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Hintergrund
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In vergangenen Jahren haben Fortschritte hinsichtlich Technologie zu wesentlichen Änderungen im Design von Fahrzeugen geführt. Eine der Änderungen betrifft die Komplexität der elektrischen Systeme in Fahrzeugen, insbesondere mit alternativen Kraftstoffen betriebener Fahrzeuge, wie zum Beispiel Hybrid-, Elektro-, und Brennstoffzellen-Fahrzeuge. Solche mit alternativen Kraftstoffen betriebene Fahrzeuge verwenden typischerweise einen oder mehrere Elektromotoren, eventuell in Kombination mit einer weiteren Antriebseinrichtung zum Antrieb der Räder. Zusätzlich können solche Fahrzeuge ebenso andere Motoren umfassen, als auch weitere Hochspannungskomponenten zum Betrieb der weiteren verschiedenen Systeme innerhalb des Fahrzeuges, wie zum Beispiel die Klimaanlage.
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Aufgrund der Tatsache, dass mit alternativen Kraftstoffen betriebene Fahrzeuge typischerweise lediglich Gleichstrom(DC)-Energiequellen umfassen, werden Gleichstrom-zu-Wechselstrom(DC/AC)-Gleichrichter (bzw. Stromgleichrichter) bereitgestellt, um den DC-Strom in Wechselstrom(AC)-Energie umzuwandeln, welchen die Motoren im Allgemeinen benötigen. Solche Fahrzeuge, insbesondere Brennstoffzellenfahrzeuge, benutzen oftmals außerdem zwei getrennte Spannungsquellen, wie zum Beispiel eine Batterie und eine Brennstoffzelle, und zwar zur Stromversorgung der Elektromotoren, welche die Räder antreiben. Deshalb sind Stromgleichrichter ebenso typischerweise bereitgestellt, um die Energie von den zwei Spannungsquellen zu handhaben und zu übertragen.
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Es ist wünschenswert, Energieumwandler und andere Elektronikkomponenten mit verbesserter Leistung bereitzustellen, als auch Layouts und Konfigurationen, welche eine Skalierbarkeit und Modularität im Hinblick auf vielseitige Anwendungen verbessern. Weiterhin werden andere wünschenswerte Merkmale und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen und dem vorangegangenen technischen Gebiet und Hintergrund ersichtlich.
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Beschreibung der Zeichnungen
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Die beispielhaften Ausführungsformen werden hiernach in Verbindung mit den folgenden Zeichnungsfiguren beschrieben, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente kennzeichnen, und wobei:
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1 eine isometrische Ansicht einer Leistungselektronikbaueinheit in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform ist;
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2 eine teilweise isometrische Explosionsansicht der Leistungselektronikbaueinheit aus 1 in Übereinstimmung mit einer beispielhaften Ausführungsform ist;
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3 eine isometrische Ansicht der Leistungselektronikbaueinheit aus 1 in Übereinstimmung mit einer beispielhaften Ausführungsform ist;
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4–10 Ansichten der Leistungselektronikbaueinheit aus 1 sind, und zwar nach Zusammensetzung der Komponenten, und in Übereinstimmung mit einer beispielhaften Ausführungsform; und
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11 ein Fahrzeug mit der Leistungselektronikbaueinheit aus 1 in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform ist.
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Detaillierte Beschreibung
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Die folgende detaillierte Beschreibung hat lediglich beispielhaften Charakter und soll die Anwendung und Verwendungen nicht beschränken. Weiterhin soll es keine Beschränkung durch eine ausdrücklich oder implizit in dem vorangegangenen technischen Gebiet, Hintergrund, kurzen Zusammenfassung oder der folgenden detaillierten Beschreibung dargestellte Theorie geben.
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Die folgende Beschreibung bezieht sich auf Elemente oder Merkmale, welche zusammen „verbunden” oder „gekoppelt” sind. Wie hierin verwendet, kann sich „verbunden” auf ein Element/Merkmal beziehen, welches in mechanischer Weise mit einem anderen Element/Merkmal verbunden ist (oder in direkter Kommunikation damit steht), und zwar nicht notwendigerweise in direkter Weise. Ebenso kann sich „gekoppelt” auf ein Element/Merkmal beziehen, welches direkt oder indirekt mit einem anderen Element/Merkmal verbunden ist (oder direkt oder indirekt damit in Kommunikation ist), und zwar nicht notwendigerweise in mechanischer Hinsicht. Jedoch wird davon ausgegangen, dass, obwohl zwei Elemente im Folgenden in einer Ausführungsform als miteinander „verbunden” beschrieben sein können, ähnliche Elemente in alternativen Ausführungsformen „gekoppelt” sein können und umgekehrt. Somit können, obwohl die hierin gezeigten schematischen Diagramme beispielhafte Anordnungen von Elementen herausstellen, zusätzliche wechselwirkende Elemente, Einrichtungen, Merkmale oder Komponenten in einer tatsächlichen Ausführungsform vorhanden sein.
