CN115149772A - 用于逆变器的功率模块和包括该功率模块的逆变器 - Google Patents

Abstract

一种用于逆变器的功率模块和包括该功率模块的逆变器，该逆变器(100)用于操作电动车辆或混合动力车辆中的电驱动器，该功率模块(10)包括多个半桥(12A、12B、12C)，每个半桥都包括基板、半导体开关元件、正直流功率连接件(14)、负直流功率连接件(16)、交流功率连接件和信号连接件(18)，其中，信号连接件电连接到半导体开关元件，使得半导体开关元件通过信号连接件切换，功率连接件(14、16)电连接到半导体开关元件以使得半导体开关元件允许或中断功率连接件之间的电力传输，连接到相应直流功率连接件的相应直流母线(24、26)被设置成用于直流功率连接件的外部接触连接，直流母线从半桥延伸直到中间电路电容器(23)，直流母线相对于半桥在中间电路电容器(23)的外侧形成为一体件。

Description

用于逆变器的功率模块和包括该功率模块的逆变器

技术领域

本发明涉及一种用于电动汽车或混合动力汽车的电驱动器的逆变器的功率模块以及一种对应的逆变器。

背景技术

现有技术公开了纯电动车辆和混合动力车辆，它们被专门驱动或以由作为驱动组件的一个或多个电机支持的方式驱动。为了向这种电动车辆或混合动力车辆的电机供应电能，电动车辆和混合动力车辆包括电能存储器，尤其是可再充电电池。在这种情况下，这些电池形成为直流电压源；然而，电机通常需要交流电压。因此，包括所谓的逆变器的功率电子系统通常连接在电动车辆或混合动力车辆的电池和电机之间。

这种类型的逆变器通常包括通常由晶体管形成的半导体开关元件。在这种情况下，已知提供不同集成度的半导体开关元件，具体而言，或者作为具有低集成度但高可扩展性的离散的单独的开关，或者作为具有高集成度但低可扩展性的功率模块，以及作为相对于在集成度和可扩展性方面介于单独的开关和半桥之间范围的半桥。每个半桥包括具有较高电势的高侧切换位置(后文中：高侧)和具有较低电势的低侧切换位置(后文中：低侧)。所述高侧和所述低侧可以每个都包括并联连接的一个或多个单独的开关/半导体开关元件。

提供与所述半导体开关元件或所述半桥并联的中间电路电容器。所述中间电路电容用于平滑直流侧输入电压，以减少电压跳变。

母线用于接触连接来自外部的功率连接件和直流功率馈入件以及交流功率输出件。第一母线用于接触连接正直流功率连接件并且与其连接。第二母线用于接触连接负直流功率连接件并且与其连接。交流母线用于接触连接交流功率连接件并且与其连接。

DE 10 2006 050 291 A1公开了一种包括半导体断路器和半导体二极管的电子组件。这里，半导体断路器的底侧包括安装在载带的芯片场上的输出触点。此外，半导体断路器的顶面包括控制触点和输入触点。半导体二极管的正极触点设置在半导体断路器的输入触点上并且与其电连接。所述二极管的负极触点电连接到功率半导体开关的输出触点。

DE 10 2006 008 632 A1公开了一种功率半导体部件，其包括引线框架、至少一个竖直功率半导体部件和至少一个另外的电子部件。所述竖直功率半导体组件具有第一侧和第二侧。至少一个第一接触表面和至少一个控制接触表面布置在第一侧上。至少一个第二接触表面设置在第二侧上。至少一个另外的电子部件部分布置在竖直功率半导体元件的第二接触面上。

DE 10 2015 012 915 A1公开了一种包括至少两个半导体元件的半导体模块，每个半导体元件在第一侧具有至少一个第一电极并且在第二侧具有至少一个第二电极。第一半导体元件布置在第二半导体元件上方。导电连接设置在第一半导体元件和第二半导体元件之间。第一半导体元件的至少一个第二电极机械连接和电连接到导电连接。第二半导体元件的至少一个第一电极机械连接和电地连接到导电连接。

尚未公开的DE 10 2019 220 010.9(其公开内容旨在并入本专利申请中)公开了一种功率模块，其中，信号连接件和功率连接件都布置在基板的公共侧上，并且被灌装化合物包围。功率连接件和信号连接件都能够从基板的公共侧访问，使得从基板的公共侧看，功率连接件和信号连接件延伸穿过灌装化合物，并且从它们穿过灌装化合物的通道方向看，功率连接件和信号连接件布置在由基板跨越的区域内。

