具有优化的拓扑结构的多级变流器制造技术

本发明专利技术涉及具有优化的拓扑结构的多级变流器，尤其涉及一种电功率电路，其具有各自带有上侧面和下侧面的基板和第一电路板。基板的下侧面与冷却体连接。在基板的上侧面布置有第一电开关元件，借助其能使在相位端上存在的交流电势接通至在第一电势端上存在的高直流电势并接通至在第二电势端上存在的低直流电势。借助第二电开关元件能使交流电势接通至在第三电势端上存在的中直流电势。基板以到第一电路板的间距布置在第一电路板的下侧面之下，以使基板的上侧面朝向第一电路板。基板与第一电路板电连接。第二电开关元件至少布置在第一电路板的上侧面，在可行情况下也布置在第一电路板的下侧面处。板的下侧面处。板的下侧面处。

【技术实现步骤摘要】
具有优化的拓扑结构的多级变流器


[0001]本专利技术涉及一种电功率电路，
[0002]其中，电功率电路具有带上侧面和下侧面的基板，
[0003]其中，基板的下侧面与冷却体连接，
[0004]其中，在基板的上侧面上布置有第一电开关元件，借助于第一电开关元件能够使在电功率电路的相位端上存在的交流电势接通至在电功率电路的第一电势端上存在的高直流电势并且接通至在电功率电路的第二电势端上存在的低直流电势，
[0005]其中，电功率电路具有第二电开关元件，借助于第二电开关元件能够使在相位端上存在的交流电势接通至在电功率电路的第三电势端上存在的中直流电势，
[0006]其中，除了基板之外，电功率电路还具有带上侧面和下侧面的第一电路板，
[0007]其中，基板以到第一电路板的间距布置在第一电路板的下侧面之下，以使基板的上侧面朝向第一电路板，
[0008]其中，基板与第一电路板电连接。

技术介绍

[0009]这种电功率电路是普遍已知的。尤其所谓的3L变流器(3L＝3级＝直流电压侧的3个不同的电压等级)是这样设计的。中直流电势如其名称那样在高直流电势和低直流电势之间。中直流电势主要在高直流电势和低直流电势之间的中间或至少近似中间。
[0010]从WO 2020/052 829 A1已知了功率模块单元，其具有带上侧面和下侧面的基板。在基板的上侧面上布置有功率半导体。基板的下侧面与冷却体连接。
[0011]公开文献DE 10 2015 224 431 A1描述了半导体元件，其包括分别形成三点式逆变器电路的多个半导体单元和使半导体单元并联的连接单元，其中，半导体单元中的每个包括包含绝缘板和布置在绝缘板的初级面上的电路板的多层基板、分别具有紧固在电路板之一上的背面和带有初级电极的前面的多个半导体元件、以及与半导体元件的初级电极电连接的接线元件，并且其中，在半导体单元中的每个中，多层基板、多个半导体元件和接线元件配置为使其形成三点式逆变器电路。
[0012]公开文献US 2020/0204082 A1描述了功率变换装置，其包含第一至第四开关元件和第一至第八二极管。第一至第四二极管反并联地与第一至第四开关元件电连接。第七二极管与第二二极管电并联。第八二极管与第三二极管电并联。第二二极管安置在第一壳体中。第七二极管安置在第二壳体中，其与第一壳体不同并且不包含开关元件。第八二极管安置在第二壳体中，或者第八二极管可替换地安置在另外的壳体中，其与第一壳体和第二壳体不同并且不包含开关元件。
[0013]最近如下的电子半导体越来越出名，其也被称为所谓的WBG元件。“WBG”在该情况下是“wide band gap(宽带隙)”的简称。这种半导体开关的典型的代表是基于碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)的开关元件。在此新的基于硅(Si)的开关元件也能如此称呼。开关元件例如能够是晶闸管、IGBT和FET(包括MOSFET和JFET)。
[0014]基于氮化镓的开关元件具有许多技术优点。特别地，其具有特别短的开关时间，即其能够在非常短的时间内从截止(＝非导电)过渡到接通(＝导电)状态中，或者反过来从接通到截止状态中。开关时间能够在几ns和甚至低于1ns的范围中。然而基于氮化镓的开关元件在实际应用中也具有缺点。即这种开关元件例如仅胜任用于比其它开关元件明显更短的持续时间的短路。此外，其通常仅能在壳体中，不能作为无壳体的开关元件(裸片)。由此仅能够相对差地排走在相应的基于氮化镓的开元件中积累的损耗。最后，由构造限定的最大开关电压在基于氮化镓的开关元件中限制在明显低于1kV的范围上。其在实际中目前限制为大约650V。
[0015]与基于氮化镓的开关元件相比，基于碳化硅的开关元件胜任明显更长持续时间的短路。其能设在壳体中以及作为无壳体的开关元件(裸片)。其结构能在市场中提供，在其中由构造限定的最大开关电压处于多个kV、例如直到3kV的范围中。
[0016]因此，在实际中，变流器、开关电源和接通高电压和大功率的类似物尽管有基于氮化镓的开关元件的优点，但是仍应用基于碳化硅的开关元件，因为其能够没有大问题地布置在基板上并且在那里良好地冷却。在较低电压和/或较低功率中，在现有技术中部分地也应用基于氮化镓的开关元件。然而，这些开关元件在该情况下布置在传统的常规设计的电路板上。

