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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Leistungsmodul für einen Stromrichter sowie einen Stromrichter mit einem genannten Leistungsmodul. Ferner betrifft die Erfindung eine Antriebsanordnung zum Antreiben eines Fahrzeugs mit einem genannten Leistungsmodul.
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Zum Betreiben einer elektrischen Maschine eines Hybrid- oder Elektrofahrzeugs wird ein Stromrichter verwendet, der Phasenströme für die elektrische Maschine zu deren Betrieb bereitstellt. Der Stromrichter umfasst eine Vielzahl von elektronischen oder elektrischen Komponenten, wie zum Beispiel Halbleiterschaltern oder Halbleiterventilen, und elektrischen Verbindungen zwischen diesen Halbleiterbauelementen. Diese Komponenten erfordern einen entsprechenden Bauraum in dem Stromrichter, der ausreichend groß dimensioniert werden muss, um diese Komponenten aufzunehmen. Ein größerer Stromrichter beansprucht wiederum einen größeren Bauraum im Fahrzeug, der dann nicht mehr für andere Fahrzeugteile zur Verfügung steht.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, eine Möglichkeit bereitzustellen, den Platzbedarf eines Stromrichters zu reduzieren.
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Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Leistungsmodul bereitgestellt, das eine erste Stromschiene, einen ersten Halbleiterschalter, einen zweiten Halbleiterschalter sowie ein erstes Halbleiterventil und ein zweites Halbleiterventil umfasst. Dabei dient die erste Stromschiene zum Weiterleiten eines Stromes zu und/oder von den Halbleiterschaltern und/oder den Halbleiterventilen und weist eine erste Oberfläche und eine zweite, der ersten Oberfläche gegenüber liegende Oberfläche auf. Der erste Halbleiterschalter ist auf der ersten Oberfläche der ersten Stromschiene angeordnet. Dabei umfasst der erste Halbleiterschalter eine erste Oberfläche, die einen ersten elektrischen Oberflächenkontaktanschluss aufweist. Über diesen ersten Oberflächenkontaktanschluss ist der erste Halbleiterschalter mit der ersten Oberfläche der ersten Stromschiene elektrisch leitend, flächig und mechanisch verbunden. Der zweite Halbleiterschalter ist auf der zweiten Oberfläche der ersten Stromschiene angeordnet. Dabei umfasst der zweite Halbleiterschalter eine erste Oberfläche, die einen ersten elektrischen Oberflächenkontaktanschluss aufweist. Der zweite Halbleiterschalter ist über diesen ersten Oberflächenkontaktanschluss mit der zweiten Oberfläche der ersten Stromschiene elektrisch leitend, flächig und mechanisch verbunden. Das erste Halbleiterventil ist auf der ersten Oberfläche der ersten Stromschiene und neben dem ersten Halbleiterschalter angeordnet. Dabei weist das erste Halbleiterventil eine erste Oberfläche mit einem ersten elektrischen Oberflächenkontaktanschluss auf, und ist über diesen ersten Oberflächenkontaktanschluss mit der der ersten Oberfläche ersten Stromschiene elektrisch leitend, flächig und mechanisch verbunden. Analog ist das zweite Halbleiterventil auf der zweiten Oberfläche der ersten Stromschiene und neben dem zweiten Halbleiterschalter angeordnet. Dabei weist das zweite Halbleiterventil ebenfalls eine erste Oberfläche mit einem ersten elektrischen Oberflächenkontaktanschluss auf, und ist über diesen ersten Oberflächenkontaktanschluss mit der zweiten Oberfläche der ersten Stromschiene elektrisch leitend, flächig und mechanisch verbunden.
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Die erste Stromschiene (auf Englisch „busbar“) ist aus einem elektrisch und vorzugsweise auch thermisch leitenden Material ausgebildet und dient zum Weiterleiten eines Stromes von oder zu dem ersten und dem zweiten Halbleiterschalter sowie dem ersten und dem zweiten Halbleiterventil. Dabei sind die erste und die zweite Oberfläche der ersten Stromschiene jeweils als eine ausgedehnte Fläche ausgebildet.
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Die elektrischen Verbindungen zwischen der Stromschiene und den beiden Halbleiterschaltern und den beiden Halbleiterventilen sind ebenfalls flächig ausgedehnt ausgeführt. Hierbei ist mit einer „ausgedehnt flächigen elektrischen Verbindung“ eine elektrische Verbindung gemeint, welche insbesondere bonddrahtfrei und somit nicht „punktuell“, wie es bei Bondverbindungen der Fall ist, sondern über eine ausgedehnte Kontaktfläche breitflächig, insbesondere wesentlich breitflächiger als bei einer Bondverbindung ausgebildet ist, deren Kontaktfläche hier als „punktuell“ angesehen wird.
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Mit einer „elektrisch leitenden Verbindung“ ist zudem eine niederohmige elektrische Verbindung gemeint, die beispielweise mittels einer Lötverbindung herstellbar ist und vorzugsweise einen ohmschen Widerstandswert von kleiner als 1µΩ aufweist.
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Als mechanische Verbindung wird insbesondere eine direkte physische Verbindung über körperliche Kontaktfläche bezeichnet, welche insbesondere als eine stoffschlüssige Verbindung gebildet ist.
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Durch die Ausführung von elektrischen oder elektronischen Komponenten eines Stromrichters, insbesondere von Halbleiterbauelementen wie zum Beispiel Halbleiterschaltern oder Halbleiterventilen, und von elektrischen Verbindungen zwischen diesen Komponenten in einem Leistungsmodul ist eine Möglichkeit gegeben, die Baugröße des Stromrichters effizient zu reduzieren.
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Dabei wurde erkannt, dass der Bauraum des Stromrichters sich vor allem durch Verwenden von Komponenten ohne eigene elektrisch isolierende Gehäuse reduzieren lässt. Insbesondere ist das Verwenden von nackten Halbleiterbauelementen ohne eigenes einbettendes Gehäuse (Nacktchip, auf Englisch „Bare Chip“ oder „Bare Die“) mit ausgedehnt flächigen Oberflächenkontaktanschlüssen als eine gute Lösung zur Reduzierung des Bauraumes erwiesen.
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Zudem wurde erkannt, dass der Bauraum eines Stromrichters unter anderem durch die elektrischen Verbindungen zwischen den Komponenten, insbesondere den Halbleiterschaltern und den Halbleiterventilen, beansprucht wird, sofern diese als Bondverbindungen mit zwischen den Komponenten verdrahteten Bonddrähten ausgeführt werden. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Bondverbindungen einen Bondrahmen als mechanischen Träger der Leitungsstrukturen der Bonddrähte erfordern, der einen entsprechenden Bauraum in dem Stromrichter beansprucht. Da, wie oben bereits erwähnt, zur Reduzierung des Bauraumes elektrische oder elektronisch Komponenten ohne eigene elektrisch isolierende Gehäuse verwendet werden sollen, ist es erforderlich, dass zwischen den Bonddrähten und denjenigen Komponenten gewisse Abstände eingehalten werden müssen, mit denen die Bonddrähte nicht berühren und somit elektrisch kurzgeschlossen werden dürfen. Dies würde ebenfalls einen entsprechenden Bauraum in dem Stromrichter einnehmen.
