DE10103106B4 - Leistungsmodul - Google Patents

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Naoki Yoshimatsu
Masuo Koga
Dai Nakajima
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Abstract

Leistungsmodul, der folgendes aufweist: – ein Substrat (2), auf dem eine Leistungs-Halbleitervorrichtung (5) angebracht ist; – ein Gehäuserahmen (6), umschließend einen Innenraum, in dem das Substrat angeordnet ist; – einen N-Anschluss (8N) und einen P-Anschluss (8P), die entlang einer ersten Seite einer oberen Oberfläche des Gehäuserahmens angeordnet sind und mit der Leistungs-Halbleitervorrichtung elektrisch verbunden sind; und – einen Glättungskondensator (20), der eine mit dem N-Anschluss verbundene erste Elektrode (21N) und eine mit dem P-Anschluss verbundene zweite Elektrode (21P) aufweist, zum Glätten einer der Leistungs-Halbleitervorrichtung von außen zuzuführenden Spannung; wobei der Glättungskondensator (20) eine Hauptfläche aufweist, die mit der oberen Oberfläche des Gehäuserahmens (6) bündig abschließt, sowie in Kontakt mit einer Seitenfläche des Gehäuserahmens (6) angeordnet ist, die weitgehend senkrecht an die erste Seite der oberen Oberfläche des Gehäuserahmens anschließt, und wobei die erste Elektrode (21N) und die zweite Elektrode (21P) derart auf der oberen Oberfläche des Glättungskondensators angeordnet sind, dass sie sich über den N- und den P-Anschluss (8N, 8P) erstrecken und eine direkte Verbindung zwischen den ersten und zweiten Elektroden (21N, 21P) des Glättungskondensators (20) und den N- und P-Anschlüssen (8N, 8P) der Leistungs-Halbleitervorrichtung gebildet ist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Leistungsmodul und betrifft insbesondere eine Leistungsmodulkonstruktion mit einem Glättungskondensator zum Glätten einer Gleichstrom-Versorgungsspannung, die von außen an eine Leistungs-Halbleitervorrichtung, wie zum Beispiel einen Bipolartransistor mit isoliertem Gate (IGBT), anzulegen ist.
  • Die Druckschrift WO 98/04029 A1 betrifft ein Leistungsmodul mit einer bestimmten Geometrie der Schaltkreisanordnung, um die Verbindungsstreuinduktivität zu reduzieren.
  • Die Druckschrift DE 100 29 122 A1 betrifft ein Leistungsmodul, bei dem Halbleiter-Schaltelemente in einem Innenraum eines Gehäuses sowie ein Glättungskondensator vorgesehen sind. Die Kondensatoranschlüsse sind dabei über Zuleitungsabschnitte mit den Anschlüssen der Halbleiterelemente verbunden.
  • Die Druckschrift DE 196 45 636 C1 betrifft ein Leistungsmodul, bei dem die Streuinduktivität aufgrund einer symmetrischen Anordnung der Verbindungsleitungen und aufgrund einer symmetrischen Zusammenführung der in verschiedenen Ebenen angeordneten funktionalen Einheiten reduziert wird.
  • Die JP 2000-92 847 A betrifft ebenfalls ein Leitungsmodul mit einem Glättungskondensator.
  • Die Druckschrift JP 2 570 861 B2 betrifft ein Leistungsmodul mit einem ersten Substrat und einem zweiten Substrat, wobei auf dem ersten Substrat eine Leistungshalbleitervorrichtung angebracht ist, welche von einer Steuerschaltung auf dem zweiten Substrat angesteuert wird. Ein Glättungskondensator zum Glätten der zugeführten Spannung ist mit der Leistungshalbleitervorrichtung verbunden.
  • Die Druckschrift US 6 028 779 A betrifft ein weiteres Leistungsmodul.
  • 28 zeigt eine schematische, von oben gesehene Draufsicht auf eine Konstruktion eines Leistungsmodul-Körperbereichs 100 des einschlägigen Standes der Technik. Ausgangsanschlüsse 111U, 111V und 111W sind entlang einer ersten Seite einer oberen Oberfläche eines Gehäuserahmens 106 angeordnet, und ein P-Anschluss 108P sowie ein N-Anschluss 108N sind entlang einer zu der ersten Seite parallelen zweiten Seite der oberen Oberfläche des Gehäuserahmens 106 angeordnet.
  • 29 zeigt eine Querschnittsansicht der Konstruktion entlang der Linie X100-X100 der 28. Der aus Harz hergestellte Gehäuserahmen 106 ist auf einer Basisplatte 101 aus Metall angeordnet. Eine aus Harz gebildete Gehäuseabdeckdung 116 ist auf dem Gehäuserahmen 106 angeordnet.
  • Ein aus Keramik bestehendes isolierendes Substrat 102 ist auf die Basisplatte 101 aufgelötet, wie dies bei dem Bezugszeichen 103 gezeigt ist. Eine Vielzahl von Leistungs-Halbleitervorrichtungen 105, wie zum Beispiel IGBTs, ist auf das isolierende Substrat 102 aufgelötet, wie dies bei dem Bezugszeichen 104 dargestellt ist.
  • Schaltungselemente (nicht gezeigt), wie zum Beispiel Schaltelemente, sind auf der oberen Oberfläche des isolierenden Substrats 102 angebracht, und ein vorbestimmtes Schaltungsmuster (nicht gezeigt) ist auf der oberen Oberfläche des isolierenden Substrats 102 ausgebildet.
  • Ein Steuersubstrat 114, das mit einer Steuerschaltung zum Steuern der Leistungs-Halbleitervorrichtungen 105 ausgebildet ist, ist im Inneren des Gehäuserahmens 106 angeordnet. Das Steuersubstrat 114 ist mit ersten Enden jeweiliger Zwischenverbindungselektroden 112 verlötet. Die zweiten Enden der jeweiligen Zwischenverbindungselektroden 112 sind durch Aluminiumdrähte 109 mit den Leistungs-Halbleitervorrichtungen 105 verbunden.
  • Eine Antirausch-Abschirmplatte 113 ist zwischen dem Steuersubstrat 114 und dem isolierenden Substrat 102 innerhalb des Gehäuserahmens 106 angeordnet. Ein unterhalb der Abschirmplatte 113 befindlicher Innenraum des Gehäuserahmens 106 ist mit einem Silikongel 115 gefüllt.
  • Der N-Anschluss 108N ist auf der oberen Oberfläche des Gehäuserahmens 106 angeordnet. Der N-Anschluss 108N ist mit einem ersten Ende einer N-Elektrode 107N verbunden. Ein zweites Ende der N-Elektrode 107N ist durch die Aluminiumdrähte 109 mit den Leistungs-Halbleitervorrichtungen 105 verbunden.
  • Der P-Anschluss 108P (in 29 nicht gezeigt) ist ebenfalls auf der oberen Oberfläche des Gehäuserahmens 106 angeordnet. Der P-Anschluss 108P ist mit einem ersten Ende einer P-Elektrode 107P verbunden. Ein zweites Ende der P-Elektrode 107P ist durch die Aluminiumdrähte 109 sowie das auf dem isolierenden Substrat 102 ausgebildete Schaltungsmuster mit den Leistungs-Halbleitervorrichtungen 105 verbunden.
  • Der Ausgangsanschluss 111V ist auf der oberen Oberfläche des Gehäuserahmens 106 angeordnet. Der Ausgangsanschluss 111V ist mit einem ersten Ende einer Ausgangselektrode 110 verbunden. Ein zweites Ende der Ausgangselektrode 110 ist durch die Aluminiumdrähte 109 mit den Leistungs-Halbleitervorrichtungen 105 verbunden.
  • 30 zeigt eine schematische Schnittansicht zur Erläuterung der Gesamtkonstruktion eines Leistungsmoduls des Standes der Technik, und zwar in einer Seitenaufrißansicht. Ein Glättungskondensator 120 zum Glätten einer Gleichstrom-Versorgungsspannung, die von außen an die Leistungs-Halbleitervorrichtungen 150 anzulegen ist, ist über dem Leistungsmodul-Körperbereich 100 angeordnet.
  • Eine N-Elektrode 121N und eine P-Elektrode 121P (die in 30 beide mit dem Bezugszeichen 121 bezeichnet sind) des Glättungskondensators 120 sowie der N-Anschluss 108N und der P-Anschluss 108P (die in 30 beide mit dem Bezugszeichen 108 bezeichnet sind) des Leistungsmodul-Körperbereichs 100 sind durch einen Verbindungsleiter 124 miteinander verbunden.
  • Der Verbindungsleiter 124 weist einander gegenüberliegende Leiterplatten 122N und 122P mit einer dazwischen befindlichen Isolierplatte 123 auf. Die Leiterplatten 122N, 122P sowie die N- und P-Anschlüsse 108N, 108P sind jeweils mittels Schrauben 125 aneinander befestigt.
