DE102015224497A1 - Leistungselektronikanordnung, elektrische Antriebsvorrichtung mit einer Leistungselektronikanordnung - Google Patents

Leistungselektronikanordnung, elektrische Antriebsvorrichtung mit einer Leistungselektronikanordnung Download PDF

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Abstract

Offenbart wird eine Leistungselektronikanordnung (LA1; LA2), umfassend: – einen Kühlkörper (KK) mit einer Oberfläche (OF); – eine Leiterplatte (LP1; LP2) auf der Oberfläche (OF), welche mit dem Kühlkörper (KK) mechanisch und thermisch verbunden ist und mindestens eine Sollbruchstelle (BS1; BS2) zum Ausgleich unterschiedlicher thermischer Ausdehnung zwischen dem Kühlkörper (KK) und der Leiterplatte (LP1; LP2) umfasst. Ferner wird eine elektrische Antriebsvorrichtung mit einer genannten Leistungselektronikanordnung (LA1; LA2) beschrieben.

Description

  • Technisches Gebiet:
  • Die Erfindung betrifft eine Leistungselektronikanordnung, insb. für eine elektrische Antriebsvorrichtung, sowie eine elektrische Antriebsvorrichtung, insb. für ein Hybridelektro-/Elektrofahrzeug, mit einer genannten Leistungselektronikanordnung.
  • Stand der Technik:
  • Leistungselektronikanordnungen, insb. für elektrische Antriebsvorrichtungen zum Antrieb von Hybridelektro-/Elektrofahrzeugen, sind extremen Betriebsbedingungen ausgesetzt, in denen eine Betriebsspannung von beispielsweise über 400 Volt und ein Betriebsstrom in Höhe von über 100 Ampere herrschen. Diese extremen Betriebsbedingungen erfordern eine hohe Zuverlässigkeit bei den Leistungselektronikanordnungen.
  • Damit besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine zuverlässige Leistungselektronikanordnung bereitzustellen.
  • Beschreibung der Erfindung:
  • Diese Aufgabe wird durch Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die bauteilbedingte Verlustleistung in den Leistungselektronikanordnungen einer der wichtigsten Faktoren ist, welche der Zuverlässigkeit der Leistungselektronikanordnungen entgegenstehen.
  • Aufgrund der bauteilbedingten Verlustleistung bei den Leistungselektronikanordnungen entsteht während des Betriebs der Leistungselektronikanordnungen enorme Abwärme in den Leistungselektronikanordnungen. Diese Abwärme kann zu Leistungseinbrüchen bei den Leistungselektronikanordnungen oder gar zum Ausfall der Leistungselektronikanordnungen führen und muss deshalb zeitnah zu deren Entstehung abgeführt und unschädlich gemacht werden. Hierzu werden die Leistungselektronikanordnungen auf metallische Kühlkörper angeordnet und mit den Kühlkörpern mechanisch verbunden und thermisch kontaktiert. Da die Leistungselektronikanordnungen bzw. deren Leiterplatten und die Kühlkörper aus unterschiedlichen Materialien bestehen, weisen diese auch unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten auf. Die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten führen dazu, dass die Leiterplatten und die Kühlkörper während des Betriebs der Leistungselektronikanordnungen unterschiedlich ausdehnen. Durch die unterschiedlichen Ausdehnungen entstehen an Verbindungsstellen zwischen den Leistungselektronikanordnungen und den Kühlkörpern mechanische Spannungen. Diese mechanischen Spannungen führen zur schnelleren Materialermüdung bei den Leistungselektronikanordnungen und im Extremfall sogar dazu, dass die Leistungselektronikanordnungen bzw. deren Leiterplatten unkontrolliert brechen. Dies kann wiederum zum Ausfall der Leistungselektronikanordnungen bzw. der elektrischen Antriebsvorrichtungen führen, was im Falle eines Hybrid-/Elektrofahrzeugs wiederum dazu führen kann, dass das Fahrzeug nicht mehr manövriert werden kann.
  • Um diesem entgegenzuwirken und die Leistungselektronikanordnung zuverlässiger zu machen, wird gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung eine Leistungselektronikanordnung bereitgestellt.
