DE102020101288B4 - Half-bridge in an inverter and method for reducing parasitic inductances in a half-bridge of an inverter - Google Patents
Half-bridge in an inverter and method for reducing parasitic inductances in a half-bridge of an inverterInfo
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Abstract
Halbbrücke (2) in einem Inverter (1), in welcher ein High-Side-Leistungsschalter (3) und ein Low-Side-Leistungsschalter (4) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Anschlussdraht (8) des High-Side-Leistungsschalters (3) und ein zweiter Anschlussdraht (9) des Low-Side-Leistungsschalters (4) in direkter Verbindung zwischen den Anschlussdrähten (8, 9) und in einer gemeinsamen Bohrung in einer Leiterplatte (6) elektrisch leitend verbunden mit Leiterzügen (12) auf der Leiterplatte (6) angeordnet sind und dass Pins (10) der Leistungsschalter (3, 4) eine Biegung in einem ersten Abstand vom Leistungsschalter (3, 4) und die Anschlussdrähte (8, 9) eine Biegung in einem zweiten Abstand vom Leistungsschalter (3, 4) aufweisen, wobei der zweite Abstand größer als der erste Abstand ist.Half-bridge (2) in an inverter (1) in which a high-side power switch (3) and a low-side power switch (4) are arranged, characterized in that a first connecting wire (8) of the high-side power switch (3) and a second connecting wire (9) of the low-side power switch (4) are arranged in direct connection between the connecting wires (8, 9) and in a common bore in a printed circuit board (6) are electrically connected to conductor traces (12) on the printed circuit board (6) and that pins (10) of the power switches (3, 4) have a bend at a first distance from the power switch (3, 4) and the connecting wires (8, 9) have a bend at a second distance from the power switch (3, 4), wherein the second distance is greater than the first distance.
Description
Die Erfindung betrifft eine Halbbrücke in einem Inverter, in welcher ein High-Side-Leistungsschalter und ein Low-Side-Leistungsschalter angeordnet ist.The invention relates to a half-bridge in an inverter in which a high-side circuit breaker and a low-side circuit breaker are arranged.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Reduzierung parasitärer Induktivitäten in einer Halbbrücke eines Inverters, wobei ein High-Side-Leistungsschalter und ein Low-Side-Leistungsschalter in einer Halbbrücke bereitgestellt werden.The invention also relates to a method for reducing parasitic inductances in a half-bridge of an inverter, wherein a high-side power switch and a low-side power switch are provided in a half-bridge.
Bekannt ist es, dass Inverter, welche auch als Wechselrichter bezeichnet werden, eine eingangsseitige Gleichspannung in eine ausgangsseitige Wechselspannung umwandeln, mit welcher beispielsweise ein Elektromotor betrieben wird. Derart ist ein geregelter Betrieb eines Elektromotors möglich, welcher beispielsweise in einem elektrischen Kältemittelverdichter in einem Fahrzeug eingesetzt werden kann.It is well known that inverters, also known as voltage converters, convert an input DC voltage into an output AC voltage, which is used, for example, to power an electric motor. This allows for the controlled operation of an electric motor, such as one used in an electric refrigerant compressor in a vehicle.
Eine sehr verbreitete Schaltungsanordnung zur geregelten Ansteuerung von elektrischen Antrieben mittels eines Inverters ist eine sogenannte B6-Brücke beziehungsweise B6-Brückenschaltung.A very common circuit arrangement for the controlled control of electric drives using an inverter is a so-called B6 bridge or B6 bridge circuit.
Die B6-Brücke umfasst drei Halbbrücken, bestehend aus je einem High-Side-Leistungsschalter und je einem Low-Side-Leistungsschalter, wobei diese Leistungsschalter beziehungsweise Halbleiter-Leistungsschalter beispielsweise als MOSFET (englisch: metal-oxide-semiconductor field-effect transistor) oder IGBT (englisch: insulated-gate bipolar transistor) ausgelegt werden.The B6 bridge comprises three half-bridges, each consisting of a high-side power switch and a low-side power switch, where these power switches or semiconductor power switches are designed, for example, as MOSFETs (metal-oxide-semiconductor field-effect transistors) or IGBTs (insulated-gate bipolar transistors).
Innerhalb einer Halbbrücke ist ein Anschluss des High-Side-Leistungsschalters direkt mit einem Anschluss des Low-Side-Leistungsschalters sowie einem Ausgang der Halbbrücke beziehungsweise des Inverters verbunden. Über diesen Ausgang wird die von der Halbbrücke erzeugte Spannung einer Phase (U oder V oder W), beispielsweise zum Betreiben eines angeschlossenen Elektromotors, ausgegeben.Within a half-bridge, one terminal of the high-side circuit breaker is directly connected to one terminal of the low-side circuit breaker and to an output of the half-bridge or inverter. This output carries the voltage (U, V, or W) generated by the half-bridge, for example, to operate a connected electric motor.