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Gemäß der hier beschriebenen Herangehensweise sind daher keine Bondverbindungen vorgesehen, sondern es werden nur ausgedehnt flächige Oberflächenverbindungen mit einer dünnen ausgedehnt flächig ausgeführten Stromschien verwendet. Diese Verbindungen sind elektromechanische direkte Verbindungen, die keinen zusätzlichen Bauraum erfordern. Obwohl die Stromschiene eine größere Baugröße aufweist als ein Bonddraht, beansprucht sie aber dank der zueinander schichtweise eng bzw. direkt übereinander liegenden Bauweise der Stromschiene und der elektrischen oder elektronischen Komponenten einen vergleichsweise geringeren Bauraum in dem Stromrichter als der Bonddraht.
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Zur weiteren Reduzierung der Baugröße wird ferner auf einen Schaltungsträger im Sinne einer Leiterplatte verzichtet, der zum Tragen und Halten von den elektrischen Komponenten und zum Herstellen von elektrischen Verbindungen zwischen diesen Komponenten erforderlich ist. Anstelle des Schaltungsträgers dient dabei die oben genannte Stromschiene als Träger der elektrischen oder elektronischen Komponenten, die direkt auf der Stromschiene angeordnet sind und von der Stromschiene getragen werden. Dabei sind die Komponenten auf zwei gegenüber liegenden Oberflächen der Stromschiene verteilt und vorteilhafterweise gegenüber liegend angeordnet, so dass elektrische Verbindungswege zwischen diesen Komponenten auf Minimum verkürzt sind. Dadurch entfällt ein entsprechender Bauraum für sonst erforderliche, sich lang erstreckende Verbindungswege zwischen diesen Komponenten.
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Auf diese Weise wird ein Leistungsmodul für einen Stromrichter geschaffen, das in Summe einen geringen Bauraum beansprucht. Folglich kann ein Stromrichter bereitgestellt werden, der insgesamt einen kleinen Bauraum im Fahrzeug beansprucht.
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Durch den Verzicht auf Bondverbindungen, die anfällig für Temperaturschwankungen in dem Stromrichter oder für Erschütterungen bei dem Stromrichter sind und somit eine Schwachstelle über Lebensdauerzuverlässigkeit des Stromrichters bilden, und durch Verwenden der Stromschiene, sind stabilere und somit zuverlässige elektrische Verbindungen zwischen den elektrischen Komponenten verwirklicht. Zudem weisen die kurzen und flächigen elektrischen Verbindungen zwischen den Komponenten eine niedrige Eigeninduktivität und einen kleinen Eigenwiderstand auf, was sich positiv auf Verlustleistung bei dem Leistungsmodul und somit bei dem Stromrichter auswirkt. Dadurch sind die elektrischen und thermischen Eigenschaften des Stromrichters verbessert.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst das Leistungsmodul ferner eine zweite Stromschiene zum Weiterleiten eines weiteren Stromes. Die zweite Stromschiene ist aus einem elektrisch und vorzugsweise auch thermisch leitenden Material ausgebildet und weist eine erste Oberfläche auf. Der erste Halbleiterschalter umfasst ferner eine zweite, der ersten Oberflächen des ersten Halbleiterschalters gegenüber liegende Oberfläche. Diese weist einen zweiten elektrischen Oberflächenkontaktanschluss auf.
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Über diesen zweiten elektrischen Oberflächenkontaktanschluss ist der erste Halbleiterschalter mit der ersten Oberfläche der zweiten Stromschiene elektrisch leitend, ausgedehnt flächig und mechanisch verbunden. Analog umfasst das erste Halbleiterventil eine zweite, der ersten Oberfläche des ersten Halbleiterventils gegenüber liegende Oberfläche, die einen zweiten elektrischen Oberflächenkontaktanschluss aufweist. Über diesen zweiten Oberflächenkontaktanschluss ist das erste Halbleiterventil mit der ersten Oberfläche der zweiten Stromschiene elektrisch leitend, flächig und mechanisch verbunden.
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Dadurch, dass die erste und die zweite Stromschiene auf jeweils zwei zueinander gegenüber liegenden Oberflächen des ersten Halbleiterschalters und des ersten Halbleiterventils angeordnet sind, ist eine schichtweise überlagerte Anordnung der ersten und der zweiten Stromschiene mit dem dazwischen liegenden ersten Halbleiterschalter und dem ersten Halbleiterventil realisiert. Da die beiden Stromschienen zudem jeweils als eine Hinleitung für einen Stromfluss zu dem ersten Halbleiterschalter und dem ersten Halbleiterventil sowie als eine Rückleitung für den Stromfluss von dem genannten Halbleiterschalter beziehungsweise dem genannten Halbleiterventil dienen, weist das Leistungsmodul insgesamt eine niedrige parasitäre Kopplungsinduktivität in den beiden Stromschienen auf.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung umfasst das Leistungsmodul ferner eine dritte Stromschiene zum Weiterleiten eines weiteren Stromes, die ebenfalls aus einem elektrisch und vorzugsweise auch thermisch leitenden Material ausgebildet ist und eine erste Oberfläche aufweist. Der zweite Halbleiterschalter weist eine zweite, der ersten Oberfläche des zweiten Halbleiterschalters gegenüber liegende Oberfläche auf, vorzugsweise mit einem zweiten elektrischen Oberflächenkontaktanschluss. Über diesen zweiten Oberflächenkontaktanschluss ist der zweite Halbleiterschalter mit der ersten Oberfläche der dritten Stromschiene elektrisch leitend, flächig und mechanisch verbunden. Analog weist das zweite Halbleiterventil eine zweite, der ersten Oberfläche des zweiten Halbleiterventils gegenüber liegende Oberfläche auf, insbesondere mit einem zweiten elektrischen Oberflächenkontaktanschluss. Über diesen zweiten Oberflächenkontaktanschluss ist das zweite Halbleiterventil mit der ersten Oberfläche der dritten Stromschiene elektrisch leitend flächig und mechanisch verbunden.
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Die Ausführung der dritten Stromschiene und die ebenfalls schichtweise überlagerte Anordnung der dritten Stromschiene mit der ersten und der zweiten Stromschiene bewirken, dass das Leistungsmodul im Vergleich zu einem Leistungsmodul mit nur zwei Stromschienen eine insgesamt noch niedrigere parasitäre Kopplungsinduktivität in den Stromschienen aufweist.
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Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung umfasst das Leistungsmodul eine vierte Stromschiene zum Bereitstellen einer Spannung, bzw. eines Spannungspotentials, oder eines Stromes. Die vierte Stromschiene ist ebenfalls aus einem elektrisch, und vorzugsweise auch thermisch leitenden Material ausgebildet und weist eine erste Oberfläche auf. Dabei weist der erste Halbleiterschalter auf der zweiten Oberfläche einen dritten elektrischen Oberflächenkontaktanschluss auf. Über diesen dritten Oberflächenkontaktanschluss ist der erste Halbleiterschalter mit der ersten Oberfläche der vierten Stromschiene elektrisch leitend, flächig und mechanisch verbunden.
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In noch einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung umfasst das Leistungsmodul eine fünfte Stromschiene zum Bereitstellen einer Spannung, bzw. eines Spannungspotentials, oder eines Stromes, die ebenfalls aus einem elektrisch, und vorzugsweise auch thermisch leitenden Material ausgebildet ist und eine erste Oberfläche aufweist. Dabei umfasst der zweite Halbleiterschalter auf der ersten Oberfläche neben dem ersten Oberflächenkontaktanschluss einen dritten Oberflächenkontaktanschluss, und ist über diesen dritten Oberflächenkontaktanschluss mit der ersten Oberfläche der fünften Stromschiene elektrisch leitend, flächig und mechanisch verbunden.