技术实现思路

[0017]本专利技术的目的在于，改进开头部分所述类型的电功率电路，使其以简单、低成本并且技术上有利的方式和方法设计。
[0018]该目的通过本专利技术的电功率电路实现。
[0019]根据本专利技术，开头所述类型的电功率电路设计为，
[0020]第二电开关元件至少布置在第一电路板的上侧面上，在可行的情况下也附加地布置在第一电路板的下侧面处。
[0021]由于第一电开关元件在基板上的布置能够(也如现有技术那样)连接高电压和大功率，其中因此经由冷却体能够实现在第一电开关元件中积累的损耗功率的良好的排导。通过第二电开关元件在第一电路板上的布置能够更简单地实现电路。特别地，第二电开关元件不必布置在基板上，以使要经由冷却体排走的损耗功率小于当(如现有技术中通常的那样)第二电开关元件作为第一电开关元件的附加也布置在基板上时的损耗功率。此外，对于第一和第二电开关元件的放置提供了更多的空间、即基板的面积连同电路板的面积。
[0022]优选地，第一电开关元件在电功率电路运行时具有比第二电开关元件更大的损耗功率。由此，第二电开关元件的布置在排走第二电开关元件的运行时积累的损耗功率时不造成大问题。
[0023]交流电势作为时间的函数在上值和下值之间变化。上值和下值主要处于高直流电势和低直流电势的范围中。第二电开关元件的较小的损耗功率可以完全从自身由于较小的连接的电势差的平均得出。然而也可能由于其它的原因。相互不同的损耗功率的原因尤其可以在于，与第二电开关元件相比，第一电开关元件具有更大的导通电压和/或更多的开关时间和/或更大的导通电阻。
[0024]导通电压是在相应的电开关元件的接通状态中经过相应的电开关元件下降的电
压。导通电压结合连接的电流得出在相应的电开关元件中积累的损耗功率(功率＝电压
×
电流)。接通时间是为了将相应的电开关元件从截止切换到接通状态或反过来所需要的时间。在切换期间，相应的电开关元件处于瞬时状态，在其中一方面经过相应的电开关元件下降相对较大的电压(明显大于导通电压)，并且另一方面已经流过额定值的电流。瞬时状态仅允许被短时间保持。瞬时状态持续越长，开关时间就越大，开关能量就越大，其在相应的电开关元件中在各个切换进程中积累并且必须作为热量被排走。
[0025]特别地，存在相互不同的导通电压和/或相互不同的开关时间的原因能够在于，第一电开关元件和第二电开关元件以不同的半导体技术实现。特别地，第一电开关元件能够构造为基于碳化硅的开关元件，并且第二电开关元件能够构造为基于氮化镓的开关元件。
[0026]优选地，第一电开关元件构造为无壳本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种电功率电路，其中，所述电功率电路具有带上侧面和下侧面的基板(10)，其中，所述基板(10)的所述下侧面与冷却体(12)连接，其中，在所述基板(10)的所述上侧面上布置有第一电开关元件(2)，借助于所述第一电开关元件能够使在所述电功率电路的相位端(4)上存在的交流电势(U～)接通至在所述电功率电路的第一电势端(5)上存在的高直流电势(U+)并且接通至在所述电功率电路的第二电势端(6)上存在的低直流电势(U
‑
)，其中，所述电功率电路具有第二电开关元件(7)，借助于所述第二电开关元件能够使在所述相位端(4)上存在的所述交流电势(U～)接通至在所述电功率电路的第三电势端(8)上存在的中直流电势(U0)，其中，除了所述基板(10)之外，所述电功率电路还具有带上侧面和下侧面的第一电路板(11)，其中，所述基板(10)以到所述第一电路板(11)的间距(a)布置在所述第一电路板(11)的下侧面之下，以使所述基板(10)的上侧面朝向所述第一电路板(11)，其中，所述基板(10)与所述第一电路板(11)电连接，其特征在于，所述第二电开关元件(7)至少布置在所述第一电路板(11)的上侧面上，在可行的情况下也附加地布置在所述第一电路板(11)的下侧面处。2.根据权利要求1所述的电功率电路，其特征在于，与所述第二电开关元件(7)相比，所述第一电开关元件(2)在所述电功率电路运行时具有更大的损耗功率。3.根据权利要求1或2所述的电功率电路，其特征在于，与所述第二电开关元件(7)相比，所述第一电开关元件(2)具有更大的导通电压(U1)和/或更多的开关时间(T1、T1
’
)和/或更大的导通电阻。4.根据权利要求1、2或3所述的电功率电路，其特征在于，所述第一电开关元件(2)和所述第二电开关元件(7)以不同的半导体技术实现，特...

【专利技术属性】
技术研发人员：延斯，
申请(专利权)人：西门子股份公司，
类型：发明
国别省市：