  • 31 zeigt eine schematische Querschnittsansicht zur Erläuterung einer Verbindungskonstruktion zwischen den Glättungskondensatoren 120 und dem Verbindungsleiter 124, und zwar gesehen in einer Draufsicht von oben. Die Leiterplatte 122N befindet sich in Kontakt mit den N-Elektroden 121N, und die Leiterplatte 122P befindet sich in Kontakt mit den P-Elektroden 121P.
  • Die Leiterplatte 122N besitzt in Teilbereichen vorgesehene Öffnungen 126, um einen Kontakt mit den P-Elektroden 121P zu vermeiden, und die Leiterplatte 122P besitzt in Teilbereichen vorgesehene Öffnungen 127, um einen Kontakt mit den N-Elektroden 121N zu vermeiden.
  • Bei dem vorstehend beschriebenen Leistungsmodul des Standes der Technik ist jedoch der Verbindungsleiter 124 einschließlich der Leiterplatten 122N, 122P und der isolierenden Platte 123 zur Herstellung einer Verbindung zwischen den N- und den P-Elektroden 121N, 121P der Glättungskondensatoren 120 sowie den N- und P-Anschlüssen 108N, 108P des Leistungsmodul-Körperbereichs 100 notwendig. Dies führt zu Problemen hinsichtlich der großen Anzahl von Teilen sowie zu einer komplizierten Montage.
  • Ein weiteres Problem besteht in einer erhöhten Schaltungsinduktivität aufgrund eines langen Verdrahtungsweges zwischen den Glättungskondensatoren 120 und den Leistungs-Halbleitervorrichtungen 105.
  • Im Betrieb des Leistungsmoduls verursachen die mit hoher Geschwindigkeit ablaufenden Schaltvorgänge der Leistungs-Halbleitervorrichtungen 105 einen hohen impulsförmigen Strom, der proportional zu dem Stromänderungsbetrag (di/dt) ist und zwischen den Glättungskondensatoren 120 und den Leistungs-Halbleitervorrichtungen 105 fließt, so dass sich eine zu der Schaltungsinduktivität proportionale Spannung entwickelt, die wiederum als Rauschen den Leistungs-Halbleitervorrichtungen 105 zugeführt wird.
  • Außerdem erfordert die Erhöhung der Schaltungsinduktivität eine Erhöhung der elektrostatischen Kapazität der Glättungskondensatoren 120, um überlagerte Wechselspannungen zu unterdrücken. Dies führt zu einer Vergrößerung der Glättungskondensatoren 120 und somit zu einer Steigerung der Größe des eigentlichen Leistungsmoduls. Aus diesem Grund ist die Schaltungsinduktivität vorzugsweise niedrig.
  • Außerdem besitzt ein Leistungsmodul des Standes der Technik, der die groß dimensionierten Glättungskondensatoren 120 in Anordnung über dem Leistungsmodul-Körperbereich 100 aufweist, eine zu geringe Vibrationsbeständigkeit, um beispielsweise als in einem Kraftfahrzeug angebrachter Leistungsmodul verwendet zu werden.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher in der Angabe eines Leistungsmoduls, bei dem sich die Schaltungsinduktivität reduzieren lässt und der eine geringe Größe, ein niedriges Gewicht sowie eine hohe Vibrationsbeständigkeit aufweist.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst.
  • Vorzugsweise weist gemäß einer ersten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung der Glättungskondensator in dem Leistungsmodul folgendes auf: eine Umhüllung; eine Vielzahl von Kondensatorelementen, die in der Umhüllung angeordnet sind und von denen jedes eine erste Elektrode in Anlage an der ersten Elektrode des Glättungskondensators sowie eine zweite Elektrode in Anlage an der zweiten Elektrode des Glättungskondensators aufweist; und eine Niederhalteplatte zum Drücken der Vielzahl der Kondensatorelemente gegen die Umhüllung in einer derartigen Weise, dass die Kondensatorelemente in der Umhüllung festgelegt sind.
  • Gemäß einer zweiten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung weist die Umhüllung des Leistungsmoduls vorzugsweise einen einzigen Kühlkörper zum Abführen der von der Vielzahl von Kondensatorelementen erzeugten Wärme auf.
  • Gemäß einer dritten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist in dem Leistungsmodul vorzugsweise wenigstens eine der ersten und der zweiten Elektrode des Glättungskondensators elastisch ausgebildet.
  • Gemäß einer vierten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung weist der Gehäuserahmen des Leistungsmoduls eine vorbestimmte Aussparung in einer Außenfläche auf, wobei ein N-Anschluss und ein P-Anschluss in die Aussparung hineinreichen, wobei der Glättungskondensator in die Aussparung eingepasst ist und eine dem N-Anschluss entsprechend positionierte erste Elektrode sowie eine dem P-Anschluss entsprechend positionierte zweite Elektrode aufweist, zum Glätten einer der Leistungs-Halbleitervorrichtung von außen zuzuführenden Spannung.
  • Vorzugsweise ist gemäß einer fünften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung mindestens ein erstes elektrisch leitfähiges elastisches Element zwischen der ersten Elektrode und dem N-Anschluss und/oder ein zweites elektrisch leitfähiges elastisches Element zwischen der zweiten Elektrode und dem P-Anschluss vorgesehen.
  • Der Leistungsmodul gemäß der vorliegenden Erfindung kann den Verdrahtungsweg zwischen dem Glättungskondensator und der Leistungs-Halbleitervorrichtung verkürzen, so dass sich die Schaltungsinduktivität reduzieren lässt. Durch den Kontakt zwischen einer Seitenfläche des Glättungskondensators und der Seitenfläche des Gehäuses wird die Vibrationsbeständigkeit erhöht.
  • Bei dem Leistungsmodul gemäß der ersten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung schafft die Niederhalteplatte eine kollektive Fixierung für die Vielzahl der Kondensatorelemente in der Umhüllung. Dies erleichtert den Montagevorgang der Vielzahl von Kondensatorelementen.
  • Der Leistungsmodul gemäß der zweiten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung verbessert die gleichmäßige Kühlwirkung der Vielzahl von Kondensatorelementen.
  • Der Leistungsmodul gemäß der dritten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung kann ein Brechen der Kondensatorelemente aufgrund der Preßkraft der Niederhalteplatte oder der Wärmebelastung in Verbindung mit der von den Kondensatorelementen erzeugten Wärme verhindern.
  • Außerdem kann der Leistungsmodul gemäß der dritten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung den Kontakt zwischen der ersten Elektrode des Glättungskondensators und den ersten Elektroden der jeweiligen Kondensatorelemente sowie zwischen der zweite Elektrode des Glättungskondensators und den zweiten Elektroden der jeweiligen Kondensatorelemente sicherstellen.
  • Der Leistungsmodul gemäß der vierten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung kann den Verdrahtungsweg zwischen dem Glättungskondensator und der Leistungs-Halbleitervorrichtung wiederum verkürzen, so dass die Schaltungsinduktivität vermindert wird. Durch das Einpassen des Glättungskondensators in die Aussparung des Gehäuses lässt sich die Größe des Leistungsmoduls reduzieren.
  • Der Leistungsmodul gemäß der fünften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung kann ein Brechen des Glättungskondensators als Ergebnis der beim Einsetzen des Glättungskondensators in die Aussparung ausgeübten Kraft oder der Wärmebelastung in Verbindung mit der von dem Glättungskondensator erzeugten Wärme verhindern.
  • Außerdem ist der Leistungsmodul gemäß der fünften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung in der Lage, den Kontakt zwischen dem N-Anschluss und der ersten Elektrode des Glättungskondensators sowie zwischen dem P-Anschluss und der zweiten Elektrode des Glättungskondensators sicherzustellen.