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Die beiden zuletzt genannten Ausgestaltungen bieten den Vorteil, dass auch elektrische Verbindungen zum Weiterleiten von Steuersignalen zu den Halbleiterschaltern ebenfalls durch niederohmige und niederinduktive ausgedehnt flächig ausgeführte Stromschienen platzsparend realisiert werden.
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Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung umfasst das Leistungsmodul eine sechste Stromschiene, einen dritten und einen vierten Halbleiterschalter sowie ein drittes und ein viertes Halbleiterventil. Die sechste Stromschiene ist ebenfalls aus einem elektrisch und vorzugsweise auch thermisch leitenden Material ausgebildet und weist eine erste Oberfläche und eine zweite, der ersten Oberfläche gegenüber liegende Oberfläche auf. Auf der ersten Oberfläche der sechsten Stromschiene ist der dritte Halbleiterschalter angeordnet. Dabei weist der dritte Halbleiterschalter eine erste Oberfläche mit einem ersten elektrischen Oberflächenkontaktanschluss und eine zweite, der ersten Oberfläche gegenüber liegenden Oberfläche mit einem zweiten elektrischen Oberflächenkontaktanschluss auf. Über den ersten Oberflächenkontaktanschluss ist der dritte Halbleiterschalter mit der ersten Oberfläche der sechsten Stromschiene elektrisch leitend, flächig und mechanisch verbunden. Über den zweiten elektrischen Oberflächenkontaktanschluss ist der dritte Halbleiterschalter mit der ersten Oberfläche der zweiten Stromschiene elektrisch leitend, flächig und mechanisch verbunden. Auf der ersten Oberfläche der sechsten Stromschiene ist ferner das dritte Halbleiterventil neben dem dritten Halbleiterschalter angeordnet. Dabei weist das dritte Halbleiterventil ebenfalls eine erste Oberfläche mit einem ersten Oberflächenkontaktanschluss und eine zweite, der ersten Oberfläche gegenüber liegenden Oberfläche mit einem zweiten elektrischen Oberflächenkontaktanschluss auf. Über den ersten Oberflächenkontaktanschluss ist das dritte Halbleiterventil mit der ersten Oberfläche der sechsten Stromschiene und über den zweiten elektrischen Oberflächenkontaktanschluss mit der ersten Oberfläche der zweiten Stromschiene elektrisch leitend, flächig und mechanisch verbunden. Der vierte Halbleiterschalter ist auf der zweiten Oberfläche der sechsten Stromschiene angeordnet.
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Dabei weist der vierte Halbleiterschalter eine erste Oberfläche mit einem ersten elektrischen Oberflächenkontaktanschluss und eine zweite, der ersten Oberfläche gegenüber liegenden Oberfläche mit einem zweiten elektrischen Oberflächenkontaktanschluss auf, und ist über den ersten Oberflächenkontaktanschluss mit der zweiten Oberfläche der sechsten Stromschiene und über den zweiten elektrischen Oberflächenkontaktanschluss mit der ersten Oberfläche der dritten Stromschiene elektrisch leitend, flächig und mechanisch verbunden. Analog ist das vierte Halbleiterventil auf der zweiten Oberfläche der sechsten Stromschiene und neben dem vierten Halbleiterschalter angeordnet. Dabei weist das vierte Halbleiterventil ebenfalls eine erste Oberfläche mit einem ersten elektrischen Oberflächenkontaktanschluss und eine zweite, der ersten Oberfläche gegenüber liegenden Oberfläche mit einem zweiten elektrischen Oberflächenkontaktanschluss auf, und ist über den ersten Oberflächenkontaktanschluss mit der zweiten Oberfläche der sechsten Stromschiene und über den zweiten elektrischen Oberflächenkontaktanschluss mit der ersten Oberfläche der dritten Stromschiene elektrisch leitend, flächig und mechanisch verbunden.
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Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung umfasst das Leistungsmodul eine siebte Stromschiene, einen fünften und einen sechsten Halbleiterschalter, sowie ein fünftes und ein sechstes Halbleiterventil. Die siebte Stromschiene ist ebenfalls aus einem elektrisch und vorzugsweise auch thermisch leitenden Material ausgebildet und weist eine erste Oberfläche und eine zweite, der ersten Oberfläche gegenüber liegende Oberfläche auf. Dabei ist der fünfte Halbleiterschalter auf der ersten Oberfläche der siebten Stromschiene angeordnet. Dabei weist der fünfte Halbleiterschalter eine erste Oberfläche mit einem ersten elektrischen Oberflächenkontaktanschluss und eine zweite, der ersten Oberfläche gegenüber liegenden Oberfläche mit einem zweiten elektrischen Oberflächenkontaktanschluss auf. Über den ersten Oberflächenkontaktanschluss ist der fünfte Halbleiterschalter mit der ersten Oberfläche der siebten Stromschiene und über den zweiten elektrischen Oberflächenkontaktanschluss mit der ersten Oberfläche der zweiten Stromschiene elektrisch leitend, flächig und mechanisch verbunden. Der sechste Halbleiterschalter ist auf der zweiten Oberfläche der siebten Stromschiene angeordnet. Dabei weist der sechste Halbleiterschalter eine erste Oberfläche mit einem ersten elektrischen Oberflächenkontaktanschluss und eine zweite, der ersten Oberfläche gegenüber liegenden Oberfläche mit einem zweiten elektrischen Oberflächenkontaktanschluss auf. Über den ersten Oberflächenkontaktanschluss ist der sechste Halbleiterschalter mit der zweiten Oberfläche der siebten Stromschiene und über den zweiten elektrischen Oberflächenkontaktanschluss mit der ersten Oberfläche der dritten Stromschiene elektrisch leitend, flächig und mechanisch verbunden. Das fünfte Halbleiterventil ist auf der ersten Oberfläche der siebten Stromschiene neben dem fünften Halbleiterschalter angeordnet. Dabei weist das fünfte Halbleiterventil ebenfalls eine erste Oberfläche mit einem ersten Oberflächenkontaktanschluss und eine zweite, der ersten Oberfläche gegenüber liegenden Oberfläche mit einem zweiten elektrischen Oberflächenkontaktanschluss auf. Über den ersten Oberflächenkontaktanschluss ist das fünfte Halbleiterventil mit der der ersten Oberfläche siebten Stromschiene und über den zweiten elektrischen Oberflächenkontaktanschluss mit der ersten Oberfläche der zweiten Stromschiene elektrisch leitend, flächig und mechanisch verbunden. Das sechste Halbleiterventil ist analog auf der zweiten Oberfläche der siebten Stromschiene und neben dem sechsten Halbleiterschalter angeordnet. Dabei weist das sechste Halbleiterventil ebenfalls eine erste Oberfläche mit einem ersten elektrischen Oberflächenkontaktanschluss und eine zweite, der ersten Oberfläche gegenüber liegenden Oberfläche mit einem zweiten elektrischen Oberflächenkontaktanschluss auf. Über den ersten Oberflächenkontaktanschluss ist das sechste Halbleiterventil mit der zweiten Oberfläche der siebten Stromschiene und über den zweiten elektrischen Oberflächenkontaktanschluss mit der ersten Oberfläche der dritten Stromschiene elektrisch leitend, flächig und mechanisch verbunden.