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Weiterhin können verschiedene hierin beschriebene Komponenten und Merkmale unter Verwendung bestimmter numerischer Kennzeichnungen bezeichnet werden, wie zum Beispiel erster, zweiter, dritter usw., als auch unter Verwendung von Positions- und/oder Winkel-Kennzeichnungen, wie zum Beispiel horizontal und vertikal. Jedoch sollen solche Kennzeichnungen lediglich für beschreibende Zwecke in Bezug auf Zeichnungen verwendet werden und sollten nicht als beschränkend verstanden werden, da die unterschiedlichen Komponenten in anderen Ausführungsformen auf andere Art und Weise angeordnet sein können. Es sollte ebenso davon ausgegangen werden, dass die 1–11 lediglich der Darstellung dienen und nicht maßstabsgetreu sein müssen.
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1 ist eine isometrische Ansicht einer Leistungselektronikbaueinheit (bzw. Anordnung) 100 in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform, und 2 ist eine teilweise isometrische Explosionsansicht der Leistungselektronikbaueinheit 100, wobei einige der Komponenten in Übereinstimmung mit einer beispielhaften Ausführungsform detaillierter dargestellt sind. 1 und 2 werden zusammen erläutert. Die in 1 und 2 gezeigten dreidimensionalen (x-y-z) Bezugskoordinaten werden für Darstellungszwecke und für ein besseres Verständnis der Beschreibung verwendet. Wie im Folgenden detaillierter beschrieben wird, kann ein bzw. können mehrere der Leistungselektronikbaueinheiten 100 in ein Wechselrichtersystem eingegliedert sein, wie zum Beispiel einem Wechselrichtersystem für eine Fahrzeuganwendung.
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In der Darstellung umfasst die Leistungselektronikbaueinheit 100 ein Leistungsmodul 110, eine AC-Busschiene 120, eine DC-Busschiene 130, eine Kondensatoranordnung 140, eine Steuerung 150, ein Gehäuse 160 sowie einen Stromsensor 170. In einer beispielhaften Ausführungsform sind die Komponenten in ein einzelnes in ein Energiesystem einzugliederndes „Package” (d. h. Baugruppe) integriert, entweder in Alleinstellung oder in Kombination mit zusätzlichen Leistungsbaueinheiten.
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Das Leistungsmodul 110 ist in der Darstellung in das Gehäuse 160 eingegliedert. In einer beispielhaften Ausführungsform kann das Leistungsmodul 110 ein Wechselrichter sein, welcher durch ein Schaltnetzwerk mit einem ersten mit einer Spannungsquelle gekoppelten Eingang und einem beispielsweise mit einem Motor gekoppelten Ausgang gebildet ist bzw. wird. Das Schaltnetzwerk kann Paare von in Reihe geschalteten Schalteinrichtungen mit antiparallelen Dioden umfassen und kann in der Gestalt individueller Halbleitereinrichtungen sein, wie zum Beispiel Bipolartransistoren mit isolierter Mittelelektrode (IGBTs) innerhalb integrierter Schaltkreise, welche auf Halbleiter (zum Beispiel Silizium)-Substraten (zum Beispiel einem Wafer/Chip) ausgebildet sind.
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In einer beispielhaften Ausführungsform kann das Substrat des Leistungsmodules 110 beispielsweise aus Keramik sein, ein direkt-gebondetes Aluminiumsubstrat (DBA), ein direkt-gebondetes Kupfersubstrat (DBC) und/oder ein Aktiv-Metall-gelötetes Substrat (AMB), welches in Abhängigkeit von der Anwendung ausgewählt wurde, wodurch eine flexible Lösung bereitgestellt wird. Das Leistungsmodul 110 kann Silizium oder ein Substrat mit großer Bandlücke umfassen. Das Leistungsmodul 110 kann am Gehäuse 160 in einer beliebigen geeigneten Weise befestigt sein, einschließlich beispielsweise mit sogenannten Presspassungstechniken. In der Darstellung kann das Leistungsmodul 110 innerhalb eines Abschnittes 162 des Gehäuses 160 untergebracht sein. Beispielsweise kann der Abschnitt 162 durch Innenwände gebildet sein, welche für eine Aufnahme des Leistungsmodules 110 entsprechend gestaltet sind.
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Das Leistungsmodul 110 kann zur Entfernung bzw. Ableitung von durch das Leistungsmodul 110 erzeugter Wärme/Hitze mit einer Wärmesenke 114 gekoppelt sein. Somit kann die Wärmesenke 114 auf der Unterseite des Leistungsmodules 110 befestigt sein, um eine thermische Ableitung (Wärmeableitung) weg von den elektronischen Komponenten bereitzustellen. Die Wärmesenke 114 kann eine Anzahl an Pins bzw. Rippen zur Ermöglichung bzw. Erleichterung der Wärmeableitung umfassen. Die Wärmesenke 114 kann im Gehäuse 160 derart befestigt sein, so dass die Pins bzw. Rippen, wie in 3 dargestellt ist, für eine Wärmeableitung exponiert sind, wobei 3 eine isometrische Ansicht der Unterseite des Leistungsmodules 110 ist. In einer beispielhaften Ausführungsform kann das Gehäuse 160 eine Öffnung zur Aufnahme der Wärmesenke 114 umfassen und mit Schrauben bzw. anderen Befestigungsmitteln am Gehäuse 160 befestigt sein. Die integrierte Wärmesenke kann aus einem beliebigen geeigneten Material hergestellt sein, wie zum Beispiel Aluminium, Kupfer und/oder Kupfer mit einer Aluminiumbeschichtung.