  • Die Leistungselektronikanordnung umfasst einen Kühlkörper zur Kühlung der Leistungselektronikanordnung, welcher eine Oberfläche aufweist. Ferner umfasst die Leistungselektronikanordnung eine Leiterplatte, welche auf der Oberfläche des Kühlkörpers angeordnet und mit dem Kühlkörper mechanisch und thermisch verbunden ist. Die Leiterplatte umfasst mindestens eine Sollbruchstelle, welche zum Ausgleich unterschiedlicher thermischer Ausdehnung zwischen dem Kühlkörper und der Leiterplatte ausgeführt ist.
  • Die Leiterplatte ist bei Einwirkung mechanischer Spannung infolge der unterschiedlichen thermischen Ausdehnung zwischen dem Kühlkörper und der Leiterplatte vorrangig entlang dieser Sollbruchstelle abbrechbar ausgeführt. Die Sollbruchstelle stellt somit eine strukturelle Schwächung der Leiterplatte an dieser Stelle dar. Dabei ist die Sollbruchstelle insb. eine Linie, entlang derer die Leiterplatte bei Einwirkung mechanischer Spannung (infolge der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungen zwischen dem Kühlkörper und der Leiterplatte) aufgrund der Kerbwirkung vorrangig abbrechen oder verformen kann. Mit der Sollbruchstelle ist somit ein kontrollierter Bruch bzw. eine kontrollierte Verformung der Leiterplatte ermöglicht. Durch diese Sollbruchstelle kann somit vermieden werden, dass die Leitplatte und somit auch die Leistungselektronikanordnung bei Einwirkung der mechanischen Spannung infolge der oben genannten unterschiedlichen thermischen Ausdehnung unkontrolliert an Stellen abbricht oder verformt, wo elektrische oder elektronische Bauelemente angeordnet sind oder elektrische Verbindungen verlaufen, welche wichtig für die, insb. sicherheitsrelevanten, Funktionen der Leistungselektronikanordnung sind.
  • Damit ist eine zuverlässige Leistungselektronikanordnung bereitgestellt.
  • Die Leiterplatte umfasst vorzugsweise mindestens zwei Leiterplattenabschnitte, welche von der mindestens einen Sollbruchstelle voneinander räumlich getrennt sind. Die Leistungselektronikanordnung umfasst vorzugsweise ferner mindestens zwei elektrische oder elektronische Bauelemente, welche in den mindestens zwei Leiterplattenabschnitten verteilt angeordnet sind. Die Leistungselektronikanordnung umfasst vorzugsweise ferner mindestens eine dehnbare elektrische Verbindung, welche die mindestens zwei elektrischen oder elektronischen Bauelemente miteinander elektrisch verbindet.
  • Dabei ist die mindestens eine dehnbare elektrische Verbindung vorzugsweise als ein gebondeter oder gelöteter Draht oder als eine Stromschiene ausgebildet, welche/r die Sollbruchstelle überspannt und die elektrischen oder elektronischen Bauelemente in den zwei Leiterplattenabschnitten miteinander elektrisch verbindet. Insb. ist der Draht oder die Stromschiene bogenförmig ausgebildet oder weist einen bogenförmigen Abschnitt auf.
  • Alternativ die mindestens eine dehnbare elektrische Verbindung vorzugsweise als mindestens eine dehnbare Leiterbahn ausgebildet ist, welche die mindestens zwei Leiterplattenabschnitte miteinander elektrisch und mechanisch verbindet.
  • Die mindestens eine Sollbruchstelle erstreckt sich vorzugsweise von einer Kante der Leiterplatte bis zu einer gegenüberliegenden Kante der Leiterplatte.
  • Vorzugsweise ist die mindestens eine Sollbruchstelle in Form einer Perforation ausgebildet.
  • Alternativ ist die mindestens eine Sollbruchstelle vorzugsweise in Form von einer Vertiefung, insb. in Form von einer Nut oder einer Kerbe, ausgebildet.
  • Alternativ ist die mindestens eine Sollbruchstelle als eine Dehnungsfuge ausgebildet.
  • Die Leiterplatte umfasst vorzugsweise ferner mindestens einen Sollbruchbereich, in dem sich die mindestens eine Sollbruchstelle erstreckt, und in dem keine Leiterbahnen und keine Anschlussstellen dieser Leiterplatte angeordnet sind, welche zur Herstellung elektrischer oder mechanischer, insb. schaltungstechnisch relevanter, Verbindungen von der Leiterplatte zu den elektrischen oder elektronischen Bauelementen oder zwischen den elektrischen oder elektronischen Bauelementen dienen.
