DE102008035233A1

DE102008035233A1 - Leistungswandleranordnung mit symmetrischem Layout von Leistungsmodulen

Info

Publication number: DE102008035233A1
Application number: DE102008035233A
Authority: DE
Inventors: Terence G. Redondo Beach Ward; Gregory S. Woodland Hills Smith; George Cerritos John; David F. Agoura Hills Nelson
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2007-07-30
Filing date: 2008-07-29
Publication date: 2009-02-26

Abstract

Es wird eine Leistungswandleranordnung bereitgestellt. Die Leistungswandleranordnung umfasst ein erstes, zweites und drittes Leistungsmodul. Das zweite Leistungsmodul ist mit dem ersten Leistungsmodul derart gekoppelt, dass das zweite Leistungsmodul von dem ersten Leistungsmodul durch eine erste Distanz getrennt ist. Das dritte Leistungsmodul ist mit dem ersten und dem zweiten Leistungsmodul derart gekoppelt, dass das dritte Leistungsmodul von dem zweiten Leistungsmodul durch eine zweite Distanz getrennt ist und von dem ersten Leistungsmodul durch eine dritte Distanz getrennt ist. Die erste, zweite und dritte Distanz sind im Wesentlichen gleich.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNG
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der provisorischen US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 60/952,765, die am 30. Juli 2007 eingereicht wurde (deren gesamter Inhalt durch Bezugnahme hierin aufgenommen ist).
TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Leistungswandler, und sie betrifft insbesondere einen Kraftfahrzeug-Leistungswandler mit einem symmetrischen Layout von Leistungsmodulen in dem Leistungswandler.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
In den letzten Jahren haben technologische Fortschritte sowie sich immer neu entwickelnde Vorlieben bezüglich des Stils zu wesentlichen Veränderungen bei der Konstruktion von Kraftfahrzeugen geführt. Eine dieser Veränderungen betrifft die Komplexität der elektrischen Systeme in Kraftfahrzeugen, speziell Kraftfahrzeugen mit alternativem Kraftstoff, wie etwa Hybrid-, Elektro- und Brennstoffzellenfahrzeugen. Derartige Fahrzeuge mit alternativem Kraftstoff verwenden typischerweise einen oder mehrere Elektromotoren, möglicherweise in Verbindung mit einem weiteren Aktuator, um die Räder anzutreiben. Zudem können derartige Automobile auch weitere Motoren, sowie weitere Hochspannungskomponenten umfassen, um die weiteren vielfältigen Systeme in dem Kraftfahrzeug, wie etwa die Klimaanlage, zu betreiben.
Aufgrund der Tatsache, dass Kraftfahrzeuge mit alternativem Kraftstoff typischerweise nur Gleichstrom-Leistungsversorgungen (DC-Leistungsversorgungen) umfassen, werden Gleichstrom/Wechselstrom-Wechselrichter (DC/AC-Wechselrichter) (oder Gleichrichter/Wechselrichter, die im Folgenden nur noch als Wechselrichter bezeichnet werden) bereitgestellt, um die DC-Leistung in Wechselstromleistung (AC-Leistung) umzuwandeln, welche im Allgemeinen von den Motoren benötigt wird. Derartige Fahrzeuge, insbesondere Brennstoffzellenfahrzeuge, verwenden oft auch zwei separate Spannungsquellen, wie etwa eine Batterie und eine Brennstoffzelle, um die Elektromotoren, welche die Räder antreiben, mit Leistung zu versorgen. Daher werden typischerweise auch Leistungswandler, wie etwa Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler (DC/DC-Wandler) bereitgestellt, um die Leistung von den zwei Spannungsquellen zu verwalten und zu übertragen.
Wechselrichter mit hoher Leistungsdichte verwenden oft eine Flüssigkeitskühlung, bei der die an einem Substrat und/oder einer Basisplatte angebrachten Schalter an einem flüssigkeitsgekühlten Kühlkörper montiert sind. Ein herkömmlicher dreiphasiger Wechselrichter besteht aus drei Halbbrücken oder Schenkeln. Die Antriebsleistung in Kraftfahrzeuganwendungen ist derart, dass es schwierig ist, die drei Halbbrücken zusammengebaut auf einem einzigen Substrat zu halten. Zudem stellt das Halten aller Schalter auf einem einzigen Substrat Herausforderungen bei dem Anbringen eines großen Substrats auf einer Basisplatte oder einem Kühlkörper, welche die thermische Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit des Wechselrichters nachteilig beeinflussen. Als Folge werden die Halbbrücken auf separaten Substraten aufgebaut, welche dann mit oder ohne eine Basisplatte zusammengebaut werden, um einen dreiphasigen Wechselrichter (z. B. Phasen A, B und C) zu bilden.
Typischerweise ist die kapazitive Kopplung zwischen Phase A und Phase B nicht gleich der Kopplung zwischen Phase B und Phase C oder der Kopplung zwischen C und A und umgekehrt. Die Länge der Sammelschiene von den Schaltern an den DC-Verbindungskondensator und den AC-Ausgang ist ebenfalls nicht für alle Phasen gleich, was zu ungleichmäßigen Streuinduktivitäten und Widerstandswerten für die drei Phasen führt. Ungleichmäßige parasitäre Effekte in drei Phasen führen zu einer ungleichmäßigen Verteilung von Verlusten auf den drei Substraten, was die Langzeitzuverlässigkeit des Wechselrichters nachteilig beeinflusst. Zudem kann es sein, dass mehr Schalter zu den Substraten hinzugefügt werden müssen, wenn die Leistungsanforderungen geändert werden. Ferner können, wenn ein dualer Wechselrichter gewünscht ist, beträchtliche Veränderungen beim Zusammenbau erforderlich sein, was dazu führt, dass sich Stellfläche, Volumen und Kosten des Wechselrichters erhöhen.