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Wie ebenso oben bereits erwähnt wurde, ist die AC-Busschiene 120 in die Leistungselektronikbaueinheit 100 eingegliedert und zusammen mit den verschiedenen elektronischen Komponenten gekoppelt. Wie im Folgenden detaillierter erläutert wird, überträgt die AC-Busschiene 120 den AC-Strom vom Leistungsmodul 110 und führt den Strom schließlich durch den Stromsensor 170 und zu dem Motorverbinder 121, wie in 3 gezeigt ist. Die AC-Busschiene 120 kann für die Leistungselektronikbaueinheit 100 eine direkte Motorverbindung bereitstellen.
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Gleichermaßen ist die DC-Busschiene 130 in die Leistungselektronikbaueinheit 100 eingegliedert und mit den verschiedenen elektronischen Komponenten gekoppelt, einschließlich der Kondensatoranordnung 140 und des Leistungsmodules 110. Die DC-Busschiene 130 kann einen oder mehrere Anschlüsse 132 umfassen.
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Die Busschienen 120, 130 können aus einem geeigneten Material mit der gewünschten elektrischen und thermischen Leitfähigkeit hergestellt sein, wie zum Beispiel aus Kupfer, Aluminium, einer Legierung davon, oder dergleichen. In der Abbildung sind die Busschienen 120, 130 relativ flach oder eben, um die elektrischen Verbindungen zwischen Komponenten bereitzustellen, während sie in die Leistungselektronikbaueinheit 100 integriert sind.
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Die Kondensatoranordnung 140 ist, wie dargestellt, in die Leistungselektronikbaueinheit 100 eingegliedert. In einer beispielhaften Ausführungsform ist die Kondensatoranordnung 140 innerhalb eines Abschnittes bzw. Bereiches 164 des Gehäuses 160 positioniert. Beispielsweise kann der Abschnitt 164 durch Innenwände gebildet sein, welche für eine Aufnahme des Gehäuses der Kondensatoranordnung 140 entsprechend gestaltet sind. Im Allgemeinen kann die Kondensatoranordnung 140 einen oder mehrere Sätze von leitfähigen Blechen umfassen, und zwar beabstandet voneinander und in Spulenform gewunden (zum Beispiel als eine Trommel oder auch „Bobbin” genannt), um einen oder mehrere Kondensatoren zu bilden, wie gemeinhin bekannt ist. Wie unten beschrieben ist, kann der Kapazitätswert der Kondensatoranordnung 140 durch Vergrößern der Breite der Spule erhöht werden, zum Beispiel in der x-Richtung, oder durch Reduzieren der Schichtdicke. Die Kondensatoranordnung 140 kann ein Stützkondensator (bulk capacitor) sein.
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Die Steuerung 150 ist, wie dargestellt, in die Leistungselektronikbaueinheit 100 eingegliedert. Die Steuerung 150 kann aus einem Substrat 159 und verschiedenen darauf montierten elektronischen Komponenten 157 gebildet sein. In dieser beispielhaften Ausführungsform ist die Steuerung 150 mit Schrauben oder anderen Befestigungsmitteln, welche sich durch das Substrat 159 hindurch erstrecken, am Gehäuse 160 befestigt. Die Steuerung 150 kann eine integrierte Ansteuerung mit einem optimierten ASIC für verbesserte Bearbeitungsleistungen sein. Die Steuerung 150 kann mit Hilfe von Presspassungstechniken mit dem Leistungsmodul 110 gekoppelt sein. Während des Betriebs kann die Steuerung 150 Eingaben für das Leistungsmodul 110 bereitstellen, und zwar zum Betrieb der Schalteinrichtungen des Leistungsmodules 110 zur Generierung der gewünschten Spannungswellenform zum Betreiben des Motors bzw. entsprechend der Last.
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Die Leistungselektronikbaueinheit 100 kann weiterhin einen im Gehäuse 160 angeordneten Hall-Effekt-Stromsensor 170 umfassen. Diese Anordnung stellt innerhalb der Leistungselektronikbaueinheit 100 einen integrierten Stromsensor bereit. Der Stromsensor 170 kann mit dem Gehäuse 160 mittels Presspassung verbunden sein. In der Darstellung kann der Stromsensor 170 innerhalb eines Abschnittes 166 des Gehäuses 160 untergebracht sein.
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Beispielsweise kann der Abschnitt 166 durch Innenwände gebildet sein, welche zur Aufnahme des Stromsensors 170 entsprechend gestaltet sind.
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Während des Betriebes, wenn Strom vom Leistungsmodul 110 zum Motor fließt, kann der Strom durch elektrische Leiterelemente fließen, welche vom Stromsensor 170 überwacht werden. Der Stromsensor 170 kann Steuersignale erzeugen, welche an die Steuerung 150 übermittelt werden, um in geeigneter Weise die dem Motor bereitgestellte Energie (bzw. den Strom) zu regulieren.