Zwischen dem in einer üblichen Schaltungsanordnung oberen High-Side-Leistungsschalter und dem unteren Low-Side-Leistungsschalter einer Halbbrücke, welche auch als eine Kommutierungszelle bezeichnet wird, kommt es zu einer unerwünschten Ausbildung parasitärer Induktivitäten. Um diese unerwünschten parasitären Induktivitäten gering zu halten, werden die Halbleiter-Leistungsschalter innerhalb einer Halbbrücke auf einer Leiterplatte nahe beieinander angeordnet.Between the upper high-side power switch and the lower low-side power switch of a half-bridge, also known as a commutation cell, in a typical circuit configuration, undesirable parasitic inductances develop. To minimize these unwanted parasitic inductances, the semiconductor power switches within a half-bridge are positioned close together on a printed circuit board.
Ein Beispiel für diesen Stand der Technik ist aus
In der Praxis werden häufig Halbleiter-Leistungsschalter eingesetzt, welche beispielsweise ein sogenanntes TO220 oder TO247 Transistorgehäuse aufweisen. Derartige Bauelemente weisen drei Anschlüsse auf, welche auch als Anschlussdrähte oder Pins bezeichnet werden. Zur Montage auf einer Leiterplatte werden derartige Transistoren, also die Halbleiter-Leistungsschalter der Halbbrücken, mittels einer sogenannten Durchsteckmontage (THT, englisch: through hole technology) auf der Leiterplatte angeordnet. Hierbei werden die Anschlussdrähte durch vorbereitete Löcher in der Leiterplatte gesteckt und beispielsweise mit entsprechenden Leiterzügen verlötet. Hierbei können die Halbleiter-Leistungsschalter beispielsweise stehend oder mit entsprechend gebogenen Anschlussdrähten liegend auf der Leiterplatte angeordnet werden. Die drei Anschlussdrähte können der Gate-, der Kollektor- und der Emitteranschluss eines IGBT-Bauelements oder der Gate-, der Source- und der Drainanschluss eines MOSFET-Bauelements sein.In practice, semiconductor power switches are frequently used, which typically have a TO220 or TO247 transistor package. These components have three terminals, also known as leads or pins. For mounting on a printed circuit board (PCB), these transistors, i.e., the semiconductor power switches of half-bridges, are arranged using through-hole technology (THT). The leads are inserted through pre-drilled holes in the PCB and soldered to corresponding traces. The semiconductor power switches can be mounted vertically or horizontally on the PCB, with the leads bent accordingly. The three leads can be the gate, collector, and emitter terminals of an IGBT or the gate, source, and drain terminals of a MOSFET.
Trotz einer nahen Anordnung dieser Halbleiter-Leistungsschalter einer Halbbrücke auf der Leiterplatte verbleibt ein Abstand zwischen den Halbleiter-Leistungsschaltern, wodurch sich die ungewünschte parasitäre Induktivität ausbilden kann.Despite the close arrangement of these semiconductor power switches in a half-bridge on the circuit board, a gap remains between the semiconductor power switches, which can lead to the formation of unwanted parasitic inductance.
Diese verbleibende parasitäre Induktivität führt zu einer Verlängerung der Ein- und Ausschaltzeiten der Halbleiter-Leistungsschalter und somit zu einer Erhöhung der Schaltverlustenergie beziehungsweise Schaltverlustleistung. Neben dem damit verbundenen niedrigeren Wirkungsgrad durch die höhere Schaltverlustleistung, führt dies zu einer zusätzlichen Erwärmung der Halbleiter-Leistungsschalter. Um dieser zusätzlichen Erwärmung gegenzusteuern ist ein aufwendigeres Kühlungskonzept für die Halbleiter-Leistungsschalter notwendig, welches zu höheren Herstellungskosten führt.This remaining parasitic inductance leads to longer switching times for the semiconductor power switches, and thus to an increase in switching energy loss or switching power loss. Besides the associated lower efficiency due to the higher switching power loss, this results in additional heating of the semiconductor power switches. To counteract this additional heating, a more complex cooling concept for the semiconductor power switches is necessary, which leads to higher manufacturing costs.
Die verbleibende parasitäre Induktivität steht der Entwicklung von Bauelementen und Baugruppen, wie Invertern, mit immer weiter verbesserter Leistungsfähigkeit, beispielsweise durch Anwendung höherer Schaltfrequenzen, entgegen.The remaining parasitic inductance hinders the development of components and assemblies, such as inverters, with ever-improving performance, for example through the use of higher switching frequencies.
Um die Leistungsfähigkeit beziehungsweise die Effektivität moderner Inverter zu verbessern, ist es notwendig, dass die sich zwischen dem High-Side-Leistungsschalter und dem Low-Side-Leistungsschalter einer Kommutierungszelle beziehungsweise Halbbrücke ausbildenden parasitären Induktivitäten weiter verringert werden.To improve the performance or efficiency of modern inverters, it is necessary to further reduce the parasitic inductances that form between the high-side power switch and the low-side power switch of a commutation cell or half-bridge.
