DE102010027967A1 - Leistungselektronik-Energiemodul mit eingebettetem Gate-Schaltkreis - Google Patents

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Abstract

Es wird ein Leistungselektronik-Energiemodul bereitgestellt. Das Leistungselektronik-Energiemodul umfasst ein elektrisch leitfähiges Substrat, ein elektronisches Bauteil mit ersten und zweiten gegenüberliegenden Oberflächen und wenigstens einem darauf gebildeten Transistor, wobei das elektronische Bauteil an dem elektrisch leitfähigen Substrat befestigt ist und der wenigstens eine Transistor derart eingerichtet ist, dass, wenn der wenigstens eine Transistor aktiviert ist, Strom von der ersten Oberfläche des elektronischen Bauteils in das elektrisch leitfähige Substrat fließt, und wobei ein Steuerglied wenigstens teilweise in dem elektrisch leitfähigen Substrat eingebettet ist, wobei das Steuerglied einen darauf gebildeten Steuerleiter aufweist und elektrisch mit dem wenigstens einen Transistor verbunden ist, so dass, wenn ein Steuersignal für den Steuerleiter bereitgestellt ist, der wenigstens eine Transistor aktiviert ist.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Energieumwandler, und insbesondere eine Energieumwandler-Anordnung mit eingebettetem Gate-Schaltkreis.
  • Hintergrund der Erfindung
  • In früheren Jahren haben Fortschritte in der Technologie sowie sich immer weiter entwickelnde Geschmacksrichtungen zu wesentlichen Änderungen im Design von Automobilen geführt. Eine der Änderungen umfasst die Komplexität von elektrischen Systemen in Automobilen, insbesondere Fahrzeuge mit alternativem Kraftstoffantrieb (oder Vortrieb), welche Spannungsversorgungen verwenden, wie zum Beispiel hybrid- und batteriebetriebene Elektrofahrzeuge. Solche Fahrzeuge mit alternativem Kraftstoffantrieb verwenden typischerweise einen oder mehrere Elektromotoren, welche oftmals mit Batterien betrieben werden, eventuell in Kombination mit einem anderen Aggregat, um die Räder anzutreiben.
  • Solche Fahrzeuge benutzen oftmals zwei separate Spannungsquellen, wie zum Beispiel eine Batterie und eine Brennstoffzelle, um die Elektromotoren mit Energie zu versorgen, welche die Räder antreiben. Leistungselektronik (oder Leistungselektroniksysteme), wie zum Beispiel Gleichstrom-zu-Gleichstrom-(DC/DC)Umwandler, werden typischerweise verwendet, die Energie von den zwei Spannungsquellen zu verwalten und zu übertragen. Außerdem sind, aufgrund der Tatsache, dass Automobile mit alternativem Kraftstoffantrieb typischerweise lediglich Gleichstrom-(DC)Energieversorgungen umfassen, Gleichstrom-zu-Wechselstrom-(DC/AC)Umwandler (oder Energieumwandler) ebenso bereitgestellt, um die DC-Energie im Wechselstrom(AC)-Energie umzuwandeln, was im Allgemeinen für die Motoren erforderlich ist.
  • Moderne Energieumwandler verwenden typischerweise Energiemodule, welche elektronische Komponenten umfassen, wie zum Beispiel Schaltvorrichtungen und Dioden, welche auf Halbleitersubstraten gebildet sind. Die elektrischen Verbindungen, welche verwendet werden, um die Schaltvorrichtungen und Dioden zu steuern, sind oftmals als Drahtverbindungen mit einzelnen Drähten ausgeführt. Solche elektrischen Verbindungen weisen oftmals eine unerwünschte Signalqualität auf, sind relativ instabil, und erhöhen Herstellungszeit und Kosten.
  • Zusätzlich gibt es, da die Energieanforderungen an die elektrischen Systeme in Fahrzeugen mit alternativen Kraftstoffantrieben stetig wachsen, ebenfalls einen stetig wachsenden Bedarf die elektrische Effizienz solcher Systeme zu maximieren Außerdem besteht der stete Wunsch, die Größe der Komponenten in den elektrischen Systemen zu reduzieren, um die Gesamtkosten und das Gewicht der Fahrzeuge zu minimieren.
  • Dementsprechend ist es wünschenswert, ein Leistungselektronik-Energiemodul mit verbesserten elektrischen Verbindungen für die elektronischen Komponenten bereitzustellen. Weiterhin werden andere wünschenswerte Merkmale und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung aus der nach folgenden Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen und dem vorangegangenen technischen Gebiet und Hintergrund ersichtlich werden.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Es wird ein Leistungselektronik-Energiemodul bereitgestellt. Das Leistungselektronik-Energiemodul umfasst ein elektrisch leitfähiges Substrat, ein elektronisches Bauteil mit ersten und zweiten gegenüberliegenden Oberflächen und wenigstens einem darauf gebildeten Transistor, wobei das elektronische Bauteil an dem elektrisch leitfähigen Substrat befestigt ist und der wenigstens eine Transistor derart eingerichtet ist, dass, wenn der wenigstens eine Transistor aktiviert ist, Strom von der ersten Oberfläche des elektronischen Bauteils in das elektrisch leitfähige Substrat fließt, und wobei ein Steuerglied wenigstens teilweise in dem elektrisch leitfähigen Substrat eingebettet ist, wobei das Steuerglied einen darauf gebildeten Steuerleiter aufweist und elektrisch mit dem wenigstens einen Transistor verbunden ist, so dass, wenn ein Steuersignal für den Steuerleiter bereitgestellt ist, der wenigstens eine Transistor aktiviert ist.