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Zudem weisen der dritte und der fünfte Halbleiterschalter auf der jeweiligen zweiten Oberfläche vorzugsweise jeweils einen dritten Oberflächenkontaktanschluss auf, über den der jeweilige Halbleiterschalter mit jeweils einer weiteren Stromschiene elektrisch leitend, flächig und mechanisch verbunden ist. Analog weisen der vierte und der sechste Halbleiterschalter auf der jeweiligen ersten Oberfläche vorzugsweise jeweils einen dritten Oberflächenkontaktanschluss auf, über den der jeweilige Halbleiterschalter mit jeweils einer weiteren Stromschiene elektrisch leitend, flächig und mechanisch verbunden ist.
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Die zuletzt genannten Ausgestaltungen mit der sechsten und der siebten Stromschiene ermöglichen einen Aufbau einer gesamten B6-Brückschaltung eines Stromrichters in einem einzigen Leistungsmodul, bei dem sämtliche sechs Halbleiterschalter und sämtliche sechs Halbleiterventile sowie die sämtlichen zuvor genannten Stromschienen in einer „Sandwich“-Bauweise zueinander schichtweise zumindest größtenteils überlappend angeordnet sind, wobei die Halbleiterschalter und die Halbleiterventile von diesen Stromschienen getragen und geschützt werden. Vorzugsweise werden die Halbleiterschalter und die Halbleiterventile von den Stromschienen vollständig abgedeckt.
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Damit ist ein Leistungsmodul bereitgestellt, bei dem die Halbleiterbauelemente, nämlich die Halbleiterschalter sowie die Halbleierventile, und die Stromschiene bzw. die Stromschienen übereinander gestapelt angeordnet sind. Insbesondere stehen die Halbleiterbauelemente und die Stromschienen in direkten körperlichen Kontakt zueinander. Dabei sind die Halbleiterbauelemente und die Stromschienen abwechselnd übereinander schichtweise gestapelt und bilden somit einen „Sandwich“-artigen Aufbau. Die Halbleiterbauelemente und die Stromschienen sind jeweils in Schichten angeordnet. In der Schicht bzw. in den Schichten, in der bzw. in denen die Halbleiterschalter vorgesehen sind, sind auch die Halbleiterventile in jeweils einer gleichen Anzahl wie die der Halbleiterschalter vorgesehen. Eine Schicht mit Halbleiterschaltern und Halbleiterventilen liegt zwischen zwei Stromschienen.
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Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung umfasst das Leistungsmodul eine thermisch leitende und elektrisch isolierende Masse auf, die die oben genannten Halbleiterschalter, die oben genannten Halbleiterventil und/oder die oben genannten Stromschienen voneinander und von einer Umgebung elektrisch isolierend umschließt und luftdicht abdichtet.
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Diese Masse ist vorzugsweise als Gussmasse, etwa eine Kunststoffmasse, ausgebildet, die in einem Gießverfahren, insbesondere in einem In-Mold-Verfahren, auf den Halbleiterschaltern, den Halbleiterventilen und den Stromschienen, die bereits zueinander entsprechend angeordnet und elektrisch verbunden sind, aufgegossen oder aufgespritzt ist.
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Diese elektrisch isolierende Masse verleiht dem Leistungsmodul eine zusätzliche Stabilität und schützt die in ihr eingebetteten Halbleiterschalter und Halbleiterventile vor Umwelteinflüssen. Außerdem erleichtert diese Masse die Handhabung des Leistungsmoduls, da diese die durchaus empfindlichen Halbleiterschalter und Halbleiterventile schützt.
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Gemäß nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Stromrichters weist zumindest eine der zweiten und der dritten Stromschiene eine zweite, der jeweiligen ersten Oberfläche gegenüber liegende Oberfläche auf, auf der eine Kühleinheit angeordnet ist, die mit der entsprechenden zweiten Oberfläche der zweiten beziehungsweise der dritten Stromschiene wärmeleitend und elektrisch isolierend mechanisch miteinander verbunden ist.
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Diese Ausgestaltung ermöglicht, dass die Wärme, die durch Verlustleistungen in den Halbleiterschalter und den Halbleiterventilen entsteht, von der Kühleinheit über die Stromschiene aufgenommen und der Umgebung abführt wird. Flächige Ausführung der Stromschienen und ausgedehnt flächige thermische Verbindungen zwischen den Stromschienen und den Halbleiterschalter beziehungsweise den Halbleiterventilen beziehungsweise zwischen der Stromschiene und der Kühleinheit bewirken eine effiziente Kühlung der Halbleiterschalter beziehungsweise der Halbleiterventile und somit des Leistungsmoduls.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Stromrichter zur Bereitstellung von zumindest einem Phasenstrom für eine elektrische Maschine beschrieben, der ein oben beschriebenes Leistungsmodul umfasst.
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Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Antriebsanordnung zum Antreiben eines Fahrzeugs, insbesondere eines Hybrid- oder Elektrofahrzeugs, mit einer elektrischen Maschine bereitgestellt, wobei die Antriebsanordnung einen Stromrichter zur Bereitstellung von zumindest einem Phasenstrom für eine elektrische Maschine aufweist, wobei der Stromrichter ein oben beschriebenes Leistungsmodul umfasst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen des oben dargestellten Leistungsmoduls sind, soweit im Übrigen auf den oben genannten Stromrichter beziehungsweise auf die oben genannte Antriebsanordnung übertragbar, auch als vorteilhafte Ausgestaltungen des Stromrichters beziehungsweise der Antriebsanordnung anzusehen.
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Im Folgenden werden beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung Bezug nehmend auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
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1 in einem schematischen Schaltplan einen Teil einer Antriebsanordnung eines Fahrzeugs mit einem Stromrichter mit einem Leistungsmodul gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
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2A, 2B in einer schematischen Darstellung zwei Oberflächen eines Halbleiterschalters des Leistungsmoduls der in 1 dargestellten Ausführungsform;
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2C, 2D in einer schematischen Darstellung zwei Oberflächen eines Halbleiterventils des Leistungsmoduls der in 1 dargestellten Ausführungsform;
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3 in einer schematischen Darstellung das Leistungsmodul der in 1 dargestellten Ausführungsform in einem mechanischen Aufbau;
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4 in einer schematischen Darstellung das Leistungsmodul der in 1 dargestellten Ausführungsform mit einer Kühleinheit in einem mechanischen Aufbau.
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Zunächst wird auf 1 verwiesen, in der ein Teil einer Antriebsanordnung AA eines nicht dargestellten Fahrzeugs in einem schematischen Schaltplan vereinfacht dargestellt ist. Die Antriebsanordnung AA umfasst eine elektrische Maschine EM zum Vortrieb des Fahrzeugs und einen Stromrichter SR zum Bereitstellen elektrischer Energie in Form von Phasenströmen Ip für die elektrische Maschine EM zu deren Betrieb.
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Die elektrische Maschine EM ist in dieser Ausführungsform als eine Synchronmaschine ausgebildet und weist drei Wicklungen WK zur Aufnahme von Phasenströmen Ip und zum Umwandeln der Phasenströme Ip in elektromagnetische Felder auf.
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Der Stromrichter SR ist in dieser Ausführungsform als eine B6-Brückenschaltung ausgebildet und umfasst eine erste, eine zweite und eine dritte Halbbrückenschaltung HB1, HB2 und HB3, die weitgehend identisch ausgebildet sind. Diese drei Halbbrückenschaltungen HB1, HB2 und HB3 sind zwischen einer positiven Stromversorgungsleitung SL1 und einer negativen Stromversorgungsleitung SL2 und zueinander in einer Parallelschaltung angeordnet. Über jeweils eine erste, eine zweite und eine dritte Phasenstromleitung PL1, PL2, PL3 sind die drei Halbbrückenschaltungen HB1, HB2 und HB3 mit jeweils einer der drei Wicklungen WK der elektrischen Maschine EM elektrisch verbunden.