Somit besteht ein Bedarf nach einer Verbesserung des bekannten Standes der Technik, um in Invertern mit höheren Schaltfrequenzen arbeiten zu können, ohne den Aufwand zur Kühlung weiter zu erhöhen.Therefore, there is a need to improve the known state of the art in order to be able to operate inverters with higher switching frequencies without further increasing the cooling effort.
In der
Die
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Halbbrücke beziehungsweise Kommutierungszelle anzugeben, welche eine verringerte parasitäre Induktivität aufweist sowie einfach und kostengünstig herzustellen ist. Hierbei soll die Verringerung der parasitären Induktivität, insbesondere zwischen einem High-Side-Leistungsschalter und einem Low-Side-Leistungsschalter, erfolgen. The object of the invention is to provide a half-bridge or commutation cell which exhibits reduced parasitic inductance and is simple and inexpensive to manufacture. The reduction of parasitic inductance is intended to occur, in particular, between a high-side circuit breaker and a low-side circuit breaker.
Außerdem soll der Aufwand zur Kühlung einer derartigen Halbbrücke verringert werden. Weiterhin sollen auch die elektromagnetischen Störungen reduziert werden.Furthermore, the cooling requirements for such a half-bridge should be reduced. Electromagnetic interference should also be reduced.
Die Aufgabe wird durch einen Gegenstand mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 der selbstständigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.The problem is solved by an object having the features according to claim 1 of the independent patent claims. Further developments are specified in the dependent patent claims.
Die Aufgabe wird auch durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 4 der selbstständigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.The problem is also solved by a method with the features according to claim 4 of the independent patent claims. Further developments are specified in the dependent patent claims.
Als erster Aspekt der Erfindung wird eine Halbbrücke in einem Inverter zur Verfügung gestellt, in welcher ein High-Side-Leistungsschalter und ein Low-Side-Leistungsschalter angeordnet sind. Ein erster Anschlussdraht des High-Side-Leistungsschalters und ein zweiter Anschlussdraht des Low-Side-Leistungsschalters sind in direkter Verbindung zwischen den Anschlussdrähten und in einer gemeinsamen Bohrung in einer Leiterplatte elektrisch leitend verbunden mit Leiterzügen auf der Leiterplatte angeordnet. Erfindungsgemäß weisen Pins der Leistungsschalter eine Biegung in einem ersten Abstand vom Leistungsschalter und die Anschlussdrähte eine Biegung in einem zweiten Abstand vom Leistungsschalter auf, wobei der zweite Abstand größer als der erste Abstand ist.The first aspect of the invention provides a half-bridge in an inverter, in which a high-side circuit breaker and a low-side circuit breaker are arranged. A first connecting wire of the high-side circuit breaker and a second connecting wire of the low-side circuit breaker are electrically connected in a direct line between the connecting wires and in a common bore in a printed circuit board, via conductors on the circuit board. According to the invention, the pins of the circuit breakers have a bend at a first distance from the circuit breaker, and the connecting wires have a bend at a second distance from the circuit breaker, the second distance being greater than the first distance.
Als zweiter Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Reduzierung parasitärer Induktivitäten in einer Halbbrücke eines Inverters zur Verfügung gestellt, wobei bei diesem Verfahren ein High-Side-Leistungsschalter und ein Low-Side-Leistungsschalter in einer Halbbrücke bereitgestellt werden, und wobei ein erster Anschlussdraht des High-Side-Leistungsschalters und ein zweiter Anschlussdraht des Low-Side-Leistungsschalters in direkter Verbindung zwischen den Anschlussdrähten und in einer gemeinsamen Bohrung in einer Leiterplatte elektrisch verbunden mit Leiterzügen auf der Leiterplatte bereitgestellt werden. Erfindungsgemäß werden Pins der Leistungsschalter mit einer Biegung in einem ersten Abstand vom Leistungsschalter und die Anschlussdrähte mit einer Biegung in einem zweiten Abstand vom Leistungsschalter bereitgestellt, wobei der zweite Abstand größer als der erste Abstand ist.As a second aspect of the invention, a method for reducing parasitic inductances in a half-bridge of an inverter is provided, wherein in this method a high-side power switch and a low-side power switch are provided in a half-bridge, and wherein a first connecting wire of the high-side power switch and a second connecting wire of the low-side power switch are provided in direct connection between the connecting wires and electrically connected in a common bore in a printed circuit board with conductor traces on the printed circuit board. According to the invention, the pins of the power switches are provided with a bend at a first distance from the power switch and the connecting wires are provided with a bend at a second distance from the power switch, the second distance being greater than the first distance.