  • Es wird ein Fahrzeug-Leistungselektronik-Energiemodul bereitgestellt. Das Fahrzeug-Leistungselektronik-Energiemodul umfasst ein elektrisch leitfähiges Substrat, eine Mehrzahl von elektronischen Bauteilen mit ersten und zweiten gegenüberliegenden Oberflächen und wenigstens einem darauf gebildeten Transistor, wobei jedes der Mehrzahl von elektronischen Bauteilen an dem elektrisch leitfähigen Substrat befestigt ist, so dass die erste Oberfläche davon im Wesentlichen dem elektrisch leit fähigen Substrat gegenüberliegt und derart eingerichtet ist, dass, wenn der wenigstens eine Transistor aktiviert ist, Strom von der ersten Oberfläche des elektronischen Bauteils in das elektrisch leitfähige Substrat fließt, und wobei wenigstens ein Steuerglied wenigstens teilweise in dem elektrisch leitfähigen Substrat eingebettet ist, wobei das wenigstens eine Steuerglied einen Isolierabschnitt und einen auf dem Isolierabschnitt gebildeten Steuerleiter umfasst, wobei der Steuerleiter elektrisch mit dem wenigstens einen Transistor jedes von der Mehrzahl von elektronischen Bauteilen verbunden ist, so dass, wenn ein Steuersignal für den Steuerleiter bereitgestellt ist, der wenigstens eine Transistor aktiviert ist.
  • Ein Verfahren zum Herstellen eines Fahrzeug-Leistungselektronik-Energiemoduls ist bereitgestellt. Ein elektrisch leitfähiges Substrat mit einer Mehrzahl von auf einer Oberfläche davon gebildeten Ausnehmungen ist bereitgestellt. Wenigstens ein Abschnitt wenigstens eines Steuergliedes ist in der Mehrzahl von Ausnehmungen angebracht. Das wenigstens eine Steuerglied umfasst einen Isolierabschnitt und einen auf dem Isolierabschnitt gebildeten Steuerleiter. Eine Mehrzahl von elektronischen Bauteilen ist an der Oberfläche des elektrisch leitfähigen Substrats befestigt. Jedes der elektronischen Bauteile weist erste und zweite gegenüberliegende Oberflächen und wenigstens einen darauf gebildeten Transistor auf, und ist derart angeordnet, dass die erste Oberfläche davon im Wesentlichen dem elektrisch leitfähigen Substrat gegenüberliegt und über dem Steuerleiter ist.
  • Beschreibung der Zeichnungen
  • Die vorliegende Erfindung wird nun in Verbindung mit den folgenden Zeichnungsfiguren beschrieben, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bedeuten, und
  • 1 eine schematische Ansicht eines beispielhaften Automobils gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
  • 2 eine schematische Ansicht eines Gleichstrom-zu-Gleichstrom-(DC/DC)Energieumwandlersystems im Automobil von 1 ist;
  • 3 eine schematische Ansicht eines Gleichstrom-zu-Wechselstrom-(DC/AC)Energieumwandlersystems in dem Automobil von 1 ist;
  • 4 eine perspektivische Explosionsansicht eines Energiemoduls gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
  • 5 eine perspektivische Ansicht einer AC-Busschiene in dem Energiemodul von 4 ist; und
  • 6, 7 und 8 perspektivische Ansichten von Abschnitten der AC-Busschiene aus 5 sind.
  • Beschreibung einer beispielhaften Ausführungsform
  • Die folgende detaillierte Beschreibung dient lediglich der Veranschaulichung und ist nicht dazu gedacht, die Ausführungsformen der Erfindung oder die Anwendung und Verwendungen dieser Ausführungsform zu beschränken. Weiterhin ist nicht beabsichtigt, an eine ausdrückliche oder implizite Theorie gebunden zu sein, die in dem vorangegangenen technischen Gebiet, Hintergrund, kurze Zusammenfassung oder in der folgenden detaillierten Beschreibung präsentiert werden.
  • Die folgende Beschreibung bezieht sich auf Elemente oder Merkmale, die miteinander „verbunden” oder „gekoppelt” sind. Wie hierin verwendet, kann sich „verbunden” beziehen auf ein Element/Merkmal, welches mechanisch verbunden ist mit (oder in direkter Kommunikation stehend mit) einem anderen Element/Merkmal, und zwar nicht notwendigerweise direkt. Entsprechend kann sich „gekoppelt” beziehen auf ein Element/Merkmal, welches direkt oder indirekt verbunden ist mit (oder in direkter oder indirekter Kommunikation stehend mit) einem anderen Element/Merkmal, und zwar nicht notwendigerweise mechanisch. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass, obwohl unten zwei Elemente, in einer Ausführungsform, als „verbunden” beschrieben werden, in alternativen Ausführungsformen ähnliche Elemente „gekoppelt sein können, und umgekehrt. Daher können, obwohl die hierin gezeigten Diagramme Beispielanordnungen von Elementen zeigen, zusätzliche dazwischen angeordnete Elemente, Vorrichtungen, Merkmale oder Komponenten in einer tatsächlichen Ausführungsform vorhanden sein.
  • Weiterhin können verschiedene hierin beschriebene Komponenten und Merkmale darauf bezogen sein, dass bestimmte numerische Bezeichnungen, wie zum Beispiel erster, zweiter, dritter usw. als auch positionsabhängige und/oder winkelabhängige Bezeichnungen, wie zum Beispiel horizontal und vertikal, verwendet werden. Jedoch werden solche Bezeich nungen lediglich als beschreibend hinsichtlich der Zeichnungen verwendet, und sollten nicht als begrenzend angesehen werden, da die verschiedenen Komponenten in anderen Ausführungsformen eine andere Anordnung aufweisen können. Es wird außerdem darauf hingewiesen, dass 18 lediglich illustrativen Charakter haben und nicht im Maßstab abgebildet sind.
  • 18 stellen ein Leistungselektronik-Energiemodul gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar. Das Energiemodul kann beispielsweise in einem Gleichstrom-zu-Gleichstrom-(DC/DC)Energieumwandler oder einer Gleichstrom-zu-Wechselstrom-(DC/AC)Wechselrichteranordnung verwendet werden. Das Energiemodul umfasst ein elektrisch leitfähiges Substrat, ein elektronisches Bauteil und ein Steuerglied. Das elektronische Bauteil umfasst erste und zweite gegenüberliegende Oberflächen und wenigstens einen darauf gebildeten Transistor. Das elektronische Bauteil ist an dem elektrisch leitfähigen Substrat befestigt und der wenigstens eine Transistor ist derart eingerichtet, dass, wenn der wenigstens eine Transistor aktiviert ist, Strom von der ersten Oberfläche des elektronischen Bauteils in das elektrisch leitfähige Substrat fließt. Das Steuerglied ist wenigstens teilweise in das elektrisch leitfähige Substrat eingebettet und weist einen darauf gebildeten Steuerleiter auf, welcher elektrisch mit dem wenigstens einen Transistor verbunden ist, so dass, wenn für den Steuerleiter ein Steuersignal bereitgestellt ist, der wenigstens eine Transistor aktiviert ist.
