaktelement 42 der korrespondierenden zusätzlichen Stromschiene
40A1 , 40A2, 40A3 direkt thermisch und elektrisch kontaktiert. Ein
Sourceanschluss S des ersten Leistungshalbleiterbauelements 10A1 , 10A2, 10A3 des jeweiligen Halbbrückenmoduls HB1 , HB2, HB3 ist mit einem als zweiter Versorgungsanschluss (-) des Halbbrückenmoduls HB1 , HB2, HB3 ausge- führtem Kontaktelement 32 der zweiten Stromschiene 30, 30.1 , 30.2, 30.3 elektrisch kontaktiert. Ein Drainanschluss D eines zweiten Leistungshalbleiterbauelements 10B1 , 10B2, 10B3 des jeweiligen Halbbrückenmoduls HB1 , HB2, HB3 ist als erster Versorgungsanschluss (+) ausgeführt und mit dem Kontaktelement 22 der ersten Stromschiene 22 direkt thermisch und elektrisch kontaktiert. Ein Sourceanschluss S des zweiten Leistungshalbleiterbauelements 10B1 , 10B2,
10B3 des jeweiligen Halbbrückenmoduls HB1 , HB2, HB3 ist mit einem auf der Oberseite der Leiterplatte 3, 3.1 , 3.2, 3.3 angeordneten Kontaktbereich 7 elektrisch kontaktiert, welcher mit dem Brückenanschluss P1 , P2, P3 elektrisch und mechanisch verbunden ist. Zudem sind die beiden Leistungshalbleiterbauelemente 10A1 , 10B1 , 10A2, 10B2, 10A3, 10B3 der einzelnen Halbbrückenmodule HB1 , HB2, HB3 in einer gemeinsamen Ebene im rechten Winkel so zueinander angeordnet, dass die Sourceanschlüsse S der zweiten Leistungshalbleiterbauelemente 10B1 , 10B2, 10B3 in Richtung des zugehörigen ersten Leistungshalbleiterbauelements 10A1 , 10A2, 10A3 ausgerichtet sind. Dadurch kann die elektrische Verbindung zwischen den Sourceanschlüssen S der zweiten Leistungshalb- leiterbauelemente 10B1 , 10B2, 10B3 und den Drainanschlüssen D der zugehörigen ersten Leistungshalbleiterbauelemente 10A1 , 10A2, 10A3 in Form einer Drahtbrücke oder einer Leiterbahn in vorteilhafter Weise möglichst kurz gehalten werden.
Zur Umsetzung einer vorgegebenen Topologie können mehrere Halbbrückenmodule HB1 , HB2, HB3 auf der Leiterplatte 3, 3.1 , 3.2, 3.3 angeordnet werden, wobei die Anzahl der zusätzlichen Stromschienen 40A1 , 40A2, 40A3 der Anzahl der Halbbrückenmodule HB1 , HB2, HB3 entspricht. Zudem können die Stromschienen 20, 30, 30.1 , 30.2, 30.3, 40A1 , 40A2, 40A3 in Abhängigkeit vom Einbauraum in einer gemeinsamen Ebene oder in mehreren Ebenen angeordnet werden. Entsprechend der gewählten Topologie werden unterschiedliche Geometrien und Anschlussanordnungen für die Stromschienen 20, 30, 30.1 , 30.2, 30.3, 40A1 , 40A2, 40A3 dargestellt.
