DE102011053917A1

DE102011053917A1 - Inverter for electric auxiliary or external power steering

Info

Publication number: DE102011053917A1
Application number: DE201110053917
Authority: DE
Inventors: Thomas Pötzl
Original assignee: ZF Lenksysteme GmbH
Current assignee: Robert Bosch Automotive Steering GmbH
Priority date: 2011-09-26
Filing date: 2011-09-26
Publication date: 2013-03-28
Also published as: WO2013045321A2; WO2013045321A3

Abstract

Wechselrichter für den Betrieb von elektrischen Maschinen, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei elektronische Schalter (10, 11, 12) des Wechselrichters einteilig auf einem gemeinsamen Halbleiterchip (13) angeordnet sind und der Chip auf einem Substratträger (14) positioniert ist.Inverter for the operation of electrical machines, characterized in that at least two electronic switches (10, 11, 12) of the inverter are arranged integrally on a common semiconductor chip (13) and the chip is positioned on a substrate carrier (14).

Description

Die Erfindung betrifft einen elektronischen Wechselrichter für den Betrieb einer elektrischen Maschine in einer Hilfs- oder Fremdkraftlenkung für ein Kraftfahrzeug. The invention relates to an electronic inverter for the operation of an electric machine in an auxiliary or external power steering system for a motor vehicle.

Hintergrund der Erfindung Background of the invention

In elektrischen Servolenkungen werden unter anderem permanent erregte Maschinen verwendet, die ein unterstützendes Lenkmoment generieren. In electric power steering systems, among other things, permanently excited machines are used which generate an assisting steering torque.

Im Falle einer Fehlfunktion im Wechselrichter erzeugen diese Art Motoren (Synchron-Motoren) ein störendes Bremsmoment. Zur Unterbindung des Bremsmoments werden in der Regel elektromechanische Schalter (Relais) oder neuerdings elektronische Schalter in den Zuleitungen zur elektrischen Maschine eingebracht, um eine Phasenauftrennung zu bewirken. In the event of a malfunction in the inverter, these types of motors (synchronous motors) generate a disturbing braking torque. To prevent the braking torque usually electromechanical switch (relay) or more recently electronic switches are introduced in the leads to the electric machine to cause a phase separation.

Gemäß der Erfindung ist ein Wechselrichter für den Betrieb von elektrischen Maschinen vorgesehen, bei dem wenigstens zwei elektronische Schalter des Wechselrichters einteilig auf einem gemeinsamen Halbleiterchip angeordnet sind und der Chip auf einem Substratträger positioniert ist. According to the invention, an inverter for the operation of electrical machines is provided in which at least two electronic switches of the inverter are arranged integrally on a common semiconductor chip and the chip is positioned on a substrate carrier.

Insbesondere sieht die Erfindung vor, dass ein elektronischer Schalter zur Phasentrennung der elektrischen Maschine und ein elektronischer Schalter des Brückenzweiges auf einem gemeinsamen Halbleiterchip angeordnet sind. In particular, the invention provides that an electronic switch for phase separation of the electrical machine and an electronic switch of the bridge branch are arranged on a common semiconductor chip.

Des Weiteren ist es vorgesehen, dass der elektronische Schalter zur Phasentrennung und das Low-Side-Schaltelement des Brückzweigs einteilig auf dem Halbleiterchip angeordnet ist. Furthermore, it is provided that the electronic switch for phase separation and the low-side switching element of the bridge branch is arranged integrally on the semiconductor chip.

Alternativ hierzu ist es vorgesehen, dass der elektronische Schalter zur Phasentrennung und das High-Side-Schaltelement des Brückzweigs einteilig auf dem Halbleiterchip angeordnet sind und Drain und Source je Halbleiter in ihrer Anordnung vertauscht sind. Alternatively, it is provided that the electronic switch for phase separation and the high-side switching element of the bridge branch are arranged integrally on the semiconductor chip and drain and source per semiconductor are interchanged in their arrangement.

Dabei sind die Schaltelemente als MOSFET ausgeführt sind, wobei der Drain-Anschluss auf der Oberseite des Halbleiterchip und der Source-Anschluss auf der Rückseite des Halbleiterchips angeordnet ist. In this case, the switching elements are designed as a MOSFET, wherein the drain terminal is arranged on the upper side of the semiconductor chip and the source terminal on the back side of the semiconductor chip.

Die MOSFETs des Wechselrichters können auch derart ausgebildet sein, dass der Source-Anschluss auf der Oberseite des Halbleiterchips und der Drain-Anschluss auf der Rückseite des Halbleiterchips angeordnet ist. The MOSFETs of the inverter may also be configured such that the source terminal is arranged on the upper side of the semiconductor chip and the drain terminal on the rear side of the semiconductor chip.

