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Die Erfindung betrifft ein Leistungshalbleitermodul und einen elektrischen Antrieb, insbesondere einen Antrieb für ein Elektrofahrzeug, mit einem Leistungshalbleitermodul.
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Leistungshalbleitermodule und elektrische Antriebe mit einem Elektromotor und einem vorgeschalteten Stromrichter, insbesondere Wechselrichter, sind an sich bekannt. Zur Regelung eines Stromrichters müssen zum Beispiel die Phasenströme an den Ausgängen des Leistungshalbleitermoduls gemessen werden.
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Zur Strommessung eines Phasenstroms an einem Ausgang eines Leistungshalbleitermoduls sind unterschiedliche Ansätze bekannt geworden. Demnach kann ein Maß für einen Phasenstrom zum Beispiel mittels eines induktiven Wandlers oder mittels eines sogenannten Hall-Sensors ermittelt werden. Eine andere, an sich bekannte Möglichkeit zur Strommessung besteht in der Verwendung eines Messwiderstands, der in der Fachterminologie üblicherweise als Shunt bezeichnet wird.
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Messwiderstände kommen auch zur Strommessung in einem Leistungshalbleitermodul in Betracht. Nachteilig ist dabei allerdings, dass solche Messwiderstände bisher extern, also außerhalb des Leistungshalbleitermoduls, oder innerhalb des Leistungshalbleitermoduls auf einer separaten Isolierschicht montiert werden. Beide Varianten bedeuten eine Vergrößerung der Raumform des Leistungshalbleitermoduls und/oder eine Vergrößerung des Flächenbedarfs des Leistungshalbleitermoduls.
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Dies ist nachteilig, denn wie bei anderen elektrischen oder elektronischen Bauteilen ist auch bei Leistungshalbleitermodulen eine Miniaturisierung wünschenswert. Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht entsprechend darin, eine Möglichkeit zur Strommessung in einem Leistungshalbleitermodul anzugeben, die nicht zu einer Vergrößerung des Leistungshalbleitermoduls führt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Leistungshalbleitermodul mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Dazu ist bei einem Leistungshalbleitermodul mit mehreren Leistungshalbleiterbauelementen und elektrischen Verbindungsbahnen zwischen den Leistungshalbleiterbauelementen sowie eingangsseitigen Anschlussleitungen und ausgangsseitigen Anschlussleitungen vorgesehen, dass zumindest eine der ausgangsseitigen Anschlussleitungen einen Messwiderstand und Messanschlüsse auf beiden Seiten des Messwiderstands aufweist.
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Der Vorteil der Erfindung besteht darin, dass der Messwiderstand in eine ausgangseitige Anschlussleitung oder mehrere Messwiderstände in jeweils eine ausgangsseitige Anschlussleitung integriert ist bzw. sind. Die Geometrie und/oder die Kontur der jeweiligen Anschlussleitung ändern bzw. ändert sich dadurch nicht. Damit ändert sich durch die Integration eines Messwiderstands in zumindest eine Anschlussleitung auch die Raumform oder der Platzbedarf des Leistungshalbleitermoduls nicht. Die Möglichkeit zur Strommessung im Betrieb kann damit vorteilhaft für ein ansonsten hinsichtlich seiner äußeren Gestaltung unverändertes Leistungshalbleitermodul angeboten werden.
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Die abhängigen Ansprüche sind auf Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gerichtet.
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Danach kommt zum Beispiel in Betracht, dass der oder jeder Messwiderstand thermisch an einen von dem Leistungshalbleitermodul umfassten Kühlkörper gekoppelt ist. Eine damit erreichte Entwärmung des als Messwiderstand fungierenden Abschnitts der Anschlussleitung verhindert einen Temperaturanstieg aufgrund des Stromflusses durch die Anschlussleitung und eine aufgrund der Materialeigenschaften damit einhergehende Änderung des spezifischen Widerstands. Indem auf diese Weise auch beim Betrieb des Leistungshalbleitermoduls von einem weitestgehend konstanten spezifischen Widerstand des als Messwiderstand fungierenden Abschnitts der Anschlussleitung ausgegangen werden kann, ist eine besonders verlässliche und eine zum Beispiel von der Betriebsdauer des Leistungshalbleitermoduls unabhängige Strommessung möglich.
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Zur Kontaktierung der Messanschlüsse kommt die Verwendung von Folienleitungen in Betracht. Folienleitungen lassen sich innerhalb des Leistungshalbleitermoduls besonders einfach führen.