Es ist daher wünschenswert, ein Wechselrichterlayout mit verbesserter Leistungsfähigkeit bezüglich der voranstehend beschriebenen Merkmale sowie ein Layout, das eine fortschrittliche thermische Verwaltung ermöglicht, bereitzustellen. Darüber hinaus werden weitere wünschenswerte Merkmale und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen und dem voranstehenden technischen Gebiet und Hintergrund offenbar werden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es wird eine Leistungswandleranordnung bereitgestellt. Die Leistungswandleranordnung umfasst ein erstes, zweites und drittes Leistungsmodul. Das zweite Leistungsmodul ist mit dem ersten Leistungsmodul derart gekoppelt, dass das zweite Leistungsmodul von dem ersten Leistungsmodul durch eine erste Distanz getrennt ist. Das dritte Leistungsmodul ist mit dem ersten und zweiten Leistungsmodul derart gekoppelt, dass das dritte Leistungsmodul von dem zweiten Leistungsmodul durch eine zweite Distanz getrennt ist und von dem ersten Leistungsmodul durch eine dritte Distanz getrennt ist. Die erste, zweite und dritte Distanz sind im Wesentlichen gleich.
Es wird eine Kraftfahrzeug-Wechselrichteranordnung bereitgestellt. Die Wechselrichteranordnung umfasst eine Basis und eine Vielzahl von im Wesentlichen identischen Wechselrichtermodulen, die mit der Basis gekoppelt sind. Die Vielzahl von im Wesentlichen identischen Wechselrichtermodulen umfasst eine Vielzahl von Paaren benachbarter Wechselrichtermodule. Jedes der Paare umfasst ein erstes und ein zweites Wechselrichtermodul. Ein gewählter Punkt auf dem ersten Wechselrichtermodul ist von einem entsprechenden Punkt auf dem zweiten Wechselrichtermodul durch eine Distanz in jedem Paar getrennt. Die Vielzahl von im Wesentlichen identischen Wechselrichtermodulen ist derart angeordnet, dass die Distanz im Wesentlichen für jedes Paar von benachbarten Wechselrichtermodulen gleich ist.
Es wird ein Kraftfahrzeugantriebssystem bereitgestellt. Das Kraftfahrzeugantriebssystem umfasst einen Elektromotor, eine Gleichstrom-Leistungsversorgung (DC-Leistungsversorgung), einen Wechselrichter und einen Prozessor. Die DC-Leistungsversorgung ist mit dem Elektromotor gekop pelt. Ein Wechselrichter ist mit dem Elektromotor und der DC-Leistungsversorgung gekoppelt, um DC-Leistung von der DC-Leistungsversorgung zu empfangen und Wechselstromleistung (AC-Leistung) an den Elektromotor zu liefern. Der Wechselrichter umfasst eine Basis, ein mit der Basis gekoppeltes erstes Leistungsmodul, ein zweites Leistungsmodul, das mit der Basis derart gekoppelt ist, dass das zweite Leitungsmodul von dem ersten Leistungsmodul durch eine erste Distanz getrennt ist, und ein drittes Leistungsmodul, das mit der Basis derart gekoppelt ist, dass das dritte Leistungsmodul von dem zweiten Leistungsmodul durch eine zweite Distanz getrennt ist und von dem ersten Leistungsmodul durch eine dritte Distanz getrennt ist. Die erste, zweite und dritte Distanz sind im Wesentlichen gleich. Der Prozessor steht in wirksamer Kommunikation mit dem Elektromotor, der DC-Leistungsversorgung und dem Wechselrichter, und ist ausgestaltet, um diese zu steuern.
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung wird nachstehend in Verbindung mit den folgenden Zeichnungsfiguren beschrieben, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen, und
1 eine schematische Ansicht eines beispielhaften Kraftfahrzeugs gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
2 ein Blockdiagramm eines Spannungszwischenkreisumrichtersystems in dem Kraftfahrzeug von 1 ist;
3 eine schematische Ansicht eines Wechselrichters in dem Kraftfahrzeug von 1 ist;
4 eine Draufsicht auf eine obere Oberfläche eines Wechselrichtermoduls in dem Wechselrichter von 3 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
5 eine perspektivische Ansicht einer unteren Oberfläche des Wechselrichtermoduls von 4 ist;
6 eine Draufsicht auf eine Wechselrichteranordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist; und
7 und 8 Draufsichten auf Wechselrichtermodulanordnungen gemäß verschiedener Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind.
BESCHREIBUNG EINER BEISPIELHAFTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Die folgende genaue Beschreibung ist rein beispielhafter Natur und ist nicht dazu gedacht, die Erfindung oder die Anwendung und Verwendungen der Erfindung zu beschränken. Darüber hinaus besteht nicht die Absicht, durch irgendeine explizite oder implizite Theorie gebunden zu sein, die in dem voranstehenden technischen Gebiet, dem Hintergrund und der Kurzzusammenfassung oder der folgenden genauen Beschreibung dargestellt ist.