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Der Stromrichter SR kann weitere Schaltungskomponenten, wie zum Beispiel Zwischenkreiskondensator, aufweisen, welche für die Beschreibung der Erfindung nicht unbedingt relevant sind und daher hier nicht näher beschrieben werden.
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Die erste Halbbrückenschaltung HB1 umfasst einen ersten Halbleiterschalter T1 und einen zweiten Halbleiterschalter T2 sowie ein erstes, als eine erste Halbleiterdiode D1 ausgebildetes Halbleiterventil und ein zweites, als eine zweite Halbleiterdiode D2 ausgebildetes Halbleiterventil. Dabei sind der erste Halbleiterschalter T1 und die erste Halbleiterdiode D1 zueinander parallel und zwischen der negativen Stromversorgungsleitung SL2 und der ersten Phasenstromleitung PL1 geschaltet. Der zweite Halbleiterschalter T2 und die zweite Halbleiterdiode D2 sind ebenfalls zueinander parallel und zwischen der positiven Stromversorgungsleitung SL1 und der ersten Phasenstromleitung PL1 geschaltet.
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Die zweite Halbbrückenschaltung HB2 umfasst einen dritten Halbleiterschalter T3 und ein drittes, als eine dritte Halbleiterdiode D3 ausgebildetes Halbleiterventil in einer Parallelschaltung zwischen der negativen Stromversorgungsleitung SL2 und der zweiten Phasenstromleitung PL2, sowie einen vierten Halbleiterschalter T4 und ein viertes, als eine vierte Halbleiterdiode D4 ausgebildetes Halbleiterventil in einer Parallelschaltung zwischen der positiven Stromversorgungsleitung SL1 und der zweiten Phasenstromleitung PL2.
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Analog umfasst die dritte Halbbrückenschaltung HB3 einen fünften Halbleiterschalter T5 und ein fünftes, als eine fünfte Halbleiterdiode D5 ausgebildetes Halbleiterventil in einer Parallelschaltung zwischen der negativen Stromversorgungsleitung SL2 und der dritten Phasenstromleitung PL3, sowie einen sechsten Halbleiterschalter T6 und ein sechstes, als eine sechste Halbleiterdiode D6 ausgebildetes Halbleiterventil in einer Parallelschaltung zwischen der positiven Stromversorgungsleitung SL1 und der dritten Phasenstromleitung PL3.
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Die sechs Halbleiterschalter H1 bis H6 sind jeweils als ein selbstleitender n-Kanal-IGBT-Schalter ausgebildet und umfassen jeweils einen Kollektoranschluss C1, C2, C3, C4, C5 beziehungsweise C6, jeweils einen Emitteranschluss E1, E2, E3, E4, E5 beziehungsweise E6, und jeweils einen Gateanschluss G1, G2, G3, G4, G5 beziehungsweise G6. Die sechs Halbleiterdioden D1 bis D6 dienen als Freilaufdioden zum Schutz der elektrischen Maschine EM und des Stromrichters SR und umfassen jeweils einen Kathodenanschluss K1, K2, K3, K4, K5 beziehungsweise K6 und jeweils einen Anodenanschluss A1, A2, A3, A4, A5 beziehungsweise A6.
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Der Kollektoranschluss C1 des ersten Halbleiterschalters T1 und der Kathodenanschluss K1 der ersten Halbleiterdiode D1 sind über jeweils eine elektrische Verbindung V11 beziehungsweise V13 miteinander und mit der ersten Phasenstromleitung PL1 elektrisch verbunden. Der Emitteranschluss E1 des ersten Halbleiterschalters T1 und der Anodenanschluss A1 der ersten Halbleiterdiode D1 sind über jeweils eine elektrische Verbindung V12 beziehungsweise V14 miteinander und mit der negativen Stromversorgungsleitung SL2 elektrisch verbunden. Der Gateanschluss G1 des ersten Halbleiterschalters T1 ist über eine elektrische Verbindung V15 mit einer ersten Signalleitung SL31 elektrisch verbunden. Über diese erste Signalleitung SL31 wird beim Betrieb des Stromrichters SR ein Steuersignal zum gesteuerten Schalten des ersten Halbleiterschalters T1 dem Gateanschluss G1 bereitgestellt.
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Der Kollektoranschluss C2 des zweiten Halbleiterschalters T2 und der Kathodenanschluss K2 der zweiten Halbleiterdiode D2 sind über jeweils eine elektrische Verbindung V21 beziehungsweise V23 miteinander und mit der positiven Stromversorgungsleitung SL1 elektrisch verbunden. Der Emitteranschluss E2 des zweiten Halbleiterschalters T2 und der Anodenanschluss A2 der zweiten Halbleiterdiode D2 sind über jeweils eine elektrische Verbindung V22 beziehungsweise V24 miteinander und mit der ersten Phasenstromleitung PL1 elektrisch verbunden. Der Gateanschluss G2 des zweiten Halbleiterschalters T2 ist über eine elektrische Verbindung V25 mit einer zweiten Signalleitung SL32 elektrisch verbunden. Über diese zweite Signalleitung SL32 wird beim Betrieb des Stromrichters SR ein Steuersignal zum gesteuerten Schalten des zweiten Halbleiterschalters T2 dem Gateanschluss G2 bereitgestellt.
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Analog sind der Kollektoranschluss C3 des dritten Halbleiterschalters T3 und der Kathodenanschluss K3 der dritten Halbleiterdiode D3 über jeweils eine elektrische Verbindung V31 beziehungsweise V33 miteinander und mit der zweiten Phasenstromleitung PL2 elektrisch verbunden. Der Emitteranschluss E3 des dritten Halbleiterschalters T3 und der Anodenanschluss A3 der dritten Halbleiterdiode D3 sind über jeweils eine elektrische Verbindung V32 beziehungsweise V34 miteinander und mit der negativen Stromversorgungsleitung SL2 elektrisch verbunden. Der Gateanschluss G3 des dritten Halbleiterschalters T3 ist über eine elektrische Verbindung V35 mit einer dritten Signalleitung SL33 elektrisch verbunden. Über diese dritte Signalleitung SL33 wird beim Betrieb des Stromrichters SR ein Steuersignal zum gesteuerten Schalten des dritten Halbleiterschalters T3 dem Gateanschluss G3 bereitgestellt.
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Der Kollektoranschluss C4 des vierten Halbleiterschalters T4 und der Kathodenanschluss K4 der vierten Halbleiterdiode D4 sind über jeweils eine elektrische Verbindung V41 beziehungsweise V43 miteinander und mit der positiven Stromversorgungsleitung SL1 elektrisch verbunden. Der Emitteranschluss E4 des vierten Halbleiterschalters T4 und der Anodenanschluss A4 der vierten Halbleiterdiode D4 sind über jeweils eine elektrische Verbindung V42 beziehungsweise V44 miteinander und mit der zweiten Phasenstromleitung PL2 elektrisch verbunden. Der Gateanschluss G4 des vierten Halbleiterschalters T4 ist über eine elektrische Verbindung V45 mit einer vierten Signalleitung SL34 elektrisch verbunden. Über diese vierte Signalleitung SL34 wird beim Betrieb des Stromrichters SR ein Steuersignal zum gesteuerten Schalten des vierten Halbleiterschalters T4 dem Gateanschluss G4 bereitgestellt.