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Wenn die Folienleitungen oder elektrische Leitungen, die an solche Folienleitungen anschließen, aus dem Leistungshalbleitermodul herausgeführt sind, lässt sich die Messung des stromproportionalen Spannungsabfalls über dem Messwiderstand außerhalb des Leistungshalbleitermoduls durchführen.
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Bei einer besonderen Ausführungsform sind die die Messanschlüsse kontaktierenden Folienleitungen in einem Folienleiterkabel mit mehreren in einer Ebene parallel geführten Folienleitungen zusammengefasst, wobei zwischen oder neben den die Messanschlüsse kontaktierenden Folienleitungen zumindest eine Folienleitung mit Massepotential angeordnet ist. Auf diese Weise lässt sich eine Verfälschung des Messwerts aufgrund eingekoppelter elektromagnetischer Störeinflüsse vermeiden oder die Wahrscheinlichkeit für solche Verfälschungen zumindest reduzieren. Bei einer alternativen Ausführungsform sind die Messanschlüsse mit flexiblen Einzelleitungen kontaktiert, wobei mehrere Einzelleitungen innerhalb des Leistungshalbleitermoduls verdrillt sind, so dass sich die so kombinierten Einzelleitungen innerhalb des Leistungshalbleitermoduls einfach führen lassen. Zusätzlich zu den die Messanschlüsse kontaktierenden Einzelleitungen können mit diesen auch eine Masseleitung oder mehrere Masseleitungen verdrillt werden, so dass sich ein Schutz gegen elektromagnetische Störeinflüsse ergibt.
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Eine andere Möglichkeit zur Vermeidung eines Einflusses elektromagnetischer Störungen auf das Ergebnis der Messung des stromproportionalen Spannungsabfalls über dem Messwiderstand besteht darin, dass das Leistungshalbleitermodul eine an die Messanschlüsse angeschlossene Signalaufbereitungsschaltung umfasst, welche ein an den Messanschlüssen aufgenommenes Messsignal in ein digitales Signal umwandelt, das an einem Messsignalausgang des Leistungshalbleitermoduls abgreifbar ist. Ein solches digitales Signal ist weitgehend unempfindlich gegen elektromagnetische Störeinflüsse. Zudem ist bei solchen digitalen Signalen in an sich bekannter Art und Weise eine Ergänzung der eigentlichen Nutzdaten um eine Prüfsumme oder dergleichen möglich, so dass eventuell vorkommende Verfälschungen der Nutzdaten erkennbar sind und sich damit gewährleisten lässt, dass nur unverfälschte Nutzdaten für eine weitere Verarbeitung verwendet werden.
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Als Leistungshalbleitermodul der oben genannten Art, gegebenenfalls mit einzelnen oder mehreren der hier und im Folgenden beschriebenen speziellen Ausführungsformen, kommt speziell auch ein Leistungshalbleitermodul in Form eines sogenannten IGBT-Moduls in Betracht. Dann umfasst das Leistungshalbleitermodul/IGBT-Modul als Leistungshalbleiterbauelemente sogenannte IGBTs.
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Die oben genannte Aufgabe wird auch mit einem elektrischen Antrieb mit zumindest einem Leistungshalbleitermodul wie hier und im Folgenden beschrieben gelöst, indem über dem von dem Leistungshalbleitermodul umfassten Messwiderstand ein Messwert für einen Strom abgreifbar ist und der Strommesswert einem Stromregler des von dem elektrischen Antrieb umfassten und dessen Elektromotor vorgeschalteten Stromrichters zuführbar ist. Die oben skizzierten Vorteile hinsichtlich des trotz der jetzt möglichen Strommessung räumlich unveränderten oder zumindest nicht vergrößerten Leistungshalbleitermoduls gelten damit auch für einen elektrischen Antrieb mit einem solchen Leistungshalbleitermodul. Die ohne zusätzlichen Platzbedarf jetzt mögliche Strommessung ist speziell zum Betrieb eines elektrischen Antriebs notwendig, damit auf Basis der Strommessung eine geeignete Stromregelung erfolgen kann. Ein solcher elektrischer Antrieb kommt zum Beispiel zum Einsatz bei Elektrofahrzeugen in Betracht.
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Einander entsprechende Gegenstände oder Elemente sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Es zeigen
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1 ein Leistungshalbleitermodul mit ein- und ausgangsseitigen Anschlussleitungen und
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2 eine vergrößerte Darstellung einer ausgangsseitigen Anschlussleitung mit einem davon umfassten und als Messwiderstand fungierenden Abschnitt mit einem speziellen Material.