  • Vorzugsweise ist die Leiterplatte als ein Keramiksubstrat, insb. als ein DCB-Substrat, ausgebildet oder umfasst diese ein Keramiksubstrat, bzw. ein DCB-Substrat.
  • Die Leistungselektronikanordnung ist insb. als Inverter oder allgemeiner Stromwandler ausgeführt. Die Leistungselektronikanordnung umfasst insb. Leistungshalbleiterschalter bzw. Leistungshalbleiterschalter-Gruppen (mit zueinander parallel geschalteten Leistungshalbleiterschaltern), wobei zwischen diesen die oben genannte Sollbruchstelle verläuft. Zwischen zwei Leistungshalbleiterschaltern bzw. Leistungshalbleiterschalter-Gruppen ist vorzugsweise jeweils eine zuvor beschriebene Sollbruchstelle angeordnet.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine elektrische Antriebsvorrichtung zum Antrieb eines Hybridelektro-/Elektrofahrzeugs bereitgestellt. Die Antriebsvorrichtung umfasst eine elektrische Maschine zum Antrieb des Hybridelektro-/Elektrofahrzeugs sowie eine zuvor beschriebene Leistungselektronikanordnung zum Bereitstellen von Phasenströmen für die elektrische Maschine. Dabei ist die Leistungselektronikanordnung zur Übertragung von Phasenströmen mit der elektrischen Maschine elektrisch verbunden.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der oben beschriebenen Leistungselektronikanordnung sind, soweit im Übrigen auf die oben genannte elektrische Antriebsvorrichtung übertragbar, auch als vorteilhafte Ausgestaltungen der elektrischen Antriebsvorrichtung anzusehen.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnung:
  • Im Folgenden wird eine beispielhafte Ausführungsform der Erfindung bezugnehmend auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen,
  • 1 in einer schematischen Vogelperspektivdarstellung eine Leistungselektronikanordnung für eine elektrische Antriebsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; und
  • 2 in einer schematischen Querschnittdarstellung eine Leistungselektronikanordnung für eine elektrische Antriebsvorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
  • Detaillierte Beschreibung der Zeichnung:
    Die Leistungselektronikanordnung LA1 in 1 umfasst einen Kühlkörper KK aus Aluminium, der auf einer Seite eine flache Oberfläche OF und auf einer von der flachen Oberfläche OF abgewandten Seite Kühlrippen KR zur Vergrößerung der Kühloberfläche aufweist.
  • Die Leistungselektronikanordnung LA1 umfasst ferner ein DCB-Substrat LP1 aus Keramik, das auf der Oberfläche OF des Kühlkörpers KK angeordnet ist und mit dem Kühlkörper KK mechanisch und thermisch verbunden ist. Das DCB-Substrat LP1 weist einen Sollbruchbereich BB, der von einer Kante des DCB-Substrats LP1 zu einer gegenüberliegenden Kante des DCB-Substrats LP1 erstreckt und das DCB-Substrat LP1 in einen ersten Abschnitt AB1 und einen zweiten Abschnitt AB2 räumlich aufteilt. Das DCB-Substrat LP1 weist ferner eine Sollbruchstelle BS1 auf, welche sich in Form von einer perforierten Sollbruchlinie durch die Mitte des Sollbruchbereichs BB von der einen Kante zu der anderen gegenüberliegenden Kante des DCB-Substrats LP1 erstreckt. Dabei hält die Sollbruchstelle BS1 zwar die beiden Abschnitte AB1, AB2 miteinander körperlich und mechanisch zusammen, stellt jedoch zugleich eine strukturelle Schwächung des DCB-Substrats LP1 an dieser Stelle dar, entlang derer das DCB-Substrat LP1 bei Einwirkung mechanischer Spannung vorrangig abbrechen kann.
  • Die Leistungselektronikanordnung LA1 umfasst ferner eine Anzahl von elektrischen oder elektronischen Bauelementen BE1, BE2, welche auf dem ersten und dem zweiten Abschnitt AB1, AB2 des DCB-Substrats LP1 verteilt angeordnet sind. Die Bauelemente BE1 in dem ersten Abschnitt AB1 sind miteinander über Leiterbahnen LB1 elektrisch verbunden, welche sich ausschließlich in dem ersten Abschnitt AB1 erstrecken. Analog sind die Bauelemente BE2 in dem zweiten Abschnitt AB2 miteinander über weitere Leiterbahnen LB2 elektrisch verbunden, welche sich ausschließlich in dem zweiten Abschnitt AB2 erstrecken.