  • Die Erfindung wird im folgenden anhand der zeichnerischen Darstellungen bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
  • 1 eine schematische Draufsicht von oben zur Erläuterung einer Konstruktion eines Leistungsmodul-Körperbereichs gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 2 eine Querschnittsansicht entlang der Linie X1-X1 in 1 zur Erläuterung der Konstruktion im Querschnitt;
  • 3 eine schematische Draufsicht von oben zur Erläuterung der Gesamtkonstruktion eines Leistungsmoduls gemäß dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 4 eine in vergrößertem Maßstab dargestellte Schnittansicht einer Verbindung zwischen dem Leistungsmodul-Körperbereich und einem in 3 gezeigten Glättungskondensator;
  • 5 und 6 schematische Draufsichten von oben zur Erläuterung von Konstruktionen des Leistungsmoduls mit drei Glättungskondensatoren;
  • 7 eine schematische Draufsicht von oben zur Erläuterung der Gesamtkonstruktion des Leistungsmoduls gemäß einem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 8 eine Querschnittsansicht entlang der Linie X2-X2 in 7 zur Erläuterung der Konstruktion im Querschnitt;
  • 9 eine Querschnittsansicht entlang der Linie X3-X3 in 7 zur Erläuterung der Konstruktion im Querschnitt;
  • 10 eine schematische Draufsicht von oben zur Erläuterung der Gesamtkonstruktion des Leistungsmoduls gemäß einer Modifizierung des zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
  • 11 eine schematische Draufsicht von oben zur Erläuterung der Gesamtkonstruktion des Leistungsmoduls gemäß einem dritten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 12 eine Schnittansicht entlang der Linie X4-X4 in 11 zur Erläuterung der Konstruktion im Schnitt;
  • 13 eine schematische Draufsicht von oben zur Erläuterung der Gesamtkonstruktion des Leistungsmoduls gemäß einem vierten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 14 eine Schnittansicht zur Erläuterung des Glättungskondensators und der elastischen Elemente vor ihrer Anbringung an einem Gehäuserahmen;
  • 15 eine Schnittansicht entlang der Linie X5-X5 in 13 zur Erläuterung der Konstruktion im Schnitt;
  • 16 eine Schnittansicht zur Erläuterung der Querschnittskonstruktion eines Bereichs des Leistungsmoduls, in dem ein N-Anschluss angeordnet ist, gemäß einem nicht beanspruchten fünften Ausführungsbeispiel;
  • 17 eine Schnittansicht zur Erläuterung der Querschnittskonstruktion eines Bereichs des Leistungsmoduls, in dem ein P-Anschluss angeordnet ist, gemäß dem nicht beanspruchten fünften Ausführungsbeispiel;
  • 18 eine Schnittansicht zur Erläuterung der Querschnittskonstruktion eines Bereichs des Leistungsmoduls, in dem der N-Anschluss angeordnet ist, gemäß einem nicht beanspruchten sechsten Ausführungsbeispiel;
  • 19 eine Schnittansicht zur Erläuterung der Querschnittskonstruktion eines Bereichs des Leistungsmoduls, in dem der P-Anschluss angeordnet ist, gemäß dem nicht beanspruchten sechsten Ausführungsbeispiel;
  • 20 eine Schnittansicht zur Erläuterung der Querschnittskonstruktion eines Bereichs des Leistungsmoduls, in dem der N-Anschluss angeordnet ist, gemäß einem nicht beanspruchten siebten Ausführungsbeispiel;
  • 21 eine Schnittansicht zur Erläuterung der Querschnittskonstruktion eines Bereichs des Leistungsmoduls, in dem der P-Anschluss angeordnet ist, gemäß dem nicht beanspruchten siebten Ausführungsbeispiel;
  • 22 eine Schnittansicht zur Erläuterung der Querschnittskonstruktion eines Bereichs des Leistungsmoduls, in dem der N-Anschluss angeordnet ist, gemäß einem achten nicht beanspruchten Ausführungsbeispiel;
  • 23 eine Schnittansicht zur Erläuterung der Querschnittskonstruktion eines Bereichs des Leistungsmoduls, in dem der P-Anschluss angeordnet ist, gemäß dem nicht beanspruchten achten Ausführungsbeispiel;
  • 24 eine Schnittansicht zur Erläuterung der Querschnittskonstruktion des Leistungsmoduls gemäß einem nicht beanspruchten neunten Ausführungsbeispiel;
  • 25 eine Schnittansicht zur Erläuterung der Querschnittskonstruktion eines Leistungsmoduls gemäß einem nicht beanspruchten zehnten Ausführungsbeispiel;
  • 26 eine Schnittansicht zur Erläuterung der Querschnittskonstruktion eines Bereichs des Leistungsmoduls, in dem eine N-Elektrode angeordnet ist, gemäß einem nicht beanspruchten elften Ausführungsbeispiel;
  • 27 eine Schnittansicht zur Erläuterung der Querschnittskonstruktion eines Bereichs des Leistungsmoduls, in dem eine P-Elektrode angeordnet ist, gemäß dem nicht beanspruchten elften Ausführungsbeispiel;
  • 28 eine schematische Draufsicht von oben zur Erläuterung einer Konstruktion eines Leistungsmodul-Körperbereichs des Standes der Technik;
  • 29 eine Querschnittsansicht entlang der Linie X100-X100 in 28 zur Erläuterung der Konstruktion im Querschnitt;
  • 30 eine Schnittansicht zur schematischen Erläuterung der Gesamtkonstruktion eines Leistungsmoduls des Standes der Technik, gesehen in einer Seitenaufrißansicht; und
  • 31 eine schematische Schnittansicht zur Erläuterung der Konstruktion von Verbindungen zwischen Glättungskondensatoren und einem Verbindungsleiter, gesehen in einer Draufsicht von oben.
  • Erstes bevorzugtes Ausführungsbeispiel
  • 1 zeigt eine schematische Draufsicht von oben zur Erläuterung einer Konstruktion eines Leistungsmodul-Körperbereichs 99 gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
  • Ausgangsanschlüsse 11U, 11V und 11W, die den drei Phasen U, V bzw. W entsprechen, sind entlang einer ersten Seite einer oberen Oberfläche eines Gehäuserahmens 6 angeordnet. Ein N-Anschluss 8N und ein P-Anschluss 8P sind entlang einer zu der ersten Seite parallelen zweiten Seite der oberen Oberfläche des Gehäuserahmens 6 angeordnet.
  • 2 zeigt eine Querschnittsansicht entlang der Linie X1-X1 in 1 zur Erläuterung der Konstruktion im Querschnitt. Der aus Harz gebildete Gehäuserahmen 6 ist auf einer Metall-Basisplatte 1 angeordnet, die als Kühlkörper wirkt, und eine aus Harz gebildete Gehäuseabdeckung 16 ist auf dem Gehäuserahmen 6 angeordnet.
  • Ein aus Keramikmaterial gebildetes isolierendes Substrat 2 ist auf die Basisplatte 1 aufgelötet, wie dies bei dem Bezugszeichen 3 zu sehen ist. Eine Vielzahl von Leistungs-Halbleitervorrichtungen 5, wie zum Beispiel IGBTs, sind mittels Lötmaterial 4 auf dem isolierenden Substrat 2 angebracht.
  • Schaltungselemente (nicht gezeigt), wie zum Beispiel Schaltelemente (IGBTs), sind auf einer oberen Oberfläche des isolierenden Substrats 2 angebracht, und ferner ist ein vorbestimmtes Schaltungsmuster (nicht gezeigt) auf der oberen Oberfläche des isolierenden Substrats 2 ausgebildet.
  • Ein Steuersubstrat 14, das mit einer Steuerschaltung zum Steuern der Leistungs-Halbleitervorrichtungen 5 ausgebildet ist, ist in dem Gehäuserahmen 6 angeordnet. Das Steuersubstrat 14 ist mit ersten Enden von jeweiligen Zwischenverbindungselektroden 12 verlötet. Die zweiten Enden der jeweiligen Zwischenverbindungselektroden 12 sind durch Aluminiumdrähte 9 mit den Leistungs-Halbleitervorrichtungen 5 verbunden.
  • Eine Antirausch-Abschirmplatte 13 ist zwischen dem Steuersubstrat 14 und dem isolierenden Substrat 2 in dem Gehäuserahmen 6 angeordnet. Ein Innenraum des Gehäuserahmens 6 unter der Abschirmplatte 13 ist mit einem Silikongel 15 gefüllt.
  • Der N-Anschluss 8N ist auf der oberen Oberfläche des Gehäuserahmens 6 angeordnet. Der N-Anschluss 8N ist mit einem ersten Ende einer N-Elektrode 7N verbunden, die in den Gehäuserahmen 6 eingebettet ist. Ein zweites Ende der N-Elektrode 7N ist durch die Aluminiumdrähte 9 mit den Leistungs-Halbleitervorrichtungen 5 verbunden.
  • Der P-Anschluss 8P (in 2 nicht dargestellt) ist ebenfalls auf der oberen Oberfläche des Gehäuserahmens 6 angeordnet. Der P-Anschluss 8P ist mit einem ersten Ende einer P-Elektrode 7P verbunden, die in den Gehäuserahmen 6 eingebettet ist. Ein zweites Ende der P-Elektrode 7P ist durch die Aluminiumdrähte 9 und das auf dem isolierenden Substrat 2 ausgebildete Schaltungsmuster mit den Leistungs-Halbleitervorrichtungen 5 verbunden.
  • Der Ausgangsanschluss 11V ist auf der oberen Oberfläche des Gehäuserahmens 6 angeordnet. Der Ausgangsanschluss 11V ist mit einem ersten Ende einer Ausgangselektrode 10 verbunden, die in den Gehäuserahmen 6 eingebettet ist. Ein zweites Ende der Ausgangselektrode 10 ist durch die Aluminiumdrähte 9 mit den Leistungs-Halbleitervorrichtungen 5 verbunden.
  • Wie der Ausgangsanschluss 11V sind auch die Ausgangsanschlüsse 11U und 11W durch die Ausgangselektrode 10 und die Aluminiumdrähte 9 mit den Leistungs-Halbleitervorrichtungen 5 verbunden, obwohl dies in 2 nicht dargestellt ist.