Vorgesehen ist es, den Abstand zwischen dem High-Side-Leistungsschalter und dem Low-Side-Leistungsschalter einer Kommutierungszelle weiter zu verringern. Insbesondere wird der Abstand zwischen zwei Anschlussdrähten beziehungsweise Pins der beiden Halbleiter-Leistungsschalter innerhalb einer Halbbrücke auf einer Leiterplatte verringert. Hierbei sind für diese Verringerung des Abstands beispielsweise der Anschlussdraht des Emitters des High-Side-Leistungsschalters und der Anschlussdraht des Kollektors des Low-Side-Leistungsschalters beispielsweise in einer Ausführung mit IGBT-Bauelementen vorgesehen.The plan is to further reduce the distance between the high-side and low-side power switches of a commutation cell. Specifically, the distance between two connecting wires or pins of the two semiconductor power switches will be reduced. The distance is reduced by half a bridge on a printed circuit board. For this reduction in distance, for example, the connecting wire of the emitter of the high-side circuit breaker and the connecting wire of the collector of the low-side circuit breaker are provided in a version with IGBT components.
Alternativ kann auch der Source-Anschlussdraht des High-Side-Leistungsschalters und der Drain-Anschlussdraht des Low-Side-Leistungsschalters für die Verringerung des Abstands in einer Ausführung mit MOSFET-Bauelementen vorgesehen sein.Alternatively, the source terminal wire of the high-side circuit breaker and the drain terminal wire of the low-side circuit breaker can also be provided in a version with MOSFET components to reduce the distance.
Diese Verringerung des Abstands der genannten Anschlussdrähte der Bauelemente wird dadurch erreicht, dass die genannten Anschlussdrähte in einer gemeinsamen Bohrung auf der Leiterplatte angeordnet werden.This reduction in the distance between the aforementioned connecting wires of the components is achieved by arranging the aforementioned connecting wires in a common hole on the circuit board.
Zu diesem Zweck ist es vorgesehen, beispielsweise den Anschlussdraht des Emitters des High-Side-Leistungsschalters und den Anschlussdraht des Kollektors des Low-Side-Leistungsschalters abweichend von den anderen Anschlussdrähten beziehungsweise Pins zu biegen. Im Beispiel einer liegenden Montage der Halbleiter-Leistungsschalter weist der Anschlussdraht des Emitters des High-Side-Leistungsschalters und der Anschlussdraht des Kollektors des Low-Side-Leistungsschalters, betrachtet ausgehend vom jeweiligen Bauelement, gegenüber den anderen beiden Anschlussdrähten beziehungsweise Pins der Bauelemente einen längeren geraden Abschnitt auf. Am Ende dieses geraden Abschnitts weisen die genannten Anschlussdrähte eine Biegung auf.For this purpose, it is intended, for example, to bend the emitter lead of the high-side circuit breaker and the collector lead of the low-side circuit breaker differently from the other leads or pins. In the example of a horizontal mounting of the semiconductor circuit breakers, the emitter lead of the high-side circuit breaker and the collector lead of the low-side circuit breaker, viewed from the respective component, have a longer straight section compared to the other two leads or pins of the components. At the end of this straight section, the aforementioned leads have a bend.
Durch diesen längeren geraden Abschnitt der genannten Anschlussdrähte können diese in einer gemeinsamen Bohrung in der Leiterplatte angeordnet und beispielsweise auch gemeinsam mit einem Lötauge beziehungsweise Leiterzug auf der Leiterplatte verlötet werden.This longer straight section of the aforementioned connecting wires allows them to be arranged in a common hole in the circuit board and, for example, soldered together with a solder pad or conductor track on the circuit board.
Diese Anordnung, beispielsweise des Anschlussdrahts des Emitters des High-Side-Leistungsschalters und des Anschlussdrahts des Kollektors des Low-Side-Leistungsschalters, führt zu einer direkten Verbindung zwischen diesen Bauelemente-Anschlüssen und somit zu einer deutlichen Verringerung der sich ausbildenden parasitären Induktivitäten.This arrangement, for example of the connecting wire of the emitter of the high-side circuit breaker and the connecting wire of the collector of the low-side circuit breaker, leads to a direct connection between these component terminals and thus to a significant reduction in the parasitic inductances that develop.
Diese Verringerung der parasitären Induktivitäten ermöglicht es, in Invertern mit dieser erfindungsgemäßen Anordnung der Halbleiter-Leistungsschalter in den Halbbrücken mit höheren Schaltfrequenzen zu arbeiten. Diese Anordnung der gleichen, aus dem Stand der Technik bekannten, Halbleiter-Leistungsschalter führt auch bei höheren Schaltfrequenzen nicht zu einer derart hohen Erwärmung der Bauelemente, bedingt durch höhere Verluste in den Bauelementen, welche zu einer Beeinträchtigung der Funktion der Bauelemente führen könnte beziehungsweise zu deren Zerstörung. Der Wirkungsgrad derartiger Inverter steigt somit.This reduction in parasitic inductances makes it possible to operate inverters with this arrangement of semiconductor power switches in the half-bridges according to the invention at higher switching frequencies. This arrangement of the same semiconductor power switches, known from the prior art, does not lead to such high component heating, even at higher switching frequencies, caused by higher component losses, which could impair the function of the components or even lead to their destruction. The efficiency of such inverters is therefore increased.