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Analog sind der Kollektoranschluss C5 des fünften Halbleiterschalters T5 und der Kathodenanschluss K5 der fünften Halbleiterdiode D5 über jeweils eine elektrische Verbindung V51 beziehungsweise V53 miteinander und mit der dritten Phasenstromleitung PL3 elektrisch verbunden. Der Emitteranschluss E5 des fünften Halbleiterschalters T5 und der Anodenanschluss A5 der fünften Halbleiterdiode D5 sind über jeweils eine weitere elektrische Verbindung V52 beziehungsweise V54 miteinander und mit der negativen Stromversorgungsleitung SL2 elektrisch verbunden. Der Gateanschluss G5 des fünften Halbleiterschalters T5 ist über eine elektrische Verbindung V55 mit einer fünften Signalleitung SL35 elektrisch verbunden. Über diese fünfte Signalleitung SL35 wird beim Betrieb des Stromrichters SR ein Steuersignal zum gesteuerten Schalten des fünften Halbleiterschalters T5 dem Gateanschluss G5 bereitgestellt.
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Der Kollektoranschluss C6 des sechsten Halbleiterschalters T6 und der Kathodenanschluss K6 der sechsten Halbleiterdiode D6 sind über jeweils eine elektrische Verbindung V61 beziehungsweise V63 miteinander und mit der positiven Stromversorgungsleitung SL1 elektrisch verbunden. Der Emitteranschluss E6 des sechsten Halbleiterschalters T6 und der Anodenanschluss A6 der sechsten Halbleiterdiode D6 sind über jeweils eine elektrische Verbindung V62 beziehungsweise V64 miteinander und mit der dritten Phasenstromleitung PL3 elektrisch verbunden. Der Gateanschluss G6 des sechsten Halbleiterschalters T6 ist über eine elektrische Verbindung V65 mit einer sechsten Signalleitung SL36 elektrisch verbunden. Über diese sechste Signalleitung SL36 wird beim Betrieb des Stromrichters SR ein Steuersignal zum gesteuerten Schalten des sechsten Halbleiterschalters T6 dem Gateanschluss G6 bereitgestellt.
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Durch abwechselnde Ein- und Ausschalten der sechs Halbleiterschalter T1 bis T6 der drei Halbbrückenschaltungen HB1, HB2 und HB3 mittels der über die sechs Signalleitungen SL1 bis SL6 bereitgestellten Steuersignale wandelt der Stromrichter SR in einer dem Fachmann bekannten Weise einen von einer in Figur nicht dargestellten elektrischen Energiequelle über die Stromversorgungsleitungen SL1, SL2 bereitgestellten Gleichstrom in die drei Phasenströme IP um und speist diese Phasenströme IP über die drei Phasenstromleitungen PL1, PL2 und PL3 in die Wicklungen WK der elektrischen Maschine EM ein und betreibt somit diese elektrische Maschine EM.
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Die Freilaufdiode D1 bis D6 dienen dabei zum Abführen parasitärer Induktionsströme aus der elektrischen Maschine EM über die Stromversorgungsleitungen SL1, SL2, die während des Betriebs der elektrischen Maschine EM in den Wicklungen WK entstehen.
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Ein mechanischer Aufbau des Leistungsmoduls LM, insbesondere die schaltungstechnische Anordnung der Halbleiterschalter T1 bis T6 und der Halbleiterdiode D1 bis D6 sowie elektrische Verbindungen von den Halbleiterschaltern T1 bis T6 und den Halbleiterdioden D1 bis D6 zu den beiden Stromversorgungsleitungen SL1, SL2 und den drei Phasenstromleitungen PL1 bis PL3 sowie den sechs Signalleitungen SL31 bis SL36 wird nachfolgend anhand von 2A, 2B, 2C, 2D und 3 näher beschrieben.
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Zunächst wird auf 2A, 2B, 2C, 2D verwiesen, die den jeweiligen Aufbau der sechs Halbleiterschalter T1 bis T6 und der sechs Halbleiterdioden D1 bis D6 anhand eines beispielhaften Halbleiterschalters T und einer beispielhaften Halbleiterdiode D zeigen, wobei in den Figuren jeweils eine der beiden Oberflächen des Halbleiterschalters T und jeweils eine der beiden Oberflächen der Halbleiterdiode D in jeweiliger Draufsicht schematisch dargestellt sind.
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Dabei sind der Halbleiterschalter T (und somit auch T1 bis T6) und die Halbleiterdiode D (und somit auch D1 bis D6) unter anderem zur Reduzierung des erforderlichen Bauraumes des Stromrichters SR als gehäuselose „nackte“ Halbleiterbauelemente ausgeführt.
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Dabei umfasst der Halbleiterschalter T eine erste Oberfläche O1 und eine zweite, der ersten Oberfläche O1 gegenüber liegende Oberfläche O2. Auf der ersten Oberfläche O1 weist der Halbleiterschalter T einen Kollektoranschluss C auf, so wie in 2A dargestellt ist. Auf der zweiten Oberfläche O2 weist der Halbleiterschalter T einen Emitteranschluss E und einen Gateanschluss G auf, so wie in 2B dargestellt ist.
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Dabei sind der Kollektor-, Emitter- und Gateanschluss C, E und G des Halbleiterschalters T als elektrische Oberflächenkontaktanschlüsse mit ausgedehnt flächiger Kontaktfläche ausgebildet, sodass diese Oberflächenkontaktanschlüsse die nahezu gesamten Oberflächen O1 und O2 des Halbleiterschalters T abdecken. Diese flächig ausgedehnt ausgebildeten Oberflächenkontaktanschlüsse ermöglichen eine niederohmige und niederinduktive elektrische Verbindung.
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Die Halbleiterdiode D umfasst ebenfalls eine erste Oberfläche O3 und eine zweite, der ersten Oberfläche O3 gegenüber liegende Oberfläche O4. Auf der ersten Oberfläche O3 weist die Halbleiterdiode D einen Kathodenanschluss K (siehe 2C) und auf der zweiten Oberfläche O4 einen Anodenanschluss A auf (siehe 2D).
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Wie beim Halbleiterschalter T sind der Kathoden- und Anodenanschluss K und A der Halbleiterdiode D als elektrische Oberflächenkontaktanschlüsse mit ausgedehnt flächiger Kontaktfläche ausgebildet, sodass diese Oberflächenkontaktanschlüsse die nahezu gesamten Oberflächen O3 und O4 der Halbleiterdiode D abdecken.
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Nachfolgend wird auf 3 verwiesen, die einen mechanischen Aufbau des Leistungsmoduls LM in einer schematischen Explosionsdarstellung zeigt.
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Zunächst wird auf mittleren Bereich der Figur verwiesen. So wie in der Mitte der Figur gezeigt ist, umfasst das Leistungsmodul LM eine Gruppe von drei ersten Stromschienen SS11, SS12 und SS13, die jeweils eine der drei, in 1 dargestellten Phasenstromleitungen PL1, PL2, PL3 oder jeweils einen Abschnitt der jeweiligen Phasenstromleitungen PL1, PL2, PL3 ausbilden. Dabei weisen die drei Stromschienen SS11, SS12 und SS13 jeweils eine erste Oberfläche O11, O101, O151 und eine zweite, der jeweiligen ersten Oberfläche O11, O101, O151 gegenüber liegende Oberfläche O12, O102, O152 auf.