Wie aus Fig. 1 und 2 weiter ersichtlich ist, umfasst ein erstes Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen elektrischen Schaltungsanordnung 1A ein Halbbrückenmodul HB1 , welches ein erstes Leistungshalbleiterbauelement 10A1 und ein zweites Leistungshalbleiterbauelement 10B1 umfasst. Ein solches Halbbrückenmodul HB1 wird auch als B2-Topologie bezeichnet. Hierbei ist das erste Leistungshalbleiterbauelement 10A1 über seinen Drainanschluss D direkt mit dem Kontaktelement 42 der zusätzlichen Stromschiene 40A1 thermisch und elektrisch kontaktiert. Der Drainanschluss D des zweiten Leistungshalbleiterbauelement 10B1 ist direkt mit dem Kontaktelement 22 der ersten Stromschiene 20 thermisch und elektrisch kontaktiert. Der Sourceanschluss S des ersten Leistungshalbleiterbauelements 10A1 ist über eine in Fig. 1 nicht dargestellte elektrische Verbindung mit dem als zweiter Versorgungsanschluss (-) des Halbbrü- ckenmoduls HB1 ausgeführtem Kontaktelement 32 der zweiten Stromschiene 30 elektrisch kontaktiert. Der Sourceanschluss S des zweiten Leistungshalbleiterbauelements 10B1 ist über eine in Fig. 1 nicht dargestellte elektrische Verbindung mit dem auf der Oberseite der Leiterplatte 3 angeordneten Kontaktbereich 7 elektrisch kontaktiert, welcher mit dem Brückenanschluss P1 bzw. dem
Drainanschluss D des ersten Leistungshalbleiterbauelements 10A1 elektrisch und mechanisch verbunden ist. In der dargestellten B2-Topologie umfasst die erfindungsgemäße elektrische Schaltungsanordnung 1A zwei parallel verlaufende Versorgungsstromschienen 20, 30 und eine senkrecht zu den Versorgungs- Stromschienen 20, 30 verlaufende Phasenstromschiene 40A1. Das Ersatzschaltbild gemäß Fig. 2 zeigt zusätzlich eine Drosselinduktivität L und eine Zwischen- kreiskapazität C.
Wie aus Fig. 3 und 4 weiter ersichtlich ist, umfasst ein zweites Ausführungsbei- spiels der erfindungsgemäßen elektrischen Schaltungsanordnung 1 B zwei Halbbrückenmodule HB1 , HB2, welche jeweils ein erstes Leistungshalbleiterbauelement 10A1 , 10A2 und ein zweites Leistungshalbleiterbauelement 10B1 , 10B2 umfassen. Die dargestellten Schaltungsanordnung 1 B wird auch als H-Topologie bezeichnet. Hierbei ist das erste Leistungshalbleiterbauelement 10A1 des ersten Halbbrückenmoduls HB1 über seinen Drainanschluss D direkt mit einem Kontaktelement 42 der zusätzlichen Stromschiene 40A1 thermisch und elektrisch kontaktiert. Das erste Leistungshalbleiterbauelement 10A2 des zweiten Halbbrückenmoduls HB2 ist über seinen Drainanschluss D direkt mit einem Kontaktelement 42 der zusätzlichen Stromschiene 40A2 thermisch und elektrisch kontak- tiert. Die Drainanschlüsse D der zweiten Leistungshalbleiterbauelemente 10B1 ,
10B2 der beiden Halbbrückenmodule HB1 , HB2 sind direkt mit Kontaktelementen 22 der ersten Stromschiene 20 thermisch und elektrisch kontaktiert. Die
Sourceanschlüsse S der ersten Leistungshalbleiterbauelemente 10A1 , 10A2 und der zweiten Leistungshalbleiterbauelements 10B1 , 10B2 sind analog zum ersten Ausführungsbeispiel mit dem als zweiter Versorgungsanschluss (-) des jeweiligen Halbbrückenmoduls HB1 , HB2 ausgeführtem Kontaktelement 32 der zweiten Stromschiene 30 bzw. mit dem auf der Oberseite der Leiterplatte 3 angeordneten Kontaktbereich 7 elektrisch kontaktiert, welcher mit dem Brückenanschluss P1 , P2 bzw. dem Drainanschluss D des ersten Leistungshalbleiterbauelements 10A1 , 10A2 des jeweiligen Halbbrückenmoduls HB1 , HB2 elektrisch und mechanisch verbunden ist. In der dargestellten H-Topologie umfasst die erfindungsge- mäße elektrische Schaltungsanordnung 1 B zwei parallel verlaufende Versorgungsstromschienen 20, 30 und zwei senkrecht zu den Versorgungsstromschienen 20, 30 verlaufende Phasenstromschienen 40A1 , 40A2. Auch das Ersatzschaltbild gemäß Fig. 4 zeigt zusätzlich eine Drosselinduktivität L und eine Zwi- schenkreiskapazität C.