Aufgrund der geringeren parasitären Induktivitäten kommt es auch zu einer Verringerung von elektromagnetischen Störungen, hervorgerufen durch die Halbbrücken beziehungsweise die Inverteranordnung. Dies ermöglicht einen Einsatz von einfacheren und billigeren EMV-Filtern (EMV; Elektromagnetische Verträglichkeit) zur Beseitigung der auftretenden elektromagnetischen Störungen.Due to the lower parasitic inductances, electromagnetic interference caused by the half-bridges or inverter arrangement is also reduced. This allows for the use of simpler and cheaper EMC filters (electromagnetic compatibility) to eliminate the electromagnetic interference that occurs.
Da sich durch die niedrigere Schaltverlustenergie beziehungsweise Schaltverlustleistung die Leistungsanforderungen an die Halbleiter-Leistungsschalter verringern, können preiswertere Bauelemente für die Halbleiter-Leistungsschalter zum Einsatz kommen.Since the lower switching loss energy or switching loss power reduces the power requirements for the semiconductor power switches, less expensive components can be used for the semiconductor power switches.
Beispielsweise im Bereich der Hybrid- und Elektrofahrzeuge kann die vorliegende Erfindung vorteilhaft eingesetzt werden. In derartigen Fahrzeugen werden unter anderem auch Inverter im Bereich elektrischer Kältemittelverdichter eingesetzt, welche effektiver betrieben werden können und welche sich mit geringeren Kosten herstellen lassen.For example, the present invention can be advantageously used in the field of hybrid and electric vehicles. Such vehicles also employ inverters in the area of electric refrigerant compressors, which can be operated more efficiently and manufactured at lower costs.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile von Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:
-
1 : eine B6-Brücke in einem Inverter aus dem Stand der Technik, -
2 : eine Anordnung zweier Halbleiter-Leistungsschalter auf einer Leiterplatte (Inverterplatine) aus dem Stand der Technik in einer Seitenansicht, -
3 : eine Anordnung zweier Halbleiter-Leistungsschalter auf einem Leiterplattenabschnitt in einer praktischen Umsetzung nach dem Stand der Technik, -
4 : ein Ersatzschaltbild einer Halbbrücke nach dem Stand der Technik, -
5 : eine Ausführung der erfindungsgemäßen Anordnung in einer Seitenansicht, -
6 : die Leistungsschalter einer Halbbrücke in einer Anordnung gemäß5 in einer perspektivischen Darstellung ohne Leiterplatte und -
7 : eine erfindungsgemäße Anordnung zweier Halbleiter-Leistungsschalter auf einem Leiterplattenabschnitt in einer praktischen Umsetzung.
-
1 : a B6 bridge in a state-of-the-art inverter, -
2 : a prior art arrangement of two semiconductor power switches on a printed circuit board (inverter board) in a side view, -
3 : an arrangement of two semiconductor power switches on a printed circuit board section in a practical implementation according to the state of the art, -
4 : an equivalent circuit diagram of a half-bridge according to the state of the art, -
5 : an embodiment of the arrangement according to the invention in a side view, -
6 : the circuit breakers of a half-bridge in an arrangement according to5 in a perspective view without a circuit board and -
7 : an arrangement of two semiconductor power switches according to the invention on a Printed circuit board section in a practical implementation.
Die
Die Halbbrücken 2 sind derart aufgebaut, dass ein Anschluss beziehungsweise erster Anschlussdraht 8 des High-Side-Leistungsschalters 3 direkt mit einem Anschluss beziehungsweise zweiten Anschlussdraht 9 des Low-Side-Leistungsschalters 4 verbunden ist. An diesem Verbindungspunkt ist auch der Ausgang der jeweiligen Phase 5 (U, V, W) angeschlossen.The half-bridges 2 are configured such that one terminal or first connecting wire 8 of the high-side circuit breaker 3 is directly connected to one terminal or second connecting wire 9 of the low-side circuit breaker 4. The output of the respective phase 5 (U, V, W) is also connected at this connection point.
Der erste Anschlussdraht 8 des High-Side-Leistungsschalters 3, welcher mit dem zweiten Anschlussdraht 9 des Low-Side-Leistungsschalters 4 verbunden ist, kann ein Emitteranschluss des High-Side-Leistungsschalters 3 sein. In diesem Fall ist der zweite Anschlussdraht 9 des Low-Side-Leistungsschalters 4 ein Kollektoranschluss.The first terminal 8 of the high-side circuit breaker 3, which is connected to the second terminal 9 of the low-side circuit breaker 4, can be an emitter terminal of the high-side circuit breaker 3. In this case, the second terminal 9 of the low-side circuit breaker 4 is a collector terminal.
Der erste Anschlussdraht 8 des High-Side-Leistungsschalters 3, welcher mit dem zweiten Anschlussdraht 9 des Low-Side-Leistungsschalters 4 verbunden ist, kann alternativ ein Sourceanschluss des High-Side-Leistungsschalters 3 sein. In diesem Fall ist der zweite Anschlussdraht 9 des Low-Side-Leistungsschalters 4 ein Drainanschluss.The first terminal 8 of the high-side circuit breaker 3, which is connected to the second terminal 9 of the low-side circuit breaker 4, can alternatively be a source terminal of the high-side circuit breaker 3. In this case, the second terminal 9 of the low-side circuit breaker 4 is a drain terminal.