  • 3 zeigt eine schematische Draufsicht von oben zur Erläuterung der Gesamtkonstruktion eines Leistungsmoduls gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel. 4 zeigt eine in vergrößertem Maßstab dargestellte Schnittansicht einer Verbindung zwischen dem in 3 gezeigten Leistungsmodul-Körperbereich 99 und einem Glättungskondensator 20.
  • Der kastenförmige Glättungskondensator 20 zum Glätten einer Gleichstrom-Versorgungsspannung, die von außen an die Leistungs-Halbleitervorrichtungen 5 anzulegen ist, ist in Kontakt mit einer Seitenfläche des Gehäuserahmens 6 angeordnet, welche die zweite Seite (entlang derer der N-Anschluss 8N und der P-Anschluss 8P angeordnet sind) der oberen Oberfläche des Gehäuserahmens 6 beinhaltet, wobei eine obere Oberfläche des Glättungskondensators 20 mit der oberen Oberfläche des Gehäuserahmens 6 ausgefluchtet ist bzw. bündig mit dieser abschließt.
  • Der Glättungskondensator 20 weist eine N-Elektrode 21N und eine P-Elektrode 21P auf, die auf der oberen Oberfläche des Glättungskondensators 20 in der Nähe des N-Anschlusses 8N bzw. des P-Anschlusses 8P des Leistungsmodul-Körperbereichs 99 angeordnet sind. Wie in 4 gezeigt ist, handelt es sich bei der N-Elektrode 21N und der P-Elektrode 21P (die in 4 beide mit dem Bezugszeichen 21 bezeichnet sind) um plattenartige Elektroden, die von der oberen Oberfläche des Glättungskondensators 20 wegragen.
  • Die N-Elektrode 21N und die P-Elektrode 21P sind in Richtung auf den Gehäuserahmen 6 gebogen und erstrecken sich über den N-Anschluss 8N bzw. den P-Anschluss 8P (die in 4 beide mit dem Bezugszeichen 8 bezeichnet sind). Danach werden Schrauben 25 zum Befestigen der N-Elektrode 21N und des N-Anschlusses 8N aneinander sowie zum Befestigen der P-Elektrode 21P und des P-Anschlusses 8P aneinander verwendet.
  • Dadurch wird eine direkte Verbindung zwischen den N- und den P-Elektroden 21N, 21P des Glättungskondensators und den N- und P-Anschlüssen 8N, 8P des Leistungsmodul-Körperbereichs 99 ohne die Verwendung von anderen Verbindungseinrichtungen, wie zum Beispiel eines Verbindungskabels, hergestellt.
  • Bei dem Leistungsmodul gemäß dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel, wie es vorstehend beschrieben worden ist, ist der Glättungskondensator 20 in Kontakt mit der Seitenfläche des Gehäuserahmens 6 angeordnet und ist mit seiner oberen Oberfläche bündig mit der oberen Oberfläche des Gehäuserahmens 6 ausgefluchtet.
  • Die N-Elektrode 21N und die P-Elektrode 21P des Glättungskondensators 20 sind nahe dem N-Anschluss 8N bzw. dem P-Anschluss 8P des Leistungsmodul-Körperbereichs 99 angeordnet. Dies gestattet die Herstellung einer direkten Verbindung zwischen der N-Elektrode 21N und dem N-Anschluss 8N sowie zwischen der P-Elektrode 21P und dem P-Anschluss 8P ohne die Verwendung des Verbindungsleiters 124 des Standes der Technik.
  • Infolgedessen kann bei dem Leistungsmodul gemäß dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung die Anzahl der Teile reduziert werden und der Verdrahtungsweg zwischen dem Glättungskondensator 20 und den Leistungs-Halbleitervorrichtungen 5 verkürzt werden, so dass sich wiederum die Schaltungsinduktivität reduzieren lässt.
  • Außerdem wird durch den Kontakt zwischen der Seitenfläche des Glättungskondensators 20 und der Seitenfläche des Leistungsmodul-Körperbereichs 99 die Vibrationsbeständigkeit erhöht.
  • Obwohl in der Darstellung nur ein einzelner Glättungskondensator 20 vorgesehen ist, kann auch eine Vielzahl von Glättungskondensatoren vorgesehen werden. Zum Beispiel können drei Glättungskondensatoren in entsprechender Relation zu den Phasen U, V und W vorgesehen sein. Die 5 und 6 zeigen schematische Draufsichten von oben zur Erläuterung der Konstruktionen des Leistungsmoduls mit drei Glättungskondensatoren 20a bis 20c.
  • Wie in 5 zu sehen ist, besitzen die Glättungskondensatoren 20a bis 20c jeweilige kontaktinselförmige N-Elektroden 22Na bis 22Nc, die durch einen Verbindungsleiter 23N mit dem N-Anschluss 8N des Leistungsmodul-Körperbereichs 99 zusammengeschaltet sind. Der Verbindungsleiter 23N ist von den P-Elektroden 22Pa bis 22Pc isoliert.
  • Bei den P-Elektroden 22Pa bis 22Pc der jeweiligen Glättungskondensatoren 20a bis 20c handelt es sich um kontaktinselförmige Elektroden, die durch einen Verbindungsleiter 23P mit dem P-Anschluss 8P des Leistungsmodul-Körperbereichs 99 zusammengeschaltet sind. Der Verbindungsleiter 23P ist von dem Verbindungsleiter 23N und den N-Elektroden 22Na bis 22Nc isoliert.
  • Wie in 6 zu sehen ist, besitzen die Glättungskondensatoren 20a bis 20c N-Elektroden 21Na bis 21Nc, die jeweils direkt mit N-Anschlüssen 8Na bis 8Nc des Leistungsmodul-Körperbereichs 99 verbunden sind. Die Glättungskondensatoren 20a bis 20c weisen ferner P-Elektroden 21Pa bis 21Pc auf, die jeweils direkt mit P-Anschlüssen 8Pa bis 8Pc des Leistungsmodul-Körperbereichs 99 verbunden sind.
  • Die in den 5 und 6 gezeigten Leistungsmodule weisen separate Glättungskondensatoren 20a bis 20c auf, die den drei jeweiligen Phasen entsprechen. Falls es zu einem Versagen bei einem der Glättungskondensatoren 20a bis 20c kommt, ist nur der ausgefallene Glättungskondensator zu reparieren oder auszutauschen. Dies trägt zu einer Kostenreduzierung bei.
  • Ferner ist bei dem in 6 gezeigten Leistungsmodul, bei dem die Glättungskondensatoren 20a bis 20c in der kürzesten und gleichen Distanz von den drei Phasen angeordnet sein können, das Ungleichgewicht zwischen den Phasen vermindert, so dass wiederum die Schaltungsinduktivität vermindert wird.
  • Zweites bevorzugtes Ausführungsbeispiel
  • 7 zeigt eine schematische Draufsicht von oben zur Erläuterung der Gesamtkonstruktion des Leistungsmoduls gemäß einem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die 8 und 9 zeigen Querschnittsansichten entlang der Linien X2-X2 bzw. X3-X3 in 7 zur Erläuterung der Konstruktion im Querschnitt.
  • Wie in 7 zu sehen ist, ist eine Vielzahl von Kondensatorelementen 30a bis 30e in einer Glättungskondensator-Umhüllung 32 angeordnet. Wie in 8 zu sehen ist, weisen die Kondensatorelemente 30a bis 30e an ihrer jeweiligen Bodenfläche N-Elektroden 35a bis 35e auf.
  • Die N-Elektroden 35a bis 35e befinden sich gemeinsam in Kontakt mit der plattenförmigen N-Elektrode 21N. Ein Teil der N-Elektrode 21N erstreckt sich zu einer in der Zeichnung oberen Oberfläche der Umhüllung bzw. des Gehäuses 32 und ist mittels einer Schraube 25 an dem N-Anschluss 8N des Leistungsmodul-Körperbereichs 99 befestigt.
  • Wie in 9 zu sehen ist, weisen die Kondensatorelemente 30a bis 30e an ihren oberen Oberflächen jeweils P-Elektroden 36a bis 36e auf. Die P-Elektroden 36a bis 36e befinden sich gemeinsam in Kontakt mit der plattenförmigen P-Elektrode 21P. Ein Teil der P-Elektrode 21P erstreckt sich zu der oberen Oberfläche der Umhüllung 32 und ist mittels einer Schraube 25 an dem P-Anschluss 8P des Leistungsmodul-Körperbereichs 99 befestigt.
  • Wie bei dem Glättungskondensator 20 des ersten bevorzugten Ausführungsbeispiels ist die Umhüllung 32 in Berührung mit der Seitenfläche des Gehäuserahmens 6 angeordnet und mit ihrer oberen Oberfläche bündig mit der oberen Oberfläche des Gehäuserahmens 6 ausgefluchtet.
  • Ein Isolator 31 ist zwischen einer Seitenfläche des Kondensatorelements 30a und der N-Elektrode 21N vorgesehen. Die Bodenfläche der Umhüllung 32 weist einen Kühlkörper 33 auf, um die von den Kondensatorelementen 30a bis 30e erzeugte Wärme nach außen abzuführen.