Demnach sieht die Erfindung in einer weiteren Ausprägung vor, daß die High-Side, – Low-Side- und Phasentrenner-Schalter auf einem gemeinsamen Halbleiterchip integriert sind, wobei der Drain und Source des Halbleiterchips in ihrer Anordnung vertauscht sind Accordingly, the invention provides in a further embodiment that the high-side, - low-side and phase separator switches are integrated on a common semiconductor chip, wherein the drain and source of the semiconductor chip are interchanged in their arrangement

Die Erfindung betrifft auch ein Steuergerät oder eine kombinierte Motor/-Steuergeräteeinheit mit einem zuvor beschriebenen Wechselrichter. The invention also relates to a control unit or a combined motor / control unit with a previously described inverter.

Die Erfindung betrifft auch eine elektrische Hilfs- oder Fremdkraftlenkung für ein Kraftfahrzeug, ausgestattet mit einem zuvor beschriebenen Steuergerät oder einer kombinierten Motor/-Steuergeräte-Einheit. The invention also relates to an electric auxiliary or external power steering system for a motor vehicle, equipped with a previously described control unit or a combined engine / control unit.

Figurenbeschreibung figure description

1 zeigt einen Wechselrichterzweig mit einem Phasentrenner nach dem Stand der Technik 1 shows an inverter branch with a phase separator according to the prior art

2 zeigt einen prinzipiellen Aufbau eines Halbleiter-Schalters. 2a zeigt das Schaltzeichen, 2b den prinzipiellen Aufbau des Halbleiter-Chips. 2 shows a basic structure of a semiconductor switch. 2a shows the switching symbol, 2 B the basic structure of the semiconductor chip.

3 zeigt ein Substrat Layout nach Stand der Technik mit einzelnen Halbleiterschaltern. 3 shows a prior art substrate layout with individual semiconductor switches.

4 zeigt ein Substrat-Layout gemäß der Erfindung. 4 shows a substrate layout according to the invention.

Identische oder äquivalente Baugruppen sind in allen Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen: Identical or equivalent assemblies are given the same reference numerals in all figures:

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

Anschlüsse:

G: Gate,
D: Drain,
S: Source
MOT: Phasen-Verbindungsleitung zu einer Last (E-Motor)
0 V: Masse,
U: positiver Pol der Versorgungsspannung (Batterie)

Connections:

G: gate,
D: drain,
S: source
MOT: Phase connection line to a load (electric motor)
0V: Dimensions,
U: positive pole of the supply voltage (battery)

1 zeigt einen Wechselrichterzweig mit einem Phasentrenner nach dem Stand der Technik. Dargestellt ist ein Zweig einer Phase, beinhaltend ein High-Side Schaltelement 10, der mit der positiven Versorgungsspannung verbunden ist und ein Low-Side Schaltelement 11, welches mit der Masse verbunden ist. Im Phasenabgang MOT, der mit einer Phase des Elektromotors verbunden ist, befindet sich ein elektronischer Phasentrenner 12, der, entsprechend angesteuert, zur Auftrennung einer Phase eingesetzt wird. 1 shows an inverter branch with a phase separator according to the prior art. Shown is a branch of a phase, including a high-side switching element 10 , which is connected to the positive supply voltage and a low-side switching element 11 , which is connected to the mass. In the phase output MOT, which is connected to a phase of the electric motor, there is an electronic phase separator 12 , which, appropriately controlled, is used to separate a phase.

2a zeigt das Schaltzeichen des Schalters und in 2b ist der prinzipielle Aufbau des entsprechenden Halbleiter-Chips am Beispiel eines MOSFET dargestellt. Die Anschlüsse Gate G und Source (S) sind auch der Oberseite angeordnet, der Anschluss D Drain befindet sich auf der Unterseite (d. h. auf der Rückseite) des Chips und ist nicht explizit dargestellt. 2a shows the switching symbol of the switch and in 2 B shows the basic structure of the corresponding semiconductor chip using the example of a MOSFET. The terminals gate G and source (S) are also arranged on the top, the terminal D drain is located on the bottom (ie on the back) of the chip and is not explicitly shown.

3 zeigt die typische Anordnung eines Brückenzweigs mit Phasentrenner auf einem Subtstrat 14. Dargestellt ist der High-Side Schalter 10, Low-Side Schalter 11 und der Phasentrenner. Des Weiteren befinden sich auf dem Substrat die Verbindungsleitungen 20 zur Masse und zur Versorgungsspannung U. Mittels Bondwires 21 werden die einzelnen Halbeiterchips zu den Verbindungsleitungen auf dem Substrat kontaktiert. 3 shows the typical arrangement of a bridge branch with phase separator on a substrate 14 , Shown is the high-side switch 10 , Low-side switch 11 and the phase separator. Furthermore, the connection lines are located on the substrate 20 to earth and supply voltage U. By means of bondwires 21 The individual semiconductor chips are contacted to the connection lines on the substrate.