尚未公开的DE 10 2020 205 420.7(其公开内容旨在并入本专利申请中)公开了一种功率模块，其中，功率连接件和信号连接件都形成在引线框架中。功率连接件和信号连接件的端部从灌装化合物横向延伸并且每个都呈现出垂直于引线框延伸的面的直角弯曲。

在逆变器操作期间，通过半导体开关元件发送高电流。这些高电流在半导体开关元件或半桥中产生相应大量的热量，并且必须将其消散以避免半导体开关元件过热和整个逆变器的相关损坏。因此，提供了热沉，半导体开关元件热耦合到所述热沉。

不仅需要从半导体开关元件或半桥中去除热量，而且还需要从具有直流电流连接件的中间电路电容器中去除热量。然而，在已知的逆变器中，这导致中间电路电容器具有复杂的设计并且因此也是昂贵的。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于电动或混合动力车辆的电驱动器的半桥，其中至少部分地克服了上述缺点。

根据本发明，该目的通过根据独立专利权利要求的功率模块和逆变器来实现。本发明的有利实施例和改进将从从属权利要求中显现。

本发明涉及一种用于电动车辆或混合动力车辆的电驱动器的功率模块。所述功率模块包括多个半桥，每个半桥对应于输出侧多相交流电流的电流相中的一个电流相。例如，功率模块包括三个半桥，其中每个半桥分配给三相输出电流的相关电流相。所述输出电流是基于输入侧直流电流通过半导体开关元件的目标切换过程而产生的交流电流。

半桥每个都包括基板、多个半导体开关元件、功率连接件和信号连接件。

例如，基板可以形成为DBC(直接键合铜)基板、DPC(直接镀铜)基板、AMB(活性金属钎焊)基板或IM(绝缘金属)基板。半导体开关元件，特别是晶体管和二极管，布置在所述基板的一侧上，相关的功率连接件和信号连接件布置在另一侧上。基板优选为矩形形式，特别是形成为扁平的盘状矩形，在每种情况下包括两个相反的侧边缘。如果需要，基板也可以是方形形式的。

半导体开关元件在半桥中形成高侧和低侧。所述高侧包括一个或多个彼此并联连接的半导体开关元件，并且使电流能够在交流功率连接件和正直流功率连接件之间流动。低侧包括一个或多个彼此并联连接的半导体开关元件，并且使电流能够在交流功率连接件和负直流功率连接件之间流动。所述高侧和所述低侧彼此串联连接。

优选地规定，将半导体开关元件设计为高电子迁移率晶体管(HEMT)，尤其是氮化镓(GaN)HEMT。这些类型的半导体开关元件比较适合低损耗和快速的切换。

作为替代，半导体开关元件可以实施为绝缘栅双极晶体管和/或金属氧化物半导体场效应晶体管。在这种情况下，绝缘栅双极晶体管通常也称为IGBT。金属氧化物半导体场效应晶体管通常也称为MOSFET。

特别优选地规定，为每个绝缘栅双极晶体管分配一个续流二极管。所述续流二极管在每种情况下保护分配给它们的绝缘栅双极晶体管免受感应过电压，特别是在晶体管的开关期间。

功率连接件部分地电连接到集成在半导体开关元件中的功率触点，例如源电极和漏电极，或者连接到大地，使得电力可以从一个功率连接件通过半导体开关元件传输到另一功率连接件。在这种情况下，用于驱动电动汽车或混合动力汽车的电动马达的电力供应通过功率连接件来确保。

所述信号连接件用于电切换半导体开关元件并且因此电连接到集成到半导体开关元件中的半导体开关元件的信号触点。取决于半导体开关元件的设计，然后所述半导体开关元件可以通过通电或向信号触点施加电压而被切换以导通电流或阻断电流。以这种方式，半导体开关元件优选地根据脉宽调制(PWM)来切换，以便使相电流的正弦时间分布成为可能。

相应的半桥的半导体开关元件、功率连接件和信号连接件优选地布置在基板的第一面上。所述功率连接件和信号连接件可以在那里以简单的方式通过外部部件(特别是母线)接触连接。第一面优选地是层状基板的彼此相反定位的两个相对最大的面中的一个面。第一面限定基板的主平面。