  • Die Kondensatorelemente 30a bis 30e sind unter Zwischenanordnung der N-Elektrode 21N gegen die Bodenfläche der Umhüllung 32 gedrückt sowie an dieser befestigt, und zwar durch die Preßkraft einer Niederhalteplatte 34, die auf die obere Oberfläche des Umhüllung 32 aufgeschraubt ist.
  • Zusätzlich zu den von dem Leistungsmodul des ersten bevorzugten Ausführungsbeispiels erzeugten Wirkungen erzeugt der Leistungsmodul gemäß dem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel somit weitere Wirkungen, die nachfolgend beschrieben werden.
  • Das Fixieren der Vielzahl von Kondensatorelementen 30a bis 30e in der Umhüllung 32 erfordert lediglich die Befestigung der Niederhalteplatte 34 an der oberen Oberfläche des Umhüllung 32 mittels einer einzigen Schraube. Der Montagevorgang für die Vielzahl von Kondensatorelementen ist somit vereinfacht.
  • Außerdem weist die Bodenfläche der Umhüllung 32 einen einzigen Kühlkörper 33 zum Abführen der von den Kondensatorelementen 30a bis 30e erzeugten Wärme nach außen auf. Dies unterstützt die gleichmäßige Kühlung der Vielzahl von Kondensatorelementen 30a bis 30e.
  • Als Elektrodenmaterial kann ein elastisches Material verwendet werden, um mindestens einem der Sätze von N-Elektroden 35a bis 35e und P-Elektroden 36a bis 36e Elastizität zu verleihen.
  • Dies verhindert ein Brechen der Kondensatorelemente 30a bis 30e aufgrund der Preßkraft der Niederhalteplatte 34 oder der Wärmebelastungen in Verbindung mit der durch die Kondensatorelemente 30a bis 30e erzeugten Wärme, und ferner stellt es den Kontakt zwischen der N-Elektrode 21N und den N-Elektroden 35a bis 35e sowie zwischen der P-Elektrode 21P und den P-Elektroden 36a bis 36e sicher.
  • 10 zeigt eine schematische Draufsicht von oben zur Erläuterung der Gesamtkonstruktion des Leistungsmoduls gemäß einer Modifizierung des zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung. Drei Glättungskondensatoren, die in ihrer Konstruktion mit dem in den 7 bis 9 gezeigten Glättungskondensator jeweils identisch sind, sind einzeln in entsprechender Relation zu den drei Phasen angeordnet.
  • In 10 bezeichnen die Bezugszeichen 32a bis 32c Umhüllungen; die Bezugszeichen 21Na bis 21Nc bezeichnen N-Elektroden; die Bezugszeichen 21Pa bis 21Pc bezeichnen P-Elektroden; die Bezugszeichen 8Na bis 8Nc bezeichnen N-Anschlüsse und die Bezugszeichen 8Pa bis 8Pc bezeichnen P-Anschlüsse.
  • Drittes bevorzugtes Ausführungsbeispiel
  • 11 zeigt eine schematische Draufsicht von oben zur Erläuterung der Gesamtkonstruktion des Leistungsmoduls gemäß einem dritten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. 12 zeigt eine Schnittansicht der Konstruktion entlang der Linie X4-X4 in 11. Eine Außenfläche des Gehäuserahmens 6 weist eine partielle Aussparung auf, die ein Paar einander gegenüberliegender Seitenflächen besitzt.
  • Der N-Anschluss 8N ist auf einer ersten Seitenfläche der Aussparung angeordnet, und der P-Anschluss 8P ist auf der zweiten Seitenfläche derselben angeordnet. Wie in 12 zu sehen ist, erstrecken sich der N-Anschluss 8N und der P-Anschluss 8P auf Bereiche der oberen Oberfläche des Gehäuserahmens 6, die die Aussparung umgeben.
  • Ein Glättungskondensator 40 besitzt eine Formgebung zum Einpassen in die Aussparung und weist auf seiner ersten Seitenfläche, die der ersten Seitenfläche der Aussparung gegenüberliegt, eine N-Elektrode 43N und auf seiner zweiten Seitenfläche, die der zweiten Seitenfläche der Aussparung gegenüberliegt, eine P-Elektrode 43P auf.
  • Der Glättungskondensator 40 ist in die Aussparung gepasst, und Lötmaterial 41 verbindet die N-Elektrode 43N und den N-Anschluss 8N miteinander sowie die P-Elektrode 43P und den P-Anschluss 8P miteinander, so dass der Glättungskondensator 40 und der Gehäuserahmen 6 aneinander befestigt sind. Eine Abdeckung 44, die an der oberen Oberfläche des Gehäuserahmens 6 angebracht ist, ist auf dem Glättungskondensator 40 angeordnet.
  • Bei dem vorstehend beschriebenen Leistungsmodul gemäß dem dritten bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Glättungskondensator 40 in die in der Außenfläche des Gehäuserahmens 6 ausgebildete Vertiefung gepasst und mittels des Lötmaterials 41 an dem Gehäuserahmen 6 befestigt.
  • Dies ermöglicht eine direkte Verbindung zwischen der N-Elektrode 43N und dem N-Anschluss 8N sowie zwischen der P-Elektrode 43P und dem P-Anschluss 8P ohne die Notwendigkeit für den Verbindungsleiter 124 des Standes der Technik.
  • Infolgedessen lässt sich bei dem Leistungsmodul gemäß dem dritten bevorzugten Ausführungsbeispiel die Anzahl der Teile reduzieren sowie der Verdrahtungsweg zwischen dem Glättungskondensator 40 und den Leistungs-Halbleitervorrichtungen 5 verkürzen, so dass sich wiederum die Schaltungsinduktivität vermindern lässt.
  • Außerdem lässt sich durch das Einpassen des Glättungskondensators 40 in die Aussparung des Gehäuserahmens 6 eine Größenreduzierung des Leistungsmoduls erzielen.
  • Viertes bevorzugtes Ausführungsbeispiel
  • 13 zeigt eine schematische Draufsicht von oben zur Erläuterung der Gesamtkonstruktion des Leistungsmoduls gemäß einem vierten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. 14 zeigt eine Schnittansicht des Glättungskondensators 40 sowie der elastischen Elemente 45 vor deren Anbringung an dem Gehäuserahmen 6. 15 zeigt eine Schnittansicht der Konstruktion entlang der Linie X5-X5 in 13.
  • Der Leistungsmodul gemäß dem vierten bevorzugten Ausführungsbeispiel basiert auf dem Leistungsmodul gemäß dem dritten bevorzugten Ausführungsbeispiel, unterscheidet sich von diesem jedoch dadurch, dass die elektrisch leitfähigen elastischen Elemente 45, bei denen es sich zum Beispiel um Blattfedern handelt, anstatt des Lötmaterials 41, das die N-Elektrode 43N und den N-Anschluss 8N miteinander verbindet sowie die P-Elektrode 43P und den P-Anschluss 8P miteinander verbindet, jeweils zwischen der N-Elektrode 43N und dem N-Anschluss 8N und zwischen der P-Elektrode 43P und dem P-Anschluss 8P angeordnet sind.
  • Der Glättungskondensator 40 und der Gehäuserahmen 6 sind durch die Elastizität der zusammengedrückten elastischen Elemente 45 aneinander befestigt. Dabei ist es notwendig, dass wenigstens eines der elastischen Elemente 45 zwischen der N-Elektrode 43N und dem N-Anschluss 8N sowie zwischen der P-Elektrode 43P und dem P-Anschluss 8P vorgesehen ist.
  • Zusätzlich zu den durch den Leistungsmodul des dritten bevorzugten Ausführungsbeispiel erzielten Effekten erzeugt der Leistungsmodul gemäß dem vierten bevorzugten Ausführungsbeispiel somit weitere Effekte, die nachfolgend beschrieben werden.
  • Es wird ein Brechen des Glättungskondensators 40 verhindert, das aufgrund der beim Einsetzen des Glättungskondensators 40 in die Aussparung ausgeübten Preßkraft oder aufgrund der Wärmebelastung in Verbindung mit der von dem Glättungskondensator 40 erzeugten Wärme hervorgerufen werden kann. Außerdem wird der Kontakt zwischen der N-Elektrode 43N und dem N-Anschluss 8N sowie zwischen der P-Elektrode 43P und dem P-Anschluss 8P sichergestellt.
  • Fünftes nicht beanspruchtes Ausführungsbeispiel
  • 16 zeigt eine Schnittansicht eines Bereichs des Leistungsmoduls, in dem ein N-Anschluss 54N angeordnet ist, gemäß einem fünften, nicht beanspruchten Ausführungsbeispiel. Ein Glättungskondensator 50 ist an der Unterseite (bzw. an einer der Steuerelektrode 14 gegenüberliegenden Fläche) einer Gehäuseabdeckung 51 angebracht.