Die folgende Beschreibung bezieht sich auf Elemente oder Merkmale, die miteinander "verbunden" oder "gekoppelt" sind. Bei der Verwendung hierin kann sich "verbunden" auf ein Element/Merkmal beziehen, das mit einem weiteren Element/Merkmal mechanisch verbunden ist (oder direkt damit kommuniziert), und zwar nicht notwendigerweise direkt. Auf die gleiche Weise kann sich "gekoppelt" auf ein Element/Merkmal beziehen, das mit einem weiteren Element/Merkmal direkt oder indirekt verbunden ist (oder direkt oder indirekt damit kommuniziert), und zwar nicht notwendigerweise mechanisch. Es sollte jedoch verstanden sein, dass, obwohl zwei Elemente nachstehend bei einer Ausführungsform als "verbunden" beschrieben sein können, ähnliche Elemente bei alternativen Ausführungsformen "gekoppelt" sein können und umgekehrt. Obwohl die hierin gezeigten schematischen Zeichnungen beispielhafte Anordnungen von Elementen darstellen, können daher zusätzliche dazwischen kommende Elemente, Einrichtungen, Merkmale oder Komponenten bei einer tatsächlichen Ausführungsform vorhanden sein.
Außerdem können verschiedene hierin beschriebene Komponenten und Merkmale unter Verwendung spezieller numerischer Bezeichner, wie etwa erster, zweiter, dritter, etc. sowie als Positions- und/oder Winkelbezeichner, wie etwa horizontal und vertikal, bezeichnet sein. Derartige Bezeichner dürfen jedoch nur zu Beschreibungszwecken bezüglich der Zeichnungen verwendet werden und sollen nicht als Beschränkung aufgefasst werden, da die verschiedenen Komponenten bei anderen Ausführungsformen anders angeordnet sein können. Es sollte auch verstanden sein, dass 1–8 nur zur Veranschaulichung dienen und möglicherweise nicht maßstabsgetreu gezeichnet sind. Ferner
1 bis 8 veranschaulichen Leistungswandleranordnungen. Bei einer Ausführungsform umfasst eine Leistungswandleranordnung ein erstes, zweites und drittes Leistungsmodul. Das zweite Leistungsmodul ist mit dem ersten Leistungsmodul derart gekoppelt, dass das zweite Leistungsmodul von dem ersten Leistungsmodul durch eine erste Distanz getrennt ist. Das dritte Leistungsmodul ist mit dem ersten und zweiten Leistungsmodul derart gekoppelt, dass das dritte Leistungsmodul von dem zweiten Leistungsmodul durch eine zweite Distanz getrennt ist und von dem ersten Leistungsmodul durch eine dritte Distanz getrennt ist. Die erste, zweite und dritte Distanz sind im Wesentlichen gleich.
1 veranschaulicht ein Fahrzeug (oder "Kraftfahrzeug") 10 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Kraftfahrzeug 10 umfasst ein Chassis 12, eine Karosserie 14, vier Räder 16, und ein elektronisches Steuerungssystem 18. Die Karosserie 14 ist auf dem Chassis 12 angeordnet und umhüllt im Wesentlichen die anderen Komponenten des Kraftfahrzeugs 10. Die Karosserie 14 und das Chassis 12 können gemeinsam einen Rahmen bilden. Die Räder 16 sind in der Nähe einer jeweiligen Ecke der Karosserie 14 jeweils drehbar mit dem Chassis 12 gekoppelt.
Das Kraftfahrzeug 10 kann ein beliebiger Typ einer Anzahl verschiedener Typen von Kraftfahrzeugen sein, wie z. B. eine Limousine, ein Kombi, ein Lastwagen oder ein Sportnutzfahrzeug (SUV), und kann ein Zweiradantrieb (2WD) (d. h. Heckantrieb oder Frontantrieb), ein Vierradantrieb (4WD) oder ein Allradantrieb (AWD) sein. Das Kraftfahrzeug 10 kann auch einen beliebigen oder eine Kombination einer Anzahl verschiedener Typen von Maschinen umfassen, wie z. B. eine benzin- oder dieselgespeiste Brennkraftmaschine, die Maschine eines "Fahrzeugs mit flexiblem Kraftstoff" (FFV, FFV von flex fuel vehicle) (d. h., die eine Mischung aus Benzin und Alkohol verwendet), eine mit einem gasförmigen Gemisch (z. B. Wasserstoff und/oder Erdgas) gespeiste Maschine, eine hybride Brennkraft/Elektromotormaschine und einen Elektromotor.
Bei der in 1 veranschaulichten beispielhaften Ausführungsform ist das Kraftfahrzeug 10 ein Hybridfahrzeug und umfasst ferner eine Aktua toranordnung 20, eine Batterie (oder eine Gleichstrom-Leistungsversorgung (DC-Leistungsversorgung)) 22, eine Wechselrichteranordnung (oder einen Wechselrichter) 24 und einen Radiator 26. Die Aktuatoranordnung 20 umfasst eine Brennkraftmaschine 28 und einen Elektromotor/Generator (oder Motor) 30. Wie der Fachmann feststellen wird, umfasst der Elektromotor 30 ein Getriebe darin und umfasst auch, obwohl es nicht veranschaulicht ist, eine Statoranordnung (die leitfähige Spulen umfasst), eine Rotoranordnung (die einen ferromagnetischen Kern umfasst) und ein Kühlfluid (d. h. ein Kühlmittel). Die Statoranordnung und/oder die Rotoranordnung in dem Elektromotor 30 kann/können mehrere elektromagnetische Pole (z. B. sechzehn Pole) umfassen, wie allgemein verstanden wird.