  • 1 stellt ein Fahrzeug, oder Automobil 10, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar. Das Automobil 10 umfasst ein Fahrgestell 12, eine Karosse rie 34, vier Räder 16 und ein elektronisches Steuerungssystem 18. Die Karosserie 14 ist auf dem Fahrgestell 12 angeordnet und umschließt im Wesentlichen die anderen Komponenten des Automobils 10. Die Karosserie 14 und das Fahrgestell 12 können in verbundener Weise einen Rahmen bilden. Die Räder 16 sind jeweils mit dem Fahrgestell 12 in der Nähe einer entsprechenden Ecke der Karosserie 14 gekoppelt.
  • Das Automobil 10 kann ein beliebiges einer Anzahl verschiedener Arten von Automobilen sein, wie zum Beispiel eine Limousine, ein Kombi, ein Lastwagen, oder ein Sports Utility Vehicle (SUV), und kann Zweiradantrieb (2 WD) (das heißt Hinterradantrieb oder Vorderradantrieb), Vierradantrieb (4 WD), oder Allradantrieb (AWD) aufweisen. Das Automobil 10 kann auch jede Art oder Kombination von Arten verschiedener Maschinen (oder Antrieben) umfassen wie zum Beispiel einen mit Benzin oder Dieselkraftstoff betriebenen Verbrennungsmotor, einen „Gemischt-Kraftstoff-Fahrzeug”(FFV)-Motor (das heißt unter Verwendung einer Mischung von Benzin und Alkohol), einen mit Gasgemisch (zum Beispiel Wasserstoff und/oder Erdgas) betriebenen Motor, einen Verbrennungs-/Elektro-Hybridmotor (das heißt wie in einem Hybrid-Elektrofahrzeug (HEV)), und einen Elektromotor.
  • In der in 1 dargestellten beispielhaften Ausführungsform ist das Automobil 10 ein Brennstoffzellenfahrzeug, und umfasst weiterhin einen Elektromotor/Generator 20, eine Batterie 22, ein Brennstoffzellen-Energiemodul (FCPM) 24, ein DC/DC-Umwandlersystem (oder einen ersten Energieumwandler) 26, einen DC/AC-Wechselrichter (oder einen zweiten Energieumwandler) 28, und einen Kühler 30. Obwohl nicht dargestellt, umfasst der Elektromotor/Generator 20 (oder Motor) eine Statoranordnung (ein schließlich Leiterspulen), eine Rotoranordnung (einschließlich eines ferromagnetischen Kerns), und ein Kühl-Fluid (das heißt Kühlmittel), wie es dem Fachmann bekannt ist. Der Motor 20 kann außerdem ein darin integriertes Getriebe umfassen, so dass der Motor 20 und das Getriebe mechanisch mit wenigstens einigen der Räder 16 mittels einer oder mehrerer Antriebswellen 31 gekoppelt sind.
  • In der Darstellung sind die Batterie 22 und das FCPM 24 in betrieblicher Verbindung und/oder elektrisch mit dem elektronischen Steuerungssystem 18 und dem DC/DC-Umwandlersystem 26 verbunden. Obwohl nicht dargestellt, umfasst das FCPM 24 in einer Ausführungsform neben anderen Komponenten eine Brennstoffzelle mit einer Anode, einer Kathode, einem Elektrolyt und einem Katalysator. Wie gemeinhin bekannt ist, befördert die Anode, oder negative Elektrode, Elektronen, welche beispielsweise von Wasserstoffmolekülen losgelöst sind, so dass sie in einem externen Kreislauf verwendet werden können. Die Kathode, oder positive Elektrode (das heißt der positive Anschluss der Brennstoffzelle), befördert die Elektronen zurück von dem externen Kreislauf zum Katalysator, wo sie mit den Wasserstoffionen und Sauerstoff rekombinieren können, um Wasser zu bilden. Das Elektrolyt, oder Protonaustauschmembran, befördert nur positiv geladene Ionen, während Elektronen geblockt werden. Der Katalysator ermöglicht die Reaktion von Sauerstoff und Wasserstoff.
  • 2 zeigt in schematischer Weise das DC/DC-Umwandlersystem 26 in größerem Detail, und zwar gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In der dargestellten Ausführungsform umfasst das DC/DC-Umwandlersystem 26 einen bidirektionalen DC/DC-Umwandler (BDC) 32, welcher mit dem FCPM 24 und der Batterie 22 gekoppelt ist. In der dargestellten Ausführungsform umfasst der BDC-Umwandler 32 einen Energie-Schaltbereich mit zwei dualen Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode(IGBT)-Zweigen 36 und 38, wobei jeder jeweils zwei IGBTs, 40 und 42, bzw. 44 und 46 aufweist. Die zwei Zweige 36 und 38 sind über eine Schaltinduktivität (oder Schaltinduktivitäten, wie unten beschrieben) 48 mit einer Induktanz an Mittelpunkten miteinander verbunden. Der BDC-Umwandler 32 umfasst außerdem einen ersten Filter 50, welcher mit der positiven Schiene des ersten IGBT-Zweiges 36 verbunden ist, und einen zweiten Filter 52, welcher mit der positiven Schiene des zweiten IGBT-Zweiges 38 verbunden ist. Wie dargestellt, umfassen die Filter 50 und 52 jeweils eine erste Induktivität 54, einen ersten Kondensator 56, eine zweite Induktivität 58, und einen zweiten Kondensator 60. Der erste IGBT-Zweig 36 ist mit dem FCPM 24 über den ersten Filter 50 verbunden, und der zweite IGBT-Zweig 38 ist mit der Batterie 22 über den zweiten Filter 52 verbunden. Wie dargestellt, sind das FCPM 24 und die Batterie nicht galvanisch voneinander getrennt, da die negativen (–) Anschlüsse elektrisch verbunden sind.
