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Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein Energieumwandler, und insbesondere
eine Energieumwandler-Anordnung
mit eingebettetem Gate-Schaltkreis.
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Hintergrund der Erfindung
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Zusammenfassung der Erfindung
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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.
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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.
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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.
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Beschreibung der Zeichnungen
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Die
vorliegende Erfindung wird nun in Verbindung mit den folgenden Zeichnungsfiguren
beschrieben, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bedeuten,
und
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1 eine
schematische Ansicht eines beispielhaften Automobils gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist;
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2 eine
schematische Ansicht eines Gleichstrom-zu-Gleichstrom-(DC/DC)Energieumwandlersystems
im Automobil von 1 ist;
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3 eine
schematische Ansicht eines Gleichstrom-zu-Wechselstrom-(DC/AC)Energieumwandlersystems
in dem Automobil von 1 ist;
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4 eine
perspektivische Explosionsansicht eines Energiemoduls gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist;
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5 eine
perspektivische Ansicht einer AC-Busschiene
in dem Energiemodul von 4 ist; und
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6, 7 und 8 perspektivische
Ansichten von Abschnitten der AC-Busschiene aus 5 sind.
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Beschreibung einer beispielhaften
Ausführungsform
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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.
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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.
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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 1–8 lediglich
illustrativen Charakter haben und nicht im Maßstab abgebildet sind.
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1–8 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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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 40–46 und 64–74 aufgeteilt
sind, wie es gemeinhin bekannt ist.
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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.
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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.
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4–8 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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Weitere Ausführungsformen
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- 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.