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Auf der jeweiligen ersten Oberfläche O11, O101, O151 der jeweiligen drei Stromschienen SS11, SS12 und SS13 sind jeweils ein Halbleiterschalter T1, T3, T5 und jeweils eine Halbleiterdiode D1, D3, D5 nebeneinander angeordnet.
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Die Halbleiterschalter T1, T3, T5 umfassen jeweils eine erste Oberfläche O21, O111, O161, und jeweils eine zweite, der jeweiligen ersten Oberfläche O21, O111, O161 gegenüber liegende Oberfläche O22, O112, O162. Auf der jeweiligen ersten Oberfläche O21, O111, O161 weisen die drei Halbleiterschalter T1, T3, T5 den jeweiligen Kollektorschluss C1, C3, C5 auf, der jeweils als ein in 2A dargestellter Oberflächenkontaktanschluss ausgebildet ist. Auf der jeweiligen zweiten Oberfläche O22, O112, O162 weisen die drei Halbleiterschalter T1, T3, T5 den jeweiligen Emitteranschluss E1, E3, E5 und den jeweiligen Gateanschluss G1, G3, G5 auf, der jeweils als ein in 2B dargestellter Oberflächenkontaktanschluss ausgebildet ist.
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Analog umfassen die Halbleiterdioden D1, D3, D5 jeweils eine erste Oberfläche O41, O131, O171, die jeweils einen Kathodenanschluss K1, K3, K5 als einen in 2C dargestellten Oberflächenkontaktanschluss aufweist. Ferner umfassen die Halbleiterdioden D1, D3, D5 jeweils eine zweite, der jeweiligen ersten Oberfläche O41, O131, O171 gegenüber liegende Oberfläche O42, O132, O172, die jeweils einen Anodenanschluss A1, A3, A5 als einen in 2D dargestellten Oberflächenkontaktanschluss aufweist.
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Die Halbleiterschalter T1, T3, T5 sind jeweils mit der jeweiligen ersten Oberfläche O21, O111, O161 der jeweiligen Stromschienen SS11, SS12, SS13 zugewandt auf der jeweiligen ersten Oberfläche O11, O101, O151 der entsprechenden Stromschienen SS11, SS12, SS13 angeordnet und über den jeweiligen Kollektorschluss C1, C3, C5 und mittels Lötverbindungen LV mit der jeweiligen ersten Oberfläche O11, O101, O151 der jeweiligen Stromschienen S11, S12, S13 elektrisch und thermisch leitend, flächig und mechanisch verbunden.
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Analog sind die Halbleiterdioden D1, D3, D5 jeweils mit der jeweiligen ersten Oberfläche O41, O131, O171 der jeweiligen Stromschienen SS11, SS12, SS13 zugewandt auf der jeweiligen ersten Oberfläche O11, O101, O151 der entsprechenden Stromschienen SS11, SS12, SS13 angeordnet und über den jeweiligen Kathodenanschluss K1, K3, K5 und mittels weiteren Lötverbindungen LV mit der jeweiligen ersten Oberfläche O11, O101, O151 der jeweiligen Stromschienen S11, S12, S13 elektrisch und thermisch leitend, flächig und mechanisch verbunden.
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Weiter in der Mitte rechts der Figur zu sehen ist, umfasst das Leistungsmodul LM ferner eine zweite Gruppe von drei weiteren Stromschienen SS32, SS34 und SS36, die jeweils eine der drei, in 1 dargestellten Signalleitungen SL32, SL34, SL36 oder jeweils einen Abschnitt der jeweiligen Signalleitungen SL32, SL34, SL36 ausbilden. Diese Stromschienen SS32, SS34 und SS36 werden nachfolgend noch beschrieben.
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Nun wird auf oberen Bereich der Figur verwiesen. So wie in dem oberen Bereich der Figur dargestellt ist, umfasst das Leistungsmodul LM ferner eine weitere Stromschiene SS2, welche die negative Stromversorgungsleitung SL2 oder einen Abschnitt der negativen Stromversorgungsleitung SL2 ausbildet. Außerdem umfasst das Leistungsmodul LM eine weitere Gruppe von drei Stromschienen SS31, SS33, SS35, die jeweils eine der drei, in 1 dargestellten Signalleitungen SL31, SL33, SL35 oder jeweils einen Abschnitt der jeweiligen Signalleitungen SL31, SL33, SL35 ausbilden.
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Dabei weist die Stromschiene SS2 eine erste und eine zweite zueinander gegenüberliegende Oberfläche O61, O62 auf. Die Stromschiene SS2 ist auf den Halbleiterschaltern T1, T3 und T5 und den Halbleiterdioden D1, D3 und D5 angeordnet. Mit der ersten Oberfläche O61 ist die Stromschiene SS2 den jeweiligen zweiten Oberflächen O22, O112, O162 der jeweiligen Halbleiterschalter T1, T3 und T5 sowie den jeweiligen zweiten Oberflächen O42, O132, O172 der jeweiligen Halbleiterdioden D1, D3 und D5 zugewandt.
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Die drei Halbleiterschalter T1, T3, T5 sind über den jeweiligen Emitteranschluss E1, E3, E5 mittels in der Figur nicht dargestellten Lötverbindungen mit der Oberfläche O61 der Stromschiene SS2 elektrisch und thermisch leitend, flächig und mechanisch verbunden. Die drei Halbleiterdioden D1, D3 und D5 sind ihrerseits über den jeweiligen Anodenanschluss A1, A3, A5 mit der Oberfläche O61 der Stromschiene SS2 mittels weiteren in der Figur ebenfalls nicht dargestellten Lötverbindungen elektrisch und thermisch leitend, flächig und mechanisch verbunden.
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Über den jeweiligen Gateanschluss G1, G3, G5 sind die Halbleiterschalter T1, T3, T5 ferner mit jeweils einer der drei Stromschienen SS31, SS33, SS35 mittels weiteren in der Figur ebenfalls nicht dargestellten Lötverbindungen elektrisch und thermisch leitend, flächig und mechanisch verbunden. Hierzu weisen die drei Stromschienen SS31, S33, S35 jeweils eine dem jeweiligen Halbleiterschalter T1, T3, T5 zugewandte Oberfläche O81, O181, O191 auf, über die die jeweiligen Stromschienen SS31, SS33, S35 mit dem jeweiligen Gateanschluss G1, G3, G5 des jeweiligen Halbleiterschalters T1, T3, T5 in der zuvor genannten Weise verbunden sind.
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Nun wird auf unteren Bereich der Figur verwiesen. So wie in dem unteren Bereich der Figur dargestellt ist, umfasst das Leistungsmodul LM ferner drei weitere Halbleiterschalter T2, T4, T6, drei weitere Halbleiterdioden D2, D4 und D6 sowie eine weitere Stromschiene SS3.
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Dabei weisen die drei Halbleiterschalter T2, T4, T6 jeweils eine erste Oberfläche O31, O121, O201 und jeweils eine zweite, der jeweiligen ersten Oberfläche O31, O121, O201 gegenüber liegende Oberfläche O32, O122, O202 auf. Auf den jeweiligen ersten Oberflächen O31, O121, O201 weisen die Halbleiterschalter T2, T4, T6 jeweils einen Emitteranschluss E2, E4, E6 und jeweils einen Gateanschluss G2, G4, G6 als Oberflächenkontaktanschlüsse auf. Auf den jeweiligen zweiten Oberflächen O32, O122, O202 weisen die Halbleiterschalter T2, T4, T6 jeweils einen Kollektoranschluss C2, C4, C6 als Oberflächenkontaktanschlüsse auf. Die drei Halbleiterschalter T2, T4, T6 sind mit den jeweiligen ersten Oberflächen O31, O121, O201 den jeweiligen Stromschienen SS11, SS12, SS13 zugewandt angeordnet.