  • Obwohl nicht dargestellt, kann das DC/DC-Umwandlersystem 26 außerdem eine BDC-Steuerung in betrieblicher Kommunikation mit dem BDC-Umwandler 32 umfassen. Die BDC-Steuerung kann in dem elektronischen Steuerungssystem 18 (1) angeordnet sein, wie es allgemein bekannt ist.
  • 3 zeigt in schematischer Weise den DC/AC-Wechselrichter 28 in größerem Detail, und zwar gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Wechselrichter 28 umfasst einen mit dem Motor 20 gekop pelten dreiphasigen Schaltkreis. Insbesondere umfasst der Wechselrichter 28 ein Schaltungsnetzwerk mit einem ersten mit einer Spannungsquelle 62 (zum Beispiel die Batterie 22 und/oder das FCPM 24) mittels des DC/DC-Umwandlersystems 26 gekoppelten ersten Eingang und einen mit dem Motor 20 gekoppelten Ausgang. Obwohl eine einzelne Spannungsquelle dargestellt ist, kann eine verteilte Gleichstrom(DC)-Verbindung mit zwei seriellen Spannungsquellen verwendet werden.
  • Das Schaltungsnetzwerk umfasst drei Paare von Serienschaltvorrichtungen (zum Beispiel IGBTs) mit antiparallelen Dioden (das heißt antiparallel zu jeder Schaltvorrichtung), entsprechend jeder der Phasen. Jedes Paar von seriellen Schaltvorrichtungen umfasst eine erste Schaltvorrichtung, oder Transistor (das heißt eine „Hoch”-Schaltvorrichtung) 64, 66, und 68 mit einem ersten mit einer positiven Elektrode der Spannungsquelle 62 gekoppelten Anschluss und eine zweite Schaltungsvorrichtung (das heißt eine „Niedrig”-Schaltungsvorrichtung) 70, 72, und 74 mit einem zweiten mit einer negativen Elektrode der Spannungsquelle 62 gekoppelten Anschluss und mit einem ersten mit einem zweiten Anschluss der jeweiligen ersten Schaltungsvorrichtung 64, 66, und 68 gekoppelten Anschluss.
  • Obwohl nicht dargestellt, kann der DC/AC-Wechselrichter 28 außerdem ein Wechselrichtersteuerungsmodul umfassen, welches in dem elektronischen Steuerungssystem 18 (1) angeordnet sein kann, wie es allgemein bekannt ist.
  • Der BDC 32 und der Wechselrichter 28 können außerdem eine Mehrzahl von Energiemodulvorrichtungen umfas sen, wobei jede ein Halbleitersubstrat, oder elektronisches Bauteil, mit einem darauf gebildeten integrierten Schaltkreis umfasst, unter welchen die Schaltvorrichtungen 4046 und 6474 aufgeteilt sind, wie es gemeinhin bekannt ist.
  • Wiederum mit Bezug zu 1 ist der Kühler 30 mit dem Rahmen an einem äußeren Abschnitt davon verbunden und, obwohl nicht im Detail dargestellt, umfasst mehrfache Kühlkanäle dort hindurch, welche ein Kühl-Fluid (das heißt Kühlmittel) enthalten, wie zum Beispiel Wasser und/oder Ethylenglykol (das heißt „antifreeze”), und ist mit dem Motor 20 und dem Wechselrichter 28 gekoppelt. In einer Ausführungsform nimmt der Wechselrichter 28 Kühlmittel auf und teilt es mit dem Elektromotor 20. Der Kühler 30 kann in ähnlicher Weise mit dem Wechselrichter 28 und/oder dem Elektromotor 20 verbunden sein.
  • Das elektronische Steuerungssystem 18 ist in betrieblicher Verbindung mit dem Motor 20, der Batterie 22, dem FCPM 24, dem DC/DC-Umwandlersystem 26 und dem Wechselrichter. Obgleich nicht im Detail dargestellt, umfasst das elektronische Steuerungssystem 18 verschiedene Sensoren und Fahrzeugsteuerungsmodule, oder elektronische Steuerungseinheiten (ECUs), die BDC-Steuerung, das Wechselrichtersteuerungsmodul, sowie eine Fahrzeugsteuerung, und wenigstens einen Prozessor und/oder einen Speicher, welcher darin (oder in einem anderen Computer-lesbaren Medium) gespeicherte Befehle zum Ausführen der unten beschriebenen Prozesse und Verfahren umfast.
  • 48 stellen ein Leistungselektronik-Energiemodul 80 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar. In einer Ausführungsform wird das Ener giemodul 80 in dem Wechselrichter 28 verwendet. Jedoch wird darauf hingewiesen, dass das Energiemodul 80 auch oder alternativ in dem BDC 32 verwendet werden kann, wie es dem Fachmann bekannt ist.
  • Das Energiemodul 80 umfasst eine AC-Busschiene 82, eine DC-Busschiene 84, und eine negative Busschiene 86. Die AC-Busschiene 82 ist im Wesentlichen ein plattenförmiges Glied, oder Substrat, mit einer oberen Oberfläche 88 und einer unteren Oberfläche 90. Die AC-Busschiene 82 ist aus einem elektrisch leitfähigen Material, wie zum Beispiel Kupfer, hergestellt und, obwohl nicht dargestellt, umfasst eine oder mehrere Fluidleitungen, welche sich da hindurch erstrecken, und die in Fluid-Verbindung mit dem Kühler 30 sind. Die AC-Busschiene 82 umfasst außerdem drei AC-Anschlüsse 82, welche mit einem Ende des elektrischen Antriebsmotors daran befestigt sind.
  • Mit Bezug zu 4 und 5 sind auf der oberen Oberfläche 88 der AC-Busschiene 82 ein Gate-Steuerungsglied 94 und verschiedene elektronische Komponenten, einschließlich Transistorbauteil 96 und Diodenbauteil 98.