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Das Gehäuse 160 fixiert allgemein jede der oben beschriebenen Komponenten in einer integrierten Einheit, zum Beispiel als ein Träger für jede der Komponenten in einer Presspassungsanordnung. In einer beispielhaften Ausführungsform kann das Gehäuse 160 aus Plastik bzw. Kunststoffmaterial hergestellt sein. Herkömmliche elektronische Systeme für solche Anwendungen sind durch getrennte Komponenten gebildet, zum Beispiel mit nur minimaler oder keiner Integration. In der herausgestellten beispielhaften Ausführungsform sind jeweils das Leistungsmodul 110, die Kondensatoranordnung 140 und der Stromsensor 170 im Gehäuse in individuellen Bereichen oder Abschnitten befestigt (zum Beispiel Bereiche 162, 164, 166), welche durch Innenwände des Gehäuses 160 gebildet sind. Die verbleibenden Komponenten, zum Beispiel Busschiene 120, werden am Gehäuse befestigt, und funktionieren folglich als eine Abdeckung im Sinne einer weiteren Befestigung des Leistungsmodules 110, der Kondensatoranordnung 140 und des Stromsensors 170. Wie oben bereits erwähnt wurde, können die Busschiene 120 und die Wärmesenke 114, als auch jegliche andere Komponenten mit Schrauben oder anderen Befestigungsmitteln zur Bereitstellung der integrierten Einheit mit dem Gehäuse in befestigender Weise verbunden werden. In der Darstellung kann das Gehäuse 160 integrierte Befestigungspunkte zur Aufnahme der Schrauben bzw. Befestigungsmittel aufweisen, und zwar in der Form von Gewindelöchern bzw. Gewindebolzen, zum Beispiel Schrauben 122 für die AC-Busschiene 120, Schrauben 154 für die Steuerung 150 und Schrauben 134 für die DC-Busschiene 130.
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In einer beispielhaften Ausführungsform bildet die AC-Busschiene 120 folglich einen Abschnitt des Gehäuses, wobei die AC-Busschiene 120 derart dimensioniert ist, um den Abschnitt 166 des Gehäuses 110 abzudecken. In der Darstellung weist die AC-Busschiene 120 eine Breite und Länge auf (zum Beispiel in der x- und y-Richtung), um den Gehäuseabschnitt 166 bei Befestigung am Gehäuse 160 mittels Schrauben 122 oder anderer Befestigungsmittel abzudecken. In dieser Position ist die AC-Busschiene 120 ebenso über Pins 153 mit dem Leistungsmodul 110 gekoppelt und bezüglich der DC-Busschiene 130 mit Schrauben 126 oder anderen Befestigungsmitteln befestigt, und zwar in Befestigungslöchern, welche zur Aufnahme der Schrauben 126 an dem Gehäuseabschnitt 166 oder einen Teil des Gehäuseabschnittes 166 bilden.
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In ähnlicher Weise kann die DC-Busschiene 130 einen Abschnitt des Gehäuses bilden, in welchem die DC-Busschiene 130 derart dimensioniert ist, um den Abschnitt 164 des Gehäuses 110 abzudecken. In der Darstellung weist die DC-Busschiene 130 eine Breite und Länge auf (zum Beispiel in der x- und y-Richtung), um bei Befestigung des Gehäuses 116 mit Schrauben 124 oder anderen Befestigungsmitteln in Befestigungslöchern, welche zur Aufnahme der Schraube 124 an dem Gehäuseabschnitt 164 angrenzen oder einen Teil davon bilden, den Gehäuseabschnitt 164 abzudecken. In dieser Position ist die DC-Busschiene 130 durch Pins 142 mit der Kondensatoranordnung 140 gekoppelt.
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Ebenso ist in der Darstellung gezeigt, dass die Steuerung 150 über der AC-Busschiene 120, der DC-Busschiene 130 und dem Leistungsmodul 110 angeordnet ist. Folglich dienen die Steuerung 150 und Anordnung der Busschienen 120, 130 als Abdeckung des Gehäuseabschnittes 162. Die Steuerung 150 ist durch Pins 152 mit dem Leistungsmodul 110 und durch Schrauben 154 mit dem Gehäuse gekoppelt.
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Die Leistungselektronikbaueinheit 100 kann zusätzlich zu den oben beschriebenen Busschienen 120, 130 beliebige geeignete interne Verbindungen aufweisen. Beispielsweise Verbinder, wie zum Beispiel vollständig gesinterte Verbinder, können zwischen der Wärmesenke 114 und dem Substrat des Leistungsmodules 110 und/oder dem Substrat und dem Wafer bzw. Chip des Leistungsmodules 110 bereitgestellt werden. Solche gesinterten Verbinder können durch elektrisch bearbeitetes Metall bereitgestellt werden, welches in eine gewünschte Gestalt gepresst wurde, und dann bei einer erhöhten Temperatur gesintert wurde, um die Verbindung bzw. den Verbinder bereitzustellen. Flachbandverbindungen können zwischen dem Chip und dem Keramiksubstrat des Leistungsmodules 110 bereitgestellt werden, welche durch den Presspassungs-Rahmen ermöglicht werden können. Gesinterte Silberverbindungen können zwischen der Wärmesenke 114 und dem keramischen Substrat und/oder dem Chip des Leistungsmodules 110 bereitgestellt werden.