优选地，基板已经使用灌装化合物以注塑成型方法灌装。功率连接件和/或信号连接件优选地具有从与第一面正交的第二面朝向外侧延伸出灌装化合物的外部区段。在这种情况下，第二面是灌装层状基板的“侧面”，其通常比第一面小得多。外部区段优选地每个都具有垂直于第一面延伸的端部。这使得能够从半桥外侧、特别是从所述功率模块上方，实现功率连接件或信号连接件的简单的电接触连接。

连接到相应的直流功率连接件的相应的直流母线，特别是第一直流母线和第二直流母线，被提供用于正直流功率连接件和负直流功率连接件的外部接触连接。连接点优选地位于所述功率模块的相对于半导体功率元件背离基板的顶侧上。第一直流母线和第二直流母线优选地沿着与基板的主平面平行的方向延伸，并且特别地从半桥或那里的直流功率连接件开始直到中间电路电容器。

所述第一直流母线和/或所述第二直流母线可以用电流隔离材料注塑成型，以增加空气和爬电路径。

根据本发明，所述两个直流母线中的至少一个直流母线相对于所述多个半桥在所述中间电路电容器的外侧形成为一体件。与现有技术中已知的功率模块相比，这种设计是特别有利的。在现有技术已知的功率模块中，每个半桥具有其自己的用于正直流功率连接件和负直流功率连接件的直流母线。这意味着，在已知的功率模块中，各个半桥的各个正负直流母线不在中间电路电容器外侧形成为一体件，而是单独地形成。由于无论半桥如何关联，都将相同的正/负电位施加到正/负直流母线，所以正/负直流母线在中间电路电容器中第一次彼此电连接。这导致中间电路电容器的设计复杂，在制造方面耗费很大，因此作为结果是成本高。此外，由于相应的直流母线相对于所述半桥的单独设计，所述直流母线承载的电流密度特别高，这导致功率损耗和发热增加。在根据本发明的功率模块中，所述直流母线或两个直流母线中的电流密度在所述直流母线相对于半桥形成为一体件的区域中被有利地减小。因此在所述中间电路电容器的区域中产生的热量减少了。不再需要冷却所述中间电路电容器以防止过热。这有利于所述中间电路电容器的更简单和更具成本效益的设计。

优选地，所述至少一个直流母线具有相对于半桥的公共区域，所述公共区域沿着所述半桥的序列连续延伸。所述公共区域沿着所述半桥的序列连续延伸。所述公共区域优选地布置在一侧上的半桥和另一侧上的中间电路电容器之间。直流母线具有用于每个半桥的关联的端部区段，用以连接到相应的半桥的正和/或负直流功率连接件，特别是通过焊接。与所述半桥相关联的各个端部区段在所述公共区域中在背离所述半桥的方向上敞开，特别是在朝向所述中间电路电容器的方向上敞开。因此，所述至少一个直流母线相对于各个半桥形成为一体件并且连续地形成。

以这种方式，所述至少一个直流母线的面积在水平方向上也就是说平行于基板的主平面增加。当馈入的直流电流保持不变时，这会降低所述至少一个直流母线中的电流密度。作为其结果，由于馈入的直流电流而在所述中间电路电容器中产生的热量被降低。使用这种措施，因此可以避免中间电路电容器中的主动散热，例如通过将所述中间电路电容器的外壳连接到热沉或将冷却介质施加到外壳上。所述中间电路电容器因此可以采用更简单的设计并且以成本有效的方式制造。

根据另一实施例，所述两个直流母线每个都具有沿着半桥的序列连续延伸的公共区域，其中，所述两个直流母线形成为在相应的公共区域中竖直地彼此重叠。该措施提高了两条直流电流线的电流密度，从而结果进一步降低了所述中间电路电容器中由于电流馈入而产生的热量。

根据另一个实施例，所述两个直流母线中的第一直流母线在所述中间电路电容器的外壳外侧电连接到所述中间电路电容器的第一直流接触线。所述中间电路电容器的第一直流接触线用作直流输入接触件，其极性与第一直流母线相同。由于所述第一直流母线在所述中间电路电容器的外壳外侧电连接到所述第一直流接触线的事实，因此相对于在第一直流母线和相关的直流功率连接件之间的连接点(特别是焊接点)的公差可以得到更好的补偿。

根据另一个实施例，所述第一直流接触线从所述中间电路电容器的外壳中突出并且在一个端部处以钩状方式形成，使得所述第一直流母线在第一直流接触线的端部处水平地电连接到第一直流接触线。该措施有利于第一直流母线和第一直流接触线之间的电流传导连接。同时，该措施有利于所述逆变器的扁平和总体节省空间的设计。