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1 zeigt eine schematisch vereinfachte Darstellung eines Leistungshalbleitermoduls 10. Dieses umfasst mehrere Leistungshalbleiterbauelemente 12. Bei der exemplarisch dargestellten Ausführungsform umfasst das Leistungshalbleitermodul 10 sechs Leistungshalbleiterbauelemente 12. Als Leistungshalbleiterbauelemente 12 kommen sogenannte IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor) in Betracht. Dann handelt es sich bei dem Leistungshalbleitermodul 10 um ein IGBT-Modul.
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Im Inneren des Leistungshalbleitermoduls 10 sind Verbindungsbahnen zur elektrisch leitenden Verbindung der Leistungshalbleiterbauelemente 12 untereinander sowie zu ein- und ausgangsseitigen Anschlussleitungen 14, 16; 20, 22, 24 gezeigt. Bei der exemplarisch dargestellten Schaltung des Leistungshalbleitermoduls 10 handelt es sich um eine dreifache Halbbrücke zur Versorgung einer Drehstromlast, also zum Beispiel eines Drehstrommotors.
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Dem Leistungshalbleitermodul 10 wird dabei mittels der eingangsseitigen Anschlussleitungen 14, 16 ein Gleichstrom zugeführt. An den ausgangsseitigen Anschlussleitungen 20, 22, 24 ist ein Drehstrom abgreifbar. Diese Verhältnisse gelten sinngemäß entsprechend auch für andere interne Schaltungen des Leistungshalbleitermoduls 10.
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Die Darstellung der ein- und ausgangsseitigen Anschlussleitungen 14, 16; 20–24 mit einer im Vergleich zu den internen Verbindungsbahnen größeren Breite soll andeuten, dass es sich bei diesen Anschlussleitungen 14, 16; 20–24 üblicherweise um Kontaktschienen oder zumindest schienenförmige Anschlusselemente handelt.
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Bei einem Leistungshalbleitermodul 10, das zur Stromwandlung vorgesehen ist, wie das in 1 gezeigte Leistungshalbleitermodul 10, das zur Umwandlung eines Gleichstroms in einen Drehstrom vorgesehen ist, ist üblicherweise im Rahmen der Anwendungssituation, bei der das Leistungshalbleitermodul 10 zum Einsatz kommt, zum Beispiel bei einer Anwendung in einem Antrieb, eine Strommessung erforderlich. Zur Strommessung gibt es – wie eingangs geschildert – eine Vielzahl an sich bekannter Ansätze. Zu nennen sind induktive Wandler, sogenannte Hall-Sensoren sowie Shunts, also Messwiderstände.
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Auch das in 1 gezeigte Leistungshalbleitermodul 10 weist einen solchen Messwiderstand 26 auf. Die Besonderheit besteht darin, dass der Messwiderstand 26 direkt in eine der Anschlussleitungen 14, 16; 20–24 des Leistungshalbleitermoduls 10 eingebracht ist. Das in 1 exemplarisch dargestellte Leistungshalbleitermodul 10 zeichnet sich also dadurch aus, dass zumindest eine der ausgangsseitigen Anschlussleitungen 20–24 einen Messwiderstand 26, nämlich einen als Messwiderstand 26 vorgesehenen Abschnitt, aufweist. Gezeigt ist eine Situation, bei der ein solcher Messwiderstand 26 in eine der ausgangsseitigen Anschlussleitungen 20–24, nämlich eine erste ausgangsseitige Anschlussleitung 20, integriert ist. Genauso sind Ausführungsformen des Leistungshalbleitermoduls 10 denkbar, bei der jeweils ein Messwiderstand 26 in mehrere ausgangsseitige Anschlussleitungen 20–24 integriert ist oder bei der jeweils ein Messwiderstand 26 in jede ausgangsseitige Anschlussleitung 20–24 integriert ist.