  • Mit Bezug zu 6 und 7 ist in einer Ausführungsform das Gate-Steuerungsglied 94 aus einem Isolations-Metallsubstrat (IMS) gebildet, wie allgemein bekannt, und umfasst eine Basisschicht 100, eine dielektrische Schicht 102, und einen Gate-Steuerleiter (oder Leitung) 104. Die Basisschicht 100 kann aus Kupfer oder Aluminium hergestellt sein und eine Dicke von beispielsweise etwa 1,0 mm (Millimeter) aufweisen. Die dielektrische Schicht 102 kann auf der Basisschicht 100 angeordnet sein und beispielsweise aus einem Epoxidharz-basierten Material hergestellt sein und eine Dicke von etwa 100 μm (Mikrometer) aufweisen. Der Gate-Steuerleiter 104 kann ebenso aus beispielsweise Kupfer mit einer Dicke von etwa 100 μm hergestellt sein. In der dargestellten Ausführungsform umfasst das Gate-Steuerglied außerdem einen Gate-Steuerleiter-Widerstand 106 (beispielsweise hergestellt aus Wolfram), welcher getrennte Abschnitte des Gate-Steuerleiters 104 verbindet.
  • In dem dargestellten Beispiel ist das Gate-Steuerglied 94 im Wesentlichen in der Form des Buchstabens „E” mit Kontaktabschnitten 108, welche wenigstens teilweise in die obere Oberfläche 88 der AC-Busschiene 82 eingebettet sind. Insbesondere sind die Kontaktabschnitte 108 passgenau in die in der oberen Oberfläche 88 der AC-Busschiene 82, wie in 8 dargestellt, gebildeten Ausnehmungen 110 passgenau eingefügt.
  • Weiterhin mit Bezug zu 8 weisen die Ausnehmungen 110 gegenüberliegende innere Oberflächen 112 und 114 auf, welche eine alternierende Reihe von darauf befindlichen erhobenen und zurückgesetzten Ausbildungen (zum Beispiel Kerben oder Zähne) aufweisen. In einer Ausführungsform weisen die Ausnehmungen 110 eine Breite auf, welche im Wesentlichen die gleiche ist wie eine Breite der Kontaktabschnitte 108 des Gate-Steuerglieds 94, so dass die Kontaktabschnitte 108 in die Ausnehmungen 110 eingetrieben sind („swedged”), wie es gemeinhin verstanden wird. In anderen Ausführungsformen können die Kontaktabschnitte 108 in die Ausnehmungen 110 gelötet oder sonstwie verbunden sein.
  • In der dargestellten Ausführungsform können die Ausnehmungen 110 außerdem eine Tiefe aufweisen, welche im Wesentlichen die gleiche ist wie die Gesamtdicke des Gate- Steuerglieds 94, so dass der Gate-Steuerleiter 104 in die Ausnehmungen 110 gepresst werden kann, bis er im Wesentlichen bündig mit den Abschnitten der oberen Oberfläche 88 der AC-Busschiene 82 ist, welche den Ausnehmungen 110 gegenüberliegen.
  • In der gezeigten Ausführungsform umfassen die elektronischen Komponenten drei Transistorbauteile 96 und drei Diodenbauteile 98. Die Transistorbauteile 96 weisen erste und zweite gegenüberliegende Oberflächen (oder Seiten) 118 und 120 auf und sind an der AC-Busschiene 82 mit den ersten Oberflächen 118 in der Weise befestigt, dass sie auf die obere Oberfläche der AC-Busschiene 82 „gerichtet” gegenüberliegend sind. Das heißt, dass die erste Oberfläche 118 jedes Transistorbauteils 96 zwischen der zweiten Oberfläche 120 davon und der oberen Oberfläche 88 der AC-Busschiene 82 angeordnet ist.
  • Jedes der Transistorbauteile 96 umfasst einen darauf (oder darin) gebildeten integrierten Schaltkreis, welcher einen oder mehrere Transistoren (oder Schaltvorrichtungen) umfasst, von denen jeder eine Basis (oder Gate), einen Kollektor (oder Senke), und einen Emitter (oder Quelle) umfasst, wie allgemein bekannt ist. Der Kollektor der Transistoren ist elektrisch mit der zweiten Seite 120 jedes entsprechenden Transistorbauteils 96 verbunden, während der Emitter und die Basis jedes Bauteils elektrisch mit der ersten Seite 118 jedes entsprechenden Transistorbauteils 96 verbunden ist, wobei die Basis mit einem Eckbereich 122 der ersten Seite 118 verbunden ist, wie in 6 für die obere Schaltungsvorrichtung dargestellt ist. In einer ähnlichen Weise umfasst jedes der Diodenbauteils 98 einen darauf gebildeten integrierten Schaltkreis, und um fasst eine oder mehrere Dioden, welche elektrisch mit der AC-Busschiene 82 verbunden sind. Als solche werden das Transistorbauteil 96 und das Diodenbauteil 98, welche an der oberen Oberfläche 88 der AC-Busschiene 82 befestigt sind, in der Weise verstanden, dass sie eine der oberen Schaltungsvorrichtung-/Diode-Kombinationen 64, 66 oder 68 bilden, wie in 3 dargestellt ist.
  • Wiederum mit Bezug auf 6 sind die Transistorbauteile 96 in der Weise an der oberen Oberfläche 88 der AC-Busschiene 82 befestigt (zum Beispiel mittels Löten), so dass sie wenigstens teilweise die Gate-Steuerleiter 104 überlappen. Insbesondere überlappen die Eckbereiche 122 der ersten Seite 118 der Transistorbauteile 96 und sind elektrisch mit den Abschnitten der Gate-Steuerleitung 104 innerhalb der Ausnehmungen 110 verbunden.
  • Wiederum mit Bezug auf 4 ist die DC-Busschiene 84 in der dargestellten Ausführungsform im Wesentlichen ein plattenförmiges Glied, welches mit den zweiten Oberflächen 120 der Transistorbauteile als auch mit den Diodenbauteilen 98 verbunden ist. Die DC-Busschiene 84 ist aus einem elektrisch leitfähigen Material, wie zum Beispiel Kupfer, hergestellt.