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Als ein Ergebnis dieser Konfiguration ist die Leistungselektronikbaueinheit 100 sowohl skalierbar als auch modular, und zwar sowohl für Strom als auch für Spannung. Die Leistungselektronikbaueinheit 100 ist dahingehend modular, dass eine oder mehrere der Leistungselektronikbaueinheiten 100 nach Bedarf oder in Abhängigkeit der Anwendung kombiniert werden können. Beispielsweise können drei der oben beschriebenen Leistungselektronikbaueinheiten 100 zur Bildung eines dreiphasigen Wechselrichters kombiniert werden, und sechs der oben erläuterten Leistungselektronikbaueinheiten 100 können zur Bildung eines dualen dreiphasigen Wechselrichters kombiniert werden. Weiterhin können in einer beispielhaften Ausführungsform die unterschiedlichen elektrischen Komponenten und das Gehäuse derart ausgebildet werden, so dass durch Ändern der Dimensionen der Leistungselektronikbaueinheit 100 in eine Richtung Strom und Kapazität skalierbar sein können (zum Beispiel erhöht oder vermindert werden können). Beispielsweise kann der Strom durch Erhöhen der Breite des Leistungsmodules 110 in der x-Richtung, wie in 1 und 2 gezeigt ist, erhöht werden. In ähnlicher Weise können die Kapazität oder die Spannung durch Erhöhen der Breite der Kondensatoranordnung 140 in der x-Richtung erhöht werden. Somit können entweder ein oder beide Parameter durch Vergrößern der Leistungselektronikbaueinheit 100 in eine einzelne Richtung unter Beibehaltung der anderen beiden Dimensionen erhöht werden. In einer beispielhaften Ausführungsform kann der Strom von etwa 230 A auf etwa 450 A hochskaliert werden, die Spannung von etwa 400 V auf etwa 700 V hochskaliert werden, und die Kapazität kann von etwa 75 μF auf etwa 155 μF hochskaliert werden, zum Beispiel durch Anpassen der Dicke/Stärke von etwa 3,0 μm auf etwa 2,3 μm. Eine solche Anordnung kann das Energie-zu-Volumen-Verhältnis erhöhen. Das Leistungsmodul 110 der Leistungselektronikbaueinheit 100 kann als eine Einrichtung mit breiter Bandlücke (zum Beispiel SiC, GaN) oder Silizium in Abhängigkeit von der Anwendung ausgebildet sein. Die Leistungselektronikbaueinheit 100 kann eine integrierte Ansteuerung aufweisen (zum Beispiel Steuerung 150), eine Kondensatoranordnung 140 und einen Stromsensor 170 mit einer „Half Bridge”-Topologie. Wie oben bereits erwähnt wurde, weist die Leistungselektronikbaueinheit 100 eine integrierte AC-Busschiene 120 und eine „Ultra-Low” DC-Busschiene 130 in einer Half Bridge-Topologie auf. Das Leistungsmodul 110 kann über Presspassungstechniken mit der Steuerung 150, der AC-Busschiene 120 und der DC-Busschiene 130 verbunden werden.
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4 bis 10 sind Ansichten der Leistungselektronikbaueinheit 100 aus 1 mit zusammengesetzten Komponenten in Übereinstimmung mit einer beispielhaften Ausführungsform. Insbesondere zeigt 4 eine isometrische Ansicht des Leistungsmodules 110, einschließlich des mit dem Substrat 113 verbundenen Chips 111.
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5 zeigt eine isometrische Ansicht des mit der Wärmesenke 114 gekoppelten Leistungsmodules 110. Wie oben bereits erwähnt wurde, weist die Wärmesenke 114 eine Anzahl von Befestigungspunkten zur Befestigung der Wärmesenke 114 am Gehäuse 160 und der Steuerung 150 auf.
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6 zeigt die Pins 152, welche nach vollständiger Montage das Leistungsmodul 110 mit der Steuerung 150 koppeln, so dass Signale dazwischen bereitgestellt werden können. 6 zeigt außerdem Pins 153 und 155. Pins 153 koppeln das Leistungsmodul 110 mit der AC-Busschiene 120, und Pins 155 koppeln das Leistungsmodul 110 mit der DC-Busschiene 130. In einigen Ausführungsformen kann der Chip 111, das Substrat 113, die Wärmesenke 114 und die Pins 152, 153 und 155 zusammen als das Leistungsmodul 110 bezeichnet werden.
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7 zeigt das in dem Gehäuse 160 befestigte Leistungsmodul 110 und die Kondensatoranordnung 140. Wie oben bereits erwähnt wurde, ist das Leistungsmodul 110 im Abschnitt 162 und die Kondensatoranordnung 140 im Abschnitt 164 befestigt.
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8 zeigt die innerhalb der Leistungselektronikbaueinheit 100 befestigte DC-Busschiene 130. Wie oben bereits erwähnt wurde, ist die DC-Busschiene 130 mit dem Leistungsmodul 110 über Pins 155 gekoppelt, und wie insbesondere in 8 gezeigt ist, sind die mit der AC-Busschiene 120 zu koppelnden Pins 153 über eine Öffnung in der DC-Busschiene aufgenommen, und zwar isoliert von den AC-Signalen.
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9 zeigt die innerhalb der Leistungselektronikbaueinheit 100 über einem Abschnitt der DC-Busschiene 130 befestigte und mit den Pins 153 gekoppelte AC-Busschiene 120. 9 zeigt ebenso die Befestigungspunkte, welche die AC-Busschiene 120 am Gehäuse 160 befestigen.
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10 zeigt die innerhalb der Leistungselektronikbaueinheit 100 über Abschnitten der DC-Busschiene 130 und AC-Busschiene 120 befestigte Steuerung 150. Wie oben bereits erwähnt wurde, ist die Steuerung 150 über Pins 152 mit dem Leistungsmodul 110 gekoppelt. Die vollständige Leistungselektronikbaueinheit 100 ist in 1 dargestellt, einschließlich der Schrauben und weiterer Befestigungsmittel, welche die Leistungselektronikbaueinheit zusammenhalten.