  • Der N-Anschluss 54N erstreckt sich auf der oberen Oberfläche des Gehäuserahmens 6 von der Außenseite der Gehäuseabdeckung 51 nach innen. Eine N-Elektrode 52N ist an einer oberen Oberfläche (bzw. einer Oberfläche für den Kontakt mit der Unterseite der Gehäuseabdeckung 51) des Glättungskondensators 50 ausgebildet.
  • Die N-Elektrode 52N ist durch eine Verbindungselektrode 53N, die an der Unterseite der Gehäuseabdeckung 51 ausgebildet ist, mit dem N-Anschluss 54N verbunden. Der N-Anschluss 54N ist durch die N-Elektrode 7N und die Aluminiumdrähte 9 mit den Leistungs-Halbleitervorrichtungen 5 verbunden.
  • 17 zeigt eine Schnittansicht zur Erläuterung eines Bereichs des Leistungsmoduls, in dem ein P-Anschluss 54P angeordnet ist, gemäß dem fünften, nicht beanspruchten Ausführungsbeispiel. Der P-Anschluss 54P erstreckt sich auf der oberen Oberfläche des Gehäuserahmens 6 von außerhalb der Gehäuseabdeckung 51 nach innen.
  • Eine P-Elektrode 52P ist auf der oberen Oberfläche des Glättungskondensators 50 ausgebildet. Die P-Elektrode 52P ist durch eine Verbindungselektrode 53P, die an der Unterseite der Gehäuseabdeckung 51 ausgebildet ist, mit dem P-Anschluss 54P verbunden. Der P-Anschluss 54P ist durch die P-Elektrode 7P, die Aluminiumdrähte 9 und das auf dem isolierenden Substrat 2 ausgebildete Schaltungsmuster mit den Leistungs-Halbleitervorrichtungen 5 verbunden.
  • Bei dem Leistungsmodul gemäß dem fünften, nicht beanspruchten Ausführungsbeispiel, wie es vorstehend beschrieben wurde, ist der Glättungskondensator 50 an der Unterseite der Gehäuseabdeckung 51 im Inneren des durch den Gehäuserahmen 6 und die Gehäuseabdeckung 51 gebildeten Gehäuses angeordnet. Dies verkürzt den Verdrahtungsweg zwischen dem Glättungskondensator 50 und den Leistungs-Halbleitervorrichtungen 5, so dass die Schaltungsinduktivität vermindert wird.
  • Außerdem ist der Glättungskondensator 50, der von der Umgebung außerhalb des Gehäuses isoliert ist, vor der Ablagerung von Verunreinigungen sowie der Bildung von Rost geschützt, die sich aus der äußeren Umgebung ergeben. Mit anderen Worten, die umgebungsmäßige Beständigkeit des Glättungskondensators 50 ist verbessert.
  • Da ferner der Glättungskondensator 50 in Berührung mit der Gehäuseabdeckung 51 angebracht ist, wird die durch den Glättungskondensator 50 erzeugte Wärme durch die Gehäuseabdeckung 51 nach außen abgeleitet.
  • Die in den 16 und 17 dargestellte Gehäuseabdeckung 51 ist zwar relativ flach, jedoch kann die Gehäuseabdeckung 51 auch mit einer rippenartigen Kontur ausgebildet sein, um die Wärmeabführeigenschaften noch weiter zu verbessern.
  • Sechstes nicht beanspruchtes Ausführungsbeispiel
  • 18 zeigt eine Schnittansicht eines Bereichs des Leistungsmoduls, in dem der N-Anschluss 8N angeordnet ist, gemäß einem sechsten, nicht beanspruchtes Ausführungsbeispiel. Eine Abschirmplatte 56 ist zwischen dem Steuersubstrat 14 und dem isolierenden Substrat 2 angeordnet, und die Innenfläche des Gehäuserahmens 6 weist eine stufige Konstruktion in Berührung mit einem Teil des Umfangs der Abschirmplatte 56 auf.
  • Ein Anschluss 59N ist auf einer oberen Oberfläche der Stufenkonstruktion ausgebildet und ist durch eine Verbindungselektrode 7N2, die in den Gehäuserahmen 6 eingebettet ist, mit einer N-Elektrode 7N1 verbunden. Die N-Elektrode 7N1 ist mit einem ersten Ende mit dem N-Anschluss 8N verbunden und mit einem zweiten Ende über die Aluminiumdrähte 9 mit den Leistungs-Halbleitervorrichtungen 5 verbunden.
  • Ein Glättungskondensator 55 ist an der Unterseite (bzw. einer dem isolierenden Substrat 2 gegenüberliegenden Fläche) der Abschirmplatte 56 angebracht. Eine N-Elektrode 57N ist auf einer oberen Oberfläche (bzw. einer Oberfläche zur Berührung mit der Unterseite der Abschirmplatte 56) des Glättungskondensators 55 ausgebildet. Die N-Elektrode 57N ist durch eine Verbindungselektrode 58N, die an der Unterseite der Abschirmplatte 56 ausgebildet ist, mit dem Anschluss 59N verbunden.
  • 19 zeigt eine Schnittansicht zur Erläuterung eines Bereichs des Leistungsmoduls, in dem der P-Anschluss 8P angeordnet ist, gemäß dem sechsten, nicht beanspruchten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Ein Anschluss 59P ist auf der oberen Oberfläche der Stufenkonstruktion ausgebildet und durch eine Verbindungselektrode 7P2, die in den Gehäuserahmen 6 eingebettet ist, mit einer P-Elektrode 7P1 verbunden.
  • Die P-Elektrode 7P1 ist mit einem ersten Ende mit dem P-Anschluss 8P verbunden und mit einem zweiten Ende über die Aluminiumdrähte 9 und das auf dem isolierenden Substrat 2 ausgebildete Schaltungsmuster mit den Leistungs-Halbleitervorrichtungen 5 verbunden.
  • Eine P-Elektrode 57P ist auf der oberen Oberfläche des Glättungskondensators 55 ausgebildet. Die P-Elektrode 57P ist durch eine Verbindungselektrode 58P, die an der Unterseite der Abschirmplatte 56 ausgebildet ist, mit dem Anschluss 59P verbunden.
  • Bei dem Leistungsmodul gemäß dem sechsten, nicht beanspruchten Ausführungsbeispiel, wie es vorstehend beschrieben wurde, ist der Glättungskondensator 55 an der Unterseite der Abschirmplatte 56 innerhalb des durch den Gehäuserahmen 6 und die Gehäuseabdeckung 16 gebildeten Gehäuses angeordnet.
  • Dies ermöglicht einen kürzeren Verdrahtungsweg zwischen dem Glättungskondensator 55 und den Leistungs-Halbleitervorrichtungen 5 als im Fall des Leistungsmoduls des fünften Ausführungsbeispiels, so dass sich die Schaltungsinduktivität noch weiter reduzieren lässt.
  • Außerdem besitzt der Glättungskondensator 55, der von der äußeren Umgebung getrennt ist, eine verbesserte Beständigkeit gegenüber der Umgebung.
  • Siebtes, nicht beanspruchtes Ausführungsbeispiel
  • 20 zeigt eine Schnittansicht zur Erläuterung eines Bereichs des Leistungsmoduls, in dem der N-Anschluss 8N angeordnet ist, gemäß einem siebten, nicht beanspruchten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Leistungsmodul gemäß dem siebten Ausführungsbeispiel basiert auf dem Leistungsmodul gemäß dem sechsten Ausführungsbeispiel, unterscheidet sich von diesem jedoch dadurch, dass insbesondere eine Abschirmplatte 63, die eine gedruckte Schaltungsplatte beinhaltet, für die Abschirmplatte 56 verwendet wird.
  • Der Gehäuserahmen 6 weist entlang seiner Innenfläche eine Stufenkonstruktion auf und befindet sich in Berührung mit der Peripherie der Abschirmplatte 63. Die Unterseite der Abschirmplatte 63 ist vollständig mit einem wärmeleitfähigen Flächenkörper 64 bedeckt. Ein Glättungskondensator 60 ist unter dem wärmeleitfähigen Flächenkörper 64 in einem zentralen Bereich der Abschirmplatte 62 angeordnet.
  • Eine N-Elektrode 61N an einer ersten Seitenfläche des Glättungskondensators 60 ist durch eine Verbindungselektrode 62N1, ein Leitermuster 62N2 und eine Verbindungselektrode 62N3 in der genannten Reihenfolge mit dem Anschluss 59N verbunden. Die Verbindungselektrode 62N1 befindet sich in Kontakt mit der N-Elektrode 61N und erstreckt sich durch die Abschirmplatte 63 hindurch.
  • Das Leitermuster 62N2 ist auf der oberen Oberfläche der Abschirmplatte 63 ausgebildet und befindet sich in Kontakt mit der Verbindungselektrode 62N1. Die Verbindungselektrode 62N3 ist in Kontakt mit dem Leitermuster 62N2 und erstreckt sich durch die Abschirmplatte 63 hindurch.