In der
Die
Die Leistungsschalter 3 und 4 einer Halbbrücke 2 sind beispielsweise in einem Gehäuse vom Typ TO220 oder TO247 ausgeführt. Zur elektrischen Verbindung der Leistungsschalter 3 und 4 mit entsprechenden Leiterzügen auf der Leiterplatte 6 verfügen die Leistungsschalter 3 und 4 über je drei Pins 10, beispielsweise für den Emitter-, den Kollektor- und den Gateanschluss des entsprechenden Leistungsschalters 3 oder 4. Einer der drei Pins 10 des High-Side-Leistungsschalters 3 ist der erste Anschlussdraht 8, während ein Pin 10 des Low-Side-Leistungsschalters 4 der zweite Anschlussdraht 9 ist.The power switches 3 and 4 of a half-bridge 2 are, for example, housed in a TO220 or TO247 package. For electrical connection of the power switches 3 and 4 to corresponding traces on the printed circuit board 6, the power switches 3 and 4 each have three pins 10, for example, for the emitter, collector, and gate connections of the respective power switch 3 or 4. One of the three pins 10 of the high-side power switch 3 is the first connection 8, while one pin 10 of the low-side power switch 4 is the second connection 9.
Die drei Pins 10 jedes Leistungsschalters 3 oder 4 werden in einem festgelegten ersten Abstand vom Gehäuse des Bauelements in einem Winkel von beispielsweise 90 Grad gebogen beziehungsweise abgewinkelt. Derart können die Leistungsschalter 3 und 4 mittels Durchsteckmontage mit ihren Pins 10 in Bohrungen in der Leiterplatte 6 eingebracht und mit entsprechenden Leiterbahnen auf der Leiterplatte 6, beispielsweise unter Anwendung eines Lötverfahrens, elektrisch leitend verbunden werden.The three pins 10 of each power switch 3 or 4 are bent or angled at a defined initial distance from the component housing at an angle of, for example, 90 degrees. In this way, the power switches 3 and 4 can be inserted into holes in the printed circuit board 6 by means of through-hole mounting and electrically connected to corresponding conductors on the printed circuit board 6, for example, using a soldering process.
Diese liegend angeordneten Leistungsschalter 3 und 4 können, wie in der
Zur elektrischen Isolation und zur Verbesserung der Wärmeleitung zwischen den Leistungsschaltern 3 und 4 und dem Kühlkörper 7 ist zwischen diesen ein thermisch leitendes Material 11 (TIM, Thermal Interface-Material) angeordnet.For electrical insulation and to improve heat conduction between the power switches 3 and 4 and the heat sink 7, a thermally conductive material 11 (TIM, Thermal Interface Material) is arranged between them.
Die
Im linken Teil der
Beispielhaft ist in der
Dieser Bereich der Anschlussdrähte 8 und 9 sowie des dargestellten Leiterzugs 12 ist der Bereich, in welchem sich die parasitären Induktivitäten ausbilden. Nicht dargestellt in der
Die jeweils drei Pins 10 jedes Leistungsschalters 3 oder 4 sind in einem festgelegten ersten Abstand vom Gehäuse des Bauelements selbst in einem Winkel von 90 Grad gebogen ausgeführt. Diese gebogenen Pins 10 sind in die, in der Leiterplatte 6 vorgesehenen, Bohrungen eingesteckt und auf der Seite der Leiterzüge der Leiterplatte 6 mit einem Leiterzug 12 oder einem Lötauge verlötet angeordnet.The three pins 10 of each power switch 3 or 4 are bent at a 90-degree angle at a defined initial distance from the component housing itself. These bent pins 10 are inserted into the holes provided in the circuit board 6 and soldered to a conductor 12 or a solder pad on the conductor side of the circuit board 6.
Hierbei werden die Leistungsschalter 3 oder 4 versetzt zueinander ausgerichtet angeordnet. Durch diesen Versatz wird erreicht, dass der erste Anschlussdraht 8 des High-Side-Leistungsschalters 3 eine kurze und beispielsweise geradlinige Verbindung zum zweiten Anschlussdraht 9 des Low-Side-Leistungsschalters 4 über den Leiterzug 12 aufweist.Here, the circuit breakers 3 or 4 are arranged offset from each other. This offset ensures that the first connecting wire 8 of the high-side circuit breaker 3 has a short and, for example, straight connection to the second connecting wire 9 of the low-side circuit breaker 4 via the conductor 12.
Diese nach dem Stand der Technik kurze Verbindung der Anschlussdrähte 8 und 9 führt dennoch zum Auftreten parasitärer Induktivitäten, welche das Schaltverhalten der Leistungsschalter 3 oder 4 negativ beeinflussen.This short connection of the connecting wires 8 and 9, according to the state of the art, nevertheless leads to the occurrence of parasitic inductances, which negatively affect the switching behavior of the power switches 3 or 4.