  • Die negative Busschiene 86 ist ebenso im Wesentlichen ein plattenförmiges Glied. In einer Ausführungsform ist die negative Busschiene 86 aus einem IMS hergestellt, ähnlich dem Gate-Steuerglied 94, mit einem ähnlichen darauf gebildeten Gate-Steuerleiter 124, als auch mit freigelegten Bereichen 126 der entsprechenden Basisschicht.
  • Ähnlich der oberen Oberfläche 88 der AC-Busschiene 82 sind drei Transistorbauteile 128 und drei Diodenbauteile 130 (entsprechend Bauteilen 96 und 98) an der negativen Busschiene 86 befestigt, und zwar an freigelegten Bereichen 126. Obwohl nicht spezifisch dargestellt, sind die ersten Seiten der Transistorbauteile 128 gegenüberliegend von (oder elektrisch verbunden mit) der negativen Busschiene 86, wobei Eckbereiche in Kontakt mit dem Gate-Steuerleiter 124 sind, und wobei die zweiten Seiten elektrisch mit den unteren Oberflächen 90 der AC-Busschiene 82 verbunden sind.
  • So betrachtet können die Transistorbauteile 128 und die Diodenbauteile 130, welche an der negativen Busschiene 86 befestigt sind, in der Weise verstanden werden, dass sie in verbindender Weise eine der in 3 dargestellten unteren Schaltungsvorrichtung-/Dioden-Kombinationen 70, 72 oder 74 bilden.
  • Daher kann das Energiemodul 80 im Wesentlichen einen der Schaltungszweige des Wechselrichters 28 entsprechend einer Phase des Betriebs des Elektromotors 20 (3) bilden. Obwohl nicht dargestellt, sind die Gate-Steuerleiter 104 und 124 elektrisch mit dem Wechselrichtersteuermodul in dem elektronischen Steuersystem 18 verbunden, während die DC-Busschiene 84 und die negative Busschiene 86 elektrisch mit der Spannungsquelle 62 (zum Beispiel die Batterie 22 und/oder das FCPM 24) verbunden und die AC-Anschlüsse 92 sind elektrisch mit dem Elektromotor 20 verbunden.
  • Mit Bezug zu 1 wird das Automobil 10 während des Betriebs durch Bereitstellen von Energie für die Räder 16 betrieben, wobei der Elektromotor 20 Energie von der Batterie 22 und dem FCPM 24 in einer alternierenden Weise verwendet und/oder wobei die Batterie 28 und der Elektromotor 20 in bekannter Weise gleichzeitig den Wechselrichter 28 und/oder den BDC 26 verwenden.
  • Ein Vorteil des oben beschriebenen Energiemoduls ist, dass die verschiedenen elektrischen Verbindungen zu und von den elektronischen Komponenten ohne Verwendung von Drahtverbindungen oder einzelnen Drähten hergestellt werden können. Im Ergebnis ist die Signalqualität, insbesondere der zum Betreiben der Schaltvorrichtungen verwendeten Gate-Steuersignale verbessert, ebenso wie die Haltbarkeit, während Herstellungszeit und -kosten reduziert sind.
  • Während in der vorangegangenen detaillierten Beschreibung wenigstens eine beispielhafte Ausführungsform dargestellt worden ist, wird darauf hingewiesen, dass eine große Anzahl von Variationen existiert. Es wird außerdem darauf hingewiesen, dass die beispielhafte Ausführungsform oder beispielhaften Ausführungsformen lediglich Beispiele sind, und nicht dazu gedacht sind, den Umfang, die Anwendbarkeit oder Konfiguration der Erfindung in irgendeiner Weise zu begrenzen. Vielmehr stellt die vorangegangene detaillierte Beschreibung dem Fachmann eine nützliche Hilfe für die Ausführung der beispielhaften Ausführungsform oder beispielhaften Ausführungsformen bereit. Es wird darauf hingewiesen, dass verschiedene Änderungen hinsichtlich Funktion und Anordnung der Elemente gemacht werden können, ohne den Umfang der Erfindung und ihrer rechtlichen Äquivalente davon zu verlassen.
  • Weitere Ausführungsformen
    • 1. Leistungselektronik-Energiemodul, umfassend: Ein elektrisch leitfähiges Substrat; ein elektronisches Bauteil mit ersten und zweiten gegenüberliegenden Oberflächen und wenigstens einem darauf gebildeten Transistor, wobei das elektronische Bauteil an dem elektrisch leitfähigen Substrat befestigt ist und der wenigstens eine Transistor derart eingerichtet ist, so dass, wenn der wenigstens eine Transistor aktiviert ist, Strom von der ersten Oberfläche des elektronischen Bauteils in das elektrisch leitfähige Substrat fliegt; und ein wenigstens teilweise in das elektrisch leitfähige Substrat eingebettete Steuerglied, wobei das Steuerglied einen darauf gebildeten Steuerkondensator aufweist und elektrisch mit dem wenigstens einen Transistor verbunden ist, so dass, wenn für den Steuerkondensator ein Steuersignal bereitgestellt ist, der wenigstens eine Transistor aktiviert ist.
    • 2. Leistungselektronik-Energiemodul der Ausführungsform 1, wobei die erste Oberfläche des elektronischen Bauteils zwischen dem elektrisch leitfähigen Substrat und der zweiten Oberfläche des elektronischen Bauteils angeordnet ist.
    • 3. Leistungselektronik-Energiemodul der Ausführungsform 2, wobei der wenigstens eine Transistor einen Kollektor, eine Basis und einen Emitter umfasst, wobei die Basis des wenigstens einen Transistors elektrisch mit dem Steuerkondensator verbunden ist, und wobei der Emitter des wenigstens einen Transistors elektrisch mit der ersten Oberfläche des elektronischen Bauteils verbunden ist.
    • 4. Leistungselektronik-Energiemodul der Ausführungsform 3, wobei der Steuerkondensator zwischen dem elektronischen Bauteil und dem elektrisch leitfähigen Substrat angeordnet ist.