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Die Leistungselektronikbaueinheit 100 kann in Anwendungen mit hohem Strom bzw. hoher Energie und hoher Temperatur verwendet werden. Während der Herstellung können die gleiche Montagestraße und die gleichen Montagevorgänge für alle Variationen der oben beschriebenen Leistungselektronikbaueinheiten 100 verwendet werden.
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Wie oben bereits erwähnt wurde, kann eine oder können mehrere der Leistungselektronikbaueinheiten 100 ein Energiewechselrichtermodul und Energiewandlermodule bilden, welche für Hybrid-, Plug-in-Hybrid-, Brennstoffzellen-, Elektro-, Extended Range Elektrofahrzeuge und andere Arten von Fahrzeugen verwendet werden, als auch für nicht-fahrzeugbezogene Anwendungen in einem skalierbaren und modularen Aufbau. Solche Designlösungen ermöglichen gleichbleibende mechanische, thermische und elektrische Leistungseigenschaften hinsichtlich einer großen Bandbreite an Leistungsmodulen und elektronischen Komponenten. Beispielsweise können die Leistungselektronikbaueinheiten 100 die gleichen Ausfall- bzw. Fehlverhalten-Betriebsarten für alle Module und alle Fahrzeuge aufweisen, eine geringere Anzahl an Komponentenvalidierungen, und eine mehr inhaltsbezogene Validierung (Plausibilitätsprüfung bzw. Bestätigung) bei Hauptkomponenten einer bestimmten Betriebsstufe. Mit solchen Designeigenschaften kann die Leistungselektronikbaueinheit 100 eine relativ einfache Lösung bei reduzierten Kosten und erhöhter Flexibilität für eine Mehrzahl an Plattformen bzw. Anbindungen bereitstellen.
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Wie oben bereits erwähnt wurde, können eine bzw. mehrere der Leistungselektronikbaueinheiten 100 zur Bildung einer Energieumwandleranordnung kombiniert werden, wie zum Beispiel solche, wie sie in Fahrzeuganwendungen verwendet werden. 11 ist eine beispielhafte Umsetzung der oben beschriebenen Leistungselektronikbaueinheiten 100.
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11 zeigt ein Fahrzeug (oder „Automobil”) 210 in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Automobil 300 umfasst ein Fahrwerk 312, eine Karosserie 314, vier Räder 316 und ein elektronisches Steuersystem 318. Die Karosserie 314 ist auf dem Fahrwerk 312 angeordnet und umgibt im Wesentlichen die anderen Komponenten des Automobils 310.
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Die Karosserie 314 und das Fahrwerk 312 können zusammen einen Rahmen bilden. Die Räder 316 sind jeweils in drehbarer Weise mit dem Fahrwerk 312 nahe einer entsprechenden Ecke der Karosserie 314 gekoppelt.
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Wie oben bereits erwähnt wurde, kann das Automobil 310 von einer Art von einer Anzahl von verschiedenen Arten an Automobilen sein, wie zum Beispiel eine Limousine, ein Kombi, ein Lastwagen oder ein Sports Utility Vehicle (SUV), und kann Zweiradantrieb (2WD) (das heißt Hinterradantrieb oder Vorderradantrieb) aufweisen, Vierradantrieb (4WD), oder Allradantrieb (AWD). Das Automobil 310 kann ebenso eine beliebige Art oder eine Kombination einer Anzahl verschiedener Arten von Motoren aufweisen, wie zum Beispiel einen mit Benzin- bzw. Dieselkraftstoff betriebenen Verbrennungskraftmotor, einen Gemischt-Kraftstoff-Fahrzeug-Motor (FFV = Flex Fuel Vehicle) (das heißt, unter Verwendung einer Mischung von Benzin und Ethanol), einen mit einem Gasgemisch betriebenen Motor (zum Beispiel Wasserstoff und/oder Erdgas), einen Hybridmotor bestehend aus einem Verbrennungsmotor und einem Elektromotor, und einem reinen Elektromotor.
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In der in 11 dargestellten beispielhaften Ausführungsform ist das Automobil 310 ein Hybridfahrzeug, und umfasst weiterhin eine Antriebsanordnung 320, eine Batterie (oder eine Hochspannungs-Gleichstrom(DC)-Energiequelle) 322, eine Energieumwandleranordnung (zum Beispiel eine Wechselrichteranordnung) 324 und einen Kühler 326. Die Antriebsanordnung 320 umfasst einen Verbrennungsmotor 328 und einen Elektromotor/Generator (oder Motor) 330. Wie vom Fachmann bevorzugt wird, umfasst der Elektromotor 330 ein darin befindliches Getriebe, und umfasst, obwohl nicht dargestellt, ebenso eine Statoranordnung (einschließlich leitfähiger Spulenwindungen), eine Rotoranordnung (einschließlich eines ferromagnetischen Kernes) und ein Kühlfluid (das heißt, ein Kühlmittel). Die Statoranordnung und/oder die Rotoranordnung im Elektromotor 330 können nach allgemeinem Verständnis mehrere elektromagnetische Pole umfassen (zum Beispiel sechzehn Pole).