In der
Im Bereich des ersten Anschlussdrahts 8 kommt es zur Ausbildung einer ersten parasitären Induktivität 13. Im Bereich des zweiten Anschlussdrahts 9 kommt es zur Ausbildung einer zweiten parasitären Induktivität 14. Als Bereiche werden hier sowohl die Anschlussdrähte 8 und 9 als auch der Leiterzug angesehen. In etwa in der Mitte zwischen diesen parasitären Induktivitäten 13 und 14 ist der Ausgang zur Ausgabe der Spannung einer Phase 5 (Phase-U) angeordnet. Wie bereits erläutert, führt das Ausbilden der parasitären Induktivitäten 13 und 14 zu einer negativen Beeinflussung der Funktionsweise der Leistungsschalter 3 und 4 insbesondere bei hohen Schaltfrequenzen, welche beispielsweise in einem Bereich zwischen 20 kHz und 400 kHz liegen können.In the area of the first connecting wire 8, a first parasitic inductance 13 develops. In the area of the second connecting wire 9, a second parasitic inductance 14 develops. The areas referred to here are both the connecting wires 8 and 9 as well as the conductor track. The output for the voltage of a phase 5 (phase-U) is located approximately midway between these parasitic inductances 13 and 14. As already explained, the formation of the parasitic inductances 13 and 14 negatively affects the operation of the power switches 3 and 4, particularly at high switching frequencies, which can, for example, be in the range between 20 kHz and 400 kHz.
In der
In der
Wie bereits bekannt, ist einer der drei Pins 10 des High-Side-Leistungsschalters 3 der erste Anschlussdraht 8, während ein Pin des Low-Side-Leistungsschalters 4 der zweite Anschlussdraht 9 ist.As already known, one of the three pins 10 of the high-side circuit breaker 3 is the first connecting wire 8, while one pin of the low-side circuit breaker 4 is the second connecting wire 9.
Im Gegensatz zum Stand der Technik werden der erste Anschlussdraht 8 und der zweite Anschlussdraht 9 in einem festgelegten zweiten Abstand vom Gehäuse des Bauelements gebogen, wobei dieser zweite Abstand größer als der festgelegte erste Abstand vom Gehäuse des Bauelements ist, in welchem die restlichen Pins 10 gebogen werden. Diese Biegung der Pins 10 wie auch der Anschlussdrähte 8 und 9 erfolgt in einem Winkel von beispielsweise 90 Grad. Variationen dieses Biegewinkels abweichend von 90 Grad oder eine Aufteilung der Biegung in zwei Winkel von beispielsweise 45 Grad sind möglich.In contrast to the prior art, the first connecting wire 8 and the second connecting wire 9 are bent at a defined second distance from the component housing, this second distance being greater than the defined first distance from the component housing at which the remaining pins 10 are bent. This bending of the pins 10, as well as the connecting wires 8 and 9, is performed at an angle of, for example, 90 degrees. Variations of this bending angle other than 90 degrees, or a division of the bend into two angles of, for example, 45 degrees, are possible.
Diese Ausführung der Biegungen der Pins 10 sowie der Anschlussdrähte 8 und 9 ermöglicht es, die Anschlussdrähte 8 und 9 in einer gemeinsamen Bohrung in der Leiterplatte 6 anzuordnen und gemeinsam mit einem Leiterzug oder einem Lötauge zu verlöten.This design of the bends of pins 10 and connecting wires 8 and 9 makes it possible to arrange the connecting wires 8 and 9 in a common hole in the circuit board 6 and to solder them together with a conductor trace or a solder pad.
Darüber hinaus können die Anschlussdrähte 8 und 9 beispielsweise in einem Bereich, in welchem sie parallel zueinander verlaufen, miteinander verlötet werden.Furthermore, the connecting wires 8 and 9 can, for example, be soldered together in an area where they run parallel to each other.
Diese Anordnung der Anschlussdrähte 8 und 9 in einer gemeinsamen, entsprechend in ihrem Durchmesser ausgelegten, Bohrung führt zu einer Verkürzung des Bereiches zwischen den Leistungsschaltern 3 und 4 und somit zu einer Verminderung der Ausbildung der parasitären Induktivitäten 13 und 14.This arrangement of the connecting wires 8 and 9 in a common bore, designed accordingly in their diameter, leads to a shortening of the area between the circuit breakers 3 and 4 and thus to a reduction in the formation of the parasitic inductances 13 and 14.
Derart werden gegenüber dem Stand der Technik, beim Einsatz der gleichen Bauelemente für die Leistungsschalter 3 und 4, höhere Schaltfrequenzen möglich, ohne dass die Schaltverlustenergie beziehungsweise Schaltverlustleistung und somit die Wärmeentwicklung durch die Leistungsschalter 3 und 4 innerhalb einer Halbbrücke 2 eines Inverters zunehmen.In this way, higher switching frequencies are possible compared to the state of the art when using the same components for the power switches 3 and 4, without increasing the switching energy loss or switching power loss and thus the heat generation through the power switches 3 and 4 within a half-bridge 2 of an inverter.