4 zeigt eine Anordnung gemäß der Erfindung. 4 shows an arrangement according to the invention.

Der Low-Side Halbleiterschalter 11 und der Phasentrenner 12 sind gemeinsam auf einem Chip 13 als einteiliges Bauteil angeordnet und auf dem Substrat 14 positioniert. The low-side semiconductor switch 11 and the phase separator 12 are together on a chip 13 arranged as a one-piece component and on the substrate 14 positioned.

Im diesem Ausfühungsbeispiel befindet sich der Drain-Anschluss (D) auf der Oberseite des Halbleiterchips (13) und der Source-Anschluss (S) auf der Rückseite des Halbleiterchips. Die Erfindung ermöglicht auch eine komplementäre Anordnung, hierbei befindet sich der Source-Anschluss auf der Oberseite des Halbleiterchips (13) und der Drain-Anschluss auf der Rückseite des Halbleiterchips. In this exemplary embodiment, the drain terminal (D) is located on the top side of the semiconductor chip (FIG. 13 ) and the source terminal (S) on the back side of the semiconductor chip. The invention also makes possible a complementary arrangement, in which case the source terminal is located on the top side of the semiconductor chip (FIG. 13 ) and the drain terminal on the back side of the semiconductor chip.

Diese Variante ist nicht explizit dargestellt. Der Steueranschluss (Gate) des MOSFETs befindet sich in beiden Fällen auf der Oberseite des Chips. This variant is not explicitly shown. The control terminal (gate) of the MOSFET is in both cases on top of the chip.

Die erfindungsgemäße Anordnung hat den Vorteil, dass weniger Halbleiterchips auf dem Trägermaterial (Substrat) positioniert werden müssen. Dies birgt einen erheblichen Kostenvorteil durch verkürzte Fertigungsprozesse in sich. Des Weiteren wird die benötigte Fläche auf dem Substrat deutlich reduziert, da der ansonsten erforderliche Handlingabstand zwischen zwei Chips entfällt. Dies ermöglicht einen weiteren Kostenvorteil durch ein kompakteres Design. Auch ermöglicht dies je nach Anwendung einen anderen Formfaktor des Substrats, wodurch sich weitere Kostenvorteile ergeben. Des Weiteren können Arbeitsschritte hinsichtlich der Vor- und Nachbearbeitung des Wafers eingespart werden, insbesondere bei und nach seiner Trennung mittels Sägen. The arrangement according to the invention has the advantage that fewer semiconductor chips have to be positioned on the carrier material (substrate). This entails a considerable cost advantage through shortened production processes. Furthermore, the required area on the substrate is significantly reduced, since the otherwise required handling distance between two chips is eliminated. This allows a further cost advantage through a more compact design. This also allows for a different form factor of the substrate, depending on the application, resulting in further cost advantages. Furthermore, work steps with regard to the pre- and post-processing of the wafer can be saved, in particular during and after its separation by means of sawing.

Claims

Inverter for the operation of electrical machines, characterized in that at least two electronic switches ( 10 . 11 . 12 ) of the inverter in one piece on a common semiconductor chip ( 13 ) are arranged and the chip on a substrate carrier ( 14 ) is positioned.

Inverter according to claim 1, characterized in that an electronic switch ( 12 ) for phase separation of a phase of the electrical machine and an electronic switch ( 10 . 11 ) of the bridge branch on a common semiconductor chip ( 13 ) are arranged.

Inverter according to claim 2, characterized in that the electronic switch ( 12 ) for phase separation and the low-side switching element ( 11 ) of the bridge branch in one piece on the semiconductor chip ( 13 ) are arranged.

Inverter according to claim 2, characterized in that the electronic switch ( 12 ) for phase separation and the high-side switching element ( 10 ) of the bridge branch in one piece on the semiconductor chip ( 13 ) are arranged and drain and source per semiconductor are interchanged in their arrangement.

Inverter according to Claim 1 or 2, characterized in that the high-side, low-side and phase separator switches are mounted on a common semiconductor chip ( 13 ) are integrated, wherein the drain (D) and source (S) of the semiconductor chip are interchanged in their arrangement

Inverter according to one of the preceding claims 1 to 5, characterized in that the switching elements are designed as a MOSFET, wherein the drain terminal (D) on the upper side of the semiconductor chip ( 13 ) and the source terminal (S) on the back side of the semiconductor chip ( 13 ) is arranged.

Inverter according to one of the preceding claims 1 to 5, characterized in that the switching elements are designed as a MOSFET, wherein the source terminal (S) on the upper side of the semiconductor chip ( 13 ) and the drain terminal (D) is arranged on the rear side of the semiconductor chip.

Control unit or combined motor / control unit, characterized in that it comprises an inverter according to one of the preceding claims 1 to 6.

Electric auxiliary or external power steering system for a motor vehicle, equipped with a control unit or a combined engine / control unit according to claim 8.