Wie aus Fig. 5 und 6 weiter ersichtlich ist, umfasst ein drittes Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen elektrischen Schaltungsanordnung 1 C drei Halbbrückenmodule HB1 , HB2, HB3, welche jeweils ein erstes Leistungshalbleiter- bauelement 10A1 , 10A2, 10A3 und ein zweites Leistungshalbleiterbauelement
10B1 , 10B2, 10B2 umfassen. Die dargestellten Schaltungsanordnung I C wird auch als B6-Topologie bezeichnet. Hierbei ist das erste Leistungshalbleiterbauelement 10A1 des ersten Halbbrückenmoduls HB1 über seinen Drainanschluss D direkt mit einem Kontaktelement 42 der zusätzlichen Stromschiene 40A1 ther- misch und elektrisch kontaktiert. Das erste Leistungshalbleiterbauelement 10A2 des zweiten Halbbrückenmoduls HB2 ist über seinen Drainanschluss D direkt mit einem Kontaktelement 42 der zusätzlichen Stromschiene 40A2 thermisch und elektrisch kontaktiert. Das erste Leistungshalbleiterbauelement 10A3 des dritten Halbbrückenmoduls HB3 ist über seinen Drainanschluss D direkt mit einem Kon- taktelement 42 der zusätzlichen Stromschiene 40A3 thermisch und elektrisch kontaktiert. Der Drainanschlüsse D der zweiten Leistungshalbleiterbauelemente 10B1 , 10B2, 10B3 der drei Halbbrückenmodule HB1 , HB2, HB3 sind direkt mit Kontaktelementen 22 der ersten Stromschiene 20 thermisch und elektrisch kontaktiert. Die Sourceanschlüsse S der ersten Leistungshalbleiterbauelemente 10A1 , 10A2, 10A3 und der zweiten Leistungshalbleiterbauelements 10B1 , 10B2,
10B3 sind analog zum ersten und zweiten Ausführungsbeispiel mit dem als zweiter Versorgungsanschluss (-) des jeweiligen Halbbrückenmoduls HB1 , HB2, HB3 ausgeführtem Kontaktelement 32 der zweiten Stromschiene 30 bzw. mit dem auf der Oberseite der Leiterplatte 3 angeordneten Kontaktbereich 7 elektrisch kon- taktiert, welcher mit dem Brückenanschluss P1 , P2, P3 bzw. dem Drainanschluss
D des ersten Leistungshalbleiterbauelements 10A1 , 10A2, 10A3 des jeweiligen Halbbrückenmoduls HB1 , HB2, HB3 elektrisch und mechanisch verbunden ist. In der dargestellten B6-Topologie umfasst die erfindungsgemäße elektrische Schaltungsanordnung 1 C zwei parallel verlaufende Versorgungsstromschienen 20, 30 und drei senkrecht zu den Versorgungsstromschienen 20, 30 verlaufende Pha- senstromschienen 40A1 , 40A2, 40A3. Auch das Ersatzschaltbild gemäß Fig. 6 zeigt zusätzlich eine Drosselinduktivität L und eine Zwischenkreiskapazität C.