Immer noch mit Bezug auf 1 sind bei einer Ausführungsform die Brennkraftmaschine 28 und der Elektromotor 30 derart zusammengebaut, dass beide mit wenigstens einigen der Räder 16 durch eine oder mehrere Antriebswellen 32 mechanisch gekoppelt sind. Der Radiator 26 ist mit dem Rahmen an einem äußeren Abschnitt desselben verbunden und umfasst, obwohl es nicht im Detail veranschaulicht ist, mehrere Kühlkanäle darin, die ein Kühlfluid (d. h. ein Kühlmittel), wie etwa Wasser und/oder Ethylenglykol (d. h. "Frostschutz") enthalten, und ist mit der Maschine 28 und dem Wechselrichter 24 gekoppelt.
Mit Bezug auf 2 ist ein Spannungszwischenkreisumrichtersystem (oder Elektroantriebssystem) 34 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Das Spannungszwischenkreisumrichtersystem 34 umfasst einen Controller 36, der mit einem Ausgang eines Modulators 38 gekoppelt ist, welcher wiederum einen Eingang aufweist, der mit einem ersten Ausgang des Wechselrichters 24 gekoppelt ist. Der Controller 36 weist einen Ausgang auf, der mit einem Eingang des Wechselrichters 24 gekoppelt ist, welcher einen zweiten Ausgang aufweist, der mit dem Motor 30 gekoppelt ist. Der Controller 36 und der Modulator 38 können mit dem in 1 gezeigten elektronischen Steuerungssystem 18 zusammengebaut sein.
3 veranschaulicht schematisch den Wechselrichter 24 (oder den Leistungswandler) von 1 und 2 genauer. Der Wechselrichter 24 umfasst eine mit dem Motor 30 gekoppelte dreiphasige Schaltung. Insbesondere umfasst der Wechselrichter 24 ein Schalternetzwerk mit einem ersten Eingang, der mit einer Spannungsquelle V_dc (z. B. der Batterie 22) gekoppelt ist, und einen Ausgang, der mit dem Motor 30 gekoppelt ist. Obwohl eine einzige Spannungsquelle gezeigt ist, kann auch eine verteilte DC-Verbindung mit zwei seriellen Quellen verwendet werden.
Das Schalternetzwerk umfasst drei Paare (a, b und c) serieller Schalter mit antiparallelen Dioden (d. h. antiparallel zu jedem Schalter), welche jeder der Phasen des Motors 30 entsprechen. Jedes der Paare serieller Schalter umfasst einen ersten Schalter oder Transistor (d. h. einen "hohen" Schalter) 40, 42 und 44 mit einem ersten Anschluss, der mit einer positiven Elektrode der Spannungsquelle 22 gekoppelt ist, und einen zweiten Schalter (d. h. einen "niederen" Schalter) 46, 48 und 50 mit einem zweiten Anschluss, der mit einer negativen Elektrode der Spannungsquelle 22 gekoppelt ist und einem ersten Anschluss, der mit einem zweiten Anschluss des jeweiligen ersten Schalters 40, 42 und 44 gekoppelt ist.
4 und 5 veranschaulichen ein Wechselrichtermodul (oder Leistungsmodul) 52 der Wechselrichteranordnung 24 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Das Wechselrichtermodul 52 umfasst ein Substrat 54 und mehrere elektronische Einrichtungen 56 auf dem Substrat 54. Das Substrat 54 ist im Wesentlichen rechteckig mit z. B. einer Länge 58 zwi schen 100 und 120 Millimetern (mm), einer Breite 60 zwischen 20 und 30 mm und einer (nicht gezeigten) Dicke zwischen 1 und 5 mm. Das Substrat 54 weist eine obere Oberfläche 62 und eine untere Oberfläche 64 auf und ist bei einer Ausführungsform ein direct bonded copper-Substrat (DBC-Substrat) wie allgemein verstanden wird, mit einem Keramikkern 66 (z. B. Aluminium oder Aluminiumnitrid) und mit Kupferschichten 68, die an gegenüberliegenden Seiten (d. h. der oberen und unteren Oberfläche 62 und 64) des Kerns 66 ausgebildet oder daran gebonded bzw. durch einen Hochtemperatur-Oxidationsprozess aufgebracht sind.
Mit Bezug auf 4 ist die Kupferschicht 68 auf der oberen Oberfläche 62 geätzt, um verschiedene leitfähige Elemente (z. B. Sammelschienen) 70, 72, 74 und 76 zu bilden, die sich im Wesentlichen zwischen entgegengesetzten Enden 78 des Substrats 54 erstrecken. Wie gezeigt ist, sind DC-Anschlüsse 80 mit den Sammelschienen 72 und 76 an den entgegengesetzten Enden 78 des Wechselrichtermoduls 52 verbunden, und ein Wechselstromanschluss (AC-Anschluss) 82 ist mit der Sammelschiene 70 entlang einer von zwei gegenüberliegenden Seiten 84 des Wechselrichtermoduls 52 verbunden.
Die elektronischen Einrichtungen 56 umfassen zwei Reihen eines Transistor-Die oder Rohchips (oder mehrerer Dies) 86 und Dioden-Die 88, die an Sammelschienen 72 bzw. 74 montiert sind. Jeder Transistor-Die 86 umfasst ein Halbleitersubstrat (z. B. Siliziumsubstrat) mit einer darauf ausgebildeten integrierten Schaltung, die einen oder mehrere der Schalter in der Form einzelner Halbleitereinrichtungen, wie etwa Bipolartransistoren mit isolierter Gateelektrode (IGBTs) umfasst, wie allgemein verstanden wird.