    • 5. Leistungselektronik-Energiemodul der Ausführungsform 4, wobei das elektrisch leitfähige Substrat eine Ausnehmung umfasst und das Steuerglied passgenau in der Ausnehmung angeordnet ist.
    • 6. Leistungselektronik-Energiemodul der Ausführungsform 5, wobei das Steuerglied weiterhin einen zwischen dem elektrisch isolierenden Substrat und dem Steuerleiter angeordneten Isolierabschnitt umfasst.
    • 7. Leistungselektronik-Energiemodul der Ausführungsform 6, wobei die Basis des wenigstens einen Transistors elektrisch mit der ersten Oberfläche des elektronischen Bauteils verbunden ist.
    • 8. Leistungselektronik-Energiemodul der Ausführungsform 7, wobei das elektronische Bauteil derart an dem elektrisch leitfähigen Substrat befestigt ist, dass wenigstens ein Abschnitt der ersten Oberfläche des elektronischen Bauteils der Ausnehmung gegenüberliegt.
    • 9. Leistungselektronik-Energiemodul der Ausführungsform 8, wobei die Ausnehmung erste und zweite gegenüberliegende innere Oberflächen umfasst, wobei jede der ersten und zweiten Oberflächen eine abwechselnde Reihe von darauf erhabenen und zurückgesetzten Formationen umfasst.
    • 10. Leistungselektronik-Energiemodul der Ausführungsform 9, wobei das Steuerglied in die Ausnehmung eingetrieben (swedged) und/oder gelötet und/oder befestigt ist, so dass der Steuerleiter im Wesentlichen bündig mit einer Oberfläche des elektrisch leitfähigen Substrats ist.
    • 11. Fahrzeug-Leistungselektronik-Energiemodul, umfassend: Ein elektrisch leitfähiges Substrat; eine Mehrzahl von elektronischen Bauteilen mit ersten und zweiten gegenüberliegenden Oberflächen und wenigstens einem darauf gebildeten Transistor, wobei jedes von der Mehrzahl von elektronischen Bauteil derart auf dem elektrisch leitfähigen Substrat befestigt ist, so dass die erste Oberfläche davon im Wesentlichen dem elektrisch leitfähigen Substrat gegenüberliegend ist und derart eingerichtet ist, dass, wenn der wenigstens eine Transistor aktiviert ist, Strom von der ersten Oberfläche des elektronischen Bauteils in das elektrisch leitfähige Substrat fließt; und wenigstens ein Steuerglied, welches wenigstens teilweise in das elektrisch leitfähige Substrat eingebettet ist, wobei das wenigstens eine Steuerglied einen Isolierabschnitt und einen auf dem Isolierabschnitt gebildeten Steuerleiter umfasst, wobei der Steuerleiter elektrisch mit dem wenigstens einen Transistor von jedem der Mehrzahl von elektrischen Bauteilen verbunden ist, so dass, wenn ein Steuersignal für den Steuerleiter bereitgestellt ist, der wenigstens eine Transistor aktiviert ist.
    • 12. Fahrzeug-Leistungselektronik-Energiemodul der Ausführungsform 11, wobei der wenigstens eine Transistor jedes von der Mehrzahl von elektronischen Bauteilen eine Basis, einen Kollektor und einen Emitter umfasst, wobei die Basis und der Emitter elektrisch mit der ersten Oberfläche des entsprechenden elektronischen Bauteils verbunden ist.
    • 13. Fahrzeug-Leistungselektronik-Energiemodul der Ausführungsform 12, wobei wenigstens ein Abschnitt des Steuerleiters zwischen der ersten Oberfläche jedes von der Mehrzahl von elektronischen Bauteilen und dem elektrisch leitfähigen Substrat angeordnet ist.
    • 14. Leistungselektronik-Energiemodul der Ausführungsform 13, wobei das elektrisch leitfähige Substrat eine Wärmesenke ist.
    • 15. Leistungselektronik-Energiemodul der Ausführungsform 14, wobei das elektrisch leitfähige Substrat eine Mehrzahl von darin gebildeten Ausnehmungen umfasst, wobei jede der Mehrzahl von Ausnehmungen einem entsprechenden elektronischen Bauteil gegenüberliegt, und wobei ein Abschnitt des wenigstens einen Steuerglieds passgenau in jeder der Mehrzahl von Ausnehmungen angeordnet ist.
    • 16. Verfahren zum Herstellen eines Fahrzeug-Leistungselektronik-Energiemoduls, wobei das Verfahren umfasst: Bereitstellen eines elektrisch leitfähigen Substrats mit einer Mehrzahl von Ausnehmungen, welche auf einer Oberfläche davon gebildet sind; Anbringen wenigstens eines Abschnitts von wenigstens einem Steuerglied in der Mehrzahl von Ausnehmungen, wobei das wenigstens eine Steuerglied einen Isolierabschnitt und einen auf dem Isolierabschnitt gebildeten Steuerleiter umfasst; und Befestigen einer Mehrzahl von elektronischen Bauteilen an der Oberfläche des elektrisch leitfähigen Substrats, wobei jedes der elektronischen Bauteile eine erste und zweite gegenüberliegende Oberfläche und wenigstens einen darauf gebildeten Transistor aufweist, wobei jedes von der Mehrzahl von elektronischen Bauteilen derart angeordnet ist, dass die erste Oberfläche davon im Wesentlichen dem elektrisch leitfähigen Substrat gegenüberliegend und über dem Steuerleiter ist.
    • 17. Verfahren der Ausführungsform 16, wobei der wenigstens eine Transistor einen Kollektor, eine Basis und einen Emitter umfasst, wobei die Basis des wenigstens einen Transistors elektrisch mit dem Steuerleiter verbunden ist, und wobei der Emitter des wenigstens einen Transistors elektrisch mit der ersten Oberfläche des elektronischen Bauteils verbunden ist.
    • 18. Verfahren der Ausführungsform 17, wobei jede der Mehrzahl von Ausnehmungen erste und zweite gegenüberliegende Oberflächen umfasst, wobei jede der ersten und zweiten Oberflächen eine alternierende Reihe von erhobenen und zurückgesetzten Formationen darauf umfasst.