  • 21 zeigt eine Schnittansicht zur Erläuterung eines Bereichs des Leistungsmoduls, in dem der P-Anschluss 8P angeordnet ist, gemäß dem siebten Ausführungsbeispiel. Eine P-Elektrode 61P auf einer zweiten Seitenfläche des Glättungskondensators 60, die der ersten Seitenfläche entgegengesetzt ist, ist durch eine Verbindungselektrode 62P1, ein Leitermuster 62P2 und eine Verbindungselektrode 62P3 in der genannten Reihenfolge mit dem Anschluss 59P verbunden.
  • Die Verbindungselektrode 62P1 ist in Kontakt mit der P-Elektrode 61P und erstreckt sich durch die Abschirmplatte 63 hindurch. Das Leitermuster 62P2 ist auf der oberen Oberfläche der Abschirmplatte 63 ausgebildet und befindet sich in Kontakt mit der Verbindungselektrode 62P1. Die Verbindungselektrode 62P3 ist in Kontakt mit dem Leitermuster 62P2 und erstreckt sich durch die Abschirmplatte 63 hindurch.
  • Weitere Bestandteile des Leistungsmoduls gemäß dem siebten Ausführungsbeispiel entsprechen denen des Leistungsmoduls gemäß dem sechsten Ausführungsbeispiel, wie es in den 18 und 19 gezeigt ist.
  • Wie bei dem Leistungsmodul gemäß dem sechsten Ausführungsbeispiel kann auch der Leistungsmodul gemäß dem siebten Ausführungsbeispiel die Schaltungsinduktivität reduzieren und die Beständigkeit gegenüber der Umgebung verbessern.
  • Da der Glättungskondensator 60 unter Zwischenanordnung des wärmeleitfähigen Flächenkörpers 64 an der Unterseite der Abschirmplatte 63 angeordnet ist, wird die von dem Glättungskondensator 60 erzeugte Wärme durch den wärmeleitfähigen Flächenkörper 64 und den Gehäuserahmen 6 wirksam nach außen abgeleitet, und Belastungen in Verbindung mit der erzeugten Wärme werden vermindert.
  • Achtes, nicht beanspruchtes Ausführungsbeispiel
  • 22 zeigt eine Schnittansicht zur Erläuterung eines Bereichs des Leistungsmoduls, in dem der N-Anschluss 8N angeordnet ist, gemäß einem achten, nicht beanspruchten Ausführungsbeispiel.
  • Der Leistungsmodul gemäß dem achten Ausführungsbeispiel basiert auf dem Leistungsmodul gemäß dem siebten Ausführungsbeispiel, lässt unterscheidet sich jedoch von diesem dadurch, dass insbesondere eine aus Metall hergestellte Abschirmplatte 65 anstatt der Abschirmplatte 56 verwendet wird.
  • Die N-Elektrode 57N des Glättungskondensators 55 und der Anschluss 59N auf der oberen Oberfläche der Stufenkonstruktion sind durch einen Verbindungsleiter 66N miteinander verbunden, der an der Unterseite der Abschirmplatte 56 vorgesehen ist und mit einer dünnen Isolierschicht beschichtet ist.
  • 23 zeigt eine Schnittansicht zur Erläuterung eines Bereichs des Leistungsmoduls, in dem der P-Anschluss 8P angeordnet ist, gemäß dem achten Ausführungsbeispiel. Die P-Elektrode 57P des Glättungskondensators 55 und der Anschluss 59P auf der oberen Oberfläche der Stufenkonstruktion sind durch einen Verbindungsleiter 66P miteinander verbunden, der an der Unterseite der Abschirmplatte 65 vorgesehen ist und mit einer dünnen Isolierschicht beschichtet ist.
  • Weitere Bestandteile des Leistungsmoduls gemäß dem achten Ausführungsbeispiel entsprechen denen des Leistungsmoduls gemäß dem sechsten Ausführungsbeispiel, wie es in den 18 und 19 dargestellt ist.
  • Wie bei dem Leistungsmodul gemäß dem sechsten Ausführungsbeispiel kann auch der Leistungsmodul gemäß dem achten Ausführungsbeispiel die Schaltungsinduktivität vermindern und die Beständigkeit gegenüber der Umgebung verbessern.
  • Da der Glättungskondensator 55 an der Unterseite der Abschirmplatte 65 aus Metall angeordnet ist, wird die von dem Glättungskondensator 55 erzeugte Wärme durch die Abschirmplatte 65 und den Gehäuserahmen 6 wirksam nach außen abgeleitet.
  • Neuntes, nicht beanspruchtes Ausführungsbeispiel
  • 24 zeigt eine Schnittansicht zur Erläuterung der Konstruktion des Leistungsmoduls gemäß einem neunten, nicht beanspruchten Ausführungsbeispiel. Ein Glättungskondensator 70 in einer vertikalen Anordnung ist auf der oberen Oberfläche des isolierenden Substrats 2 in einem Bereich vorgesehen, in dem die Leistungs-Halbleitervorrichtungen 5 nicht angebracht sind.
  • Eine N-Elektrode 71N ist auf einer oberen Oberfläche des Glättungskondensators 70 ausgebildet, und eine Verbindungselektrode 72 ist die N-Elektrode 71N überdeckend derart angeordnet, dass sie eine P-Elektrode 71P nicht kontaktiert.
  • Die Verbindungselektrode 72 besitzt ein erstes Ende, das durch die Aluminiumdrähte 9 mit der N-Elektrode 7N verbunden ist, sowie ein zweites Ende, das durch die Aluminiumdrähte 9 mit den Leistungs-Halbleitervorrichtungen 5 verbunden ist.
  • Die P-Elektrode 71P ist an einer Bodenfläche des Glättungskondensators 70 ausgebildet und durch das auf dem isolierenden Substrat 2 ausgebildete Schaltungsmuster mit den Leistungs-Halbleitervorrichtungen 5 verbunden.
  • Ferner ist die P-Elektrode 71P durch das Schaltungsmuster und die Aluminiumdrähte 9 mit der P-Elektrode 7P verbunden (die in 24 in unterbrochenen Linien dargestellt ist, da sie eigentlich nicht in derselben Schnittebene wie die N-Elektrode 7N liegt).
  • Bei dem Leistungsmodul gemäß dem neunten Ausführungsbeispiel ist der Glättungskondensator 70 innerhalb des durch den Gehäuserahmen 6 und die Gehäuseabdeckung 16 gebildeten Gehäuses angeordnet, so dass die Beständigkeit gegenüber der Umgebung verbessert wird, wie dies auch bei dem Leistungsmodul der Ausführungsbeispiele 5 bis 8 der Fall ist.
  • Die Anordnung des Glättungskondensators 70 auf dem isolierenden Substrat 2 schafft eine beträchtliche Verkürzung des Verdrahtungsweges zwischen dem Glättungskondensator 70 und den Leistungs-Halbleitervorrichtungen 5, so dass sich eine starke Verminderung der Schaltungsinduktivität ergibt.
  • Der Glättungskondensator 70 kann aus demselben Material wie das isolierende Substrat 2 hergestellt sein. Wenn zum Beispiel das isolierende Substrat 2 aus Keramik besteht, kann ein Keramik-Kondensator als Glättungskondensator 70 verwendet werden.
  • Dadurch ist es möglich, dass der Glättungskondensator 70 und das isolierende Substrat 2 gleiche Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen, so dass verschiedenartige Nachteile vermieden werden können, die sich aufgrund von Unterschieden im Wärmeausdehnungskoeffizienten ergeben, so dass sich die Zuverlässigkeit des Leistungsmoduls verbessern lässt.
  • Zehntes, nicht beanspruchtes Ausführungsbeispiel
  • 25 zeigt eine Schnittansicht zur Erläuterung der Konstruktion des Leistungsmoduls gemäß einem zehnten, nicht beanspruchten Ausführungsbeispiel. Ein Glättungskondensator 80 in vertikaler Anordnung ist auf der oberen Oberfläche der Basisplatte 1 in einem Bereich vorgesehen, in dem das isolierende Substrat 2 nicht angeordnet ist.
  • Insbesondere ist der Glättungskondensator 80 bei der Konstruktion gemäß 25 in dem Gehäuserahmen 6 eingebettet dargestellt. Eine N-Elektrode 81N ist auf einer oberen Oberfläche des Glättungskondensators 80 ausgebildet. Die N-Elektrode 81N ist mittels eines elektrisch leitfähigen Verbindungsmaterials, wie zum Beispiel Lötmaterial oder dergleichen, mit der N-Elektrode 7N in Kontakt gebracht sowie an dieser befestigt.
  • Eine P-Elektrode 81P ist an einer Bodenfläche des Glättungskondensators 80 ausgebildet. Die P-Elektrode 81P ist mittels eines elektrisch leitfähigen Verbindungsmaterials, wie zum Beispiel Lötmaterial oder dergleichen, mit der P-Elektrode 7P in Kontakt gebracht sowie an dieser befestigt (wobei diese Elektrode in 25 in unterbrochenen Linien dargestellt ist, da sie eigentlich nicht in derselben Schnittebene wie die N-Elektrode 7N liegt). Die P-Elektrode 7P und die Basisplatte 1 sind voneinander isoliert.