Noch mit Bezug auf 4 umfasst das Wechselrichtermodul auch eine Vielzahl von Drahtverbindungen 90, welche die elektronischen Einrich tungen 56 und die Sammelschienen 70, 72, 74 und 76 verbinden. Zur Klarheit der Veranschaulichung sind in 4 nur einige der Drahtverbindungen 90 gezeigt. Es wird angemerkt, dass die elektrischen Verbindungen zwischen dem Die 86 und 88 auf der Sammelschiene 72 und den DC-Anschlüssen 80, die mit der Sammelschiene 72 verbunden sind, dort hergestellt sind, wo die Dies 86 und 88 mit der Sammelschiene 72 verbunden sind (d. h. Einrichtungsabschnitte der Sammelschiene 72). Die elektrischen Verbindungen zwischen dem Die 86 und 88 auf der Sammelschiene 74 und die DC-Anschlüsse, die mit der Sammelschiene 76 verbunden sind, sind jedoch über die Drahtverbindungen 90 hergestellt, welche das Die 86 und 88 auf der Sammelschiene 74 mit Einrichtungsabschnitten 92 auf der Sammelschiene 76 verbinden. Somit liegen die Einrichtungsabschnitte (d. h. die Abschnitte auf den Sammelschienen 72 und 76, in welche DC-Strom fließt) zwischen den DC-Anschlüssen 80 der jeweiligen Sammelschienen 72 und 76.
Wenn mit anderen Worten die Sammelschienen 72 und 76 als leitfähige Drähte oder Leiterbahnen aufgefasst werden, sind die DC-Anschlüsse 80 mit den entgegengesetzten Enden der Leiterbahnen verbunden und die Einrichtungsabschnitte auf den Sammelschienen sind mit den Leiterbahnen zwischen den entgegengesetzten Enden verbunden. Wie in 3 vorgeschlagen ist, sind die DC-Anschlüsse 80 mit der Batterie 22 (1) elektrisch verbunden, während der AC-Anschluss 82 mit dem Motor 30 elektrisch verbunden ist. Es wird angemerkt, dass jede der elektronischen Einrichtungen 56 (z. B. die erste, zweite, dritte, vierte etc.) so aufgefasst werden kann, dass sie einen jeweiligen Einrichtungsabschnitt 92 auf der Sammelschiene 72 oder 76 aufweist.
5 veranschaulicht die untere Oberfläche 64 des Wechselrichtermoduls 52. Wie gezeigt ist, ist die Kupferschicht 68 auf der unteren Oberfläche 64 nur um einen Umfang derselben herum geätzt, so dass sie einen Kühlkörper oder eine Kühlplatte ausbildet, die von den Sammelschienen 70, 72, 74 und 76 und dem Die 86 und 88 elektrisch getrennt ist. Obwohl es nicht speziell gezeigt ist, kann die untere Oberfläche 64 des Wechselrichtermoduls 52 in Kontakt mit einer Kühleinrichtung, wie etwa einem Kühlkörper oder einer kalten Platte, gebracht werden, durch welche ein Kapillarwirkungs-Fluid strömengelassen wird, um Wärme zu entfernen, die im Betrieb erzeugt wird, wie in der Technik allgemein verstanden wird.
6 veranschaulicht die Wechselrichteranordnung 24 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung genauer. Die Wechselrichteranordnung 24 umfasst ein Gehäuse (oder Kondensatorgehäuse) 94 und mehrere Wechselrichtermodule 52, die dem voranstehend beschriebenen ähneln, und Anschlussanordnungen 96. Das Gehäuse 94 ist im Wesentlichen von kreisförmiger Gestalt und umfasst einen DC-Eingangsanschluss 98, mehrere DC-Leiter 100 und eine Motorwellenöffnung 102. Obwohl es nicht im Detail gezeigt ist, verbinden die DC-Leiter 100 den DC-Eingangsanschluss 98 elektrisch mit den DC-Anschlüssen 80 der Wechselrichtermodule 52. Die Motorwellenöffnung 102 ist von kreisförmiger Gestalt und liegt an einem zentralen Abschnitt des Gehäuses 94. Das Gehäuse 94 kann aus einem Komposit- oder Kunststoffmaterial hergestellt sein und umfasst darin einen oder mehrere (nicht gezeigte) Kondensatoren. Bei einer Ausführungsform ist eine Welle 104 des Motors 30 (welcher bei einer Ausführungsform benachbart zu dem Gehäuse 94 ist) durch die Motorwellenöffnung 102 des Gehäuses 94 (6) eingebracht, um in das Getriebe des Kraftfahrzeugs 10 (1) einzugreifen.