  • Keine der Leiterbahnen LB1, LB2 durchgekreuzt den Sollbruchbereich BB, der demzufolge frei von Leiterbahnen ist. Der Sollbruchbereich BB ist zudem frei von Anschlussstellen, welche zur mechanischen, elektrischen oder thermischen Verbindungen zwischen dem DCB-Substrat LP1 und dem Kühlkörper KK, zwischen dem DCB-Substrat LP1 und den Bauelementen BE1, BE2 bzw. zwischen den Bauelementen BE1, BE2 vorgesehen sind.
  • Die Leistungselektronikanordnung LA1 umfasst ferner eine dehnbare Stromschiene SS, welche die Bauelemente BE1 in dem ersten Abschnitt AB1 mit den Bauelementen BE2 in dem zweiten Abschnitt AB2 elektrisch verbindet. Dabei weist die Stromschiene SS einen gebogenen elastischen bzw. verformbaren Bereich GB auf, der den Sollbruchbereich BB bogenförmig überspannt.
  • Die Leistungselektronikanordnung LA1 umfasst ferner mindestens eine elektrische Verbindung EV, welche von dem ersten Abschnitt AB1 des DCB-Substrats LP1 weggeht und dazu dient, elektrische Verbindungen zwischen der Leistungselektronikanordnung LA1 und einer in der Figur nicht dargestellten elektrischen Maschine der elektrischen Antriebsvorrichtung herzustellen.
  • Beim Betrieb der Leistungselektronikanordnung LA1 entsteht in den Bauelementen BE1, BE2 und in den Leiterbahnen LB1, LB2 Verlustleistungen in Form von Abwärme, welche einen Temperaturanstieg bei dem DCB-Substrat LP1 führt. Die Abwärme wird teilweise von dem Kühlkörper KK aufgenommen und über die Kühlrippen KR in die Umgebung abgegeben. Dadurch, dass der Kühlkörper KK und das DCB-Substrat LP1 aus unterschiedlichen Materialen bestehen, weisen diese unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten auf und dehnen sich unter Einwirkung der Abwärme unterschiedlich aus. Dadurch entsteht zwischen dem Kühlkörper KK und dem DCB-Substrat LP1 eine mechanische Spannung. Wird die mechanische Spannung zu groß, so kann das DCB-Substrat LP1 entlang der Sollbruchstelle BS1 abbrechen und dadurch die mechanische Spannung kompensieren. Durch die dehnbare Stromschiene SS, insb. durch den gebogenen Bereich GB der Stromschiene SS, bleibt die elektrische Verbindung zwischen den Bauelementen BE1, BE2 in den beiden Abschnitten AB1, AB2 selbst nach dem Bruch des DCB-Substrats LP1 entlang der Sollbruchstelle BS1 aufrechterhalten.
  • Die Leistungselektronikanordnung LA2 in 2 unterscheidet sich von der in 1 dargestellten Leistungselektronikanordnung LA1 dadurch, dass die Leistungselektronikanordnung LA2 in 2 eine Sollbruchstelle BS2 aufweist, welche als eine Dehnungsfuge DF ausgebildet ist und die beiden Abschnitte AB1, AB2 des DCB-Substrats LP2 der Leistungselektronikanordnung LA2 voneinander körperlich vollständig getrennt.
  • Das DCB-Substrat LP2 weist eine Leiterbahn LB auf, welche dehnbar ausgeführt ist und die Dehnungsfuge DF überspannt und somit die beiden Abschnitte AB1, AB2 miteinander mechanisch und körperlich zusammenhält und die elektrischen bzw. elektronischen Bauelemente BE1, BE2 in den beiden Abschnitten AB1, AB2 miteinander elektrisch verbindet.
  • Durch Ausdehnung kompensiert die dehnbare Leiterbahn LB bei Vergrößerung der Dehnungsfuge DF zwischen den beiden Abschnitten AB1, AB2 infolge der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungen zwischen dem DCB-Substrat LP2 und dem Kühlkörper KK infolge der verlustleistungsbedingten Abwärme.