Wie aus Fig. 1 bis 8 weiter ersichtlich ist, sind in den ersten drei Ausführungsbei- spielen der erfindungsgemäßen elektrischen Schaltungsanordnung 1A, 1 B, 1 C die Stromschienen 20, 30, 40A1 , 40A2, 40A3 an der Unterseite der Leiterplatte 3 in zwei Ebenen bzw. Lagen angeordnet. So sind die erste Stromschiene 20 und die mindestens eine zusätzliche Stromschiene 40A1 , 40A2, 40A3 in einer gemeinsamen Ebene angeordnet und die zweite Stromschiene 30 ist in einer weite- ren Ebene unterhalb der mindestens einen zusätzlichen Stromschiene 40A1 ,
40A2, 40A3 angeordnet, wobei die zweite Stromschiene 30 durch eine Isolation 9 von der mindestens einen zusätzlichen Stromschiene 40A1 , 40A2, 40A3 getrennt ist. Zur Verbesserung der Isolationseigenschaft ist die zweite Stromschiene 30 im Vergleich zur ersten Stromschiene 20 um 90° gedreht. Durch die Drehung um 90° kann unter Beibehaltung der Stromtragfähigkeit der zweiten Stromschiene 30 der flächige Bauraum optimiert und die Leiterplatte 3 schmäler ausgeführt werden. Um Konflikte mit den senkrecht verlaufenden mindestens einen zusätzlichen Stromschiene 40A1 , 40A2, 40A3 zu vermeiden, weist die zweite Stromschiene 30 Anformungen 34 auf, welche die Kontaktelemente 32 der zweiten Strom- schiene 30 tragen, so dass die Zapfen der Kontaktelemente 32 durch die Öffnungen 5 in der Leiterplatte 3 geführt und mit den korrespondierenden Kontaktbereichen 7 an der Oberseite der Leiterplatte elektrisch verbunden sind. Wie aus Fig. 8 weiter ersichtlich ist, weist die auch die Isolation 9 entsprechende Durchführungen 9.1 auf, durch welche die Zapfen der Kontaktelemente 32 der zweiten Stromschiene 30 geführt sind. Die Richtungspfeile in Fig. 8 zeigen an, mit welchen Kontaktelementen 22, 32, 42 bzw. Kontaktbereichen 7 die verschiedenen Anschlusselektroden D, S, G der Leistungshalbleiterbauelemente 10A1 , 10B1 des dargestellten Halbbrückenmoduls HB1 elektrisch kontaktiert werden. Wie aus Fig. 9 und 10 weiter ersichtlich ist, ist ein viertes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen elektrischen Schaltungsanordnung 1A.1 in Bezug auf die Bauhöhe optimiert. Das dargestellte Halbbrückenmodul HB1 umfasst analog zum ersten Ausführungsbeispiel ein erstes Leistungshalbleiterbauelement 10A1 , ein zweites Leistungshalbleiterbauelement 10B1 , zwei parallel verlaufende Versor- gungsstromschienen 20, 30.1 und eine senkrecht zu den Versorgungsstromschienen 20, 30.1 verlaufende Phasenstromschiene 40A1. Die Verschaltung der einzelnen Komponenten entspricht der in Verbindung mit dem ersten Ausführungsbeispiel beschriebenen B2-Topologie.
Wie aus Fig. 10 weiter ersichtlich ist, sind auch die Stromschienen 20, 30.1 , 40A1 im vierten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen elektrischen Schaltungsanordnung 1A.1 an der Unterseite der Leiterplatte 3.1 in zwei Ebenen bzw. Lagen angeordnet. So sind die erste Stromschiene 20 und die mindestens eine zusätzliche Stromschiene 40A1 in einer gemeinsamen Ebene angeordnet und die zweite Stromschiene 30.1 ist in einer weiteren Ebene unterhalb der mindes- tens einen zusätzlichen Stromschiene 40A1 angeordnet, wobei die zweite
Stromschiene 30.1 durch eine Isolation 9A.1 von der mindestens einen zusätzlichen Stromschiene 40A1 getrennt ist. Im Gegensatz zu den ersten drei Ausführungsbeispielen ist die zweite Stromschiene 30.1 um 90° gedreht und flach unterhalb der zusätzlichen Stromschiene 40A1 angeordnet. Dadurch kann in vor- teilhafter Weise die Höhe der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung 1A.1 reduziert werden, wobei sich der Flächenbedarf jedoch erhöht, da die Leiterplatte 3.1 breiter wird. Um Konflikte mit der senkrecht verlaufenden zusätzlichen Stromschiene 40A1 zu vermeiden, weist die zweite Stromschiene 30.1 auch im vierten Ausführungsbeispiel Anformungen 34.1 auf, welche die Kontaktelemente 32.1 der zweiten Stromschiene 30.1 tragen, so dass die Zapfen der Kontaktelemente 32.1 durch die Öffnungen 5 in der Leiterplatte 3.1 geführt und mit den korrespondierenden Kontaktbereichen 7 an der Oberseite der Leiterplatte elektrisch verbunden sind. Analog zu dem zweiten und dritten Ausführungsbeispiel kann die dargestellte B2-Topologie des vierten Ausführungsbeispiels der erfindungs- gemäßen elektrischen Schaltungsanordnung 1A.1 durch Hinzufügen von weiteren Halbbrückenmodulen HB2, HB3 einfach zu einer H-Topologie oder B6- Topologie erweitert werden.