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Weiterhin mit Bezug auf 11 sind in einer Ausführungsform der Verbrennungskraftmotor 328 und der Elektromotor 330 derart integriert, so dass beide in mechanischer Weise mit wenigstens einigen der Räder 316 über eine oder mehrere Antriebswellen 332 gekoppelt sind. Der Kühler 326 ist mit einem äußeren Abschnitt des Rahmens verbunden und, obwohl nicht im Detail dargestellt, umfasst mehrere Kühlkanäle darin, welche ein Kühlfluid (das heißt Kühlmittel) enthalten, wie zum Beispiel Wasser und/oder Ethylenglykol (das heißt ein „Antifrost”Mittel) und ist mit dem Motor 328 und der Energieumwandleranordnung 324 gekoppelt, welche ein Gleichstrom-zu-Wechselstrom(DC/AC)-Wechselrichter (das heißt, ein DC-zu-AC-Wechselrichter) in einer beispielhaften Ausführungsform sein kann, oder ein Gleichstrom-zu-Gleichstrom(DC/DC)-Umwandler als ein alternatives Beispiel. Wie oben bereits erwähnt wurde, kann die Energieumwandleranordnung 324 durch eine oder mehrere der oben beschriebenen Leistungselektronikbaueinheiten 100 gebildet werden.
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Während des Betriebes wird das Automobil 310 durch Bereitstellen von Energie bzw. Drehmoment an die Räder 316 mit Hilfe des Verbrennungskraftmotors 328 und des Elektromotors 330 in einer alternierenden Art und Weise angetrieben und/oder bei gleichzeitigem Betrieb des Verbrennungskraftmotors 328 und des Elektromotors 330. Zum Betreiben des Elektromotors 330 wird die Energieumwandleranordnung 324 mit Gleichstrom von der Batterie 322 versorgt (und im Falle eines Brennstoffzellenfahrzeuges mit Strom einer Brennstoffzelle), welche den Gleichstrom in Wechselstrom umwandelt, bevor der Strom dem Elektromotor 330 zugeführt wird.
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Während wenigstens eine beispielhafte Ausführungsform in der vorangegangenen detaillierten Beschreibung dargestellt wurde, wird bevorzugt, dass eine große Anzahl an Variationen besteht. Es wird außerdem bevorzugt, dass die beispielhafte Ausführungsform bzw. beispielhaften Ausführungsformen lediglich Beispiele sind, und den Umfang, die Anwendbarkeit bzw. Konfiguration der Offenbarung in keinster Weise beschränken sollen. Vielmehr soll die vorangegangene detaillierte Beschreibung dem Fachmann eine praktische Anleitung zur Umsetzung der beispielhaften Ausführungsform bzw. beispielhaften Ausführungsformen zur Verfügung stellen. Es wird davon ausgegangen, dass hinsichtlich der Funktion und Anordnung der Elemente verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne den Umfang der Offenbarung zu verlassen, wie er in den beigefügten Ansprüchen und deren rechtlicher Äquivalente definiert ist.
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Weitere Ausführungsformen
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- 1. Leistungselektronikbaueinheit, umfassend:
ein Gehäuse;
ein im Gehäuse befestigtes Leistungsmodul;
eine im Gehäuse befestigte und mit dem Leistungsmodul gekoppelte Steuerung;
eine mit dem Leistungsmodul gekoppelte und im Gehäuse befestigte Kondensatoranordnung;
eine im Gehäuse befestigte AC-Busschiene; und
eine DC-Busschiene, welche die Kondensatoranordnung mit dem Leistungsmodul koppelt und im Gehäuse befestigt ist.
- 2. Leistungselektronikbaueinheit nach Ausführungsform 1, weiterhin umfassend eine an einer Unterseite des Leistungsmodules befestigte Wärmesenke.
- 3. Leistungselektronikbaueinheit nach Ausführungsform 2, wobei die Wärmesenke auf dem Gehäuse befestigt ist.
- 4. Leistungselektronikbaueinheit nach Ausführungsform 3, wobei die Wärmesenke eine erste Seite mit einer im Wesentlichen ebenen Oberfläche aufweist und eine zweite Seite mit Pins, und wobei das Gehäuse derart eine Öffnung definiert, so dass die erste Seite der Wärmesenke die Öffnung abdeckt und in Kontakt mit dem Leistungsmodul ist und sich die Pins weg vom Gehäuse erstrecken.
- 5. Leistungselektronikbaueinheit nach Ausführungsform 4, weiterhin umfassend vollständig gesinterte Verbinder zwischen der Wärmesenke und dem Leistungsmodul.
- 6. Leistungselektronikbaueinheit nach Ausführungsform 1, weiterhin umfassend einen Stromsensor, welcher dazu ausgebildet ist, einen Strom vom Leistungsmodul zu überwachen und Steuersignale für die Steuerung zu erzeugen.
- 7. Leistungselektronikbaueinheit nach Ausführungsform 6, wobei der Stromsensor im Gehäuse untergebracht ist.
- 8. Leistungselektronikbaueinheit nach Ausführungsform 1, wobei das Gehäuse eine Basis und Wände aufweist, welche sich im Wesentlichen senkrecht von der Basis erstrecken, und wobei das Leistungsmodul und die Kondensatoranordnung auf der Basis des Gehäuses angeordnet sind.