  • Die Verformbarkeit der Stromschiene SS bzw. die Dehnbarkeit der Leiterbahn LB ergibt sich dadurch, dass die Stromschiene SS bzw. die Leiterbahn LB aus Metall bzw. Metalllegierung, insb. aus Kupfer oder Kupferlegierung, hergestellt ist und somit sich (im Vergleich zu dem vergleichsweise starren DCB-Substrat LP1 bzw. LP2 geringfügig) verformen bzw. dehnen lässt, ohne dabei zu reißen.

Claims (10)

  1. Leistungselektronikanordnung (LA1; LA2), umfassend: – einen Kühlkörper (KK) mit einer Oberfläche (OF); – eine Leiterplatte (LP1; LP2) auf der Oberfläche (OF), welche mit dem Kühlkörper (KK) mechanisch und thermisch verbunden ist und mindestens eine Sollbruchstelle (BS1; BS2) zum Ausgleich unterschiedlicher thermischer Ausdehnung zwischen dem Kühlkörper (KK) und der Leiterplatte (LP1; LP2) umfasst.
  2. Leistungselektronikanordnung (LA1; LA2) nach Anspruch 1, wobei – die Leiterplatte (LP1; LP2) mindestens zwei Leiterplattenabschnitte (AB1, AB2) umfasst, welche von der mindestens einen Sollbruchstelle (BS1; BS2) voneinander räumlich getrennt sind; wobei die Leistungselektronikanordnung (LA1; LA2) ferner umfasst: – mindestens zwei elektrische oder elektronische Bauelemente (BE1, BE2), welche in den mindestens zwei Leiterplattenabschnitten (AB1, AB2) verteilt angeordnet sind; – mindestens eine dehnbare elektrische Verbindung (SS; LB), welche die mindestens zwei elektrischen oder elektronischen Bauelemente (BE1, BE2) miteinander elektrisch verbindet.
  3. Leistungselektronikanordnung (LA1) nach Anspruch 2, wobei die mindestens eine dehnbare elektrische Verbindung als ein gebondeter oder gelöteter Draht oder als eine Stromschiene (SS) ausgebildet ist, wobei der Draht bzw. die Stromschiene (SS) einen gebogenen Bereich (GB) aufweist, der die mindestens eine Sollbruchstelle (BS1) überspannt.
  4. Leistungselektronikanordnung (LA2) nach Anspruch 2, wobei die mindestens eine dehnbare elektrische Verbindung als mindestens eine dehnbare Leiterbahn (LB) ausgebildet ist, welche die mindestens zwei Leiterplattenabschnitte (AB1, AB2) miteinander mechanisch verbindet.
  5. Leistungselektronikanordnung (LA1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die mindestens eine Sollbruchstelle (BS1) in Form einer Perforation ausgebildet ist.
  6. Leistungselektronikanordnung (LA1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die mindestens eine Sollbruchstelle (BS1) in Form von einer Vertiefung, insb. in Form von einer Nut oder einer Kerbe, ausgebildet ist.
  7. Leistungselektronikanordnung (LA2) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die mindestens eine Sollbruchstelle (BS2) als eine Dehnungsfuge (DF) ausgebildet ist.
  8. Leistungselektronikanordnung (LA1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Leiterplatte (LP1) ferner mindestens einen Sollbruchbereich (BB) umfasst, in dem sich die mindestens eine Sollbruchstelle (BS1) erstreckt, und in dem keine Leiterbahnen dieser Leiterplatte (LP1) und keine Anschlussstellen dieser Leiterplatte (LP1) zur Herstellung elektrischer oder mechanischer Verbindungen zu elektrischen oder elektronischen Bauelementen (BE1, BE2) angeordnet sind.
  9. Leistungselektronikanordnung (LA1; LA2) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Leiterplatte (LP1; LP2) ein Keramiksubstrat, insb. ein DCB-Substrat, umfasst.
  10. Elektrische Antriebsvorrichtung zum Antrieb eines Hybridelektro-/Elektrofahrzeugs, umfassend: – eine elektrische Maschine zum Antrieb des Hybridelektro-/Elektrofahrzeugs; – eine Leistungselektronikanordnung (LA1; LA2) nach einem der vorangehenden Ansprüche zum Bereitstellen von Phasenströmen für die elektrische Maschine, wobei die Leistungselektronikanordnung (LA1; LA2) zur Übertragung von Phasenströmen mit der elektrischen Maschine elektrisch verbunden ist.
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