Wie aus Fig. 1 1 und 12 weiter ersichtlich ist, ist ein fünftes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen elektrischen Schaltungsanordnung 1A.2 in Bezug auf die
Bauhöhe und den Flächenbedarf optimiert. Das dargestellte Halbbrückenmodul HB1 umfasst analog zum ersten und vierten Ausführungsbeispiel ein erstes Leistungshalbleiterbauelement 10A1 , ein zweites Leistungshalbleiterbauelement 10B1 , zwei parallel verlaufende Versorgungsstromschienen 20, 30.2 und eine senkrecht zu den Versorgungsstromschienen 20, 30.2 verlaufende Phasen- Stromschiene 40A1 . Die Verschaltung der einzelnen Komponenten entspricht der in Verbindung mit dem ersten Ausführungsbeispiel beschriebenen B2-Topologie.
Wie aus Fig. 12 weiter ersichtlich ist, sind auch die Stromschienen 20, 30.2, 40A1 im fünften Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen elektrischen Schaltungsanordnung 1A.2 an der Unterseite der Leiterplatte 3.2 in zwei Ebenen bzw. Lagen angeordnet. So sind die erste Stromschiene 20 und die mindestens eine zusätzliche Stromschiene 40A1 in einer gemeinsamen Ebene angeordnet und die zweite Stromschiene 30.2 ist in einer weiteren Ebene unterhalb der mindes- tens einen zusätzlichen Stromschiene 40A1 angeordnet, wobei die zweite
Stromschiene 30 durch eine Isolation 9A.2 von der mindestens einen zusätzlichen Stromschiene 40A1 getrennt ist. Analog zum vierten Ausführungsbeispiel ist die zweite Stromschiene 30.2 im Vergleich zu den ersten drei Ausführungsbeispielen um 90° gedreht und flach unterhalb der zusätzlichen Stromschiene 40A1 angeordnet. Im Gegensatz zum vierten Ausführungsbeispiel ist die zweite
Stromschiene 30.2 jedoch in Richtung Mitte der Leiterplatte 3.2 verschoben und verläuft auch unterhalb des ersten Leistungshalbleiterbauelements 10A1. Dadurch kann in vorteilhafter Weise auf die Anformungen an der zweiten Stromschiene 30.2 verzichtet werden, so dass die zweite Stromschiene 30.2 analog zur ersten Stromschiene 20 die Kontaktelemente 32.2 direkt trägt. Dadurch können die Höhe und der Flächenbedarf der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung 1A.2 reduziert werden, da die Leiterplatte 3.2 schmäler wird. Analog zu dem zweiten und dritten Ausführungsbeispiel kann die dargestellte B2-Topologie des fünften Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen elektrischen Schal- tungsanordnung 1A.2 durch Hinzufügen von weiteren Halbbrückenmodulen HB2,
HB3 einfach zu einer H-Topologie oder B6-Topologie erweitert werden.