Eine derartige gemeinsame Bohrung, in welcher die Anschlussdrähte 8 und 9 angeordnet werden, kann auch als eine Durchkontaktierung ausgeführt sein.Such a common bore, in which the connecting wires 8 and 9 are arranged, can also be designed as a through-hole.
Auch in der erfindungsgemäßen Anordnung nach
Zur elektrischen Isolation und zur Verbesserung der Wärmeleitung zwischen den Leistungsschaltern 3 und 4 und dem Kühlkörper 7, kann auch in dieser Ausführung ein thermisch leitendes Material 11 angeordnet werden.For electrical insulation and to improve heat conduction between the circuit breakers 3 and 4 and the heat sink 7, a thermally conductive material 11 can also be arranged in this design.
Die
Die
Zum besseren Verständnis der Erläuterungen sind zwei zu einer Halbbrücke 2 zugehörige Leistungsschalter 3 und 4 auf einem Auszug einer Leiterplatte 6 angeordnet beziehungsweise eingelötet. In der Praxis sind die Leistungsschalter 3 und 4 in der gleichen wie in der
Im linken Teil der
Die Anschlussdrähte 8 und 9 können durch den größeren zweiten Abstand der Biegestelle vom Bauelement selbst in einer gemeinsamen Bohrung oder Durchkontaktierung in der Leiterplatte 6 angeordnet und verlötet werden, womit die Ausbildung parasitärer Induktivitäten stark vermindert wird. Nicht dargestellt in der
Die restlichen Pins 10 jedes Leistungsschalters 3 oder 4 werden in der aus dem Stand der Technik bekannten Weise gebogen, wobei der erste Abstand dieser Biegungen vom Bauelement selbst kleiner als der zweite Abstand der Biegestellen der Anschlussdrähte 8 und 9 ist. Auch diese Biegungen erfolgen vorteilhafterweise in einem Winkel von 90 Grad.The remaining pins 10 of each power switch 3 or 4 are bent in a manner known from the prior art, wherein the first distance of these bends from the component itself is smaller than the second distance between the bends of the connecting wires 8 and 9. These bends are also advantageously made at an angle of 90 degrees.
Auch in dieser erfindungsgemäßen Anordnung werden die Leistungsschalter 3 oder 4 versetzt zueinander ausgerichtet angeordnet. Durch diesen Versatz wird erreicht, dass der erste Anschlussdraht 8 des High-Side-Leistungsschalters 3 mit dem zweiten Anschlussdraht 9 des Low-Side-Leistungsschalters 4 in einer gemeinsamen Bohrung angeordnet werden können, während für die restlichen Pins 10 bei dieser erfindungsgemäßen Anordnung keine Änderungen im Design der Leiterplatte 6 vorgenommen werden müssen.In this arrangement according to the invention, the circuit breakers 3 or 4 are also arranged offset from each other. This offset allows the first connecting wire 8 of the high-side circuit breaker 3 and the second connecting wire 9 of the low-side circuit breaker 4 to be arranged in a common bore, while no changes to the design of the printed circuit board 6 are necessary for the remaining pins 10 in this arrangement according to the invention.
BezugszeichenlisteReference symbol list
- 11
- Inverter (Wechselrichter)Inverter
- 22
- Halbbrückehalf-bridge
- 33
- High-Side-LeistungsschalterHigh-side circuit breaker
- 44
- Low-Side-Leistungsschalter, Low-Side-LeistungstransistorLow-side power switch, low-side power transistor
- 55
- Phase (U, V, W)Phase (U, V, W)
- 66
- LeiterplatteCircuit board
- 77
- Kühlkörperheat sink
- 88
- erster Anschlussdrahtfirst connecting wire
- 99
- zweiter Anschlussdrahtsecond connecting wire
- 1010
- Pin (Anschlüsse)Pin (connections)
- 1111
- thermisch leitendes Material (TIM)thermally conductive material (TIM)
- 1212
- Leiterzugladder
- 1313
- erste parasitäre Induktivitätfirst parasitic inductance
- 1414
- zweite parasitäre Induktivitätsecond parasitic inductance
- 1515
- ZwischenkreiskondensatorIntermediate circuit capacitor
Claims (7)
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|---|---|---|---|
| DE102020101288.8A DE102020101288B4 (en) | 2020-01-21 | 2020-01-21 | Half-bridge in an inverter and method for reducing parasitic inductances in a half-bridge of an inverter |
Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
| DE102020101288.8A DE102020101288B4 (en) | 2020-01-21 | 2020-01-21 | Half-bridge in an inverter and method for reducing parasitic inductances in a half-bridge of an inverter |
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Citations (2)
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-
2020
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Infineon Technologies AG: PCB layout guidelines. 2012. S. 1-16. URL: www.irf.com/product-info/igbt/pcb-layoutguidelines.pdf [abgerufen am 2020-03-02]. - Firmenschrift * |
Also Published As
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