Bei der dargestellten Ausführungsform umfasst die Wechselrichteranordnung 24 drei Wechselrichtermodule 52, die an dem Gehäuse 94 montiert sind, wobei jedes einer der Betriebsphasen des Motors zugeordnet ist, wie allgemein verstanden wird. Wie gezeigt ist, sind die Wechselrichtermodule um die Motorwelle 104 und die Motorwellenöffnung 102 (und/oder das Gehäuse 94) herum symmetrisch angeordnet, wobei die AC-Anschlüsse 82 derselben von der Motorwellenöffnung 102 weggerichtet sind. Bei der in 6 gezeigten Ausführungsform mit drei Wechselrichtermodulen 52 sind die Wechselrichtermodule 52 mit Bezug zueinander äquidistant. Das heißt, die Distanz zwischen allen drei Wechselrichtermodulen 52 ist gleich. Anders ausgedrückt ist eine Distanz zwischen entsprechenden Punkten (oder Abschnitten) auf allen drei Wechselrichtermodulen 52 durch die gleiche Distanz getrennt. Die entsprechenden Punkte können auf den Wechselrichtermodulen 52 willkürlich gewählt sein, da alle drei im Wesentlichen identisch sind, zumindest bei der dargestellten Ausführungsform. Zum Beispiel wurden Distanzen 106, 108 und 110 zwischen zentralen Abschnitten 112 der Wechselrichtermodule 52 (und/oder der Substrate 54) gemessen. Wie aus 6 hervorgeht, sind alle drei Distanzen 106, 108 und 110 im Wesentlichen gleich. Die in 6 gezeigte Symmetrie umfasst auch eine Rotationssymmetrie (z. B. dreifach) und die Wechselrichtermodule sind zu dem Mittelpunkt (z. B. der Welle 104) äquidistant. Obwohl es nicht gezeigt ist, ist auch anzumerken, dass eine rechtwinklige Mittellinie jedes der Module 52 die rechtwinkligen Mittellinien der anderen Module 52 an dem Mittelpunkt schneiden würde.
Wieder mit Bezug auf 1 empfängt bei der dargestellten Ausführungsform der Wechselrichter 24 ein Kühlmittel und teilt dieses mit dem Elektromotor 30. Der Radiator 26 kann auf ähnliche Weise mit dem Wechselrichter 24 und/oder dem Elektromotor 30 verbunden sein. Das elektronische Steuerungssystem 18 steht in wirksamer Verbindung mit der Aktuatoranordnung 20, der Batterie 22 und der Wechselrichteranordnung 24. Obwohl es nicht im Detail gezeigt ist, umfasst das elektronische Steuerungssystem 18 verschiedene Sensoren und Kraftfahrzeugsteuerungsmo dule oder elektronische Steuerungseinheiten (ECUs), wie etwa ein Wechselrichtersteuerungsmodul und einen Fahrzeugcontroller, und mindestens einen Prozessor und/oder einen Speicher, welcher darin (oder in einem anderen computerlesbaren Medium) gespeicherte Anweisungen umfasst, um die Prozesse und Verfahren wie nachstehend beschrieben auszuführen. Es sollte auch verstanden sein, dass das elektronische Steuerungssystem 18 Abschnitte der in 2 gezeigten Wechselrichteranordnung 24, wie etwa den Controller 36 und den Modulator 38, umfassen kann oder damit zusammengebaut ist.
Mit Bezug auf 1 und 2 wird das Kraftfahrzeug 10 im Betrieb betrieben, indem die Räder 16 durch die Brennkraftmaschine 28 und den Elektromotor 30 abwechselnd und/oder durch die Brennkraftmaschine 28 und den Elektromotor 30 gleichzeitig mit Leistung versorgt werden. Um den Elektromotor 30 mit Leistung zu versorgen, wird von der Batterie 22 (und in dem Fall eines Brennstoffzellenkraftfahrzeugs von einer Brennstoffzelle) DC-Leistung an den Wechselrichter 24 geliefert, welcher die DC-Leistung in AC-Leistung umwandelt, bevor die Leistung an den Elektromotor 30 gesandt wird. Wie der Fachmann feststellen wird, wird die Umwandlung von DC-Leistung in AC-Leistung im Wesentlichen durch ein Betreiben (d. h. ein wiederholtes Schalten) der Transistoren 33 in dem Wechselrichter 24 bei einer "Schaltfrequenz" (F_SW) ausgeführt, wie z. B. 12 Kilohertz (kHz). Der Controller 36 erzeugt allgemein ein Pulsbreitenmodulationssignal (PWM-Signal), um die Schaltaktion des Wechselrichters 24 zu steuern. Bei einer bevorzugten Ausführungsform erzeugt der Controller 36 vorzugsweise ein unstetiges PWM-Signal (DPWM-Signal) mit einem einzigen Nullvektor, der jedem Schaltzyklus des Wechselrichters 24 zugeordnet ist. Der Wechselrichter 24 wandelt dann das PWM-Signal in eine modulierte Spannungswellenform um, um den Motor 30 zu betreiben.
Nun mit Bezug auf 3 und 4 fließt der DC-Strom, der an die Wechselrichteranordnung 24 geliefert wird, bei den DC-Anschlüssen 80 in jedes der Wechselrichtermodule 52. Der Strom fließt dann zu dem Mittelpunkt des Wechselrichtermoduls 52, wo er an die verschiedenen elektronischen Einrichtungen 56 geliefert wird. Somit wird DC-Strom aus entgegengesetzten Richtungen an die elektronischen Einrichtungen 56 oder insbesondere die Einrichtungsabschnitte 92 der Sammelschienen 72 und 76 geliefert. Strom fließt auch von den DC-Anschlüssen 80, die mit der Sammelschiene 72 verbunden sind, auf ähnliche Weise zu den Einrichtungsabschnitten der Sammelschiene 72.
Nachdem der Strom die verschiedenen elektronischen Einrichtungen 56 durchlaufen hat und in AC-Strom umgewandelt wurde, fließt er in die Sammelschiene 70 und aus dem Wechselrichtermodul 52 durch den AC-Anschluss 82 und schließlich in den Motor 30 (1).