根据另一个实施例，所述两个直流母线中的第二直流母线延伸到所述中间电路电容器的外壳中并且在那里转变成中间电路电容器的第二直流接触线。以这种方式，所述第二直流母线和所述第二直流接触线形成为一个部分，从而结果，所述第二直流接触线作为所述第一直流母线的延伸而存在。所述措施增加了功率模块或逆变器的制造简单性。

根据另一个实施例，电流隔离薄层膜布置在所述两个直流母线之间。该措施确保所述两个直流母线之间的直流隔离，这在高压应用中对于逆变器的功能是非常重要的。此外，在所述两个直流母线之间的相同的减小的间距的情况下，所述两个直流母线之间的空气和爬电路径会增加。

本发明还涉及一种用于电动车辆或混合动力车辆的电驱动器的逆变器，所述逆变器包括这种功率模块。对于根据本发明的功率模块以及根据本发明的逆变器，这导致已经结合了根据本发明的半桥所描述的优点。

附图说明

下面将基于附图中所示的实施例以示例的方式讨论本发明。

在图中：

图1示出了根据一个实施例的包括根据本发明的功率模块的逆变器的示意性侧视图；

图2示出了图1的逆变器的示意性平面图；

图3示出了图1的逆变器的中间电路电容器的示意性截面图；以及

图4示出了图1中逆变器的示意性透视图。

相同的对象、功能单元和类似的部件在所有附图中由相同的参考标号表示。这些对象、功能单元和类似的部件在其技术特征方面具有相同的设计，除非在说明书中明确或暗示另有说明。

具体实施方式

图1-4示出了根据一个实施例的逆变器100。图1以示意性侧视图示出了逆变器100。图2以示意性平面图示出了逆变器100。图3以示意性截面图示出了逆变器100的中间电路电容器23。图4以示意性透视图示出了逆变器100。

逆变器100包括功率模块10(见图2)，功率模块10包括多个(在这种情况下作为示例是三个)半桥12A、12B、12C。每个半桥12A、12B、12C包括基板(未示出)，多个半导体开关元件(未示出)安装在该基板上。基板可以形成为直接键合的铜基板，其包括两个金属层和布置在它们之间的绝缘层。半导体开关元件(例如IGBT或MOSFET)安装在金属层中的一个金属层上。另一金属层连接到热沉11，以便消散在逆变器100的操作期间由于电流被馈送到半导体开关元件中而产生的热量。热沉11安装在逆变器外壳17上。

如图1、图2和图4所示，相应的半桥12A、12B、12C的基板和半导体开关元件使用灌装化合物13灌装，以确保防止外部影响。每个半桥12A、12B、12C还包括多个直流功率连接件24、26、至少一个交流功率连接件和多个信号连接件18。使用正直流功率连接件14和负直流功率连接件16馈入由直流电流源(例如锂离子电池或燃料电池)产生的直流输入电流。交流功率连接件用于将交流输出电流输出到纯电动或混合动力汽车的电驱动器，特别是为了给那里的电动马达通电，该交流输出电流基于直流输入电流通过半导体开关元件的目标切换过程产生。信号连接件18用于向所述半导体开关元件发送控制信号，该控制信号由用于切换该半导体开关元件的驱动器电子系统产生。

逆变器100还包括第一直流母线24和第二直流母线26。第一直流母线24电连接到半桥12A、12B、12C的正功率连接件14。第二直流母线26电连接到半桥12A、12B、12C的负功率连接件16。此外，第一直流母线24和第二直流母线26通过中间电路电容器23连接到直流电流源(未示出)。这样，半桥12A、12B、12C可以被从电流源供应直流电流。

第一直流母线24和第二直流母线26每个都从相关的直流功率连接件14、16延伸直到中间电路电容器23。这两个直流母线24、26每个都在中间电路电容器23的外侧形成为一体件。这两个直流母线24、26优选地每个都具有相对于半桥12A、12B、12C的公共区域，该公共区域沿着半桥12A、12B、12C的序列(也就是说，在朝向图1中的绘图平面的方向上或在图2中从左到右的方向上)连续延伸。该措施增加了直流母线24、26的面积，这导致直流母线24、26中的电流密度减小。因此，在中间电路电容器23附近产生的热量减少。中间电路电容器23可以在没有主动冷却的情况下制造并且因此以更成本有效的方式制造。直流母线24、26也可以制造得比以前更薄，这导致了功率模块10和逆变器100整体的更紧凑的设计。