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Über den jeweiligen Emitteranschluss E2, E4, E6 sind die drei Halbleiterschalter T2, T4, T6 an der jeweiligen zweiten Oberfläche O12, O102, O152 einer der drei Stromschienen SS11, SS12, SS13 mittels in der Figur nicht dargestellten Lötverbindungen elektrisch und thermisch leitend, flächig und mechanisch verbunden.
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Über den jeweiligen Gateanschluss G2, G4, G6 sind die drei Halbleiterschalter T2, T4, T6 mit jeweils einer von drei in der Mitte der Figur dargestellten Stromschienen S32, SS34, S36 elektrisch und thermisch leitend, flächig und mechanisch verbunden. Dabei bilden diese drei Stromschienen SS32, SS34 und SS36 jeweils eine der drei Signalleitungen SL32, SL34 bzw. SL36 oder einen Abschnitt von den jeweiligen Signalleitungen SL32, SL34 bzw. SL36 aus und weisen jeweils eine dem jeweiligen Halbleiterschalter T2, T4 bzw. T6 zugewandte Oberfläche O91, O211, O221 auf, über die die jeweiligen Stromschienen SS32, SS34 bzw. SS36 mittels in der Figur nicht dargestellten Lötverbindungen mit dem Gateanschluss G2, G4, G6 der jeweiligen Halbleiterschalter T2, T4, T6 in der zuvor genannten Weise verbunden sind.
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Analog weisen die drei Halbleiterdioden D2, D4, D6 jeweils eine erste Oberfläche O51, O141, O231 und jeweils eine zweite, der jeweiligen ersten Oberfläche O51, O141, O231 gegenüber liegende Oberfläche O52, O142, O232 auf. Auf den jeweiligen ersten Oberflächen O51, O141, O231 weisen die Halbleiterdioden D2, D4, D6 jeweils einen Anodenanschluss A2, A4, A6 als Oberflächenkontaktanschluss auf. Auf den jeweiligen zweiten Oberflächen O52, O142, O232 weisen die Halbleiterdioden D2, D4, D6 jeweils einen Kathodenanschluss K2, K4, K6 als Oberflächenkontaktanschluss auf.
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Die drei Halbleiterdioden D2, D4, D6 sind mit den jeweiligen ersten Oberflächen O51, O141, O231 den jeweiligen Stromschienen SS11, SS12, SS13 zugewandt angeordnet. Über den jeweiligen Anodenanschluss A2, A4, A6 sind die drei Halbleiterdioden D2, D4, D6 an der jeweiligen zweiten Oberfläche O12, O102, O152 einer der drei Stromschienen SS11, SS12, SS13 mittels in der Figur nicht dargestellten Lötverbindungen elektrisch und thermisch leitend, flächig und mechanisch verbunden.
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Weiter in dem unteren Bereich der Figur dargestellt ist, umfasst das Leistungsmodul LM außerdem noch eine weitere Stromschiene SS3, die die in 1 dargestellte positive Stromversorgungsleitung SL1 oder einen Abschnitt davon ausbildet. Diese Stromschiene SS3 weist ebenfalls eine erste Oberfläche O71 und eine zweite, der ersten Oberfläche O71 gegenüber liegende Oberfläche O72 auf. Auf der ersten Oberfläche O71 weist die Stromschiene SS3 die drei Halbleiterschalter T2, T4, T6 und die drei Halbleiterdioden D2, D4, D6 auf, die mit den jeweiligen zweiten Oberflächen O32, O122, O202, O52, O142, O232 der ersten Oberfläche O71 der Stromschiene SS3 zugewandt auf der Stromschiene SS3 angeordnet sind. Dabei sind die Halbleiterschalter T2, T4, T6 über den jeweiligen Kollektoranschluss C2, C4, C6 und mittels Lötverbindungen LV mit der Stromschiene SS3 elektrisch und thermisch leitend, flächig und mechanisch verbunden. Analog sind die Halbleiterdioden D2, D4, D6 über den jeweiligen Kathodenanschluss K2, K4, K6 und mittels weiteren Lötverbindungen LV mit der Stromschiene SS3 elektrisch und thermisch leitend, flächig und mechanisch verbunden.
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Die Stromschienen SS11, SS12, SS13, SS2, SS3, SS31 bis SS36 weisen allersamt jeweils zumindest einen freiliegenden Endbereich B11, B12, B13, B2, B3 bzw. B31 bis B36 auf, die nicht von den Halbleiterschaltern T1 bis T6 oder den Halbleiterdioden D1 bis D6 bedeckt sind. Diese Endbereiche B11, B12, B13, B2, B3 bzw. B31 bis B36 bilden elektrische Anschlüsse zur elektrischen Verbindung mit weiteren in Figuren nicht dargestellten elektrischen Komponenten des Stromrichters SR bzw. mit der elektrischen Maschine EM aus.
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Damit sind die sechs Halbleiterschaltern T1 bis T6, den sechs Halbleiterdioden D1 bis D6, sowie den Stromschienen SS11 bis SS13, SS2, SS3, SS31 bis SS36 zueinander schichtweise angeordnet und in einer Sandwich-Bauweise miteinander verbunden. Dank derartiger Anordnung und derartiger Bauweise beansprucht das oben beschriebene Leistungsmodul LM einen kleinen Bauraum. Durch Entfall eines Schaltungsträgers zum Tragen der Halbleiterschaltern und der Halbleiterdioden und Herstellen elektrischer Verbindungen zu und zwischen diesen Halbleiterbauelementen kann das Leistungsmodul LM zudem einfach und kostengünstig hergestellt werden.
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Anschließend wird auf 4 verwiesen, die das Leistungsmodul LM samt einer Kühleinheit KE in einer schematischen Perspektivansicht darstellt. Dabei ist die in 3 dargestellte zweite Oberfläche O72 der Stromschiene SS3 über eine beidseitig klebende dielektrische und wärmeleitende Isolationsschicht IS auf einer ersten Oberfläche OK1 der Kühleinheit KE fest verklebt. Die Kühleinheit KE ist auf einer zweiten, der ersten Oberfläche OK1 gegenüber liegenden Oberfläche OK2 mit oberflächenvergrößernden Kühlrippen KR versehen, welche die von dem Leistungsmodul LM aufgenommene Wärme effizienter in die Umgebung abführen.
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Auf den in 3 dargestellten sechs Halbleiterschaltern T1 bis T6, den sechs Halbleiterdioden D1 bis D6, sowie den Stromschienen SS11 bis SS13, SS2, SS3, SS31 bis SS36 ist eine Moldmasse MM aus einem wärmeleitenden und dielektrischen Material umgossen. Dabei umschließt die Moldmasse MM die sechs Halbleiterschalter T1 bis T6, die sechs Halbleiterdioden D1 bis D6, sowie die Stromschienen SS11 bis SS13, SS2, SS3, SS31 bis SS36 bis auf die freiliegenden Endbereiche B11, B12, B13, B2, B3 und B31 bis B36 vollständig und luftdicht, und isoliert somit die Halbleiterschalter T1 bis T6, die Halbleiterdioden D1 bis D6 sowie die Stromschienen SS11 bis SS13, SS2, SS3, SS31 bis SS36 voneinander und von der Umgebung elektrisch. Zusätzlich verleiht die Moldmasse MM dem Leistungsmodul LM mechanische Stabilität.