Wie aus Fig. 13 und 14 weiter ersichtlich ist, ist ein sechstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen elektrischen Schaltungsanordnung 1A.3 in Bezug auf die Bauhöhe weiter optimiert. Das dargestellte Halbbrückenmodul HB1 umfasst analog zum ersten, vierten und fünften Ausführungsbeispiel ein erstes Leistungshalbleiterbauelement 10A1 , ein zweites Leistungshalbleiterbauelement 10B1 , zwei parallel verlaufende Versorgungsstromschienen 20, 30.3 und eine senkrecht zu den Versorgungsstromschienen 20, 30.3 verlaufende Phasenstrom- schiene 40A1. Die Verschaltung der einzelnen Komponenten entspricht der in
Verbindung mit dem ersten Ausführungsbeispiel beschriebenen B2-Topologie. Wie aus Fig. 14 weiter ersichtlich ist, sind alle Stromschienen 20, 30.3, 40A1 im fünften Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen elektrischen Schaltungsanordnung 1 A.3 an der Unterseite der Leiterplatte 3.3 in einer gemeinsamen Ebene bzw. Lage angeordnet. Im Gegensatz zu den anderen Ausführungsbeispielen ist die zweite Stromschiene 30.3 zwischen der ersten Stromschiene 20 und der mindestens einen zusätzlichen Stromschiene 40A1 angeordnet. Dadurch kann in vorteilhafter Weise auf eine Isolation und die Anformungen an der zweiten Stromschiene 30.3 verzichtet werden, so dass die zweite Stromschiene 30.3 analog zur ersten Stromschiene 20 die Kontaktelemente 32.3 direkt trägt. Zudem kann auch die Höhe der Zapfen der Kontaktelemente 32.3 reduziert werden, so dass die zweite Stromschiene 30.3 baugleich zur ersten Stromschiene 20 ausgeführt werden kann, so dass die Anzahl der Gleichteile weiter erhöht werden kann. Zudem kann die Höhe der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung 1A.3 auf Kosten eines höheren Flächenbedarfs reduziert werden, da die Leiterplatte 3.3 im Vergleich zum fünften Ausführungsbeispiel wieder breiter ist. Analog zu dem zweiten und dritten Ausführungsbeispiel kann die dargestellte B2-Topologie des sechsten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen elektrischen Schaltungsanordnung 1A.3 durch Hinzufügen von weiteren Halbbrückenmodulen HB2, HB3 einfach zu einer H-Topologie oder B6-Topologie erweitert werden.
Fig. 15 zeigt eine solche Erweiterung auf eine B6-Topologie als siebtes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen elektrischen Schaltungsanordnung 1 D mit drei Halbbrückenmodulen HB1 , HB2, HB3.
Wie aus Fig. 15 weiter ersichtlich ist, ist das siebte Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen elektrischen Schaltungsanordnung 1 D in Bezug auf die Bauhöhe optimiert. Die dargestellte B6-Topologie umfasst analog zum dritten Ausführungsbeispiel drei Halbbrückenmodule HB1 , HB2, HB3, welche jeweils ein erstes Leistungshalbleiterbauelement 10A1 , 10A2, 10A3 und ein zweites Leistungshalbleiterbauelement 10B1 , 10B2, 10B2 umfassen, zwei parallel verlaufende Versorgungsstromschienen 20, 30.3 und drei senkrecht zu den Versorgungsstromschienen 20, 30.3 verlaufende Phasenstromschiene 40A1 , 40A2, 40A3. Die Verschaltung der einzelnen Komponenten entspricht der in Verbindung mit dem dritten Ausführungsbeispiel beschriebenen B6-Topologie. Im Unterschied zum dritten Ausführungsbeispiel sind alle Stromschienen 20, 30.3, 40A1 , 40A2, 40A3 im siebten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen elektrischen Schaltungsanordnung 1 D an der Unterseite der Leiterplatte 3.3 in einer gemeinsamen Ebene bzw. Lage angeordnet. Hierbei ist die zweite Stromschiene 30.3 analog zum sechsten Ausführungsbeispiel zwischen der ersten Stromschiene 20 und der mindestens einen zusätzlichen Stromschiene 40A1 , 40A2, 40A3 angeordnet. Dadurch kann in vorteilhafter Weise auf eine Isolation und die Anformungen an der zweiten Stromschiene 30.3 verzichtet werden, so dass die zweite Stromschiene 30.3 analog zur ersten Stromschiene 20 die Kontaktelemente 32.3 direkt trägt. Zudem kann auch die Höhe der Zapfen der Kontaktelemente 32.3 reduziert werden, so dass die zweite Stromschiene 30.3 baugleich zur ersten Stromschiene 20 ausgeführt und die Anzahl der Gleichteile weiter erhöht werden können. Zudem kann die Höhe der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung 1 D auf Kosten eines höheren Flächenbedarfs reduziert werden.