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Die Darstellung in 2 zeigt eine vereinfachte isometrische Darstellung eines Abschnitts einer ausgangsseitigen Anschlussleitung 20–24 eines Leistungshalbleitermoduls 10 wie dies in 1 gezeigt ist, nämlich einen Abschnitt der ersten ausgangsseitigen Anschlussleitung 20. Erkennbar ist, dass die Anschlussleitung 20, die ansonsten zum Beispiel aus Kupfer oder einem ähnlichen gut leitfähigen Material gefertigt ist, an einer als Messwiderstand 26 fungierenden Stelle aus einem anderen Material, zum Beispiel Manganit oder dergleichen, gefertigt ist. Dabei ist dieses Material so in die sonstige Geometrie der Anschlussleitung 20 integriert, dass sich eine identische Geometrie und identische Konturen ergibt bzw. ergeben, wie sich diese auch ergeben würde bzw. würden, wenn die Anschlussleitung 20 nicht den als Messwiderstand 26 vorgesehenen Abschnitt mit dem abweichenden Material umfassen würde.
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Damit der spezielle Abschnitt der Anschlussleitung 20 als Messwiderstand 26 verwendet werden kann, weist die Anschlussleitung 20 auf beiden Seiten des Messwiderstands 26 Messanschlüsse 30, 32 auf. Beim Betrieb des Leistungshalbleitermoduls 10 und bei einem Stromfluss durch die Anschlussleitung 20 fällt über dem Abschnitt mit dem Messwiderstand 26 eine stromproportionale Spannung ab, die zwischen den Messanschlüssen 30, 32 in an sich bekannter Art und Weise gemessen werden kann. Der Widerstand eines solchen Abschnitts der Anschlussleitung 20 beträgt zum Beispiel 60 μΩ, so dass die Messung der stromproportionalen Spannung den umgebenden Stromkreis nicht oder nicht merklich beeinflusst.
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Aus der Darstellung der Anschlussleitung 20 in 2 ist erkennbar, dass diese auf einer ersten Seite sogenannte Beine 34 aufweist. Diese sind zum elektrisch leitenden Kontaktieren einer entsprechenden Kontaktfläche des Leistungshalbleitermoduls 10 vorgesehen. Die elektrisch leitende Verbindung kann dabei zum Beispiel durch Ultraschallschweißen hergestellt werden. Wenn die Anschlussleitung 20 – wie dargestellt – mehrere Beine 34 umfasst und diese zwischen der Schweißstelle und dem anschließenden Vollmaterial verjüngt sind, ist eine gute mechanische Entkopplung erreicht. Der Messwiderstand 26 befindet sich bevorzugt – wie dargestellt – relativ nah an den Beinen 34, also zumindest innerhalb des Leistungshalbleitermoduls 10, also innerhalb eines selbst nicht dargestellten Gehäuses des Leistungshalbleitermoduls 10.
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Die Kontaktflächen 30, 32 werden in geeigneter Art und Weise elektrisch leitend kontaktiert, zum Beispiel mit in der Zeichnung nicht näher dargestellten Folienleitungen 36, 38. Die Folienleitungen 36, 38 können aus dem Leistungshalbleitermodul 10 herausgeführt sein, so dass die über dem Messwiderstand 26 abfallende Spannung außerhalb des Leistungshalbleitermoduls 10 messbar ist. Die Folienleitungen 36, 38 können auch einer Signalaufbereitungsschaltung 40 zugeführt sein, die aus einem über dem Messwiderstand 26 abgreifbaren Spannungsmesswert ein digitales Signal erzeugt, das aus dem Leistungshalbleitermodul 10 herausgeführt wird und dann außerhalb des Leistungshalbleitermoduls 10 auswertbar ist.
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Nicht gezeigt ist, dass der als Messwiderstand 26 fungierende Abschnitt einer Anschlussleitung 20–24 bei einer besonderen Ausführungsform des Leistungshalbleitermoduls 10 thermisch an einen von dem Leistungshalbleitermodul umfassten Kühlkörper (ebenfalls nicht gezeigt) gekoppelt sein kann.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch das Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch das oder die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
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Einzelne im Vordergrund stehende Aspekte der hier eingereichten Beschreibung lassen sich damit kurz wie folgt zusammenfassen:
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Angegeben werden ein Leistungshalbleitermodul 10 mit mehreren Leistungshalbleiterbauelementen 12, elektrischen Verbindungsbahnen zwischen den Leistungshalbleiterbauelementen 12 sowie eingangsseitigen Anschlussleitungen 14, 16 und ausgangsseitigen Anschlussleitungen 20, 22, 24, wobei zumindest eine der ausgangsseitigen Anschlussleitungen 20–24 einen Messwiderstand 26 und Messanschlüsse 30, 32 auf beiden Seiten des Messwiderstands 26 aufweist, sowie ein elektrischer Antrieb mit einem solchen oder zumindest einem solchen Leistungshalbleitermodul 10.