- 9. Leistungselektronikbaueinheit nach Ausführungsform 8, wobei die Wände einen ersten Abschnitt bilden, welcher das Leistungsmodul umgibt, und einen zweiten Abschnitt, welcher die Kondensatoranordnung umgibt.
- 10. Leistungselektronikbaueinheit nach Ausführungsform 9, wobei die DC-Busschiene zur Abdeckung des zweiten Abschnittes über der Kondensatoranordnung positioniert ist und zur wenigstens teilweisen Abdeckung des ersten Abschnittes über dem Leistungsmodul positioniert ist.
- 11. Leistungselektronikbaueinheit nach Ausführungsform 10, wobei der zweite Abschnitt einen ersten Satz an Befestigungslöchern umfasst und wobei die DC-Busschiene am Gehäuse mittels eines ersten Satzes an Befestigungsmitteln befestigt ist, welche sich durch die DC-Busschiene in den ersten Satz von Befestigungslöchern erstrecken.
- 12. Leistungselektronikbaueinheit nach Ausführungsform 11, wobei die AC-Busschiene über den ersten Abschnitt zur Abdeckung des Leistungsmodules und wenigstens eines Abschnittes der DC-Busschiene angeordnet ist.
- 13. Leistungselektronikbaueinheit nach Ausführungsform 12, wobei der erste Abschnitt einen zweiten Satz an Befestigungslöchern umfasst, und wobei die AC-Busschiene am Gehäuse mittels eines zweiten Satzes an Befestigungsmitteln befestigt ist, welche sich durch die AC-Busschiene in den zweiten Satz an Befestigungslöchern erstrecken.
- 14. Leistungselektronikbaueinheit nach Ausführungsform 13, wobei das Gehäuse weiterhin einen dritten Abschnitt definiert, wobei die Leistungselektronikbaueinheit weiterhin einen in dem dritten Abschnitt angeordneten Hall-Effekt-Sensor umfasst, und wobei die AC-Busschiene den dritten Abschnitt und den Hall-Effekt-Sensor abdeckt.
- 15. Leistungselektronikbaueinheit nach Ausführungsform 14, wobei die Steuerung über wenigstens Abschnitten der AC-Busschiene, der DC-Busschiene und des Leistungsmodules angeordnet ist.
- 16. Leistungselektronikbaueinheit nach Ausführungsform 15, wobei das Gehäuse einen dritten Satz an Befestigungslöchern umfasst, und wobei die Steuerung am Gehäuse mit einem dritten Satz an Befestigungsmitteln befestigt ist, welche sich durch die Steuerung in den dritten Satz an Befestigungslöchern erstrecken.
- 17. Verfahren zur Bildung einer Leistungselektronikbaueinheit, die folgenden Schritte umfassend:
Positionieren, mittels einer Presspassung, eines Leistungsmodules innerhalb eines ersten Abschnittes eines Gehäuses;
Positionieren, mittels einer Presspassung, einer Kondensatoranordnung innerhalb eines zweiten Abschnittes des Gehäuses;
Befestigen einer DC-Busschiene am Gehäuse über dem ersten Abschnitt und dem zweiten Abschnitt und
Koppeln der DC-Busschiene mit dem Leistungsmodul und der Kondensatoranordnung mittels Presspassung;
Befestigen einer AC-Busschiene am Gehäuse über dem zweiten Abschnitt und Koppeln der AC-Busschiene mit dem Leistungsmodul mittels Presspassung; und
Befestigen einer Steuerung über wenigstens Abschnitten des Leistungsmodules, der DC-Busschiene und der AC-Busschiene.
- 18. Verfahren nach Ausführungsform 17, weiterhin die folgenden Schritte umfassend:
Positionieren, mittels einer Presspassung, eines Stromsensors in einem dritten Abschnitt des Gehäuses, und
wobei der Schritt des Befestigens der AC-Busschiene ein Befestigen der AC-Busschiene über dem dritten Abschnitt und dem Stromsensor umfasst.
- 19. Verfahren nach Ausführungsform 17, weiterhin den folgenden Schritt umfassend:
Anbringen der DC-Busschiene, der AC-Busschiene und der Steuerung am Gehäuse mit Hilfe von Befestigungsmitteln.
- 20. Leistungselektronikbaueinheit, umfassend:
ein Gehäuse mit Wänden, welche einen ersten Abschnitt, einen zweiten Abschnitt und einen dritten Abschnitt bilden;
ein in dem ersten Abschnitt des Gehäuses befestigtes Leistungsmodul;
eine mit dem Leistungsmodul gekoppelte und in dem zweiten Abschnitt des Gehäuses befestigte Kondensatoranordnung;
eine die Kondensatoranordnung mit dem Leistungsmodul koppelnde und am Gehäuse befestigte DC-Busschiene, welche wenigstens teilweise die ersten und zweiten Abschnitte abdeckt;
einen mit dem Leistungsmodul gekoppelten und in dem dritten Abschnitt des Gehäuses befestigten Stromsensor;
eine mit dem Leistungsmodul gekoppelte und am Gehäuse befestigte AC-Busschiene, welche wenigstens teilweise den ersten Abschnitt und den dritten Abschnitt abdeckt;
eine am Gehäuse befestigte Steuerung, welche wenigstens teilweise die AC-Busschiene, die DC-Busschiene und das Leistungsmodul abdeckt; und
eine am Gehäuse befestigte Wärmesenke zur Kontaktierung des Leistungsmoduls.