Durch die Anordnung weiterer Halbbrücken HB1 , HB2, HB3, HB4, .. , HBn können auch n-polige Topologien aufgebaut werden. Werden in den Halbbrücken HB1 , HB2, HB3, HB4, .. , HBn einzelne der Leistungshalbleiter 10A1 , 10A2, 10A3, ..., 10An, 10B1 , 10B2, 10B3, 10Bn entweder nicht bestückt oder durch metallische Brücken ersetzt, können auch unsymmetrische Topologien, wie H5, Heric usw. dargestellt werden.

Claims

Ansprüche
1 . Elektrische Schaltungsanordnung mit einer Leiterplatte (3, 3.1 , 3.2, 3.3), mindestens zwei Leistungshalbleiterbauelementen (10A1 , 10B1 , 10A2, 10B2, 10A3, 10B3), welche auf einer Oberseite der Leiterplatte (3, 3.1 , 3.2,
3.3) angeordnet sind, und einer ersten und zweiten Stromschiene (20, 30, 30.1 , 30.2, 30.3), welche parallel zueinander auf einer Unterseite der Leiterplatte (3, 3.1 , 3.2, 3.3) angeordnet sind, wobei die mindestens zwei Leistungshalbleiterbauelemente (10A1 , 10B1 , 10A2, 10B2, 10A3, 10B3) jeweils über eine Anschlusselektrode (D, S) mit einem Kontaktelement (22, 32) thermisch und elektrisch kontaktiert sind, welches durch eine Öffnung (5) in der Leiterplatte (3, 3.1 , 3.2, 3.3) geführt und thermisch und elektrisch mit einer Stromschiene (20, 30, 30.1 , 30.2, 30.3) kontaktiert ist, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zwei Leistungshalbleiterbauelemente (10A1 , 10B1 , 10A2, 10B2, 10A3, 10B3) zu einem Halbbrückenmodul (HB1 , HB2, HB3) mit zwei Versorgungsanschlüssen (+, -) und einem gemeinsamen Brückenan- schluss (P1 , P2, P3) verschaltet sind, wobei ein erster Versorgungsan- schluss (+) des Halbbrückenmoduls (HB1 , HB2, HB3) mit der ersten Stromschiene (20) und ein zweiter Versorgungsanschluss (-) des Halbbrückenmo- duls (HB1 , HB2, HB3) mit der zweiten Stromschiene (30, 30.1 , 30.2, 30.3) kontaktiert sind, wobei der gemeinsame Brückenanschluss (P1 , P2, P3) des Halbbrückenmoduls (HB1 , HB2, HB3) direkt mit einem Kontaktelement (42) thermisch und elektrisch kontaktiert ist, welches durch eine Öffnung (5) in der Leiterplatte (3, 3.1 , 3.2, 3.3) geführt und thermisch und elektrisch mit ei- ner zusätzlichen Stromschiene (40A1 , 40A2, 40A3) kontaktiert ist, welche senkrecht zur ersten und zweiten Stromschiene (20, 30, 30.1 , 30.2, 30.3) auf der Unterseite der Leiterplatte (3, 3.1 , 3.2, 3.3) angeordnet ist und eine korrespondierende Phase für einen nachfolgenden elektrischen Verbraucher zur Verfügung stellt. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Halbbrückenmodule (HB1 , HB2, HB3) auf der Leiterplatte (3, 3.1 , 3.2, 3.3) angeordnet sind, wobei die Anzahl der zusätzlichen Stromschienen (40A1 , 40A2, 40A3) der Anzahl der Halbbrückenmodule (HB1 , HB2, HB3) entspricht.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktelemente (22, 42) einen Zapfen aufweisen, welcher in die korrespondierende Öffnung (5) in der Leiterplatte (3, 3.1 , 3.2, 3.3) hineinragt, so dass eine Oberseite des Zapfens mit einem auf der Oberseite der Leiterplatte (3, 3.1 , 3.2, 3.3) angeordneten Kontaktbereich (7) bündig abschließt.