  • Wie bei dem Leistungsmodul gemäß den Ausführungsbeispielen 5 bis 9 kann auch der Leistungsmodul gemäß dem zehnten Ausführungsbeispiel die Beständigkeit gegenüber der Umgebung verbessern.
  • Zusätzlich gestattet der auf der Basisplatte 1 aus Metall angeordnete Glättungskondensator 80, dass die von dem Glättungskondensator 80 erzeugte Wärme durch die Basisplatte 1 hindurch wirksam nach außen abgeführt wird.
  • Ferner sind die N-Elektrode 81N und die P-Elektrode 81P des Glättungskondensators 80 in direktem Kontakt mit der N-Elektrode 7N bzw. der P-Elektrode 7P gebracht sowie an diesen befestigt. Dadurch ergeben sich die nachfolgend genannten Wirkungen.
  • Im Vergleich zu der durch die Verbindungselektrode usw. zwischen den Elektroden hergestellten Verbindung ist bei der Anordnung gemäß dem zehnten Ausführungsbeispiel kein separates Element für die Verbindung zwischen den Elektroden erforderlich, so dass sich das Gewicht und die Kosten reduzieren lassen.
  • Im Vergleich zu der Verwendung einer Schraube zum Befestigen der Verbindungselektroden, die mit der N-Elektrode 81N und der P-Elektrode 81P des Glättungskondensators 80 verbunden sind, und der mit der N-Elektrode 7N sowie der P-Elektrode 7P verbundenen Anschlüsse aneinander vermeidet die Anordnung gemäß dem zehnten Ausführungsbeispiel die Entstehung eines Kontaktwiderstands an einem von einer Schraube gehaltenen Bereich, so dass ein Energieverlust des Leistungsmoduls insgesamt unterdrückt wird.
  • Dies unterdrückt auch die Entstehung von Wärme in Verbindung mit dem Kontaktwiderstand, so dass sich wiederum ein Kühlmechanismus mit reduzierter Größe erzielen lässt.
  • Elftes, nicht beanspruchtes Ausführungsbeispiel
  • 26 zeigt eine Schnittansicht zur Erläuterung eines Bereichs des Leistungsmoduls, in dem eine N-Elektrode 95 angeordnet ist, gemäß einem elften, nicht beanspruchten Ausführungsbeispiel. Der Gehäuserahmen 6 und das isolierende Substrat 2 in einer horizontalen Position sind auf einer Wasserkühlungsrippe 90 angeordnet, in der ein Kühlmittel-Strömungsweg 91 ausgebildet ist.
  • Ein Glättungskondensator 92 ist an der Unterseite der Wasserkühlungsrippe 90 (bzw. auf einer Seite, die der Seite, auf der das isolierende Substrat 2 ausgebildet ist, gegenüberliegt) angeordnet. Die N-Elektrode 95N, die sich von der Innenfläche des Gehäuserahmens 6 auf dessen Außenfläche erstreckt, ist in den Gehäuserahmen 6 eingebettet.
  • Eine N-Elektrode 93N, die an einer Seitenfläche des Glättungskondensators 92 ausgebildet ist, ist durch einen Verbindungsleiter 94N mit der N-Elektrode 95N verbunden.
  • Der Verbindungsleiter 94N ist zum Teil an der Boden- und Seitenfläche der Wasserkühlungsrippe 90 sowie auf der Außenfläche des Gehäuserahmens 6 ausgebildet.
  • 27 zeigt eine Schnittansicht zur Erläuterung eines Bereichs des Leistungsmoduls, in dem eine P-Elektrode 95P angeordnet ist, gemäß dem elften Ausführungsbeispiel. Die P-Elektrode 95P, die sich von der Innenfläche des Gehäuserahmens 6 auf die Außenfläche desselben erstreckt, ist in den Gehäuserahmen 6 eingebettet.
  • Eine P-Elektrode 93P, die an einer Seitenfläche des Glättungskondensators 92 ausgebildet ist, ist durch einen Verbindungsleiter 94P mit der P-Elektrode 95P verbunden. Der Verbindungsleiter 94P ist teilweise an einer Boden- und Seitenfläche der Wasserkühlungsrippe 90 sowie auf der Außenfläche des Gehäuserahmens 6 ausgebildet.
  • Bei dem Leistungsmodul gemäß dem elften Ausführungsbeispiel, wie es vorstehend beschrieben wurde, ist der Glättungskondensator 92 an der Unterseite der Wasserkühlungsrippe 90 angeordnet.
  • Die Wasserkühlungsrippe 90 kann somit die von dem Glättungskondensator 92 erzeugte Wärme wirksam abführen, so dass die Zuverlässigkeit des Leistungsmoduls gesteigert wird.
  • Bei dem ersten bis elften Ausführungsbeispiel kann ein Keramik-Kondensator mit guten Lade- und Entladeeigenschaften als Glättungskondensator verwendet werden, so dass sich eine Steigerung der Arbeitsgeschwindigkeit des Leistungsmoduls erzielen lässt.

Claims (6)

  1. Leistungsmodul, der folgendes aufweist: – ein Substrat (2), auf dem eine Leistungs-Halbleitervorrichtung (5) angebracht ist; – ein Gehäuserahmen (6), umschließend einen Innenraum, in dem das Substrat angeordnet ist; – einen N-Anschluss (8N) und einen P-Anschluss (8P), die entlang einer ersten Seite einer oberen Oberfläche des Gehäuserahmens angeordnet sind und mit der Leistungs-Halbleitervorrichtung elektrisch verbunden sind; und – einen Glättungskondensator (20), der eine mit dem N-Anschluss verbundene erste Elektrode (21N) und eine mit dem P-Anschluss verbundene zweite Elektrode (21P) aufweist, zum Glätten einer der Leistungs-Halbleitervorrichtung von außen zuzuführenden Spannung; wobei der Glättungskondensator (20) eine Hauptfläche aufweist, die mit der oberen Oberfläche des Gehäuserahmens (6) bündig abschließt, sowie in Kontakt mit einer Seitenfläche des Gehäuserahmens (6) angeordnet ist, die weitgehend senkrecht an die erste Seite der oberen Oberfläche des Gehäuserahmens anschließt, und wobei die erste Elektrode (21N) und die zweite Elektrode (21P) derart auf der oberen Oberfläche des Glättungskondensators angeordnet sind, dass sie sich über den N- und den P-Anschluss (8N, 8P) erstrecken und eine direkte Verbindung zwischen den ersten und zweiten Elektroden (21N, 21P) des Glättungskondensators (20) und den N- und P-Anschlüssen (8N, 8P) der Leistungs-Halbleitervorrichtung gebildet ist.
  2. Leistungsmodul nach Anspruch 1, wobei der Glättungskondensator (20) folgendes aufweist: – eine Umhüllung (32); – eine Vielzahl von Kondensatorelementen (30a–30e), die in der Umhüllung angeordnet sind und von denen jedes eine erste Elektrode (35a–35e) in Anlage an der ersten Elektrode des Glättungskondensators (20) sowie eine zweite Elektrode in Anlage an der zweiten Elektrode des Glättungskondensators (20) aufweist; und – eine Niederhalteplatte (34) zum Anpressen der Vielzahl von Kondensatorelementen gegen die Umhüllung in einer derartigen Weise, dass die Kondensatorelemente in der Umhüllung festgelegt sind.
  3. Leistungsmodul nach Anspruch 2, wobei die Umhüllung (32) einen einzigen Kühlkörper (33) zum Abführen der von den Kondensatorelementen erzeugten Wärme aufweist.
  4. Leistungsmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei mindestens eine der ersten und der zweiten Elektrode des Glättungskondensators (20) elastisch ausgebildet ist.
  5. Leistungsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Gehäuserahmen (6) eine vorbestimmte Aussparung in einer Außenfläche aufweist, die sich bis auf die erste Seite der oberen Oberfläche erstreckt, wobei der N-Anschluss (8N) und der P-Anschluss (8P) in die Aussparung hineinreichen, und wobei der Glättungskondensator (40) in die Aussparung eingepasst ist und eine erste Elektrode (43N) aufweist, die dem N-Anschluss entsprechend positioniert ist, sowie eine zweite Elektrode (43P) aufweist, die dem P-Anschluss entsprechend positioniert ist, zum Glätten einer der Leistungs-Halbleitervorrichtung (5) von außen zuzuführenden Spannung.
  6. Leistungsmodul nach Anspruch 5, wobei mindestens ein erstes elektrisch leitfähiges elastisches Element (45) zwischen der ersten Elektrode (43N) und dem N-Anschluss (8N) und/oder ein zweites elektrisch leitfähiges elastisches Element (45) zwischen der zweiten Elektrode (43P) und dem P-Anschluss (8P) vorgesehen ist.
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