Ein Vorteil besteht darin, dass ein symmetrisches, skalierbares dreiphasiges Substratlayout bereitgestellt wird, das im Wesentlichen gleiche oder gleiche parasitäre Effekte auf allen drei Phasen erzeugt und eine kapazitive Kopplung verringert. Als Folge verbessert die Anordnung der Wechselrichtermodule die Zuverlässigkeit, verringert die Induktivität und erhöht die Skalierbarkeit.
7 veranschaulicht eine Anordnung von Wechselrichtermodulen 52 gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Anordnung umfasst sechs Wechselrichtermodule 52 (die den voranstehend beschriebenen ähneln), die, obwohl es nicht gezeigt ist, an ein Gehäuse montiert sein können, das dem voranstehend beschriebenen ähnelt. Die Wechselrichtermodule 52 sind um einen Mittelpunkt 114 herum in einer Gestalt symmetrisch angeordnet, die einem Sechseck ähnelt.
Anders ausgedrückt sind, wenn die Wechselrichtermodule 52 so aufgefasst werden, dass sie Paare benachbarter Wechselrichtermodule umfassen (z. B. sechs Paare), entsprechende Punkte (z. B. ein gewähltes Die 116) auf den benachbarten Wechselrichtermodulen in jedem Paar (oder allen Paaren) durch die gleiche Distanz getrennt. In 7 wurden Distanzen 118–128 zwischen den gewählten Dies 116 auf den benachbarten Wechselrichtermodulen 52 gemessen. Wie aus 7 hervorgeht, sind alle sechs Distanzen 118–128 im Wesentlichen gleich. Die in 6 gezeigte Symmetrie umfasst auch eine Rotationssymmetrie (z. B. sechsfach), und die Wechselrichtermodule sind zu dem Mittelpunkt 114 äquidistant. Obwohl es nicht gezeigt ist, soll auch angemerkt werden, dass eine rechtwinklige Mittellinie eines jedes der Module 52 die rechtwinkligen Mittellinien der anderen Module 52 bei dem Mittelpunkt 114 schneiden würde.
8 veranschaulicht eine Anordnung von Wechselrichtermodulen 52 gemäß einer weiteren Ausführungsform. Die in 8 gezeigte Anordnung ähnelt derjenigen, die in 6 gezeigt ist, und umfasst drei Wechselrichtermodule 52, die um einen Mittelpunkt 130 herum symmetrisch angeordnet sind. Bei der in 8 gezeigten Ausführungsform sind die Wechselrichtermodule jedoch derart angeordnet, dass die AC-Anschlüsse 82 nach innen zu dem Mittelpunkt 130 hinweisen. Obwohl es nicht gezeigt ist, können die Module 52 an einem Gehäuse montiert sein, das dem voranstehend beschriebenen ähnelt.
Andere Ausführungsformen können Wechselrichtermodule (oder Leistungsmodule) verwenden, die sich von den voranstehend beschriebenen und in den Zeichnungen gezeigten unterscheiden. Die Anzahl der Wechselrichtermodule kann verändert werden (z. B. können acht verwendet werden) und in Gestalten angeordnet werden, die anderen Polygonen ähneln, wie etwa einem Achteck. Jedes der Wechselrichtermodule kann einer einzelnen Betriebsphase des Motors entsprechen oder mehrere Wechselrichtermodule können parallel verbunden sein, um gemeinsam einer einzigen Betriebsphase des Motors zu entsprechen.
Obwohl mindestens eine beispielhafte Ausführungsform in der voranstehenden genauen Beschreibung dargestellt wurde, ist festzustellen, dass eine große Anzahl an Variationen existiert. Es ist auch festzustellen, dass die beispielhafte Ausführungsform oder die beispielhaften Ausführungsformen nur Beispiele sind und nicht dazu gedacht sind, den Schutzumfang, die Anwendbarkeit oder die Ausgestaltung der Erfindung in irgendeiner Weise zu beschränken. Stattdessen wird die voranstehende genaue Beschreibung Fachleuten eine brauchbare Anleitung zur Implementierung der beispielhaften Ausführungsform oder der beispielhaften Ausführungsformen bereitstellen. Es sollte verstanden sein, dass in der Funktion und Anordnung von Elementen verschiedene Änderungen durchgeführt werden können, ohne von dem Schutzumfang der Erfindung abzuweichen, wie er in den beigefügten Ansprüchen und deren juristischen Äquivalenten offengelegt ist.

Claims

Leistungswandleranordnung, die umfasst: ein erstes Leistungsmodul; ein zweites Leistungsmodul, das mit dem ersten Leistungsmodul derart gekoppelt ist, dass das zweite Leistungsmodul von dem ersten Leistungsmodul durch eine erste Distanz getrennt ist; und ein drittes Leistungsmodul, das mit dem ersten und zweiten Leistungsmodul derart gekoppelt ist, dass das dritte Leistungsmodul von dem zweiten Leistungsmodul durch eine zweite Distanz getrennt ist und von dem ersten Leistungsmodul durch eine dritte Distanz getrennt ist, wobei die erste, zweite und dritte Distanz im Wesentlichen gleich sind.
Leistungswandleranordnung nach Anspruch 1, wobei jedes der ersten, zweiten und dritten Leistungsmodule mindestens eine elektronische Einrichtung umfasst.
Leistungswandleranordnung nach Anspruch 2, wobei jedes der Leistungsmodule ein Substrat umfasst, das die jeweilige mindestens eine elektronische Einrichtung aufweist, die damit gekoppelt ist.