    • 19. Verfahren der Ausführungsform 18, wobei ein Abschnitt des wenigstens einen Steuerglieds in jede der Ausnehmungen eingetrieben (swedged) ist.
    • 20. Verfahren der Ausführungsform 19, wobei das wenigstens eine Steuerglied ein isoliertes Metallsubstrat umfasst.

Claims (10)

  1. Leistungselektronik-Energiemodul, umfassend: Ein elektrisch leitfähiges Substrat; ein elektronisches Bauteil mit ersten und zweiten gegenüberliegenden Oberflächen und wenigstens einem darauf gebildeten Transistor, wobei das elektronische Bauteil an dem elektrisch leitfähigen Substrat befestigt ist und der wenigstens eine Transistor derart eingerichtet ist, so dass, wenn der wenigstens eine Transistor aktiviert ist, Strom von der ersten Oberfläche des elektronischen Bauteils in das elektrisch leitfähige Substrat fließt; und ein wenigstens teilweise in das elektrisch leitfähige Substrat eingebettete Steuerglied, wobei das Steuerglied einen darauf gebildeten Steuerkondensator aufweist und elektrisch mit dem wenigstens einen Transistor verbunden ist, so dass, wenn für den Steuerkondensator ein Steuersignal bereitgestellt ist, der wenigstens eine Transistor aktiviert ist.
  2. Leistungselektronik-Energiemodul nach Anspruch 1, wobei die erste Oberfläche des elektronischen Bauteils zwischen dem elektrisch leitfähigen Substrat und der zweiten Oberfläche des elektronischen Bauteils angeordnet ist.
  3. Leistungselektronik-Energiemodul nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der wenigstens eine Transistor einen Kollektor, eine Basis und einen Emitter umfasst, wobei die Basis des wenigstens einen Transistors elektrisch mit dem Steuerkondensator verbunden ist, und wobei der Emitter des wenigstens einen Tran sistors elektrisch mit der ersten Oberfläche des elektronischen Bauteils verbunden ist.
  4. Leistungselektronik-Energiemodul nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der Steuerkondensator zwischen dem elektronischen Bauteil und dem elektrisch leitfähigen Substrat angeordnet ist.
  5. Fahrzeug-Leistungselektronik-Energiemodul, umfassend: Ein elektrisch leitfähiges Substrat; eine Mehrzahl von elektronischen Bauteilen mit ersten und zweiten gegenüberliegenden Oberflächen und wenigstens einem darauf gebildeten Transistor, wobei jedes von der Mehrzahl von elektronischen Bauteil derart auf dem elektrisch leitfähigen Substrat befestigt ist, so dass die erste Oberfläche davon im Wesentlichen dem elektrisch leitfähigen Substrat gegenüberliegend ist und derart eingerichtet ist, dass, wenn der wenigstens eine Transistor aktiviert ist, Strom von der ersten Oberfläche des elektronischen Bauteils in das elektrisch leitfähige Substrat fließt; und wenigstens ein Steuerglied, welches wenigstens teilweise in das elektrisch leitfähige Substrat eingebettet ist, wobei das wenigstens eine Steuerglied einen Isolierabschnitt und einen auf dem Isolierabschnitt gebildeten Steuerleiter umfasst, wobei der Steuerleiter elektrisch mit dem wenigstens einen Transistor von jedem der Mehrzahl von elektrischen Bauteilen verbunden ist, so dass, wenn ein Steuersignal für den Steuerleiter bereitgestellt ist, der wenigstens eine Transistor aktiviert ist.
  6. Fahrzeug-Leistungselektronik-Energiemodul nach Anspruch 5, wobei der wenigstens eine Transistor jedes von der Mehrzahl von elektronischen Bauteilen eine Basis, einen Kollektor und einen Emitter umfasst, wobei die Basis und der Emitter elektrisch mit der ersten Oberfläche des entsprechenden elektronischen Bauteils verbunden ist.
  7. Fahrzeug-Leistungselektronik-Energiemodul nach Anspruch 5 oder 6, wobei wenigstens ein Abschnitt des Steuerleiters zwischen der ersten Oberfläche jedes von der Mehrzahl von elektronischen Bauteilen und dem elektrisch leitfähigen Substrat angeordnet ist.
  8. Verfahren zum Herstellen eines Fahrzeug-Leistungselektronik-Energiemoduls, wobei das Verfahren umfasst: Bereitstellen eines elektrisch leitfähigen Substrats mit einer Mehrzahl von Ausnehmungen, welche auf einer Oberfläche davon gebildet sind; Anbringen wenigstens eines Abschnitts von wenigstens einem Steuerglied in der Mehrzahl von Ausnehmungen, wobei das wenigstens eine Steuerglied einen Isolierabschnitt und einen auf dem Isolierabschnitt gebildeten Steuerleiter umfasst; und Befestigen einer Mehrzahl von elektronischen Bauteilen an der Oberfläche des elektrisch leitfähigen Substrats, wobei jedes der elektronischen Bauteile eine erste und zweite gegenüberliegende Oberfläche und wenigstens einen darauf gebildeten Transistor aufweist, wobei jedes von der Mehrzahl von elektronischen Bauteilen derart angeordnet ist, dass die erste Oberfläche davon im We sentlichen dem elektrisch leitfähigen Substrat gegenüberliegend und über dem Steuerleiter ist.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei der wenigstens eine Transistor einen Kollektor, eine Basis und einen Emitter umfasst, wobei die Basis des wenigstens einen Transistors elektrisch mit dem Steuerleiter verbunden ist, und wobei der Emitter des wenigstens einen Transistors elektrisch mit der ersten Oberfläche des elektronischen Bauteils verbunden ist.
  10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei jede der Mehrzahl von Ausnehmungen erste und zweite gegenüberliegende Oberflächen umfasst, wobei jede der ersten und zweiten Oberflächen eine alternierende Reihe von erhobenen und zurückgesetzten Formationen darauf umfasst.
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