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen (5) in der Leiterplatte (3, 3.1 , 3.2, 3.3) als Durchkontaktierungen ausgeführt und mit dem auf der Oberseite der Leiterplatte (3, 3.1 , 3.2, 3.3) angeordneten Kontaktbereich (7) elektrisch leitend verbunden sind.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Unterseite des jeweiligen Leistungshalbleiterbauelements (10A1 , 10B1 , 10A2, 10B2, 10A3, 10B3) mit der Oberseite des korrespondierenden Kontaktelements (22, 42) thermisch und elektrisch kontaktiert ist, wobei das jeweilige Leistungshalbleiterbauelement (10A1 , 10B1 , 10A2, 10B2, 10A3, 10B3) auf der Oberseite des korrespondierenden Kontaktelements (22, 42) und dem korrespondierenden Kontaktbereich (7) aufliegt.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Drainanschluss (D) eines ersten Leistungshalbleiterbauelements (10A1 , 10A2, 10A3) des jeweiligen Halbbrückenmoduls (HB1 , HB2, HB3) als Brückenanschluss (P1 , P2, P3) ausgeführt und mit dem Kontaktelement (42) der korrespondierenden zusätzlichen Stromschiene (40A1 , 40A2, 40A3) direkt thermisch und elektrisch kontaktiert ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sourceanschluss (S) des ersten Leistungshalbleiterbauelements (10A1 , 10A2, 10A3) des jeweiligen Halbbrückenmoduls (HB1 , HB2, HB3) mit einem als zweiter Versorgungsanschluss (-) des Halbbrückenmoduls (HB1 , HB2, HB3) ausgeführtem Kontaktelement (32) der zweiten Stromschiene (30, 30.1 , 30.2, 30.3) elektrisch kontaktiert ist.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Drainanschluss (D) eines zweiten Leistungshalbleiterbauelements (10B1 , 10B2, 10B3) des jeweiligen Halbbrückenmoduls (HB1 , HB2, HB3) als erster Versorgungsanschluss (+) ausgeführt und mit dem Kontaktelement (22) der ersten Stromschiene (22) direkt thermisch und elektrisch kontaktiert ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sourceanschluss (S) des zweiten Leistungshalbleiterbauelements (10B1 , 10B2, 10B3) des jeweiligen Halbbrückenmoduls (HB1 , HB2, HB3) mit einem auf der Oberseite der Leiterplatte (3, 3.1 , 3.2, 3.3) angeordneten Kontaktbereich (7) elektrisch kontaktiert ist, welcher mit dem Brückenanschluss (P1 , P2, P3) elektrisch und mechanisch verbunden ist.
10. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromschienen (20, 30, 30.1 , 30.2, 30.3, 40A1 , 40A2, 40A3) in Abhängigkeit vom Einbauraum in einer gemeinsamen Ebene oder in mehreren Ebenen angeordnet sind, wobei entweder die erste oder die zweite Stromschiene (20, 30, 30.1 , 30.2, 30.3) und die mindestens eine zusätzliche Stromschiene (40A1 , 40A2, 40A3) in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sind.
PCT/EP2014/061526 2013-06-26 2014-06-04 Elektrische schaltungsanordnung WO2014206693A1 (de)

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