如图1和图3示意性所示，第一直流母线24连接到第一直流接触线234的端部区段2342，特别是焊接到中间电路电容器23一侧上的端部区段2342。中间电路电容器23的第一直流接触线234的端部区段2342以钩状方式形成，使得焊接点布置在端部区段2342上方。这种连接方式允许逆变器100的扁平设计和实施起来特别简单。作为第二直流母线26的延伸形成的第二直流接触线236同样设置在中间电路电容器23中。

如图1-图3所示，第一直流母线24和第二直流母线26之间布置有电流隔离薄层膜25。该措施确保了这两个直流母线24、26之间的直流隔离，其中在保持所述母线之间的爬电路径的同时产生功率模块10的扁平设计。

附图标记列表

100 逆变器

10 功率模块

11 热沉

12A-C 半桥

13 灌装化合物

14 正直流功率连接件

16 负直流功率连接件

17 逆变器外壳

18 信号连接件

23 中间电路电容器

232 外壳

234 第一直流接触线

2342 端部区段/端部

236 第二直流接触线

24 第一直流母线

25 电流隔离薄层膜

26 第二直流母线。

Claims (10)

1.一种用于逆变器(100)的功率模块(10)，所述逆变器(100)用于操作电动车辆或混合动力车辆中的电驱动器，所述功率模块(10)包括多个半桥(12A、12B、12C)，每个半桥包括基板、多个半导体开关元件、正直流功率连接件(14)、负直流功率连接件(16)、交流功率连接件和多个信号连接件(18)，

其中，所述信号连接件(18)被电连接到每个半桥(12A、12B、12C)中的所述半导体开关元件，使得通过所述信号连接件(18)能够切换所述半导体开关元件，其中，所述功率连接件(14、16)被电连接到所述半导体开关元件，使得所述半导体开关元件允许或中断所述功率连接件(14、16)之间的电力传输，

其中，被连接到相应的直流功率连接件(14、16)的相应的直流母线(24、26)被设置成用于两个直流功率连接件(14、16)的外部接触连接，

其中，两个直流母线(24、26)从所述半桥(12A、12B、12C)延伸到中间电路电容器(23)，

其中，所述两个直流母线(24、26)中的至少一个直流母线相对于所述多个半桥(12A、12B、12C)在所述中间电路电容器(23)的外侧形成为一体件。

2.根据权利要求1所述的功率模块(10)，其中，所述至少一个直流母线(24、26)相对于所述半桥(12A、12B、12C)具有公共区域，所述公共区域沿着所述半桥(12A、12B、12C)的序列连续延伸。

3.根据权利要求2所述的功率模块(10)，其中，所述公共区域被布置在一侧上的所述半桥(12A、12B、12C)和另一侧上的所述中间电路电容器(23)之间。

4.根据权利要求1至3中的一项所述的功率模块(10)，其中，所述两个直流母线(24、26)每个都具有沿着所述半桥(12A、12B、12C)的序列连续延伸的公共区域，其中所述两个直流母线(24、26)被形成为在相应的公共区域(242、262)中竖直地彼此重叠。

5.根据权利要求3或4所述的功率模块(10)，其中，所述至少一个直流母线(24、26)被连接到所述中间电路电容器(23)，其中，所述中间电路电容器(23)包括外壳(232)。

6.根据权利要求5所述的功率模块(10)，其中，所述两个直流母线(24、26)中的第一直流母线(24)在所述中间电路电容器(23)的外壳(232)的外侧被电连接到所述中间电路电容器(23)的第一直流接触线(234)。

7.根据权利要求6所述的功率模块(10)，其中，所述第一直流接触线(234)从所述中间电路电容器(23)的外壳(232)突出，并且在一个端部(2342)处以钩状的形式形成，使得所述第一直流母线(24)在所述第一直流接触线(234)的端部(2342)处水平地电连接到所述第一直流接触线(234)。

8.根据权利要求5至7中的一项所述的功率模块(10)，其中，所述两个直流母线(24、26)中的第二直流母线(26)延伸到所述中间电路电容器(23)的外壳(232)中，并且在那里转变成所述中间电路电容器(23)的第二直流接触线(236)。

9.根据权利要求1至8中的一项所述的功率模块(10)，其中，在所述两个直流母线(24、26)之间布置电流隔离薄层膜(25)。

10.一种用于电动车辆或混合动力车辆的电驱动器的逆变器(100)，所述逆变器(100)包括根据权利要求1至9中的一项所述的功率模块。

Images