Leistungswandleranordnung nach Anspruch 3, wobei die mindestens eine elektronische Einrichtung jedes Leistungsmoduls einen Transistor und eine Diode umfasst.
Leistungswandleranordnung nach Anspruch 1, wobei das erste, zweite und dritte Leistungsmodul symmetrisch um einen Mittelpunkt herum angeordnet sind.
Leistungswandleranordnung nach Anspruch 5, die ferner eine Basis umfasst, wobei das erste, zweite und dritte Leistungsmodul mit der Basis gekoppelt sind.
Leistungswandleranordnung nach Anspruch 6, die ferner eine Vielzahl leitfähiger Elemente umfasst, die mit der Basis gekoppelt sind und das erste, zweite und dritte Leistungsmodul elektrisch verbinden.
Anordnung nach Anspruch 7, wobei das zweite lösbare Befestigungsgebilde den ersten Abschnitt der zweiten leitfähigen Komponente an mindestens drei Seiten derselben kontaktiert.
Kraftfahrzeugwechselrichteranordnung, die umfasst: eine Basis; und eine Vielzahl von im Wesentlichen identischen Wechselrichtermodulen, die mit der Basis gekoppelt sind, wobei die Vielzahl von im Wesentlichen identischen Wechselrichtermodulen eine Vielzahl von Paaren benachbarter Wechselrichtermodule umfasst, wobei jedes der Paare ein erstes und zweites Wechselrichtermodul umfasst, wobei ein gewählter Punkt auf dem ersten Wechselrichtermodul von einem entsprechenden Punkt auf dem zweiten Wechselrichtermodul durch eine Distanz in jedem Paar getrennt ist, wobei die Vielzahl von im Wesentlichen identischen Wechselrichtermodulen derart angeordnet ist, dass die Distanz für jedes Paar benachbarter Wechselrichtermodule im Wesentlichen gleich ist.
Kraftfahrzeugwechselrichteranordnung nach Anspruch 9, wobei die Vielzahl von im Wesentlichen identischen Wechselrichtermodulen um einen Mittelpunkt herum symmetrisch angeordnet ist.
Kraftfahrzeugwechselrichteranordnung nach Anspruch 10, wobei jedes der Vielzahl von Wechselrichtermodulen ein Substrat und mindestens eine mit dem Substrat gekoppelte elektronische Einrichtung umfasst.
Kraftfahrzeugwechselrichteranordnung nach Anspruch 11, wobei die mindestens eine elektronische Einrichtung einen Transistor und eine Diode umfasst.
Kraftfahrzeugwechselrichteranordnung nach Anspruch 12, die ferner eine Vielzahl leitfähiger Elemente umfasst, welche die Vielzahl von Wechselrichtermodulen elektrisch verbinden.
Kraftfahrzeugwechselrichteranordnung nach Anspruch 13, wobei die Vielzahl von Wechselrichtermodulen drei Wechselrichtermodule umfasst.
Kraftfahrzeugwechselrichteranordnung nach Anspruch 13, wobei die Vielzahl von Wechselrichtermodulen mehr als drei Wechselrichtermodule umfasst.
Kraftfahrzeugantriebssystem, das umfasst: einen Elektromotor; eine mit dem Elektromotor gekoppelte Gleichstrom-Leistungsversorgung (DC-Leistungsversorgung); einen Wechselrichter, der mit dem Elektromotor und der DC-Leistungsversorgung gekoppelt ist, um DC-Leistung von der DC-Leistungsversorgung zu empfangen und Wechselstromleistung (AC-Leistung) an den Elektromotor zu liefern, wobei der Wechselrichter umfasst: eine Basis; ein erstes Leistungsmodul, das mit der Basis gekoppelt ist; ein zweites Leistungsmodul, das mit der Basis derart gekoppelt ist, dass das zweite Leistungsmodul von dem ersten Leistungsmodul durch eine erste Distanz getrennt ist; und ein drittes Leistungsmodul, das mit der Basis derart gekoppelt ist, dass das dritte Leistungsmodul von dem zweiten Leistungsmodul durch eine zweite Distanz getrennt ist und von dem ersten Leistungsmodul durch eine dritte Distanz getrennt ist, wobei die erste, zweite und dritte Distanz im Wesentlichen gleich sind; und einen Prozessor, der in wirksamer Verbindung mit dem Elektromotor, der DC-Leistungsversorgung und dem Wechselrichter steht und ausgestaltet ist, um diese zu steuern.
Kraftfahrzeugantriebssystem nach Anspruch 16, wobei das erste, zweite und dritte Leistungsmodul um einen Mittelpunkt der Basis herum symmetrisch angeordnet sind.
Kraftfahrzeugantriebssystem nach Anspruch 17, wobei das erste, zweite und dritte Leistungsmodul jeweils ein Substrat und einen mit dem Substrat gekoppelten Transistor umfasst.
Kraftfahrzeugantriebssystem nach Anspruch 18, wobei der Wechselrichter ferner eine Vielzahl leitfähiger Elemente umfasst, welche das erste, zweite und dritte Leistungsmodul elektrisch verbinden.
Kraftfahrzeugantriebssystem nach Anspruch 19, wobei die Basis eine sich an dem Mittelpunkt der Basis durch diese hindurch erstreckende Öffnung aufweist und der Elektromotor eine Motorwelle umfasst, die sich durch die Öffnung der Basis hindurch erstreckt.